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Sistema de Georradar (GPR) integrado com drones

Sistema de georradar com dron projetado para uma coleta precisa de dados subterrâneos.

Os georradares (GPR) integrados com drones oferecem uma solução GPR aérea avançada para mapeamento subterrâneo em diversas aplicações, como estudos geofísicos e geofísica arqueológica. Esses sistemas permitem a detecção de serviços subterrâneos e a exploração subterrânea ambiental, sendo ideais para projetos de infraestrutura e análise do subsolo. Graças à integração de drones com GPR, otimiza-se a coleta de dados em terrenos difíceis. A tecnologia GPR multifrequência assegura uma alta precisão, oferecendo uma solução eficiente para grandes áreas e estudos complexos.

Sectores de aplicação:

Sistema de georradar (GPR) integrado com drones para coleta avançada de dados subterrâneos

O Radar de Penetração Terrestre (GPR, pela sigla em inglês) utiliza pulsos de radar para detectar e imaginar objetos e características subterrâneas.

Um transmissor de GPR emite energia eletromagnética no solo.

Quando a energia encontra um objeto enterrado ou um limite entre materiais com diferentes permissividades dielétricas (uma propriedade que define a velocidade das ondas eletromagnéticas), pode se refletir em direção à antena receptora do GPR. A eletrônica do GPR pode então registrar as variações no sinal de retorno.

Entregáveis

Os dados do GPR vêm do sensor em formato digital e não estão destinados à interpretação direta por humanos, ao contrário das fotos das câmeras. Requerem software especializado para seu processamento e interpretação.

Esses métodos de representação de dados de GPR são os mais populares, mas existem muitas opções adicionais, incluindo a exportação para formatos que podem ser importados em sistemas CAD e GIS.

Fig.2 – Perfil de GPR cruzando um gasoduto com interpretação. Os dados foram coletados utilizando o sistema GPR Zond Aero 500, processados e interpretados no software Prism2 da Radar Systems.	Fig.3 – Seção horizontal do subsolo para visualizar o percurso das instalações. Os dados foram coletados utilizando o sistema GPR Zond Aero 500 e processados no Geolitix.
Os resultados das pesquisas de GPR podem ser apresentados de diferentes formas. O formato mais comum e “natural” para os dados de GPR é um “perfil”: uma seção vertical de dados ao longo da linha da pesquisa	Outra forma popular são as seções horizontais, pois fornecem uma melhor compreensão de onde estão os objetos detectados sob a superfície e sobre a forma dos objetos.
Fig.4 – Representação em 3D das mesmas instalações que na imagem com seções horizontais. Captura de tela do Geolitix.	Fig.5 – Grade de espessura de gelo. Os dados foram coletados utilizando o sistema GPR Zond Aero 1000 e processados no Geolitix.
Muitos clientes preferem ver reconstruções em 3D do mundo subterrâneo, e isso também é possível. Requererá mais etapas de processamento e preparação, mas como esse método fornece a máxima compreensão em situações complexas, está se tornando cada vez mais popular, graças ao software moderno de processamento de GPR que simplifica radicalmente essa tarefa.	Outro método popular é gerar grades de espessura, por exemplo, para responder perguntas como “Qual é a espessura da camada de areia que cobre a rocha mãe?” ou “Qual é a espessura do gelo?”.

Benefícios do GPR montado em drones

O GPR montado em drones implementa o lema “mais seguro, mais barato, mais rápido”. Aqui estão algumas situações onde o uso de GPR em drones é benéfico:

Terreno acidentado onde as pesquisas de superfície podem ser impossíveis (solo coberto de gelo e neve, terreno rochoso e irregular, através de rios e em áreas propensas a avalanches).
Áreas com riscos de segurança ou saúde para o operador (glaciares com fendas, solos contaminados, etc.).
Grandes áreas desobstruídas onde a produtividade das pesquisas terrestres não seria economicamente viável (por exemplo, escanear grandes campos para fazendas de painéis solares para determinar a profundidade da rocha mãe e a presença de rochas).

