CAPÍTULO 3 MEDIÇÃO DA PROFUNDIDADE

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1 115 CAPÍTULO 3 MEDIÇÃO DA PROFUNDIDADE 1. INTRODUÇÃO A Medção de profunddades é uma das prncpas tarefas do hdrógrafo. Estas tarefas requerem um conhecmento específco do meo físco, da acústca submarna, dos dversos equpamentos utlzados na medção de profunddades, dos sensores de determnação de attude e proa da plataforma de sondagem e dos procedmentos aproprados para cumprr os requstos e recomendações de exatdão e cobertura defndos pela publcação S-44 (5ª Edção) da OHI. O fo-de-prumo e a vara de prumar foram os prmeros equpamentos utlzados na medção dreta da profunddade. O seu prncípo de operação smples tem permtdo a sua contínua utlzação ao longo de város séculos. Os sondadores de fexe smples, dervados dos sonares mltares, foram um grande desenvolvmento tendo sdo utlzados em levantamentos hdrográfcos desde meados do século XX. Durante a últma década, os levantamentos hdrográfcos sofreram uma mudança conceptual na tecnologa e metodologa da medção das profunddades. Os sondadores de multfexe e sstemas de sondagem laser aerotransportados proporconam atualmente uma cobertura quase total do fundo do mar. A alta densdade de dados recolhdos, bem como a elevada taxa de aqusção dos mesmos conduzram a enormes coletâneas de dados batmétrcos e nformação complementar. O estado da arte dos equpamentos de medção de profunddade fo avalado como se segue pelo grupo de trabalho encarregue da preparação em 1998 da 4ª edção da S-44: Sondadores de fexe smples atngram, em águas pouco profundas, uma exatdão subdecmétrca. O mercado oferece uma varedade de equpamentos com dferentes frequêncas, taxas de transmssão de mpulsos etc. e é possível satsfazer a maora dos utlzadores, em partcular, os requstos dos hdrógrafos. ( ) Sondadores multfexe apresentam um rápdo desenvolvmento e oferecem grande potencal para medção exata e busca total do fundo, se utlzados com procedmentos adequados e se garantdo que a resolução do sstema é adequada para a detecção de pergos para a navegação. Sstemas de sondagem laser aerotransportados são uma tecnologa emergente que pode oferecer ganhos substâncas de produtvdade em águas límpdas e pouco profundas. Estes sstemas são capazes de medr profunddades até 50 metros ou mas. Apesar destas novas tecnologas, os sondadores de fexe smples (SFS) são anda os equpamentos mas comuns utlzados nos levantamentos hdrográfcos no mundo ntero. Estes sondadores evoluíram também do regsto analógco para o regsto dgtal, com aumento da precsão e da exatdão e com um conjunto de característcas e funconaldades que permtem corresponder a uma mas ampla varedade de solctações dos utlzadores. A utlzação de SFS com sensores de movmentos, sstemas de posconamento por satélte (GPS) e software de aqusção de dados concorrem para a otmzação da produtvdade e redução de pessoal durante os levantamentos. Nos nossos das os sondadores multfexe são uma valosa ferramenta para a determnação da profunddade quando requerda a busca total do fundo. Um número crescente de servços hdrográfcos adotou a tecnologa multfexe como a metodologa prncpal para a recolha de

2 116 dados batmétrcos para produção cartográfca. A acetação de dados multfexe na utlzação na cartografa náutca publcada é um ndcador da crescente confança na tecnologa. Apesar das elevadas capacdades dos SMF, é necessáro um conhecmento profundo dos seus prncípos de operação pelos planeadores, operadores e verfcadores, assm como prátca na aqusção e no processamento dos dados. Os sstemas de sondagem laser aerotransportados são utlzados por um número muto reduzdo de servços hdrográfcos. Estes sstemas têm a mas elevada taxa de aqusção e são partcularmente adequados para águas pouco profundas. No entanto, os custos de aqusção e operação e operação dos meos envolvdos não permtem um uso mas generalzado. Neste Capítulo, a Secção apresenta alguns fundamentos de acústca necessáros à compreensão das ondas acústcas na água do mar, à sua propagação e parâmetros acústcos. A Secção 3 trata dos sensores de movmento. A secção 4 apresenta as característcas dos transdutores e a sua classfcação relatvamente ao tpo de fexe, prncípos de operação e nstalação. A Secção 5 descreve os sstemas acústcos dos sondadores de fexe smples e sstemas de varrmento, tanto multfexe como sonares nterferométrcos; relatvamente às suas característcas, prncípos de operação, nstalação e uso operaconal. Fnalmente, a Secção 6 apresenta os sstemas não acústcos, tas como sstemas de sondagem laser aerotransportados e sstemas de ndução eletromagnétca, sstemas de detecção remota e os sstemas tradconas de rocega mecânca. A termnologa utlzada neste capítulo segue, dentro do possível, o Dconáro de Hdrografa [OHI SP-3 5ªEdção, 1994].. FUNDAMENTOS SOBRE ACÚSTICA E SENSORES DE MOVIMENTOS A água do mar é o meo onde usualmente têm lugar as medções efetuadas em hdrografa. Assm, torna-se essencal o conhecmento das propredades físcas da água e da propagação das ondas acústcas para compreender os conteúdos e objetvos deste capítulo..1. Ondas acústcas e propredades físcas da água do mar Apesar das ondas eletromagnétcas apresentarem uma propagação excelente no ar e no vácuo, estas dfclmente se propagam nos líqudos. No entanto, as ondas acústcas, sóncas ou ultrasóncas apresentam uma boa propagação nos meos elástcos, desde que estes possam entrar em vbração quando submetdos a varações de pressão. A maora dos sensores utlzados na determnação da profunddade utlza ondas acústcas Campo acústco As ondas acústcas consstem em varações subts do campo de pressão na água, as partículas de água movem-se longtudnalmente, para a frente e para trás, na dreção de propagação da onda, produzndo regões adjacentes de compressão e expansão. A ntensdade da onda acústca I é a quantdade de energa que atravessa uma undade de área por undade de tempo. A ntensdade acústca é dada por: pe I =, (3.1) ρc

3 117 em que ρ é a densdade da água, c é a velocdade de propagação da onda acústca na água e p e é a pressão acústca efetva 30, dada pela raz méda quadrátca (root mean square) da ampltude da pressão acústca P: p e = P A ntensdade da onda acústca é calculada através do valor médo da pressão acústca, em vez de valores nstantâneos. A pressão acústca e a ntensdade, devdo à vasta gama de valores que podem assumr, são usualmente expressos em escalas logarítmcas referentes a níves de pressão e ntensdade. A escala logarítmca mas comum é a escala decbel. O nível de ntensdade acústca, IL, é dado por, I IL = 10 log10 (3.) I REF em que I REF é a ntensdade de referênca. O nível de ntensdade acústca pode alternatvamente ser expresso por, em que p REF é a pressão de referênca 31. IL 0log10 p p e = (3.3).1.. Equação sonar A equação sonar 3 é utlzada para estudar e expressar a capacdade de detecção e desempenho dos sondadores em função das condções de operação [Urck, 1975]. Para os sondadores, a equação sonar apresenta uma medda da detecção de snal ou do eco, o Echo Excess (EE), REF EE = SL - TL - (NL-DI) + BS - DT. (3.4) onde SL = source level/nível de transmssão, TL = transmsson loss/perdas de transmssão, NL = nose level/nível de ruído, DI = drectvty ndex/índce de drectvdade, BS = backscatter strength/nível de retrodfusão e DT = detecton threshold/lmar de detecção. Nesta secção, cada termo da equação sonar é apresentado e estudado com o objetvo de permtr melhor compreensão dos processos envolvdos na propagação dos snas acústcos e da detecção de ecos. A ntensdade de uma onda acústca I r à dstânca r da fonte acústca é obtda por, 30 Pascal (Pa) é a undade de pressão no Sstema Internaconal de undades (SI). 31 Na acústca submarna a pressão de referênca usualmente adoptada é de 1 µpa. 3 SOund NAvgaton and Rangng.

4 118 I r p ρc = r W m, (3.5) em que p r é a pressão efetva à dstânca r e ρc é a mpedânca acústca 33 (consderando a velocdade de propagação da ondas acústca de 1500 m/s e a densdade da água do mar de 106 kg/m 3 a mpedânca acústca é ρc = kg/m s) O Nível de Transmssão/Source Level (SL) corresponde ao nível de ntensdade do snal acústco referdo a ntensdade de uma onda acústca plana 34 exercendo a pressão de 1 µpa (raz quadrátca meda) a 1 metro do centro da fonte transmssora,.e., I I 1 SL = 10log (3.6) As Perdas de Transmssão/Transmsson Loss (TL) resultam das perdas de ntensdade acústca devdo à geometra,.e., por espalhamento da energa ao longo de uma maor superfíce, sendo proporconal a r. E devdo à absorção em função das propredades físcas e químcas da água do mar e da frequênca acústca, sendo proporconal ao coefcente de absorção (ver.3.1). O espalhamento deve-se à forma cónca do fexe (Fgura 3.1). O aumento da superfíce conduz a um decréscmo da potênca por undade de área, ou seja a uma dmnução da ntensdade. REF Ω A 1 A A Ω = R R 1 y Fgura 3.1 "Perdas de propagação devdo à geometra do fexe" A potênca do mpulso acústco, Π, é gual a Intensdade x Área, Π = I 1 A 1 = I A, onde A 1 = Ω R 1 e A = Ω R, sendo Ω o ângulo sóldo A mpedânca acústca é uma medda da resstênca do meo à propagação de ondas acústcas,.e., um factor de proporconaldade entre a velocdade e a pressão acústca. 34 As ondas planas ocorrem em regões reduzdas, sufcentemente afastadas da fonte, onde as superfíces de onda (pontos que vbram em fase) são aproxmadamente planas e apresentam a mesma ampltude.

5 119 Assm, a relação de ntensdades é dada por, I I 1 R R 1 = (3.7) Consderando a ntensdade de referênca em R 1 = 1 m, dstânca para a qual o nível da transmssão (SL) é determnado, a razão logarítmca das ntensdades relacona as perdas de transmssão por espalhamento: I 1 10 log = 10 log = 0 log R (3.8) I R Re f Pelo que as perdas de transmssão são dadas por, em que r é a dstânca ao transdutor e a é o coefcente de absorção. TL = 0 log 10 r + ar, (3.9) O Nível de Ruído/Nose Level (NL) depende do nível espectral de ruído ambente (N 0 ) e da largura de banda do transdutor durante a recepção (w), NL = N log 10 w. (3.10) O ruído no oceano é gerado por váras fontes [Urck, 1975], tas como: ondas, atvdade sísmca, ruído termal, vda marnha e tráfego marítmo. Além do ruído, é também mportante ter em conta o efeto combnado da retrodspersão de energa acústca exstente na coluna de água (ex: ondas de superfíce, bolhas de ar, vda marnha, materal em suspensão, etc.). Esta contrbução é conhecda como Nível de Reverberação/Reverberaton Level (RL). Os transdutores têm usualmente a capacdade de concentrarem ou drgrem a energa acústca num fexe com forma cónca (Fgura 3.). Esta propredade pode ser quantfcada, para a equação sonar, através da razão entre a ntensdade acústca nesse fexe e a ntensdade acústca numa fonte omndrecconal, com potêncas guas. 35 O ângulo sóldo, Ω, corresponde ao espaço delmtado por uma superfíce cónca. O valor, expresso em esteroradanos (sr), é obtdo por Ω=S/R, onde S é a superfíce esférca com centro no vértce do cone e rao R.

6 10 4πR, I 0 SI S, I R Fgura 3. "Superfíces nsonfcadas por uma fonte omndreconal e por uma fonte dreconal" Consderando a mesma potênca para as fontes dreconal e omndreconal tem-se: Π = I 0 4πR = I S. (3.11) A razão de ntensdades é dada por, I I 0 4πR = (3.1) S sendo o Índce de Drectvdade/Drectvty Index (DI) obtdo por: I 4πR DI = 10log 10 = 10log I 10. (3.13) 0 S Para um transdutor agregado de comprmento L e comprmento de onda λ, (com L>>λ) o Índce de Drectvdade é dado por: DI = 10 log 10 (L/λ). (3.14) A energa acústca refletda pelo fundo do mar é a matéra utlzada pelos sstemas sonar, sendo também utlzada de forma remota para nferr algumas propredades do fundo. O conhecmento do ângulo do fexe e do perfl de velocdade de propagação do som ao longo da coluna de água permte obter do nível de retrodfusão (backscatter) corrgdo dos efetos das perdas de propagação. Cada partícula do fundo pode ser vsta como um refletor, sendo o retorno do fundo a soma das contrbuções de energa provenente da nterface água solo e do volume de sedmentos, devdo à penetração de alguma energa nos sedmentos. No entanto, a contrbução do volume de sedmentos é menos sgnfcatva para frequêncas elevadas. O Nível de Retrodfusão/Backscatterng Strength (BS) é usualmente descrto como a soma logarítmca da retrodfusão ntrínseca por undade de área ou backscatter ndex (SB) que é dependente das propredades refletvas do fundo e da área efetva de retrodfusão A (área nsonfcada do fundo que contrbu para o snal retroreflectdo).

