ES2865283T3 - Métodos para formar datos de imágenes en 3D y aparatos asociados - Google Patents

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Abstract

Un método para formar datos de imágenes en 3D representativos del subsuelo de una infraestructura ubicada en las proximidades de un vehículo en movimiento, incluyendo el método: girar una antena direccional (14, 15), montada en el vehículo en movimiento, alrededor de un eje de rotación de la antena (Ω); realizar, utilizando la antena direccional mientras se gira alrededor del eje de rotación de la antena (Ω), una pluralidad de ciclos de recopilación en los que la antena direccional emite energía de RF y recibe energía de RF reflejada; recopilar, durante cada uno de la pluralidad de ciclos de recopilación realizados por la antena direccional: (i) datos de radar representativos de la energía de RF reflejada recibida por la antena direccional durante el ciclo de recopilación; (ii) datos de posición angular representativos de una posición angular de la antena direccional alrededor del eje de rotación de la antena durante el ciclo de recopilación; y (iii) datos de posición de traslación con respecto a una posición de traslación de la antena direccional durante el ciclo de recopilación; procesar los datos del radar, los datos de posición angular y los datos de posición de traslación recopilados durante cada uno de la pluralidad de ciclos de recopilación para formar datos de imagen en 3D representativos del subsuelo de la infraestructura ubicada en las proximidades del vehículo en movimiento; caracterizado por que el método incluye variar un ángulo θ entre el eje de rotación de la antena (Ω) y la dirección de movimiento del vehículo (x2) a un valor distinto de cero, de modo que un eje de radiación primario (d) de la antena direccional (14, 15) tiene un componente de movimiento que es opuesto a la dirección de movimiento del vehículo (x2) mientras que el eje de radiación primaria (d) de la antena direccional (14, 15) señala hacia debajo del vehículo en movimiento.

Description

DESCRIPCIÓN
Métodos para formar datos de imágenes en 3D y aparatos asociados
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método para formar datos de imágenes en 3D representativos del subsuelo de una infraestructura ubicada en las proximidades de un vehículo en movimiento y aparatos asociados.
Antecedentes
Se ha demostrado que el radar es una herramienta eficaz para realizar investigaciones de las características del subsuelo y evaluar el estado de una infraestructura de transporte.
La figura 1 muestra un aparato de radar a modo de ejemplo para inspeccionar un balasto de vía férrea 6 y un subrasante 7 fabricados de acuerdo con técnicas convencionales y componentes listos para usar. El aparato de radar de la figura 1 incluye un conjunto de tres antenas 1 acopladas por aire fijadas por un soporte de montaje 2 en la parte delantera de un vehículo ferroviario 3. La referencia de cada antena 1 está alineada con el eje vertical, por lo que el ángulo de incidencia de la onda electromagnética en la interfaz aire-tierra con respecto al eje vertical es cero. Cada antena emite una forma de onda de RF que consiste en conjuntos de pulsos de banda ultra ancha de período corto ("UWB") (comúnmente ondas de Ricker) a una frecuencia central determinada por las especificaciones de la antena. La selección de la antena depende de los requisitos de la investigación, por ejemplo: 300 - 500 MHz se usan normalmente para detectar características a gran escala tales como tuberías, alcantarillas y vacíos a profundidades de 0 - 3 metros; 1 GHz es eficaz para detectar objetos pequeños a < 1 metro de la superficie; y 2 GHz se utiliza para determinar la gravedad de las incrustaciones de un balasto. Grandes variaciones en la permitividad dieléctrica del subsuelo que se producen en distancias pequeñas provocan fuertes reflejos, que son procesados y registrados por una unidad de control en el vehículo. Las señales de energía de RF retrodispersadas que resultan de cada pulso uW b emitido en un conjunto se suman de manera incoherente para aumentar la relación señal/ruido (esta técnica se llama apilamiento). El conjunto de datos obtenidos muestra la amplitud de la señal de energía de RF reflejada en función del tiempo de viaje bidireccional, que se conoce como rastreo o escaneado A. A medida que el vehículo ferroviario se mueve lo largo de la vía, se recopilan rastreos y se ensamblan para crear datos de imágenes en 2D representativos de una sección transversal longitudinal (o escaneado B) del subsuelo. Para que esta sección transversal represente con precisión las características del subsuelo, la distancia recorrida por el vehículo ferroviario 3 desde un punto de referencia debe determinarse con precisión. Un tacómetro o un codificador láser Doppler 4 puede proporcionar a la unidad de control datos de posición lineal para georreferenciar rastreos individuales. Adicionalmente, se puede emplear un sistema GPS 5 para asignar características de georreferenciación de interés para un sistema de coordenadas global, por ejemplo, utilizando latitud/longitud en el sistema de coordenadas global WGS84.
Los presentes inventores han observado que los actuales aparatos de radar de investigación del subsuelo y de la infraestructura, tal como el aparato ilustrado en la figura 1, tienen limitaciones inherentes. Por ejemplo, porque el conjunto de antenas no puede extenderse lateralmente más allá del vehículo, y las antenas están fijadas verticalmente, la región de investigación se limita al balasto 6 y la subrasante 7 directamente debajo del vehículo. Por lo tanto, los problemas que se producen en grandes desplazamientos de la línea central de la pista no se detectarán. Un ejemplo de esto es un balasto de cuneta 8 que se ha ensuciado. Para un ferrocarril típico, el balasto 6 consiste normalmente en piedras trituradas que se entrelazan para mantener la vía estacionaria contra cargas aplicadas, distribuya esas cargas a través de la subrasante y facilite el drenaje. La subrasante 7 suele estar hecha de tierra comprimida para proporcionar un soporte estable para el balasto 6. Aproximadamente el treinta por ciento de su volumen está compuesto por vacíos de aire, con cada vacío siendo de entre 11 - 29 mm de diámetro medio. Cualquier ensuciamiento causado por rotura o infiltración de pequeñas partículas o agua en los vacíos puede comprometer su capacidad para resistir cargas. El balasto de cuneta 8 es particularmente susceptible a las incrustaciones de los desechos ambientales, y esto puede impedir el drenaje lateral de todo el balasto. Otro ejemplo es una tubería 9 dañada que crea un vacío 10 adyacente al balasto de cuneta, que potencialmente podría aumentar de volumen sin ser detectado hasta que comprometa la integridad de la vía.
Otras dificultades con los actuales aparatos de radar de investigación del subsuelo y de la infraestructura observadas por los presentes inventores incluyen la detección de averías del balasto debajo de los raíles 11, dado que los raíles 11 reflejan prácticamente toda la energía de radiofrecuencia incidente. Esto crea una sombra de radar debajo de los raíles 11 y provoca un efecto de anillo hacia abajo (un tipo de resonancia) que hace que aparezcan bandas horizontales en la imagen que oscurecen las características del subsuelo, debido a múltiples reflejos entre el raíl y la antena. Por lo tanto, las antenas deben colocarse para reducir/minimizar tales interacciones, y esto normalmente se logra colocando las antenas entre los raíles 11, lo que significa que el sistema no puede determinar la condición del balasto directamente debajo de los raíles. Esto también repercute negativamente en la investigación de la interfaz balastosubrasante, ya que las mayores deformaciones generalmente se producen debajo de los raíles. El material de balasto se introduce a la fuerza en la subrasante provocando la formación de bolsas de balasto 12 que pueden acumular agua. Además, debido a que la matriz consiste en solo tres antenas, sufre de una densidad de muestreo espacial lateral deficiente (mediciones en solo tres puntos laterales) y es incapaz de determinar la geometría lateral de la infraestructura ubicada debajo de las antenas con algún grado de precisión. La creación de datos de imágenes en 3D utilizando el aparato de radar de investigación del subsuelo y la infraestructura de la figura 1 requiere la interpolación entre secciones transversales adyacentes, lo que crea defectos/artefactos, debido a la falta de densidad de muestreo lateral (sería necesaria una densidad de muestreo lateral más alta para evitar la distorsión de la imagen debido al solapamiento espacial). Como resultado, el análisis de datos para muchos aparatos de radar de investigación de infraestructura y subsuperficies actuales se limita al examen de secciones transversales individuales de forma aislada para identificar anomalías.
