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Tesi etd-10192017-114442


Thesis type
Tesi di dottorato di ricerca
Author
TARCHI, DARIO
URN
etd-10192017-114442
Title
Ground-Based Interferometric radar systems with fast acquisition capabilities: assessment of their use for the monitoring of deformation processes of geological interest.
Settore scientifico disciplinare
GEO/05
Corso di studi
SCIENZE DELLA TERRA
Commissione
tutor Prof. Casagli, Nicola
commissario Prof.ssa Pagli, Carolina
commissario Prof.ssa Meisina, Claudia
commissario Dott. Cevasco, Andrea
Parole chiave
  • monitoring
  • landslides
  • Ground-based SAR Interferometry
  • Stromboli volcano
Data inizio appello
31/10/2017;
Consultabilità
completa
Riassunto analitico
Abstract<br>A new class of Radar interferometer, based on an electronically scanned array in MIMO configuration (MIMO-SAR) has been assessed for the operational use in the monitoring of phenomena of geological interest, such as landslides and unstable slopes. The new system is able to apply the very well-known and proven Ground Based Interferometric technique and may guarantee and unprecedented short refreshing time in comparison with traditional systems based on the mechanical movement of the radar transceiver on a rail or on the mechanical steering of a real antenna. This new feature can allow monitoring a number of phenomena having deformation rates too high to be correctly retreived by traditional systems currently in use. The implementation of a prototype, termed MELISSA, has been finalized and a full validation of the system in a controlled environment has been completed. A framework to assess in general terms all the different measurement parameters of a radar interferometer and how they relate and influence each other has been defined. This allowed identifying the advantages but also the expected limitations of the new system in comparison to existing instruments. Real cases where GB-InSAR is currently being applied have been first analysed to evaluate the possible advantages of using a similar system and then real experiments have been conducted on different sites including, the operational monitoring of the stability of the Costa Concordia wreck, the Vetto landslide and the Stromboli Volcano. The experimental results have been combined with the theoretical framework to provide the final assessment of the system and identify possible scenarios for its operational use. A reference design for the MIMO-SAR able to ensure about 125 images per second in a maximum range of about 500 m turns out to be fully validated. In this scenario the MIMO-SAR may acquire images with an unprecedented high rate while it is equivalent to existing system concerning other relevant measurement parameters. Over larger distances the MIMO-SAR system cannot actually maintain similar performances and the second recommended scenario is in support and combination with a traditional system to provide temporary close-in view over portions that exhibits an acceleration of the deformation rates. A third scenario concerning the provision of early warning is also defined. This is particularly tailored for situations where a fast evolving phenomenon may suddenly develop whitout clear precursors. Finally possible options to enhance the system are presented. <br><br>Riassunto<br>Una nuova classe d’interferometri radar, basata su una schiera di antenne in configurazione MIMO (MIMO-SAR) e scansionate elettronicamente è stata valutata al fine di un suo uso per il monitoraggio di fenomeni d’interesse geologico quali frane e instabilità di versante. Il nuovo sistema è capace di applicare la ben nota e comprovata tecnica dell’interferometria radar con sensore basato a terra (GB-InSAR) garantendo un tempo di ripresa della singola immagine molto breve in confronto a strumenti tradizionali basati sulla movimentazione meccanica del sensore radar su un binario o sulla scansione meccanica di un’antenna reale. Tale nuova capacità può consentire di monitorare fenomeni con dinamiche veloci che eccedono le possibilità dei sistemi tradizionali correntemente in uso. La realizzazione di un prototipo, denominato MELISSA, è stata completata attraverso l’effettuazione di una serie di test di validazione in laboratorio. In parallelo è stato definito un quadro generale per la valutazione delle prestazioni di un generico interferometro tenendo in conto i diversi parametri di misura e le principali interdipendenze fra essi. Questo ha consentito una valutazione preliminare delle prestazioni e dei possibili vantaggi attesi anche considerando esempi reali di monitoraggio effettuato con sensori GB-InSAR tradizionali. Esperimenti con il nuovo strumento sono stati quindi compiuti in una serie di siti con diverse e significative tipologie di fenomeno e che includono il monitoraggio del relitto della Costa Concordia all’isola del Giglio, la frana di Vetto e il vulcano Stromboli. I risultati ottenuti sono stati combinati con il complesso degli elementi precedentemente elaborati per fornire una valutazione finale del nuovo sistema ed identificare possibili scenari per il suo impiego. Utilizzando una configurazione base del sistema, precisamente descritta nel lavoro, è possibile eseguire, entro una distanza di ca. 500 m, monitoraggi operativi con risultati equivalenti a sistemi tradizionali ma con un numero di acquisizioni fino a 125 per secondo. Su distanze superiori il sistema non può, nella configurazione analizzata, mantenere le stesse prestazioni e l’uso suggerito è in combinazione e complemento a sistemi tradizionali allo scopo di monitorare temporaneamente aree specifiche che mostrino una dinamica di deformazione particolarmente rapida. Un terzo scenario è infine specificamente elaborato al fine di ottenere early-warning rispetto a fenomeni che insorgono improvvisamente e senza chiari precursori. Possibili attività per migliorare ulteriormente il sistema sono infine discusse. <br>
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