Introduzione all'interferometria terrestre a microonde per il controllo remoto di spostamenti e vibrazioni

La tecnica dell’interferometria a microonde, ampiamente utilizzata per studiare i cambiamenti nell’elevazione della superficie terrestre basata su immagini satellitari, è utilizzata da diversi anni anche per il rilevamento a terra degli spostamenti di strutture, fronti di frana e valanghe. Grazie all’elevata frequenza di registrazione della posizione dei punti osservati e all’ottima risoluzione ed accuratezza, sta diventando un metodo alternativo alle tecniche di rilevamento attualmente utilizzate. 

Il principio di funzionamento del sistema radar si basa sull’osservazione di una superficie di indagine e non di singoli punti prestabiliti. Il radar trasmette un segnale che illumina la parte della struttura da analizzare e il segnale registrato consente la misura degli spostamenti di più elementi riflettenti con elevata accuratezza. Il radar interferometrico terrestre consente un monitoraggio non invasivo e continuo degli spostamenti lenti e veloci degli elementi illuminati.


La tecnica interferometrica

L’interferometria è una tecnica che consente di determinare l’entità dello spostamento di un oggetto confrontando le informazioni di fase delle onde elettromagnetiche riflesse dall’oggetto in diversi istanti di tempo.

In generale le onde elettromagnetiche riflesse in tempi diversi da un oggetto illuminato, differiscono almeno nell’informazione relativa alla fase, al variare della posizione dell’oggetto rispetto alla fonte di emissione e ricezione delle onde.

La misura di spostamento (d) dell’oggetto sotto indagine è ricavata dall’informazione della variazione della fase (Δj) misurata dal sensore radar nei diversi istanti di acquisizione. La misura di spostamento e la misura della variazione di fase sono legate dalla seguente relazione:

 

Formula onde elettromagnetiche

La figura 1 illustra il principio di funzionamento della tecnica interferometrica.

 

Come funziona la tecnica interferometrica

IMMAGINE 1: Principio di funzionamento della tecnica interferometrica

 

Le prime applicazioni della tecnica interferometrica sono state svolte da satellite per il rilevamento dello spostamento di quota di ampie zone di terreno, con risoluzioni sul terreno dell’ordine di metri: adesso la stessa tecnica può essere adoperata utilizzando radar installati a terra i quali consentono di illuminare zone di interesse limitate con risoluzioni molto spinte, dell’ordine del centesimo di millimetro.

È importante sottolineare che i sistemi interferometrici sono in grado di misurare spostamenti nella direzione di vista del sistema (direzione radiale), cioè lo spostamento nella direzione che congiunge il sistema alla struttura o area da monitorare.

Il cuore del sistema interferometrico è costituito da un sensore elettromagnetico basato sulla tecnica di funzionamento Stepped Frequency – Continuous Wave.

Questa tecnica permette al sistema denominato IBIS (Image By Interferometric Survey) di ottenere una immagine monodimensionale dello scenario di interesse con elevata risoluzione in distanza (range resolution) grazie alla trasmissione di una serie di onde elettromagnetiche di lunga durata (Continuous Wave) a frequenza diversa (Stepped Frequency) (Fig. 2).

 

Schematizzazione del segnale trasmesso nel tempo

IMMAGINE 2: Schematizzazione del segnale trasmesso nel tempo

 

 

Utilizzando questa tecnica il sistema è in grado di avere una risoluzione in distanza di 75cm, indipendente dalla massima distanza misurabile. Il singolo volume elementare ΔR è chiamato Range Bin (Fig. 3). Il ΔR è imposto dalle leggi nazionali che, in Italia, impongono l’utilizzo massimo di banda utilizzabile pari a 200 MHz.

 

Cella di risoluzione – Range Bin

IMMAGINE 3: Cella di risoluzione – Range Bin

 

L’interferometro ha capacità di misura multi-punto, cioè è in grado di risolvere lo scenario in direzione radiale, rilevando la posizione in range di differenti target posti lungo la linea di vista (line of sight).

Praticamente è come se lo spazio tra lo strumento e lo scenario da illuminare venisse diviso in tante porzioni radiali di larghezza pari a 75 cm e che se all’interno di esse vi è presente uno o più oggetti riflettenti, lo strumento è in grado di identificarli e di misurarne lo spostamento (Fig. 4).

Il risultato che si ottiene preliminarmente illuminando un’area è un grafico in cui si ha sulle ascisse la distanza percorsa delle onde elettromagnetiche e sulle ordinate l’ampiezza della riflessione degli oggetti identificati.

 

Rappresentazione di profilo radar in direzione range

IMMAGINE 4: Rappresentazione di profilo radar in direzione range

 

 

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Il presente articolo fa parte degli ATTI DEL CONGRESSO NAZIONALE 2019 DELL’ASSOCIAZIONE MASTER