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PROYECTO SALu

SALu_1

SALu (Seafloor Acoustic Logger unit) es un equipo de registro acústico autónomo en el fondo del mar. El estudio de los cetáceos mediante el registro pasivo de los sonidos que emiten, es una tecnología cuyo más reciente avance, corresponde al registro no desde la superficie sino desde el fondo del mar en forma autónoma durante varios días, abriendo una nueva puerta al conocimiento de estos animales.

SALu es un prototipo que corresponde al primer equipo de este tipo que se utiliza en Chile, fue diseñado y construido por G. Paolo Sanino, y sus características le ponen en la punta de esta tecnología en el mundo (Registro y Patente en trámite).

Introducción    -     Objetivos    -     Aplicaciones    -     Especificaciones

Desarrollo    -     Operación    -     En acción    -     Colaboración

Introducción

Los hidrófonos o sensores de sonido que son desplegados desde embarcaciones en la superficie son el principal método para registrar las vocalizaciones de los cetáceos. Sin embargo, posee algunas limitaciones: a) la embarcación puede afectar la conducta de los animales con su presencia, b) restricciones náuticas pueden restringir la posibilidad de registro durante la noche, c) el oleaje que afecta a la embarcación, se transmite como movimiento al sensor adicionando ruido y d) el clima pude impedir el zarpe de embarcaciones en momentos que se desea registrar.
En zonas cuya profundidad lo permita, es posible instalar un equipo que registre durante un tiempo razonable. Esta es la misión de SALu y nos permite obtener abundantes datos en zonas de difícil acceso.



Objetivos principales del Proyecto SALu
  • Desarrollar un equipo registrador pasivo de sonido submarino, capaz de operar por un par de semanas sin la presencia humana e independientemente del clima. Así, abrir una ventana al conocimiento sobre la conducta de los cetáceos de día y de noche, en zonas apartadas, cuando no hay personas y embarcaciones en la zona.
  • SALu debe poder ser programado para registrar no solo en base a esquemas de fecha y hora sino también, poder discriminar cuando hay cetáceos y tomar la decisión en forma autónoma de cuando registrar.
  • SALu debe poder ser programado desde diferentes equipos como notebooks, netbook, PPC y smartphones con diferentes sistemas operativos.
  • SALu debe poder ser programado manualmente en terreno, como alternativa de emergencia.
  • El firmware del microprocesador de SALu, debe poder ser reemplazado de forma simple para incorporar nuevas funciones como uso de video, nuevos modos de registro, etc. Incluso por el usuario facilitando cambios adecuados a necesidades particulares.
  • Utilizar exclusivamente software libre (Licencia Pública General - GNU) y/o gratuito.


Aplicaciones de SALu

  • Determinar la presencia de cetáceos en zonas remotas, de difícil acceso o donde se presume una conducta evasiva por parte de la fauna local hacia las embarcaciones (Líneas de Base - Evaluación de Impacto Ambiental).
  • Determinar patrones de uso de hábitat tanto diarios como estacionales (migratorios) en lugares determinados, así como documentar variaciones inusuales.
  • Fiscalizar la presencia de embarcaciones en zonas remotas o donde un radar es de difícil acceso.
  • Hacer estudios sistemáticos de la conducta vocal nocturna o comparativa durante la presencia de embarcaciones y sin ellas.
  • Hacer estudios rápidos tendientes a apoyar el desarrollo de operaciones de turismo de observación de cetáceos con información local sobre los animales con que cuentan.
  • Determinar repertorio vocal de los cetáceos en un lugar específico.
  • Hacer estudios tendientes a apoyar la resolución de conflictos de interacción pesquera.
  • Otros donde el campo de la hidroacústica tenga una contribución (sismología, etc).


Especificaciones y Prestaciones

Las prestaciones de SALu han superado lo estimado por el modelamiento computacional de su diseño tanto físico como electrónico. Así, la siguiente información presenta los resultados hasta el momento de las pruebas desarrolladas y algunas de sus habilidades.

