ES2559452T3

ES2559452T3 - Aparato y método para la inspección del subsuelo no invasiva en tiempo real

Info

Publication number: ES2559452T3
Application number: ES11763760.3T
Authority: ES
Inventors: Nicola DI BUONO; Edoardo Cottino
Original assignee: Sirti SpA
Current assignee: Sirti SpA
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2016-02-12
Anticipated expiration: 2031-07-20
Also published as: US20140145723A1; EP2734868A1; PL2734868T3; WO2013011341A1; EP2734868B1; CN103765246A; US9575200B2; CN103765246B; BR112014000606A2; BR112014000606A8; SI2734868T1

Abstract

Aparato para la inspección del subsuelo no invasiva, para verificar la presencia de cualquier instalación subterránea, que comprende: una estructura (2) de soporte móvil que puede moverse en al menos una dirección horizontal, y que soporta una pluralidad de antenas (A) para transmitir una señal electromagnética hacia el suelo y para recibir los ecos de respuesta, y una unidad de procesamiento electrónico para analizar los datos adquiridos por dichas antenas y para reconstruir una imagen de la parte del subsuelo explorada por la máquina, caracterizado porque comprende un primer grupo de antenas (L1) que incluye al menos una fila de antenas con polarización vertical, para detectar cualquier instalación subterránea dispuesta transversalmente a la dirección de movimiento hacia delante del aparato, un segundo grupo de antenas (L2) que incluye al menos dos filas de antenas (L21, L22), en el que las antenas en cada fila tienen una polarización horizontal, para detectar cualquier instalación subterránea dispuesta longitudinalmente con respecto a la dirección de movimiento hacia delante del aparato.

Description

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APARATO Y METODO PARA LA INSPECCION DEL SUBSUELO NO INVASIVA EN TIEMPO REAL

DESCRIPCION

La presente invencion se refiere a un aparato y un metodo para la inspeccion del subsuelo tridimensional, no invasiva, en tiempo real.

En particular, la presente invencion se refiere a un aparato de inspeccion del subsuelo de radar usado para verificar la presencia de objetos, tales como tubenas, conductos en general, cables o estructuras metalicas, en tiempo real. Las maquinas de este tipo se usan en la tecnica, por ejemplo, siempre que sea necesario verificar si hay alguna tubena, cable o similar en el subsuelo antes de realizar una excavacion, por ejemplo para tender cables subterraneos.

En tales casos, se lleva a cabo un analisis del subsuelo antes de realizar la excavacion; ventajosamente, dicho analisis se realiza usando metodos no invasivos (por ejemplo mediante tecnicas de georadar), para verificar si existe alguna instalacion subterranea en el area de excavacion.

Si se determina la presencia de elementos sensibles, entonces se marcan los puntos en los que se ubican estos elementos y los lugares en los que no es recomendable seguir con la excavacion.

Las excavaciones o canales adaptados para tener uno o mas cables, por ejemplo cables electricos o de fibra optica, se realizan normalmente en la superficie de la carretera, por ejemplo en el borde de la carretera, o en algunos casos directamente en el pavimento. En esta fase, especialmente en areas densamente urbanizadas, el tiempo necesario para completar las operaciones mencionadas anteriormente y las dimensiones de la maquinaria requerida son factores extremadamente cruciales. De hecho, la presencia de un emplazamiento de construccion, o de algun modo de grandes maquinas ocupando la superficie de la carretera, el borde de la carretera y el pavimento, provoca mucho malestar tanto a peatones como a vehfculos en transito, malestar que es directamente proporcional al area de emplazamiento y a la duracion de dicho trabajo de excavacion. Por tanto, es muy importante poder completar este trabajo en el tiempo mas breve posible, especialmente a la luz del aumento en el numero de instalaciones de cables requeridas por particulares, empresas u organismos publicos debido a la difusion masiva de las tecnologfas multimedia mas recientes (ya usen cables electricos o de fibra optica). Las maquinas de deteccion tradicionales o bien se accionan mediante motores adecuados o bien se empujan manualmente y estan equipadas con al menos una antena de ondas electromagneticas y una unidad de control/visualizacion de datos, alimentandose ambas electricamente. Los datos adquiridos pueden visualizarse en una pantalla de alta resolucion y entonces pueden guardarse en un medio de almacenamiento interno. Se usa un programa de procesamiento de datos para visualizar los objetos subterraneos detectados.

