El sonar

¿Qué es el Sonar?

La palabra SONAR es el acrónimo inglés de SOund NAvigation and Ranging y por ella se entiende el método y/o el equipo necesario para determinar por medio del sonido la presencia, localización o naturaleza de objetos en el mar.

Hoy en día, por extensión, se aplica la palabra SONAR a la parte de la acústica aplicada que abarca todas las actividades en las que el agua es el medio de propagación del sonido.

Debido a la distinta naturaleza del medio de propagación y consecuentemente al empleo de distintos tipos de radiación se obtienen otras diferencias notables. Así las ondas electromagnéticas son transversales mientras que las acústicas son longitudinales, por tanto las primeras pueden polarizarse mientras que las segundas no; la velocidad de propagación en las primeras varía inapreciablemente con las características cambiantes del medio, mientras que el sonido aumenta su velocidad a medida que decrece la compresibilidad del medio, lo que tiene una enorme incidencia en el aspecto de la propagación. En el mar la compresibilidad es función de variables como la salinidad, la temperatura y la presión.

Tipos de Sonar

Básicamente hay dos tipos de Sonar: pasivo y activo.

Sonar Activo: para detectar objetos bajo el agua, emplea el eco devuelto por dicho objeto al incidir sobre él las ondas acústicas emitidas por un transmisor. El objeto sobre el que inciden las ondas devolverá parte de ellas. El camino recorrido por las ondas es el doble del camino entre emisor y objeto.

Sonar Pasivo: escucha directamente los sonidos del los objetos que permanecen sumergidos. En este caso la onda recorre únicamente la distancia entre el objeto y el receptor.

Hay diferentes criterios para elegir uno u otro tipo de Sonar. Los más comunes son:

En general el sonar activo y el pasivo se complementan para efectuar la detección y el análisis de objetos sumergidos y tanto los submarinos como los buques de superficie con capacidad antisubmarina emplean ambos tipos de forma conjunta.

Usos del sonar

Los usos del Sonar son de carácter militar y naval principalmente. Las unidades de las Marinas Militares con capacidad antisubmarina disponen de equipos tanto activos como pasivos para realizar la detección, clasificación, seguimiento y ataque de submarinos. Estos a su vez disponen de equipos para la detección de buques de superficie y de contramedidas para evitar o retardar su detección por dichas unidades. Los dragaminas mecánicos se reemplazan por modernos cazaminas dotados de equipos SONAR de gran precisión y resolución capaces de localizar objetos sumergidos y visualizar su forma o estructura para determinar si se trata de una mina.

El incesante avance de la electrónica y de la informática aplicada a la acústica submarina ha hecho extender las capacidades de los equipos al análisis del ruido radiado por los barcos, obteniendo así la denominada "firma acústica" que permite identificar cada unidad de forma unívoca al igual que una huella dactilar identifica a una persona; pero a diferencia de las huellas dactilares que son invariables, las firmas aústicas cambian con el tiempo. Esto es debido a que dichas "firmas" proceden en su mayor parte del ruido radiado por la maquinaria a bordo de los buques y dicho ruido varía a su vez con las modificaciones, reparaciones y fatiga de las piezas que la componen. Esto obliga a mantener una información actualizada de inteligencia de unidades navales.

El Sonar Pasivo

El propósito del sonar pasivo es la captación de los sonidos emitidos por objetos sumergidos facilitando la información precisa para obtener la dirección del objeto, analizar su movimiento y posibilitar su identificación.  

Está formado por 3 subsistemas:

1. Captación de la señal.

2. Procesado de la señal.

3. Lectura y medición de la señal procesada.

La captación se realiza mediante un conjunto de hidrófonos colocados en la disposición que más convenga según el rango de frecuencias en el que se pretende utilizar.

Un rango de frecuencias elevado requiere una disposición en forma cilíndrica o esférica. El ruido debida a la propia plataforma no afecta mucho a estas frecuencias. No obstante si le afecta el ruido producido por el movimiento de la plataforma en el agua, y con esta disposición cilíndrica o esférica se mejora la respuesta.