7 11 BS = SB + 10 log 10 A db (3.15) Os lmtes da área de retrodfusão são defndos pela geometra do fexe na vertcal do transdutor (nadr), especfcamente pela largura do fexe transmtdo na dreção longtudnal (along track), φ T, e pela largura do fexe recebdo na dreção transversal (across track), φ R. Fora da vertcal do transdutor, a área de retrodfusão é lmtada pela largura do fexe, φ T, e pelo comprmento do mpulso transmtdo, τ (Fgura 3.3). O Nível de Retrodfusão pode ser dado por: ( φ φ R ) SB + 10log T R BS = cτ SB +10log φ R T snβ Constrção por largura do fexe Constrção por comprmento de mpulso (3.16) em que R é a dstânca entre o transdutor e um ponto no leto do mar, c é a velocdade de propagação do som na água e β é o ângulo do fexe, referdo à vertcal. O coefcente de retrodfusão, SB, depende sgnfcatvamente do ângulo de ncdênca, com a maor varação próxmo do nadr. Para ângulos de ncdênca mas elevados segue a le de Lambert [Urck, 1975 e de Mouster, 1993]. É comum defnr: SB = BS N, para ncdênca normal (β = 0º) SB = BS O cos β, para ncdênca oblqua (β > 10-5º) Tpcamente, o BS N apresenta um valor na ordem de -15 db e o BS O na ordem de -30 db. Estes valores podem varar ±10 db ou mas, dependendo do tpo de fundo e da sua rugosdade. Consderando a Fgura 3.3, a área nsonfcada nstantânea, A, é uma função da largura do fexe transmtdo, φ T. O número de amostras por fexe depende do ntervalo de amostragem (τ S ). Transdutor β φ R R A x A y cτ/(snβ) c = Velocdade de propagação do som τ = duração do mpulso Fgura 3.3 "Amostras de retrodfusão" O Lmar de Detecção/Detecton Threshold (DT) é um parâmetro dependente do sstema e estabelece o nível mínmo a partr do qual o sondador detecta os ecos.

8 Temperatura A temperatura da água do mar à superfíce vara com a posção geográfca, com a estação do ano e com a hora do da [Pckard e Emery, 1990]. A sua dstrbução é complexa e não pode ser prevsta com a exatdão necessára para os levantamentos hdrográfcos. E ao longo da coluna de água, o comportamento da velocdade de propagação do som é também bastante complexo. Devdo a essas dfculdades de prevsão, é necessára uma dstrbução abrangente no tempo e no espaço dos perfs de velocdade de propagação do som na água para se poder dspor de perfs atualzados de velocdade de propagação do som na água representatvos da área a sondar. A medção da profunddade é muto sensível às varações do perfl de velocdade de propagação do som na água. A varação de 1 grau Celsus na temperatura traduz-se aproxmadamente numa varação de 4,5 m/s na velocdade de propagação do som. A varação de temperatura é o fator domnante na varação da velocdade de propagação do som na água entre a superfíce e o lmte nferor da termoclna 37, passando a ser a pressão o fator domnante para maores profunddades Salndade A salndade é uma medda da quantdade de sas e outros mneras dssolvdos na água do mar. É normalmente defnda como a quantdade total de sas dssolvdos na água do mar em partes por mlhar ( ). Na prátca, a salndade não é determnada dretamente mas calculada com base no teor de cloro, condutvdade elétrca, índce de refração, ou por outra propredade cuja relação com a salndade seja bem conhecda. Pela Le das Proporções Constantes a quantdade de cloro numa amostra de água é utlzada para estabelecer a salndade 38 dessa amostra. A salndade meda da água do mar é da ordem de 35. A taxa de varação da velocdade de propagação do som na água é aproxmadamente 1.3 m/s para uma varação de 1 na salndade. A salndade é normalmente medda através de estações CTD (acrónmo para condutvdade, temperatura, e profunddade) usando a observável condutvdade elétrca, ver Pressão A pressão também afeta sgnfcatvamente a varação da velocdade de propagação do som na água. A pressão é uma função da profunddade e a taxa de varação da velocdade de propagação do som é de 1.6 m/s por cada 10 atmosferas (aproxmadamente por cada 100 metros de profunddade) 39. A pressão tem maor nfluênca na velocdade de propagação do som em grandes profunddades. 37 A termoclna é também conhecda como a camada de descontnudade ou camada térmca. A termoclna corresponde a um gradente negatvo da temperatura ao longo da coluna de água e que é mas acentuado que nas camadas adjacentes, nferor e superor. No oceano, as prncpas termoclnas são sazonas, devdo ao aquecmento da superfíce da coluna de água, ou permanentes. 38 Um comté conjunto (IAPO, UNESCO, ICES, e SCOR) propôs a adopção unversal da segunte relação entre a clorndade e a salndade: S = Cl. Esta equação fo adoptada em 1963 pela IAPO e em 1964 pela ICES. 39 Por aplcação do prncípo da hdrostátca,.e., p(z) = p 0 + ρgz.

9 Densdade A densdade da água depende dos parâmetros anterores,.e., temperatura, salndade e pressão. Cnquenta por cento da água no oceano apresenta uma densdade compreendda entre 107,7 e 107,9 kg/m 3. A maor nfluênca na densdade é a compressbldade da água com a profunddade. Uma massa de água com densdade de 108 kg/m 3 à superfíce apresentará uma densdade de 1051 kg/m 3 a uma profunddade de 5000 metros.. Determnação da velocdade de propagação do som, salndade e temperatura Esta subsecção descreve a nstrumentação utlzada na determnação da velocdade de propagação do som, salndade e temperatura, assm como os seus prncípos de operação e o cálculo da velocdade de propagação do som na água...1. Instrumentação SVP (Perflador de velocdade do som) É o equpamento usualmente utlzado para a determnação da velocdade de propagação do som ao longo da coluna de água. Este equpamento tem um sensor de pressão para medr a profunddade e um par transdutor/refletor separados de uma dstânca d. A velocdade de propagação do som é calculada pela equação c = *d/ t, onde t corresponde ao ntervalo de tempo do duplo trajeto entre o transdutor e o refletor (smlar à medção de profunddade efetuada pelos sondadores acústcos) CTD É um equpamento eletrónco com sensores de condutvdade, temperatura e profunddade. Este equpamento regsta a salndade por medção da condutvdade elétrca da água do mar. A velocdade de propagação do som na água do mar vara com a elastcdade e densdade do meo, grandezas que dependem da salndade, da temperatura e da pressão. Com os dados do CTD (salndade, temperatura e pressão) é possível calcular, através de equações empírcas, a velocdade de propagação do som na água. Uma equação smples mas com exatdão adequada fo apresentada por Coppens [Knsler et al., 198]: C (Z, T, S) = T ( T ( T)) + (3.17) + ( T ( T)(S - 35) + (Z) em que T é a temperatura em graus Celsus (ºC), S é a salndade em partes por ml (ppm), Z é a profunddade em qulómetros e (Z) 16.3 Z Z. Esta equação é válda para 45 graus de lattude. Para outras lattudes, Z deve ser substtuída por Z ( cos (ϕ)), sendo ϕ a lattude Termstores São elementos cuja resstênca elétrca depende da sua temperatura, função da quantdade de calor recebdo das medações por radação 40. As cadeas de termstores são utlzadas para medr a temperatura a váras profunddades ao longo da coluna de água. Estas cadeas, usualmente fundeadas, consstem em város elementos regularmente espaçados ao longo de um cabo de 40 A taxa de calor por radação é dada pela Le de Stefan que descreve a razão de emssão de calor por radação como proporconal à quarta potênca da temperatura absoluta.

10 14 suporte. Um regstador de dados efetua uma amostragem sequencal e armazena as temperaturas ao longo do tempo.... Operação dos equpamentos Antes de ser utlzado, o SVP deve ser corretamente parametrzado com as confgurações da gravação e calbrado com o offset atmosférco de forma a gerar medções fáves Convém sublnhar que, durante a calbração do offset atmosférco, o SVP não se deve encontrar em local pressurzado sob rsco da calbração ntroduzr desvos ncorretos, conduzndo a erros na medção da profunddade. Antes de efetuar o perfl, o equpamento deverá ser colocado na água, durante cerca de 15 mnutos, para establzação térmca. Durante a realzação dum perfl de velocdade de propagação do som na água é recomendável que o equpamento seja arrado a velocdade constante...3. Regsto e processamento de dados Os perfs de velocdade de propagação do som na água devem ser edtados e verfcados cudadosamente para despste de profunddades e leturas anómalas. Em geral, os perfladores efetuam o regsto de pares de profunddade velocdade de propagação durante a subda e descda do equpamento. Assm, as medções devem ser comparadas e a nformação adconal removda, de forma a obter um fchero ordenado por profunddades crescentes...4. Cálculo da velocdade de propagação do som Após valdação do perfl de velocdade de propagação do som, este pode ser aplcado aos fcheros dos dados de sondagem, sendo utlzado para corrgr as profunddades meddas através dos dados do perfl da velocdade do som. Para fexes próxmos da vertcal, caso específco dos sondadores de fexe smples, é sufcente a utlzação de um valor médo de velocdade de propagação do som ao longo da coluna de água. No entanto, para fexes oblíquos, é necessáro efetuar o traçado do rao acústco tendo em consderação a curvatura do fexe devdo a fenómenos de refração. Este é o procedmento utlzado nos sondadores de multfexe (ver ). Para um mpulso transmtdo na vertcal (.e., θ 0 = 0º), a méda harmónca para a velocdade de propagação do som c h, para uma profunddade z n, é dada por, z n c h (z n ) =, (3.18) n 1 c ln = 1 g c 1 em que g é o gradente constante na camada, dado por,.3. Propagação do som na água do mar g c z 1 =. c z 1 Nesta secção é apresentada a propagação do som na água do mar, em partcular a atenuação, reflexão e refração.

11 Atenuação A atenuação é a perda de energa na propagação de uma onda acústca devdo a absorção, espalhamento esférco e dspersão devdo a partículas exstentes na coluna de água. A absorção resulta da dssocação e assocação de algumas moléculas na coluna de água. O sulfato de magnéso (MgSO4) é o composto que mas contrbu para a absorção na água do mar. A taxa de absorção depende das propredades físco-químcas da água e da frequênca acústca transmtda. Observando a Fgura 3.4 é possível conclur que acma de 100 khz o coefcente de absorção aumenta com a temperatura. Por essa razão, é esperada uma varação do alcance sonar com a temperatura do meo. O espalhamento esférco depende a geometra. Para um ângulo sóldo a energa acústca dspersase à medda que a dstânca à fonte aumenta. Ambas as perdas por absorção e por espalhamento esférco são tdas em consderação na equação sonar (cf..1.). No entanto, as perdas por reflexão dependem de partículas ou corpos presentes na coluna de água. A reflexão deve-se prncpalmente ao organsmos marnhos, sendo uma das maores contrbuções o deep scatterng layer (DSL) que consste numa camada de plâncton que vara de profunddade ao longo do da. 100 Coefcente de Absorção a (db/km) º C 10º C 15º C 0º C Frequênca (khz) Fgura 3.4 "Coefcente de absorção".3.. Refração e reflexão A refração é o processo pelo qual a dreção de propagação da onda acústca vara como resultado da varação da velocdade de propagação do som ao longo do meo de propagação, ou quando a energa acústca passa através da nterface entre dos meos, apresentando uma descontnudade na velocdade de propagação do som entre os dos meos. De acordo com a Le de Snell e consderando dos meos (Fgura 3.5) com dferentes velocdades de propagação do som c 1 e c, se c 1 for maor que c a dreção de propagação da energa é alterada e o ângulo de transmssão será menor que o ângulo de ncdênca. Ao nvés, se c 1 for menor que c,

12 16 a dreção de propagação da energa é alterada e o ângulo de transmssão será maor que o ângulo de ncdênca. Para ncdênca normal não ocorre refração. Para ncdênca normal e para fundos regulares, o coefcente de reflexão 41 para a pressão, R, é obtdo pela razão entre a ampltude de pressão da onda refletda e a ampltude de pressão da onda ncdente [Knsler et al., 198]. P P R 1 1 R = = (3.19) I ρ c ρ c ρ c + ρ c 1 1 θ 1 θ 1 c 1 > c c 1 c 1 < c c 1 c c θ θ Fgura 3.5 "Prncpo da Refração" Em condções normas, a razão entre a energa acústca refletda e a energa acústca transmtda depende prncpalmente de: Dferenças entre mpedâncas acústcas do meo; Rugosdade do fundo; Frequênca acústca..4. Parâmetros acústcos As característcas de um sondador acústco são determnadas pelos seus transdutores, nomeadamente, a drectvdade, largura do fexe, guamento do fexe e nível dos lóbulos lateras. Nesta subsecção são apresentados os parâmetros acústcos Frequênca A frequênca acústca é o parâmetro que condcona o alcance e a penetração da onda acústca nos sedmentos. A atenuação do snal acústco na água é proporconal à frequênca. Quanto mas elevada a frequênca maor a atenuação e, consequentemente, menor o alcance e a penetração das ondas acústcas no volume de sedmentos. A largura do fexe depende da frequênca acústca e da dmensão do transdutor. Para a mesma largura do fexe, uma frequênca menor requer um transdutor com maor dmensão. 41 É possível defnr coefcentes de reflexão para a potênca e para a ntensdade. Para a ncdênca normal o coefcente para a potênca e para a ntensdade corresponde ao quadrado do coefcente de reflexão para a pressão.

13 17 As frequêncas típcas dos sondadores acústcos são as seguntes: Frequêncas superores a 00 khz para profunddades nferores a 100 metros; Frequêncas entre os 50 e 00 khz para profunddades nferores a 1500 metros; Frequêncas entre 1 e 50 khz para profunddades superores a 1500 metros. As frequêncas dos perfladores de sedmentos são, em geral, nferores a 8 khz..4.. Largura de banda Consderando f 0 como a frequênca de ressonânca, correspondente à máxma potênca de transmssão, e f 1 e f as frequêncas correspondentes a metade da potênca máxma, a largura de banda é o ntervalo entre essas frequêncas (Fgura 3.6),.e., Bw = f f1. O fator de qualdade do transdutor, Q, é dado por, 0 Q =. (3.0) B Das defnções acma é possível conclur que Q e B w varam nversamente. Portanto, para otmzar a potênca transmtda o transdutor deve transmtr próxmo da frequênca de ressonânca e ter uma pequena largura de banda,.e., um elevado fator de qualdade. Durante a recepção é necessáro ter uma boa dscrmnação do eco relatvamente a qualquer outro snal. Embora deva ser bem defnda na faxa de frequênca, a largura de banda do transdutor deve satsfazer a relação B w 1/τ, sendo τ o comprmento do mpulso A solução deal é ter um transdutor para a transmssão com Q elevado, e um transdutor de recepção com a mesma frequênca de ressonânca mas com baxo Q. f w Ganho (-3 db) f 1 f 0 f Frequênca Fgura 3.6 "Largura de banda do transdutor".4.3. Comprmento do mpulso O comprmento do mpulso determna a energa transmtda para a água. Para a mesma potênca, quanto maor o comprmento do mpulso, mas energa é colocada na água e, portanto, maor será o alcance atngdo pelo sondador acústco. Para trar vantagem da frequênca de ressonânca do transdutor a duração do mpulso deve ser, no mínmo, metade do seu período natural. No entanto, o nconvenente de mpulsos mas longos é o decréscmo na resolução vertcal de duas estruturas próxmas (Fgura 3.7).