La operacion de la maquina se basa en la reflexion de ondas electromagneticas enviadas al suelo a traves de dicha antena, cuyos ecos (reflexiones) pueden recibirse por la misma antena (radar monoestatico) o en diferentes ubicaciones (radar biestatico). Cuando se analizan, dichas reflexiones pueden indicar cualquier discontinuidad en el subsuelo del area que esta investigandose, que puede deberse o bien a causas naturales (estratificacion del suelo, cavidades, superficie piezometrica) o causas externas (objetos enterrados, tubenas, cables, recipientes, hallazgos arqueologicos, etc.). En el campo de la ingeniena civil, esta tecnica se emplea satisfactoriamente para hallar humedad en estructuras, para verificar la estabilidad de las construcciones de ladrillo (tales como viaductos y tuneles ferroviarios) o para localizar espacios de aire, mallas de alambre electrosoldadas, tubenas, cables, etc. Normalmente tales maquinas de la tecnica anterior estan dotadas de una antena que puede analizar una parte bidimensional del area que esta investigandose.

El termino “parte bidimensional” se refiere en el presente documento a un analisis llevado a cabo en la direccion del movimiento hacia delante (eje X) de la maquina equipada con antenas y al retorno de ecos asociados con la profundidad del suelo (eje Z).

Para obtener un mapeo completo de una parte tridimensional del subsuelo (X, Y, Z) por medio de una unica antena, es necesario subdividir el area y llevar a cabo una exploracion bidimensional en cada parte.

Por tanto, la inspeccion requiere varias exploraciones sucesivas por el area en partes paralelas de la misma, y la antena y el equipo que constituye la maquina deben volver a posicionarse varias veces para llevar a cabo un muestreo bidimensional de esta superficie.

En general, la maquina se mueve en una direccion principal, obteniendo asf un muestreo a lo largo de una unica lmea de exploracion. Entonces, las exploraciones posteriores permiten unir entre sf multiples lmeas de exploracion paralelas para obtener un muestreo de la superficie examinada.

Para obtener una adquisicion completa, la patente IT138304 del presente solicitante emplea una antena asociada con la estructura de soporte de la maquina a traves de medios de accionamiento, que hacen que se mueva en una direccion que tiene al menos una componente perpendicular a la direccion de movimiento hacia delante de la propia

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maquina.

Como alternativa, cuando se realiza solo una pasada sobre el area que va a analizarse, la maquina en uso debe dotarse de una pluralidad de antenas que tienen diferentes polarizaciones, realizando cada una una exploracion en una region. Todo el conjunto de regiones constituye el area que va a analizarse; entonces un procesamiento simultaneo de todas las exploraciones dara lugar a la imagen tridimensional global del area explorada por la maquina. Resulta evidente que esta solucion garantiza tiempos de procesamiento mas cortos, permitiendo una visualizacion en tiempo real de cualquier instalacion subterranea.

El documento US 7 675 289 se refiere a un sistema para la deteccion de anomalfas subterraneas lineales que pasan bajo superficies de carreteras y comprende un gradiometro electromagnetico (EM) montado en un remolque de vetuculo. Un transmisor esta montado en el parachoques delantero de un coche o vehfculo que lleva el remolque y proporciona informacion de sincronizacion de portadora al gradiometro EM. Puede usarse una estacion radio ventajosa como iluminador. La onda de superficie o transmisor procedente de una estacion radio ventajosa dirige ondas de radio hacia el suelo en el que objetos tales como anomalfas subterraneas lineales y su equipo produciran reflexiones y ondas dispersas. Estas reflexiones tendran angulos de fase y magnitudes que pueden interpretarse para caracterizar la informacion sobre las anomalfas subterraneas lineales. Cada medicion del gradiometro EM se etiqueta con informacion de localizacion GPS y a continuacion se almacena en una base de datos. Las pasadas posteriores por las mismas calzadas y vfas se comparan (deteccion de cambios) con los datos almacenados anteriormente. Las caractensticas y anomalfas subterraneas lineales nuevas resultan evidentes en estas comparaciones.

