Classificazione remota del fondale marino tramite analisi del backscatter

7/23/2019 Classificazione remota del fondale marino tramite analisi del backscatter

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Classificazione remota del fondale marino

tramite analisi del backscatter

Basi teoriche, esecuzione del metodo ed applicazioni

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A mio Padre e mia Madre,

con me in ogni battaglia


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Sommario

Lanalisi del backscattere un procedimento che puo essere applicato inpost-processing sul prodotto finale di ogni strumento dindagine geofisi-ca, che basa il proprio principio di funzionamento sull equazione mono-statica del sonar attivo.Tuttavia lefficacia di tale processo analiticoe evidenziata, in particolare,nellutilizzo sui rilievi di uno specifico apparato: il Sidescan Sonar.Questo particolare sonar, a differenza della totalita degli altri apparati,none uno strumento dindagine batimetrica, bens dindagine geomor-fologica del fondale; pertanto il suo utilizzo implica una fase dinterpreta-zione del risultato della scansione.

Analizzando il backscatter si ricava un set di indicatori con cuie possibi-le discriminare i diversi riflettori, in questo modo le informazioni dedottedallindagine, essendo queste il frutto di un processo analitico, non saran-no piu di natura qualitativa, ma quantitativa.Infine none da sottovalutare, per loperatore, lutilita di questo approccionella classificazione globale delle facies, ne tantomeno che informazioniaggiuntive sullarea dinteresse vengano estrapolate senza nessunulterio-re operazione in fase di rilievo, ma con solo uno sforzo in post-processing.Pertanto, esposti i principi teorici che conducono alla possibilita di rica-vare informazioni a partire dalla risposta in backscattering del fondale,nonche le caratteristiche tecnico-operative del Sidescan Sonar, si illustranel dettaglio il processo analitico da cui scaturisce ogni specifico indi-catore, quindi lutilizzo di tali indicatori nella classificazione delle faciesnellindagine geofisica di Sciacca.


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Abstract

The backscatter analysis can be performed, as a post-processing opera-tion on surveys of any geophysical instrument, which works following themonostatic active sonar equation. Anyway the efficiency of this process isimproved by running it on surveys of a specific instrument: the SidescanSonar.This special kind of sonar, unlike the majority of other geophysical in-struments, is not a bathymetric device, but an instrument of geomorpho-logical investigation of the seabed. Therefore the use of Sidescan Sonarrequires an interpretative phase of scan results. Analyzing the backscatterintensity, its possible to gain a set of markers, trough which the operatorcan discern each facies. In such a way, information acquired will be ofquantitative nature instead of qualitative.

All in all, cant be underrated the utility of this analytic process in theglobal facies classification and, by the way, neither that no additional sur-veying operations are required to infer these new information about seabedfeatures.So in the present dissertation, after having explained the theoretical basesof underwater sound propagation and technical-operative features of Sides-can Sonar, all the stages of this analytic process are reported.Finally backscatter analysis is performed in order to characterize seabedfeatures in Sciacca survey.


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Un ringraziamento particolare va al Professore Francesco Giordano,il qualee riuscito, innanzitutto, a trasmettermi la sua stessa passione edentusiasmo per questa affascinante materia, nonche per avermi guidatoalla sua scoperta fino ad acquisire il know-how necessario per portare atermine questa tesi.


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Indice

1 PROPAGAZIONE DEL SUONO IN ACQUA 11.1 Equazione donda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.1.1 Seconda legge di Newton per lacustica . . . . . . . 21.1.2 Equazione donda monodimensionale . . . . . . . . 3

1.2 Velocita di propagazione del suono in acqua . . . . . . . . . 41.2.1 Premessa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.2 Determinazione del parametro . . . . . . . . . . . . 5

1.3 Approssimazione di fronte donda piano . . . . . . . . . . . 71.4 Interazioni segnale-target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.4.1 Backscatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.5 Equazione monostatica del sonar attivo . . . . . . . . . . . 13

2 IL SIDESCAN SONAR 15

2.1 Sviluppo storico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.2 Caratteristiche principali e funzionamento . . . . . . . . . 19

2.2.1 Le equazioni di base . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.2.2 Principio zero dellimaging acustico . . . . . . . . . 222.2.3 Dispersione del segnale . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.3 Parametri operativi dello strumento . . . . . . . . . . . . . 242.4 Parametri geometrici del fascio . . . . . . . . . . . . . . . . 252.5 Footprint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.6 Prodotto finale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.6.1 Il formatoeXtended Triton Format . . . . . . . . . . 29

3 IL METODO ANALITICO 303.1 Lalgoritmo Fast Fourier Transform . . . . . . . . . . . . . . 30

3.1.1 La Discrete Fourier Transform . . . . . . . . . . . . . 303.2 Il file grezzo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.3 Acquisizione in MATLAB c e preparazione allanalisi . . . . 323.4 Analisi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.4.1 Istogramma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.4.2 Andamento backscatter . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.4.3 Spettro associato al segnale . . . . . . . . . . . . . . 403.4.4 Rugosita media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4 APPLICAZIONE DEL METODO 44

4.1 Inquadramento del rilievo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.2 Calcolo degli indicatori per la prateria di Posidonia . . . . . 474.3 Calcolo degli indicatori per la piattaforma sabbiosa . . . . 504.4 Discriminazione delle facies e conclusioni . . . . . . . . . . 53

5 SVILUPPI FUTURI 56

i


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Riferimenti bibliografici 57

A GRAFICI iA.1 Intensita backscatter - Posidonia . . . . . . . . . . . . . . . iA.2 Spettro backscatter - Posidonia . . . . . . . . . . . . . . . . vA.3 Intensita backscatter - piattaforma sabbiosa . . . . . . . . . ixA.4 Spettro backscatter - piattaforma sabbiosa . . . . . . . . . . xiii

ii


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Elenco delle figure

1 Un moderno velocimetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Geometria sorgente-fronte-fondo . . . . . . . . . . . . . . . 73 Sketch legge di Snell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Sketch backscattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Sketch del bilancio del sonar attivo monostatico . . . . . . 136 Sonogramma di un Sidescan Sonar . . . . . . . . . . . . . . 157 Display di un apparato ASDIC risalente al 1944 . . . . . . . 168 Martin Klein con uno dei primi SsS commerciali . . . . . . 179 Lo storico recupero del relitto della Mary Rose nel 1982 . . 1810 Un moderno SsS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

