Vehículos aéreos no tripulados en ciencias de la tierra

Los VANT son aviones sin piloto que vuelan en misiones militares, policiales y comerciales para distintas tareas. Son relativamente rápidos y económicos, recopilan una gran cantidad de datos y pueden equiparse con sensores muy variados, desde cámaras normales a cámaras de infrarrojos y, ahora, también magnetómetros. Controlados inicialmente mediante aplicaciones militares, las plataformas, como helicópteros y aviones, han evolucionado significativamente en los últimos diez años con nuevas mejoras tecnológicas, eficiencia, alcance, tamaño y carga útil. Aunque estos desarrollos han quedado fuera del sector comercial, esta tendencia está cambiando con el descubrimiento de nuevas aplicaciones comerciales.

En un estudio magnético, una persona cubre en un día entre 10 y 15 km lineales. Para cubrir una red de 100 km lineales, tardaría aproximadamente 10 días, además de todo el gasto en alimentación, etc. Un dron puede cubrir 100 km lineales en menos de un día. Además, los problemas de seguridad personal de una persona aislada en la montaña durante 10 días son una verdadera preocupación. Con un dron se mitiga gran parte del riesgo asociado a un estudio de este tipo.
Aunque el dron vuela más alto y, por tanto, se reduce ligeramente la potencia de la señal, la densidad de corte de los datos, tanto a lo largo de una línea como entre líneas distanciadas entre sí menos de 10 m, compensa con creces los escasos datos que pueden obtenerse cuando se trabaja desde tierra, y que también son susceptibles de captar ruido de la superficie, como rocas y temblores del operario.

Desde la década de los 40 se han instalado o montado magnetómetros en plataformas aéreas para la exploración de recursos. Los mapas del campo magnético de la tierra pueden iluminar la geología estructural relacionada con contactos de rocas, cuerpos intrusivos, cuencas y roca madre. Los contrastes de susceptibilidad asociados con cantidades importantes de magnetita en el subsuelo pueden identificar áreas que pueden ser buenas candidatas para albergar depósitos de minerales de metales preciosos o tubos de diamantes. Las anomalías magnéticas existentes asociadas con mineralizaciones conocidas se extrapolan con frecuencia para ampliar los patrones de perforación y las actividades mineras en nuevas áreas.

Normalmente, después de un estudio aéreo, se requiere un trabajo terrestre para un estudio más pormenorizado de cualquier anomalía detectada. Todo este proceso implica muchos recursos materiales, humanos y logísticos.

Por nuestra parte, queríamos buscar un enfoque innovador, beneficiarnos de todos los avances tecnológicos existentes en lo que respecta a sensores magnéticos y vehículos aéreos no tripulados para proporcionar una mejor herramienta para estudios aéreos geofísicos.

La tecnología VANT ha mejorado notablemente en los últimos cinco años. Actualmente existen aplicaciones para VANT de control remoto sofisticadas y muy rentables, con tecnología del tipo de fotografía y Lidar en minería, entre otras. Aunque los pioneros en las aplicaciones de geociencia fueron lentos en sus avances, se espera que los sistemas de magnetómetro instalados en VANT sustituyan a la mayoría de estudios con gradiómetros magnéticos y magnetómetros aéreos portátiles de alta resolución. No se tardará mucho en adoptar sistemas magnéticos a bordo de VANT, porque la calidad de los datos que registran es comparable a la obtenida actualmente con sistemas tripulados.

Los vehículos VANT probados para condiciones extremas y difíciles se han adaptado para transportar componentes electrónicos ultraligeros, así como magnetómetros individuales o múltiples. Los vehículos deben demostrar que generan una cantidad mínima de interferencias magnéticas y que tienen suficiente carga útil para un sistema de gradiómetro magnético. En caso de utilizar un VANT de ala fija, la adaptación de un aeroplano incluye la instalación de cápsulas de punta alar y la utilización de sensores magnetométricos ligeros de vapor de potasio y bombeo óptico, especialmente diseñados para efectuar mediciones de precisión. Igualmente, es preciso reubicar los servos de las alas más cerca del fuselaje para reducir el ruido del sistema.

Si se precisa un estudio más detallado, un VANT DAV (Despegue y Aterrizaje Vertical) puede ser la mejor elección. Pero para lograr la cantidad mínima de interferencias magnéticas, el magnetómetro debe colgar a una distancia segura de la aeronave, tal y como se muestra en la figura 1.

Magnetómetro de potasio

El modelo GSMP-35 es un magnetómetro de resonancia de espín electrónico. La amplificación de señal de precesión se obtiene mediante un bombeo óptico a través de una línea espectral de potasio. El esquema del bloque del sensor se muestra en la figura 2.

