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¿QUÉ ES EL ‘RADAR M2’?

El RADAR M2 es un radar pasivo o (radiómetro) sistema de medición que integra la combinación de distintos sensores pasivos, además de sensores de navegación y corrección del movimiento durante las mediciones.

El sistema fundamentalmente incluye: tres antenas radiométricas de microondas de banda estrecha, una cámara térmica, un sistema de posicionamiento global (GPS) y un sistema inercial triaxial (IMU).

La menor de las frecuencias de microondas es usada para detectar la presencia de minerales y compuestos con partículas metálicas que alteran las propiedades dieléctricas del subsuelo. Las otras dos antenas de frecuencia mayor se utilizan para detectar cambios en las capas más superficiales.

Finalmente, una cámara térmica compensa la contribución de la temperatura de la superficie del suelo producida por el sol en el total de la emisividad radiada.

En este documento se presentan tres apartados:

1- Introducción a la teledetección.
2- Propiedades físicas del subsuelo detectables por microondas.
3- Características y ficha técnica del radar M2.

1. 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.

De acuerdo con las leyes físicas: “Cualquier sustancia por encima del cero absoluto (-273.15 oC) 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, éste radía una gran cantidad de energía al espacio. Cuando llega a la superficie terrestre, parte de esta energía es observable en el espectro visible, como la luz, 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 todo el espectro de ondas:

radar m2
Figura 1: Opacidad atmosférica de la tierra.

Tal y como se puede apreciar, 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 en la que operan las tres antenas del radar M2.

Las otras dos regiones casi transparentes son la región del espectro visible y de los infrarrojos que son visibles mediante termografía.

En el universo de las microondas, la frecuencia está fuertemente relacionada con la profundidad de penetración y su capacidad de detección de los elementos. Cada una de las frecuencias está asociada a una aplicación.

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) Ejemplos de aplicación en suelos
VHF 1000 - 100 30 - 300 Geología, geofísica profunda.
P (UHF) 100 - 30 300 - 1000 Arqueología, detección de tuberías.
L 30 - 15 1000 - 2000 Capa vegetal y humedad del suelo.

Tabla 1: Bandas de microondas y aplicaciones en suelos. activa vs pasiva.

Dependiendo de la tipología de onda detectada, los sensores remotos que usan las propiedades del electromagnetismo pueden ser clasificados respecto a si son activos o pasivos.

Sensores Activos. Se diseñan para crear de forma activa una señal o estímulo en hardware que es propagado a la Tierra. El sensor detecta la respuesta reflejada. Los sensores activos miden distancias y velocidades a través del reflejo de la señal enviada. El Lidar (espectro óptico) y georradar (microondas) son ejemplos conocidos.

Sensores Pasivos. No crean ni irradian ningún tipo de señal o estímulo. Los sensores pasivos detectan energía radiada (emisividad) 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.

Su funcionamiento queda esquematizado en la Figura 2.

Figura 2: Sensor pasivo (izquierda) vs sensor activo (derecho).
Figura 2: Sensor pasivo (izquierda) vs sensor activo (derecho).

2. Propiedades físicas del subsuelo detectables por microondas

Por lo general, mediante microondas pueden detectarse cambios en la constante dieléctrica de un subsuelo. La constante dieléctrica es la capacidad que tienen las moléculas de un elemento a polarizarse bajo el efecto de un campo de radiación electromagnética.

Una de las consecuencias más directas del cambio de la constante dieléctrica de un medio es el cambio en la velocidad de propagación de una onda por dicho medio. De acuerdo con las ecuaciones de Maxwell, la velocidad de propagación de onda es mayor cuanto menor es la constante dieléctrica (ver figura 3).

Figura 3: Relación entre la constante dieléctrica y la velocidad de propagación en ondas.
Figura 3: Relación entre la constante dieléctrica y la velocidad de propagación en ondas.

Todos los valores son entre los límites 1 (aire) y 81 (agua). En la tabla 2 se presentan algunos valores de referencia de la constante dieléctrica de algunos compuestos minerales y rocas donde puede existir la presencia de oro, zinc o cobre, entre otros.

Banda Longitud de onda (cm)
Compuesto Constante dieléctrica
Pirita 10,5 - 11,5
Cuarzo 4,2 - 5,5
Galena 18
Ematita 25
Calcita 8,8 – 8,5
Berilio 5,5 a 7,8
Feldespato 3 a 5,8
Gneiss 8,5
Basalto 12

Tabla 2: Constante dieléctrica de algunos compuestos y rocas

A medida que la radiación se propaga por la corteza terrestre, va recibiendo interferencias que afectan a la constante dieléctrica del subsuelo. Algunos ejemplos son la presencia de agua, la presencia de sales con propiedades de conductividad eléctrica o la temperatura.