14 18 Transdutor Ecograma Tempo Retorno a mea água τ τ Profunddade Fundo Impulso curto (τ ) Fundo Impulso longo (τ) Fgura 3.7 "Resolução vertcal em função do comprmento do mpulso" 3. SENSORES DE MOVIMENTO Ser possível corrgr as profunddades observadas e o seu posconamento do movmento da plataforma de sondagem,.e., attude (balanço/roll, cabeceo/ptch, e proa/headng) e arfagem/heave, sgnfcou uma melhora consderável na qualdade e exatdão dos levantamentos hdrográfcos. Para este objetvo são utlzados sensores nércas e sensores de proa (usualmente uma grobússola ou agulha fluxgate) ou anda sensores nércas com ntegração de nformação GPS para medção da attude e da arfagem da plataforma de sondagem. A attude da plataforma consste em três rotações em torno de três exos ortogonas convenconados para a plataforma. Daqu em dante o sstema de coordenadas da plataforma é defndo por um sstema de mão dreta, apontando o exo dos xx para a proa, o exo dos yy para estbordo e o exo dos zz para baxo. Neste sstema de referênca o balanço corresponde à rotação em torno do exo dos xx (o balanço é postvo quando o estbordo entra na água), o cabeceo corresponde à rotação em torno do exo dos yy (o cabeceo é postvo quando a proa sa fora de água), e a gunada/yaw corresponde à rotação em torno do exo dos zz (o yaw é postvo para rotações no sentdo dos ponteros do relógo). Para se transformar os dados de movmento, referdos ao sstema de referênca da plataforma, para o sstema de coordenadas local é necessáro efetuar rotações de acordo com a attude a que a plataforma está sujeta. Daqu em dante, por convenção, o sstema de coordenadas local é defndo como um sstema de mão esquerda com o exo dos xx a apontar para Este, o exo dos xy a apontar para Norte e o exo dos zz a apontar para baxo. Esta secção apresenta os fundamentos sobre a determnação dos movmentos e a sua exatdão.

15 Prncípos de funconamento Sensores nércas Os sensores nércas ou Inertal Measurement Unts (IMU) são os sensores usualmente utlzados em hdrografa para determnação do balanço, cabeceo e arfagem. Estes sensores aplcam as les do movmento de Newton e consstem em três acelerómetros, nstalados num sstema de exos trortogonas e três sensores de razão angular colocados no mesmo sstema de exos, fcando sujetos aos mesmos movmentos que a plataforma (strap down system). A saída da tríade de acelerómetros fornece a uma boa estmação do vetor de gravdade. A tríade de sensores de razão angular mede os movmentos angulares (roll, ptch e yaw). Os dados provenentes dos acelerómetros passam por um fltro passa-baxo para a remoção na vertcal aparente das varações de alta-frequênca devdo à ondulação, gunadas e alterações bruscas de velocdade. Por outro lado, os dados do sensor de razão angular passam por um fltro passa-alto para remover os movmentos de baxa frequênca. O resultado dos fltros é a attude da embarcação, acma da frequênca de corte estabelecda (usualmente, são acetáves frequêncas de corte entre 0,1 a 0,05 Hz). Quando a plataforma está sujeta a acelerações cuja duração excede o período de corte utlzado no fltro passa-baxo aplcado aos acelerómetros, tas como rotações ou varações prolongadas de velocdade, a aceleração centrípeta ou tangencal é nterpretada como aceleração horzontal prolongada, não sendo fltrada pelo fltro passa-baxo. O resultado é a deflexão aparente da vertcal do lugar, com os consequentes erros nas medções angulares (roll e ptch). A combnação dos dos fltros (passa-baxo e passa-alto) e a relação entre as duas bandas de passagem estabelece as característcas do sensor. Estes sensores nércas são muto sensíves ao ntervalo de tempo utlzado para a ntegração, especalmente para o cálculo de arfagem. A frequênca de corte equvalente deve ser afnada para um valor adequado em que o sensor possa detectar a ondulação de maor período, sem atenuar ou elmnar as ondas com menor período Integração dos sensores nércas com nformação GPS A ntegração de nformação GPS fornece um meo para determnação da proa da plataforma através da utlzação de duas antenas GPS numa lnha base, usualmente orentada longtudnalmente á proa da plataforma. A velocdade e a taxa de rotação da plataforma fornecda pelo receptor GPS e pelos sensores de razão angular podem ser utlzadas para calcular a aceleração centrípeta. Tomando em lnha de conta essa nformação, as medções de roll e de ptch são compensadas da deflexão da vertcal aparente. O ganho com este sensor é o de roll e ptch com elevada exatdão, mune às acelerações horzontas. 3.. Medções de roll, ptch, e arfagem Desde meados da década de 1990 que os sensores de movmento são utlzados de forma recorrente nos levantamentos hdrográfcos. Estes sensores são hoje um requsto essencal não só para os levantamentos com sondador multfexe, mas também para os levantamentos de fexe smples quando utlzada a aqusção automátca de dados. Estes sensores são utlzados para compensar o roll, ptch e arfagem. As profunddades calculadas devem ter em consderação os dados do sensor de movmentos,.e., os valores de rotação em torno do exo longtudnal da plataforma de sondagem (roll - θ R ), os

16 130 valores de rotação em torno do exo transversal da plataforma de sondagem (ptch - θ P ), a proa da plataforma (α) e a deslocação vertcal (arfagem). Ver Fgura 3.8 e anexo A Proa A determnação da proa é essencal nos levantamentos com sstemas de sondagem por varrmento. No entanto, para os levantamentos com sondadores de fexe smples as varações de proa (yaw) durante a rotação não são sgnfcatvas se a antena de posconamento se encontrar na vertcal do transdutor. Quando a antena de posconamento e o transdutor não se encontram na mesma vertcal, é necessáro utlzar a proa da plataforma, para posconar corretamente a profunddades. Para a medção da proa em tempo real, podem ser utlzados város equpamentos tas como: grobússolas, agulhas fluxgate e DGPS. A determnação da proa, baseada na fase da portadora, é utlzada nos sensores nércas ntegrando nformação DGPS. Esta solução permte uma elevada exatdão. y L α x x L x x y y y z z L θ R z z θ P Proa Roll Ptch 3.4. Exatdão das medções Fgura 3.8 "Attude da plataforma de sondagem" A exatdão do roll, ptch, arfagem e proa deve ser tão elevada quanto possível. Presentemente, os sensores de movmentos são sufcentemente exatos para serem utlzados em quase todas as ordens de levantamento. No entanto, os sensores nércas, quando utlzados soladamente, apresentam desvos nas medções durante acelerações horzontas (centrípeta ou tangencal) da plataforma, devdo ao desvo da vertcal aparente. Para os sondadores multfexe é recomendada a utlzação de sensores nércas com ntegração de nformação DGPS de forma a mnmzar o efeto das acelerações horzontas. Em geral, a exatdão destes sensores, a um nível de confança de 95%, são da ordem de 0.05º para o roll e ptch, 0.º para a proa e 10 centímetros ou 10% da sua ampltude, conforme o maor valor para a arfagem. Durante as gunadas da plataforma de sondagem, as medções da arfagem são degradadas devdo á aceleração centrípeta. Tpcamente, é necessáro aguardar, após termnada a gunada, um ntervalo de tempo dez vezes o período de corte para se retomar a exatdão das medções da arfagem.

17 TRANSDUTORES Os transdutores 4 são um dos componentes dos sondadores acústcos. As característcas do transdutor determnam algumas das característcas de funconamento dum sondador. Por esta razão é partcularmente mportante estudar os seus prncípos de operação, e aspectos relaconados, tas como: largura do fexe, drectvdade, guamento do fexe, nstalação e cobertura. Os transdutores são os dspostvos utlzados na transmssão e recepção de mpulsos acústcos. O seu prncípo de operação consste na conversão de energa elétrca em energa acústca,.e., os transdutores convertem mpulsos elétrcos de um gerador de snas em vbrações longtudnas que se propagam na coluna de água como onda de pressão [Seppel, 1983]. Recprocamente, durante a recepção, as ondas de pressão são convertdas em mpulsos acústcos. Esta secção apresenta a classfcação dos transdutores relatvamente ao: prncípo de operação, fexe, largura do fexe e nstalação. No fnal desta secção é apresentada uma avalação da nsonfcação obtda Classfcação Relatvamente ao Prncípo de Operação Os transdutores, de acordo com o prncípo de operação, são classfcados em magnetostrtvos, pezoelectrcos e electrostrtvos Magnetostrtvos Estes transdutores apresentam um enrolamento de níquel sobre um exo de ferro. Um mpulso de corrente contnua através do exo gera um campo magnétco no enrolamento que produz a sua contração e, consequentemente a redução seu dâmetro. Quando a corrente elétrca ao longo do exo cessa o enrolamento regressa ao tamanho ncal. A aplcação de um mpulso de corrente alterna conduz à contração e expansão do enrolamento de níquel de acordo com as característcas do snal aplcado. A ampltude da vbração nduzda será máxma se a frequênca for gual ou relaconada harmoncamente com a frequênca natural de vbração ou frequênca de ressonânca 43 do materal do transdutor. Este transdutor é, no entanto, menos efcente do que os transdutores que operam pelo efeto pezoelectrcos Pezoeléctrco Estes transdutores são consttuídos por duas placas com uma camada de crstas de quartzo no meo. A aplcação de um potencal elétrco entre as placas produz uma varação da espessura da camada de quartzo, como função da polarzação da corrente aplcada (efeto pezoeléctrco). A dferença de potencal produz a vbração do quartzo e consequentemente a vbração de toda a 4 Por defnção, o transdutor é um equpamento utlzado para transmtr mpulsos acústcos e para os receber. Em partcular, se o equpamento for utlzado uncamente para a transmssão é chamado de projector e se for uncamente utlzado como para a recepção, operando de modo passvo, é chamado de hdrofone. 43 Este fenómeno corresponde ao forçamento e prolongamento de qualquer movmento de onda, tas como as ondas acústcas. A frequênca de ressonânca corresponde à frequênca em que o transdutor vbra de forma mas efcaz.

18 13 undade. Recprocamente, a compressão mecânca da camada de quartzo produz uma dferença de potencal entre as duas faces opostas da camada de quartzo. A ampltude da vbração será máxma se a frequênca do potencal elétrco corresponder à frequênca natural do quartzo Electrostrtvo Estes transdutores baseam-se no mesmo prncípo dos transdutores pezoeléctrcos. No entanto, os materas utlzados (usualmente cerâmcas polcrstalnas ou certos polímeros sntétcos) não apresentam naturalmente propredades pezoeléctrcas. Assm, durante o processo de fabrco estes materas necesstam de ser polarzados. Presentemente, os transdutores utlzados são quase exclusvamente electrostrtvos. Estes transdutores são mas leves, reversíves e podem ser organzados em agregados (arrays). Estes agregados compostos de um conjunto de elementos mas pequenos, quando organzados convenentemente, permtem, de acordo com o Teorema do Produto (vd. 4.), característcas smlares a um transdutor de peça únca. 4.. Largura do Fexe A pressão gerada por um transdutor, expressa em coordenadas polares, é dada pelo produto: P(r, θ ) = Pax (r) h( θ), (3.1) em que θ é o ângulo referdo à normal ao transdutor que é a dreção de máxma ntensdade acústca, r é a dstânca entre um ponto e o transdutor, P ax (r) é a ampltude da pressão no exo acústco e h(θ) é o fator dreconal que corresponde á ntensdade relatva do snal. O fator dreconal é normalzado para θ = 0,.e., h(0) = 1, logo P(r,0) = P (r). A drectvdade do transdutor é usualmente representada por um dagrama de radação B( ) = h ( θ) b θ = log B( θ) = 0 log h( ). θ, ou numa escala logarítmca ( ) ( ) ( ) ax θ O transdutor pode ser caracterzado pela sua largura de fexe b w ; defndo como o ângulo do fexe a um nível de -3 db,.e., a largura de fexe correspondente a metade da potênca ao longo do exo acústco b w = θ -3dB, (ver Fgura 3.9). A medção da profunddade é efetuada para qualquer dreção dentro do cone defndo pela largura do fexe. A largura do fexe está relaconada com as dmensões do transdutor e com a frequênca dos mpulsos acústcos. Por exemplo, a largura do fexe para um transdutor com a forma de pstão crcular, com dâmetro D, é dada aproxmadamente por: b w = 60 λ / D (graus), (3.) e para um transdutor de face retangular, de comprmento L e largura W, a largura do fexe nas duas dmensões são dadas respectvamente por: b w = 50 λ / L e b w = 50 λ / W (graus), (3.3) Para um agregado lnear de N elementos transdutores omndrecconas separados de uma dstânca d, a soma dos snas dos elementos transdutores produz um dagrama de radação dreconal (Fguras 3.10 e 3.11).

