PROGETTO DI RICERCA SisMa Il titolo del progetto è “Sistema di

PROGETTO DI RICERCA SisMa
Il titolo del progetto è “Sistema di Monitoraggio Marino” ed il suo acronimo è SisMa.
Base di partenza scientifica
Il monitoraggio continuo dei parametri ambientali (temperatura, concentrazione di inquinanti,
rumore e segnale sismico,…) riveste un ruolo sempre maggiore nell'ambito delle metodologie per la
gestione e mitigazione dei rischi naturali ed indotti dall'attività industriale.
La necessità di un'informazione sulle variazioni dei parametri ambientali uniformemente distribuita
sull'area geografica d'interesse, è spesso incompatibile con la conformazione e l'accessibilità del
territorio su cui viene installato il sistema di monitoraggio.
Con particolare riferimento alle aree costiere, l'ambiente marino costituisce attualmente una grossa
limitazione per il monitoraggio di parametri ambientali derivante dalle difficoltà tecnologiche e
logistiche nella acquisizione, gestione remota e trasmissione di dati da una rete permanente. In
taluni casi, ad esempio le aree vulcaniche napoletane, questa limitazione impedisce di avere una
visione completa dei fenomeni sismici e vulcanici, data l'estensione in mare del sistema vulcanico.
L'acquisizione in continua dei dati in ambiente marino viene normalmente effettuata con sistemi
remoti posti sul fondo, equipaggiati con uno o più sensori che registrano su supporto locale, o con
sensori collegati via cavo a sistemi galleggianti (boe attrezzate), in eventuale trasmissione radio con
un centro di acquisizione posto a terra. Nel primo caso i dati diventano accessibili solo con il
recupero parziale o totale dell'apparecchiatura installata, che può avvenire anche in periodi lunghi
successivamente all'installazione con grande impegno organizzativo ed economico. Nel secondo
caso l'uso di boe e cavi è fortemente impedita in zone costiere con intenso traffico marittimo o
attività di pesca di fondo. Risulta quindi argomento di ricerca avanzata ed altamente innovativa,
nonché di grande interesse industriale, la progettazione e realizzazione di sistemi di monitoraggio in
ambiente marino, con acquisizione di dati in tempo reale, che permettano una gestione remota
efficiente, robusta e flessibile.
Il presente progetto affronta la problematica del rilevamento dati in ambiente marino e ne propone
una soluzione tecnologicamente avanzata per la teletrasmissione in acqua e l'integrazione con un
sistema di monitoraggio a terra. Si propone infatti di sviluppare un sistema modulare di rilevamento
dati su fondale marino, mediante sensori ed acquisitori in grado di comunicare tra di loro e/o ad un
centro di controllo tramite canale acustico subacqueo. L'implementazione di una modalità di
comunicazione bi-direzionale permette la gestione remota dei singoli sensori e la possibilità di
recuperare i dati in forma originale o pre-elaborata, consentendo una rapidità decisionale nella
gestione dei rischi ambientali.
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Obiettivi generali del progetto
Gli obiettivi generali si possono così riassumere:
• Definire un sistema innovativo di controllo di parametri ambientali, modulare, flessibile ed
integrabile con gli esistenti sistemi terrestri.
• Studiare le tecnologie idonee a realizzare un canale acustico di comunicazione in ambiente
marino
• Studiare componenti e sistemi sensoriali innovativi atti ad ottimizzare la velocità di trasmissione
dati, la semplicità strutturale e la flessibilità d’impiego
• Studiare modi di codifica e decodifica dei segnali che consentano collegamenti affidabili nella
complessa propagazione in mare
• Ottimizzare l'architettura studiando un sistema modulare di facile estensione
• Consentire un valido sistema di sorveglianza di zone costiere
• Promuovere lo sviluppo degli studi dell’ambiente e favorire lo spirito di cooperazione tra gruppi
scientifici ed industriali.
