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Il georadar ha dimostrato di essere uno strumento eccellente per la valutazione non distruttiva delle strutture murarie. Le applicazioni del sistema GPR includono l'identificazione dei difetti dietro i muri di sostegno e all'interno degli intonaci con la localizzazione dei danni causati dall'umidità. Gli attuali sistemi, tuttavia, possono fornire solo informazioni limitate dal punto di vista della risoluzione e della penetrazione del segnale elettromagnetico. Per affrontare i limiti dei sistemi esistenti, si intende intraprendere un progetto di ricerca per sviluppare un GPR compatto ad alta frequenza per le applicazioni su murature. In questo rapporto verrà descritto il primo sistema prototipo.

Prendersi cura del patrimonio culturale, con particolare riguardo alle strutture archeologiche sepolte, richiede interventi atti a non alterare o danneggiare non solo i resti antichi, sia visibili che ancora sepolti, ma anche le zone a essi immediatamente circostanti. L'interesse principale, nel campo degli studi combinati geofisica-archeologia si è rivolto alla metodologia geofisica nota come georadar (o, con il termine anglosassone, Ground Penetrating Radar - GPR). Questa tecnologia si è ormai affermata come una delle migliori e più versatili applicazioni geofisiche in campo archeologico. Infatti, il georadar è particolarmente adatto per fornire dati ad alta risoluzione e per individuare elementi non ancora riportati alla luce. Nel presente caso in studio vengono riportati i risultati di rilievi georadar resisi necessari in tre aree interessate dallo scavo del tunnel legato al progetto Interconnessione TAP. In queste aree, infatti, un primo saggio di scavo aveva messo in evidenza la presenza di strutture di interesse archeologico.

Il presente contributo riporta i risultati relativi all'integrazione e all'interpretazione di dati geofisici acquisiti in due aree della città di Matera: Piazza San Giovanni, situata ai margini dell'antico rione dei Sassi, e nella Villa dell'Unità d'Italia, situata nell'area urbana.

Questa nota riporta i risultati ottenuti dalle indagini geofisiche realizzate nella città di Matera da ricercatori e tecnici di due Istituti del CNR, quali IMAA ed IREA, della Geostudi Astier di Livorno e di Ingegneria dei Sistemi (IDS) di Pisa. Grazie all'applicazione congiunta di due tecniche caratterizzate da una diversa risoluzione spaziale, quali la Tomografia di Resistività Elettrica (ERT) ed il Ground Penetrating Radar (GPR), è stato possibile ricostruire dettagliatamente l'assetto geologico-strutturale dei primi metri di sottosuolo ed individuare la presenza di oggetti di natura antropica (sottoservizi) e naturale (cavità) nell'area di Piazza Duomo, situata nel quartiere della Civita a ridosso dei Rioni Sassi.

INTRODUCTION. In the last two decades ground-based geophysical techniques have gained a prominent role in archaeological research projects thanks to ability to localize underground structures or geological body by measuring the variation, or anomalies, of physical properties existing between them and the hosting materials. When applied in archaeology geophysical surveys can reveal the location of buried archeological features and lead to their identification. However, the effectiveness of geophysical techniques applied in archeology is closely linked to the nature and the level of complexity of the buried deposit. If these techniques are used in sites characterized by multi-layered or strongly altered deposits, the survey results may be impaired, severely limiting their contribution to the historical and archaeological reconstruction of the investigated site. AIM OF THE STUDY. This research project has set two main objectives: i) to evaluate the potential of geophysical prospecting in extracting information in deeply stratified archaeological sites and ii) to test their effectiveness in a contemporary urban setting. MATHERIAL AND METHODS. The main geophysical technique applied was the Ground Penetrating Radar (GPR). The surveys were carried out using different systems (SIR 3000 GSSI and RIS Hi-Mod IDS) with antennas at different frequencies (from 200 MHz to 900 MHz). GPR data sets have been collected along closely spaced parallel profiles (0.25 to 0.125 m). Data were analyzed using different display methods: radargrams, amplitude depth-slices and three-dimensional models of isosurfaces. GPR data have been merged with historical and archaeological data (vector map of archaeological survey, Digital terrain Models - DTM, historical documents and historical maps) in a Geographic Information System (GIS) with ArcGIS software. ArcGIS is able to import the results of GPR surveys in raster format (amplitude depth-slices) and as three-dimensional models in Multipatch format. Data can be associated with attribute tables and the ArcScene module allows to display them three-dimensionally. Four sites in the historical center of Padua were studied integrating into a GIS the results of GPR surveys with historical and archeological data, two inside religious buildings (the Cathedral and the Church of the Eremitani) and two open areas who insisted on the structures of the ancient palace of the Carraresi. The other case study, focused on the integration of stratigraphic data obtained from archaeological excavations, with those of the geophysical surveys, was carried out in the Roman city of Aquileia (UD). RESULTS. The integration of the GPR survey of the Cathedral with the available historical maps allowed to recognize the position of a group of tombs that belonged to the previous Romanesque cathedral. It was possible to assume the position of the aisles of transept and of the crypt of the old building. The analysis of the isosurfaces model allowed to hypothesize the presence of a vaulted roof in burials identified below the existing pavement of the Eremitani Church. Moreover, the integration of data about burial distribution in the GIS was consistent with the possible presence in the church of a rood screen demolished in the sixteenth century. In both cases, the two GPR surveys revealed a reduced signal penetration (1-1.2m) and did not allow to identify the remains of walls linked to previous structures. The investigations carried out at the square in front of the Cathedral allowed to relate a series of walls with a complex of buildings dating from XI to XVIII century, when GPR data were compared with historical and archeological data in a GIS. The surveys performed in the palace of the Carraresi showed the presence (and state of preservation) of some portions of the XIV century complex. The same survey identified some previous structures, perhaps dating back to the Roman period. Finally, it was developed a rapid and effective approach for ground-truthing geophysical survey anomalies in the survey done in the Roman city of Aquileia. Moreover, the developed approach could assess the level of resolution of GPR survey by comparing the three-dimensional models of isosurfaces with a DTM from the excavation site obtained with the Structure from Motion technique - SFM.

