GPR (Geo-radar). Características de los equipos. Antenas, accesorios, equipos (VI).

Investigación de Enmacosa dentro del proyecto "APLICACIÓN DE SENSORES RADAR PARA DETECTAR Y EVALUAR EL ESTADO DEL PAVIMENTO Y LA RED DE TUBERÍAS Y SERVICIOS EN EL SUBSUELO URBANO", cofinanciado por la Xunta de Galicia (2001-2004). 

Continúa de: GPR Características de los equipos. Parámetros de registro (V)

Introducción

Capítulo 1: FUNDAMENTOS TEÓRICOS

1.1 Leyes de Maxwell

1.2 Parámetros electromagnéticos de un medio

1.2.1 Conductividad (σ)

1.2.2 Permitividad dieléctrica (ε)

1.2.3 Permeabilidad magnética ( μ )

1.3 Propagación de una onda electromagnética

1.4 Parámetros efectivos

1.5 Impedancia de un medio

1.6 Profundidad nominal de penetración (skin depth)

1.7 Reflexión y transmisión de ondas electromagnéticas

1.8 Pérdidas de energía por procesos internos al medio

1.8.1 Dispersión geométrica del frente de ondas

1.8.2 Absorción

1.8.3 Dispersión de la energía (“scattering”)

1.9 Capacidad de penetración. Ecuación radar

1.10 Capacidad de resolución y zona de influencia

Capítulo 2: CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS GPR

2.1 Origen y desarrollo del GPR

2.2 Características de los equipos

2.2.1 Unidad de control

2.2.2 Parámetros de un registro

2.2.3 Antenas

2.2.4 Accesorios

2.2.5 Equipos complementarios

2.4 Equipos del mercado

2.4.1 Equipos de propósito general

2.4.2 Equipos adaptados al estudio de carreteras

2.4.3 Equipos exclusivamente destinados a la detección de tubos y tuberías

2.5 Presentación de resultados

Capítulo 3: DETECCIÓN DE REDES DE SERVICIOS EN ENTORNOS URBANOS

3.1 Consideraciones sobre tipos de servicios, tipos de suelos y antenas utilizadas

3.2 Aparición de eventos hiperbólicos en los registros

3.3 Otros factores relacionados con la naturaleza y tamaño de los reflectores

3.4 Consideraciones sobre la polaridad de la señal recibida

3.5 Determinación de la velocidad de propagación de la onda

3.6 Ejemplos de estudios realizados

Capítulo 4: EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS

4.1 Aplicaciones

4.1.1 Medición del espesor del pavimento

4.1.2 Control de calidad en nuevas construcciones

4.1.3 Estudio de daños

4.2 Diseño del remolque

4.2.1 Introducción

4.2.2 Descripción técnica

4.3 Ejemplos de registros obtenidos

Conclusiones

Bibliografía

2.2.3 ANTENAS

Frecuencias utilizadas

Los radares convencionales operan generalmente en la que se denomina región de microondas. En el pasado, algunos sistemas radar han operado a frecuencias comprendidas entre los 100 MHz y los 36 GHz, lo que les hace cubrir un rango de más de ocho octavas. Estos no tienen porque ser necesariamente los límites para estos sistemas. Radares de ondas milimétricas experimentales llegan a funcionar a frecuencias por encima de los 240 GHz. Si nos vamos al otro lado del espectro, algunos radares con aplicaciones mas allá del horizonte operan a frecuencias de tan solo unos pocos megahercios, lo que los sitúa en la parte baja de la región de radiofrecuencias (banda HF) (Skolnik, 1971).

Un radar de penetración en tierra se mueve también en estas “bajas frecuencias” dentro del amplio margen de frecuencias de los equipos radar. Normalmente operan a frecuencias situadas entre los 10 MHz y los 3GHz, es decir, se mueve principalmente en la región de radiofrecuencias y en la parte baja de las microondas.

Tipos de antena comúnmente utilizados

Las antenas son una parte fundamental del equipo básico ya que son los elementos encargados tanto de emitir el pulso electromagnético al medio como de recibir la energía que regresa a la superficie tras haber sufrido una reflexión. Las antenas se conectan con la unidad de control mediante cable coaxial o fibra óptica. Esta última es la más adecuada para bajas frecuencias (por debajo de los 100 MHz), ya que el coaxial genera corrientes parásitas que quedan registradas en la señal como ruido electrónico de fondo (ruido térmico). Este efecto es más notable cuando se trabaja con bajas frecuencias, necesarias para rangos mayores de tiempo doble de propagación. 

