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livello elementare
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ARGOMENTO: OCEANOGRAFIA
PERIODO: XX-XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: Sonar, Side Scan Sonar, Multibeam
Multibeam
Un’evoluzione del sonar a scansione laterale a singolo fascio è il sonar multibeam, ovvero un sonar side scan in grado di emettere più fasci acustici. Questi sistemi, in questi ultimi trent’anni, hanno avuto uno sviluppo straordinario, consentendo agli scienziati la ricostruzione tridimensionale dei fondali marini.
Inizialmente utilizzati per la ricerca dei relitti, il loro uso venne mutuato dai centri di ricerca più importanti, come il NOOA, per la ricerca oceanografica. La maggior parte dei sistemi multibeam funziona trasmettendo dal trasmettitore un ampio impulso acustico, utilizzando più raggi di trasmissione/ricezione (beamforming). In pratica, emette onde sonore da diversi trasduttori in direzione perpendicolare alla direzione di movimento del vettore, in un ventaglio simultaneo di impulsi che si propagano con un angolo di copertura di circa 150°. Al termine del percorso la nave inverte la sua rotta e percorre una rotta opposta, sfalsata di pochi metri rispetto alla precedente.
descrizione sonar dell’andamento morfologico di un fondale marino. La distanza nella parte inferiore dell’immagine è di circa 16 km – da https://pubs.usgs.gov/of/2002/0005/site/persp.html
Questo consente di ottenere al termine della missione il 100% della copertura del fondo marino di interesse, effettuando una serie di transetti paralleli fra loro. Di contro, essendo concettualmente dei sistemi complessi, ogni piccola variazione dell’assetto del vettore (rollio, beccheggio) può causare errori significativi. Essendo fortemente soggetti alle condizioni ambientali (come per il moto ondoso), per un corretto utilizzo è fondamentale effettuare delle procedure di pre-calibrazione dei sensori di movimento, i cui valori sono necessari per bilanciare gli effetti del rollio (movimento orizzontale) e del beccheggio (verticale) della nave che produrrebbero variazioni di quota non desiderate del multibeam e far registrare valori errati di distanza. Altro strumento di riferimento necessario è il giroscopio, impiegato per misurare l’orientamento rispetto al nord del vettore e quindi consentire la correlazione dei dati di posizione rispetto al moto della nave.
I sonar multibeam sono tra gli strumenti più potenti disponibili per la moderna esplorazione in acque profonde. Potendo lavorare a diverse frequenze è essenziale la scelta della frequenza di lavoro che è legata alla profondità/distanza del fondo da studiare. Vale sempre la regola citata per gli SSS, per cui onde a bassa frequenza viaggiano più lontano rispetto alle frequenze più alte che vengono assorbite prima. Di contro, se lo scopo è il dettaglio di determinate strutture, vanno preferite frequenze più alte, di fatto accettando una portata minore.
l’insieme dei percorsi effettuati restituisce una mappatura del fondo –Conestoga multibeam sonar image NOAA
In particolare, le onde a frequenza più elevata, subendo una maggiore attenuazione del segnale, dopo centinaia (a volte decine) di metri non restituiscono nessun eco. Per questo motivo quando il target è di ottenere immagini ad alta definizione vengono utilizzati sonar ad altissime frequenze, dell’ordine dei Giga Hertz, che restituiscono fotografie acustiche del fondo con definizioni millimetriche.
A meno di mantenersi molto vicini al fondale, l’uso delle alte frequenze non è indicato per mappare il fondale marino su alti fondali. Un altro problema dell’alta frequenza è che avvicinandoci al fondo la fascia esplorata dal sonar si riduce. Per cui, per esplorare grandi spazi, i tempi si allungano ed è preferibile lavorare a frequenze minori.
| Anche alcuni cetacei, come i capodogli, sono usi modificare le frequenze di scoperta a seconda che siano in caccia lontana (medie frequenze) e ravvicinata (alte frequenze) per poter affinare il rilevamento delle prede. |
Grazie all’elevato grado di accuratezza fornito dai sonar multibeam è possibile creare splendidi modelli tridimensionali (3D) del fondale marino, con una risoluzione così alta da consentire la definizione morfologica sia della superficie del fondale marino sia degli oggetti che vi si sono “posati”, come i relitti.
relitto – Fonte NOAA Corsair wreck 2.jpg – Wikimedia Commons
Come abbiamo premesso, i sistemi multibeam utilizzano trasduttori multipli che puntano, con diverse angolazioni, su entrambi i lati per creare grazie agli echi di ritorno il disegno di un transetto acustico. Questi trasduttori possono essere montati sullo scafo della nave in una disposizione a forma di T, nota come configurazione Mills Cross nella quale i trasduttori di trasmissione sono disposti in modo da essere paralleli alla chiglia della nave mentre i trasduttori di ricezione sono disposti in modo perpendicolare.
Ad esempio il multibeam EM 302 Konisberg, utilizzato dal NOOA, è progettato per produrre mappe dettagliate a profondità superiori a 7.000 metri senza dover trainare un sonar a quelle profondità. Al fine di ottenere questo livello di precisione, un’unità di movimento inerziale (IMU) aggiorna la posizione relativa dei trasduttori più volte al secondo.
Ma non finisce qui … ho ancora molte cose da mostrarvi.
Fine II parte – continua
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ammiraglio della Marina Militare Italiana (riserva), è laureato in Scienze Marittime della Difesa presso l’Università di Pisa ed in Scienze Politiche cum laude all’Università di Trieste. Analista di Maritime Security, collabora con numerosi Centri di studi e analisi geopolitici italiani ed internazionali. Ricercatore subacqueo scientifico dal 1993, nel 2019, ha ricevuto il Tridente d’oro dell’Accademia delle Scienze e Tecniche Subacquee per la divulgazione della cultura del mare. Fa parte del Comitato scientifico della Fondazione Atlantide e della Scuola internazionale Subacquei scientifici (ISSD – AIOSS).