Prev Up Top Next Contents
6.B Radiolocalizzazione
6.B.1 Storia e riferimenti
La radio-locazione sotterranea e` stata studiata attivamente negli anni `70
da James R.Wait e altri studiosi USA di elettromagnetismo, grazie
(purtroppo) ad alcuni gravi incidenti in miniera accaduti negli states in
quegli anni. Il governo americano finanzio` la ricerca in quel settore, al
fine di ottenere efficaci mezzi di radio-locazione e radio-comunicazione da
usarsi principalmente a scopo di soccorso, in caso di disastro.
Successivamente, questi fondi vennero a mancare perche`, sempre per motivi
di sicurezza, negli states le miniere cominciarono ad essere "coltivate" a
cielo aperto.
Successivamente la cosa e` passata un po` sotto silenzio, anche perche` nel
tempo la cosa e` andata avanti, per quanto riguarda la comunicazione e
radio-locazione sottomarina, a scopo militare.
Dagli anni 80 in poi, molti appassionati, direi inglesi e americani, hanno
ripreso tali lavori per applicarli al campo della speleologia (Steven M.
Shope, per es.).
Da una decina d'anni esiste una rivista inglese che tratta attivamente la
cosa, il suo editore e` David Gibson, che ha pubblicato una marea di
materiale sull'argomento (altri autori: Brian Pease, Ian Drummond, Christian
Ebi, Mike Bedford, per esempio).
6.B.2 Teoria
Fig. 238. Radiolocalizzazione
La teoria della radiolocalizzazione e` ampiamente riassunta negli
articoli di I. Drummond
[
57] [
58] [
59] [
58] [
60]
[
61] [
62] [
63] [
64] [
65] .
Nella radiolocalizzazione si utilizza un elemento trasmettitore ed uno
ricevitore. Entrambi sono formati essenzialmente da una spira circolare.
Nella spira del trasmettitore si fa passare una corrente alternata
(meglio se a bassa frequenza, 1 kHz o meno), questa genera un campo
magnetico variabile che viene rilevato dall'elemento ricevitore
tramite la corrente indotta.
Se la spira del trasmettitore e` orizzontale le linee di campo escono
verticali esattamente sopra di essa e diventano sempre piu` inclinate
man mano che ci si allontana dalla verticale.
Il ricevitore posto esattamente sulla verticale e orientato in un piano
verticale non rileva alcun campo, indipendentemente da come viene
ruotato questo piano verticale. Se non e` esattamente sopra al variare della
orientazione viene rilevato un campo magnetico quando le linee di campo
(che non sono piu` verticali) attraversano la spira.
Questo effetto puo` essere usato per
trovare il punto al suolo posto esattamente sopra il trasmettitore,
detto "punto zero".
Per misurare la profondita`
d, con uno strumento adeguato, si misura
l'intensita` del campo nel punto zero,
B(0) e ad una distanza
y
sopra esso,
B(y) Allora
d = q [ B(0)/B(y) ]1/3
Un secondo metodo, adatto a strumenti meno sofisticati, misura l'angolo
a che il campo forma con la verticale ad una distanza
x
(al suolo) dal punto zero [
66] ,
d / x = (3 + [ 9 + 8 tg(a)2 ]1/2 )/( 4 tg(a) )
Per esempio se si trova la distanza
x per cui le linee di campo sono
a 45 gradi,
d =
x/0.56.
Questa formula risulta dalla espressione delle componenti del campo
magnetico prodotto da una piccola spira percorsa da corrente (stazionaria)
[E.M. Purcell, "Electricity and magnetism", McGrow-Hill 1963, eq. 10.3.14]
Bx = m r-3 3 sin(t) cos(t)
Bz = m r-3 ( 3 cos(t)2 - 1 )
In coordinate polari le formule sono piu` semplici,
B
r = 2 m r
-3 cos(t), e B
t = m r
-3 sin(t).
E` possibile costruire strumenti per la radiolocalizzazione
basati su questo approccio [
67] . L'emettitore consiste
di una bobina avvolta attorno a nuclei di ferrite, oltre all'elettronica
per generare il campo oscillante. Viene posizionato esattamente verticale
appendendolo al soffitto o ad un treppiede. Il ricevitore usa
una spira ad largo diametro (oltre all'elettronica per rilevare il
segnale). In questo modo si arriva a rilevare la posizione di cavita`
poste anche a 20-25 m sotto la superficie.
