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TECNOLOGÍA. Diseñan un sistema fotoacústico aéreo para "ver" bajo el agua

 

Representación artística del sistema de sonar aerotransportado fotoacústico que opera desde un dron para detectar e visualizar objetos bajo el agua. Fuente: Kindea Labs

El “Sistema de sonar aerotransportado fotoacústico” podría instalarse bajo los drones para permitir estudios submarinos aéreos y mapeo de alta resolución de las profundidades del océano.

Los ingenieros de la Universidad de Stanford han desarrollado un método aerotransportado para obtener imágenes de objetos submarinos mediante la combinación de luz y sonido para romper la barrera aparentemente infranqueable en la interfaz del aire y el agua.

Los investigadores imaginan que su sistema híbrido óptico-acústico algún día se utilizará para realizar estudios biológicos marinos desde el aire basados ​​en drones, realizar búsquedas aéreas a gran escala de barcos y aviones hundidos y mapear las profundidades del océano con una velocidad y un nivel similares de detalle como los paisajes de la Tierra. Su “Sistema de sonda fotoacústica aerotransportada” se detalla en un estudio reciente publicado en la revista IEEE Access .

“Los sistemas de radar y láser aerotransportados y espaciales, o LIDAR, han podido cartografiar los paisajes de la Tierra durante décadas. Las señales de radar incluso pueden penetrar la cobertura de nubes y la cobertura del dosel. Sin embargo, el agua de mar es demasiado absorbente para obtener imágenes en el agua ”, dijo el líder del estudio Amin Arbabian, profesor asociado de ingeniería eléctrica en la Escuela de Ingeniería de Stanford. "Nuestro objetivo es desarrollar un sistema más robusto que pueda obtener imágenes incluso a través de aguas turbias".

Pérdida de energía

Los océanos cubren alrededor del 70 por ciento de la superficie de la Tierra, sin embargo, solo una pequeña fracción de sus profundidades ha sido sometida a imágenes y mapeo de alta resolución.

La principal barrera tiene que ver con la física: las ondas sonoras, por ejemplo, no pueden pasar del aire al agua o viceversa sin perder la mayor parte, más del 99,9 por ciento, de su energía a través de la reflexión contra el otro medio. 

Un sistema que intenta ver bajo el agua utilizando ondas sonoras que viajan del aire al agua y de regreso al aire está sujeto a esta pérdida de energía dos veces , lo que resulta en una reducción de energía del 99,9999 por ciento.

Del mismo modo, la radiación electromagnética, un término general que incluye señales de luz, microondas y radar, también pierde energía cuando pasa de un medio físico a otro, aunque el mecanismo es diferente al del sonido. “La luz también pierde algo de energía por reflexión, pero la mayor parte de la pérdida de energía se debe a la absorción del agua”, explicó el primer autor del estudio, Aidan Fitzpatrick, un estudiante graduado de ingeniería eléctrica en Stanford. 

Esta absorción también es la razón por la que la luz solar no puede penetrar en la profundidad del océano y por qué su teléfono inteligente, que se basa en señales celulares, una forma de radiación electromagnética, no puede recibir llamadas bajo el agua.

La configuración experimental del sistema de sonda fotoacústica aerotransportada en el laboratorio (izquierda). Una "S" de Stanford sumergida debajo del agua (en el medio) se reconstruye en 3D utilizando ondas de ultrasonido reflejadas (derecha). Fuente: Aidan Fitzpatrick

El resultado de todo esto es que los océanos no se pueden mapear desde el aire y desde el espacio de la misma manera que se mapea la superficie terrestre. Hasta la fecha, la mayor parte de la cartografía submarina se ha logrado mediante la instalación de sistemas de sonar en los barcos que pescan en una determinada región de interés. Pero esta técnica es lenta y costosa e ineficaz para cubrir grandes áreas.

Un rompecabezas invisible

La idea de sistema de sonda fotoacústica aerotransportada (PASS), que combina luz y sonido para atravesar la interfaz aire-agua surgió de otro proyecto que utilizó microondas para realizar imágenes y caracterización "sin contacto" de raíces de plantas subterráneas. Algunos de los instrumentos de PASS fueron diseñados inicialmente para ese propósito en colaboración con el laboratorio del profesor de ingeniería eléctrica de Stanford, Butrus Khuri-Yakub.

En esencia, PASS juega con las fortalezas individuales de la luz y el sonido. Se trata de usar la luz en el aire, donde la luz viaja bien, y el sonido en el agua, donde el sonido viaja bien, para obtener lo mejor de ambos mundos. Para hacer esto, el sistema primero dispara un láser desde el aire que se absorbe en la superficie del agua. Cuando se absorbe el láser, genera ondas de ultrasonido que se propagan hacia abajo a través de la columna de agua y se reflejan en los objetos bajo el agua antes de volver a la superficie.

Las ondas sonoras que regresan todavía pierden la mayor parte de su energía cuando rompen la superficie del agua, pero al generar las ondas sonoras bajo el agua con láseres, los investigadores pueden evitar que la pérdida de energía ocurra dos veces. Así, han desarrollado un sistema que es lo suficientemente sensible para compensar una pérdida de esta magnitud y aún permitir la detección de señales y la generación de imágenes.

Una animación que muestra la imagen 3D del objeto sumergido recreada usando ondas de ultrasonido reflejadas. Fuente: Aidan Fitzpatrick

Las ondas de ultrasonido reflejadas se registran mediante instrumentos llamados transductores. Luego, se utiliza software para reconstruir las señales acústicas como un rompecabezas invisible y reconstruir una imagen tridimensional de la característica u objeto sumergido. De manera similar a cómo la luz se refracta o 'se dobla' cuando pasa a través del agua o cualquier medio más denso que el aire, el ultrasonido también se refracta. Unos algoritmos de reconstrucción de imágenes corrigen esta flexión que ocurre cuando las ondas de ultrasonido pasan del agua al aire.

Estudios oceánicos con drones

Los sistemas de sonar convencionales pueden penetrar a profundidades de cientos a miles de metros, y los investigadores esperan que su sistema eventualmente pueda alcanzar profundidades similares.

Hasta la fecha, PASS solo se ha probado en el laboratorio en un recipiente del tamaño de una gran pecera. El siguiente paso, dicen los investigadores, será realizar pruebas en un entorno más grande y, finalmente, en un entorno de aguas abiertas.

La idea es montar esta tecnología a bordo de un helicóptero o un dron, donde el sistema pueda volar a decenas de metros sobre el agua.

Fuente: “An Airborne Sonar System for Underwater Remote Sensing and Imaging” by Aidan Fitzpatrick, Ajay Singhvi and Amin Arbabian, 16 October 2020, IEEE Explore.
DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3031808

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