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O céu é o limite para o sensoriamento remoto

Parceria do CPTEn com Radaz viabiliza pesquisas que favorecem a transição energética

A obtenção, processamento, e análise de dados precisos são etapas essenciais para que eles sejam transformados em informação confiável. Que, por sua vez é crucial no processo de tomada de decisão. Ainda mais se pensarmos em uma gestão de municípios adequada e na tão necessária e discutida transição energética.

Em relação ao planejamento territorial, muitas vezes são necessários mapeamentos detalhados das áreas urbanas e rurais, para avaliação da topografia e do subsolo, da vegetação e hidrologia locais, entre outros parâmetros. O que é considerado conhecimento útil para a construção de obras de infraestrutura e de interesse público, como barragens ou pontes, por exemplo, ou nas atividades agrícolas e industriais.

Porém, até pouco tempo, as principais formas de se conseguir esses dados eram os levantamentos aéreos tradicionais com aeronaves tripuladas ou as imagens de satélites.

Instalados em drones, radares permitem sensoriamento de áreas e planejamento de distribuição de energia

O novo radar compacto da Radaz, resultado de uma contribuição prévia entre um grupo de pesquisa da Unicamp, relacionado ao Centro Paulista de Estudos da Transição Energética (CPTEn) e a empresa spin-off da universidade têm proporcionado a geração desse tipo de dados de maneira eficiente e rápida. Esse sensor, pequeno o suficiente para ser transportado por aeronaves remotamente pilotadas (os famosos drones), já demonstrou muito potencial, com bastante sucesso em diferentes aplicações e países.

A ideia para esse equipamento surgiu da expertise de um grupo de especialistas na tecnologia de imageamento por radar de abertura sintética (da sigla SAR, em inglês, Synthetic Aperture Radar) que queriam ampliar as possiblidades dos levantamentos anteriormente realizados com aviões para outros tipos de aeronaves. Mas como os radares convencionais são bastante pesados, muitas vezes com mais de 100 kg, muita pesquisa foi necessária para a adaptação de um sistema que pudesse ser movimentado dessa maneira.

Bem mais leve, o RD350, com cerca de 5 kg, pode ser usado em drones da classe 3 (com peso acima de 250 g até 25 kg), e opera em três frequências, sendo constituído por duas antenas na banda C e na banda P (interferométricas), e outras duas na banda L (polarimétricas). Suas cinco configurações fornecem informações extras sobre o alvo a ser detectado ou o terreno a ser mapeado. Inclui ainda uma unidade de medição inercial (IMU, de Inertial Measurement Unit, com acelerômetro, barômetro, giroscópio, e termômetro) para calibrar sua movimentação, e um receptor de geolocalização (GNSS, de Global Navigation Satellite System) de dupla frequência acoplados a ele, a ser utilizado juntamente de uma estação GNSS em terra de características idênticas.

Ideal para uso em áreas de até 50 km2, tal flexibilidade nos levantamentos ainda é revelada pela sua capacidade de realizar sobrevoos tanto no modo helicoidal (mais fácil de ser feito com drones em comparação com aviões; para aquisição de maiores detalhes em 50 hectares/dia) como em modo linear (500 hectares/dia), sendo esse segundo tipo de voo mais adequado para cobrir terrenos maiores. A diferença nos tipos de voos a serem planejados, portanto, está relacionada com o serviço requisitado, a resolução espacial desejada das imagens, e o tamanho da região a ser coberta. Para se ter uma ideia, 30 a 40 hectares podem ser completados em aproximadamente 30 minutos de uso no modo linear, segundo a fabricante.

O sistema SAR faz uso do movimento do próprio equipamento e de técnicas avançadas de processamento de sinais para emular o uso de uma antena virtual de grandes dimensões, e desta forma, conseguir a emissão efetiva de feixes mais estreitos, melhorando a resolução quando comparado a um sistema de radar fixo.

E, sendo um sensor ativo (ou seja, que não depende de uma fonte luminosa externa, ao contrário dos detectores ópticos) o radar se torna atrativo por poder ser usado em diferentes condições, como à noite ou em casos de alta nebulosidade (chuva ou áreas com grande umidade, como florestas tropicais).

