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 UNDERWATER MULTI‐INFLUENCE MEASUREMENTS AS A MEAN TO CHARACTERIZE THE OVERALL VESSEL SIGNATURE AND PROTECT THE MARINE ENVIRONMENT MEDIDAS MULTI‐INFLUENCIA COMO MEDIO PARA CARACTERIZAR LA FIRMA GLOBAL DE UN BUQUE Y PROTEGER EL ENTORNO MARINO Antonio Sánchez García
Sociedad Anónima de Electrónica Submarina (SAES), Línea de actividad de I+D+i,
[email protected]; Cartagena, España; Tel:+34968508214
Adolfo Hernández Solano
Sociedad Anónima de Electrónica Submarina (SAES), Gerencia Comercial y de Marketing,
[email protected]; Cartagena, España; Tel:+34968508214
Francisco J. Rodrigo Saura
Sociedad Anónima de Electrónica Submarina (SAES), Departamento de Ingeniería de Sistemas,
[email protected]; Cartagena, España; Tel:+34968508214
Patricio Muñoz Esparza
Sociedad Anónima de Electrónica Submarina (SAES), Departamento de Ingeniería de Sistemas,
[email protected]; Cartagena, España; Tel:+34968508214
ABSTRACT
The overall signature of a vessel comprises acoustic, magnetic, electric-field, pressure and seismic
radiations. Over the past years international community’s efforts have mainly centred on reducing the
acoustic influence with the dual aim of decreasing the vessel detectability and reducing the level of
acoustic pollution generated in the marine environment. Nowadays it is becoming increasingly clear the
necessity of acting not only on the acoustic radiation but against the overall set of the vessel’s radiations,
both in the military and the civilian fields, based on aspects such as the stealthiness of the vessels, the
security of harbour and critical infrastructures and the environmental protection. As a key element to
achieve this goal, it is greatly important to have at our disposal highly modular and adaptable
measurement systems covering the overall set of vessel’s radiations, with a high capacity of data
transmission to base centres in order to have the capacity of taken measurements in all kind of marine
environments.
Keywords: vessel signature, multi-influence, underwater measurement, environmental protection, portable
systems.
RESUMEN
La firma global de un buque está compuesta por radiaciones: acústica, magnética, de campo eléctrico, de
presión y sísmica. A lo largo de los últimos años, los esfuerzos de la comunidad internacional se han
centrado principalmente en reducir la influencia acústica, con el doble objetivo de disminuir la
detectabilidad del buque y reducir el nivel de contaminación acústica generada en el entorno marino. En la
actualidad se está constatando con claridad la necesidad de actuar no sólo sobre la radiación acústica,
sino sobre el conjunto global de las radiaciones del buque, tanto en el ámbito militar como en el ámbito
civil, basado en aspectos como: la discreción de los buques, la seguridad en puertos e infraestructuras
críticas y la protección ambiental. Como elemento clave para alcanzar esta meta, es de gran importancia
tener a nuestra disposición sistemas de medida adaptables y altamente modulares que cubran el conjunto
total de las radiaciones de los buques, con alta capacidad de transmisión de datos a centros base, con
objeto de tener la capacidad de realizar medidas en toda clase de entornos marinos.
Keywords: vessel signature, multi-influence, underwater measurement, environmental protection, portable
systems.
1, INTRODUCCION
Todos los buques, independientemente de su forma y tamaño, emiten al mar un conjunto de radiaciones
que configuran la denominada firma del buque. Esta firma caracteriza e identifica de forma unívoca al
buque del mismo modo que las huellas dactilares identifican al ser humano. La importancia de esta firma
es conocida desde comienzos del siglo pasado, especialmente en el ámbito de defensa y centrada de
forma particular en las denominadas firmas acústica y magnética. Como ejemplo, las detecciones de los
buques basados en su firma acústica tuvieron gran importancia en el ámbito naval durante la Segunda
Guerra Mundial.
