Affiancato agli strumenti per il posizionamento e l’assetto, al centro dell’acquisizione idrografica c’è sempre uno strumento per la determinazione della profondità, che sfrutta onde acustiche oppure elettromagnetiche orientate verso il fondo marino.
Il singlebeam echosounder (SBES)
È il tradizionale strumento utilizzato per la misura della profondità al di sotto di un trasduttore, utilizzato per trasformare l’energia elettrica in acustica in trasmissione e viceversa in ricezione. Tale trasduttore ha un lobo acustico direttivo, con una certa ampiezza angolare21, con direzione di massima irradiazione perpendicolare alla sua superficie e punto di ricetrasmissione, fondamentale per la definizione degli offset, definito geometricamente rispetto al trasduttore stesso. Un impulso acustico ad una certa frequenza viene emesso ad un tempo noto e si misura il tempo di andata e ritorno del segnale. Noto il profilo della velocità del suono, si stima la distanza dal trasduttore al fondo marino. Ne risulta una misura puntuale di fondale ripetuta nel tempo sfruttando il fatto che il mezzo su cui è installato lo strumento è in movimento lungo linee programmate. Al fine di intercettare su ogni linea di acquisizione il profilo di variazione di fondale, le linee singlebeam sono generalmente condotte perpendicolarmente all’andamento batimetrico medio della zona da rilevare.
La misura è tanto più rappresentativa di un punto tanto più l’ampiezza del lobo acustico ed il corrispondente footprint22 hanno valori piccoli. All’opposto, per raggiungere le maggiori profondità sono necessarie frequenze minori, in generale meno risolutive ed accurate23 e che necessitano, a parità di ampiezza del lobo, di trasduttori grandi non sempre installabili su piccoli vettori. 24
L’altra grandezza che influenza la misura è la quantità di energia che si irradia nel mezzo, legata all’ampiezza del segnale emesso e alla sua durata. Aumentare l’ampiezza e la durata
21 L’ampiezza angolare del beam è definita tra la direzione di massima potenza del raggio dell’onda e la direzione in cui la potenza è la metà. Dipende dalle dimensioni del trasduttore rapportate alla lunghezza d’onda del segnale.
22 Il footprint è l’impronta del beam sul fondo.
23 Frequenze minori hanno lunghezze d’onda maggiori. Siccome la precisione della misura è funzione della lunghezza d’onda, ne consegue la minor precisione dei sistemi a bassa frequenza.
24 A parità di lunghezza d’onda, un trasduttore più lungo in una certa direzione genera un lobo più stretto nella medesima direzione. A parità di dimensione del trasduttore, lunghezze d’onda maggiori, e quindi frequenze minori, generano lobi più ampi. A parità di ampiezza del lobo, maggiori lunghezze d’onda necessitano di trasduttori più grandi.
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dell’impulso significa sicuramente aumentare la portata del sistema fino ad un certo limite fisico comunque condizionato della frequenza, ma non necessariamente migliorare la qualità della misura. Infatti, quello che influenza maggiormente la qualità in ricezione non è il segnale ricevuto bensì il rapporto tra segnale ricevuto e rumore, che in caso di maggiore potenza non migliora, anzi rischia di produrre falsi echi. La migliore regola di utilizzo del singlebeam per applicazioni batimetriche è quella di utilizzare la frequenza più alta possibile (nel caso se ne abbiano a disposizione più d’una), con minima ampiezza e durata d’impulso che comunque permettano la detection continua del fondale. I parametri vanno poi modulati durante il rilievo per adattarsi meglio alla situazione in atto.
La misura di tempo relativa al fondale è temporeferenziata dallo strumento, tramite allineamento del proprio orologio interno (clock) con quello proveniente dal GNSS.
I singlebeam, oltre a registrare il dato digitale relativo alla detection del fondale, sono in grado di digitalizzare e registrare l’intensità del segnale nel tempo. Ciò è utilissimo per analizzare lo stato della colonna d’acqua, la natura del fondo e, in caso di penetrazione nel sottofondo, per lo studio stratigrafico.
I sistemi più avanzati sono in grado di gestire più frequenze contemporaneamente (in genere ogni frequenza ha il suo trasduttore dedicato), in acque profonde gestiscono più impulsi contemporaneamente (modalità multipulse) e per abbattere il rumore modulano la portante durante l’emissione dell’impulso sfruttando al contempo la non linearità di propagazione (cosiddetti sistemi chirp).
