WO2017125627A1 - Sistemas aerotransportados y métodos para la detección. localización y obtención de imágenes de objetos enterrados y la caracterización de la composición del subsuelo - Google Patents

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subsoil
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radar signal
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Borja GONZÁLES VALDÉS
Yuri ALVAREZ LÓPEZ
Ana ARBOLEYA
Yolanda RODRÍGUEZ VAQUEIRO
María GARCÍA FERNÁNDEZ
Fernando LAS-HERAS ANDRÉS
Antonio GARCÍA PINO
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Universidad De Oviedo
Universidad De Vigo
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Definitions

  • the present invention relates to systems for obtaining images of any buried object of any composition and for characterizing the composition of the subsoil.
  • a system comprises at least one air transmitter and receiver module, an earth station and a communication system between elements.
  • the other system is similar to the previous one, but comprises at least one emitting air module and another receiving air module.
  • the invention also relates to radar signal processing methods for obtaining the radar image of the subsoil and of the possible objects buried in the subsoil, including its detection and location, and for characterizing the composition of the subsoil.
  • the invention is applicable in those sectors in which it is necessary to perform the detection of buried objects, such as in civil applications for mine detection, pipe inspection, archeology or detection of holes or cavities.
  • Non-invasive techniques allow detection, location and, as a final goal, obtaining an image of the hidden object in the surrounding environment, without interfering with either the medium or the object itself.
  • the advantages of these systems are fundamentally the economy in resources and time, not being necessary to carry out blind excavations in the area of interest to be able to find the objects. Likewise, it is guaranteed that, in the case of objects of a certain value, they are not damaged by excavation.
  • Non-invasive techniques in which, from the proper processing of a set of received signals, it is possible to detect the presence of buried objects.
  • Non-invasive techniques can be classified in turn according to the physical phenomenon on which the detection is based (Robledo, L., Carrasco, M., & Mery, D. (2009). A survey I heard land mine detection teehnology. International Journal of Remote Sensing, 30 (9), 2399-2410):
  • Electromagnetic induction It is based on inducing an electric current in buried metal objects using a transmitter coil. Said current in turn re-radiates an electric field that is detected in a receiving coil.
  • the advantage it presents is its low cost and simplicity of operation. As an inconvenience, it has a high rate of false alarm, due to the large number of buried metal objects that may be present on a stage (shrapnel remains, screws ).
  • Ground Penetrating Radar (GPR). Ground Penetrating Radar
  • GPR Ground Penetrating Radar
  • NQR Nuclear Quadrupole Resonance
  • Non-invasive detection techniques also viable, but less used for their high operational and technological costs, are: - Image analysis in visible or infrared band, which detects surface patterns that correspond to land where mines have been planted.
  • Radiography which has a high detection but is limited to the detection of mines buried near the surface (10 cm or less), in addition to presenting restrictions for the operation with X-rays.
  • Chemical or biological sensors to detect chemical components of the explosive material that comes to the surface through micro cracks in the mine frame.
  • the application of non-invasive techniques for mine detection requires that the detector system keep a safe distance from the possible location of the mine, recommending about 3-5 rn distance, to prevent the weight of the Detector system may cause explosive detonation.
  • the detector system keep a safe distance from the possible location of the mine, recommending about 3-5 rn distance, to prevent the weight of the Detector system may cause explosive detonation.
  • Use stand-off radar systems with which the ground is illuminated with an angle of incidence such that the amount of energy that penetrates is maximized.
  • the problem arises because, according to Snell's law, the reflected energy will go in the opposite direction to the radar, which decreases the sensitivity of the system. Examples of these systems are described in US 8193965 B2 and US 747991 8 B2, where the processing capacity is improved using polarimetric techniques.
  • Use systems capable of illuminating the ground with an incidence perpendicular to the ground (or also called normal incidence). Although the maximum energy cannot be coupled to the ground, this fact is compensated by the possibility of getting closer to it and being able to capture more reflected energy. In this type of systems, the difficulty lies in providing illumination perpendicular to the ground keeping the safety distance of 3-5 m in the vicinity of the radar.
  • a GPR-based mine detection system in which a robotic vehicle is used to create a radar image of the subsoil, which allows buried objects to be detected and, therefore, mines.
  • the invention is based on burying a transmitting and receiving antenna on the ground in different positions separated by half a wavelength, so that the coherent combination of Sa signal received in each position allows to create a two-dimensional radar image (in range or range, and in cross-range or direction of movement of the robot).
  • This system therefore, has the capacity to make radar image with synthetic aperture (SAR). As an inconvenience, the slowness to carry out the inspection process stands out.
  • Polarimetric radars have the advantage that they allow measuring the response of different materials to electromagnetic waves, being able to use this property not only to obtain the radar image, but also the composition of the materials.
  • a GPS receiver with an inertial measurement unit (IMU) to determine the position of the UAV during the flight.
  • IMU inertial measurement unit
  • the UAV incorporates a GPS receiver and inertial sensors, which do not provide sufficient positioning accuracy for a correct coherent combination of the radar signal data measured at each UAV flight position.
  • a GPS receiver and inertial sensors which do not provide sufficient positioning accuracy for a correct coherent combination of the radar signal data measured at each UAV flight position.
  • the capacity of a radar on a UAV to detect mines is analyzed, taking into account different parameters such as the diameter of the mine, the ratio signal to radar noise and flight height.
  • the authors of the study conclude that for the UAVs compared, the system is not realizable because it is necessary to pilot a UAV of considerable size (such as Shadow 200, Shadow 600 and Predator models) at a lower height than their operational height (to be able to detect the mines), which can put the UAV at risk due to the danger of collision with the ground.
  • a detection system is proposed formed by an air unit where the transmitter is shipped and an air trailer where the receiver is, thus configuring a bistatic system that works in the frequency range of 80 kHz to 1 MHz.
  • the system is based on electromagnetic induction, determining the position of the detected objects from the flight time between the transmitted signal and the detected echo.
  • the relative position between the transmitter and the receiver is always the same, so that the ground always lights at the same angle.
  • Polarimetric techniques have also been applied in on-board UAV systems for GPR applications, as described in US 7528762 B2, where the system, designed to work in the 1 MHz to 1 GHz band, employs a processing technique of signal based on polarimetry that allows to eliminate the air-ground cluster. This technique is based on selecting, in the first place, the appropriate frequency and angle of incidence to maximize soil penetration taking into account the characteristics of the soil and the depth of penetration. Next, the dispersed field is acquired for the two polarizations, typically orthogonal to each other, and the coherent difference between the two signals is calculated.
  • the echoes that are not canceled correspond to reflections in buried objects, because the subsoil changes the polarization of the field differently from the object to be detected (since in general the subsoil and the object will have different composition).
  • an on-board system is contemplated, placing the antennas on the blades of a helicopter.
  • the main limitation of this processing technique is that it is only suitable for stand-off systems (the radar is at a distance of several meters from the surface to be scanned).
  • the invention described in patent document LIS 2014/0062754 Al is based on a GPR system embarked on a UAV, which is able to position itself autonomously following a previously defined path (for example, zigzag), using the information provided by a system Differential GPS
  • a system Differential GPS in case of loss of the GPS signal, the mentioned document contemplates that it is possible to use the information of inertial sensors to maintain the trajectory, such as magnetometers and gyroscopes.
  • a flight height of 66 to 330 cm is defined, with a positioning accuracy of 16.5 cm.
  • the working frequency range is 4 to 6 GHz.
  • the radar signal is processed in the system on board the UAV, the resulting radar image being sent to an earth station via a wireless link.
  • This system has a scanning speed of 24 seconds per square meter (25 square meters in 10 minutes).
  • this system also incorporates countermeasures to deactivate the mine, landing the UAV on the area where the mine has been detected and using chemical elements capable of canceling the explosive.
  • UAV assembly The possibility of using a UAV assembly is described in US 6653970 B 1.
  • a UAV emits a signal that is received in one or several UAVs, the position of all of them being known.
  • the system is used for the detection of targets in environments with high multipath (such as mountainous areas or with numerous constructions where the transmitted signal undergoes multiple reflections), using delay measurement as a method to detect the positions of the targets.
  • multistatic systems that is, the transmitter and receiver are in different positions from each other
  • multistatic systems that is, the transmitter and receiver are in different positions from each other
  • the use of multistatic systems allows to increase the information collected from the stage under study by having more lighting angles (Alvarez, Y., Rodr ⁇ guez-Vaqueiro, Y., Gonzalez-Valdes, B., Mantzavinos, S., Rappaport, CM, Las-Heras, F., & Mart ⁇ nez -Lorenzo, J, A, (2014), Fourier-based imaging for multistatic radar systems, Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, 62 (8), 1798-1810); Gonzalez-Valdes, B., Rappaport, C, Lorenzo, M., Jose, A., Aivarez, Y., & Las-Heras, F.
  • the invention set forth in US 8849523 B 1 describes a system capable of determining the composition of the subsoil using a GPR radar, although it is embarked on a tractor-type land vehicle used for sowing seeds, which greatly penalizes the speed of analysis.
  • this patent does not specify what the method of determining the composition of the subsoil consists of, therefore the precision parameters are unknown, if it estimates both permittivity and conductivity, or what processing algorithm is used.
  • GPR Global System for Mobile Communications
  • transmitting and receiving signals that propagate through the subsoil generates numerous challenges of intrinsic signal processing to GPR systems.
  • the propagation channel in a GPR is of a heterogeneous nature, the presence of a cluster in the subsoil is quite common, and the differences in soil density and humidity can affect the dielectric properties that determine the propagation speed and the intensity of the radar signature. of the targets.
  • the GPR signals also interact with the surface of the ground (as well as other inertities of the subsoil, such as the bed of a road or a road), which is generally rough and contributes to an additional additional cluster. ' ' (trad. a.).
  • the estimation of the constitutive parameters is typically carried out using linear prediction models (LP) based on autoregressive processes (AR) that use signal patterns known as a database (or training se ⁇ ) to subsequently classify the measured signal, associating it to a certain type of subsoil.
  • LP linear prediction models
  • AR autoregressive processes
  • the precision obtained in the reconstruction of the subsoil parameters is high even in the case of highly non-homogeneous soils, the main drawback is the need to train the characterization algorithm, which requires having a large number of training measures performed under real conditions that contemplate a multitude of different cases, in addition to restricting the algorithm for a specific GPR system (applying the algorithm in another GPR system would require a new database).
  • the present invention relates to systems for obtaining images of any buried object of any composition and for characterizing the composition of the soil and subsoil, comprising one or more aerial modules, an earth station and a communication system between elements.
  • the invention It also refers to the radar signal processing methods for obtaining the radar image of the subsoil and the possible objects buried in the subsoil, including its detection and location, and to characterize the composition of the subsoil,
  • soil refers to the surface that separates the air from the subsoil, and subsoil to the material medium where the potential objects to be located are buried.
  • the invention preferably relates to soil and subsoil, such as a terrestrial surface and the material medium beneath it, although it could also be applied more generically to other types of material surfaces and media, such as, for example, a water surface. and the material medium where they are submerged Sos potential objects to be located.
  • operator refers to the person in charge of the supervision of the different systems and methods that make up the invention, as well as interacting with the different processes that require person-machine communication.
  • the area under study refers to the soil and subsoil that is to be inspected, in search of possible buried objects.
  • An aspect of the present invention is an airborne system for detection, location and imaging of buried objects. From now on, this aspect of the invention can be referred to as a "monostatic system".
  • the monostatic system comprises:
  • At least one air module that in turn comprises a radar unit that emits and captures radar signals directed and reflected on the ground, a positioning and guidance system of the air module, and an air control unit that collects information from the radar unit and of the positioning and guidance system, it controls flight parameters of the aerial module and exchanges information with an earth station.
  • An earth station which in turn comprises a flight control system of the aerial module, a unit for processing radar signals received from the radar unit that processes radar signals by means of a set of processing algorithms of radar signal, and a computer application for the representation of the radar image of the subsoil obtained from the radar signal processing unit.
  • the positioning and guidance system of the aerial module comprises a global positioning system, a positioning system based on inertial sensors, a positioning system based on real-time satellite kinetic navigation or RTK (from Real Time Kinematik), which exchanges information with a satellite kinetic navigation base station in real time located in the earth station, and a positioning system based on phytogrammetry.
  • the positioning and guidance system sends information to the aerial control unit, providing the precise three-dimensional location of the aerial module and the georeferencing of the data obtained with the radar unit, with an accuracy of value equal to or less than three centimeters.
  • the detection, location and imaging of buried objects is made from the information that the air module exchanges with the earth station, where it is processed in the 3rd radar signal processing unit by means of a set of signal processing algorithms Radar.
  • One of these algorithms is a SAR processing algorithm for obtaining the radar image and another is an algorithm for the elimination of the radar image from the radar image.
  • the aforementioned algorithms require the precise three-dimensional location, of a value equal to or less than half a wavelength for the maximum working frequency, of the aerial module and the georeferencing of the data obtained with the radar unit to be able to carry out the coherent processing (it is that is, using amplitude and phase information of the measured radar signal) of the measured radar signal in different positions, thus creating a synthetic radar aperture.
  • the multistatic system comprises:
  • At least one air module which is an air transmitter module, which in turn comprises a radar unit that emits radar signals, a positioning and guidance system of the air transmitter module, and an air control unit that collects information from the unit radar and positioning and guidance system, controls flight parameters of the sending air module and exchanges information with an earth station.
  • an air transmitter module which in turn comprises a radar unit that emits radar signals, a positioning and guidance system of the air transmitter module, and an air control unit that collects information from the unit radar and positioning and guidance system, controls flight parameters of the sending air module and exchanges information with an earth station.
  • At least one air module which is a receiving air module, which in turn comprises a radar unit that captures the radar signal, a positioning and guidance system of the receiving air module, and an air control unit that collects information from the radar unit and positioning and guidance system, controls flight parameters of the receiving air module and exchanges information with an earth station.
  • a receiving air module which in turn comprises a radar unit that captures the radar signal, a positioning and guidance system of the receiving air module, and an air control unit that collects information from the radar unit and positioning and guidance system, controls flight parameters of the receiving air module and exchanges information with an earth station.
  • An earth station which in turn comprises a flight control system of the sending air module and the receiving air module, a radar signal processing unit received from the radar unit that processes the radar signals by means of a set of processing algorithms of radar signal, and a computer application for the representation of the radar image of the subsoil obtained from the radar signal processing unit.
  • the positioning and guidance system of the sending air module and the receiving air module comprises a global positioning system, a positioning system based on inertial sensors, a positioning system based on real-time satellite kinetic navigation or RTK, which exchanges information with a real-time satellite kinetic navigation base station located in the earth station, and a positioning system based on photogrammetry.
  • the positioning and guidance system sends information to the air control unit providing the precise three-dimensional location of the sending air module and the receiving air module and the georeferencing of the data obtained with the radar unit with an accuracy of value equal to or less than three centimeters .
  • a radar signal processing algorithm of the radar signal processing unit is a SAR processing algorithm for obtaining the radar image and another is a clutter elimination algorithm of the radar image.
  • the aerial module is an unmanned aerial vehicle.
  • the unmanned aerial vehicle is of the multi-rotor type.
  • the communication means comprise a two-way and real-time communication system between the air module and the earth-erating, such as two low-frequency transceivers, one located in the earth station and the other in the air module
  • the communication means comprise a two-way and real-time communication system between the sending air module and the earth station, a two-way and real-time communication system between the receiving air module and the earth station. , and a bi-directional and real-time radar communication system between the radar unit shipped in the sending air module and the radar unit shipped in the receiving air module.
  • said systems comprise one or more communication modules 3G / 4G or one or more low frequency transceivers or an IEEE 802.1 1 (Wi-Fi) interface or one or more Zighee modules or one or more Bluetooth modules, or a combination of any of the above means of communication.
  • An example of this embodiment is a communication system consisting of two ZigBee modules or Blue ⁇ ooth, one located in the earth station and the other in an air module.
  • Another example of this embodiment is a communication system consisting of two 3G / 4G communication modules, one located in the earth station and the other in an air module.
  • Another example of this embodiment is a communication system consisting of two IEEE 802.1 1 (Wi-Fi) communication interfaces, one located in the earth station and the other in an air module.
  • Another example of this embodiment is a system formed by two low frequency transceivers, one located in the earth station and the other in an air module.
  • Another example of this embodiment is a radar communication system between the two radar modules embarked on the two aerial modules, formed by two low frequency transceivers, each embarked on an aerial module.
  • the radar unit of the aerial module comprises:
  • a transmitting antenna and a receiving antenna A transmitting antenna and a receiving antenna.
  • a radar module for the generation of an electromagnetic signal in a frequency band whose frequency is greater than or equal to 5 GHz, and for the reception of the dispersed electromagnetic signal.
  • the radar unit of the emitting air module comprises:
  • a radar module for the generation of an electromagnetic signal in a frequency band whose frequency is greater than or equal to 5 GHz.
  • the radar unit of the receiving aerial module comprises:
  • a radar module for receiving the dispersed electromagnetic signal.
  • the transmitting and receiving antennas will have circular polarization, the circular polarization of the transmitting antenna being orthogonal to the circular polarization of the receiving antenna.
  • the sending and receiving antennas are helical type antennas, with a parameter S 1 1 less than - 1 5 dB in the frequency band in which the radar module operates, and a gain greater than 1 0 dB
  • the receiving antenna is formed by an array of two elements, the circular polarization of each element being orthogonal to the circular polarization of the other element. The element from which it is desired to receive the radar signal is selected by a switch or switch that connects the element to the radar unit. The switching between the two elements allows obtaining poimetric information.
  • the flight control system of the module or of the aerial modules comprises a manual flight control system and a system for the generation of trajectories and automatic flight control.
  • a manual flight control system and a system for the generation of trajectories and automatic flight control.
  • the scanning path followed by the aerial module to explore a specific area under study can be introduced by means of the system for the generation of trajectories and automatic flight control through, for example, a geo-referenced coordinate file.
  • the operator of the invention may instruct the system to begin scanning.
  • the manual flight control system will allow the operator of the invention to immediately take control of the flight of the air module in the event of a danger of collision, presence of strong wind that alters the automatic path or similar, landing it in a safe place.
  • the SAR processing algorithm for obtaining the radar image Use polarimetric information.
  • the polarimetric information is obtained from the acquisition of the radar signal for two orthogonal polarizations of the dispersed electric field. In this way it is possible to increase the diversity of information, reconstructing a three-dimensional radar image for each polarization. These three-dimensional images are combined, allowing a better elimination of false radar and cluster echoes, since typically the ground, subsoil and possible buried objects have different types of responses for different polarizations.
  • the set of radar signal processing algorithms also comprises an algorithm to correct the blurring of the radar image due to the uncertainty associated with the positioning and guidance system of the aerial module and an algorithm for the detection of buried objects.
  • the monostatic system or of the multistatic system with a set of radar signal processing algorithms that are a SAR processing algorithm for obtaining the radar image and a cluster elimination algorithm of the radar image, it also comprises a algorithm for the characterization of the subsoil composition.
  • the algorithm for the characterization of the subsoil composition carries out the estimation of the permittivity of the subsoil from the determination of the distance between the echo in the ground and the echo in a metallic object calibration, observable both in the radar image.
  • the algorithm for the characterization of the subsoil composition performs the estimation of the permittivity of the subsoil from the measurement of the amplitude difference between the echo in the ground and the echo in a metallic object of calibration.
  • the radar image cluster elimination algorithm is based on an iterative calculation process in which the effect of the ground on the radar image is identified based on the altitude of the aerial module and the estimation of ia composition of the subsoil provided by the algorithm for the characterization of the composition of the subsoil and subsequently removed from the image using a mask-based algorithm and a SAR processing algorithm to obtain the radar image.
  • echo is the reflection observed in the radar image (or in a radar signal) when there is a change in the propagation medium.
  • echo in the ground is the reflection of the signal when it hits the ground.
  • Part of the energy is reflected (the echo) and part of the energy is transmitted to the subsoil.
  • all energy is reflected because it is a metallic object that does not allow an electromagnetic wave to pass through it.
  • the aerial module emits and captures radar signals establishing its position at different heights relative to the ground.
