Escuchando la luz: DAS podría revolucionar el submarino

David R. Strachan es analista de defensa y fundador de Strikepod Systems...

26 de enero de 2023

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Durante el verano de 2020, un grupo de científicos marinos de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU) con sede en el archipiélago de Svalbard detectó con éxito las vocalizaciones de las ballenas barbadas retozando en el Océano Ártico y el Mar del Norte, a unos 70-90 kilómetros de distancia. A primera vista, esto puede parecer poco notable, dado que los investigadores monitorean regularmente el comportamiento de las ballenas, y se sabe desde hace mucho tiempo que el canto de las ballenas atraviesa grandes distancias. Pero lo que hizo que este conjunto particular de observaciones fuera especial fue el sensor elegido. No era un hidrófono, la herramienta de confianza del comercio de bioacústica marina. En cambio, fueron pulsos de luz transmitidos a través de 120 km de cable de fibra óptica submarino que se extiende entre las ciudades de Longyearbyen y Ny-Ålesund.

Los científicos de la NTNU utilizaron una tecnología relativamente nueva e innovadora conocida como detección acústica distribuida, o DAS, que se basa en la fibra óptica para detectar ondas de presión que emanan de la actividad acústica o sísmica. Usando un dispositivo especializado conocido como interrogador, se envían pulsos de luz a lo largo de una fibra "oscura" no utilizada a intervalos conocidos. Cuando la luz encuentra pequeños defectos dentro de la fibra, parte de ella se refleja de vuelta al interrogador (un fenómeno conocido como retrodispersión de Rayleigh). Como las ondas de presión de una emisión acústica imponen "nanotensiones" en la fibra, provoca fluctuaciones en la luz reflejada. Luego, estas fluctuaciones pueden analizarse y, mediante el procesamiento de señales avanzado, traducirse en una firma acústica única que da como resultado no solo la detección, sino también la identificación e incluso la localización de la fuente. Cuando se utiliza DAS en un entorno marino, los defectos a lo largo de la fibra actúan esencialmente como diminutos hidrófonos, transformando una longitud de cable de fibra óptica en un conjunto de sensores de gran apertura. Y dado que las ondas acústicas pueden penetrar en el lecho marino, las fibras de detección no necesitan estar completamente expuestas a la columna de agua para que sean efectivas. Algunos segmentos del cable utilizado en el proyecto NTNU fueron enterrados bajo entre uno y dos metros de sedimento.

Teniendo en cuenta que hay 785.000 millas (1,2 millones de kilómetros) de cables submarinos tendidos en todo el mundo, DAS representa un avance significativo en la observación del océano. En lugar de depender de sensores sísmicos y acústicos discretos que salpican el lecho marino, las fibras oscuras alojadas dentro de los cables submarinos en cualquier lugar ahora pueden reutilizarse como conjuntos de sensores de kilómetros de largo, equipados con el equivalente a miles de hidrófonos capaces de detectar ruido biológico y antropogénico. Además de las vocalizaciones de ballenas, DAS ha detectado con éxito barcos de superficie, terremotos, olas de superficie y tormentas oceánicas distantes, e incluso podría actuar como un sistema mundial de alerta de tsunamis. Dada su capacidad para proporcionar una red de sensores persistentes de área amplia que ya está posicionada A lo largo de la inmensidad de los océanos, existe un potencial considerable para DAS en operaciones de defensa submarinas, específicamente, al proporcionar una capa adicional de cobertura de vigilancia, rastreando objetivos tanto superficiales como subterráneos. DAS podría detectar y rastrear buques de guerra de superficie, aumentando la inteligencia recopilada de otras plataformas ISR, como satélites y aviones. Además de detectar embarcaciones en tránsito, el DAS también puede detectar los sonidos de los sistemas de posicionamiento dinámico, lo que indica que se están realizando operaciones en el lecho marino.

Imagen cortesía del artículo de investigación Escuchar a escondidas a la velocidad de la luz: Detección acústica distribuida de ballenas barbadas en el Ártico, que se encuentra en https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2022.901348/full#B54

Debajo de la superficie, hay aplicaciones para la guerra submarina. Por el momento, el DAS parece estar optimizado para detectar emisiones de baja frecuencia (incluso en el rango de milihercios), y aunque los submarinos modernos emiten en el rango de baja frecuencia, estas emisiones también son de baja intensidad, según estimaciones no clasificadas de fuente abierta, en algún lugar entre 95 y 110 decibelios, que es solo un poco más alto que el ruido ambiental del océano circundante en alrededor de 90 decibelios. Dado que un decibelio es una medida logarítmica (es decir, cada aumento de 10 decibelios representa un aumento de diez veces en la potencia acústica, 20 decibelios, 100 veces, 30 decibelios, 1000 veces), en comparación con los gemidos de una ballena azul del Atlántico Norte, que puede superar los 180 decibelios, los submarinos tripulados generan mucha menos potencia acústica.