Il multibeam echosounder (MBES)
Da un punto di vista concettuale, pensare che il multibeam sia soltanto una sovrapposizione lineare di più singlebeam appare il più grande errore da non commettere. Il multibeam ha una tecnologia diversa rispetto al suo antenato, e seppur serva per gli stessi scopi, da un punto di vista tecnologico poco li accomuna.
Il multibeam è in grado di misurare con un solo ping più di una detection, determinando una certa quantità di coppie angolo-tempo di andata e ritorno (travel time)25. Alla tradizionale misura geometrica di profondità si associano inoltre le misure di backscatter e di water column.
25 L’angolo è riferito al transducer reference frame, il tempo all’orologio del sistema ormai costantemente sincronizzato con quello del GNSS.
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Ogni multibeam è costituito da un livello fisico, in cui avviene la ricetrasmissione del segnale acustico e la sua trasformazione in segnale elettromagnetico, e un livello analitico, in cui i segnali ricevuti vengono ricombinati e analizzati sulla base di algoritmi, che rappresentano il cuore del sistema.
A livello fisico, nel trasduttore del multibeam sono integrati un projector di trasmissione del segnale e un array di ricevitori.
Il proiettore, orientato con l’asse maggiore per chiglia, invia il segnale. Il lobo acustico di trasmissione ha un’ampiezza prora-poppa di pochi gradi mentre quella sinistra-dritta che spazia dai 120 ai 180 gradi a seconda dei modelli di multibeam. Il lobo ha la forma di un ventaglio orientato in senso trasversale.
Per perfezionare la risoluzione spaziale ed assegnare la misura di tempo ad una certa direzione definita sia in senso longitudinale sia trasversale, si ricorre al potere discriminatorio dell’array ricevente.
I modi per definire tali direzioni trasversali sono due, e riconducono a due principi di funzionamento del ricevitore per molti versi tra di loro opposti. Si può fissare un certo set di direzioni trasversali da cui si decide voler ricevere, e per ogni direzione si misura il travel time, oppure si scansiona in maniera discreta nel tempo il segnale ricevuto, determinando per ognuno dei tempi t=t0 l’angolo da cui proviene il segnale. La prima modalità è chiamata beamforming, la seconda interferometria.
Il beamforming si avvale di un certo numero di elementi riceventi, solitamente almeno 40, costituenti un array, orientato per madiere. A livello fisico ogni elemento dell’array riceve in maniera indipendente lo stesso segnale irradiato dal proiettore. I tempi di arrivo del segnale, diversi per ogni elemento acustico dell’array e aggiornati ad ogni nuovo ping, vengono registrati.
Il set di misure passa quindi al livello analitico, solitamente costituito da una scheda informatica che opera il beamforming. Per ogni ping i segnali dei singoli elementi costituenti l’array vengono ricombinati più volte in diverso modo secondo l’algoritmo di beamforming.
Ogni diversa ricombinazione cambia la direzione trasversale di misura. All’interno del beamformer i segnali vengono diversamente ritardati prima di essere ricombinati, e tali ritardi sono funzione dell’angolo trasversale, rispetto al transducer reference frame, che si vuole fissare per determinare il tempo di ritorno dell’eco. Al termine di tutti i calcoli di
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ricombinazione, si viene quindi a formare un lobo che non è più un ventaglio ma una serie di pencil beam il cui inviluppo è un ventaglio26. Tale risultato è la combinazione della direttività del projector e di quella dell’array ricevente.
Le modalità attuative dell’algoritmo di beamforming sono principalmente due, maximum amplitude e null phase difference. Nella prima, utilizzata normalmente al centro dello swath, i segnali vengono tutti ricombinati e si estrae il tempo di intensità massima a valle del livello analitico, nella seconda, a causa del degrado della risoluzione spaziale della misura di tempo ai lati dello swath, si procede a suddividere l’array in due sub-array, puntando i due sub-array nella stessa direzione; si individua quindi l’istante in cui i due segnali in uscita dal livello analitico hanno la stessa fase determinando il travel time.