El documento US2007/0132630A1 divulga un sistema de radar FM-CW que comprende un generador digital de ondas de frecuencia continua modulada que produce salidas en fase (I) y en cuadratura (Q) a antenas transmisoras orientadas ortogonalmente. El documento US2014/0285375A1 divulga un aparato de radar de apertura sintética y los métodos proporcionan un sistema compacto y utilizable para escanear detrás y debajo de las superficies.
La presente invención se ha realizado en vista de las consideraciones anteriores.
Sumario de la invención
Un primer aspecto de la invención proporciona un método de acuerdo con la reivindicación 1.
De esta manera, datos de imágenes en 3D que proporcionan información sobre el subsuelo de la infraestructura ubicada alrededor (debajo, encima y al lado de) del vehículo en movimiento se puede obtener usando un solo transecto. Además, las mediciones se pueden obtener en un intervalo difuso de posiciones laterales a una dirección de movimiento del vehículo (mientras que, por ejemplo, el sistema de la figura 1 discutido anteriormente solo obtuvo mediciones en tres posiciones distintas laterales a la dirección de movimiento del vehículo).
Para las finalidades de esta divulgación, una antena direccional puede entenderse como una antena que emite y/o recibe más potencia en una o más direcciones específicas, en comparación con otras direcciones. Un eje de radiación primario de una antena direccional puede entenderse como un eje a lo largo del cual la antena direccional irradia la máxima potencia. En el presente documento, el término "referencia" puede usarse indistintamente con "eje de radiación primario" en conexión con una antena direccional.
Para las finalidades de esta divulgación, la energía de RF puede entenderse como radiación electromagnética que tiene una frecuencia en el rango de 300 GHz a 3 kHz.
Para las finalidades de esta divulgación, un "transecto" se refiere a una ruta a lo largo de la cual la referencia de la antena direccional se cruza con la infraestructura ubicada en las proximidades del vehículo en movimiento (por ejemplo, tierra, paredes del túnel).
Preferentemente, la antena direccional está montada en el vehículo en movimiento de manera que un plano perpendicular al eje de rotación de la antena se enfrenta al menos parcialmente en una dirección de movimiento del vehículo (en el ejemplo que se muestra a continuación, este será el caso para 0 < 90 grados).
Preferentemente, la antena direccional está montada en el vehículo en movimiento (por ejemplo, como se describe en relación con el segundo aspecto de la invención, a continuación) de manera que se pueda variar un ángulo 0 entre el eje de rotación de la antena y la dirección del movimiento del vehículo, por ejemplo entre 0 y n/2 (90 grados).
El método incluye variar un ángulo 0 entre el eje de rotación de la antena y la dirección de movimiento del vehículo, por ejemplo, utilizando un actuador (por ejemplo, como se describe en relación con el segundo aspecto de la invención, a continuación).
El método incluye variar un ángulo 0 entre el eje de rotación de la antena y la dirección de movimiento del vehículo a un valor distinto de cero, de modo que un eje de radiación primario de la antena direccional tenga un componente de movimiento que sea opuesto a una dirección de movimiento del vehículo mientras que el eje de radiación principal de la antena direccional señala hacia debajo del vehículo en movimiento. De esta manera, la densidad de muestreo espacial debajo del vehículo en movimiento se hace más alta que la densidad de muestreo por encima del vehículo, que es particularmente útil para investigar el subsuelo de la infraestructura ubicada debajo del vehículo en movimiento.
Como se analiza a continuación en mayor detalle, variar 0 puede alterar la extensión lateral de una región de la que se recopilan los datos de radar, así como la densidad de muestreo de las mediciones obtenidas. Por lo tanto, la capacidad de variar 0 puede ser útil para permitir que las mediciones se adapten a la infraestructura de interés.
Preferentemente, la antena direccional está montada en el vehículo en movimiento (por ejemplo, como se describe en relación con el segundo aspecto de la invención, a continuación) de manera que se pueda variar un ángulo $ entre un eje de radiación primario de la antena direccional y un plano perpendicular al eje de rotación de la antena.
Preferentemente, el método incluye variar un ángulo $ entre un eje de radiación primario de la antena direccional y un plano perpendicular al eje de rotación de la antena, por ejemplo, utilizando un actuador (por ejemplo, como se describe en relación con el segundo aspecto de la invención, a continuación).
Como se analiza a continuación en mayor detalle, en el que 0 está cerca de n/2, el vehículo en el que está montado el dispositivo puede oscurecer la referencia de la antena direccional. En estos casos, el cambio de $ a un valor distinto de cero puede mover el eje de radiación principal de la antena direccional más allá del vehículo de modo que se reduzca la cantidad por la que el vehículo corta la referencia.
En algunos casos, normalmente en el que 0 es cercano a cero, $ puede ser preferentemente cero.
Preferentemente, la energía de RF emitida por la antena direccional durante cada ciclo de recopilación incluye un pulso de banda ultraancha ("UWB").
Cada pulso de UWB tiene preferiblemente un ancho de banda que excede el menor de 500 MHz o el 20 % del ancho de banda fraccional.
Cada pulso UWB tiene preferiblemente una duración de pulso de 2 ns o menos. Para las finalidades de esta divulgación, el ancho de banda fraccional se puede definir como el ancho de banda de una antena dividido por su frecuencia central.
Cada pulso de UWB emitido por la antena direccional puede tener una frecuencia central que se elige según los requisitos de investigación. Esta frecuencia central puede estar en el rango de 300 MHz a 2,5 GHz, que es adecuado para la mayoría de las aplicaciones de infraestructura de transporte.
Por supuesto, se podrían utilizar formas de energía de RF distintas a los pulsos UWB, tal y como apreciar el experto en la materia.
La antena direccional puede incluir uno o más componentes de antena. Por ejemplo, la antena direccional puede incluir una antena de bocina de transmisión (configurada para emitir energía de Rf ) y una antena de bocina de recepción (configurada para recibir energía de RF reflejada). Sin embargo, también es posible que la antena direccional incluya un único componente de antena configurado para emitir energía de RF y recibir energía de RF reflejada.
El/cada componente de antena es preferiblemente un componente de antena no dispersivo, tal como una antena de bocina TEM o una antena dipolo con carga resistiva, ya que estos se pueden utilizar con una técnica de radar pulsado. Sin embargo, si se utilizara una técnica de radar sin pulsos, entonces pueden utilizarse otros tipos de componentes de antena.
Los datos de posición angular se pueden recopilar utilizando un codificador óptico, por ejemplo.