La ricerca si propone di sviluppare un prototipo dimostrativo che, implementando un canale
informatico subacqueo, estenda le capacità di controllo ambientale anche al settore marino. Nello
specifico il sistema sarà validato attraverso l'acquisizione, trasmissione ed elaborazione del dato
sismico.
Il risultato atteso è quello di realizzare strumenti sensoriali sottomarini integrabili nelle esistenti
reti di sorveglianza terrestri così da estendere il controllo ambientale alle zone marine costiere.
Sulla base degli obiettivi descritti il progetto si inserisce nelle problematiche di :
1) sviluppo di sistemi di monitoraggio ambientale, telecontrollo e telesorveglianza
2) sviluppo di componenti e sistemi per il rilevamento di eventi ambientali, anche estremi, alle
diverse scale temporali e territoriali.
3) sviluppo di componenti e sistemi di rilevamento integrato dell’evoluzione di eventi meteoidrologici.
Inoltre i risultati del progetto potranno essere direttamente trasferiti alle tematiche che riguardano
le Nuove tecnologie di analisi e monitoraggio per la tutela dell’ambiente e del territorio, in quanto
si propone la messa a punto di un sistema di monitoraggio di parametri ambientale in ambiente
marino costiero.
Le caratteristiche e le prestazioni sono quelle di Sistemi di Supporto verso tutti quegli Enti che
hanno necessità di conoscere lo stato del territorio e/o che hanno la responsabilità di intraprendere
azioni in caso di necessità (es. Eventi sismici, Attività devastanti, ecc.).
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Struttura del sistema
Il progetto si propone la realizzazione di un sistema di monitoraggio multi-parametrico operante in
mare, costituito da sensori posti sul fondo marino, in connessione tramite telemetria acustica con un
sistema di controllo posto su di una boa. La boa sarà connessa via trasmissione radio con un centro
di controllo a terra che svolge funzioni di supervisione del sistema ed integrazione con un sistema
analogo operante a terra.
La struttura del sistema può essere rappresentata come mostrato in Figura 1
Figura 1 Prototipo di sistema di monitoraggio marino per il controllo di parametri ambientali. Gli elementi di
rilevazione saranno sensori da fondale marino. Il controllo e la teletrasmissione dati avviene mediante link acustico
in acqua tra i sensori e l'elaboratore di gestione, allocato in una boa. Il sistema è connesso via radio ad un centro di
controllo posto a terra.
Il sistema sarà costituito da:
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Un gruppo di teste telemetriche (Slave = Stazione di misura), poste a fondo mare e
che acquisiscono i dati forniti da appositi sensori e li trasmettono, su richiesta o su
intervento automatico, per mezzo di un link acustico
Una stazione di controllo a mare (Master secondario), posta su una boa in posizione
opportuna rispetto alle teste telemetriche, che interroga le stesse, riceve i dati ed invia
gli eventuali comandi di operatività
Una stazione di controllo a terra (Master primario), che gestisce il collegamento
attraverso un link radio con la stazione a mare
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I dati relativi all’ambiente provenienti dalla rete subacquea vengono convogliati ad un Centro di
Acquisizione Dati e verso gli Enti che hanno la responsabilità di intraprendere azioni in caso di
necessità.
Eventuali elaboratori periferici che potranno essere allocati nelle Unità Master, avranno il compito
di concentrare informazioni provenienti da più sonde di rilevamento e di convogliarle alla rete
attraverso un protocollo comune, possibilmente standard. Inoltre, dovranno consentire alla rete
subacquea di operare secondo logiche di intervento automatico per la rilevazione e segnalazione di
eventi. Infine dovranno gestire il sincronismo delle Unità Slave in modo da consentire successivi
processi di correlazione da parte del Servizio di Sorveglianza.