Per certi versi opposto è invece l’approccio interferometrico. Facendo le stesse considerazioni del beamforming per la catena di trasmissione, la ricezione avviene per mezzo di un array che è composto al massimo da tre-quattro elementi acustici. A livello fisico, per ogni ping l’array campiona e registra la fase del segnale ricevuto nel tempo.
A livello analitico si calcola la differenza tra le fasi dei vai canali dell’array nel tempo e da tali differenze, per ogni istante di campionamento, si risale all’angolo di provenienza del segnale. Il risultato è simile a quello del beamforming ma il modo di arrivare al calcolo delle coppie angle-travel time è opposto.
Da un punto di vista costruttivo, i sistemi che sfruttano il beamforming sono più complessi, fisicamente più grandi e più costosi. I sistemi interferometrici sono più compatti, semplici e economici.
L’angolo di apertura laterale del lobo a ventaglio (denominato swath coverage oppure swath angle), inviluppo dei singoli beam di misura, raggiunge angoli maggiori nei sistemi interferometrici, anche se la qualità dei dati nelle aree più laterali degrada molto.
Da un punto di vista della resa sui dati, in generale i sistemi beamforming garantiscono il top delle prestazioni. Calcolano per ogni ping da 300 a 1000 misure di alta qualità. I sistemi interferometrici possono calcolare anche 8000 misure per ping, ma la grande maggioranza è costituita da dati anomali. È necessario operare sui dati interferometrici un pre-filtraggio,
26 Il singolo pencil beam è genericamente chiamato beam, l’inviluppo dei beam a forma di ventaglio è chiamato swath.
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mentre per i sistemi beamforming normalmente si importano i dati direttamente nel software di processing.
Al di là della tradizionale linea di demarcazione sottolineata, i sistemi beamforming stanno subendo un’evoluzione in termini di maggiore efficacia e efficienza.
Per sopperire alle fluttuazioni del segnale nel near field vicino al trasduttore27, si ritardano i segnali al livello analitico secondo algoritmi che prendono in considerazione la distanza fisica degli elementi acustici dell’array e non solo al tempo di ricezione. Il procedimento viene solitamente chiamato near field focusing e permette di fissare l’ampiezza del beam a valori simili a quelli del far field. Nel far field, infatti, la fluttuazione del segnale non avviene più, in quanto le ricezioni sono indipendenti dalla posizione nell’array del singolo elemento ricevente, ovvero la distanza della sorgente è molto maggiore della distanza tra gli elementi dell’array.
Per ovviare al limite fisico dell’angolo di apertura laterale, garantendo le stesse prestazioni qualitative e risolutive, si utilizzano sistemi dual head, che hanno materialmente due trasduttori le cui facce puntano lateralmente di un angolo solitamente compreso tra i 20 e i 40 gradi.
Per ovviare invece al limite della risoluzione along track28 condizionato dal ping rate, si fa ricorso a sistemi dual swath, che hanno sullo stesso trasduttore due canali di ricetrasmissione che agiscono indipendentemente. In pratica, si raddoppia il ping rate sul medesimo sistema.
Al fine di aumentare il contenuto informativo di ogni canale del livello fisico, inoltre, è possibile modulare il segnale trasmesso in frequenza, passando quindi da sistemi continuous wave (CW) a frequency modulated (FM, detti anche chirp).
Il multibeam, per funzionare, ha bisogno di essere accoppiato ad un sistema di posizionamento che fornisca anche il segnale di timing e un sistema di assetto. Da sottolineare che l’operazione di beam compensation, cioè l’orientamento dei beam nello spazio tenendo conto dell’assetto, è da effettuarsi per tutte le misure multibeam per allineare
27 Il near field è la regione di spazio attorno al trasduttore entro cui il segnale proveniente da un certo riflettore raggiunge gli elementi dell’array con fasi diverse, con la conseguenza che sommando i segnali ricevuti dagli elementi dell’array si hanno fluttuazioni.
28 La risoluzione along track è la distanza sul fondo marino tra una misura e la successiva lungo una direzione parallela alla prora del vettore, quella across track sulla direttrice perpendicolare.
