SISTEMA SEADARQ UNA BREVE DESCRIZIONE

Transcript

1 SISTEMA SEADARQ UNA BREVE DESCRIZIONE SOMMARIO 1 - Introduzione... pag Descrizione... pag Rilevamento oil spill... pag Piccole imbarcazioni... pag Tratti costieri... pag Topografia del fondale marino... pag Calcolo delle correnti e della profondità... pag Informazioni AIS... pag Trasmissione dei dati... pag Conclusioni... pag. 21 pag.

2 1. Introduzione Il progetto SeaDarq nasce negli anni 90 quando il Ministero della Marina Olandese chiede al Centro di ricerca TNO (corrispondente olandese del nostro CNR) uno studio riguardante la possibilità di espandere quantitativamente e qualitativamente le informazioni disponibili a video provenienti da un qualsiasi radar di navigazione. Lo studio e la successiva attuazione del progetto danno vita al sistema SeaDarq. La bontà dei risultati ottenibili dal sistema, oltre che le naturali applicazioni in campo militare, scopo per cui il sistema è nato, fornisce lo spunto per sviluppare applicazioni anche in campo civile. A tale scopo, nasce SeaDarq B.V. come joint venture tra TNO e Tech5, affermata ditta olandese nel campo dell elettronica civile. Fig. 1 - Sistema SeaDarq. pag.

3 2. Descrizione SeaDarq utilizza comuni radar in banda X di navigazione o di terra per rilevare informazioni altrimenti non visibili attraverso il normale utilizzo di tali radar. Il sistema basato su PC dotato di potente scheda grafica, è connesso al radar attraverso un interfaccia appositamente realizzata, che convoglia al sistema di processazione i dati di cui esso necessita per la sua elaborazione. SeaDarq estrae tali informazioni dal segnale radar puro (RAW) ovvero a monte del filtro di clutter. Ad ogni rivoluzione, ad. es. una volta al secondo, SeaDarq digitalizza ed immagazzina l immagine radar o un area di essa specificata dall operatore. Componendo così un certo numero di immagini co-locate, acquisite da successive rivoluzioni d antenna, viene prodotto un flusso continuo di immagini nel dominio del tempo. SeaDarq può operare su nave, su piattaforma o su sito costiero posto ad una certa altezza. Fig. 2 - Schema a blocchi. pag.

4 Come già detto, il sistema processa il segnale direttamente dal clutter del mare che normalmente viene filtrato. È necessario quindi uno splitter box (fornito dal costruttore del radar) per estrarre il segnale non filtrato e contemporaneamente lasciare intatte le normali funzionalità del radar. All uscita di tale splitter box, attraverso un flusso di dati trasportato dal sistema di connessione, è disponibile l immagine RAW. Tale immagine può essere immediatamente visualizzabile attraverso un monitor dedicato. Le specifiche del radar utilizzato raccomandate dalla casa sono riportate alla fine di questo documento. È importante notare che per scopi di rilevamento di sversamenti da idrocarburi per il quale è necessario che il radar disponga di polarizzazione verticale, potrebbe essere necessario apportare una modifica all antenna. Questa modifica deve essere effettuata presso i laboratori del TNO. Fig. 3 - Processazione dei dati. pag.

5 Sono disponibili vari tipi di immagine. L immagine RAW è digitale, non processata, direttamente proveniente dalla connessione tra il radar ed il sistema. Queste immagini sono memorizzate in RAM o su hard disk e disponibili per una loro elaborazione. Il passo successivo è cosituito proprio dalla processazione che aggiunge alle immagini un livello di dettaglio e contrasto nettamente superiori. Anche le immagini processate sono disponibili per una loro visualizzazione a monitor in tempo reale. Il sistema è dotato di una intuitiva interfaccia grafica che semplifica al massimo l operabilità del sistema. Ciò permette di accedere ad una serie di utili funzionalità. È possibile, ad esempio, in caso di rilevamento di sversamenti, tracciare un poligono a perimetro della macchia. Il sistema calcolerà immediatamente l area in km quadrati. Usando la funzione di snapshot (istantanea) è possibile catturare lo schermo e trasmettere l immagine in uno dei comuni formati ad un centro di elaborazione dati posto a terra. Fig. 4 - La completa ed intituiva interfaccia utente. pag.