11 Diagramma a blocchi del funzionamento di un SsS . . . . . 2012 Geometria towfish-target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2113 Geometria trasversale del fascio acustico . . . . . . . . . . . 2514 Struttura radiometrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2815 Interfaccia DeepViewFV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3116 Dettaglio waterfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3217 Interfaccia MATLAB c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3318 Interfaccia con campione in grayscale . . . . . . . . . . . . 3419 Overview degli sweep estratti dal campione . . . . . . . . . 3920 Immagine satellitare dello specchio dacqua dinteresse . . 4421 Campione prateria di Posidonie . . . . . . . . . . . . . . . . 47

22 Campione piattaforma sabbiosa . . . . . . . . . . . . . . . . 5023 Intensita backscattering - prateria di Posidonia . . . . . . . 5424 Intensita backscattering - piattaforma sabbiosa . . . . . . . 55

iii


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Elenco dei simbolipT pressione totale [kg m

1 s2]pA pressione ambientale [kg m

1 s2]p anomalia pressione [kg m1 s2]T densita totale [kg m

3]

A densita ambientale [kg m3]

anomalia densita [kg m3]FT forza totale [k g m s

2]

m massa [kg]a accelerazione [m s2]

u velocita [m s1]B modulo di elasticita [kg m1 s2]T temperatura [C]z profondita [m]S salinita [g kg1]R slant range [m] freccia allarco [m]W corda [m] lunghezza donda - interfaccia [m]Z impedenza acustica [kg m2 s1]r indice di riflessione adim.Iriflessa intensita segnale riflesso [dB](1

r) indice di rifrazione adim.

Irifratta intensita segnale rifratto [dB] angolo dincidenza [rad] angolo di rifrazione [rad]

u1 velocita di propagazione nel primo mezzo [m s1]

u2 velocita di propagazione nel secondo mezzo [m s1]

S backscattering cross section adim.ka numero donda acustico [m

1]

angolo radente [rad]F parametro meccanico target adim.W spettro rugosita fondale adim. rapporto tra la densita del target e del mezzo adim.v rapporto tra la velocita nel target e nel mezzo adim.SL source level [dB]TL transmission loss [dB]TS target strength [dB]EL echo level [dB]d ground range [m]h quota towfish [m]s intensita radiometrica [uint8]

iv


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f frequenza di esercizio dello strumento [kHz] coefficiente di dispersione del segnale [dB m1]v coefficiente di viscosita volumetrica [kg m

1 s1]s coefficiente di viscosita di shear [kg m

1 s1]tp durata del ping [s]fp ping rate [s

1]

Vmax velocita limite di rilevo [m s1]

L lunghezza trasduttore [m] angolo di depressione del fascio [rad] angolo di apertura acrosstrack del fascio [rad]Y ampiezza acrosstrack del fascio [m]

angolo di apertura alongtrack del fascio [rad]X ampiezza alongtrack del fascio [m]y ampiezza acrosstrack del footprint [m]x ampiezza alongtrack del footprint [m]N numero di elementi adim.R rugosita media adim.Rmax valore massimo rugosita media adim.R indice rugosita di Rayleigh adim.H deviazione standard delle elevazioni del fondale [m]

v


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1 PROPAGAZIONE DEL SUONO IN ACQUA

Il suonoe un disturbo meccanico che si propaga attraverso un fluido,in questa trattazione il fluido in oggetto sara lacqua, che, per la deriva-zione delle equazioni di base verra considerata un mezzo:

omogeneo ed isotropico;

privo di capacita di assorbimento e dispersione del disturbo.

Generalmente il disturbo in propagazionee identificato come un incre-mento della pressione acustica, che ha unintensita molto inferiore a quel-la ambientale, quindi unonda compressionale.

Si consideri, ora, che tale disturbo sia causato da unimprovvisa espansio-ne di una sorgente puntiforme. Questo causa un aumento della densitae pressione locale, poiche il mezzo non puo espandersi istantaneamente,offrendo resistenza alla propagazione della perturbazione.Si consideri inoltre uninterfaccia di ampiezza Wa distanza R dalla sor-gente, tale che il fronte donda possa essere considerato piano, in que-sta regione landamento di pressione e densitae funzione della direzionedi propagazione del fronte donda, secondo cui e fissato concordementelassex.Landamento di pressione e densita totalee dato dalle equazioni:

pT =pA+p [kg m1

s2

] (1)

T =A+ [kg m3] (2)

con A p pA

dovepAe Asono costanti e rappresentano i valori ambientali di pressio-ne e densita, mentrep(x)e (x), funzioni della posizione del fronte don-da lungo la sua direzione di propagazione, rappresentano i valori di ano-malia legati ai fenomeni compressivi, scaturiti dalla perturbazione dellasorgente, inversamente proporzionali alla distanza dalla sorgente stessa.

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1.1 Equazione donda

In questa sezione si ricavano le espressioni di base necessarie a defi-nire lequazione donda monodimensionale, che descrive rigorosamentela perturbazione nel mezzo secondo la direzione di propagazione.Una volta ottenuta la legge monodimensionale, si definiscono le condi-zioni per cuie valida lapprossimazione di fronte donda piano, grazie allaquale tale equazione risulta essere sufficiente per descrivere il fenomenocompleto.

1.1.1 Seconda legge di Newton per lacustica

Considerando in un sistema di riferimento lagrangiano una particelladel mezzo, coinvolta nella trasmissione della perturbazione meccanica,il valore della pressione netta nella direzione x, ovvero nella direzione dipropagazione del fronte donda,e pari a:1

pT =

p

x

x

dividendo il termine di pressione totale per lunita darea, si ottiene laforza totale agente sulla particella considerata:

FT = pT

yz

= pxxyz [k g m s2]

inoltre, poiche si ha che:

m= A(xyz) [kg] a=

u

t

[m s2]

doveuindica la velocita lungo la direzione di propagazione della parti-cella considerata nel sistema lagrangiano. Banalmente dallespressioneclassica del secondo principio di Newton, segue:

FT =ma = Au

t

(xyz) = p

x

(xyz)

p

x =A

u

t (3)

leq. 3 esprime il secondo principio di Newton per lacustica.