La luz de la lámpara de potasio se filtra y se polariza circularmente con una longitud de onda de 769,9 nm, que incide en la celda de potasio. La celda absorbe parte de la luz y polariza los electrones de valencia según la representación del esquema esquemática de la figura 3.

La polarización circular ‘eleva’ los electrones del nivel 2 al nivel 3. Este es un estado metaestable, con lo cual los electrones vuelven a caer espontáneamente a los niveles 1 y 2. Al cabo de un tiempo, el nivel 2 se vaciaría y el nivel 1 se llenaría por completo. El vapor de potasio dejaría entonces de absorber la luz y será más transparente.

Para evitarlo, se efectúa una despolarización aplicando un campo magnético a la celda, con una frecuencia correspondiente a la diferencia de energía entre los niveles 1 y 2. De este modo, los electrones del nivel 1 vuelven a poblar el nivel 2 y la celda vuelve a ser más opaca.

Este proceso es alterno y genera una modulación de la intensidad de la luz que sale de la celda y llega al fotodiodo. El fotodiodo convierte la modulación de la luz en una corriente, cuya frecuencia es proporcional al campo magnético aplicado. La frecuencia se bloquea en un oscilador controlado por tensión (VCO).

La frecuencia del VCO se calcula midiendo primero su periodo medio y a continuación aplicando los coeficientes de los términos lineal, cuadrático y cúbico para determinar el valor del campo magnético. La medición computerizada se realiza utilizando un contador de referencia de alta frecuencia, que determina con precisión los tiempos en los que la frecuencia VCO cruza el cero. A continuación se lleva a cabo un ajuste de mínimos cuadrados de la secuencia de pasos por el cero. La frecuencia de muestreo del sistema varía entre 50 y 1000 milisegundos, con un valor predeterminado estándar de 100 milisegundos (1 – 20 lecturas/s).

Las ventajas de la tecnología de bombeo óptico de potasio radican en que ofrece la máxima sensibilidad, exactitud y la tolerancia de gradiente de todos los magnetómetros de bombeo óptico disponibles en el mercado. La estrecha línea espectral del potasio minimiza los errores de rumbo y orientación, reduce el mantenimiento de los sensores y proporciona resultados de gran calidad en área con gradientes elevados.

Los estudios magnéticos con VANT son menos costosos que los estudios terrestres o aéreos. Se pueden realizar en áreas muy peligrosas, demasiado remotas o demasiado caras para las aeronaves tripuladas. Los estudios magnéticos con VANT pueden proporcionar una mejor calidad de los datos en entornos en los que la topografía o la normativa de seguridad impidan que una aeronave tripulada pueda adquirir datos a una distancia óptima del terreno.

Solución integral - AirBIRD

El AirBIRD que se muestra en la figura 4 es un sistema de magnetómetro de potasio de alta sensibilidad que puede transportarse bajo la plataforma de un VANT. Dispone de alimentación, altímetro, GPS, sistema de adquisición de datos, conexión de radio de datos, estación de control terrestre (antena omnidireccional) y cable de enganche.

El AirBIRD es un sistema completo de magnetómetro aéreo, ligero e independiente, diseñado para aplicaciones con VANT. El interior del AirBIRD incorpora un magnetómetro aéreo de potasio de alta sensibilidad modificado, de GEM. Especialmente rediseñado para aplicaciones con VANT, el modelo UAV Mag es el magnetómetro más sensible del mercado y ofrece la precisión absoluta más alta y el índice de errores de rumbo más bajo disponible. El componente electrónico del magnetómetro (GSMP 35U) se ha modificado para almacenar datos magnéticos e integrarlos con datos potenciales y alternativos.

Dentro de la carcasa aerodinámica ligera del aparato, se encuentran los componentes para mapping y procesamiento de los datos.

Los datos del sistema AirBIRD se almacenan tanto en el DAS del magnetómetro como en la radio conectada a la estación terrestre, donde el operador puede llevar un seguimiento de los datos en tiempo real.

El GSMP 35U: ligero y pequeño

El magnetómetro GSMP-35U tiene una sensibilidad de 0,0003 nT y es el núcleo de las soluciones VANT de GEM. Los sensores están basados en el popular sensor de magnetómetro de potasio de bombeo óptico de GEM, que ofrece la más alta sensibilidad disponible en la industria. Los sensores transmiten los datos a través de RS-232 y es posible visualizarlos en tierra con fines de control de calidad.