Un rango de frecuencias bajas si que se verá afectado por el ruido de la propia plataforma. Por ello se usa una disposición en array de los hidrófonos para que puedan se remolcados a suficiente distancia de la plataforma como para eliminar el ruido.

La señal que se recibe se amplifica y se filtra antes de tratarse, para contrarrestar la atenuación y eliminar el ruido fuera de banda.

El tratamiento de la señal suele consistir en una detección electrónica de la dirección de la que proviene, una escucha por parte de un operador, y una representación visual y registro gráfico de la misma. La señal procesada entra a un subsistema de medición y escucha por un operador y a otros equipos que permitan identificar el objeto. La señal digital obtenida se usa para elaborar los gráficos y demás representaciones visuales. Así pues la señal sufre un doble tratamiento, analógico y digital.

El Sonar Activo

Se basa en la detección del eco devuelto por un objeto sumergido al incidir sobre él un tren de ondas acústicas emitidas por un proyector, para detectar objetos sumergidos y obtener información de su dirección, distancia y analizar su movimiento.

También pueden funcionar como sonar pasivo con limitaciones en la dureza del transductor y en el menor rango de frecuencias en el que es operativo.

Posee 5 subsistemas:

1. Base acústica.

2. Selección y conmutación.

3. Emisor.

4. Receptor.

5. Lectura y procesado de la señal recibida.

La base acústica suele ser un transductor únicamente, que sirve para transformar la señal eléctrica en acústica y también para transformar la señal acústica recibida en eléctrica. Además posee un sistema para conducir la señal recibida bien hacia la parte activa del sonar o bien hacia la pasiva, ya que puede funcionar de ambos modos.

El receptor pasivo funciona igual que en el caso del sonar pasivo.

En el receptor activo en cambio, sólo interesa recibir un rango pequeño de frecuencias centrado entorno a la frecuencia de emisión. El eco emitido por los objetos al incidir sobre ellos la onda, está ligeramente desplazado en frecuencia respecto de la frecuencia de emisión, y por ello se amplía el rango de emisión a una pequeña banda, y no únicamente a la frecuencia de emisión. Asimismo, la ganancia del amplificador en recepción es variable en el tiempo, para no amplificar más los ecos cercanos anulando los lejanos.

Se trata la señal de dos formas, analógica, resultando una señal de audio que va a un operador, y digital, usada en la representación gráfica de la señal.

El emisor es el encargado de formar el impulso eléctrico conocido como "ping sonar". Este pulso se forma a partir de un oscilador que genera una onda continua que se aplica a un dispositivo de disparo. El pulso se amplifica y se aplica al transductor mediante un adaptador de impedancia y el circuito de conmutación.

El subsitema de selección y conmutación se encarga de seleccionar el modo adecuado de funcionamiento del sonar, activo o pasivo, así como de conmutar del emisor al receptor una vez que se ha realizado la emisión en el sonar activo. Así el funcionamiento en modo activo consiste en una alternancia de períodos de emisión y recepción.

Conociendo la velocidad de propagación del sonido en el agua, se puede calcular la distancia al llegar el eco, según el tiempo que tardó.

Análisis de los ecos

Cuando se utiliza el sonar activo el análisis se centra en los eco devuelto por el objeto sobre el que incide la onda emitida.

La detección permite conocer la dirección y la distancia a la que se encuentra el eco desde el transmisor, si se conoce la velocidad del sonido en el agua. En el caso de no conocerla exactamente, se puede promediar con una cantidad representativa de la celeridad para la latitud en la que se encuentren el emisor y el eco. El pequeño error cometido no introducen un error sustancial en la distancia obtenida.

Obtenenemos la distancia como:

siendo t el tiempo transcurrido entre la emisión y la recepción del eco, y c la celeridad (módulo de la velocidad del sonido). Multiplicamos por un medio porque la distancia es el doble ya que es ida y vuelta lo que se detecta.

A partir de las direcciones y distancias obtenidas se puede determinar la dirección del objetivo. Así podemos distinguir también si se trata de un objeto móvil o inmóvil. Al conocer su dirección en el caso de un móvil, se puede realizar un seguimiento de forma automática.