Las antenas se utilizan para realizar dos funciones básicas en la prospección con GPR: deben radiar la energía que se les suministra en forma de potencia con la direccionalidad y las características adecuadas a la aplicación pensada, y deben recibir la parte que se refleja en las discontinuidades electromagnéticas del medio y regresa hacia la superficie sobre la que se coloca la antena. Cuando utilizamos las antenas en estudios de prospección es importante que la mayor parte de la energía radiada lo haga en una única dirección. Esto permite mejorar la relación señal / ruido, permitiendo obtener registros nítidos con un rango más elevado (mayor profundidad de estudio). La disminución del ruido se produce porque al emitir la energía únicamente hacia el interior del medio de estudio se evitan las reflexiones en objetos externos. Por este motivo es habitual el empleo de antenas direccionales y apantalladas. Debido al espectro de frecuencias que pueden cubrir, podemos encontrar muchas antenas diferentes respecto a sus propiedades o utilidades, aunque las comúnmente empleadas en la evaluación del estado de carreteras se pueden dividir en tres grandes grupos: antenas de hilo, antenas de apertura y las agrupaciones de antenas. 

Antenas de hilo. Están construidas mediante hilos conductores que soportan las corrientes que dan lugar a los campos electromagnéticos radiados. La disposición y geometría de estos hilos puede ser diversa, pudiendo consistir en hilos rectos que forman de este modo dispositivos dipolares, en forma de V o rómbicos, en espiras que pueden tener distintas formas (cuadradas, circulares, mariposa, etc.) o formando hélices. Las antenas de radar de subsuelo son antenas cuya disposición de los hilos conductores es una espira, usualmente con forma de mariposa (Hänninen et al., 1992; Duke, 1990). Suele tratarse de dipolos de media longitud de onda que pueden estar adaptados para su uso sobre el suelo (ground-coupled) (este es el tipo de antena habitual en el 80% de los trabajos basados en GPR), o bién desde el aire (air-coupled).

Figura 2.2. Antena de hilo situada en un remolque adaptado para la evaluación de pavimentos.

Estos tipos de antenas operan en un amplio margen de frecuencias centrales, generalmente entre 50 MHz y 1GHz. Su principal ventaja respecto de las antenas de apertura reside en su mayor profundidad de penetración y capacidad de resolución vertical. Sin embargo, estos sistemas no han sido todavía optimizados para el trabajo en carreteras, la superficie de acoplamiento y la reverberación (ringing) de las antenas presentan problemas lo cuál hace difícil obtener una información precisa de la zona más próxima a la superficie sin un posterior procesado de la señal. Otra limitación relacionada con estos sistemas es que para conseguir sus mejores prestaciones deben de estar muy cerca del medio sobre el que se registran los perfiles. Las empresas punteras en el desarrollo y comercialización de este tipo de antenas son GSSI de (EE.UU.), Sensor and Software Inc. (Canada) y RAMAC (Suecia) entre otras. 

Antenas de apertura. En las antenas que se incluyen en este grupo la onda radiada se genera gracias a una disposición de campos que se excitan mediante guías de onda. Este tipo de antenas es muy usual en las telecomunicaciones cuando se asocian a algún tipo de reflector, siendo el reflector parabólico el más común. Se caracterizan por una elevada ganancia. Normalmente se trata de antenas de bocina situadas a una cierta distancia del suelo y operando a frecuencias alrededor de 1GHz.

Principalmente son usadas en la evaluación de calidad de pavimentos. En este tipo de estudios la antena se suspende mediante un dispositivo acoplado a un vehículo entre 0,3 y 0,5 m sobre la superficie, lo que permite realizar prospecciones a velocidades superiores a los 100 Km/h. La profundidad de penetración en el pavimento para este tipo de antenas esta limitada a aproximadamente unos 0.6 m. (Saarenketo, 1999). Entre las compañías que desarrollan y comercializan estos tipos de antenas citaremos a Pulse Radar (Texas), Penetradar (New York) y GSSI (New Hampshire).