  • the sending air module emits radar signals establishing its position at different heights relative to the ground and the receiving air module captures radar signals establishing its position at different heights relative to the ground.
  • the radar image created with the radar signals obtained at different heights is combined to detect , locate and obtain the image of the ground and the objects buried in the subsoil.
  • the SAR processing algorithm for obtaining the radar image is based on the sum coherent radar signal measured in two or more positions of the aerial module, provided that the separation between two consecutive positions is equal to or less than half wavelength at the highest working frequency.
  • Another object of the present invention is a method for the detection, location, and imaging of buried objects comprising the following steps: a) Issue a radar signal generated by a radar unit to the ground that you want to inspect, b) Capture the radar signal reflected in the ground, subsoil and possible buried objects through a radar unit and determine the precise three-dimensional location of the aerial module with an accuracy of value equal to or less than three centimeters. c) Send the radar signal and the precise three-dimensional location of the air module to the earth station using the communication system.
  • the radar signal generated by the radar unit is emitted from the emitting air module, and the reception of the radar signal reflected in the ground, subsoil and possible buried objects is made in the radar unit shipped in the module Aerial receiver
  • the emission and reception are synchronized through a radar communication system on board each air module.
  • the radar unit also processes the radar signal received in step b) to convert it to a digital sequence, and in step d) the signal processing unit radar processes the digitized radar signal.
  • the radar signal converted to digital sequence is sent to the earth station where the radar signal processing unit processes the digitized radar signal using the set of radar signal processing algorithms.
  • the radar signal is a train of electromagnetic pulses.
  • the procedure described in the method [steps a) to d)] is repeated for each of the positions of the scanning path that describes the aerial module or modules for explore a specific area under study, which allows obtaining an image or a composition of images of the area of interest.
  • the position of the aerial module is also varied and steps a), b) and c) are repeated prior to stage d),
  • the radar image created with the radar signals obtained at different heights are combined to detect, locate and obtain the image of the ground and the objects buried in the subsoil.
  • the SAR processing algorithm for obtaining the radar image is based on the coherent sum of the radar signal measured at two or more positions of the aerial module, provided that the separation between two consecutive positions is equal to or less than half a wavelength at the highest working frequency.
  • One way to treat the digitized radar signals received for each position is to store them in a matrix, where each row of the matrix corresponds to a position.
  • the coordinates of each position of the air module are stored in a coordinate matrix.
  • a transformation matrix is constructed that relates the points of the subsoil with the positions of the aerial module.
  • the SAR processing performs mathematical operations with the transformation matrix and the matrix of the digitized radar signals to calculate the reflectivity of the soil and subsoil. This reflectivity is processed using the cluüer elimination algorithm to highlight the possible presence of buried objects and eliminate soil reflection.
  • the procedure for eliminating the clutter is iterative: i) known radar signals and the positions where they have been measured, SAR processing is applied to calculate the reflectivity in the area under study; ii) from the reflectivity in the area under study it is possible to identify the reflection of the radar signal on the ground; ii) a mask is applied that encompasses the region of the area under study corresponding to the reflection of the radar signal on the ground; iii) the radar signal that reflects the masked region is calculated; iv) a new radar signal matrix is created equal to the initial radar signal matrix minus the radar signal that reflects the masked region; and v) SAR processing is applied to the matrix resulting from the subtraction, obtaining the reflectivity in the area under study.
  • Steps i) av) are repeated a certain number of times, so that in each iteration the contribution due to reflection in the ground (masked region) is attenuated.
  • the processed reflectivity is shown as a three-dimensional image of the subsoil in the computer application developed for the representation of the radar image of the subsoil.
  • reflectivity is a dimensionless magnitude relative to the intensity of the ratio between the reflected radar signal and the incident radar signal at each point in space.
  • the SAR processing algorithm for obtaining the radar image employs polarimetric information , obtained from the acquisition of the radar signal for two orthogonal polarizations of the dispersed electric field.
  • step d) the radar signal is processed in the processing unit of radar signals through a set of radar signal processing algorithms that also comprise an algorithm to correct the blurring of the radar image, and an algorithm for the detection of buried objects.
  • the SAR processing algorithm and the cluster elimination algorithm are combined with an algorithm to correct the blurring of the radar image due to the uncertainty associated with the positioning and guidance system. Wind, changes in air pressure or similar situations may introduce small changes in the path to be followed by the air module. To carry it out, you can use the method called Phase Gradient Au!
  • the three-dimensional image of the subsoil is processed by an algorithm for the detection of buried objects.
  • This algorithm processes the three-dimensional image of the subsoil in search of clusters of spikes with high reflectivity, which can correspond to buried objects.
  • the algorithm analyzes the shape of the area or volume with high reflectivity and, based on training patterns stored in a database, decides whether it corresponds to a potential buried object or not. These training patterns are obtained from photographs of different types of buried objects (antipersonnel mines, archaeological remains, pipes, etc.) and can be calculated prior to scanning the area under study.
  • the SAR processing algorithm and the clutter elimination algorithm are combined with a algorithm for the characterization of the subsoil composition.
  • the method prior to stage a), the method also includes the following stages: e) Bury a metallic calibration object in the subsoil. f) Issue a radar signal generated by a radar unit to the ground where the metallic calibration object is buried. g) Capture the radar signal reflected on the ground, subsoil and on the metallic calibration object through a radar unit, and determine the precise three-dimensional location of the aerial module with an accuracy of value equal to or less than three centimeters.
  • steps e), f), g), h) and i) to characterize the subsoil composition are executed only once, prior to step a). In this way, the metallic calibration object is buried in one place and the ground effect is determined only once. After that, the exploration of the area of interest begins in order to locate and identify the possible buried objects, but with the information of the soil composition already known.
  • the algorithm for the characterization of the subsoil composition carries out the estimation of the permittivity of the subsoil from the determination of the distance between the echo in the ground and the echo in a metallic object of calibration.
  • the algorithm for the characterization of the subsoil composition performs the estimation of the permittivity of the subsoil from the measurement of the amplitude difference between the echo in the ground and the echo in an object calibration metal
  • the algorithm for the characterization of the subsoil composition allows to calculate the permittivity value of the subsoil and, consequently, the propagation speed of the radar signal in the subsoil, so that the transformation matrix used in SAR processing can be constructed taking into account the speed of propagation of the signal both in the air environment and in the subsoil.
  • the radar image clutter elimination algorithm is based on an iterative calculation process in which The effect of the soil on the radar image is identified based on the altitude of the aerial module and the estimation of the subsoil composition provided by the algorithm for the characterization of the subsoil composition. Subsequently, the clutter is removed from the image using a mask-based algorithm and a SAR processing algorithm to obtain the radar image.
  • Another object of the present invention is a method for characterizing the composition of the soil and subsoil comprising the following steps: a) Bury a metallic calibration object in the subsoil. b) Issue a radar signal generated by a radar unit to the ground where the metallic calibration object is buried. c) Capture the radar signal reflected on the ground, subsoil and on the metallic calibration object through a radar unit, and determine the precise three-dimensional location of the aerial module with an accuracy of value equal to or less than three centimeters. d) Send the radar signal and the precise three-dimensional location of the air module to the earth station using the communication system. e) Process the radar signal in the radar signal processing unit to characterize the composition of the soil and the subsoil through an algorithm for the characterization of the composition of the subsoil in which the echo in the ground and the echo in an object is considered calibration metal
  • the method for characterizing the composition of the subsoil is performed before proceeding with the method for the detection, location and imaging of buried objects in which the scan of the area under study is performed, for the purpose of obtain the value of perrnivity of the subsoil that allows to calculate the speed of propagation of the radar signal in the subsoil.
  • the emission in step b) is carried out from an emitting air module with a radar unit that transmits a radar signal
  • the reception of step c) is made by an air receiver module with another radar unit. which captures the radar signal, located in two different positions.
  • the transmission and reception are synchronized by a radar communication system.
  • the algorithm for the characterization of the subsoil composition performs the estimation of the perrnivity of the subsoil from the determination of the distance between the echo in the echo ground and echo in a metallic calibration object.
  • the algorithm for the characterization of the subsoil composition leads to Perform the estimation of the permittivity of the subsoil by means of an algorithm that analyzes the difference in amplitude between the echo in the ground and the echo in a metallic object of calibration.
  • the invention provides systems for detecting, locating and obtaining a three-dimensional image of the subsoil as well as possible elements buried therein.
  • the systems of the invention allow to obtain images with a higher resolution with respect to the known systems.
  • the ability to obtain images with centimeter accuracy in three dimensions is achieved thanks to the fact that the systems provide the precise three-dimensional location of the aerial module or modules and the georeferencing of the data obtained with the radar unit.
  • synthetic aperture radar or SAR Synthedc Aperture Radar
  • the systems can work in a frequency band whose maximum frequency is 5 GHz (medium wavelength positioning accuracy, which at 5 GHz is 3 cm). Even with this working frequency, superior object detection is achieved, efficiently maintaining a compromise between resolution in range or depth (with a maximum bandwidth of 5 GHz there is a depth resolution of 3 cm) and the capacity of the electromagnetic wave to penetrate the subsoil (penetration depth decreases with increasing frequency, since there is more attenuation).
  • the aerial module or modules of the present invention are capable of positioning with an accuracy of value equal to or less than three centimeters which, at the working frequencies considered, allows the application of SAR processing techniques by means of the coherent combination of the radar signal measurements taken in different positions.
  • the SAR processing allows to create, as its name implies, a synthetic aperture that increases the resolution in cross-range (direction of movement parallel to the ground) of the radar system.
  • the point-to-point representation of the radar signal processed only in range or range implies a loss of resolution in cross-range with respect to SAR processing (Fig. 1).
  • any of the systems of the invention allows the exploration of the area under study in a sufficiently rapid time: up to 25 square meters in 10 seconds, as well as other exploration systems embarked on UAV This time is significantly less than that of detection systems on autonomous robots that move on the ground (half a meter in 10 seconds).
  • One of the embodiments of the invention contemplates the use of a system consisting of two aerial modules, such as two UAVs: in one the radar transmitter module is shipped, and in the other the receiver radar module.
  • This configuration called multistatic, allows to increase the spatial diversity of the radar signal, getting to illuminate the ground and the subsoil from different angles, thus increasing the available information regarding a monosytic configuration, which is used by most systems shipped for photogrammetry, SAR radar and GPR. Having more information allows increasing the detection capacity, making it possible to solve false echoes.
  • One of the radar signal processing algorithms of the invention is a clutter elimination algorithm of the radar image, which is used in combination with a SAR processing algorithm.
  • the clutter elimination algorithm allows to eliminate that part of the received radar signal that is due to the reflection in the ground and that partially masks the echoes of the objects buried in the subsoil.
  • the combination of the SAR processing and the clutter elimination algorithm therefore allows to increase the contrast between the noise or clutter and the objects present in the reconstructed subsoil image, increasing the detection capacity of the invention.
  • the set of the radar signal processing algorithms also comprise an algorithm for correcting the blurring of the radar image due to the uncertainty associated with the positioning and guidance system of the aerial module, and an algorithm for buried object detection.
  • the correction of the blurring of the radar image increases the sharpness, facilitating that the algorithm for the detection of buried objects increases its probability of detection and reduces that of false alarm or false detection,
  • the radar signal is received through two antennas with orthogonal polarizations, to have polarization diversity or polarimetric information.
  • One of the embodiments of the radar signal processing method allows to obtain a clear image of the subsoil and of the possible elements buried in it, thanks to the use of the SAR processing algorithm combined with an algorithm for clutter removal and an algorithm to correct the Defocused radar image.
  • This unfocused is due to the oscillations of the UAV (caused by wind, small changes in air pressure ).
  • the aerial module emits and / or captures radar signals establishing its position at different heights relative to the ground.
  • the aerial module emits and / or captures radar signals establishing its position at different heights relative to the ground.
  • a method of the present invention consists of a process to characterize the composition of the subsoil, using any of the systems of the invention.
  • the same system can be used simultaneously to characterize a terrain or to detect elements buried in it.
  • the same system can also be used only to perform a characterization of a subsoil, for example for agricultural applications. This feature gives the system a functional spectrum that is superior to other known systems.
  • the determination of the composition of the subsoil, and in particular the value of perrniivity is used in the post-processing of the radar signal to correctly recover the position of the buried objects in the subsoil.
  • the method of characterization of the subsoil composition is not linked to a specific GPR system, that is, that the subsoil characterization method is used for any GPR system, either embarked on an aerial vehicle, or for a forward looking GPR, etc. . Even if in the GPR it is necessary to change some characteristic of it (radar module, antennas%) It is not necessary to recalibrate the method of subsoil characterization, since the processing algorithm is independent of the system.
  • the method of characterizing the subsoil composition is simple and quick to implement by any operator of the invention. It only requires burying in the subsoil to characterize a metallic reference object, place the aerial module on top of it and launch a measurement (a set of measurements is not necessary).
  • the subsoil characterization algorithm automatically determines the constituent parameters, which will be used for the subsequent processing of radar measurements.
  • the method of characterization of the subsoil composition is based on the measurement of distances between reflections on known objects or surfaces, avoiding both the use of electromagnetic models that characterize the subsoil and the use of techniques for minimizing or resolving inverse electromagnetic problems, which increase the computational complexity of the system.
  • the invention is applicable in those sectors in which it is necessary to perform the detection of buried objects, such as in civil applications for mine detection, pipe inspection, archeology and detection of holes or cavities.
  • Fig. 1 corresponds to the State of the Art (E.T.) and represents a comparison between calculated radar images.
  • the image is obtained using a SAR processing algorithm to obtain radar image.
  • the image is obtained directly by representing the radar signal measured at each point (using the time axis to the distance axis).
  • the magnitude represented in each graph corresponds to the normalized radar collectivity in units of decibels, whose scale is represented in the rule on the right with values from -20 to 0.
  • the GPR radar scanned in a plane of 1 m x 1 m at a height of 50 cm above the sand surface.
  • the two circulated metal objects buried in the sand can be perfectly distinguished, corresponding to the maximum representativeness values represented.
  • the radar signal measured at each point has been represented, it is not possible to identify these objects.
  • Fig. 2 shows a general scheme of the monostatic system in which the elements that compose it are identified.
  • an aerial module (1) formed by a radar unit (1 3), a positioning and guidance system (13) of the aerial module (1) and an aerial control unit (1 5).
  • an aerial control unit (1 5) In the figure you can also see a two-way and real-time communication system (3) between the air module (1) and an earth station (2).
  • the aerial control unit (15) is connected with the positioning and guidance system (13) of the aerial module (1), with the radar unit (1 1) and with the two-way communication module (31).
  • the positioning and guidance system (13) comprises a global positioning system (13 1), a positioning system based on flashary sensors (132), a positioning system based on real-time satellite kinetic navigation (133) that exchanges information with a real-time satellite kinetic navigation base station (22) located in the earth station (2) and a positioning system based on phenogranietrics (134).
  • the radar unit (1 1) comprises a transmitting antenna (1 1 1), a receiving antenna (1 12) and a radar module (1 33).
  • the earth station (2) comprises a real-time satellite kinetic navigation base station (22), a flight control system of the aerial module (21), a radar signal processing unit (23), a computer application for representation of the radar image of the subsoil (24) from the information returned by the radar signal processing unit (23), and a bi-directional and real-time communication system (3) between the air module (1) and the earth station (2).
  • the flight control system of the aerial module (21) comprises a manual flight control system (21 1) and a system for the generation of trajectories and automatic flight control (21 2).
  • the radar signal processing unit (23) comprises a set of radar signal processing algorithms (25), which at least consists of a SAR processing algorithm for obtaining the radar image (41) and an algorithm for eliminating the Cluster of the radar image (42).
  • the set of radar signal processing algorithms (25) also comprises an algorithm to correct the blurring of the radar image (43), and an algorithm for the detection of buried objects (45).
  • the set of radar signal processing algorithms (25) also comprises an algorithm for the characterization of the subsoil composition (44). This figure also shows a representation of the soil (50), subsoil (51) and a metallic calibration object (61) used to characterize the composition of the subsoil.
  • Fig. 3 shows an embodiment of the multi-static system in which two aerial modules are used to have a multi-static radar configuration.
  • This figure represents the elements that make up the earth station (2) shown in the previous figure, and the elements that make up the aerial modules, which are also similar to those of the previous figure.
  • a radar unit (1 1) is included, comprising a radar module (1 13) that generates the radar signal to be transmitted through the transmitting antenna (1 1 1), and in the module
  • Another receiving radar unit (102) is on board the aerial receiver (102), which comprises a radar module (11) that receives the radar signal reflected on the ground (50), subsoil (5 1) and possible objects buried through the receiving antenna (1 12).
  • This figure shows a bi-directional and real-time radar communication system (120) between the radar unit (1 1) embarked on the sending air module (101) and the radar unit (1 1) shipped on the receiving air module ( 102).
  • the two-way and real-time communication system (3) between the sending air module (101) and the receiving air module (102) and the earth station (2) is also represented.
  • the positioning system based on real-time satellite kinetic navigation (133) of the positioning and guidance system (13) of each aerial module exchanges information with a real-time satellite kinetic navigation base station (22) located at the earth station ( 2).
  • Fig. 4 corresponds to Example 4 described below and represents a comparison between radar images calculated using both the method and the measurement scenario described in said example.
  • the reflectivity of the soil (50) and subsoil (5 1) is represented in the left graph for the case in which no object has been buried in the subsoil (5 1), and in the right graph it is represented the reflectivity of the soil (50) and subsoil (51) for the case in which the metallic object has been buried at a depth of 15 cm.
  • the magnitude represented in each graph corresponds to the radar reflectivity normalized in units of decibels, whose scale is represented in the rule on the right with values from -20 to 0.
  • the dashed line represents the known position where the metallic object is buried.
  • a first embodiment of the invention was based on the use of a single aerial module (i), consisting of an unmanned aerial vehicle of the multi-rotor type, and more specifically, of an octacopter with its corresponding controller and battery pack.
  • Said payload capacity was used to ship and integrate the following elements into the octacopter:
  • An aerial control unit (15) which was implemented by means of a microcontroller (Raspberry Pi type) and programmed to collect information from the 3rd radar unit (1 1) and the positioning and guidance system (13), to control parameters of flight of the air module (1), and exchanging information with an earth station (2).
  • the octacopter incorporated a three-axis stabilizer system on which the radar unit (1 1) was mounted to partially compensate for the oscillations produced during the flight.
  • An IEEE 802.1 1 (Wi-Fi) interface that belonged to the two-way, real-time communication system (3) between the air module (1) and the earth station (2). This inertial was connected to the air control unit (15).
  • a positioning and guidance system (13) of the aerial module was composed of four subsystems, described below: i) positioning system based on inertial sensors (132) that were incorporated in the octacopter controller; ii) global positioning system (13 1): the GPS receiver included in the octacopter controller was used; iii) positioning system based on real-time satellite kinetic navigation (133) to exchange information with a real-time satellite kinetic navigation base station (22) located at the earth station (2): two RTK units were acquired, one of which was located in the earth station, and the other in the air module (1).
  • RTK units used a Wi-Fi, Blueiooth radio link or 433 MHz transceiver to send the GPS coordinate correction information to the RTK base station receiver to the GPS unit with RTK functionality embedded in the air module (1) . Therefore, the information provided by the RTK unit and the information provided by the GPS were combined to obtain the geo-referenced coordinates of the air module (1); iv) positioning system based on photogrammetry (134): it was implemented by embarking in the octacopter a webcam, which allows sending photographs every time a measurement of the radar unit (1 1) is launched. From the digital processing of two or more images taken at different time intervals it was possible to determine the displacement of the octacopter from one position to another, indicating as relative displacements in the plane parallel to the ground (50) (horizontal plane).
  • the spatial information provided by the four positioning subsystems (13 1) to (134) was processed by a data fusion technique implemented in a microcontroller (Raspberry Pi type) that returns a single set of georeferenced spatial coordinates of the aerial module ( one ).
  • the radar module (1 13) was implemented using a broadband radar module (PulsOn P410 type), which operated in the 3 to 5 GHz band. This module can be control remotely, so that You could send the trigger command (radar signal generation) and the request to send data (radar signal received and digitized).