En paralelo, con el avance de la tecnología durante el siglo XX y en especial en el ámbito de defensa se
han desarrollado técnicas para reducir el nivel de las radiaciones emitidas al mar. Inicialmente, las
técnicas de reducción se centraron en el ámbito de la radiación acústica, a la que siguió la radiación
magnética para abarcar con posterioridad las radiaciones de campo eléctrico, de presión y sísmica. El
conjunto de las cinco radiaciones mencionadas conforma la denominada firma multi-influencia de un
buque. En la Figura 1 se presenta un ejemplo de simulación de firma eléctrica radiada por una rastra
eléctrica.
Figura 1. Simulación del campo eléctrico radiado por una rastra eléctrica El control de la firma multi-influencia tiene gran importancia en el ámbito de defensa y en el caso de
buques como los submarinos se convierte en cuestión de supervivencia. Asimismo, está adquiriendo cada
vez más importancia en el ámbito civil ligado a la conservación del medio marino y en especial de la fauna
marina que lo habita, debido a la incidencia de estas radiaciones sobre su comportamiento. Por último, es
de resaltar que la detección de esta firma permite determinar la presencia de amenazas sobre puertos,
infraestructuras críticas o bienes culturales en el fondo del mar, lo que posibilita la implementación de
acciones para neutralizarlas.
El presente artículo comprende cuatro apartados además de esta introducción: en el primero de ellos se
describen las principales características de las radiaciones que componen la firma multi-influencia, en los
dos siguientes se analiza la importancia de esta firma en los ámbitos de defensa y civil, en el siguiente
apartado se describe un sistema especialmente adaptado para la obtención de firmas multi-influencia.
Finalmente se completa el artículo con las conclusiones obtenidas.
2. CARACTERÍSTICAS DE LA FIRMA MULTI-INFLUENCIA DE UN BUQUE
Como se ha mencionado con anterioridad la firma multi-influencia de un buque está compuesta por cinco
tipos de radiación: acústica, magnética, eléctrica, de presión y sísmica. Cada una de ellas presenta
características diferentes. A continuación se presenta una breve descripción de las principales
características de cada una de ellas.
Radia
ación acústicca
El son
nido creado por una fuente que vibra se propaga com
mo una onda dentro
d
de un m
medio elástico
o como
el mar, originando cambios
c
de prresión que son
n susceptibles
s de ser medid
dos.
La tra
ansmisión del sonido en el agua se cara
acteriza por su
s alto rendim
miento, constitu
uyendo de he
echo la
forma
a de radiación conocida que
e se propaga de
d forma más eficiente en este
e
medio [1]], pudiendo alc
canzar
grandes distancias en el caso de
e bajas frecuen
ncias.
Los buques emiten
n dos tipos genéricos de se
eñales: de ban
nda ancha y de
d banda estre
echa. La prim
mera se
caractteriza por ab
barcar un esp
pectro amplio de frecuenciias, mientras que la segu
unda se limita
a a un
especctro reducido.
Existe
en diferentes fuentes
f
de son
nido en los bu
uques, las tres
s principales son:
s
ruido de m
maquinaria, ru
uido de
la hélice y ruido de
e hidrodinámicco. En la Figurra 2 se muesttra un esquem
ma de propaga
ación submariina del
o utilizando un
n modelo de propagación
p
acústica subma
arina.
sonido
Figura 2. Caaminos de propagación submarin
na del sonido obttenidos mediante
e un modelo de p
propagación
Radia
ación magné
ética
La inffluencia magnética de un buque está form
mada por dos
s componente
es: la compone
ente estática (SM)
(
y
la com
mponente alte
erna (AM). La componente estática
e
es ge
enerada por el campo magn
nético perman
nente y
el cam
mpo magnético
o inducido.
