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Lo scopo del progetto, guidato dalla necessità di analizzare aree estese e campioni tri-dimensionali all’interno dell’Istituto VA-VE, è di sviluppare un sistema di tomografia a microonde con i seguenti obiettivi:
- possibilità d’impiego in laboratorio e verifica del potenziale utilizzo in siti esterni
- non invasività nei riguardi dell’oggetto sotto test, in modo che l’operazione di monitoraggio lasci l’oggetto stesso completamente inalterato
- semplicità e praticità d’uso
- economicità
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).
Il progetto si propone di studiare tecniche sperimentali e protocolli di diagnosi per reperti di medie dimensioni. Si utilizzerà per questo un approccio tomografico che, diversamente dalle strategie di elaborazione del segnale basate sull’elaborazione di dati radar trattati tradizionalmente mediante concetti di propagazione relativi alla propagazione in campo lontano (far field), si baserà piuttosto sull’uso di modelli fisico/matematici adeguati a descrivere l’interazione onda/bersaglio in scenari complessi, mettendo in gioco concetti di propagazione del segnale che investono le problematiche relative a situazioni miste di trasmissione ad alte frequenze in campo vicino (near field) e in campo lontano. Inotre, il progetto si prefigge 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 spesso non lineare e difficilmente modellizabile.
DESCRIZIONE DEL SISTEMA
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Nel sistema di imaging a microonde ciascuna antenna funge da trasmettitore e ricevitore, in modo da avere misurazioni multistatiche del campione. Il segnale ricevuto e trasmesso dalle antenne è misurato da un Vector Network Analyzer (VNA Keisight P9375A). Il sistema è composto da un VNA, una matrice di commutazione a radiofrequenza (RF) collegata a una serie di antenne appositamente progettate. |
PROGETTAZIONE DELLE ANTENNE E DELL’ELETTRONICA
| Il nucleo del sistema di tomografia a microonde è l’architettura multi-antenna. Ciascuna antenna funge da trasmettitore e ricevitore, in modo da avere misurazioni multistatiche del campione. Il segnale ricevuto e trasmesso dalle antenne è misurato da un Vector Network Analyzer. L’intero sistema è gestito da un software che permette di collezionare e processare il segnale trasmesso da ogni coppia di antenne selezionate secondo una sequenza precisa dalla Matrice di Commutazione. Sono state progettate due tipologie di antenne patch, una di tipo broadside e l’altra endfire, utilizzando il software commerciale CST Microwave Studio, con la richiesta per le antenne di avere un guadagno ed una direttività sufficienti a penetrare il campione. Nella Matrice di Commutazione le 16 antenne sono collegate a 4 banchi di interruttori RF 4:2 e gli otto segnali arrivano alle due porte di trasmissione e ricezione del VNA tramite 2 switch 4:1. |
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MISURE AD ALTA FREQUENZA E DATA PROCESSING
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Nella configurazione sperimentale l’intero sistema è controllato automaticamente da un personal computer (PC) che seleziona la coppia di antenne attive, controlla il VNA, raccoglie i dati di misura (tramite un’interfaccia GPIB) ed esegue gli algoritmi di ricostruzione. Il PC si occupa anche della sincronizzazione dei componenti del sistema. I dati misurati vengono elaborati da un algoritmo di inversione per ottenere una ricostruzione del campione e delle inclusioni al suo interno. L’algoritmo prende il nome di MERIT (Microwave Radar-based ImagingToolbox) ed è un framework MATLAB open-source disponibile sul sito GitHub https://github.com/EMFMed/MERIT. |
IN-FIELD TEST PRESSO IL “TEATRO MARITTIMO” DI VILLA ADRIANA
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L’obiettivo è offrire al restauratore una analisi non intrusiva dell’opera d’arte attraverso uno strumento portatile e facile da implementare. |
VIDEO REEL DEL PROGETTO
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