El documento US2003/0043067 da a conocer metodos y sistemas constituidos para identificar un objeto enterrado usando un radar que penetra en el suelo basado en red directiva de antenas que tiene un dispositivo de control, una pluralidad de antenas de transmision y una pluralidad de antenas de recepcion. Tales metodos y sistemas reciben una senal de entrada de sincronizacion de transmision y una senal de entrada de sincronizacion de recepcion. Tales metodos y sistemas comprenden un primer circuito de retardo para recibir la senal de entrada de sincronizacion de transmision y generar varias senales de sincronizacion de transmision intermedias retardadas una respecto a otra por un tiempo de retardo, y un circuito de conmutacion de salida de transmision para seleccionar o bien la senal de entrada de sincronizacion de transmision o bien una senal correspondiente de las senales de sincronizacion de transmision intermedias como senal de sincronizacion de transmision de salida correspondiente. Tales metodos y sistemas tambien comprenden un segundo circuito de retardo para recibir la senal de entrada de sincronizacion de recepcion y generar varias senales de sincronizacion de recepcion intermedias retardadas una respecto a otra por el tiempo de retardo, un circuito de desplazamiento-retardo acoplado al segundo circuito de retardo y la senal de entrada de sincronizacion de recepcion para sumar el tiempo de retardo a las senales de sincronizacion de recepcion intermedias, y un circuito de conmutacion de salida de recepcion para seleccionar o bien la senal de entrada de sincronizacion de recepcion o bien una senal correspondiente de las senales de sincronizacion de recepcion intermedias como senal de sincronizacion de recepcion de salida correspondiente. Tales metodos y sistemas tambien comprenden una red de antenas que comprende una pluralidad de antenas de transmision, una pluralidad de antenas de recepcion y medios para posibilitar de manera selectiva que las antenas de transmision y recepcion permitan que cada una de las antenas de recepcion reciba energfa desde cualquiera de las antenas de transmision.

El solicitante considero el problema de reconstruir una imagen tridimensional en tiempo real empezando por una adquisicion de datos de tipo matriz de este tipo. Un aspecto de la presente invencion se refiere a un aparato de radar para la inspeccion del subsuelo no invasiva. Las caractensticas y ventajas del aparato segun la presente invencion resultaran mas evidentes a partir de la siguiente descripcion no limitativa proporcionada a modo de ejemplo con referencia a los dibujos esquematicos adjuntos, en los que:

• la figura 1 es una vista en perspectiva esquematica de un aparato segun una realizacion de la presente invencion;

• la figura 2 muestra un ejemplo de diseno de antena.

Con referencia a los dibujos indicados anteriormente, el aparato segun la presente invencion comprende una estructura 2 de soporte movil, dotada de ruedas 3 o dispositivos similares adaptados para hacer que se mueva en al menos una direccion. Dicha estructura puede moverse manualmente (por ejemplo empujada por un operario), o si no puede estar dotada de un motor adecuado, en cuyo caso el operario solo tendra que dirigir la maquina en la direccion deseada.

El aparato tambien comprende una pluralidad de antenas A, divididas en un grupo que tiene una polarizacion V vertical y otro grupo que tiene una polarizacion H horizontal. Dichas antenas transmiten la senal electromagnetica hacia el suelo y reciben los ecos de respuesta. Las frecuencias adecuadas de dicha senal estan en el intervalo de 200 a 900 MHz. Una unidad de procesamiento electronico esta adaptada para analizar los datos adquiridos por dichas antenas y para reconstruir una imagen de la parte del subsuelo explorada por el aparato, que entonces puede visualizarse en una pantalla 4 adecuada. Ventajosamente, dicha unidad de procesamiento comprende un medio de almacenamiento en el que pueden almacenarse tanto las mediciones de la antena como las imagenes

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reconstruidas.

Dichas antenas llevan a cabo exploraciones a intervalos espaciales predeterminados (equivalentes a tiempo por velocidad hacia delante constante), para crear una cuadncula de puntos de exploracion dentro de una region.

