MEDICIONES DE PRUEBAS DE UN NUEVO SISTEMA DE RADAR FMCW, DE ALTA RESOLUCIÓN EN PATRIOT HILLS, ANTARTICA

Transcripción

1 MEDICIONES DE PRUEBAS DE UN NUEVO SISTEMA DE RADAR FMCW, DE ALTA RESOLUCIÓN EN PATRIOT HILLS, ANTARTICA ( Measurement test of a new high resolution FMCW radar system at Patriot Hills, Antarctic) Carlos Cárdenas (,,), Klaus Schünemann (), Martin Jenett (), Jürgen Winkelmann () () Universidad de Magallanes,Casilla -D, Punta Arenas, Chile () Centro de estudios del cuaternario, Casilla -D, Punta Arenas, Chile () Technische Universität Hamburg-Harburg, Denickestraße, 07 Hamburgo, Alemania RESUMEN En la Universidad técnica de Harburg- Hamburg, Alemania se desarrolló un nuevo sistema de radar FMCW de alta resolución en el marco de un trabajo de investigación de un chileno conducente al grado de Ph.d. Durante las pruebas de campo realizadas en las cercanías de los montes Patriot, Antártica (80 8 S, 8 W), en Diciembre 00 se recolectaron datos glaciológicos mediante el sistema de radar FMCW con el objetivo de definir las posibilidades de este nuevo sistema. Esta campaña fue realizada dentro del proyecto de cooperación científica Chileno- Alemán CHL 0/Z0 Test und Optimierung eines FMCW Radarsensor für die Glaziologie entre la Universidad de Magallanes (UMAG), Centro de estudios del cuaternario (CEQUA), oficina internacional de educación e investigación de Alemania (BMBF) y la Universidad técnica de Harburg-Hamburg (TUHH). Las mediciones con el sistema de radar incluyeron un perfil continuo en las cercanías del campamento base y sobre dos transectas. El sistema fue transportado sobre un trineo a lo largo de la superficie glaciar demostrando la efectividad de este instrumento como una herramienta glaciológica.. INTRODUCCION Patriot Hills esta localizado al Sureste de las montañas Ellsworth, en el sector Antártico occidental, específicamente en los 80 8 S, 8 W (ver figura ). Aledaño a Patriot Hills se encuentra una zona de hielo azul, la cual permite que aeronaves de gran envergadura puedan posarse sobre esta, posibilitando el abastecimiento logístico en esas latitudes. El hielo azul en la zona de Patriot Hills tiene la característica propia de hielo frío, en cuanto a homogeneidad y bajas pérdidas frente a las ondas electromagnéticas, presentando las mejores condiciones para realizar mediciones de calibración y optimización del nuevo sistema de radar. Figura. Localización geográfica, Patriot Hills. (Fuente; Laboratorio de Glaciología Universidad de Magallanes y Universidad de Chile) El modelo utilizado fue un sistema de radar de frecuencia modulada de onda continua (FMCW) y de alta resolución operando a una frecuencia entre 00 a 00 MHz con un rango máximo teórico de 60 m y una resolución vertical teórica de 0, m en hielo. Las

2 mediciones fueron realizadas desde la superficie glaciar y se realizaron exitosamente mediciones de espesores de hielo sobre los 600 m de profundidad, con una resolución de 0,6 m [Cárdenas, 006]. Cordillera Independence Montes Patriot Pista Pista de de hielo azul Estación base Antonio Hunneus INACH (Chile) Figura. Zona de las mediciones, Patriot Hills.. MATERIALES Y METODOS Estación base Teniente Parodi FACH (Chile) ALE (UK) Medición Medición Medición 000 m El sistema de radar permite realizar mediciones no destructivas en forma remota, y esta compuesto de tres partes fundamentales: una etapa transmisora, una receptora y un sistema de adquisición de datos. La etapa transmisora genera una señal de radio frecuencias en un rango comprendido entre los 00 y 00 MHz con una potencia de salida de Watt. La señal generada por el transmisor es enviada hacia el interior del glaciar por medio de la antena transmisora y transcurrido un tiempo las señales reflejadas desde la superficie y desde las distintas capas internas del glaciar son capturadas por la antena receptora. Luego la señal es procesada y almacenada en el sistema de adquisición de datos, en donde la distancia entre la antena y las distintas capas del glaciar es determinada en forma indirecta a través del análisis de las frecuencias. Finalmente las señales son desplegadas sobre la pantalla de un computador personal para su análisis en tiempo real. N Las señales de frecuencias capturadas son digitalizadas por medio de una tarjeta de adquisición de datos cuya resolución es de 6 Bit, con una tasa máxima de muestreo de 00 KHz. El procesamiento inicial, muestra y almacenamiento de datos en tiempo real es realizado por un programa en Labview y el procesamiento final es realizado mediante el software REFLEXW utilizado principalmente para análisis sísmico. El trabajo realizado en terreno, tuvo como campamento base la estación Antonio Hunneeus, perteneciente al Instituto Antártico Chileno (INACH). Las mediciones fueron realizadas en las cercanías de la estación, como también sobre dos transectas que unen el campamento base y los montes Patriot (ver figura ). El sistema de radar fue montado sobre una estructura de, mt de alto junto a sus antenas, la cual permitió su desplazamiento sobre el hielo (ver figura ). La alimentación del sistema se realiza a través de baterías con una autonomía de a horas. El peso del sistema en general es de 0 Kg. y su desplazamiento sobre el hielo se realizó en forma manual. Figura. Sistema de radar montado sobre estructura en Patriot Hills, Antártica La optimización del sistema se realizó durante una medición en tiempo real.

