Sistema de Georradar (GPR) integrado con drones

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Sistema de Georradar (GPR) integrado con drones

Sistema de georradar con dron diseñado para una recolección precisa de datos subterráneos.

Los georradares (GPR) integrados con drones ofrecen una solución GPR aérea avanzada para mapeo subterráneo en diversas aplicaciones, como estudios geofísicos y geofísica arqueológica. Estos sistemas permiten la detección de servicios subterráneos y la exploración subterránea ambiental, siendo ideales para proyectos de infraestructura y análisis del subsuelo. Gracias a la integración de drones con GPR, se optimiza la recopilación de datos en terrenos difíciles. La tecnología GPR multifrecuencia asegura una alta precisión, ofreciendo una solución eficiente para grandes áreas y estudios complejos.

Sectores de aplicación:

Sistema de georradar (GPR) integrado con drones para recolección avanzada de datos subterráneos

El Radar de Penetración Terrestre (GPR, por sus siglas en inglés) utiliza pulsos de radar para detectar e imaginar objetos y características subterráneas.

Un transmisor de GPR emite energía electromagnética en el suelo.

Cuando la energía encuentra un objeto enterrado o un límite entre materiales con diferentes permitividades dieléctricas (una propiedad que define la velocidad de las ondas electromagnéticas), puede reflejarse hacia la antena receptora del GPR. La electrónica del GPR puede entonces registrar las variaciones en la señal de retorno.

Entregables

Los datos del GPR provienen del sensor en forma digital y no están destinados a la interpretación directa por humanos, a diferencia de las fotos de las cámaras. Requieren software especializado para su procesamiento e interpretación.

Estos métodos de representación de datos de GPR son los más populares, pero existen muchas opciones adicionales, incluyendo la exportación a formatos que pueden ser importados en sistemas CAD y GIS.

Fig.2 – Perfil de GPR cruzando un gasoducto con interpretación. Los datos fueron recolectados utilizando el sistema GPR Zond Aero 500, procesados e interpretados en el software Prism2 de Radar Systems.	Fig.3 – Sección horizontal del subsuelo para visualizar el recorrido de las instalaciones. Los datos fueron recolectados utilizando el sistema GPR Zond Aero 500 y procesados en Geolitix.
Los resultados de las encuestas de GPR pueden presentarse en diferentes formas. El formato más común y “natural” para los datos de GPR es un “perfil”: una sección vertical de datos a lo largo de la línea de la encuesta	Otra forma popular son las secciones horizontales, ya que proporcionan una mejor comprensión de dónde se encuentran los objetos detectados bajo la superficie y sobre la forma de los objetos.
Fig.4 – Representación en 3D de las mismas instalaciones que en la imagen con secciones horizontales. Captura de pantalla de Geolitix.	Fig.5 – Rejilla de espesor de hielo. Los datos fueron recolectados utilizando el sistema GPR Zond Aero 1000 y procesados en Geolitix.
Muchos clientes prefieren ver reconstrucciones en 3D del mundo subterráneo, y eso también es posible. Requerirá más pasos de procesamiento y preparación, pero como este método proporciona la máxima comprensión en situaciones complejas, se está volviendo cada vez más popular, gracias al software moderno de procesamiento de GPR que simplifica radicalmente esa tarea.	Otro método popular es generar rejillas de espesor, por ejemplo, para responder preguntas como “¿Qué grosor tiene la capa de arena que cubre la roca madre?” o “¿Qué grosor tiene el hielo?”.

Beneficios del GPR montado en drones El GPR montado en drones implementa el lema “más seguro, más barato, más rápido”. Aquí hay algunas situaciones donde el uso de GPR en drones es beneficioso:

Terreno accidentado donde las encuestas de superficie pueden ser imposibles (suelo cubierto de hielo y nieve, terreno rocoso e irregular, a través de ríos y en áreas propensas a avalanchas).
Áreas con riesgos de seguridad o salud para el operador (glaciares con grietas, suelos contaminados, etc.).
Grandes áreas despejadas donde la productividad de las encuestas terrestres no sería económicamente razonable (por ejemplo, escanear grandes campos para granjas de paneles solares para determinar la profundidad de la roca madre y la presencia de rocas).

