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capítulo 3

1. i Heave induzido _ Transdutor Figura 3 27 Heave induzido A vari ncia do heave induzido depende da incerteza nos desvios offsets do transdutor e do sensor de movimentos e da incerteza das medi es dos ngulos de roll e de pitch Hare 1995 o A vari ncia total do heave corresponde vari ncia em profundidade dada por O O im On 3 50 154 2 2 Onn T o O 3 ae A em que m a vari ncia da medi o do heave ti a vari ncia do heave induzido Este ltimo erro usualmente insignificante quando comparado com a incerteza na medi o do heave Quando n o for utilizado um compensador de arfagem poss vel suavizar os dados no ecograma anal gico manualmente Esta tarefa exige uma experi ncia consider vel na interpreta o do registo da profundidade a fim de preservar as caracter sticas do relevo submarino O procedimento geral em condi es de roll n o significativo o desempolamento do registo do fundo deve ser efetuado a meio das cristas e das cavas Figura 3 28 Ecograma 10 Tra ado da sonda 15 Filtragem manual do heave Figura 3 28 Suaviza o do efeito do heave 5 1 4 5 Devido ao calado assentamento e varia o din mica do caimento A medi o rigorosa da imers o do transdutor fundamental para a exatid o da profundidade medida Mesmo assim devido varia o do calado pode ser necess rio atualizar a
2. o da barra quando em movimento A barra suspensa por baixo da embarca o por cabos graduados Este instrumento muito simples de produzir Testes de tentativa erro podem ser utilizados para atingir a melhore solu o Este equipamento muitas vezes mais eficaz e mais f cil de utilizar que a rocega por cabo 6 4 2 2 Metodologia de opera o A barra para a rocega deve ser suspensa na horizontal por baixo da embarca o ou navio O sistema de rocega deve estar equipado com sensores de vibra o rockers ou outros sensores para registar o contacto com o fundo A profundidade da barra deve ser referida ao Datum vertical a altura da mar deve ser registada durante a opera o de rocega sendo a profundidade devidamente reduzida Deve ser efetuada uma cobertura completa da rea de interesse para a navega o profundidade de seguran a Caso seja detectado uma obstru o deve ser efetuada uma busca total do fundo na sua vizinhan a para confirmar que a profundidade m nima detectada 6 4 3 Rocega por cabo Como alternativa rocega por barra a rocega por cabo pode ser utilizada para determinar a profundidade m nima de uma obstru o quando pela natureza geral o terreno vis vel seja de suspeitar da exist ncia de um pico rochoso ou obstru o Informa o detalhada sobre a rocega por cabo pode ser encontrada em NOAA 1976 6 4 3 1 Descri o A rocega constitu da por duas pequenas portas de
3. o da lat ncia s o efetuadas duas fiadas sobrepostas no mesmo sentido e velocidades diferentes num fundo inclinado Quanto maior o declive do fundo maior ser a resolu o deste par metro O declive deve ser regular e apresentar uma extens o suficiente para garantir uma amostragem adequada A figura 3 36 ilustra a calibra o deste par metro O valor da lat ncia obtido por medi o do deslocamento longitudinal das sondas ao longo do declive devido s diferentes velocidades do navio Para evitar a influ ncia dos desvios em pitch as fiadas devem ser efetuadas no mesmo sentido O valor da lat ncia dt pode ser obtido atrav s da equa o o 3 55 onde Ax a separa o horizontal entre os perfis das duas fiadas realizadas s velocidades v e v2 para a fiada 1 e 2 respectivamente C 13 165 a b Figura 3 36 Calibra o da lat ncia a vista de cima b sec o longitudinal onde vis vel a separa o entre os dois perfis relativamente ao fundo real b Desvio em pitch O desvio em pitch a composi o do desvio angular do sensor de movimentos e do alinhamento do transdutor com a vertical do lugar no plano longitudinal da plataforma de sondagem Para determinar o desvio em pitch s o efetuadas duas fiadas sobrepostas em sentidos opostos e mesma velocidade num fundo inclinado Tal como referido na determina o da lat ncia quanto maior o declive maior ser a resolu o deste
4. Para um elemento linear o fator direcional dado por C 13 135 sin T 2 sin 0 h incar 8 ae ES 3 28 T sin O A O fator direcional de um agregado de elementos transdutores apenas v lido para o campo long nquo i e em reas onde as ondas geradas por um elemento central e por um elemento exterior do agregado apresentam uma diferen a de fase inferior a 180 graus 2 k ra kR lt T 3 29 em que k o n mero de onda i e k 27 Por exemplo para uma frequ ncia de 100 kHz e um agregado de transdutores de comprimento L 0 5 m o campo distante corresponde a dist ncias superiores a 4 metros Este usualmente o limite para a medi o m nima da profundidade No campo pr ximo os processos de interfer ncia conduzem a uma representa o mais complexa da press o ac stica O eixo ac stico de um transdutor ou de um agregado de elementos transdutores normal face do transdutor Para formar feixes obl quos face do agregado de elementos transdutores necess rio efetuar o guiamento do feixe Este processo conseguido atrav s de t cnicas de guiamento de feixes Um agregado com N elementos transdutores omnidireccionais pode guiar um feixe atrav s da introdu o de atrasos em tempo ou fase em cada elemento O correspondente fator direcional dado por Figura 3 12 sin Naw sin 0 sin h aray 0 3 30 N in we sin sin Oe O resultado desta equa o um feixe
5. ncias iguais 35 ns ER ae ES O ngulo s lido Q corresponde ao espa o delimitado por uma superf cie c nica O valor expresso em esteroradianos sr obtido por Q S R onde S a superf cie esf rica com centro no v rtice do cone e raio R C 13 120 Figura 3 2 Superficies insonificadas por uma fonte omnidirecional e por uma fonte direcional Considerando a mesma pot ncia para as fontes direcional e omnidirecional tem se TI Ip 4nR LS 3 11 A raz o de intensidades dada por I 4R 3 12 I S sendo o ndice de Directividade Directivity Index DD obtido por 2 I 4nR DI 10log 9 1010810 a 3 13 0 Para um transdutor agregado de comprimento L e comprimento de onda A com L gt gt A o ndice de Directividade dado por DI 10 log 1 2L A 3 14 A energia ac stica refletida pelo fundo do mar a mat ria utilizada pelos sistemas sonar sendo tamb m utilizada de forma remota para inferir algumas propriedades do fundo O conhecimento do ngulo do feixe e do perfil de velocidade de propaga o do som ao longo da coluna de gua permite obter do n vel de retrodifus o backscatter corrigido dos efeitos das perdas de propaga o Cada part cula do fundo pode ser vista como um refletor sendo o retorno do fundo a soma das contribui es de energia proveniente da interface gua solo e do volume de sedimentos devido penetra o de alguma energia nos sedim
6. o poss vel calcular atrav s de equa es emp ricas a velocidade de propaga o do som na gua Uma equa o simples mas com exatid o adequada foi apresentada por Coppens Kinsler et al 1982 C Z T S 1449 05 T 4 57 T 0 0521 0 00023 T 3 17 1 333 T 0 0126 0 00009 T S 35 A Z em que T a temperatura em graus Celsius C S a salinidade em partes por mil ppm Z a profundidade em quil metros e A Z 16 3 Z 0 18 Z Esta equa o v lida para 45 graus de latitude Para outras latitudes Z deve ser substitu da por Z 1 0 0026 cos 29 sendo q a latitude 2 2 1 3 Termistores S o elementos cuja resist ncia el trica depende da sua temperatura fun o da quantidade de calor recebido das imedia es por radia o As cadeias de termistores s o utilizadas para medir a temperatura a v rias profundidades ao longo da coluna de gua Estas cadeias usualmente fundeadas consistem em v rios elementos regularmente espa ados ao longo de um cabo de A taxa de calor por radia o dada pela Lei de Stefan que descreve a raz o de emiss o de calor por radia o como proporcional quarta pot ncia da temperatura absoluta 124 suporte Um registador de dados efetua uma amostragem sequencial e armazena as temperaturas ao longo do tempo 2 2 2 Opera o dos equipamentos Antes de ser utilizado o SVP deve ser corretamente parametrizado com as configura es
7. sir cog0 sir 0 code sirl co cog co 0 sin 0 sin 6 sir cogO sir 6 sin 0 sin 0 code sir 0 cod0 sir 9 codB code AA As profundidades medidas inicialmente referidas ao referencial da embarca o necessitam de ser posicionadas num sistema de coordenadas local Esse sistema local poder ser um sistema tri ortogonal de m o esquerda com o eixo dos xx a apontar para Leste o eixo dos yy na dire o do Norte geogr fico e o eixo dos zz a apontar para baixo Um feixe com um trajeto R e ngulo B Figura A 2 numa embarca o de sondagem com roll pitch e proa respectivamente Op Op Ot ser transferido do sistema de coordenadas tri ortogonal de m o direita da embarca o x y z v para o sistema de coordenadas tri ortogonal de m o esquerda local x y Z atrav s da rota o no eixo dos xx do ngulo de roll rec proco 0r da rota o no eixo dos yy do ngulo de pitch rec proco 8 e da rota o no eixo dos zz do ngulo de proa rec proco Q E uma vez que os dois eixos dos zz s o positivos para baixo e o sistema de coordenadas local de m o esquerda e o sistema de coordenadas da embarca o de m o direita necess rio tamb m trocar as coordenadas x e y na transforma o do sistema de coordenadas da embarca o para local Isto efetuado aplicando a matriz de rota o Rx 189 R cos B R sin B Figura A 2 Sistemas de coordenadas loca
8. vel para o compensador de arfagem que a antena de posicionamento seja colocada na vertical transdutor A calibra o do sondador uma tarefa rotineira que consiste no ajustamento do equipamento para a medi o correta da profundidade A calibra o pode ser realizada atrav s de uma chapa refletora C 13 148 Z bar check ou com um transdutor especial O objetivo selecionar o valor adequado do par metro da velocidade de propaga o do som de modo a ajustar as medi es efetuadas pelos componentes mec nicos e el tricos do sondador Tamb m poss vel corrigir as profundidades medidas atrav s da aplica o do perfil de velocidade de propaga o do som na coluna de gua em p s processamento Em fundos baixos a calibra o do sondador para a velocidade m dia de propaga o do som na coluna de gua pode ser efetuado das seguintes maneiras a b Bar check consiste em arriar uma chapa refletora a v rias profundidades por baixo do transdutor por exemplo a cada dois metros registando o erro de medi o da profundidade a corrigir durante o processamento dos dados ou for ando o sondador a registar a profundidade correta atuando no par metro de velocidade de propaga o do som na gua Figura 3 24 Neste caso o valor adotado para a calibra o deve corresponder m dia das observa es Este m todo deve ser utilizado at profundidades de 20 30 m Transdutor de calibra o destina se cali
9. 2 Equa o sonar A equa o sonar utilizada para estudar e expressar a capacidade de detec o e desempenho dos sondadores em fun o das condi es de opera o Urick 1975 Para os sondadores a equa o sonar apresenta uma medida da detec o de sinal ou do eco o Echo Excess EE EE SL 2TL NL DI BS DT 3 4 onde SL source level nivel de transmiss o TL transmission loss perdas de transmiss o NL noise level nivel de ru do DI directivity index ndice de directividade BS backscatter strength n vel de retrodifus o e DT detection threshold limiar de detec o Nesta sec o cada termo da equa o sonar apresentado e estudado com o objetivo de permitir melhor compreens o dos processos envolvidos na propaga o dos sinais ac sticos e da detec o de ecos A intensidade de uma onda ac stica I dist ncia r da fonte ac stica obtida por 30 Pascal Pa a unidade de press o no Sistema Internacional de unidades SI 3l Na ac stica submarina a press o de refer ncia usualmente adoptada de 1 uPa 3 SOund NAvigation and Ranging C 13 118 p IL W m 3 5 pc em que p a press o efetiva dist ncia r e pe a imped ncia ac stica considerando a velocidade de propaga o da ondas ac stica de 1500 m s e a densidade da gua do mar de 1026 kg m a imped ncia ac stica pe 1 54 10 kg m s O N vel de Transmiss o Source Level SL co
10. Data Australians Get on Board with New Laser Airborne Depth Sounder Laser Hydrography Commercial Survey Operations Airborne Lidar and Airborne Hyperspectral Imagery A Fusion of Two Proven Sensors for Improved Hydrographic Surveying Water Surface Detection Strategy for an Airborne Laser Bathymeter States Canada Hydrographic Commission Multibeam Working Group St Andrews New Brunswick Canada Lecture X 4 from Coastal Multibeam Hydrographic Surveys United States Canada Hydrographic Commission Multibeam Working Group St Andrews New Brunswick Canada 3rd edition BSP Oxford ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 54 pp 123 129 PIANC Bulletin 2000 103 pp 43 93 Tectonophysics 210 pp 235 253 SPIE Laser Remote Sensing of Natural Waters from Theory to Practice Vol 2964 pp 26 37 Marine Geodesy Vol 15 pp 177 185 Sea Technology Vol 38 No 6 pp 17 25 Proceedings of the 6th Biennial National Ocean Service International Hydrographic Conference Norfolk VA pp 144 151 Journal of Coastal Research Vol 13 No 4 Proceedings of Hydrographic Symposium XVth International Hydro Conference Monaco Proceedings 5th Biennial National Ocean Service International Hydrographic Conference Baltimore Proceedings 24th Joint Meeting of UNIR Sea Bottom Surveys Panel Tokyo Japan Sea Technology June 1998 pp 19 25 Hydro 99 Proceeding
11. Quanto mais elevada a frequ ncia maior a atenua o e consequentemente menor o alcance e a penetra o das ondas ac sticas no volume de sedimentos A largura do feixe depende da frequ ncia ac stica e da dimens o do transdutor Para a mesma largura do feixe uma frequ ncia menor requer um transdutor com maior dimens o Al 4 3 5 Es x EA E poss vel definir coeficientes de reflex o para a pot ncia e para a intensidade Para a incid ncia normal o coeficiente para a pot ncia e para a intensidade corresponde ao quadrado do coeficiente de reflex o para a press o C 13 127 As frequ ncias t picas dos sondadores ac sticos s o as seguintes e Frequ ncias superiores a 200 kHz para profundidades inferiores a 100 metros e Frequ ncias entre os 50 e 200 kHz para profundidades inferiores a 1500 metros e Frequ ncias entre 12 e 50 kHz para profundidades superiores a 1500 metros As frequ ncias dos perfiladores de sedimentos s o em geral inferiores a 8 kHz 2 4 2 Largura de banda Considerando f como a frequ ncia de resson ncia correspondente m xima pot ncia de transmiss o e f e fp as frequ ncias correspondentes a metade da pot ncia m xima a largura de banda o intervalo entre essas frequ ncias Figura 3 6 i e B f f O fator de qualidade do transdutor Q dado por Q be 3 20 Das defini es acima poss vel concluir que Q e By variam inversamente Portanto para ot
12. a transpar ncia da gua uma condicionante utiliza o dos sistemas de sondagem laser A m xima profundidade de opera o do Lidar cerca de 2 a 3 vezes a profundidade do disco Secchi Um impulso de luz em duas frequ ncias diferentes transmitido na dire o do mar Parte da energia do feixe infravermelho refletida pela superf cie do mar e regressa no sentido do avi o o feixe laser azul verde transmitido para a gua parcialmente refletido pelo fundo e tamb m detectado pelo sistema A dist ncia ao fundo do mar pode ser medida conhecendo a velocidade da luz na gua e medindo o intervalo de tempo com elevada precis o O c lculo da profundidade requer adicionalmente o conhecimento da geometria das medi es de acordo com a lei de Snell Figura 3 44 sen sen 3 85 c c a w onde 0 e Ow s o os ngulos de incid ncia no ar e na gua e Ca e Cy s o as velocidades de propaga o da luz no ar e na gua 49 a b Caz oE 2 A transpar ncia da gua i e a transmiss o de luz vis vel atrav s da gua pode ser quantificada pela profundidade de um disco Secchi 50 E ne E aa ete E E a O disco Secchi um instrumento simples utilizado para medir a transpar ncia da gua Este disco de c r branca tem aproximadamente 30 cm de di metro colocado horizontalmente na extremidade de um fio graduado em metros O disco arriado na gua at se perder de vista sendo essa profundidade
13. a lei de Lambert Urick 1975 e de Moustier 1993 E comum definir SB BSy para incid ncia normal B 0 SB BSo cos B para incid ncia obliqua B gt 10 25 Tipicamente o BSy apresenta um valor na ordem de 15 dB e o BSo na ordem de 30 dB Estes valores podem variar 10 dB ou mais dependendo do tipo de fundo e da sua rugosidade Considerando a Figura 3 3 a rea insonificada instant nea A uma fun o da largura do feixe transmitido dr O n mero de amostras por feixe depende do intervalo de amostragem Ts Transdutor c Velocidade de propaga o do som t dura o do impulso Figura 3 3 Amostras de retrodifus o O Limiar de Detec o Detection Threshold DT um par metro dependente do sistema e estabelece o n vel m nimo a partir do qual o sondador detecta os ecos 122 2 1 3 Temperatura A temperatura da gua do mar superf cie varia com a posi o geogr fica com a esta o do ano e com a hora do dia Pickard e Emery 1990 A sua distribui o complexa e n o pode ser prevista com a exatid o necess ria para os levantamentos hidrogr ficos E ao longo da coluna de gua o comportamento da velocidade de propaga o do som tamb m bastante complexo Devido a essas dificuldades de previs o necess ria uma distribui o abrangente no tempo e no espa o dos perfis de velocidade de propaga o do som na gua para se poder dispor de perfis atualizados de velocidad