Los datos de la posición de traslación se pueden recopilar utilizando un tacómetro, codificador láser Doppler, o un dispositivo GPS, por ejemplo.
El método puede incluir el uso de un dispositivo GPS para recopilar datos de posición que reflejen la posición de la antena direccional en un sistema de coordenadas global, por ejemplo, WGS84.
Aunque los datos de posición recopilados por el dispositivo GPS podrían usarse como datos de posición de traslación, esto podría no ser preferible si se pudieran recopilar datos de posición de traslación más precisos por otros medios (por ejemplo, un tacómetro o un láser Doppler).
El método puede incluir el uso de datos de posición recopilados por un dispositivo GPS para asignar los datos de imagen 3D a un sistema de coordenadas global, por ejemplo, WGS84. Esto puede ser útil si los datos de posición de traslación no son recopilados por un dispositivo GPS (por ejemplo, porque un dispositivo GPS no proporciona el nivel deseado de precisión).
El método puede incluir almacenar los datos del radar, los datos de posición angular y los datos de posición de traslación recopilados durante cada uno de la pluralidad de ciclos de recopilación en un dispositivo de memoria (por ejemplo, un disco duro). El dispositivo de memoria puede estar ubicado en el vehículo. En ese caso, el procesamiento de los datos de radar recopilados se puede realizar fuera del vehículo, por ejemplo, utilizando los datos del radar, los datos de posición angular y los datos de posición de traslación almacenados en el dispositivo de memoria.
Sin embargo, el procesamiento de los datos de radar recopilados podría potencialmente realizarse por una unidad de procesamiento en el vehículo.
Procesar los datos de radar recopilados, los datos de posición angular y los datos de posición de traslación para formar la imagen en 3D pueden incluir la suma de la energía de RF recopilada de manera coherente o incoherente, utilizando técnicas conocidas en la técnica. La suma incoherente es generalmente más fácil y económica, pero la suma coherente generalmente producirá una imagen en 3D de mayor calidad.
El método se puede realizar utilizando una pluralidad de antenas direccionales, ya que esto puede permitir que se obtengan más datos de imágenes en 3D.
Por ejemplo, el método puede incluir adicionalmente:
girar otra antena direccional, montada en el vehículo en movimiento, alrededor de otro eje de rotación de la antena; realizar, utilizando la antena direccional adicional mientras se gira alrededor del eje de rotación de la antena adicional, una pluralidad de ciclos de recopilación adicionales en los que la antena direccional adicional emite energía de RF y recibe energía de RF reflejada; recopilar, durante cada uno de la pluralidad de ciclos de recopilación adicionales realizados por la antena direccional adicional:
(i) más datos de radar representativos de la energía de RF reflejada recibida por la antena direccional adicional durante el ciclo de recopilación adicional;
(ii) otros datos de posición angular representativos de una posición angular de la antena direccional adicional alrededor del eje de rotación de la antena adicional durante el ciclo de recopilación adicional; y
(iii) datos de posición de traslación adicionales con respecto a una posición de traslación de la antena direccional adicional durante el ciclo de recopilación adicional;
procesar los datos de radar adicionales, los datos de posición angular adicionales y los datos de posición de traslación adicionales recopilados durante cada uno de la pluralidad adicional de ciclos de recopilación para formar datos de imágenes en 3d adicionales representativos del subsuelo de la infraestructura ubicada en las proximidades del vehículo en movimiento.
Cualquier método, etapa o característica descrito en el presente documento en relación con la antena direccional puede aplicarse al eje adicional de la antena direccional.
El eje de rotación de la antena adicional puede ser el mismo que el eje de rotación de la antena, por ejemplo, como podría ser el caso si la antena direccional y la antena direccional adicional se montan en un conjunto de antena girado alrededor del eje de rotación de la antena.
Los ciclos de recopilación adicionales se pueden intercalar o realizar simultáneamente con los ciclos de recopilación. La realización de los ciclos de recopilación adicionales simultáneamente con los ciclos de recopilación puede ser útil si existe un aislamiento adecuado entre la antena direccional y la antena direccional adicional, lo que puede lograrse, como usar diferentes bandas de frecuencia o asegurarse de que la geometría física minimice la interferencia. Intercalar los ciclos de recopilación y los ciclos de recopilación adicionales (es decir, realizar los ciclos de recopilación y los ciclos de recopilación adicionales alternativamente, en diferentes momentos) puede ser útil para monitorear los cambios en las condiciones del subsuelo a lo largo del tiempo y/o si hay un aislamiento limitado entre la antena direccional y la antena direccional adicional.
La antena direccional y la antena direccional adicional pueden configurarse para emitir energías de RF que tienen diferentes frecuencias.
Por ejemplo, la antena direccional y la antena direccional adicional pueden configurarse para emitir pulsos UWB que tienen diferentes frecuencias centrales. Por ejemplo, la antena direccional puede configurarse para emitir pulsos uW b con una frecuencia central en el intervalo de 250-750 MHz (por ejemplo, 500 MHz) (por ejemplo, que puede ser útil para la detección de características más grandes en aplicaciones de infraestructura ferroviaria), mientras que la antena direccional adicional puede configurarse para emitir pulsos UWB con una frecuencia central en el intervalo de 1,5 GHz - 2,5 GHz (por ejemplo, 2 GHz) (que puede ser útil para la investigación de balasto en aplicaciones de infraestructura ferroviaria).
Los datos de imagen en 3D se pueden usar para formar una imagen separada de los datos de imagen en 3D adicionales. Como alternativa, los datos de imagen en 3D y otros datos de imagen en 3D pueden usarse para formar una imagen en la que los datos de imagen en 3D adicionales se superponen a los datos de imagen en 3D.
El vehículo puede ser un vehículo terrestre, es decir, un vehículo configurado para moverse mientras está en contacto con el suelo.
El vehículo puede ser un vehículo ferroviario, por ejemplo, un tren. Sin embargo, el vehículo también podría ser un vehículo de carretera, un vehículo acuático (por ejemplo, un barco) o un vehículo aéreo (por ejemplo, un avión, helicóptero, dirigible, vehículo aéreo no tripulado).
La antena direccional (y uno o más de otros componentes utilizados en el método) pueden incluirse en un aparato para recopilar datos para su uso en la formación de una imagen en 3D representativa del subsuelo de la infraestructura ubicada en las proximidades de un vehículo en movimiento, por ejemplo, como se describe en relación con el segundo aspecto de la invención, a continuación.
Un segundo aspecto de la invención proporciona un aparato para recopilar datos para su uso en la formación de una imagen en 3D representativa del subsuelo de la infraestructura ubicada en las proximidades de un vehículo en movimiento según la reivindicación 11.
Los datos del radar, los datos de posición angular y los datos de posición de traslación recopilados durante cada uno de la pluralidad de ciclos de recopilación pueden procesarse posteriormente para formar datos de imagen en 3D representativos del subsuelo de la infraestructura ubicada en las proximidades del vehículo en movimiento, por ejemplo, de acuerdo con un método descrito anteriormente en relación con el primer aspecto de la invención.
El aparato puede configurarse para implementar, o tener medios para implementar, cualquier etapa del método descrito en relación con el primer aspecto de la invención, por ejemplo, como se discutirá ahora.