19 133 Lóbulos lateras Lóbulo prncpal -3 db 0 db Fgura 3.9 "Largura do fexe defnda a um nível de -3dB A dreção do exo acústco é normal à face do agregado de transdutores. A largura do fexe, a um nível de -3 db, é dada aproxmadamente por: em que λ é o comprmento da onda acústca. b w = 50 λ / ((N-1)d) (graus), (3.4) O fator dreconal dum agregado de elementos transdutores é dado por [Knsler et al., 198]: h agregado d sn( Nπ snθ ) ( θ ) = λ (3.5) d N sn( π snθ ) λ O Teorema do produto é uma le da acústca que defne o fator dreconal de um agregado de N elementos transdutores como o produto do fator dreconal de um elemento pelo fator dreconal do agregado,.e., h( θ ) = h e ( θ ) h ( θ ) agregado (3.6) e a ampltude da pressão é dada por: P( r, θ, φ) = P ( r) h ( θ, φ) h ( θ, φ) ax e agregado (3.7)

20 134 Factor drecconal 1 0,9 0,8 0,7 θ) h( 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0, Ângulo (º) Fgura 3.10 "Fator dreconal" Fgura 3.11 "Dagrama de radação de um fexe formado perpendcularmente à face do transdutor" Para um elemento lnear, o fator dreconal é dado por:

21 135 L sn( π sn θ) h θ = λ lnear ( ) (3.8) L π sn θ λ O fator dreconal de um agregado de elementos transdutores é apenas váldo para o campo longínquo,.e., em áreas onde as ondas geradas por um elemento central e por um elemento exteror do agregado apresentam uma dferença de fase nferor a 180 graus. em que k é o número de onda,.e., k = π/λ. k R L + kr π (3.9) Por exemplo, para uma frequênca de 100 khz e um agregado de transdutores de comprmento L = 0.5 m, o campo dstante corresponde a dstâncas superores a 4 metros. Este é usualmente o lmte para a medção mínma da profunddade. No campo próxmo, os processos de nterferênca conduzem a uma representação mas complexa da pressão acústca. O exo acústco de um transdutor ou de um agregado de elementos transdutores é normal à face do transdutor. Para formar fexes oblíquos à face do agregado de elementos transdutores, é necessáro efetuar o guamento do fexe. Este processo é consegudo através de técncas de guamento de fexes. Um agregado com N elementos transdutores omndrecconas pode guar um fexe através da ntrodução de atrasos em tempo ou fase em cada elemento. O correspondente fator dreconal é dado por (Fgura 3.1): d sn Nπ ( sn θ sn θax ) λ h array ( θ) =, (3.30) d N sn π ( sn θ sn θax ) λ O resultado desta equação é um fexe guado na dreção θ ax (Fgura 3.13) O guamento do fexe pode ser consegudo através da ntrodução de dferenças de tempo ou fase nos elementos do agregado (equação 3.31). O guamento dos fexes tem dos objetvos: Establzação do fexe e formação do fexe durante a fase de recepção.

22 136 Factor Drecconal h(θ) Ângulo (º) Fgura 3.1 " Fator dreconal para um fexe guado 30 graus" Fgura 3.13 "Dagrama de radação para um fexe guado 30º" Para a establzação do fexe é necessáro medr o ângulo referdo á normal do agregado, sendo o atraso em tempo dos elementos do agregado dado por,

23 137 t n = nd sn( θ c ax ) (3. 31) Durante a formação do fexe, os snas de cada elemento do agregado são copados para cada fexe, o atraso em tempo aplcado a cada elemento para um canal ou fexe especfco é dado por: em que é a ordem do fexe e n é o número do elemento do agregado. nd tn, = sn( θax ), (3. 3) c Consderando dos elementos transdutores admensonas, transmtndo um mpulso com a mesma frequênca, mas com atraso em tempo, o exo acústco é guado para a dreção onde as frentes de onda, provenentes dos dos elementos, chegam ao mesmo tempo (Fgura 3.14). Fgura 3.14 "Ilustração do guamento dum fexe de θ ax com dos elementos transdutores" A largura do fexe, defnda para um nível de -3 db, aumenta com o ângulo de guamento do fexe,.e., b W = λ 50 (N 1)d cos(θ ). (3. 33) ax Devdo à forma cónca do fexe quando guado, a sua ntersecção com o plano do fundo do mar, assumdo como horzontal, resulta numa área nsonfcada hperbólca (Fgura 3.15).

24 138 Fgura 3.15 "Área nsonfcada lnear (a) e hperbólca (b) " Os lóbulos secundáros apresentam efetos ndesejáves, tas como a detecção de ecos correspondentes às dreções desses lóbulos. Este é o caso geral dos sondadores multfexe para ângulos de fexe elevados onde a detecção é efetuada para o nadr ou quando exstem áreas rochosas de maor refletvdade (Fgura 3.16). Este efeto conduz a sóbatas ondulantes que mutas vezes apresentam a forma de ómega. A redução dos lóbulos é vtal para a operação com sucesso dos sondadores multfexe. Esta redução é obtda por aplcação de ganho varável (shadng functons) aos snas detectados pelos város elementos do agregado de transdutores durante a recepção. Consderando todos os transdutores com o mesmo ganho, os lóbulos secundáros apresentarão um nível de aproxmadamente -13 db. A técnca utlzada para a redução dos lóbulos secundáros consste na sobreposção de uma janela que amplfca os snas dos dferentes elementos com dferentes ganhos. Estas janelas são usualmente smétrcas em relação ao exo do agregado. A janela Dolph-Chebychev é utlzada com grande frequênca; esta janela apresenta a vantagem de otmzar o nível dos lóbulos secundáros para uma determnada largura de fexe. Esta janela produz a mesma ampltude para todos os lóbulos secundáros. A desvantagem da aplcação destas janelas é a redução da drectvdade. Fgura 3.16 "Medção da profunddade através dos lóbulos secundáros com consequente erro na medção e na localzação da profunddade " 4.3. Classfcação Relatvamente ao Fexe Os sondadores acústcos podem ser dvddos em fexe smples e multfexe. Os sondadores de fexe smples podem apresentar um transdutor únco ou um agregado de elementos transdutores.

25 139 Os sondadores multfexe apresentam agregados de elementos transdutores. Como referdo anterormente sto é devdo á necessdade de formação de fexes em váras dreções e, algumas vezes para establzação dos fexes para compensar a attude da plataforma Fexe smples O fexe smples requer apenas um transdutor para as funções de transmssão e recepção, mas um agregado de elementos transdutores pode ser utlzado quando requerda a establzação do fexe. O conhecmento dos ângulos de roll e de ptch é necessáro para a establzação do fexe. A largura do fexe é uma função das dmensões do transdutor e do comprmento de onda acústca. O fexe será mas estreto quanto maor a frequênca e quanto maor a dmensão do transdutor. Assm, para se obter um fexe estreto em baxas frequêncas é necessáro um transdutor com grandes dmensões. O transdutor seleconado para um sondador de fexe smples deve ter um fexe estreto quando é necessáro elevada drectvdade ou um fexe largo quando a drectvdade não for a preocupação prncpal, mas sm a detecção de profunddades mínmas ou a detecção de obstáculos no fundo do mar. Os fexes mas largos apresentam capacdade para detectar ecos num maor cone (ou ângulo sóldo), o que se reveste de utldade para a detecção de pergos para a navegação que poderão requer mas nvestgação futura. Estes fexes não são usualmente establzados.,a attude do transdutor não nfluênca as medções em condções médas do estado do mar. Por outro lado, fexes estretos, tpcamente º a 5º, são normalmente requerdos para mapeamento de elevada resolução (Fgura 3.17). Estes fexes têm de ser establzados para medção correta da profunddade na vertcal do transdutor. 0 Ecograma Profunddade (m) Fexe estreto Fexe largo Fundo 30 Fgura 3.17 "Ilustração da medção da profunddade com um sondador de fexe estreto e de fexe largo.

26 Multfexe Os sondadores multfexe têm usualmente dos transdutores separados para transmssão e para recepção,.e., um projetor e um hdrofone. O prmero é orentado longtudnalmente e o segundo é orentado transversalmente à proa da plataforma de sondagem. O mas usual é a transmssão de um únco fexe em forma de leque, estreto na dreção proa-popa e largo na dreção bombordoestbordo. O hdrofone forma város fexes em dreções pré-defndas, estreto bombordo-estbordo e largo proa-popa, garantndo, ndependentemente da attude da plataforma de sondagem, a ntersecção entre o fexe transmtdo e recebdo Classfcação Relatvamente à Instalação Exstem város tpos de nstalação dos transdutores a bordo da plataforma de sondagem. A opção sobre o tpo de nstalação depende da portabldade do sstema, da necessdade de o manter longe das fontes de ruído do navo, nclundo o fluxo de água turbulento abaxo da qulha e a necessdade de o arrar para o aproxmar do fundo. O transdutor pode ser nstalado no casco, rebocado ou portátl. Cada uma destas nstalações é apresentada a segur Montagem de casco Esta nstalação é usual para os sondadores de fexe smples e para os sondadores multfexe em navos de maor porte, especalmente para levantamentos em grandes fundos. A nstalação no casco pode ser: Embutdo no casco (Flush mounted) O transdutor é montado com a face no plano do casco. Esta opção é utlzada para os transdutores fexe smples e multfexe. Apresenta como vantagem não necesstar de uma estrutura para a nstalação. A desvantagem é a maor proxmdade com o ruído do navo Bolha (Blster) O transdutor é montado numa estrutura em forma de casco. Esta opção é utlzada para os transdutores fexe smples e multfexe Apresenta como vantagem a redução do efeto do fluxo de água na face to transdutor. A desvantagem é a necessdade de uma estrutura dedcada para a nstalação Gôndola O transdutor é nstalado numa estrutura especal com a forma de gôndola (Fgura 3.18). Esta opção é utlzada nos sondadores multfexe, especalmente para operação em águas profundas. Apresenta como vantagem a redução do ruído devdo ao navo e ao fluxo de água na face to transdutor que passa entre o casco e a gôndola. A desvantagem é a necessdade de uma estrutura para a nstalação dos transdutores e o aumento do calado da plataforma em cerca de um metro Rebocado A nstalação do transdutor é efetuada num pexe rebocado, esta é a nstalação utlzada nos transdutores do sonar lateral, apresenta uma redução do ruído e a possbldade de arrá-lo mas próxmo do fundo Portátl Esta nstalação é usualmente utlzada para nstalações de fexe smples ou multfexe em embarcações, especfcamente para levantamentos em fundos baxos. Esta nstalação pode ser

27 141 montada na borda ou à proa da embarcação (Fgura 3.19). A estrutura de suporte deve ser bem sólda e resstente à torção. Fgura 3.18 "Instalação em gôndola " Fgura 3.19 "Instalação à proa"

28 Cobertura A cobertura do fundo,.e., a área nsonfcada com sondador de fexe smples, é a área delmtada pelo fexe, onde a célula nsonfcada é dada por (Fgura 3.0): φ a = z tan (3. 34) z φ a Fgura 3.0 "Cobertura do sondador de fexe smples" Nos sondadores multfexe a área nsonfcada corresponde à ntersecção entre o fexe transmtdo e o fexe formado na recepção. A área nsonfcada depende do ângulo do fexe, da sua largura, da profunddade e do declve médo do fundo. A área nsonfcada por cada fexe pode ser aproxmada por uma elpse. Consderando um fundo plano e horzontal, o comprmento da elpse na dreção transversal à lnha de proa é dado aproxmadamente por a y, z φr a y = tan (3. 35) cos ( β) em que z é a profunddade méda, β é o ângulo do fexe e φ R é a largura do fexe formado na recepção na dreção transversal à proa do navo. Na presença de um declve, defndo por um ângulo ζ, o comprmento da área nsonfcada é dada aproxmadamente por, a y = cos z ( β) cos( β ζ) φr tan (3. 36) Para um fundo plano, a largura da área nsonfcada, na dreção proa-popa, é dado aproxmadamente por a x, z φt a x = tan (3. 37) cos( β)

29 143 em que φ T é a largura do fexe transmtdo. A cobertura do fundo é uma função da dmensão das áreas nsonfcadas, do espaçamento transversal dos fexes, da taxa de transmssão dos mpulsos, da velocdade da plataforma de sondagem, da varação da proa (yaw), do ptch, e do roll. Para se obter a nsonfcação completa do fundo, as áreas nsonfcadas de mpulsos consecutvos devem ter alguma sobreposção, de tal forma que qualquer ponto no fundo seja nsonfcado, no mínmo, por um mpulso acústco. Num fundo plano, o comprmento da faxa nsonfcada é dado por: θ S w = z tan (3. 38) em que θ é a abertura angular efetva do fexe transmtdo no sentdo transversal à proa. 5. SISTEMAS ACÚSTICOS Esta secção apresenta os sstemas acústcos utlzados em levantamentos hdrográfcos. Estes sstemas são dvddos de acordo com a sua capacdade cobertura do fundo submarno, ou seja, sondadores de fexe smples e sondadores de varrmento (sondadores multfexe ou sonares nterferométrcos 44 ) Sondadores de fexe smples Os sondadores acústcos são dspostvos utlzados para a medção da profunddade. A medção é efetuada por observação do ntervalo de tempo entre a emssão de um mpulso acústco e a recepção do seu eco, após reflexão no fundo submarno. Tradconalmente, a prncpal fnaldade do sondador acústco é produzr um regsto consstente e de alta resolução do perfl de profunddades do relevo submarno. O ecograma, depos de devdamente analsado e nterpretado, é amostrado de forma a reproduzr o perfl do fundo. Durante a últma década, a tecnologa aplcada nos sondadores de fexe smples tem melhorado progressvamente com dgtalzadores automátcos, gravadores sem partes móves e anotação das posções sobre o regsto do fundo. Recentemente, a utlzação de computadores e processadores de snal mas sofstcados têm permtdo o processamento e vsualzação em tempo real dos regstos do fundo, em vez do regsto em papel Prncípos de funconamento Um sondador acústco funcona através da conversão de energa elétrca, do gerador de mpulsos, em energa acústca. Como os transdutores não transmtem em todas as dreções, a energa acústca é projetada para a água sob a forma de um fexe orentado vertcalmente. O mpulso acústco vaja através da coluna de água até embater no fundo. A nteração com o fundo resulta em reflexão, transmssão e espalhamento (scatterng). Parte da energa refletda, o eco, retorna ao transdutor e é detectada por este. O nível de ntensdade do eco dmnu rapdamente com o tempo, por essa razão o nível do eco é ajustado automatcamente através do controlo automátco de ganho (AGC) ajustado na fábrca e do Ganho 44 Sstema utlzado na determnação da dstânca a um objecto merso através da medção do ntervalo de tempo entre a transmssão de um mpulso acústco e a recepção do eco. O termo sonar derva das palavras SOund NAvgaton and Rangng.