Il progetto si focalizzerà sui seguenti aspetti:
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Studio architetturale del sistema di controllo remoto dei parametri ambientali, con particolare
riferimento all'ambiente sottomarino
Studio della tecnologia dei Trasduttori Elettroacustici per l’applicazione in un link subacqueo
Studio delle codifiche ed interfacce per il trasferimento di dati attraverso un canale acustico
subacqueo
Raccolta e gestione delle informazioni da sorgenti diversamente spaziate
Qualità della comunicazione (intellegibilità bi-direzionale)
Autonomia operativa e gestione della rete sensoriale subacquea
Il Progetto si propone, utilizzando idonei modelli fisici e/o matematici, di:
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Razionalizzare ed aggregare le informazioni provenienti da punti di raccolta diversi;
−
Sviluppare un link acustico idoneo alla trasmissione subacquea delle informazioni;
−
Correlare le strutture dati in modo flessibile in funzione delle esigenze dell'utenza
(aggregazione finalizzata alle applicazioni richieste);
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Normalizzare le informazioni;
−
Standardizzare le modalità di connessione e di sviluppo delle applicazioni per consentire
rapidamente l’introduzione di nuove utenze e/o gruppi sensoriali.
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Aspetti Principali della Ricerca
Tra le problematiche da affrontare, particolare rilevanza assumono quelle afferenti al canale di
comunicazione subacquea ed alla tecnologia dei trasduttori elettroacustici che si intende impiegare
nel suddetto sistema di comunicazione.
Canale di Comunicazione Acustica Subacquea
La ricerca nel campo della trasmissione di dati digitali attraverso il canale acustico subacqueo (link
acustico) è principalmente afferente ai seguenti aspetti:
Capacità di trasmissione ad elevate bit rate (ordine di grandezza dei kbit/s), necessarie a trasferire,
dal sito subacqueo a terra, elevate quantità di informazioni in real time, in modo da minimizzare
l’elettronica di elaborazione in parte bagnata;
Raggiungimento di portate dell’ordine di alcuni chilometri, anche se il campo delle frequenze
adottate dal link acustico è quello delle alte frequenze (generalmente dai 10 KHz ai 30 KHz), ove le
perdite di propagazione per assorbimento sono elevate (qualche dB/Km proporzionalmente al
valore di frequenza), mantenendo nel contempo alta affidabilità di comunicazione in termini di
probabilità di corretta detezione del messaggio trasmesso (Pdc > 99%) ¸ l’incremento di portata
presenta il forte vantaggio di poter effettuare monitoring e sorveglianza di aree estese
minimizzando i nodi intermedi di comunicazione, consentendo di ottenere sistemi complessi più
efficaci (maggiore affidabilità di comunicazione complessiva) e meno costosi;
Individuazione di tecniche di trasmissione e di elaborazione del segnale, tese a minimizzare gli
effetti deteriori del multipath, che rappresenta un fattore molto limitante negli ambienti costieri
caratterizzati da bassi fondali (10-150 m) di tipologia mista (sabbia-roccia con presenza di detriti
variamente distribuiti); in presenza di tale fenomeno, i dati trasmessi possono subire forte
distorsione nell’attraversare il canale acustico, con conseguente abbassamento dell’affidabilità della
comunicazione.
La risoluzione di tutti gli aspetti sopra citati costituisce una sfida per la ricerca industriale, nella
concezione e realizzazione di un link acustico altamente performante non solo in condizioni di
acque alte e nel caso di link verticale, ma essenzialmente in condizioni ambientali costiere, che,
oltre a presentare i fattori limitanti descritti nel caso del multipath, sono anche caratterizzate da alta
variabilità delle condizioni di propagazione a seconda della stagione e delle fasce orarie.
In campo internazionale, i sistemi di link acustico attualmente più all’avanguardia sono realizzati da
ditte statunitensi; le frequenze adottate sono nell’intorno o di 10KHz o dei 20KHz o dei 30KHz: in
tutti i casi la banda operativa è circa 5KHz e le tecniche di codifica sono del tipo FSK.
