Tecnologia Científica

Os engenheiros de Stanford combinam luz e som para ver debaixo d'água
O “Photoacoustic Airborne Sonar System” poderia ser instalado sob drones para permitir levantamentos submarinos aéreos e mapeamento de alta resolução do oceano profundo.
Por Ker Than - 01/12/2020


Uma representação artística do sistema de sonar aerotransportado fotoacústico operando a partir de um drone para detectar e capturar imagens de objetos subaquáticos. (Crédito da imagem: Kindea Labs)

Os engenheiros da Universidade de Stanford desenvolveram um método aerotransportado para obter imagens de objetos subaquáticos combinando luz e som para romper a barreira aparentemente intransponível na interface do ar e da água.

Os pesquisadores imaginam que seu sistema óptico-acústico híbrido um dia será usado para conduzir pesquisas marinhas biológicas baseadas em drones, realizar buscas aéreas em larga escala de navios e aviões afundados e mapear as profundezas do oceano com velocidade e nível semelhantes de detalhes como paisagens da Terra. Seu “Photoacoustic Airborne Sonar System” é detalhado em um estudo recente publicado na revista IEEE Access .

“Radar aerotransportado e espacial e sistemas baseados em laser, ou LIDAR, têm sido capazes de mapear as paisagens da Terra por décadas. Os sinais de radar são até capazes de penetrar na cobertura de nuvens e cobertura do dossel. No entanto, a água do mar é muito absorvente para a imagem na água ”, disse o líder do estudo Amin Arbabian , professor associado de engenharia elétrica na Escola de Engenharia de Stanford. “Nosso objetivo é desenvolver um sistema mais robusto que possa fazer imagens mesmo em águas turvas.”

Perda de energia

Os oceanos cobrem cerca de 70 por cento da superfície da Terra, mas apenas uma pequena fração de suas profundidades foi submetida a mapeamento e imagens de alta resolução.

A principal barreira tem a ver com a física: ondas sonoras, por exemplo, não podem passar do ar para a água ou vice-versa sem perder a maior parte - mais de 99,9 por cento - de sua energia por meio da reflexão contra o outro meio. Um sistema que tenta ver debaixo d'água usando ondas sonoras que viajam do ar para a água e de volta ao ar está sujeito a essa perda de energia duas vezes - resultando em uma redução de energia de 99,9999%.

Da mesma forma, a radiação eletromagnética - um termo genérico que inclui luz, microondas e sinais de radar - também perde energia ao passar de um meio físico para outro, embora o mecanismo seja diferente do som. “A luz também perde alguma energia com a reflexão, mas a maior parte da perda de energia é devido à absorção pela água”, explicou o primeiro autor do estudo, Aidan Fitzpatrick, um estudante de graduação em engenharia elétrica de Stanford. Aliás, essa absorção também é a razão pela qual a luz do sol não consegue penetrar nas profundezas do oceano e por que seu smartphone - que depende de sinais de celular, uma forma de radiação eletromagnética - não pode receber chamadas debaixo d'água.

O resultado de tudo isso é que os oceanos não podem ser mapeados do ar e do espaço da mesma forma que a terra pode. Até o momento, a maior parte do mapeamento subaquático foi conseguida conectando sistemas de sonar a navios que navegam em uma determinada região de interesse. Mas essa técnica é lenta, cara e ineficiente para cobrir grandes áreas.


A configuração experimental do sistema de sonar aerotransportado fotoacústico
no laboratório (à esquerda). Um Stanford “S” submerso sob a água (meio) é
reconstruído em 3D usando ondas de ultrassom refletidas (direita).
(Crédito da imagem: Aidan Fitzpatrick)

Um quebra-cabeça invisível

Entre no Photoacoustic Airborne Sonar System (PASS), que combina luz e som para romper a interface ar-água. A ideia surgiu de outro projeto que usava microondas para realizar imagens “sem contato” e caracterização de raízes de plantas subterrâneas. Alguns dos instrumentos do PASS foram inicialmente projetados para esse propósito em colaboração com o laboratório do professor de engenharia elétrica de Stanford Butrus Khuri-Yakub .

Em sua essência, PASS joga com as forças individuais de luz e som. “Se pudermos usar a luz no ar, onde a luz viaja bem, e o som na água, onde o som viaja bem, podemos obter o melhor dos dois mundos”, disse Fitzpatrick.

Para fazer isso, o sistema primeiro dispara um laser do ar que é absorvido pela superfície da água. Quando o laser é absorvido, ele gera ondas de ultrassom que se propagam pela coluna d'água e se refletem em objetos subaquáticos antes de voltarem para a superfície.

As ondas sonoras que retornam ainda são sugadas de sua energia quando rompem a superfície da água, mas ao gerar as ondas sonoras subaquáticas com lasers, os pesquisadores podem evitar que a perda de energia aconteça duas vezes.

“Nós desenvolvemos um sistema que é sensível o suficiente para compensar uma perda dessa magnitude e ainda permitir a detecção de sinal e imagem”, disse Arbabian.

As ondas de ultrassom refletidas são registradas por instrumentos chamados transdutores. O software é então usado para reconstituir os sinais acústicos como um quebra-cabeça invisível e reconstruir uma imagem tridimensional do recurso ou objeto submerso.

“Semelhante a como a luz refrata ou 'dobra' quando passa pela água ou qualquer meio mais denso que o ar, o ultrassom também refrata”, explicou Arbabian. “Nossos algoritmos de reconstrução de imagem corrigem essa dobra que ocorre quando as ondas de ultrassom passam da água para o ar.”

Pesquisas oceânicas com drones

Os sistemas de sonar convencionais podem penetrar em profundidades de centenas a milhares de metros, e os pesquisadores esperam que seu sistema seja capaz de atingir profundidades semelhantes.

Até o momento, o PASS só foi testado em laboratório em um recipiente do tamanho de um grande tanque de peixes. “Os experimentos atuais usam água estática, mas atualmente estamos trabalhando para lidar com as ondas de água”, disse Fitzpatrick. “Este é um desafio, mas achamos que é um problema viável.”

O próximo passo, dizem os pesquisadores, será conduzir testes em um ambiente maior e, eventualmente, em um ambiente de água aberta.

“Nossa visão para essa tecnologia é a bordo de um helicóptero ou drone”, disse Fitzpatrick. “Esperamos que o sistema seja capaz de voar a dezenas de metros acima da água.”