El aparato puede incluir una unidad de procesamiento (por ejemplo, un ordenador) configurada (por ejemplo, programada) para procesar los datos de posición angular y los datos de posición de traslación recopilados durante cada uno de la pluralidad de ciclos de recopilación para formar datos de imágenes en 3D representativos del subsuelo de la infraestructura ubicada la vecindad del vehículo en movimiento, por ejemplo, de acuerdo con un método descrito anteriormente en relación con el primer aspecto de la invención.
La unidad de procesamiento puede estar ubicada en el vehículo o fuera del vehículo (si la unidad de procesamiento está ubicada fuera del vehículo, el
El aparato puede incluir una extremidad que puede girar alrededor de un pivote/bisagra, en el que la antena está montada en el elemento de manera que un ángulo 0 entre el eje de rotación de la antena y la dirección de movimiento de un vehículo en el que está montada la unidad base se puede variar girando el elemento alrededor de ese pivote/bisagra. El aparato puede incluir un actuador (por ejemplo, un actuador lineal) configurado para hacer girar el elemento alrededor del pivote/bisagra para variar el ángulo 0.
La antena direccional puede montarse en la unidad base mediante un pivote/bisagra adicional de modo que se pueda variar un ángulo $ entre un eje de radiación principal de la antena direccional y un plano perpendicular a la rotación de la antena, por ejemplo, girando el conjunto de antena alrededor de ese pivote/bisagra. El aparato puede incluir un actuador (por ejemplo, un actuador lineal) configurado para girar el conjunto de antena alrededor del pivote/bisagra para variar el ángulo $.
La antena direccional puede incluir uno o más componentes de antena.
El aparato puede incluir un dispositivo configurado para recopilar los datos de posición angular, por ejemplo, un codificador óptico.
El aparato puede incluir un dispositivo configurado para recopilar los datos de posición de traslación, por ejemplo, un tacómetro, codificador láser Doppler o un dispositivo GPS.
El aparato puede incluir un dispositivo GPS configurado para recopilar datos de posición que reflejan la posición de la antena direccional en un sistema de coordenadas global.
El aparato puede incluir un dispositivo de memoria configurado para almacenar los datos del radar, los datos de posición angular y los datos de posición de traslación recopilados durante cada uno de la pluralidad de ciclos de recopilación.
El aparato puede incluir una antena direccional adicional, que puede estar configurada para implementar, o tener medios para implementar, cualquier etapa del método descrito en relación con el primer aspecto de la invención.
Por ejemplo, la antena direccional adicional puede montarse de manera giratoria en la unidad base para permitir que la antena direccional adicional gire alrededor de un eje de rotación de antena adicional;
en el que el aparato incluye una unidad de accionamiento adicional configurada para hacer girar la antena direccional adicional alrededor del eje de rotación de la antena adicional;
en el que el aparato está configurado para realizar, utilizando la antena direccional adicional mientras se gira alrededor del eje de rotación de la antena adicional, y mientras se mueve un vehículo en el que está montada la unidad base, una pluralidad de ciclos de recopilación adicionales en los que la antena direccional adicional emite energía de RF y recopila la energía de RF reflejada; en el que el aparato está configurado para recopilar, durante cada uno de la pluralidad de ciclos de recopilación adicionales realizados por la antena direccional adicional:
(i) más datos de radar representativos de la energía de RF reflejada recibida por la antena direccional adicional durante el ciclo de recopilación adicional;
(ii) otros datos de posición angular representativos de una posición angular de la antena direccional adicional alrededor del eje de rotación de la antena adicional durante el ciclo de recopilación adicional; y
(iii) más datos de posición de traslación con respecto a una posición de traslación de la antena direccional adicional durante el ciclo de recopilación adicional.
El eje de rotación de la antena adicional puede ser el mismo que el eje de rotación de la antena, y la unidad de transmisión adicional puede ser la misma que la unidad de transmisión, por ejemplo, como podría ser el caso si la antena direccional y la antena direccional adicional se montan en un conjunto de antena girado alrededor del eje de rotación de la antena por la unidad de accionamiento.
La unidad base puede configurarse para montarse en un vehículo terrestre, por ejemplo, un vehículo ferroviario.
Un tercer aspecto de la invención proporciona un medio legible por ordenador según la reivindicación 14.
Breve descripción de los dibujos
A continuación, se discuten ejemplos de estas propuestas, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1 muestra un aparato de radar de ejemplo para inspeccionar el balasto y la subrasante de vías férreas fabricado de acuerdo con técnicas convencionales y componentes listos para usar.
La figura 2 ilustra la cinemática de un aparato de ejemplo para recopilar datos para su uso en la formación de una imagen en 3D representativa del subsuelo de la infraestructura ubicada en las proximidades de un vehículo en movimiento.
La figura 3(a) -(d) ilustra una curva espacial que describe el movimiento de referencia relativo a un sistema de coordenadas estacionario O para el aparato de ejemplo de la figura 2 para 0 que tiene los valores de (a) 0 grados, (b) 45 grados, (c) 60 grados y (d) 75 grados.
La figura 4(a) y la figura 4(b) muestran el aparato de ejemplo de la figura 2 con más detalle.
La figura 5 muestra el conjunto de antena del aparato de ejemplo de la figura 2 con más detalle.
Descripción detallada
En general, la siguiente discusión describe ejemplos de nuestras propuestas que pueden verse como un aparato de radar de investigación del subsuelo de ángulo de incidencia variable en el tiempo capaz de generar imágenes volumétricas tridimensionales. En estos ejemplos, un conjunto de antena se gira mecánicamente, lo que permite la recopilación de datos de un arco completo de trescientos sesenta grados alrededor del eje de rotación. Por lo tanto, el ángulo de incidencia de la radiación entrante varía durante el período de rotación. El ángulo 0 entre el eje de rotación de la antena y la dirección de movimiento de un vehículo en el que está montada una antena direccional se puede variar para lograr densidades de muestreo más altas dentro de áreas localizadas lateralmente, permitiendo que los levantamientos se lleven a cabo más rápidamente en áreas en el que no se requiere una cobertura angular completa.
Una ventaja significativa de los ejemplos que se describen a continuación es la capacidad de producir imágenes volumétricas tridimensionales utilizando un solo transecto, mientras se recopilan las mediciones de radar obtenidas en un intervalo difuso de posiciones laterales a una dirección de movimiento del vehículo en el que está montada una antena direccional.
Para crear tales imágenes con los sistemas existentes se requiere el uso de matrices de antenas escalonadas (dos o más filas de antenas, con antenas en cada fila desplazadas de las antenas en otras filas), o usando una sola antena para obtener múltiples transectos adyacentes (obteniendo mediciones con la antena única en una primera posición fija y luego moviendo la antena única a una nueva posición fija para obtener más mediciones y así sucesivamente, que podría verse como escalonar los múltiples transectos en el tiempo). Sin embargo, el uso de matrices de antenas escalonadas es costoso y aún sufre restricciones de extensión de escaneo debido a limitaciones de tamaño, y el uso de una sola antena para obtener múltiples transectos adyacentes no es factible para aplicaciones de transporte que involucran redes de carreteras y ferrocarriles (en el que es posible que sea necesario obtener mediciones rápidamente).
