Sonar de apertura sintética

Forma de sonar que utiliza posprocesamiento de datos de sonar

Imágenes de sonar de apertura sintética del submarino alemán U-853 .

El sonar de apertura sintética ( SAS ) es una forma de sonar en la que se utiliza un sofisticado posprocesamiento de datos de sonar de forma muy análoga al radar de apertura sintética .

Los sonares de apertura sintética combinan una serie de sonidos acústicos para formar una imagen con una resolución a lo largo de la trayectoria mucho mayor que los sonares convencionales. La resolución a lo largo de la trayectoria puede acercarse a la mitad de la longitud de un elemento de sonar, aunque está limitada hacia abajo por 1/4 de la longitud de onda. ^[1]

El principio del sonar de apertura sintética es mover el sonar mientras ilumina el mismo lugar en el fondo del mar con varios pitidos. Cuando se mueve a lo largo de una línea recta, aquellos pings que tienen la posición de la imagen dentro del ancho del haz constituyen la matriz sintética. Mediante una reorganización coherente de los datos de todos los pings, se produce una imagen de apertura sintética con una resolución mejorada a lo largo de la trayectoria. A diferencia del sonar de barrido lateral (SSS) convencional, el procesamiento SAS proporciona una resolución a lo largo de la trayectoria independiente del alcance. En el alcance máximo, la resolución puede ser mucho mejor que la de los sonares de barrido lateral . ^[2]

También está disponible una revisión de tecnología de 2013 ^[3] con ejemplos y tendencias futuras. Para los académicos, el artículo del IEEE Journal of Oceanic Engineering: Synthetic Aperture Sonar, A Review of Current Status ^[4] ofrece una descripción general de la historia y una extensa lista de referencias de los logros de la comunidad hasta 2009.

La longitud de la apertura sintética es

${\displaystyle L_{sa}\approx R\eta {\frac {\lambda }{d}}}$

Donde R es el rango, es la longitud de onda en la frecuencia central y d es el tamaño del elemento a lo largo de la trayectoria en la matriz. es un parámetro programable que controla el ancho del haz del proceso: el ancho del haz realmente procesado. ^[1] ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \eta }$

Desafíos

El sistema SAS se basa en una plataforma de sensores estable, siendo capaz de determinar con gran precisión dónde se encuentran los sensores a lo largo de varios metros de distancia de viaje; todos los pings capturados se utilizarán en la formación de una apertura sintética. Debido a las corrientes, el empuje o el balanceo, una plataforma de sensor puede sufrir un movimiento lateral conocido como "cangrejo", que tiene el potencial de afectar fuertemente la formación de imágenes SAS. Es posible que los conjuntos SAS no sean la mejor opción para una plataforma de sensores en terrenos accidentados ni en áreas donde se puedan esperar corrientes laterales. La planificación de la misión y la selección de la plataforma de sensores pueden aliviar algunos de estos desafíos.

Cuando se opera un sistema SAS en aguas poco profundas, es posible que múltiples reflejos regresen al sensor desde la superficie del mar y afecten la calidad de los datos. Esto también depende de las condiciones del fondo marino, del perfil de velocidad del sonido y de la agitación de la superficie del mar. Una forma de aliviar este problema es inclinar ligeramente los haces hacia arriba para reducir los reflejos desde el fondo más cercano.

Comparación entre SSS y SAS

Los sonares de barrido lateral (SSS) tradicionales tienen resolución a lo largo de la trayectoria, muestreo a lo largo de la trayectoria y alcance estrechamente acoplados. Esto significa que el alcance y la resolución máximos dependen principalmente de la frecuencia de transmisión. Una frecuencia de transmisión más alta proporciona una mayor resolución a lo largo de la pista pero un alcance reducido. Por otro lado, los sonares de apertura sintética (SAS), limitados por el costo y la complejidad, permiten la libre selección de estos parámetros, lo que brinda potencial para largo alcance y alta resolución. ^[5]

Resolución a lo largo de la pista

La resolución a lo largo de la trayectoria en un sonar de barrido lateral tradicional se deteriorará con el alcance en el campo lejano, un objeto será fotografiado con una resolución más alta cuando esté más cerca del sensor y menos cuando esté más lejos. ${\displaystyle \delta _{x}}$

La resolución a lo largo de la trayectoria es constante en todos los rangos para un sistema de sonar de apertura sintética, esto significa que un objeto debe ser igualmente visible en la mayoría de los rangos desde el sensor. ^[6] ${\displaystyle \delta _{x}}$

${\displaystyle \delta _{x}={\frac {R\lambda }{L}}}$

¿Dónde está el rango a apuntar, la longitud del conjunto y la longitud de onda acústica, una función de la frecuencia? Esto significa que un sonar de barrido lateral tradicional con alta resolución a lo largo de la trayectoria requerirá una longitud de conjunto muy larga para un objetivo distante. La atenuación de la energía acústica a medida que aumenta la frecuencia y, por tanto, disminuye la longitud de onda, reduce el rango efectivo. ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle \lambda }$

Un sonar de apertura sintética crea un conjunto sintético de gran longitud, que se mueve preferiblemente en línea recta y proporciona una resolución teórica a lo largo de la trayectoria de unos pocos centímetros. En la práctica, la resolución será algo peor, pero aún así mucho mejor que la de un sonar de barrido lateral tradicional de tamaño equivalente.

