Novel measurement system based on electromagnetic sensors on board unmanned aerial vehicles for subsurface imaging and antenna measurement applications

Abstract

En esta Tesis Doctoral se presentan dos nuevos sistemas de medida basados en embarcar sensores electromagnéticos que trabajan en la banda de microondas a bordo de vehículos aéreos no tripulados (Unmanned Aerial Vehicles, UAVs). La capacidad de inspeccionar zonas de difícil acceso sin Interactuar con el medio es una de las razones que han contribuido a incrementar ampliamente el empleo de UAVs en el campo de la evaluación no destructiva. En concreto, los sistemas desarrollados y patentados a lo largo de esta Tesis se centran en dos campos de aplicación: subsurface radar imaging (i.e. obtención de imágenes radar bajo la superficie) y medida de antenas en condiciones de operación. Estas aplicaciones se han denominado aplicaciones más allá de lo visible, ya que la capacidad de penetración en medios opacos de los sensores embarcados permite la detección de fenómenos difícilmente detectables con sistemas ópticos. En el campo de subsurface imaging, se ha integrado un georradar (comúnmente conocido como Ground Penetrating Radar, GPR) en un UAV. La aplicación principal de los prototipos desarrollados en este ámbito es la detección de objetos explosivos enterrados bajo el suelo, como por ejemplo artefactos explosivos improvisados (Improvised Explosive Devices, IEDs). Por lo tanto, el objetivo del sistema es proporcionar imágenes del suelo inspeccionado y de los objetos enterrados en el mismo. Estas imágenes se obtienen combinando coherentemente las medidas del radar, empleando un método basado en apertura sintética (Synthetic Aperture Radar, SAR). Además, este método se complementa con otras técnicas para poder estimar la composición del suelo y mitigar el clutter. En cuanto a la medida de antenas, se ha embarcado un detector de potencia en un UAV para medir niveles de amplitud en campo cercano de la antena bajo medida. Estas medidas se procesan utilizando un método llamado Phaseless Sources Reconstruction Method (PSRM), que es una técnica de recuperación de fase capaz de estimar una distribución de corrientes equivalente en una superficie que encierra a la antena bajo medida. Esta distribución proporciona información de diagnóstico de la antena y puede utilizarse para calcular su diagrama de radiación en campo lejano. ABSTRACT (ENGLISH): This thesis presents two novel measurement systems based on mounting electromagnetic sensors working at microwave frequencies on board Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). The ability of inspecting difficult-to-access areas without interacting with the environment is one of the reasons that have contributed to widely increase the usage of UAVs in the field of Non-Destructive Testing (NDT). In particular, the systems developed and patented in the framework of this thesis are devoted to two main fields of application: subsurface radar imaging and antenna measurement at operational conditions. These kinds of applications have been given the name of beyond-the-visible applications, since the capability of penetration in opaque media of the on-board sensors allows the detection of phenomena that could not be detected with optical systems. Concerning subsurface imaging, a Ground Penetrating Radar (GPR) has been integrated into the UAV. The primary application of this prototype is the detection of explosive hazards buried below the soil, such as Improvised Explosive Devices (IEDs). Therefore, the goal of this system is to provide radar images of the inspected soil and the objects buried below its surface. These images are obtained by coherently combining the radar measurements with a Synthetic Aperture Radar (SAR) method. Furthermore, this method is complemented with other techniques in order to estimate the soil composition and to mitigate the clutter. Regarding antenna measurement, a power detector has been mounted on board the UAV to gather amplitude-only data in the Near-Field (NF) region of the Antenna Under Test (AUT). These measurements are post-processed using the Phaseless Sources Reconstruction Method (PSRM), which is a phase retrieval technique able to estimate an equivalent currents distribution at a surface enclosing the AUT. This distribution provides antenna diagnostics information and it can be used to calculate the Far-Field (FF) radiation pattern.