Ventajosamente, los ejemplos que se describen a continuación no restringen los puntos de muestreo para que se encuentren dentro de planos verticales discretos, por lo que la relación entre la densidad de muestreo lateral y longitudinal puede ser comparativamente alta y la distribución de la muestra lateral es más difusa. La rotación de la antena direccional le permite detectar e visualizar características del subsuelo a distancias relativamente grandes del transecto, que es ventajoso para la evaluación de la infraestructura de transporte; problemas que ocurren fuera de la región de exploración de los sistemas actuales (por ejemplo, el balasto de cuneta 8, la tubería dañada 9 y el vacío 10 ilustrado en la figura 1) pueden identificarse y corregirse con un mantenimiento específico. Para aplicaciones ferroviarias específicas, un ángulo de incidencia oblicuo de energía de RF emitida (en relación con un eje vertical) permite una mayor capacidad de evaluación del balasto debajo de los raíles, dado que el vector de onda de la energía de RF emitida tiene un componente horizontal, permitir que la ola se mueva lateralmente debajo del raíl (mientras todavía hay una sombra de radar causada por los raíles, esta sombra está desplazada de las vías). La evaluación del balasto ferroviario directamente debajo de las vías es importante porque aquí es en el que a menudo ocurren los defectos.
Por último, los ejemplos discutidos a continuación tienen una capacidad única para inspeccionar muros de contención y túneles por encima y al lado del vehículo en movimiento. Un informe de la Junta de Investigación en Transporte de las Academias Nacionales de los Estados Unidos ("Mapping Voids, Debonding, Delaminations, Moisture, and Other Defects Behind or Within Tunnel Linings" publicado por la Transportation Research Board, 19 de marzo de 2015) ilustra, utilizando una antena fija, la eficacia del radar de penetración terrestre acoplado por aire ("GPR") para detectar grandes vacíos llenos de aire y agua a una profundidad de 20 cm dentro de las paredes del túnel. Utilizando técnicas conocidas, los defectos más pequeños que podrían causar la delaminación del hormigón pueden localizarse utilizando el aparato ejemplificado determinando la permitividad dieléctrica de la superficie; el hormigón normal tiene una permitividad relativa volumétrica de entre 8-12. Sin embargo, los vacíos cerca de la superficie producirán retrodispersión que puede interferir con la reflexión de la superficie. Esto provocará una fluctuación en la permitividad aparente calculada a partir de las mediciones de la amplitud de la señal reflejada. Los ejemplos que se discuten a continuación pueden escanear toda la superficie interior de un túnel y localizar variaciones en la permitividad dieléctrica de la superficie que se pueden investigar más a fondo con otras técnicas de diagnóstico.
En la figura 2 se ilustra la cinemática de un aparato de ejemplo para recopilar datos para su uso en la formación de una imagen en 3D representativa del subsuelo de la infraestructura ubicada en las proximidades de un vehículo en movimiento.
Para mayor claridad, la figura 2 solo ilustra una antena direccional del aparato de ejemplo que incluye dos componentes de antena: una antena de bocina de transmisión 14 y una antena de bocina de recepción 15. La antena de bocina de transmisión 14 y la antena de bocina de recepción 15 pueden ser antenas de bocina electromagnéticas transversales ("TEM").
Como se muestra en la figura 2, las antenas de bocina TEM de transmisión y recepción 14, 15 giran alrededor de un eje de rotación de la antena definido por un vector de velocidad angular O. Las antenas de bocina TEM de transmisión y recepción 14, 15 se colocan directamente sobre una línea central 16 de vías férreas a la altura h. El vector de velocidad angular O se encuentra en el plano horizontal abarcado por X1 y X2, donde X2 es una dirección de movimiento del vehículo, que puede denominarse en el presente documento una dirección longitudinal y X1 es perpendicular a la dirección de movimiento del vehículo, que puede denominarse en el presente documento como una dirección lateral.
Un ángulo 0 entre el eje de rotación de la antena O y la dirección de movimiento del vehículo X2 se varía para cambiar la posición angular de O y su plano de rotación asociado 13 (un plano perpendicular al eje de rotación de la antena O). La posición angular del conjunto de antena 14 en el plano de rotación 13 es Ot con respecto a X3 (el eje vertical), y el eje de rotación de la antena O se puede rotar en un ángulo $ con respecto al vector (cos (0) cos (Ot), - sen (0) cos (Ot), sen (Ot)), inclinando así el vector de referencia d fuera del plano de rotación 13 de modo que haya un ángulo $ entre el vector de referencia d y el plano de rotación 13.
Con el fin de ilustrar el movimiento del vector de referencia d como se muestra en la figura 3(a)-(d), la longitud de d puede estar restringida de manera que:
Figure imgf000008_0001
lo que asegura que la punta del vector de referencia d mantiene contacto con un cilindro de radio h cuyo eje central coincide con el eje longitudinal X2. La curva de espacio paramétrico que describe el movimiento de referencia en relación con el sistema de coordenadas estacionario O es entonces:
r(t.) = ... - i::'-;:.:;:.-;;;::::.......................................................................................................................... {(s e n
Figure imgf000008_0002
Sen( 8 ) vf(sen($) sen(8) — cos(jp) cos(8)sen (O t))3 cos2(#)co52 (íjfc)
- cos($) eos(8 ) sen(íit))&* (sen($) cos{8) cos(#3 sen(6 ) sen(ílt))x2 + cgs($ ) c o s (ílt ))x g vtk 2
Las figuras 3(a)-(d) ilustran esta curva espacial para valores crecientes de 0 suponiendo que un conjunto de antena que incluye las antenas de bocina TEM de transmisión y recepción 14, 15 se mueve traslacionalmente a 45 m/s (162 km/h) en altura h = 1 con $ = 0, y girando a 210 rad/seg (“ 2000 rpm).
Las figuras 3(a)-(d) corresponden a 0 que tiene los valores 0, 45, 60 y 75 grados, respectivamente.
En los ejemplos mostrados en la figura 3(b)-(d), el ángulo 0 se cambia a un valor distinto de cero de modo que el eje de radiación primario (vector de puntería d) de la antena direccional tiene un componente de movimiento que es opuesto a una dirección de movimiento del vehículo ferroviario mientras que el eje de radiación primario (vector de referencia d) de los puntos de la antena direccional debajo del vehículo en movimiento. La distancia mínima entre "devanados" adyacentes de la curva de espacio paramétrico para un valor particular de Qt es l (ilustrado en las figuras 3(a)-(d)) que viene dada aproximadamente por
Figure imgf000009_0001
Por lo tanto, la distancia mínima l que separa segmentos adyacentes de la curva en la región en el que el cilindro de radio unitario contacta con el plano del suelo (directamente debajo del vehículo) disminuye de aproximadamente 1,25 m en (a) a 0,375 m en (d). El recíproco de l produce la densidad de muestreo lineal a lo largo de un segmento de línea que está en el plano del suelo y es aproximadamente perpendicular a dr(t) dt en el punto en el que la curva espacial intercepta el plano del suelo. El efecto de aumentar 0 es mejorar la densidad de muestreo de 0,8 muestras/m a 2,67 muestras/m a lo largo de este segmento de línea. Otra medida de la densidad de muestreo lineal es a lo largo de la propia curva espacial, que se puede calcular utilizando la densidad de muestreo lineal a lo largo de la curva espacial. = (escaneos/seg) / |dr(t)/dt |, en el que (escaneos/seg) es el número de escaneos por segundo dado por la frecuencia de repetición de pulsos (PRF) del radar dividido por el número de pulsos por pila (un escaneo es funcionalmente equivalente a un rastreo). La densidad de muestreo bidimensional, abreviada como S.D., se mide en muestras/m2 y es el producto de las dos densidades de muestreo lineales mencionadas anteriormente:
Figure imgf000009_0002
A partir de la ecuación anterior, se puede ver que cuanto mayor sea |dr(t)/dt|, cuanto menor sea la S.D. , ya que la antena pasa menos tiempo sobre un punto en particular. Por lo tanto, la densidad de la muestra es inversamente proporcional a la velocidad.
