Multibeam

Il multibeam echo sounder (MBES) è un prodotto di alta tecnologia che trova applicazione nei rilievi marini e nelle mappature di estrema precisione dei fondali sia per ispezioni di carattere geologico, archeologico o di ricerca/recupero. Più recentemente sono utilizzati anche per monitorare gasdotti, cavi sottomarini e parchi eolici offshore.

Si tratta di un complesso sistema composto da più sensori e che applica i principi della riflessione acustica, della diffusione e dell’interferometria acustica per creare dati batimetrici che misurano la profondità e permettono di elaborare un rilievo cartografico dei fondali.

La tecnologia di rilevamento multibeam, è ormai diventata indispensabile nelle operazioni di ricognizione delle superfici subacquee. Sono passati quasi cinque decenni dalla realizzazione dalla prima versione commerciale per studi geomorfologici sottomarini. I precedenti modelli si datano intorno al 1964 ed erano progetti di ricerca militare finanziati dal US Naval Research Laboratory. Poi il sistema si è ulteriormente e rapidamente sviluppato commercialmente negli anni ’80 e ’90 e attualmente la tecnica dell’ecoscandaglio multibeam è il metodo più comunemente utilizzato per eseguire la mappatura topografica dei fondali. Dai primi sonar multibeam a bassa frequenza si è passati a strumenti ad alta frequenza con una diminuzione di peso, dimensioni e ingombro e una maggiore facilità di montaggio sulle barche. Fino ad arrivare a realizzare droni idrografici adatti anche per ispezioni su piccoli bacini.

Oggi il sonar multibeam, grazie a nuovi sviluppi delle tecnologie, è in grado di restituire immagini tridimensionali di alta precisione dei fondali e di offrire ulteriori dati, come la classificazione acustica dei sedimenti e lo studio della colonna d’acqua, aprendo inedite applicazioni nella geomorfologia sottomarina e l’analisi subacquea.

Multibeam beamforming e multibeam interferometrico 

A differenza di un tradizionale scandaglio idrografico monofascio – o singlebeam – che utilizza un solo trasduttore per inviare un unico impulso sonoro verso il fondo e riceverne l’eco per restituire la sola profondità zenitale al di sotto dell’imbarcazione, il sistema multibeam utilizza invece due trasduttori molto diversi tra loro: un trasmettitore e un ricevitore.

Il trasmettitore invia un segnale acustico largo e sottile a forma di ventaglio, detto swath, che insonifica un profilo trasversale al moto dell’imbarcazione.

Il ricevitore è invece costituito da una batteria di centinaia di idrofoni (anche oltre 500!) allineati e controllati elettronicamente. Questa soluzione permette di suddividere l’ascolto degli echi verso tante piccole direzioni. L’intersezione delle diverse porzioni di fondale (l’area insonificata con quelle di ascolto) determina la suddivisione delle swath in tante piccole celle, che sono appunto i beam.

Un sistema multibeam di qualità può arrivare a 170° di ampiezza del segnale, suddividere lo swath in 1024 beam, ed essere capace di effettuare accurate compensazioni in tempo reale del movimento dell’imbarcazione, comebeccheggio, rollio, imbardata e moto ondoso.

Riassumendo:

Il multibeam beamforming:

• genera un set di beam, ognuno con un proprio angolo, e definisce la distanza dal fondo per ognuno di questi.
• Può offrire da 256 fino a 1024 beam
• a seconda dei modelli, un multibeam beamformer ha una apertura dello swath tra i 120 e i 170° che si traduce in uno swath che va da 3 a 6 volte la colonna d’acqua.
• È possibile rilevare profondità̀ da 100 a oltre 6.000 metri.
• Lo swath è sempre rilevato in modo uniformeme anche al nadir;
• la qualità̀ geometrica della nuvola di punti è generalmente più pulita e meno rumorosa di un multibeam Interferometrico.

Il multibeam interferometrico

• Misura l’angolo di provenienza ad ogni determinata distanza.
• Fornisce immagini 2D sidescan di altissima qualità̀ e coincidenti alla geometria;
• Copre uno swath molto ampio (fino a 15 volte la colonna d’acqua) molto utile in acque molto superficiali fino a 5-20 metri di profondità̀;
• ha di norma una profondità̀ rilevabile più limitata dei multibeam beamformer (limitata a 50-100 metri
• La nuvola di punti può essere più rumorosa rispetto a Multibeam Beamformer della stessa classe, a volte inadatta a rilevare con precisione la geometria di piccoli manufatti;
• I multibeam interferometrici più economici, proprio per la natura del Side Scan Sonar da cui hanno origine, “guardano” e rilevano meglio lateralmente, presentando invece una riduzione di dati al Nadir, sulla verticale della barca.

Non è possibile stabilire quale multibeam sia il migliore in assoluto, ma è opportuno valutare gli obiettivi del lavoro da svolgere e scegliere la tecnologia più indicata per quello specifico compito. Un multibeam interferometrico è più̀ adatto in acque basse e per “vedere” sott’acqua (es. indagini di archeologia, geologia, search & rescue ecc.) mentre un beamformer è più̀ adatto a misurare il fondale fornendo dati precisi e puliti anche a profondità maggiori, utili, per esempio, in applicazioni ingegneristiche.

Elementi per valutare un multibeam 

Oltre alla tipologia del multibeam e alla qualità intrinseca degli array che producono e ricevono le onde sonore, nella scelta di un multibeam vanno considerati elementi accessori indispensabili per ottenere un rilievo di precisione dei fondali come il controllo del posizionamento e dell’assetto, il controllo della velocità di propagazione del suono in acqua, il software di elaborazione dei dati bachimetrici.

Sistema di posizionamento e controllo di assetto

Proprio perché il multibeam lavora sul calcolo della distanza e degli angoli del suono propagato dai trasduttori è indispensabile conoscere costantemente sia la posizione che l’assetto in 3D del mezzo. L’imbarcazione è soggetta a movimenti di beccheggio, rollio e imbardata e questi devono essere monitorati con una frequenza maggiore della frequenza di aggiornamento

del profilo del multibeam. Si può̀ capire come lo strumento che controlla la posizione e l’assetto dell’imbarcazione sia un elemento di primaria importanza per la qualità̀ del rilievo.

I sistemi migliori si basano su ricevitori GNSS a doppia antenna che forniscono dati di posizione, imbardata e sincronia temporale. Il sistema viene integrato, a livello hardware e firmware, con un IMU per la misura di beccheggio, rollio e moto ondoso. I dati elaborati e sincronizzati vengono inviati al sistema di acquisizione del multibeam.

Sonde di velocità del suono in acqua

Un ecoscandaglio lavora misurando il tempo di propagazione del suono in acqua. La velocità di diffusione delle onde sonore può variare in base alle diverse condizioni fisiche del liquido come temperatura e salinità e può variare a seconda della profondità. In presenza di correnti queste condizioni possono variare repentinamente. È dunque indispensabile un sensore posizionato in prossimità del trasduttore che misuri costantemente la velocità del suono e che comunichi i dati acquisiti in modo da permettere al software di elaborazione di correggere i rilievi in tempo reale.

Software

Per il calcolo dei dati del multibeam, come per quelli dei sensori di controllo ausiliari, si utilizzano collaudati software o suite di programmi. L’acquisizione dei dati può avvenire anche in remoto, come nel caso dei droni, ed essere elaborati in 2D come in 3D per ottenere una cartografia finale. Tra i fattori rilevanti nella scelta di un software sono la specificità e il continuo aggiornamento, la possibilità di interfacciare differenti device e la possibilità di configurare in modo personalizzato il flusso di lavoro.

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