El magnetómetro GSMP-35U se suministra con una tarjeta de memoria de 128 Mb, apropiada para vuelos largos. El magnetómetro GSMP-35U se puede suministrar con cableado opcional, firmware y software de posprocesamiento, con el fin de registrar en su memoria los datos generados por el piloto automático 3DR Pixhawk que se utiliza en numerosos VANT. Recuperando los datos del magnetómetro es posible crear en un solo paso una base de datos completa con múltiples parámetros, integrando datos del magnetómetro y de los sensores del VANT. Una de las prioridades de desarrollo del GSMP-35U ha sido la miniaturización el sensor: los ingenieros de GEM Systems han creado un magnetómetro con un sensor que solo pesa 0,43 kg y componentes electrónicos de procesamiento que solo pesan 0,46 kg (véase la figura 5).

Estudio realizado en la región de las cataratas del Niágara, con un VANT, a una altitud de 40 metros sobre el suelo, velocidad 5 m/s = 18 km/h.

El estudio permitió obtener resultados satisfactorios. La anomalía magnética que aparece en el mapa de la figura 7 era la base de operaciones, en donde se encontraba el generador eléctrico, el coche y otros instrumentos magnéticos.

La plataforma del VANT tiene que ser capaz de cargar como mínimo 2 kg para utilizar el instrumento GSMP-35U ‘Solo’; por su parte, el AirBIRD debe tener 3 kg de carga útil libre.

Para evitar interferencias magnéticas del propio VANT, el instrumento GSMP 35U debe colgar 3 metros por debajo y engancharse a la plataforma del VANT. En caso de utilizar el AirBIRD, deberá estar a una distancia de 10 de la plataforma del VANT.

Esta es la configuración mínima del VANT que permite volar el instrumento de GEM, sin poner en riesgo el vuelo y la seguridad.

Se recomienda utilizar un VANT de gama alta, como Pulse Aerospace Vapor 55, porque su solidez, seguridad, resistencia a las condiciones meteorológicas y autonomía de vuelo resultan de gran utilidad cuando se llevan a cabo estudios en lugares aislados.

En los estudios mineros, la cuadrícula recomendada es de 50 metros entre líneas, con el sensor a una distancia del suelo de entre 30 y 40 metros. No obstante, cuanto más bajo se vuele, más potente será la lectura magnética y mejor la calidad de los datos.

En algunas ubicaciones y terrenos, la altitud mínima puede verse comprometida. Si el estudio se realiza a una altitud de 100 metros, los resultados serán aceptables para exploración de minerales, ya que identificaremos grandes anomalías.

En función de la normativa de cada país, es posible que los vuelos deban efectuarse con línea de visión directa y con contacto visual constante durante todo el vuelo. En ocasiones se requiere una licencia para pilotar un VANT.

Los VANT ofrecen una forma segura de recopilar información detallada en áreas remotas de difícil acceso que sean de interés geológico para su exploración. En determinados casos, un estudio con VANT puede proporcionar un nivel de detalle más alto que un estudio con un magnetómetro terrestre y que un estudio aéreo. El estudio con VANT es idóneo y rentable en cuadrículas comprendidas entre 10 y 2.000 km lineales. Es posible cubrir centenares de kilómetros lineales en unos días, cuando una persona trabajando desde tierra tardaría semanas. Los estudios con magnetómetros no requieren cortes de líneas y la separación entre líneas puede ser muy reducida, si se requieren estudios especialmente detallados. Los vuelos son más cercanos al suelo que en los estudios aéreos y, por tanto, el nivel de resolución es mucho mejor. Se pueden efectuar de forma económica líneas de vuelo con una separación de 10 metros o menos, mientras que un helicóptero, un avión y o una persona raramente proporcionan estudios con una separación de líneas inferior a 100 metros, por motivos de costes.

La tecnología de los VANT puede aplicarse a numerosas disciplinas. Una de ellas es la geofísica, con importantes ahorros económicos y un trabajo mejor, más rápido y más seguro.

Gracias a los avances en electrónica de pilotos automáticos, materiales de aviación, GPS, energía, comunicaciones y software, el geólogo de campo no necesita adquirir destrezas nuevas y complejas para hacer volar un VANT. Bastan unas pocas horas de entrenamiento para estar en condiciones de utilizar esta interesante herramienta.

Actualmente se están revisando las aplicaciones prácticas de los VANT de ala fija y ala giratoria, con sus ventajas e inconvenientes. Los estudios hasta la fecha indican que el uso de vehículos autónomos asequibles para recopilación de datos magnéticos y de gradiente magnético de alta resolución constituye una alternativa viable a los vehículos tripulados, especialmente en entornos demasiado peligrosos o demasiado costosos / remotos para estos. En el futuro se irán introduciendo aplicaciones VLF para reconocimientos económicos preliminares.