14. com diferentes ganhos Estas janelas s o usualmente sim tricas em rela o ao eixo do agregado A janela Dolph Chebychev utilizada com grande frequ ncia esta janela apresenta a vantagem de otimizar o n vel dos l bulos secund rios para uma determinada largura de feixe Esta janela produz a mesma amplitude para todos os l bulos secund rios A desvantagem da aplica o destas janelas a redu o da directividade Perfil Dist ncia across track Profundidade Dist ncia across track Profundidade Figura 3 16 Medi o da profundidade atrav s dos l bulos secund rios com consequente erro na medi o e na localiza o da profundidade 4 3 Classifica o Relativamente ao Feixe Os sondadores ac sticos podem ser divididos em feixe simples e multifeixe Os sondadores de feixe simples podem apresentar um transdutor nico ou um agregado de elementos transdutores C 13 139 Os sondadores multifeixe apresentam agregados de elementos transdutores Como referido anteriormente isto devido 4 necessidade de forma o de feixes em v rias dire es e algumas vezes para estabiliza o dos feixes para compensar a atitude da plataforma 4 3 1 Feixe simples O feixe simples requer apenas um transdutor para as fun es de transmiss o e recep o mas um agregado de elementos transdutores pode ser utilizado quando requerida a estabiliza o do feixe O conhecimento dos ngulos de roll e de pitch necess
15. como referido acima o posicionamento est integrado com os sensores de movimento O GPS em modo pseudo diferencial ou em modo RTK sistema geralmente usado e Sensor de proa encontra se tamb m integrado com o sensor de movimentos a melhor solu o dada pela proa obtida por dois receptores GPS 5 2 1 6 Instala o e calibra o patch test A instala o dos transdutores multifeixe pode ser por fixa o ao casco ou por fixa o proa ou Z borda A fixa o ao caso utilizada em navios ou em instala es permanentes as outras instala es s o utilizadas em embarca es ou em instala es tempor rias A calibra o patch test um procedimento essencial que consiste na determina o dos desvios em roll pitch e proa para o transdutor e sensor de movimentos e da lat ncia do sistema de posicionamento Informa o detalhada sobre este assunto pode ser encontrada em Godin 1996 A calibra o deve ser efetuada ap s instala o do sistema e ap s grandes per odos de inoperacionalidade ou ap s altera es significativas da instala o Antes da calibra o necess rio verificar os par metros de instala o e efetuar um perfil de propaga o da velocidade do som na gua de forma a atualizar c lculo da refra o a Lat ncia do posicionamento Z A lat ncia ou atraso do posicionamento a diferen a em tempo entre posicionamento e a determina o da profundidade Para a determina
16. compactados e dos sedimentos compactados ou da rocha devido s diferentes imped ncias ac sticas O sondador digital cujo esquema apresentado na Figura 3 23 funciona de maneira semelhante ao sondador anal gico na transmiss o do impulso No entanto durante a recep o do eco o sinal recebido amplificado em fun o do tempo ganho vari vel no tempo e passa por um detector de envolvente do sinal onde finalmente convertido no formato digital que o sinal que processado para determinar a profundidade Isto permite que a informa o seja armazenada e visualizada em diversos formatos 5 1 1 2 Exatid o A exatid o da medi o da profundidade uma fun o de v rios fatores do sondador e do meio Geralmente necess rio calcular o balan o de erros com base nesses fatores ver 5 1 4 5 1 1 3 Resolu o A resolu o a capacidade de diferenciar dois ou mais objetos pr ximos geralmente expressa como a dist ncia m nima diferenci vel entre dois Na medi o de profundidade uma das grandes preocupa es a resolu o vertical do sondador que dependente de a Comprimento do impulso quanto maior o comprimento do impulso menor a resolu o ver 2 4 3 Dois objetos dentro de um feixe estreito se estiverem separados por menos de metade de um comprimento de impulso ser o registados como um eco s E ser o resolvidos e registados como dois ecos se estiverem separados por mais do que um comprim
17. cy e cz se cy for maior que cz a dire o de propaga o da energia alterada e o ngulo de transmiss o ser menor que o ngulo de incid ncia Ao inv s se cy for menor que c C 13 126 a dire o de propaga o da energia alterada e o ngulo de transmiss o ser maior que o ngulo de incid ncia Para incid ncia normal n o ocorre refra o Para incid ncia normal e para fundos regulares o coeficiente de reflex o para a press o R obtido pela raz o entre a amplitude de press o da onda refletida e a amplitude de press o da onda incidente Kinsler et al 1982 R PR PoC Pies P 3 19 vo P2 2 PC 9 Cy lt C2 Cj j Figura 3 5 Principio da Refra o Em condi es normais a raz o entre a energia ac stica refletida e a energia ac stica transmitida depende principalmente de Diferen as entre imped ncias ac sticas do meio Rugosidade do fundo Frequ ncia ac stica 2 4 Par metros ac sticos As caracter sticas de um sondador ac stico s o determinadas pelos seus transdutores nomeadamente a directividade largura do feixe guiamento do feixe e n vel dos l bulos laterais Nesta subsec o s o apresentados os par metros ac sticos 2 4 1 Frequ ncia A frequ ncia ac stica o par metro que condiciona o alcance e a penetra o da onda ac stica nos sedimentos A atenua o do sinal ac stico na gua proporcional frequ ncia
18. da grava o e calibrado com o offset atmosf rico de forma a gerar medi es fi veis Conv m sublinhar que durante a calibra o do offset atmosf rico o SVP n o se deve encontrar em local pressurizado sob risco da calibra o introduzir desvios incorretos conduzindo a erros na medi o da profundidade Antes de efetuar o perfil o equipamento dever ser colocado na gua durante cerca de 15 minutos para estabiliza o t rmica Durante a realiza o dum perfil de velocidade de propaga o do som na gua recomend vel que o equipamento seja arriado a velocidade constante 2 2 3 Registo e processamento de dados Os perfis de velocidade de propaga o do som na gua devem ser editados e verificados cuidadosamente para despiste de profundidades e leituras an malas Em geral os perfiladores efetuam o registo de pares de profundidade velocidade de propaga o durante a subida e descida do equipamento Assim as medi es devem ser comparadas e a informa o adicional removida de forma a obter um ficheiro ordenado por profundidades crescentes 2 2 4 C lculo da velocidade de propaga o do som Ap s valida o do perfil de velocidade de propaga o do som este pode ser aplicado aos ficheiros dos dados de sondagem sendo utilizado para corrigir as profundidades medidas atrav s dos dados do perfil da velocidade do som Para feixes pr ximos da vertical caso espec fico dos sondadores de feixe simples s
19. da profundidade ou seja aos algoritmos utilizados para a detec o do eco 2 E iw O De notar que a vari ncia da profundidade devido ao erro na medi o do tempo dada por 1 2 eo e Cas 3 45 C 13 152 2 3 EA x yo y em que G a vari ncia da medi o do tempo 5 1 4 4 Devido ao roll pitch e heave O rolle o pitch contribuem para o erro na medi o da profundidade quando a sua magnitude superior a meia largura do feixe 0 2 A Figura 3 26 ilustra o erro na profundidade e no posicionamento devido ao roll Op Esta figura pode ser adaptada para o pitch atrav s da permuta de Or por Op Z Zw COS 0r 0 2 X Z Sin 6g 6 2 Figura 3 26 Efeito da largura do feixe e do roll na medi o da profundidade e no posicionamento Os sondadores com largura de feixe elevada s o geralmente imunes aos efeitos do roll e pitch da plataforma de sondagem Nos sondadores de feixe estreito o roll e o pitch podem ser compensados atrav s da estabiliza o do feixe ou seja mantendo o feixe na vertical independentemente da atitude da embarca o ou da profundidade ou corrigindo a profundidade medida da seguinte forma tal 1 seeta 5 Ok gt f dZ on 3 46 0 0 lt 4 A arfagem heave h efeito causado pela a o do mar sobre a plataforma de sondagem medido com sensores in rciais ou com compensadores de arfagem O compensador de arfagem deve ser colocado na vertical dos transdutores p
20. e um complemento aos sistemas ac sticos em fundos baixos Guenther et al 1996 Um sistema laser constitu do por um m dulo de varrimento laser um receptor GPS e um sensor in rcial de movimento IMU 6 1 1 Princ pios de funcionamento O sistema hidrogr fico laser aerotransportado LIDAR Light Detection And Ranging utilizado para medi o da profundidade Este sistema emite um impulso laser em duas frequ ncias azul verde e infravermelho com um padr o em arco atrav s do percurso de voo da plataforma O sistema regista ambos os sinais correspondentes ao impulso de luz refletido pela superf cie do mar e pelo fundo Figura 3 43 O intervalo de tempo entre os dois retornos convertido em profundidade Laser o acr nimo para Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Basicamente o laser consiste num diodo que produz luz numa determinada frequ ncia C 13 176 Figura 3 43 Geometria das medi es LIDAR A propaga o da luz na gua do mar tal como a propaga o da energia ac stica depende da temperatura press o e salinidade A gua do mar at certo ponto transparente luz Em condi es ideais sem material em suspens o a atenua o uma fun o da absor o e da dispers o A transpar ncia da gua do mar s frequ ncias das bandas do infravermelho e do vis vel do espectro eletromagn tico uma fun o da quantidade de material em suspens o Portanto
21. em fun o da sua utiliza o nomeadamente o alcance m ximo e resolu o pretendida As frequ ncias dos sondadores multifeixe s o tipicamente a Profundidades inferiores a 100 metros frequ ncias superiores a 200 kHz b Profundidades inferiores a 1500 metros frequ ncias entre 50 e 200 kHz c Profundidades superiores a 1500 metros frequ ncias entre 12 e 50 kHz 5 2 1 5 Sensores do sistema multifeixe e sua integra o Al m do sondador multifeixe os sistemas multifeixe incluem a Sensor de movimento para determina o da atitude roll pitch e proa e arfagem Atualmente estes sensores compreendem uma unidade de medi o in rcial IMU e um par de receptores GPS e respectivas antenas Como resultado da tecnologia utilizada este sensor permite tamb m a determina o da posi o com elevada exatid o b Perfilador de velocidade de propaga o do som para a medi o da velocidade de propaga o do som ao longo da coluna de gua Tamb m poss vel utilizar FFT quando N n o uma pot ncia de 2 atrav s da adi o de elementos com amplitude zero ver de Moustier 1993 C 13 164 c Sensor de velocidade de propaga o do som para medi o da velocidade de propaga o do som na face do transdutor Este componente deve ser considerado obrigat rio para os agregados de transdutores de face plana onde necess rio o guiamento dos feixes d Sistema de posicionamento nos novos sistemas
22. imers o do transdutor durante o levantamento As raz es para a varia o do calado s o principalmente devido ao consumo de gua e de combust vel A varia o do calado para o mesmo deslocamento aumenta com a diminui o da rea de flutua o na superf cie do mar O erro no calado propaga se diretamente como erro de medi o da profundidade dZaraugnt O assentamento settlement o aumento do calado de uma embarca o relativamente ao seu calado em repouso Este efeito particularmente vis vel em guas pouco profundas deve se redu o da press o da gua junto s obras vivas do navio O erro na medi o da profundidade devido ao assentamento dZsettlement A varia o din mica do caimento squat outro dos efeitos que ocorre em condi es din micas a varia o dos calados a vante e a r como resposta eleva o e depress o do n vel de gua sobre o casco resultante dos sistemas de ondas proa e popa Nos navios hidrogr ficos onde o squat seja significativo geralmente calculada uma tabela de squat em fun o da velocidade do navio O erro na medi o da profundidade devido ao squat dZsquat A posi o relativa do transdutor relativamente ao sensor de movimentos ou compensador de arfagem necessita de ser tomada em considera o para corrigir a profundidade medida devido ao heave induzido ver 5 1 4 4 C 13 155 O erro total devido posi o do transdutor relativamente superfi
23. o apenas de uma janela de profundidade que pode ser alterada manual ou automaticamente para manter o registo com uma resolu o vertical satisfat ria independentemente da profundidade Figura 3 21 Corresponde produ o de bolhas de ar na gua Este fen meno ocorre quando a press o ac stica se aproxima da press o hidrost tica C 13 145 x g Calado Este par metro corresponde imers o do transdutor O calado deve ser determinado antes de se iniciar a sondagem e verificado regularmente de forma a se registar a profundidade referida ao n vel instant neo da gua h Velocidade do papel a velocidade do papel particularmente importante quando o registo exclusivamente anal gico e deve ser selecionada de forma a garantir uma boa resolu o horizontal das profundidades medidas i Velocidade de propaga o do som na gua Este o valor nominal da velocidade do som correspondente velocidade m dia de propaga o do som na rea de sondagem Nos levantamentos com requisitos de exatid o mais exigentes a velocidade de propaga o do som pode ser regulada para a velocidade do som face do transdutor ou para 1500 m s sendo a profundidade posteriormente corrigida no processamento mediante a aplica o do perfil real da velocidade de propaga o do som na coluna de gua Nos sondadores cl ssicos de registo anal gico este par metro n o corresponde velocidade de propaga o do som na gu
24. podem ser utilizadas para calcular a acelera o centr peta Tomando em linha de conta essa informa o as medi es de roll e de pitch s o compensadas da deflex o da vertical aparente O ganho com este sensor o de roll e pitch com elevada exatid o imune s acelera es horizontais 3 2 Medi es de roll pitch e arfagem Desde meados da d cada de 1990 que os sensores de movimento s o utilizados de forma recorrente nos levantamentos hidrogr ficos Estes sensores s o hoje um requisito essencial n o s para os levantamentos com sondador multifeixe mas tamb m para os levantamentos de feixe simples quando utilizada a aquisi o autom tica de dados Estes sensores s o utilizados para compensar o roll pitch e arfagem As profundidades calculadas devem ter em considera o os dados do sensor de movimentos i e os valores de rota o em torno do eixo longitudinal da plataforma de sondagem roll Or os C 13 130 valores de rota o em torno do eixo transversal da plataforma de sondagem pitch Op a proa da plataforma q e a desloca o vertical arfagem Ver Figura 3 8 e anexo A 3 3 Proa A determina o da proa essencial nos levantamentos com sistemas de sondagem por varrimento No entanto para os levantamentos com sondadores de feixe simples as varia es de proa yaw durante a rota o n o s o significativas se a antena de posicionamento se encontrar na vertical do transdutor Quando a antena d
25. profundidade Uma massa de gua com densidade de 1028 kg m superf cie apresentar uma densidade de 1051 kg m a uma profundidade de 5000 metros 2 2 Determina o da velocidade de propaga o do som salinidade e temperatura Esta subsec o descreve a instrumenta o utilizada na determina o da velocidade de propaga o do som salinidade e temperatura assim como os seus princ pios de opera o e o c lculo da velocidade de propaga o do som na gua 2 2 1 Instrumenta o 2 2 1 1 SVP Perfilador de velocidade do som o equipamento usualmente utilizado para a determina o da velocidade de propaga o do som ao longo da coluna de gua Este equipamento tem um sensor de press o para medir a profundidade e um par transdutor refletor separados de uma dist ncia d A velocidade de propaga o do som calculada pela equa o c 2 d At onde At corresponde ao intervalo de tempo do duplo trajeto entre o transdutor e o refletor similar medi o de profundidade efetuada pelos sondadores ac sticos 2 2 1 2 CTD um equipamento eletr nico com sensores de condutividade temperatura e profundidade Este equipamento regista a salinidade por medi o da condutividade el trica da gua do mar A velocidade de propaga o do som na gua do mar varia com a elasticidade e densidade do meio grandezas que dependem da salinidade da temperatura e da press o Com os dados do CTD salinidade temperatura e press
26. registada C 13 177 Intensidade Impulso gt gt transmitido H ia 8 iP retorno da superficie do d mar retorno do fundo do mar p gt Tempo Figura 3 44 Princ pio do funcionamento Lidar 6 1 2 Capacidades e limita es Os sistemas laser s o eficientes em guas pouco profundas devido sua elevada produtividade Axelsson e Alfredsson 1999 Esta produtividade resulta da elevada velocidade de sondagem e da largura da faixa coberta que independente da profundidade Por outro lado os sondadores multifeixe s o operados com velocidades reduzidas de sondagem e a faixa sondada proporcional profundidade da gua usualmente 3 vezes a profundidade m dia Os sistemas laser fornecem uma boa cobertura pr xima da cobertura total do fundo em condi es extrema de salinidade e temperatura onde os sistemas ac sticos apresentam um pobre desempenho Inquestionavelmente a seguran a uma grande vantagem da opera o com os sistemas laser particularmente onde existem perigos submersos que possam por em risco a navega o na superf cie Apesar das capacidades mencionadas acima os sistemas laser s o muito sens veis ao material em suspens o e turbidez da coluna de gua A profundidade m xima de opera o em condi es timas i e em guas muito limpas da ordem dos 50 70 metros 6 2 Sistemas Eletromagn ticos Aerotransportados Os sistemas de indu o magn tica aerot