3 Para ello se analizaron los parámetros internos del sistema, se ajusto la potencia del transmisor, se evaluó la atenuación de la señal de retorno y se determinó la influencia de la adaptación de las antenas en al emisión y recepción de la señal (antena transmisora y receptora). Este análisis permitió ajustar el sistema para lograr un mejor rendimiento. La calibración del radar se realizó mediante el procesamiento de datos capturados y almacenados en una medición en el sistema de adquisición de datos. Para ello se realizaron mediciones sobre zonas donde ya son conocidos los perfiles aproximados de fondos rocosos y se compararon con los nuevos datos obtenidos a través del sistema. Finalmente se realizaron mediciones con el radar optimizado permitiendo definir la resolución real del sistema.. RESULTADOS La figura muestra los trayectos de las tres principales mediciones realizadas en terreno una realizada en las cercanías del campamento base y dos transectas que van desde la estación base (INACH) cruzando la estación base de la Fuerza Aérea de Chile en dirección a la pista de hielo azul aledaña a los montes Patriot. El camino recorrido en primera medición es el segmento continuo mostrado en la figura y los parámetros del sistema de radar están indicados en la tabla. Parámetro Frecuencia de la señal Ancho de banda Periodo de la señal Frecuencia de muestreo Valor MHz 00 MHz 00 ms 0 KHz Tabla. Parámetros originales del sistema de radar FMCW La figura muestra el resultado de esta medición, donde se indica la profundidad del hielo en una escala de tiempo entre 0 y, (µs). La velocidad de propagación de la onda electromagnética sobre hielo frío para afectos de cálculos se asumió 68 (m/µs) [Bogorodsky, Bentley y Gundmandsen, 98]. El tiempo cero en las figuras, y 6 corresponde al instante de tiempo que la señal es emitida desde la antena transmisora Figura.Datos procesados, ra medición Figura.Datos procesados con nuevos parámetros, da medición Figura 6.Datos procesados con nuevos parámetros, ra medición. Aproximadamente a los 0,6 (µs) (ver figura ) se identifica una línea oscura que representa la señal directa o señal superficial emitida desde

4 la antena transmisora a la antena receptora a lo largo de la interfase aire/hielo. Sobre el rango 06-0,9 (µs) se aprecian líneas paralelas, que pueden ser interpretadas como estructuras internas del hielo, por consecuencia de la discontinuidad dieléctrica del hielo [Gogineni, 998]. El sistema detectó estructuras internas y un espesor máximo de 0 metros con una resolución de 0,6 metros, sin embargo la incertidumbre en la detección del fondo rocoso obligó a realizar cambios en los parámetros del sistema. Con la finalidad de determinar los nuevos parámetros del sistema, se realizó una segunda medición en las cercanías del campamento base (ver figura ). La medición fue realizada sobre un trayecto de forma rectangular, donde se calibró y optimizó el sistema, logrando un claro aumento en su capacidad de detección. El resultado es mostrado en la figura, donde claramente se distingue el fondo rocoso a lo largo del recorrido entre los 6,6 y 7, (µs). Las estructuras internas pueden ser visualizadas entre los 0,6 y (µs). La tabla muestra los nuevos parámetros del sistema de radar. Parámetro Frecuencia de la señal Ancho de banda Periodo de la señal Frecuencia de muestreo Valor MHz 00 MHz 800 ms 0 KHz Tabla. Nuevos parámetros del sistema de radar. En las mediciones se identificaron interferencias los cuales se atribuyen a señales de ruido producidos por componentes internos del Radar, este ruido interno es identificado como dos líneas que cruzan la figura, las cuales son apreciable en los rangos - 6 (µs) y 9-0 (µs). La tercera medición se realizó entre el campamento base y la morrena de los montes Patriot (ver figura, trazo segmentado). Se aprecia el fondo rocoso del glaciar en forma muy clara, llegando a medir sobre los 600 metros de espesor con una resolución de 0,6 metros. Por otro lado desde el punto inicial de la medición hasta aproximadamente las 00 muestras (ver figura 6) se utilizó un pre-amplificador en la antena receptora, luego siguiendo el tramo hasta las 00 muestras, el sistema prosiguió con las muestras, pero detenido, continuando aproximadamente hasta las 00 muestras. En este punto se desmontó el pre-amplificador, resultado una señal con menos ruido. La medición continuó hasta la morrena del glaciar y finalmente el camino de regreso al campamento base fue aproximadamente el mismo trayecto antes realizado, el cual puede ser reconocido a través de la simetría del fondo rocoso (ver figura 6).. CONCLUSION El diseño desarrollado en la Universidad Técnica de Hamburg Harburg es un efectivo instrumento para estudios glaciológicos, permitiendo realizar en forma remota mediciones de espesor y estructura interna en hielo con alta resolución. Los resultados demuestran su capacidad de detección en hielo frío sobre los 600 metros con una resolución de 0,6 metro. AGRADECIMIENTOS CEQUA, INACH, BMBF. REFERENCIAS Bogorodsky, V.V., Bentley, C.R. y Gundmandsen, P.E. 98. Radioglaciology. D. Reidle Publishing Company. Cárdenas, C Hochauflösende Radargeräte zur Untersuchung oberflächenaher Bodenschichten für geophysikalische und glaziologische Anwendung ( Tesis doctoral ). Gogineni, S., Chuah, T., Allen, C., Jezek, K. y Moore, K An improved coherent radar

5 depth sounder. Journal of Glaciology, Vol.. N 8, pag