  • a transmitting antenna (1 1 1) a helix type antenna (circular polarization on the left) of 12 dB gain was used, with parameter S 1 1 in the band 3 to 5 GHz lower than -12 dB.
  • the receiving antenna (1 12) that was used was practically the same as the transmitter, but with right-hand circular polarization.
  • the earth station (2) and the elements that compose it were implemented and integrated as follows:
  • - Flight control system (21) of the aerial module (1) For the manual flight control system (21 1), the remote control that came standard with the octacopter was used. With respect to the system for the generation of trajectories and automatic flight control (212), a computer application was developed that allows the user to specify the coordinates of the trajectory to be followed by the aerial module (1) over the area under study. The system was configured to operate using the coordinates provided by the system for path generation and automatic flight control (212), giving priority to the manual flight control system (21 1) in order to regain control over the aerial module (1 ) if necessary.
  • the system described in example 1 was used, although changing the helix type receiver antenna (1 12) to a two element array antenna receiver (1 1 2);
  • One element consisted of a propeller type antenna with circular polarization to the right, and the other element consisted of a propeller antenna with circular polarization to the left, both with gain and S 1 1 similar to the transmitting antenna.
  • Each of the elements of the array was connected to a switch or switch that allowed to acquire the radar signal received in one element of the array or in the other element of the array,
  • an aerial module (1) that was a transmitter air module (101) with a radar unit (1 1) that transmitted a signal radar, and another air module (1) that was a receiver air module (102) with a radar unit (1 1) that captured the radar signal.
  • Synchronization between the sending air module (101) and the receiving air module (102) was achieved by means of communication comprising a two-way real-time radar communication system (120) between the module radar (1 13) embarked on the sending air module (101) and the radar module (1 13) shipped on the receiving air module (102),
  • This communication system was integrated into the functionality of the radar module (1 1 3) (of type PulsOn P41 0), so that this existing functionality could be used to extend the system to multi-static mode.
  • the determination of the position of both the sending air module (101) and the receiving air module (102) was carried out in the same way as described in example 1, so that the information on the earth station (2) was available of the three-dimensional location of the emitting air module (101) and the receiving air module (102) with an accuracy of value equal to or less than three centimeters.
  • the system described in example 1 was used with an aerial module (1).
  • the method comprised the following steps; a) In a first stage a radar signal generated by the radar unit (1 1) was emitted towards the ground (50) that was to be inspected. b) The signal was reflected in the ground (50), subsoil (5 1) and possible objects buried in it, and was captured through the radar unit (1 1). The received radar signal was processed in the radar module (1 33) to convert it into a digital sequence that could be sent using the communication system between the air module (1) and the earth station (2).
  • the three-dimensional location of the aerial module (1) was determined with an accuracy of value equal to or less than 3 cm for the positions of the path considered.
  • the trajectory positions described by the aerial module (1) were created using the system for the generation of trajectories and automatic flight control (212). Positions located at different heights on the same point on the ground (50) were considered, thereby increasing the diversity of information that allowed improving the ability to detect, locate and obtain the image of the soil (50) and buried objects in the subsoil (5 1).
  • the radar signal data received at the earth station (2) for each position of the air module (1) was stored in a matrix, where each row of the matrix corresponded to a position of the air module (1). Also, the three-dimensional location data of the aerial module (1) was stored in a coordinate matrix. Using the information of the positions of the aerial module, and known the size of the subsoil (51) to be inspected, a transformation matrix was constructed that related the points of the subsoil (51) with the positions of the aerial module (1).
  • the SAR processing algorithm (41) performed mathematical operations with the transformation matrix and the matrix of the digitized radar signals and the reflectivity of the soil (50) and subsoil (51) was calculated. This reflectivity was further processed using the radar image clutter elimination algorithm (42) to highlight the possible presence of buried objects and eliminate soil reflection (50).
  • the SAR processing algorithm (41) and the clutier elimination algorithm (42) were combined with an algorithm to correct the blurring of the radar image (43) due to the uncertainty associated with the positioning and guidance system (13).
  • the algorithm to correct the blurring of the radar image (43) implemented the method called Phase Gradienl Auiofocus (PGA), which consisted of identifying characteristic points in different radar images, so that it corrected the blur by applying poisoning and offset operations.
  • PGA Phase Gradienl Auiofocus
  • the three-dimensional image was processed in search of clusters of punks with high reflectivity, which could correspond to buried objects.
  • the algorithm for the detection of buried objects (45) analyzed the shape of the area or volume with high reflectivity and, based on training patterns stored in a database, decided whether it corresponded to a potential buried object or not. These training patterns were obtained from photographs of different types of buried objects (antipersonnel mines, archaeological remains, pipes, etc.) and could be calculated before scanning the 3rd area under study.
  • the reflectivity of the soil (50), subsoil (5 1) and possible objects buried in it was shown as a three-dimensional image of the subsoil (51) in the computer application for the representation of the radar image of the subsoil (24), where The objects that had been detected by the algorithm for the detection of buried objects (45) were also highlighted.
  • the method described in this example was applied by flying the aerial module (1) over a sandy subsoil (5 1) of homogeneous composition (geographical location: Playa de la Nora, Gijón, Asturias).
  • the trajectory consisted of a horizontal movement of 1 m along a reference axis 'x', at a height of 0.5 rn above the ground
  • the reflectivity of the subsoil on the piano 'x-z' was represented, where 'z' corresponded to the height axis with respect to the average height of the ground (50) (see Figure 4).
  • the graph on the left represents the reflectivity of the soil (50) and subsoil
  • the reflectivity of the soil (50) and subsoil (51) is represented for the case in which the metallic object described in the subsoil (51) was buried.
  • the ability of the described method to detect the metallic object buried in the subsoil (51), denoted with a dashed line, could be checked.
  • the metallic object corresponded to a black region centered on
  • the method described in example 4 was used, but the multistatic system described in example 3 was considered, with an emitting air module (101) and a receiving air module (102).
  • steps a), b) and c) prior to stage d), described in example 4 were modified as follows: a) In a first stage a radar signal generated by the radar unit was emitted ( 1 3) embarked on the emitting air module (101) towards the ground (50) to be inspected.
  • the signal was reflected in the ground (50), subsoil (51) and possible objects buried in it, and was captured through the radar unit (1 1) embarked on the receiving aerial module (102). Synchronization between the radar unit (1 1) shipped in the sending air module (101) and the radar unit (1 1) shipped in the receiving air module (1 02) was performed using the two-way and real-time radar communication system (120). The received radar signal was processed in the radar module (1 13) of the radar unit (1 1) shipped in the receiving air module (102). In addition, the three-dimensional location of the emitting air module (101) and the receiving air module (102) was determined with a precision of value equal to or less than 3 cm for the positions of the path considered.
  • Step d) was not modified with respect to as described in example 4,
  • the position of the receiving air module (102) was varied and the steps were repeated a), b) and c) prior to stage d).
  • the position of the emitting air module (101) was not changed, thus obtaining a multistatic measurement system. In this example, for simplicity, positions at different heights were not considered. All positions of the path described by the receiving air module (102) were at the same height with respect to the ground (50) as the emitting air module (101).
  • the processing of the radar signal data received at the earth station (2) for each position of the receiving air module (102) was performed as described in example 4, except that a coordinate matrix was added row more corresponding to the position of the sending air module (101), the remaining rows of said matrix being filled with the positions of the receiving air module (102).
  • Example 4 the method described in Example 4 was used, but the polarimetric information obtained by the system described in Example 2 was considered.
  • steps a), b) and c) were carried out prior to stage d), described in example 4.
  • stage b the signal was reflected in the ground (50), subsoil (5 1) and possible objects buried in it.
  • the reflected signal was received captured on the radar unit (1 1) through the two array elements of the receiving antenna (1 12) described in example 2.
  • the switch switched to the array element that It consisted of a propeller antenna with right-hand circular polarization, and secondly.
  • the switch switched to the array element that consisted of a propeller antenna with circular polarization to the left.
  • the radar signal data received at the earth station (2) for each position of the air module (1) and for each element of the array of the receiving antenna (1 12) was stored in a matrix.
  • the SAR processing algorithm (41) performed mathematical operations with the transformation matrix and the matrix of the digitized radar signals and calculated the reflectivity of the soil (50) and subsoil (5 1) for each polarization, combining them in amplitude. Once combined, the resulting reflexivity was processed in the same manner as described in the method of Example 4.
  • the system described in example 1 was used.
  • the method included the following steps: a) a metallic calibration object (61) was buried in the subsoil (51); b) a radar signal generated by a radar unit (1 1) was emitted to the ground (50) where the metallic calibration object (61) was buried; c) the radar signal reflected on the ground (50), subsoil (51) and on the metallic calibration object (61) was captured through a radar unit (1 3) and the precise three-dimensional location of the aerial module was determined (1) with an accuracy of value equal to or less than three centimeters; d) the radar signal and the precise three-dimensional location of the air module (1) were sent to the earth station (2) using the communication system (3); e) the radar signal was processed in the radar signal processing unit (23) to characterize the composition of the subsoil (51) by means of an algorithm for the characterization of the subsoil composition (44) in which the echo in the ground (50) and the echo in a metallic calibration object
  • the algorithm for the characterization of the subsoil composition (44) carried out the estimation of the permittivity of the subsoil (5 1) from the determination of the distance and / or the difference in amplitude between the echo in the soil ( 50) and the echo in a metallic calibration object (61).
  • the calculated permittivity value was used as the input value for the application of the SAR processing algorithm (41) and the clutter elimination algorithm (42).
  • the method described in this example was applied by flying the aerial module (1) over a sandy subsoil (51) of homogeneous composition (geographical location: ⁇ ora beach, Gijón, Asturias). Based on the recommendation published in (Calculation of soil moisture [recovered 2016- 1 5-1]. Recovered from the Internet: ⁇ http://maizedoctor.org/es/estimacion-de-la-humedad-del- soil />), it was estimated that the moisture content of the sandy subsoil (5 1) was between 6 and 8%.
  • the metallic calibration object (61) was buried at 15 cm. After applying the method described in this example, a range of permittivity of the sandy subsoil (51) estimated between 5.4 and 6.2 was obtained.

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Abstract

Sistemas aerotransportados y métodos para la detección, localización y obtención de imágenes de objetos enterrados y para la caracterización de la composición del subsuelo. Los sistemas comprenden al menos un módulo aéreo (1) con una unidad radar (11) que emite y/o captura señales radar y un sistema de posicionamiento y guiado (13) con una precisión igual o inferior a 3 cm, y una estación terrena (2) con un sistema de control del vuelo (21) y una unidad de procesado de señales radar (23) donde se aplica algoritmos de procesado de señal radar (25). La invención también comprende un método para la detección, localización y obtención de imágenes de objetos enterrados y un método para la caracterización de la composición del subsuelo. De aplicación en sectores donde se necesite realizar !a detección de objetos enterrados, como por ejemplo en aplicaciones civiles (detección de minas antipersona), inspección de tuberías o en arqueología.

Description

SISTEMAS AEROTRANSPORTADOS Y MÉTODOS PARA LA DETECCIÓN. LOCALIZACIÓN Y OBTENCIÓN DE IMÁGENES DE OBJETOS ENTERRADOS Y LA CARACTERIZACIÓN DE LA COMPOSICIÓN DEL
SUBSUELO
La presente invención se refiere a unos sistemas para la obtención de imágenes de cualquier objeto enterrado de cualquier composición y para caracterizar la composición del subsuelo. Un sistema comprende al menos un módulo aéreo emisor y receptor, una estación terrena y un sistema de comunicación entre elementos. El otro sistema es similar al anterior, pero comprende al menos un módulo aéreo emisor y otro módulo aéreo receptor. La invención también se refiere a los métodos de procesado de señal radar para la obtención de la imagen radar del subsuelo y de los posibles objetos enterrados en el subsuelo, incluyendo su detección y su localización, y para caracterizar la composición del subsuelo.
La invención resulta de aplicación en aquellos sectores en los que se necesite realizar la detección de objetos enterrados, como por ejemplo en aplicaciones civiles para detección de minas, inspección de tuberías, arqueología o detección de huecos o cavidades.
ESTADO DE LA TÉCNICA
La detección de objetos ocultos en un medio no transparente a la luz visible empleando técnicas no invasivas {Non Destructive Techniques, NDT) ha sido de gran interés en múltiples actividades humanas, tales como minería y geología, construcción y obra civil, y arqueología, entre otros. Las técnicas no invasivas permiten la detección, localización y, como fin último, la obtención de una imagen del objeto oculto en ei medio que lo rodea, sin iníeractuar ni con el medio ni con el propio objeto. Las ventajas de estos sistemas son fundamentalmente la economía en recursos y tiempo, no siendo necesario realizar excavaciones a ciegas en el área de interés para poder encontrar los objetos. Asimismo, se garantiza que, en el caso de objetos de cierto valor, éstos no sufran daños derivados de la excavación. Dentro de las aplicaciones descritas en el párrafo anterior, existen escenarios en los que es necesaria la inspección de superficies para la detección de objetos de potencial peligro ocultos bajo las mismas, tales como armas o explosivos. Bajo estas condiciones, la detección e identificación debe realizarse en condiciones de seguridad que garanticen la integridad tanto del equipo de detección como de los operarios del mismo.
Dentro de los escenarios mencionados, es de especial interés la detección de minas antipersona, las cuales son responsables cada año de 4.000 muertes y mutilaciones, 90% correspondientes a población civil, en los aproximadamente 60 países en los que parte de su territorio se encuentra sembrado de este tipo de explosivos. Se estima que actualmente hay entre 59 y 69 millones de minas antipersona enterradas en el mundo (International Campaign to ban Landmines. Why Landmines Are Still a Problem [recuperado el 2015-1 1 - 10]. Recuperado de Internet: <http://www.icbl.org/en- gb/problem/why-landmines-are-still-a~problem.aspx>; y Comunicaciones UNICEF. Colombia y las minas antipersonal : sembrando minas, cosechando muerte, [recuperado el 2015- 1 1 - 10]. Recuperado de Internet:
< http://www.unicef.org/coLornbiaypdf/rninas.pdf>).
Los métodos para la detección de minas antipersona pueden clasificarse en dos grandes grupos:
Métodos invasivos, en los que se emplea un dispositivo capaz de hacer detonar las posibles minas por contacto. Se han concebido sistemas de bajo coste pero de un solo uso (el más extendido es MineKafon, (Massoud Hassani. MineKafon [recuperado el 2015- 1 1 - 30] . Recuperado de internet: <http://minekafon.blogspot.it/>), así como sistemas más robustos, capaces de soportar varias detonaciones, a costa de incrementar el precio y la complejidad del dispositivo (Way Industries A. S, Slovakia. Bozena Systems [recuperado el 2015- 1 1 - 10] . Recuperado de Internet:
Figure imgf000004_0001
y Nicoud, J. D., & Habib, M. K. ( 1995, August). The pemex-b autonomous demining robot: percepción and navigation strategíes. Proceedings on 1995 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems 95. 'Human Robot Interaction and Cooperative Robots'. , Vol. 1 , pp. 419-424, IEEE). El principal inconveniente que presentan estos sistemas es su impacto en el terreno explorado, arándolo para realizar la exploración. Corno ventaja, destaca su capacidad de exploración, ya que analiza 1 metro cuadrado en 0,73 segundos.
Técnicas no invasivas, en las que a partir del adecuado procesado de un conjunto de señales recibidas es posible detectar la presencia de objetos enterrados.
Las técnicas no invasivas se pueden clasificar a su vez atendiendo al fenómeno físico en que se basa la detección (Robledo, L., Carrasco, M., & Mery, D. (2009). A survey oí land mine detectíon teehnology. Iníernational Journal of Remote Sensing, 30(9), 2399-2410):
Inducción electromagnética. Se basa en inducir una corriente eléctrica en los objetos metálicos enterrados empleando una bobina transmisora. Dicha corriente a su vez re-radia un campo eléctrico que es detectado en una bobina receptora. La ventaja que presenta es su bajo coste y sencillez de funcionamiento. Como inconveniente presenta una elevada tasa de falsa alarma, debido a la gran cantidad de objetos metálicos enterrados que puede haber en un escenario (restos de metralla, tornillos...). Ground Penetrating Radar (GPR). Considerada como una de las mejores técnicas para obtener imágenes del subsuelo, se basa en emitir ondas electromagnéticas capaces de penetrar en el subsuelo, de forma que a partir de las ondas reflejadas es posible realizar una detección e imagen radar del mismo, identificando posibles objetos enterrados. No obstante, es una técnica muy sensible a la composición del subsuelo y al relieve o rugosidad del suelo, requiriendo de técnicas de procesado de señal para poder eliminar falsos ecos y otros artefactos presentes en la imagen radar (clutter),
Nuclear Quadrupole Resonance (NQR), Se basa en la observación de las señales de radiofrecuencia de ciertas sustancias características de materiales explosivos. Estos sistemas proporcionan una alta probabilidad de detección, si bien su complejidad es elevada. Sistemas acústicos y sísmicos. Su principio de funcionamiento es similar al GPR, basándose en la emisión de ondas acústicas a través del suelo. El adecuado procesado de la señal recibida permite llevar a cabo la identificación de posibles objetos enterrados. La tasa de falsa alarma es menor que en el caso de los sistemas de inducción electromagnética. Como desventaja, el tiempo de escaneado oscila entre 2 y 1 5 minutos por metro cuadrado.
Otras técnicas de detección no invasivas también viables, pero menos empleadas por sus elevados costes operativos y tecnológicos, son: - Análisis de imagen en banda visible o infrarroja, que detecta patrones superficiales que se corresponden a terrenos donde se han sembrado minas.
- Radiografía, que posee una alta detección pero se limita a la detección de minas enterradas cerca de la superficie ( 10 cm o menos), además de presentar restricciones para la operación con rayos X. - Sensores químicos o biológicos, para detectar componentes químicos del material explosivo que salen a la superficie a través de microfisuras del armazón de la mina.
Independientemente del principio físico, la aplicación de técnicas no invasivas para detección de minas requiere que el sistema detector guarde una distancia de seguridad con respecto a la posible localización de ta mina, recomendándose unos 3-5 rn de distancia, para evitar que el peso del sistema detector pueda provocar la detonación del explosivo. Para lograr este objetivo hay diferentes posibilidades:
Emplear sistemas radar stand-off, con los que se ilumina el suelo con un ángulo de incidencia tal que se maximiza la cantidad de energía que penetra. En este caso, el problema surge porque, según la ley de Snell, la energía reflejada saldrá en dirección opuesta al radar, lo cual disminuye la sensibilidad del sistema. Ejemplos de estos sistemas se describen en los documentos de patente US 8193965 B2 y US 747991 8 B2, donde se mejora la capacidad de procesado empleando técnicas polarimétricas. Emplear sistemas capaces de iluminar el suelo con incidencia perpendicular al suelo (o también denominada incidencia normal). Si bien no se logra acoplar la máxima energía al suelo, este hecho se compensa con la posibilidad de aproximarse más a él y de poder captar más energía reflejada. En este tipo de sistemas la dificultad radica en conseguir proporcionar iluminación perpendicular al suelo guardando la distancia de seguridad de 3-5 m en las proximidades del radar.
Dentro de las alternativas para incidencia perpendicular al suelo, existe la posibilidad de emplear robots autónomos no tripulados de dimensión y peso reducidos, que pueden llevar a cabo la detección de minas con un reducido (pero no nulo) riesgo de detonación. Por ejemplo, en la publicación de González de Santos, P., García, E., Estremera, J., & Armada, M. A. (2005). DYLEMA: Using walking robots for landmine detection and location. International Journal of Systems Science, 36(9), 545-558 se presenta un robot equipado con un sistema detector basado en inducción electromagnética y un sistema Global Positionnig System (GPS) diferencial (DGPS) para monitorización y control de trayectoria. Una limitación es la velocidad de escaneo, que es de 5 cm por segundo.
