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ISTIMES
Integrated System for Transport Infrastructures surveillance and Monitoring by Electromagnetic Sensing
Il progetto ISTIMES mira alla realizzazione di un complesso sistema di sorveglianza e monitoraggio delle infrastrutture di trasporto basato su tecnologie di osservazione da satellite, da aereo e sul posto, in grado di rilevare spostamenti e dislocazioni, fenomeni di degrado, cambiamenti delle condizioni chimico-fisiche dei materiali, difetti strutturali congeniti o indotti.
La specificità del progetto riguarda lo sviluppo di un sistema innovativo per il monitoraggio di infrastrutture civili di interesse strategico in aree ad elevato rischio naturale mediante l’integrazione di sensoristica elettromagnetica avanzata ed infrastrutture informatiche per la gestione e la condivisione dati a supporto delle decisioni in caso di emergenza.
Il progetto è coordinato dal consorzio TeRN - Tecnologie per le Osservazioni della Terra e i Rischi Naturali - del distretto tecnologico della Basilicata, con la con la partecipazione di altri 8 partner Europei, sia pubblici che privati, tra i quali Elsag Datamat S.pA., Dipartimento di Protezione Civile, Lund University-Svezia,
Il progetto ha ricevuto i flags di: Highlight as a success/case story; High visibility/media attractive project; Substantial R&D breakthrough character.
Committente: Unione Europea, 7° Programma Quadro
Prime contractor: Consorzio TeRN
Periodo di attività: 2009 - 2012
Finanziamento IREA: € 284.328
Responsabile IREA: Francesco Soldovieri
Sensori distribuiti in fibra ottica
La tecnologia dei sensori in fibra ottica oggi giorno è utilizzata in svariati campi di applicazione poiché offre soluzioni notevolmente vantaggiose rispetto alle tecnologie sensoristiche convenzionali. Tipicamente i vantaggi ampiamente riconosciuti rispetto a tecniche convenzionali sono l’elevata sensibilità, l’immunità alle interferenze elettromagnetiche, le dimensioni ridotte, la sicurezza in ambienti potenzialmente esplosivi e la riduzione dei cablaggi. Tali sensori sono ideali per costruire reti di monitoraggio molto estese e sono meccanicamente e chimicamente compatibili con la gran parte dei materiali da costruzione. Tuttavia, i sensori in fibra comunemente usati consentono una misura puntuale dei parametri d’interesse e ciò rappresenta una difficoltà allorché si voglia ottenere un’elevata risoluzione su lunghe distanze.
Tale limitazione può essere superata grazie all’uso di sensori distribuiti ed a tal fine l’attività di ricerca svolta dai ricercatori IREA ha consentito di sviluppare nuove configurazioni di sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin, che consentono di misurare con elevata risoluzione temperatura e/o deformazioni di strutture di grandi dimensioni. In questo contesto i ricercatori dell’IREA ricoprono una posizione di leadership a livello nazionale e di eccellenza a livello europeo. I risultati della attività di ricerca svolta hanno, infatti, portato al deposito di due brevetti (RM 2006 A 000302 e RM 2008 A 000626) di cui il primo in fase d’estensione a Stati Uniti ed Europa.
Monitoraggio di infrastrutture ed aree urbane
Attività: Tecniche di tomografia SAR satellitare
Le tecniche di tomografia SAR consentono di ricostruire in 3D la scena osservata. Le tecniche Tomografia Differenziale o Imaging 4D (spazio-tempo) consentono di monitorare ad alta risoluzione i target al suolo in modo più’ robusto ed accurato rispetto alle tecniche Persistent Scatterer Interferometry (PSI), avendo anche la capacità di entrare all’interno dei pixel radar per separare contributi provenienti da bersagli localizzati in punti diversi della stessa struttura o su diverse strutture. In tale ambito l’IREA ha contribuito in modo determinante allo sviluppo tecnologico del settore ed ha anche in tal caso l’IREA ha dimostrato per la prima volta l’applicabilità della tecnica con dati reali acquisiti dai satelliti ERS-1 ed ERS-2.
Diagnostica sub-superficiale
Investigare e caratterizzare in modo non invasivo regioni fisicamente non accessibili è l’obiettivo perseguito in diversi e sempre più numerosi contesti applicativi. Alcuni esempi sono:
- l’identificazione di sottoservizi;
- il monitoraggio dello stato del manto stradale;
- le esplorazioni planetarie per l’analisi del sottosuolo alla ricerca dell’acqua;
- le indagini archeologiche, in cui è richiesta la localizzazione e la mappatura di siti di interesse storico sia per indirizzare le operazioni di scavo sia per individuare strutture sepolte in aree dove non è possibile effettuare saggi;
- nelle le ricerche criminologiche orientate all’individuazione di cadaveri o armi sepolte;
- nella mitigazione del rischio antropico.
Monitoraggio di tubazioni
La distribuzione dei servizi, come quelli idrici ed energetici, si basa su complessi sistemi di tubazioni che consentono il trasferimento dei fluidi tra diversi impianti ed il loro trasporto alle utenze finali. Il monitoraggio ed il mantenimento dell’integrità delle tubazioni è, quindi, essenziale al fine di garantire da un lato la continuità del trasporto e dall’altro la prevenzione e la tempestiva riparazione di cedimenti strutturali che, provocando la fuoriuscita di fluidi, possono causare ingenti danni sia economici che ambientali.