Integrazione di tecniche non invasive per la conoscenza strutturata degli edifici storici. Il caso studio del convento di San Francesco a Folloni (AV)

Dall'anno 2012 sono in corso, presso il Consiglio Nazionale delle Ricerche (Istituto per le Tecnologie applicate ai Beni culturali - ITABC), una serie di indagini relative all'area di S. Balbina in Roma, immediatamente ad ovest delle Terme di Caracalla, sulla sommità nord-occidentale del cosiddetto Aventino minore. Il complesso di edifici che caratterizza l'area è costituito dalla paleocristiana basilica di S. Balbina e, a nord, dall'adiacente ex convento (successivamente carcere minorile e oggi sede dell'Istituto Pubblico di Assistenza e Beneficenza - IPAB - "Santa Margherita"), che gravita su due vasti cortili posti a quote diverse (più alto quello a nord, più basso di circa 10 m. quello a sud), separati da un braccio di fabbrica parallelo all'asse longitudinale della basilica; su di questo, nel punto di intersezione con il versante occidentale dell'ex convento, si innalza una torre medievale. La campagna di indagini diagnostiche geofisiche per l'acquisizione di informazioni sulla presenza e la localizzazione di strutture sepolte nell'area del complesso di S. Balbina, compiuta nel mese di novembre 2013, ha permesso di mettere i dati ricavati in correlazione con quanto emerso dai rilevamenti delle emergenze note e dalla documentazione storica, iconografica e archivistica. Le indagini, per le quali è stato impiegato il metodo georadar ad alta risoluzione, sono state in questa fase concentrate nel cortile inferiore del complesso, nei settori denominati area A, B, C, D e E.

In an especially built-up area, such as the lower slopes of Etna volcano, the effects of surface faulting, caused by coseismic ruptures and aseismic creep, contribute significantly to increase the risk to towns and villages and their related infrastructure. This study aims to couple the geophysical and structural characteristics of an active fault zone, joining surficial and deep information, in the area of San Gregorio di Catania (Sicily — Italy). The occurrence of this structure and its associated fracture field were related to variations in the physical and mechanical properties of the hosting rocks. Surface structural survey detected a fracture zone with maximum width of 40 m, characterized with fractures oriented consistently with the kinematics of the fault. The geophysical surveys (ground penetrating radar, seismic tomography, and refraction microtremor), enabled to detect highly fractured rock volumes at variable depth whose occurrence has been linked to the presence of the fault at surface. The integration of various techniques, with different spatial resolution and depth range, allowed to fully reconstruct the 3D geological structure of the site down to about 15 m.

Il gruppo di geofisica dell'Istituto per l'Ambiente Marino Costiero del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-I.A.M.C.) di Napoli ha eseguito una prospezione GPR 3D in un'area in prossimità della foce del Fiume Volturno. Tali indagini sono state realizzate nell'ambito del progetto PON I-AMICA (Infrastruttura di Alta tecnologia per il Monitoraggio Integrato Climatico-Ambientale -) - O.R. 2.3. L'area test della prospezione si trova lungo il tratto terminale del fiume Volturno, in sinistra orografica ed a poche centinaia di metri dalla sua foce, ad una quota media di 2 metri sul l.m.m. Lo scopo di questa campagna è stato quello di investigare i primi 2-3 metri del sottosuolo per determinare la geometria e la natura degli strati superficiali e di fornire le caratteristiche giaciturali dei terreni presenti nell'area investigata.