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il transducer reference frame al piano orizzontale. I sistemi più avanzati, oltre al beam compensation sempre presente, hanno invece la possibilità di effettuare lo steering preventivo dei beam a livello quindi analitico. Può essere fatto sia trasversalmente (roll stabilization), sia longitudinalmente (pitch stabilization), sia per le disuniformità dei sounding per cambi repentini di prora (heading stabilization). In aggiunta a queste tecniche, i beam possono essere orientati per ottenere sounding tra loro equidistanti sul fondale. Si passa quindi dalla modalità equi-angular, in cui l’angolo trasversale dei beam è costante rispetto al trasduttore, a quella equi-distant, in cui i fondali sono distanti tra loro sul fondo di un valore simile. Esistono inoltre modalità ultra high density, che agiscono prevalentemente a livello analitico per aumentare la quantità di beam per ogni ping.
Le tecnologie più avanzate permettono infine di oltrepassare la singola detection di fondale per ogni beam. In casi particolari, in corrispondenza di alberi di relitti per esempio, per ogni beam si può avere necessità di disporre di diverse detection (per esempio l’albero del relitto e il fondo marino). Si utilizzano tecniche di multidetection per beam, in modo da avere fino a una decina di coppie beam-travel time.
Ovviamente tutte le tecniche vanno soppesate ai loro costi, al know-how degli operatori che le implementano e all’aumento, talvolta più che lineare, dei dati da registrare. In aree prive di feature di interesse o a morfologia relativamente semplice, complicare l’acquisizione potrebbe risultare persino controproducente.
Un discorso dedicato merita infine la frequenza utilizzata. La stessa condiziona dimensioni, performance e portata del sistema. Fatte salve le considerazioni già espresse, i multibeam solitamente acquisiscono su una sola frequenza. In alcuni modelli tale frequenza può essere modulata e cambiata all’interno di un range predefinito. Solitamente queste modalità sono utilizzate per i multibeam ad alta frequenza (maggiore di 200 kHz).
Si stanno ora affacciando sul mercato sistemi in grado di gestire e misurare contemporaneamente dati su due frequenze.
Oltre alle tradizionali misure di profondità, attraverso la misura di tempo, il multibeam registra il backscattering proveniente dal fondo marino. Tale misura è utilizzata principalmente per studiare la natura del fondo, ma fornisce indicazioni talvolta utili anche per la sua forma. Il backscattering è l’intensità del segnale ricevuto, che oltre ad essere influenzata dal fondo e dalla propagazione in acqua, lo è anche dallo stesso comportamento
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acustico del multibeam. Come elemento fondamentale per il processing dei dati sarà necessario conoscere come tale comportamento possa essere normalizzato sulla base di correzioni radiometriche del segnale.
Nei sistemi beamforming più semplici, per ogni beam viene estratta l’intensità media del segnale ricevuto. Tale modalità ha scarsa risoluzione spaziale, e la si può migliorare sub-campionando l’intensità del segnale del singolo beam. Si passa agli snippets o time series, raggiungendo risoluzioni centimetriche e buona qualità di imaging, nonostante l’influenza di un beam pattern che nasce direttivo, e che quindi distorce spazialmente l’intensità del segnale per le esigenze di misura geometrica.
I sistemi interferometrici nascono invece con lobi isotropici, e quindi basta isolare la ricezione di uno dei canali riceventi prima del livello analitico per avere il backscattering acustico simile a quello di un side scan sonar. Il difetto principale è che la serie temporale del backscattering è disponibile, non così la direzione di provenienza. La georeferenziazione dell’immagine non potrà essere quindi affidabile come quella del multibeam beamforming dove snippets (o time series) sono confinati nell’ampiezza fisica del beam.
Per completare il pacchetto di misure disponibili, i multibeam beamforming sono in grado di campionare l’intensità del segnale anche lungo la colonna d’acqua. Tali dati sono comunemente chiamati water column data (WCD). Sono utilizzabili per le applicazioni più diverse, da indagini su relitti a studi di emissioni gassose, da studio di banchi di pesce a individuazione di masse d’acqua a diverso stato fisico. Le principali problematiche ancora in parte irrisolte dei dati WCD risiedono nel loro processing, ancora non evoluto ed automatizzato, e nella loro gestione informatica, vista la loro dimensione di circa dieci volte superiore a quella dei dati relativi al fondo.