¿Por qué necesitamos diferentes sistemas de GPR? Todos los sistemas de GPR utilizan los mismos principios, pero varían en su aplicación debido a las diferentes frecuencias de las antenas:

Los sistemas de GPR de baja frecuencia penetran más profundamente con menor resolución y son adecuados para objetos más grandes a mayores profundidades.
Los sistemas de GPR de alta frecuencia ofrecen mayor resolución para objetos más pequeños, pero tienen una penetración limitada.

El diseño de la antena refleja:

Las antenas de baja frecuencia son más grandes y no están blindadas.
Las antenas de alta frecuencia son compactas y están blindadas para reducir el ruido.
La variedad de GPR asegura el sistema adecuado para cada necesidad de investigación subterránea.

01.

02. Zond Aero LF con antena de 50 MHz y 3 metros de largo

Penetración más profunda posible: hasta unas pocas docenas de metros en suelos de muy baja conductividad (arena seca o rocas), o cientos de metros en hielo, lo que hace que este sistema sea una herramienta excelente para la glaciología y el escaneo profundo.

Zond Aero LF con antenas de 75…400 MHz

El Zond Aero LF en drones como el DJI M350/M300 RTK puede usarse con antenas en el rango de frecuencia de 75…400 MHz, lo que permite seleccionar la frecuencia adecuada para una aplicación particular. Cambiar la antena toma un par de minutos.

03.

04. Zond Aero 500 MHz

Un sistema bastante universal con una antena blindada, capaz de penetrar lo suficientemente profundo para muchas aplicaciones de geofísica de ingeniería y detectar objetos relativamente pequeños o servicios públicos delgados.

Zond Aero 1000 MHz

La mejor resolución posible y la capacidad de detectar objetivos pequeños, pero la penetración bajo la superficie en condiciones normales será inferior a 0.5 m.

Aplicaciones

La tabla proporciona un resumen de lo que podemos esperar de los sistemas GPR disponibles para uso en drones y sus aplicaciones recomendadas. Aquí, hemos listado los sistemas GPR fabricados por Radar Systems Inc., Letonia, ya que esta línea de GPR cubre todas las posibles aplicaciones para radares de penetración terrestre montados en drones. Cualquier otro sistema GPR con una frecuencia central similar tendrá más o menos los mismos parámetros prácticos en cuanto a penetración y resolución.

Tenga en cuenta que la penetración y la resolución en ciertos lugares dependen de la composición del suelo, la humedad, la temperatura, etc. En la tabla a continuación, utilizamos los parámetros de un “suelo promedio” típico: una sustancia con una permitividad dieléctrica relativa de 9, baja conductividad y bajo contenido de agua.

A pedido, los sistemas GPR Zond Aero LF pueden venir con antenas para frecuencias centrales personalizadas.

Sistemas GPR disponibles para drones – uso y aplicaciones recomendadas
Frecuencia central, MHz	1000	500	300	150	100
Modelo de GPR	Zond Aero 1000	Zond Aero 500	Zond Aero LF	Zond Aero LF	Zond Aero LF
Penetración desde la superficie, m	0.5 .. 1	2 .. 4	4 .. 8	8 .. 15	15 .. 20
Penetración desde el dron, m	0.3 .. 0.5	1 .. 2	2 .. 4	4 .. 8	7 .. 10
Penetración desde el dron en agua dulce, m (conductividad del agua <200 µS/cm)	–	0.25	2	4	7
Elevación máxima recomendada de la antena para la encuesta aérea, m	0.3 (el límite práctico es 0.6m)	0.6	1	2	3
Tamaño mínimo de objetos detectables bajo la superficie desde la altitud recomendada, cm	7	10	20	35	50
Tamaño mínimo de objetos «profundos» detectables desde la altitud recomendada, cm	11 a 0.5m	26 a 2m	50 a 4m	100 a 8m	180 a 15m
Diámetro mínimo de objetos lineales no conductivos detectables como una tubería de plástico vacía, cm	5	10	17	33	50
Diámetro mínimo de objetos lineales conductivos detectables como una tubería de metal o una tubería de plástico llena de agua, cm	5	8	13	27	40
Aplicaciones
Búsqueda de objetos pequeños
Glaciología, perfilado del grosor de nieve/hielo
Estratigrafía geológica • estratigrafía del subsuelo • estructura • superficie de la roca madre
Encuestas geotécnicas • búsqueda de cavidades • búsqueda de sumideros
Búsqueda de servicios públicos • cables • tuberías de agua y alcantarillado • tuberías de gas • tuberías de petróleo
Mapeo de infraestructura subterránea
Arqueología • artefactos • estructuras ocultas • estratigrafía • cimientos
Arqueología • cuevas • tumbas • túneles
Arqueología forense
Batimetría de agua dulce
Minería y explotación de canteras • rocas • fracturas • fallas • juntas