Grabador
M-Audio Microtrack II (Modificado). Registra en formato WAV, MP3 y BWF, en 16 o 24 bits (136 dB de rango dinámico) y con una tasa de muestreo entre 44.1 y 96 kHz. El registrador incluye un filtro analógico para evitar clipping atenuando señales sobre 1 dBFS antes de ser digitalizadas.
Sensor
Hidrófono SQ26-08, con un rango de frecuencia entre 0.020 y 50kHz, y resistente hasta los 100m de profundidad. En conjunto logra registrar entre menos de 20 y 4716.8 Hz en excelente calidad. Posee dos posiciones: operación y transporte. En la posición de operación, 100% horizontal, se aprovecha su propiedad omnidireccional sin elementos perturbadores cerca del sensor.
Programación
Con aplicación propia SALi, manual o por transferencia completa de firmware al microprocesador.
Conexión con PC
Por puerto USB. Uno para descarga de los datos y otro para módulo de control.
Modos de grabación
Cuatro modos de registro que cubren todas las necesidades posibles.
  • Trigger : analiza seis muestras de sonido cada 30 ms y las compara con un umbral, predefinido por el usuario con SALi, para decidir registrar en base a las propiedades del sonido ambiental. El módulo de control activa el grabador para registrar sólo eventos que superan el umbral por al menos 30 ms y por una duración predefinida por el usuario con SALi. Este modo, una novedad tecnológica, procura registrar sólo eventos acústicos de cetáceos en vez de sólo sonido ambiental en determinados momentos, ahorrando tiempo de análisis de los datos y haciendo más eficiente el uso de la memoria disponible.
    Es recomendado para producir archivos de registros basados en las propiedades del sonido.
  • Continuous :registra de forma continua produciendo automáticamente archivos de 1.9 GB cada uno, hasta que se cumpla la fecha y hora predefinida para detenerse o se terminen la energía y/o memoria disponibles.
    Es recomendado para la búsqueda intensiva de señales en el más corto plazo.
  • Period : registro por eventos de frecuencia, duración y número definidos previamente.
    Recomendado para maximizar la distribución de los eventos de registro en un tiempo definido.
  • Timers :registro mediante temporizadores que definen la fecha, hora y duración de hasta 18 eventos independientes de registro. Los complejos cálculos que se requieren para hacer un uso eficiente de los temporizadores, son hechos por SALi facilitando su programación.
    Recomendado para producir archivos de sonido en fechas, horas y duración determinados e independientes entre sí.
Modo de recuperación
SALi, permite programar a SALu para que facilite su re-ubicación durante la recuperación de noche o en aguas turbias, mediante el uso de señales luminosas y acústicas.
Dimensiones
350 mm de largo x 235 mm de ancho y 149 mm de alto. Califica como equipaje de mano para transporte aéreo incluyendo cargador y varios accesorios en una maleta con ruedas tipo Pelican case.
Peso
27.5 kilos incluyendo las baterías, conformando un buen balance entre ligereza para transportarlo en aire y agua, y lastre para sostener la posición en el fondo del mar.
Materiales
Caja estanca de acero de 3 mm de espesor galvanizado en caliente dos veces, equipada con dos ánodos de zinc. Carro interior base para el módulo de control y el grabador, de aluminio de diferentes espesores. Conectores pasa-cables de bronce con doble O'rings. Tornillos de cierre manuales (mariposas - sin requerir herramientas) de acero inoxidable al igual que las piezas contra las que trabaja.
Batería principal
7.2 V y 100 A en 10 empaques sellados e independientes de baterías NiMh recargables. Seguras en altos amperios, económicas, sin problema de memoria, de muy baja descarga, buena densidad de energía (+80 wh/kg), no modifican sus dimensiones al ser cargadas y están autorizadas para transporte aéreo. Son más seguras que las baterías de un notebook pese al alto amperio.
Batería secundaria
1200 mAh / 3.7 VCD, de Li-Ion, interna en grabador. Sólo para mantener ajustes en grabador. Se carga con un cable USB y tiene una duración de varios meses.
Tipo de cargador
Cargador inteligente (en fases) de 3 A, autovoltaje (110-220 VAC) con función adicional de seguridad mediante sensor de temperatura instalado en el banco de baterías.
Tiempo de carga completa
La primera carga del banco completo de baterías, toma 35 horas. Las siguientes cargas toman aproximadamente 10.2 horas.
Ciclos de carga
Más de 1000 ciclos antes de requerir cambiar las baterías.
Mínima autonomía de energía
Teniendo todas las funciones activas (situación forzada), las pruebas con sólo uno de los 10 bancos activados, arrojó 2088 minutos de operación (aprox. 35 horas - 287 mAh de consumo). Así se estima que tiene una autonomía mínima de 348 horas (14.5 días).
SALu nunca tiene todas las funciones activas de forma simultánea y su firmware incluye funciones de ahorro de energía cuando está en espera de un evento de registro. Es una estimación con un amplio margen de seguridad.
Máxima autonomía de energía
En el modo de ahorro de energía en espera de un evento de registro, con sólo un banco de batería activado, permaneció activo por 12400 minutos. Se estima que con todos los bancos activados, el módulo de control debiera superar los 86 días de autonomía.
Medio de registro
Tarjetas de memoria CompactFlash (CF) de al menos 4 GB y máximo 100 GB.
Consumo de memoria
Depende de la calidad de registro. En la máxima calidad, 32 GB, 64 GB y 100 GB, corresponden respectivamente a 16h:34min:12s, 33h:8min:24s y 51h:47min:5s. Sólo en el modo de grabación continua el uso de la memoria es el consistente con la autonomía final de SALu. En los otros modos, la memoria se dosifica para abarcar eventos en un rango más amplio de tiempo.
En el modo Trigger, SALu puede estar dos semanas registrando sólo cuando el módulo de control determina que las propiedades de sonido recibidas son tales que merece registrarse. Si se registra en calidades inferiores, la duración de la memoria se incrementa considerablemente (ej. 32 GB, registrando a 44.1 kHz/16 bits, corresponden a 101h:13min:22s).