27. rio para a estabiliza o do feixe A largura do feixe uma fun o das dimens es do transdutor e do comprimento de onda ac stica O feixe ser mais estreito quanto maior a frequ ncia e quanto maior a dimens o do transdutor Assim para se obter um feixe estreito em baixas frequ ncias necess rio um transdutor com grandes dimens es O transdutor selecionado para um sondador de feixe simples deve ter um feixe estreito quando necess rio elevada directividade ou um feixe largo quando a directividade n o for a preocupa o principal mas sim a detec o de profundidades m nimas ou a detec o de obst culos no fundo do mar Os feixes mais largos apresentam capacidade para detectar ecos num maior cone ou ngulo s lido o que se reveste de utilidade para a detec o de perigos para a navega o que poder o requer mais investiga o futura Estes feixes n o s o usualmente estabilizados A atitude do transdutor n o influ ncia as medi es em condi es m dias do estado do mar Por outro lado feixes estreitos tipicamente 2 a 5 s o normalmente requeridos para mapeamento de elevada resolu o Figura 3 17 Estes feixes t m de ser estabilizados para medi o correta da profundidade na vertical do transdutor Ecograma Feixe estreito ur opeprpungolg Feixe largo Fundo Figura 3 17 Ilustra o da medi o da profundidade com um sondador
28. submarino com o consequente aumento de resolu o e de capacidade de detec o 5 2 1 1 Princ pio de funcionamento O princ pio de funcionamento do sondador multifeixe baseia se na transmiss o de um impulso ac stico em forma de leque na dire o do fundo Ap s a reflex o da energia ac stica pelo fundo v rios feixes s o formados eletronicamente em dire es predefinidas atrav s de t cnicas de processamento de sinal O duplo intervalo de tempo entre a transmiss o e a recep o calculado com recurso a algoritmos de detec o de fundo Com a aplica o do tra ado do raio ac stico ver 5 2 1 8 1 poss vel determinar a profundidade e a dist ncia transversal entre o transdutor e o centro da rea insonificada O feixe transmitido largo na dire o transversal proa e estreito na dire o longitudinal proa popa Inversamente os feixes formados durante a recep o s o estreitos na dire o transversal proa e largos na dire o longitudinal A intersec o destes dois feixes no plano do fundo corresponde rea insonificada para a qual medida a profundidade Como as medi es da profundidade s o efetuadas a partir de uma plataforma flutuante com seis graus poss veis de liberdade tr s transla es e tr s rota es s o necess rias medi es precisas da latitude longitude heave roll pitch e proa para o c lculo exato da profundidade e do posicionamento A Detec o do fundo o process
29. um transdutor de pe a nica 4 2 Largura do Feixe A press o gerada por um transdutor expressa em coordenadas polares dada pelo produto P r 8 P r h 0 3 21 em que o ngulo referido normal ao transdutor que a dire o de m xima intensidade ac stica r a dist ncia entre um ponto e o transdutor Pa r a amplitude da press o no eixo ac stico e h 0 o fator direcional que corresponde 4 intensidade relativa do sinal O fator direcional normalizado para 9 0 i e h 0 1 logo P r 0 P r A directividade do transdutor usualmente representada por um diagrama de radia o B h 0 ou numa escala logar tmica b 9 10 log B 0 20 log A O O transdutor pode ser caracterizado pela sua largura de feixe by definido como o ngulo do feixe a um n vel de 3 dB i e a largura de feixe correspondente a metade da pot ncia ao longo do eixo ac stico by 20 3aB ver Figura 3 9 A medi o da profundidade efetuada para qualquer dire o dentro do cone definido pela largura do feixe A largura do feixe est relacionada com as dimens es do transdutor e com a frequ ncia dos impulsos ac sticos Por exemplo a largura do feixe para um transdutor com a forma de pist o circular com di metro D dada aproximadamente por by 60 A D graus 3 22 e para um transdutor de face retangular de comprimento L e largura W a largura do feixe nas duas dimens es s o dad
30. utilizado na determina o da dist ncia a um objecto imerso atrav s da medi o do intervalo de tempo entre a transmiss o de um impulso ac stico e a recep o do eco O termo sonar deriva das palavras SOund NAvigation and Ranging C 13 144 Vari vel no Tempo TVG para compensar a diminui o do n vel do eco em fun o do tempo Ap s a amplifica o o sinal el trico gerado na recep o passado para um detector e comparado com o limiar definido para filtrar o ru do O sinal resultante ent o visualizado e ou gravado A observ vel resultante o intervalo de tempo entre o impulso transmitido e o eco recebido t sendo a profundidade medida dada por Zn tec 3 39 1 a 2 onde a velocidade m dia de som na coluna de gua 5 1 1 1 Par metros dos sondadores ac sticos Necessitam de ser corretamente definidos a fim de se obter uma alta resolu o e precis o no registo do fundo Os par metros mais importantes s o a Pot ncia A gama de profundidades de funcionamento de um sondador ac stico depende da dura o do impulso da frequ ncia e pot ncia transmitida Para otimizar o uso do sondador a pot ncia transmitida deve ser mantida em valores m nimos mas que garantam a detec o adequada O aumento da pot ncia resultar em n veis mais altos do eco mas tamb m em n veis mais elevados de reverbera o conduzindo a um mau registo A pot ncia m xima de transmiss o condicionada pelo
31. 0 m s Arfagem Heave 1m Balan o Roll 5 Velocidade da plataforma 8 knots Settlement N A Squat 0 05 m Erros estimados 2 6 n vel de confian a 95 Erro de calado 0 10 m Varia o da velocidade do som 10 m s Depth errors due to Medi o de tempo 0 04 m Squat 0 10 m Heave 0 10 m Erro de mar 0 10 m Erro co tidal 0 10 m Varia o da vel do som 1 150 z m o 2 e eee e e o Jo O 0 O O Oid ist Order Survey Estimated error on reduced depth Error m at 95 confidence level Figura 3 33 Estima o do erro na profundidade reduzida 5 2 Sistemas de Cobertura por Faixa Swath systems Os sistemas de cobertura por faixa swath systems efetuam medi es de profundidade ao longo de uma faixa do fundo do mar Estes sistemas efetuam medi es em perfis perpendiculares proa C 13 160 da plataforma de sondagem A medida que a plataforma se desloca as medi es de perfis consecutivos efetuam o varrimento de uma faixa do fundo conhecida como swath Esta sec o apresenta os sistemas sondadores multifeixe e os sonares interferom tricos 5 2 1 Sondadores multifeixe Os sondadores multifeixe s o uma ferramenta valiosa para a medi o da profundidade quando necess ria a busca total do fundo Estes sistemas apresentam a potencialidade de insonifica o completa do fundo
32. 115 CAP TULO 3 MEDI O DA PROFUNDIDADE 1 INTRODU O A Medi o de profundidades uma das principais tarefas do hidr grafo Estas tarefas requerem um conhecimento espec fico do meio f sico da ac stica submarina dos diversos equipamentos utilizados na medi o de profundidades dos sensores de determina o de atitude e proa da plataforma de sondagem e dos procedimentos apropriados para cumprir os requisitos e recomenda es de exatid o e cobertura definidos pela publica o S 44 5 Edi o da OHI O fio de prumo e a vara de prumar foram os primeiros equipamentos utilizados na medi o direta da profundidade O seu princ pio de opera o simples tem permitido a sua cont nua utiliza o ao longo de v rios s culos Os sondadores de feixe simples derivados dos sonares militares foram um grande desenvolvimento tendo sido utilizados em levantamentos hidrogr ficos desde meados do s culo XX Durante a ltima d cada os levantamentos hidrogr ficos sofreram uma mudan a conceptual na tecnologia e metodologia da medi o das profundidades Os sondadores de multifeixe e sistemas de sondagem laser aerotransportados proporcionam atualmente uma cobertura quase total do fundo do mar A alta densidade de dados recolhidos bem como a elevada taxa de aquisi o dos mesmos conduziram a enormes colet neas de dados batim tricos e informa o complementar O estado da arte dos equipamentos de medi o de profundidade foi
33. 119 Assim a rela o de intensidades dada por L R m 3 7 I R Considerando a intensidade de refer ncia em R 1 m dist ncia para a qual o n vel da transmiss o SL determinado a raz o logar tmica das intensidades relaciona as perdas de transmiss o por espalhamento 2 Ref 2 I 1 eo a 20 logR 3 8 Pelo que as perdas de transmiss o s o dadas por TL 20 log jor ar 3 9 em que r a dist ncia ao transdutor e a o coeficiente de absor o O N vel de Ru do Noise Level NL depende do n vel espectral de ru do ambiente No e da largura de banda do transdutor durante a recep o w NL No 10 log io W 3 10 O ruido no oceano gerado por varias fontes Urick 1975 tais como ondas atividade sismica ru do termal vida marinha e tr fego mar timo Al m do ru do tamb m importante ter em conta o efeito combinado da retrodispers o de energia ac stica existente na coluna de gua ex ondas de superf cie bolhas de ar vida marinha material em suspens o etc Esta contribui o conhecida como N vel de Reverbera o Reverberation Level RL Os transdutores t m usualmente a capacidade de concentrarem ou dirigirem a energia ac stica num feixe com forma c nica Figura 3 2 Esta propriedade pode ser quantificada para a equa o sonar atrav s da raz o entre a intensidade ac stica nesse feixe e a intensidade ac stica numa fonte omnidireccional com pot
34. 4 1 3 Opera o registo e processamento de dados A medi o direta da profundidade deve ser efetuada com a embarca o a pairar e se poss vel evitando per odos de grandes correntes E usual entre medi es sucessivas de profundidade manter ao fio de prumo na gua para detectar eventuais estruturas proeminentes C 13 181 6 4 2 Rocega por barra bar sweep A cobertura batim trica por feixe simples restringe se medi o de profundidade ao longo das fiadas deixando a faixa entre fiadas sem cobertura ou informa o detalhada apesar do sonar lateral poder ser utilizado para a busca e localiza o de estruturas proeminentes no fundo entre as fiadas feixe simples Para picos rochosos ou destro os o sondador de feixe simples pode n o detectar a profundidade m nima pelo eco ser demasiado fraco para ser detectado pelo sondador Esta a situa o particular de mastros ou de pe as met licas salientes em destro os submarinos Para efeitos de seguran a da navega o o uso de uma rocega mec nica precisa por barra ou por cabo um meio adequado para garantir uma profundidade m nima ao longo de uma rea ou canal de acordo com a publica o S 44 e pode ser considerada adequada para os levantamentos de Ordem Especial e de Ordem 1 6 4 2 1 Descri o O varrimento efetuado com uma barra com cerca de 5 6 metros de comprimento As extremidades da barra devem apresentar peso adicional para evitar a tend ncia de eleva
35. Embutido no casco Flush mounted O transdutor montado com a face no plano do casco Esta op o utilizada para os transdutores feixe simples e multifeixe Apresenta como vantagem n o necessitar de uma estrutura para a instala o A desvantagem a maior proximidade com o ru do do navio 4 4 1 2 Bolha Blister Z Z O transdutor montado numa estrutura em forma de casco Esta op o utilizada para os transdutores feixe simples e multifeixe Apresenta como vantagem a redu o do efeito do fluxo de gua na face to transdutor A desvantagem a necessidade de uma estrutura dedicada para a instala o 4 4 1 3 G ndola O transdutor instalado numa estrutura especial com a forma de g ndola Figura 3 18 Esta op o utilizada nos sondadores multifeixe especialmente para opera o em guas profundas Apresenta como vantagem a redu o do ru do devido ao navio e ao fluxo de gua na face to transdutor que passa entre o casco e a g ndola A desvantagem a necessidade de uma estrutura para a instala o dos transdutores e o aumento do calado da plataforma em cerca de um metro 4 4 2 Rebocado A instala o do transdutor efetuada num peixe rebocado esta a instala o utilizada nos transdutores do sonar lateral apresenta uma redu o do ru do e a possibilidade de arri lo mais pr ximo do fundo 4 4 3 Port til Esta instala o usualmente utilizada para instala es de feixe simples ou mult
36. Irish and L Parson 1997 Lillycrop W L Parson L Estep P LaRocque G Guenther M Reed and C Truitt 1994 Parson L W Lillycrop C Klein R Ives and S Orlando 1996 Pope R B Reed G West and W Lillycrop 1997 Quinn R 1992 Riley J 1995 Sinclair M 1998 Sinclair M 1999 Smith R and M Smith 2000 Thomas R and G Guenther 1990 185 Interactive Bathymetry Data Cleaning Hydrography for the Surveyor and Engineer Scanning Laser Mapping of the Coastal Zone The SHOALS System Airborne Lidar Bathymetry the SHOALS System Predicting Bathymetry from Geosat ERM and Ship Borne Profiles in the South Atlantic Ocean Development and Operation of the SHOALS Airborne Lidar Hydrographic Survey System Advancements in the US Army Corps of Engineers Hydrographic Survey Capabilities The SHOALS System SHOALS System Three Years of Operation with Airborne Lidar Bathymetry Experiences Capability and Technology Advancements Field Test Results of the U S Army Corps of Engineers Airborne Lidar Hydrographic Survey System Use of LIDAR Technology for Collecting Shallow Bathymetry of Florida Bay Use of an Airborne Laser Depth Sounding System in a Complex Shallow water Environment Coastal Base Mapping with the LARSEN Scanning Lidar System and Other Sensors Evaluating SHOALS Bathymetry Using NOAA Hydrographic Survey
37. a mas ao valor de calibra o dos componentes mec nicos e el tricos do sondador para medir a profundidade correta da gua Ecograma Fase 10 30 m Fase 20 40 m Ur opeprpungolg Figura 3 21 Fases de registo Os princ pios gerais de funcionamento dos sondadores de feixe simples foram referidos anteriormente No entanto poss vel diferenciar os sondadores ac sticos em dois tipos digitais e anal gicos No sondador anal gico cujo esquema apresentado na Figura 3 22 o ciclo come a com a gera o de um impulso el trico e com a transmiss o de energia ac stica para a gua Ap s a recep o e convers o do eco em energia el trica o sinal de baixa tens o pr amplificado e transmitido a um amplificador de grava o a fim de ser gravado o ecograma num registo gr fico das profundidades medidas com uma resolu o horizontal e vertical adequada Ap s conclu da a fase grava o poss vel dar in cio a um novo ciclo C 13 146 Registo em papel Fase de desencadeamento do sinal Amplificador de gravacao Preamplificador Fase de pot ncia Figura 3 22 Sondador anal gico diagrama de blocos Os sondadores hidrogr ficos para guas pouco profundas s o habitualmente dotados com dois canais de baixa e alta frequ ncia A grava o simult nea de duas frequ ncias permite a separa o do retorno do fundo marinho correspondente superf cie dos sedimentos n o
38. a principal finalidade do sondador ac stico produzir um registo consistente e de alta resolu o do perfil de profundidades do relevo submarino O ecograma depois de devidamente analisado e interpretado amostrado de forma a reproduzir o perfil do fundo Durante a ltima d cada a tecnologia aplicada nos sondadores de feixe simples tem melhorado progressivamente com digitalizadores autom ticos gravadores sem partes m veis e anota o das posi es sobre o registo do fundo Recentemente a utiliza o de computadores e processadores de sinal mais sofisticados t m permitido o processamento e visualiza o em tempo real dos registos do fundo em vez do registo em papel 5 1 1 Princ pios de funcionamento Um sondador ac stico funciona atrav s da convers o de energia el trica do gerador de impulsos em energia ac stica Como os transdutores n o transmitem em todas as dire es a energia ac stica projetada para a gua sob a forma de um feixe orientado verticalmente O impulso ac stico viaja atrav s da coluna de gua at embater no fundo A intera o com o fundo resulta em reflex o transmiss o e espalhamento scattering Parte da energia refletida o eco retorna ao transdutor e detectada por este O n vel de intensidade do eco diminui rapidamente com o tempo por essa raz o o n vel do eco ajustado automaticamente atrav s do controlo autom tico de ganho AGC ajustado na f brica e do Ganho Sistema
39. a traject ria C 13 170 Perfil da velocidade do som Distancia horizontal Figura 3 40 Tra ado do raio ac stico Considerando o ngulo do feixe Op ou B numa profundidade com velocidade de propaga o do som co a dist ncia horizontal percorrida pelo impulso ac stico at ao nivel i dada por Ax p cos6 cos 6 LA 3 63 Kg e substituindo cos 8 por 4 1 xc obt m se 1 kc V1 xe AX Z i l i 3 64 kg O tempo de percurso do impulso ac stico na camada i dada por 1 de At 3 65 g J c cos 0 oe que pode tamb m ser escrito na forma age a bal 1 1 xe _ p YY IF 8 Cia 144 1 Ke Para obter a distancia horizontal total percorrida pelo sinal actistico e o intervalo de tempo correspondente necess rio somar as dist ncias Ax e os tempos At desde o transdutor at ao fundo 3 66 n h en l xe O i l Kg X 3 67 171 3 NE 1 1 Kc ict Bi Cia 1 4 1 Kc y A determina o da profundidade e o seu posicionamento resultam da integra o de cada uma das componentes da velocidade do impulso ao longo do tempo O trajeto fixo pelo ngulo inicial do feixe utilizando o perfil atualizado da velocidade de propaga o do som na gua entre a profundidade do transdutor e o percurso do impulso at ao fundo At 2 t 3 68 Tomando um perfil de velocidade de propaga o do som na gua com gradiente constante