Buenas prácticas para utilizar el sistema GPR

Estos son los consejos para utilizar eficazmente el sistema GPR. No se trata de una lista exhaustiva, y siempre estamos dispuestos a discutir su solución específica en detalle.

01.

Dado que, en el caso del uso aéreo (cuando la antena GPR no está en contacto con la superficie), una parte significativa de la energía del impulso GPR puede reflejarse en la superficie, se espera que la penetración desde un dron sea la mitad de la lograda con una encuesta terrestre en la superficie. La altitud recomendada (o la distancia entre la antena y la superficie) en el caso de una encuesta aérea debe ser menor que la longitud de la onda electromagnética en el aire correspondiente a la frecuencia central de la antena.

02.

La penetración en buenas condiciones, como arena muy seca en el desierto después de la temporada seca, puede ser hasta 2 veces mejor. En condiciones ideales (nieve y hielo), la penetración puede ser de 3 a 4 veces mejor. Condiciones como la arena seca o la nieve/hielo también son muy buenas para el uso aéreo. Si se mantiene la altitud recomendada, no vemos ninguna degradación significativa de la máxima penetración en hielo o nieve en comparación con el uso terrestre.

03.

El tamaño mínimo de un objeto detectable es el diámetro de la superficie plana superior de un objeto subterráneo orientado horizontalmente. A veces (dependiendo de la dirección de viaje del GPR), es imposible detectar una hoja de metal incluso si tiene el doble del tamaño mínimo requerido si, por ejemplo, está posicionada en un ángulo de 45 grados.

04.

“Size mínimo” o “diámetro mínimo” significa que es extremadamente poco probable detectar objetos más pequeños. Pero no se garantiza que será posible detectar objetos más grandes; eso dependerá de docenas de otros factores.

05.

El diámetro del reflector plano detectable se estima utilizando una “regla general” como el 10% de la distancia entre la antena y el objeto (elevación de la antena + profundidad) O la mitad de la longitud de onda en el material anfitrión, el que sea mayor.

06.

El diámetro mínimo de tubos plásticos vacíos detectables se estima como la longitud de onda de la frecuencia central del GPR en el aire dividida por 2.

07.

El diámetro mínimo de objetos conductores detectables (tuberías metálicas, tuberías de plástico llenas de agua) se estima en un 40% de la longitud de onda de la frecuencia central del GPR en un material anfitrión (fuente: Ground‐Penetrating Radar for Geoarchaeology, Lawrence B. Conyers).

08.

NUNCA planifiques encuestas utilizando estimaciones cercanas a los límites de penetración, tamaño de objetos detectables, etc. Siempre utiliza valores más conservadores.

09.

Un error típico de los nuevos usuarios de GPR es pedir un sistema de GPR con máxima penetración y tratar de detectar objetos subterráneos más pequeños con él. Recuerda: una buena máxima penetración significa una mala resolución/capacidad para detectar objetos pequeños.

10.

Al pedir un nuevo sistema de GPR para una aplicación particular, considera qué penetración es necesaria, es decir, no la excedas demasiado. Los clientes potenciales a menudo piden un sistema para búsqueda de servicios con una penetración máxima de hasta 20 m. Sin embargo, la profundidad habitual de tuberías/cables es de 1-2 m. Es mucho mejor pedir un sistema de 500 MHz, que permitirá la detección de objetos más pequeños/finos.

11.