In the last years, the detection and monitoring of contaminants in non-aqueous phase commonly called non-acqueous phase liquids (NAPLs) are becoming very important for the remediation of contaminated sites. The NAPLs are divided into two main categories: the light-NAPLs (LNAPLs) which include light pollutants with a density less than water and dense-NAPLs (DNAPLs) with a density greater than that of water. LNAPs are part of the aromatic hydrocarbons such as toluene, benzene and derivatives, xylene, etc., which tend to form "pools" and spread laterally in the presence of water because of their low density (Lesage and Jackson, 1992), in fact, in case of contact with an aquifer they tend to remain insoluble on the surface of the aquifer becoming a danger of contamination to the environment. DNAPLs are part of the chlorinated solvents, compounds derived from hydrocarbons by aliphatic and cyclic hydrocarbons such as tetrachlorethylene (PCE), trichlorethylene (TCE), carbon tetrachloride, etc.. They are for the most part, a very good solvent power, propellant, refrigerant and low flammability. Due to their characteristics, are widely used in chemical, textile, rubber, plastics, fire extinguishers, coolants, in degreasing and cleaning of metals, leathers and fabrics. The DNAPLs can reach considerable depth because of their higher density than water and are considered the most common cause of contamination of the subsoil. After their release into the environment, the DNAPL migrates, by gravity, through the vadose zone and, soon as it encounters in its path the aquifer, because of its high density, tends to move downwards, until it finds one low permeability layer. In its downward movement, part of the DNAPL remains trapped between the pores of the medium passing through, creating bodies of discontinuous (residues). When passing through the flap, part of the DNAPL, still in phase separate, dissolves contaminating the aquifer. The DNAPL, it is usually not consist of a single chemical component, for which, in water, the various components will be dissolved in various quantities according to their own solubility. The dissolved phase of the DNAPL, therefore, moves with the movement of the groundwater flow going to contaminate in this way also areas very distant from the initial point of release. The hydro-geological characteristics of the site, joined to the unstable behavior of the DNAPL, causes the condition of a site contaminated by DNAPL is complex comprising pollutants being separated, dissolved and gaseous or to the exclusion of the gas phase can contaminate the subsoil for long periods (Illangasekare et al, 1995). Although the process of mass transfer at the water / DNAPL is well known, the process that occurs in natural systems under real complex morphologies and hydrogeological situations, continues to be the subject of many studies (Page et al., 2007). The distribution of the DNAPL is typically influenced and controlled by the heterogeneity of the porous medium involved (Shwille, 1988; Kueper and Frind, 1991), then in order to understand in detail the behavior of the DNAPL inside the medium, there is a need detailed knowledge of the subsurface. There have been many studies regarding both laboratory scale (Power et al., 1998; Saba & Illangasekare, 2000) and at the level of theoretical models (Nambi & Powers, 2003; Bradford et al., 2003; Parker & Park, 2004). In any case, the influence of the heterogeneity of the medium on the migration of the DNAPL still remains uncertain (Soga et al., 2004; Fure et al., 2006). Even in theory, the interpretation of the phenomenon is complex because it is impossible to recreate the real distribution of DNAPL in the subsurface (Brusseau et al., 2007). In fact, in the soil, the separate phase of the DNAPL may not be present as a continuous phase and the extension of the contaminated area, the separate phase and the dissolved phase, is highly dependent on physical-chemical properties of the medium and of the contaminant. Both phases, separated and dissolved, may be present in the same area in different percentages and the transition zone, between the contaminated area and the non-contaminated, depends only on the physical characteristics of the soil and of the fluids contained in it. The source of contamination, the extension of the plume of contamination and saturation of the DNAPL in relation to the depth are usually determined using monitoring wells, coring, etc.. In addition to these direct methods, however, are attributed to high costs and considerable disadvantages due to the worsening of the situation of contamination of the site, as they may convey the DNAPL from deep to superficial layers, provide timely hardly be extended to large areas, etc.. It is clear that a detailed characterization and precise monitoring of the sources of contamination are essential points for a reclamation project (Kavanaugh et al., 2003). And for this, where there is significant heterogeneity of the subsoil, the conventional direct methods and intrusive sampling in groundwater may be insufficient, since the information they gain is restricted to vertical profiles and sampling point and not extended to entire area contaminated (Chambers et al., 2010). To try to solve these problems, in the last years are increasingly claiming the use of indirect methods for the detection and monitoring of sites contaminated by DNAPL (U.S. EPA, 2004). These methods have the advantage of producing information on the entire contaminated area at low cost and in a relatively short time being sensitive to changes of the physical properties of the fluids which go to investigate. To date, the research on the applicability of these methods, has proved their worth in the detection of DNAPLs, but has not yet been able to verify which of the different phases of the DNAPL (separate, dissolved and gaseous) you can actually receive and distinguish if actually may be able to give answers selective on the phases of the contaminant. One of the objectives of this thesis is precisely to verify, through the integration of different electromagnetic methods (Ground Penetrating radar, electric measurements and permittivity measurements (Time Domain Reflectometry)), the effective potential of some of the electromagnetic methods in the detection of the different phases in which DNAPL divides the inside of a porous medium saturated. For this objective, two experiments were carried out in the laboratory, in a controlled environment, using two different devices. For both experiments, it was decided to use a homogeneous porous medium saturated, placed inside the tanks. DNAPL was used as a chemical is not toxic (HFE-7100) as similar physical characteristics to trichlorethylene (TCE). In the first experiment were carried out the tests only with the GPR method; in the second experiment, instead, were carried out all the tests listed above: GPR, electrical measurements of resistivity and direct measurements of permittivity through the TDR method. For what concerns the GPR it was decided to use an antenna multicomponent 4 channels placing another objective which is to check if there might be a preference in the detection of the DNAPL through a channel rather than with another, evaluating the extent to which the components of the electromagnetic field could be sensitive to the presence of the contaminant. In Chapter 1 of this thesis highlight the main aspects related to the state of the art on the study of contaminated sites, it examines the complex dynamics of migration of DNAPL in a porous medium in terms of physico-chemical and shows the importance of the study of theoretical models as a complement to assist the interpretation of real data. In Chapter 2 there is a hint on the fundamentals of electromagnetic theory of the different methods used in the two experiments referring insights in basic texts In Chapter 3 we explain in detail all the materials, methods, instrumentations used in two laboratory experiments. I describe the preliminary laboratory tests that were conducted prior to the performance of the experiments and show the results of theoretical models developed for both measures that GPR for electric ones. The theoretical model GPR is primarily used to study a multiphase system (air, water, sand, DNAPL), quite similar to the real case, creating cases at different saturation conditions, to help interpret and validate the results obtained from the real case. With the theoretical model electric, instead, it is attempted to understand what might be the edge effects induced by the small size of the devices used. Through the model, in fact, it was decided to analyze the data relating to the minimum distance electrode in order to avoid edge effects linked to the walls of the device. It is also seen as a margin of error there might be to consider the apparent resistivity measured as real resistivity. In Chapter 4, have been presented in detail all the results in the two experiments. As regards the results GPR were analyzed the variations of the delay times of the reflections of the electromagnetic wave inside the tank and the spectra of the amplitudes for the 4 channels of the antenna. For electrical measurements, have been mapped variations in apparent resistivity inside the tank in different moments of the experiment. The TDR measures, however, have served to have a direct measure of changes in permittivity (ε) in the neighborhood of the point of entry of contaminant during the various phases of the experiment. In Chapter 5, finally, we have drawn the conclusions of the work of thesis highlighting how, through the use of different electromagnetic methods, we can begin to have a clearer landscape on the potential of these geophysical methods (GPR, and electrical measurements TDR) for the interpretation of the complex scenario that is created in a site contaminated by DNAPL. The simultaneous use in a controlled experiment of these methods electromagnetic led to understand that, through a thorough study of the variations in physical properties of the contaminated medium we can distinguish the dynamics of the slow migration and transformation of the contaminant within the vehicle and can be perhaps arrive to discriminate the different phases of the contaminated (separate, dissolved and gaseous). This is certainly a first step towards a better understanding of the complex migration behavior of DNAPLs can be considered as an advance on the knowledge of the responses of these methods and a starting point for future developments.

