ambito militare. Alla fine degli anni ’80 ci si rese conto infatti che i sistemi acustici su-

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L’acqua è un mezzo favorevole per la propagazione delle onde acustiche, mentre costi- tuisce un mezzo estremamente dissipativo per le onde elettromagnetiche. Per questo motivo il SONAR (Sound and Navigation Ranging) si presenta come uno strumento i- deale per la trasmissione di segnali sotto la superficie marina. Oggigiorno le applicazio- ni del sonar non sono più limitate a soli usi militari (tattica antisommergibile, contami- ne), ma costituiscono un valido aiuto per le attività civili legate all’ambiente marino (pesca, sistemi di aiuto per la navigazione). Anche in campo scientifico l’utilizzo della tecnologia del Sonar ha consentito il raggiungimento di importanti traguardi: strumenti quali il Side-Scan Sonar ed il Multi-Beam Sounder rendono possibile un’accurata ope- razione di mappatura del fondale marino, rivelando così processi geologici che altri- menti difficilmente sarebbero osservabili. Tutti questi sistemi (fanno eccezione dei si- stemi di trasmissione dati) utilizzano una geometria che il letteratura viene chiamata monostatica, indicando che il trasmettitore ed il ricevitore sono posizionati sulla stessa piattaforma. La quantità di informazioni accessibili con l’uso di questa è però limitata, in quanto il segnale ricevuto (segnale di backscattering) è diversi ordini di grandezza più piccolo di quello trasmesso. Negli ultimi anni però l’evoluzione tecnologica dei vei- coli subacquei autonomi (AUV, Autonomous Underwater Vehicle) ha dato l’opportunità di esplorare nuovi concetti, consentendo di disaccoppiare fisicamente tra- smettitore e ricevitore. Nella geometria bistatica, il trasmettitore ed il ricevitore sono posizionati su piattaforme diverse. Aggiungendo alla configurazione più ricevitori, si ottiene una geometria definita multistatica [1].

Un primo notevole impulso allo sviluppo di nuove configurazioni sonar si è avuto in

ambito militare. Alla fine degli anni ’80 ci si rese conto infatti che i sistemi acustici su-

bacquei attivi e passivi utilizzati fino ad allora per l’individuazione di sommergili in vi-

cinanza delle coste erano divenuti inefficienti.

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Il canale di propagazione è infatti in questo caso caratterizzato da un elevato rumore ambientale e dalla presenza di cammini multipli, mentre l’evoluzione tecnologica ave- va reso i sommergili via via sempre più silenziosi, rendendoli praticamente invisibili ai sistemi di rivelazione del momento [2].

L’utilizzo di queste nuove geometrie implica una notevole complicazione del processo di elaborazione del segnale ricevuto. Infatti per ogni possibile combinazione dell’angolo di incidenza dell’onda acustica e dell’angolo azimutale (bistatico) e di scattering dell’onda riflessa, si ha la produzione di una tradizionale immagine sonar. Il problema consiste nel riuscire ad interpretare facilmente l’insieme di tutte le immagini ottenute. D’altra parte i vantaggi conseguibili utilizzando queste geometrie dinamiche sono rilevanti: aumento dell’area di copertura (tattica anti-sommergibile) [2], maggiore quantità di informazioni sull’eventuale bersaglio che si rileva, avendo a disposizione segnali di scattering provenienti da diverse angolature (contamine) [1][3].

La figura I.1 riporta i segnali di scattering relativi a due bersagli simili appoggiati sul

fondale marino, illuminati con un’onda acustica alla frequenza di 1 kHz ed evidenzia i

vantaggi ottenibili utilizzando una configurazione bistatica. Si osservi come gran parte

dell’energia acustica incidente venga riflessa nella direzione speculare rispetto all’onda

acustica incidente. Confrontando le porzioni di energia riflesse nella direzione della sor-

gente, ci si può rendere conto facilmente come queste siano molto simili tra loro, mentre

notevoli differenze sono rilevabili nella direzione di riflessione speculare. Ciò implica

che, nel caso di configurazione monostatica, i bersagli possono essere rilevati, condi-

zionatamente al fatto di aver impostato la corretta geometria, mentre utilizzando una

configurazione bistatica i due bersagli vengono più facilmente individuati e, soprattutto,

classificati (ovvero distinti tra loro).

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Figura I.1 – Simulazione dello scattering relativo a due oggetti simili appog- giati sul fondale marino di tipo sabbioso [1]

Il processo di scattering acustico bistatico si rivela quindi potenzialmente capace di ri- velare non solo il bersaglio, ma anche di fornire preziose informazioni attinenti alla sua natura (struttura, stato di conservazione, etc). Purtroppo gli studi compiuti con questo tipo di geometria sono ancora allo stadio iniziale: sono ben pochi i modelli apposita- mente sviluppati a riguardo, così come gli esperimenti effettuati.

Contestualmente, depositi di materiali sul fondale marino, stanno creando sempre più apprensione, specialmente in Europa. Fino alla metà degli anni ’70 è stata infatti pratica comune, l’affondamento in mare di materiale bellico obsoleto. Questo tipo di atteggia- mento scellerato a portato all’inabissamento di chissà quale tonnellaggio di rifiuti, an- che severamente tossici, che non mancano, anche nei nostri mari, di provocare pericolo- si incidenti [4].