30 144 Varável no Tempo (TVG) para compensar a dmnução do nível do eco em função do tempo. Após a amplfcação, o snal elétrco gerado na recepção é passado para um detector e comparado com o lmar defndo para fltrar o ruído. O snal resultante é, então, vsualzado e/ou gravado. A observável resultante é o ntervalo de tempo entre o mpulso transmtdo e o eco recebdo, t, sendo a profunddade medda dada por: z m 1 = t c (3. 39) onde c é a velocdade méda de som na coluna de água Parâmetros dos sondadores acústcos Necesstam de ser corretamente defndos a fm de se obter uma alta resolução e precsão no regsto do fundo. Os parâmetros mas mportantes são: a) Potênca - A gama de profunddades de funconamento de um sondador acústco depende da duração do mpulso, da frequênca e potênca transmtda. Para otmzar o uso do sondador, a potênca transmtda deve ser mantda em valores mínmos, mas que garantam a detecção adequada. O aumento da potênca resultará em níves mas altos do eco, mas também em níves mas elevados de reverberação, conduzndo a um mau regsto. A potênca máxma de transmssão é condconada pelo fenómeno de cavtação 45 e pela resstênca máxma à vbração do materal transdutor. b) Ganho - O ganho mplca amplfcação de snal. A amplfcação do snal também amplfca o ruído e, consequentemente, o regsto dos dados pode ser confuso. É recomendável que o ganho seja ajustado de acordo com o tpo de fundo e com a potênca de transmssão. c) Intensdade do regsto Este parâmetro é utlzado nos sondadores de regsto analógco e serve para ajustar a ntensdade de mpressão. d) Comprmento do mpulso o comprmento do mpulso é habtualmente seleconado automatcamente em função da profunddade. O comprmento do mpulso é responsável pela resolução vertcal do sondador. Para aumentar a resolução vertcal deve-se dmnur o comprmento do mpulso. Porém, em zonas com fraca refletvdade ou com declves acentuados, poderá ser necessáro aumentar o comprmento do mpulso. Em fundos baxos, onde a resolução vertcal é mas mportante, devem ser utlzados mpulsos curtos. Isso rá reduzr a probabldade de ecos falsos devdo a reverberação forte. e) Escala - Corresponde à escala da profunddade da janela de regsto. A largura do papel de regsto é fxo; portanto, numa escala pequena ter-se-á uma baxa resolução vertcal. f) Fase - A fase é um parâmetro dos sondadores analógcos que permte superar as lmtações do regsto numa largura fxa de papel. A escala de fase consste na gravação apenas de uma janela de profunddade que pode ser alterada, manual ou automatcamente, para manter o regsto com uma resolução vertcal satsfatóra ndependentemente da profunddade (Fgura 3.1). 45 Corresponde à produção de bolhas de ar na água. Este fenómeno ocorre quando a pressão acústca se aproxma da pressão hdrostátca.

31 145 g) Calado Este parâmetro corresponde à mersão do transdutor. O calado deve ser determnado antes de se ncar a sondagem e verfcado regularmente, de forma a se regstar a profunddade referda ao nível nstantâneo da água. h) Velocdade do papel a velocdade do papel é partcularmente mportante quando o regsto é exclusvamente analógco e deve ser seleconada de forma a garantr uma boa resolução horzontal das profunddades meddas. ) Velocdade de propagação do som na água Este é o valor nomnal da velocdade do som correspondente à velocdade méda de propagação do som na área de sondagem. Nos levantamentos com requstos de exatdão mas exgentes, a velocdade de propagação do som pode ser regulada para a velocdade do som à face do transdutor ou para 1500 m/s, sendo a profunddade posterormente corrgda no processamento medante a aplcação do perfl real da velocdade de propagação do som na coluna de água. Nos sondadores clásscos de regsto analógco, este parâmetro não corresponde à velocdade de propagação do som na água, mas ao valor de calbração dos componentes mecâncos e elétrcos do sondador para medr a profunddade correta da água. 10 Ecograma Profunddade (m) 0 5 Fase m Fase 0-40 m Fgura 3.1 "Fases de regsto" Os prncípos geras de funconamento dos sondadores de fexe smples foram referdos anterormente. No entanto, é possível dferencar os sondadores acústcos em dos tpos: dgtas e analógcos. No sondador analógco, cujo esquema é apresentado na Fgura 3., o cclo começa com a geração de um mpulso elétrco e com a transmssão de energa acústca para a água. Após a recepção e conversão do eco em energa elétrca, o snal de baxa tensão é pré-amplfcado e transmtdo a um amplfcador de gravação, a fm de ser gravado o ecograma num regsto gráfco das profunddades meddas com uma resolução horzontal e vertcal adequada. Após concluída a fase gravação, é possível dar níco a um novo cclo.

32 146 Fase de desencadeamento do snal Fase de potênca Regsto em papel Amplfcador de gravação Preamplfcador Transdutor Fgura 3. "Sondador analógco dagrama de blocos" Os sondadores hdrográfcos para águas pouco profundas são habtualmente dotados com dos canas (de baxa e alta frequênca). A gravação smultânea de duas frequêncas permte a separação do retorno do fundo marnho correspondente à superfíce dos sedmentos não compactados e dos sedmentos compactados ou da rocha devdo às dferentes mpedâncas acústcas. O sondador dgtal, cujo esquema é apresentado na Fgura 3.3, funcona de manera semelhante ao sondador analógco na transmssão do mpulso. No entanto, durante a recepção do eco, o snal recebdo é amplfcado em função do tempo (ganho varável no tempo) e passa por um detector de envolvente do snal onde é fnalmente convertdo no formato dgtal, que é o snal que é processado para determnar a profunddade. Isto permte que a nformação seja armazenada e vsualzada em dversos formatos Exatdão A exatdão da medção da profunddade é uma função de város fatores, do sondador e do meo. Geralmente, é necessáro calcular o balanço de erros com base nesses fatores (ver 5.1.4) Resolução A resolução é a capacdade de dferencar dos ou mas objetos próxmos; é geralmente expressa como a dstânca mínma dferencável entre dos. Na medção de profunddade, uma das grandes preocupações é a resolução vertcal do sondador, que é dependente de: a) Comprmento do mpulso quanto maor o comprmento do mpulso menor a resolução (ver.4.3). Dos objetos dentro de um fexe estreto, se estverem separados por menos de metade de um comprmento de mpulso serão regstados como um eco só. E serão resolvdos e regstados como dos ecos se estverem separados por mas do que um comprmento de mpulso; b) Sensbldade e resolução do suporte utlzado na gravação;

33 147 c) Largura do fexe transmtdo. Saída de Dados (Montor, mpressora, gravador) Mcroprocessador Analógco para Dgtal Amplfcador Detector de envolvente Ganho Varável no Tempo (TVG) Transdutor Fgura 3.3 "Sondador dgtal dagrama de blocos" Frequênca acústca A frequênca de um sondador é seleconada com base na utlzação prevsta do equpamento, ou seja, a profunddade em que deverá ser utlzado. Em alguns casos, é desejável a utlzação do mesmo dspostvo em váras profunddades, para o efeto o sondador pode ter mas de um transdutor, de forma a melhorar a aqusção e a qualdade dos dados. As frequêncas são frequentemente atrbuídas a canas. O sondador com dos canas é utlzado, prncpalmente, em fundos baxos e águas costeras. Para águas profundas, é costume usar uncamente uma baxa frequênca Instalação e calbração O transdutor pode ser montado no casco, na borda ou à proa. As precauções a ter na nstalação são que o transdutor deve ser colocado o mas longe possível das fontes de ruído própras da plataforma e mergulhado o mas possível para evtar o ruído provenente da agtação marítma e fcar sempre submerso mesmo em condções de mar adversas. É também muto mportante que o transdutor seja bem fxo na vertcal. É também desejável para o compensador de arfagem que a antena de posconamento seja colocada na vertcal transdutor. A calbração do sondador é uma tarefa rotnera que consste no ajustamento do equpamento para a medção correta da profunddade. A calbração pode ser realzada através de uma chapa refletora

34 148 (bar-check) ou com um transdutor especal. O objetvo é seleconar o valor adequado do parâmetro da velocdade de propagação do som de modo a ajustar as medções efetuadas pelos componentes mecâncos e elétrcos do sondador. Também é possível corrgr as profunddades meddas através da aplcação do perfl de velocdade de propagação do som na coluna de água em pós-processamento. Em fundos baxos, a calbração do sondador para a velocdade méda de propagação do som na coluna de água pode ser efetuado das seguntes maneras: a) Bar-check - consste em arrar uma chapa refletora, a váras profunddades, por baxo do transdutor (por exemplo, a cada dos metros), regstando o erro de medção da profunddade, a corrgr durante o processamento dos dados, ou forçando o sondador a regstar a profunddade correta atuando no parâmetro de velocdade de propagação do som na água (Fgura 3.4). Neste caso, o valor adotado para a calbração deve corresponder à méda das observações. Este método deve ser utlzado até profunddades de 0-30 m. b) Transdutor de calbração destna-se à calbração dos sondadores acústcos, tendo por base o conhecmento do comprmento exato do percurso efetuado pelos mpulsos acústcos no equpamento. O processo de calbração consste em forçar o regsto correto do percurso dos mpulsos acústcos, em ambos os sentdos, no nteror do equpamento por ajuste do parâmetro da velocdade de propagação do som na água. O transdutor de calbração deve ser arrado a váras profunddades, em cada profunddade é efetuado o ajustamento para o regsto correto do duplo trajeto dos mpulsos acústcos no nteror do equpamento. Devdo ao tpo de medção realzada, cada medção é apenas válda para a profunddade correspondente. O valor adotado para a calbração deve corresponder à méda de todas as observações. Este método deve ser utlzado até profunddades de 0-30 m. c) Um método combnado pode também ser utlzado com um transdutor de calbração e um perflador da velocdade de propagação do som. Este método é geralmente usado para profunddades superores às consderadas nos métodos anterores. Com um perfl de velocdade de propagação do som e com o ajustamento do sondador para a medção correta do duplo trajeto no transdutor de calbração, pode ser segudo um procedmento semelhante ao descrto em b). Nos sondadores mas modernos o parâmetro da velocdade de propagação do som corresponde efetvamente ao valor real da velocdade de propagação do som. A correção da profunddade é calculada durante o processamento de dados, com o pressuposto de que os dados foram adqurdos utlzando a velocdade verdadera de propagação do som medda á profunddade do transdutor. A correção à profunddade é baseada na dferença entre a velocdade de propagação do som usada durante a aqusção dos dados e a velocdade méda harmónca calculada para cada profunddade a partr do perfl de velocdade de propagação do som observado.

35 Ecograma Bar check Velocdade méda do som = 1505 m/s Fgura 3.4 "Ilustração do método de calbração por bar-check " Para profunddades superores a 00 metros, não é necessára corrgr as profunddades da velocdade de propagação do som na água. Um padrão usualmente utlzado é o valor médo de velocdade de propagação do som de 1500 m/s ou utlzação de valores estatístcos como por exemplo os apresentados nas Tabelas de Mathews (NP 139) Operação e regsto de dados A operação dos sondadores acústcos deve ser remetda para o manual de utlzação. No entanto, é mportante salentar os seguntes aspectos: Antes do níco da sondagem, é necessáro calbrar o sondador para a velocdade de propagação do som na água atual; Deve ser seleconada uma escala geral adequada para as profunddades esperadas; A frequênca deve ser escolhda de acordo com as profunddades de operação; Quando for utlzado um sondador de regsto analógco, é essencal parametrzar o ganho e a ntensdade do regsto para que permtam um ecograma legível Fontes de erro e técncas de controlo de qualdade Os erros na determnação da profunddade podem ser dvddos em três categoras: erros grosseros, erros sstemátcos e erros aleatóros. Erros grosseros correspondem aos erros cometdos pelas máqunas, devdo a defetos dos componentes mecâncos ou eletróncos. Erros sstemátcos são prncpalmente o resultado de defcêncas da compensação dos erros fxos ou de desvos nas medções (erros que varam em função das condções de operação), como por exemplo na medção dos movmentos da embarcação, desalnhamento do transdutor e do sensor de movmentos e ncerteza nos ângulos de montagem. Estes erros podem ser faclmente corrgdos

36 150 se a forma e grandeza destes erros sstemátcos for conhecda. Esta categora de erros pode ser determnada e removda durante a calbração do sstema. Depos da remoção dos erros grosseros e sstemátcos nas profunddades meddas, permanecerão anda os erros aleatóros. Estes erros podem ser analsados utlzando técncas estatístcas. Os hdrógrafos devem estar conscentes das fontes que contrbuem para o erro da profunddade e quas os mpactos de cada fonte de erro. Esta secção dentfca váras fontes de erros e apresenta algumas técncas utlzadas para controlo de qualdade Devdo ao declve do fundo Tendo em consderação os dferentes declves do fundo oceânco (Fgura 3.5) o erro na medção da profunddade, dz, depende da largura do fexe e da nclnação do fundo. Se nenhuma correção for aplcada, o erro em profunddade, será dada por: z dz = z m m ( sec( ζ) 1) φ sec 1 φ ζ < φ ζ > (3. 40) em que φ é a abertura do fexe e ζ é o declve do fundo. Fgura 3.5 "Efeto da abertura do fexe e do declve na medção e no posconamento das profunddades" Devdo á velocdade de propagação do som A varação da velocdade de propagação do som é dfícl de controlar e produz, nos sondadores de fexe smples, erros na medção da profunddade (dz m ) proporconas à varação méda da velocdade de propagação do som (dc) e à profunddade,