6 L interfaccia di semplice gestione fornisce a vista tutte le informazioni primarie quali le coordinate GPS, il valore di heading. La schermata può essere personalizzata scegliendo colorazioni diverse per le singole parti del video e selezionando le modalità giorno e notte. Sono disponibili anche operazioni di tutto schermo zoom e pan. Un altra funzione molto utile è costituita dalla capacità del sistema di misurare la velocità e la direzione delle correnti. Ciò permette di effettuare previsioni circa l evoluzione dello spostamento di un dato bersaglio (macchia d olio, imbarcazione alla deriva) nel tempo. Queste informazioni sono presentate a video sottoforma di vettori in intensità e direzione. La combinazione di queste informazioni con quelle riguardanti il vento, permetteranno di pianificare le operazioni di recupero dell oggetto identificato (Prediction mode). È importante sottolineare che tutte queste misure vengono prodotte e presentate IN TEM- PO REALE. Quindi, ciò che si vede a video è effettivamente ciò che sta accadendo nel mare. Infine, un altra notevole funzionalità è quella di permettere la registrazione e la successiva memorizzazione sul disco rigido interno o su DVD di uno spezzone di schermata radar ritenuta particolarmente importante. Alla semplice pressione di un pulsante a video ed alla conseguente scelta del supporto di memorizzazione, inizia la registrazione di quanto stiamo vedendo a video. Questo è fondamentale per la creazione di un archivio dati nonché per la dimostrazione della presenza di uno sversamento. Dato che il software del sistema è strutturato a layer, è possibile inserire sullo sfondo (layer sottostante) una mappa della zona per una immediata referenziazione geografica dell immagine d interesse. Fig. 5 - Misura delle correnti. pag.

7 Fig. 6 - Esempio di tracciamento di un area poligonale e misura automatica dell area. Fig. 7 - Schermata SeaDarq con mappa della zona (Porto di Livorno) su layer sottostante. pag.

8 3 - Rilevamento di oil spill È un fatto noto che le macchie di olio tendono a lisciare la superficie del mare producendo un eco radar più basso. Questo comporta che in corrispondenza di tale area l immagine radar risulta più scura. Tale fenomeno è anche utilizzato nei satelliti e gli aerei SLAR e SAR. Dato che il sistema lavora sulle tipiche frequenze dei radar in banda X, esso può operare in H24 ed in qualsiasi condizione meteorologica. La seguente figura risale all affondamento della petroliera Prestige al largo delle coste galiziane nel 2002 con onde alte sino a 6 m. A sinistra viene mostrata l immagine RAW nella quale lo sversamento risulta completamente oscurato dal clutter. A destra l immagine mostra la stessa situazione ma dopo la processazione dei dati. In questo caso, l oil spill è completamente visibile. Fig. 8 - Immagini RAW e processata relative allo sversamento di petrolio causato dall affondamento del Prestige. La risoluzione teorica è pari a 3,75 mt. ma, nella pratica, minore è la larghezza dell impulso radar, maggiore è la risoluzione. In buone condizioni, sono disponibili anche le seguenti informazioni: - Valutazione dello spessore della macchia valutando a monitor i diversi gradi di nero presenti nell area rilevata - Effettiva identificazione dello sversamento rispetto ad altre possibili cause di formazione di macchie scure nel immagine, come ad esempio, banchi di alghe. pag.

9 Il sistema è capace di identificare un gran numero di idrocarburi: le immagini seguenti si riferiscono a processazioni di dati provenienti da sversamenti di benzina, diesel e finagreen rispettivamente. I coni scuri che si vedono nelle immagini sono dovute all ombra causata dall albero della nave. Fig. 9 - Immagine processata da sversamento di benzina. Fig Immagine processata da sversamento di gasolio. pag.