In condizioni di acque basse e link orizzontale, la bit rate massima è di 1200 bit/s.
Non viene dichiarato un dato quantitativo riguardo al degrado di portata, ma è lecito stimare che,
tali sistemi, alla frequenza di 30 KHz, non coprano distanze superiori a 1000 m.
Le prestazioni massime si ottengono in condizioni di acque alte (tipiche dei fondali oceanici) e di
link verticale:
portate massime di 6 Km (alla frequenza di 10 KHz) a portate di circa 3 Km (alla frequenza di 30
Khz); bit rate massima pari a 2400 bit/s.
La Ditta WASS, coinvolta nel progetto, opera prevalentemente nel settore della Difesa e si è anche
interessata agli aspetti civili sviluppando e realizzando, fino dagli anni 70, sistemi di telecomando e
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telemisura per applicazioni subacquee. Tali sistemi operano in banda frequenziale nell’intorno di
10KHz, e adottano tecniche di modulazione del segnale di tipo FSK e diversity sia in frequenza sia
in spazio. Data la consolidata esperienza nel settore elettroacustico subacqueo (sonar di detezione e
classifica per imaging), acquisita per soddisfare alle richieste di mercato, la WASS ha maturato il
know-how necessario per affrontare e risolvere le problematiche di ricerca industriale connesse alla
trasmissione dati in acqua ad elevata bit-rate.
Le attività di ricerca relative al canale acustico di comunicazione saranno indirizzate alla soluzione
delle diverse problematiche sopra esposte, con riferimento ad un sistema che operi in acque costiere
e per il quale assume rilevanza la massimizzazione della bit rate, più che della portata (distanze di
comunicazione di 1000 m al massimo sono più che sufficienti).
Pertanto, la ricerca sarà mirata ad ottimizzare i risultati ottenibili, mediante l’adozione di frequenze
da selezionarsi nel campo che va da 80 KHz a oltre 100 KHz, con una banda operativa maggiore dei
5 KHz (valore di obiettivo: 10 KHz).
La variabilità dipendente dalla frequenza selezionata e da condizioni ambientali reali, più o meno
favorevoli in dipendenza del punto di prova e delle fasce orarie/stagionali (il sito di prova sarà il
Golfo di Pozzuoli o il Golfo di Napoli che rappresentano una condizione acusticamente molto
critica).
La propagazione del segnale acustico in mare dipende fortemente dalla variabilità delle proprietà
chimico-fisiche della colonna d'acqua (temperatura, salinità, pressione etc.). In condizioni di
particolare disturbo nella propagazione dei segnali acustici, come ci si aspetta nelle zone costiere,
si rende necessario uno studio specifico dell'affidabilità della comunicazione acustica.
A questo scopo è di primaria importanza simulare con codici numerici il campo acustico
(generato da una certa sorgente) che si propaga in un mezzo caratterizzato da un fissato modello di
velocità delle onde acustiche. Le simulazioni giocano un ruolo decisivo anche per quanto riguarda
la scelta dei siti di misura in funzione delle problematiche sismologiche e tecniche in modo da
garantire un rapporto ottimale segnale/rumore ed una buona copertura azimutale dell'area in studio.
La scelta dei siti sarà effettuata anche considerando l'estensione a mare delle aree sismicamente
attive e/o vulcaniche da monitorare.
Trasduttore Elettroacustico
Il trasduttore oggetto della ricerca sarà ad alta frequenza (nel campo 80-100 KHz) e sarà realizzato
in tecnologia diced.
Tale tecnologia consente di ricavare da un unico blocco ceramico, mediante opportune incisioni di
precisione, array di trasduttori lineari o matriciali; la peculiarità della tecnologia risiede nel fatto
che gli elementi dell’array, pur rimanendo fisicamente non indipendenti, risuonano
indipendentemente l’uno dall’altro.