1Si tenga presente chepAx

= 0

2


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1.1.2 Equazione donda monodimensionale

Per ottenere lequazione dondae necessario introdurre altre due legginel dominio acustico; la legge di conservazione della massa diventa:[1]

Au

x =

t (4)

inoltree possibile scrivere unequazione di stato acustica, trattando lapressione scaturitadalla perturbazione nel mezzo come una forza elastica:[1]

p= B

A

(5)

doveBindica il modulo di elasticita del mezzo. A questo puntoe possibileprocedere nella derivazione dellequazione donda.Innanzitutto si deriva rispetto adxleq. 3 e si ha:

x

p

x =A

u

t

A2u

tx=2p

x2

mentre leq. 4 va derivata rispetto al tempo, ottenendo:

tAu

x =

tA

2u

tx =2

t2

adesso, uguagliando i membri a sinistra, segue:

2p

x2 =2

t2

infine, servendosi delleq. 5, si ottiene:

2p

x2 =A

E

2p

t2 (6)

Leq. 6, equazione donda monodimensionale, puo essere espressa in ma-niera equivalente in termini di densita anziche di pressione, sostituendoleq. 5 esplicitata in termini di pressione. Poiche vale anche la relazione:[1]

u2 = B

A

si ottiene la formulazione piu comune dellequazione donda, ovvero:

2p

x2 =

1

B2

2p

t2 (7)

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1.2 Velocita di propagazione del suono in acqua

Il problema della determinazione della velocita di propagazione delsuono in acqua ha portato alla produzione di centinaia e centinaia di pa-gine in letteratura; per completezza della trattazione di questo capitolo siriportano i principi generali del fenomeno.

1.2.1 Premessa

E necessario premettere che, a differenza di quanto accade invece inbatimetria, nellimaging acustico il range di variazione della velocita dipropagazione del suono in acqua non e tale da compromettere il buonesito di un rilievo, a meno di errori dovuti a valutazioni grossolane, macomporta distorsioni nella scansione generalmente trascurabili; costitui-sce quindi in questo caso un problema di secondaria importanza.

Ad ogni modoe spesso disponibile un velocimetro, strumento ad hoc perla misurazione del parametro, o, nel caso degli apparati piu sofisticati,questoe ivi integrato e determina un valore istantaneo per ogni campio-namento.

Un moderno velocimetro

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1.2.2 Determinazione del parametro

Il primo tentativo in assoluto di misurazione della velocita di propaga-zione del suono in acqua fu condotto nel 1816 nel Mediterraneo franceseda Francois Beudant. Lesperimento fu condotto con una metodologiache ad oggi potrebbe far sorridere, ovvero con un orologio e una campa-na immersa da una barca posta a distanza nota da un nuotatore munitodi una bandiera. Dieci anni dopo, nel tentativo di determinare il modulodi elasticita dellacqua nel lago di Ginevra, anche Colladon e Sturm arriva-rono a determinare il valore del parametro, utilizzando un sistema simileal precedente, ma con una sincronizzazione luce-suono.I valori ottenuti nelle due misurazioni, nonostante i limiti della metodo-

logia applicata, furono rispettivamente di1500m s

1

e1435m s

1

e quindiaccettabili per i presupposti e non troppo lontani da quelli reali.La propagazione di unonda compressiva in un fluido avviene alla velo-cita:

u=

sB

T[m s1] (8)

ma questa formulazione, che sintetizza il fenomeno, none di alcun utiliz-zo nella realta pratica, poiche none in grado di valutare le variazioni dellavelocita con i parametri marini caratteristici, cioe temperatura, salinita eprofondita.

Per ovviare a questa necessita nel tempo sono state ricavate numeroseformule empiriche, generalmente di estrema complessita.

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1.3 Approssimazione di fronte donda piano

Qualora la sorgente si trovi ad una certa distanza R dal target di in-teresse, il fronte donda relativo ad un generico impulso, proveniente dasuddetta sorgente, puo essere trattato come una superficie piana, anzichesferica.Questapprosimazione e molto efficace poiche semplifica enormementela matematica che descrive linterazione tra target e fronte donda. E ne-cessario, quindi, comprendere analiticamente per quali condizionie vali-da questapprosimazione.Si consideri un tratto del fondale, isonificato dal fronte donda, di ampiez-zaW, nonche larco sotteso da una corda pari al tratto stesso, e possibile

adesso individuare lampiezza della freccia

al medesimo arco.

Sketch della configurazione geometrica sorgente-fronte donda-fondo del mare

Come si evince dalla fig. 2, secondo la costruzione su uno qualsiasi deidue triangoli rettangoli individuati dalla corda, vale:

R2 = (R )2 +W

2

2

=R2 + 2 2R +W2

4

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semplificando lequazione e tenendo presente che R, si ha:

W2

4 =R

2R

2 + (2R ) 2R

ora, esplicitando, lequazione rispetto a , segue:

W2

8R

Dalla letteratura [1] si ha che, affinche sia valida lapprossimazione, perla zona W deve valere la disuguaglianza tra freccia dellarco e lunghezza

donda del segnale:

8ergo:

W2

8R

8

Perche sia valida lapprossimazione di fronte donda piano, e possibileconcludere che deve essere rispettata la disequazione:

W (R)12 (10)

A titolo desempio, considerando un segnale che si propaga nellacquaad una velocita di 1500m s1, emesso da una sorgente in esercizio allafrequenza di500kHz e ad un range di100m dal target, si ha:

W (3 103 102)12 5.5 101 [m]

In ogni caso la disequazione puo essere risolta sia in funzione di uno spe-cifico range, che di una certa ampiezza dellarea isonificata, per cui sin-tende considerare il fronte donda incidente piano, anziche sferico.

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1.4 Interazioni segnale-target

In questa sezione viene affrontata linterazione tra il segnale, ovvero lagenerica onda acustica trattata finora, e il target, nelle condizioni in cuievalida lapprossimazione locale di fronte donda piano.La descrizione piu semplice dei fenomeni fisici legati allinterazione tra ledue entita, corrispondente ad uninterfaccia tra due mezzi caratterizzatida impedenza acustica differente,e fornita dalla legge di Snell.Limpedenza acustica del mezzoe definita dal prodotto tra la densita e lavelocita di propagazione del suono nello stesso, ovvero:

Z= Tu [kg m2 s1] (11)

Sketch dei fenomeni di riflessione e rifrazione secondo la legge di Snell

In accordo conquesto modello, il segnale incidente, assimilabile per quan-to premesso alla direzione di propagazione del suo stesso fronte don-da, incontrando la suddetta interfaccia, genera un segnale riflesso condirezione di propagazione speculare alla normale del target, ovvero conangolo di riflessione pari a quello dincidenza.