10 Fig Immagine processata da sversamento di finagreen. A seguire vengono riassunti i dati tecnici più importanti del sistema per quanto riguarda il rilevamento di sversamenti: - Rilevamento di sversamenti dei seguenti tipi di olio: Ifo 300, 680 (Prestige) - Ifo 30 - Miscela di Ifo 30 e diesel - Diesel Finagreen - Benzina - Condizioni di vento per il rilevamento: minimo 2 m/sec e massimo m/sec - Operatività giorno e notte ed in presenza di agenti atmosferici quali nebbia e pioggia - Determinazione dell area dello sversamento - Previsione dello spostamento della macchia - Spessore relativo dello sversamento sottoforma di livello di nero dei vari punti della macchia - Portata media del sistema: 400 x altezza dell antenna radar sulla superficie del mare (dato teorico, nella pratica molti fattori influiscono sul valore della portata reale) - Dati RAW memorizzati immediatamente disponibili - Flusso dei dati e potenza di elaborazione dipendente dalle capacità del sistema - Utilizzo della infrastruttura già esistente - Risoluzione pari 3,75 mt pag. 10

11 4 - Piccole imbarcazioni La possibilità di identificare piccole imbarcazioni e la loro scia, è importante ai fini del monitoraggio di quei tratti di mare e costieri più esposti al passaggio di navigli, solitamente di medio-piccole imbarcazioni, recanti a bordo gruppi di clandestini o comunque impegnate in attivià illecite. Nella figura seguente, si nota come un piccolo motoscafo veloce possa essere evidenziato attraverso le capacità grafiche del software del sistema, addirittura georeferenziato dalla presenza della mappa della zone nel layer sottostante l immagine. Fig Rilevamento di piccola imbarcazione. pag. 11

12 Nel caso seguente, l imbarcazione è identificata dalla presenza e dalla rilevazione della scia da essa provocata. Fig Rilevamento di piccola imbarcazione attraverso la sua scia. La potenza della processazione del sistema nel determinare le differenze tra due immagini consecutive, consente di rilevare la presenza di bersagli anche nascosti nelle onde, bersagli che la scansione del segnale radar non può cogliere. Questo è importante non solo per la rilevazione di piccole imbarcazioni ma anche per l avvistamento di cetacei. 5 - Tratti costieri Nelle figure seguenti, è mostrata la possibilità di monitorare tratti costieri. Nelle prime due, la conformazione e la presenza di correnti è resa più evidente dalla colorazione data alle varie parti dell immagine. Nella terza figura, si notano con grande definizione anche le boe nell area (puntini bianchi) di mare interna nonché la conformazione del fondale marino. Alla fine dello scorso anno, è stata portata a termine dimostrazione finanziata dalla Regione Marche, con un sistema installato a circa 4 metri di altezza e connesso ad un radar GEM di 19. I risultati ottenuti hanno fornito il rilevamento di uno sversamento di 10 litri di gasolio a 9,2 km di distanza e di boe del diametro di 30/40 cm a circa 6 km. pag. 12

13 Fig Rilevamento tratto costiero. Fig Tratto costiero con applicazioni grafiche del sistema. pag. 13

14 Fig Rilevamento linea costiera e topografia del fondale marino. Il sistema radar + SeaDarq è installato su una postazione a circa 13 mt di altezza posizionata al centro dell immagine. In basso a destra, la mappa della zona. pag. 14

15 6 - Topografia del fondale marino Come già accennato, attraverso l osservazione del moto ondoso superficiale, il sistema è in grado di dare informazioni circa la topografia del fondale marino e di misurare gli spostamenti delle sedimentazioni presenti sul fondale in conseguenza delle correnti e/o del passaggio delle navi. Nella figura precedente si è già visto un esempio delle prestazioni offerte dal sistema in questo senso. Nella seguente si riporta un altro esempio di fondale marino misurato nei pressi di un tratto costiero olandese. Fig Fondale marino sovrapposto alla mappa di un tratto della costa olandese. pag. 15