Il side scan sonar (SSS)
Il side scan sonar è uno strumento utilizzato per raccogliere dati di backscattering del fondale, utilizzabili sia per imaging sia per caratterizzazione. Attraverso trasduttori isotropi almeno per il lato orientato verso il fondo, irradia un lobo a ventaglio simile a quello trasmesso dal multibeam e riceve la serie temporale dell’intensità di segnale, non operando però la scansione spaziale trasversale del multibeam. Non è quindi in grado di determinare la direzione esatta dalla quale il segnale ricevuto ad un dato istante proviene, misura che opera l’evoluzione del SSS, il multibeam interferometrico anche detto SSS batimetrico.
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Il SSS è installabile a bordo di un pesce (towfish) rimorchiabile in prossimità del fondo, dove la risoluzione dei dati è migliore e l’influenza da rumore esterno è minima. Da sottolineare che la risoluzione dei dati SSS, oltre ad essere funzione della distanza dal fondo, è funzione della posizione laterale rispetto al track della singola misura. Per questioni essenzialmente geometriche, più un certo bersaglio è posizionato lateralmente, migliore sarà il contrasto della risposta acustica e quindi migliore la resa dell’imaging. Da questa considerazione scaturisce il nome dello strumento, che rende misure migliori lateralmente rispetto alla zona centrale.
Il SSS è accoppiato ad un sistema di assetto e una bussola (che misurano insieme pitch, roll e heading) a bordo del towfish, e indirettamente ad un sistema GNSS per il positioning.
Essendo il pesce immerso, il GNSS non è installabile solidalmente al towfish, e quindi è necessario sfruttare l’antenna montata sulla nave.
Le modalità per tracciare il pesce sono due. La prima si basta sul calcolo del layback del pesce, cioè quanto si stima che il pesce stia esattamente di poppa all’unità trainante. Nota la posizione della pastecca a mezzo offset statici partendo dall’antenna GNSS, si calcola il layback tramite il cableout, la quantità di cavo filato, e la profondità del pesce nota da un sensore d pressione installato sul pesce. In mancanza del sensore di pressione, si applicano proporzioni costanti tra cableout e layback (2/3 è una buona stima) oppure si stima l’angolo con cui il cavo entra in acqua. Da considerare che se il pesce non è esattamente di poppa, effetto marcato soprattutto durante le accostate, il positioning è molto incerto
La seconda modalità è basata sul posizionamento acustico. Sulla nave è installato un sistema acustico in grado di determinare le coordinate polari (distanza inclinata e angoli orizzontale e verticale) del towfish attraverso un complesso ricetrasmittente montato solidalmente alla nave. Sul towfish è invece installato un trasponder o responder a seconda delle modalità operative.29 Lo stesso sistema sfrutta poi un GNSS per riferire le coordinate finali ad un reference frame esterno.
Oltre al sensore di pressione, che misura la profondità (depth) del pesce utile per il positioning, uno degli altri sensori ausiliari spesso usati sul SSS è il cosiddetto bottom finder.
Si tratta di un singlebeam echosounder che misura l’altezza (height) del pesce rispetto al fondo, utile sia per questioni di sicurezza sia nel processing dei dati. La height è anche
29 Nella modalità trasponder il trasduttore della nave trasmette, il ricevitore sul towfish riceve e ritrasmette verso la nave. Nella modalità responder il segnale dalla nave al ricevitore si trasmette attraverso il cavo trainante.
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estraibile direttamente dai dati rilevando il first bottom return, con incertezze peggiori rispetto a quelle della misura diretta del bottom finder.
Il SSS, oltre ad essere installato su un pesce rimorchiato, può essere installato a scafo o su un pesce solidale allo scafo. Le considerazioni precedenti si semplificano notevolmente soprattutto per ciò che riguarda i sensori ausiliari, in quanto possono essere utilizzati direttamente quelli di bordo inserendo gli opportuni offset per il necessario allineamento dei dati di posizioni e assetto al reference frame del SSS.
L’airborne lidar bathymetry (ALB)
Le tradizionali misure idrografiche che sfruttano energia acustica sono oggi affiancate da quelle che sfruttano l’energia elettromagnetica (EM). I sensori ad onde EM sono imbarcabili
Le tradizionali misure idrografiche che sfruttano energia acustica sono oggi affiancate da quelle che sfruttano l’energia elettromagnetica (EM). I sensori ad onde EM sono imbarcabili