Por que precisamos de diferentes sistemas de GPR? Todos os sistemas de GPR utilizam os mesmos princípios, mas variam em sua aplicação devido às diferentes frequências das antenas:

Os sistemas de GPR de baixa frequência penetram mais profundamente com menor resolução e são adequados para objetos maiores a maiores profundidades.
Os sistemas de GPR de alta frequência oferecem maior resolução para objetos menores, mas têm uma penetração limitada.

O design da antena reflete:

As antenas de baixa frequência são maiores e não estão blindadas.
As antenas de alta frequência são compactas e estão blindadas para reduzir o ruído.
A variedade de GPR garante o sistema adequado para cada necessidade de pesquisa subterrânea.

01.

02. Zond Aero LF com antena de 50 MHz e 3 metros de comprimento

Penetração mais profunda possível: até algumas dezenas de metros em solos de muito baixa condutividade (areia seca ou rochas), ou centenas de metros em gelo, o que faz deste sistema uma excelente ferramenta para a glaciologia e o escaneamento profundo.

Zond Aero LF com antenas de 75…400 MHz

O Zond Aero LF em drones como o DJI M350/M300 RTK pode ser usado com antenas na faixa de frequência de 75…400 MHz, permitindo selecionar a frequência adequada para uma aplicação particular. Trocar a antena leva alguns minutos.

03.

04. Zond Aero 500 MHz

Um sistema bastante universal com uma antena blindada, capaz de penetrar o suficiente para muitas aplicações de geofísica de engenharia e detectar objetos relativamente pequenos ou serviços públicos finos.

Zond Aero 1000 MHz

A melhor resolução possível e a capacidade de detectar alvos pequenos, mas a penetração sob a superfície em condições normais será inferior a 0,5 m.

Aplicações

A tabela fornece um resumo do que podemos esperar dos sistemas GPR disponíveis para uso em drones e suas aplicações recomendadas. Aqui, listamos os sistemas GPR fabricados pela Radar Systems Inc., Letônia, uma vez que esta linha de GPR cobre todas as possíveis aplicações para radares de penetração terrestre montados em drones. Qualquer outro sistema GPR com uma frequência central semelhante terá mais ou menos os mesmos parâmetros práticos em termos de penetração e resolução.

Observe que a penetração e a resolução em certos locais dependem da composição do solo, umidade, temperatura, etc. Na tabela abaixo, utilizamos os parâmetros de um “solo médio” típico: uma substância com uma permissividade dielétrica relativa de 9, baixa condutividade e baixo teor de água.

A pedido, os sistemas GPR Zond Aero LF podem vir com antenas para frequências centrais personalizadas.

Sistemas GPR disponíveis para drones – uso e aplicações recomendadas
Frequência central, MHz	1000	500	300	150	100
Modelo de GPR	Zond Aero 1000	Zond Aero 500	Zond Aero LF	Zond Aero LF	Zond Aero LF
Penetração da superfície, m	0.5 .. 1	2 .. 4	4 .. 8	8 .. 15	15 .. 20
Penetração do drone, m	0.3 .. 0.5	1 .. 2	2 .. 4	4 .. 8	7 .. 10
Penetração do drone em água doce, m (condutividade da água <200 µS/cm)	–	0.25	2	4	7
Elevação máxima recomendada da antena para pesquisa aérea, m	0.3 (limite prático é 0.6m)	0.6	1	2	3
Tamanho mínimo de objetos detectáveis sob a superfície a partir da altitude recomendada, cm	7	10	20	35	50
Tamanho mínimo de objetos “profundos” detectáveis a partir da altitude recomendada, cm	11 a 0.5m	26 a 2m	50 a 4m	100 a 8m	180 a 15m
Diâmetro mínimo de objetos lineares não condutivos detectáveis, como um tubo plástico vazio, cm	5	10	17	33	50
Diâmetro mínimo de objetos lineares condutivos detectáveis, como um tubo de metal ou um tubo plástico cheio de água, cm	5	8	13	27	40
Aplicações
Busca de objetos pequenos
Glaciologia, perfilagem de espessura de neve/gelo
Estratigrafia geológica • estratigrafia subsuperficial • estrutura • superfície da rocha mãe
Pesquisas geotécnicas • busca de cavidades • busca de buracos de afundamento
Busca de utilidades • cabos • tubos de água e esgoto • tubos de gás • tubos de petróleo
Mapeamento de infraestrutura subterrânea
Arqueologia • artefatos • estruturas ocultas • estratigrafia • fundações
Arqueologia • cavernas • tumbas • túneis
Arqueologia forense
Batimetria de água doce
Mineração e extração • rochas • fraturas • falhas • juntas

