Ground penetrating radar early-time technique for soil electromagnetic parameters estimation

In recent years, thanks to the technological advances, electromagnetic methods for non-invasive shallow subsurface characterization have been increasingly used in many areas of environmental and geoscience applications. Among all the geophysical electromagnetic methods, the Ground Penetrating Radar (GPR) has received unprecedented attention over the last few decades due to its capability to obtain, spatially and temporally, high-resolution electromagnetic parameter information thanks to its versatility, its handling, its non-invasive nature, its high resolving power, and its fast implementation. The main focus of this thesis is to perform a dielectric site characterization in an efficient and accurate way studying in-depth a physical phenomenon behind a recent developed GPR approach, the so-called early-time technique, which infers the electrical properties of the soil in the proximity of the antennas. In particular, the early-time approach is based on the amplitude analysis of the early-time portion of the GPR waveform using a fixed-offset ground-coupled antenna configuration where the separation between the transmitting and receiving antenna is on the order of the dominant pulse-wavelength. Amplitude information can be extracted from the early-time signal through complex trace analysis, computing the instantaneous-amplitude attributes over a selected time-duration of the early-time signal. Basically, if the acquired GPR signals are considered to represent the real part of a complex trace, and the imaginary part is the quadrature component obtained by applying a Hilbert transform to the GPR trace, the amplitude envelope is the absolute value of the resulting complex trace (also known as the instantaneous-amplitude). Analysing laboratory information, numerical simulations and natural field conditions, and summarising the overall results embodied in this thesis, it is possible to suggest the early-time GPR technique as an effective method to estimate physical properties of the soil in a fast and non-invasive way.

Fast and accurate numerical solutions in some problems of particle and radiation transport: synthetic acceleration for the method of short characteristics, Doppler-broadened scattering kernel, remote sensing of the cryosphere

The aim of this work is to present various aspects of numerical simulation of particle and radiation transport for industrial and environmental protection applications, to enable the analysis of complex physical processes in a fast, reliable, and efficient way. In the first part we deal with speed-up of numerical simulation of neutron transport for nuclear reactor core analysis. The convergence properties of the source iteration scheme of the Method of Characteristics applied to be heterogeneous structured geometries has been enhanced by means of Boundary Projection Acceleration, enabling the study of 2D and 3D geometries with transport theory without spatial homogenization. The computational performances have been verified with the C5G7 2D and 3D benchmarks, showing a sensible reduction of iterations and CPU time. The second part is devoted to the study of temperature-dependent elastic scattering of neutrons for heavy isotopes near to the thermal zone. A numerical computation of the Doppler convolution of the elastic scattering kernel based on the gas model is presented, for a general energy dependent cross section and scattering law in the center of mass system. The range of integration has been optimized employing a numerical cutoff, allowing a faster numerical evaluation of the convolution integral. Legendre moments of the transfer kernel are subsequently obtained by direct quadrature and a numerical analysis of the convergence is presented. In the third part we focus our attention to remote sensing applications of radiative transfer employed to investigate the Earth's cryosphere. The photon transport equation is applied to simulate reflectivity of glaciers varying the age of the layer of snow or ice, its thickness, the presence or not other underlying layers, the degree of dust included in the snow, creating a framework able to decipher spectral signals collected by orbiting detectors.

Tracking di target multipli in reti di sensori radar

Viene proposta una possibile soluzione al problema del tracking multitarget, tramite una rete di sensori radar basata su tecnoligia ultra wide-band. L'area sorvegliata ha una superficie pari a 100 metri quadri e all'interno di essa si vuole tracciare la traiettoria di più persone.

Effetto doppler e applicazioni astrofisiche

In questo elaborato si analizza l'Effetto Doppler e le sue applicazioni in astronomia.

Effetto doppler e applicazioni astrofisiche

Descrizione dal punto di vista fisico e astronomico dell'effetto Doppler con particolare attenzione all'utilizzo astrofisico

Progettazione di un banco di prova per radar UWB per l'analisi non distruttiva dei danni sui materiali compositi

Breve introduzione sui radar, sistemi Ultra WideBand, controlli non distruttivi e progettazione di un banco di prova per radar UWB per l'analisi non distruttiva dei danni sui materiali compositi.