Pero a una distancia más cercana, las emisiones submarinas pueden ser más detectables, particularmente por las fibras que descansan sobre la superficie del lecho marino. En última instancia, DAS puede proporcionar más una defensa de barrera de guerra antisubmarina (ASW) que se limita a regiones más pequeñas del espacio acuático, en lugar de un sistema de detección y seguimiento de largo alcance. También hay aplicaciones para la defensa del lecho marino. Si consideramos los tipos de actividad que estarían asociados con la guerra en los fondos marinos (manipulación de cables, guerra con minas, emplazamiento, operación o destrucción de infraestructura submarina), el DAS podría desempeñar un papel en la detección, identificación y localización de amenazas.

Aunque actualmente está optimizado para la detección de baja frecuencia, DAS también tiene la capacidad de detectar emisiones de alta frecuencia, como las generadas por actuadores y propulsores de vehículos, así como tecnologías de comunicación, imágenes y navegación submarina. Un estudio del MIT de 2020 descubrió que los AUV pequeños generan emisiones intensas en el rango de 15 a 24 kHz, que pueden estar entre 10 y 45 decibelios por encima del ruido de fondo ambiental.† Un DVL típico emite entre 400 y 600 kHz, mientras que SAS emite entre 400 y 600 kHz, 60-120kHz. Las ecosondas emiten a altas frecuencias ya niveles más altos de intensidad, entre 185 y 230 decibeles.

Y aunque el sistema de propulsión de un sumergible, como un vehículo de reparto nadador (SDV), un UUV de gran desplazamiento (LDUUV) o un UUV extragrande (XLUUV) puede generar un sonido de baja intensidad, es posible detectar sus emisiones de baja frecuencia. si se originan a corta distancia.

La actividad de construcción submarina genera ondas sísmicas y acústicas de baja frecuencia, por lo que el DAS podría detectar fácilmente el ruido asociado con el emplazamiento de estructuras en el lecho marino, como estaciones de energía, estaciones de acoplamiento AUV o conjuntos de sensores. Las unidades de sensores de caída libre que aterrizan en el lecho marino pueden generar un "microsismo" detectable, una onda sísmica generalmente asociada con pequeños temblores de tierra. Las minas lanzadas desde el aire, chocando contra la superficie del océano y deteniéndose en el lecho marino, probablemente generarían poderosas ondas acústicas y sísmicas. DAS podría potencialmente ayudar en el mapeo de campos minados, proporcionando puntos de datos adicionales para ayudar a acelerar las operaciones de contramedidas de minas. Y a medida que Rusia continúa avanzando con el desarrollo del AUV de propulsión nuclear y con armas nucleares Poseidón, el DAS podría desempeñar un papel importante en un sistema integrado de defensa y alerta temprana a distancia bajo el agua, proporcionando ISR o retransmitiendo datos de objetivos a los vehículos interceptores.

Si bien DAS muestra una gran promesa para las aplicaciones de defensa, tiene limitaciones, al menos por ahora. Su rango efectivo, por ejemplo, es de aproximadamente 50 a 100 kilómetros debido a la atenuación de la luz reflejada durante su viaje de ida y vuelta, por lo que una matriz DAS verdaderamente a gran escala requeriría algún tipo de amplificación. Una red de defensa DAS integrada implicaría comparar muestras de sonido con una base de datos de firmas acústicas conocidas para identificar amenazas y discriminar entre objetivos legítimos y falsas alarmas. Por lo tanto, se requerirá un gran volumen de inteligencia de señales y mediciones actuales y oportunas (MASINT) para que DAS ayude a detectar e identificar amenazas submarinas emergentes. "Y además de la cantidad de datos MASINT requeridos, el gran volumen de inteligencia acústica (ACINT) generado por DAS también será desalentador".

El proyecto NTNU, por ejemplo, generó unos siete terabytes de datos por día, o casi 250 terabytes durante el transcurso del estudio. Sin embargo, incluso con estos desafíos, DAS tiene el potencial de influir en gran medida en la defensa submarina. Con una red de sensores lista para usar y de bajo costo y bajo mantenimiento que ya se encuentra en todos los océanos del mundo, es probable que DAS pronto encuentre su camino en los inventarios de defensa de amigos y adversarios por igual.

Fuente †Raley, K; DiBiaso, D; Schmidt, H. Un método acústico de detección remota para la rotación de hélices de alta precisión y la estimación de la velocidad de vehículos submarinos no tripulados, The Journal of the Acoustical Society of America. 2020, 148, 3942.

Sobre el autor: David R. Strachan es analista de defensa y fundador de Strikepod Systems, una investigación y asesoría estratégica que se enfoca en sistemas submarinos autónomos.