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Usar LabVIEW, PXI y DIAdem para crear un radar FMCW con antenas en fase para capturar imágenes de avalanchas

“Usando el software NI LabVIEW y hardware de adquisición de datos PXI Express, perfectamente integrados, realizamos exitosamente medidas de tres eventos naturales de avalancha durante el invierno y esperamos registrar más datos.” – Matthew Ash, University College London

El Reto

Estudiar la dinámica del flujo de avalancha para predecir mejor el comportamiento e identificar las zonas de peligro.

La Solución

Usar el hardware NI PXI Express y el software LabVIEW perfectamente integrados para adquirir datos de alta resolución y alta velocidad desde un arreglo de radar para producir animaciones de movimiento 2D dentro de regiones densas de flujos de avalancha. Las avalanchas son una gran amenaza para la vida humana y los asentamientos, por lo que estudiarlas es clave para detectar las zonas de riesgo. Anteriormente, la validación de modelos para predecir el comportamiento de avalanchas estaba limitada por la falta de datos de campo de alta calidad.

Podemos utilizar sensores de radar para recopilar datos de campo, pero en su forma actual, únicamente proporcionan medidas del rango de una sola dimensión. La potencia del transmisor también los limita a una resolución de rango en el orden de 50 m, que es demasiado burda para proporcionar una verdadera representación de la dinámica de las avalanchas. Este proyecto estudia la dinámica fundamental de los flujos de avalanchas con la ayuda de un radar de onda continua de frecuencia modulada (FMCW) con antenas en fase, desarrollado recientemente.

Con este radar único, ahora podemos producir medidas de velocidad de alta resolución en 2D y una reconstrucción 2D completamente animada de los acontecimientos de las avalanchas. El proyecto involucra a varias instituciones: Universidad de Sheffield, Universidad de Cambridge y Universidad Colegio de Londres (UCL). En UCL, trabajamos en el desarrollo del sistema del radar y el procesamiento de señales de radar asociado. El radar opera en un búnker de concreto reforzado en un sitio de pruebas de avalanchas bien equipado en Vallée de la Sionne (VDLS), Suiza. El búnker se coloca al pie de una pendiente opuesta a la trayectoria de la avalancha y proporciona protección para nuestro equipo de radar. Usamos el sitio de pruebas para estudiar los procesos de las avalanchas, usando una variedad de sensores como radar, sensores de presión y sensores acústicos.

Podemos desencadenar avalanchas de manera artificial para realizar medidas experimentales al activar explosivos en la cima de la montaña después de una fuerte nevada. El sitio también es propenso a avalanchas naturales que podemos medir con instrumentos que se activan automáticamente por sensores acústicos.

Control de radar y adquisición de datos

Varios sistemas especializados en adquisición de datos parecían cumplir nuestros requisitos de dise ño, sin embargo, únicamente una solución de National Instruments ofreció la integración necesaria entre nuestro hardware y software para que este proyecto tuviera éxito. Compramos un chasis NI PXIe- 1082 combinado con un controlador NI PXIe-8130 y un dispositivo DAQ NI PXIe-6366 de la Serie X de 8 canales, 16 bits con especificaciones que cumplieron con nuestros requerimientos de transferencia de datos y rango dinámico.

Combinado con una unidad de estado sólido de otro proveedor, el sistema puede medir eventos completos de avalanchas (que se espera que duren por lo menos dos minutos), sin pérdida de datos o desbordamientos del búfer. La colaboración de LabVIEW con el sistema fue vital para el diseño del software del sistema. Necesitábamos que el radar operara durante todo el invierno sin fallas, por lo que la fiabilidad del software era crítica. El radar también se conecta con un sistema de disparo en el búnker de pruebas de avalanchas.

Utilizamos soporte por teléfono y en persona de NI para configurar rápidamente LabVIEW para detectar un disparo y comenzar nuestra adquisición de datos y también controlar relevadores para encender nuestro transmisor de radar. Probamos exhaustivamente el software basado en LabVIEW antes de la implementación para comprobar su fiabilidad. El desarrollo del software fue tan sencillo que nos ahorramos tiempo de desarrollo crucial y nuestro sistema estaba en funcionamiento para la temporada de avalanchas.

Diseño del radar

El radar desarrollado en UCL sigue un diseño FMCW, el cual lleva a cabo las medidas al combinar la señal transmitida de frecuencia modulada lineal (LFM) con la señal de retorno recibida. Este proceso de combinación produce una diferencia de frecuencia (frecuencia de pulso) para extraer la información de rango y velocidad del objetivo. En este caso, la frecuencia de operación del radar es de 5.3 GHz,elegida para iluminar la región densa causante de la avalancha Nuestro radar FMCW proporciona una resolución de rango menor a un metro con una potencia del transmisor relativamente baja debido a que la señal transmitida tiene un amplio ancho de banda (200 MHz) y el radar transmite continuamente.

El proceso de combinación también comprime toda la energía de la señal en un ancho de banda muy pequeño, lo cual reduce la tensión en el hardware de adquisición del receptor en relación con otras técnicas de compresión de pulsos. El radar de UCL tiene ocho canales de receptor para proporcionar resolución horizontal por primera vez (por lo tanto, el radar produce imágenes 2D). Las ocho antenas de receptor están distribuidas al azar a través de una amplia abertura de 5.3 m para una resolución horizontal de c. 10 m a un alcance de 1 kilómetro. El radar tiene un rango máximo de c. 3 km para representar la trayectoria completa de la avalancha.

Para satisfacer este requerimiento, usamos el dispositivo DAQ NI PXIe- 6366, el cual es capaz de adquirir datos simultáneamente en ocho canales a la velocidad de muestreo de 2 MS/s que requeríamos. Las estimaciones de acoplamiento cruzado entre la antena de transmisión al radar y la antena de recepción más cercana significan que el radar tenía un requerimiento de rango dinámico de c. 80 dB; por lo tanto, el convertidor A/D del receptor requería un número efectivo de al menos 14 bits.

Medidas de avalanchas

Después de que el sistema adquiere medidas de una avalancha, procesa los datos registrados del radar completamente fuera de línea. Para hacer al procesamiento más eficiente en memoria (los juegos de datos son muy grandes), los datos se dividen en segmentos usando NI DIAdem y su funcionalidad de automatización a través de Visual Basic Script (VBS). DIAdem exporta convenientemente los datos segmentados en un formato que el software de terceros puede leer directamente. Cada canal de receptor inicialmente procesa los datos recolectados por separado. Al realizar una indicación de objetivo en movimiento en los datos, podemos filtrar los objetivos que no se mueven y aislar los objetivos asociados con la avalancha en movimiento. La intensidad de cada píxel de la imagen es proporcional a la intensidad de la señal de retorno del objetivo en movimiento.

Conclusión

Usando el software NI LabVIEW y hardware de adquisición de datos PXI Express, perfectamente integrados, realizamos exitosamente medidas de tres eventos naturales de avalancha durante el invierno y esperamos registrar más datos. Los planes futuros involucran aplicar técnicas para registrar la trayectoria de la avalancha para que podamos medir la velocidad de la avalancha usando la información Doppler. Nuestras estimaciones de velocidad serán validadas contra los datos recolectados por otros instrumentos de radar enterrados en la trayectoria de la avalancha. El objetivo final es producir animaciones 2D de eventos completos de avalanchas con una velocidad de 50 fotogramas por segundo.



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