Una capa de arcilla, incluso con una pequeña cantidad de agua, arruinará la imagen adquirida. Si hay arcilla o suelo arcilloso en el área de la encuesta, esta debe planificarse después de una temporada seca o un largo período de tiempo seco.

12.

Las ondas electromagnéticas no penetran a través del agua salada. Por lo tanto, el GPR no se puede utilizar para batimetría en mar/agua salada.

Calculadora de GPR de SPH Engineering

La calculadora de GPR se puede utilizar para estimar la detectabilidad de objetivos a una profundidad y altitud de vuelo (elevación de la antena) particulares.

Ingresa información sobre la Elevación de la Antena, el tipo de sistema GPR, la Profundidad Estimada del Objetivo y el tipo de Material/Suelo para obtener los resultados.

Componentes del sistema

Los sistemas magnetométricos montados en drones no sólo incluyen el dron y la carga útil del magnetómetro. SPH Engineering suministra soluciones integrales para cada aplicación concreta.
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Drones compatibles: DJI M300/M350/M600, Inspired Flight IF1200A o IF800, Harris Aerial H6, y Wispr Ranger Pro y UAV similares

Radar de Penetración Terrestre

GPR integrado con montajes para el dron

Ordenador de a bordo SkyHub

Actúa como registrador de datos del magnetómetro e implementa el modo True Terrain Following

Altímetro láser o radar

Altímetro láser o radar para volar automáticamente en modo de seguimiento del terreno

Software de planificación de vuelos UgCS

Software de control en tierra con funciones especializadas para levantamientos magnetométricos, esencial para una recogida de datos precisa

Software de tratamiento de datos

Programas informáticos de tratamiento de datos para el tratamiento inicial (limpieza y filtrado de datos) y la generación de resultados.

Conjuntos de Datos

Descubre la amplia colección de ejemplos de datos para diferentes sistemas y aplicaciones de GPR de SPH Engineering »»»

Data Sets

RESPUESTAS A PREGUNTAS FRECUENTES FAQ Sistema de Georradar (GPR) integrado con drones

¿Podemos usar GPR para detectar minas terrestres?

En teoría, sí; en la práctica, no. El principal problema aquí es la tasa extremadamente alta de detecciones falsas positivas en el entorno real. Por favor, consulta nuestro informe del campo de pruebas de UXO/minas terrestres. La única aplicación viable del GPR aquí es usarlo como un sensor auxiliar para recopilar más información (profundidad, tamaño) sobre los objetivos detectados utilizando sensores que emplean diferentes principios físicos (magnetómetros, detectores de metales).
¿Puede el GPR medir la profundidad?

Físicamente, el GPR mide el tiempo (en nanosegundos – ns) cuando se recibe una señal reflejada, utilizando el momento en que se envió la señal como punto cero. Ese período de tiempo se llama Tiempo de Doble Trayecto (TWT). El software de procesamiento de datos de GPR puede recalcular el tiempo en profundidad si informas al software qué tipo de suelo/medio había en tu área de encuesta.
¿Cuál es la altitud de vuelo recomendada para el GPR?

Tan baja como sea posible; ten en cuenta la zona muerta de sistemas de antena única como el Zond Aero LF.
¿Qué es la zona muerta en relación con el GPR?

Algunos sistemas de GPR (por ejemplo, Zond Aero LF) utilizan una sola antena para transmitir y recibir señales. Durante el ciclo de transmisión y algún tiempo después, el GPR no puede recibir señales reflejadas. La zona muerta para antenas de baja frecuencia puede ser bastante grande, de hasta unos pocos metros bajo la superficie. La calculadora en línea de GPR de SPH Engineering se puede utilizar para estimar la zona muerta bajo la superficie para un tipo específico de GPR y elevación de la antena.
¿Puedo volar sobre el bosque y recopilar datos subterráneos?

No. En teoría, es posible utilizar sistemas de GPR con transmisores muy potentes y antenas de haz estrecho. Sin embargo, estos no existen y, de todos modos, no serían adecuados para UAV pequeños y medianos debido al gran tamaño de las antenas direccionales para la baja frecuencia del GPR. Además, la potencia de los transmisores de GPR es muy limitada en casi todos los países.
¿Por qué vemos hipérbolas en los datos de GPR?