Preferiblemente, la maquina comprende ademas un dispositivo de georreferenciacion que, por ejemplo, puede ser un dispositivo GPS, una estacion total, o un dispositivo GPS diferencial, que puede asociar la posicion segun las coordenadas de satelite, por ejemplo con cada exploracion. Basandose en esta informacion, la unidad de procesamiento puede reconstruir un mapa del area explorada con coordenadas georreferenciadas, lo que resulta util para verificar la presencia de cualquier instalacion subterranea. A efectos de la presente invencion, el termino “instalacion subterranea” se refiere a todos los elementos subterraneos que deben monitorizarse y senalizarse para los operarios, tales como tubenas, cables, hoyos, pozos de drenaje, rocas, tubos, etc.

Segun la presente invencion, dichas antenas se organizan en grupos; en particular, un primer grupo de antenas L1 esta adaptado para detectar instalaciones subterraneas transversales, mientras que un segundo grupo de antenas L2 esta adaptado para detectar instalaciones subterraneas longitudinales. El primer grupo de antenas incluye una fila de antenas L1 con polarizacion V vertical para detectar cualquier obstaculo dispuesto transversalmente, preferiblemente en perpendicular, a la direccion de movimiento hacia delante del aparato.

El segundo grupo de antenas L2 incluye al menos dos filas de antenas L21 y L22, en el que las antenas en cada fila tienen polarizacion H horizontal, para detectar cualquier obstaculo dispuesto longitudinalmente con respecto a la direccion de movimiento hacia delante del aparato.

Por tanto, para hallar cualquier instalacion subterranea dispuesta transversalmente a la excavacion o corte que ha de realizarse, las antenas del primer grupo reciben de manera sustancialmente simultanea el ruido o senal de retorno anomala, que puede indicar la presencia de una instalacion subterranea. La instalacion subterranea se detecta con seguridad mediante referencia cruzada, en este caso siguiendo una fase de procesamiento previo, cuando al menos dos antenas adyacentes reciben sustancialmente la misma senal, y se muestra en tiempo real en la pantalla principal de la pantalla mencionada anteriormente. El hecho de que las antenas esten organizadas en diferentes grupos permite obtener una senal “tridimensional”. Entonces esta puede procesarse para obtener una proyeccion ortogonal en tiempo real de la instalacion subterranea en dicha pantalla. Ventajosamente, se guarda la posicion de GPS de la instalacion subterranea.

En cuanto al segundo grupo de antenas, estas comprueban la presencia de una instalacion subterranea longitudinal de una manera sustancialmente similar, con la diferencia de que la verificacion entre las diversas antenas se produce entre una o mas antenas pertenecientes a una fila y las de la siguiente fila. De hecho, la presencia de una instalacion subterranea longitudinal se determina cuando se detecta la senal anomala o ruido por al menos una antena en una fila y al menos una antena en la siguiente fila. Los datos de inspeccion pueden transferirse de la unidad de procesamiento como archivos, por ejemplo archivos CAD, mapas georreferenciados (GIS, sistema de informacion geografica) o archivos de texto.

Para todas las antenas, la deteccion se produce en el mismo instante. En particular, la unidad de procesamiento recibe las senales desde todas las antenas simultaneamente, las procesa y entonces devuelve una indicacion sobre la presencia o ausencia de una instalacion subterranea en tiempo real, en los tres planos espaciales.

Para aumentar la fiabilidad de la deteccion de la instalacion subterranea, la unidad 3 de procesamiento incluye un programa para determinar la velocidad de propagacion optima de los ecos en el suelo por las antenas.

Dicho programa requiere en primer lugar la definicion de un valor mmimo y un valor maximo para las posibles velocidades de propagacion. Por consiguiente, multiples exploraciones ejecutadas sobre instalaciones subterraneas a diferentes velocidades de exploracion proporcionaran un conjunto de valores que, cuando se reproducen en una grafica, adoptan forma de parabola.

El vertice de esta parabola corresponded al valor optimo de la velocidad de propagacion de los ecos por las antenas. Esto se realiza para cada antena. Esta etapa va seguida entonces de la etapa de adquisicion y comparacion descrita anteriormente.

