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Sondeo por eco

Ilustración de la ecosonda realizada con una ecosonda multihaz . La sonda MTVZA fue recibida del satélite Meteor M2-2 por una estación de radioaficionados. La ecosonda o sondeo ...

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Ilustración de la ecosonda realizada con una ecosonda multihaz .
La sonda MTVZA fue recibida del satélite Meteor M2-2 por una estación de radioaficionados.

La ecosonda o sondeo de profundidad consiste en el uso del sonar para la medición de distancias , normalmente para determinar la profundidad del agua ( batimetría ). Implica la transmisión de ondas acústicas al agua y el registro del intervalo de tiempo entre la emisión y el retorno de un pulso; el tiempo de vuelo resultante , junto con el conocimiento de la velocidad del sonido en el agua, permite determinar la distancia entre el sonar y el objetivo. Esta información se utiliza generalmente para la navegación o para obtener profundidades con fines cartográficos .

La ecosonda también puede utilizarse para determinar la distancia a otros objetivos, como bancos de peces . Las evaluaciones hidroacústicas tradicionalmente han empleado prospecciones móviles desde embarcaciones para evaluar la biomasa y la distribución espacial de los peces. Por el contrario, las técnicas de ubicación fija utilizan transductores estacionarios para monitorear el paso de los peces.

El término «sondeo» se utiliza para todo tipo de mediciones de profundidad, incluidas aquellas que no emplean sonido , y su origen no guarda relación con el significado de «sonido» en el sentido de ruido o tonos. El sondeo ecosistémico es un método más rápido para medir la profundidad que la técnica anterior de bajar una sonda hasta que tocara el fondo.

Historia

German inventor Alexander Behm was granted German patent No. 282009 for the invention of echo sounding (device for measuring depths of the sea and distances and headings of ships or obstacles by means of reflected sound waves) on 22 July 1913.[1][2][3] Meanwhile, in France, physicist Paul Langevin (connected with Marie Curie and better known for his research work in nuclear physics) was recruited by French Navy laboratories at the beginning of World War 1 and conducted (then secret) research on active sonars for anti-submarine warfare (using a piezoelectric transmitter). His work was developed and implemented by other scientists and technicians such as Chilowski, Florisson and Pierre Marti. Though a fully operational échosondeur (sonar) was not ready for use in wartime, there were successful trials both off Toulon and in the English Channel as early as 1920, and French patents taken for civilian uses. Oceanographic ships and French high-sea fishing assistance vessels were equipped with Langevin-Florisson and Langevin Marti recording sonars as early as the mid/late 1920s.[4]

One of the first commercial echo sounding units was the Fessenden Fathometer, which used the Fessenden oscillator to generate sound waves. This was first installed by the Submarine Signal Company in 1924 on the M&M liner SS Berkshire.[5]

Technique

Diagram showing the basic principle of echo sounding

Distance is measured by multiplying half the time from the signal's outgoing pulse to its return by the speed of sound in water, which is approximately 1.5 kilometres per second. The speed of sound will vary slightly depending on temperature, pressure and salinity; and for precise applications of echosounding, such as hydrography, the speed of sound must also be measured, typically by deploying a sound velocity probe in the water. Echo sounding is a special purpose application of sonar used to locate the bottom. Since a historical pre-SI unit of water depth was the fathom, an instrument used for determining water depth is sometimes called a fathometer.

Most charted ocean depths are based on an average or standard sound speed. Where greater accuracy is required, average and even seasonal standards may be applied to ocean regions. For high accuracy depths, usually restricted to special purpose or scientific surveys, a sensor may be lowered to measure the temperature, pressure and salinity. These factors are used to estimate more accurately the actual sound speed in the local water column. This technique is often used by the US Office of Coast Survey for navigational surveys of US coastal waters.[6]

Types

Single beam

beam shape of a single-beam echosounder on a USV

A single-beam echo sounder is one of the simplest and most fundamental types of underwater sonar. They are ubiquitous in the boating world and used on a number of different marine robotic vehicles. It operates by using a transducer to emit a pulse through the water and listen for echoes to return. Using that data, it's able to determine the distance from the strongest echo, which can be the seafloor, a concrete structure, or other larger obstacle.[7] A fishfinder is an echo sounding device used by both recreational and commercial fishers.

Multibeam

Multibeam sonar is used to map the ocean floor

A multibeam echosounder (MBES) is a type of sonar that is used to map the seabed. It emits acoustic waves in a fan shape beneath its transceiver. The time it takes for the sound waves to reflect off the seabed and return to the receiver is used to calculate the water depth. Unlike other sonars and echo sounders, MBES uses beamforming to extract directional information from the returning soundwaves, producing a swathe of depth soundings from a single ping.

Common use

As well as an aid to navigation (most larger vessels will have at least a simple depth sounder), echo sounding is commonly used for fishing. Variations in elevation often represent places where fish congregate. Schools of fish will also register.[8]

Hydrography

In areas where detailed bathymetry is required, a precise echo sounder may be used for the work of hydrography. There are many considerations when evaluating such a system, not limited to the vertical accuracy, resolution, acoustic beamwidth of the transmit/receive beam and the acoustic frequency of the transducer.

