Sonar de apertura sintética

Forma de sonar que utiliza el posprocesamiento de datos de sonar

Imágenes del submarino alemán U-853 obtenidas mediante sonar de apertura sintética

El sonar de apertura sintética ( SAS ) es una forma de sonar en el que se utiliza un posprocesamiento sofisticado de los datos del sonar de maneras muy similares al radar de apertura sintética .

Los sonares de apertura sintética combinan una serie de pulsos 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 del sonar, aunque está limitada a 1/4 de la longitud de onda. ^[1]

El principio del sonar de apertura sintética es mover el sonar mientras ilumina el mismo punto en el fondo marino con varios pulsos. Al moverse a lo largo de una línea recta, los pulsos que tienen la posición de la imagen dentro del ancho del haz constituyen la matriz sintética. Mediante la reorganización coherente de los datos de todos los pulsos, 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. A un alcance máximo, la resolución puede ser magnitudes mejor que la de los sonares de barrido lateral . ^[2]

También está disponible una revisión de la 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 sobre 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 pista 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, capaz de determinar con gran precisión dónde se encuentran los sensores a lo largo de varios metros de distancia de recorrido; todos los pulsos capturados se utilizarán en la formación de una apertura sintética. Debido a las corrientes, el movimiento de elevación o el balanceo, una plataforma de sensores puede sufrir un movimiento lateral conocido como "movimiento lateral", que tiene el potencial de afectar gravemente la formación de imágenes SAS. Los conjuntos SAS pueden no ser la mejor opción para una plataforma de sensores en terrenos accidentados ni en áreas donde se pueden esperar corrientes laterales. La planificación de la misión y la selección de la plataforma de sensores pueden aliviar algunos de estos desafíos.

Al operar un sistema SAS en aguas poco profundas, pueden llegar múltiples reflejos al sensor desde la superficie del mar, lo que afecta la calidad de los datos. Esto también depende de las condiciones del fondo marino, del perfil de velocidad del sonido y de lo rugosa que sea la superficie del mar. Una forma de solucionar 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 una resolución a lo largo de la trayectoria, un muestreo a lo largo de la trayectoria y un alcance estrechamente acoplados. Esto significa que el alcance máximo y la resolución dependen principalmente de la frecuencia de transmisión. Una frecuencia de transmisión más alta proporciona una mayor resolución a lo largo de la trayectoria, pero un alcance reducido. Los sonares de apertura sintética (SAS), por otro lado, limitados por el costo y la complejidad, permiten la libre selección de estos parámetros, lo que proporciona el potencial de un largo alcance y una alta resolución. ^[5]

Resolución a lo largo de la pista

La resolución de la trayectoria en un sonar de barrido lateral tradicional se deteriorará con el alcance en el campo lejano; un objeto se visualizará con una resolución más alta cuando esté más cerca del sensor y con 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 debería ser igualmente visible en la mayoría de los rangos desde el sensor. ^[6] ${\displaystyle \delta _{x}}$

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

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

Un sonar de apertura sintética crea un conjunto sintético de gran longitud, que se mueve preferentemente en línea recta, lo que proporciona una resolución teórica a lo largo de la trayectoria de unos pocos centímetros. En la práctica, la resolución será algo peor, pero aún 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 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 pulso acústico, así como del número de elementos en el conjunto y de la velocidad de la plataforma del sensor. La frecuencia de transmisión es uno de los factores principales, y los alcances máximos de obtención de imágenes son comúnmente de 100 metros (220-280 kHz) para HiSAS 2040[2] hasta 300 metros (60-120 kHz) para HiSAS 1030[3][4] y más en los sonares disponibles comercialmente, dependiendo de la configuración. Los sonares de apertura sintética instalados en un vehículo submarino autónomo o un sonar de conjunto remolcado tienen comúnmente 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, la trayectoria múltiple es otro factor limitante para el alcance tanto del SSS como del SAS; este efecto se puede reducir dando forma cuidadosamente al patrón del haz de transmisión para evitar que rebote en los pulsos de la superficie.

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

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

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

Posprocesamiento

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 computadoras potentes, 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 tasas de almacenamiento de datos necesarias para SAS son profundas, de 60 a 90 GB por hora de datos sin procesar es lo común.

Cobertura del área

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

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

Donde es el alcance terrestre máximo y es el alcance terrestre más corto antes del espacio entre nadir y es la velocidad del sonar. La cobertura real del área es algo menor que esto. ^[7] ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle v}$

La cobertura de área con un sonar de barrido lateral tradicional depende del alcance y de a qué distancia la resolución se vuelve demasiado baja para el objetivo del escaneo. La cobertura de área con un sonar de apertura sintética, con una resolución transversal que se mantiene constante hasta el final del alcance, es prácticamente más cercana a 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

El sonar de apertura sintética desplegado desde vehículos submarinos autónomos se ha utilizado para encontrar barcos hundidos y escombros. Fue uno de los 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. La NOAA, Kraken Robotics y ThayerMahan realizaron 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 mediante un sonar de apertura sintética acoplado a un procesamiento avanzado de señales, y es un tema de investigación en curso. ^[12]

En Noruega se ha buscado aparejos de pesca, trampas y redes perdidos mediante un sonar de apertura sintética en un AUV. ^[13]

Véase también

• Formación de haces
• Matriz en fase

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, consultado el 23 de enero de 2024
2. "Herramientas de exploración: Sonda 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, Synthetic Aperture Sonar Technology Review , Marine Technology Society Journal, volumen 47, número 5, septiembre/octubre de 2013, págs. 117-127 [1]
4. MP Hayes y PT Gough, Synthetic Aperture Sonar: A Review of Current Status , IEEE J. Ocean. Eng., vol. 34, no. 3, pp. 207-224, julio de 2009. Acceso al resumen.
5. Hagen, Per Espen; Hansen, Roy Edgar (octubre de 2009). "Operación robusta del sonar de apertura sintética para vehículos aéreos no tripulados". Océanos 2009. IEEE: 1–6. doi :10.23919/oceans.2009.5422342. ISBN . 978-1-4244-4960-6.S2CID19698810  .​
6. Dillon, Jeremy; Charron, Richard (octubre de 2019). Medición de resolución para sonar de apertura sintética. IEEE. págs. 1–6. doi :10.23919/OCEANS40490.2019.8962823. ISBN . 978-0-578-57618-3.S2CID209454899  .​
7. Hagen, Per Espen; Hansen, Roy Edgar (junio de 2007). "Tasa de cobertura de área de los sonares de apertura sintética". OCEANS 2007 - Europa . IEEE. págs. 1–5. doi :10.1109/oceanse.2007.4302382. ISBN 978-1-4244-0634-0.S2CID10724314  .​
8. Saebo, Torstein Olsmo; Hansen, Roy Edgar; Lorentzen, Ole Jacob (octubre de 2015). "Uso de un sonar de apertura sintética interferométrico para inspeccionar el vertedero de municiones químicas de la Segunda Guerra Mundial de Skagerrak". OCÉANOS 2015 - MTS/IEEE Washington . IEEE: 1–10. doi :10.23919/oceans.2015.7401927. ISBN . 978-0-9339-5743-5.S2CID28576855  .​
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}}: Requiere citar revista |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 los Estados Unidos, Administración Nacional Oceánica y Atmosférica. «Demostración de tecnología de 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". IEEE Journal of Oceanic Engineering . 42 (3): 590–602. Bibcode :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 en 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 . Revista de Ciencias  Sociales y Humanidades (1998).

Enlaces externos

• Herramientas de exploración: Sonda de apertura sintética: Oficina de Exploración e Investigación Oceánica de la NOAA