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Side Scan Sonar

di Franco Lamenza (GSO)

pubblicato su "Immersione rapida M.A.R.E" anno II, n. 11 - Gennaio Febbraio 2002 - pp. 56-61

Per gentile concessione del Direttore Responsabile Marcello Toja

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Con la più corretta ed appropriata definizione di sonar a scansione laterale, tradotta e derivata dalla diffusa e universalmente nota denominazione inglese Side Scan Sonar (SSS), s'indica correntemente in acustica subacquea un'applicazione del classico e tradizionale principio dell'ecoscandaglio (echosounder) utilizzato per i sondaggi acustici batimetrici puntuativi (verticali), che viene in questo caso adattato all'impiego per i sondaggi acustici con scansione areale (diagonali-suborizzontali). L'impiego della mera terminologia tecnica anglosassone (i.e. scan) porta spesso a dimenticare o travisare l'etimologia e la semantica dei lemini e delle definizioni. Il verbo inglese scan non è altro se non la derivazione dal latino scà, che ha il significato letterale di salire, ascendere e quello traslato in metrica di scandire e misurare i versi (numeros metiri). Oggi da quella radice sono derivati diversi termini tipici della tecnologia acustica ed elettronica anglosassone come «scan», «scanning sonar», «scanner», tutti ritraducibili con «scansione», «scandire», «sistema di scansione» ad onta del diffuso impiego, da parte di moderni pseudofilologi dell'industria, di termini e locuzioni come «scannerizzare» o «fare lo scanning» generati da una ripetuta eco di ritorno tra italiano e inglese che ad ogni riflessione si arricchisce di nuove confuse riverberazioni. Il sonar a scansione laterale tipicamente consente di effettuare una scansione acustica angolata e laterale, che risulta molto prossima all'agognata esecuzione di sondaggi acustici orizzontali, con definizione della posizione del bersaglio che rinvia l'eco di ritorno, per l'individuazione della presenza di branchi di pesci nelle attività di pesca industriale. I primi ecoscandagli applicati all'individuazione di promettenti banchi di pesci operavano verticalmente, come comuni ecoscandagli usati per tracciare la batimetria del fondo. Alcuni di essi vennero sviluppati per poter essere ruotati di un certo arco sul piano verticale fino a formare un angolo acuto col piano orizzontale, rendendo così possibile un rilevamento di posizione planimetrica delle forme caratteristiche e delle emergenze acustiche riflettenti subacquee, che potevano essere sul fondo marino o a mezzacqua. Nel primo caso, questo evidenziava le morfologie del fondo marino (ad es. rilievi rocciosi, relitti ecc.), nel secondo si potevano individuare banchi di pesci anche se non si trovavano verticalmente proprio sotto la nave. La principale caratteristica del sonar a scansione laterale risiede nel trasduttore che, essendo di lunghezza multipla (tipicamente 30 volte o più) della lunghezza d'onda, possiede una larghezza di fascio emittente particolarmente ristretto sul piano orizzontale e conseguentemente, fornisce anche una buona risoluzione di direzionalità. Il trasduttore di un sonar a scansione poteva e può tipicamente, come i primi modelli ruotabili di un certo arco predeterminabile, essere installato a scafo sull'imbarcazione di superficie come un ordinario ecoscandaglio batimetrico, ma con un orientamento laterale dell'emissione acustica. Quest'installazione rende però estremamente sensibile lo strumento agli effetti di beccheggio (pitch) e soprattutto di rollio (roll) dell'imbarcazione vanificando così la maggior parte delle misure a meno che non venga prevista un'installazione del trasduttore capace di correggere automaticamente (meccanicamente e/o elettronicamente) l'effetto dinamico dell'imbarcazione. In termini di costo e di complessità tale soluzione non è certo la più conveniente e, conseguentemente, è limitata a pochi particolari casi di strumenti idrografici di natura altamente specializzata. La soluzione più semplice per stabilizzare l'assetto del trasduttore e consentirgli in modo economicamente vantaggioso e tecnicamente affidabile di non soffrire di oscillazioni e di marcate irregolarità nella trasmissione del segnale e nella ricezione dell'eco, venne presto trovata nell'impiego di un supporto subacqueo trainato (tow-fisb), che potesse essere rimorchiato a velocità costante dall'imbarcazione di superficie, mediante un cavo abbastanza lungo da consentire il mantenimento della profondità più opportuna ed eliminare gli effetti di rollio e beccheggio.