El efecto Doppler que presenta el eco permite apreciar el movimiento relativo y el aspecto o posición que tiene el contacto respecto al emisor.

El timbre permite apreciar la cualidad sonora del eco. Así podemos identificar un submarino o un animal biológico.

La duración y anchura del eco permite evaluar la geometría del contacto y la posición relativa del mismo.

Análisis de banda ancha

Es el análisis realizado con sonar pasivo en toda la banda de frecuencias de escucha del transductor. Este rango depende del modelo y de la aplicación considerada.

Este tipo de análisis se realiza escuchando directamente el sonido del mar, por lo que se requiere de mucha experiencia para poder identificar el origen de las señales recibidas.

El efecto de cavitación y el de batido de una  hélice permite contar las revoluciones a las que gira, con lo que puede obtenerse una aproximación de la velocidad que lleva el barco detectado, por ejemplo. Otros efectos como el "canto de hélice", permite reconocer la dirección a la que se debe dirigir la escucha. Los ruidos hidrodinámicos, sonidos huecos y otros  efectos, dan una idea de la carga y el tonelaje del contacto.

El ruido de propulsión es la mayor fuente de datos de la escucha. Permite conocer el tipo de propulsión: diesel, turbinas de gas o vapor, motores eléctricos. Así se puede identificar el contacto como un barco o un submarino de un tipo u otro. También se puede obtener la potencia de la máquina y su respuesta a las variaciones de velocidad realizando un análisis más exhaustivo del ruido de propulsión.

Hay otros ruidos detectables, no permanentes, como los ruidos de máquina auxiliar y los ruidos transitorios. Los ruidos de máquina auxiliar son los producidos por  los equipos acoplados a la planta propulsora y los de funcionamiento intermitente, como pueden ser compresores, bombas de combustible y agua, ventiladores, o bien bombas de achique, aire acondicionado. Los transitorios en cambio son ruidos cortos e intensos, a veces no específicos, que se producen aleatoriamente, como el sonido de un timbre o la caída de un objeto. Estos son muy importantes en la identificación definitiva del contacto como por ejemplo cañonazos en buque de guerra.

El sonar pasivo, a diferencia del activo, no permite obtener las distancias al contacto, pero las distancias de detección son mayores y permiten obtener gráficos de tiempo-dirección a partir de los cuales se puede obtener la dirección, velocidad y distancia del contacto (mediante un proceso asistido por ordenador).

También es posible analizar las emisiones sonar procedentes de otros equipos, que llegan al receptor. En este caso se pueden obtener todos los datos de la emisión como la frecuencia, la longitud del pulso, el intervalo entre emisiones, la dirección de la que proviene, el tipo de emisión (frecuencia modulada o pulsos de frecuencia pura, tanto por ciento de modulación), e incluso la distancia en algunos casos, bien por el nivel de la señal recibida, o bien por la diferencia de tiempo en que tarda en llegar al receptor el rayo directo desde el emisor y el o los rayos reflejados en el fondo.

Análisis de banda estrecha

Se conoce como banda estrecha a un ancho de banda menor del 1% de la frecuencia que se considera. La técnica de análisis espectral en banda estrecha aumenta los alcances de detección porque consigue mejor relación señal/ruido y permite obtener información del contacto que el oído humano es incapaz de discernir.

Consiste en descomponer la señal de ruido recibida en tonos fundamentales que se representan gráficamente y se interpretan. Hay dos técnicas:

1. Filtrado: se usan filtros paso banda adyacentes.

2. Transformación: usa la transformada de fourier rápida (FFT) para descomponer una señal en señales sinoidales ponderadas por diferentes coeficientes.

Asimismo existen dos tipos de representaciones gráficas usadas:

1. Frecuencia-amplitud (ALI): adecuado para ver las señales en tiempo real. Son útiles para el análisis de transitorios.
   

   

2. Frecuencia-intensidad-tiempo (CASCADA): se usa para análisis de larga duración como los ruidos de la planta propulsora.
   

   

Alcance

En el caso del sonar activo podemos modelar la ecuación como:

donde, en dB:

• SNR: relación señal ruido del receptor.