40. acter sticas dos transdutores e a sua classifica o relativamente ao tipo de feixe princ pios de opera o e instala o A Sec o 5 descreve os sistemas ac sticos dos sondadores de feixe simples e sistemas de varrimento tanto multifeixe como sonares interferom tricos relativamente s suas caracter sticas princ pios de opera o instala o e uso operacional Finalmente a Sec o 6 apresenta os sistemas n o ac sticos tais como sistemas de sondagem laser aerotransportados e sistemas de indu o eletromagn tica sistemas de detec o remota e os sistemas tradicionais de rocega mec nica A terminologia utilizada neste cap tulo segue dentro do poss vel o Dicion rio de Hidrografia OHI SP 32 5 Edi o 1994 2 FUNDAMENTOS SOBRE AC STICA E SENSORES DE MOVIMENTOS A gua do mar o meio onde usualmente t m lugar as medi es efetuadas em hidrografia Assim torna se essencial o conhecimento das propriedades f sicas da gua e da propaga o das ondas ac sticas para compreender os conte dos e objetivos deste cap tulo 2 1 Ondas ac sticas e propriedades f sicas da gua do mar Apesar das ondas eletromagn ticas apresentarem uma propaga o excelente no ar e no v cuo estas dificilmente se propagam nos l quidos No entanto as ondas ac sticas s nicas ou ultra s nicas apresentam uma boa propaga o nos meios el sticos desde que estes possam entrar em vibra o quando submetidos a varia es de pres
41. ara medir a arfagem efetiva do transdutor Quando se utilizarem sensores in rciais a instala o deve ser efetuada pr ximo do centro de gravidade da plataforma Com os bra os a partir do centro de gravidade para o transdutor e com as medi es instant neas de roll e de pitch o heave medido hm pode ser transferido para a posi o do transdutor h atrav s da aplica o do heave induzido h Figura 3 27 C 13 153 a 3 47 Para calcular o heave induzido considera se a plataforma como um corpo r gido que pode rodar livremente em torno dos tr s eixos x y z no referencial da plataforma identificado com o subscrito V como mencionado em 3 A rota o em roll e pitch do centro de gravidade pr ximo do qual medido o heave traduz se na varia o da profundidade do transdutor no referencial local identificado com o subscrito L Esta varia o vertical do transdutor no referencial local chamada heave induzido O heave induzido adaptado de Hare 1995 para os referenciais definidos em 3 e no Anexo A dada por h z zY x sin 0 y cos 0 in 0 z cos 8 cos 1 3 48 Onde Op ngulo de pitch Or o ngulo de roll e x yt e Z s o as coordenadas do transdutor O erro total na medi o da profundidade devido ao heave dado por dh dh dh 3 49 Onde dh o erro na medi o do heave e dh a o erro na determina o do heave induzido Ensor de movimentot Us
42. ares interferom tricos 5 2 2 1 Os sonares interferom tricos Os sonares interferom tricos utilizam a fase do sinal sonar para medir o ngulo da frente de onda refletida pelo fundo ou por um alvo Este princ pio difere do utilizado nos sistemas multifeixe que forma na recep o um conjunto de feixes e efetua a detec o do fundo para cada feixe quer por amplitude ou fase para determina o da profundidade ao longo da faixa sondada Hughes Clarke 2000 Estes sonares t m dois ou mais agregados horizontais Cada agregado produz um feixe com grande abertura transversal e com pequena abertura longitudinal Um destes agregados de elementos transdutores utilizado para a transmiss o insonificando uma rea do fundo e difundindo a energia incidente em v rias dire es Parte dessa energia ser refletida na dire o dos agregados que medem o ngulo relativamente aos transdutores A dist ncia tamb m calculada a partir do tempo de ida e volta observado Existem v rios m todos para a medi o do ngulo O mais simples consiste na soma dos sinais recebidos em dois agregados resultando em franjas de amplitude do sinal ou fringe que correspondem varia o da intensidade do sinal Se os dois agregados estiverem separados por meio comprimento de onda existir apenas uma fringe correspondendo a dire o de fase nula perpendicular do eixo do transdutor podendo a dire o ser determinada sem ambiguidade Se os transduto
43. arrasto id nticas s utilizadas na pesca do arrasto Estas portas encontram se ligadas por uma amarra com 40 a 60 metros A rocega efetuada por reboque deste conjunto atrav s de dois cabos ligados s portas de arrasto usualmente cerca de 60 metros a r da embarca o NOAA 1976 C 13 Artilheiro F 1996 Axelsson R and M Alfredsson 1999 Clay C e H Medwin 1977 de Moustier C 1988 de Moustier C 1993 Godin A 1996 Guenther G R Thomas and P LaRocque 1996 Hare R 1995 Hughes Clarke J 2000 IHO 1994 IHO 2008 Kinsler L A Frey A Coppens and J Sanders 1982 Lurton X 2002 NOAA 1976 Pohner F 1993 Pickard G and W Emery 1990 Seippel R 1983 Smith R and P Keating 1996 Smith W and D Sandwell 1997 OMG 1996 Urick R 1975 Zollinger R H 182 REFER NCIAS Analysis and Procedures of Multibeam Data Cleaning for Bathymetric Charting Capacity and Capability for Hydrographic Missions Acoustical Oceanography State of the Art in Swath Bathymetry Survey Systems Signal Processing for Swath Bathymetry and Concurrent Seafloor Acoustic Imaging The Calibration of Shallow Water Multibeam Echo Sounding Systems Design Considerations for Achieving High Accuracy with the SHOALS Bathymetric Lidar System Depth and Position Error Budgets for Multibeam Echosoun
44. as respectivamente por bw 50 L e b 50 A W graus 3 23 Para um agregado linear de N elementos transdutores omnidireccionais separados de uma dist ncia d a soma dos sinais dos elementos transdutores produz um diagrama de radia o direcional Figuras 3 10 e 3 11 C 13 133 Figura 3 9 Largura do feixe definida a um n vel de 3dB A dire o do eixo ac stico normal face do agregado de transdutores A largura do feixe a um n vel de 3 dB dada aproximadamente por bw 50 N 1 d graus 3 24 em que o comprimento da onda ac stica O fator direcional dum agregado de elementos transdutores dado por Kinsler et al 1982 sin N7 2 sin 0 A sgregado 9 3 25 N sin x 5 sin 0 O Teorema do produto uma lei da ac stica que define o fator direcional de um agregado de N elementos transdutores como o produto do fator direcional de um elemento pelo fator direcional do agregado i e h O h 9 Agregado 9 3 26 e a amplitude da press o dada por P r 0 4 Pa r E h 0 4 er 0 4 3 27 134 Factor direccional 0 9 0 8 0 7 0 6 0 4 0 3 0 2 0 1 A 0 90 75 60 45 30 15 0 15 30 45 60 75 90 Angulo 2 Figura 3 10 Fator direcional Figura 3 11 Diagrama de radia o de um feixe formado perpendicularmente face do transdutor
45. ase nula OOO X OS SO Centro de mass go Tempo Figura 3 34 M todos de detec o do fundo detec o do sinal ii M xima amplitude do sinal refletido A detec o do eco definida pelo instante correspondente m xima amplitude do sinal refletido iii Centro de massa do sinal refletido Este m todo consiste na determina o do instante correspondente ao centro de massa do sinal em amplitude b Detec o em fase A detec o em amplitude a t cnica utilizada na detec o do eco para os feixes centrais pr ximos do nadir onde a amplitude da retroreflectividade apresenta valores mais elevados e um n mero de amostras reduzido Para os feixes exteriores a retroreflectividade decresce e o n mero de amostras aumenta consideravelmente Consequentemente o retorno em amplitude t o dilu do no tempo que a detec o em amplitude n o apresenta bons resultados Para um fundo com declive acentuado e no sentido do aumento da profundidade a diminui o da retroreflectividade tamb m acentuada Portanto a detec o em fase o m todo usualmente utilizado para ngulos de incid ncia elevados Nesta t cnica para cada feixe o transdutor dividido em dois sub agregados frequentemente com sobreposi o encontrando se os centros destes sub agregados separados por um n mero de comprimentos de onda Cada sub agregado forma um feixe em dire es predeterminadas para a chegada simult
46. ataforma est sujeita Daqui em diante por conven o o sistema de coordenadas local definido como um sistema de m o esquerda com o eixo dos xx a apontar para Este o eixo dos xy a apontar para Norte e o eixo dos zz a apontar para baixo Esta sec o apresenta os fundamentos sobre a determina o dos movimentos e a sua exatid o 129 3 1 Princ pios de funcionamento 3 1 1 Sensores in rciais Os sensores in rciais ou Inertial Measurement Units IMU s o os sensores usualmente utilizados em hidrografia para determina o do balan o cabeceio e arfagem Estes sensores aplicam as leis do movimento de Newton e consistem em tr s aceler metros instalados num sistema de eixos tri ortogonais e tr s sensores de raz o angular colocados no mesmo sistema de eixos ficando sujeitos aos mesmos movimentos que a plataforma strap down system A sa da da tr ade de aceler metros fornece a uma boa estima o do vetor de gravidade A tr ade de sensores de raz o angular mede os movimentos angulares roll pitch e yaw Os dados provenientes dos aceler metros passam por um filtro passa baixo para a remo o na vertical aparente das varia es de alta frequ ncia devido ondula o guinadas e altera es bruscas de velocidade Por outro lado os dados do sensor de raz o angular passam por um filtro passa alto para remover os movimentos de baixa frequ ncia O resultado dos filtros a atitude da embarca o acima da fr
47. avaliado como se segue pelo grupo de trabalho encarregue da prepara o em 1998 da 4 edi o da S 44 Sondadores de feixe simples atingiram em guas pouco profundas uma exatid o subdecim trica O mercado oferece uma variedade de equipamentos com diferentes frequ ncias taxas de transmiss o de impulsos etc e poss vel satisfazer a maioria dos utilizadores em particular os requisitos dos hidr grafos Sondadores multifeixe apresentam um r pido desenvolvimento e oferecem grande potencial para medi o exata e busca total do fundo se utilizados com procedimentos adequados e se garantido que a resolu o do sistema adequada para a detec o de perigos para a navega o Sistemas de sondagem laser aerotransportados s o uma tecnologia emergente que pode oferecer ganhos subst ncias de produtividade em guas l mpidas e pouco profundas Estes sistemas s o capazes de medir profundidades at 50 metros ou mais Apesar destas novas tecnologias os sondadores de feixe simples SFS s o ainda os equipamentos mais comuns utilizados nos levantamentos hidrogr ficos no mundo inteiro Estes sondadores evolu ram tamb m do registo anal gico para o registo digital com aumento da precis o e da exatid o e com um conjunto de caracter sticas e funcionalidades que permitem corresponder a uma mais ampla variedade de solicita es dos utilizadores A utiliza o de SFS com sensores de movimentos sistemas de posicionamento por sat
48. bra o dos sondadores ac sticos tendo por base o conhecimento do comprimento exato do percurso efetuado pelos impulsos ac sticos no equipamento O processo de calibra o consiste em for ar o registo correto do percurso dos impulsos ac sticos em ambos os sentidos no interior do equipamento por ajuste do par metro da velocidade de propaga o do som na gua O transdutor de calibra o deve ser arriado a v rias profundidades em cada profundidade efetuado o ajustamento para o registo correto do duplo trajeto dos impulsos ac sticos no interior do equipamento Devido ao tipo de medi o realizada cada medi o apenas v lida para a profundidade correspondente O valor adotado para a calibra o deve corresponder m dia de todas as observa es Este m todo deve ser utilizado at profundidades de 20 30 m Um m todo combinado pode tamb m ser utilizado com um transdutor de calibra o e um perfilador da velocidade de propaga o do som Este m todo geralmente usado para profundidades superiores s consideradas nos m todos anteriores Com um perfil de velocidade de propaga o do som e com o ajustamento do sondador para a medi o correta do duplo trajeto no transdutor de calibra o pode ser seguido um procedimento semelhante ao descrito em b Nos sondadores mais modernos o par metro da velocidade de propaga o do som corresponde efetivamente ao valor real da velocidade de propaga o do som Z A co
49. cie da gua dz TOF 2 2 2 dz dz draught dz settlement dz squat 3 51 A vari ncia total da profundidade devido imers o do transdutor dada por 2 67 QF oy Ad 6 O draught e O settlement squat 3 52 2 2 2 fe A AN a oO gt ERC ivo 6J Z em que tasht a vari ncia do calado settlement a vari ncia do assentamento e suit a vari ncia do squat 5 1 4 6 Registo e resolu o O registo e a resolu o das profundidades medidas dependem do modo de funcionamento do sondador No caso do registo anal gico o operador deve durante a aquisi o de dados selecionar os par metros adequados para obter tanto quanto poss vel um ecograma leg vel e com a resolu o adequada Por outro lado o registo digital j n o tem um tal grau de depend ncia do operador mas recomend vel monitoriza o na aquisi o de dados No registo em papel necess rio selecionar o ganho e intensidade para legibilidade do registo assim como uma escala vertical com suficiente discrimina o Por essa raz o tamb m comum o uso de escalas de fase ver 5 1 1 1 O ecograma em papel deve ser preparado para a leitura esta tarefa consiste em identificar os pontos do fundo marinho que ser o selecionados para leitura da profundidade Isso geralmente realizado com o aux lio de uma mesa digitalizadora O erro associado leitura do ecograma depende da experi ncia e do cuidado do hidr grafo Considerando u
50. controlo de qualidade 5 1 4 1 Devido ao declive do fundo Tendo em considera o os diferentes declives do fundo oce nico Figura 3 25 o erro na medi o da profundidade dz depende da largura do feixe e da inclina o do fundo Se nenhuma corre o for aplicada o erro em profundidade ser dada por o Z sec 1 C lt A dz 3 40 a gt 4 2 2 em que a abertura do feixe e o declive do fundo Z Zw COS 6 X Zw sin X Zw Sin 4 a declive menor do que metade da largura do feixe b declive maior do que metade da largura do feixe Figura 3 25 Efeito da abertura do feixe e do declive na medi o e no posicionamento das profundidades 5 1 4 2 Devido velocidade de propaga o do som A varia o da velocidade de propaga o do som dif cil de controlar e produz nos sondadores de feixe simples erros na medi o da profundidade dzm proporcionais varia o m dia da velocidade de propaga o do som dc e profundidade C 13 151 dz E dede 3 41 2 ou EE 3 42 C A magnitude do erro devido varia o da velocidade de propaga o do som na gua varia com a Incerteza na determina o da velocidade de propaga o do som b Varia o temporal da velocidade de propaga o do som c Varia o espacial da velocidade de propaga o do som 2 JANA 0 ae 3 De notar que a vari ncia da profundidade medida Ze devido incerteza
51. de feixe estreito e de feixe largo C 13 140 4 3 2 Multifeixe Os sondadores multifeixe t m usualmente dois transdutores separados para transmiss o e para recep o i e um projetor e um hidrofone O primeiro orientado longitudinalmente e o segundo orientado transversalmente proa da plataforma de sondagem O mais usual a transmiss o de um nico feixe em forma de leque estreito na dire o proa popa e largo na dire o bombordo estibordo O hidrofone forma v rios feixes em dire es pr definidas estreito bombordo estibordo e largo proa popa garantindo independentemente da atitude da plataforma de sondagem a intersec o entre o feixe transmitido e recebido 4 4 Classifica o Relativamente Instala o Existem v rios tipos de instala o dos transdutores a bordo da plataforma de sondagem A op o sobre o tipo de instala o depende da portabilidade do sistema da necessidade de o manter longe das fontes de ru do do navio incluindo o fluxo de gua turbulento abaixo da quilha e a necessidade de o arriar para o aproximar do fundo O transdutor pode ser instalado no casco rebocado ou port til Cada uma destas instala es apresentada a seguir 4 4 1 Montagem de casco Esta instala o usual para os sondadores de feixe simples e para os sondadores multifeixe em navios de maior porte especialmente para levantamentos em grandes fundos A instala o no casco pode ser 4 4 1 1
52. deve ser superior a 20 da faixa sondada A figura 3 38 ilustra a calibra o do desvio em proa Ap s a correta determina o da lat ncia do sistema de posicionamento e do desvio em pitch o desvio em proa pode ser obtido atrav s da medi o do deslocamento longitudinal da estrutura batim trica entre as fiadas adjacentes Para evitar qualquer influ ncia da lat ncia e do desvio em pitch o sistema dever ter sido previamente compensado para estes dois desvios O desvio em proa 60 pode ser obtido pela equa o A So tan 7 gt 3 57 AL Onde Ax a separa o horizontal da estrutura batim trica obtida atrav s das duas fiadas rec procas adjacentes estrutura sendo AL a dist ncia entre as duas fiadas C 13 167 Figura 3 38 Calibra o do desvio em proa d Desvio em roll O desvio em roll a composi o do desvio angular do sensor de movimentos e do alinhamento do transdutor com a vertical do lugar no plano transversal da plataforma de sondagem Para determinar o desvio em roll s o efetuadas duas fiadas sobrepostas em sentidos opostos e mesma velocidade num fundo plano e regular A figura 3 39 ilustra a calibra o deste par metro Ap s correta determina o da lat ncia do sistema de posicionamento do desvio em pitch e do desvio em proa o desvio em roll pode ser obtido atrav s da medi o do deslocamento vertical dos feixes exteriores das duas fiadas sobrepostas Para evitar qualquer i
