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Introducción
Durante la prueba, se utilizó un único GPR RadSys Zond Aero 500 NG tanto en configuración terrestre como aérea. Al emplear el mismo equipo en ambas modalidades, se redujo el impacto que las distintas antenas podrían tener en los resultados y su interpretación. El estudio se llevó a cabo sobre una pista de asfalto, bajo la cual existen varias capas de suelo y numerosos objetos compactos.
Recopilación de datos a cargo de Sergey Kucenko1 y Sergey Zelenkov2. Procesamiento de datos e informe realizados por Sergey Zelenkov2, Alexey Dobrovolskiy1y Matiss Brants1.
1SPH Engineering, Riga, Letonia
2Radar Systems, Inc., Riga, Letonia
Métodos
El campo de pruebas de UAV
La prueba se llevó a cabo el 18de septiembre de 2024 en el campo de pruebas de UAV de SPH Engineering en Baloži, Letonia (N 56.8631°, E 24.1119°): un terreno abierto y llano de 4 hectáreas rodeado de bosques (figura 1). El sitio alberga numerosos objetos de infraestructura enterrados, como tuberías de acero, barriles de agua, tuberías reforzadas, etc., con fines de pruebas geofísicas. En este caso, sin embargo, el GPR se probó sobre una franja de asfalto que rodea el campo. Debajo del asfalto hay capas de arena removida con algunas inclusiones rocosas, que descansan sobre suelo natural de turba.
Ejecución del estudio
La prueba se realizó en un día soleado y cálido, sin precipitaciones significativas durante los tres días anteriores. La línea de estudio de 170 m de longitud (Figura 2) siguió un tramo recto de asfalto bastante deteriorado con baches. Mientras que el sistema basado en UAV voló en una línea perfectamente recta siguiendo un curso preestablecido, el sistema de carro terrestre tuvo que ser guiado alrededor de los baches, por lo que la línea fue menos recta.
Dispositivo utilizado: GPR Zond Aero 500 NG de Radar Systems Inc.
Al comparar sistemas GPR basados en UAV y terrestres, se deben considerar muchos parámetros, como el tipo de antena, la frecuencia central, la ganancia, la técnica de digitalización, el rango dinámico, el filtrado, etc. Para evitar malentendidos y reducir ventajas injustas, estos parámetros deben ser lo más similares posible. La mejor manera de lograr esta similitud es utilizar la misma antena en todas las configuraciones probadas, como en la presente prueba.
El Zond Aero 500 NG es un sistema GPR universal para estudios terrestres y aéreos. Utiliza tecnología de muestreo en tiempo real (RTS) y un procesamiento de señal digital integrado avanzado para proporcionar datos de alta calidad con una alta relación señal-ruido. La frecuencia central es de 500 MHz. El sistema puede montarse en un UAV, en un carro o simplemente arrastrarse con una cuerda de remolque.
En la prueba basada en UAV, el GPR se montó en los rieles de un UAV DJI Matrice 350 RTK (figura 3a). El UAV estaba equipado con un sistema de seguimiento de terreno real guiado por láser para mantener la antena GPR a una altitud constante de 0,5 metros sobre el suelo. La velocidad de la configuración se fijó en 1 m/s. Los datos brutos se recopilaron en la computadora de a bordo SkyHub de SPH Engineering, conectada al UAV.
Montar la antena GPR en un carro (figura 3b) permitió mantener una distancia constante del suelo con un buen acoplamiento. El carro era guiado por un operador y debía maniobrarse alrededor de cualquier obstáculo bajo, sobre el cual un dron simplemente podía volar sin ser perturbado. Para la configuración terrestre, los datos brutos se registraron en una computadora portátil conectada al mango del carro.
Procesamiento de datos
El procesamiento de datos se realizó utilizando el software Prism v2.70, desarrollado por Radar Systems Inc. El primer paso en el procesamiento de datos fue recortar los extremos del perfil donde solo se registró señal estática y corregir la trayectoria ligeramente más larga de la configuración terrestre debido a los baches en el camino, como se mencionó anteriormente. La interpolación X por coordenadas GPS ayudó a reconstruir el perfil GPR basado en drones de forma equidistante para alinearlo con los datos terrestres. Solo se utilizó la eliminación de fondo para el filtrado de datos, y se aplicó la misma ganancia de señal a ambos conjuntos de datos. El coeficiente de permitividad dieléctrica se fijó en 9.
Resultados
Los conjuntos de datos de GPR de ambas configuraciones son notablemente similares (figura 4). La mayoría de las características horizontales principales del conjunto de datos de la configuración terrestre son claramente visibles también en el conjunto de datos basado en UAV. La diferencia principal es la mayor intensidad de la señal y la resolución más alta de los límites en los datos terrestres. Los datos terrestres también proporcionaron una mayor penetración de la señal, ya que hay más pronunciados y límites resueltos a una profundidad de 2 a 4 metros. El ruido en los datos basados en UAV es más prominente, especialmente en los niveles más profundos.
La resolución de objetivos locales (es decir, rocas u otros objetos compactos) es menor para los datos basados en UAV que para los datos terrestres. Estos objetivos locales tienen una forma de señal hiperbólica (aproximadamente una "U" invertida); en el presente caso, son muy prominentes al comienzo de los perfiles (figura 5), que coinciden con el terraplén de la carretera. En los datos basados en UAV, las hipérbolas tienen "ramas" más cortas y, por lo tanto, son menos visibles. Esto se debe a la elevación de la antena aerotransportada sobre el suelo y a la refracción del patrón de radiación más estrecho de la antena en la superficie del suelo. La antena terrestre tiene un patrón de radiación más amplio debido al acoplamiento con el suelo, lo que permite capturar las ondas reflejadas de los objetivos locales antes y, por lo tanto, generar hipérbolas más prominentes.
Al analizar los datos sin filtrar y su espectro de frecuencia (figura 6), se revela la naturaleza diferente del ruido de la señal. Para los datos basados en UAV, lo más prominente es el ruido de "zumbido" de baja frecuencia (visible como fuertes líneas horizontales antes de la eliminación de la señal de fondo), mientras que los datos terrestres tienen un ruido "WoW", que se caracteriza por la saturación decreciente de la señal. El ruido de alta frecuencia también es diferente entre ambos conjuntos de datos. La frecuencia central del espectro se desplaza hacia la izquierda para los datos terrestres, y se ven previsiblemente mejor debido a que la antena está más cerca del suelo (la diferencia es de unos 6 dB). Para los datos aerotransportados, el ruido de alta frecuencia es mucho más fuerte debido a la influencia de las señales reflejadas por el aire desde la superficie y los objetos poco profundos. Estas señales viajan mucho más rápido, ya que la velocidad de la onda depende de la permitividad del medio donde se propaga (para el aire, es cercana a la velocidad de la luz). Sin embargo, dicho ruido puede filtrarse con un filtro de paso de banda simple.
Conclusiones
- El GPR en la plataforma UAV proporcionó resultados comparables a los del GPR terrestre en el sitio de prueba específico.
- Los datos adquiridos con GPR terrestre tienen un nivel de ruido más bajo, una relación señal-ruido más alta y, como resultado, señales precisas más pronunciadas y una mejor penetración en profundidad;
- La movilidad de un UAV permite que un GPR aerotransportado vuele en un terreno más accidentado y siga una trayectoria más recta que una configuración terrestre;
- El GPR terrestre capturó mejores firmas hiperbólicas de objetivos locales, lo que resultó en una resolución ligeramente mayor para objetos pequeños, pero las hipérbolas de difracción estuvieron presentes en ambas fuentes de datos.