Combinando luz y sonido para ver bajo el agua
Unos ingenieros de la Universidad de Stanford han desarrollado un método aéreo para obtener imágenes de objetos submarinos combinando luz y sonido para romper la barrera aparentemente infranqueable en la interfaz entre el aire y el agua.
Una interpretación artística del sistema de sonar fotoacústico aerotransportado que opera desde un dron para detectar y fotografiar objetos submarinos. / Kindea Labs
Los investigadores prevén que su sistema híbrido óptico-acústico se utilice algún día para realizar estudios biológicos marinos con aviones teledirigidos desde el aire, llevar a cabo búsquedas aéreas a gran escala de barcos y aviones hundidos y trazar mapas de las profundidades oceánicas con una velocidad y un nivel de detalle similares a los de los paisajes terrestres. Su sistema se detalla en un estudio reciente publicado en la revista IEEE Access.
“Los sistemas de radar y láser aerotransportados y espaciales, o LIDAR, han sido capaces de cartografiar los paisajes de la Tierra durante décadas. Las señales de radar son incluso capaces de penetrar en la cubierta de nubes y en la de las copas de los árboles. Sin embargo, el agua marina es demasiado absorbente para permitir obtener imágenes a través de ella”, 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 tomar imágenes incluso a través de aguas turbias”.
Los océanos cubren alrededor del 70 por ciento de la superficie de la Tierra, pero solo una pequeña fracción de sus profundidades ha sido sometida a una obtención de imágenes y mapas 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 por reflexión contra el otro medio. Un sistema que intenta ver bajo el agua utilizando ondas sonoras que viajan del aire al agua y viceversa está sujeto a esta pérdida de energía dos veces, lo que resulta en una reducción de energía del 99,9999 por ciento.
De manera similar, la radiación electromagnética – un término genérico que incluye las señales de luz, microondas y radar – también pierde energía al pasar 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 por el agua”, explicó el primer autor del estudio, Aidan Fitzpatrick, un estudiante graduado en ingeniería eléctrica de Stanford. Por cierto, esta absorción es también la razón por la que la luz solar no puede penetrar en las profundidades del océano y por la que su teléfono inteligente, que depende de las señales celulares, una forma de radiación electromagnética, no puede recibir llamadas bajo el agua.
El resultado de todo esto es que los océanos no pueden ser cartografiados 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 realizado mediante la instalación de sistemas de sonar en los barcos que barren una determinada región de interés. Pero esta técnica es lenta y costosa, e ineficiente para cubrir grandes áreas.
Para solucionarlo llega el Sistema de Sonar Fotoacústico Aéreo (PASS), que combina luz y sonido para atravesar la interfaz aire-agua. La idea de este sistema surgió de otro proyecto que utilizaba microondas para realizar imágenes “sin contacto” y caracterización de las raíces de plantas subterráneas. Algunos de los instrumentos del PASS fueron diseñados inicialmente para ese propósito en colaboración con el laboratorio del profesor de ingeniería eléctrica de Stanford Butrus Khuri-Yakub.
En su núcleo, PASS juega con las fuerzas 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.
Para ello, el sistema primero dispara un láser desde el aire que es absorbido por la superficie del agua. Cuando el láser es absorbido, genera ondas de ultrasonido que se propagan a través de la columna de agua y se reflejan en los objetos submarinos antes de volver a la superficie.
Las ondas sonoras que regresan todavía se ven minadas de la mayor parte de su energía cuando atraviesan la superficie del agua, pero al generar las ondas sonoras bajo el agua con láseres, los investigadores pueden evitar que la pérdida de energía se produzca dos veces.
“Hemos desarrollado un sistema que es lo suficientemente sensible como para compensar una pérdida de esta magnitud y aun así permitir la detección de la señal y la obtención de imágenes”, dijo Arbabian.
Las ondas de ultrasonido reflejadas son registradas por instrumentos llamados transductores. Se utiliza software para volver a unir las señales acústicas como un rompecabezas invisible y reconstruir una imagen tridimensional del rasgo u objeto sumergido.
“De manera similar a como la luz se refracta o ‘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 curvatura que ocurre cuando las ondas de ultrasonido pasan del agua al aire”.