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Lintensita del segnale riflesso si ottiene a partire dallintensita del se-

gnale incidente e in funzione del coefficiente di riflessione, definito comesegue:

r= Z2 Z1Z2+Z1

(12)

doveZ2 e Z1 indicano rispettivamente limpedenza acustica del target edel mezzo di propagazione.Pertanto si avra:

Iriflessa=r Iincidente [dB] (13)

Al fenomeno di riflessionee associata anche una rifrazione del segnaleincidente, ovvero nel secondo mezzo si avra un segnale di intensita pari a:

Irifratta = (1 r)Iincidente [dB] (14)

il cui fronte si propaga con angolo alla normale, detto angolo di rifrazionee definito appunto dalla legge di Snell:

sin

u1=

sin

u2

esplicitando per langolo di rifrazione:

= arcsinu2u1

sin [rad] (15)

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1.4.1 Backscatter

La descrizione dellinterazione segnale-target fornita dallalegge di Snellnone sufficiente per la comprensione dei principi fisici alla base del fun-zionamento degli strumenti in configurazione monostatica, dove sorgen-te e ricevitore coincidono.La componente riflessa del segnale, a differenza di quanto avviene in si-smica, non puo essere utilizzata da questo tipo di strumenti, pertanto enecessario considerare, oltre alla sola componente riflessa coerentemen-te, cioe con angolo di riflessione pari a quello dincidenza, anche tutta laparte incoerente della riflessione, dispersa omnidirezionalmente.In particolare quella dinteresse per gli apparati monostatici e quella ri-

flessa antiparallelamente alla direzione di propagazione del segnale: que-sta componente della riflessione incoerentee chiamata backscatter.

Riflessione, rifrazione e componenti non coerenti della riflessione

La descrizione fisica di questo fenomenoe molto piu complessa rispet-to a quella della riflessione classica, che era, infatti, nota gia a partire dal

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XVIIsec, mentre la prima rigorosa equazione per lintensita del backscat-

tere stata sviluppata negli anni 60 da Kuo.Si espone ora una riformulazione piu recente di questequazione, ottenu-ta da Jackson nel 1986. Il coefficiente dintensita teorica del backscatter,detto backscattering cross-sectione valutato come funzione dellango-lo3 compreso tra lorizzonte del target e la direzione di propagazione delsegnale, delle proprieta meccaniche del target e della rugosita del fondale:[2]

s =4k4a(sin

4 )FW (16)

dovekae il numero donda acustico, pari a:

ka =

2

,

mentre e, appunto, langolo compreso tra lorizzonte del target e la dire-zione di propagazione del segnale,W indica lintensita dello spettro di ru-gosita associato al fondale e, infine, F raccoglie tutti i parametri meccanicidel target ede definito come:

F=

( 1)2 cos2 + 2 v2

2

sin+ (v2 cos2 )

12

4

(17)

in cui e v, coefficienti adimensionali, indicano rispettivamente il rap-porto tra densita del target e del mezzo e tra le relative velocita di propa-gazione.In accordo con la sua definizione, questo coefficiente e tanto maggiore,quanto la direzione di propagazione del segnalee prossima allo zenit deltarget. Inoltre cresce in funzione della rugosita del fondale, con una parti-colare sensibilita alle irregolarita dellordine di grandezza della lunghezzadonda, mentre si attenua allaumentare della frequenza. Infine, analiz-zando il parametro F, si comprende che il coefficientee tanto piu fortequanto maggioree la densita del target.

3Complementare dellangolo dincidenza

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1.5 Equazione monostatica del sonar attivo

Le equazioni del sonar furono formulate per la prima volta durantela Seconda guerra mondiale, come base per il calcolo del massimo rangepossibile per gli equipaggiamenti sonar.[3]

Queste equazioni sono costituite da semplici relazioni lineari tra i cosid-detti parametri sonar, ovvero parametri che descrivono tutti gli effettidella propagazione subacquea del suono in questo contesto.Tali parametri sono determinati dallapparato, dal mezzo di propagazionee dal target e sono:

SL, Source level (intensita sorgente): e il parametro determinato dallecondizioni di esercizio dellapparato ede definito come

SL= 10 log10intensita 0 sorgente

intensita 0 sorgente a 1m 0.78 [dB]4

TL, Transmission loss (attenuazione del segnale): e il parametro deter-minato dalla capacita di assorbimento del mezzo di propagazione edalla dispersivita del segnale, dato da

TL= 10 log10intensita0 segnalea1mdasorg./ricev.

intensita0 segnale al ricev./sorg. 0.78[dB]

TS, Target strength (riflettivita target): e il parametro determinato dallariflettivita e dalla capacita di assorbimento del target, ovvero

TS= 10 log10intensita 0 eco a 1m dal target

intensita0 segnale incidente 0.78 [dB]

Sketch del bilancio del sonar attivo monostatico

4-0.78e un coefficiente necessario per il passaggio da yarde a metri

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Le equazioni venivano risolte generalmente trattando la perdita di se-

gnale come incognita, in modo da valutare, appunto, il range massimopossibile per lapparato; in questo casoe interessante trattare, invece, co-me incognita la combinazione di questi parametri che determina linten-sita delleco al ricevitore.Lequazione che descrive il funzionamento di un apparato in configura-zione monostatica attiva tiene conto dellintensita del segnale emesso,della dispersione del segnale nel percorso sorgente-target-sorgente e del-la capacita dassorbimento e riflettivita del target, ovvero lo strumentoascoltera uneco data da:

EL= SL 2TL+TS [dB] (18)

ed essendo definita la backscattering cross section [eq. (16)], vale:[2]

TS= 10 log10s

4 [dB]

infine si ha:EL= SL 2TL+10 log10

s

4 [dB] (19)

a questo puntoe evidente che per un apparato monostatico attivo lecopercepita dipende fortemente dalle caratteristiche meccaniche del target,implicitate nella backscattering cross section.

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2 IL SIDESCAN SONAR

Sidescan Sonar is a device thatuses high-frequency sound formapping the topography of thesurface of the sea bed.. .