Analisi di algoritmi per reti di sensori radar uwb basati su misure sperimentali

In un sistema radar è fondamentale rilevare, riconoscere e cercare di seguire il percorso di un eventuale intruso presente in un’area di osservazione al fine ultimo della sicurezza, sia che si consideri l’ambito militare, che anche quello civile. A questo proposito sono stati fatti passi avanti notevoli nella creazione e sviluppo di sistemi di localizzazione passiva che possano rilevare un target (il quale ha come unica proprietà quella di riflettere un segnale inviato dal trasmettitore), in modo che esso sia nettamente distinto rispetto al caso di assenza dell’intruso stesso dall’area di sorveglianza. In particolare l’ultilizzo di Radar Multistatico (ossia un trasmettitore e più ricevitori) permette una maggior precisione nel controllo dell’area d’osservazione. Tra le migliori tecnologie a supporto di questa analisi vi è l’UWB (Ultra Wide-Band), che permette di sfruttare una banda molto grande con il riscontro di una precisione che può arrivare anche al centimetro per scenari in-door. L’UWB utilizza segnali ad impulso molto brevi, a banda larga e che quindi permettono una risoluzione elevata, tanto da consentire, in alcune applicazioni, di superare i muri, rimuovendo facilmente gli elementi presenti nell’ambiente, ossia il clutter. Quindi è fondamentale conoscere algoritmi che permettano la detection ed il tracking del percorso compiuto dal target nell’area. In particolare in questa tesi vengono elaborati nuovi algoritmi di Clustering del segnale ricevuto dalla riflessione sull’intruso, utilizzati al fine di migliorare la visualizzazione dello stesso in post-processing. Infine questi algoritmi sono stati anche implementati su misure sperimentali attuate tramite nodi PulsOn 410 Time Domain, al fine ultimo della rilevazione della presenza di un target nell’area di osservazione dei nodi.

Rappresentazione della caratteristiche spaziali di eventi temporaleschi di elevata intensità attraverso l'uso combinato di misure da pluviometro e da radar

Il presente lavoro di Tesi si inserisce nell’ambito della previsione e caratterizzazione spaziale di fenomeni convettivi, tipicamente intensi e a carattere locale, come i sistemi temporaleschi organizzati che spesso sono i protagonisti di eventi calamitosi importanti. Lo studio è stato condotto in modo tale da poter apportare un contributo ai sistemi previsionali, i quali attualmente non consentono una valutazione accurata ed una caratterizzazione spaziale attendibile di detti fenomeni temporaleschi (Elisabetta Trovatore, Ecoscienza, numero 4, 2012). Lo scopo è stato quello di verificare l’esistenza caratteristiche spaziali comuni a questa tipologia di eventi di precipitazione mediante un confronto tra la curva di riduzione della precipitazione media all’area, ottenuta dalle mappe di precipitazione cumulata oraria desunte da radar meteorologici e da mappe corrispondenti ricavate a partire dai dati pluviometrici osservati al suolo servendosi di tre modelli di interpolazione spaziale: Kriging ordinario (con variogramma desunto da dati ai pluviometri e da dati al radar), Inverso delle Distanze Pesate (Inverse Distance Weighted, IDW) e Poligoni di Voronoi.Le conclusioni del lavoro di Tesi hanno evidenziato che: - la curva di riduzione della precipitazione valutata da dati radar viene in generale meglio approssimata da due metodi: il Kriging ordinario, che utilizza come modello di variogramma teorico quello dedotto da misure ai pluviometri, e le distanze inverse pesate (IDW, Inverse Distance Weighted); - paragonando le curve di riduzione della precipitazione media all’area dedotte da radar si è potuta notare l’esistenza di quattro curve, di cui tre relative ad eventi che hanno registrato valori elevati di intensità di precipitazione (superiori ai 140 mm/h), che presentano un comportamento analogo, mentre nella porzione superiore del grafico sono presenti due curve che non seguono tale andamento e che sono relative ad eventi convettivi meno intensi; - non esiste una distanza alla quale tutti i variogrammi, desunti da dati radar, raggiungono la stazionarietà ma si è visto come questa, per i sei casi di studio, vari tra 10000 e 25000 metri.

