Sonda multihaz

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

Los sistemas de sondeo con sonar multihaz, también conocidos como swathe (inglés británico) o swath (inglés americano) ^{[ cita requerida ]} , se originaron para aplicaciones militares. El concepto se originó en un sistema de radar que estaba destinado al avión de reconocimiento de gran altitud Lockheed U-2 , pero el proyecto se descarriló cuando el avión pilotado por Gary Powers fue derribado por un misil soviético en mayo de 1960. Se hizo una propuesta a la Marina de los EE. UU. para utilizar la técnica de formación de haz "Mills Cross" adaptada para su uso con un sonar de mapeo de fondo. Los datos de cada ping del sonar se procesarían automáticamente, haciendo correcciones para el movimiento del barco y la velocidad del sonido de profundidad del transductor y los efectos de refracción, pero en ese momento no había suficiente capacidad de almacenamiento de datos digitales, por lo que los datos se convertirían en un mapa de franjas de contorno de profundidad y se almacenarían en película continua. ^[1] El sistema de sondeo de matriz de sonar (SASS) fue desarrollado a principios de la década de 1960 por la Armada de los EE. UU ., en conjunto con General Instrument para mapear grandes franjas del fondo del océano para ayudar a la navegación submarina de su fuerza submarina . ^{[1] [2]} 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, se instaló luego 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 utiliza 16 haces estrechos y que se instaló en los buques de reconocimiento Surveyor , Discoverer e Researcher . Esta tecnología acabaría convirtiéndose en Sea Beam. Durante las operaciones de reconocimiento, solo se registraban los datos del haz central vertical. ^[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 Maritime ) en Noruega y RESON ahora Teledyne RESON A/S en Dinamarca desarrollaron sistemas que podían montarse en el casco de grandes barcos , así como en pequeñas embarcaciones (a medida que la tecnología mejoraba, las ecosondas multihaz se volvían más compactas y ligeras, y las frecuencias de operación aumentaban).

El primer multihaz comercial se conoce actualmente como SeaBeam Classic y se puso en servicio en mayo de 1977 ^[3] en el buque de investigación australiano HMAS Cook. Este sistema producía hasta 16 haces en un arco de 45 grados. El término ( retrónimo ) "SeaBeam Classic" se acuñó después de que el fabricante desarrollara sistemas más nuevos, como el SeaBeam 2000 y el SeaBeam 2112, a finales de los años 1980.

La segunda instalación del SeaBeam Classic se realizó en el buque de investigación francés Jean Charcot. Los paneles SB Classic del Charcot resultaron dañados en un encallamiento y el SeaBeam fue reemplazado por un EM120 en 1991. Aunque parece que la instalación original del SeaBeam Classic no se utilizó mucho, las otras se utilizaron ampliamente y se realizaron instalaciones posteriores en muchos buques.

Los sistemas SeaBeam Classic se instalaron posteriormente en los buques de investigación académica estadounidenses USNS  Thomas Washington  (T-AGOR-10) ( Institución 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 ).

A medida que la tecnología mejoró en los años 1980 y 1990, se desarrollaron sistemas de mayor frecuencia que proporcionaban mapas de mayor resolución en aguas poco profundas, y hoy en día dichos sistemas se utilizan ampliamente para el estudio hidrográfico de aguas poco profundas en apoyo de la cartografía náutica . 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 en el fondo marino. Más recientemente, las ecosondas multihaz también se utilizan en el sector de la energía renovable, como los parques eólicos marinos.

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 suponía una gran mejora y estaba reforzado inherentemente contra el 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 varios otros buques, entre ellos 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 mundial de sistemas de franjas multihaz en funcionamiento ha aumentado significativamente. El tamaño físico requerido de un transductor acústico utilizado para desarrollar múltiples haces de alta resolución disminuye a medida que aumenta la frecuencia acústica multihaz. En consecuencia, los aumentos en las frecuencias operativas de los sonares multihaz han dado como resultado reducciones significativas en sus características de peso, tamaño y volumen. Los sistemas de sonares multihaz más antiguos y más grandes, de frecuencia más baja, que requerían un tiempo y un esfuerzo considerables para montarlos en el casco de un barco, usaban elementos transductores de tipo tonpilz convencionales , que proporcionaban un ancho de banda utilizable de aproximadamente 1/3 de octava. Los sistemas de sonares multihaz más nuevos y más pequeños, de frecuencia más alta, se pueden conectar fácilmente a una lancha de investigación o a un buque 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 local en el transductor, están permitiendo que muchas empresas de estudios hidrográficos más pequeñas pasen de las ecosondas tradicionales de un solo haz a las ecosondas multihaz. Los pequeños sistemas de barrido multihaz de baja potencia ahora también son adecuados para montarlos en un vehículo submarino autónomo (AUV) y en un buque de superficie autónomo (ASV).

Los datos de la ecosonda 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 de aguas intermedias se denominan llamaradas).

Los elementos transductores piezoeléctricos compuestos de tipo 1-3 ^[4] se están empleando en una ecosonda multihaz multiespectral para proporcionar un ancho de banda utilizable que supera las 3 octavas. En consecuencia, los estudios con ecosonda multihaz multiespectral son posibles con un solo sistema de sonar que, durante cada ciclo de pulso, recopila datos de batimetría multiespectral, datos de retrodispersión multiespectral y datos de columna de agua multiespectral en cada franja. ^[5]

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 lo largo de toda la franja transversal con una estrecha franja longitudinal, y luego formando múltiples haces de recepción ( formación de haces ) que son mucho más estrechos en la franja transversal (alrededor de 1 grado, según el sistema). A partir de este haz estrecho, se establece un tiempo de viaje en ambos sentidos del pulso acústico utilizando 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, se puede determinar la profundidad y la posición de la señal de retorno a partir del ángulo de recepción y el tiempo de viaje en ambos sentidos.

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

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

En el caso de los sistemas en aguas profundas, se requiere un haz de transmisión orientable para compensar la inclinación. Esto también se puede lograr con la formación de haz.

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• Louay MA Jalloul y Sam. P. Alex, "Metodología de evaluación y rendimiento de un sistema IEEE 802.16e", presentado en la Sociedad de Procesamiento de Señales y Comunicaciones IEEE, Capítulo Conjunto del Condado de Orange (ComSig), 7 de diciembre de 2006. Disponible en: https://web.archive.org/web/20110414143801/http://chapters.comsoc.org/comsig/meet.html
• BDV Veen y KM Buckley. Beamforming: A practical approach to space filtering (Formación de haces: un enfoque versátil para el filtrado espacial). Revista IEEE ASSP, páginas 4–24, abril de 1988.
• HL Van Trees, Procesamiento óptimo de matrices, Wiley, NY, 2002.
• "Una introducción a la formación de haces digitales" por Toby Haynes, 26 de marzo de 1998
• "¿Qué es la formación de haces?" por Greg Allen.
• "Dos décadas de investigación en procesamiento de señales en matriz" por Hamid Krim y Mats Viberg en IEEE Signal Processing Magazine , julio de 1996

• Una nota sobre cincuenta años de tecnología multihaz
• Poste de sondeo a haz marino (Historial de la NOAA)
• Software de código abierto MB-System para el procesamiento de datos multihaz
• Noticias y artículos de aplicación de equipos multihaz en Hydro International
• Sitio web conmemorativo del USNS Bowditch, el USNS Dutton y el USNS Michelson (primera aplicación del sistema Multibeam)