La co
omponente de
el campo mag
gnético permanente apare
ece debido a la magnetiza
ación por el campo
c
magnético terrestre
e de los mate
eriales magnéticos con los que se consttruye el buque
e. Por otro lado, un
buque
e siempre está
á en presencia de un camp
po magnético externo, el ca
ampo magnético terrestre, el cual
contribuye asimism
mo a la firma magnética
m
del buque. Esta componente
c
depende del ru
umbo del buqu
ue y su
localizzación en la tie
erra.
Adem
más del campo
o magnético pe
ermanente e inducido,
i
tamb
bién contribuyye a la firma m
magnética está
ática el
campo
o CRM (Corrision Related Magnetic). Esste campo es debido a la existencia
e
de ccorrientes elé
éctricas
de corrosión en el mar,
m que tiene
en un campo magnético
m
aso
ociado.
La componente alte
erna de la firm
ma magnética es
e generada por:
p
•
•
•
•
Las corrie
entes en las bobinas
b
rotativvas de las turrbinas del buq
que. Estas actúan como dipolos
d
magnético
os, los cuales generarán
g
una
a firma magné
ética AC.
Las corrientes de Fouca
ault inducidass en el mar po
or los dipolos magnéticos. E
Estas corriente
es son
e el tiempo y están asociadas a los cam
mpos eléctricoss AC.
variables en
Corrientess eléctricas flu
uyendo en el casco debido
o a fallos de los equipos y / o un inade
ecuado
diseño elé
éctrico del equipo.
Campo ma
agnético inherrente radiado por cualquier maquinaria ro
otativa eléctricca en el buque
e.
Además, el rizado en la fuente de alimentación produce corrientes alternas hacia el mar. En la Figura 3 se
presenta un ejemplo de simulación de campo magnético generado por un buque.
Figura 3. Simulación de campo magnético generado por un buque
Radiación de campo eléctrico
La firma eléctrica de un buque está formada por una componente estática y una componente alterna. La
componente estática se denomina UEP (Underwater Electric Potential) y representa la influencia en
campo cercano. Se mide al paso del buque sobre un sensor o antena de sensores de campo eléctrico y
su variación temporal depende de la velocidad y tamaño del buque. La firma eléctrica alterna se denomina
ELFE (ExtremelyLowFrequency Electric). Tiene un ancho de banda máximo de 3 kHz aproximadamente y
representa la influencia en campo cercano y lejano.
La firma eléctrica estática de un buque es debida a las corrientes eléctricas generadas en el proceso de
corrosión galvánica. Para evitar dicha corrosión se utilizan los sistemas de protección catódica. Podemos
diferenciar entre dos tipos, los pasivos y activos o ICCP (ImpresedCurrentCathodicProtection). Los
sistemas pasivos utilizan ánodos de sacrificio, mientras que los sistemas activos utilizan ánodos de
corriente impresa y electrodos de referencia. A menudo, los sistemas de protección catódica contribuyen
a la firma eléctrica de una manera drástica, siendo éstos en la mayoría de los casos los generadores
principales de la misma.
El campo eléctrico alterno o ELFE se debe a las siguientes fuentes:
1.
2.
3.
Modulación de la corriente de corrosión: la corriente galvánica se modula debido al giro de palas
y hélices.
Rizado en la alimentación de la maquinaria del buque. Aparece un tono de frecuencia
correspondiente a la frecuencia de alimentación.
Rizado en sistemas de degaussing e ICCP, correspondiente a la modulación que sufre la
corriente del sistema ICCP debido a la variación de la resistencia entre el eje y el casco del
buque.
En la Figura 4 se muestra un ejemplo de simulación de firma eléctrica radiada por un buque.
Figura 4. Ejemplo de simulación de firma eléctrica radiada por un buque
Radia
ación de pressión
La presión hidrostá
ática debida a la profundid
dad del agua
a varía lentam
mente por cam
mbios en la presión
p
atmossférica y por subidas
s
y baja
adas de la ma
area. Además, puede verse
e alterada rápidamente por olas y
oleaje
e, o por el paso de un buque
e.