53. devido ao guiamento do feixe dada por 2 o s z tan B o2 3 76 Co onde oco corresponde vari ncia da velocidade de propaga o do som utilizada no guiamento do feixe usualmente obtida por um sensor colocado junto ao transdutor A vari ncia estimada para a profundidade devido aos erros da velocidade dada por 2 2 6 0 ze Zc_profile 2 0 k 3 77 Os erros mencionados acima podem ser detectados por inspe o visual dos dados atrav s da curvatura anormal dos perfis conjunto dos v rios feixes C 13 173 5 2 1 8 2 Devido atitude A medi o da profundidade depende dos erros em pitch e roll com a seguinte contribui o dz R cos 8 sin B 0 d6 3 78 dz R sin 0 cos B 6 d0 3 79 As respectivas vari ncias da profundidade s o dadas por 6 4 2 cos 8 tan B Or Oor 3 80 e 6 4 z sin Oop 3 81 A vari ncia total da profundidade devido atitude e arfagem da plataforma dada por 2 2 EG 0 FO 3 82 Z motion E D3 Ea onde O a vari ncia da arfagem 5 2 1 8 3 Devido ao calado assentamento squat e posi o relativa do transdutor A exatid o da medi o da imers o do transdutor e o conhecimento do comportamento do navio em condi es din micas assentamento e squat s o fundamentais para a exatid o das medi es de profundidade Estes erros contribuem para o erro da profundidade independentemente do ngulo do fei
54. ding Present day Methods of Depth Measurement Hydrographic Dictionary Special publication No 32 5 edition IHO Standards for Hydrographic Surveys Special publication No 44 5 edition Fundamentals of Acoustics Acoustical Measurement Accuracy Modelling for Bathymetric Sonars Hydrographic Manual 4 edition Model for Calculation of Uncertainty in Multibeam Depth Soundings Descriptive Physical Oceanography An Introduction 5 edition Transducers Sensors and Detectors The usefulness of multicomponent time domain airborne electromagnetic measurements Global Seafloor Topography from Satellite Altimetry and Ship Depth Sounding Multibeam Sonar Surveying Training Course Ocean Mapping Group Principles of Underwater Acoustics Airborne Electromagnetic Bathymetry Master s Report Department of Geodesy and Geomatics Engineering University of New Brunswick Fredericton New Brunswick Canada US Hydrographic Conference 1999 Wiley and Sons Toronto International Hydrographic Review LXV 2 p 25 Acoustic Signal Processing for Ocean Exploration J M F Moura and I M G Lourtie Eds pp 329 354 Proceedings of the Canadian Hydrographic Conference 96 Halifax NS Canada pp 25 31 SPIE Laser Remote Sensing of Natural Waters From Theory to Practice 15 pp 54 71 International Hydrographic Review LXXII Monac
55. do para o sondador multifeixe para ser utilizado geralmente em tempo real A velocidade de propaga o do som face do transdutor deve ser comparada com o valor dado pelo sensor de velocidade colocado imers o do transdutor Durante o levantamento devem ser efetuados v rios perfis de velocidade de propaga o do som de acordo com a avalia o pr via de varia o temporal e espacial dos perfis de velocidade de propaga o do som Durante o levantamento os sistemas apresentam capacidade de opera o aut noma No entanto o hidr grafo deve monitorizar a aquisi o dos dados e verificar a sua integridade Em particular deve ser garantida a completa insonifica o do fundo e a sobreposi o entre fiadas adjacentes importante comparar a sobreposi o dos feixes exteriores de faixas adjacentes e verificar eventuais tend ncias de encurvamento sistem tico dos perfis conjunto de feixes correspondentes a um impulso No final de cada sess o de sondagem altamente recomend vel a duplica o da informa o adquirida backup 5 2 1 8 Fontes de erro e t cnicas de controlo de qualidade As fontes de erro para os sondadores de feixe simples foram apresentadas em 5 1 4 Daqui em diante s o analisadas as fontes de erro para os sondadores multifeixe Alguns dos erros s o comuns aos dois sistemas i e n o variam com o ngulo do feixe Por esta raz o alguns dos erros s o referidos na sec o 5 1 4 Detalhes na incerteza da med
56. e de propaga o do som na gua representativos da rea a sondar A medi o da profundidade muito sens vel s varia es do perfil de velocidade de propaga o do som na gua A varia o de 1 grau Celsius na temperatura traduz se aproximadamente numa varia o de 4 5 m s na velocidade de propaga o do som A varia o de temperatura o fator dominante na varia o da velocidade de propaga o do som na gua entre a superf cie e o limite inferior da termoclina passando a ser a press o o fator dominante para maiores profundidades 2 1 4 Salinidade A salinidade uma medida da quantidade de sais e outros minerais dissolvidos na gua do mar normalmente definida como a quantidade total de sais dissolvidos na gua do mar em partes por milhar o Na pr tica a salinidade n o determinada diretamente mas calculada com base no teor de cloro condutividade el trica ndice de refra o ou por outra propriedade cuja rela o com a salinidade seja bem conhecida Pela Lei das Propor es Constantes a quantidade de cloro numa amostra de gua utilizada para estabelecer a salinidade dessa amostra A salinidade media da gua do mar da ordem de 35 o A taxa de varia o da velocidade de propaga o do som na gua aproximadamente 1 3 m s para uma varia o de 1 o na salinidade A salinidade normalmente medida atrav s de esta es CTD acr nimo para condutividade temperatura e profund
57. e em trabalhos de reconhecimento Figura 3 45 Princ pio de funcionamento do sistema eletromagn tico 6 3 Detec o remota Esta sec o apresenta a estima o da profundidade derivada da fotografia a rea e de altimetria sat lite como m todo adicional para a cobertura de reas extensas 6 3 1 Foto batimetria pr tica corrente a utiliza o da fotografia a rea para delinea o da linha de costa e algumas vezes muito til para atividades de reconhecimento planeamento de levantamentos hidrogr ficos localiza o de baixos e descri o qualitativa do fundo submarino em vez de m todo para a determina o da profundidade 6 3 1 1 Princ pios de opera o Os processadores digitais de imagem t m capacidade para correlacionarem a intensidade luminosa com a profundidade No entanto a varia o na intensidade luminosa depende tamb m da exist ncia de material em suspens o e das propriedades refletivas do fundo Portanto deve ser feita uma calibra o local para ter em conta estas varia es C 13 179 6 3 1 2 Capacidades e limita es A aplica o da foto batimetria dentro das presentes limita es desta tecnologia permanece principalmente como uma ferramenta de reconhecimento e de planeamento em reas onde a informa o batim trica inexistente ou insuficiente 6 3 2 Outros As imagens sat lites na banda do vis vel podem ser utilizadas de forma id ntica foto batimetria a r
58. e facilitam a leitura da profundidade e com uma massa de chumbo na extremidade O fio de prumo utilizado para determinar a profundidade da gua geralmente em profundidades inferiores a 50 metros Para corrigir o efeito de alongamento do fio usualmente introduzido uma corre o na medi o Este erro foi limitado pela introdu o de um fio met lico sem deforma o em condi es normais de utiliza o no interior do cabo A vara de prumar uma r gua graduada utilizada na medi o direta da profundidade Geralmente utilizada em profundidades inferiores a 4 metros Como anteriormente referido atualmente estes instrumentos s o utilizados na verifica o de sondas an malas detectadas por sistemas ac sticos em fundos baixos 6 4 1 2 Fontes de erro As fontes de erro na medi o da profundidade com o fio de prumo s o principalmente devidas a a Curvatura do cabo induzida pela corrente traduz se em erro na determina o da profundidade A sua corre o pode ser problem tica e por essa raz o recomend vel realizar medi es de profundidade em condi es de corrente pouco significativa Deve ser tamb m minimizado o efeito resultante da velocidade residual da embarca o b Arfagem contribui diretamente para o erro na medi o da profundidade A arfagem dificulta tamb m a leitura da profundidade para ultrapassar esta dificuldade s o efetuadas m dias entre as medi es na crista e na cava das ondas 6
59. e posicionamento e o transdutor n o se encontram na mesma vertical necess rio utilizar a proa da plataforma para posicionar corretamente a profundidades Para a medi o da proa em tempo real podem ser utilizados v rios equipamentos tais como girob ssolas agulhas fluxgate e DGPS A determina o da proa baseada na fase da portadora utilizada nos sensores in rciais integrando informa o DGPS Esta solu o permite uma elevada exatid o Proa Roll Pitch Figura 3 8 Atitude da plataforma de sondagem 3 4 Exatidao das medi es A exatid o do roll pitch arfagem e proa deve ser t o elevada quanto poss vel Presentemente os sensores de movimentos s o suficientemente exatos para serem utilizados em quase todas as ordens de levantamento No entanto os sensores in rciais quando utilizados isoladamente apresentam desvios nas medi es durante acelera es horizontais centr peta ou tangencial da plataforma devido ao desvio da vertical aparente Para os sondadores multifeixe recomendada a utiliza o de sensores in rciais com integra o de informa o DGPS de forma a minimizar o efeito das acelera es horizontais Em geral a exatid o destes sensores a um n vel de confian a de 95 s o da ordem de 0 05 para o roll e pitch 0 2 para a proa e 10 cent metros ou 10 da sua amplitude conforme o maior valor para a arfagem Durante as guinadas da plataforma de sondagem as medi es da arfagem s
60. ea No entanto os sat lites podem estar equipados com alt metros para o mapeamento da superf cie dos oceanos e com processamento adequado dos dados poss vel estimar as profundidades em todo o globo A superf cie do oceano apresenta uma forma irregular que segue em geral a topografia do fundo do mar As estruturas no fundo submarino tais como os montes submarinos contribuem para a deflex o da vertical que causa um desn vel na superf cie e consequentemente a gua do mar puxada acumulando se na forma de uma bolsa na superf cie do mar A superf cie do oceano pode ser mapeada atrav s de um alt metro sat lite e a anomalia i e a diferen a entre a superf cie observada e a superf cie te rica tal como a gerada pelo elips ide WGS84 pode ser determinada e a profundidade da gua estimada Figura 3 46 A integra o da altimetria sat lite com medi es batim tricas pode produzir um conjunto de dados mais fi veis contribuindo para o conhecimento do fundo submarino em reas onde os levantamentos hidrogr ficos s o escassos Smith e Sandwell 1997 orbita do sat lite Superficie do Oceano s Anomalia Superficie te rica do Oceano ri Figura 3 46 Batimetria derivada de altimetria sat lite 6 4 Sistemas mec nicos Os sistemas mec nicos foram os primeiros a ser utilizados na medi o de profundidades No entanto estes sistemas continuam v lidos e a ser utilizados nos nossos dias Os sist
61. emas estudados at agora efetuam medi es indiretas e s o sens veis s caracter sticas da gua Em condi es t picas erros grosseiros na medi o de profundidade t m probabilidade de ocorrer devido a reflex es na coluna de gua n o relacionadas com o fundo e podem ser causados C 13 180 por algas cardumes de peixe deep scattering layer varia es t rmicas e sedimentos em suspens o Adicionalmente podem ocorrer erros pr ximos de cais onde a detec o do eco efetuada pelos l bulos secund rios provenientes do pr prio cais Os m todos mec nicos fio de prumo ou vara de prumar n o s o sens veis s condi es ambientais e podem ser utilizados como m todos alternativos A rocega por barra ou por cabo s o t cnicas que permitem detectar profundidades m nimas sobre destro os e obstru es garantindo profundidades m nimas por exemplo ao longo de canais de navega o 6 4 1 Fio de prumo e vara de prumar O fio de prumo um instrumento utilizado pelo hidr grafo para resolver ambiguidade de interpreta o de sondas an malas Em guas transparentes o fio de prumo ou a vara de prumar podem ser utilizados para determinar as profundidades m nimas sobre os pontos avistados da superf cie Em outras situa es a detec o e a medi o podem ser mais dif ceis e os m todos de rocega podem constituir se como alternativa 6 4 1 1 Descri o O fio de prumo uma linha graduada com marcas qu
62. ento de impulso b Sensibilidade e resolu o do suporte utilizado na grava o C 13 147 c Largura do feixe transmitido Sa da de Dados Monitor impressora gravador Microprocessador Anal gico para Digital Amplificador Detector de envolvente Ganho Vari vel no Tempo TVG Figura 3 23 Sondador digital diagrama de blocos 5 1 1 4 Frequ ncia ac stica A frequ ncia de um sondador selecionada com base na utiliza o prevista do equipamento ou seja a profundidade em que dever ser utilizado Em alguns casos desej vel a utiliza o do mesmo dispositivo em v rias profundidades para o efeito o sondador pode ter mais de um transdutor de forma a melhorar a aquisi o e a qualidade dos dados As frequ ncias s o frequentemente atribu das a canais O sondador com dois canais utilizado principalmente em fundos baixos e guas costeiras Para guas profundas costume usar unicamente uma baixa frequ ncia 5 1 2 Instala o e calibra o O transdutor pode ser montado no casco na borda ou proa As precau es a ter na instala o s o que o transdutor deve ser colocado o mais longe poss vel das fontes de ru do pr prias da plataforma e mergulhado o mais poss vel para evitar o ru do proveniente da agita o mar tima e ficar sempre submerso mesmo em condi es de mar adversas tamb m muito importante que o transdutor seja bem fixo na vertical E tamb m desej
63. entos No entanto a contribui o do volume de sedimentos menos significativa para frequ ncias elevadas O N vel de Retrodifus o Backscattering Strength BS usualmente descrito como a soma logaritmica da retrodifus o intr nseca por unidade de rea ou backscatter index SB que dependente das propriedades refletivas do fundo e da rea efetiva de retrodifus o A rea insonificada do fundo que contribui para o sinal retroreflectido 121 BS SB 10 log 1 A dB 3 15 Os limites da rea de retrodifus o s o definidos pela geometria do feixe na vertical do transdutor nadir especificamente pela largura do feixe transmitido na dire o longitudinal along track dr e pela largura do feixe recebido na dire o transversal across track Or Fora da vertical do transdutor a rea de retrodifus o limitada pela largura do feixe Or e pelo comprimento do impulso transmitido t Figura 3 3 O N vel de Retrodifus o pode ser dado por Constri o por largura do feixe SB 10log R BS CT 3 16 gt SB tog 5 QR 2sing Constri o por comprimento de impulso em que R a dist ncia entre o transdutor e um ponto no leito do mar c a velocidade de propaga o do som na gua e B o ngulo do feixe referido vertical O coeficiente de retrodifus o SB depende significativamente do ngulo de incid ncia com a maior varia o pr ximo do nadir Para ngulos de incid ncia mais elevados segue
64. equ ncia de corte estabelecida usualmente s o aceit veis frequ ncias de corte entre 0 1 a 0 05 Hz Quando a plataforma est sujeita a acelera es cuja dura o excede o per odo de corte utilizado no filtro passa baixo aplicado aos aceler metros tais como rota es ou varia es prolongadas de velocidade a acelera o centr peta ou tangencial interpretada como acelera o horizontal prolongada n o sendo filtrada pelo filtro passa baixo O resultado a deflex o aparente da vertical do lugar com os consequentes erros nas medi es angulares roll e pitch A combina o dos dois filtros passa baixo e passa alto e a rela o entre as duas bandas de passagem estabelece as caracter sticas do sensor Estes sensores in rciais s o muito sens veis ao intervalo de tempo utilizado para a integra o especialmente para o c lculo de arfagem A frequ ncia de corte equivalente deve ser afinada para um valor adequado em que o sensor possa detectar a ondula o de maior per odo sem atenuar ou eliminar as ondas com menor per odo 3 1 2 Integra o dos sensores in rciais com informa o GPS A integra o de informa o GPS fornece um meio para determina o da proa da plataforma atrav s da utiliza o de duas antenas GPS numa linha base usualmente orientada longitudinalmente proa da plataforma A velocidade e a taxa de rota o da plataforma fornecida pelo receptor GPS e pelos sensores de raz o angular
65. es hidrogr ficos e medir a atitude e arfagem da plataforma de sondagem A atitude da embarca o consiste em deslocamentos angulares nesses tr s eixos O balan o roll transversalmente e no eixo dos xx o cabeceio pitch longitudinalmente e no eixo dos yy e a proa yaw horizontalmente e no eixo dos zz Ao considerar um sistema de refer ncia ortogonal de m o direita com o eixo dos zz a apontar para baixo o balan o ser positivo quando o lado de estibordo estiver mais baixo o cabeceio ser positivo quando a proa estiver para cima e a proa ser positiva no sentido de rota o dos ponteiros do rel gio Considerando a figura A 1 a rota o 8 no plano yz ou seja a rota o no eixo dos xx pode ser expressa pela matriz de rota o Figura A 1 Sistema de coordenadas da embarca o 1 0 0 R 0 0 cos sin A 1 O sin 0 cos E as rota es nos eixos dos yy e zz s o respectivamente C 13 188 cos 0 O sin 0 R 0 1 0 A 2 sin 0 O cos 6 cos 9 sin 0 O R 0 sin 0 cos 0 A 3 0 0 1 A transforma o que resulta de tr s rota es sequenciais expresso pelo produto das matrizes de rota o As rota es sucessivas s o aplicadas para a esquerda deste produto Considerando as rota es sucessivas 01 92 05 nos eixos dos xx yy e zz a matriz de transforma o dada por R 0 R 0 R 0 co 0 co 6 sir cod co 0 sin 0 sir sir