Nel territorio di Coseano, che è stato profondamente trasformato dai riordini fondiari, l’unica testimonianza generalmente considerata riconducibile ad epoca protostorica è il tumulo artificiale, molto rimaneggiato, su cui sorge la chiesetta di S. Giovanni. Che il rialzo noto agli archeologi come “tumulo di Barazzetto” fosse in origine un monumento funerario dell’età del bronzo è ovviamente solo un’ipotesi, peraltro accreditata dall’autorità di Lodovico Quarina e dall’uso dei microtoponimi Tùmbare e Mùtare per designare il sito. Poiché la presenza del piccolo edificio di culto rende estremamente arduo condurre scavi all’interno del monumento (sarebbe questa l’unica forma veramente risolutiva di accertamento archeologico), per ottenere informazioni sul probabile tumulo senza alterarne l’aspetto il gruppo di ricerche protostoriche dell’Università di Udine ha inserito questa struttura tra un piccolo numero di tumuli che ha ritenuto opportuno sottoporre ad una serie di prospezioni geofisiche. L’indagine è stata affidata dal gruppo di esplorazione geofisica dell’Università di Trieste coordinato dal prof. Michele Pipan e condotta dal dott. Emanuele Forte coadiuvato dai collaboratori dott. Gianluca Foti e dott. Alessandro Pavan.

Sia la tecnica GPR che la Sismica Passiva si sono rivelate preziose nel fornire una mappa del suolo al disotto delle chiese di San Pietro e Santa Maria Maggiore, fornendo nuovi elementi oggettivi per ricostruire le loro vicissitudini architettoniche. In particolare, in San Pietro e’ stato possibile localizzare 1) il pavimento della antica chiesa romanica, 2) una sepoltura non nota e, davanti ad essa nella via Indipendenza, 3) il pavimento antico, probabilmente di epoca romana. Nella navata destra della basilica di Santa Maria Maggiore e’ invece risultata evidente un’inclusione, probabilmente una sepoltura, nonche’, all’esterno sulla via Galliera, una pavimentazione antica forse riconducibile all’epoca romana e forse coeva alla prima edificazione della chiesa nel IV-V secolo. Sono anche apparsi evidenti alcuni limiti delle tecniche. In particolare, il GPR si e’ rivelato praticamente “cieco” all’interno di Santa Maria Maggiore, molto probabilmente a causa di uno strato solidificato di limi di esondazione fluviale dell’Aposa, che hanno costituito uno strato di materiale conduttivo che impedisce la propagazione delle onde elettromagnetiche. Allo stesso tempo, la Sismica Passiva si e’ dimostrata di difficile interpretazione nel caso di stratificazioni a rigidita’ maggiore sovrastanti strati a rigidita’ minore, il che si verifica quasi sempre nel caso di pavimentazioni lapidee. Fig