Prof. Hugo Figueiroa e a tecnologia desenvolvida

Cada banda de frequência tem a sua especificidade, o que faz com que seja mais adequada para um determinado levantamento. Comprimentos de onda (λ) menores são melhores para o imageamento da parte superficial de vegetação (caso da banda C), enquanto os maiores conseguem adentrar nas camadas inferiores de áreas vegetadas (banda L), bem como do solo e subsolo (banda P). E, de forma inversamente proporcional, quanto menor a frequência (f) emitida pelo radar, maior será a penetração do seu feixe, a depender também de outros fatores ambientais, (como condições climática-meteorológicas, densidade da vegetação, umidade e tipo do solo, etc).

Sem esquecer também que elas podem ser usadas em conjunto. Outra possibilidade ainda é o uso de mais de um drone com radar sobrevoando simultaneamente de forma paralela (esquema bi-estático), sendo um atuando como emissor das ondas e o outro como receptor dos pulsos eletromagnéticos, o que possibilitaria uma penetração no solo ainda mais profunda.

Assim, ao se obter imagens em momentos e ângulos diferentes, pode-se sobrepô-las, para uma composição (ou mosaico) bi- e/ou tridimensional, construindo um modelo digital de elevação. Facilitando o destaque nas deformações do terreno, ou obstáculos encontrados. Isso é o que se chama interferometria, ou seja, a medição da interferência das ondas, devido à sua diferença de fases.

Unicamp como centro da P&D

Sediada em São José dos Campos (primeira cidade brasileira a receber o título de inteligente), e fundada em 2017, a jornada da Radaz mostra que a relação entre a startup e a Unicamp não é nova. Tanto que parte da produção dos equipamentos é realizada em Campinas, justamente pela proximidade com a universidade. Isso porque a equipe da Radaz buscava seguir o modelo de inovação europeu com o qual estava habituado, como forma de atrair recurso humano altamente especializado, além de novas ideias.

Hugo Hernandez-Figueroa, professor da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (Feec) da Unicamp, coordenador do Laboratório de Eletromagnetismo Aplicado e Computacional (LEMAC) e um dos pesquisadores principais do CPTEn, conta que o seu grupo vem trabalhando com radares SAR desde 2004. Essa contribuição já envolveu diversos alunos de Graduação e Pós-Graduação ao longo dos anos. Anteriormente com a empresa OrbiSat, cuja divisão de radares de vigilância foi adquirida em grande parte (64,7%) pela Embraer Defesa & Segurança (EDS) em 2011, e passou a se chamar Bradar. Naquele momento, o Saber M-60, radar fixo para vigilância aérea, foi desenvolvido em conjunto com o Exército brasileiro, cuja tecnologia tem sido empregada pelas nossas Forças Armadas no monitoramento das fronteiras continentais e em grandes eventos (Copa do Mundo e Olimpíadas, para prevenção de ataques terroristas). A OrbiSat também usou seu sistema SAR transportado por aviões Cesna para realizar o imageamento da região amazônica, com cerca de um terço do levantamento realizado até 2015, projeto de grande porte do governo Federal que previa cobrir os chamados vazios cartográficos, mas que infelizmente não foi concluído até hoje.

Primeiramente, um protótipo do RD350 foi testado durante o Doutorado de Laila Moreira, Diretora técnica da empresa, na Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC). Sua pesquisa, defendida em 2021, tratou da otimização do design do sistema SAR para drones e outros tipos de Aeronave Remotamente Pilotadas (ARPs). Desde então, o seu aprimoramento contou com o trabalho de mais pessoas, tanto na avaliação de aplicações e desenvolvimento de softwares como na parte estrutural dos equipamentos.

Entre esses discentes do LEMAC, as Engenheiras em Telecomunicações Luana de Moraes L. G. Vaz (mestranda) e Rafaela Silveira Cardoso (doutoranda) auxiliaram na melhoria de duas das antenas do radar, que passaram por uma miniaturização. Elas encararam o desafio proposto pela Radaz, que precisou cumprir com diversos requisitos técnicos de operação (como na geometria delas e na escolha dos materiais), para não comprometer sua própria faixa de operação (na frequência de micro-ondas), nem afetar na emissão e recepção de sinais, ao mesmo tempo em que não atrapalhava o funcionamento da aeronave.

