Stanford, Luz y sonido para ver bajo el agua
Los ingenieros de Stanford combinan luz y sonido para ver bajo el agua
El “Sistema de sonda fotoacústica aerotransportada” podría instalarse debajo de los drones para permitir estudios submarinos aéreos y mapeo de alta resolución de las profundidades del océano.
luz y sonido para ver bajo el agua
Los investigadores imaginan que su sistema híbrido óptico-acústico algún día se utilizará para realizar estudios marinos biológicos basados en drones desde el aire, 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
luz y sonido para ver bajo el agua
“Los sistemas de radar y láser aerotransportados y espaciales, o LIDAR, han podido trazar mapas de 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 en 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 usando 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.
luz y sonido para ver bajo el agua
De manera similar, 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. Por cierto, 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.
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 la tierra. 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 una determinada región de interés. Pero esta técnica es lenta y costosa e ineficaz para cubrir grandes áreas.
La configuración experimental del sistema de sonda fotoacústica aerotransportada en el laboratorio (izquierda). Una “S” de Stanford sumergida debajo del agua (centro) se reconstruye en 3D utilizando ondas de ultrasonido reflejadas (derecha).
Un rompecabezas invisible
Ingrese al sistema de sonda fotoacústica aerotransportada (PASS), que combina luz y sonido para atravesar la interfaz aire-agua. La idea 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.
Si podemos usar la luz en el aire, donde la luz viaja bien, y el sonido en el agua, donde el sonido viaja bien, podemos obtener lo mejor de ambos mundos
Dijo Fitzpatrick.
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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.
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“Hemos 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”, dijo Arbabian.
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”, explicó Arbabian. “Nuestros algoritmos de reconstrucción de imágenes corrigen esta flexión que se produce cuando las ondas de ultrasonido pasan del agua al aire”.
Una animación que muestra la imagen 3D del objeto sumergido recreada usando ondas de ultrasonido reflejadas.
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.
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“Los experimentos actuales usan agua estática, pero actualmente estamos trabajando para lidiar con las ondas de agua”, dijo Fitzpatrick. “Este es un desafío, pero creemos que es un problema factible”.
El siguiente paso, dicen los investigadores, será realizar pruebas en un entorno más grande y, finalmente, en un entorno de aguas abiertas.
“Nuestra visión para esta tecnología es a bordo de un helicóptero o un dron”, dijo Fitzpatrick. “Esperamos que el sistema pueda volar a decenas de metros sobre el agua”.