ecosonda multihaz

Un sonar multihaz ( MBES ) es un tipo de sonar que se utiliza para cartografiar el lecho marino . Emite ondas acústicas en forma de abanico bajo su transceptor . El tiempo que tardan las ondas sonoras en reflejarse en el lecho marino y regresar al receptor se utiliza para calcular la profundidad del agua. A diferencia de otros sonares y ecosondas , el MBES utiliza la formación de haces para extraer información direccional de las ondas sonoras que regresan, generando una serie de mediciones de profundidad a partir de un solo pulso.

Los sistemas de sonar multihaz, también conocidos como sonar de barrido (inglés británico) o sonar de barrido (inglés americano) , se originaron para aplicaciones militares. El concepto surgió de un sistema de radar destinado al avión de reconocimiento de gran altitud Lockheed U-2 , pero el proyecto se vio truncado cuando el avión pilotado por Gary Powers fue derribado por un misil soviético en mayo de 1960. Se presentó a la Armada de los Estados Unidos una propuesta para utilizar la técnica de formación de haces "Mills Cross", adaptada para su uso con sonar de mapeo de fondo. Los datos de cada pulso del sonar se procesarían automáticamente, corrigiendo el movimiento del barco y los efectos de refracción y velocidad del sonido de profundidad del transductor, pero en aquel momento la capacidad de almacenamiento de datos digitales era insuficiente, por lo que los datos se convertirían en un mapa de contorno de profundidad y se almacenarían en película continua. ^{[ 1 ]} El Sistema de Sondeo por Matriz de Sonar (SASS) fue desarrollado a principios de la década de 1960 por la Armada de los Estados Unidos , en conjunto con General Instrument , para mapear grandes franjas del fondo oceánico y así ayudar a la navegación submarina de su fuerza de submarinos . ^{[ 1 ] [ 2 ]} El SASS fue probado a bordo del USS Compass Island (AG-153) . El sistema de matriz final, compuesto por sesenta y un haces de un grado con un ancho de franja de aproximadamente 1,15 veces la profundidad del agua, fue instalado posteriormente en el USNS Bowditch (T-AGS-21) , el USNS Dutton (T-AGS-22) y el USNS Michelson (T-AGS-23) . ^{​​[ 1 ]}

Al mismo tiempo, Harris ASW también desarrolló una ecosonda de haz estrecho (NBES) que utilizaba 16 haces estrechos y la instaló en los buques de reconocimiento Surveyor , Discoverer y Researcher . Esta tecnología se convertiría finalmente en Sea Beam. Solo se registraron los datos del haz central vertical durante las operaciones de reconocimiento. ^{[ 1 ]}

A partir de la década de 1970, empresas como General Instrument (ahora SeaBeam Instruments, parte de L3 Klein ) en Estados Unidos , Krupp Atlas (ahora Atlas Hydrographic ) y Elac Nautik (ahora parte de Wärtsilä Corporation) en Alemania , Simrad (ahora Kongsberg Discovery ) en Noruega y RESON (ahora Teledyne RESON A/S) en Dinamarca desarrollaron sistemas que podían montarse en el casco de grandes buques , así como en pequeñas embarcaciones (a medida que la tecnología mejoraba, las ecosondas multihaz se volvían más compactas y ligeras, y aumentaban las frecuencias de funcionamiento).

El primer sistema multihaz comercial, conocido actualmente como SeaBeam Classic, entró en servicio en mayo de 1977 ^{[ 3 ]} a bordo del buque de investigación australiano HMAS Cook. Este sistema generaba hasta 16 haces en un arco de 45 grados. El término ( retrónimo ) «SeaBeam Classic» se acuñó después de que el fabricante desarrollara sistemas más modernos, como el SeaBeam 2000 y el SeaBeam 2112, a finales de la década de 1980.