Por supuesto, cualquier aumento de la densidad de exploración por debajo del vehículo da como resultado una disminución de la densidad de exploración por encima del vehículo. Sin embargo, la distancia entre los "devanados" adyacentes de la hélice de la curva espacial aumentará como se muestra en la figura 3. Por lo tanto, puede ser deseable encontrar el mejor equilibrio entre la resolución a lo largo de la curva y la perpendicular a la curva en función de 0 para una velocidad de rotación de la antena y una velocidad del vehículo particulares, teniendo en cuenta la región que se va a escanear.
Adicionalmente, |dr(t)/dt| cambia con 0, por lo que se puede encontrar un valor óptimo de 0 que minimiza |dr(t)/dt| y por tanto maximiza la densidad de muestreo lineal a lo largo de la curva espacial en una región de interés (que podría ser, por ejemplo, el plano del suelo, un túnel o un muro de contención). Esto demuestra la eficacia de variar 0 para maximizar las densidades de muestreo tanto a lo largo como perpendicular a la curva espacial en el plano del suelo. Cuando se requiere un muestreo uniforme de más de trescientos sesenta grados (como cuando se encuentra la función de impedancia de superficie del interior de un túnel) 0 se puede establecer en cero (como se muestra en la figura 3(a)), lo que requerirá una velocidad del vehículo reducida. Para la mayoría de aplicaciones ferroviarias, solo la pista y las regiones adyacentes necesitan investigación, por lo que 0 se puede seleccionar dependiendo de O, el tamaño lateral de la región de interés, la densidad de muestreo necesaria y la velocidad del vehículo.
El aparato de ejemplo para recopilar datos para su uso en la formación de una imagen en 3D representativa del subsuelo de la infraestructura ubicada en las proximidades de un vehículo en movimiento se muestra con más detalle en la figura 4(a) y la figura 4(b).
El aparato tiene una placa de montaje 17 configurada para montarse en el vehículo, que lleva soportes 18 que fijan la viga longitudinal 19 y las vigas estabilizadoras 20 y 21 a la placa. Preferentemente, la viga 19 es lo suficientemente largo para evitar que el propio vehículo bloquee la referencia del radar cuando 0 es grande (aunque como se señaló anteriormente, algunos efectos negativos de un 0 grande pueden mitigarse variando $ para que sea distinto de cero). Las vigas 20 y 21 actúan para estabilizar la viga longitudinal contra el movimiento vertical y lateral, respectivamente. Un actuador lineal 22 conectado a un brazo de momento 23 controla el valor de 0 a través del punto de pivote 24. Una plataforma 26 conectada al pivote lleva un motor de accionamiento eléctrico 28 en un soporte 27, así como la electrónica de control asociada 29. Un eje motriz 32 está unido a un eje no giratorio 30 a través de un conjunto de engranajes 31 que contiene un cojinete de bolas de alta velocidad para este propósito. Este conjunto también contiene engranajes helicoidales que permiten que el motor eléctrico gire el conjunto de antena 33. El codificador óptico 25 en el pivote y otro codificador óptico en el eje motriz están configurados para transmitir datos a la unidad de control que registra los datos de posición angular correspondientes a cada barrido (un rastreo = datos de radar representativos de la energía de RF reflejada en función de la profundidad recibida por la antena direccional durante un ciclo de recopilación).
Los datos de posición traslacional se atribuyen a cada rastreo utilizando un tacómetro y, opcionalmente, entradas de GPS. Normalmente, un tacómetro solo daría información lineal, de modo que los datos de posición recopilados por un dispositivo GPS se pueden usar para tener en cuenta las curvas de una pista y/o para asignar datos de imágenes en 3D formados posteriormente (ver más abajo) a un sistema de coordenadas global.
Los datos sobre la velocidad del vehículo pueden usarse para variar tanto 0 como O en tiempo real.
Los componentes 17-33 del aparato pueden verse como una unidad base configurada para montarse en un vehículo.
Un conjunto de antena 33 contiene la antena direccional, un transceptor de radar y un convertidor de analógico a digital. El conjunto de antena 33 se monta en el vehículo ferroviario utilizando con el punto de conexión 34 a través del eje de transmisión 32, permitiendo así que el motor de accionamiento 28 gire el conjunto de antena 33 y, por lo tanto, la antena direccional contenida en el conjunto de antena 33. El conjunto de antena 33 está conectado a una unidad de procesamiento (no mostrada) ubicada en la unidad base, mediante cable de fibra óptica monomodo (se utiliza una junta rotativa de fibra óptica).
En la figura 5 se muestra en mayor detalle el conjunto de antena 33. Las antenas de bocina TEM de transmisión y recepción 14, 15 de la antena direccional están montadas en un cardán interior 37 que permite variar el ángulo $; este cardán gira alrededor del eje especificado por 36. La forma esférica truncada de la cubierta del conjunto de antena 33 permite que $ varíe hasta 45 grados. Un cardán exterior 35 es girado por el eje de transmisión con una velocidad angular O girando así todo el conjunto de antena 33 alrededor de O. Las bocinas TEM se conectan al transceptor 38 mediante un cable coaxial 39 de 50 ohmios. La parte inferior de la cubierta del conjunto 40 consiste en material transparente de radiofrecuencia.
El aparato realiza así, utilizando la antena direccional mientras se gira alrededor del eje de rotación de la antena O, una pluralidad de ciclos de recopilación en los que la antena de bocina de transmisión 14 de la antena direccional emite energía de RF y la antena de bocina de recepción 15 de la antena direccional recibe energía de RF reflejada.
Durante cada uno de la pluralidad de ciclos de recopilación realizados por la antena direccional, la unidad de procesamiento ubicada en la unidad base recopila:
(i) datos de radar representativos de la energía de RF reflejada recibida por la antena de bocina de recepción 15 de la antena direccional durante el ciclo de recopilación;
(ii) datos de posición angular (de los codificadores ópticos) representativos de una posición angular de la antena direccional alrededor del eje de rotación de la antena O durante el ciclo de recopilación; y
(iii) datos de posición de traslación (del tacómetro y, opcionalmente, del dispositivo GPS) con respecto a una posición de traslación de la antena direccional durante el ciclo de recopilación.
Todos los datos recopilados se almacenan en un disco duro local incluido en la unidad base. En un momento posterior, se utiliza un ordenador para procesar los datos del radar, los datos de posición angular y los datos de posición de traslación recopilados durante cada uno de la pluralidad de ciclos de recopilación para formar datos de imágenes en 3D representativos del subsuelo de la infraestructura ubicada en las proximidades del vehículo en movimiento.
Asociado con cada punto de muestreo en el suelo, existe un perfil de reflexión (conocido como rastreo). Este es esencialmente un conjunto unidimensional de datos de amplitud de reflexión (a lo largo de una línea) cuya permitividad dieléctrica del subsuelo es una función de la distancia/profundidad. Al conocer la posición lineal y angular precisa de la antena cuando se tomó un rastreo, es posible determinar la ecuación de esa línea en el espacio y asignar amplitudes de reflexión a lo largo de la misma. Interpolando estos datos entre todas esas líneas en el espacio en 3D, se puede obtener un mapa en 3D del subsuelo. Por supuesto, este es solo un esquema muy simple. Preferentemente, las variaciones en la impedancia de la superficie y la topografía se compensarían para obtener las mejores imágenes posibles, lo que se puede lograr usando técnicas conocidas en la técnica.