Questa tesi è stata focalizzata sullo studio di tecniche elettromagnetiche applicate a sistemi solidi compositi e sul loro possibile impiego in campo ambientale. La tecnica principalmente usata è la Time Domain Reflectometry (TDR); altre tecniche parzialmente utilizzate sono state la tecnica LCR-meter, tecniche di misura conduttimetriche e GPR (Ground Penetrating Radar). Gli argomenti trattai sono riportati di seguito. È stato studiato l’apparato strumentale realizzando diversi tipi di sonda ed è stato studiato come le loro caratteristiche sia geometriche che elettriche influenzino il tipo di misura. Sono state eseguite misure di calibrazione su materiali aventi proprietà note (aria e acqua demineralizzata) per poter valutare i parametri fisici delle sonde come la lunghezza ‘elettrica’ e l’impedenza caratteristica della sonda. Le misure di calibrazione sono state effettuate con un nuovo metodo (metodo delle derivate) che consiste nell’utilizzare la derivata del segnale TDR: il confronto tra questo metodo con gli altri due noti in letteratura (il metodo delle tangenti e quello della funzione di trasferimento nel dominio della frequenza) ha dimostrato che l’utilizzo del metodo delle tangenti è affetto da errori sistematici nel caso di materiali dispersivi. Ciò comporta che le curve empiriche usate finora in letteratura per stimare il contenuto idrico dei suoli e ottenute con il metodo delle tangenti, debbano essere ritarate usando il nuovo metodo di calibrazione. Sono state eseguite misure di velocità e attenuazione del segnale elettromagnetico su materiali anidri ricchi di ossidi di ferro costituiti da palline di vetro (glass beads) e magnetite. Le misure sono state effettuate su tre diverse granulometrie e in funzione del contenuto volumetrico di magnetite. I dati sperimentali mostrano che la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche diminuisce all’aumentare del contenuto di magnetite ed è indipendente dalla granulometria. Il fattore di attenuazione mostra, come aspettato, un andamento crescente all’aumentare della percentuale volumetrica di magnetite per le granulometrie più grandi. Nel caso della granulometria più piccola, le incertezze sperimentali, probabilmente causate da problemi di riempimento della sonda hanno impedito l’individuazione di un andamento certo delle misurazioni. I risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli provenienti da altre tecniche (LCR-meter e Network Analyzer) al fine di valutare l’attendibilità della misura dell’attenuazione ottenuta da TDR. Sono state effettuate misure di dispersione di inquinanti in colonna dalla misura della conducibilità elettrica del mezzo tramite TDR. In particolare, l’analisi è stata centrata sulle acque di vegetazione visto l’interesse che queste sostanze destano nell’ambito delle scienze ambientali e agrarie. Sono stati realizzati esperimenti di prova al fine di valutare la condizione in cui si potesse monitorare la propagazione del refluo. Le misure di dispersione sono state eseguite su mezzi diversi per stabilire i tempi di propagazione in funzione della matrice solida usata. La conducibilità è stata correlata tramite curve di calibrazione al contenuto volumetrico e, quindi, alla concentrazione di refluo: l’andamento della concentrazione in funzione del tempo può essere confrontato con le curve di dispersione note in letteratura e dal confronto è possibile ricavare i parametri di propagazione nel mezzo. È stata realizzata una campagna di misure TDR e GPR (Georadar) su un sito sperimentale. Il sito è costituito da una vasca (4m x 7m), isolata dal terreno circostante tramite un telo impermeabile e riempita con sabbia. La vasca è stata saturata con acqua progressivamente dal basso in modo da simulare la risalita di una falda. Per ogni livello raggiunto dal liquido, sono state effettuate, simultaneamente, misure TDR e GPR. Le misure TDR sono state effettuate sia con una sonda orizzontale multilivello fissa seppellita al bordo della vasca, sia con sonde verticali mobili (da 10 e da 20 cm) da inserire in superficie. I parametri elettromagnetici del sito ottenuti dalle misure TDR sono stati confrontati con le forme d’onda del GPR al fine di trovare una correlazione tra le due tecniche di misura. This thesis is devoted to the electromagnetic techniques, the Time Domain Reflectometry (TDR) in particular, applied to the study of composite systems and to their possible employment in environmental sciences. The TDR, the LCR-meter, GPR (Ground Penetrating Radar) and conductimeter are the technique used in this study. The thesis develops as follows: The TDR experimental device has been used to determine the geometric and electrical features of several probes via calibration measurements, carried out on materials with known electromagnetic properties (air and demineralized water). A new calibration method has been introduced (the derivatives method) and the comparison between this method and the others two used in literature (the tangents method and the transfer function method) demonstrated that the tangents method is affected by systematic errors when it is applied to a dispersive medium. So, the empirical curves used in literature to estimate the soil water content and obtained with the tangents method, should be re-calibrated using the new method. Anhydrous mixtures of glass beads and magnetite have been analyzed in order to estimate the electromagnetic velocity and the attenuation factor. The measurements have been carried out on three grains size ranges for different magnetite volumetric contents. The data have shown that the electromagnetic wave propagation velocities decrease with the increase of the magnetite content and are independent on the grains sizes. For the bigger grains size range, the attenuation factor increases with the volumetric percentage of magnetite, while for the smaller one, the experimental uncertainties, probably due to filling problems, prevent the accurate determination of the attenuation factor. To determine the reliability of the TDR measurements, the attenuation values have been compared with those obtained by other techniques (LCR-meter and Network Analyzer). Dispersion of olive waste waters has been studied by measuring the electrical conductivity by TDR. Some preliminary experiments have been realized to test the possibility of monitoring the propagation of the olive waste water. Three different media have been chosen to establish the influence of the solid matrix on the dispersion phenomena. The conductivity has been correlated to the volumetric content using calibration curves: the concentration versus time has been compared with the dispersion curves of specific theoretical models of literature and the propagation parameters have been estimated by the experimental data fitting. TDR and GPR measurements have been carried out on a test-site. The test site consists of a pit filled with gravel and sand in which a pipe system for water inflow is buried. The data were collected under different water charge conditions and the water level was monitored by piezometers. TDR measurements were performed at various depths using a multilevel probe system and using vertical three wire probes. GPR measurements were performed with a system equipped with 250 MHz and 500 MHz antennas. The electromagnetic parameters obtained by TDR have been compared with the GPR data to find a correlation between water content provided by the two techniques. Dottorato di ricerca in Scienze ambientali