Il Progetto SITAR (Seafloor Imaging and Toxicity: Assessment of Risk caused by bu-

ried waste), finanziato dalla Comunità Europea (Contract EVK3-CT-2001-00047), mira

a colmare le esistenti lacune riguardo al monitoraggio ambientale dei siti di dismissione

dei rifiuti in mare [5].

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Questo traguardo è raggiunto mediante tre principali linee di azione:

1. sviluppo di metodologie e strumentazioni atte a realizzare operazioni di imaging acustico su oggetti depositati e/o interrati nel fondale marino

2. sviluppo di metodologie per testare la biotossicità accumulata in un determinato sito

3. rendere accessibile le informazioni acquisite sul sito (livello di tossicità e carat- teristiche dei rifiuti) in forma integrata per il destinatario finale

Questa tesi di ricerca, compiuta nel periodo Marzo-Luglio 2003 presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Bath, U.K., è da collocarsi all’interno del Progetto SITAR e focalizzata sullo studio del “Multiple Aspect Scattering”, una tecnica bistatica per l’imaging di oggetti parzialmente o totalmente sepolti nel fondale marino. Questo obiet- tivo è stato raggiunto mediante la realizzazione di esperimenti in vasca, contenente reali sedimenti tipici delle zone costiere europee, in scala (10:1). Segnali di scattering acusti- co ad alta frequenza (250 kHz) sono stati rilevati in configurazione bistatica, sia relati- vamente al solo sedimento, che alla presenza sul sedimento di diversi tipi di bersagli. E’

stato quindi realizzato il signal processing dei dati acquisiti utilizzando diversi algorit- mi, allo scopo di mettere in evidenza le proprietà dei diversi bersagli, e quindi poter for- nire una metodologia di classificazione. Si osservi che i dati di scattering, ed i relativi risultati parziali ottenuti, sono stati la base di partenza per individuare la corretta geo- metria del sistema durante i Sea Trials, ovvero gli esperimenti compiuti in condizioni realistiche in mare, del Progetto SITAR svoltosi nel periodo Settembre-Ottobre 2003 nell’Arcipelago di Stoccolma [6].

Il contenuto dei capitoli della tesi di laurea segue il percorso formativo compiuto duran- te lo svolgimento della attività di ricerca.

Nel capitolo 1 saranno dati cenni sulla propagazione delle onde acustiche e descritte brevemente le principali applicazioni, sia civili che militari del sonar.

Nel capitolo 2 viene introdotta l’equazione del sonar, una relazione operativa che per-

mette di valutare le prestazioni di un sistema acustico sottomarino.

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Nel capitolo 3 viene esposto il complesso processo di scattering acustico relativo ad og- getti elastici.

Nel capitolo 4 viene descritto l’apparato strumentale utilizzato per la raccolta dei dati di scattering e mostrati due primi metodi, l’inviluppo complesso e la Short Time Fourier Transform, adottati per realizzare il signal processing..

Nel capitolo 5 vengono introdotti alcuni algoritmi per la valutazione della distanza (ov- vero della diversità) tra due segnali nel dominio della frequenza ed applicati ai dati di scattering acquisiti. Inoltre viene proposto un algoritmo di classificazione per i bersagli basato sulla potenza del segnale ricevuto. I risultati sono descritti e commentati.

Nel capitolo 6 vengono brevemente descritti i Sea Trials del Progetto SITAR, cui l’autore della tesi ha partecipato personalmente, in carica di “data quality controll”.

Nel capitolo 7 si riportano i commenti e le conclusioni relativi alla ricerca effettuata.

Si osservi che, per non appesantire troppo la trattazione, alcuni risultati relativi ai capi-

toli 4 e 5 sono riportati in appendice.

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B IBLIOGRAFIA

[1] Ph. Blondel, M. Cosci, P. Dobbins, N. Jayasundere; Bistatic Sonars – Theory, applications and potential for underwater archaeology, 8 pp., Proc. First Inter- nal Congress on the Application of Recent Advances in Underwater Detection and Survey Techniques to Underwater Archaeology, T. Akal, R.D. Ballard, G.F.

Bass (eds), May 2004 (in press)

[2] J. Pihl, E. Dalberg, J. Hegethorn, S. Ivansson, M. Levonen, P. Moren, B. Nils- son, E. Parastates, Ö. Staaf, G. Sundin, P. Söderberg, Multistatic sonor for shal- low water surveillance, FOA Methodology Report, December 2000

[3] J.R. Edwards, H. Schmidt, K. LePage, Bistatic synthetic aperture target detec- tion and imaging with an AUV, IEEE Journal of Oceanografic Engineering, Vol.

26, No. 4, October 2001, pp 690-699

[4] E. Amato, L. Alcaro, Manuale illustrativo delle misure precauzionali da adotta- re in caso di salpamento di residuati bellici mediante reti da traino, ICRAM- Ministero dell’Ambiente

[5] P. Jonsson, I. Karasalo, A. Nilsson, L. Balk, A. Caiti, Underwater acoustic im- aging for the assessment of seafloor waste: the SITAR Project, 10

International Congress on Sound and Vibration 7-10 July 2003, Stockholm, Sweden

[6] P. Moren, Sitar: main sea trial plan (WP-4) Sep. 22 - Oct. 10, 2003, FOI

FOI Memo Dnr 03-686:7, 2003