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.

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/

Identificare e circoscrivere le sorgenti di calore, così come modellare quantitativamente lo stato termico nel sottosuolo e la sua evoluzione temporale, sono aspetti cardini per l’interpretazione delle variazioni geochimiche e geofisiche osservabili in un’area vulcanica attiva che richiedono la definizione delle isoterme, ovvero delle linee che congiungono punti con la stessa temperatura media, ed il monitoraggio delle loro eventuali variazioni temporali. Tale compito trae vantaggio dall’uso dei sensori distribuiti in fibra ottica basati sul fenomeno fisico dello scattering stimolato di Brillouin. Tale sensori consentono, infatti, di determinare la distribuzione tridimensionale di temperatura all’interno di una caldera ed essendo costituiti da una normale fibra ottica il cui ingombro, includendo anche il rivestimento protettivo, è di pochi millimetri offrono il vantaggio di poter essere istallati  anche a posteriori rispetto alla realizzazione del pozzo, senza minimamente perturbare la strumentazione esistente. Inoltre, trattandosi di sensori ottici, eventuali interferenze elettromagnetiche tra il sensore e la strumentazione già installata sono scongiurate.

Secondo  l'Organizzazione Mondiale della Sanità, il cancro è la seconda causa di morte nei paesi economicamente sviluppati e quello al seno è la più diffusa patologia oncologica nella popolazione femminile.

Poiché la diagnosi precoce è oggi considerata un fattore cruciale per aumentare l'efficacia dei trattamenti terapeutici e ridurre il tasso di mortalità, è cresciuto ed è in continuo aumento l'interesse verso lo sviluppo di nuove metodologie diagnostiche in grado di cooperare con quelle esistenti, come la mammografia a raggi X e la risonanza magnetica, riducendone i limiti e le controindicazioni.

Una tecnica potenzialmente in grado di soddisfare tali requisiti è l'imaging a microonde che sfrutta l’interazione tra campi elettromagnetici ed i tessuti biologici. L'idea di impiegare l’imaging a microonde per la diagnostica medica deriva dall'osservazione che a tessuti diversi, o in condizioni funzionali diverse (ad esempio, tessuto sano e canceroso), corrispondono, nella banda di frequenze delle microonde, valori diversi delle proprietà dielettriche. Pertanto, l'impiego di tecniche di diagnostica elettromagnetica consentirebbe, almeno in principio, di recuperare informazioni non solo sulla presenza di una lesione sospetta, ma anche sulla sua natura.

Inoltre, l’imaging a microonde è meno invasiva di altre metodologie diagnostiche in quanto non utilizza radiazioni ionizzanti e richiede dispositivi relativamente economici e poco ingombranti.

La conservazione dei beni culturali è un tema particolarmente importante in un paese ricco di storia e monumenti quale è l’Italia; per questo lo sviluppo di tecniche diagnostiche avanzate, come quelle basate sull’imaging elettromagnetico, sono molto preziose per i contributi che possono dare al settore.

Tecnologie radar a microonde (georadar e radar olografico) ed ai Terahertz (THz), eventualmente potenziati da innovative procedure di elaborazione dati, consentono, ad esempio, di effettuare indagini diagnostiche non invasive, non intrusive e tali da non arrecare alcun rischio di deterioramento del bene in esame finalizzate sia a determinare le modalità costruttive delle opere d’arte sia ad acquisire informazioni sul loro stato di degrado, con particolare attenzione alle problematiche legate al normale invecchiamento dei materiali ed agli effetti dovuti all’inquinamento ambientale. Inoltre, tali sistemi di sensing sono sufficientemente flessibili da poter essere impiegati per investigare diverse tipologie di materiali, tra cui marmi, legni, cementi, malte.

In questo ambito l’attività di ricerca svolta presso l'IREA si articola in due princiali filoni.