• NF: nivel de emisión del  transmisor, es la cantidad de energía suministrada por el transmisor al medio.

• PT: pérdida de energía en el camino, debidas a atenuación y divergencia. Dobles por el camino de ida y vuelta

• NB: nivel del blanco, es la relación entre la energía incidente y la reflejada en el blanco. Depende de su geometría, absorción y reflectividad. Si el objetos está en movimiento, las características geométricas son variables.

• NR: nivel de ruido en el escenario acústico. Puede deberse a ruido, siempre constante, o reverberación, que decae con el alcance.

• ID: índice de directividad del sistema.

Características de los niveles de intensidad (en dB) en relación al alcance en las que se puede observar la diferencia entre ambos factores:

Con ruido de fondo 1, la distancia la determina la reverberación, y el eco tendrá que ser mayor que la reverberación. Por lo tanto la máxima distancia será Rv. En el caso de ruido de de fondo 2, la máxima distancia la determina el ruido de fondo, no la reverberación, y será R2.

La ecuación del sonar activo queda de la siguiente forma según la limite el ruido de fondo o la reverberación:

• Limitada por el ruido de fondo, NRF:
  

  

• Limitada por la reverberación, NRV:
  

  

En el caso del sonar pasivo, la ecuación que nos permite modelar la relación señal ruido es:

En este caso la pérdida de energía no es el doble, porque no es camino de ida y vuelta sino únicamente del objeto al transductor. El objeto a detectar será emisor, no es un eco. NF será en este caso el nivel de ruido radiado por el blanco.

Para la detección de la señal, aparece también la decisión de un operador, que decidirá si la señal está presente o no. Por eso se establece un criterio de relación señal ruido mínima que constituye el umbral de detección como:

En términos de probabilidades, se habla de probabilidad de detección y probabilidad de falsa alarma.

Para el cálculo de la distancia se suele usar la figura de mérito (FOM), en dB que es la máxima pérdida que sufre la señal al propagarse y que puede ser aún detectable la mitad de las veces. Esta FOM se puede corregir para ajustarla más a las características de la señal y en ese caso se conoce como figura de mérito ajustada.

Cuando los ruidos de fondo no están referidos al ancho de banda espectral, se debe convertir el ancho de banda al espectral:

donde BW es el ancho de banda de la medida.

Para el cálculo del alcance del sonar se usan programas informáticos que representa la trayectoria de propagación, la distancia a la que es posible detectar un contacto según el nivel de pérdidas que haya.

Para obtener un alcance aproximada se traza una línea paralela al eje de abscisas por el nivel de la FOM calculada con la ecuación de sonar para el blanco concreto. Los puntos de corte de esa línea con las curvas de pérdidas permiten obtener el alcance aproximado.

Si en vez de utilizar un transductor aislado se usa un array de transductores, aumenta la relación señal ruido y la ganancia conseguida es:

En vez de la SNR, también se puede usar la coherencia, que es la similitud entre la señal y el ruido entre elementos cualesquiera del conjunto. Se mide mediante el coeficiente de croscorrelación que se define como el cociente entre los promedios de tensión entre dos elementos y la desviación típica de los mismos en función del tiempo. La ganancia de array será la suma de todas las croscorrelaciones de todas las parejas de elementos del array.

Si la señal y el ruido son completamente coherentes o incoherentes la ganancia del conjunto vale cero, es decir, el conjunto no es capaz de diferenciar la señal del ruido. Si la señal es coherente y el ruido es incoherente, la ganancia del conjunto vale:

donde N es el número de elementos del array.

Esta ganancia del array se usa en sustitución del índice de directividad debido a las limitaciones que puede presentar, si la onda recibida no es una onda plana.

También se habla del alcance de contradetección como la distancia a la que puede ser detectado un "ping sonar" emitido por un blanco. Lo usan sobre todo los submarinos. La señal de ping es más fácilmente detectable por ser un tono, lo que la destaca del ruido de fondo. Se calcula igual que el alcance de detección, con la FOM mediante la ecuación del sonar pasivo, sustituyendo el NF (nivel de ruido radiado por el blanco) por el nivel de potencia de salida de su emisor sonar.