Las hipérbolas en el perfil de GPR corresponden a objetos pequeños o lineales cruzados por las líneas de encuesta. Las antenas de GPR tienen un haz bastante amplio y comienzan a “sentir” las reflexiones del objetivo antes de que la antena de GPR pase sobre el objeto y algún tiempo después. Las reflexiones registradas formarán hipérbolas si la antena se mueve más o menos constantemente. La parte superior de la hipérbola estará en el punto en que la antena de GPR esté justo encima del objeto.
¿Tiene sentido usar GPR en drones en ciudades, para escanear servicios bajo las calles, etc.?

No. El GPR en UAV no es adecuado para espacios confinados. En todas las situaciones mencionadas, es mejor utilizar GPR con un carro de manera tradicional. Suministramos carros de GPR terrestres para los sistemas GPR Zond Aero 500 y Zond Aero 1000.
¿Qué medios son los mejores para el GPR?

La nieve y el hielo. En términos de propagación de ondas electromagnéticas, el hielo y la nieve son casi lo mismo que el aire. Esto hace que los estudios de nieve y hielo sean una aplicación muy popular del GPR (tanto montado en drones como terrestre). La arena seca y los suelos arenosos también son muy favorables para el GPR.
¿Qué medios o suelos son los peores para el GPR?

Cualquier medio y suelo con alta conductividad, como la arcilla o el suelo arcilloso, campos agrícolas con muchos fertilizantes, agua de mar o agua contaminada.
¿Cuáles son los “obstáculos” adicionales para el GPR montado en drones?

En la mayoría de los casos, no se puede usar GPR montado en drones después de la lluvia o cuando la capa superior del suelo está saturada de agua, y si hay vegetación alta o árboles en el área de la encuesta.
¿Son legales los sistemas de GPR montados en drones?

En muchos países, hay un límite para la elevación de la antena de GPR sobre el suelo, generalmente de 1 m. Si la elevación de la antena cuando se utiliza en un UAV está dentro de este límite, está bien.

Pero desde otro punto de vista, en la mayoría de los casos, excepto en nieve/hielo/suelos muy secos, el GPR montado en drones es inútil cuando la antena está elevada más de 1 m. Así que aquí tenemos regulaciones estrictas, pero no limitan el uso práctico del GPR montado en drones.
¿Cómo estimar qué tamaño de objetivos o diámetros de tuberías se pueden detectar utilizando GPR montado en el dron?

La calculadora en línea de GPR de SPH Engineering se puede utilizar para ese propósito. Selecciona el modelo de GPR, la elevación de la antena, la profundidad estimada del objetivo y el tipo de suelo/medio. La calculadora de GPR estimará y mostrará mucha información útil. Ten en cuenta que todos estos números son para condiciones favorables y no están garantizados para condiciones particulares.
¿Qué tan compleja es la procesamiento de datos de GPR?
En la mayoría de las situaciones, el procesamiento de datos es simple y directo y requiere solo unas pocas operaciones:
1. Cargar los datos RAW del sensor en el software de procesamiento.
2. Eliminar la señal de fondo (ruidos constantes) que oculta las reflexiones de objetos o características de interés.
¿Es complejo el procesamiento de datos de GPR? Explicación: paso 2. Eliminar la señal de fondo (ruidos constantes) que oculta las reflexiones de objetos o características de interés.

3. Aumentar la ganancia (amplificación) de la señal para hacer que las reflexiones subterráneas sean más visibles y revelar anomalías débiles.
¿Es complejo el procesamiento de datos de GPR? Explicación: paso 3. Aumentar la ganancia (amplificación) de la señal para hacer que las reflexiones subterráneas sean más visibles y revelar anomalías débiles.

Si no ves tus objetivos de interés después de estos simples pasos, lo más probable es que lo que estás buscando no esté allí, o que la calidad de los datos sea mala, o que las condiciones subterráneas no permitan que la energía electromagnética penetre lo suficientemente profundo y regrese a la antena receptora del GPR. Pasos de procesamiento más complejos pueden aumentar el contraste de las anomalías y permitir extraer información adicional sobre los objetivos, pero no ayudarán a encontrar algo en datos “basura”.