Figura 2.3. Antena de apertura situada en la parte delantera de un vehículo destinado a la evaluación de pavimentos.

En los últimos años se ha tratado de desarrollar sistemas con diferentes frecuencias de operación. Como ejemplo GSSI ha desarrollado una antena de 2.5 GHz buscando una mayor resolución cerca de la superficie bajo estudio (Smith y Scullion, 1993) y Pulse Radar ha desarrollado otra antena de 500MHz para conseguir una mayor penetración para pavimentos de gran espesor. Para asegurar la calidad de las señales recogidas por estos sistemas, el Instituto de Transporte de Texas ha propuesto una serie de especificaciones. Los tests de estas especificaciones son ampliamente utilizados en EE.UU. cuando se adquiere un equipo, comprobando la estabilidad de la señal en régimen corto y largo, la relación señal-ruido y la penetración en el hormigón. Si una unidad pasa estos tests entonces las señales GPR recogidas serán fiables para interpretar los posibles resultados. Varias empresas utilizan también estas especificaciones como control de calidad previo a la entrega de los equipos. Un grupo de especificaciones parecido ha sido también propuesto para las antenas de hilo (Scullion, Lau y Saarenketo, 1996).

Agrupaciones de antenas. En este grupo se engloban todas aquellas asociaciones o combinaciones de antenas que pueden realizarse utilizando cualquier tipo de antena. Las asociaciones de antena se utilizan cuando se requiere un determinado tipo de radiación, que no puede conseguirse con una única antena. Se puede usar un agrupamiento de antenas en paralelo si se desea cubrir un área grande en el menor tiempo posible. Como ejemplo se puede citar los dispositivos de los que dispone IDS para el transporte en paralelo de las antenas de su modelo GPR, RIS-2K. Utilizando un agrupamiento de distintas antenas en serie, se podría aprovechar simultáneamente las características de cada una de ellas. De forma que si se disponen antenas de alta frecuencia junto con otras de frecuencias menores, se consigue combinar una elevada profundidad de penetración con una alta resolución en los primeros metros de estudio durante la toma de un solo perfil.

Figura 2.4. Sistema multiantena de IDS. Disposición en paralelo.

Figura 2.5. Sistema multiantena de Mala Geoscience. Disposición en serie.

Antenas monoestáticas y biestáticas. Para estudios de GPR se realiza otra diferenciación entre antenas atendiendo a si se trata de una única antena o de dos. Se distingue entre antenas monoestáticas (primer caso) y biestáticas (segundo caso) (figura 2.6-7). Esta clasificación es común a todos los sistemas radar.

Figura 2.6. Antenas biestáticas no apantalladas de 25 – 50 – 100 y 200 MHz

Figura 2.7. Antenas monoestáticas apantalladas de 250 – 500 - 800 y 1000 MHz

Las antenas monoestáticas son a la vez emisoras y receptoras de la energía. Pueden diferenciarse dos tipos: antenas de conmutación y antenas de dos dipolos (cuasiestático). Las primeras tienen una única espira que puede actuar como emisora y como receptora de energía. Para ello se incluye un conmutador que va modificando su actuación. Al inicio de cada traza, la antena funciona emitiendo el pulso de energía de corta duración, pasando inmediatamente a funcionar como receptora. Tras un tiempo de recepción que varía de un tipo de antena a otra, vuelve a conmutar la función y de nuevo emite un corto pulso (entre 0.5 ns y 100 ns), pasando a ser de nuevo receptora tras la emisión. Cuando se trabaja con este tipo de antenas habrá que tener en cuenta no superar el tiempo de conmutación cuando se selecciona el rango de estudio. Las antenas de dos dipolos presentan, en el interior de la carcasa, dos dipolos separados. Uno de ellos funciona como emisor, mientras el otro es un receptor.

La separación de las dos espiras es constante, y se desplazan juntas con una única carcasa que las cubre a ambas. La parte superior de esta carcasa suele presentar un apantallamiento que la protege de posibles reflexiones e interferencias provenientes de elementos exteriores tales como teléfonos móviles, líneas de alta tensión, o reflexiones en edificios, árboles, etc. Son normales apantallamientos alrededor de 20 dB. Las antenas monoestáticas permiten realizar con facilidad perfiles, siendo utilizadas en trabajos que requieren mayor rapidez, un número elevado de perfiles o una estructura de malla para poder analizar el medio, es decir, agrupaciones de perfiles paralelos y cruzados.

