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¿QUÉ ES EL ‘RADAR M2’?

Radar M2TM es el sistema creado por Movin Marine para la prospección geológica mediante teledetección. Utiliza una combinación de distintos sensores para obtener dichos resultados.

Introducción a la teledetección

Teledetección es la capacidad de medir algo sin la necesidad de tocarlo. Antes del desarrollo de las técnicas remotas, la única forma de obtener cualquier medida requería de un contacto directo, tenemos que;

1) Las variaciones en la elevación del terreno (como la presencia de montañas) y la composición geológica (distinta la densidad de las rocas) causan variaciones en el campo gravitatorio de la Tierra. Por ejemplo, una dorsal oceánica causa una protuberancia medible en el nivel medio del océano. Los mapas de gravedad se ajustan en función de los efectos de la topografía y la densidad de la roca, y los mapas resultantes muestran la gravedad corregida. El material denso (por ejemplo, la roca ígnea máfica Basáltica) causa un aumento considerable en la anomalía del campo de gravedad local, al igual que las montañas, mientras que las fallas oceánicas y las rocas menos densas (p. ej., sedimentarias) causan anomalías negativas del campo gravitatorio.

2) De acuerdo con las leyes físicas: “Cualquier sustancia por encima del cero absoluto (-273.15oC) emite algún tipo de radiación electromagnética.” Esto significa que, con el aparato adecuado, se puede detectar cada objeto y diferenciarlo de cualquier otro. Referente a las ciencias de la tierra, la teledetección hace referencia a la habilidad de los satélites de detector radiación electromagnética (EM) de la superficie terrestre o de la atmósfera1. Tomando como ejemplo el Sol, disipa una cantidad de energía radiada, directamente, al espacio. Cuando llega a la superficie terrestre esta energía es observable en el espectro visible, como la luz generada por el sol, pero hay otros tipos de radiación como las microondas, los rayos x, la luz infrarroja, etc. que también pueden ser medidas. Para ser capaces de medir mediante teledetección, el medio a través del cual se propagan las ondas EM tiene que ser transparente. La Figura 1 muestra la opacidad atmosférica en el mismo espectro EM.

radar m2
Figura 1: Opacidad atmosférica de la tierra. Crédito: NASA (modificado) – dominio público.

Tal y como se puede apreciar en la Figura 1, la región del espectro correspondiente a las ondas de radio es la más permeable en la atmósfera. Esta región es la banda de microondas, y es la región en la que operan aplicaciones como Wifi, telefonía móvil, radio, televisión, Bluetooth, radar, control remoto y otras.

El radar M2TM se basa en la combinación de ambos principios para obtener un resultado óptimo.

Las variaciones de gravedad se miden con gravímetros. Un gravímetro es un acelerómetro especializado en medir la gravedad. Aunque el diseño es igual que en otros acelerómetros, los gravímetros están diseñados para medir cambios mínimos en la gravedad de la Tierra causada por cambios en la densidad de las rocas, por la forma de la tierra y por variaciones de las mareas. Las medidas del gravímetro están en unidades de “Gals” donde se define el gal como 1 centímetro por segundo al cuadrado (1 cm/s2). Los gravímetros aerotransportados son un subconjunto de los gravímetros terrestres: se requieren estabilizadores para aislar el instrumento de las aceleraciones de las aeronaves, y se requiere un post-procesado para eliminar el ruido de alta frecuencia.

Teledetección por microondas

Hay distintas bandas de microondas, dependiendo en la frecuencia y amplitud de onda la aplicación cambia. Esta aplicación está fuertemente relacionada con la profundidad de penetración de la microonda. A continuación, se muestran las bandas comúnmente utilizadas para detectar anomalías bajo la superficie del suelo (ver tabla 1).

Banda Longitud de onda (cm) Frecuencia (MHz)
VHF 1000 - 100 30 - 300
P (UHF) 100 - 30 300 - 1000
L 30 - 15 1000 - 2000

Tabla 1: Bandas de microondas más comúnmente utilizadas

Los sensores remotos que usan las propiedades del electromagnetismo pueden ser clasificados respecto a si son activos o pasivos. En este caso sólo se aplica un sensor pasivo o radiómetro.

Radiómetros; no crean ni irradian ningún tipo de señal o estímulo. Los sensores pasivos detectan energía radiada de fuentes naturales (fundamentalmente el Sol y la Tierra), o energía radiada por fuentes artificiales (como el Wifi, Tv, abridores de puertas remotos. Etc.). Las cámaras ópticas, y los radares pasivos son ejemplos de sensores pasivos.

Propiedades físicas detectables mediante microondas

Los sensores pasivos son mejores para la detección de las propiedades físicas del objeto observado. Así, una cámara óptica nos da información de la gama de colores (propiedad de la superficie del material), y una cámara térmica nos informa de la temperatura de los objetos presentes en la escena observada.