Martin Klein, padre dellatecnologia SsS civile

IlSidescan Sonare uno strumento di indagine geomorfologica sotto-marina, il suo prodotto finalee un sonogramma, che appare come unavera e propria foto, ma ottenuta attraverso il suono ad alta frequenza.E lo strumento di piu largo utilizzo nelle campagne geofisico-marine, condegli specifici accorgimenti il suo utilizzo si adatta sia alle acque basse chealloffshore e permette di ispezionare in poco tempo ampie porzioni delfondale, grazie alla grande isonificazione.Proprio per questa caratteristica, insieme ad un altro strumento, il Mul-tibeam, suo piu vicino parente tra gli strumenti batimetrici, negli anni

recenti si sta rendendo protagonista di una grande, ma altrettanto sco-nosciuta, impresa della scienza: mappare completamente il fondo deglioceani, attualmente inesplorato5 al 95%.[4]

Sonogramma di un Sidescan Sonar

5Con potere risolutivo inferiore al metro

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Ad ogni modo lapparato ASDIC fu determinante per lesito degli scontri

in mare e permise di contrastare al meglio gli U-bot tedeschi.Successivamente allalba della seconda guerra mondiale, gli inglesi deci-sero di condividere liberamente questa nuova tecnologia con gli america-ni per favorirne lo sviluppo.In america la ricerca fu portata avanti dal Dott. Julius Hagemann, che svi-luppo un primo rudimentale Sidescan Sonar, ma sempre votato a scopimilitari, principalmente ricerca di residuati bellici (relitti, ordigni inesplo-si, et similia): era costituito da un singolo trasduttore conico, fissato diret-tamente sullimbarcazione. Successivamente venne sviluppato il doppiotrasduttore laterale e, ancora dopo, la necessita di avvicinare i trasduttorial fondale porto a spostarli nel classicotowfishtrainato.

Martin Klein con uno dei primi SsS commerciali

I risultati della ricerca americana rimasero comunque oscurati dal segre-

to militare fino al 1980. Parallelamente istituti civili, quali lIstituto Nazio-nale di Oceanografia Britannico, gli Hudson Laboratories e il MIT, nellapersona di Harold Edgerton, portarono avanti lo sviluppo scientifico dellapiu obsoleta tecnologia ASDIC, ormai di pubblico dominio, raggiungendorisultati simili a quelli dello sviluppo militare.Negli anni cinquanta venne posata una pietra miliare nellutilizzo di que-sti rudimentali Sidescan Sonar a trasduttore conico per scopi scientifici epiu in generale civili: proprio lIstituto Nazionale di Oceanografia Britan-nico se ne serv per studiare la morfologia delle piattaforme continentali,mentre il Dott. Harold Edgerton, fondatore della nota E.G.&G., utilizzo la

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2.2 Caratteristiche principali e funzionamento

Grazie al processo di sviluppo subto dopo la fine della seconda guerramondiale, il sistema Sidescan Sonar sie affermato come standard per ri-lievi del fondale marino ad alta risoluzione, cioe possibile grazie alle altefrequenze di esercizio dello strumento.Nel panorama attuale del surveying le sue applicazioni si estendono aicampi piu disparati, quali ricerca scientifica ed industriale, ingegneria edarcheologia marina.

Un moderno SsS ad altissima risoluzione prodotto dalla EdgeTech

Un moderno Sidescan Sonar e costituito, in primis, da ununita di regi-strazione e comando, generalmente detta unita centrale e da un towfish,che none altro che lalloggio idrodinamicamente ideale per i due trasdut-tori laterali.I trasduttori posizionati, come suggerisce il nome, simmetricamente sullemurate del towfish, sono il cuore del sistema e svolgono sia la funzione

di sorgente che di ricevitore.Uno strumento cos concepito obbedisce allequazione monostatica delsonar attivo [vedi par. 1.5].I trasduttori sono costituiti da un elemento piezoelettrico, cioe capace diesprimere una deformazione elastica, quindi una perturbazione mecca-nica del mezzo di propagazione, se sollecitato da un impulso elettricoe, viceversa, generare una differenza di potenziale elettrico se deforma-to elasticamente, quindi trasformare una perturbazione del mezzo in unsegnale elettrico.

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Limpulso viene rilasciato dai condensatori, anchessi alloggiati nel to-

wfish e controllati dallunita centrale. Il collegamento tra unita centralee towfishe ottenuto tramite il cavo di traino stesso, solitamente in kevlar,al cui interno sono alloggiati tutti cavi responsabili del trasferimento datitra unita centrale e condensatori-trasduttori.

Diagramma a blocchi del funzionamento di un SsS

Questa struttura genericae comune ai numerosi Sidescan Sonar attual-mente in commercio, questi poi si differenziano in primis per lelabo-razione del segnale, che puo essere analogica o digitale, nonche per lefrequenze di esercizio, che posso essere relativamente basse, tipiche de-

gli apparati da offshore-surveying, o relativamente alte, tipiche di quellida shallow water-surveying; i primi producono un sonogramma relativa-mente degradato rispetto ai secondi.Per aumentarne la versatilita, gli apparati piu moderni sono stati dotati diuna doppia frequenza di esercizio, in modo da poter grossomodo ovviare,in base alle necessita, al dualismo risoluzione-dispersione.

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2.2.1 Le equazioni di base

Il principio di funzionamento del Sidescan Sonar si basa sulla risolu-zione di due semplici equazioni.

A partire dallequazione del range del target, se ne determina la distanzaradiale dal trasduttore:

R= ut

2 [m]

dovet indica il tempo affinche il segnale emesso percorra in backscatte-ring la traiettoria trasduttore-target-trasduttore (TWTT).Nota, attraverso strumenti integrati, laltezza del towfish sul fondale, siricava la distanza del target dal nadir del towfish,6 risolvendo lequazione:

d=p

R2

h2 [m] (20)

in questo modo lo strumento riesce a determinare sulla la posizione diogni singolo target e a comporre la strisciata.

Sketch della configurazione geometrica towfish-target

Contemporaneamente alla determinazione della posizione per il segnalein oggetto, in base allintensita delleco ricevuta in backscattering, vieneassegnato a quella posizione un certo valore radiometrico in scala uint8,ovvero28 valori compresi nellintervallo[0: 255].Lequazione che associa tale valore, a partire dal valore in dB del segnale

6Detta nella terminologia anglossassone ground range

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2.2.3 Dispersione del segnale

Lequazione che lega la dispersione del segnale con la frequenza diesercizioe stata derivata da Rayleigh; questo parametro, oltre ad esse-re funzione del frequenza, dipenda dalle caratteristiche meccaniche delmezzo di propagazione.

= 162

3u3

1+

3

4

v

s

f2 [dB kyd1] (23)

doveve s indicano i coefficienti di viscosita, rispettivamente volume-trica e di shear; i valori di densita e velocita di propagazione del suono nelmezzo sono intesi in grm3 e cm s1.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

5

10

15

20

25

30

35

40

Funzione di Rayleigh per la dispersione @ =1.025 [gr*m3]; v=1.5*105[cm*s1]; v/

s=2.81

ffrequenza desercizio

[kHz]

dispersionedelsegnale

[dB*10

2m]

=[(16*2

)/(3**v

2

)]*[1+(3/4)*(v/s)]*f

2

Il plot mostra landamento della dispersione nellacqua di mare, definitaattraverso gli specifici valori dei parametri meccanici, 7 in funzione di unacerta frequenza di esercizio. Lintervallo compreso tra100kHz e2000kHzracchiude grossomodo tutte le frequenze cui operano i Sidescan Sonar at-tualmente in commercio.