Pesquisadores do LEMAC

Para auxiliar na escolha dos melhores cenários para o desenvolvimento das antenas, o estudo prévio (antes da concepção em si dessa parte do radar), é importante porque ajuda a reduzir os custos de implementação do projeto. Ele envolve quatro etapas principais: 1) simulações eletromagnéticas (que auxiliam na escolha de melhores cenários considerando os diferentes parâmetros analisados); 2) fabricação; 3) testes em câmara anecoica (ambiente especialmente projetado para absorver campos eletromagnéticos não relacionados à operação das antenas) e posteriormente, 4) testes em campo. Após todo esse trabalho, elas conseguiram modificar o formato das antenas, que agora são todas integradas e curvadas, impressas em um substrato colado na superfície de um invólucro cilíndrico conhecido por POD, diferentemente da configuração do primeiro modelo para drones disponibilizado no mercado.

Tal POD, compacto, aerodinâmico e portátil, poderá contar ainda com mais detectores, como sensores ópticos e câmeras termais, por exemplo. De acordo com João Roberto Moreira, Engenheiro-chefe da empresa desde 2021, essa compactação no tamanho das antenas permitiu uma redução ainda maior no peso do radar e ainda com possibilidade de utilização acoplada em outros tipos ARPs que realizam voos de até 12 mil metros (altura acima dos aviões comerciais), com velocidades da ordem de algumas centenas de quilômetros por hora, ampliando substancialmente as áreas cobertas.

Agora, Luana está finalizando seu Mestrado em outra linha de pesquisa do LEMAC, a Fotônica – campo da ciência que estuda a natureza dúbia da luz (como onda e partícula, o fóton), na área de metasuperfícies pesquisando novos processos e o desenvolvimento de novos materiais aplicados a essa área. Enquanto Rafaela se encontra atualmente realizando parte de seu Doutorado em antenas do tipo refleto-arranjos para operar nas faixas de micro-ondas e terahertz na Itália, no Consiglio Nazionale delle Ricerche – Istituto per la Microelettronica e Microsistemi (CNR – IMM).

Eder Carlos Fernandes, profissional da área de computação com formação em Redes de Computadores e Mestrado em Tecnologia no currículo, dedicava-se inicialmente ao desenvolvimento de algoritmos de Inteligência Artificial (IA) antes de se concentrar na otimização do software destinado ao uso eficiente de do esquema SAR bi-estático no Doutorado.

Concomitantemente ao seu projeto, ele também colabora com a Radaz no aprimoramento dos aplicativos da empresa em linguagem Phyton. Ele destacou a importância do avanço científico no campo do aprendizado de máquina, particularmente no contexto do processamento de imagens e na análise ágil dos parâmetros coletados. Segundo Eder, essa evolução é fundamental para possibilitar predições mais corretas.

João Roberto, e o Prof. Hugo contaram que o auxílio da FAPESP foi essencial para a Radaz, para dar o aporte financeiro no início do projeto. Primeiramente por meio do Programa voltado à Pesquisa Inovativa em Pequenas Empresas (PIPE), na fase inicial da startup, que proporcionou a construção do primeiro protótipo, e com o Programa de Apoio à Pesquisa em Parceria para Inovação Tecnológica (PITE), junto à IBM, entre 2018 e 2020.

Esse último projeto foi uma colaboração entre a FEEC, a Faculdade de Engenharia Agrícola (FEAGRI, que cedeu um espaço para o experimento), e a Usina São Martinho, e focou na utilização do novo sistema de radar para o monitoramento da produção de cana-de-açúcar. Considerando que o radar atua como uma forma de sensoriamento remoto, ou seja, não necessita de averiguações localmente, é possível avaliar a umidade do solo, o crescimento médio do cultivo, e com o uso de técnicas de aprendizado de máquina, calcular sua produtividade (kg/m2) e estimar a biomassa e a data da colheita da safra.

E tal tipo de levantamento não invasivo foi testado, inclusive em outras culturas agrícolas, com plantações destrutivas como tubérculos e raízes tuberosas (cenouras), representando uma vantagem para o produtor e demonstrando a alta capacidade de adequação da tecnologia. Além de contribuir para o avanço da Agricultura Digital e a diminuição do desperdício de recursos hídricos e insumos.