Simulation of bistatic radar experiments with deep space missions

L’obiettivo del lavoro esposto nella seguente relazione di tesi ha riguardato lo studio e la simulazione di esperimenti di radar bistatico per missioni di esplorazione planeteria. In particolare, il lavoro si è concentrato sull’uso ed il miglioramento di un simulatore software già realizzato da un consorzio di aziende ed enti di ricerca nell’ambito di uno studio dell’Agenzia Spaziale Europea (European Space Agency – ESA) finanziato nel 2008, e svolto fra il 2009 e 2010. L’azienda spagnola GMV ha coordinato lo studio, al quale presero parte anche gruppi di ricerca dell’Università di Roma “Sapienza” e dell’Università di Bologna. Il lavoro svolto si è incentrato sulla determinazione della causa di alcune inconsistenze negli output relativi alla parte del simulatore, progettato in ambiente MATLAB, finalizzato alla stima delle caratteristiche della superficie di Titano, in particolare la costante dielettrica e la rugosità media della superficie, mediante un esperimento con radar bistatico in modalità downlink eseguito dalla sonda Cassini-Huygens in orbita intorno al Titano stesso. Esperimenti con radar bistatico per lo studio di corpi celesti sono presenti nella storia dell’esplorazione spaziale fin dagli anni ’60, anche se ogni volta le apparecchiature utilizzate e le fasi di missione, durante le quali questi esperimenti erano effettuati, non sono state mai appositamente progettate per lo scopo. Da qui la necessità di progettare un simulatore per studiare varie possibili modalità di esperimenti con radar bistatico in diversi tipi di missione. In una prima fase di approccio al simulatore, il lavoro si è incentrato sullo studio della documentazione in allegato al codice così da avere un’idea generale della sua struttura e funzionamento. È seguita poi una fase di studio dettagliato, determinando lo scopo di ogni linea di codice utilizzata, nonché la verifica in letteratura delle formule e dei modelli utilizzati per la determinazione di diversi parametri. In una seconda fase il lavoro ha previsto l’intervento diretto sul codice con una serie di indagini volte a determinarne la coerenza e l’attendibilità dei risultati. Ogni indagine ha previsto una diminuzione delle ipotesi semplificative imposte al modello utilizzato in modo tale da identificare con maggiore sicurezza la parte del codice responsabile dell’inesattezza degli output del simulatore. I risultati ottenuti hanno permesso la correzione di alcune parti del codice e la determinazione della principale fonte di errore sugli output, circoscrivendo l’oggetto di studio per future indagini mirate.

Analisi dei fenomeni franosi lenti nell'abitato di Gaggio Montano mediante interferometria radar

I movimenti lenti delle colate in terra sono una caratteristica geomorfologica comune nell’Appennino settentrionale e sono uno dei principali agenti di modellazione del paesaggio. Spesso case e piccoli centri abitati sorgono in zone affette da questo tipo di movimento franoso e di conseguenza subiscono danni causati da piccoli spostamenti. In questo lavoro di Tesi vengono presentati i risultati ottenuti dall’interferometria radar ad apertura sintetica (InSAR) mediante elaborazione tramite StaMPS (Stanford Method of Persistent Scatterers), utilizzando la tecnica avanzata Small Baseline Subset (Berardino et al., 2002). Questo metodo informatico è applicato alle acquisizioni rilevate dai satelliti Envisat e COSMO-SkyMed in orbita ascendente e discendente, ottenendo una copertura di dati che va dal 2004 al 2015, oltre ad un rilevamento geologico-geomorfologico in dettaglio eseguito nell’area di studio. Questa tecnica di telerilevamento è estremamente efficace per il monitoraggio dei fenomeni di deformazione millimetrica che persistono sulla superficie terrestre, basata sull'impiego di serie temporali d’immagini radar satellitari (Ferretti et al., 2000). Lo studio è stato realizzato nel paese di Gaggio Montano nell’Appennino bolognese. In questa zona sono stati identificati diversi corpi di frana che si muovono con deformazioni costanti durante il tempo di investigazione e grazie ai risultati ottenuti dai satelliti è possibile confrontare tale risultato. Gli spostamenti misurati con il metodo InSAR sono dello stesso ordine di grandezza dei movimenti registrati dai sondaggi inclinometrici. Le probabili cause dell’instabilità di versante a Gaggio Montano sono di natura antropica, in quanto alti tassi di deformazione sono presenti nelle zone dove sorgono case di recente costruzione e complessi industriali. Un’altra plausibile spiegazione potrebbe essere data dalla ricarica costante d’acqua, proveniente dagli strati dei Flysch verso l’interno del complesso caotico sottostante, tale dinamica causa un aumento della pressione dell’acqua nelle argille e di conseguenza genera condizioni d’instabilità sul versante. Inoltre, i depositi franosi rilevati nell’area di studio non mostrano nessun tipo di variazione dovuta ad influenze idrologiche. Per questo motivo le serie temporali analizzare tendo ad essere abbastanza lineari e costanti nel tempo, non essendo influenzate da cicli stagionali.