A questo puntoe evidente il motivo per cui un Sidescan Sonar ad altissima

risoluzione non puo operare in rielivi offshore: ad una frequenza deserci-zio pari a 2000kHz, per ogni 100m si ha una perdita dintensita del segnaledi 35dB,8 di contro un apparato funzionante a 200kHz produce un segnaleche degrada solamente1dB ogni100m.

7= 1.025gr m3,v= 1.5 105cm s1 e vs

=2.818Il parametro di dispersione e stato convertito da dB kyd-1 a dB102m attraverso il

fattore di scala190.36

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2.3 Parametri operativi dello strumento

In fase di rilievo bisogna eseguire un trimming dello strumento; inparticolare vanno determinati alcuni parametri operativi da rispettare af-finche il rilievo vada a buon fine:

Frequenza:qualora lo strumento disponga dello switch tra due frequenze de-sercizio differenti, va scelta quella piu adatta alle condizioni opera-tive del rilievo [vedi par. 2.2.2 e 2.2.3].

Quota del towfish,h: la quota dal fondale deve essere tenuta tra il 10%[6] e il 20% del groundrange desiderato.

A parita di condizioni una navigazione a quota maggiore dal fondale

portera ad un rilievo di range altrettanto maggiore, ma minore riso-luzione; viceversa se la navigazione avviene ad una quota minore.

Durata del ping,tP: la durata del pinge dellordine9 di 104s ede legata alla frequenza

di esercizio dellapparato, nonche, attraverso questa, al potere riso-lutivo dello strumento.Frequenze maggiori richiedono una durata del ping inferiore.

Frequenza limite del ping:la frequenza limite del pinge dettata dal range desiderato e dallavelocita di propagazione del suono in acqua; si ha:[7]

fP = u

2R

[s1] (24)

se la frequenza del ping supera tale valore limite, pur agendo sullavelocita di esecuzione del rilievo, per lo strumento non sara possibi-le registrare il 100% delle risposte acustiche relative al fondale su cuiha navigato.

Velocit a limite: la velocita tipica di rilievoe compresa tra i 2ktsei 6kts, ma la velocitamassima di rilievoe determinata dalla lunghezza del trasduttore edalla frequenza del ping, appena introdotta, si ha:[7]

Vmax=fpL [m s1] (25)

dove L indica la lunghezza del trasduttore.10

Anche in questo caso, se la velocita limite viene superata, non sarapossibile per lo strumento isonificare il 100% del fondale copertodurante la navigazione.

9Ad esempio, il Kongsberg 159D, ad una frequenza di esercizio di410kHz, sviluppa unimpulso della durata di 1.67 104s

10Generalmente la lunghezza del trasduttoree compresa tra30 40volte la lunghezzadonda del segnale relativo alla frequenza di esercizio

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2.4 Parametri geometrici del fascio

Nellipotesi che sia valida lapprossimazione locale di fronte dondapiano [vedi eq. (10)], per cui il fronte risulta assimilabile ad una singoladirezione di propagazione, la geometria del fascio del Sidescan Sonar e irelativi parametri geometrici possono essere ridotti a quanto segue: 11

Sketch della configurazione geometrica crosstrack del fascio acustico

Depressione del fascio, : parametro strutturale dello strumento, legato allorientamento deitrasduttori,e langolo compreso tra lorizzonte del towfish e la dire-zione di propagazione del fascio emesso.

Apertura acrosstrack,: e langolo di apertura del fascio nel piano acrosstrack, supplementodellangolo di depressione del fascio.

mpiezza acrosstrack, Y: (Swath width)e lampiezza trasversale sul fondale dellarea isonifi-

cata.

Angolo dincidenza, : e langolo compreso tra la direzione di propagazione del fascio acu-stico e la normale del target.

Angolo radente, : (Grazing angle)e langolo complementare di .

Slant range,R: e la distanza radiale trasduttore-target.

11Si tenga presente che, in virtu dello sviluppo storico di questa tecnologia, la nomen-clatura tecnica risente di una forte influenza anglosassone e pertantoe conveniente citareper alcuni anche la nomenclatura in lingua madre

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2.5 Footprint

Alcuni parametri operativi, combinati con altri parametri geometricidel fascio, caratterizzano limpronta o footprint dello strumento, ovverola dimensione del lobo acustico, associato ad uno specifico range, rispet-tivamente parallela alla navigazione e trasversale alla stessa .Il footprint fissa un secondo limite al potere risolutivo (longitudinale etrasversale) dello strumento, legato, questa volta, alle caratteristiche dellostrumento nella sua globalita e non solamente alla frequenza di esercizio.Lampiezza acrosstrack si ottiene a partire dalla relazione:[6]

y= tPv

2

1

sin =

tPv

2

1

cos [m] (28)

dove langoli di incidenza e quello radente sono espressi in radianti.Fissata la durata del ping e trascurate le variazioni nella velocita di propa-gazione, comunque si ha una dipendenza dallangolo radente o dallan-golo dincidenza, i quali variano in funzione del range.14

Poiche, ragionando in termini di angolo radente, questo tendera a 0 al-laumentare del range,15 allora lampiezza acrosstrack del footprint dimi-nuira proporzionalmente alla distanza dal towfish.Lampiezza alongtrack del footprint, invece,e data da:[6]

x= R [m] (29)

dove langolo di apertura alongtracke espresso in radianti. In questo caso,invece, si ha una crescita direttamente proporzionale al range.

10203040506070801

2

3

4

5

6

7Potere risolutivo trasversale/longitudinale in funzione dellangolo radente

@ tP=100 s; v=1500ms1; =0.3; h=20m;

Grazing angle(= 90)

[]

X

~Y

Dimensionelongitudinale/trasversale

deldettagliopipiccolodiscriminabile

[m]

RISOLUZIONE LONGITUDINALE

RISOLUZIONE TRASVERSALE

14Mantenendo costante la quota dal fondale del towfish durante la navigazione15Dalla configurazione geometrica si ricava banalmente che vale la relazione:

= arcsin

h

R

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Dal grafico si evince che, fino a un angolo radente di circa 40, si ha

una risoluzione trasversale migliore rispetto a quella longitudinale, vice-versa oltre tale soglia. Cio avviene poiche, al crescere della distanza dal to-

wfish (diminuzione del grazing angle), si ha un miglioramento del potererisolutivo trasversale e una degradazione di quello longitudinale; questadeformazione del footprinte detta beam spreading.