Por consiguiente, sería sencillo para un experto en la técnica convertir los datos en datos básicos de imágenes en 3D. Se podrían prever algoritmos más sofisticados para obtener una imagen en 3D de alta calidad, por ejemplo, compensando las variaciones en la impedancia de la superficie y la topografía. Incluso al obtener una imagen en 3D básica, los cálculos involucrados son computacionalmente intensivos, por eso en este ejemplo se utiliza el procesamiento fuera de línea, aunque no hay ninguna razón fundamental por la que este procesamiento no pueda ser realizado "sobre la marcha" por un ordenador a bordo del aparato.
Aunque el conjunto de antena 33 mostrado en la figura 5 solo incluye una antena direccional única que incluye antenas de bocina TEM de transmisión y recepción 14, 15, el conjunto de antena 33 puede incluir en algunas realizaciones (no mostradas) una antena direccional adicional que incluye antenas de bocina TEM de transmisión y recepción adicionales. La antena direccional adicional puede usarse mientras se gira alrededor del eje de rotación de la antena O para realizar una pluralidad de ciclos de recopilación adicionales en los que la antena direccional adicional emite energía de RF y recibe energía de RF reflejada. Tal y como se ha descrito en detalle anteriormente, la antena direccional y la antena direccional adicional pueden configurarse para emitir energías de RF que tienen diferentes frecuencias.
Aunque el aparato de ejemplo se describe para un vehículo ferroviario, el mecanismo de ejemplo podría usarse con otro vehículo terrestre, por ejemplo, un vehículo de carretera.
También sería posible utilizar el mecanismo con un vehículo basado en agua, preferiblemente con compensación de guiñada/cabeceo del vehículo basado en agua (ya sea en el procesamiento de los datos o para evitar que el conjunto de antena se vea afectado por la guiñada/cabeceo).
También sería posible utilizar el mecanismo con un vehículo aéreo, preferentemente con una unidad de medición inercial que se proporciona para compensar la guiñada, cabeceo y balanceo, y preferiblemente con un dispositivo GPS que se utiliza para obtener datos de posición. En el caso de un vehículo aéreo, lo más probable es que haya restricciones de altitud más allá de las cuales no se obtendrían datos significativos del subsuelo.
En el aparato de ejemplo, se emplea una técnica de radar UWB pulsado, lo que significa que deben utilizarse antenas no dispersivas. Aunque las antenas de bocina TEM se utilizan como antenas no dispersivas en este ejemplo, estas antenas de bocina TEM podrían ser reemplazadas por otro tipo de antena no dispersiva, por ejemplo, una antena dipolo cargada. Si se utilizara otra técnica de radar (no pulsado), se podrían utilizar otros tipos de antena.
El rendimiento de cualquier radar subterráneo depende de la conductividad eléctrica del suelo. Los suelos con alta conductividad absorben energía de radiofrecuencia, lo que resulta en una rápida atenuación de la radiación electromagnética. Suelos que son capaces de contener grandes cantidades de agua y tienen una alta capacidad de intercambio catiónico (la CIC es el número total de iones positivos, o cationes, un suelo en particular puede contener) no son adecuados para investigaciones de radar. La arcilla, que normalmente se considera suelo compuesto por partículas de 2 pm o menos, es un ejemplo de esto; el tamaño de partícula pequeño da como resultado una densidad de partícula alta y la superficie total correspondientemente grande contiene grandes cantidades de agua en comparación con otros tipos de suelo. Este aparato descrito anteriormente puede tener dificultades para obtener imágenes de las características del subsuelo si predomina la arcilla con alto contenido de humedad, y podría no funcionar si la infraestructura bajo investigación está inundada.
El aparato de ejemplo descrito anteriormente podría usarse para todo tipo de investigaciones del subsuelo por radar.
La mayoría de las unidades de radar de penetración terrestre utilizadas para el escaneado convencional utilizan antenas acopladas a tierra, mientras que el aparato de ejemplo descrito anteriormente es un sistema acoplado por aire. Los sistemas acoplados a tierra transfieren más energía al suelo porque la impedancia de la antena coincide con la de la superficie del suelo, por lo tanto, el impulso transmitido se propaga a través de la interfaz con baja reflexión. Por lo tanto, tienen una mejor penetración de profundidad que sus equivalentes acoplados por aire, sin embargo, la impedancia de la superficie puede fluctuar rápidamente en distancias cortas, por lo que en la práctica es imposible hacer coincidir siempre la antena con el suelo. Este desajuste hará que suene la antena, lo que da como resultado características oscurecidas e imágenes de mala calidad. Este problema es particularmente difícil de eliminar mediante el procesamiento de eliminación de fondo, especialmente para grandes variaciones de impedancia. El radar acoplado por aire no sufre este problema tan gravemente y, por lo tanto, puede producir imágenes de mayor calidad a expensas de una profundidad de penetración reducida. El radar acoplado por aire también tiene velocidades de recopilación de datos mucho más altas y se puede usar de manera más efectiva en terrenos difíciles o peligrosos (por ejemplo, remoción de minas terrestres).
El aparato de ejemplo descrito anteriormente podría reducir el tiempo requerido para completar un escaneo porque su ancho de transecto efectivo es mucho mayor que los sistemas actuales. Se necesitarían menos transectos para inspeccionar un sitio, lo que genera ahorros de tiempo y costes. Las áreas en el que se podría aplicar esta tecnología incluyen la ubicación de los servicios públicos, forenses, arqueología, encuestas de construcción, detección de sumideros/vacíos y municiones/minas terrestres sin detonar.
Cuando se utilizan en esta memoria descriptiva y en las reivindicaciones, los términos "comprende" y "que comprende", "que incluye" y variaciones de los mismos significan que se incluyen las características, etapas o enteros especificados. Los términos no deben interpretarse para excluir la posibilidad de otras características, etapas o enteros presentes.
Las características descritas en la descripción anterior, o en los dibujos adjuntos, expresados en sus formas específicas o en términos de un medio para realizar la función divulgada, o un método o proceso para obtener los resultados divulgados, según proceda, puede utilizarse para realizar la invención en diversas formas de la misma.
Aunque la invención se ha descrito junto con los ejemplos de realizaciones descritos anteriormente, muchas modificaciones y variaciones equivalentes resultarán evidentes para los expertos en la técnica cuando se les proporcione esta divulgación. Por consiguiente, los ejemplos de realizaciones de la invención expuestas anteriormente se consideran ilustrativas y no limitativas. El ámbito de protección se define por las reivindicaciones adjuntas.
Por ejemplo, el conjunto de antena 33 podría cambiarse dependiendo de los requisitos de la investigación, o podría usarse un sistema de accionamiento diferente para rotar el conjunto de antena (por ejemplo, un sistema de transmisión por correa).