UWB radar sensor networks: Detection algorithms design and experimental analysis

In the last years radar sensor networks for localization and tracking in indoor environment have generated more and more interest, especially for anti-intrusion security systems. These networks often use Ultra Wide Band (UWB) technology, which consists in sending very short (few nanoseconds) impulse signals. This approach guarantees high resolution and accuracy and also other advantages such as low price, low power consumption and narrow-band interference (jamming) robustness. In this thesis the overall data processing (done in MATLAB environment) is discussed, starting from experimental measures from sensor devices, ending with the 2D visualization of targets movements over time and focusing mainly on detection and localization algorithms. Moreover, two different scenarios and both single and multiple target tracking are analyzed.

Application of a new laser Doppler imaging system in planning and monitoring of surgical flaps

There is a demand for technologies able to assess the perfusion of surgical flaps quantitatively and reliably to avoid ischemic complications. The aim of this study is to test a new high-speed high-definition laser Doppler imaging (LDI) system (FluxEXPLORER, Microvascular Imaging, Lausanne, Switzerland) in terms of preoperative mapping of the vascular supply (perforator vessels) and postoperative flow monitoring. The FluxEXPLORER performs perfusion mapping of an area 9 x 9 cm with a resolution of 256 x 256 pixels within 6 s in high-definition imaging mode. The sensitivity and predictability to localize perforators is expressed by the coincidence of preoperatively assessed LDI high flow spots with intraoperatively verified perforators in nine patients. 18 free flaps are monitored before, during, and after total ischemia. 63% of all verified perforators correspond to a high flow spot, and 38% of all high flow spots correspond to a verified perforator (positive predictive value). All perfused flaps reveal a value of above 221 perfusion units (PUs), and all values obtained in the ischemic flaps are beneath 187 PU. In summary, we conclude that the present LDI system can serve as a reliable, fast, and easy-to-handle tool to detect ischemia in free flaps, whereas perforator vessels cannot be detected appropriately.

Assessment of right ventricular systolic function: Comparison between cardiac magnetic resonance derived ejection fraction and pulsed-wave tissue Doppler imaging of the tricuspid annulus

Systolic right ventricular (RV) function is an important predictor in the course of various congenital and acquired heart diseases. Its practical determination by echocardiography remains challenging. We compared routine assessment of lateral tricuspid annular systolic motion velocity (TV(lat), cm/s) using pulsed-wave tissue Doppler imaging from the apical 4-chamber view with cardiac magnetic resonance (CMR) as reference method.

Active regulation of cerebral venous tone: simultaneous arterial and venous transcranial Doppler sonography during a Valsalva manoeuvre

The aim of this study was to analyse the cerebral venous outflow in relation to the arterial inflow during a Valsalva manoeuvre (VM). In 19 healthy volunteers (mean age 24.1 +/- 2.6 years), the middle cerebral artery (MCA) and the straight sinus (SRS) were insonated by transcranial Doppler sonography. Simultaneously the arterial blood pressure was recorded using a photoplethysmographic method. Two VM of 10 s length were performed per participant. Tracings of the variables were then transformed to equidistantly re-sampled data. Phases of the VM were analysed regarding the increase of the flow velocities and the latency to the peak. The typical four phases of the VM were also found in the SRS signal. The relative flow velocity (FV) increase was significantly higher in the SRS than in the MCA for all phases, particularly that of phase IV (p < 0.01). Comparison of the time latency of the VM phases of the MCA and SRS only showed a significant difference for phase I (p < 0.01). In particular, there was no significant difference for phase IV (15.8 +/- 0.29 vs. 16.0 +/- 0.28 s). Alterations in venous outflow in phase I are best explained by a cross-sectional change of the lumen of the SRS, while phases II and III are compatible with a Starling resistor. However, the significantly lager venous than the arterial overshoot in phase IV may be explained by the active regulation of the venous tone.