De forma similar, en el documento de patente US 75 1 1654 B l se propone un sistema de detección de minas basado en GPR, en el que se utiliza un vehículo robótico para crear una imagen radar del subsuelo, que permite detectar objetos enterrados y, por consiguiente, minas. La invención se basa en enterrar una antena transmisora y receptora en el suelo en diferentes posiciones separadas por media longitud de onda, de forma que la combinación coherente de Sa señal recibida en cada posición permite crear una imagen radar bidimensional (en rango o alcance, y en cross-rango o sentido de movimiento del robot). Este sistema, por tanto, dispone de capacidad para realizar imagen radar con apertura sintética (SAR). Como inconveniente, destaca la lentitud para llevar a cabo el proceso de inspección.
Una alternativa ai uso de vehículos terrestres y a las limitaciones de los mismos en cuanto a velocidad de reconocimiento del terreno (así como al potencial riesgo de detonación al estar en contacto con el suelo) lo constituyen los vehículos aéreos como sistema detector. Dentro de ellos, se pueden destacar los UAV (Unmmaned Aerial Vehicies) ya que la facilidad para acceder a UAV de dimensiones reducidas y su sencillez de maniobrabiiidad han disparado su uso en múltiples disciplinas.
En el ámbito radar, en la publicación de Marc Lort, Albert Aguasca and Xavier Fabregas (2015). Interferometric and Polarimeíric X-band SAR sensor integrated in a smail UAV multicopter platform. 2015 URSI National Symposium. Pamplona, September 2015 se embarca un radar polarimétrico para hacer imagen radar. Los radares polarimétricos presentan la ventaja de que permiten medir la respuesta de diferentes materiales a las ondas electromagnéticas, pudiendo emplear esta propiedad no sólo para obtener la imagen radar, sino la composición de los materiales. Al igual que muchos sistemas UAV, incorpora un receptor GPS con una unidad de medición inercial (IMU, Inerüal Measurement Unit) para poder determinar la posición del UAV durante el vuelo. El ancho de banda empleado es pequeño, resultando en una resolución en rango de 1 ,5 m, resolución insuficiente para detectar objetos que puedan estar enterrados a menor profundidad, ya que no sería posible distinguir entre la reflexión en la interfaz aire-suelo y la reflexión en el objeto enterrado.
Otra aplicación de radar SAR embarcado en un UAV se describe en el documento de Chenchen J . Li, Hao Ling (2015) Synlhetic aperture Radar imaging using a small consumar drone, IEEE Antennas and Propagatkm International Symposium, 201 5, Vancouver. El radar, que opera en la banda de 3.5 a 5.3 GHz, se ha montado en un UAV de tipo dron. Para la comunicación con una estación terrena para control del vuelo y recepción de datos del radar se emplean módulos de comunicación para Wi- Fi. La ventaja de este sistema radar más módulo de comunicaciones es que es compacto y de poco peso (menos de 300 g), de forma que puede ser fácilmente embarcado en el UAV. Sin embargo, el sistema para hacer imagen SAR todavía no ha podido ser satisfactoriamente probado en vuelo para iluminación perpendicular al suelo (downward-looking SAR) debido a la inestabilidad en la trayectoria del vuelo del UAV. El UAV incorpora un receptor GPS y sensores inerciales, que no proporcionan la suficiente precisión de posicionamiento para una correcta combinación coherente de los datos de señal radar medidos en cada posición de vuelo del UAV. En el ámbito de la detección de objetos explosivos enterrados mediante sistemas GPR embarcados en UAV, ya en el documento de Goad, A., Schorer, D., Sullenberger, J., Yousuf, F., Yu, A,, Donohue, G ., & Hintz, K. (2008, April ). Landmine detection utilizing an unmanned aerial vehicie. Systems and Information Engineering Design Symposium, 2008. SIEDS 2008. IEEE (pp. 233 -236), se analiza la capacidad de un radar embarcado en un UAV para detectar minas, atendiendo a diferentes parámetros tales como el diámetro de la mina, la relación señal a ruido del radar y la altura de vuelo. Sin embargo, los autores del estudio concluyen que para los UAV comparados el sistema no es realizable debido a que se necesita pilotar un UAV de considerable tamaño (como por ejemplo modelos del tipo Shadow 200, Shadow 600 y Predator) a una altura menor que su altura operacional (para poder detectar las minas), lo que puede poner en riesgo al UAV por peligro de colisión con el suelo.
Posteriormente, en el documento de Rodríguez, J., Castiblanco, C, Mondragon, I ., & Colorado, J. (2014, May). Low- cost quadrotor applied for visual detection of landmine-like objecis. IEEE 2014 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS) pp. 83-88, se propone el empleo de un UAV de reducidas dimensiones y peso para detección de minas que no estén enterradas a partir del análisis de fotografías. Como características destacables de este sistema se cita el hecho de emplear una conexión Wi-Fi para la comunicación entre el UAV y una estación terrena fija, así como de disponer de una unidad de posicionamiento del UAV formada por diferentes sensores (IMU, magnetómetro, altímetro) que permite al sistema trazar trayectorias de exploración.
En el documento de patente US 2007/0035304 se propone un sistema de detección formado por una unidad aérea donde está embarcado el transmisor y un remolque aéreo donde está el receptor, configurando de esta forma un sistema biestático que trabaja en el rango de frecuencias de 80 kHz a 1 MHz. En este caso, el sistema se basa en inducción electromagnética, determinando la posición de los objetos detectados a partir del tiempo de vuelo entre la señal transmitida y el eco detectado. En un sistema biestático, la posición relativa entre el transmisor y el receptor es siempre la misma, de forma que el suelo se ilumina siempre bajo un mismo ángulo. Para determinadas aplicaciones puede proporcionar algo más de información que un sistema monoestático (aquel en el que se emite la señal radar desde el mimo punto en que se recibe), pero es más limitado que un sistema multiestático, donde se puede modificar la separación entre transmisor y receptor para disponer de más diversidad espacial.
Las técnicas polarimétricas también han sido de aplicación en sistemas UAV embarcados para aplicaciones GPR, como se describe en el documento de patente US 7528762 B2, donde el sistema, concebido para trabajar en la banda de 1 MHz a 1 GHz, emplea una técnica de procesado de señal basada en polarimetría que permite eliminar el cluíter aire-suelo. Esta técnica se basa en seleccionar, en primer lugar, la frecuencia y el ángulo de incidencia adecuados para maximizar la penetración en el suelo teniendo en cuenta las características del suelo y la profundidad de penetración. A continuación, se adquiere el campo dispersado para las dos polarizaciones, típicamente ortogonales entre sí, y se calcula la diferencia coherente entre ambas señales. Los ecos que no se cancelen corresponden a reflexiones en objetos enterrados, debido a que el subsuelo cambia ia polarización del campo de forma diferente al objeto a detectar (dado que en general el subsuelo y el objeto tendrán diferente composición). Con respecto al hardware, se contempla un sistema embarcado, colocando las antenas en las palas de un helicóptero. La principal limitación de esta técnica de procesado es que es apta solamente para sistemas stand-off (el radar se encuentra a una distancia de varios metros de la superficie a escanear).
La invención descrita en el documento de patente LIS 2014/0062754 Al se basa en un sistema GPR embarcado en un UAV, que es capaz de posicionarse autónomamente siguiendo una trayectoria previamente definida (por ejemplo, en zigzag), empleando la información proporcionada por un sistema GPS diferencial. Además, en caso de pérdida de la señal de GPS, el documento mencionado contempla que es posible emplear la información de sensores inerciales para mantener la trayectoria, tales como magnetómetros y giróscopos. Se define una altura de vuelo de 66 a 330 cm, con una precisión de posicionamiento de 16,5 cm. El rango de frecuencias de trabajo es de 4 a 6 GHz. El procesado de la señal radar se realiza en el sistema embarcado en el UAV, enviándose la imagen radar resultante a una estación terrena vía un enlace inalámbrico. Este sistema presenta una velocidad de escaneado de 24 segundos por metro cuadrado (25 metros cuadrados en 10 minutos). Además de las características mencionadas, este sistema también incorpora contramedidas para poder desactivar la mina, aterrizando el UAV sobre la zona donde se ha detectado la mina y empleando elementos químicos capaces de anular el explosivo.
Una invención similar a la anterior se describe en el documento de patente US 2014/0062758 Al . En este caso, el sistema es capaz de identificar patrones de suelo irregular con una cámara óptica y una térmica. Una vez detectados, se emplea un radar GPR para detectar posibles objetos enterrados. En caso positivo, es capaz de aplicar las contramedidas mencionadas en la anterior invención para anular la capacidad explosiva. Además, contempla el empleo de un radar de baja resolución para detección de objetos enterrados. Si la detección es positiva, se conmuta a un radar de alta resolución para una mejor identificación del objeto enterrado.
En las invenciones listadas anteriormente donde se emplea un radar GPR embarcado en un UAV para detección de minas (US 7528762 B2, US 2014/0062754 A l , US 2014/0062758 Ai ) no existe la posibilidad de obtener una imagen radar basada en apertura sintética, es decir, combinando coherentemente las medidas radar tomadas en las diferentes posiciones del vuelo del UAV. Ello es debido a que la precisión de posicionamiento es de 16,5 cm (en el mejor de los casos), 6,6 veces mayor que la longitud de onda de trabajo del sistema radar (6 GHz a la frecuencia más alta). Para poder emplear técnicas de apertura sintética es necesario que las posiciones de adquisición de datos estén separadas media longitud de onda a la frecuencia de trabajo. La representación punto a punto de la señal radar procesada en rango o alcance supone una pérdida de resolución espacial (cross-rango) con respecto al procesado SAR (Fig. 1 ).
La posibilidad de emplear un conjunto de UAV se describe en el documento de patente US 6653970 B 1 . En la misma, un UAV emite una señal que es recibida en uno o varios UAV, siendo la posición de todos ellos conocida. El sistema se emplea para la detección de blancos en entornos con elevado multicamino (como pueden ser zonas montañosas o con numerosas construcciones donde la señal transmitida sufre múltiples reflexiones), empleando medida de retardos como método para detectar las posiciones de los blancos. El empleo de sistemas multiestáticos (esto es, el transmisor y ei receptor están en posiciones diferentes entre sí) permite aumentar la información recabada del escenario bajo estudio al disponer de más ángulos de iluminación (Alvarez, Y., Rodríguez- Vaqueiro, Y., Gonzalez-Valdes, B., Mantzavinos, S., Rappaport, C. M., Las-Heras, F., & Martínez-Lorenzo, J, A, (2014). Fourier-based imaging for multistatic radar systems. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, 62(8), 1798-1810); Gonzalez-Valdes, B., Rappaport, C, Lorenzo, M., José, A., Aivarez, Y., & Las-Heras, F. (2035, July). imaging effectiveness of multistatic radar for human body imaging. Áníennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeíing, 2015 IEEE International Symposium on (pp. 681 - 682). IEEE.). Si bien la invención descrita en el documento de patente US 6653970 B l indica que se emplea procesado SAR, la medida de la posición del UAV transmisor y de los receptores se basa en receptores GPS, con lo que la precisión obtenida en la posición no podrá ser inferior a 1 m (que es la precisión del GPS en uso civil en las mejores condiciones de operación), lo cual hace que la detección de blancos sea inexacta, con errores de posición que en muchas aplicaciones superan el umbral de lo admisible.
Si bien la mayoría de minas son de carácter metálico, fáciles de detectar por la mayoría de los sistemas, recientemente se han desarrollado explosivos plásticos, cuyo bajo contraste dieléctrico con respecto ai subsuelo en el que están enterrados dificulta su detección. En este sentido, una solución posible es la determinación de la composición del subsuelo para poder utilizarla como contraste respecto al material que se pretende detectar.
Así, por ejemplo, la invención recogida en el documento de patente US 8849523 B l describe un sistema con capacidad para determinar la composición del subsuelo empleando un radar GPR, aunque está embarcado en un vehículo terrestre de tipo tractor empleado para la siembra de semillas, lo cual penaliza enormemente la velocidad de análisis. Por otro lado, en esta patente no se especifica en qué consiste el método para determinar la composición del subsuelo, desconociéndose por tanto los parámetros de precisión, si estima tanto la permitividad como la conductividad, o qué algoritmo de procesado se emplea.
Existen diversas técnicas para determinar los parámetros constitutivos del subsuelo. Por ejemplo, en la publicación de Ramírez, A., Daily, W., LaBrecque, D., Owen, E., & Chesnut, D. Monitoring an underground sieam injection process using eléctrica] resisíance tomography. Water Resources Research, Vol. 29, No. 1 , pp. 73- 87, 1993 y en el de Zhou, Q. Y.. Shimada, J., & Sato, A., Three-dimensional spatial and temporal monitoring of soil water content using electrical resistivity tomography, Water Resources Research, Vol. 37, No. 2, pp. 273-285, 2001 se emplea low- frequency eléctrica! resistivity tomography (ERT) e inducción electromagnética (EMI) para determinar el contenido en agua del subsuelo. En la publicación de Hendrickx, J. M. H., Borchers, B., Corwin, D. L., Lesch, S. M., Hilgendorf, A. C. & Schlue, J.. Inversión of soil conductivity pro files from electromagnetic induction measurements, SoÜ Science Society of America Journal, Vol. 66, No. 3, pp. 673-685, 2002 también se emplean estas técnicas para determinar la conductividad del subsuelo. Si bien estas técnicas permiten realizar la caracterización del subsuelo y detección de posibles objetos enterrados, la naturaleza de las señales empleadas no permite obtener imágenes de alta resolución del subsuelo que faciliten la identificación de, entre otros, los objetos enterrados que se intentan localizar.
Con respecto al empleo de sistemas GPR, en el documento de Busch, S., Van der Kruk, J., & Vereecken, H., Improved characterizatíon of fine-texture soils using on- ground GPR full-waveform inversión, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 52, No. 7, pp. 3947-3958, July 2014 se propone un modelo electromagnético que caracterice el subsuelo, planteándose una función de coste que minimice la diferencia entre el campo electromagnético medido y el campo electromagnético radiado por el modelo electromagnético que caracteriza el subsuelo. Cuando dicha diferencia es mínima, se considera que se han hallado los parámetros constitutivos del subsuelo. La limitación de este método es el establecimiento de un modelo electromagnético que incrementa la complejidad del sistema. Especialmente crítico es el hecho de estar basado en técnicas de optimización global y local, que son bastante sensibles a incertidumbres en las medidas, pudiendo dar lugar a una estimación errónea de los parámetros constitutivos del subsuelo.
En la publicación de C. R., Morlón Jr, K. D., Collins, L, M., & Torrione, P. A., Analysis of linear prediction for soil characterization in GPR data for countermine Applications, Sensing and lmaging, Vol. 15, No. 1 , pp. 1 -20, 2014 se menciona la importancia de la correcta caracterización del subsuelo en aplicaciones para GPR y, en concreto, aplicadas a la detección de minas:
"Aunque la fenomenología detrás de GPR es esencialmente la misma que en radares aerotransportados o terrestres el hecho de transmitir y recibir señales que se propagan a través del subsuelo genera numerosos retos de procesado de señal intrínsecos a sistemas GPR. A diferencia de los radares convencionales, el canal de propagación en un GPR es de naturaleza heterogénea la presencia de cluíter en el subsuelo es bastante habitual, y las diferencias en la densidad y humedad del suelo pueden afectar las propiedades dieléctricas que determinan la velocidad de propagación y la intensidad de la firma radar de los blancos. Las señales GPR también iníeractúan con la superficie del suelo (así como otras iníerfaces del subsuelo, como el lecho de un camino o una carretera), la cual es en general rugosa y contribuye a general cluíter adicional.'' (trad. a.).
La estimación de los parámetros constitutivos típicamente se realiza mediante modelos de predicción lineal (LP) basados en procesos auíorregresivos (AR) que emplean patrones de señales conocidas como base de datos (o training seí) para realizar posteriormente la clasificación de la señal medida, asociándola a un determinado tipo de subsuelo. Si bien ¡a precisión obtenida en la reconstrucción de los parámetros del subsuelo es elevada incluso en el caso de suelos altamente no homogéneos, el principal inconveniente es la necesidad de entrenar el algoritmo de caracterización, que requiere disponer de un elevado número de medidas de entrenamiento realizadas en condiciones reales que contemplen multitud de casos diferentes, además de restringir el algoritmo para un sistema GPR concreto (aplicar el algoritmo en otro sistema GPR requeriría realizar una nueva base de datos).
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a unos sistemas para la obtención de imágenes de cualquier objeto enterrado de cualquier composición y para caracterizar la composición del suelo y del subsuelo, que comprenden uno o varios módulos aéreos, una estación terrena y un sistema de comunicación entre elementos. La invención también se refiere a los métodos de procesado de señal radar para la obtención de la imagen radar del subsuelo y de los posibles objetos enterrados en el subsuelo, incluyendo su detección y su localización, y para caracterizar ia composición del subsuelo,
A los efectos de esta invención y su descripción, suelo se refiere a ia superficie que separa el aire del subsuelo, y subsuelo al medio material donde están enterrados los potenciales objetos a localizar. La invención se refiere preferiblemente a suelo y subsuelo, como por ejemplo una superficie terrestre y el medio material situado bajo ella, aunque podría también aplicarse de forma más genérica a otro tipo de superficies y medios materiales, como, por ejemplo, una superficie de agua y el medio material donde están sumergidos Sos potenciales objetos a localizar.
A los efectos de esta invención y su descripción, operador se refiere a la persona que se encarga de la supervisión de los diferentes sistemas y métodos que componen la invención, así como de interactuar con los diferentes procesos que requieren de comunicación persona - máquina.
A los efectos de esta invención y su descripción, zona bajo estudio se refiere al suelo y subsuelo que se quiere inspeccionar, en busca de posibles objetos enterrados.
Un aspecto de la presente invención es un sistema aerotransportado para detección, localización y obtención de imágenes de objetos enterrados. De ahora en adelante se podrá hacer referencia a este aspecto de la invención como "sistema monoestático". El sistema monoestático comprende:
- Al menos un módulo aéreo que a su vez comprende una unidad radar que emite y captura señales radar dirigidas y reflejadas en el suelo, un sistema de posicionamiento y guiado del módulo aéreo, y una unidad de control aérea que recolecta información de ia unidad radar y del sistema de posicionamiento y guiado, controla parámetros de vuelo del módulo aéreo e intercambia información con una estación terrena.
- Una estación terrena que a su vez comprende un sistema de control de vuelo del módulo aéreo, una unidad de procesado de señales radar recibidas de la unidad radar que procesa las señales radar mediante un conjunto de algoritmos de procesado de señal radar, y una aplicación informática para la representación de la imagen radar del subsuelo obtenida a partir de la unidad de procesado de señales radar.
- Unos medios de comunicación para emitir y recibir señales inalámbricas entre el módulo aéreo y la estación terrena.
El sistema de posicionamiento y guiado del módulo aéreo comprende un sistema de posicionamiento global, un sistema de posicionamiento basado en sensores inerciales, un sistema de posicionamiento basado en navegación cinética satelital en tiempo real o RTK (del inglés Real Time Kinematik), que intercambia información con una estación base de navegación cinética satelital en tiempo rea) situada en la estación terrena, y un sistema de posicionamiento basado en fctogrametría. El sistema de posicionamiento y guiado envia información a la unidad de control aérea, proporcionando la localización tridimensional precisa del módulo aéreo y la georreferenciación de los datos obtenidos con la unidad radar, con una precisión de valor igual o inferior a tres centímetros.
La detección, localización y obtención de imágenes de objetos enterrados se realiza a partir de ia información que el módulo aéreo intercambia con la estación terrena, donde se procesa en 3a unidad de procesado de la señal radar mediante un conjunto de algoritmos de procesado de la señal radar. Uno de estos algoritmos es un algoritmo de procesado SAR para la obtención de la imagen radar y otro es un algoritmo de eliminación de cíutter de la imagen radar. Los algoritmos citados requieren la localización tridimensional precisa, de valor igual o inferior a media longitud de onda para la máxima frecuencia de trabajo, del módulo aéreo y la georreferenciación de los datos obtenidos con la unidad radar para poder llevar a cabo el procesado coherente (es decir, empleando información de amplitud y fase de la señal radar medida) de la señal radar medida en diferentes posiciones, creándose de esta forma una apertura radar sintética. Una forma de tratar las señales radar digítalizadas recibidas mediante un algoritmo de procesado SAR y un algoritmo de eliminación de cíutter es almacenarlas en forma de matriz y asociarlas a una matriz de coordenadas, tal como se explicará más adelante en esta descripción. Otro aspecto de la presente invención es otro sistema aerotransportado para detección, localización y obtención de imágenes de objetos enterrados. De ahora en adelante se podrá hacer referencia a este otro aspecto de la invención corno "sistema muliiestático". El sistema multiestático comprende:
- Al menos un módulo aéreo, que es un módulo aéreo emisor, que a su vez comprende una unidad radar que emite señales radar, un sistema de posicionamiento y guiado del módulo aéreo emisor, y una unidad de control aérea que recolecta información de la unidad radar y del sistema de posicionamiento y guiado, controla parámetros de vuelo del módulo aéreo emisor e intercambia información con una estación terrena.