La variación de pre
esión debida al
a paso de un buque
b
usualm
mente es muy pequeña. Esta
a pequeña variación
c
la firma
f
de presiión de un buq
que es produc
cida por el effecto Bernoullli del agua flu
uyendo
que constituye
desde
e su proa hacia su popa. Se
e origina así un
u incremento de presión en
n la proa y popa y un decre
emento
de pre
esión en la zo
ona central (su
ucción), cuyo pico
p
es directa
amente proporcional a la ve
elocidad del bu
uque y
depen
nde de la form
ma sumergida del mismo. En
n la Figura 5 se
s muestra la simulación de
e la firma de presión
p
de un
n buque donde
e se aprecian los incremen
ntos y decrementos caracte
erísticos de esste tipo de rad
diación
por pa
arte de un buq
que.
Por ta
anto, las fluctu
uaciones indu
ucidas por el buque
b
se sup
perponen con la presión estática nomina
al en el
fondo y las perturba
aciones natura
ales ocasionadas por marea
as, olas y olea
aje.
Figura 5. Simulación
n de la firma de p
presión de un bu
uque Radia
ación sísmica
a
La inffluencia sísmicca es generad
da por las missmas fuentes del buque qu
ue originan la influencia ac
cústica.
Cuand
do una onda sonora alcanza una superficie, la ma
ayor parte de
e su energía se refleja, pe
ero un
porcentaje de ésta es absorbida por el nuevo medio.
m
s
acústticas de muy baja
b
frecuenciia (por debajo
o de 10 Hz) se
e transmiten hasta el
De esste modo, las señales
subsu
uelo del fondo
o marino y se propagan a través
t
de éste
e como perturbación de tip
po sísmico. As
sí este
tipo de
e perturbacion
nes viajan más rápidamente
e por el fondo marino que por
p el agua.
Desde
e el punto de vista
v
sísmico es obvio que la energía acú
ústica que pen
netra en el fon
ndo puede con
ntribuir
consid
derablemente en ocasioness a trasmision
nes a media y larga distancia. Un ejemplo
o claro que muestra
m
el com
mportamiento de las influen
ncias sísmicass es la existen
ncia de una fre
ecuencia críticca a partir de la cual
una pared
p
rígida em
mpieza a abssorber parte de la energía de
d las ondas incidentes y q
que depende de las
caractterísticas de lo
os materiales y capas que componen el fondo. En la Figura
F
6 se prresenta un esq
quema
de pro
opagación sub
bmarina de la influencia sísmica de un bu
uque.
Figura 6. Esquema de propagación submarina d
de la firma sísmicca de un buque
3. LA FIRMA MULTI-INFLUENCIA EN EL AMBITO DE DEFENSA
Las bases de datos de inteligencia se han convertido en un elemento de gran importancia para las
Armadas de los diferentes países. Estas bases de datos incluyen como elementos distintivos las firmas de
los buques. Inicialmente contenían datos acústicos y en ocasiones magnéticos. En la actualidad buscan
incorporar también datos referentes al resto de influencias. Estas bases de datos permiten discriminar no
sólo el tipo y la clase del buque sino la unidad específica de la clase, lo que proporciona una ventaja
táctica considerable.
En la actualidad se está acentuando la tendencia de las últimas décadas relativa a la disminución de las
firmas de los buques. Esta tendencia es particularmente intensa en el caso de los submarinos, que ante el
desarrollo de armas cada vez más inteligentes como los torpedos de última generación, buscan
incrementar su nivel de protección al convertirse en buques cada vez más silenciosos. En la Figura 7 se
muestra una imagen de submarinos del tipo U-206.
En paralelo con lo anterior, se están desarrollando sistemas cada vez más sofisticados que incorporan un
amplio rango de sensores. El uso de estos sistemas multi-influencia permite incrementar de forma
significativa la capacidad de detección de los buques a partir de la combinación de los datos
proporcionados por los diferentes sensores, posibilitando una disminución apreciable del número de
falsas alarmas en las detecciones.