Boas práticas para utilizar o sistema GPR

Estas são as dicas para utilizar eficazmente o sistema GPR. Não se trata de uma lista exaustiva, e estamos sempre dispostos a discutir sua solução específica em detalhes.

01.

Dado que, no caso do uso aéreo (quando a antena GPR não está em contato com a superfície), uma parte significativa da energia do impulso GPR pode se refletir na superfície, espera-se que a penetração a partir de um drone seja metade da alcançada com uma pesquisa terrestre na superfície. A altitude recomendada (ou a distância entre a antena e a superfície) em uma pesquisa aérea deve ser menor que o comprimento da onda eletromagnética no ar correspondente à frequência central da antena.

02.

A penetração em boas condições, como areia muito seca no deserto após a temporada seca, pode ser até 2 vezes melhor. Em condições ideais (neve e gelo), a penetração pode ser de 3 a 4 vezes melhor. Condições como areia seca ou neve/gelo também são muito boas para o uso aéreo. Se a altitude recomendada for mantida, não vemos nenhuma degradação significativa da máxima penetração em gelo ou neve em comparação com o uso terrestre.

03.

O tamanho mínimo de um objeto detectável é o diâmetro da superfície plana superior de um objeto subterrâneo orientado horizontalmente. Às vezes (dependendo da direção de viagem do GPR), é impossível detectar uma folha de metal mesmo que tenha o dobro do tamanho mínimo requerido se, por exemplo, estiver posicionada em um ângulo de 45 graus.

04.

“Size mínimo” ou “diâmetro mínimo” significa que é extremamente improvável detectar objetos menores. Mas não se garante que será possível detectar objetos maiores; isso dependerá de dezenas de outros fatores.

05.

O diâmetro do refletor plano detectável é estimado usando uma “regra geral” como 10% da distância entre a antena e o objeto (elevação da antena + profundidade) OU a metade do comprimento de onda no material anfitrião, o que for maior.

06.

O diâmetro mínimo de tubos plásticos vazios detectáveis é estimado como o comprimento de onda da frequência central do GPR no ar dividido por 2.

07.

O diâmetro mínimo de objetos condutores detectáveis (tubos metálicos, tubos de plástico cheios de água) é estimado em 40% do comprimento de onda da frequência central do GPR em um material anfitrião (fonte: Ground‐Penetrating Radar for Geoarchaeology, Lawrence B. Conyers).

08.

NUNCA planeje pesquisas usando estimativas próximas aos limites de penetração, tamanho de objetos detectáveis, etc. Sempre use valores mais conservadores.

09.

Um erro típico de novos usuários de GPR é pedir um sistema de GPR com máxima penetração e tentar detectar objetos subterrâneos menores com ele. Lembre-se: uma boa máxima penetração significa uma má resolução/capacidade para detectar objetos pequenos.

10.

Ao solicitar um novo sistema de GPR para uma aplicação particular, considere qual penetração é necessária, ou seja, não a exceda demais. Clientes potenciais frequentemente pedem um sistema para busca de serviços com uma penetração máxima de até 20 m. No entanto, a profundidade habitual de tubos/cabos é de 1-2 m. É muito melhor pedir um sistema de 500 MHz, que permitirá a detecção de objetos menores/finos.

11.