37 151 dz c 1 = t dc (3. 41) ou dz c dc = z (3. 4) c A magntude do erro devdo à varação da velocdade de propagação do som na água vara com: a) Incerteza na determnação da velocdade de propagação do som; b) Varação temporal da velocdade de propagação do som; c) Varação espacal da velocdade de propagação do som. σ De notar que a varânca da profunddade medda, zc, devdo à ncerteza na determnação da velocdade de propagação do som e à sua varação temporal e/ou espacal, é dada por: σ c m ( σ σ ) z σ z c = c + m c (3. 43) c em que é a varânca da medção da velocdade de propagação do som e velocdade de propagação do som devdo à sua varação espacal e temporal. σ c é a varânca da A varação temporal e espacal da velocdade de propagação do som na água é uma mportante contrbução externa nos erros de medção da profunddade. É mportante que, durante o planeamento dos levantamentos ou no níco da sondagem, sejam efetuados város perfs de velocdade de propagação do som na água dstrbuídos pela área a levantar e ao longo do da (com partcular atenção aos cclos da maré) por forma a assstr o hdrógrafo na decsão da frequênca e na localzação dos perfs de velocdade de propagação do som a executar durante o levantamento Devdo à medção do tempo Um sondador acústco mede efetvamente o tempo, convertendo essa medção em profunddade. O erro na medção do tempo, dt, está dretamente relaconado com o erro em profunddade, dz t. Na geração mas recente de sondadores acústcos o erro na medção do tempo é geralmente pequeno e constante. Este erro é calculado durante a calbração. dz t 1 = c dt (3. 44) O maor erro na medção do tempo é função da dentfcação do nstante do eco que corresponde à medção da profunddade, ou seja, aos algortmos utlzados para a detecção do eco. De notar que a varânca da profunddade devdo ao erro na medção do tempo, σ zt, é dada por, σ z t 1 = c σ t, (3. 45) m

38 15 em que σt m é a varânca da medção do tempo Devdo ao roll, ptch, e heave O roll e o ptch contrbuem para o erro na medção da profunddade quando a sua magntude é superor a mea largura do fexe, φ/. A Fgura 3.6 lustra o erro na profunddade e no posconamento devdo ao roll, θ R. Esta fgura pode ser adaptada para o ptch através da permuta de θ R por θ P. z = z m cos (θ R -φ/) θ R z m θ R - φ φ x = z m sn (θ R -φ/) Fgura 3.6 "Efeto da largura do fexe e do roll na medção da profunddade e no posconamento " Os sondadores com largura de fexe elevada são geralmente munes aos efetos do roll e ptch da plataforma de sondagem. Nos sondadores de fexe estreto, o roll e o ptch podem ser compensados através da establzação do fexe, ou seja, mantendo o fexe na vertcal, ndependentemente da attude da embarcação ou da profunddade, ou corrgndo a profunddade medda da segunte forma: dz roll z = m 1 sec(θ 0 R φ ) θ θ R R φ > φ < (3. 46) A arfagem/heave (h), efeto causado pela ação do mar sobre a plataforma de sondagem, é meddo com sensores nércas ou com compensadores de arfagem. O compensador de arfagem deve ser colocado na vertcal dos transdutores para medr a arfagem efetva do transdutor. Quando se utlzarem sensores nércas, a nstalação deve ser efetuada próxmo do centro de gravdade da plataforma. Com os braços a partr do centro de gravdade para o transdutor e com as medções nstantâneas de roll e de ptch, o heave meddo, h m, pode ser transferdo para a posção do transdutor, h t, através da aplcação do heave nduzdo, h, (Fgura 3.7).

39 153 h = h + h t m (3. 47) Para calcular o heave nduzdo, consdera-se a plataforma como um corpo rígdo que pode rodar lvremente em torno dos três exos (x, y, z) no referencal da plataforma (dentfcado com o subscrto V) como menconado em 3. A rotação (em roll e ptch) do centro de gravdade, próxmo do qual é meddo o heave, traduz-se na varação da profunddade do transdutor no referencal local (dentfcado com o subscrto L). Esta varação vertcal do transdutor no referencal local é chamada heave nduzdo. O heave nduzdo, adaptado de Hare [1995], para os referencas defndos em 3 e no Anexo A, é dada por: h V V ( θ ) + y cos( θ ) sn( θ ) + z ( cos( θ ) cos( θ ) 1) L V V = z - z = x sn (3. 48) t t t P t P R t P R Onde θ P é ângulo de ptch, θr é o ângulo de roll, e x t, y t e z t são as coordenadas do transdutor. O erro total na medção da profunddade devdo ao heave é dado por, dh = dh m + dh (3. 49) Onde dh m é o erro na medção do heave e dh é a o erro na determnação do heave nduzdo. x t y t θ R Sensor de movmento u z t θ P Heave nduzdo Transdutor Fgura 3.7 "Heave nduzdo" A varânca do heave nduzdo depende da ncerteza nos desvos (offsets) do transdutor e do sensor de movmentos e da ncerteza das medções dos ângulos de roll e de ptch [Hare, 1995]. A varânca total do heave corresponde à varânca em profunddade, σ h, dada por, σ = σ + σ h hm h (3. 50)

40 154 σ h m σ h em que é a varânca da medção do heave, é a varânca do heave nduzdo. Este últmo erro é usualmente nsgnfcante quando comparado com a ncerteza na medção do heave. Quando não for utlzado um compensador de arfagem, é possível suavzar os dados no ecograma analógco manualmente. Esta tarefa exge uma experênca consderável na nterpretação do regsto da profunddade, a fm de preservar as característcas do relevo submarno. O procedmento geral, em condções de roll não sgnfcatvo, o desempolamento do regsto do fundo deve ser efetuado a meo das crstas e das cavas (Fgura 3.8) Ecograma 15 Traçado da sonda Fltragem manual do heave Fgura 3.8 "Suavzação do efeto do heave" Devdo ao calado, assentamento e varação dnâmca do camento A medção rgorosa da mersão do transdutor é fundamental para a exatdão da profunddade medda. Mesmo assm, devdo á varação do calado, pode ser necessáro atualzar a mersão do transdutor durante o levantamento. As razões para a varação do calado são prncpalmente devdo ao consumo de água e de combustível. A varação do calado, para o mesmo deslocamento, aumenta com a dmnução da área de flutuação na superfíce do mar. O erro no calado propaga-se dretamente como erro de medção da profunddade, dz draught. O assentamento/settlement é o aumento do calado de uma embarcação, relatvamente ao seu calado em repouso. Este efeto, partcularmente vsível em águas pouco profundas, deve-se à redução da pressão da água junto às obras vvas do navo. O erro na medção da profunddade devdo ao assentamento é dz settlement. A varação dnâmca do camento/squat é outro dos efetos que ocorre em condções dnâmcas, a varação dos calados a vante e a ré como resposta à elevação e depressão do nível de água sobre o casco resultante dos sstemas de ondas à proa e à popa. Nos navos hdrográfcos onde o squat seja sgnfcatvo, é geralmente calculada uma tabela de squat em função da velocdade do navo. O erro na medção da profunddade devdo ao squat é dz squat. A posção relatva do transdutor relatvamente ao sensor de movmentos ou compensador de arfagem necessta de ser tomada em consderação para corrgr a profunddade medda devdo ao heave nduzdo, ver

41 155 O erro total devdo à posção do transdutor relatvamente à superfíce da água, dz é: dz = dz + dz + dz draught settlement squat (3. 51) A varânca total da profunddade devdo à mersão do transdutor é dada por, σ = σ + σ + σ draught settlement squat (3. 5) σ σ settlement draught em que é a varânca do calado, é a varânca do assentamento e é a varânca do squat Regsto e resolução O regsto e a resolução das profunddades meddas dependem do modo de funconamento do sondador. No caso do regsto analógco, o operador deve, durante a aqusção de dados, seleconar os parâmetros adequados para obter, tanto quanto possível, um ecograma legível e com a resolução adequada. Por outro lado, o regsto dgtal já não tem um tal grau de dependênca do operador, mas é recomendável montorzação na aqusção de dados. No regsto em papel, é necessáro seleconar o ganho e ntensdade para legbldade do regsto, assm como uma escala vertcal, com sufcente dscrmnação. Por essa razão é também comum o uso de escalas de fase (ver ). O ecograma em papel deve ser preparado para a letura; esta tarefa consste em dentfcar os pontos do fundo marnho que serão seleconados para letura da profunddade. Isso é geralmente realzado com o auxílo de uma mesa dgtalzadora. O erro assocado à letura do ecograma depende da experênca e do cudado do hdrógrafo. Consderando um papel de regsto com uma largura de 0 centímetros e escala geral 0-00 metros, um erro de letura de 0,5 mm rá produzr um erro na profunddade de 0,5 metros. Por sso, esta escala não é adequada para o regsto de profunddades em fundos baxos. O erro de letura é dz read, σ r com varânca,. σ squat Interpretação do ecograma É uma responsabldade do hdrógrafo. A nterpretação requer experênca para dentfcação de formas partculares, ecos múltplos e ecos falsos. a) Ecos falsos são causados por materal estranho em suspensão, tas como algas marnhas ou pexes na coluna de água (Fgura 3.9), por camadas de água com bruscas varações de temperatura, salndade ou ambas. Ecos falsos são ocasonalmente regstados pelos sondadores e podem ser nterpretados erroneamente como profunddades corretas. Em caso de dúvda sobre a valdade dessas profunddades, deve ser efetuada uma nvestgação dessas sondas ou, eventualmente, repetda parte da sondagem.

42 156 Fgura 3.9 "Ecos falsos" b) Ecos múltplos são ecos recebdos após o prmero retorno do fundo, devdo a reflexões múltplas entre o fundo e a superfíce. Estas reflexões são usualmente regstadas como múltplos da profunddade real. (Fgura 3.30) Ecograma 5 10 y Prmero retorno do fundo Eco múltplo Fgura 3.30 "Regsto de ecos múltplos" c) Arfagem/heave a osclação vertcal da plataforma de sondagem devdo ao efeto do mar, deve ser compensada durante a aqusção de dados por um sensor de movmentos ou compensador de arfagem ou fltrado manualmente durante o pós-processamento. A experênca do hdrógrafo é a ferramenta utlzada para este efeto, embora seja por vezes dfícl, em partcular em fundos rregulares, dstngur o heave da rregulardade do fundo.

43 157 d) Ecos lateras são ecos falsos detectados pelos lóbulos secundáros, que levam a erros na medção da profunddade e no posconamento (ver 4.). e) Sedmentos não consoldados são usualmente detectados pelas frequêncas acústcas elevadas. Em fundos baxos é recomendável a utlzação de sondadores acústcos com duas frequêncas para separação dos sedmentos não consoldados e do fundo rochoso (Fgura 3.31) Redução da profunddade As medções de profunddade, após corrgdas da attude da plataforma, são reduzdas para o Datum vertcal através da aplcação da maré. O erro na profunddade devdo ao erro de medção da maré é referdo como dz tde. Além do erro na medção da maré, exste por vezes um erro, mas sgnfcatvo que é o erro da concordânca da maré, que resulta da dferença da maré entre a área da sondagem e a maré medda no marégrafo. O erro em profunddade devdo à concordânca da maré é dz co-tdal. Esta dferença pode ser bastante sgnfcatva a váras mlhas de dstânca do marégrafo (ver Capítulo 4). Por vezes poderá ser necessáro utlzar um modelo de concordâncas da maré ou médas ponderadas a partr de dos ou mas marégrafos. 0 Ecograma 5 y Alta frequênca Baxa frequênca 5 A varânca da maré, em que Fgura 3.31 "Ecograma com o regsto de duas frequêncas" σ tde, devdo ao erro de medção e da concordânca da maré é dada por: σ tde σ é a varânca da medção da maré e tdem ( σ + σ ) = (3. 53) tde m co tdal co tdal σ é a varânca da concordânca da maré. A determnação da maré por GPS-RTK (Real Tme Knematc) permte a determnação da maré com elevada exatdão na própra plataforma de sondagem. No entanto, o cálculo da maré necessta de um modelo de dferenças entre o elpsóde de referênca (WGS84) e o Datum vertcal utlzado.

44 158 O controlo de qualdade é efetuado através da estatístca das dferenças entre as sondas das fadas de verfcação e as sondas vznhas das fadas prncpas. A estatístca desta comparação deve estar de acordo com os requstos de precsão da S-44 (Fgura 3.3). De acordo com os erros apresentados nas secções anterores, é possível estmar a varânca da profunddade reduzda como, σ z z c z t h r + = σ + σ + σ + σ + σ σ. (3. 54) O erro estmado ou ncerteza da profunddade reduzda, a um nível de confança de 68 % (ou 1σ) é obtdo pela raz quadrada da equação Assumndo que as componentes dos erros seguem uma dstrbução aproxmadamente normal, o erro estmado da profunddade reduzda, a um nível de confança de 95 % (ou σ), obtém-se substtundo cada varânca σ por (σ). tde Ordem Especal 1ª Ordem ª Ordem Erro máxmo (m) Profunddade (m) Fgura 3.3 "Requstos mínmos da profunddade reduzda para Ordem Especal, Ordem 1 e Ordem (S-44)" Para cada sstema de sondagem é recomendado o desenvolvmento de um balanço de erros para avalar a sua conformdade com os requstos da S-44. Na Fgura 3.33 é apresentada a estmação dos erros para um determnado sondador acústco e para condções de operação específcas.