A aplicação mencionada acima fez parte da dissertação de Mestrado do Engenheiro Elétrico Gian Carlos Oré Huacles, defendida em 2020. Agora, em seu Doutorado ele também investigou a presença de formigueiros subterrâneos, em florestas plantadas (de centenas de hectares), com grande precisão (de poucos metros) em sua localização e capacidade de medição do tamanho dessas estruturas. Para a Klabin, empresa do setor de celulose que pediu o estudo, o levantamento por radar embarcado em drone foi de grande valia, uma vez que esses dados auxiliam no controle dessa praga, responsáveis por até 15% de perdas na produção. Além de também fornecer informações para seus inventários florestais de forma mais eficiente que as técnicas convencionais. Por conta desse destaque todo, a Radaz conquistou dois prêmios no Expoforest 2023, em setembro passado.

Nesse caso, a estratégia escolhida foi fazer uma tomografia de subsuperfície, abordagem semelhante ao procedimento médico realizado em pessoas, em que cada camada é analisada em busca de disparidades. As cavidades dos formigueiros encontrados nos testes pilotos das florestas no Paraná apareceram como manchas escuras em até 4 metros de profundidade, substituindo medições manuais e facilitando o controle desses insetos tão problemáticos para a silvicultura.

“É incrível como surgem demandas que a gente jamais imaginaria para a utilização do radar”, comentou o Prof. Hugo. Nessa linha, inclusive, ele explicou que uma das primeiras aplicações pensadas para o radar foi na área de mineração, justamente pela capacidade do sistema em realizar esse tipo de tomografia do subsolo. Inicialmente uma assessoria foi prestada para uma empresa do setor, no monitoramento de uma dolina (depressão em solo cárstico, causada pela erosão da água), próximo a uma mina em Vazante (MG) na qual existia ameaça de colapso do terreno. Agora, a Radaz tem interagido com a Vale, para realizar levantamentos envolvendo tomografia de subsolo, com resultados bastante promissores.

Mas desde então, outras oportunidades foram surgindo no exterior para mostrar todo o potencial do equipamento, com mais pedidos de clientes de fora do país. Na opinião de João, isso reflete a cultura mais forte de aceitação de tecnologias inovadoras no exterior de forma geral, e pontua que é preciso investir mais nesse setor aqui, de forma a valorizar a produção intelectual nacional. Tanto que a importação de componentes para os hardwares representava um empecilho para a empresa, pela questão monetária e pelo tempo. A saída encontrada foi investir na criação dessas peças em território nacional, que tem como benefício adicional incentivar a Pesquisa & Desenvolvimento (P&D) no Brasil.

Entre os clientes e demandas internacionais, a Radaz destacou alguns: uma empresa do Reino Unido, para localizar tocas de castores às margens de rios, cujo teste já rendeu artigo publicado na revista IEEE Xplore; o Centro Alemão de Pesquisas em Geociências (GFZ Helmholtz Centre Postdam), para avaliação de umidade e subsidência do solo. E o Centro de Pesquisa de Energética Dirigida (Directed Energy Research Center – DERC), ligado ao Instituto de Inovação Tecnológica (Technology Innovation Institute – TII) para pesquisa aplicada da Advanced Technology Research Council (ATRC), ou em português, Conselho de Pesquisa de Tecnologia Avançada, de Abu Dhabi (Emirados Árabes). Com 7 unidades até o momento, essa instituição de excelência é o principal comprador da Radaz, e tem usado o radar para inspecionar tubulações subterrâneas. No solo desértico da região, a banda P do RD350 conseguiu penetrar até 60 metros de profundidade.

Esse tipo de levantamento poderia ser realizado com os georradares, ou radares de penetração de solo (o GPR, de Ground Penetrating Radar) convencionais. Porém, segundo João Roberto, o sistema da Radaz facilita enormemente o trabalho, uma vez que o novo radar embarcado em drone tem uma resolução melhor que o GPR, e ainda não precisa ser deslocado junto ao técnico. Essa vantagem amplia o nicho de mercado do produto, que pode ser usado em terrenos com diferentes características de solo e cobertura vegetal.

Inclusive, com tal conhecimento adquirido em mapeamento de áreas florestadas, a Radaz despertou a atenção da Administração Nacional da Aeronáutica e Espaço (National Aeronautics and Space AdministrationNASA) que demonstrou interesse em adquirir o sistema para estimativas de evapotranspiração e desmatamento no planeta. Sobre isso, João Roberto comentou que “a versatilidade do equipamento é de fato o diferencial dele, e a Radaz só tende a crescer a partir de agora”.