Il "pesce" di un side scan sonar professionale

Un vantaggio aggiuntivo derivante da questa soluzione di rimorchio invece dell'installazione a scafo, è costituito dall'eliminazione degli effetti di interferenza che la rumorosità specifica di fondo (ad es. il pulsare del motore, il fruscio delle eliche, le vibrazioni dello scafo) dell'imbarcazione di appoggio, ha spesso su tutte le apparecchiature acustiche montate solidamente allo scafo. Inoltre, l'eco di ritorno segue un angolo di incidenza che lo rende sensibilmente obliquo rispetto al piano verticale e, conseguentemente, la sua intensità risulta piuttosto ridotta rendendo vantaggiosa l'assenza di rumori e d'interferenze di fondo. L'impiego del trasduttore subacqueo rimorchiato permette poi, rispetto al trasduttore montato a scafo, una maggiore vicinanza al fondo e assicura così una migliore copertura della «pennellata» acustica. Infine, l'indipendenza del sistema trainato da qualsiasi forma e tipo di installazione e fissaggio a scafo rende il sonar a scansione laterale facilmente impiegabile su qualsiasi imbarcazione di circostanza dove la sola installazione fissa che deve essere eseguita è quella del verriceilo che ospita il cavo di rimorchio. Il sonar a scansione laterale tipicamente opera con emissione di impulsi acustici ad una frequenza dell'ordine di 100 - 500 kHz con una potenza di circa 100W. L'ampiezza più comune della «pennellata» acustica si sviluppa per un centinaio di metri su ambedue i lati del sensore trainato (tow fish) che porta identici trasduttori sui suoi due fianchi. Ogni impulso acustico emesso dal trasduttore impartisce una «pennellata» che parte dal rispettivo fianco del sensore trainato e che ritorna come eco di riflessione, la cui immagine compare su uno schermo video o/e viene stampata su una striscia di carta termica dove poi compare ,come risultato, una serie di ombre graduate simili a quelle che una pellicola fotografica registrerebbe se al posto della emissione acustica venisse proiettato il lampo di un illuminatore flash. A questo punto, appare evidente che su un fondo pianeggiante e privo di ostacoli, la «pennellata» acustica si perde nel nulla senza inviare echi di ritorno, così come una analoga «pennellata» di luce si risolverebbe in un lampo di illuminazione senza proiettare ombre di alcun genere. Se però su1 fondo si trovano corpi estranei (ad es. tubazioni, relitti, cavi, rottami, anfore) o irregolarità morfologiche tridimensionali (es. creste di fondo, dune, scogli, cumuli di ghiaia, solchi di ancore o di reti a strascico), l'impulso acustico genera, con l'eco di ritorno, una immagine molto simile a quella che si avrebbe proiettando un fascio di luce e discernendo, nel gioco delle ombre proiettate, la forma e la natura tridimensionale delle strutture naturali o artificiali rilevate. Sotto questo aspetto il sonar a scansione laterale offre una vantaggiosa immediatezza di percezione all'operatore che dall'esame del sonogramma può dedurre quasi istantaneamente la natura e le dimensioni dell'oggetto o della morfologia del fondo che sono stati rilevati e registrati su carta o su schermo. Oltre alla ricerca di relitti, corpi sommersi e strutture artificiali emergenti dal piano di fondo, più o meno rilevati sopra di esso, il sonar a scansione laterale è infatti un insostituibile strumento per acquisire conoscenze sulla morfologia del fondo e determinare la presenza di svariate strutture e forme (canali di corrente, canyon e valli sottomarme, residui di erosione) derivanti da processi erosivi (degradation features) così come di svariate forme e strutture (dune, creste di fondo, megaripple) generate da processi sedimentari (aggradation feature). Analogamente, un sonar a scansione laterale può rilevare sia la presenza sia l'estensione di aree di fondale coperte da fanerogame marine (ad es. prateria a posidonie) fornendo informazioni utili anche alla mappatura dei biotopi corrispondenti. Arature di ancore sul fondo, tracce del passaggio di reti a strascico, segni di trascinamento o di strusciamento di cavi o di catene sono altri elementi morfologici desumibii dai sonogrammi che in tempi relativamente brevi ci consentono di esaminare una più o meno estesa area di fondo marino.

Segni lasciati sul fondo da icebergs (2)

Come in tutte la applicazioni subacquee degli strumenti acustici, le frequenze più elevate offrono i migliori risultati di definizione e di risoluzione dei sonogrammi così che nella fascia tra 100 e i 500 kHz non si subisce una rilevante variazione di portata e di campo con il variare della frequenza di emissione.

Nella porzione inferiore della fascia di frequenze MHz (cioè da 1000 kHz in su) si trovano sonars a scansione laterale con larghezza di fascia investigata ridotta a soli 25 metri, e con potere risolutivo abbastanza elevato per permettere d'individuare ordigni bellici e mine, identificandone sia il tipo sia i dettagli dimensionali e morfologici. Sul lato opposto, nella fascia delle basse frequenze, che offrono livelli di risoluzione relativamente bassi, ma consentono propagazioni acustiche molto elevate, si trovano invece modelli e sistemi, fra cui ad esempio lo storico GLORIA (Geological Long Range Inclined Asdic) comparso poco più di una quindicina di anni fa, impiegato nelle indagini geomorfologiche e geologiche sottomarine e nella cartografia barimetrica di ampie aree di fondo marino. Questo sistema, basato sulla emissione di impulsi acustici emessi a 6,5 kHz, con una lunghezza d'onda di 30 metri e un'energia di trasmissione di 50 kW in uscita, arriva a coprire un'estensione di fondo marino di circa 30 km sul lato del sensore, lungo circa 5 metri e rimorchiato appropriatamente in acque di profondità adeguata.