Il primo riguarda l'uso e lo studio delle potenzialità diagnostiche di sistemi radar a microonde nell’ambito di indagini, prevalentemente di tipo strutturale, finalizzate a fornire informazioni utili per la conservazione programmata ed ottimizzata nonché  il quick damage assessment di sedi museali di valore storico artistico e/o grandi opere d’arte, come ad esempio altari e pareti affrescate.

Il secondo è incentrato sull'uso e definizione delle potenzialità della tecnologia ai THz come strumento diagnostico allo stato dell’arte per analisi stratigrafiche e spettroscopiche finalizzate alla caratterizzazione di manufatti di pregio ed dei materiali che li compongono. Tali analisi mirano a fornire informazioni utili alla caratterizzazione e conservazione di opere d’arte come mosaici, papiri,dipinti su tela, affreschi e reperti archeologici, tra cui ossa e legni antichi.

Vedere attraverso gli ostacoli, come muri, porte e materiali opachi, ottenendo dall’esterno una fotografia dettagliata della scena osservata è una abilità con notevoli benefici sia in ambito militare che civile. Tale capacità è, infatti, un utile strumento a supporto della gestione delle operazioni di sorveglianza e di riconoscimento volte a garantire la sicurezza di persone e cose mediante il rilevamento tempestivo di fattori di rischio, tra cui armi e droghe. D’altra parte, essa è ad elevato impatto nelle azioni di soccorso, in cui è richiesta la disponibilità di tecnologie capaci di individuare e localizzare persone intrappolate in una stanza o sotto le macerie.

Il monitoraggio dell’integrità strutturale di edifici e di grandi infrastrutture di trasporto, come ponti, viadotti e dighe, è un aspetto cruciale per la prevenzione di disastri naturali e garantire la sicurezza di persone e cose. In questo ambito, uno degli obiettivi da perseguire è rendere disponibili strumenti diagnostici non invasivi, capaci di fornire informazioni dettagliate dello stato di conservazione delle strutture monitorate e di rilevare i fattori di rischio, al fine sia di pianificare e guidare le operazioni di consolidamento sia di allertare, con sufficiente tempestività, la popolazione.
A fronte di tale esigenza, tecnologie di imaging elettromagnetico, come i sensori distribuiti in fibra ottica e i sistemi georadar avanzati, ovvero potenziati da innovativi approcci di tomografia a microonde per l’elaborazione dati, sono utili strumenti per effettuare indagini in situ su diverse scale spaziali e temporali. I sensori in fibra ottica basati sul fenomeno fisico dello scattering di Brillouin consentono, infatti, di effettuare un monitoraggio tempo continuo ed a bassa risoluzione spaziale (dell’ordine del metro). D’altra parte i sistemi georadar sono in grado di fornire immagini dello stato interno della struttura ad alta risoluzione spaziale (dell’ordine del centimetro)  ma non di effettuare un controllo tempo continuo.

L’attività di ricerca svolta presso l'IREA riguarda, pertanto, lo sviluppo, la validazione e l’impiego in condizioni reali  di tali tecnologie con l'obiettivo ultimo di produrre immagini e profili che siano di supporto sia per la previsione e prevenzione dei rischi che per il quick damage assessment dopo eventi di crisi naturali, come terremoti, alluvioni e frane. Negli ultimi anni, grazie anche alle competenze acquisite durante il coordinamento del progetto di ricerca FP7 “ISTIMES - Integrated System for Transport Infrastructure surveillance and Monitoring by Electromagnetic Sensing”, (FP7-ICT-SEC-2007-1 – Grant Agreement 225663), l'attività di ricerca è stata estesa all' uso sinergico ed integrato di diverse tecnologie radar (georadar e radar olografici) ed altre tecniche di sensing elettromagnetico (tra cui i sensori distribuiti in fibra ottica) al fine di delineare un approccio integrato e sistemico per il monitoraggio, la diagnostica e la conservazione delle infrastutture.

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.

Progettazione e simulazione sono due aspetti fondamentali nello sviluppo di nuovi dispositivi e sensori.