La tecnica GPR (Ground Penetrating Radar) è una metodologia di indagine veloce e non invasiva, ampiamente utilizzata per ottenere informazioni sulle caratteristiche di propagazione delle onde elettromagnetiche all’interno di un suolo. I parametri di propagazione elettromagnetica risultano dipendere fortemente dalla permettività complessa di un terreno, e quindi, dato l’elevato valore di permettività dielettrica caratterizzante l’acqua, dal suo contenuto idrico. Diverse metodologie di indagine (ad esempio la tecnica a riflessione o la tecnica “ground wave”), effettuate sia in modalità di acquisizione “single offset” che “multi offset”, sono state ampiamente testate e la loro accuratezza è stata valutata in diversi lavori presenti in letteratura. Nel presente lavoro, una nuova tecnica di indagine (effettuata in modalità “single offset” e con il sistema GPR posto a contatto con il suolo), basata sull’analisi della prima parte del segnale acquisito, è stata messa a punto ed esaminata. In particolare, lo scopo principale è stato quello di dimostrare come il valore medio dell’inviluppo del primo semiciclo della traccia acquisita possa essere convenientemente utilizzato per ottenere informazioni sulla permettività dielettrica di un suolo e, quindi, sul suo contenuto idrico. A tal fine, misure sperimentali, su di un sito naturale e su di un sito artificiale, sono state condotte e modelli teorici, tramite simulazioni numeriche, sono stati implementati. Il sito naturale scelto per le misure sperimentali consiste in un largo gas vent ed è caratterizzato da forti variazioni laterali di contenuto d’acqua che producono un marcato gradiente laterale delle proprietà elettromagnetiche del suolo. La configurazione del sito è risultata ottimale per poter indagare ed ottenere evidenze sperimentali su di una possibile dipendenza fra le caratteristiche del segnale GPR, ed in particolare le caratteristiche di ampiezza della traccia, e la distribuzione spaziale dei parametri dielettrici. Le indagini GPR sono state condotte con un sistema “single offset” con antenna da 250 MHz e l’ampiezza media dell’inviluppo di ciascuna delle tracce acquisite è stato calcolato per diverse finestre temporali con durata determinata dall’inverso della frequenza centrale caratterizzante il sistema GPR utilizzato. Misure di permettività dielettrica, con la tecnica TDR (Time Domain Reflectometry), sono state anche eseguite e una stima quantitativa del grado di dipendenza lineare fra le grandezze misurate è stata effettuata calcolando il coefficiente di correlazione per le coppie di misure acquisite nelle stesse posizioni. I risultati ottenuti hanno mostrato un buon grado di correlazione fra i valori di permettività e i valori di ampiezza media dell’inviluppo del segnale GPR, calcolati per la prima finestra temporale (0-4 ns), indicando come questi ultimi possano essere utilizzati per determinare le variazioni superficiali di permettività, e quindi di contenuto idrico, di un suolo. Al fine di realizzare misure in condizioni idriche controllate e di ridurre gli effetti dovuti alla presenza di vegetazione e alla rugosità del terreno, un largo sito artificiale è stato progettato e realizzato. Anche in questo caso, sono state condotte misure TDR e misure GPR (con sistema “single offset” e con antenne da 250 e 500 MHz); la correlazione ottenuta è risultata, per entrambe le antenne, buona e migliore di quella ottenuta per le misure effettuate sul sito naturale. Uno studio è stato, inoltre, condotto per determinare la dipendenza della bontà del coefficiente di correlazione dalla durata della finestra temporale scelta per il processo di media. Si è osservata una chiara dipendenza del valore del coefficiente di correlazione dall’intervallo temporale scelto, e, confrontando i risultati con quelli ottenuti con misure su di un sito naturale, si è osservato come la durata ottimale della finestra temporale, su cui effettuare il valor medio dell’ampiezza della traccia complessa per massimizzare il valore del coefficiente di correlazione, risulti altamente dipendente dalle caratteristiche costitutive del sito analizzato. Questo comporta notevoli problemi nel momento in cui si desideri analizzare siti con forti eterogeneità di suolo. Per ovviare a tale problema, un metodo alternativo per la determinazione della durata della finestra temporale è stato introdotto e l’intervallo temporale è stato scelto, traccia per traccia, in base alla durata del primo semiciclo del segnale acquisito. I risultati hanno mostrato come tale metodologia di analisi sia valida e come sia indicata per essere applicata su qualsiasi tipologia di suolo. Per rendere teoricamente consistente la metodologia sperimentale di analisi del segnale proposta e per verificarne l’applicabilità in differenti contesti di indagine, simulazioni numeriche del sistema GPR/suolo sono state implementate. In particolare, l’interazione fra due antenne, poste in prossimità del suolo, è stata studiata e gli effetti di accoppiamento fra il suolo e le antenne sono stati simulati numericamente. Il modello utilizza l’approssimazione di cavi lineari per le antenne (trasmittente e ricevente) e l’interazione con il suolo è tenuta in conto attraverso l’utilizzo di opportune funzioni di Green. Il mezzo, in cui sono poste le antenne, consiste in un semispazio superiore, costituito da aria, e in un semispazio inferiore, con le caratteristiche elettromagnetiche del suolo; diverse configurazioni di suolo sono state considerate come parametri di ingresso del modello: i) Il suolo è stato modellizzato come un semispazio omogeneo e non conduttivo, con una permettività dielettrica compresa fra 5 e 80. Il coefficiente di correlazione, fra tutti valori di permettività dielettrica considerati e i valori medi di ampiezza dell’inviluppo delle tracce simulate, è stato determinato e i risultati hanno mostrato come ci sia una forte dipendenza lineare fra le due grandezze quando l’onda diretta in aria e la “ground wave” risultano completamente accoppiate (come nelle condizioni di permettività misurate nell’attività sperimentale). Questa condizione di accoppiamento si ha quando la lunghezza d’onda del segnale GPR risulta essere maggiore della distanza di separazione fra le antenne, e risulta essere la condizione caratteristica delle misure “single offset” effettuate su siti naturali. ii) Il suolo è stato modellizzato come un semispazio omogeneo e conduttivo. Le simulazioni hanno mostrato come la conducibilità elettrica influenzi il valore di ampiezza del segnale. Tuttavia, assumendo per il suolo i valori dei parametri elettromagnetici caratteristici delle misure TDR effettuate sul sito artificiale (dello stesso ordine di grandezza di quelli caratteristici della maggior parte dei siti presenti in natura), si è osservato come la conducibilità elettrica non influenzi significativamente la correlazione fra la permettività e gli attributi del segnale GPR. iii) Il suolo è stato modellizzato come un mezzo costituito da due strati distinti e lo spessore dello strato superiore è stato progressivamente incrementato. Le simulazioni hanno mostrato come, per spessori dello strato superiore sufficientemente grandi, non risulti esserci influenza dello strato inferiore sulla prima porzione del segnale GPR; si è osservato, invece, come vi sia uno spessore critico per lo strato superiore al di sotto del quale i fenomeni di interferenza, dovuti alle riflessioni generate dal contrasto dielettrico fra i due mezzi, possano influenzarne l’ampiezza. In questi casi, le informazioni sulla permettività del suolo, ottenibili dall’analisi del valore medio