Desarrollo

¿Porqué SALu? En los últimos 10 años han surgido varios proyectos tecnológicos para desarrollar registradores acústicos de fondo de mar y recientemente se han agregado nuevos proveedores. Básicamente, estas unidades se pueden reducir a dos conceptos de diseño que cumplen con la función de registrar sonido: a) un computador con hardware acústico, baterías y elementos de almacenamiento de memoria; y b) en base a usar una placa de circuito impresa con un microprocesador que opere los botones de un grabador en reemplazo del operador.

El primer concepto ya ha sido utilizado pero tiene el problema de un aún muy elevado consumo de energía. Entre los más avanzados, se ha logrado disminuir el consumo a un amperio por hora sin considerar accesorios. Así, en la práctica una fuente de energía de 100 amperios, lograría una autonomía de menos de cuatro días. Para elevarlo, adicionar baterías aumentaría también el tamaño del equipo.

El segundo concepto incluye un microprocesador con menos alternativas de complejidad de software que la primera opción, pero con un consumo significativamente menor. Se aprovecha durante la etapa de configurar los esquemas de registro, las capacidades de un computador externo (pantalla, teclado, procesamiento, etc) con una aplicación que lo conecte con el microprocesador del registrador remoto. Este ha sido el concepto más desarrollado en los últimos años, utilizando en general el mismo grabador (M-audio MKII) e hidrófono (SQ-26) y la mayoría de sus cajas estancas contenedoras son hechas por también el mismo proveedor. Sin embargo, ninguna de estas unidades parece presentar las características que se requieren en la práctica en terreno.

Entre los problemas más comunes que se pueden encontrar, están:

  • elevado precio (hasta 20 mil USD);
  • excesivo tamaño (más de un metro) y peso dificultando el transporte, instalación y recuperación por varias personas. La mayoría de los sensores son hechos de cerámica y se dañan al ser golpeados o expuestos a más de 60 C. Al ser equipos tan delicados, es deseable que puedan ser transportados como equipaje de mano y una persona debiese ser suficiente para operar en todas las etapas de su uso;
  • pero los equipos que son de tamaño razonable, poseen una autonomía de tan sólo algunas horas y suelen ser programados sólo mediante un computador externo;
  • e incluso algunos producen archivos de sonido sin fecha y hora de cuando fueron registrados, perdiéndose esta información fundamental;
  • los sensores con frecuencia son instalados dentro de una jaula de metal, que puede alterar la recepción omnidireccional, en forma directa o al proveer de una superficie donde crecen rápidamente organismos (ej. algas) pudiendo alterar las capacidades del sensor conforme avanzan los días. Esto es particularmente serio para estudios en los que se desea instalar un red de unidades georeferenciadas para triangular la posición de la fuente de sonido - los cetáceos;
  • la mayoría posee formas cómodas para la fabricación pero complicadas para la instalación porque los sensores quedan en posiciones inadecuadas;
  • los eventos de registro se programan generalmente en base a fecha, hora y duración. Registrándose abundante material sin necesariamente contener datos relevantes, perdiéndose extensas horas de análisis por el investigador, y
  • tienen bloqueado el acceso por parte del usuario al programa firmware del microprocesador que controla la conducta del equipo, impidiendo que su usuario pueda modificarlo para agregarle o alterar sus funciones en base a sus necesidades particulares.