An example of a precision dual frequency echosounder, the Teledyne Odom MkIII

La mayoría de las ecosondas hidrográficas son de doble frecuencia, lo que significa que  pueden transmitir simultáneamente un pulso de baja frecuencia (normalmente de unos 24 kHz) y uno de alta frecuencia (normalmente de unos 200  kHz). Dado que ambas frecuencias son independientes, las señales de retorno no suelen interferir entre sí. La ecosonda de doble frecuencia ofrece numerosas ventajas, entre ellas la capacidad de identificar una capa de vegetación o una capa de lodo blando sobre una capa de roca.

Captura de pantalla que muestra la diferencia entre ecogramas de frecuencia simple y doble.

La mayoría de las operaciones hidrográficas utilizan un  transductor de 200 kHz, adecuado para trabajos costeros hasta 100 metros de profundidad. En aguas más profundas se requiere un transductor de menor frecuencia, ya que la señal acústica de bajas frecuencias es menos susceptible a la atenuación en la columna de agua. Las frecuencias más comunes para sondeos en aguas profundas son 33  kHz y 24  kHz.

El ancho del haz del transductor también es un factor importante para el hidrógrafo, ya que para obtener la mejor resolución de los datos recopilados, es preferible un haz estrecho. Cuanto mayor sea la frecuencia de operación, menor será el ancho del haz. Por lo tanto, esto es especialmente importante al realizar sondeos en aguas profundas, ya que la huella resultante del pulso acústico puede ser muy grande una vez que alcanza el fondo marino.

Una ecosonda multihaz multiespectral es una extensión de una ecosonda de haz vertical de doble frecuencia, ya que, además de medir dos sondeos directamente debajo del sonar a dos frecuencias diferentes, mide múltiples sondeos a múltiples frecuencias, con diferentes ángulos de incidencia y en diferentes ubicaciones del lecho marino. Estos sistemas se describen con más detalle en la sección titulada " Ecosonda multihaz" .

Las ecosondas se utilizan en aplicaciones de laboratorio para monitorear el transporte de sedimentos, la erosión y los procesos de socavación en modelos a escala (modelos hidráulicos, canales, etc.). También se pueden usar para crear gráficos de contornos tridimensionales.

Normas para la ecosonda hidrográfica

La precisión y exactitud requeridas del ecosonda hidrográfico están definidas por los requisitos de la Organización Hidrográfica Internacional (OHI) para los levantamientos que se realicen según las normas de la OHI. [ 9 ] Estos valores se encuentran en la publicación S44 de la OHI.

In order to meet these standards, the surveyor must consider not only the vertical and horizontal accuracy of the echo sounder and transducer, but the survey system as a whole. A motion sensor may be used, specifically the heave component (in single beam echosounding) to reduce soundings for the motion of the vessel experienced on the water's surface. Once all of the uncertainties of each sensor are established, the hydrographer will create an uncertainty budget to determine whether the survey system meets the requirements laid down by IHO.

Different hydrographic organisations will have their own set of field procedures and manuals to guide their surveyors to meet the required standards. Two examples are the US Army Corps of Engineers publication EM110-2-1003,[10] and the NOAA 'Field Procedures Manual'.[11]

See also

References

  1. ↑Salous, Sana (2013). Radio Propagation Measurement and Channel Modelling. John Wiley & Sons. p. 424. ISBN 9781118502327.
  2. ↑Xu, Guochang (2010). Sciences of Geodesy - I: Advances and Future Directions. Springer Publishing. p. 281. ISBN 9783642117411.
  3. ↑Werner Schneider. "Alexander Behm - Der Erfinder des Echolots". Retrieved 9 April 2014.
  4. ↑Lelong, Benoit. "Paul Langevin et la detection sous-marine, 1914-1929. Un physicien acteur de l'innovation industrielle et militaire (Epistemologiques, 2001)".
  5. ↑"Fessenden Fathometer amplifier - Submarine Signal Company". The Subchaser Archives. 20 March 2007. Retrieved 12 April 2018.
  6. ↑NOAA Field Procedures Manual, Office of Coast Survey website (http://www.nauticalcharts.noaa.gov/hsd/fpm/fpm.htmArchived 10 August 2011 at the Wayback Machine)
  7. ↑"A Smooth Operator's Guide to Underwater Sonars and Acoustic Devices". Blue Robotics. Retrieved 12 January 2024.
  8. ↑"Fishfinders Guide" (in German). Archived from the original on 17 February 2017. Retrieved 16 February 2017.
  9. ↑ Oficina Hidrográfica Internacional (febrero de 2008). «Normas de la OHI para levantamientos hidrográficos» (PDF) (5.ª edición). Archivado del original (PDF) el 8 de octubre de 2011.{{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )
  10. ↑ "EM 1110-2-1003 (01 ene 02)" . Archivado del original el 20 de julio de 2011. Recuperado el 9 de junio de 2011 ., publicación EM 1110-2-1003 del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU.
  11. ↑Archivado el 16 de mayo de 2011 en Wayback Machine , Manual de Procedimientos de Campo de la NOAA.

Wikimedia Commons logoContenido multimedia relacionado con la ecolocalización en Wikimedia Commons.

  • "Cómo los ecos indican la profundidad del agua bajo un barco" Popular Mechanics Monthly , julio de 1930 – dibujo con detalles de los primeros detectores de profundidad que utilizaban ecos.
  • ELAC (1982) Introducción a la ecografía . Honeywell-ELAC-Nautik GmbH, Kiel, 88 págs., (pdf 27,5 MB)