История появления георадара (Ground Penetrating Radar — GPR) прослеживается с 1910 года, когда был выдан первый патент на эту технологию. В результате развития технологий радио, цифровой обработки сигналов, а также прорывов в области программного обеспечения георадар превратился в очень ценный инструмент для многих разнообразных приложений.
В настоящее время георадар широко используется для геофизических исследований, картирования объектов подземной инфраструктуры, обнаружения неразорвавшихся боеприпасов и мин, поиска захороненных объектов, археологических работ и во многих других областях.
Стандартный метод георадарных обследований часто включает в себя буксировку антенны георадара на тележке или салазках. Тележку можно либо толкать, либо буксировать вручную, транспортным средством или иными способами (рис. 1, 2).
Рис. 1. Перевозка георадара транспортным средством
Рис. 2. До появления возможности перемещения георадара дроном, поиск пропавшего без вести самолета WW2 в Гренландии вызвал необходимость перетаскивания ручной тележки с георадаром через опасные расщелины в труднопроходимой местности
В некоторых случаях георадары могут монтироваться на пилотируемых летательных аппаратах — вертолете или самолете, но этот метод применим только в том случае, если не требуется хорошее разрешение, поскольку самолет должен летать на безопасной высоте. Этот метод обычно используется для проведения геологических исследований, измерения толщины льда и т. д.
Рис.3. Съемка в Гренландии с помощью георадара, установленного на сани
Интегрированная система георадар-дрон
В большинстве случаев обследования с помощью георадара являются тяжелой работой и могут быть связаны с большой опасностью для персонала в полевых условиях из-за сложных топографических условий и состояния погоды.
Именно здесь важна роль беспилотников. Они обладают небольшим весом (по сравнению с пилотируемым самолетом или вертолетом), легко транспортируются автомобилем и способны совершать автономные полёты на малых высотах с высокой точностью. Такой подход обеспечивает получение точных результатов обследования, а также более безопасен для персонала и более эффективен во времени.
Джим Салазар, исполнительный директор и основатель Hot Point Solutions и Фонда репатриации пропавших без вести американских военнослужащих (FAMIARF), обратился к компании SPH Engineering, занимающейся поиском останков военнослужащих, погибших во время Второй мировой войны и в других конфликтах. FAMIARF, взаимодействуя с министерством юстиции, учётным агентством министерства обороны (DPAA), береговой охраной США, а также компаниями и университетами частного сектора, ищет более эффективный способ обнаружения самолета, который потерпел крушение и впоследствии был погребён подо льдом.
Как видно на фото (рис. 2, 3), определение места крушения самолета является сложной задачей, и это, в сочетании с мыслью о том, что такие самолеты могут находиться под сотнями футов ледяной шапки, потребовало совершенно нового безопасного способа съемки больших территорий. Будучи убежденным, что будущее эффективных геофизических исследований зависит от более современных методологий, Джим Салазар и его команда, приспособленная для работы в холодном климате, нуждались в решении, которое могло бы использоваться повсеместно, включая полярные области, в целях эффективного поиска чёрных металлов глубоко под землей.
Благодаря взаимодействию SPH Engineering с FAMIARF была выдвинута идея интеграции георадара с дроном, и потребовалось много времени для разработки полностью автоматизированного программируемого грузоподъёмного дрона, совмещённого с легким георадаром большой мощности.
Интеграция георадара и дрона в деталях
Установка георадара на дрон проста, и, как показано на рис. 4, георадар прикреплен к нижней части общего коммерчески доступного дрона между стойками шасси.
Рис. 4. Интегрированная система георадар-дрон (DJI M600 Pro).
В настоящее время SPH Engineering предоставляет две конфигурации для установки интегрированной системы георадар-дрон. Обе используют дрон DJM 600 Pro и георадар Radarteam Cobra Plug-in, но имеют разные антенны в каждой установке:
- Антенна SUB ECHO-70 (SE-70)
- Антенна SUB ECHO-150 (SE-150)
Антенны различаются по диапазону частот и средней частоте.
SE-70 имеет среднюю частоту 80 MHz и может зондировать грунт до глубины более 80 м при благоприятных состояниях (лед или сухой песок).
SE-150 имеет среднюю частоту 124 MHz и может зондировать грунт до глубины до 40 м при благоприятных условиях с гораздо лучшим разрешением.
В таблице приведены обобщённые основные характеристики интегрированной системы георадар-дрон:
|
АНТЕННЫ ГЕОРАДАРА COBRA PLUG-IN |
МОДЕЛЬ SE-70 |
МОДЕЛЬ SE-150 |
|
Диапазон частот, МГц |
20-140 |
20-280 |
|
Полоса пропускания, МГц |
120 |
260 |
|
Средняя частота, МГц |
80 |
124 |
|
Размер (ДхШхВ), см |
139 х 15 х 21 |
92 х 22 х 22 |
|
Масса, кг |
3,7 |
3,5 |
|
ДРОН M600 PRO С ГЕОРАДАРОМ |
МОДЕЛЬ SE-70 |
МОДЕЛЬ SE-150 |
||
|
с батареями TB47S |
с батареями TB48S |
с батареями TB47S |
с батареями TB48S |
|
|
Взлетный вес, кг |
14,31 |
14,81 |
14,11 |
14,61 |
|
Примерное время полета, мин |
15 |
19 |
16 |
20 |
|
Максимальная длина от линии съёмки (скорость 2 м / с) |
1800 |
2280 |
1920 |
2400 |
Приложения
В настоящее время интегрированная система георадар-дрон может использоваться в районах, где требуется глубокое проникновение, а уровень разрешения не имеет важного значения.