La segunda instalación de SeaBeam Classic se realizó en el buque de investigación francés Jean Charcot. Los conjuntos de SeaBeam Classic del Charcot resultaron dañados en un encallamiento y, en 1991, el SeaBeam fue reemplazado por un EM120. Si bien parece que la instalación original de SeaBeam Classic no tuvo mucho uso, las demás se utilizaron ampliamente y se realizaron instalaciones posteriores en numerosos buques.

Posteriormente, se instalaron sistemas SeaBeam Classic en los buques de investigación académica estadounidenses USNS Thomas Washington (T-AGOR-10)   ( Instituto Scripps de Oceanografía , Universidad de California ), el USNS Robert D. Conrad  ( Observatorio Terrestre Lamont-Doherty de la Universidad de Columbia ) y el RV Atlantis II  ( Institución Oceanográfica Woods Hole ).

En 1989, Atlas Electronics (Bremen, Alemania) instaló un sistema multihaz de aguas profundas de segunda generación llamado Hydrosweep DS en el buque de investigación alemán Meteor. El Hydrosweep DS (HS-DS) producía hasta 59 haces en una franja de 90 grados, lo que supuso una gran mejora y estaba intrínsecamente reforzado para su uso en hielo. Los primeros sistemas HS-DS se instalaron en el RV Meteor (1986)  (Alemania), el RV Polarstern  (Alemania), el RV Maurice Ewing  (EE. UU.) y el ORV Sagar Kanya  (India) en 1989 y 1990, y posteriormente en otros buques, como el RV Thomas G. Thompson  (EE. UU.) y el RV Hakurei Maru  (Japón).

A medida que las frecuencias acústicas multihaz han aumentado y el costo de los componentes ha disminuido, el número de sistemas multihaz en operación a nivel mundial ha aumentado significativamente. El tamaño físico requerido de un transductor acústico utilizado para generar múltiples haces de alta resolución disminuye a medida que aumenta la frecuencia acústica multihaz. En consecuencia, el aumento en las frecuencias de operación de los sonares multihaz ha resultado en reducciones significativas en sus características de peso, tamaño y volumen. Los sistemas de sonar multihaz más antiguos y grandes, de baja frecuencia, que requerían considerable tiempo y esfuerzo para su montaje en el casco de un barco, utilizaban elementos transductores convencionales tipo tonpilz , que proporcionaban un ancho de banda útil de aproximadamente 1/3 de octava. Los sistemas de sonar multihaz más nuevos, pequeños y de alta frecuencia se pueden acoplar fácilmente a una lancha de reconocimiento o a una embarcación auxiliar. Las ecosondas multihaz para aguas poco profundas, como las de Teledyne Odom, R2Sonic y Norbit, que pueden incorporar sensores para medir el movimiento del transductor y la velocidad del sonido en su proximidad, están permitiendo a muchas empresas hidrográficas pequeñas pasar de las ecosondas monohaz tradicionales a las multihaz. Los pequeños sistemas multihaz de baja potencia también son ahora adecuados para su montaje en vehículos submarinos autónomos (AUV) y en embarcaciones de superficie autónomas (ASV).

Los datos de las ecosondas multihaz pueden incluir batimetría , retrodispersión acústica y datos de la columna de agua. (Las columnas de gas que ahora se identifican comúnmente en los datos multihaz a media profundidad se denominan llamaradas).

Los elementos transductores piezocompuestos de tipo 1-3 ^{[ 4 ]} se emplean en una ecosonda multihaz multiespectral para proporcionar un ancho de banda útil superior a 3 octavas. En consecuencia, es posible realizar estudios con ecosonda multihaz multiespectral utilizando un único sistema de sonar, que durante cada ciclo de pulso recopila datos batimétricos multiespectrales, datos de retrodispersión multiespectrales y datos de la columna de agua multiespectrales en cada franja. ^{[ 5 ]}