Uma camada de argila, mesmo com uma pequena quantidade de água, arruinará a imagem adquirida. Se houver argila ou solo argiloso na área da pesquisa, esta deve ser planejada após uma temporada seca ou um longo período de tempo seco.

12.

As ondas eletromagnéticas não penetram através da água salgada. Portanto, o GPR não pode ser utilizado para batimetria em mar/água salgada.

Calculadora de GPR da SPH Engineering

A calculadora de GPR pode ser utilizada para estimar a detectabilidade de alvos a uma profundidade e altitude de voo (elevação da antena) específicas.

Insira informações sobre a Elevação da Antena, o tipo de sistema GPR, a Profundidade Estimada do Alvo e o tipo de Material/Solo para obter os resultados.

Componentes do sistema

Os sistemas magnetométricos montados em drones não incluem apenas o drone e a carga útil do magnetômetro. A SPH Engineering fornece soluções integradas para cada aplicação específica.
‍
Drones compatíveis: DJI M300/M350/M600, Inspired Flight IF1200A ou IF800, Harris Aerial H6, e Wispr Ranger Pro e UAVs similares.

Radar de Penetração Terrestre

GPR integrado com montagens para o drone

Computador de bordo SkyHub

Atua como registrador de dados do magnetômetro e implementa o modo True Terrain Following

Altímetro a laser ou radar

Altímetro a laser ou radar para voar automaticamente em modo de acompanhamento do terreno

Software de planejamento de voos UgCS

Software de controle em terra com funções especializadas para levantamentos magnetométricos, essencial para uma coleta de dados precisa

Software de tratamento de dados

Programas de tratamento de dados para o processamento inicial (limpeza e filtragem de dados) e geração de resultados.

Conjuntos de Dados

Descubra a ampla coleção de exemplos de dados para diferentes sistemas e aplicações de GPR da SPH Engineering »»»

Conjuntos de Dados

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

Podemos usar GPR para detectar minas terrestres?

Em teoria, sim; na prática, não. O principal problema aqui é a taxa extremamente alta de detecções falsas positivas no ambiente real. Por favor, consulte nosso relatório da área de testes de UXO/minas terrestres. A única aplicação viável do GPR aqui é usá-lo como um sensor auxiliar para coletar mais informações (profundidade, tamanho) sobre alvos detectados usando sensores que utilizam diferentes princípios físicos (magnetômetros, detectores de metal).
O GPR pode medir a profundidade?

Fisicamente, o GPR mede o tempo (em nanosegundos – ns) quando um sinal refletido foi recebido, usando o momento em que o sinal foi enviado como um ponto zero. Esse período de tempo é chamado de Tempo de Dupla Direção (TWT). O software de processamento de dados do GPR pode recalcular o tempo em profundidade se você informar ao software que tipo de solo/meio estava na sua área de pesquisa.
Qual é a altitude de voo recomendada para o GPR?

O mais baixo possível; por favor, considere a zona morta de sistemas de antena única, como o Zond Aero LF.
O que é a zona morta em relação ao GPR?

Alguns sistemas de GPR (por exemplo, Zond Aero LF) usam uma única antena para transmitir e receber sinais. Durante o ciclo de transmissão e algum tempo depois, o GPR não consegue receber sinais refletidos. A zona morta para antenas de baixa frequência pode ser bastante grande—até alguns metros abaixo da superfície. A calculadora online de GPR da SPH Engineering pode ser usada para estimar a zona morta abaixo da superfície para um determinado tipo de GPR e elevação da antena.
Posso voar sobre a floresta e coletar dados subsuperficiais?

Não. Em teoria, é possível usar sistemas GPR com transmissores muito potentes e antenas de feixe estreito. No entanto, esses sistemas não existem e, de qualquer forma, não seriam adequados para UAVs pequenos e médios devido ao grande tamanho das antenas direcionais para baixa frequência do GPR. Além disso, a potência dos transmissores de GPR é muito limitada na maioria dos países.
Por que vemos hipérboles nos dados de GPR?

