Il sonar di imaging utilizza impulsi acustici e l’elaborazione degli echi per generare immagini subacquee in tempo reale laddove la torbidità, l’oscurità o i sedimenti in sospensione limitano l’utilizzo delle telecamere ottiche. Dalla navigazione alla mappatura ad alta risoluzione, i moderni sistemi sonar di imaging 2D e 3D forniscono una consapevolezza spaziale fondamentale in tali ambienti.
Questa categoria presenta i principali fornitori di sonar di imaging, che offrono sistemi progettati per l’integrazione con ROV, AUV, piattaforme trainate, imbarcazioni di superficie e installazioni fisse.
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Il sonar di imaging subacqueo funge da sensore fondamentale per le operazioni sottomarine quando condizioni di visibilità pari a zero rendono inefficaci le normali telecamere ottiche. Proiettando impulsi di energia acustica nella colonna d’acqua e misurando la tempistica, la direzione e l’intensità degli echi di ritorno, questi sistemi di imaging sonar convertono i dati grezzi in immagini sonar subacquee interpretabili. Le aree luminose sullo schermo indicano generalmente forti ritorni acustici, mentre le zone scure possono indicare ombre acustiche, acque libere o aree che producono riflessi deboli. L’intensità del ritorno dipende inoltre dalla rugosità della superficie, dall’orientamento del bersaglio, dall’angolo di incidenza, dalla distanza e dal guadagno del sistema.
BlueView BV5000 MK2 3D di Teledyne Marine.
Questa tecnologia fornisce una consapevolezza situazionale in tempo reale, la mappatura strutturale e la classificazione del fondale marino su vaste aree in ambienti marini torbidi. La classificazione del fondale marino può richiedere un’ulteriore elaborazione e dati di rilevamento di supporto per distinguere tra diversi materiali e tipi di habitat. La scelta del sistema di imaging sonar più adatto richiede un compromesso tra frequenza operativa e portata massima, poiché le frequenze più elevate offrono generalmente dettagli spaziali più precisi ma subiscono una maggiore attenuazione acustica. In definitiva, gli operatori sottomarini scelgono i sonar di imaging in base alle dimensioni del bersaglio, ai vincoli di carico utile della piattaforma di dispiegamento, alla risoluzione richiesta e alle condizioni ambientali locali.
Le infrastrutture sottomarine richiedono una valutazione rigorosa che non può essere eseguita in modo affidabile utilizzando esclusivamente telecamere ottiche. Gli ingegneri utilizzano apparecchiature specializzate di imaging sonar per ispezionare condotte, cavi, collettori di produzione, riser, sistemi di ormeggio e fondazioni offshore. L’integrazione di un avanzato sistema di imaging sonar subacqueo consente agli operatori di identificare la posizione, l’orientamento e la geometria visibile di un’infrastruttura da una distanza di sicurezza prima di inviare i sommozzatori. Sui veicoli telecomandati (ROV), un sonar di imaging frontale offre ai piloti una visione immediata delle strutture al di là della portata effettiva delle luci del veicolo, favorendo un avvicinamento sicuro, il mantenimento della posizione e il posizionamento degli strumenti in acque torbide.
Gli scienziati oceanografici utilizzano l’imaging sonar subacqueo per osservare processi fisici e biologici che potrebbero risultare difficili da studiare tramite l’osservazione ottica. Tra le applicazioni principali figurano la caratterizzazione degli habitat, la mappatura dei fondali marini, il monitoraggio ittico e la ricerca sul trasporto dei sedimenti in prossimità di barriere coralline sensibili. I sistemi sonar di imaging multibeam ad alta frequenza e le telecamere acustiche registrano i movimenti e il comportamento della fauna marina senza ricorrere alla luce artificiale, contribuendo così a ridurre i disturbi comportamentali indotti dalla luce. Nella ricerca bentonica, i sistemi sonar a imaging laterale forniscono un contesto spaziale fondamentale rivelando le variazioni nella struttura del fondale marino, nel rilievo e nei confini degli habitat, sebbene per una classificazione definitiva possano essere necessari campioni di supporto o osservazioni ottiche.
Le squadre di ricerca e recupero utilizzano dispositivi sonar a immagini per localizzare veicoli sommersi, imbarcazioni, aeromobili precipitati e attrezzature smarrite quando la posizione è incerta. Le ricerche su vasta scala si avvalgono in genere di un sonar a immagini trainato per coprire in modo efficiente ampie aree del fondale marino. Una volta individuato un potenziale bersaglio, gli operatori passano a un sonar di imaging frontale o a un sistema di scansione ad alta risoluzione per condurre un’indagine dettagliata. Questa tecnologia è particolarmente preziosa in ambienti pericolosi in cui i subacquei devono affrontare una visibilità prossima allo zero, aiutando gli operatori a valutare la posizione, la forma e l’orientamento del bersaglio prima che il personale entri in acqua.
Al di là delle operazioni standard in mare aperto e di quelle scientifiche, l’imaging sonar svolge un ruolo sempre più importante in diversi settori industriali, quali l’acquacoltura e la sicurezza portuale. I veicoli subacquei utilizzano array direzionali per il rilevamento di ostacoli, il tracciamento del terreno e le manovre in spazi ristretti. Se strettamente integrati con strumenti di navigazione e software di elaborazione adeguati, i dati possono alimentare algoritmi di localizzazione in ambienti privi di copertura GPS. Anche le indagini archeologiche impiegano questi sistemi per mappare relitti storici senza contatto fisico diretto, mentre il settore delle energie rinnovabili si affida ad essi per supportare rilievi di installazione, verifiche as-built e ispezioni delle infrastrutture.