Con la mejora de la tecnología en las décadas de 1980 y 1990, se desarrollaron sistemas de mayor frecuencia que proporcionaban cartografía de mayor resolución en aguas poco profundas, y hoy en día dichos sistemas se utilizan ampliamente para el levantamiento hidrográfico en aguas poco profundas en apoyo de la cartografía de navegación . Las ecosondas multihaz también se utilizan comúnmente para la investigación geológica y oceanográfica , y desde la década de 1990 para la exploración de petróleo y gas en alta mar y el tendido de cables submarinos. Más recientemente, las ecosondas multihaz también se utilizan en el sector de las energías renovables, como en los parques eólicos marinos. ^{[ 6 ]}

El sistema multihaz ha permitido a los oceanógrafos trabajar mucho más rápido en el mapeo del fondo marino; hemos alcanzado un mapeo total del 26,1 % del fondo marino. ^{[ 7 ]} Este aumento de velocidad ha llevado a una comprensión mucho mayor de una amplia variedad de temas, principalmente la ciencia del clima y la biología marina, lo que también ha llevado a la creación de la iniciativa Seabed 2030 , que espera tener todo el fondo marino mapeado para 2030. ^{[ 8 ]}

Una ecosonda multihaz es un dispositivo que suelen utilizar los topógrafos hidrográficos para determinar la profundidad del agua y la naturaleza del lecho marino. La mayoría de los sistemas modernos funcionan transmitiendo un pulso acústico amplio en forma de abanico desde un transductor especialmente diseñado a través de toda la franja transversal, con un haz estrecho paralelo a la misma. A continuación, forman múltiples haces de recepción ( formación de haces ) mucho más estrechos en la dirección transversal (alrededor de 1 grado, según el sistema). A partir de este haz estrecho, se establece el tiempo de viaje bidireccional del pulso acústico mediante un algoritmo de detección del fondo. Si se conoce la velocidad del sonido en el agua para todo el perfil de la columna de agua, la profundidad y la posición de la señal de retorno se pueden determinar a partir del ángulo de recepción y el tiempo de viaje bidireccional.

Para determinar el ángulo de transmisión y recepción de cada haz, una ecosonda multihaz requiere una medición precisa del movimiento del sonar con respecto a un sistema de coordenadas cartesianas. Los valores medidos suelen ser el cabeceo, el balanceo, la guiñada y el rumbo.

Para compensar la pérdida de señal debida a la dispersión y la absorción, se ha diseñado un circuito de ganancia variable en el tiempo en el receptor.

Para sistemas de aguas profundas, se requiere un haz de transmisión orientable para compensar la inclinación. Esto también se puede lograr mediante la formación de haces.

• Louay MA Jalloul y Sam P. Alex, «Metodología de evaluación y rendimiento de un sistema IEEE 802.16e», presentado ante la IEEE Communications and Signal Processing Society, Orange County Joint Chapter (ComSig), el 7 de diciembre de 2006. Disponible en: https://web.archive.org/web/20110414143801/http://chapters.comsoc.org/comsig/meet.html
• Van Veen, BD; Buckley, KM (abril de 1988). "Beamforming: un enfoque versátil para el filtrado espacial". IEEE ASSP Magazine . 5 (2): 4– 24. doi : 10.1109/53.665 .
• Van Trees, Harry L. (2002). Procesamiento óptimo de matrices . doi : 10.1002/0471221104 . ISBN 978-0-471-09390-9.
• "Introducción a la formación digital de haces" por Toby Haynes, 26 de marzo de 1998
• "¿Qué es la formación de haces?" por Greg Allen.
• Krim, H.; Viberg, M. (julio de 1996). "Dos décadas de investigación en procesamiento de señales de arreglos: el enfoque paramétrico". IEEE Signal Processing Magazine . 13 (4): 67– 94. Bibcode : 1996ISPM...13...67K . doi : 10.1109/79.526899 .

• Una nota sobre cincuenta años de sistemas multihaz
• Sondeo de la sonda al haz de luz marina (Historia de la NOAA)
• MB-System es un software de código abierto para el procesamiento de datos multihaz.
• Noticias y artículos de aplicación sobre equipos multihaz en Hydro International.
• Sitio web conmemorativo de los buques USNS Bowditch, USNS Dutton y USNS Michelson {Primera aplicación de Multibeam}