Essi presentano i seguenti vantaggi:
uniformità di caratteristiche (impedenza, capacità bloccata, etc.) di ciascun elemento dell’array
rispetto a quelli costituiti da elementi fisicamente discreti (si evita così il problema della selezione
degli elementi);
possibilità realizzativa di array molto direttivi, operanti a frequenze anche elevatissime (anche
dell’ordine di grandezza dei MHz) ove le dimensioni di ciascun elemento possono anche essere
inferiori al mm.
In campo internazionale, la ricerca e lo sviluppo nell’ultimo decennio si sono sempre più orientati
verso le problematiche relative all’adozione delle alte/altissime frequenze in campo acustico (oltre
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i 30 KHZ fino all’ordine di grandezza dei MHz), essenzialmente per applicazioni a sonar per
acquisizione di immagini. In questo contesto, i trasduttori più comunemente impiegati sono quelli
costituiti da array ad elementi discreti caratterizzati da bassissimi rendimenti di trasduzione (molto
inferiori al 20%) e che necessitano di accurati processi di selezione ed accordo delle singole
ceramiche per ottenere le altissime direttività richieste. Trattasi sempre di applicazioni nell’ambito
di sistemi i cui requisiti di portata vanno da qualche decina di metri (sonar per imaging) a pochi
centimetri (sistemi ecografici nel campo bio-medicale).
Sporadiche applicazioni di array trasduttori realizzati in tecnologia diced sono riscontrabili nel
suddetto settore dei sonar per acquisizione di immagini.
Nell’ambito del presente progetto, la tecnologia dei trasduttori elettroacustici su richiamata, è
particolarmente mirata per le frequenze superiori a 80 KHz.
La capacità di progettare, realizzare e caratterizzare antenne acustiche a tali frequenze, costituisce,
in sintesi, uno degli obiettivi della ricerca industriale specifica in questo campo. L’obiettivo sarà
mirato ad ottimizzare i parametri del trasduttore che presentano particolare rilevanza
nell’applicazione del link acustico proprio del presente progetto di ricerca, e cioè il rendimento di
trasduzione e la direttività.
È da rimarcare la versatilità insita nella ricerca relativa al trasduttore; la tecnologia diced, infatti
consente di realizzare array ben più direttivi di quanto necessario per l’applicazione nel presente
progetto (aumentando la frequenza operativa o , a parità di frequenza, le dimensioni), laddove
l’impiego di tecnologie tradizionali (elementi fisicamente indipendenti) presentano forti limiti
realizzativi (allineamento di elementi di dimensioni anche inferiori al mm) con prestazioni
degradate a causa della difficoltà di accordare i vari elementi per ovviare alle disuniformità delle
loro caratteristiche acustiche individuali.
L’adozione di array trasduttori ad alta frequenza consente di estendere la capacità di comunicazione
sottomarina; tali array aprono la strada ad innumerevoli applicazioni, che vanno dal controllo dei
parametri ambientali del presente obiettivo tematico alla sorveglianza, in prospettiva, per la
sicurezza delle zone costiere, alla classifica dei fondali e di oggetti sommersi.
Lo studio per l’ottimizzazione dei processi di telemetria acustica, nel quadro degli innumerevoli
fattori limitanti tipici dell’ambiente marino, assicura una competitività nel campo delle
comunicazioni subacquee di tipo acustico (che quindi non necessitano di supporti fisici quali i cavi
sommersi) ed, in particolare, nel campo dalle applicazioni per l’osservazione e il controllo degli
ambienti sommersi.
Le tecnologie dei trasduttori ad alta frequenza aprono la strada a diverse applicazioni innovative tra
le quali si citano:
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Telecamere acustiche subacquee
Trasferimento dati ad alta bit rate con unità subacquee non connesse via cavo
Dispositivi di equipaggiamento per la robotica sottomarina (es. sonar alta risoluzione classe
imaging)
Telecontrollo/Telecomando di equipaggiamenti subacquei.
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