Ci sono molte cause di errore nella radiolocalizzazione:
- determinazione del punto zero;
- determinazione della inclinazione: a 45°un grado e` un
errore del 2.5
- orizzontalita` del trasmettitore. L'inclinazione del trasmettitore
di un angolo b sposta il punto zero di circa
1/3 d tan(b) (regola del "un terzo") [53] ;
- irregolarita` del terreno: se non e` pianeggiante devono essere tenute
in conto poiche` la distanza x e` la distanza dalla retta verticale
passante per il punto zero, e la distanza che si ottiene dalle formule
e` quella dal punto su tale retta all'altezza di x;
- distorsione del campo a piccole distanze.
Se il ricevitore e` distante dal trasmettitore
meno di cinque volte il diametro del trasmettitore, il campo non puo`
essere considerato quello di un dipolo puntiforme, e le formule sono
piu` complesse.
- effetti di campo a grandi distanze. Quello che interessa per la
radiolocalizzazione e` il campo nella regione vicina (fino ad una distanza
di circa 1/6 della lunghezza d'onda dal ricevitore), il cui il campo e`
simile a quello di una corrente stazionaria.
Nella regione lontana (oltre una lunghezza d'onda)
il campo diventa di radiazione con una disposizione
delle linee di campo differente.
Per questo conviene usare basse frequenze che corrispondono a
lunghezza d'onda piu` grandi (per 500 KHz la lunghezza d'onda e`
circa 600 m, in aria).
- Nella roccia la lunghezza d'onda e` minore, poiche` la roccia e`
un conduttore, ed e` data dalla profondita` di penetrazione
(skin depth) ( 2 / (w u s) )1/2, dove w e` la frequenza
angolare (2 πper la frequenza), u la permeabilita` magnetica
(che per la roccia e` praticamente uguale a quella dell'aria,
4 π10-7 Henry/m),
e s la conducibilita`.
Il calcare asciutto ha una conducibilita` di 0.001 mho/m, e la zona vicina
arriva a circa 22 m (a 500 KHz). Il calcare bagnato ha
s=0.01 mho/m e la zona vicina arriva a soli 7 m.
- Distorsioni per rocce conduttrici. In esse si generano correnti indotte
che producono un campo secondario fuori fase col campo
del trasmettitore. Il campo totale ha polarizzazione ellittica e non
si riesce a determinare il punto zero.
- distorsioni del campo dovute ad inomogeneita` e/o fratturazione della
roccia.
- Sorgenti di rumore.
Linee elettriche aeree, impianti, disturbi atmosferici (temporali).
6.B.3 ARVA
Per la localizzazione in superficie di un punto della grotta si puo`
usare un ARVA [
67] [
68] [
69] . Tuttavia
l'arva lavora a frequenze che vanno bene per lo scopo per cui e` nato.
Per le grotte e simili a quelle frequenze entrano in gioco i problemi citati
sopra. E` possibile che in molti casi funzioni, ma non e` detto che funzioni
sempre.
Gli arva ormai funzionano ad una frequenza unificata di 457 kHz
(frequenza internazionale).
L'altra frequenza, 2275 kHz, e` sempre meno utilizzata.
Hanno un raggio d'azione di 80 metri circa (per il ritrovamento di una
persona sepolta da una valanga) e pesano circa 250 grammi.
In pratica per localizzare sulla superficie un potenziale secondo ingresso
di una grotta, una squadra con un arva emettitore
deve raggiungere la zona della cavita` che
risulta (per esempio in base al rilievo) vicina alla superficie, ed una
seconda squadra deve cercare di ricevere il segnale con un secondo arva
(ricevitore) battendo in superficie la zona dove si presume ci sia
l'ingresso. Entrambe le squadre devono avere un orologio, una bussola,
un ricetrasmettitore radio per comunicare, ed un tacquino con matite per
prendere annotazioni. Devono accordarsi sull'orario
di inizio trasmissioni e cercare di comunicare ad intervalli di tempo
ben precisi; per esempio ogni 10 minuti, per due ore.
Devono accordarsi su come orientare l'arva emettitore: per esempio
verticale oppure orizzontale, e in quale direzione.
