Unidad de control y registro digital para un georradar de aplicación específica en glaciología GPR,

(Ground Penetrating Radar, en terminología inglesa), que agrupa las funciones de gestión de los distintos elementos del georradar, de captación, digitalización, procesamiento y almacenamiento de trazas, y de interfaz con el usuario, al disponer de una pantalla (5.1) y un teclado (5.11) como periféricos de entrada y salida. La unidad de control y registro digital propuesta realiza un muestreo en tiempo real por apilamiento de trazas durante periodos de muestreo seleccionables por el usuario.

Unidad de control y registro digital para un georradar de aplicación específica en glaciología.

Sector técnico

La invención se sitúa en el ámbito de los georradares o radares de subsuelo, equipos que se emplean para la observación no destructiva, mediante ondas electromagnéticas, del medio que subyace bajo la superficie terrestre. Y se refiere, en particular, a los georradares de impulso con muestreo en tiempo real de la señal reflejada por el medio en estudio.

Antecedentes de la invención

Un georradar (GPR, Ground Penetrating Radar) es un equipo electrónico que permite estudiar el subsuelo, de forma no destructiva, mediante la emisión de ondas electromagnéticas (EM) y el registro de las reflexiones sufridas por estas bajo la superficie de trabajo. En general, consta de un emisor, o transmisor, (Tx) (1.2) y un receptor (Rx) (1.3) de señal EM, con sus correspondientes antenas (1.6 y 1.7); un sistema de registro de las señales (RDS) recibidas por reflexión, una unidad de control (UC) (1.1) y un sistema de sincronismo (1.4 y 1.5), para mejorar el rendimiento del equipo, y otros elementos auxiliares que aporten información de posición geográfica (GPS) (1.10) o control (odómetro) (1.11).

El método de trabajo consiste en desplazar el equipo sobre la superficie cuyo subsuelo se quiere estudiar, en el caso de glaciología, el interior de un glaciar (Fig. 2). Durante el trayecto se irán emitiendo señales electromagnéticas (EM) hacia el interior del medio, cuyas reflexiones en las imperfecciones o cambios de material, que la señal encuentre a su paso, quedarán registradas, en función del tiempo, en el equipo (traza) (Fig. 3). La representación de esas trazas en función de la distancia recorrida, proporciona una imagen (radargrama) de las variaciones que presente el medio bajo la superficie (Fig. 4).

El georradar es una herramienta especialmente adecuada para glaciología por la especial transparencia que presenta el hielo a cierto rango de frecuencias EM, lo que dota a la señal de una gran capacidad de penetración, identificando en los radargramas obtenidos el lecho rocoso que yace bajo las masas de hielo, incluso a profundidades de varios miles de metros, y los cambios de composición e imperfecciones que puedan aparecer en su volumen.

El uso del georradar en glaciología (radioglaciología) está ampliamente documentado. El primer texto monográfico dedicado a las técnicas de radioglaciología es el de Bogorodsky et al. (Radioglaciology. D. Reidel Publishing Company, Dordrecht, Holland, 1985), donde se incluye un compendio de las investigaciones realizadas hasta mediados de la década de 1980. Algunas referencias posteriores también se caracterizan por ofrecer una recopilación histórica de aplicaciones del georradar a la glaciología, entre ellas cabe destacar Gogineni et al. (An improved coherent radar depth sounder. Journal of Glaciology 44(148), 1998), Plewes y Hubbard (A review of the use of radio-echo sounding in glaciology. Progress in Physical Geography 25(2), 2001), Dowdeswell y Evans (Investigations of the form and flow of ice sheets and glaciers using radio-echo sounding. Reports on Progress in Physics 67, 2004) y Navarro y Eisen (Ground Penetrating Radar. En: P. Pellikka & W.G. Rees (eds.): Remote sensing of glaciers - techniques for topographic, spatial and thematic mapping. Pp. 195-229. Leiden: CRC Press/Balkema, Taylor & Francis Group, 2009). Aunque el hielo glaciar es un medio muy favorable para el uso de georradar, la presencia de agua en muchos glaciares hace que no todos los tipos de georradar sean utilizables siempre. El agua actúa como elemento dispersivo de las ondas EM, reduciendo considerablemente la capacidad de penetración de la señal. De los distintos tipos de georradares empleados en glaciología, el que, probablemente, presenta una mayor versatilidad, para los diferentes tipos de glaciar, es el de impulso. Se llama radar de impulso al que utiliza como señal emitida un pulso individual de duración muy corta (típicamente, un ciclo sinusoidal o una wavelet de Ricker), lo que reduce el efecto atenuador del agua. Además, dado que el pulso es muy corto, se necesita poca potencia para generar la señal. La desventaja de esta situación es que, al usar pulsos tan cortos y de escasa potencia, la energía recibida en la onda reflejada es también pequeña. Este problema se resuelve utilizando la técnica de apilamiento (stacking) de la señal recibida, que consiste en acumular un determinado número de señales recibidas, trazas, calculando posteriormente su media, con lo que se consigue mejorar la relación señal a ruido.

Para realizar la captura de la señal, la mayoría de los georradares de impulso suelen emplear la técnica de muestreo en tiempo equivalente, como indican Annan y Leggatt en su patente US 2002/0080057 (Timing and control and data acquisition for a multi transducer ground penetrating radar), que consiste en obtener la forma de onda a partir de muestras tomadas sobre una secuencia de ondas repetidas (y por lo tanto iguales), en diferentes instantes de tiempo. Lo que supone disponer de esas señales repetidas y, además, que no varíen mientras dura el proceso de muestreo.