Las antenas biestáticas se componen de dos módulos separados. Por un lado se tiene la antena emisora y por otro la antena receptora. Las antenas biestáticas suelen ser no apantalladas. La independencia entre emisora y receptora permite variar la distancia entre ambas. Esta característica permite calcular velocidades aparentes de propagación de la onda, utilizando técnicas iguales a las que se emplean en prospección sísmica con estudios de punto medio común (“CMP”). También se utilizan estas antenas para estudios puntuales, obteniendo una traza en cada punto de estudio.

2.2.4 ACCESORIOS

Los accesorios con los que puede complementarse el equipo básico son diversos y destacan aquellos que están orientados a tareas de visualización y almacenamiento.

Entre los elementos más utilizados están:

• Impresoras. Muchas unidades centrales permiten el conectarse a una impresora y así obtener los registros en papel durante los trabajos de adquisición de datos en campo. En la mayoría de los casos cada equipo dispone de una impresora especialmente diseñada que se acopla con facilidad a la UC ó al portátil.

• Pantallas. Por lo general, la UC se conecta a un portátil o a una pantalla de visualización apropiada para el equipo. Estas pantallas suelen ser de tipo TFT trans-reflectivo o de características similares, lo cual permite que la misma pueda ser vista con claridad bajo el sol o con distintos ángulos de visión. Además al igual que los ordenadores portátiles, suelen disponer de software integrado que permite controlar parámetros de la UC así como el inicio y fin de los registros y su posterior almacenaje.

• Software apropiado. Gestionan estos accesorios y permiten un amplio tratamiento de datos. Algunos programas están destinados a la toma de datos, configuración de parámetros previos y un filtrado básico, que normalmente puede ser aplicado en tiempo real. Otros programas están más orientados al postprocesado de datos, permitiendo la aplicación de filtros más complejos, interpolación y promediado de trazas, cálculo de permitividades a través de hipérbolas de reflexión, estudios CMP y WARR, representaciones 3D, estratificación mediante seguimientos de fase en perfiles… entre otras muchas opciones. Algunos de los programas están orientados a cierto tipo de aplicaciones. Muchos de los equipos destinados a la detección de tuberías disponen de software específico que permite, mediante el uso de determinados filtros y algoritmos, una visualización mas clara de los posibles objetivos de búsqueda, facilitando de esta manera su localización en tiempo real. Por otro lado, el software GPR disponible para estudios de carreteras se puede clasificar en cuatro grupos: software de adquisición de datos, software de
procesamiento, software de interpretación y visualización y software para el diseño y análisis integrado para la carretera. La mayoría del software para la adquisición de datos ha sido desarrollado por las propias empresas de sistemas GPR. Aunque actualmente se ha visto incrementado el número de programas a medida con aplicaciones específicas, desarrollados por otras empresas. Un tema a tener muy en cuenta en el software de adquisición de datos es la conectividad con los sistemas de posicionamiento, como el sistema GPS, ya que los actuales programas de diseño de pavimentos necesitan información asociada a las coordinadas espaciales para situar exactamente los perfiles realizados. Los fabricantes GPR también proveen de sistemas de procesados de datos, pero la mayoría de este software ha sido diseñado orientado al procesado de la información recogida con antenas de hilo para estudios geológicos. Los sistemas GPR de antenas de apertura producen unas señales relativamente limpias y repetitivas, por lo que el procesado requiere fundamentalmente un filtrado de señal básico y algoritmos que eliminen el ruido de fondo. Un reto para el futuro será la deducción de información cuantitativa sobre las propiedades eléctricas de las capas de pavimento y sus capas subyacentes.

El software GPR de interpretación y visualización para carreteras es empleado para detectar las distintas capas de contacto y objetos individuales a partir de los registros obtenido, transformando la escala de tiempos en escala de profundidades. Muchos intentos, como las redes neuronales, se han llevado a cabo con el fin de conseguir un software de interpretación automática. Sin embargo, los resultados de estos proyectos no han sido muy alentadores. La razón por la que el software de interpretación automática no funciona bien es debida a la complejidad del medio bajo estudio. La mayoría de las carreteras son estructuras antiguas que presentan una acumulación de diferentes capas y discontinuidades longitudinal, vertical y transversalmente. De esta manera el software de interpretación semiautomática manejado por un grupo humano con experiencia en este campo, es considerado la única solución para este tipo de trabajos.

