Risoluzione Side Scan Sonar

Risoluzione

La risoluzione è un concetto legato alla capacità di distinguere, ovvero risolvere due oggetti separati spazialmente. Bisogna fare una distinzione tra quella che è la risoluzione across-track, e quella che è la risoluzione along-track.

Per risoluzione across-track (figura 1.3) si intende la minima distanza \(\Delta R\). relativa al ricevitore, tra due bersagli puntiformi, necessaria affinché i due echi ricevuti non risultino sovrapposti nel tempo. La risoluzione across-track è un concetto strettamente legato alla durata dell’impulso. Infatti, dati due bersagli puntiformi, posti l’uno a distanza \( {{R}_{1}}\)e l’altro a distanza \({{R}_{2}}\) dal ricevitore, la distanza relativa minima \(\Delta R={{R}_{2}}-{{R}_{1}}\), affinché i due echi non risultino sovrapposti, è pari a cT/2, dove con T e c, si sono indicati rispettivamente la durata dell’impulso e la velocità del suono.

Come si fa anche per le applicazioni radar, si divide lo spazio in celle di risoluzione di lunghezza pari a cT/2 e si preleva un campione per cella. Pertanto, l’intervallo di campionamento, è pari a T.

Per risoluzione along-track, si intende invece la capacità di risolvere due oggetti posti entrambi a distanza R dal ricevitore. Gli echi risultano sovrapposti nel tempo, ma non in frequenza (questo perché la diversa posizione dei due oggetti, fa si che i due echi ricevuti subiscano un diverso spostamento doppler). Sarebbe possibile aumentare la risoluzione along-track, sfruttando dei filtri che operano in frequenza, compensatori del moto della piattaforma. Questa operazione, alla base dei sonar ad apertura sintetica (SAS), non è eseguita per quelli ad apertura reale.

Figura 1.3 Cella di risoluzione
Figura 1.3 Cella di risoluzione

La risoluzione along-track \(\delta x\) (figura 1.4), per sonar ad apertura reale dipende semplicemente dall’angolo di apertura dell’idrofono \(\Delta \phi \), che deve risultare molto piccolo, e aumenta con la distanza R:

\[\delta x=\Delta \phi \cdot R\]

Per quanto riguarda invece la risoluzione across-track, noi siamo interessati alla sua proiezione sul fondale \(\delta y\). Quest’ultima, non è costante, ma varia in funzione dall’angolo di incidenza del raggio acustico\(\theta \).

In formule, la risoluzione along-track è:

\[\delta y=H\tan \theta \left[ \sqrt{1+\frac{cT}{H}\frac{\cos \theta }{{{\sin }^{2}}\theta }}-1 \right]\]

In genere, però si fa riferimento alla seguente approssimazione:

\[\delta y\approx \frac{cT}{2\sin \theta }\]

Come illustrato in figura 1.4, se si ipotizza un fondale piatto, ogni cella è una porzione di corona circolare. All’aumentare della distanza dal ricevitore R, la risoluzione along-track \(\delta x\) tende ad aumentare, mentre quella across-track \(\delta y\) diminuisce.

Figura 1.4 Celle di risoluzione a terra.
Figura 1.4 Celle di risoluzione a terra.

Ciascun campione prelevato dal segnale di eco ricevuto, è il frutto del contributo di tutti gli scatteratori presenti nella relativa cella di risoluzione.

Per una corretta ricostruzione dell’immagine, bisogna evitare di lasciare buchi lungo il tracciato, e questo pone un limite massimo alla velocità a cui la piattaforma può viaggiare.