Resolución transversal

La resolución transversal (rango) de un SAS, con una señal de FM de banda ancha, viene dada por: ${\displaystyle \delta _{y}}$

${\displaystyle \delta _{y}={\frac {C}{2B}}}$

¿Dónde está la velocidad del sonido en el agua y es el ancho de banda del pulso transmitido? ${\displaystyle C\approx 1500ms^{-1}}$ ${\displaystyle B}$

Rango

El alcance de un sonar de apertura sintética depende de la pérdida de transmisión de un ping acústico, así como del número de elementos del conjunto y de la velocidad de la plataforma del sensor. La frecuencia de transmisión es uno de los factores principales, y los rangos máximos de imágenes suelen ser de 100 metros (220-280 kHz) para HiSAS 2040[2] hasta 300 metros (60-120 kHz) y más para HiSAS 1030[3][4]. ] en sonares disponibles comercialmente, según la configuración. Los sonares de apertura sintética instalados en un vehículo submarino autónomo o en un sonar remolcado suelen tener un espacio en el nadir , como también es el caso de los sonares de barrido lateral tradicionales, donde no hay datos disponibles. El tamaño de este espacio depende del ángulo del haz inferior. En aguas muy poco profundas, el multitrayecto es otro factor limitante para el alcance tanto del SSS como del SAS; Este efecto se puede reducir moldeando cuidadosamente el patrón del haz de transmisión para evitar rebotar en los golpes de la superficie.

Con una frecuencia suficientemente baja para permitir la recepción desde el alcance máximo, el alcance en tierra está determinado por la longitud del conjunto del receptor y la velocidad de la plataforma v:

${\displaystyle R={\frac {cD\cos {\varphi }}{4v\alpha }}}$

Donde se elige un factor de superposición para permitir la correlación cruzada de ping a ping es el ángulo de depresión en el rango máximo. ^[7] ${\displaystyle \alpha \geq 1}$ ${\displaystyle \varphi }$

Postprocesamiento

El sonar de barrido lateral tradicional normalmente está disponible inmediatamente después de la captura sin necesidad de ningún procesamiento adicional, mientras que los sonares de apertura sintética dependen de un posprocesamiento complejo realizado en potentes computadoras, lo que aumenta el tiempo desde la captura de datos hasta el análisis. Algunos sistemas permiten el procesamiento en tiempo real a una resolución reducida, lo que permite actualizaciones de la misión in situ basadas en observaciones, además de proporcionar una plataforma de aprendizaje automático para la clasificación de objetos. Esto también significa que las velocidades de almacenamiento de datos necesarias para SAS son profundas: lo común es de 60 a 90 GB por hora de datos sin procesar.

Cobertura de área

La cobertura del área es uno de los factores más importantes en las aplicaciones comerciales de hidroacústica. Para los sistemas SSS y SAS, la cobertura de área instantánea para un sistema de dos lados (es decir, sensor de babor y estribor) es: ${\displaystyle IACR}$

${\displaystyle IACR=2(R-r)v}$

¿Dónde está el alcance máximo en tierra y el alcance en tierra más corto antes de la brecha del Nadir y es la velocidad del sonar? La cobertura del área real es algo menor que esto. ^[7] ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle v}$

La cobertura del área con un sonar de barrido lateral tradicional depende del alcance y de en qué rango la resolución es demasiado baja para el objetivo del escaneo. La cobertura de área con un sonar de apertura sintética, con una resolución transversal constante hasta el final del rango, está prácticamente más cerca de la cobertura de área instantánea.

Aplicaciones militares

El sonar de apertura sintética desplegado desde vehículos submarinos autónomos ha demostrado ser útil para detectar municiones sin explotar ^{[8] [9],} así como minas navales . ^[10]

Aplicaciones civiles

Se ha utilizado un sonar de apertura sintética desplegado desde vehículos submarinos autónomos para encontrar barcos hundidos y escombros. Fue uno de varios tipos de sensores utilizados en la búsqueda del vuelo 370 de Malaysia Airlines .

Este tipo de sonar también está empezando a utilizarse en la investigación oceánica. NOAA, Kraken Robotics y ThayerMahan llevaron a cabo una demostración tecnológica conjunta en 2019, ^[11] donde el sonar de apertura sintética fue una de las tecnologías demostradas.