Il sensore del sonar a scansione laterale emette degli impulsi che coprono una fascia più o meno estesa di fondo marino sviluppata lateralmente su ognuno dei suoi due fianchi.

Questo tipo di funzionamento lascia naturalmente e necessariamente una fascia di fondo non ispezionato che corrisponde proprio al corridoio di rimorchio del sensore e che ha di solito una larghezza proporzionale all'altezza alla quale viene trainato il sensore stesso sopra il fondo.

In genere l'altezza rispetto al fondo del sensore (tow fish) timorchiato dall'imbarcazione varia in funzione della profondità d'acqua e dello scopo per cui si conduce l'indagine.

L'altezza rispetto al fondo, inoltre, in dipendenza delle situazioni, può costituire fattore di pericolo per lo stesso strumento, che può essere perso sulle cuspidi di rilievi sottomarini o sulle porzioni apicali di relitti particolarmente sopraelevati rispetto al fondo sul quale questi giacciono. In genere. un'altezza pari ad una decina di metri sui fondali bassi e di qualche decina di metri sui fondali maggiori è sufficiente a garantire sicurezza del sensore e qualità risolutiva dei sonogrammi. La velocità di traino deve essere in genere compresa fra due e i quattro nodi (da tre fino a sei chilometri/ora), per consentire:da un lato stabilità di assetto al sensore rimorchiato e dall'altro la completa e adeguata raccolta e registrazione delle informazioni acustiche di ritorno.

Sonogramma dello Schonner Hamilton affondato nel 1812 (5) e del relitto di una nave a vapore della fine del XIX sec. (6)

In questa operazione sono determinanti l'idoneità dimensionale e marina dell'imbarcazione, la corretta installazione del verricello del cavo di traino, la competenza e l'abilità di chi è preposto ai comandi. Per operazioni in acque molto profonde è necessario ricorrere ad un depressore che funge da stabiizzatore e da zavorra dinamica sul cavo a qualche distanza prima del sensore (tow fish) in modo da consentirne la discesa alla quota voluta senza avere i problemi di mantenimento di assetto che la sua leggerezza intrinseca genererebbe in un traino veloce oppure in un traino eccessivamente lento. Poiché il sensore viene trainato dall'imbarcazione e si trova sempre arretrato di una certa distanza rispetto a questa, la sua posizione e conseguentemente anche la posizione degli elementi notevoli rilevati progressivamente sul fondo deve essere registrata riferendosi alla parallasse (off-set) calcolata sulla base della lunghezza del cavo utilizzato e della profondità di traino del sensore stesso.

In acque molto profonde si ricorre frequentemente all'installazione di un transponder sul sensore e alla sua interrogazione continua da bordo dell'imbarcazione per ricavare e per registrare il dato progressivo di posizione relativa del sensore rispetto al centro di riferimento della posizione assoluta dell'imbarcazione. In acque basse o relativamente basse questo metodo non trova applicazione pratica, e ciò a causa delle distorsioni nella propagazione acustica delle interrogazioni e delle risposte che si susseguono lungo linee troppo inclinate (slant range) rispetto alla verticale e con inevitabili disturbi generati dalla rumorosità dell'imbarcazione.

 

Sonogramma registrato a 500 kHz - l'elevata frequenza permette di distinguere anche i particolari del relitto di una piccola nave da carico

RICERCA ACUSTICA

L'avvento della strumentazione di sonar a scansione laterale ha segnato una vera e propria rivoluzione nelle attività di ricerca e individuazione di relitti o comunque di strutture e corpi sommersi acosticamente passivi (i.e. non dotati di alcuna capacità di emissione di un segnale acustico).

Infatti, con un sonar a scansione laterale opportunamente impiegato è attualmente possibile ricoprire in poche ore un'ampia area di fondo marino alla ricerca di un relitto che in altri tempi veniva cercato con la tradizionale tecnica della sciabica o con quella del rampino in operazioni interminabili di vera e propria aratura del mare. Due casi storici costituiscono esempi tipici di questa evoluzione tecnologica nella ricerca e nella individuazione dei relitti. Il primo è quello del relitto dell'Egypt, affondato il 20 Maggio 1922 al largo dell'isola di Ouessant (Bretagna) in acque profonde 120 metri, che venne Cercato dall'Artiglio della SORI.MA. (v. IR. MARE. n. 7) per circa due anni partendo dal punto di coordinate fornite al momento del suo naufragio. La ricerca venne iniziata il 13 Settembre 1928, ma solo due anni più tardi il relitto fu localizzato (21 Agosto 1930) e identificato (29 Agosto 1930) con una ricerca meticolosa, caparbia ed eroica consistente in un'incessante attività di dragaggio e di sciabica, di ispezione e di verifica su ogni relitto e sopra ogni ostacolo rinvenuto nell'area di mare setacciata.

La stessa ricerca, con un sonar a scansione laterale, venne di nuovo effettuata in meno di mezza giornata quando, cinquanta anni più tardi, altri operatori italiani vollero ritornare sul relitto in omaggio e ricordo dei palombari dell'Artiglio.

I.R.