66. fen meno de cavita o e pela resist ncia m xima vibra o do material transdutor b Ganho O ganho implica amplifica o de sinal A amplifica o do sinal tamb m amplifica o ru do e consequentemente o registo dos dados pode ser confuso recomend vel que o ganho seja ajustado de acordo com o tipo de fundo e com a pot ncia de transmiss o c Intensidade do registo Este par metro utilizado nos sondadores de registo anal gico e serve para ajustar a intensidade de impress o d Comprimento do impulso o comprimento do impulso habitualmente selecionado automaticamente em fun o da profundidade O comprimento do impulso respons vel pela resolu o vertical do sondador Para aumentar a resolu o vertical deve se diminuir o comprimento do impulso Por m em zonas com fraca refletividade ou com declives acentuados poder ser necess rio aumentar o comprimento do impulso Em fundos baixos onde a resolu o vertical mais importante devem ser utilizados impulsos curtos Isso ir reduzir a probabilidade de ecos falsos devido a reverbera o forte e Escala Corresponde escala da profundidade da janela de registo A largura do papel de registo fixo portanto numa escala pequena ter se uma baixa resolu o vertical f Fase A fase um par metro dos sondadores anal gicos que permite superar as limita es do registo numa largura fixa de papel A escala de fase consiste na grava
67. ficados em magnetostritivos piezoelectricos e electrostritivos 4 1 1 Magnetostritivos Estes transdutores apresentam um enrolamento de n quel sobre um eixo de ferro Um impulso de corrente continua atrav s do eixo gera um campo magn tico no enrolamento que produz a sua contra o e consequentemente a redu o seu di metro Quando a corrente el trica ao longo do eixo cessa o enrolamento regressa ao tamanho inicial A aplica o de um impulso de corrente alterna conduz contra o e expans o do enrolamento de n quel de acordo com as caracter sticas do sinal aplicado A amplitude da vibra o induzida ser m xima se a frequ ncia for igual ou relacionada harmonicamente com a frequ ncia natural de vibra o ou frequ ncia de resson ncia do material do transdutor Este transdutor no entanto menos eficiente do que os transdutores que operam pelo efeito piezoelectricos 4 1 2 Piezoel ctrico Estes transdutores s o constitu dos por duas placas com uma camada de cristais de quartzo no meio A aplica o de um potencial el trico entre as placas produz uma varia o da espessura da camada de quartzo como fun o da polariza o da corrente aplicada efeito piezoel ctrico A diferen a de potencial produz a vibra o do quartzo e consequentemente a vibra o de toda a 42 Eudes r E Roe E Ps Por defini o o transdutor um equipamento utilizado para transmitir impulsos ac sticos e para os receber Em pa
68. g a profundidade obtida atrav s de At 2 Z f g z cos 0 dt 3 69 0 O erro em profundidade dze devido varia o do gradiente dg e velocidade de propaga o do som face do transdutor dco por diferencia o da equa o 3 69 pode ser aproximada por 2 dz 5 l tan B dg de 3 70 c Co 0 onde B e cy s o o ngulo de lan amento do feixe e a velocidade obtida do perfil para a profundidade do transdutor Na equa o 3 70 o primeiro termo corresponde aos erros relativos dist ncia e refra o devido varia o do gradiente do perfil de velocidade de propaga o do som na gua enquanto que o segundo termo corresponde ao erro em profundidade devido ao desvio do perfil profundidade do transdutor Assumindo que n o existe correla o entre estes dois erros a vari ncia da profundidade devido aos erros na velocidade de propaga o do som s o dados por ae 2 O nad 5 1 E tan B o T o 3 71 265 Co onde Og corresponde vari ncia do gradiente do perfil de velocidade de propaga o do som na gua e Ow corresponde vari ncia do valor inicial da velocidade de propaga o do som na gua utilizada no c lculo da profundidade Os erros na velocidade de propaga o do som na gua s o na pr tica dif ceis de quantificar e os problemas devido s varia es temporais e espaciais da velocidade de propaga o do som podem por vezes ser t o significativas que a solu
69. guiado na dire o Oax Figura 3 13 O guiamento do feixe pode ser conseguido atrav s da introdu o de diferen as de tempo ou fase nos elementos do agregado equa o 3 31 O guiamento dos feixes tem dois objetivos Estabiliza o do feixe e forma o do feixe durante a fase de recep o C 13 136 Factor Direccional 0 9 0 8 0 7 0 6 h 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 90 75 60 45 30 15 0 15 30 45 60 75 90 Angulo 1 Figura 3 12 Fator direcional para um feixe guiado 30 graus Figura 3 13 Diagrama de radia o para um feixe guiado 30 Para a estabiliza o do feixe necess rio medir o ngulo referido normal do agregado sendo o atraso em tempo dos elementos do agregado dado por 137 At LTE e 3 31 Durante a forma o do feixe os sinais de cada elemento do agregado s o copiados para cada feixe o atraso em tempo aplicado a cada elemento para um canal ou feixe especifico dado por Nus U and 3 32 E n i em que i a ordem do feixe e n o n mero do elemento do agregado Considerando dois elementos transdutores adimensionais transmitindo um impulso com a mesma frequ ncia mas com atraso em tempo o eixo ac stico guiado para a dire o onde as frentes de onda provenientes dos dois elementos chegam ao mesmo tempo Figura 3 14 Figura 3 14 Ilustra o do guia
70. i o dos sondadores multifeixe podem ser encontrados em Hare 1995 e Lurton 2002 C 13 169 5 2 1 8 1 Devido velocidade de propaga o do som Erros ou varia o na velocidade de propaga o do som na gua resultam em solu es incorretas para a refra o e consequentemente em erros na medi o da profundidade e posicionamento O tra ado do raio ac stico47 baseia se na lei de Snell que estabelece a rela o entre a dire o do raio e a velocidade de propaga o das ondas ac sticas sen0 _ sen0 3 59 Ci C 1 onde c a velocidade de propaga o do som 0 o ngulo de incid ncia referido vertical para uma profundidade z e K par metro do raio ou constante de Snell Considerando um perfil de velocidade de propaga o do som discreto Figura 3 40 aceit vel assumir o gradiente de velocidade de propaga o do som constante para cada camada i e entre duas medi es sucessivas da velocidade de propaga o do som Desta forma a velocidade de propaga o do som pode ser representada por c z c 9 z z for z lt z lt z 3 60 onde g o gradiente da camada i dado por g 4a 3 61 Zi Zia Em cada camada o impulso ac stico descreve um trajeto curvil neo com raio de curvatura constante pi dado por p 3 62 47 O raio ac stico corresponde a uma linha desenhada a partir da fonte sendo perpendicular frente de onda em qualquer ponto d
71. idade usando a observ vel condutividade el trica ver 2 2 1 2 2 1 5 Press o A press o tamb m afeta significativamente a varia o da velocidade de propaga o do som na gua A press o uma fun o da profundidade e a taxa de varia o da velocidade de propaga o do som de 1 6 m s por cada 10 atmosferas aproximadamente por cada 100 metros de profundidade A press o tem maior influ ncia na velocidade de propaga o do som em grandes profundidades 7 A termoclina tamb m conhecida como a camada de descontinuidade ou camada t rmica A termoclina corresponde a um gradiente negativo da temperatura ao longo da coluna de gua e que mais acentuado que nas camadas adjacentes inferior e superior No oceano as principais termoclinas s o sazonais devido ao aquecimento da superf cie da coluna de gua ou permanentes Um comit conjunto IAPO UNESCO ICES e SCOR prop s a adop o universal da seguinte rela o entre a clorinidade e a salinidade S 1 80655 Cl Esta equa o foi adoptada em 1963 pela IAPO e em 1964 pela ICES Por aplica o do princ pio da hidrost tica i e p z po pgz C 13 123 2 1 6 Densidade A densidade da gua depende dos par metros anteriores i e temperatura salinidade e press o Cinquenta por cento da gua no oceano apresenta uma densidade compreendida entre 1027 7 e 1027 9 kg m A maior influ ncia na densidade a compressibilidade da gua com a
72. ifeixe em embarca es especificamente para levantamentos em fundos baixos Esta instala o pode ser C 13 141 montada na borda ou proa da embarca o Figura 3 19 A estrutura de suporte deve ser bem s lida e resistente tor o Figura 3 18 Instala o em g ndola Figura 3 19 Instala o proa C 13 142 4 5 Cobertura A cobertura do fundo i e a rea insonificada com sondador de feixe simples a rea delimitada pelo feixe onde a c lula insonificada dada por Figura 3 20 a 2 z a 3 34 Figura 3 20 Cobertura do sondador de feixe simples Nos sondadores multifeixe a rea insonificada corresponde intersec o entre o feixe transmitido e o feixe formado na recep o A rea insonificada depende do ngulo do feixe da sua largura da profundidade e do declive m dio do fundo A rea insonificada por cada feixe pode ser aproximada por uma elipse Considerando um fundo plano e horizontal o comprimento da elipse na dire o transversal linha de proa dado aproximadamente por ay 27 Or t 35 cos 8 a 2 e em que z a profundidade m dia B o ngulo do feixe e op a largura do feixe formado na recep o na dire o transversal proa do navio Na presen a de um declive definido por um ngulo o comprimento da rea insonificada dada aproximadamente por a DES 3 36 cosBleos B E PU 2 Para um fundo plano a larg
73. imizar a pot ncia transmitida o transdutor deve transmitir pr ximo da frequ ncia de resson ncia e ter uma pequena largura de banda i e um elevado fator de qualidade Durante a recep o necess rio ter uma boa discrimina o do eco relativamente a qualquer outro sinal Embora deva ser bem definida na faixa de frequ ncia a largura de banda do transdutor deve satisfazer a rela o B 2 1 t sendo T o comprimento do impulso A solu o ideal ter um transdutor para a transmiss o com Q elevado e um transdutor de recep o com a mesma frequ ncia de resson ncia mas com baixo Q Ganho __ 3 dB Frequ ncia Figura 3 6 Largura de banda do transdutor 2 4 3 Comprimento do impulso O comprimento do impulso determina a energia transmitida para a gua Para a mesma pot ncia quanto maior o comprimento do impulso mais energia colocada na gua e portanto maior ser o alcance atingido pelo sondador ac stico Para tirar vantagem da frequ ncia de resson ncia do transdutor a dura o do impulso deve ser no m nimo metade do seu per odo natural No entanto o inconveniente de impulsos mais longos o decr scimo na resolu o vertical de duas estruturas pr ximas Figura 3 7 C 13 128 Transdutor Ecograma Retorno a meia gua Profundidade Impulso curto 1 Impulso longo 1 Figura 3 7 Resolu o vertical em fun o do comprimento do impulso 3 SENSORES DE MOVIMENTO Se
74. l e da embarca o x 0 y Rxy R a R 8 R O y T 0 0 0 Rsin 6 A 5 Ele AIR Rcos 0 E Em que R dado por 010 Rxy 1 0 0 0 0 1 sin a cod coda cod0 sin sin 0 sin coda sin 0 sin o sin 8 cof T o 0 9 coda codOp sin a co coda sin 6 sin sin o sin 9 coda sin 6 cosa sin cog 6 sin coda cos onde T a CaP corresponde a transforma o do sistema de coordenadas da embarca o para o sistema de coordenadas local xX cos cos sin o sin 0 sin 0 Rsin B cos sin sin amp sin cos Rcos B y sin cos cos sin sin Rsin sin sin cos sin 6 cos Rcos Zi cos 0 sin 0 Rsin B cos cos Rcos B De notar que o ngulo do feixe positivo para estibordo e negativo para bombordo C 13 190
75. lite GPS e software de aquisi o de dados concorrem para a otimiza o da produtividade e redu o de pessoal durante os levantamentos Nos nossos dias os sondadores multifeixe s o uma valiosa ferramenta para a determina o da profundidade quando requerida a busca total do fundo Um n mero crescente de servi os hidrogr ficos adotou a tecnologia multifeixe como a metodologia principal para a recolha de C 13 116 dados batim tricos para produ o cartogr fica A aceita o de dados multifeixe na utiliza o na cartografia n utica publicada um indicador da crescente confian a na tecnologia Apesar das elevadas capacidades dos SMF necess rio um conhecimento profundo dos seus princ pios de opera o pelos planeadores operadores e verificadores assim como pr tica na aquisi o e no processamento dos dados Os sistemas de sondagem laser aerotransportados s o utilizados por um n mero muito reduzido de servi os hidrogr ficos Estes sistemas t m a mais elevada taxa de aquisi o e s o particularmente adequados para guas pouco profundas No entanto os custos de aquisi o e opera o e opera o dos meios envolvidos n o permitem um uso mais generalizado Neste Cap tulo a Sec o 2 apresenta alguns fundamentos de ac stica necess rios compreens o das ondas ac sticas na gua do mar sua propaga o e par metros ac sticos A Sec o 3 trata dos sensores de movimento A sec o 4 apresenta as car
76. m papel de registo com uma largura de 20 cent metros e escala geral 0 200 metros um erro de leitura de 0 5 mm ir produzir um erro na profundidade de 0 5 metros Por isso esta escala n o adequada para o registo de profundidades em fundos baixos O erro de leitura dZreaa o com vari ncia 5 1 4 7 Interpreta o do ecograma uma responsabilidade do hidr grafo A interpreta o requer experi ncia para identifica o de formas particulares ecos m ltiplos e ecos falsos a Ecos falsos s o causados por material estranho em suspens o tais como algas marinhas ou peixes na coluna de gua Figura 3 29 por camadas de gua com bruscas varia es de temperatura salinidade ou ambas Ecos falsos s o ocasionalmente registados pelos sondadores e podem ser interpretados erroneamente como profundidades corretas Em caso de d vida sobre a validade dessas profundidades deve ser efetuada uma investiga o dessas sondas ou eventualmente repetida parte da sondagem C 13 156 ECOGRAMA Figura 3 29 Ecos falsos b Ecos m ltiplos s o ecos recebidos ap s o primeiro retorno do fundo devido a reflex es m ltiplas entre o fundo e a superf cie Estas reflex es s o usualmente registadas como m ltiplos da profundidade real Figura 3 30 Ecograma Primeiro retorno do fundo 30 Eco m ltiplo 35 40 Figura 3 30 Registo de ecos m ltipl
77. mento dum feixe de 0 com dois elementos transdutores A largura do feixe definida para um n vel de 3 dB aumenta com o ngulo de guiamento do feixe 156 5 W 50 ___ _ 3 33 i N 1 d cos Devido forma c nica do feixe quando guiado a sua intersec o com o plano do fundo do mar assumido como horizontal resulta numa rea insonificada hiperb lica Figura 3 15 a b C 13 138 Figura 3 15 rea insonificada linear a e hiperb lica b Os l bulos secund rios apresentam efeitos indesej veis tais como a detec o de ecos correspondentes s dire es desses l bulos Este o caso geral dos sondadores multifeixe para ngulos de feixe elevados onde a detec o efetuada para o nadir ou quando existem reas rochosas de maior refletividade Figura 3 16 Este efeito conduz a is batas ondulantes que muitas vezes apresentam a forma de mega A redu o dos l bulos vital para a opera o com sucesso dos sondadores multifeixe Esta redu o obtida por aplica o de ganho vari vel shading functions aos sinais detectados pelos v rios elementos do agregado de transdutores durante a recep o Considerando todos os transdutores com o mesmo ganho os l bulos secund rios apresentar o um n vel de aproximadamente 13 dB A t cnica utilizada para a redu o dos l bulos secund rios consiste na sobreposi o de uma janela que amplifica os sinais dos diferentes elementos
78. na determina o da velocidade de propaga o do som e sua varia o temporal e ou espacial dada por o 2 ba 62 3 43 2 2 0J 3 eae Say h O aa em que lt m a vari ncia da medi o da velocidade de propaga o do some a vari ncia da velocidade de propaga o do som devido sua varia o espacial e temporal A varia o temporal e espacial da velocidade de propaga o do som na gua uma importante contribui o externa nos erros de medi o da profundidade importante que durante o planeamento dos levantamentos ou no in cio da sondagem sejam efetuados v rios perfis de velocidade de propaga o do som na gua distribu dos pela rea a levantar e ao longo do dia com particular aten o aos ciclos da mar por forma a assistir o hidr grafo na decis o da frequ ncia e na localiza o dos perfis de velocidade de propaga o do som a executar durante o levantamento 5 1 4 3 Devido medi o do tempo Um sondador ac stico mede efetivamente o tempo convertendo essa medi o em profundidade O erro na medi o do tempo dt est diretamente relacionado com o erro em profundidade dz Na gera o mais recente de sondadores ac sticos o erro na medi o do tempo geralmente pequeno e constante Este erro calculado durante a calibra o 1 dz c dt 3 44 2 O maior erro na medi o do tempo fun o da identifica o do instante do eco que corresponde medi o
79. ncerteza da profundidade reduzida a um n vel de confian a de 68 ou 10 obtido pela raiz quadrada da equa o 3 54 Assumindo que as componentes dos erros seguem uma distribui o aproximadamente normal o erro estimado da profundidade reduzida a um n vel de confian a de 95 ou 20 obt m se substituindo cada vari ncia o por 207 1 6 Ordem Especial is 1 Ordem 2 Ordem 1 2 s 1 B 08 E E o 0 6 B 0 4 E e 0 2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Profundidade m Figura 3 32 Requisitos m nimos da profundidade reduzida para Ordem Especial Ordem 1 e Ordem 2 S 44 Para cada sistema de sondagem recomendado o desenvolvimento de um balan o de erros para avaliar a sua conformidade com os requisitos da S 44 Na Figura 3 33 apresentada a estima o dos erros para um determinado sondador ac stico e para condi es de opera o espec ficas C 13 159 Caracter sticas do Sondador Ac stico Frequ ncia 200 kHz Largura do feixe 20 B 10 Dura o do impulso 0 1 ms Erros estimados ou padr o 16 Erro de calado 0 05 m Varia o da velocidade do som 5 m s Erros de profundidade devidos a Medi o de tempo 0 02 m Squat 0 05 m Heave 0 10m Erro de mar 0 05 m Erro co tidal 0 05 m Varia o da vel do som 5 1500 z m Condi es de opera o Velocidade do som m dia 150