Una nueva generación dentro del software GPR es el software de diseño y análisis de carreteras integrado. Este nuevo software ha sido diseñado para el análisis combinado de los datos GPR con otros datos de las carreteras, con la capacidad de calcular parámetros que describan el estado de la vieja carretera y los parámetros necesarios para una nueva estructura o diseño de rehabilitación.

• Unidades de almacenamiento. Las unidades de almacenamiento de registros son muy variadas. Por lo general se utiliza el disco duro del portátil al que se conecta la UC. En algunos sistemas es la propia UC la que almacena los registros, como es el caso del RIS-2K de IDS, donde los datos de su disco duro de 6 Gb son volcados posteriormente mediante la conexión de una unidad Jazz de Iomega. El SIR-3000 de GSSI, por ejemplo, utiliza una tarjeta compact flash para el almacenamiento de datos

2.2.5 EQUIPOS COMPLEMENTARIOS

Para efectuar el estudio se pueden utilizar equipos complementarios que simplifican el trabajo y que permiten mayor precisión en la interpretación final de los datos. Estos equipos no se conectan a la unidad central, pero son útiles tanto durante los trabajos de campo como durante el procesado posterior de los registros. Se pueden agrupar en equipos para tratamiento de datos y visualización de radargramas, equipos para situar perfiles y otros equipos complementarios para porte del radar y de las antenas y para facilitar su manejo.

Dentro de los equipos para tratamiento de datos y visualización de radargramas se incluye todo el material informático para visualizar los registros gráficos y para pasar los datos a otros tipos de soporte: impresoras, plotters, escáners, ordenadores personales, programas informáticos, etc... Se utilizan tras la adquisición de datos en los trabajos posteriores.

Material de posicionamiento. Para situar los perfiles se pueden utilizar diferentes técnicas. Dependiendo de la aplicación de la tecnología GPR se utilizará un método o otro e incluso si es necesario la combinación de varios. La mayoría de las unidades de radar modernas permiten la integración de los datos obtenidos con la información de posicionamiento proporcionada por un receptor GPS. Normalmente el receptor GPS se conecta al ordenador portátil a través del puerto serie, de forma que la integración de datos es llevada a cabo por el software de adquisición. A la vez que se genera el fichero de datos se genera otro fichero en el que a cada traza se le asigna las coordenadas proporcionadas por el receptor. Esta técnica es la más adecuada para la evaluación de pavimentos ya que las superficies bajo estudio son grandes y de esta manera el uso de GPS permite la adquisición masiva de datos y su posicionamiento en tiempo real desplazando las antenas mediante un vehículo a velocidades del orden de los 60 Km/h. Además permite la gestión de los resultados del radar a través de una herramienta SIG, en la que se puede incorporar otro tipo de información, tanto la obtenida por otros métodos, como referencias históricas o prospecciones previas. La herramienta SIG puede ser un método sencillo y ágil para gestionar la inmensa cantidad de información que puede proporcionar un día de trabajo de campo con radar.

En función del estudio y de la precisión deseada, el uso del GPS podría sustituirse o simultanearse con la utilización de la rueda taquimétrica. Esta segunda opción es muy recomendable teniendo en cuenta las limitaciones en la cobertura satelitaria (entornos urbanos, zonas boscosas, túneles, etc) del sistema GPS (figura 2.8) .

Figura 2.8. Uso de un GPS diferencial para el posicionamiento de perfiles GPR

Otras técnicas para el posicionamiento de perfiles, orientada a zonas de estudio más reducidas, son las cintas métricas y el posicionamiento topográfico (figura 2.9). Estos métodos resultan ineficientes en el estudio de pavimentos para la mayoría de los casos aunque son ampliamente utilizados para otras aplicaciones donde el tamaño de los registros es menor. Las cintas se utilizan para situar marcas sobre el terreno indicando la distancia a la que se encuentra la antena del inicio del perfil en cada instante. Por otro lado en muchos estudios resultará de gran utilidad que la toma de datos con GPR vaya acompañada de un posicionamiento topográfico de la zona estudiada. Esto ayuda a posicionar sobre un mapa los perfiles realizados y permitirá repetirlos de una forma exacta si fuese necesario. Además los datos topográficos permiten añadir correcciones de elevación a los perfiles tomados, lo que facilitará la posterior interpretación de resultados. Al tener en cuenta en los perfiles la elevación del terreno se obtendrán valores más precisos en cuanto a profundidad relativa de objetos y de capas o sustratos que se quieran determinar.