Omniscan 450 Compact di Cerulean Sonar.
Un sonar a immagini con visione frontale proietta fasci acustici davanti a una piattaforma e traduce gli echi di ritorno in una visione in tempo reale del percorso davanti a sé. Comunemente installato su ROV e AUV, le sue funzioni principali includono il rilevamento di ostacoli, l’avvicinamento al bersaglio e la consapevolezza generale della navigazione. Molti sistemi moderni utilizzano fasci formati elettronicamente per coprire un ampio settore orizzontale senza ricorrere a parti mobili fisiche, consentendo una rapida frequenza di aggiornamento dell’immagine. Gli operatori devono tenere presente che l’ampiezza verticale del fascio è spesso maggiore rispetto alla messa a fuoco orizzontale, il che significa che i segnali di ritorno provenienti da diverse elevazioni possono apparire alla stessa distanza e con lo stesso raggio di orientamento all’interno di una vista piatta dell’immagine sonar 2D.
Un sonar a immagini multibeam funziona trasmettendo un impulso acustico e ascoltando in un campo visivo definito mediante fasci di ricezione multipli, stretti e formati elettronicamente. Un singolo impulso trasmesso può produrre una serie completa di misurazioni risolte in distanza, generando un fotogramma istantaneo del sonar a immagini 2D in molte architetture di sistema. Tale architettura elettronica riduce o elimina la necessità di meccanismi di scansione meccanici, migliorando l’affidabilità e consentendo elevate frequenze di aggiornamento adatte al tracciamento di bersagli in movimento. Le prestazioni del sistema dipendono in larga misura dalla frequenza operativa, dalle dimensioni dell’array, dalla spaziatura degli elementi, dall’ampiezza del fascio, dalla larghezza di banda del segnale e dalla potenza di elaborazione.
Le unità a scansione meccanica utilizzano un fascio acustico stretto e altamente focalizzato che viene fisicamente spostato a passi attraverso un settore selezionato o un cerchio completo di 360 gradi. In molti sistemi, gli elementi del trasduttore ruotano internamente all’interno di un alloggiamento fisso riempito di fluido, consentendo alla struttura esterna di rimanere fissa. Questo design è in grado di fornire immagini panoramiche dettagliate utilizzando una testina del sensore relativamente compatta. Tuttavia, poiché l’immagine viene assemblata progressivamente mentre il motore sposta il fascio, il movimento della piattaforma o del bersaglio durante la scansione può introdurre distorsioni geometriche.
Quando l’obiettivo è la mappatura di ampie aree del fondale marino, i sistemi a scansione laterale offrono una funzionalità dedicata di sonar a scansione laterale. Tipicamente alloggiati in un corpo trainato o integrati lungo i fianchi di un AUV, questa architettura proietta impulsi acustici a forma di ventaglio perpendicolarmente alla linea di tracciamento del rilevamento. Le immagini risultanti rivelano variazioni nella riflettività del fondale marino e nella topografia su piccola scala. Superfici dure, ruvide o orientate in modo favorevole possono produrre riflessioni intense, mentre gli oggetti che sporgono dal fondale proiettano ombre acustiche prominenti che possono aiutare gli operatori a stimare l’altezza del bersaglio quando l’altitudine del sonar e la geometria di osservazione sono note.
Il sonar ad apertura sintetica (SAS) sfrutta il movimento in avanti controllato di un veicolo subacqueo per combinare in modo coerente i segnali acustici in arrivo, sintetizzando un array virtuale significativamente più lungo del trasduttore fisico. A differenza dei sistemi a scansione laterale convenzionali, in cui la risoluzione lungo la traiettoria generalmente si riduce all’aumentare della distanza, l’elaborazione ad apertura sintetica è in grado di mantenere una risoluzione lungo la traiettoria molto elevata, che dipende in misura sostanzialmente minore dalla distanza lungo la fascia operativa. Ciò lo rende uno strumento prezioso per il rilevamento di oggetti di piccole dimensioni e la mappatura di condotte su vaste aree. Il compromesso risiede nei requisiti esigenti in materia di navigazione e stima del movimento, nei vincoli di coerenza acustica e negli elevati requisiti di elaborazione.
I sistemi acustici standard si avvalgono di diversi sottogruppi interconnessi per acquisire ed elaborare i dati subacquei.
Nel loro insieme, questi elementi hardware influenzano la risoluzione, la nitidezza dei dati, la frequenza dei fotogrammi e la portata acustica. I limiti di profondità operativa dipendono inoltre dai valori di pressione nominale dell’alloggiamento, dei connettori, del cablaggio e dei relativi componenti meccanici.
I continui sviluppi ingegneristici stanno ampliando le capacità dei moderni sistemi di mappatura acustica.
Queste tendenze emergenti indicano sistemi sottomarini sempre più autonomi, in grado di adattarsi all’ambiente in tempo reale e di operare a lungo termine con un intervento umano ridotto.
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