Sia \({{R}_{\max }}\) la massima distanza rilevabile dal sonar, \({{T}_{R}}=2{{R}_{\max }}/c\) è il tempo che intercorre tra un impulso ed il successivo. Bisogna imporre che lo spostamento compiuto dal sonar in un tempo pari a \({{T}_{R}}\), sia minore della minima risoluzione along-track \(\delta {{x}_{\min }}=\Delta \phi \cdot H\); con H si è indicato la distanza al nadir tra SSS e fondale (la quota del SSS dal fondale). Perché questa condizione sia rispettata, la velocità massima con cui la piattaforma può viaggiare, deve essere:

\[{{v}_{\max }}=\frac{\delta {{x}_{\min }}}{{{T}_{R}}}=\frac{cH\phi }{2{{R}_{\max }}}\]

Simulatore side scan sonar

Autore del software sviluppato in MATLAB:  Ing Casparriello Marco 

Capitolo 1   Side Scan Sonar – Principi di funzionamento

1.1       Introduzione

1.2       Risoluzione

1.3       Impulso trasmesso

1.4       Schema a blocchi di un side scan sonar

1.5       Post-Elaborazione del segnale ricevuto

1.6       L’equazione del sonar

1.7       Unità di misura.

Capitolo 2    Parametri acustici in ambiente marino.

2.1       Introduzione.

2.2       Velocità del suono.

2.3       Attenuazione per assorbimento.

2.4       Effetto di curvatura dei raggi

2.5       Riflessione.

2.6       Scattering.

2.7       Legge di Lambert

2.8       Ombre acustiche.

Capitolo 3  Descrizione del Software MATLAB.

3.1       Schema di principio del simulatore.

3.2       Modelli Teorici Simulatori Sonar

3.3       Approccio cell scattering.

3.4       Parametri di ingresso e approssimazioni

3.5       Generazione della rugosità del fondale.

3.6       Batimetria.

3.7       Posizionamento di oggetti sul fondale.

3.8       Backscattering.

3.9       Algoritmo di individuazione dei punti in ombra.

3.10     Impronta a terra e divisione in celle di risoluzione.

3.11     Simulazione del movimento del sonar

3.12     Algoritmo di correzione per i punti a quota non nulla 

3.13     Aggiunta del rumore.

Capitolo 4  Risultati e Simulazioni MATLAB

4.1  Risultati e  Simulazioni.

Appendici

Appendice A.

Appendice B.

Appendice C.

Riferimenti

[1]  Paul C. Etter, Underwater Acoustic Modelling  and  Simulation, third edition. Spon Press, 2003

[2]  BLONDEL, Philippe. The handbook of sidescan sonar. Springer, 2007

[3]  GODDARD, Robert P. The sonar simulation toolset, release 4.6: Science, mathematics, and algorithms. WASHINGTON UNIV SEATTLE APPLIED PHYSICS LAB, 2008.

[4]  ETTER, Paul C. A review of recent developments in underwater acoustic modeling. The Journal of the Acoustical Society of America, 2011, 129: 2631

[5]  JACKSON, Darrell R.; RICHARDSON, Michael; RICHARDSON, M. Michael D. High-frequency seafloor acoustics. Springer Science+ Business Media, 2006

[6]  LURTON, Xavier. An introduction to underwater acoustics: principles and applications. Springer-Praxis, 2002.

[7] SOWMYA, S. T. V. Study of Reverberation Time Series and Echo Detection Algorithm in Reverberation Limited Scenarios

[8] HODGKISS JR, W. An oceanic reverberation model. Oceanic Engineering, IEEE Journal of, 1984, 9.2: 63-72.

[9] AINSLIE, Michael. Principles of sonar performance modelling. Springer, 2010.

[10] PORTER, Michael B.; LIU, Yong-Chun. Finite-element ray tracing, theoretical and computational acoustics. World Scientific Publishing Co, 1994, 2: 90.

[11] Finn B. Jensen, William A. Kuperman, Michael B. Porter, Henrik Schmidt Computational Ocean Acoustics, 2th edition, 2011, Springer

[12] By Gorm Wendelboe, (2007). Acoustical Identification of Sea-Mines.Ph.D.
Thesis. Technical University of Denmark: Oersted(DTU)

[13] HODGES, Richard P. Underwater acoustics: Analysis, design and performance of sonar. Wiley, 2011