- Al menos un módulo aéreo, que es un módulo aéreo receptor, que a su vez comprende una unidad radar que captura la señal radar, un sistema de posicionamiento y guiado del módulo aéreo receptor, y una unidad de control aérea que recolecta información de la unidad radar y del sistema de posicionamiento y guiado, controla parámetros de vuelo del módulo aéreo receptor e intercambia información con una estación terrena.
- Una estación terrena que a su vez comprende un sistema de control de vuelo del módulo aéreo emisor y del módulo aéreo receptor, una unidad de procesado de señales radar recibidas de la unidad radar que procesa las señales radar mediante un conjunto de algoritmos de procesado de señal radar, y una aplicación informática para la representación de la imagen radar del subsuelo obtenida a partir de ¡a unidad de procesado de señales radar.
- Unos medios de comunicación para emitir y recibir señales inalámbricas entre el módulo aéreo emisor y la estación terrena, entre el módulo aéreo receptor y la estación terrena, y entre el módulo aéreo emisor y el módulo aéreo receptor.
El sistema de posicionamiento y guiado del módulo aéreo emisor y del módulo aéreo receptor comprende un sistema de posicionamiento global, un sistema de posicionamiento basado en sensores inerciales, un sistema de posicionamiento basado en navegación cinética satelital en tiempo real o RTK, que intercambia información con una estación base de navegación cinética satelital en tiempo real situada en la estación terrena, y un sistema de posicionamiento basado en fotogrametría. El sistema de posicionamiento y guiado envía información a la unidad de control aérea proporcionando la localización tridimensional precisa del módulo aéreo emisor y del módulo aéreo receptor y la georreferenciación de los datos obtenidos con la unidad radar con una precisión de valor igual o inferior a tres centímetros. Un algoritmo de procesado de señal radar de la unidad de procesado de señales radar es un algoritmo de procesado SAR para la obtención de la imagen radar y otro es un algoritmo de eliminación de clutter de ia imagen radar.
En una realización preferida de cualquiera de los dos sistemas, rnonoestático o multiestatico, el módulo aéreo es un vehículo aéreo no tripulado. En una realización más preferida, el vehículo aéreo no tripulado es de tipo multirrotor.
En otra realización preferida del sistema rnonoestático, los medios de comunicación comprenden un sistema de comunicación bidireccional y en tiempo real entre el módulo aéreo y la esíación terrena, como por ejemplo dos transceptores a baja frecuencia, uno emplazado en la estación terrena y el otro en el módulo aéreo.
En otra realización preferida del sistema multiestáíieo, los medios de comunicación comprenden un sistema de comunicación bidireccional y en tiempo real entre el módulo aéreo emisor y la estación terrena, un sistema de comunicación bidireccional y en tiempo real entre el módulo aéreo receptor y la estación terrena, y un sistema de comunicación radar bidireccional y en tiempo real entre la unidad radar embarcada en el módulo aéreo emisor y la unidad radar embarcado en el módulo aéreo receptor.
En otra realización más preferida del sistema de comunicación entre el módulo aéreo y la estación terrena del sistema rnonoestático o del sistema de comunicación radar entre las unidades radar de los vehículos aéreos emisor y receptor del sistema multiestáíieo, dichos sistemas comprenden uno o varios módulos de comunicación 3G/4G o uno o varios transceptores a baja frecuencia o una interfaz IEEE 802.1 1 (Wi- Fi) o uno o varios módulos Zighee o uno o varios módulos Bluetooth, o una combinación de cualquiera de los anteriores medios de comunicación. Un ejemplo de esta realización es un sistema de comunicación formado por dos módulos ZigBee o Blueíooth, uno emplazado en la estación terrena y el otro en un módulo aéreo. Otro ejemplo de esta realización es un sistema de comunicación formado por dos módulos de comunicación 3G/4G, uno emplazado en la estación terrena y el otro en un módulo aéreo. Otro ejemplo de esta realización es un sistema de comunicación formado por dos interfaces de comunicación IEEE 802. 1 1 (Wi-Fi), una emplazada en la estación terrena y la otra en un módulo aéreo. Otro ejemplo de esta realización es un sistema formado por dos transceptores a baja frecuencia, uno emplazado en la estación terrena y el otro en un módulo aéreo. Otro ejemplo de esta realización es un sistema de comunicación radar entre los dos módulos radar embarcados en los dos módulos aéreos, formado por dos transceptores a baja frecuencia, cada uno embarcado en un módulo aéreo.
En una realización específica del sistema monoestático, la unidad radar del módulo aéreo comprende:
- Una antena transmisora y una antena receptora.
- Un módulo radar para la generación de una señal electromagnética en una banda de frecuencia cuya frecuencia superior es igual o inferior a 5 GHz, y para la recepción de la señal electromagnética dispersada.
En una realización específica del sistema multiestático, la unidad radar del módulo aéreo emisor comprende:
- Una antena transmisora.
- Un módulo radar para la generación de una señal electromagnética en una banda de frecuencia cuya frecuencia superior es igual o inferior a 5 GHz.
En otra realización específica del sistema multiestático, la unidad radar del módulo aéreo receptor comprende:
- Una antena receptora.
- Un módulo radar para la recepción de la señal electromagnética dispersada.
En una realización preferida, las antenas emisora y receptora tendrán polarización circular, siendo la polarización circular de la antena emisora ortogonal a la polarización circular de la antena receptora. En una realización aún más preferida, las antenas emisora y receptora son antenas de tipo helicoidal, con un parámetro S 1 1 inferior a - 1 5 dB en la banda de frecuencia en la que funciona el módulo radar, y una ganancia superior a 1 0 dB. En otra realización preferida, la antena receptora está formada por un array de dos elementos, siendo 3a polarización circular de cada elemento ortogonal a ia polarización circular del otro elemento. El elemento del que se desea recibir la señal radar se selecciona mediante un conmutador o switch que conecta el elemento a la unidad radar. La conmutación entre los dos elementos permite obtener información poíarimétrica.
En otra realización especifica del sistema monoestático o del sistema multiestático, el sistema de control de vuelo del módulo o de los módulos aéreos comprende un sistema de control de vuelo manual y un sistema para la generación de trayectorias y control automático de vuelo. Mediante estos sistemas, es posible planificar con antelación la exploración del área de interés, la predeterminación del movimiento del módulo aéreo o la posición relativa entre varios módulos aéreos. También es posible implementar un sistema adaptativo que, en tiempo real, determine trayectorias eficientes de acuerdo a una serie de parámetros de contorno (orografía, lindes, condiciones atmosféricas, etc.). Mediante el sistema de control de vuelo manual, un operador puede supervisar el desarrollo de la exploración y en cualquier momento tomar el control para hacer correcciones o evitar accidentes.
De esta forma, la trayectoria de escaneo que sigue el módulo aéreo para explorar una determinada zona bajo estudio se puede introducir mediante el sistema para generación de trayectorias y control automático del vuelo a través de, por ejemplo, un fichero de coordenadas georreferenciadas. Una vez introducido, el operador de la invención podrá indicar al sistema que comience a realizar el escaneo. El sistema de control de vuelo manual permitirá al operador de la invención tomar inmediatamente el control del vuelo del módulo aéreo en caso de que existiera peligro de colisión, presencia de viento fuerte que alterara la trayectoria automática o similar, aterrizándolo en un lugar seguro.
En otra realización específica del sistema monoestático o del sistema multiestático, el algoritmo de procesado SAR para la obtención de la imagen radar emplea información polarimétrica. En una realización más especifica, ia información polarimétrica es obtenida a partir de ia adquisición de la señal radar para dos polarizaciones ortogonales del campo eléctrico dispersado. De esta forma se consigue incrementar la diversidad de información, reconstruyéndose una imagen radar tridimensional para cada polarización. Estas imágenes tridimensionales se combinan, permitiendo llevar a cabo una mejor eliminación de falsos ecos radar y del cluíter, ya que típicamente el suelo, subsuelo y posibles objetos enterrados presentan diferente tipo de respuesta para polarizaciones diferentes.
En otra realización específica del sistema monoestático o del sistema multiestático, el conjunto de algoritmos de procesado de señal radar además comprende un algoritmo para corregir el desenfocado de la imagen radar debido a la incertidumbre asociada al sistema de posicionamiento y guiado del módulo aéreo y un algoritmo para la detección de objetos enterrados.
En otra realización especifica del sistema monoestático o del sistema multiestático con un conjunto de algoritmos de procesado de señal radar que son un algoritmo de procesado SAR para la obtención de la imagen radar y un algoritmo de eliminación de cluíter de la imagen radar, además comprende un algoritmo para la caracterización de la composición del subsuelo.
En una realización más específica de la anterior, el algoritmo para ia caracterización de la composición del subsuelo lleva a cabo la estimación de la permitividad del subsuelo a partir de la determinación de la distancia entre el eco en el suelo y el eco en un objeto metálico de calibración, observables ambos en la imagen radar. En otra realización más específica, el algoritmo para ia caracterización de la composición del subsuelo lleva a cabo la estimación de la permitividad del subsuelo a partir de la medida de la diferencia de amplitud entre el eco en el suelo y el eco en un objeto metálico de calibración. En otra realización más específica, el algoritmo de eliminación del cluíter de la imagen radar se basa en un proceso iterativo de cálculo en el que el efecto del suelo en la imagen radar es identificado en base a la altitud del módulo aéreo y a la estimación de ia composición del subsuelo que proporciona el algoritmo para la caracterización de ia composición del subsuelo y posteriormente eliminado de la imagen utilizando un algoritmo basado en máscaras y un algoritmo de procesado SAR para la obtención de la imagen radar.
A los efectos de esta invención y su descripción, eco es la reflexión que se observa en la imagen radar (o bien en una señal radar) cuando hay un cambio en el medio de propagación. De esta forma, eco en el suelo es la reflexión de la señal al impactar en el suelo. Parte de la energía se refleja (el eco) y parte de la energía se transmite al subsuelo. En el eco en un objeto metálico de calibración, toda la energía se refleja porque es un objeto metálico que no permite que una onda electromagnética lo atraviese.
En una realización preferida del sistema monoestático, el módulo aéreo emite y captura señales radar estableciendo su posición a diferentes alturas relativas al suelo.
En una realización preferida del sistema multiestático, el módulo aéreo emisor emite señales radar estableciendo su posición a diferentes alturas relativas al suelo y el módulo aéreo receptor captura señales radar estableciendo su posición a diferentes alturas relativas al suelo.
En una realización más preferida del sistema monoestático o del sistema multiestático anterior en la que se emite y/o captura señales radar estableciendo la posición a diferentes alturas relativas al suelo, la imagen radar creada con las señales radar obtenidas a diferentes alturas se combinan para detectar, localizar y obtener la imagen del suelo y de los objetos enterrados en el subsuelo.
En otra realización más preferida del sistema monoestático o del sistema multiestáíico en la que se emite y/o captura señales radar estableciendo la posición a diferentes alturas relativas al suelo, el algoritmo de procesado SAR para la obtención de la imagen radar se basa en la suma coherente de la señal radar medida en dos o más posiciones del módulo aéreo, siempre que la separación entre dos posiciones consecutivas sea igual o menor a media longitud de onda a la frecuencia de trabajo más elevada.
Otro objeto de la presente invención es un método para la detección, localización, y obtención de imágenes de objetos enterrados que comprende las siguientes etapas: a) Emitir una señal radar generada por una unidad radar hacia el suelo que se quiere inspeccionar, b) Capturar la señal radar reflejada en el suelo, subsuelo y posibles objetos enterrados a través de una unidad radar y determinar la localización tridimensional precisa del módulo aéreo con una precisión de valor igual o inferior a tres centímetros. c) Enviar la señal radar y la localización tridimensional precisa del módulo aéreo a la estación terrena empleando el sistema de comunicación. d) Procesar la señal radar en la unidad de procesado de señales radar para obtener una imagen tridimensional del subsuelo y detectar y localizar posibles objetos enterrados mediante un conjunto de algoritmos de procesado de señal radar que comprenden un algoritmo de procesado SAR para la obtención de la imagen radar y un algoritmo de eliminación de clutter de la imagen radar.
En una realización preferente del método, la señal radar generada por la unidad radar se emite desde el módulo aéreo emisor, y la recepción de la señal radar reflejada en el suelo, subsuelo y posibles objetos enterrados se realiza en la unidad radar embarcada en el módulo aéreo receptor. La emisión y la recepción se sincronizan medíante un sistema de comunicación radar embarcado en cada módulo aéreo.
En una realización preferente del método en el que se emplea uno o varios módulos aéreos, la unidad radar además procesa la señal radar recibida en la etapa b) para convertirla a una secuencia digital, y en la etapa d) ia unidad de procesado de señales radar procesa la señal radar digitalizada. De esta forma, la señal radar convertida a secuencia digital se envía a ia estación terrena donde ia unidad de procesado de señales radar procesa la señal radar digitalizada empleando el conjunto de algoritmos de procesado de señal radar.
En otra realización preferida del método en el que se emplea uno o varios módulos aéreos, la señal radar es un tren de pulsos electromagnéticos.
Para llevar a cabo la detección y localización de objetos enterrados, el procedimiento descrito en el método [etapas a) a d)] se repite para cada una de las posiciones de ia trayectoria de escaneo que describe el módulo o módulos aéreos para explorar una determinada zona bajo estudio, lo cual permite la obtención una imagen o una composición de imágenes del área de interés.
En otra realización preferida del método en el que se emplea uno o varios módulos aéreos, además se varia la posición del módulo aéreo y se repiten las etapas a), b) y c) previamente a la etapa d), En una realización más preferida, la imagen radar creada con las señales radar obtenidas a diferentes alturas se combinan para detectar, localizar y obtener la imagen del suelo y de los objetos enterrados en el subsuelo.
En otra realización preferida del método en el que se emplea uno o varios módulos aéreos o del método el que se emplea uno o varios módulos aéreos y se varia su posición, el algoritmo de procesado SAR para la obtención de ia imagen radar se basa en la suma coherente de la señal radar medida en dos o más posiciones del módulo aéreo, siempre que la separación entre dos posiciones consecutivas sea igual o menor a media longitud de onda a la frecuencia de trabajo más elevada.
Una forma de tratar las señales radar digitalizadas recibidas para cada posición es almacenándolas en una matriz, donde cada fila de la matriz corresponde a una posición. Las coordenadas de cada posición del módulo aéreo se almacenan en una matriz de coordenadas. Empleando la información de las posiciones del módulo aéreo, y conocido el tamaño del subsuelo que se quiere inspeccionar, se construye una matriz de transformación que relaciona los puntos del subsuelo con las posiciones del módulo aéreo. El procesado SAR realiza operaciones matemáticas con la matriz de transformación y la matriz de las señales radar digitalizadas para calcular ia reflecíividad del suelo y subsuelo. Esta reflectividad se procesa empleando el algoritmo de eliminación del cluüer para resaltar la posible presencia de objetos enterrados y eliminar la reflexión del suelo. El procedimiento de eliminación del clutter es iterativo: i) conocidas las señales radar y la posiciones donde se han medido, se aplica el procesado SAR para calcular la refleetividad en la zona bajo estudio; ii) a partir de la refleetividad en la zona bajo estudio es posible identificar ia reflexión de ia señal radar en el suelo; ii) se aplica una máscara que englobe la región de la zona bajo estudio correspondiente a ia reflexión de la señal radar en el suelo; iii) se calcula la señal radar que refleja ia región enmascarada; iv) se crea una nueva matriz de señales radar igual a la matriz de señales radar inicial menos ia señal radar que refleja la región enmascarada; y v) se aplica el procesado SAR a la matriz resultante de la resta, obteniendo la reflectividad en la zona bajo estudio. Los pasos i) a v) se repiten un cierto número de veces, de forma que en cada iteración la contribución debida a la reflexión en el suelo (región enmascarada) se va atenuando. Finalmente, la reflectividad procesada se muestra como una imagen tridimensional del subsuelo en la aplicación informática desarrollada para la representación de la imagen radar del subsuelo.
A los efectos de esta invención y su descripción, reflectividad es una magnitud adimensional relativa a la intensidad del cociente entre la señal radar reflejada y la señal radar incidente en cada punto del espacio.
En otra realización preferida del método en el que se emplea uno o varios módulos aéreos o del método en el que se emplea uno o varios módulos aéreos y se varía su posición, el algoritmo de procesado SAR para la obtención de la imagen radar emplea información polarimétrica, obtenida a partir de la adquisición de la señal radar para dos polarizaciones ortogonales del campo eléctrico dispersado.
En otra realización preferida del método en el que se emplea uno o varios módulos aéreos o del método el que se emplea uno o varios módulos aéreos y se varía su posición, en la etapa d) la señal radar se procesa en la unidad de procesado de señales radar mediante un conjunto de algoritmos de procesado de señal radar que además comprenden un algoritmo para corregir el desenfocado de la imagen radar, y un algoritmo para la detección de objetos enterrados. De este modo, el algoritmo de procesado SAR y el algoritmo de eliminación del cluíter, se combinan con un algoritmo para corregir el desenfocado de la imagen radar debido a la incertidumbre asociada al sistema de posicionamiento y guiado. El viento, cambios en la presión del aire o situaciones similares pueden introducir pequeñas alteraciones en la trayectoria a seguir por el módulo aéreo. Para llevarlo a cabo se puede emplear el método denominado Phase Gradient Au!ofocus (PGA), consistente en identificar puntos característicos en diferentes imágenes radar, y corregir el desenfoque aplicando operaciones de enventanado y desfase. Por otro lado, la imagen tridimensional del subsuelo se procesa mediante un algoritmo para la detección de objetos enterrados. Este algoritmo procesa la imagen tridimensional del subsuelo en busca de agrupaciones de punios con elevada reflectividad, que se pueden corresponder a objetos enterrados. El algoritmo analiza la forma del área o volumen con elevada reflectividad y, en base a patrones de entrenamiento almacenados en una base de datos, decide si se corresponde a un potencial objeto enterrado o no. Estos patrones de entrenamiento se obtienen a partir de fotografías de diferentes tipos de objetos enterrados (minas antipersona, restos arqueológicos, tuberías, etc.) y se pueden calcular previamente al escaneo de la zona bajo estudio.
En una realización específica del método en el que se emplea uno o varios módulos aéreos o del método el que se emplea uno o varios módulos aéreos y se varía su posición, el algoritmo de procesado SAR y el algoritmo de eliminación del clutter se combinan con un algoritmo para la caracterización de la composición del subsuelo. Para ello, previamente a la etapa a), el método además comprende las siguientes etapas: e) Enterrar un objeto metálico de calibración en el subsuelo. f) Emitir una señal radar generada por una unidad radar hacia el suelo donde está enterrado el objeto metálico de calibración. g) Capturar la señal radar reflejada en el suelo, subsuelo y en el objeto metálico de calibración a través de una unidad radar, y determinar la localización tridimensional precisa del módulo aéreo con una precisión de valor igual o inferior a tres centímetros. h) Enviar la señal radar y la localización tridimensional precisa del módulo aéreo emisor y del módulo aéreo receptor a la estación terrena empleando el sistema de comunicación. i) Procesar la señal radar en la unidad de procesado de señales radar para caracterizar la composición del subsuelo mediante un algoritmo para la caracterización de la composición del subsuelo en el que se considera el eco en el suelo y el eco en un objeto metálico de calibración. En una realización más específica de la anterior, las etapas e), f), g), h) e i) para caracterizar 3a composición del subsuelo se ejecutan una sola vez, previamente a la etapa a). De esta forma, se entierra el objeto metálico de calibración en un lugar y se procede a determinar una única vez el efecto suelo. Tras ello, se inicia la exploración del área de interés con el objeto de localizar e identificar los posibles objetos enterrados, pero con la información de la composición del suelo ya conocida.