Agora, com a parceria firmada entre a empresa e o CPTEn, por meio da doação de um de seus radares, abre-se um leque de pesquisas a serem executadas nas mais diversas áreas, principalmente voltadas à identificação e monitoramento de riscos ambientais, e alinhada ao planejamento e gestão territoriais, dentro do seu eixo VIII (Inovação para Municípios Inteligentes), coordenado pelo Prof. Hugo.

Mostrando que não somente para fins militares servem os radares. O que significa também que outros alunos poderão trabalhar com essa ferramenta, descobrindo mais funcionalidades ainda para o radar. Evidenciando a importância de um ecossistema de inovação, com as incubadoras ligadas às Instituições de Ensino Superior (IEE) como é o caso da Inova, que proporcionam consultoria e incentivo às patentes e registros de softwares. E aproximando a Unicamp ainda mais dos Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS), sejam eles: 9 (Indústria, Inovação e Infraestrutura), 11 (Cidades e Comunidades Sustentáveis), 13 (Ação Contra a Mudança Global do Clima) e 15 (Vida na Terra).

Sobre Prof. Dr. Hugo Enrique Hernandez Figueroa: engenheiro eletricista e especialização em matemática aplicada pela UFRGS, mestre em engenharia elétrica (telecomunicações) e mestre em informática (métodos numéricos) pela PUC/RJ e doutor em física pelo Imperial College London em 1992, obteve sua Livre Docência em 1999, e o título de Professor Titular pela Unicamp em 2005, atualmente é Diretor da FEEC (2023-2027). Coordenador de Área (Engenharia I) da FAPESP desde 2014 e fundador e chefe do Laboratório de Eletromagnetismo Aplicado e Computacional (LEMAC) desde o ano 2000. Reconhecido internacionalmente na área de eletromagnetismo, suas linhas de pesquisa se concentram no desenvolvimento de dispositivos (hardware e software) operando em frequências de micro-ondas e ópticas aplicados a telecomunicações e biotecnologia. No CPTEn é Coordenador de Parcerias e pesquisador principal do eixo VIII (Inovação para Municípios Inteligentes) que tem como seus três focos: conectividade, sensoriamento e educação.

Sobre o LEMAC: https://www.lemac.fee.unicamp.br/ (site) e https://www.youtube.com/watch?v=bx46ltj9Dok&t=4s&ab_channel=LEMACUnicamp (vídeo)

Parcerias:

– Radaz: criada em 2017 conseguiu produzir seu primeiro protótipo de radar em 2019, certificado pela Anatel. Seu sistema embarcado em drone tem dois modelos de atuação: 1) Keeper, mais apropriado para levantamentos contínuos ou sazonais, que necessitam de medições constantes, como na agricultura e silvicultura, controle de desmatamento e monitoramento de riscos geológicos (como subsidência do solo e erosão) ou de obras de infraestrutura; e 2) Explorer, focado para a construção de modelos digitais de terreno (MDT) e de superfície (MDS), que podem ser usados como base para levantamentos futuros, mas também para investigações mais profundas, como de alvos subterrâneos, utilizando a tomografia subsuperficial. O RD350 pode ser instalado atualmente em qualquer drone de classe 3*, com carga útil (payload) de pelo menos 5 kg, como os modelos Matrice 600 pro (marca DJI) e o Pelicano R3 (marca brasileira Skydrones). Além disso, a empresa trabalha também com radares fixos e oferece treinamento para o usuário para planejamento e execução dos voos, bem como tutorial para o processamento dos dados e interpretação dos resultados obtidos. Entre os futuros desafios estão radares para serem utilizados em VTOLs (Vertical Take-Off and Landing), que possibilitará levantamentos em áreas ainda maiores

*ARPs Classe 3: peso máximo de decolagem de 25 kg, voo até 120 metros de altura (de acordo com Resolução nº 419/2017 da ANAC). É válido ressaltar sobre a importância de cadastro de todos os drones, na ANATEL, na Agência de Aviação Civil (ANAC) e no Departamento de Controle do Espaço Aéreo (DECEA), relacionado à Força Área Brasileira (FAB) uma vez que esse registro serve como controle dos voos e para segurança de todos.

Texto: Maria Carolina Ribeiro (bolsista de Jornalismo Científico CPTEn/Fapesp)
Fotos: Julia Devito (bolsista de Jornalismo Científico CPTEn/Fapesp), Inova Unicamp e divulgação Radaz