Sfruttando il fenomeno fisico dello scattering di Brillouin indotto è, infatti, possibile rilevare se la tubazione è sottoposta a tensioni che ne possono causare il danneggiamento e misurare entità e direzione delle deformazioni subite. I sensori distribuiti in fibra ottica costituiscono, pertanto, un tassello importante nella realizzazione di sistemi di monitoraggio intelligenti capaci di rilevare real time eventi critici che possono causare il collasso strutturale.
In aggiunta ai sensori i fibra ottica, utili per un monitoraggio tempo continuo su una larga scala, sono da considerare i sistemi diagnostici puntuali, come il georadar. Sfruttando sofisticate strategie di elaborazione del segnale a microonde, come quelle messe a punto dai ricercatori dell’IREA, è, infatti, possibile ottenere immagini ad alta risoluzione della regione spaziale in cui la tubazione è posizionata, attraverso cui determinare la presenza di perdite e stimarne l’entità.
Monitoraggio di inquinanti in acque potabili
Secondo uno studio recentemente svolto dall’Environmental Protection Agency (EPA), un sistema di allarme per il monitoraggio della qualità dell’acqua potabile dovrebbe essere in grado di dare risposte immediate rilevando con elevata sensibilità una vasta gamma di potenziali sostanze inquinanti e minimizzando il numero di falsi positivi e falsi negativi. Tale sistema dovrebbe, anche, presentare un buon livello di automazione e semplicità d’uso.
Ad oggi, un simile sistema non esiste e quelli attualmente in uso monitorizzano la qualità dell’acqua: (i) misurando continuativamente un ridotto numero di parametri fisico/ chimici (pH, eH, temperatura, conduttività, torbidità); (ii) effettuando analisi periodiche in laboratorio su campioni. Non esiste pertanto alcun sistema in grado di fornire allarmi in tempo reale del verificarsi di una contaminazione accidentale o dolosa.
La realizzazione di un sistema innovativo per il monitoraggio capillare ed in tempo reale della qualità dell’acqua potabile, in grado di soddisfare i requisiti delineati EPA, richiede l’integrazione di diverse tipologie di sensori, tra cui sensori ottici ed elettromagnetici. E’, infatti, possibile rilevare sostanze inquinanti organiche e microorganismi tossici sfruttando la loro fluorescenza naturale, emessa quando illuminati da una luce UV (260-400nm), ed usando la tecnologia microfluidica per prelevare in modo attentamente controllato i campioni di acqua. D’altra parte, la presenza di sostanze inquinanti determina un’alterazione delle caratteristiche elettromagnetiche (conducibilità specifica, permittività) del campione, che possono essere rilevate mediante tecniche di diagnostica a microonde.
Tra i sensori optofluidici recentemente progettati e realizzati presso l’IREA, sono da annoverare quelli basati su guide d’onda a getto. In tali dispositivi viene sfruttata la proprietà di guida offerta da un getto liquido per veicolare segnali utili a fini di sensing.
Illuminando in direzione ortogonale il getto d’acqua mediante radiazione UV, la luce fluorescente prodotta dalle sostanze inquinanti resta intrappolata all’interno del getto, per il fenomeno della riflessione interna totale (TIR), e convogliata poi ad una fibra ottica che trasporta il segnale ad un rivelatore. Tale approccio elimina completamente inconvenienti che tipicamente affliggono altre metodologie, dovuti alla presenza di strutture solide in cui inglobare la guide d’onda e la soluzione da esaminare.
Sensori optofluidici basati su guide d’onda a getto, hanno permesso la rivelazione a bassissime concentrazioni di numerose sostanze inquinanti, come idrocarburi aromatici (ad esempio: benzene, toluene, xilene e naftelene) e di batteri, come il Bacillus Subtilis (noto come simulante dell’antrace) o la Microcystis Aeruginosa (legata a fenomeni di eutrofizzazione delle acque).
Nell’ambito del progetto ACQUASENSE, sono state testate differenti versioni di tali dispositivi che hanno poi dato luogo alla realizzazione di un dispositivo portatile.
L’interesse suscitato per le ricerche svolte è testimoniato da diversi importanti media del settore:
Optical Society of America (OSA) (http://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/newsreleases/2013/naked_jets_of_water_make_a_better_pollutant_detect/)
Optics & Photonics News - December 2013 (http://www.opnmagazine-digital.com/opn/december_2013?pg=14#pg14)
Photonics Magazine OPLI (http://www.opli.net/opli_magazine/eo/2013/naked-jets-of-water-make-a-better-pollutant-detector/ )
Science Daily (http://www.sciencedaily.com/releases/2013/10/131003162942.htm )
Photonics Spectra (http://www.photonics.com/Article.aspx?AID=55429 )
Red Orbit (http://www.redorbit.com/news/science/1112966652/naked-jets-water-better-way-to-detect-pollutants-100413/