También en ocasiones se utilizan otras técnicas de posicionamiento. El PathFinder de GSSI (sistema GPR destinado a la localización de tuberías) utiliza por ejemplo, además de otras opciones disponibles, un posicionamiento mediante dos balizas láser para poder situar correctamente una malla de perfiles paralelos.

Tanto GSSI, en su sistema HandyScan, como Sensors&Software en su sistema Conquest, orientados ambos a la localización de objetos de pequeño tamaño tales como cables de corriente y armaduras en el hormigón, utilizan un posicionamiento mediante el uso de una plantilla, con el objetivo de realizar perfiles paralelos sobre pequeñas áreas de estudio (figura 2.10).

Figura 2.9. Posicionamiento mediante el uso de una estación total

Figura 2.10. Sistema Conquest de la empresa canadiense Sensors&Software.

También es muy práctico para determinar o completar la situación exacta del perfil, la obtención de material gráfico de cada uno o de algunos de los perfiles realizados ya sea mediante cámara fotográfica o videocámara. Ésta última opción es la más idónea para el estudio de pavimentos. Esta información es de gran ayuda a la hora de interpretar los resultados en el laboratorio, ubicándolos en su entorno rápidamente.

Actualmente hay disponibles en el mercado software específico para el estudio de pavimentos que integran todas estás técnicas. El paquete de software Road Doctor que comercializa la empresa finlandesa RoadScanners consigue combinar en tiempo real la toma de datos GPR con el posicionamiento mediante GPS y la grabación simultánea de imágenes de video del perfil que se está registrando.

Material de transporte. Los equipos destinados a facilitar el transporte del equipo durante las mediciones y la toma de datos son muy diversos y el diseño de los mismos es un asunto a tener muy en cuenta para permitir una adquisición de datos rápida, eficiente y cómoda.

Para transportar el material hay que tener en cuenta el tipo de terreno donde se debe efectuar el estudio. La utilización de un vehículo adaptado a las condiciones del mismo puede facilitar en gran medida los trabajos de campo. En general los vehículos adecuados para el estudio de carreteras permiten transportar con seguridad la antena a velocidades de hasta 60 km/h. Para ello y dependiendo del diseño que se desee implementar la antena o antenas son fijadas en un pequeño remolque situado en la parte delantera o trasera del vehículo desde donde el operario controla el resto del sistema. Las antenas ground-coupled son las que presentan mayores problemas de diseño ya que, como ya comentamos anteriormente, para conseguir sus mejores prestaciones deben de estar muy cerca del suelo. Otra importante limitación tanto en la fabricación de estos remolques como en la de otros elementos que sirven de soporte para las antenas es que no se puede emplear ningún material metálico ya que esto podría introducir interferencias no deseadas en la señal GPR que queremos analizar. En el siguiente capítulo describiremos con mayor profundidad el remolque  que ha sido diseñado especialmente para este estudio y cuya fotografía presentamos en la figura inferior.

Figura 2.11. Remolque para antena ground-coupled diseñado por la empresa Enmacosa en colaboración con la Universidad de Vigo

Para otro tipo de estudios se emplean otro tipo de soluciones. En el interior de edificios y para perfiles no muy largos puede ser útil un pequeño carro o plataforma con ruedas para poder desplazar tanto la unidad central y el monitor con su fuente de alimentación. Además la mayoría de los equipos comerciales se presentan con un armazón que puede montarse en forma de mochila. Esto facilita el acceso con el equipo a un mayor número de zonas.

Figura 2.12. Vehículo de transporte con ruedas adaptadas a la arena.

Figura 2.13. Mochila, bandeja y dispositivos de arrastre de un RAMAC/GPR

2.4 EQUIPOS DEL MERCADO

Continúa en: GPR Características de los equipos. Equipos de mercado (VII).