Por lo general, mediante microondas pueden detectarse cambios en la conductividad eléctrica, térmica y en la constante dieléctrica de un subsuelo.

a) Uno de los mejores ejemplos de radar pasivo capaz de medir las propiedades eléctricas en el subsuelo es el instrumento a bordo del satélite SMOS de la Agencia Espacial Europea1. Como indica su acrónimo Soil Moisture and Ocean Salinity esta misión mide la salinidad del océano y la humedad del suelo a partir de las propiedades eléctricas de este.

b) El radar de penetración terrestre, también conocido como Ground Penetrating Radar, es el mejor ejemplo de radar que permite elaborar un mapa de constantes dieléctricas en el subsuelo a partir de antenas tipo broadband. Es un radar de tipo activo y únicamente recibe y procesa las ondas reflejadas mediante su dispositivo emisor. La ventaja es que, aun trabajando en broadband, las interferencias que recibe son fácilmente removibles mediante filtros. Sin embargo, su penetración en el subsuelo es muy limitada.

En la figura 2 se esquematiza el funcionamiento de un radar pasivo donde, los cambios producidos por un elemento de propiedades físicas muy diferentes a su entorno permiten que sea detectado:

En el caso de los radares pasivos, deben tenerse en cuenta algunos de los aspectos a considerar con el fin de filtrar debidamente las señales recibidas.

Los efectos más relevantes sobre las señas recibidas son; por un lado, las variaciones de sus propiedades por los efectos de la temperatura y por el otro, las interferencias por efecto de las emisiones externas al medio, generalmente producidas de forma artificial.

En el primer caso, los efectos de la temperatura sobre la señal pueden mitigarse mediante el uso de sensores hiperespectrales como el Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer (AVIRIS) de la NASA*.

Teledetección por microgravimetría

El sistema Radar M2 utiliza un gravímetro de referencia inercial. Este gravímetro se utiliza tres acelerómetros de altísima precisión y dos giroscopios montados en un entorno con temperatura controlada. Los acelerómetros están completamente aislados de los movimientos angulares de la aeronave mediante tres jimbas controlados por servomotores que usan los giroscopios para compensar el movimiento de la aeronave. El sistema está diseñado para permitir que los acelerómetros se alineen con el vector de gravedad. La deriva de los giroscopios es monitoreada y corregida posteriormente. Se utilizan los datos de GPS para eliminar aceleraciones cinemáticas y de Coriolis. Finalmente, las lecturas de gravedad están sujetas a filtros de paso bajo para eliminar el ruido de alta frecuencia que pueda aún venir de la aeronave.

El método Gravimétrico consiste en la medición de la aceleración de gravedad sobre un terreno con el fin de detectar las variaciones de densidades en las unidades geológicas presentes en el subsuelo, los gravímetros actuales son herramientas de extremadamente alta precisión (del entorno de 0.001 mGal) y con pesos inferiores a los 2.5 Kg.

Aplicaciones

  • Estudio de cuencas sedimentarias: Exploración de petróleo y minerales.
  • Estudios de aguas subterráneas.
  • Geodesia.
  • Mapeo Geológico Regional.
  • Ingeniería Civil – Geotecnia.
  • Arqueología.

En contrapartida los gravímetros presentan una gran desventaja y es que son mucho más sensibles al medio en el cual trabajan, esto es debido a que los parámetros de medición están basados en sistemas completamente mecánicos, esto es, la fuerza de la gravedad es compensada por una fuerza mecánica buscada, este sistema mecánico que compensa la fuerza es muy sensible a cualquier cambio de las condiciones térmicas y de presión, ya que se producirían dilataciones, contracciones, etc.

Por lo tanto, en los gravímetros el control termostático es de alta importancia ya que cualquier cambio influye de gran manera sobre estos, ya que cualquier contracción o expansión de las diferentes partes que componen el microgravímetro pueden modificar las condiciones de equilibrio de la viga, en virtud de esto una de las grandes precauciones que se toman en la construcción del gravímetro es que el mecanismo sensible se encuentre bien aislado, por lo general estos suelen estar controlados por termostatos con una precisión de 0.002ºC.

Láser distanciómetro

Diferencias en la orografía provocan pequeños cambios en la gravedad medida por el gravímetro. El uso de un radar altimétrico ayuda a discriminar si el origen de estos cambios sea debido a la composición del suelo o a cambios en la orografía.

Cámara térmica

Una cámara térmica se utiliza como complemento para medir la temperatura y emisividad infrarroja de la superficie del suelo. Esto permite obtener información litológica de la superficie del terreno. Este es el principio de medidas utilizado en distintas publicaciones que han utilizado el sensor ASTER embarcado en el satélite Terra de la NASA.

Cámara térmica

RADAR M2 Descripción

RADAR M2 es una combinación de sistemas pasivos. Está integrado por un radar pasivo de microondas, un gravímetro de precisión y una cámara térmica. El radar emplea frecuencias de microondas con el objetivo de detectar las profundidades del suelo. En consideración a que, la presencia de partes y partículas metálicas altera las propiedades eléctricas del subsuelo. Sin embargo, la medición de estas capas profundas se ve afectada por las que se encuentran sucesivamente en superficie. Para poder discriminar las medidas, RADAR M2TM (Figura 3) integra un gravímetro de alta precisión. Finalmente, una cámara térmica compensa la contribución de la temperatura del suelo en las medidas que han hecho realizado los radares pasivos desde la superficie hasta su profundidad máxima de medida.

Figura 3: Componentes del radar M2
Figura 3: Componentes del radar M2.

El posicionamiento de las medidas debe obtenerse mediante un método no inercial, de ahí que se utilice el método con base satelital GPS. La aceleración inercial del aerotransporte se compensa mediante la aplicación de avanzados sistemas de compensación a la par que mediante la aplicación de filtros especiales durante su post procesado.