45 159 Característcas do Sondador Acústco: Frequênca = 00 khz Largura do fexe = 0º (β = 10º) Duração do mpulso = 0.1 ms Condções de operação: Velocdade do som méda = 1500 m/s Arfagem/Heave = 1 m Balanço/Roll = 5º Velocdade da plataforma = 8 knots Settlement = N/A Squat = 0.05 m Erros estmados ou padrão (1σ): Erro de calado = 0.05 m Varação da velocdade do som = 5 m/s Erros de profunddade devdos a: Medção de tempo = 0.0 m Squat = 0.05 m Heave = 0.10 m Erro de maré= 0.05 m Erro co-tdal = 0.05 m Varação da vel. do som = (5/1500)z m Erros estmados ( σ): (nível de confança 95%) Erro de calado = 0.10 m Varação da velocdade do som = 10 m/s Depth errors due to: Medção de tempo = 0.04 m Squat = 0.10 m Heave = 0.10 m Erro de maré = 0.10 m Erro co-tdal = 0.10 m Varação da vel. do som = (1/150)z m σ z = σ z c + σ z t + σ + σ h + σ r + σ tde. 0.8 Error (m) at 95% confdence level st Order Survey Estmated error on reduced depth Depth (m) Fgura 3.33 "Estmação do erro na profunddade reduzda" 5.. Sstemas de Cobertura por Faxa (Swath systems) Os sstemas de cobertura por faxa (swath systems) efetuam medções de profunddade ao longo de uma faxa do fundo do mar. Estes sstemas efetuam medções em perfs perpendculares à proa

46 160 da plataforma de sondagem. À medda que a plataforma se desloca, as medções de perfs consecutvos efetuam o varrmento de uma faxa do fundo (conhecda como swath). Esta secção apresenta os sstemas sondadores multfexe e os sonares nterferométrcos Sondadores multfexe Os sondadores multfexe são uma ferramenta valosa para a medção da profunddade quando é necessára a busca total do fundo. Estes sstemas apresentam a potencaldade de nsonfcação completa do fundo submarno, com o consequente aumento de resolução e de capacdade de detecção Prncípo de funconamento O prncípo de funconamento do sondador multfexe basea-se na transmssão de um mpulso acústco em forma de leque na dreção do fundo. Após a reflexão da energa acústca pelo fundo, város fexes são formados eletroncamente em dreções predefndas, através de técncas de processamento de snal. O duplo ntervalo de tempo entre a transmssão e a recepção é calculado com recurso a algortmos de detecção de fundo. Com a aplcação do traçado do rao acústco (ver ) é possível determnar a profunddade e a dstânca transversal entre o transdutor e o centro da área nsonfcada. O fexe transmtdo é largo na dreção transversal à proa e estreto na dreção longtudnal (proa - popa). Inversamente, os fexes formados durante a recepção são estretos na dreção transversal à proa e largos na dreção longtudnal. A ntersecção destes dos fexes no plano do fundo corresponde à área nsonfcada para a qual é medda a profunddade. Como as medções da profunddade são efetuadas a partr de uma plataforma flutuante com ses graus possíves de lberdade (três translações e três rotações), são necessáras medções precsas da lattude, longtude, heave, roll, ptch e proa para o cálculo exato da profunddade e do posconamento. A. Detecção do fundo é o processo utlzado pelos sondadores multfexe para determnar o nstante de chegada e a ampltude do snal acústco. A fabldade deste processo afeta a qualdade das medções. Erros grosseros na medção da profunddade podem depender, entre outros fatores, do desempenho defcente dos algortmos de detecção de fundo. Os algortmos de detecção de fundo podem ser classfcados em duas categoras: detecção em ampltude e detecção em fase. a) Detecção em ampltude. O transdutor emte um mpulso na dreção do fundo e nca um período de escuta do eco provenente da reflexão no fundo. Nesta fase, o snal de retorno é amostrado em tempo para cada ângulo de fexe. O tempo de vagem do snal para um ponto do fundo é defndo pela ampltude detectada no snal refletndo no fundo (Fgura 3.34). Os métodos comuns de detecção em ampltude são os seguntes:. Frente de onda do snal refletdo. Este método é usualmente utlzado para ângulos de ncdênca próxmos de zero. A detecção do fundo corresponde ao prmero retorno dentro do fexe. Com o aumento do ângulo de ncdênca, o snal refletdo perde a sua forma acentuada orgnal e o método do prmero retorno dexa de ter bons resultados. Dos outros métodos podem ser utlzados, estes têm em consderação a varação da ntensdade das amostras ao longo da célula nsonfcada.

47 161 0 Detecção do fundo Ampltude Centro de massa Dferença de fase nula Fase Tempo -1.5 Fgura 3.34 "Métodos de detecção do fundo (detecção do snal)". Máxma ampltude do snal refletdo. A detecção do eco é defnda pelo nstante correspondente à máxma ampltude do snal refletdo.. Centro de massa do snal refletdo. Este método consste na determnação do nstante correspondente ao centro de massa do snal em ampltude. b) Detecção em fase. A detecção em ampltude é a técnca utlzada na detecção do eco para os fexes centras (próxmos do nadr), onde a ampltude da retroreflectvdade apresenta valores mas elevados e um número de amostras é reduzdo. Para os fexes exterores, a retroreflectvdade decresce e o número de amostras aumenta consderavelmente. Consequentemente, o retorno em ampltude é tão dluído no tempo que a detecção em ampltude não apresenta bons resultados. Para um fundo com declve acentuado, e no sentdo do aumento da profunddade, a dmnução da retroreflectvdade é também acentuada. Portanto, a detecção em fase é o método usualmente utlzado para ângulos de ncdênca elevados. Nesta técnca, para cada fexe o transdutor é dvddo em dos sub agregados, frequentemente com sobreposção, encontrando-se os centros destes sub agregados separados por um número de comprmentos de onda. Cada sub agregado forma um fexe em dreções predetermnadas, para a chegada smultânea de ecos de dferentes dreções, este método apresenta a vantagem de resolver apenas os ecos na dreção de formação do fexe. A sequênca de valores da dferença de fase é então utlzada para estmar o nstante de chegada do eco na dreção do fexe formado na recepção, através da determnação da dferença de fase nula da sére observada [de Mouster, 1993]. A fgura 3.35 lustra um exemplo do método de detecção em fase. O equvalente aos centros dos dos sub agregados são representados por A e B separados de uma dstânca l, onde θ é o ângulo do snal recebdo relatvamente ao exo acústco Um polnómo de segunda ordem pode ser ajustado a um subconjunto da sére de dferenças de fase do snal recebdo nos dos sub agregados para refnar a determnação do nstante correspondente à dferença de fase nula.

48 16 Quando o eco chega na dreção do exo acústco,.e. θ = 0, o snal nos dos sub agregados encontra-se em fase, sendo este o nstante de chegada do eco para o fexe em causa. Fgura 3.35 "Método de detecção em fase (dferença de fase nula)" Ao longo da faxa sondada, é normalmente necessára uma combnação de detecção em ampltude e fase para a determnação consstente do tempo de trajeto do mpulso. Próxmo do nadr, deve ser utlzada a detecção em ampltude por a sére temporal de amostras para estes fexes ser relatvamente reduzda para uma detecção robusta em fase. A detecção em ampltude é também utlzada em fundos rregulares com declves acentuados afastados do nadr. A detecção em fase para fexes próxmos do nadr pode ocorrer devdo a erros grosseros (blunders), como por exemplo o retorno do snal na coluna de água ou devdo á detecção do eco pelos lóbulos secundáros. Para fexes afastados do nadr a detecção é usualmente efetuada em fase. A ampltude poderá, no entanto, ser utlzada em casos de elevada refletvdade do fundo, como a assocada a dferenças de refletvdade na área nsonfcada causadas quer por reflexão normal (ou especular), quer por varânca elevada no ajustamento da curva à sére temporal de amostras de dferença de fase. Estas condções podem ocorrer na presença de destroços ou de fundos muto rregulares. c) Fast Fourer Transform (FFT) De acordo com 4.1, os snas recebdos em cada elemento são copados para cada fexe durante a formação dos fexes. A soma da ampltude dos N elementos transdutores é ela própra uma transformada de Fourer do vetor, com N elementos, correspondente ao dagrama de radação de um agregado lnear. Se N for uma potênca de o cálculo é menos exgente e a transformada de Fourer é

49 163 chamada de Fast Fourer Transform46. Este método tem a vantagem de aumentar a velocdade do processo de formação de fexes. Detalhes sobre este método são apresentados por de Mouster [1993] Exatdão Para os sondadores multfexe a medção do ângulo e da dstânca é mas complexa que para os sondadores de fexe smples. Consequentemente, exste um número de fatores que contrbuem para o erro destas medções, nclundo o ângulo do fexe, ângulo de ncdênca no fundo, largura do fexe transmtdo e do fexe formado na recepção, exatdão na determnação da attude e da arfagem, algortmos de detecção do eco e varação do perfl de velocdade de propagação do som na água. Usualmente é necessáro calcular um balanço de erros devdo a estes fatores (ver ) Resolução Os sstemas sondadores multfexe, com a sua capacdade de nsonfcação total do fundo, contrbuem para a melhor representação do relevo submarno e, quando comparados com os sondadores de fexe smples, para maor resolução cartográfca. No entanto, a resolução da medção da profunddade depende dos seguntes fatores: frequênca acústca, largura do fexe transmtdo e do fexe formado na recepção e do algortmo utlzado na detecção do fundo. A resolução da medção da profunddade é função do comprmento do mpulso e da dmensão da área nsonfcada. A área nsonfcada dos sondadores multfexe para ncdênca normal é relatvamente pequena pelo que a resolução do sondador multfexe é superor à do sondador de fexe smples Frequênca É seleconada em função da sua utlzação, nomeadamente o alcance máxmo e resolução pretendda. As frequêncas dos sondadores multfexe são tpcamente: a) Profunddades nferores a 100 metros: frequêncas superores a 00 khz; b) Profunddades nferores a 1500 metros: frequêncas entre 50 e 00 khz; c) Profunddades superores a 1500 metros: frequêncas entre 1 e 50 khz Sensores do sstema multfexe e sua ntegração Além do sondador multfexe, os sstemas multfexe ncluem: a) Sensor de movmento para determnação da attude (roll, ptch e proa) e arfagem. Atualmente estes sensores compreendem uma undade de medção nércal (IMU) e um par de receptores GPS e respectvas antenas. Como resultado da tecnologa utlzada, este sensor permte também a determnação da posção com elevada exatdão; b) Perflador de velocdade de propagação do som para a medção da velocdade de propagação do som ao longo da coluna de água; 46 Também é possível utlzar FFT quando N não é uma potênca de, através da adção de elementos com ampltude zero, ver de Mouster [1993].

50 164 c) Sensor de velocdade de propagação do som para medção da velocdade de propagação do som na face do transdutor. Este componente deve ser consderado obrgatóro para os agregados de transdutores de face plana, onde é necessáro o guamento dos fexes; d) Sstema de posconamento nos novos sstemas, como referdo acma, o posconamento está ntegrado com os sensores de movmento. O GPS em modo pseudo-dferencal ou em modo RTK é sstema geralmente usado; e) Sensor de proa encontra-se também ntegrado com o sensor de movmentos, a melhor solução é dada pela proa obtda por dos receptores GPS Instalação e calbração (patch test) A nstalação dos transdutores multfexe pode ser por fxação ao casco ou por fxação à proa ou à borda. A fxação ao caso é utlzada em navos ou em nstalações permanentes, as outras nstalações são utlzadas em embarcações ou em nstalações temporáras. A calbração (patch test) é um procedmento essencal que consste na determnação dos desvos em roll, ptch e proa para o transdutor e sensor de movmentos e da latênca do sstema de posconamento. Informação detalhada sobre este assunto pode ser encontrada em Godn [1996]. A calbração deve ser efetuada após nstalação do sstema e após grandes períodos de noperaconaldade ou após alterações sgnfcatvas da nstalação. Antes da calbração é necessáro verfcar os parâmetros de nstalação e efetuar um perfl de propagação da velocdade do som na água de forma a atualzar cálculo da refração. a) Latênca do posconamento A latênca ou atraso do posconamento é a dferença em tempo entre posconamento e a determnação da profunddade. Para a determnação da latênca são efetuadas duas fadas sobrepostas, no mesmo sentdo e velocdades dferentes, num fundo nclnado. Quanto maor o declve do fundo maor será a resolução deste parâmetro. O declve deve ser regular e apresentar uma extensão sufcente para garantr uma amostragem adequada. A fgura 3.36 lustra a calbração deste parâmetro. O valor da latênca é obtdo por medção do deslocamento longtudnal das sondas ao longo do declve devdo às dferentes velocdades do navo. Para evtar a nfluênca dos desvos em ptch, as fadas devem ser efetuadas no mesmo sentdo. O valor da latênca, δt, pode ser obtdo através da equação: δt = x v v 1 (3.55) onde x é a separação horzontal entre os perfs das duas fadas, realzadas às velocdades v 1 e v para a fada 1 e, respectvamente.

51 165 v 1 δt v δt z x a) b) Fgura 3.36 "Calbração da latênca. a) vsta de cma; b) secção longtudnal onde é vsível a separação entre os dos perfs relatvamente ao fundo real. " b) Desvo em ptch O desvo em ptch é a composção do desvo angular do sensor de movmentos e do alnhamento do transdutor com a vertcal do lugar no plano longtudnal da plataforma de sondagem. Para determnar o desvo em ptch são efetuadas duas fadas sobrepostas, em sentdos opostos e à mesma velocdade, num fundo nclnado. Tal como referdo na determnação da latênca, quanto maor o declve maor será a resolução deste parâmetro. O declve deve ser regular e apresentar uma extensão sufcente para garantr uma amostragem adequada. A fgura 3.37 lustra a calbração deste parâmetro. Após a determnação da latênca, o desvo em ptch é obtdo por medção do deslocamento longtudnal. Para evtar qualquer nterferênca devdo à latênca, este parâmetro deve já estar corrgdo antes de se realzar esta calbração. O desvo em ptch, δθ p, pode ser obtdo pela equação: δθ p x = tan 1 z (3.56) Onde x é a separação horzontal entre os dos perfs de sondagem na vznhança do nadr, e v 1 e v são as velocdades das fadas 1 e respectvamente.