dell’inviluppo della traccia GPR, potrebbero essere soggette ad errori. Tali fenomeni, che in misure sperimentali su siti naturali possono essere causati dalla presenza di discontinuità dielettriche localizzate, porterebbero ad erronee informazioni puntuali; la mappatura su media scala, tuttavia, delle variazioni di permettività superficiale risulterebbe ugualmente attendibile. In conclusione, le simulazioni numeriche e i risultati sperimentali hanno mostrato come la tecnica GPR proposta risulti particolarmente efficace per effettuare indagini rapide e con una buona risoluzione spaziale e risulti non soggetta alle limitazioni che contraddistinguono altre tecniche GPR di acquisizione ed analisi (necessità di riflettori posti a profondità nota o di discontinuità dielettriche localizzate o di misure geofisiche integrate, lunghi tempi di acquisizione e bassa risoluzione spaziale orizzontale). Ground Penetrating Radar (GPR) is a fast and non destructive tool, widely used to obtain information on electromagnetic wave propagating through the subsurface. Electromagnetic propagation parameters are sensitive to the complex permittivity of soil, which is strongly influenced by the water content. Several methodologies (e.g. reflection and ground wave methods), using both single and multi offset configuration, have been tested and their accuracy has been evaluated. In this work, we want to test a new survey approach based on the analysis of early-time GPR signals acquired in a surface-lunched single-offset configuration. In particular, my goal is to demonstrate that the average envelope amplitude of the first half-cycle of the signal can be conveniently used to obtain information about the soil surface permittivity (and therefore water content). For this purpose, experimental measurements were conducted, both in a natural and in an artificial site, and theoretical models, by numerical simulations, were developed. The natural site selected for experimental measurements consists of a large gas vent with strong lateral water content variations, which produce strong lateral gradients in the soil electrical properties. This is an essential characteristic, as it allows us to better highlight and interpret the relationship between GPR signal attributes and the spatial distribution of the electromagnetic parameters. The GPR survey was conducted with a single-offset 250 MHz system and the average envelope amplitude for the acquired traces was computed by using different time windows, with time duration given by the inverse of the central frequency of the GPR emitted pulse. TDR (Time Domain Reflectometry) permittivity measurements were also performed and a quantitative estimate of the degree of linear correlation between the measured quantities was performed by the correlation coefficient calculated using the pairs of measurements taken in the same locations. Results show a good degree of correlation associated with the early time windows (0-4 ns), indicating that the average envelope amplitude, of the first arrival time signal, can be used for spatial variability mapping of the near-surface soil electrical permittivity. Furthermore, in order to perform measurements in controlled water content conditions and to eliminate the effects due to vegetation and surface roughness, a large test site has been constructed. GPR, with single-offset 250 and 500 MHz antenna system, and TDR surveys were conducted. Also in this case the correlation between TDR and GPR data was analyzed obtaining good results, better than the natural site ones. A study was also performed to investigate the relationship between the correlation goodness and the time duration of the window used for the average envelope amplitude calculation. Results show a strong dependence on the correlation coefficient value from the chosen time interval and, comparing the obtained results with the natural site ones, it is observed how the best time windows, that gives the highest correlation values, is highly site specific. This can be a problem for mapping soil water variation of heterogeneous soils and for this reason, the correlation analyses were performed also using a variable time window, defined by the first half-cycle duration. The obtained correlation values are good and indicate how this methodology of signal analysis can be conveniently used for all kinds of soil. To give a theoretical support to the new survey approach used in the experimental measurements and to investigate its limitations, a numerical simulation of the GPR/soil system was implemented. For this purpose, the effects of two antennas placed close together on the Earth’s surface are studied and the antennas to ground coupling effects are numerically simulated, using a model for linear electric dipoles. The model uses a thin-wire approximation for the transmitting and receiving antennas and the interaction with the Earth is directly accounted for using appropriate Green’s functions. The model consists of a homogenous upper half-space (air) and a lower half-space representing the soil; several Earth configurations are assumed as input for the model: i) The ground is modelled as an homogenous non-conductive half-space with a permittivity ranging from 5 to 80. The linear correlation coefficient between the average envelope amplitude of the first half-cycle of the GPR simulated signals and the input modelled permittivity values have been evaluated. The simulations show that there is a linear correlation between the permittivity and the average envelope amplitude values when the air and the ground wave are completely coupled; this occurs when the wavelength is larger or equal to the antenna offset, as usually take place in singleoffset field measurements (and as take place for the permittivity values measured in the experimental part of this work). ii) The ground is modelled as a homogenous conductive half-space. The simulation shows that the conductivity affects the value of the signal amplitude. However, assuming for the soil a range of electromagnetic values as the TDR measured ones (and similar to the ones usually present in a natural site), the conductivity doesn’t seem to significantly influence the correlation between permittivity and GPR signal attributes. iii) The ground is modelled as a two layer half-space and the thickness of the upper layer is progressively increased. The simulations show that if the top layer is sufficiently thick there is not influence of the lower medium on the early time GPR signal. Nevertheless, if the thickness of the upper layer is thinner than a critical length, the waveform is influenced both by the lower layer and by the interference with the reflected signal coming from the interface between the two media. In this case the average envelope amplitude could give wrong punctual information about the soil permittivity. These phenomena, which in the field measurements could be due to the presence of local dielectric discontinuities, could give wrong punctual information, however the medium scale map of the permittivity will result regardless correct. In Summary, the experimental measurements and the numerical simulations have shown that the proposed GPR technique can be conveniently used to map, rapidly and with a good spatial resolution, the soil water content variation in medium scale survey, without the limitation of other GPR methodologies of acquisition and analyses (e.g. the presence of a shallow reflector in the subsoil for the reflection method and the long time of acquisition of the ground wave method). Dottorato di ricerca in Scienze ambientali

