將無(wú)人駕駛飛機(jī)和探地雷達(dá)組合到單個(gè)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(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)已將無(wú)人駕駛飛機(jī)（UAV）和探地雷達(dá)（GPR）組合到單個(gè)集成系統(tǒng)中。 通過(guò)這種集成，可以使用低空飛行的無(wú)人機(jī)對(duì)土壤，巖石，冰或淡水進(jìn)行精確，全自動(dòng)的GPR測(cè)量，尤其是對(duì)于傳統(tǒng)的GPR測(cè)量方法難以步行到達(dá)的地點(diǎn)。怎么運(yùn)作呢？該系統(tǒng)由集成有探地雷達(dá)（GPR）的無(wú)人機(jī)組成。通過(guò)將車(chē)載計(jì)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(lái)計(jì)劃和管理無(wú)人機(jī)的飛行。添加激光或雷達(dá)高度計(jì)可使無(wú)人機(jī)在地面上方恒定的低空飛行。

▲GPR + 無(wú)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(chē)載計(jì)算機(jī)。安裝在無(wú)人機(jī)上的機(jī)載計(jì)算機(jī)UgCS SkyHub確保了GPR，無(wú)人機(jī)的自動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)飛行時(shí)間延長(zhǎng)了五分鐘。

▲車(chē)載計(jì)算機(jī)UgCS SkyHub

UgCS地面控制軟件可進(jìn)行調(diào)查任務(wù)計(jì)劃和飛行控制，確保無(wú)人機(jī)在自動(dòng)模式下以恒定速度飛行。完美的直線(xiàn)飛行路徑和恒定的速度是GPR + 無(wú)人機(jī)集成系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)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(guò)地理標(biāo)記并可以在地圖上再現(xiàn)。在飛行過(guò)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(dòng)執(zhí)行飛行任務(wù)期間的GPR +無(wú)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(wú)人機(jī)平臺(tái)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(chǎng)景。

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

真實(shí)地形跟隨 （True Terrain Following）通過(guò)盡可能降低GPR飛行高度來(lái)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(jì)，使無(wú)人機(jī)可以根據(jù)從高度計(jì)接收到的數(shù)據(jù)精確地跟蹤地形。真正的地形跟隨使無(wú)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(wú)需將精確的數(shù)字高程模型（DEM）高度圖導(dǎo)入到任務(wù)計(jì)劃軟件UgCS中。 激光測(cè)高儀通過(guò)測(cè)量紅外激光從地形表面反彈時(shí)的短暫閃光的飛行時(shí)間來(lái)收集不間斷的數(shù)據(jù)流，而UgCS SkyHub會(huì)相應(yīng)地調(diào)整無(wú)人機(jī)的飛行高度。由于該模式使用的是實(shí)際數(shù)據(jù)而不是預(yù)先存在的數(shù)據(jù)，因此稱(chēng)為“真實(shí)地形跟隨”。

▲GPR +無(wú)人機(jī)在地面上方持續(xù)低空飛行

速度無(wú)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(cè)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(diǎn)/為什么將GPR與無(wú)人機(jī)配合使用GPR + 無(wú)人機(jī)集成系統(tǒng)可確保提供準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，對(duì)人員更安全，更省時(shí)。

▲使用GPR + 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的主要好處

將GPR和無(wú)人機(jī)集成到單個(gè)系統(tǒng)中，不僅可以探索難以訪(fǎng)問(wèn)或危險(xiǎn)的地方，還可以最大程度地減少手動(dòng)操作GPR時(shí)發(fā)生測(cè)量錯(cuò)誤的可能性。例如，在船上安裝了GPR的情況下探索湖床時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生干擾，使海浪搖晃船，而無(wú)人駕駛飛機(jī)會(huì)沿著精確的飛行路徑飛行。出于這個(gè)原因–更高的精度–該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員建議自動(dòng)執(zhí)行GPR運(yùn)載無(wú)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(kāi)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(cè)繪或淡水測(cè)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(dòng)裝有GPR的手推車(chē)，但對(duì)于配備了GPR的無(wú)人駕駛飛機(jī)，結(jié)果可以更快，更方便地獲得，不會(huì)對(duì)人員造成安全隱患。 該方法還可用于檢測(cè)地下溪流或湖泊。圖8說(shuō)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(chē)場(chǎng)上方飛行的無(wú)人機(jī)上獲得的。這些層清晰可見(jiàn)。 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(chē)場(chǎng)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(méi)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(kāi)發(fā)的領(lǐng)土?xí)r也很有用。請(qǐng)注意，目前，配備了GPR的無(wú)人機(jī)可以檢測(cè)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(cè)例如混凝土廢水收集器，管道，地下隧道或掩體。參見(jiàn)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(jiàn)），可以在高達(dá)7米的高度清楚地檢測(cè)到700毫米鋼管。采集的數(shù)據(jù)樣本：https://files.ugcs.com/s/pjwttKyrP3E2Xed

水深測(cè)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(yùn)河的水域。無(wú)需為部署/回收而大量進(jìn)入水域。無(wú)人機(jī)可以到達(dá)步行無(wú)法到達(dá)的位置。 該系統(tǒng)在不安全和危險(xiǎn)的環(huán)境下工作，人類(lèi)不應(yīng)隨意接近該環(huán)境。無(wú)人機(jī)可以在不與水接觸的情況下運(yùn)行，因此，可以測(cè)量具有強(qiáng)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(zhǎng)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(wú)人機(jī)準(zhǔn)備起飛進(jìn)行測(cè)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(duì)使用了探地雷達(dá)（GPR）和無(wú)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(duì)已經(jīng)證明，由SPH Engineering開(kāi)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(shí)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(xiǎn)隊(duì)必須至少要三人-一支探險(xiǎn)隊(duì)人員帶頭檢查冰塊的安全性，一個(gè)拉雪橇，另外一個(gè)成員在移動(dòng)接收器。同時(shí)，GPR-drone集成系統(tǒng)完全自動(dòng)收集數(shù)據(jù)，同時(shí)使用地面控制軟件UgCS監(jiān)控飛行和雷達(dá)狀態(tài)。

▲勘測(cè)任務(wù)期間的GPR-無(wú)人機(jī)集成系統(tǒng)

▲在雪橇上裝有GPR的地面測(cè)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(jì)的無(wú)人機(jī)，使無(wú)人機(jī)能夠以“真實(shí)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(wú)人機(jī)