16 7 - Calcolo delle correnti e della profondità La procedura per l inizializzazione del calcolo delle correnti e del fondale marino è immediata: innanzitutto si tratta di scegliere la porzione dell immagine d interesse per lo sviluppo di tale calcolo. Tale area d interesse può essere definita in varie forme (rettangolare o a torta ) ed in qualsiasi ampiezza semplicemente trascinando il mouse sullo schermo. A quel punto sarà sufficiente dare il via al processamento clickando sul relativo comando. Dopo qualche minuto (64 rivoluzioni del radar), cominceranno a comparire nell area designata i vettori relativi alla intensità e direzione della corrente, delle onde e la misura del fondale per ogni punto del reticolato posto all interno di tale area di punti. Tutte le informazioni possono assumere diversi colori selezionabili a scelta nonché essere presentati contemporaneamente o singolarmente per una maggiore leggibilità. In tale area, il fondale marino è presentato in varie colorazioni dipendenti dalla profondità. Portando il mouse su uno qualsiasi dei punti del reticolato, otteniamo in basso a destra dello schermo le informazioni corrente e profondità relative a quel punto. Come già accennato, una volta riempita l area d interesse, il processamento e la relativa presentazione a video di tutte le informazioni proseguiranno continuativamente ed in tempo reale. Fig Presentazione della profondità del fondale marino attraverso differenti colorazioni. pag. 16

17 Fig Definizione di un area per il calcolo delle correnti ed indicazione in basso a destra dello schermo dei dati relativi al punto dell area identificato dalla posizione del mouse. pag. 17

18 Fig Esempio di misura delle correnti, delle onde e della profondità del fondale. pag. 18

19 Sono stati effettuati test comparativi di precisione con i risultati ottenuti da boe di misurazione. La corrispondenza dei valori ottenuti è stata pari al 95%. Fig Grafico di correlazione tra misure di corrente ottenute da boe di misurazione e Seadarq. pag. 19

20 8 - Informazioni AIS L ultima versione del software consente di visualizzare i dati AIS direttamente sull immagine processata. Tale funzione è ovviamente personalizzabile ed escludibile a piacere. Passando il mouse sopra l etichetta riportante l identificativo MMSI della nave, vengono visualizzati tutti gli altri dati trasmessi dal terminale AIS di tale nave. Fig Presentazione delle informazioni AIS (MMSI) delle navi. pag. 20

21 9 - Trasmissione dei dati Le informazioni riguardanti uno sversamento e/o la misurazione delle correnti e delle onde possono essere inviate a terra in due modi diversi in dipendenza della disponibilità a bordo di un sistema di trasmissione più o meno performante. Come già accennato, per mezzo della funzione di snapshot (istantanea) è possibile catturare lo schermo e trasmettere qualsiasi immagine presente a video. Tale istantanea ha dimensione di circa 1 MB. Sarà quindi necessario disporre a bordo di una sistema satellitare Inmarsat Fleet BroadBand di ultima generazione o di un sistema VSAT. In mancanza di questi e disponendo solo di un terminale Inmarsat SatC o mini-m o di un sistema a copertura UMTS (rete cellulare), può essere inviato un semplice file di testo di pochi KB contenente il valore dell area dello sversamento ottenuto attaverso la funzione poligono, il dato di posizione ed il valore di intensità e direzione delle correnti Conclusioni In definitiva, il sistema Seadarq è un potente mezzo di aiuto in molti aspetti dei settori di ricerca praticati in ambiente marino. Il prodotto si pone come sorgente di informazioni altrimenti difficilmente ottenibili con i sistemi standard. Queste informazioni sono preziose per scopi idrografici, oceanografici e di protezione ambientale. La tecnologia avanzata, in continua evoluzione nonché le continue applicazioni sul campo rendono il prodotto costantemente aggiornato ed aperto a qualsaisi nuova applicazione venga richiesta. La presenza del centro di ricerca olandese TNO, padre del prodotto e la derivazione prettamente militare garantiscono la continuità di sviluppo nel tempo e la garanzia della presenza sul mercato. Le Le applicazioni sono molteplici e possono sostanzialmente essere riassunte nelle seguenti: Rilevamento di sversamenti da idrocarburi Rilevamento di piccole imbarcazioni Misurazione e topografia dei fondali marini Misurazione dell andamento delle correnti marine Scia delle imbarcazioni Conformazione della costa Avvistamento di cetacei pag. 21