En otra realización más específica del método, el algoritmo para la caracterización de la composición del subsuelo lleva a cabo la estimación de la permitividad del subsuelo a partir de la determinación de la distancia entre el eco en el suelo y el eco en un objeto metálico de calibración.
En otra realización más específica del método, el algoritmo para la caracterización de la composición del subsuelo lleva a cabo la estimación de la permitividad del subsuelo a partir de la medida de la diferencia de amplitud entre el eco en el suelo y el eco en un objeto metálico de calibración.
El algoritmo para la caracterización de la composición del subsuelo permite calcular el valor de permitividad del subsuelo y, en consecuencia, la velocidad de propagación de la señal radar en el subsuelo, de forma que la matriz de transformación empleada en el procesado SAR se puede construir teniendo en cuenta la velocidad de propagación de la señal tanto en el medio aéreo como en el subsuelo.
En otra realización más específica del método en el que previamente se caracteriza la composición del subsuelo mediante un algoritmo para la caracterización de la composición del subsuelo, el algoritmo de eliminación del clutter de la imagen radar se basa en un proceso iterativo de cálculo en el que el efecto del suelo en la imagen radar es identificado en base a la altitud del módulo aéreo y a la estimación de la composición del subsuelo que proporciona el algoritmo para la caracterización de la composición del subsuelo. Posteriormente el clutter es eliminado de la imagen utilizando un algoritmo basado en máscaras y un algoritmo de procesado SAR para la obtención de la imagen radar.
Otro objeto de la presente invención es un método para caracterizar la composición del suelo y del subsuelo que comprende las siguientes etapas: a) Enterrar un objeto metálico de calibración en el subsuelo. b) Emitir una señal radar generada por una unidad radar hacia el suelo donde está enterrado el objeto metálico de calibración. c) Capturar- la señal radar reflejada en el suelo, subsuelo y en el objeto metálico de calibración a través de una unidad radar, y determinar la localización tridimensional precisa del módulo aéreo con una precisión de valor igual o inferior a tres centímetros. d) Enviar la señal radar y la localización tridimensional precisa del módulo aéreo a la estación terrena empleando el sistema de comunicación. e) Procesar la señal radar en la unidad de procesado de señales radar para caracterizar la composición del suelo y el subsuelo mediante un algoritmo para la caracterización de la composición del subsuelo en el que se considera el eco en el suelo y el eco en un objeto metálico de calibración.
En una realización preferente, el método para caracterizar la composición del subsuelo se realiza antes de proceder con el método para la detección, localización y obtención de imágenes de objetos enterrados en el que se realiza el escaneo de la zona bajo estudio, con el propósito de obtener el valor de perrnitividad del subsuelo que permite calcular la velocidad de propagación de la señal radar en el subsuelo.
En una realización específica, la emisión en la etapa b) se realiza desde un módulo aéreo emisor con una unidad de radar que transmite una señal radar, y la recepción de la etapa c) se realiza mediante un módulo aéreo receptor con otra unidad de radar que captura la señal radar, situados en dos posiciones distintas. En esta realización, la emisión y la recepción se sincronizan mediante un sistema de comunicación radar.
En una realización preferida del método en el que se usan uno o dos módulos aéreos, el algoritmo para la caracterización de la composición del subsuelo lleva a cabo la estimación de la perrnitividad del subsuelo a partir de la determinación de ia distancia entre el eco en el suelo y el eco en un objeto metálico de calibración.
En otra realización preferida del método en el que se usan uno o dos módulos aéreos, el algoritmo para ia caracterización de la composición del subsuelo lleva a cabo la estimación de la permitividad del subsuelo mediante un algoritmo que analiza la diferencia de amplitud entre el eco en el suelo y el eco en un objeto metálico de calibración.
La invención proporciona unos sistemas para detectar, localizar y obtener una imagen tridimensional del subsuelo así como de posibles elementos enterrados en él.
Los sistemas de la invención permiten obtener imágenes con una resolución superior respecto a los sistemas conocidos. La capacidad para obtener imágenes con precisión centimétrica en tres dimensiones se consigue gracias a que los sistemas proporcionan la localización tridimensional precisa del módulo o módulos aéreos y la georreferenciacion de los datos obtenidos con la unidad radar. Para poder emplear técnicas de procesado de radar de apertura sintética o SAR (Synthedc Aperture Radar) es necesario que las posiciones de adquisición de datos estén separadas como máximo media longitud de onda a la frecuencia de trabajo lo cual, considerando las frecuencias de trabajo del sistema radar (5 GHz a la frecuencia más alta) supone una limitación de diseño para los sistemas tradicionales que los sistemas de la invención superan de forma innovadora.
Considerando incluso un escenario en el que el margen de localización tridimensional del módulo o módulos aéreos sea de 3 cm, los sistemas pueden trabajar en una banda de frecuencia cuya frecuencia máxima es de 5 GHz (precisión de posicionamiento de media longitud de onda, que a 5 GHz son 3 cm). Aún con esta frecuencia de trabajo se logra una detección de objetos superior, manteniendo de forma eficiente un compromiso entre resolución en rango o profundidad (con un ancho de banda máximo de 5 GHz se tiene una resolución en profundidad de 3 cm) y la capacidad de la onda electromagnética para penetrar en el subsuelo (la profundidad de penetración disminuye al aumentar la frecuencia, ya que hay más atenuación).
Gracias a su configuración, el módulo o módulos aéreos de la presente invención son capaces de posicionarse con una precisión de valor igual o inferior a tres centímetros lo que, a las frecuencias de trabajo consideradas, permite aplicar técnicas de procesado SAR mediante la combinación coherente de las medidas de señal radar tomadas en diferentes posiciones. El procesado SAR permite crear, como su propio nombre indica, una apertura sintética que aumenta la resolución en cross-rango (dirección de movimiento paralela al suelo) del sistema radar. Por el contrario, la representación punto a punto de la señal radar procesada únicamente en rango o alcance supone una pérdida de resolución en cross-rango con respecto al procesado SAR (Fig. 1 ).
La posibilidad de obtener imágenes tridimensionales con mayor resolución que otros sistemas GPR, permite detectar y localizar objetos de menor tamaño incluso cuando están enterrados a poca profundidad, siendo posible aún en estos casos distinguir entre la reflexión en la ínterfaz aire-suelo (eco en el suelo) y la reflexión en el objeto enterrado (eco en el objeto enterrado).
El hecho de emplear cualquiera de los sistemas de la invención, con al menos un módulo aéreo, permite realizar la exploración de la zona bajo estudio en tiempo suficientemente rápido: hasta 25 metros cuadrados en 10 segundos, al igual que otros sistemas de exploración embarcados en UAV. Este tiempo es significativamente menor que el de los sistemas de detección embarcados en robots autónomos que se mueven sobre el suelo (medio metro en 10 segundos).
Una de las realizaciones de la invención contempla el empleo de un sistema formado por dos módulos aéreos, como por ejemplo dos UAV: en uno está embarcado el módulo radar transmisor, y en el otro el módulo radar receptor. Esta configuración, denominada multiestática, permite aumentar la diversidad espacial de la señal radar, consiguiendo iluminar el suelo y el subsuelo desde diferentes ángulos, incrementando de esta forma la información disponible con respecto a una configuración monoesíática, que es la empleada por la mayoría de sistemas embarcados para fotogrametría, radar SAR y GPR. Disponer de más información permite incrementar la capacidad de detección, posibilitando resolver falsos ecos.
Uno los algoritmos de procesado de señal radar de la invención es un algoritmo de eliminación de clutter de la imagen radar, que se emplea en combinación con un algoritmo de procesado SAR. El algoritmo de eliminación de clutter permite eliminar aquella parte de la señal radar recibida que se debe a la reflexión en el suelo y que enmascara parcialmente los ecos de los objetos enterrados en el subsuelo. La combinación del procesado SAR y el algoritmo de eliminación de clutter permite por tanto aumentar el contraste entre el ruido o clutter y los objetos presentes en la imagen del subsuelo reconstruida, incrementando la capacidad de detección de la invención.
En una realización preferida de la invención, el conjunto de los algoritmos de procesado de señal radar además comprenden un algoritmo para corregir el desenfocado de la imagen radar debido a la incertidumbre asociada al sistema de posícionamiento y guiado del módulo aéreo, y un algoritmo para la detección de objetos enterrados. La corrección del desenfocado de la imagen radar aumenta la nitidez, facilitando que el algoritmo para la detección de objetos enterrados incremente su probabilidad de detección y reduzca la de falsa alarma o falsa detección,
En una realización preferida de la invención, la señal radar se recibe a través de dos antenas con polarizaciones ortogonales, para disponer de diversidad de polarización o información polarimétrica.
Una de las realizaciones del método de procesado de la señal radar permite obtener una imagen nítida del subsuelo y de los posibles elementos enterrados en él, gracias al empleo del algoritmo de procesado SAR combinado con un algoritmo para eliminación del clutter y un algoritmo para corregir el desenfocado de la imagen radar. Dicho desenfocado se debe a las oscilaciones del UAV (provocadas por el viento, pequeños cambios de presión del aire. ..).
En un modo de funcionamiento de cualquiera de los sistemas de la invención, el módulo aéreo emite y/o captura señales radar estableciendo su posición a diferentes alturas relativas al suelo. De esta forma se dispone de mayor diversidad de información espacial, ventajoso en la aplicación del algoritmo para corregir el desenfocado de la imagen radar, al disponer de una mayor cantidad de imágenes tridimensionales del subsuelo tomadas en diferentes posiciones, siendo más sencillo calcular el desplazamiento y desfase necesarios para compensar el desenfoque.
Un método de la presente invención consiste en un proceso para caracterizar la composición del subsuelo, empleando cualquiera de los sistemas de la mvención. De esta forma, un mismo sistema se puede utilizar simultáneamente para caracterizar un terreno o para detectar elementos enterrados en él. El mismo sistema también se puede emplear solamente para realizar una caracterización de un subsuelo, por ejemplo para aplicaciones agrarias. Esta característica dota al sistema de un espectro funcional superior al de otros sistemas conocidos. Por otro lado, la determinación de la composición del subsuelo, y en concreto del valor de perrniíividad, se emplea en el post-procesado de la señal radar para recuperar correctamente la posición de los objetos enterrados en el subsuelo. Así, conocido el valor de permitividad es posible calcular la velocidad de propagación de la señal radar en el subsuelo que, junto con otras variables como la velocidad de propagación en otros medios de transición, hacen que la determinación de la localización de los objetos enterrados sea precisa. La correcta determinación de la posición de los objetos enterrados en el subsuelo ayuda también a una mejor eliminación del clutter.
El método de caracterización de la composición del subsuelo no está ligado a un sistema GPR en concreto, es decir, que el método de caracterización del subsuelo sirve para cualquier sistema GPR, bien embarcado en un vehículo aéreo, bien para un forward looking GPR, etc. Incluso si en el GPR es necesario cambiar alguna característica del mismo (módulo radar, antenas. . .) no es necesario recalibrar el método de caracterización del subsuelo, ya que el algoritmo de procesado es independiente del sistema.
El método de caracterización de la composición del subsuelo es sencillo y rápido de implementar por cualquier operador de la invención. Unicamente requiere enterrar en el subsuelo a caracterizar un objeto metálico de referencia, ubicar el módulo aéreo encima del mismo y lanzar una medida (no se necesita realizar un conjunto de medidas). El algoritmo de caracterización del subsuelo realiza de forma automática la determinación de los parámetros constitutivos, que se emplearán para el posterior procesado de las medidas de radar.
El método de caracterización de la composición del subsuelo se basa en la medida de distancias entre reflexiones en objetos o superficies conocidas, evitando tanto el empleo de modelos electromagnéticos que caractericen el subsuelo como el uso de técnicas de minimización o resolución de problemas electromagnéticos inversos, que aumentan la complejidad computacional del sistema. La invención resulta de aplicación en aquellos sectores en los que se necesite realizar la detección de objetos enterrados, como por ejemplo en aplicaciones civiles para detección de minas, inspección de tuberías, arqueología y detección de huecos o cavidades.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Fig. 1 corresponde al Estado de la Técnica (E.T.) y representa una comparativa entre imágenes radar calculadas. En el gráfico de la izquierda, la imagen se obtiene empleando un algoritmo de procesado SAR para la obtención de imagen radar. En el gráfico de la derecha, la imagen se obtiene directamente representando ia señal radar medida en cada punto (mígrando el eje temporal a eje de distancias). La magnitud representada en cada gráfico corresponde a la reílectividad radar normalizada en unidades de decibelios, cuya escala se representa en la regla de la derecha con valores desde -20 a 0. Las unidades de los ejes 'x' e 'y' de los gráficos vienen en metros [m]. Los resultados representados corresponden a dos objetos metálicos circulares emplazados en (x ; y) = (0, 1 ; -0, 1 5) m, y (x ; y) - (-0, 1 ; 0, 1 8) m, enterrados 32 y 8 cm bajo la superficie en un recipiente de dimensiones 0,35 x 0,45 x 0,2 m, relleno de arena. El radar GPR realizó el escaneo en un plano de 1 m x 1 m a una altura de 50 cm sobre la superficie de la arena. Tai como se puede observar, en el gráfico de la izquierda, donde se ha empleado el algoritmo de procesado SAR, se pueden distinguir perfectamente los dos objetos metálicos circulados enterrados en la arena, correspondientes a los valores máximos de reílectividad representados. Por el contrario, en el gráfico de la derecha, donde se ha representado la señal radar medida en cada punto, no es posible identificar dichos objetos.
La Fig. 2 muestra un esquema general del sistema monoestático en la que se identifican los elementos que lo componen. En la figura se puede ver un módulo aéreo ( 1 ) formado por una unidad radar ( 1 3 ), un sistema de posicionamiento y guiado ( 13) del módulo aéreo ( 1 ) y una unidad de control aérea ( 1 5). En la figura además se puede ver un sistema de comunicación (3) bidireccional y en tiempo real entre el módulo aéreo (1 ) y una estación terrena (2). La unidad de control aérea ( 15) está conectada con el sistema de posicionamiento y guiado ( 13) del módulo aéreo (1 ), con ia unidad radar ( 1 1 ) y con el módulo bidireccional de comunicación (31 ).
El sistema de posicionamiento y guiado (13) comprende un sistema de posicionamiento global (13 1 ), un sistema de posicionamiento basado en sensores merciaies (132), un sistema de posicionamiento basado en navegación cinética satelital en tiempo real ( 133) que intercambia información con una estación base de navegación cinética satelital en tiempo real (22) situada en la estación terrena (2) y un sistema de posicionamiento basado en feíogranietría ( 134).
La unidad radar ( 1 1 ) comprende una antena transmisora (1 1 1 ), una antena receptora (1 12) y un módulo radar ( 1 33).
La estación terrena (2) comprende una estación base de navegación cinética satelital en tiempo real (22), un sistema de control de vuelo del módulo aéreo (21 ), una unidad de procesado de señales radar (23), una aplicación informática para la representación de la imagen radar del subsuelo (24) a partir de la información que devuelve la unidad de procesado de señales radar (23), y un sistema de comunicación (3) bidireccional y en tiempo real entre el módulo aéreo ( 1 ) y la estación terrena (2).
El sistema de control de vuelo del módulo aéreo (21 ) comprende un sistema de control de vuelo manual (21 1 ) y un sistema para la generación de trayectorias y control automático de vuelo (21 2).
La unidad de procesado de señales radar (23) comprende un conjunto de algoritmos de procesado de señal radar (25), que al menos consiste en un algoritmo de procesado SAR para la obtención de la imagen radar (41 ) y un algoritmo de eliminación del clulíer de la imagen radar (42). El conjunto de algoritmos de procesado de señal radar (25) además comprende un algoritmo para corregir el desenfocado de la imagen radar (43), y un algoritmo para la detección de objetos enterrados (45). El conjunto de algoritmos de procesado de señal radar (25) además comprende un algoritmo para la caracterización de la composición del subsuelo (44). E.n esta figura también se muestra una representación del suelo (50), subsuelo (51 ) y de un objeto metálico de calibración (61 ) empleado para la caracterización de la composición del subsuelo.
La Fig. 3 muestra una realización del sistema multiestático en la que se emplean dos módulos aéreos para disponer de una configuración radar mulíiesíática. En esta figura se representan los elementos que componen la estación terrena (2) mostrados en la figura anterior, y los elementos que componen los módulos aéreos, que también son similares a los de la figura anterior. En un módulo aéreo emisor (101 ) se encuentra embarcada una unidad radar (1 1 ) que comprende un módulo radar ( 1 13) que genera la señal radar a trasmitir a través de la antena transmisora ( 1 1 1 ), y en el módulo aéreo receptor (102) se encuentra embarcada otra unidad radar (1 1 ) que comprende un módulo radar (1 13) que recibe la señal radar reflejada en el suelo (50), subsuelo (5 1 ) y posibles objetos enterrados a través de la antena receptora ( 1 12). En esta figura se muestra un sistema de comunicación radar bidireccional y en tiempo real (120) entre la unidad radar (1 1 ) embarcada en el módulo aéreo emisor ( 101) y la unidad radar ( 1 1 ) embarcada en el módulo aéreo receptor ( 102).
Se representa también el sistema de comunicación bidireccional y en tiempo real (3) entre el módulo aéreo emisor ( 101 ) y el módulo aéreo receptor ( 102) y la estación terrena (2).
El sistema de posicionamiento basado en navegación cinética satelital en tiempo real (133) del sistema de posicionamiento y guiado ( 13) de cada módulo aéreo intercambia información con una estación base de navegación cinética satelital en tiempo real (22) ubicado en la estación terrena (2).
La Fig. 4 se corresponde con el Ejemplo 4 que se describe a continuación y representa una comparativa entre imágenes radar calculadas empleando tanto el método como el escenario de medida descritos en dicho ejemplo. En el gráfico de la izquierda se representa la reflectividad del suelo (50) y subsuelo (5 1) para el caso en el que no se ha enterrado ningún objeto en el subsuelo (5 1 ), y en la gráfica de la derecha se representa la reflectividad del suelo (50) y subsuelo (51 ) para el caso en el que se ha enterrado el objeto metálico a una profundidad de 15 cm. La magnitud representada en cada gráfico corresponde a la reflectividad radar normalizada en unidades de decibelios, cuya escala se representa en la regla de la derecha con valores desde -20 a 0. Las unidades de los ejes 'x' y 'z' de los gráficos vienen en metros [m]. La línea de trazo discontinuo representa la posición conocida donde está enterrado el objeto metálico.
En ambas gráficas se puede observar la reflectividad del suelo (50), identificada como una banda de color negro en la posición z = 0 m, que ocupa todo el ancho de las gráficas. En el caso de la gráfica de la derecha, el objeto metálico corresponde a la región de color negro centrada en x = 0.5 m, z - -0, 17 m.
EXPLICACIÓN DE UNA FORMA DE REALIZACIÓN PREFERENTE
Para una mejor comprensión de la presente invención, se exponen los siguientes ejemplos de realización preferente, descritos en detalle, que deben entenderse sin carácter limitativo del alcance de la invención.
EJEMPLO 1
Un primer ejemplo de realización de la invención se basó en el empleo de un único módulo aéreo ( i ), consistente en un vehículo aéreo no tripulado de tipo multirrotor, y más en concreto, de un octacóptero con su correspondiente controladora y juego de baterías. El octacóptero empleado, junto con la controladora y las baterías, tenía un peso máximo al despegue de 6 kg, con una capacidad de carga útil de 1.5 kg. Dicha capacidad de carga útil se empleó para embarcar e integrar en el octacóptero los siguientes elementos:
- Una unidad de control aérea ( 15), que se implemento mediante un microcontrolador (de tipo Raspberry Pi) y se programó para recolectar información de 3a unidad radar ( 1 1 ) y del sistema de posicionamiento y guiado (13), controlar parámetros de vuelo del módulo aéreo (1 ), y que intercambiaba infomiación con una estación terrena (2). El octacóptero incorporaba un sistema estabilizador de tres ejes sobre el que iba montada la unidad radar (1 1 ) para compensar parcialmente las oscilaciones producidas durante el vuelo. - Una interfaz IEEE 802. 1 1 ( Wi-Fi) que pertenecía al sistema de comunicación (3) bidireccional y en tiempo real entre el módulo aéreo ( 1 ) y la estación terrena (2). Esta iníerfaz se conectó a la unidad de control aérea (15).