80. nea de ecos de diferentes dire es este m todo apresenta a vantagem de resolver apenas os ecos na dire o de forma o do feixe A sequ ncia de valores da diferen a de fase ent o utilizada para estimar o instante de chegada do eco na dire o do feixe formado na recep o atrav s da determina o da diferen a de fase nula da s rie observada de Moustier 1993 A figura 3 35 ilustra um exemplo do m todo de detec o em fase O equivalente aos centros dos dois sub agregados s o representados por A e B separados de uma dist ncia onde 0 o ngulo do sinal recebido relativamente ao eixo ac stico Um polin mio de segunda ordem pode ser ajustado a um subconjunto da s rie de diferen as de fase do sinal recebido nos dois sub agregados para refinar a determina o do instante correspondente diferen a de fase nula C 13 c 162 Quando o eco chega na dire o do eixo ac stico i e O O o sinal nos dois sub agregados encontra se em fase sendo este o instante de chegada do eco para o feixe em causa Fundo do mar diferen a de Fase y Figura 3 35 M todo de detec o em fase diferen a de fase nula Ao longo da faixa sondada normalmente necess ria uma combina o de detec o em amplitude e fase para a determina o consistente do tempo de trajeto do impulso Pr ximo do nadir deve ser utilizada a detec o em amplitude por a s rie temporal de amostras para estes feixes ser relativame
81. nflu ncia da lat ncia do desvio em pitch e do desvio em roll o sistema deve ser previamente compensado para estes erros sistem ticos O desvio em roll Or pode ser obtido atrav s da equa o a Az 50 tan 3 58 2 Ay Onde Az a separa o vertical entre os feixes exteriores das duas fiadas rec procas e Ay a dist ncia entre o nadir e o ponto onde a separa o vertical das duas fiadas medida A calibra o usualmente efetuada atrav s de ferramentas interativas O ajustamento ou c lculo do desvio deve ser efetuado por amostragem de v rias sec es de forma a determinar um valor m dio para cada par metro Os desvios podem ter uma incerteza da ordem da resolu o do sensor de movimentos C 13 168 a b Figura 3 39 Calibra o do desvio em roll a vista de topo das duas fiadas b sec o transversal onde vis vel a separa o entre os dois perfis relativamente ao fundo real 5 2 1 7 Opera o e registo de dados A configura o dos equipamentos na plataforma de sondagem e os par metros de calibra o devem ser verificados no in cio de cada levantamento Os par metros do sistema utilizados durante a aquisi o podem variar consoante a rea do levantamento v g profundidade m xima profundidade esperada m xima raz o de transmiss o de impulsos etc No in cio de um levantamento deve ser efetuado um perfil de velocidade de propaga o do som na gua e transferi
82. nte reduzida para uma detec o robusta em fase A detec o em amplitude tamb m utilizada em fundos irregulares com declives acentuados afastados do nadir A detec o em fase para feixes pr ximos do nadir pode ocorrer devido a erros grosseiros blunders como por exemplo o retorno do sinal na coluna de gua ou devido detec o do eco pelos l bulos secund rios Para feixes afastados do nadir a detec o usualmente efetuada em fase A amplitude poder no entanto ser utilizada em casos de elevada refletividade do fundo como a associada a diferen as de refletividade na rea insonificada causadas quer por reflex o normal ou especular quer por vari ncia elevada no ajustamento da curva s rie temporal de amostras de diferen a de fase Estas condi es podem ocorrer na presen a de destro os ou de fundos muito irregulares Fast Fourier Transform FFT De acordo com 4 1 os sinais recebidos em cada elemento s o copiados para cada feixe durante a forma o dos feixes A soma da amplitude dos N elementos transdutores ela pr pria uma transformada de Fourier do vetor com N elementos correspondente ao diagrama de radia o de um agregado linear Se N for uma pot ncia de 2 o c lculo menos exigente e a transformada de Fourier C 13 163 chamada de Fast Fourier Transform46 Este m todo tem a vantagem de aumentar a velocidade do processo de forma o de feixes Detalhes sobre este m todo s o apresentados po
83. o pp 37 69 In P Cook and C Carlton eds Continental Shelf Limits The Scientific and Legal Interface Oxford University Press New York International Hydrographic Organization Monaco International Hydrographic Organization Monaco Wiley and Sons Toronto Canadian Hydrographic Conference 2002 National Oceanic and Atmospheric Administration US Department of Commerce Report from Simrad Subsea AS Horten Norway FEMME 93 16 p Pergamon Press Oxford Prentice Hall Geophysics Vol 61 No 1 pp 74 81 Science 277 pp 1956 1962 University of New Brunswick McGraw Hill Toronto Geophysics Vol 52 no 8 pp 1172 C 13 183 Morrinson P 1137 Lazenby and A Becker 1987 C 13 Andersen O and P Knudsen 1998 Arabelos D 1997 Burtch R 2002 Calmant S and N Baudry 1996 Collet C J Provost P Rostaing P P rez and P Bouthemy 2000 Denbigh P 1989 Dixon T M Naraghi M McNutt and S Smith 1983 Durey L G Terrie R Arnone and A Martinez 1997 Geng X and A Zielinski 1999 Guenther G 1985 Guenther G A Cunningham P LaRocque and D Reid 2000 Guenther G M Brooks and P LaRocque 1998 Guenther G P LaRocque and W Lillycrop 1994 Guenther G R Thomas and P LaRocque 1996 Hammerstad E 1995 Hare R and A Godin 1996 Herlihy D B Hillard and T Rulon 1989 H
84. o degradadas devido acelera o centr peta Tipicamente necess rio aguardar ap s terminada a guinada um intervalo de tempo dez vezes o per odo de corte para se retomar a exatid o das medi es da arfagem C 13 131 4 TRANSDUTORES Os transdutores s o um dos componentes dos sondadores ac sticos As caracter sticas do transdutor determinam algumas das caracter sticas de funcionamento dum sondador Por esta raz o particularmente importante estudar os seus princ pios de opera o e aspectos relacionados tais como largura do feixe directividade guiamento do feixe instala o e cobertura Os transdutores s o os dispositivos utilizados na transmiss o e recep o de impulsos ac sticos O seu princ pio de opera o consiste na convers o de energia el trica em energia ac stica i e os transdutores convertem impulsos el tricos de um gerador de sinais em vibra es longitudinais que se propagam na coluna de gua como onda de press o Seippel 1983 Reciprocamente durante a recep o as ondas de press o s o convertidas em impulsos ac sticos Esta sec o apresenta a classifica o dos transdutores relativamente ao princ pio de opera o feixe largura do feixe e instala o No final desta sec o apresentada uma avalia o da insonifica o obtida 4 1 Classifica o Relativamente ao Princ pio de Opera o Os transdutores de acordo com o princ pio de opera o s o classi
85. o pode passar limitar a cobertura angular efetiva do sondador multifeixe Existe outra componente de erro na profundidade devido varia o da velocidade de propaga o do som face do transdutor Esta componente introduz um erro no ngulo do feixe que por seu lado tamb m se traduz em erro na profundidade medida e no seu posicionamento Para a estabiliza o do feixe necess rio introduzir atrasos em tempo nos elementos transdutores do agregado 4 2 Para calcular os atrasos necess rio conhecer a velocidade de propaga o do som face dos transdutores Isto usualmente conseguido atrav s de um sensor de velocidade de propaga o do som colocado junto do transdutor Qualquer erro na velocidade de propaga o do som face do transdutor propagar se como erro no ngulo do feixe Figura 3 41 172 e a RCA id 7 Mad P ss N 40 ON or AN oat c At C o SN o Fear o i 208 o ctdc At ka NA a Aid j md e d hA c f SLA Figura 3 41 Erro no guiamento do feixe devido varia o da velocidade de propaga o do som na gua O atraso em tempo para guiar o feixe um ngulo B obtido por tsc B 3 72 c 0 logo B asin Co E 3 73 por diferencia o e procedendo a simplifica o apropriada obt m se ap PB 3 74 Co O erro no guiamento do feixe propaga se num erro em profundidade dado por Z dz E tan p dc 3 75 0 A variancia da profundidade
86. o utilizado pelos sondadores multifeixe para determinar o instante de chegada e a amplitude do sinal ac stico A fiabilidade deste processo afeta a qualidade das medi es Erros grosseiros na medi o da profundidade podem depender entre outros fatores do desempenho deficiente dos algoritmos de detec o de fundo Os algoritmos de detec o de fundo podem ser classificados em duas categorias detec o em amplitude e detec o em fase a Detec o em amplitude O transdutor emite um impulso na dire o do fundo e inicia um per odo de escuta do eco proveniente da reflex o no fundo Nesta fase o sinal de retorno amostrado em tempo para cada ngulo de feixe O tempo de viagem do sinal para um ponto do fundo definido pela amplitude detectada no sinal refletindo no fundo Figura 3 34 Os m todos comuns de detec o em amplitude s o os seguintes i Frente de onda do sinal refletido Este m todo usualmente utilizado para ngulos de incid ncia pr ximos de zero A detec o do fundo corresponde ao primeiro retorno dentro do feixe Com o aumento do ngulo de incid ncia o sinal refletido perde a sua forma acentuada original e o m todo do primeiro retorno deixa de ter bons resultados Dois outros m todos podem ser utilizados estes t m em considera o a varia o da intensidade das amostras ao longo da c lula insonificada C 13 161 Deteccao do fundo Amplitude a Fase Diferenga de f
87. or utilizado um sondador de registo anal gico essencial parametrizar o ganho e a intensidade do registo para que permitam um ecograma leg vel 5 1 4 Fontes de erro e t cnicas de controlo de qualidade Os erros na determina o da profundidade podem ser divididos em tr s categorias erros grosseiros erros sistem ticos e erros aleat rios Erros grosseiros correspondem aos erros cometidos pelas m quinas devido a defeitos dos componentes mec nicos ou eletr nicos Erros sistem ticos s o principalmente o resultado de defici ncias da compensa o dos erros fixos ou de desvios nas medi es erros que variam em fun o das condi es de opera o como por exemplo na medi o dos movimentos da embarca o desalinhamento do transdutor e do sensor de movimentos e incerteza nos ngulos de montagem Estes erros podem ser facilmente corrigidos C 13 150 se a forma e grandeza destes erros sistem ticos for conhecida Esta categoria de erros pode ser determinada e removida durante a calibra o do sistema Depois da remo o dos erros grosseiros e sistem ticos nas profundidades medidas permanecer o ainda os erros aleat rios Estes erros podem ser analisados utilizando t cnicas estat sticas Os hidr grafos devem estar conscientes das fontes que contribuem para o erro da profundidade e quais os impactos de cada fonte de erro Esta sec o identifica v rias fontes de erros e apresenta algumas t cnicas utilizadas para
88. os c Arfagem heave a oscila o vertical da plataforma de sondagem devido ao efeito do mar deve ser compensada durante a aquisi o de dados por um sensor de movimentos ou compensador de arfagem ou filtrado manualmente durante o p s processamento A experi ncia do hidr grafo a ferramenta utilizada para este efeito embora seja por vezes dif cil em particular em fundos irregulares distinguir o heave da irregularidade do fundo C 13 157 d Ecos laterais s o ecos falsos detectados pelos l bulos secund rios que levam a erros na medi o da profundidade e no posicionamento ver 4 2 e Sedimentos n o consolidados s o usualmente detectados pelas frequ ncias ac sticas elevadas Em fundos baixos recomend vel a utiliza o de sondadores ac sticos com duas frequ ncias para separa o dos sedimentos n o consolidados e do fundo rochoso Figura 3 31 5 1 4 8 Redu o da profundidade As medi es de profundidade ap s corrigidas da atitude da plataforma s o reduzidas para o Datum vertical atrav s da aplica o da mar O erro na profundidade devido ao erro de medi o da mar referido como dZtiae Al m do erro na medi o da mar existe por vezes um erro mais significativo que o erro da concord ncia da mar que resulta da diferen a da mar entre a rea da sondagem e a mar medida no mar grafo O erro em profundidade devido concord ncia da mar dZco tida Esta diferen a
89. par metro O declive deve ser regular e apresentar uma extens o suficiente para garantir uma amostragem adequada A figura 3 37 ilustra a calibra o deste par metro Ap s a determina o da lat ncia o desvio em pitch obtido por medi o do deslocamento longitudinal Para evitar qualquer interfer ncia devido lat ncia este par metro deve j estar corrigido antes de se realizar esta calibra o O desvio em pitch 60p pode ser obtido pela equa o d0 tan 2 z 3 56 Onde Ax a separa o horizontal entre os dois perfis de sondagem na vizinhan a do nadir e v V2 s o as velocidades das fiadas 1 e 2 respectivamente C 13 166 yn ee ee a b d Figura 3 37 Calibra o do desvio em pitch a vista de topo das duas fiadas b sec o longitudinal onde vis vel a separa o entre os dois perfis relativamente ao fundo real c Desvio em proa O desvio em proa a composi o dos desvios angulares do sensor de determina o da proa e do alinhamento do transdutor segundo a perpendicular ao eixo longitudinal da plataforma de sondagem O procedimento para determinar o desvio em proa consiste em realizar dois pares de fiadas adjacentes e rec procas mesma velocidade numa rea com uma estrutura batim trica bem definida por exemplo um baixio As fiadas adjacentes devem apresentar sobreposi o dos feixes exteriores na rea da estrutura batim trica a sobreposi o n o
90. pode ser bastante significativa a v rias milhas de dist ncia do mar grafo ver Cap tulo 4 Por vezes poder ser necess rio utilizar um modelo de concord ncias da mar ou m dias ponderadas a partir de dois ou mais mar grafos Ecograma Alta frequ ncia 20 4 E el ER A Baixa frequ ncia 25 Figura 3 31 Ecograma com o registo de duas frequ ncias 2 A vari ncia da mar 6 ge devido ao erro de medi o e da concord ncia da mar dada por O25 Oise 02 aaa 3 53 tidem co tidal FA ad T 2 A A Z em que O a vari ncia da medi o da mar e O da Vari ncia da concord ncia da mar tidem A determina o da mar por GPS RTK Real Time Kinematic permite a determina o da mar com elevada exatid o na pr pria plataforma de sondagem No entanto o c lculo da mar necessita de um modelo de diferen as entre o elips ide de refer ncia WGS84 e o Datum vertical utilizado 158 O controlo de qualidade efetuado atrav s da estat stica das diferen as entre as sondas das fiadas de verifica o e as sondas vizinhas das fiadas principais A estat stica desta compara o deve estar de acordo com os requisitos de precis o da S 44 Figura 3 32 De acordo com os erros apresentados nas sec es anteriores poss vel estimar a vari ncia da profundidade reduzida como 2 2 OF 0 0 FO 0 06 Oie 3 54 O erro estimado ou i
91. r de Moustier 1993 5 2 1 2 Exatid o Para os sondadores multifeixe a medi o do ngulo e da dist ncia mais complexa que para os sondadores de feixe simples Consequentemente existe um n mero de fatores que contribuem para o erro destas medi es incluindo o ngulo do feixe ngulo de incid ncia no fundo largura do feixe transmitido e do feixe formado na recep o exatid o na determina o da atitude e da arfagem algoritmos de detec o do eco e varia o do perfil de velocidade de propaga o do som na gua Usualmente necess rio calcular um balan o de erros devido a estes fatores ver 5 2 1 8 5 2 1 3 Resolu o Os sistemas sondadores multifeixe com a sua capacidade de insonifica o total do fundo contribuem para a melhor representa o do relevo submarino e quando comparados com os sondadores de feixe simples para maior resolu o cartogr fica No entanto a resolu o da medi o da profundidade depende dos seguintes fatores frequ ncia ac stica largura do feixe transmitido e do feixe formado na recep o e do algoritmo utilizado na detec o do fundo A resolu o da medi o da profundidade fun o do comprimento do impulso e da dimens o da rea insonificada A rea insonificada dos sondadores multifeixe para incid ncia normal relativamente pequena pelo que a resolu o do sondador multifeixe superior do sondador de feixe simples 5 2 1 4 Frequ ncia E selecionada
92. r poss vel corrigir as profundidades observadas e o seu posicionamento do movimento da plataforma de sondagem i e atitude balan o roll cabeceio pitch e proa heading e arfagem heave significou uma melhoria consider vel na qualidade e exatid o dos levantamentos hidrogr ficos Para este objetivo s o utilizados sensores in rciais e sensores de proa usualmente uma girob ssola ou agulha fluxgate ou ainda sensores in rciais com integra o de informa o GPS para medi o da atitude e da arfagem da plataforma de sondagem A atitude da plataforma consiste em tr s rota es em torno de tr s eixos ortogonais convencionados para a plataforma Daqui em diante o sistema de coordenadas da plataforma definido por um sistema de m o direita apontando o eixo dos xx para a proa o eixo dos yy para estibordo e o eixo dos zz para baixo Neste sistema de refer ncia o balan o corresponde rota o em torno do eixo dos xx o balan o positivo quando o estibordo entra na gua o cabeceio corresponde rota o em torno do eixo dos yy o cabeceio positivo quando a proa sai fora de gua e a guinada yaw corresponde rota o em torno do eixo dos zz o yaw positivo para rota es no sentido dos ponteiros do rel gio Para se transformar os dados de movimento referidos ao sistema de refer ncia da plataforma para o sistema de coordenadas local necess rio efetuar rota es de acordo com a atitude a que a pl