Existen filtros espectrales aplicados a la teledetección mediante radar que permiten caracterizar estos efectos. Algunos de los más conocidos son:

a) Medición de las propiedades eléctricas del subsuelo mediante el sensor de radar del satélite SMOS de la Agencia Espacial Europea.

b) Medición de los efectos de la temperatura del subsuelo mediante el uso del sensor de radar hiperespectral Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer (AVIRIS) de la NASA.

En la figura 4 se esquematiza el funcionamiento de un radar pasivo donde, los cambios producidos por un elemento de propiedades físicas muy diferentes a las de su entorno, modifican sustancialmente la emisividad del subsuelo y permiten que sea detectado:

Figura 4: Radar pasivo recibiendo radiación procedente del subsuelo
Figura 4: Radar pasivo recibiendo radiación procedente del subsuelo

Otro de los efectos más relevantes sobre las señales recibidas son las interferencias por efecto de las emisiones externas al medio, generalmente producidas de forma artificial.

Con el fin de mitigar las bandas que producen interferencias, el radar M2 utiliza bandas estrechas centradas en frecuencias protegidas por la International Telecomunication Union (ITU). En este sentido, la tecnología utilizada se basa en los dispositivos utilizados en el radiómetro MIRAS de la Agencia Espacial Europea (ESA).

Las bandas protegidas son bandas que permiten detectar, mediante radioastronomía, elementos de interés presentes en la atmósfera y la superficie terrestre. El uso de estas bandas en teledetección tiene la ventaja de que no pueden confundirse con fuentes artificiales de radiación, por lo que cualquier fuente radiante procede de una fuente natural.

En la tabla 3 se muestran las bandas protegidas por la ITU utilizadas por el radar M2:

Banda Longitud de onda (cm) Frecuencias (MHz)
VHF 411-402 73,0-74,6
P (UHF) 92-91 327,0 – 327,7
L 22-21 1.370,0-1427,0

Tabla 3: Bandas protegidas por la ITU utilizadas por el radar M2.

Por otro lado, una de las características del uso de antenas de banda estrecha (narrowband) respecto al uso de antenas de banda ancha (broadband) es la focalización de la energía recibida por el sensor receptor de microondas, que permite recoger datos a mayor profundidad. Las antenas de tipo broadband suelen ser utilizadas por dispositivos de georradar mientras que las antenas narrowband suelen ser utilizadas por radiómetros.

En la figura 5 se muestra, de forma ilustrativa, el espectro de recepción en el vacío de antenas de banda ancha y antenas de banda estrecha. Las frecuencias centrales son las tres bandas protegidas por la ITU y utilizadas por el Radar M2:

Radar M2

Figura 5: Bandas ancha y estrecha centradas en las frecuencias protegidas operadas por el radar M2.



RADAR M2 Funcionamiento

El esquema de los componentes del sistema de medición, corrección y filtrado de las señales es el que se muestra en la figura 6:

RADAR M2 Funcionamiento
Figura 6: componentes del sistema de radar M2

En la figura 7 se muestra, de forma ilustrativa, la respuesta en el caso que muestra la figura 6 correspondiente a una capa mineralizada profunda y una capa más superficial de agua. La antena VHF detecta la mineralización en las bajas frecuencias, mientras que la UHF elimina las altas frecuencias debido a la presencia de agua. La banda L identifica las capas más superficiales.

RADAR M2 Funcionamiento
Figura 7: Bandas ancha y estrecha centradas en las frecuencias protegidas operadas por el radar M2.

El resultado es un diagrama se amplitudes de onda, correspondientes a las zonas de mayor mineralización:

RADAR M2 Funcionamiento

En la figura 8 se muestran los distintos componentes del radar M2 en vuelo:

RADAR M2 Funcionamiento
Figura 8: Componentes del radar M2.

RADAR M2 capacidades operacionales

Detección de metales
Tres medidas cualitativas diferentes (HIGH, MID, LOW).
Límites:
 ‑ Au, desde 0.1-0.5 g/Tn
 ‑ Cu, desde 0.1-0.5 %
 ‑ Zn, desde 0.5 %
Tamaño de píxel  ‑ 70 m tamaño de píxel natural.
 ‑ 10 m pixel superponiendo en post-processado.
Área cubierta 100 a 2000 ha por cada 10 a 20 días de proyecto de prospección.