RILIEVI BATIMETRICI MULTIBEAM

L’acquisizione dei dati batimetrici è stata realizzata per mezzo di dispositivi multibeam o ecoscandaglio multifascio. I sistemi multibeam costituiscono gli strumenti tecnologicamente più avanzati per l’acquisizione di batimetrie di dettaglio, che possono essere impiegate per la generazione di modelli digitali del terreno marini ad alta risoluzione.

Il multibeam, così come altri strumenti utilizzati nei rilievi sismo-acustici del fondale (Interferometro, Side Scan Sonar, Sub Bottom Profiler), utilizzano sorgenti di tipo risonante. Queste sono caratterizzate dall’emissione di onde acustiche prodotte dalla risonanza di un cristallo piezoelettrico che, sottoposto ad una differenza di potenziale, si contrae e si espande rapidamente producendo un segnale con una caratteristica

frequenza (5 ÷ 500 KHz), funzione della dimensione e del tipo di cristallo impiegato.

L’impiego di tale sorgente presenta il vantaggio di conoscere la forma del segnale prodotto che, in fase di elaborazione, può essere discriminato dai rumori di fondo. I dispositivi multibeam sono costituiti da due set di trasduttori posizionati sotto la chiglia della nave, ciascuno dei quali è composto da un trasmettitore e da ricevitori; il trasmettitore emette un fascio di onde acustiche (swath) di elevata frequenza (decine o centinaia di kHz, in funzione della profondità) molto ampio nel piano trasversale alla rotta (da 50 a 120 gradi) e molto stretto nel piano ad essa parallelo (da 0.5° a 1.5°). L’incidenza dei fronti d’onda sul fondo del mare produce essenzialmente onde riflesse e diffratte, che rilevate dai trasduttori ricevitori, consentono di restituire, per ciascun ciclo di energizzazione, un profilo batimetrico trasversale alla rotta di navigazione. I set di trasduttori, disposti in una configurazione a “T”, generano un treno d’onde

caratterizzate da frequenze molto elevate (50 ÷ 500 kHz). Il principio di funzionamento

è analogo a quello dell’ecoscandaglio (single beam), ma il sistema prevede l’emissione di un fascio di circa 100-250 impulsi (beam) simultanei disposti in una configurazione a ventaglio (swath), trasversale alla rotta di navigazione (fig. 2.9 a).

Fig. 2.5 a) Spazzata multibeam (swath). La localizzazione dei soundings è fornita dal tempo di riverberazione e dall’angolo d’incidenza (noto), b) configurazione a T dei trasduttori di trasmissione e ricezione.

Il posizionamento dell’area insonificata (footprint) si basa sul calcolo simultaneo di due parametri, l’angolo d’incidenza e il tempo di riverberazione.

L’angolo d’incidenza di ogni singolo trasduttore (α _{noto) fornisce la disposizione dei}

beam lungo la traccia trasversale alla linea di navigazione, permettendo di ricavare il posizionamento dei beam lungo il piano xy; il tempo di riverberazione dei fronti d’onda permette invece di risalire al posizionamento lungo la verticale.

La particolare configurazione a T del set dei trasduttori permette di emettere un impulso lungo una finestra trasversale alla direzione di navigazione e di ricevere il segnale di ritorno attraverso una seconda finestra ortogonale alla prima, consentendo la localizzazione esatta del segnale di ritorno (fig. 2.9 b).

La giustapposizione dei profili trasversali permette la ricostruzione di una batimetria di dettaglio lungo una fascia parallela alla rotta percorsa.

La rapidità dei rilievi eseguiti con il multibeam è legata all’elevata copertura laterale (circa 3 volte il battente d’acqua) fornita dal sistema e, nel caso dei sistemi d’acqua bassa, alla possibilità di acquisire dati anche con elevate velocità di navigazione. I sistemi multibeam sono in grado di effettuare misure di profondità per qualsiasi fascia batimetrica (da 0 a -11.000 m), impiegando frequenze variabili a seconda del target di studio. In tabella 2.2 sono elencati i modelli e le relative caratteristiche dei sensori SEABAT utilizzati durante i rilievi batimetrici ad alta risoluzione nell’area in esame.

Modello Frequenza (kHz) Range depth (m) Copertura swath N° Beam

Footprint (m)

8125 455 0-120 120° 240 0.9 m a 50 m

8160 50 100-3000 3x 126 52 m a 200 m

Tabella 2.2 Specifiche dei sensori multibeam SEABAT utilizzati nei rilievi ecometrici.

L’acquisizione dei dati multibeam prevede l’impiego di una complessa architettura di altri sensori (fig. 2.10) collegati a unità di controllo che registrano nel tempo il posizionamento, le variazioni di assetto dell’imbarcazione, l’orientamento e i valori di velocità del suono lungo la colonna d’acqua.

Tale architettura è costituita da:

b) un sensore inerziale RMU (Reference Motion Unit) per la definizione dei parametri di assetto dell’imbarcazione (roll, pitch e heave);

c) un sensore sonda per il calcolo della velocità lungo la verticale della colonna d’acqua (valori di pressione, temperatura e salinità);

d) i trasduttori per l’emissione e la ricezione dei segnali acustici; e) un sistema di controllo per la gestione ed il controllo dei dati.

Fig. 2.10 Architettura del sistema d’acquisizione per rilievi batimetrici multibeam ad alta risoluzione (Bosman, 2004)

Particolare importanza riveste il sensore di velocità dell’acqua (SVP – Sound Velocity Profiler), utilizzato per conoscere le variazioni di velocità lungo la colonna d’acqua. La sonda calata dall’imbarcazione registra in continuo lungo la verticale i parametri di temperatura, pressione e conducibilità (salinità), che poi vengono inseriti nel software d’acquisizione per la correzione degli angoli dei raggi incidenti. In fig. 2.11 sono riportati alcuni profili di velocità registrati durante un rilievo multibeam.

Nei rilievi multibeam ad alta risoluzione viene utilizzato, in parallelo alla SVP, un altro sensore di misura della velocità delle onde acustiche. Questa sonda, posizionata accanto ai trasduttori, circa 90 cm sotto la superficie del mare, calcola in tempo reale e in continuo la velocità delle onde, misurando il tempo impiegato dall’impulso a percorrere la distanza interposta tra due trasduttori.

La risoluzione orizzontale (footprint) del rilievo è funzione della profondità (fig. 2.12) dell’area da investigare (da pochi metri nei bassi fondali a diverse decine negli alti fondali), ma varia anche lungo la stessa traccia trasversale con valori decrescenti dalla verticale della nave (circa 13 m a 500 m di profondità) alle parti esterne della spazzata (circa 26 m a 800 m di profondità) nel caso di un sensore a 100 kHz e ampiezza del cono di 1.5°.

Fig. 2.12 L’impronta acustica (footprint) del multibeam varia gradualmente alle diverse profondità con valori di 26 cm a 10 metri di profondità e di 52 m a 2000 m di profondità (Bosman, 2004).

La risoluzione verticale è anch’essa funzione della profondità e quindi dell’ampiezza del footprint, ma è fortemente influenzata da altri parametri, quali i metodi di Fig. 2.11 Sonda SVP (a sinistra) ed esempi di profili di velocità delle onde (a destra).

calibrazione del sensore d’acquisizione, la modalità d’acquisizione dei dati di posizionamento dell’imbarcazione (GPS, RTK, stazione totale, ecc.) ed infine le misure dei valori dell’escursione di marea.