Il monitoraggio dinamico delle strutture e delle infrastrutture con interferometria radar terrestre

1. INTRODUZIONE
Nell’ultimo decennio si è assistito ad un crescente sviluppo di soluzioni tecniche innovative di metodi osservazionali (Peck, 1969) per la caratterizzazione esaustiva e speditiva delle proprietà dinamiche di strutture ed infrastrutture e per il monitoraggio periodico dello stato di conservazione delle stesse, noto nella letteratura scientifica come “Structural Health Monitoring” (SHM) (Balageas et al., 2006). In particolare, tra le tecnologie emergenti in tale ambito, i sistemi di telerilevamento (Mazzanti, 2012) hanno avuto un ruolo predominante. Tra le tecniche di telerilevamento più efficaci per lo SHM figura l’Interferometria Radar Terrestre (Brunetti & Mazzanti, 2015; Mazzanti et al., 2015; Mazzanti et al., 2013; Bernardini et al., 2007; Hanssen, 2001), la cui efficacia è oggigiorno pienamente comprovata.

Grazie agli evidenti vantaggi offerti da tale tecnica (come la rapidità di installazione della strumentazione e di acquisizione dei dati, l’elevata risoluzione spaziale e temporale di campionamento, ecc.), questa viene sempre più frequentemente impiegata soprattutto per la valutazione speditiva di alcune caratteristiche strutturali (come le frequenze proprie di vibrazione, le forme modali e le ampiezze di oscillazione, i fattori di smorzamento, ecc.) di ponti, viadotti, edifici ed altre tipologie di strutture civili ed industriali, fornendo risultati del tutto paragonabili a quelli ottenuti attraverso altre tecniche convenzionali di monitoraggio “da contatto” come, ad esempio, reti di sensori velocimetrici e/o accelerometrici installati sulle strutture (Pieraccini et al., 2008; Atzeni et al., 2010; Gentile & Bernardini, 2010; Cunha et al., 2001; Mazzanti et al., 2014).

Tali caratteristiche rendono la tecnica idonea per rapide ricognizioni dei principali parametri strutturali, anche in condizioni di emergenza, abbattendo i costi legati alle onerose fasi progettuali e di installazione tipiche di altre tecniche convenzionali a contatto.

2. PRINCIPI DI BASE DELL’INTERFEROMETRIA RADAR TERRESTRE
L’Interferometria Radar Terrestre (TInRAR) è una tecnica di telerilevamento attraverso la quale è possibile misurare simultaneamente gli spostamenti di numerosi punti di edifici, strutture o altri elementi antropici e naturali, con elevate frequenze di campionamento del dato, consentendo di eseguire contestualmente sia analisi statiche che dinamiche (misura delle vibrazioni).

Tale misura viene eseguita completamente in remoto, ovvero senza l’installazione di altri sensori o riflettori a contatto con la struttura, sfruttando pertanto la naturale riflettività alle microonde degli elementi presenti nello scenario irradiato. In particolare, il sensore TInRAR è costituito da un radar interferometrico ad apertura reale “coerente” (in grado quindi di emettere impulsi radar a lunghezza d’onda nota), dotato di una o più antenne emittenti e riceventi (Figura 1).

La tecnica interferometrica consente il calcolo degli spostamenti lungo la linea di vista strumento-scenario (LOS), attraverso il confronto delle informazioni di fase dell’onda elettromagnetica emessa e riflessa a differenti intervalli temporali. Lo spostamento è quindi calcolato, simultaneamente, su un elevato numero di punti della struttura, attraverso la relazione fondamentale riportata in Figura 2.

Figura 1: esempi di sistemi radar interferometrici terrestri.

Figura 2: principio interferometrico per il calcolo degli spostamenti (d = spostamento misurato; λ = lunghezza d’onda emessa; φ = misura della fase grezza per ogni acquisizione).

In Figura 3 si riporta uno schema rappresentativo della modalità di acquisizione di un sistema TInRAR: l’area investita dal fascio d’onda radar viene discretizzata in celle di risoluzione “monodimensionali” nella direzione di range (ovvero lungo la linea di vista strumentale). Per ogni cella di risoluzione è possibile ricavare due parametri fondamentali:
i) Ampiezza: fornisce informazioni in merito alla capacità dei target naturalmente presenti nello scenario investigato di riflettere le onde radar;
ii) Fase: consente di eseguire misure di spostamento attraverso il confronto tra acquisizioni eseguite a diversi intervalli temporali.
Oggetti ricadenti all’interno della medesima cella di risoluzione non sono pertanto discriminabili e contribuiscono ad un unico contributo di riflessione.
In Figura 4 si riporta uno schema rappresentativo di alcune geometrie di monitoraggio TInRAR per diverse tipologie di strutture, con la proiezione delle rispettive celle di risoluzione.

Figura 3: schema rappresentativo delle modalità di acquisizione di un sistema TInRAR.

Figura 4: schema rappresentativo di alcune geometrie di monitoraggio TInRAR per diverse tipologie di strutture: a) torri; b) ponti.

Le portate strumentali tipiche dei sensori attualmente in commercio variano da alcune centinaia di metri fino ad alcuni km.

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• PRINCIPALI CRITERI PER LA PROGETTAZIONE DI UN MONITORAGGIO DINAMICO CON TECNICA TInRAR
• ESEMPI APPLICATIVI 

Articolo a cura di

NHAZCA S.r.l., spin-off "Sapienza" Università di Roma
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