Sono stati sviluppati altresì modelli per la descrizione e l’analisi dello scattering stimolato di Brillouin in fibra ottica. Tali modelli consento di simulare in maniera rapida ed accurata lo scattering stimolato di Brillouin in una fibra ottica mononomodale tenendo in conto anche dei fenomeni non lineari. Questi modelli sono stati successivamente utilizzati per la messa a punto di algoritmi per l’elaborazione dei dati di sensori distribuiti in fibra ottica basati sullo scattering di Brillouin che consentono di aumentare sia l’accuratezza che la risoluzione.

Con il termine tomografia a microonde si intende l’insieme delle metodologie che, sfruttando l’interazione tra campi elettromagnetici e mezzi materiali, mirano a ricostruire i parametri elettromagnetici di domini spaziali non direttamente accessibili allo scopo di rilevare, in modo non distruttivo e minimamente invasivo, la presenza di eventuali anomalie e determinarne le caratteristiche morfologiche (posizione, forma e dimensione) ed elettromagnetiche (profili di permittività dielettrica, conducibilità elettrica e permeabilità magnetica).

Diversamente dalle strategie di elaborazioni dati radar tradizionali, gli approcci tomografici si basano sull’uso di modelli fisico/matematici adeguati a descrivere l’interazione onda/bersaglio in scenari complessi. D’altro canto, essi richiedono di affrontare le notevoli difficoltà insite nella soluzione di un problema inverso di diffusione elettromagnetica, in cui il legame tra i dati e le incognite è non lineare e mal-posto.

Nel corso degli anni, i ricercatori dell’IREA hanno messo a punto diversi approcci efficienti e stabili rispetto alle incertezze ed al rumore con lo scopo di una "diagnostica" ad alta risoluzione quasi real-time e possibilmente quantitativa. Tali approcci sono capaci di operare sia in condizioni critiche come quelle tipiche nell'ambito "physical security" che in scenari elettromagneticamente complessi quali quelli relativi alle applicazioni di diagnostica medica.

Un primo insieme di approcci sviluppati presso l’IREA si basa sulla linearizzazione del problema ottenibile mediante modelli semplificati della diffusione elettromagnetica ed è in grado di fornire risultati soddisfacenti anche per configurazioni di misura estremamente semplificate. Tali approcci, grazie all’uso degli strumenti di analisi di problemi inversi lineari, sono stati ampiamente caratterizzati per quanto riguarda la configurazione di misura da adoprare e le capacità di ricostruzione ottenibili.

In alternativa a questi metodi è anche stato investigato l’uso di metodi qualitativi basati sulla soluzione di un problema inverso lineare ausiliario (in grado però di fornire informazioni solamente di tipo morfologico) che non fanno quindi uso di modelli approssimati. Tali metodi presentano una notevole flessibilità e consentono la caratterizzazione dello scenario in tempo reale, ma allo stato necessitano di strategie di misura idonee.

Una ulteriore classe di metodologie è quella dei così detti approcci di tipo quantitativo. Tali strategie consentono di ottenere informazioni esaustive sulle proprietà elettromagnetiche dei bersagli a spese di una aumento della complessità del problema inverso da risolvere e di un conseguente innalzamento del carico computazionale. Dovendo affrontare la soluzione di un problema non lineare e mal posto, tali strategie si basano su un approfondito studio dei fattori che influenzano il grado di difficoltà del problema. A riguardo, i ricercatori dell'IREA hanno messo a punto formulazioni alternative del problema di diffusione elettromagnetica in grado di “ridurre” la non-linearità della relazione dati-incognite al fine di evitare che le procedure di imaging diano luogo a risultati non coerenti con lo scenario investigato (problema della false soluzioni).

Inoltre i ricercatori dell’IREA sono impegnati nello sviluppo di tecniche di regolarizzazione che consentono sia di ridurre l’incidenza delle false soluzioni sia di migliorare la convergenza delle procedure iterative, che sono alla base delle tecniche di elaborazione. I ricercatori dell’IREA sono anche impegnati nella messa a punto di approcci di tipo ibrido basati sull’integrazione di approcci qualitativi e quantitativi.