2.6 Prodotto finale

Ogni singola strisciata, costruita a partire dalle risposte ottenute da unping, viene composta con la successiva lungo la navigazione, andando aformare il prodotto finale del rilievo, chee chiamato mosaico o, in lingua

madre, waterfall.In virtu di quanto detto nella sezione 2.2.1, la scansione effettuata dallostrumento viene memorizzata sotto forma di immagine raster, pertantoavra una struttura del tipo:

Imn =

s11 s12 . . .

s21 s22 . . ....

... . . .

ovvero una matricem n, dovemsono le strisciate effettuate dallo stru-mento enle risposte ottenute sullamesimastrisciata.

Il modulo del generico elementosi,j e ottenuto a partire dal valore radio-metrico associato al backscatter del target [eq. 21], individuato nella iesimastrisciata e nella posizionejesima, dettata dallequazione del ground range[eq. 20].

Visualizzazione del dettaglio di una scansione, sottoforma di variabile nelworkspace di MATLABc

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La registrazione della matrice raster avviene successivamente ai pro-

cessi di real-time processing (filtraggio) e correzione, operati dallunitacentrale. Qualora si fosse operato con strumenti integrati al Sidescan So-nar, la matrice raster verra composta con i dati relativi alla traccia di navi-gazione e alla batimetimetra, pertanto ogni singolo pixel risultera geore-ferenziato.

2.6.1 Il formato eXtended Triton Format

Poiche ogni azienda concorrente nel mercato della tecnologia Side-scan Sonar propone un formato di archiviazione specifico per il proprioprodotto,e possibile trovare il risultato di una scansione associato alle piu

svariate estensioni.Tra i numerosi quello che ha riscosso piu successo nel mercato modernoestato quello sviluppato nel 1988 dalla Triton Imaginginc., ovvero leXtendedTriton Format, di estensione.xtf.Il successo di questa soluzionee dovuto principalmente a due fattori: ilprimoe il continuo aggiornamento (sempre piu di una release allanno)che fa si che non risulti mai obsoleto rispetto agli sviluppi di tecnologiepiu sofisticate; il secondoe la possibilita di archiviare in questunico for-mato, oltre al contenuto raster, anche un contenuto batimetrico e di na-vigazione, o i rilievi di un qualsivoglia altro strumento integrato, fino alriempimento dei sei canali disponibili.

A quanto gia detto va aggiunto, inoltre, che lutilizzo di diversi strumenti,sui detti sei canali disponibili, non richiede uguali frequenze di campio-namento.Tutti i file trattati, relativi alle scansioni eseguite dello strumento, sarannoin formato.xtf.

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3 IL METODO ANALITICO

In questa sezione viene presentato il procedimento analitico che con-sente, a partire da certe operazioni sui campioni scelti, di ottenere tutti gliindicatori necessari per la classificazione delle facies del fondale.Particolare attenzione sara posta nellestrapolazione dello spettro in fre-quenza del segnale di backscattering, che rappresenta la firma del riflet-tore dinteresse.Lo svolgimento di tali operazioni e possibile, ovviamente, solamente at-traverso un calcolatore, sie scelto pertanto di operare in ambiente MATLAB c,poiche la maggior parte delle function necessarie per lo svolgimento dellanalisi sono gia implementate.

Di conseguenza tutte le operazioni esposte saranno riferite al linguaggioe alle function di questo ambiente di calcolo.

3.1 Lalgoritmo Fast Fourier Transform

Per Fast Fourier Transform si intende un algoritmo ottimizzato neitempi di calcolo per il computo della Discrete Fourier Transform, imple-mentabile su un qualsiasi calcolatore, coscomee stato fatto su MATLAB c.La forma piu diffusa di algoritmo FFT, che si scopr successivamente es-sere gia nota a Gauss nel 1805, fu presentata da Cooley e Tukey in unapubblicazione del 1965 e si basava sul noto principio del divide et impe-

ra, grazie al quale, i due, riuscirono ad abbattere notevolmente il numerodi operazioni necessarie per il calcolo di questa trasformata.Lutilita di un algoritmo ottimizzatoe evidente qualora si debbano tratta-re una grande mole di dati: definita la successione di N numeri complessiper cui si vuole calcolare la DFT, lalgoritmo ottimizzato FFT necessita diN log2(N) operazioni, contro le N

2 operazioni richieste per la sempliceDFT.Pertanto lalgoritmo ottimizzato di Gauss-Cooley-Tuckey risulta essere Nlog2(N)volte piu veloce, ovvero, per una successione, ad esempio, di 5000numericomplessi, circa407volte.

3.1.1 La Discrete Fourier Transform

La DFTe un potente strumento matematico dellanalisi di Fourier, checonsente di rappresentare una funzione di una generica variabile nel do-minio della frequenza.La trasposizione nel nuovo dominioe ottenuta in questo modo: a par-tire da una successione di N numeri complessi, questae assunta comeuna collezione finita di campioni equispaziati ede convertita, attraversola DFT, in una seconda successione, ancora di N numeri complessi, costi-tuita dai coefficienti della combinazione lineare di sinusoidi complesse,

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ordinate al crescere della frequenza. Le frequenze di tali sinusoidi sono

multipli interi di una frequenza fondamentale, il cui periodo corrispondealla lunghezza dellintervallo di campionamento.Segue, quindi, la definizione della trasformata.

Definizione1.Data la successione iniziale di N numeri complessi x0, x1, . . . , xN1e definita la successione trasformata, ottenuta attraverso la DFT, anco-ra diN numeri complessiX0, X1, . . . , XN1, dove il generico termine Xkeottenuto come:

Xk=

N1X

n=0

xneik2

Nn k= 0, . . . , N 1

doveirappresenta lunita immaginaria.

3.2 Il file grezzo

La prima fase dellanalisi consiste nellindividuazione dei campioniche sintende analizzare; cio va fatto a partire dalla waterfall del Side-scan Sonar che, ai fini del procedimento in essere, consideriamo come filegrezzo. E comunque opportuno tener presente che la waterfall potrebbe,in realta, aver gia subito un processo di correzione in real-time processingo post processing (filtro TVG, correzione delle distorsioni et similia).