En resumen, el metodo de inspeccion del subsuelo no invasiva para verificar la presencia de instalaciones subterraneas segun la presente invencion comprende las etapas siguientes:

a) para cada antena, enviar dicha senal electromagnetica hacia el suelo a diferentes velocidades de propagacion dentro de un intervalo predeterminado,

b) detectar los ecos de retorno de dichas senales enviadas a diferentes velocidades,

c) para cada antena, seleccionar la velocidad de propagacion para la que se maximiza el eco de retorno,

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d) comparar dichos valores maximos de los ecos de retorno entre las diversas antenas.

Por consiguiente, se detecta la presencia de la instalacion subterranea y esta ultima se visualiza en tiempo real en dicha pantalla.

La instalacion subterranea se destaca por medio de un objetivo que tiene un color predeterminado situado en la posicion detectada.

El aparato tambien puede realizar un ensayo de excavacion no invasivo a traves de una pluralidad de pasadas longitudinales paralelas para explorar un area predefinida. Las detecciones llevadas a cabo en cada pasada se comparan entonces entre sf y la unidad puede entender si las diferentes pasadas se solapan parcialmente y si la alineacion inicial para la siguiente pasada es incorrecta. Entonces la unidad corrige automaticamente los datos redundantes resultantes del solapamiento o la alineacion inicial incorrecta. En la tecnica anterior, se hizo frente a este problema usando soportes de alineacion ffsicos, tales como tiras de caucho o similares, correspondientes al trayecto seguido durante una pasada, que en la presente invencion ya no son necesarios.

Como alternativa, en lugar de verificar la presencia de una instalacion subterranea, la exploracion “tridimensional” permite monitorizar el subsuelo dentro de un area predefinida. En particular, es posible verificar la estratigraffa del area explorada a traves de multiples pasadas como se describio anteriormente, identificando asf su composicion (asfalto, roca, arena o similar).

Para ello, el algoritmo de identificacion puede implementarse a traves de una red neuronal que, una vez que se ha completado el proceso de autoaprendizaje, permite discriminar entre los diversos tipos de subsuelo.

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REIVINDICACIONES

Aparato para la inspeccion del subsuelo no invasiva, para verificar la presencia de cualquier instalacion subterranea, que comprende:

una estructura (2) de soporte movil que puede moverse en al menos una direccion horizontal, y que soporta una pluralidad de antenas (A) para transmitir una senal electromagnetica hacia el suelo y para recibir los ecos de respuesta, y una unidad de procesamiento electronico para analizar los datos adquiridos por dichas antenas y para reconstruir una imagen de la parte del subsuelo explorada por la maquina,

caracterizado porque comprende

un primer grupo de antenas (L1) que incluye al menos una fila de antenas con polarizacion vertical, para detectar cualquier instalacion subterranea dispuesta transversalmente a la direccion de movimiento hacia delante del aparato,

un segundo grupo de antenas (L2) que incluye al menos dos filas de antenas (L21, L22), en el que las antenas en cada fila tienen una polarizacion horizontal, para detectar cualquier instalacion subterranea dispuesta longitudinalmente con respecto a la direccion de movimiento hacia delante del aparato.

Aparato segun la reivindicacion 1, en el que las filas de antenas tienen una polarizacion vertical para detectar cualquier instalacion subterranea ortogonal a la direccion de movimiento hacia delante del aparato.

Aparato segun la reivindicacion 1, que comprende ademas una pantalla para visualizar dichas imagenes de la parte del subsuelo explorada.

Aparato segun la reivindicacion 1, en el que dicha unidad de procesamiento comprende un medio de almacenamiento en el que pueden almacenarse tanto las mediciones tomadas por las antenas como las imagenes reconstruidas.

Aparato segun la reivindicacion 1, que comprende ademas un dispositivo de georreferenciacion que puede asociar la posicion segun las coordenadas de satelite con cada exploracion realizada por las antenas.

Aparato segun la reivindicacion 1, en el que todas las antenas estan configuradas para llevar a cabo la deteccion en el mismo instante, y la unidad de procesamiento esta configurada para recibir las senales desde todas las antenas simultaneamente y para devolver una indicacion de la presencia o ausencia de una instalacion subterranea en tiempo real, en los tres planos espaciales.

Aparato segun la reivindicacion 1, en el que dicha unidad de procesamiento comprende un algoritmo de identificacion implementado a traves de una red neuronal.

Uso del aparato segun la reivindicacion 7 para analisis estratigrafico del subsuelo.