將無人駕駛飛機(jī)和探地雷達(dá)組合到單個集成系統(tǒng)中

SPH Engineering（一家總部位于歐洲拉脫維亞的公司）的工程和開發(fā)團(tuán)隊已將無人駕駛飛機(jī)（UAV）和探地雷達(dá)（GPR）組合到單個集成系統(tǒng)中。 通過這種集成，可以使用低空飛行的無人機(jī)對土壤，巖石，冰或淡水進(jìn)行精確，全自動的GPR測量，尤其是對于傳統(tǒng)的GPR測量方法難以步行到達(dá)的地點。怎么運作呢？該系統(tǒng)由集成有探地雷達(dá)（GPR）的無人機(jī)組成。通過將車載計算機(jī)UgCS SkyHub添加到系統(tǒng)中，可以確保完全集成。使用地面控制軟件UgCS的全部功能來計劃和管理無人機(jī)的飛行。添加激光或雷達(dá)高度計可使無人機(jī)在地面上方恒定的低空飛行。

▲GPR + 無人機(jī)集成系統(tǒng)的組件

UgCS與UgCS SkyHub地面控制軟件UgCS與UgCS SkyHub確保所有硬件完全集成的關(guān)鍵元素，UgCS SkyHub這是一種特殊的車載計算機(jī)。安裝在無人機(jī)上的機(jī)載計算機(jī)UgCS SkyHub確保了GPR，無人機(jī)的自動駕駛儀和地面控制軟件UgCS之間的連接，還確保了從起飛到著陸以及GPS數(shù)據(jù)的自動雷達(dá)數(shù)據(jù)記錄。UgCS SkyHub還取代了平板電腦，后者通常與GPR一起用于數(shù)據(jù)記錄，從而減輕了重量，將最長飛行時間延長了五分鐘。

▲車載計算機(jī)UgCS SkyHub

UgCS地面控制軟件可進(jìn)行調(diào)查任務(wù)計劃和飛行控制，確保無人機(jī)在自動模式下以恒定速度飛行。完美的直線飛行路徑和恒定的速度是GPR + 無人機(jī)集成系統(tǒng)的主要優(yōu)勢之一 – 這可確保獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過地理標(biāo)記并可以在地圖上再現(xiàn)。在飛行過程中，可以使用UgCS軟件跟蹤任務(wù)和雷達(dá)的狀態(tài)，如圖3所示。

▲具有GPR數(shù)據(jù)的UgCS和UgCS SkyHub有效負(fù)載窗口的屏幕截圖

▲自動執(zhí)行飛行任務(wù)期間的GPR +無人機(jī)

探地雷達(dá)(GPR)目前，五款GPR機(jī)型已成功與DJI M600和M600Pro無人機(jī)平臺集成。GPR模型具有不同的頻率范圍和帶寬，從而使該系統(tǒng)適用于各種應(yīng)用場景。

▲DJI M600與1GHz雷達(dá)系統(tǒng)Zond-12e Drone 1000a集成

真實地形跟隨 （True Terrain Following）通過盡可能降低GPR飛行高度來模擬表面浮雕，以獲取最佳數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)中添加激光/雷達(dá)高度計，使無人機(jī)可以根據(jù)從高度計接收到的數(shù)據(jù)精確地跟蹤地形。真正的地形跟隨使無人機(jī)可以在地面上恒定且低空（最高1米）的高度飛行，而無需將精確的數(shù)字高程模型（DEM）高度圖導(dǎo)入到任務(wù)計劃軟件UgCS中。 激光測高儀通過測量紅外激光從地形表面反彈時的短暫閃光的飛行時間來收集不間斷的數(shù)據(jù)流，而UgCS SkyHub會相應(yīng)地調(diào)整無人機(jī)的飛行高度。由于該模式使用的是實際數(shù)據(jù)而不是預(yù)先存在的數(shù)據(jù)，因此稱為“真實地形跟隨”。

▲GPR +無人機(jī)在地面上方持續(xù)低空飛行

速度無人機(jī)的飛行速度也應(yīng)適應(yīng)探索的主題。地質(zhì)勘探或測深的建議速度為每秒2米，地下結(jié)構(gòu)的勘探速度為每秒1米。主要優(yōu)點/為什么將GPR與無人機(jī)配合使用GPR + 無人機(jī)集成系統(tǒng)可確保提供準(zhǔn)確的測量結(jié)果，對人員更安全，更省時。