Se ha demostrado que es posible detectar filtraciones de gas de dióxido de carbono utilizando un sonar de apertura sintética junto con un procesamiento de señales avanzado y es un tema de investigación en curso. ^[12]

La búsqueda de aparejos de pesca, nasas y redes perdidas se ha realizado utilizando un sonar de apertura sintética en un AUV en Noruega. ^[13]

Ver también

• Formación de haces
• Matriz en fases

Referencias

1. Edgar, Roy (12 de septiembre de 2011), Kolev, Nikolai (ed.), "Introducción al sonar de apertura sintética", Sonar Systems , InTech, doi :10.5772/23122, ISBN 978-953-307-345-3, recuperado el 23 de enero de 2024
2. "Herramientas de exploración: sonar de apertura sintética: Oficina de exploración e investigación oceánica de la NOAA". oceanexplorer.noaa.gov . Consultado el 23 de enero de 2024 .
3. RE Hansen, Revisión de tecnología de sonar de apertura sintética , Marine Technology Society Journal, volumen 47, número 5, septiembre/octubre de 2013, págs. 117-127 [1]
4. MP Hayes y PT Gough, Sonar de apertura sintética: una revisión del estado actual , IEEE J. Ocean. Ing., vol. 34, núm. 3, págs. 207-224, julio de 2009. Acceso al resumen.
5. Hagen, por Espen; Hansen, Roy Edgar (octubre de 2009). "Funcionamiento robusto de sonar de apertura sintética para AUV". Océanos 2009 . IEEE: 1–6. doi : 10.23919/oceans.2009.5422342. ISBN 978-1-4244-4960-6. S2CID  19698810.
6. Dillon, Jeremy; Charron, Richard (octubre de 2019). Medición de resolución para sonar de apertura sintética. IEEE. págs. 1–6. doi :10.23919/OCÉANOS40490.2019.8962823. ISBN 978-0-578-57618-3. S2CID  209454899.
7. Hagen, por Espen; Hansen, Roy Edgar (junio de 2007). "Tasa de cobertura de área de sonares de apertura sintética". OCÉANOS 2007 - Europa . IEEE. págs. 1 a 5. doi : 10.1109/oceanse.2007.4302382. ISBN 978-1-4244-0634-0. S2CID  10724314.
8. Saebo, Torstein Olsmo; Hansen, Roy Edgar; Lorentzen, Ole Jacob (octubre de 2015). "Uso de un sonar de apertura sintética interferométrica para inspeccionar el vertedero de municiones químicas de Skagerrak de la Segunda Guerra Mundial". OCÉANOS 2015 - MTS/IEEE Washington . IEEE: 1–10. doi : 10.23919/océanos.2015.7401927. ISBN 978-0-9339-5743-5. S2CID  28576855.
9. Hansen, R.; Geilhufe, Marc; Bakken, E.; Saebo, TO (28 de noviembre de 2019). "Comparación de imágenes de sonar de apertura sintética e imágenes ópticas de UXO del vertedero de municiones químicas de Skagerrak". S2CID  222226105. {{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )
10. Hagen, por Espen; Størkersen, Nils; Marthinsen, Bjørn-Erik; Sten, Geir; Vestgård, Karstein (enero de 2008). "Evaluación ambiental rápida con vehículos submarinos autónomos - Ejemplos de operaciones HUGIN". Revista de sistemas marinos . 69 (1–2): 137–145. Código Bib : 2008JMS....69..137H. doi :10.1016/j.jmarsys.2007.02.011. ISSN  0924-7963.
11. Departamento de Comercio de EE. UU., Administración Nacional Oceánica y Atmosférica. "Demostración de tecnología 2019: Oficina de Exploración e Investigación Oceánica de la NOAA". oceanexplorer.noaa.gov . Consultado el 23 de enero de 2024 .
12. Blomberg, Ann Elisabeth Albright; Saebo, Torstein Olsmo; Hansen, Roy Edgar; Pedersen, Rolf Birger; Austeng, Andreas (julio de 2017). "Detección automática de filtraciones de gas marino mediante un sonar de barrido lateral interferométrico". Revista IEEE de Ingeniería Oceánica . 42 (3): 590–602. Código Bib : 2017IJOE...42..590B. doi :10.1109/JOE.2016.2592559. ISSN  0364-9059. S2CID  26080347.
13. Moland, par; Fernández-Chacón, Albert; Sørdalen, Tonje Knutsen; Villegas-Ríos, David; Thorbjørnsen, Susanna Huneide; Halvorsen, Kim Tallaksen; Huserbråten, Mats; Olsen, Esben Moland; Nillos Kleiven, Portia Joy; Kleiven, Alf Anillo; Knutsen, Halvor; Espeland, Sigurd Heiberg; Freitas, Carla; Knutsen, Jan Atle (8 de julio de 2021). "Restauración de la abundancia y la dinámica de los peces y la langosta costeros dentro de las áreas marinas protegidas del norte a lo largo de dos décadas". Fronteras en las ciencias marinas . 8 . doi : 10.3389/fmars.2021.674756 . hdl : 10261/254615 . ISSN  2296-7745.

enlaces externos

• Herramientas de exploración: Sonar de apertura sintética: Oficina de Exploración e Investigación Oceánicas de la NOAA