Otra situación muy común en los sistemas de georradar consiste en utilizar un ordenador, habitualmente portátil, para realizar las labores de control y almacenamiento de datos, comúnmente con una aplicación específica para el sistema en cuestión. Este hecho, cuando se trabaja en campo en condiciones muy adversas, como las que suelen concurrir en un glaciar, no hace especialmente fácil el empleo de ese tipo de georradares.

Explicación de la invención

La unidad de control y registro digital de señal (UCRDS), cuya invención se reivindica en este documento, se incluye en un equipo de georradar que se corresponde con el diagrama de bloques representado en la figura Fig. 1. La apariencia física de esta unidad se esquematiza en la figura Fig. 5.

Esta UCRDS agrupa las funciones de:

• interconexión y control del resto de dispositivos del georradar,

• muestreo de la señal recibida en tiempo real,

• procesado en tiempo real, mediante la técnica de apilamiento de trazas, de las trazas registradas;

• interfaz con el usuario,

• y almacenamiento de la información obtenida durante el proceso de medida.

Para desempeñar estas labores la unidad cuenta con los siguientes elementos fundamentales:

• Un conversor analógico digital (ADC, Analog to Digital Converter) de alta velocidad (200M (200×10⁶) muestras por segundo, por lo menos) de, al menos, 12 bits, que permita la captura del número de puntos de la traza deseados, en el periodo de muestreo elegido. En el caso de este equipo el periodo de muestreo es seleccionable por el usuario, con un mínimo de 2.5 ns y el número de muestras a capturar tiene un valor fijo de 4000 puntos. El número de bits de este ADC, determinará el margen dinámico teórico del georradar.

• Una FPGA (Field Programmable Gate Array) en la que se implementa el circuito digital que permite procesar las trazas capturadas, el diagrama de bloques de este circuito aparece en la figura Fig. 8. El circuito integrado en esta FPGA se encargará de realizar el proceso de apilamiento (stacking) de las trazas obtenidas, en número seleccionable por el usuario (mínimo 256), incluyendo el truncamiento final del resultado obtenido que proporciona la media de las trazas apiladas. Para ello se emplea un doble sumador (8.3) con memoria de almacenamiento temporal (8.4), esta estructura trabaja como un sumador de dos vías desplazadas en el tiempo, de modo que en una vía se procesan los puntos de la traza de posición par y en la otra los de posición impar. Una vez finalizada la suma (summation) de trazas, en la memoria de cada rama se obtendrá el resultado de la suma del número de trazas apiladas para cada punto, contando con los de posición par en un bloque y los de posición impar en el otro. Finalmente, los valores almacenados se truncan, en un bloque para el truncamiento (8.5), al tamaño de dato deseado y se transfieren en orden alterno, según la rama, para completar la trama en la secuencia correcta, ya que una rama aporta los puntos pares y la otra los impares. Este circuito genera, además, la señal de reloj necesaria para el control del proceso, para ello se emplea uno de los circuitos PLL (Phase-Locked Loop) de los que dispone la FPGA, y también activa el ADC en la captura de cada punto de la traza.

1. Unidad de control y registro digital para su integración en un equipo de georradar de tipo impulso de aplicación específica en glaciología que comprende los siguientes elementos:

• Un conversor analógico digital (ADC) de alta velocidad (8.1) para la digitalización de los puntos de traza proporcionados por el receptor del georradar

• Un FPGA, que activa el ADC y realiza, en tiempo real, el muestreo y el apilamiento de los puntos de las trazas recibidas y, en el que se integran los siguientes elementos:

• Ranura de conexión para una tarjeta de memoria (5.9), en la que se almacenan los ficheros que contienen los valores obtenidos del proceso de apilamiento de trazas procesadas en la FPGA

• Un microcontrolador con funciones de:

• Elementos de control del equipo por parte del usuario consistentes en:

• Conectores (5.2-5.6 y 5.10), cada uno de ellos con distinto número de pines, para la conexión de la unidad de control y registro digital con el resto de elementos del equipo

• Una caja metálica para albergar la unidad de control y sistema de registro digital, con conexiones y accesos por una sola cara.

2. Unidad de control y sistema de registro digital según la reivindicación 1 caracterizado porque es alimentable desde una fuente externa de 12 V.

3. Unidad de control y sistema de registro digital según reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque el conversor analógico digital (ADC) de alta velocidad es de, al menos, 12 bits con una velocidad de captura mínima de 200M (200×10⁶) muestras por segundo.

4. Unidad de control y sistema de registro digital según reivindicaciones 1 a 3 caracterizado porque la pantalla (5.1) es una pantalla LCD gráfica en blanco y negro de 240*128 caracteres, con iluminación interna y control automático de temperatura.

5. Unidad de control y sistema de registro digital según reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque el teclado (5.11) tiene 4 botones, a saber:

• ALT: Activación de funciones especiales o retorno a pantalla previa

• MENU/ENTER: Entrada al menú (al arrancar) o activación de opción seleccionada, durante el proceso

• START: Puesta en marcha de la medida (junto con ALT), subida o desplazamiento a la derecha (en menú) o incremento de campo seleccionado

• STOP: Parada de medida Cunto con ALT), bajada o desplazamiento a la izquierda (en menú) o decremento de campo seleccionado, según contexto.