Así nace la idea de diseñar un equipo que supere estas limitaciones.

En el desarrollo de un equipo de este tipo, se requiere de la comunicación entre los investigadores en terreno, buzos, capitanes de embarcación, biólogos acústicos, programadores, diseñadores, ingenieros electrónicos y la maestranza que construye las piezas. Con los potenciales problemas que pueden surgir considerando que cada uno tiene intereses, capacidades, lenguaje y motivación particulares y que se traducen en el producto final.

Tal vez la característica que hace de SALu un equipo tan sobresaliente es el que todas las etapas, actividades y funciones descritas, fueron desarrolladas por la misma persona, conservando en todas la motivación, preocupación por los detalles, y conociendo de las necesidades y capacidades de éstas.

En cuatro años, contando con el permanente apoyo del Laboratorio Marino de Duke University y OAK Foundation, G. Paolo logró terminar el primer prototipo en un nivel muy cercano al comercial.

El diseño del hardware fue modelado en linux por las aplicaciones Blender y OpenOffice.Draw. Mientras que la electrónica fue diseñada y modelada también con diversas aplicaciones linux.



La construcción de SALu fue hecha en su taller personal, mismo con el que diseñó y construyó el velero de investigación Leviathan II. Otra parte fue hecha en horas de la noche a bordo de la M/N Atmosphere de Nomads fo the Seas.


El software tanto para el firmware del microprocesador de SALu como para la aplicación que simplifica su programación, fueron hechas en lenguaje java, con Netbeans para linux. Más de seis mil líneas de código para SALi y 1500 para SALu resultaron en el aporte más relevante para las características que diferencian a este equipo de registro autónomo.



Operación

La operación con SALu es muy simple. Se carga sus 10 bancos de baterías mediante un único conector. El cargador verifica el estado de cada banco y SALu posee un sensor de temperatura  que alerta al cargador ante cualquier anomalía. Idealmente se carga de forma simultánea la batería interna del grabador. Esta se usa sólo para mantener la fecha, hora y configuración del grabador mientras SALu está apagada. Una vez que el cargador indica que está cargado (LED verde), se desenchufa y procede a programar la unidad controladora mediante un cable USB conectado a un notebook (netbook, PC, PPC, u otro equipado con Java).

La aplicación con la que se programa a SALu, es SALi (Seafloor Acoustic Logger interface). SALi ha sido concebida para facilitar gráficamente la decisión del investigador, al momento de maximizar el uso tanto de la energía como de la memoria disponibles en SALu de acuerdo al tiempo que se desea dejar instalada a SALu en el mar.

SALi requiere conocer el amperio del banco de memoria disponible (100 A por defecto) y la memoria instalada (64 GB por defecto). Luego el programa toma la fecha y hora del computador donde está instalada, para elaborar los cálculos necesarios. A SALi se le indica cuándo debe encenderse SALu, en qué modo hará los registros y cuando será recuperada del mar. En esta última pudiendo colaborar mediante indicaciones luminosas y/o acústicas.

Las siguientes son unas capturas de pantalla de una versión de SALi, la aplicación para programar a SALu.

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Se activa la batería principal y enciende SALu (la batería interna del grabador es automáticamente desconectada sin perder los ajustes), los datos le son traspasados a la unidad controladora por el cable USB y desde entonces el equipo está listo para ser cerrado. en espera a ser instalado en el mar. Esta programación puede hacerse en terreno antes de instalarse o incluso días antes en el laboratorio.

Si por alguna razón, en terreno se desea alterar la programación y no se dispone de un computador, PPC o Smartphone con SALi instalada, entonces se pude cambiar el modo de grabación mediante el uso de un panel de control en la Unidad de Control. Los ajustes son indicados mediante LEDs y señales acústicas simples a modo de evitar consumir energía mediante una pantalla extra.

SALu puede instalarse mediante un descenso con una cuerda desde una embarcación, (marcando su posición con una boya que permite su izado posterior) o libremente por un buzo con una bolsa de levante simple. Dispone de tres patas ajustables, conformando un triángulo equilátero perfecto, que permiten una posición horizontal (verificable con un nivel de burbuja incluido en la parte superior de SALu). El sensor se levanta y fija en la posición de operación, quedando sólo su porción activa expuesta y sin necesidad de herramientas.