- Un sistema de posicionamiento y guiado (13) del módulo aéreo. Este sistema estaba formado por cuatro subsistemas, descritos a continuación: i) sistema de posicionamiento basado en sensores inerciaies (132) que venían incorporados en la controladora del octacóptero; ii) sistema de posicionamiento global ( 13 1 ): se aprovechó el receptor GPS incluido en la controladora del octacóptero; iii) sistema de posicionamiento basado en navegación cinética satelital en tiempo real (133) para intercambiar información con una estación base de navegación cinética satelital en tiempo real (22) situada en la estación terrena (2): se adquirieron dos unidades RTK, una de las cuales se situó en la estación terrena, y la otra en el módulo aéreo ( 1 ). Estas unidades RTK empleaban un radioenlace Wi-Fi, Blueíooth o transceptor a 433 MHz para enviar la información de corrección de las coordenadas GPS al receptor de la estación base de RTK a la unidad GPS con funcionalidad de RTK embarcada en el módulo aéreo ( 1 ). Por tanto, la información proporcionada por la unidad RTK y la información proporcionada por el GPS se combinaron para obtener las coordenadas georreferenciadas del módulo aéreo (1 ); iv) sistema de posicionamiento basado en fotogrametría ( 134): se implemento embarcando en el octacóptero una cámara web, que permite enviar fotografías cada vez que se lanza una medida de la unidad radar ( 1 1 ). A partir del procesado digital de dos o más imágenes tomadas en diferentes intervalos de tiempo se pudo determinar el desplazamiento del octacóptero de una posición a otra, indicándose como desplazamientos relativos en el plano paralelo al suelo (50) (plano horizontal).
La información espacial proporcionada por los cuatro subsistemas de posicionamiento ( 13 1 ) a ( 134) se procesó mediante una técnica de fusión de datos implementada en un microcontrolador (de tipo Raspberry Pi) que devuelve un único conjunto de coordenadas espaciales georreferenciadas del módulo aéreo ( 1 ).
- Con respecto a la unidad radar (1 1 ), el módulo radar (1 13) se implemento mediante un módulo radar de banda ancha (de tipo PulsOn P410), que operaba en la banda de 3 a 5 GHz, Este módulo se puede controlar de manera remota, de forma que se le podía enviar la orden de disparo (generación de la señal radar) y la petición de envío de datos (señal radar recibida y digitalizada). Como antena transmisora ( 1 1 1 ) se empleó una antena de tipo hélice (polarización circular a izquierdas) de 12 dB de ganancia, con parámetro S 1 1 en la banda de 3 a 5 GHz inferior a -12 dB. La antena receptora ( 1 12) que se empleó era prácticamente igual a la transmisora, pero con polarización circular a derechas.
La estación terrena (2) y los elementos que la componen se implementaron e integraron de la siguiente forma:
- Sistema de control de vuelo (21) del módulo aéreo ( 1 ). Para el sistema de control de vuelo manual (21 1 ) se aprovechó el mando de telecontrol que venía de serie con el octacóptero. Con respecto al sistema para generación de trayectorias y control automático de vuelo (212), se desarrolló una aplicación informática que permite a3 usuario especificar las coordenadas de la trayectoria que ha de seguir el módulo aéreo (1 ) sobre la zona bajo estudio. El sistema se configuró para operar empleando las coordenadas proporcionadas por el sistema para generación de trayectorias y control automático de vuelo (212), dando prioridad al sistema de control de vuelo manual (21 1 ) para poder retomar el control sobre el módulo aéreo ( 1 ) en caso de que fuera necesario.
- Unidad de procesado de señales radar (23). Se implemento en un ordenador portátil, que ejecutaba los algoritmos de procesado de señal radar (25). Estos algoritmos se programaron empleando un lenguaje de programación de alto nivel (el proporcionado por la compañía Matlab).
- Aplicación informática para la representación de la imagen radar del subsuelo (24). Se desarrolló una aplicación informática gráfica que permite al operador del sistema visualizar la reflectividad del suelo (50), subsuelo (51 ), y posibles objetos enterrados. La aplicación informática se desarrolló de forma que el usuario dispone de diferentes opciones de visualización (volumétrica, representación en cortes según planos horizontal, vertical o combinación de ambos). Asimismo, la aplicación informática resalta los objetos encontrados en función de la información suministrada por el algoritmo para la detección de objetos enterrados (45) que se ejecutaba en la unidad de procesado de señales radar (23),
- Estación base de navegación cinética satelital en tiempo real (22): consistió en una de las dos unidades RTK mencionadas anteriormente. La otra unidad RTK se embarcó en el módulo aéreo (1 ).
- Una interfaz IEEE 802.1 1 (Wi-Fi) que pertenecía al sistema de comunicación (3) bidireccional y en tiempo real entre el módulo aéreo ( 1 ) y la estación terrena (2). Esta interfaz se conectó al ordenador portátil que implementó la unidad de procesado de señales radar (23) y el sistema para la generación de trayectorias y control automático de vuelo (212), y también al mando de control que implementó el sistema de control de vuelo manual (21 1 ) del módulo aéreo.
EJEMPLO 2
Para esta realización se empleó el sistema descrito en el ejemplo 1 , aunque cambiando la antena receptora ( 1 12) de tipo hélice por una antena receptora (1 1 2) array de dos elementos; un elemento consistió en una antena de tipo hélice con polarización circular a derechas, y el otro elemento consistió en una antena de tipo hélice con polarización circular a izquierdas, ambas con ganancia y S 1 1 similares a la antena transmisora. Cada uno de los elementos del array se conectó a un conmutador o switch que permitía adquirir la señal radar recibida en un elemento del array o en el otro elemento del array,
EJEMPLO3
Para esta realización se empleó un sistema similar al descrito en el ejemplo 1 aunque empleando dos módulos aéreos de tipo octacóptero: un módulo aéreo ( 1 ) que era un módulo aéreo emisor (101 ) con una unidad radar ( 1 1 ) que transmitía una señal radar, y otro módulo aéreo (1 ) que era un módulo aéreo receptor ( 102) con una unidad radar ( 1 1 ) que capturaba la señal radar.
La sincronización entre el módulo aéreo emisor ( 101 ) y el módulo aéreo receptor (102) se consiguió mediante unos medios de comunicación que comprendían un sistema de comunicación radar ( 120) bidireccional y en tiempo real entre el módulo radar ( 1 13) embarcado en el módulo aéreo emisor ( 101 ) y el módulo radar ( 1 13 ) embarcado en el módulo aéreo receptor ( 102), Este sistema de comunicación venía integrado dentro de la funcionalidad del módulo radar ( 1 1 3) (de tipo PulsOn P41 0), de forma que se pudo aprovechar esta funcionalidad existente para la extensión del sistema ai modo multiestático.
La determinación de la posición tanto del módulo aéreo emisor (101 ) como del módulo aéreo receptor ( 102) se realizó de idéntica forma a como se describió en el ejemplo 1 , de forma que en ia estación terrena (2) se disponía de la información de la localización tridimensional del módulo aéreo emisor ( 101 ) y del módulo aéreo receptor ( 102) con una precisión de valor igual o inferior a tres centímetros.
EJEMPLO 4
Para aplicar el método para la detección, localización y obtención de imágenes de objetos enterrados se utilizó el sistema descrito en el ejemplo 1 con un módulo aéreo ( 1 ), El método comprendía las siguientes etapas; a) En una primera etapa se emitió una señal radar generada por la unidad radar ( 1 1 ) hacia el suelo (50) que se quería inspeccionar. b) La señal se reflejó en el suelo (50), subsuelo (5 1 ) y posibles objetos enterrados en éí, y se capturó a través de la unidad radar ( 1 1 ). La señal radar recibida se procesó en el módulo radar ( 1 33) para convertirla en una secuencia digital que se podía enviar empleando el sistema de comunicación entre el módulo aéreo ( 1 ) y la estación terrena (2). Además, se determinó la localización tridimensional del módulo aéreo ( 1 ) con una precisión de valor igual o inferior a 3 cm para las posiciones de la trayectoria considerada. c) La secuencia digital correspondiente a la señal radar recibida que se procesó en el módulo radar ( 1 13) y la localización tridimensional precisa del módulo aéreo ( 1 ) se enviaron a la estación terrena (2) empleando el sistema de comunicación (3) bidireccional y en tiempo real. d) La señal radar se recibió en la estación terrena (2) y se procesó en la unidad de procesado de señales radar (23) para obtener una imagen tridimensional del subsuelo (51 ) y detectar y localizar posibles objetos enterrados mediante un conjunto de algoritmos de procesado de señal radar (25) que comprendían un algoritmo de procesado SAR para la obtención de la imagen radar (41 ) y un algoritmo de eliminación de clutier de la imagen radar (42).
Una vez recibidos los datos de señal radar y localización tridimensional del módulo aéreo (1 ) en la estación terrena (2), se varió la posición del módulo aéreo ( 1 ) y se repitieron las etapas a), b) y c) previamente a la etapa d).
Las posiciones de la trayectoria que describió el módulo aéreo ( 1 ) se crearon empleando el sistema para la generación de trayectorias y control automático de vuelo (212). Se consideraron posiciones situadas a diferentes alturas sobre un mismo punto sobre el suelo (50), con lo que se incrementó la diversidad de información que permitió mejorar la capacidad para detectar, localizar y obtener la imagen del suelo (50) y de los objetos enterrados en el subsuelo (5 1 ).
Los datos de señal radar recibidos en la estación terrena (2) para cada posición del módulo aéreo ( 1 ) se almacenaron en una matriz, donde cada fila de la matriz correspondía a una posición del módulo aéreo (1 ). Asimismo, los datos de localización tridimensional del módulo aéreo ( 1 ) se almacenaron en una matriz de coordenadas. Empleando la información de las posiciones del módulo aéreo, y conocido el tamaño del subsuelo (51 ) a inspeccionar, se construyó una matriz de transformación que relacionaba los puntos del subsuelo (51 ) con las posiciones del módulo aéreo (1 ). El algoritmo de procesado SAR (41 ) realizó operaciones matemáticas con la matriz de transformación y la matriz de las señales radar digitalizadas y se calculó la reflectividad del suelo (50) y subsuelo (51 ). Esta reflectividad se procesió además empleando el algoritmo de eliminación del clutter de la imagen radar (42) para resaltar la posible presencia de objetos enterrados y eliminar la reflexión del suelo (50).
Para compensar el desenfocado de la imagen radar debido a la incertidumbre asociada al sistema de posicionamiento y guiado ( 13) del módulo aéreo ( 1), el algoritmo de procesado SAR (41 ) y el algoritmo de eliminación del clutier (42) se combinaron con un algoritmo para corregir el desenfocado de la imagen radar (43) debido a la incertidumbre asociada ai sistema de posícionamiento y guiado ( 13). El algoritmo para corregir el desenfocado de la imagen radar (43) implemento el método denominado Phase Gradíenl Auiofocus (PGA), que consistía en identificar puntos característicos en diferentes imágenes radar, de forma que corregía el desenfoque aplicando operaciones de enventanado y desfase.
Mediante un algoritmo para la detección de objetos enterrados (45) se procesó la imagen tridimensional en busca de agrupaciones de punios con elevada refleetividad, que se pudieran corresponder a objetos enterrados. El algoritmo para la detección de objetos enterrados (45) analizó la forma del área o volumen con elevada refleetividad y, en base a patrones de entrenamiento almacenados en una base de datos, decidió si se correspondía a un potencial objeto enterrado o no. Estos patrones de entrenamiento se obtuvieron a partir de fotografías de diferentes tipos de objetos enterrados (minas antipersona, restos arqueológicos, tuberías, etc.) y se pudieron calcular previamente al escaneo de 3a zona bajo estudio.
Finalmente, la reflectividad del suelo (50), subsuelo (5 1 ) y posibles objetos enterrados en él se mostró como una imagen tridimensional del subsuelo (51) en la aplicación informática para la representación de la imagen radar del subsuelo (24), donde también se resaltaban los objetos que habían sido detectados por el algoritmo para la detección de objetos enterrados (45).
El método descrito en este ejemplo se aplicó haciendo volar el módulo aéreo ( 1 ) sobre un subsuelo (5 1 ) arenoso de composición homogénea (ubicación geográfica: playa de la Nora, Gijón, Asturias). La trayectoria consistió en un desplazamiento horizontal de 1 m según un eje de referencia ' x ' , a una altura de 0.5 rn sobre el suelo
(50) que presentaba una irregularidad de unos 5 cm aproximadamente (microdunas). Se enterró un objeto metálico de 15 cm de diámetro y 2 cm de grosor a una profundidad de 15 cm en el subsuelo arenoso (5 1 ).
Se representó la refleetividad del subsuelo en el piano 'x-z', donde 'z' correspondía al eje de altura con respecto a la altura media del suelo (50) (ver Figura 4). En la gráfica de la izquierda se representa la refleetividad del suelo (50) y subsuelo
(51 ) para el caso en el que no se enterró ningún objeto en el subsuelo (51 ), y en la gráfica de la derecha se representa la reflectividad del suelo (50) y subsuelo (51 ) para el caso en el que se enterró el objeto metálico descrito en el subsuelo (51 ). Se pudo comprobar la capacidad del método descrito para realizar la detección del objeto metálico enterrado en el subsuelo (51 ), denotado con una linea de trazo discontinuo. En ambas gráficas se pudo observar la reflectividad del suelo (50), identificada como una banda de color negro en la posición z = 0 m, que ocupaba todo el ancho de la gráfica. En el caso de la gráfica de la derecha, el objeto metálico correspondía con una región de color negro centrada en
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EJEMPLO 5
Para esta realización se empleó el método descrito en el ejemplo 4, pero se consideró el sistema multiestático descrito en el ejemplo 3, con un módulo aéreo emisor ( 101 ) y un módulo aéreo receptor (102).
En este ejemplo, las etapas a), b) y c) previamente a la etapa d), descritas en el ejemplo 4, se modificaron de la siguiente forma: a) En una primera etapa se emitió una señal radar generada por la unidad radar ( 1 3 ) embarcada en el módulo aéreo emisor ( 101 ) hacia el suelo (50) que se quería inspeccionar.
b) La señal se reflejó en el suelo (50), subsuelo (51 ) y posibles objetos enterrados en él, y se capturó a través de la unidad radar ( 1 1 ) embarcada en el módulo aéreo receptor ( 102). La sincronización entre la unidad radar ( 1 1 ) embarcada en el módulo aéreo emisor ( 101 ) y la unidad radar ( 1 1 ) embarcada en el módulo aéreo receptor ( 1 02) se realizó empleando el sistema de comunicación radar bidireccional y en tiempo real ( 120). La señal radar recibida se procesó en el módulo radar ( 1 13) de la unidad radar ( 1 1 ) embarcada en el módulo aéreo receptor ( 102). Además, se determinó la localización tridimensional del módulo aéreo emisor ( 101 ) y del módulo aéreo receptor ( 102) con una precisión de valor igual o inferior a 3 cm para las posiciones de la trayectoria considerada. c) La secuencia digital correspondiente a la señal radar recibida que se procesó en el módulo radar ( 1 13) de la unidad radar ( 3 1 ) embarcada en el módulo aéreo receptor ( 102) y la localización tridimensional precisa del módulo aéreo emisor ( 301 ) y del módulo aéreo receptor (102) se enviaron a la estación terrena (2) empleando el sistema de comunicación (3) bidireccional y en tiempo real.
La etapa d) no se modificó con respecto a como se describió en el ejemplo 4,
Una vez recibidos los datos de señal radar y localización tridimensional del módulo aéreo emisor ( 101 ) y del módulo aéreo receptor (102) en la estación terrena (2), se varió la posición del módulo aéreo receptor ( 102) y se repitieron las etapas a), b) y c) previamente a la etapa d). La posición del módulo aéreo emisor ( 101 ) no se cambió, obteniéndose de este modo un sistema de medida multiestático. En este ejemplo, por simplicidad, no se consideraron posiciones situadas a diferentes alturas. Todas las posiciones de la trayectoria descrita por el módulo aéreo receptor ( 102) estaban a la misma altura con respecto al suelo (50) que el módulo aéreo emisor ( 101 ).
El procesado de los datos de señal radar recibidos en la estación terrena (2) para cada posición del módulo aéreo receptor ( 102) se realizó de forma a como se describió en el ejemplo 4, excepto por que en la matriz de coordenadas se añadió una fila más correspondiente a la posición del módulo aéreo emisor ( 101 ), rellenándose ei resto de filas de dicha matriz con las posiciones del módulo aéreo receptor (102).
EJEMPLO 6
Para esta realización se empleó el método descrito en el ejemplo 4, pero se consideró la información polarimétrica obtenida mediante el sistema que se describió en el ejemplo 2.
En este ejemplo, para cada posición del módulo aéreo ( 1 ), se realizaron las etapas a), b) y c) previamente a la etapa d), descritas en el ejemplo 4.
En la etapa b), la señal se reflejó en el suelo (50), subsuelo (5 1) y posibles objetos enterrados en él. La señal reflejada se recibió capturada en la unidad radar ( 1 1 ) a través de los dos elementos del array de la antena receptora ( 1 12) que se describió en el ejemplo 2. En primer lugar, el switch conmutó al elemento del array que consistía en una antena de tipo hélice con polarización circular a derechas, y en segundo lugar. el switch conmutó al elemento del array que consistía en una antena de tipo hélice con polarización circular a izquierdas.
Los datos de señai radar recibidos en la estación terrena (2) para cada posición del módulo aéreo ( 1 ) y para cada elemento del array de la antena receptora (1 12) se almacenaron en una matriz. El algoritmo de procesado SAR (41 ) realizó operaciones matemáticas con ia matriz de transformación y la matriz de las señales radar digitalizadas y calculaba la reflectividad del suelo (50) y subsuelo (5 1 ) para cada polarización, combinándolas en amplitud. Una vez combinadas, la reflecíividad resultante se procesó de la misma forma a la descrita en el método del ejemplo 4.
EJEMPLO 7
Para aplicar el método para la caracterización del subsuelo (51 ) se utilizó el sistema descrito en el ejemplo 1 . ES método comprendía las siguientes etapas: a) se enterró un objeto metálico de calibración (61 ) en eí subsuelo (51 ); b) se emitió una señal radar generada por una unidad radar ( 1 1 ) hacía el suelo (50) donde estaba enterrado el objeto metálico de calibración (61); c) se capturó la señal radar reflejada en el suelo (50), subsuelo (51 ) y en el objeto metálico de calibración (61 ), a través de una unidad radar ( 1 3 ) y se determinó la localización tridimensional precisa del módulo aéreo ( 1 ) con una precisión de valor igual o inferior a tres centímetros; d) se envió la señal radar y la localización tridimensional precisa del módulo aéreo (1 ) a la estación terrena (2) empleando el sistema de comunicación (3); e) se procesó la señal radar en la unidad de procesado de señales radar (23) para caracterizar la composición del subsuelo (51 ) mediante un algoritmo para la caracterización de la composición del subsuelo (44) en el que se consideraba el eco en el suelo (50) y el eco en un objeto metálico de calibración (61 ). El algoritmo para la caracterización de la composición del subsuelo (44) llevó a cabo la estimación de la permitividad del subsuelo (5 1 ) a partir de la determinación de la distancia y/o de la diferencia de amplitud entre el eco en el suelo (50) y el eco en un objeto metálico de calibración (61).
El valor de permitividad calculado se empleó como valor de entrada para la aplicación del algoritmo de procesado SAR (41 ) y el algoritmo de eliminación del clutter (42).