A spectral-domain method, for the solution of the two-dimensional electromagnetic plane-wave scattering by a finite set of perfectly-conducting or dielectric cylinders buried in a dielectric half-space, has been developed. The scattered field is represented in terms of a superposition of cylindrical waves, and use is made of the plane-wave spectrum to take into account the reflection and transmission of such waves by the interface. The problem is solved for both the near- and the far-field regions, for TM and TE polarizations. In this work we briefly resume the theoretical basis of our approach. For configurations in which more obstacles are buried in the ground, and they are near to one another, we give details about the convergence rate of our method, and about the properties of our algorithms for the integration of cylindrical functions. With our technique it is possible to simulate two-dimensional buried obstacles of general shape, by means of a suitable set of circular-section cylinders: in this paper we show preliminary results of simulations carried out using arrays of same-radius circular cylinders, and of different-radius circular cylinders.

The development of cracks and distortions caused by past seismic events compromised the integrity of the rose window of Troia Cathedral, one of the most precious Romanesque monuments in southern Italy. Ground-penetrating radar (GPR) using high-frequency antennae (mainly 1500 MHz) was selected from among various non-destructive testing methods for its high-resolution imaging to scan the internal structure of the various architectural elements of the wheel window: the decimetre-diameter columns constituting the rays, the ring decorated with intersecting arched ribwork and the surrounding circular ashlar curb. GPR was employed in the classical continuous reflection mode, moving the antennae manually along the architectural elements and paying exceptional care in the acquisition and processing stages to avoid positioning errors. Indeed, the challenging aspects of this case study were the geometrical complexity and small dimensions of the structural elements, causing many logistic/coupling problems. In spite of this, through proper interpretation techniques, based on signal analysis (presence of reflections and diffractions, velocity and attenuation variations) and correlation with features detected by visual inspection of the external surfaces, the GPR survey provided useful information on the internal structure of the rose window, detecting fractures and the boundaries of previously restored parts and locating hidden metallic components connecting the architectural elements. Information on the internal structure and spatial distribution of metallic junctions was essential for gaining insight into building techniques in order to discriminate between restoration strategies which may require either total or partial dismantling of the rose window. GPR results provided crucial evidence in favour of one of the (conflicting) hypotheses about the original building techniques, leading to the selection of partial dismantling as the most suitable restoration strategy. Analysis of measurements revealed the potential of GPR in the field of cultural heritage restoration, even in those cases characterized by complex geometry, structural brittleness and logistic difficulties, such as that discussed in this paper.