▲使用GPR + 無人機(jī)系統(tǒng)的主要好處

將GPR和無人機(jī)集成到單個系統(tǒng)中，不僅可以探索難以訪問或危險的地方，還可以最大程度地減少手動操作GPR時發(fā)生測量錯誤的可能性。例如，在船上安裝了GPR的情況下探索湖床時，可能會產(chǎn)生干擾，使海浪搖晃船，而無人駕駛飛機(jī)會沿著精確的飛行路徑飛行。出于這個原因–更高的精度–該系統(tǒng)的開發(fā)人員建議自動執(zhí)行GPR運載無人機(jī)的地面穿透任務(wù)。應(yīng)用領(lǐng)域該系統(tǒng)由SPH Engineering開發(fā)，可用于一般的地面滲透作業(yè)，例如土壤剖析，地下基礎(chǔ)設(shè)施測繪或淡水測深。層剖面地質(zhì)調(diào)查通常在大型建筑工程之前需要進(jìn)行地質(zhì)土壤調(diào)查，方法是在地面上鉆孔以采集土壤樣本或拖動裝有GPR的手推車，但對于配備了GPR的無人駕駛飛機(jī)，結(jié)果可以更快，更方便地獲得，不會對人員造成安全隱患。 該方法還可用于檢測地下溪流或湖泊。圖8說明了由GPR收集的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是在1米高的瀝青覆蓋的停車場上方飛行的無人機(jī)上獲得的。這些層清晰可見。 數(shù)據(jù)集可以在這里下載：https://files.ugcs.com/s/zR5LZJmZoSKHKYr

▲在瀝青覆蓋的停車場上方1米處收集的數(shù)據(jù)

映射地下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)就像土壤調(diào)查一樣，在沒有這些工程記錄的情況下，地下基礎(chǔ)設(shè)施的制圖在建筑中探索先前開發(fā)的領(lǐng)土?xí)r也很有用。請注意，目前，配備了GPR的無人機(jī)可以檢測到橫截面不小于所探查區(qū)域深度的5-10％的物體。 該技術(shù)可用于檢測例如混凝土廢水收集器，管道，地下隧道或掩體。參見視頻2，其中顯示了使用500 MHz GPR系統(tǒng)在沙質(zhì)土壤中（在拉脫維亞很常見），可以在高達(dá)7米的高度清楚地檢測到700毫米鋼管。采集的數(shù)據(jù)樣本：https://files.ugcs.com/s/pjwttKyrP3E2Xed

水深測量非常適合難以到達(dá)的位置（陡峭的海岸，采礦坑，淺水區(qū)，地形障礙）以及池塘，湖泊和運河的水域。無需為部署/回收而大量進(jìn)入水域。無人機(jī)可以到達(dá)步行無法到達(dá)的位置。 該系統(tǒng)在不安全和危險的環(huán)境下工作，人類不應(yīng)隨意接近該環(huán)境。無人機(jī)可以在不與水接觸的情況下運行，因此，可以測量具有強流的湖泊和河流以及受污染的水域。 該系統(tǒng)當(dāng)前的技術(shù)功能允許進(jìn)行長達(dá)15米的深水勘探，即使在水被冰覆蓋的情況下，這也是可以的。

▲GPR +無人機(jī)準(zhǔn)備起飛進(jìn)行測深調(diào)查

探索-尋找在格陵蘭島冰下的飛機(jī)2018年7月，在格陵蘭島進(jìn)行了一次探索，該探索隊使用了探地雷達(dá)（GPR）和無人駕駛飛機(jī)集成系統(tǒng)，設(shè)法找到了埋在約100米冰下的“第二次世界大戰(zhàn)”飛機(jī)。 探索隊已經(jīng)證明，由SPH Engineering開發(fā)的GPR-drone集成系統(tǒng)可以高效地定位冰下深處的物體，即使在不利的天氣條件下獲得的數(shù)據(jù)也足夠精確。GPR-drone集成系統(tǒng)可以節(jié)省時間和人力，并且可以在不安全的地方使用。例如，使用安裝在雪橇上的GPR的格陵蘭探險隊必須至少要三人-一支探險隊人員帶頭檢查冰塊的安全性，一個拉雪橇，另外一個成員在移動接收器。同時，GPR-drone集成系統(tǒng)完全自動收集數(shù)據(jù)，同時使用地面控制軟件UgCS監(jiān)控飛行和雷達(dá)狀態(tài)。

▲勘測任務(wù)期間的GPR-無人機(jī)集成系統(tǒng)

▲在雪橇上裝有GPR的地面測量小組

印加遺址的考古調(diào)查該系統(tǒng)集成了探地雷達(dá)（GPR）和配備激光高度計的無人機(jī)，使無人機(jī)能夠以“真實地形跟隨”模式飛行，以進(jìn)行秘魯印加遺址的考古研究。

▲準(zhǔn)備起飛的GPR +無人機(jī)