93. ransportados t m sido utilizados desde h 40 anos na detec o de dep sitos de minerais met licos altamente condutivos Os desenvolvimentos desta tecnologia t m permitido a utiliza o dos princ pios de indu o magn tica no mapeamento de estruturas do fundo existentes em guas pouco profundas Informa o detalhada sobre estes sistemas pode ser encontrada em Zollinger et al 1987 e Smith e Keating 1996 6 2 1 Princ pios de opera o Os princ pios de opera o destes sistemas baseiam se nas t cnicas de levantamentos geof sicos de medi o da condutividade el trica ou da espessura de uma camada de condutividade C 13 178 Um dipolo magn tico de transmiss o colocado num helic ptero ou num avi o de asa fixa produz um campo magn tico o campo prim rio e o receptor rebocado utilizado para detector o campo magn tico secund rio induzido na terra Assumindo camadas horizontais o processamento da informa o no dom nio do tempo ou da frequ ncia pode ser utilizado para determinar a condutividade Ow e a espessura da camada de gua i e a profundidade da gua e condutividade o do fundo do mar Figura 3 45 6 2 2 Capacidades e limita es Estes sistemas n o ac sticos devido s baixas frequ ncias utilizadas t m capacidade de operar sobre o gelo espesso No entanto este sistema est limitado opera o em profundidades inferiores a 100 metros e t m at ao presente sido utilizados unicament
94. res estiverem separados por v rios comprimentos de onda o ngulo de detec o da frente de onda pode ser derivado para as dire es onde a ocorr ncia do sinal m xima ou m nima Figura 3 42 No entanto este m todo quando utilizado individualmente produz um n mero reduzido de medi es 5 2 2 2 Sonares de prospec o Forward looking sonars Os sonares de abertura horizontal s o utilizados na detec o de obstru es atrav s do varrimento mec nico ou eletr nico no plano horizontal Estes sistemas s o especialmente adequados na detec o de obstru es em reas n o levantadas ou sondadas inadequadamente C 13 175 Figura 3 42 Diagrama de radia o resultante da interfer ncia construtiva ou destrutiva dos sinais recebidos em dois agregados separados por uma dist ncia d 10 vezes superior ao comprimento da onda ac stica vermelho e a meio comprimento de onda azul 6 SISTEMAS N O AC STICOS Al m dos sistemas ac sticos apresentados na sec o anterior existem alguns sistemas eletromagn ticos que podem ser utilizados na medi o da profundidade tais como os sistemas laser e de indu o eletromagn tica bem como a determina o de profundidade derivada de altimetria sat lite Estes sistemas e os tradicionais m todos mec nicos para determina o da profundidade ou para rocega s o descritos seguidamente 6 1 Sistemas Laser Aerotransportados Os sistemas laser constituem uma alternativa
95. rre o da profundidade calculada durante o processamento de dados com o pressuposto de que os dados foram adquiridos utilizando a velocidade verdadeira de propaga o do som medida profundidade do transdutor A corre o profundidade baseada na diferen a entre a velocidade de propaga o do som usada durante a aquisi o dos dados e a velocidade m dia harm nica calculada para cada profundidade a partir do perfil de velocidade de propaga o do som observado C 13 149 Ecograma Bar check Velocidade m dia do som 1505 m s Figura 3 24 Ilustra o do m todo de calibra o por bar check Para profundidades superiores a 200 metros n o necess ria corrigir as profundidades da velocidade de propaga o do som na gua Um padr o usualmente utilizado o valor m dio de velocidade de propaga o do som de 1500 m s ou utiliza o de valores estat sticos como por exemplo os apresentados nas Tabelas de Mathews NP 139 5 1 3 Opera o e registo de dados A opera o dos sondadores ac sticos deve ser remetida para o manual de utiliza o No entanto importante salientar os seguintes aspectos Antes do in cio da sondagem necess rio calibrar o sondador para a velocidade de propaga o do som na gua atual Deve ser selecionada uma escala geral adequada para as profundidades esperadas A frequ ncia deve ser escolhida de acordo com as profundidades de opera o Quando f
96. rresponde ao n vel de intensidade do sinal ac stico referido a intensidade de uma onda ac stica plana exercendo a press o de 1 uPa raiz quadr tica media a 1 metro do centro da fonte transmissora i e SL 10log l 3 6 REF As Perdas de Transmiss o Transmission Loss TL resultam das perdas de intensidade ac stica devido geometria i e por espalhamento da energia ao longo de uma maior superf cie sendo proporcional a r E devido absor o em fun o das propriedades f sicas e qu micas da gua do mar e da frequ ncia ac stica sendo proporcional ao coeficiente de absor o ver 2 3 1 O espalhamento deve se forma c nica do feixe Figura 3 1 O aumento da superf cie conduz a um decr scimo da pot ncia por unidade de rea ou seja a uma diminui o da intensidade Figura 3 1 Perdas de propaga o devido geometria do feixe A pot ncia do impulso ac stico II igual a Intensidade x rea H I A I A onde A QR e Ay OR sendo Q o ngulo s lido 33 ARIA ds j 4 E o opa ate a nt Bes k A imped ncia ac stica uma medida da resist ncia do meio propaga o de ondas ac sticas i e um factor de proporcionalidade entre a velocidade e a press o ac stica As ondas planas ocorrem em regi es reduzidas suficientemente afastadas da fonte onde as superf cies de onda pontos que vibram em fase s o aproximadamente planas e apresentam a mesma amplitude C 13
97. rticular se o equipamento for utilizado unicamente para a transmiss o chamado de projector e se for unicamente utilizado como para a recep o operando de modo passivo chamado de hidrofone 43 Z Este fen meno corresponde ao for amento e prolongamento de qualquer movimento de onda tais como as ondas ac sticas A frequ ncia de resson ncia corresponde frequ ncia em que o transdutor vibra de forma mais eficaz C 13 132 unidade Reciprocamente a compress o mec nica da camada de quartzo produz uma diferen a de potencial entre as duas faces opostas da camada de quartzo A amplitude da vibra o ser m xima se a frequ ncia do potencial el trico corresponder frequ ncia natural do quartzo 4 1 3 Electrostritivo Estes transdutores baseiam se no mesmo princ pio dos transdutores piezoel ctricos No entanto os materiais utilizados usualmente cer micas policristalinas ou certos pol meros sint ticos n o apresentam naturalmente propriedades piezoel ctricas Assim durante o processo de fabrico estes materiais necessitam de ser polarizados Presentemente os transdutores utilizados s o quase exclusivamente electrostritivos Estes transdutores s o mais leves revers veis e podem ser organizados em agregados arrays Estes agregados compostos de um conjunto de elementos mais pequenos quando organizados convenientemente permitem de acordo com o Teorema do Produto vd 34 2 caracter sticas similares a
98. s o A maioria dos sensores utilizados na determina o da profundidade utiliza ondas ac sticas 2 1 1 Campo ac stico As ondas ac sticas consistem em varia es subtis do campo de press o na gua as part culas de gua movem se longitudinalmente para a frente e para tr s na dire o de propaga o da onda produzindo regi es adjacentes de compress o e expans o A intensidade da onda ac stica I a quantidade de energia que atravessa uma unidade de rea por unidade de tempo A intensidade ac stica dada por 2 p Pe pc 3 1 C 13 117 em que p a densidade da gua c a velocidade de propaga o da onda ac stica na gua e pp a press o ac stica efetiva dada pela raiz m dia quadr tica root mean square da amplitude da press o ac stica P P Pa A intensidade da onda ac stica calculada atrav s do valor m dio da press o ac stica em vez de valores instant neos A press o ac stica e a intensidade devido vasta gama de valores que podem assumir s o usualmente expressos em escalas logar tmicas referentes a n veis de press o e intensidade A escala logar tmica mais comum a escala decibel O n vel de intensidade ac stica IL dado por pie 3 2 REF em que Irgr a intensidade de refer ncia O n vel de intensidade ac stica pode alternativamente ser expresso por IL 20log e 3 3 S10 REF em que prer a press o de refer ncia 2 1
99. s Canadian Hydrographic Conference 2000 SPIE Ocean Optics X Vol 1302 pp 597 611 USACE 2002 Vergos G and M Sideris 1998 Whitman E 1996 Wozencraft J 2001 Wright C and J Brock 2002 Yakima W Wilt M H Morrison K Lee and N Goldstein 1989 186 Hydrographic Surveying Manual On Improving the Determination of the Gravity Field by Estimating the Bottom Ocean Topography with Satellite Altimetry and Shipborne Gravity Data Laser Airborne Bathymetry Lifting the Littoral The Coastal Zone Revealed Through Shoals Lidar Data EAARL A LIDAR for Mapping Shallow Coral Reefs and Other Coastal Environments Electromagnetic Sounding in the Columbia Basin U S Army Corps of Engineers Department of the Army Washington Department of Geomatics Engineering University of Calgary Sea Technology August 1996 pp 95 98 Proceedings US Hydrographic Conference 2001 Seventh International Conference on Remote Sensing for Marine and Coastal Environments Proceedings 2002 Geophysics Vol 54 No 8 pp 952 961 187 ANEXO REFERENCIAL E SISTEMAS DE COORDENADAS Referencial e Sistemas de Coordenadas A determina o de profundidade efetuada numa plataforma em condi es din micas Normalmente utilizado um sistema de refer ncia sistema de coordenadas da embarca o com tr s eixos ortogonais para localizar a bordo os sensor
100. temperatura Por essa raz o esperada uma varia o do alcance sonar com a temperatura do meio O espalhamento esf rico depende a geometria Para um ngulo s lido a energia ac stica dispersa se medida que a dist ncia fonte aumenta Ambas as perdas por absor o e por espalhamento esf rico s o tidas em considera o na equa o sonar cf 2 1 2 No entanto as perdas por reflex o dependem de part culas ou corpos presentes na coluna de gua A reflex o deve se principalmente ao organismos marinhos sendo uma das maiores contribui es o deep scattering layer DSL que consiste numa camada de pl ncton que varia de profundidade ao longo do dia Coeficiente de Absor o 100 90 80 70 d 5C m 10 C a 15 C 50 20 C dB km 30 20 10 0 0 50 100 150 200 250 300 Frequ ncia KHz Figura 3 4 Coeficiente de absor o 2 3 2 Refra o e reflex o A refra o o processo pelo qual a dire o de propaga o da onda ac stica varia como resultado da varia o da velocidade de propaga o do som ao longo do meio de propaga o ou quando a energia ac stica passa atrav s da interface entre dois meios apresentando uma descontinuidade na velocidade de propaga o do som entre os dois meios De acordo com a Lei de Snell e considerando dois meios Figura 3 5 com diferentes velocidades de propaga o do som
101. uficiente a utiliza o de um valor m dio de velocidade de propaga o do som ao longo da coluna de gua No entanto para feixes obl quos necess rio efetuar o tra ado do raio ac stico tendo em considera o a curvatura do feixe devido a fen menos de refra o Este o procedimento utilizado nos sondadores de multifeixe ver 5 2 1 8 1 Para um impulso transmitido na vertical i e 00 0 a m dia harm nica para a velocidade de propaga o do som ch para uma profundidade z dada por Z Ch Z gt 3 18 1 C y In 8 Cia 4 i Cin em que g o gradiente constante na camada i dado por g Z Z 2 3 Propaga o do som na gua do mar Nesta sec o apresentada a propaga o do som na gua do mar em particular a atenua o reflex o e refra o C 13 125 2 3 1 Atenua o A atenua o a perda de energia na propaga o de uma onda ac stica devido a absor o espalhamento esf rico e dispers o devido a part culas existentes na coluna de gua A absor o resulta da dissocia o e associa o de algumas mol culas na coluna de gua O sulfato de magn sio MgSO4 o composto que mais contribui para a absor o na gua do mar A taxa de absor o depende das propriedades f sico qu micas da gua e da frequ ncia ac stica transmitida Observando a Figura 3 4 poss vel concluir que acima de 100 kHz o coeficiente de absor o aumenta com a
102. ughes Clarke J 1995 184 BIBLIOGRAFIA Global Gravity Field from ERSI and GEOSAT Geodetic Mission Altimetry On the Possibility to Estimate the Bottom Topography from Marine Gravity and Satellite Altimetry Data Using Collocation Lidar Principles and Applications Modelling Bathymetry by Inverting Satellite Altimetry Data A Review SPOT Satellite Data Analysis for Bathymetric Mapping Swath bathymetry Principles of operation and an analysis oferrors Bathymetric Prediction from SEASAT Altimeter Data Bottom Reflectance Maps from Hyperspectral Sensors An Application to AAHIS Data Precise Multibeam Acoustic Bathymetry Airborne Laser Hydrography System Design and Performance Factors Meeting the Accuracy Challenge in Airborne Lidar Bathymetry New Capabilities of the SHOALS Airborne Lidar Bathymeter Multiple Surface Channels in SHOALS Airborne Lidar Design Considerations for Achieving High Accuracy with the SHOALS Bathymetric Lidar System Simrad EM 950 1000 Error Model for Australian Navy Estimating Depth and Positioning Errors for the Creed EM 1000 Swath Sounding System National Oceanic and Atmospheric Administration Sea Beam System Patch Test Reference Frame and Integration Journal Geophysics Research 103 C4 pp 8129 8137 In R Forsberg M Feissel R Dietrich eds Geodesy on the Move Gravit
103. ura da rea insonificada na dire o proa popa dado aproximadamente por a a EE 3 37 cos B 2 143 em que Gr a largura do feixe transmitido A cobertura do fundo uma fun o da dimens o das reas insonificadas do espa amento transversal dos feixes da taxa de transmiss o dos impulsos da velocidade da plataforma de sondagem da varia o da proa yaw do pitch e do roll Para se obter a insonifica o completa do fundo as reas insonificadas de impulsos consecutivos devem ter alguma sobreposi o de tal forma que qualquer ponto no fundo seja insonificado no m nimo por um impulso ac stico Num fundo plano o comprimento da faixa insonificada dado por AO S 2z anf 22 3 38 em que A9 a abertura angular efetiva do feixe transmitido no sentido transversal proa 5 SISTEMAS AC STICOS Esta sec o apresenta os sistemas ac sticos utilizados em levantamentos hidrogr ficos Estes sistemas s o divididos de acordo com a sua capacidade cobertura do fundo submarino ou seja sondadores de feixe simples e sondadores de varrimento sondadores multifeixe ou sonares interferom tricos 5 1 Sondadores de feixe simples Os sondadores ac sticos s o dispositivos utilizados para a medi o da profundidade A medi o efetuada por observa o do intervalo de tempo entre a emiss o de um impulso ac stico e a recep o do seu eco ap s reflex o no fundo submarino Tradicionalmente
104. xe A vari ncia da profundidade devido imers o do transdutor ver 5 1 4 4 dada por 2 2 2 2 O O frag tO 0 3 83 settlement squat 2 settlement Z 4 ANA 2 a vari ncia do assentamento e O ca 2 cs onde Ogaugn vari ncia do calado o quit vari ncia do squat 5 2 1 8 4 Redu o da profundidade Este assunto j foi analisado em 5 1 4 8 O controlo de qualidade deve ser efetuado atrav s de c lculos estat sticos baseados na compara o entre profundidades das fiadas de verifica o e superf cie batim trica gerada com as fiadas principais A estat stica gerada nesta compara o deve satisfazer os requisitos de exatid o apresentados na S 44 De acordo com os erros apresentados acima a vari ncia estimada para a profundidade reduzida dada por 2 2 tide T O z detection PD 2 2 0 Oze F O b motion O o 3 84 C 13 174 2 Z det ection onde o corresponde vari ncia da profundidade devido ao algoritmo de detec o do fundo implementado no sondador multifeixe Lurton 2002 O erro estimado na profundidade reduzida a um n vel de confian a de 68 por cento ou 10 obtido pela raiz quadrada da equa o 3 84 Assumindo que as componentes do erro seguem uma distribui o aproximadamente normal o erro estimado da profundidade reduzida a um n vel de confian a de 95 por cento ou 20 obtida pela substitui o cada vari ncia o por 20 5 2 2 Son
105. y Geoid Geodynamics and Antarctica IAG Symposia 119 Springer Verlag Berlin Heidelberg pp 105 112 IMAGIN Conference 2002 Traverse City Marine Geophysics Research 18 pp 23 134 IEEE pp 964 967 IEEE Journal of Oceanic Engineering 14 pp 289 298 Journal Geophysics Research 88 pp 1563 1571 In Proceedings ERIM Fourth International Conference on Remote Sensing for Marine and Coastal Environments Orlando pp 17 19 Marine Geodesy 22 pp 157 167 NOAA Professional Paper Series National Ocean Service Proceedings of EARSeL Symposium 2000 Dresden Germany Proceedings 5th International Conference on Remote Sensing for Marine and Coastal Environments ERIM International October 5 7 San Diego CA Vol I 47 55 SPIE Ocean Optics XII Vol 2258 pp 422 430 SPIE Laser Remote Sensing of Natural Waters from Theory to Practice Vol 2964 pp 54 71 Extract of Report Simrad Subsea AS Horten Norway 4 p Proceedings of the Canadian Hydrographic Conference 96 Halifax NS Canada pp 9 15 International Hydrographic Review Monaco LXVI 2 pp 119 139 Lecture IV 1 in Coastal Multibeam Hydrographic Surveys United Hughes Clarke J 1995a Ingham A 1992 Irish J and W Lillycrop 1999 Irish J J McClung and W Lillycrop 2000 Jung W and P Vogt 1992 Lillycrop W L Parson and J Irish 1996 Lillycrop W and J Banic 1993 Lillycrop W J

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