Dependiendo de las condiciones locales puede ser recomendable amarrarla a un ancla, roca u otro elemento para evitar la acción de corrientes o de terceros. Las pruebas hechas, han mostrado que el propio peso de SALu y su forma le protegen de las corrientes en forma eficiente. Su fijación obedece más a una necesidad en lugares inseguros donde la unidad pueda ser objeto de curiosos y ser hurtada.

SALu operará conforme fue programada y esperará hasta el momento de ser recuperada. Si el programa indicaba un término de actividad en una fecha y hora, pero en la práctica es recuperada más tarde, no es problema. El uso que SALu hará de dicho tiempo extra dependerá del programa que le fue solicitado. En algunos sólo significa que seguirá registrando hasta que se le acabe la energía. Cuando esto pasa, el grabador es desconectado automáticamente mientras la unidad de control entra en un modo de ahorro de energía manteniendo una actividad mínima. Si la energía decae demasiado, esta unidad también se apaga. Los datos grabados en ningún momento son alterados por esta situación.

Al recuperar a SALu, se procede a abrirla en la embarcación o en el laboratorio, para apagar el interruptor de encendido, desconectar el banco principal de baterías (ya se puede iniciar una nueva carga), y se conecta con un cable USB a la unidad controladora para descargar los archivos grabados. Durante esta etapa, la batería interna del grabador es automáticamente recargada.



En acción

Las pruebas han incluido exámenes tanto en laboratorio, en tierra como en el mar. Las primeras pruebas fueron hechas a bordo de la M/N Atmosphere gracias a Nomads of the Seas en la Patagonia chilena (bahía Tictoc). Donde superó pruebas de estanqueidad, control de la energía y se probaron los modods de grabación bajo el agua. Luego se incluyó a SALu como equipo de apoyo en un estudio de Línea de Base cerca de Tortel, en islotes Edmundo - canal Plaza, siendo por primera vez dejada sola en el mar. Los registros resultaron sin cetáceos pero de excelente calidad pese a una fuerte tormenta y las bajas temperaturas debido a los abundante glaciares en la zona. No así un segundo grabador como control, instalado en la cubierta de la embarcación, que fue afectado por las temperaturas.

Finalmente, la prueba definitiva se desarrolló el 3 de agosto de 2010 en isla Chañaral, con el apoyo de Céline Cousteau, César Villarroel, el equipo de OCEANO (Nuevoespacio Producciones), Patricio Ortíz y la Armada de Chile.

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SALu, no sólo cumplió a la perfección la misión para la que fue diseñada sino que la naturaleza nos sorprendió. En pleno invierno (hemisferio sur), con una tormenta de viento norte, SALu detectó y registró las vocalizaciones de varias ballenas.
Su presencia en invierno y conducta vocal fueron una importante contribución tanto para la ciencia como para la toma de decisiones en la administración de la Reserva Marina Isla Chañaral.

Haga clic sobre los espectrogramas para descargar/escuchar las vocalizaciones registradas (son archivos MP3, puede tomar unos segundos). Carecen de la calidad original (muy grande para internet) y poseen un filtro low-pass a 380 Hz para atenuar el ruido.

Si no tienes un buen reproductor multimedia, te recomendamos VLC (gratuito y multiplataforma).



Colaboración

El proyecto SALu y su éxito no habrían sido posibles sin el apoyo y confianza entregada por Duke Center for Marine Conservation y Oak Foundation, a quienes G. Paolo agradece públicamente mediante este medio. SALu es parte integral del Proyecto VISTA AL MAR (temporalmente sólo en inglés), apoyado por ambas organizaciones.

Duke logo
oak logo

El contar en Chile con esta herramienta, abre una importante puerta para incrementar nuestro conocimiento sobre los cetáceos.
Un proyecto así, ciertamente, no debiese detenerse en esta etapa. Los siguientes pasos son la adquisición de mejores herramientas para su fabricación con aún mejores materiales y la adición de video submarino. Así, la producción de una serie de estos equipos nos permitirá montar redes submarinas de acústica pasiva en lugares donde se requiere intensificar los esfuerzos de investigación, en zonas remotas o de mal clima.

Para estas etapas, se requiere de importante financiamiento. El nivel alcanzado demuestra que se tiene la tecnología y capacidad para hacer buen uso de cualquier contribución. Para hacer estos aportes, o incluso contratar los servicios de SALu, favor contactarse con nuestro departamento de ciencias.




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