Para evitar cualquier duda, las explicaciones teóricas proporcionadas en el presente documento se proporcionan con el fin de mejorar la comprensión del lector.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un método para formar datos de imágenes en 3D representativos del subsuelo de una infraestructura ubicada en las proximidades de un vehículo en movimiento, incluyendo el método:
girar una antena direccional (14, 15), montada en el vehículo en movimiento, alrededor de un eje de rotación de la antena (O);
realizar, utilizando la antena direccional mientras se gira alrededor del eje de rotación de la antena (O), una pluralidad de ciclos de recopilación en los que la antena direccional emite energía de RF y recibe energía de RF reflejada;
recopilar, durante cada uno de la pluralidad de ciclos de recopilación realizados por la antena direccional:
(i) datos de radar representativos de la energía de RF reflejada recibida por la antena direccional durante el ciclo de recopilación;
(ii) datos de posición angular representativos de una posición angular de la antena direccional alrededor del eje de rotación de la antena durante el ciclo de recopilación; y
(iii) datos de posición de traslación con respecto a una posición de traslación de la antena direccional durante el ciclo de recopilación;
procesar los datos del radar, los datos de posición angular y los datos de posición de traslación recopilados durante cada uno de la pluralidad de ciclos de recopilación para formar datos de imagen en 3D representativos del subsuelo de la infraestructura ubicada en las proximidades del vehículo en movimiento;
caracterizado por que el método incluye variar un ángulo 0 entre el eje de rotación de la antena (O) y la dirección de movimiento del vehículo (x2) a un valor distinto de cero, de modo que un eje de radiación primario (d) de la antena direccional (14, 15) tiene un componente de movimiento que es opuesto a la dirección de movimiento del vehículo (x2) mientras que el eje de radiación primaria (d) de la antena direccional (14, 15) señala hacia debajo del vehículo en movimiento.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el método incluye variar un ángulo 0 entre el eje de rotación de la antena (O) y la dirección de movimiento del vehículo (x2).
3. Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el método incluye variar un ángulo $ entre un eje de radiación primario (d) de la antena direccional (14, 15) y un plano (13) perpendicular al eje de rotación de la antena (O).
4. Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que la energía de RF emitida por la antena direccional (14, 15) durante cada ciclo de recopilación incluye un pulso de banda ultra ancha que tiene un ancho de banda que excede el menor de 500 Mhz o el 20 % del ancho de banda fraccional, y una longitud de pulso de duración de 2 ns o menos, en donde el ancho de banda fraccional se define como el ancho de banda de la antena direccional dividido por su frecuencia central, en donde la frecuencia central está en el intervalo de 300 MHz a 2,5 Ghz.
5. Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que la antena direccional (14, 15) incluye una antena de bocina de transmisión (14) configurada para emitir la energía de RF y una antena de bocina de recepción (15) configurada para recibir energía de RF reflejada.
6. Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el método incluye el uso de datos de posición recopilados por un dispositivo GPS para asignar los datos de imagen en 3D a un sistema de coordenadas global
7. Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el método incluye adicionalmente:
girar otra antena direccional, montada en el vehículo en movimiento, alrededor de otro eje de rotación de la antena; realizar, utilizando la antena direccional adicional mientras se gira alrededor del eje de rotación de la antena adicional, una pluralidad de ciclos de recopilación adicionales en los que la antena direccional adicional emite energía de RF y recibe energía de RF reflejada;
recopilar, durante cada uno de la pluralidad de ciclos de recopilación adicionales realizados por la antena direccional adicional:
(i) más datos de radar representativos de la energía de RF reflejada recibida por la antena direccional adicional durante el ciclo de recopilación adicional;
(ii) otros datos de posición angular representativos de una posición angular de la antena direccional adicional alrededor del eje de rotación de la antena adicional durante el ciclo de recopilación adicional; y
(iii) datos de posición de traslación adicionales con respecto a una posición de traslación de la antena direccional adicional durante el ciclo de recopilación adicional;
procesar los datos de radar adicionales, los datos de posición angular adicionales y los datos de posición de traslación adicionales recopilados durante cada uno de la pluralidad adicional de ciclos de recopilación para formar datos de imágenes en 3D adicionales representativos del subsuelo de la infraestructura ubicada en las proximidades del vehículo en movimiento.
8. Un método de acuerdo con la reivindicación 7, en el que la antena direccional y la antena direccional adicional pueden configurarse para emitir energías de RF que tienen diferentes frecuencias.
9. Un método de acuerdo con la reivindicación 8, en el que la antena direccional está configurada para emitir pulsos UWB que tienen una frecuencia central en el intervalo 250-750 MHz mientras que la antena direccional adicional está configurada para emitir pulsos UWB que tienen una frecuencia central en el rango 1,5 Ghz-2,5 GHz.
10. Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que el vehículo es un vehículo ferroviario.
11. Un aparato para recopilar datos para su uso en la formación de una imagen en 3D representativa del subsuelo de una infraestructura ubicada en las proximidades de un vehículo en movimiento, incluyendo el aparato:
una unidad base (17-33) configurada para ser montada en un vehículo;
una antena direccional (14, 15) montada de forma giratoria en la unidad base (17-33) para permitir que la antena direccional (14, 15) gire alrededor de un eje de rotación de la antena (O);
una unidad de accionamiento (28, 32) configurada para girar la antena direccional (14, 15) alrededor del eje de rotación de la antena (O);
en donde el aparato está configurado para realizar, utilizando la antena direccional (14, 15) mientras gira alrededor del eje de rotación de la antena (O), y mientras se mueve un vehículo en el que está montada la unidad base (17­ 33), una pluralidad de ciclos de recopilación en los que la antena direccional (14, 15) emite energía de RF y recopila la energía de RF reflejada;
en donde el aparato está configurado para recopilar, durante cada uno de la pluralidad de ciclos de recopilación realizados por la antena direccional (14, 15):
(i) datos de radar representativos de la energía de RF reflejada recibida por la antena direccional durante el ciclo de recopilación;
(ii) datos de posición angular representativos de una posición angular de la antena direccional alrededor del eje de rotación de la antena durante el ciclo de recopilación; y
(iii) datos de posición de traslación con respecto a una posición de traslación de la antena direccional durante el ciclo de recopilación;
caracterizado por que el aparato está configurado para variar un ángulo 0 entre el eje de rotación de la antena (O) y una dirección de movimiento del vehículo (X2) a un valor distinto de cero, de modo que un eje de radiación primario (d) de la antena direccional (14, 15) tiene un componente de movimiento que es opuesta a una dirección de movimiento del vehículo (X2) mientras que el eje de radiación primaria (d) de la antena direccional (14, 15) señala hacia debajo del vehículo en movimiento.
12. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 11, en donde el aparato incluye un elemento (30) que puede girar alrededor de un pivote/bisagra, en donde la antena está montada en el elemento de manera que se puede variar el ángulo 0 girando el elemento alrededor del pivote/bisagra.
13. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 11, en el que el aparato incluye una unidad de procesamiento configurada para procesar los datos de posición angular y los datos de posición de traslación recopilados durante cada uno de la pluralidad de ciclos de recopilación para formar datos de imagen en 3D representativos del subsuelo de la infraestructura ubicada en las proximidades del vehículo en movimiento.
14. Un medio legible por ordenador que comprende datos de radar, datos de posición angular y datos de posición de traslación recopilados según un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde el medio legible por ordenador incluye además instrucciones ejecutables por ordenador configuradas para hacer que un ordenador procese los datos del radar, los datos de posición angular y los datos de posición de traslación recopilados durante cada uno de la pluralidad de ciclos de recopilación realizados como parte del método.
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