Interfaccia del software opensource DeepViewFV

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Il prodotto finale dellacquisizione [vedi par. 2.6] e un file che puo esse-

re di diversi formati e quindi avere diverse estensioni, sebbene quella piudiffusa sia .xtf . Il formato .xtf puo essere visualizzato con numero-si programmi open source, in questo caso quello utilizzatoe statoDeep-ViewFV.Quindi, scelto il software,e possibile visualizzare cio chee stato registratodallo strumento; loutpute unimmagine formato raster, estratta a partiredalle informazioni radiometriche contenute in una specifica libreria delfile.xtf[vedi par. 2.6.1].Generalmente la waterfalle unimmagine della classe RGB, ovvero, da unpunto di vista radiometrico, unimmagine policromatica ottenuta a par-tire da tre canali: rosso, verde e blu. Questi corrispondono a tre matrici

m n, cui il generico elemento ai,jassume un valore in scalauint8, checorrisponde proprio allintensita del backscatter registrato dallo strumen-to.Per procedere allimporto nellambiente di calcolo basta estrarre dalla wa-terfall larea contenente i dettagli dinteresse ai fini dellanalisi, con unqualsiasi strumento di editing digitale disponibile.

Un dettaglio della waterfall: a sinistra sono visibili delle ripples, mentre a destralinizio di unadistesa di Posidonia

3.3 Acquisizione in MATLAB c e preparazione allanalisi

Essendo MATLAB c compatibile con i principali formati dimmagine(.jpg .tiff .png), e possibile importare il dettaglio della waterfall nel

formato che piu si preferisce, ma in questo caso sie prediletto il formato.png, cuie associata la minore perdita dinformazione.Per procedere nell importazione del campione ci si serve della functionimread, di argomento nome.estensionerelativo al file che si desideraacquisire. 16

E necessario, inoltre, assegnare un nome alloggetto dellimportazione,affinche questo venga memorizzato come variabile nelworkspace.

1 cmpRGB=imread(file.ext);

16Si tenga presente che il file deve essere archiviato nella cartella sorgente di MATLABc

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A questo puntoe possibile visualizzare nel workspace la variabile memo-

rizzata, nonche le sue dimensioni e struttura. Poiche si tratta di unimma-gine, queste corrispondono ad informazioni di natura radiometrica.Qualora questa sia della classe RGB, si avra, come anticipato preceden-temente, una variabile di dimensionim n 3, conmnumero di pixelin risoluzione verticale ed n numero di pixel in risoluzione orizzontale,mentre3indica il numero di canali.Qualora si voglia visualizzare in MATLAB c la rappresentazione graficadella variabile, e possibile attraverso la function imshow, con argomentoil nome associato della variabile stessa.

2 imshow(cmpRGB)

Interfaccia MATLAB c

Sono dobbligo, ora, alcune considerazioni. Si ha che il numero di opera-zioni necessarie [vedi par. 3.1] per effettuare la FFT su un campione RGB,equivalente ad un calcolo su 3N elementi, rispetto a quelle necessarie per

completare lo stesso algoritmo su un campione grayscale, equivalente, in-vece, ad un calcolo suNelementi, sono circa3.4volte superiori 17 per unvettore di5000.Si ha anche che la perdita dinformazione relativa al backscatter nel pas-saggio RGB a grayscalee nulla, poiche il segnale risulta identico su i tre

17Confrontando il numero di operazioni richeste per una successione di 3N e N numericomplessi, si ha:

3N log2(3N)

N log2N =3

log23

log2N+ 1

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canali, i quali descrivono le variazioni ognuno con lo stesso livello di ac-

curatezza.E quindi lecito e conveniente convertire limmagine nel formato radio-metrico succitato; si utilizza la function rgb2gray, con argomento il nomedella variabile associata al campione RGB.Un ragionamento di questa guisa, basato sulleconomia dei tempi di cal-colo, diventa fondamentale qualora sia necessario analizzare una grandemole di campioni.

3 cmpGR=rgb2gray(cmpRGB);

4 imshow(cmpGR)

Pertanto il campionee ridotto ad una matrice bidimensionalemn, con

il generico elementoai,j compreso ancora nellintervallo [0 : 255]. Dalpunto di vista radiometrico si ha unimmagine monocromatica.

Interfaccia con campione in grayscale

Si procede isolando dal campione ogni dettaglio dinteresse, ovvero estraen-do per ognuno una matrice(1 n), pari a una riga della matrice(m n),che da ora sara chiamatasweep.In questo modo si trattano valori di backscatter relativi esclusivamente al-lo stesso ping per ogni pixel.Nella scelta dello sweep sono necessari alcuni accorgimenti:

deve essere escluso dallo sweep il punto cieco del Sidescan Sonarpoiche i valori radiometrici relativi a quella zona non hanno nes-sun significato, se non di assenza del segnale, e altererebbero i valoridegli indicatori;

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A titolo di esempio sono stati estratti dal dettaglio in fig. 18 tre sweep del-

la lunghezza di 170pixel, il primo relativo all area di ripples, il secondoalla piattaforma sabbiosa e il terzo alla distesa di posidonia; si riportano irisultati ottenuti dagli istogrammi e dal loro confronto.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

nr.p

ixel

0 50 100 150 200 250tono del pixel

Istogramma primo sweep

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

nr.pixel

0 50 100 150 200 250

Istogramma del secondo sweep

tono del pixel

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

ddd

nr.

pixel

0 50 100 150 200 250

Istogramma del terzo sweep

tono del pixel

Osservando la distribuzione dei pixel rispetto ai toni, non e possibile di-scriminare il secondo e terzo sweep (piattaforma sabbiosa e distesa di po-sidonia), entrambi caratterizzati da una distribuzione abbastanza unifor-me concentrata sui toni centrali nellintervallo80 170.

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Caratteristicae invece la distribuzione relativa al primo sweep (area di

ripples), che risulta essere molto piu dilatata sulla scala tonale, con dueconcentrazioni quasi-simmetriche, centrate su un valore, rispettivamen-te, di circa80e170.Cioe dovuto alla tipica struttura geometrica della facies in oggetto, da cuiscaturiscono zone di alta e bassa riflettivita alternate regolarmente. Suc-cessivamente, usando come riferimento la distribuzione dei pixel del se-condo sweep, sie graficata la differenza tra la distribuzione di riferimentoe quella dellarea di ripples e di Posidonia.

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1239-

Classificazione remota del fondale marino tramite analisi del backscatter

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