Por otro lado, en el ámbito de la protección de las instalaciones de defensa, el uso de estos sensores
multi-influencia está permitiendo incrementar de forma importante su seguridad, sobre la base de la
detección temprana y más precisa de las diferentes amenazas procedentes del entorno marino, como
buceadores desplazándose de forma autónoma, vehículos submarinos tripulados y no tripulados (SDV,
ROV, UUV), mini-submarinos, etc.
Figura 7. Submarinos de la clase U‐206: A.R.C Intrépido y A.R.C Indomable 4. LA FIRMA MULTI-INFLUENCIA EN EL AMBITO CIVIL
Durante los últimos años ha surgido una creciente concienciación en el ámbito internacional sobre la
necesidad de proteger el medio ambiente marino, en especial de las actividades humanas como: la
pesca, la navegación, las obras en entornos portuarios o la búsqueda de hidrocarburos en el fondo del
mar, que conllevan aumentos significativos en el nivel de distintos contaminantes, como es el caso del
ruido y otras fuentes de energía como la eléctrica o la magnética generadas en el entorno marino.
Esta creciente preocupación ha conllevado el desarrollo de diferentes normativas nacionales e
internacionales enfocadas a una preservación efectiva del medio marino. Entre ellas, la Directiva Marco
sobre la Estrategia Marina, promulgada por la Unión Europea en el año 2008 introduce un conjunto de
descriptores cualitativos para determinar el buen estado ambiental, de los que uno de ellos corresponde a
que: “La introducción de energía, incluido el ruido subacuático, se sitúe en niveles que no afecten de
manera adversa al medio marino”. La aplicación efectiva de esta Directiva, y de otras normativas
relacionadas con la protección del medio ambiente marino, conlleva tanto la medición del nivel de las
diferentes radiaciones de energía emitidas al agua [2], como la detección de la presencia de la fauna
marina en zonas específicas sobre las que se detectan elevados niveles de energía, con el fin de
preservarla de sus posibles efectos nocivos. Esta detección se basa principalmente en sensores
acústicos, aunque se están analizando otras posibles formas de detección como la detección de su
presencia en base a la alteración que ejercen sobre el campo eléctrico o el campo magnético submarino.
En la Figura 8 se incluyen dos especies de cetáceos: delfín mular y cachalote, ambas especies
protegidas.
Al igual que en el ámbito de defensa, la utilización de sistemas de sensores multi-influencia proporciona
una protección efectiva de puertos e infraestructuras críticas, como refinerías de petróleo o centrales
eléctricas, ante intrusos con intenciones hostiles. Esta protección se puede extender asimismo a otros
ámbitos de considerable interés como es la protección de reservas marinas, pecios o restos
arqueológicos submarinos.
Figura 8. Especies de cetáceos: delfín mular (izquierda) y cachalote (derecha) 5. MEDIDAS DE LA FIRMA MULTI-INFLUENCIA
Con relación al ámbito de las medidas multi-influencia la tendencia en el ámbito civil es avanzar hacia un
proceso de estandarización en los procedimientos y parámetros de las medidas, estándares que ya
existen desde hace tiempo en el ámbito de defensa. En este caso, la precursora está siendo de nuevo la
influencia acústica, para la que se ha desarrollado recientemente (2009) un estándar por parte de la
AcousticalSociety of America (ASA): “Quantities and Procedures for Description and Measurement of
Underwater SoundfromShips”. Adicionalmente en el ámbito de la Unión Europea existen programas
enfocados a la definición de un estándar europeo. Para poder establecer comparaciones entre medidas
procedentes de diferentes sistemas, éstas suelen normalizarse a referencias comunes, como es el caso
de un metro de distancia de la fuente para las medidas acústicas o un punto de referencia común para
todos los buques para el caso de las medidas de campos eléctricos y magnéticos.