Entrambe le squadre dovrebbero avere anche dei mezzi da disostruzione:
mazzetta e punta o leverino, anche se e` improbabile che si vada oltre
stabilire il punto dell'ingresso.
La squadra esterna deve avere la carta topografica, l'altimetro e/o il
gps, e dei picchetti di legno colorati per segnare punti al suolo.
Fig. 239. ARVA: campo di emissione
Un modello:
Snow-Bip RT 75A (Fitre - Milano)
Una posizione di trasmissione, 9 livelli di intensita`.
La trasmissione e` omnidirezionale, ma massima quando i due
apparecchi sono orientati sulla stessa direzione (per esempio lungo
lo stesso asse, ma anche paralleli)
Hanno una emissione essenzialmente di dipolo.
In aria la distanza massima di ricezione dipende dal livello:
aria roccia
1.3 5 m 2.5 m
2 7 m 4.5 m
3 14 m 9.0 m
4 28 m 18.0 m
5 56 m 36.0 m
6 110 m 70.0 m
7-9 il rumore di fondo supera il segnale
(interferenza con campi e.m. dovuti a linee aeree)
L'intensita` decresce col quadrato della distanza
per la radiazione di dipolo.
La potenza decresce con la quarta potenza della distanza;
infatti i livelli sono distanziati di 12 dB
Per la trasmissione in roccia si ha una riduzione di 0.65 sulle
distanze (pari a 0.42 sulle potenze)
Prove effettuate hanno indicato una ricezione del segnale
attraverso spessori di roccia variabile da 5 m. a oltre 30 m, con una
accuratezza di circa due metri. E` possibile che il limite di utilizzo
arrivi a 50-70 m.
La posizione del massimo del segnale dipende dalla orientazione
relativa di ricevitore ed emettitore (v. figura).
Se il ricevitore e' ortogonale all'emettitore si ha massimo
di ricezione lungo un cerchio e un minimo al centro nel punto
piu' vicino all'emettitore.
Se invece il recevitore e' orientato parallelamente
all'emettitore il massimo e' nel punto
centrale, piu' vicino all'emettitore.
Per determinare la posizione esterna corrispondente ad un punto
interno della cavita`, si traccia il cerchio massimo (all'esterno)
entro cui si riesce a percepire il segnale. Il centro del cerchio
puo` essere utilizzato come punto di corrispondenza.
Questa procedura e' analoga alla localizzazione
precisa di un sepolto da valanga.
Le formule del campo di dipolo sono
B = (k2 / r ) n x p ei k r
E = B x n
dove
E e
B sono il campo elettrico e magnetico,
k e` il numero d'onda (2 πw / c).
p e` il dipolo orientato come l'antenna.
Il campo magnetico e` quindi diretto lungo una circonferenza
nel piano perpendicolare alla direzione dell'antenna.
Il campo elettrico in un punto che forma una angolo
t con la
direzione dell'antenna giace nel piano che contiene il punto e il dipolo,
ha ampiezza
p k2 /
r, e direzione
(- sin(t) cos(t), 0, sin(t)
2) (assumendo
p diretto
lungo l'asse
z).
Con queste formule si potrebbe ricavare la distribuzione dei massimi di
ricezione in una configurazione arbitraria, almeno in via teorica
trascurando gli effetti di assorbimento.
La potenza totale irradiata dal dipolo e`
P = c k4 p2 / 3.
La distribuzione angolare della potenza e`
P(t) = c k4 p2 sin(t)2 / (8 π).
6.B.4 Detezione di cavita`
Cavita` sotterranee possono esser rilevate con georadar [
70]
o mediante misure microgravimetriche [
71] .
Nel primo caso si usa la riflessione di onde radio dovute a discontinuita`
(orizzonti) nel suolo. Si usano frequenze comprese fra 10 e 1000 MHz.
Alte frequenze danno una migliore risoluzione, ma hanno anche un maggiore
assorbimento, percio` entrano meno in profondita`. Le profondita`
cui si arriva sono dell'ordine di decine di metri.
I metodi microgravimentrici sfruttano le variazioni locali della forza
di gravita` (dell'ordine di 10-9) per rilevare la presenza di vuoti
sotterranei.
marco corvi - Sat Nov 5 23:26:57 2011
Prev Up Top Next Contents
This work is licensed under a Creative Commons
Attribution-NonCommercial-ShareAlike 2.5 Italy License.