Примеры применений включают:
- Батиметрия пресной воды
- Геологические исследования для профилирования слоёв грунта
- Картирование подземной инфраструктуры
Батиметрия
Интегрированная система георадар-дрон позволяет измерять глубину воды или профилировать дно пресноводных рек, озер, прудов глубиной до 15 м.
Преимущества — возможность производить работы даже при замерзающей или частично покрытой льдом поверхности воды. По сравнению с батиметрией, использующей лодки, оборудованные эхолотами, дрон с георадаром обеспечивает большую точность съемки благодаря встроенному GPS и автоматизации полета. Кроме того, в большинстве случаев беспилотник намного упрощает доставку необходимого оборудования в нужный район.
Результаты, показанные на рис. 5, были получены беспилотником с высоты 20 м над уровнем поверхности воды с целью профилирования 8-метровой глубины замёрзшего озера.
Рис. 5. Результаты профилирования замёрзшего озера.
3D -визуализация профиля озера создана с помощью программы GPR-Slice
доступна по ссылке http://www.gpr-survey.com.
Геологическая съемка
Профилирование грунта является стандартной задачей, которую необходимо выполнять перед началом масштабных девелоперских или строительных работ. При стандартном методе необходимо сверлить десятки отверстий или проводить георадарное обследование с использованием тележек.
Интегрированная система георадар-дрон обеспечивает более высокую производительность и безопасные условия для работы персонала в условиях пересеченной местности.
Георадар позволяет обнаруживать любые потенциально опасные подземные водные потоки или озера.
Данные, полученные интегрированной системой георадар-дрон с высоты 5 м над асфальтированной автомобильной парковкой, представлены на рис. 6, на котором слои грунта четко видны.
Рис. 6. Слои грунта под стоянкой, измеренные на глубину 36 м.
Картирование подземных коммуникаций
Картирование подземной инфраструктуры является важной задачей перед началом строительных работ на ранее освоенных территориях или в случаях отсутствия документации и карт подземной инфраструктуры.
Обратите внимание, что данная интегрированная система георадар-дрон не позволяет отображать небольшие или тонкие объекты, такие как кабели или тонкие трубы. Она способна обнаруживать объекты с размером приблизительно 5–10% относительно измеренной глубины, такие как бетонные канализационные стоки, тоннели, бункеры и т. д.
Общие вопросы
Дроны производятся компанией DJI, радары — Radarteam Sweden. Какова роль компании SPH Engineering?
SPH Engineering разработала бортовой регистратор данных и программную поддержку георадара при наземном управлении дронов — UgCS. SPH Engineering выполнила сотни тестовых полетов с интегрированной системой георадар-дрон с целью убедиться, что система оптимизирована для реального использования.
Можно, конечно, использовать георадар, установленный на дроне, без какого-либо совмещения крепления планшетного компьютера к верхней части дрона. Десятки первых испытательных полётов были совершены с такой простой конфигурацией, инициируя идею интеграции.
Рис. 7. Георадар и планшет установлены на беспилотнике, т. е. без интеграции.
Простая конфигурация может привести к ошибкам: радар или регистратор данных не включены перед запуском дрона, либо регистрация данных не останавливается и не сохраняется после посадки. Ещё одно ограничение заключается в том, что неизвестно, что реально видит георадар, находясь в воздухе до тех пор, пока не возвратится в офис, и полученные данные не будут обработаны. Также капли воды на экране планшетного компьютера будут сбивать его с толку.
Интегрированная система георадар-дрон, предоставляемая SPH Engineering, показывает состояние радиолокатора и текущий след на экране наземной станции UgCS. Регистрация данных запускается автоматически при взлете и заканчивается при посадке.
Рис. 8. Программное обеспечение наземной станции управления UgCS с отображением окна георадара
Кроме того, SPH Engineering разработала облегченный (107 г) бортовой компьютер, заменив планшет (около 800 г), что обеспечило увеличение времени полёта дрона приблизительно на 5 минут.
Можно ли использовать георадар для батиметрии соленой воды?
К сожалению, нет, батиметрия соленой воды невозможна. Соленая вода является почти идеальным экраном для радиоволн.
Как можно определить след радара, зная высоту беспилотника и предполагаемую глубину цели?
SPH Engineering предоставляет для клиентов расчеты радиолокационного следа интегрированной системы георадар-дрон.
Каким образом планируются беспилотные миссии обследования для такого конкретного датчика, как георадар?
Это зависит от многих факторов: тип и размер объекта, предполагаемая глубина, тип грунта и т. д. SPH Engineering предоставляет консультации и обучение для клиентов.
Какова рекомендуемая высота полета для георадара?
Рекомендуется летать как можно ниже. Малая высота означает меньший след радара на уровне цели и более лучшее разрешение. Дрон M600 Pro способен безопасно летать на высоте 5 м над уровнем земли для выполнения автоматической миссии, если известны данные высот местности.
Какова рекомендуемая скорость дрона с георадаром?
Для геологических съёмок и батиметрии рекомендуемая скорость составляет 2 м/с. Для картирования подземной инфраструктуры — рекомендуемая скорость 1 м/с.
Может ли интегрированная система георадар-дрон летать в ручном режиме полета?
Теоретически, может, но, как показывает опыт, скорее всего полученные данные будут содержать много шума. Рекомендуется использовать только автоматические миссии.
Могут ли быть обнаружены небольшие объекты, такие как фугасы, с помощью интегрированной системы георадар-дрон?
Эта система не может. Скоро будет доступен вариант системы с высокочастотным радаром, способной обнаруживать небольшие предметы на глубине 4–8 м в зависимости от грунта и характеристик цели.
Могут ли быть обнаружены и отражены подземные туннели и отображены с помощью интегрированной системы георадар-дрон
Да, это возможно.
Источник: Geo-matching.