El método descrito en este ejemplo se aplicó haciendo volar el módulo aéreo ( 1 ) sobre un subsuelo (51 ) arenoso de composición homogénea (ubicación geográfica: playa de la Ñora, Gijón, Asturias). A partir de la recomendación publicada en (Cálculo de la humedad del suelo [recuperado el 2016- 1 5- 1 ] . Recuperado de Internet: <http://maizedoctor.org/es/estimacion-de-la-humedad-del-suelo/>), se estimó que el contenido de humedad del subsuelo (5 1 ) arenoso estaba comprendido entre el 6 y 8 %. El objeto metálico de calibración (61 ) se enterró a 15 cm. Tras aplicar el método descrito en este ejemplo, se obtuvo un rango de permitividad del subsuelo (51 ) arenoso estimado entre 5.4 y 6.2.
La permitividad estimada con el método descrito en este ejemplo se comparó con el valor de referencia publicado en el artículo de Fratticcioli, E., Dionigi, M.. & Sorreníino, R. (2003, October). A new permittivity model for the microwave moisture measurement of wet sand. Proceedings of 33 rd European Microwave Conference, 2003. (pp. 539-542). En dicho articulo, para un subsuelo (51 ) arenoso con un contenido de humedad entre el 6 y 8 % se proporcionaba un rango de permitividad entre 5 y 7, en concordancia con eí rango obtenido tras aplicar el método (5.2 a 6.4).

Claims

REIVINDICACIONES
1. Sistema aerotransportado para detección, localización y obtención de imágenes de objetos enterrados que comprende:
- un módulo aéreo (1 ) que a su vez comprende una unidad radar ( 1 1 ) que emite y captura señales radar, un sistema de posicionamiento y guiado (13) del módulo aéreo (1 ), y una unidad de control aérea (15) que recolecta información de la unidad radar ( 1 1 ) y del sistema de posicionamiento y guiado ( 13), controla parámetros de vuelo del módulo aéreo ( 1 ) e intercambia información con una estación terrena (2);
- una estación terrena (2) que a su vez comprende un sistema de control de vuelo (21 ) del módulo aéreo ( 1 ), una unidad de procesado de señales radar (23) recibidas de la unidad radar ( 1 1 ) que procesa las señales radar mediante un conjunto de algoritmos de procesado de señal radar (25), y una aplicación informática para la representación de la imagen radar del subsuelo (24) obtenida a partir de la unidad de procesado de señales radar (23) y;
- unos medios de comunicación para emitir y recibir señales inalámbricas entre el módulo aéreo ( 1 ) y la estación terrena (2); caracterizado por que el sistema de posicionamiento y guiado ( 13) del módulo aéreo (1) comprende un sistema de posicionamiento global ( 131), un sistema de posicionamiento basado en sensores inerciales ( 132), un sistema de posicionamiento basado en navegación cinética satelital en tiempo real (133) que intercambia información con una estación base de navegación cinética satelital en tiempo real (22) situada en la estación terrena (2) y un sistema de posicionamiento basado en fotogrametría ( 134), que envían información a la unidad de control aérea ( 15) proporcionando la localización tridimensional precisa del módulo aéreo ( 1 ) y la georreferenciación de los datos obtenidos con la unidad radar (1 1 ) con una precisión de valor igual o inferior a tres centímetros, y por que un algoritmo de procesado de señal radar (25) de la unidad de procesado de señales radar (23) es un algoritmo de procesado SAR para la obtención de la imagen radar (41) y otro es un algoritmo de eliminación de clutter de la imagen radar (42).
2. Sistema aerotransportado para detección, localización y obtención de imágenes de objetos enterrados que comprende:
- un módulo aéreo (1), que es un módulo aéreo emisor (101), que a su vez comprende una unidad radar (11) que emite señales radar, un sistema de posicionamiento y guiado (13) del módulo aéreo emisor (101), y una unidad de control aérea (15) que recolecta información de la unidad radar (11) y del sistema de posicionamiento y guiado (13), controla parámetros de vuelo del módulo aéreo emisor (101) e intercambia información con una estación terrena (2);
- un módulo aéreo (1), que es un módulo aéreo receptor (102), que a su vez comprende una unidad radar (11) que captura la señal radar, un sistema de posicionamiento y guiado (13) del módulo aéreo receptor (102), y una unidad de control aérea (15) que recolecta información de la unidad radar (11) y del sistema de posicionamiento y guiado (13), controla parámetros de vuelo del módulo aéreo receptor (102) e intercambia información con una estación terrena (2);
- una estación terrena (2) que a su vez comprende un sistema de control de vuelo (21) del módulo aéreo emisor (101) y del módulo aéreo receptor (102), una unidad de procesado de señales radar (23) recibidas de la unidad radar (11) que procesa las señales radar mediante un conjunto de algoritmos de procesado de señal radar (25), y una aplicación informática para la representación de la imagen radar del subsuelo (24) obtenida a partir de la unidad de procesado de señales radar (23); y
- unos medios de comunicación para emitir y recibir señales inalámbricas entre el módulo aéreo emisor (101) y la estación terrena (2), entre el módulo aéreo receptor ( 102) y la estación terrena (2), y entre el módulo aéreo emisor (101) y el módulo aéreo receptor (102); caracterizado por que el sistema de posicionamiento y guiado (13) del módulo aéreo emisor ( 101) y del módulo aéreo receptor (102) comprende un sistema de posicionamiento global (131 ), un sistema de posicionamiento basado en sensores inerciales (132), un sistema de posicionamiento basado en navegación cinética saíelital en tiempo real (133) que intercambia información con una estación base de navegación cinética satelital en tiempo real (22) situada en la estación terrena (2) y un sistema de posicionamiento basado en fotogrametría (134), que envían información a la unidad de control aérea (15) proporcionando la localización tridimensional precisa del módulo aéreo emisor (101 ) y del módulo aéreo receptor ( 102) y la georreferenciacíón de los datos obtenidos con la unidad radar ( 1 1) con una precisión de valor igual o inferior a tres centímetros, y por que un algoritmo de procesado de señal radar (25) de la unidad de procesado de señales radar (23) es un algoritmo de procesado SAR para la obtención de la imagen radar (41 ) y otro es un algoritmo de eliminación de elutter de la imagen radar (42).
3. Sistema según las reivindicaciones 1 o 2 caracterizado por que el módulo aéreo ( 1 ) es un vehículo aéreo no tripulado.
4. Sistema según la reivindicación 3 caracterizado por que el vehículo aéreo no tripulado es un multirrotor,
5. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que los medios de comunicación comprenden un sistema de comunicación (3) bidireccional y en tiempo real entre el módulo aéreo (1 ) y la estación terrena (2).
6. Sistema según la reivindicación 2 caracterizado por que los medios de comunicación comprenden un sistema de comunicación (3) bidireccional y en tiempo real entre el módulo aéreo emisor ( 101) y la estación terrena (2), un sistema de comunicación (3) bidireccional y en tiempo real entre el módulo aéreo receptor ( 102) y la estación terrena (2), y un sistema de comunicación radar ( 120) bidireccional y en tiempo real entre la unidad radar (1 1 ) embarcada en el módulo aéreo emisor (101 ) y la unidad radar ( 1 1 ) embarcado en el módulo aéreo receptor (102).
7. Sistema según la reivindicación 5 o 6 caracterizado por que el sistema de comunicación (3) o el sistema de comunicación radar ( 120) comprenden uno o varios módulos de comunicación 3G/4G o uno o varios transceptores a baja frecuencia o una interfaz IEEE 802.1 1 (Wi-Fi) o uno o varios módulos Zigbee o uno o varios módulos Bluetooíh, o una combinación de los anteriores.
8. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por que la unidad radar ( 1 1 ) comprende:
- una antena transmisora (1 1 1 ) y una antena receptora (1 12);
- un módulo radar (1 33) para la generación de una señal electromagnética en la banda de frecuencia de trabajo cuya frecuencia superior es igual o inferior a 5 GHz, y para la recepción de la señal electromagnética dispersada.
9. Sistema según la reivindicación 2 caracterizado por que la unidad radar ( 1 1 ) embarcada en el módulo aéreo emisor ( 101 ) comprende:
- una antena transmisora (1 1 1 );
- un módulo radar (1 13) para ¡a generación de una señal electromagnética en la banda de frecuencia de trabajo cuya frecuencia superior es igual o inferior a 5 GHz.
10. Sistema según la reivindicación 2 caracterizado por que la unidad radar ( 1 1 ) embarcada en el módulo aéreo receptor ( 102) comprende:
- una antena receptora ( 1 12);
- un módulo radar ( 1 1 3) para la recepción de la señal electromagnética dispersada.
11. Sistema según la reivindicación 1 o 2 caracterizado por que el sistema de control de vuelo (21 ) del módulo aéreo ( 1 ) comprende:
- un sistema de control de vuelo manual (21 1 ); y
- un sistema para la generación de trayectorias y control automático de vuelo
12. Sistema según la reivindicación 1 o 2 caracterizado por que el algoritmo de procesado SAR para la obtención de la imagen radar (41 ) emplea información polarimétrica.
13. Sistema según la reivindicación 12 caracterizado por que la información polarimétrica se basa en la medida de la señal radar correspondiente a dos polarizaciones ortogonales del campo eléctrico dispersado.
14. Sistema según la reivindicación 3 o 2 caracterizado por que el conjunto de algoritmos de procesado de señal radar (25) además comprenden:
- un algoritmo para corregir el desenfocado de la imagen radar (43) debido a la incertidumbre asociada al sistema de posicionamiento y guiado ( 13) del módulo aéreo ( 1 ); y
- un algoritmo para la detección de objetos enterrados (45).
15. Sistema según la reivindicación 1 o 2 caracterizado por que el conjunto de los algoritmos de procesado de señal radar (25) además comprende un algoritmo para la caracterización de la composición del subsuelo (44).
16. Sistema según la reivindicación 1 5 caracterizado por que el algoritmo para la caracterización de la composición del subsuelo (44) lleva a cabo la estimación de la permitividad del subsuelo (51 ) a partir de la determinación de la distancia entre el eco en el suelo (50) y el eco en un objeto metálico de calibración (61), observables ambos en la imagen radar.
17. Sistema según la reivindicación 15 caracterizado por que el algoritmo para la caracterización de la composición del subsuelo (44) lleva a cabo la estimación de la permitividad del subsuelo (51 ) a partir de la medida de la diferencia de amplitud entre el eco en el suelo (50) y el eco en un objeto metálico de calibración (61 ).
18. Sistema según la reivindicación 15 caracterizado por que el algoritmo de eliminación del clutter de la imagen radar (42) se basa en un proceso iterativo de cálculo en el que el efecto del suelo (50) en la imagen radar es identificado en base a la altitud del módulo aéreo (1 ) y a la estimación de la composición del subsuelo (51 ) que proporciona el algoritmo para la caracterización de la composición del subsuelo (44) y posteriormente eliminado de la imagen utilizando un algoritmo basado en máscaras y un algoritmo de procesado SAR para 3a obtención de 3a imagen radar (41 ).
19. Sistema según la reivindicación I caracterizado por que el módulo aéreo ( 1) emite y captura señales radar estableciendo su posición a diferentes alturas relativas al suelo (50).
20. Sistema según la reivindicación 2 caracterizado por que el módulo aéreo emisor (101 ) emite señales radar estableciendo su posición a diferentes alturas relativas al suelo (50) y el módulo aéreo receptor (102) captura señales radar estableciendo su posición a diferentes alturas relativas ai suelo (50).
23. Sistema según la reivindicación 19 o 20 caracterizado por que la imagen radar creada con las señales radar obtenidas a diferentes alturas se combinan para detectar, localizar y obtener la imagen del suelo (50) y de los objetos enterrados en el subsuelo (53 ).
22. Sistema según la reivindicación 1 , 2, 39 o 20 caracterizado por que el algoritmo de procesado SAR para la obtención de la imagen radar (41 ) se basa en 3a suma coherente de la señal radar medida en dos o más posiciones del módulo aéreo ( 1 ), siempre que la separación entre dos posiciones consecutivas sea igual o menor a media longitud de onda a la frecuencia de trabajo más elevada.
23. Método para la detección, localización y obtención de imágenes de objetos enterrados mediante el sistema de la reivindicación 1 , o mediante el sistema de la reivindicación 2, que comprende las siguientes etapas; a) emitir una señal radar generada por una unidad radar ( I I ) hacia el suelo (50) que se quiere inspeccionar; b) capturar la señal radar reflejada en el suelo (50), subsuelo (51) y posibles objetos enterrados, a través de una unidad radar ( 1 3 ) y determinar- la localización tridimensional precisa del módulo aéreo ( 1 ) con una precisión de valor igual o inferior a tres centímetros; c) enviar la señal radar y la localización tridimensional precisa del módulo aéreo ( 1 ) a la estación terrena (2) empleando el sistema de comunicación (3); d) procesar la señal radar en la unidad de procesado de señales radar (23) para obtener una imagen tridimensional del subsuelo (51 ) y detectar y localizar posibles objetos enterrados mediante un conjunto de algoritmos de procesado de señal radar (25) que comprenden un algoritmo de procesado SAR para la obtención de la imagen radar (41) y un algoritmo de eliminación de clutter de la imagen radar (42).
24. Método según la reivindicación 23 caracterizado por que la emisión de la etapa a) se realiza desde un módulo aéreo emisor ( 101 ) con una unidad de radar ( 1 1) que transmite una señal radar y 3a recepción de la etapa b) se realiza mediante un módulo aéreo receptor ( 102) con otra unidad de radar ( 1 1 ) que captura la señal radar, situados en dos posiciones distintas, y por que la emisión y la recepción se sincronizan mediante un sistema de comunicación radar (120).
25. Método según la reivindicación 23 o 24 caracterizado por que la unidad radar ( 1 1 ) además procesa la señal radar recibida en la etapa b) para convertirla a una secuencia digital, y en la etapa d) ia unidad de procesado de señales radar (23) procesa la señal radar digitalizada.
26. Método según la reivindicación 23 o 24 caracterizado por que la señal radar es un tren de pulsos electromagnéticos.
27. Método según la reivindicación 23 o 24 caracterizado por que además comprende variar la posición del módulo aéreo (1 ) y repetir las etapas a), b) y c) previamente a la etapa d).
28. Método según la reivindicación 27 caracterizado por que la imagen radar creada con las señales radar obtenidas en diferentes posiciones se combinan para detectar, localizar y obtener la imagen del suelo (50) y de los objetos enterrados en el subsuelo (51 ).
29. Método según la reivindicación 23, 24 o 27 caracterizado por que el algoritmo de procesado SAR para la obtención de la imagen radar (41 ) se basa en la suma coherente de la señal radar medida en dos o más posiciones del módulo aéreo (1 ), siempre que la separación entre dos posiciones consecutivas sea igual o menor a media longitud de onda a la frecuencia de trabajo más elevada.
30. Método según la reivindicación 23, 24 o 27 caracterizado por que el algoritmo de procesado SAR para la obtención de la imagen radar (41 ) emplea información polarimétrica.
31. Método según la reivindicación 30 caracterizado por que la información polarimétrica se basa en la medida de la señal radar correspondiente a dos polarizaciones ortogonales del campo eléctrico dispersado.
32. Método según 3a reivindicación 23, 24 o 27 caracterizado por que en la etapa d) la señal radar se procesa en la unidad de procesado de señales radar (23) mediante un conjunto de algoritmos de procesado de señal radar (25) que además comprende un algoritmo para corregir el desenfocado de la imagen radar (43) y un algoritmo para la detección de objetos enterrados (45).
33. Método según la reivindicación 23, 24 o 2.7 caracterizado por que, previamente a la etapa a), además comprende las siguientes etapas: e) enterrar un objeto metálico de calibración (61 ) en el subsuelo (51 ); f) emitir una señal radar generada por una unidad radar (1 1 ) hacia el suelo (50) donde está enterrado el objeto metálico de calibración (61 ); g) capturar la señal radar reflejada en el suelo (50), subsuelo (51 ) y en el objeto metálico de calibración (61 ), a través de una unidad radar (1 1 ) y determinar la localización tridimensional precisa del módulo aéreo ( 1 ) con una precisión de valor igual o inferior a tres centímetros; h) enviar la señal radar y la localización tridimensional precisa del módulo aéreo (1 ) a la estación terrena (2) empleando el sistema de comunicación
(3); i) procesar la señal radar en la unidad de procesado de señales radar (23) para caracterizar la composición del subsuelo (51 ) mediante un algoritmo para la caracterización de la composición del subsuelo (44) en el que se considera el eco en el suelo (50) y eí eco en un objeto metálico de calibración (61 ).
34. Método según ia reivindicación 33 caracterizado por que las etapas e), f), g), h) e i) para caracterizar la composición del subsuelo (51 ), se ejecutan una sola vez, previamente a la etapa a).
35. Método según la reivindicación 33 caracterizado por que el algoritmo para la caracterización de la composición del subsuelo (44) lleva a cabo 3a estimación de la permitividad del subsuelo (51 ) a partir de la determinación de la distancia entre el eco en el suelo (50) y ei eco en un objeto metálico de calibración (61 ).
36. Método según la reivindicación 33 caracterizado por que el algoritmo para la caracterización de la composición del subsuelo (44) lleva a cabo la estimación de la permitividad del subsuelo (51 ) a partir de ia medida de la diferencia de amplitud entre el eco en el suelo (50) y el eco en un objeto metálico de calibración (61 ).
37. Método según la reivindicación 33 caracterizado por que el algoritmo de eliminación del clutter de Sa imagen radar (42) se basa en un proceso iterativo de cálculo en el que ei efecto del suelo (50) en la imagen radar es identificado en base a la altitud del módulo aéreo (1 ) y a la estimación de la composición del subsuelo (5 1 ) que proporciona el algoritmo para la caracterización de la composición del subsuelo (44), y posteriormente es eliminado de la imagen utilizando un algoritmo basado en máscaras y un algoritmo de procesado SAR para la obtención de la imagen radar (41 ).
38. Método para caracterizar la composición del subsuelo (51 ) mediante el sistema de la reivindicación 1 o mediante el sistema de la reivindicación 2 que comprende las siguientes etapas: a) enterrar un objeto metálico de calibración (61 ) en el subsuelo (5 1 ); b) emitir una señal radar generada por una unidad radar ( 1 1 ) hacia el suelo (50) donde está enterrado el objeto metálico de calibración (61 ); c) capturar ia señal radar reflejada en el suelo (50), subsuelo (5 1 ) y en el objeto metálico de calibración (61 ), a través de una unidad radar ( 1 1 ) y determinar la localización tridimensional precisa del módulo aéreo ( 1 ) con una precisión de valor igual o inferior a tres centímetros; d) enviar la señal radar y la localización tridimensional precisa del módulo aéreo ( 1 ) a la estación terrena (2) empleando el sistema de comunicación
(3); e) procesar la señal radar en Sa unidad de procesado de señales radar (23) para caracterizar la composición del subsuelo (51 ) mediante un algoritmo para la caracterización de la composición del subsuelo (44) en el que se considera el eco en el suelo (50) y el eco en un objeto metálico de calibración (61 ).
39. Método según la reivindicación 38 caracterizado por que ia emisión en etapa b) se realiza desde un módulo aéreo emisor ( 101 ) con una unidad de radar ( 1 1 ) que transmite una señal radar, y la recepción de la etapa c) se realiza mediante un módulo aéreo receptor ( 1 (32) con otra unidad de radar ( 1 1 ) que captura la señal radar, situados en dos posiciones distintas, y por que la emisión y Sa recepción se sincronizan mediante un sistema de comunicación radar ( 120).
40. Método según la reivindicación 38 o 39 caracterizado por que el algoritmo para ia caracterización de ia composición del subsuelo (44) lleva a cabo la estimación de la pemiitividad del subsuelo (5 1 ) a partir de la determinación de la distancia entre el eco en el suelo (50) y el eco en un objeto metálico de calibración (61 ).
41. Método según la reivindicación 38 o 39 caracterizado por que el algoritmo para la caracterización de la composición del subsuelo (44) lleva a cabo la estimación de la permitividad del subsuelo (5 1 ) a partir de la medida de ía diferencia de amplitud entre el eco en el suelo (50) y ei eco en un objeto metálico de calibración (61 ).
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