As hipérboles no perfil de GPR correspondem a pequenos objetos ou objetos lineares cruzados pelas linhas de pesquisa. As antenas de GPR têm um feixe bastante amplo e começam a “sentir” reflexões do alvo antes que a antena do GPR passe sobre o objeto e algum tempo depois. As reflexões registradas formarão hipérboles se a antena se mover mais ou menos constantemente. O topo da hipérbola estará no ponto em que a antena do GPR está diretamente acima do objeto.
Faz sentido usar GPR em drones nas cidades, para escanear utilidades sob as ruas, etc.?

Não. O GPR em UAVs não é adequado para espaços confinados. Em todas as situações mencionadas, é melhor usar o GPR com um carrinho da maneira tradicional. Fornecemos carrinhos de GPR terrestre para os sistemas GPR Zond Aero 500 e Zond Aero 1000.
Quais meios são os melhores para GPR?

Neve e gelo. Em termos de propagação de ondas eletromagnéticas, gelo e neve são quase iguais ao ar. Isso torna os estudos de neve e gelo uma aplicação muito popular do GPR (tanto montado em drones quanto terrestre). Areia seca e solos arenosos também são muito favoráveis para o GPR.
Quais meios ou solos são os piores para GPR?

Qualquer meio e solo com alta condutividade, como argila ou solo argiloso, campos agrícolas com muitos fertilizantes, água do mar ou água contaminada.
Quais são os “obstáculos” adicionais para o GPR montado em drones?

Na maioria dos casos, você não pode usar o GPR montado em drones após a chuva ou quando a camada superior do solo está saturada com água e se houver vegetação alta ou árvores na área da pesquisa.
Os sistemas de GPR montados em drones são legais?

Em muitos países, há um limite para a elevação da antena do GPR sobre o solo, geralmente 1m. Se a elevação da antena quando usada em um UAV estiver dentro desse limite, está tudo certo. Mas, de outro ponto de vista, na maioria dos casos, exceto em neve/gelo/solos muito secos, o GPR montado em drones é inútil quando a antena está elevada por mais de 1m. Portanto, aqui temos regulamentos rigorosos, mas eles não limitam o uso prático do GPR montado em drones.
Como estimar que tamanho de alvos ou diâmetros de tubos podem ser detectados usando GPR montado no drone?

A calculadora online de GPR da SPH Engineering pode ser usada para esse propósito. Selecione o modelo de GPR, a elevação da antena, a profundidade estimada do alvo e o tipo de solo/meio. A calculadora de GPR estimará e exibirá muitas informações úteis. Observe que todos esses números são para condições favoráveis e não são garantidos para condições particulares.
Quão complexo é o processamento de dados do GPR?
En la mayoría de las situaciones, el procesamiento de datos es simple y directo y requiere solo unas pocas operaciones:
1. Carregar os dados RAW do sensor no software de processamento.
2. Remover o sinal de fundo (ruídos constantes) que oculta reflexões de objetos ou características de interesse.
O processamento de dados do GPR é complexo? Explicando: passo 2. Remover o sinal de fundo (ruídos constantes) que oculta reflexões de objetos ou características de interesse.

3. Aumentar o ganho (amplificação) do sinal para tornar as reflexões subsuperficiais mais visíveis e revelar anomalias fracas.
O processamento de dados do GPR é complexo? Explicando: passo 3. Aumentar o ganho (amplificação) do sinal para tornar as reflexões subsuperficiais mais visíveis e revelar anomalias fracas.

Se você não vê seus alvos de interesse após apenas esses passos simples, provavelmente o que você está procurando não está lá, ou a qualidade dos dados é ruim, ou as condições subsuperficiais não permitem que a energia eletromagnética penetre profundamente o suficiente e retorne à antena receptora do GPR. Passos de processamento mais complexos podem aumentar o contraste das anomalias e podem permitir a extração de informações adicionais sobre os alvos, mas não ajudarão a encontrar algo em dados “descartados”.