Los sensores multi-influencia proporcionan rangos de detección diferentes, lo que permite establecer
diferentes capas de detección en función de su alcance. Las distancias de detección dependen tanto de
las características específicas del medio marino como de las del buque bajo medida y de los sensores
empleados.En una primera aproximación, se puede establecer que el sensor acústico y el sensor sísmico,
siendo este especialmente dependiente de las condiciones antes mencionadas, proporcionan distancias
de detección del orden de kilómetros, los sensores de campo eléctrico y magnético del orden de cientos
de metros y el sensor de presión en el rango de decenas de metros.
El amplio rango de entornos operativos en los que es susceptible llevar a cabo medidas multi-influencia
hace altamente aconsejable disponer de sistemas modulares, portátiles y de reducidas dimensiones y
pesos que permitan su despliegue y recogida en diferentes áreas marinas en un intervalo reducido de
tiempo y sin requerir medios complejos. Otros aspectos a ser remarcados son la capacidad de transmisión
de datos a centros base (situados en tierra o embarcados en buques) con un ancho de banda adecuado a
las características de las señales bajo medida, y la capacidad de almacenamiento de las influencias
medidas y su procesamiento, enfocado a proporcionar información precisa y útil al operador del sistema.
Como ejemplo de un sistema que cumple con las características anteriormente descritas se encuentra el
sistema MIRS, desarrollado por la empresa SAES (ver unidades submarinas del sistema desplegadas en
el fondo del mar en Figura 9).
Figura 9. Unidades submarinas del sistema de medición multi‐influencia MIRS desarrollado por SAES El sistema MIRS ha sido probado en entornos operacionales mostrando su versatilidad, facilidad de
manejo y precisión en las medidastomando como referencia sistemas calibrados. En la Figura 10 se
muestran resultados gráficos de las firmas multi-influencia de un buque mercante realizadas con MIRS.
Figura 10. Conjunto de medidas de la influencia acústica (superior izquierda), sísmica (superior centro), magnética (superior derecha), eléctrica (inferior izquierda) y de presión (inferior derecha) de un buque mercante medidas con el sistema MIRS desarrollado por SAES 6. CONCLUSIONES
Todos los buques al desplazarse en el medio marino radian al mar un conjunto de influencias (acústica,
magnética, eléctrica, de presión y sísmica) que conforman su firma multi-influencia. Algunas de estas
influencias (acústica y magnética) han sido medidas desde hace décadas para caracterizar a los buques
en el ámbito de defensa y evaluar la contaminación marina en el ámbito civil. Recientemente ha surgido el
interés en la comunidad internacional de disponer de la firma completa de los buques para evaluar de
forma global su impacto en el medio marino.
En el ámbito de defensa, el disponer de datos multi-influencia de los buques permite,desde un punto de
vista de la protección de la propia flota, realizar las tareas y estudios de reducción de firma para disminuir
la probabilidad de ser detectado. Por otro lado, desde el punto de vista de la detección de amenazas,
permite caracterizar la firma de los buques para aumentar así la capacidad de detectarlos.
En el ámbito civil, el interés se centra en la preservación del medio marino y en especial de su fauna. En
el ámbito dual defensa-civil, los sistemas de protección basados en sensores multi-influencia constituyen
un medio altamente eficaz para la detección de intrusos y amenazas.
Debido a la variedad de los entornos operacionales en el medio marino,es altamente aconsejable
disponer de sistemas modulares con capacidades contrastadas de transmisión de datos, registro de las
medidas y procesamiento enfocado a proporcionar información relevante al operador del sistema. El
sistema MIRS, desarrollado por SAES, se presenta como un sistema verificado y en servicio que cumple
con los requisitos establecidos para las medidas multi-influencia de cualquier plataforma o dispositivo
naval en todo el espectro de entornos operativos.
REFERENCIAS
[1] R. J. Urick. Principles of Underwater Sound.McGraw‐Hill (1993). [2] W. J. Richardson, C. R. Green, C. I. Malme, D. H. Thomson. Marine mammal and noise. Academic Press Inc. (1995).