52 166 z δθ p x a) b) Fgura 3.37 "Calbração do desvo em ptch a) vsta de topo das duas fadas; b) secção longtudnal, onde é vsível a separação entre os dos perfs relatvamente ao fundo real. c) Desvo em proa O desvo em proa é a composção dos desvos angulares do sensor de determnação da proa e do alnhamento do transdutor, segundo a perpendcular ao exo longtudnal da plataforma de sondagem. O procedmento para determnar o desvo em proa consste em realzar dos pares de fadas adjacentes e recíprocas, à mesma velocdade, numa área com uma estrutura batmétrca bem defnda, por exemplo um baxo. As fadas adjacentes devem apresentar sobreposção dos fexes exterores na área da estrutura batmétrca (a sobreposção não deve ser superor a 0% da faxa sondada). A fgura 3.38 lustra a calbração do desvo em proa. Após a correta determnação da latênca do sstema de posconamento e do desvo em ptch, o desvo em proa pode ser obtdo através da medção do deslocamento longtudnal da estrutura batmétrca entre as fadas adjacentes. Para evtar qualquer nfluênca da latênca e do desvo em ptch, o sstema deverá ter sdo prevamente compensado para estes dos desvos. O desvo em proa, δα, pode ser obtdo pela equação: x δα = tan 1 (3.57) L Onde x é a separação horzontal da estrutura batmétrca obtda através das duas fadas recíprocas adjacentes à estrutura, sendo L a dstânca entre as duas fadas.

53 167 δα x L Fgura 3.38 "Calbração do desvo em proa" d) Desvo em roll O desvo em roll é a composção do desvo angular do sensor de movmentos e do alnhamento do transdutor com a vertcal do lugar no plano transversal da plataforma de sondagem. Para determnar o desvo em roll são efetuadas duas fadas sobrepostas, em sentdos opostos e à mesma velocdade, num fundo plano e regular. A fgura 3.39 lustra a calbração deste parâmetro. Após correta determnação da latênca do sstema de posconamento, do desvo em ptch e do desvo em proa, o desvo em roll pode ser obtdo através da medção do deslocamento vertcal dos fexes exterores das duas fadas sobrepostas. Para evtar qualquer nfluênca da latênca, do desvo em ptch e do desvo em roll o sstema deve ser prevamente compensado para estes erros sstemátcos. O desvo em roll, δθ R, pode ser obtdo através da equação: z δθ = tan 1 R (3.58) y Onde z é a separação vertcal entre os fexes exterores das duas fadas recíprocas e y é a dstânca entre o nadr e o ponto onde a separação vertcal das duas fadas é medda. A calbração é usualmente efetuada através de ferramentas nteratvas. O ajustamento ou cálculo do desvo deve ser efetuado por amostragem de váras secções de forma a determnar um valor médo para cada parâmetro. Os desvos podem ter uma ncerteza da ordem da resolução do sensor de movmentos.

54 168 δθ R z δθ R z y a) b) Fgura 3.39 Calbração do desvo em roll. a) vsta de topo das duas fadas; b) secção transversal, onde é vsível a separação entre os dos perfs relatvamente ao fundo real." Operação e regsto de dados A confguração dos equpamentos na plataforma de sondagem e os parâmetros de calbração devem ser verfcados no níco de cada levantamento. Os parâmetros do sstema utlzados durante a aqusção podem varar consoante a área do levantamento (v.g. profunddade máxma, profunddade esperada, máxma razão de transmssão de mpulsos, etc.). No níco de um levantamento deve ser efetuado um perfl de velocdade de propagação do som na água e transferdo para o sondador multfexe para ser utlzado, geralmente, em tempo real. A velocdade de propagação do som à face do transdutor deve ser comparada com o valor dado pelo sensor de velocdade colocado à mersão do transdutor. Durante o levantamento devem ser efetuados város perfs de velocdade de propagação do som, de acordo com a avalação préva de varação temporal e espacal dos perfs de velocdade de propagação do som. Durante o levantamento, os sstemas apresentam capacdade de operação autónoma. No entanto, o hdrógrafo deve montorzar a aqusção dos dados e verfcar a sua ntegrdade. Em partcular, deve ser garantda a completa nsonfcação do fundo e a sobreposção entre fadas adjacentes. É mportante comparar a sobreposção dos fexes exterores de faxas adjacentes e verfcar eventuas tendêncas de encurvamento sstemátco dos perfs (conjunto de fexes correspondentes a um mpulso). No fnal de cada sessão de sondagem é altamente recomendável a duplcação da nformação adqurda (backup) Fontes de erro e técncas de controlo de qualdade As fontes de erro para os sondadores de fexe smples foram apresentadas em Daqu em dante são analsadas as fontes de erro para os sondadores multfexe. Alguns dos erros são comuns aos dos sstemas,.e. não varam com o ângulo do fexe. Por esta razão alguns dos erros são referdos na secção Detalhes na ncerteza da medção dos sondadores multfexe podem ser encontrados em Hare [1995] e Lurton [00].

55 Devdo à velocdade de propagação do som. Erros ou varação na velocdade de propagação do som na água resultam em soluções ncorretas para a refração e, consequentemente, em erros na medção da profunddade e posconamento. O traçado do rao acústco47 basea-se na le de Snell que estabelece a relação entre a dreção do rao e a velocdade de propagação das ondas acústcas: senθ c 0 0 senθ =L = = κ (3.59) c onde c é a velocdade de propagação do som, θ é o ângulo de ncdênca referdo à vertcal para uma profunddade z e κ parâmetro do rao ou constante de Snell. Consderando um perfl de velocdade de propagação do som dscreto (Fgura 3.40), é acetável assumr o gradente de velocdade de propagação do som é constante para cada camada,.e. entre duas medções sucessvas da velocdade de propagação do som. Desta forma, a velocdade de propagação do som pode ser representada por: c (z) = c 1 + g (z z 1), for z 1 z z (3.60) onde g é o gradente da camada, dado por: g c z 1 = (3.61) c z 1 Em cada camada o mpulso acústco descreve um trajeto curvlíneo com rao de curvatura constante, ρ, dado por: 1 ρ = (3.6) κg 47 O rao acústco corresponde a uma lnha desenhada a partr da fonte, sendo perpendcular à frente de onda em qualquer ponto da trajectóra.

56 170 Perfl da velocdade do som Dstanca horzontal z 0 c 0 x 0 z 1 Layer 1 c 1 β=θ 0 x 1 z c θ 1 x c n-1 x n-1 z n c n θ n-1 x n Fgura 3.40 "Traçado do rao acústco" Consderando o ângulo do fexe θ 0 (ou β) numa profunddade com velocdade de propagação do som c 0, a dstânca horzontal percorrda pelo mpulso acústco até ao nível é dada por: x = ρ ( cos θ cos θ ) cos θ = cos θ 1 1 (3.63) κg e, substtundo cos(θ ) por 1 ( κc ) obtém-se: x = 1 ( κc ) 1 ( κc ) 1 κg (3.64) O tempo de percurso do mpulso acústco na camada é dada por: que pode também ser escrto na forma: c 1 dc t = (3.65) g c cos c 1 ( θ) ( κc 1 ) ( κc ) 1 c 1+ 1 t = ln (3.66) g c Para obter a dstânca horzontal total percorrda pelo snal acústco e o ntervalo de tempo correspondente, é necessáro somar as dstâncas x e os tempos t desde o transdutor até ao fundo, = 1 [ 1 ( κc ) ] 1/ 1 ( κc ) κg [ ] 1/ n 1 x = (3.67)

57 171 ( κc 1 ) ( κc ) n 1 c 1+ 1 t = ln (3.68) = 1 g c A determnação da profunddade e o seu posconamento resultam da ntegração de cada uma das componentes da velocdade do mpulso ao longo do tempo. O trajeto é fxo pelo ângulo ncal do fexe, utlzando o perfl atualzado da velocdade de propagação do som na água entre a profunddade do transdutor e o percurso do mpulso até ao fundo ( t/). Tomando um perfl de velocdade de propagação do som na água, com gradente constante, g, a profunddade é obtda através de: t / z = (c0 + g z) cos( θ) dt (3.69) 0 O erro em profunddade, dz c, devdo à varação do gradente, dg, e à velocdade de propagação do som à face do transdutor, dc 0, por dferencação da equação 3.69 pode ser aproxmada por: 0 z ( 1 tan ( β) ) dg dc0 z dz c = + (3.70) c c onde β e c 0 são o ângulo de lançamento do fexe e a velocdade obtda do perfl para a profunddade do transdutor. Na equação 3.70 o prmero termo corresponde aos erros relatvos à dstânca e à refração devdo à varação do gradente do perfl de velocdade de propagação do som na água, enquanto que o segundo termo corresponde ao erro em profunddade devdo ao desvo do perfl à profunddade do transdutor. Assumndo que não exste correlação entre estes dos erros, a varânca da profunddade devdo aos erros na velocdade de propagação do som são dados por: σ z ( 1 tan ( β) ) σ + σ z c_profle g c0 c 0 c 0 0 z = (3.71) onde σ g corresponde à varânca do gradente do perfl de velocdade de propagação do som na água e σ c0 corresponde à varânca do valor ncal da velocdade de propagação do som na água utlzada no cálculo da profunddade. Os erros na velocdade de propagação do som na água são, na prátca, dfíces de quantfcar e os problemas devdo às varações temporas e espacas da velocdade de propagação do som podem, por vezes, ser tão sgnfcatvas que a solução pode passar lmtar a cobertura angular efetva do sondador multfexe. Exste outra componente de erro na profunddade devdo à varação da velocdade de propagação do som à face do transdutor. Esta componente ntroduz um erro no ângulo do fexe que, por seu lado, também se traduz em erro na profunddade medda e no seu posconamento. Para a establzação do fexe é necessáro ntroduzr atrasos em tempo nos elementos transdutores do agregado (4.). Para calcular os atrasos é necessáro conhecer a velocdade de propagação do som à face dos transdutores. Isto é usualmente consegudo através de um sensor de velocdade de propagação do som colocado junto do transdutor. Qualquer erro na velocdade de propagação do som à face do transdutor propagar-se-á como erro no ângulo do fexe (Fgura 3.41).

58 17 Fgura 3.41 "Erro no guamento do fexe devdo à varação da velocdade de propagação do som na água " O atraso em tempo para guar o fexe um ângulo β é obtdo por: logo: d t = sn( β) (3.7) c 0 c0 t β = asn d (3.73) por dferencação e procedendo a smplfcação aproprada, obtém-se: ( β) tan dβ = dc 0 (3.74) c O erro no guamento do fexe propaga-se num erro em profunddade, dado por: 0 dz β z c ( β) dc 0 = (3.75) 0 tan A varânca da profunddade devdo ao guamento do fexe é dada por: σ z β z c 0 ( β) σ c0 4 = tan (3.76) onde σc 0 corresponde à varânca da velocdade de propagação do som utlzada no guamento do fexe, usualmente obtda por um sensor colocado junto ao transdutor. A varânca estmada para a profunddade devdo aos erros da velocdade é dada por: z c z c_profle zβ σ = σ + σ (3.77) Os erros menconados acma podem ser detectados por nspeção vsual dos dados através da curvatura anormal dos perfs (conjunto dos város fexes).

59 Devdo à attude. A medção da profunddade depende dos erros em ptch e roll, com a segunte contrbução: e, dz R = R cos( θ ) sn ( β θ R ) dθ R θ P (3.78) dz P = R sn( θ ) cos As respectvas varâncas da profunddade são dadas por: e, ( β θ R ) dθ P θ P (3.79) z θ R ( z cos( θ ) tan( β θ )) σ σ = (3.80) ( z sn( θ ) σ z = P ) θ P P θ P R σ (3.81) A varânca total da profunddade devdo à attude e à arfagem da plataforma é dada por: θ R σ z moton zθ zθ = σ + σ + σ (3.8) R P h onde σ h é a varânca da arfagem Devdo ao calado, assentamento, squat e posção relatva do transdutor. A exatdão da medção da mersão do transdutor e o conhecmento do comportamento do navo em condções dnâmcas, assentamento e squat são fundamentas para a exatdão das medções de profunddade. Estes erros contrbuem para o erro da profunddade ndependentemente do ângulo do fexe. A varânca da profunddade devdo à mersão do transdutor, ver , é dada por: σ = σ + σ + σ (3.83) draught settlement squat onde σ é a varânca do calado, draught varânca do squat. σ settlement é a varânca do assentamento e Redução da profunddade. Este assunto já fo analsado em σ squat é a O controlo de qualdade deve ser efetuado através de cálculos estatístcos baseados na comparação entre profunddades das fadas de verfcação e superfíce batmétrca gerada com as fadas prncpas. A estatístca gerada nesta comparação deve satsfazer os requstos de exatdão apresentados na S-44. De acordo com os erros apresentados acma, a varânca estmada para a profunddade reduzda é dada por: z z c σ = σ + σ + σ + σ + σ (3.84) h moton tde z det ecton

60 174 onde σ z corresponde à varânca da profunddade devdo ao algortmo de detecção do det ecton fundo mplementado no sondador multfexe [Lurton, 00]. O erro estmado na profunddade reduzda, a um nível de confança de 68 por cento (ou 1σ), é obtdo pela raz quadrada da equação Assumndo que as componentes do erro seguem uma dstrbução aproxmadamente normal, o erro estmado da profunddade reduzda, a um nível de confança de 95 por cento (ou σ), é obtda pela substtução cada varânca σ por ( σ ) Sonares nterferométrcos Os sonares nterferométrcos Os sonares nterferométrcos utlzam a fase do snal sonar para medr o ângulo da frente de onda refletda pelo fundo ou por um alvo. Este prncípo dfere do utlzado nos sstemas multfexe que forma na recepção um conjunto de fexes e efetua a detecção do fundo para cada fexe, quer por ampltude ou fase, para determnação da profunddade ao longo da faxa sondada [Hughes Clarke, 000]. Estes sonares têm dos ou mas agregados horzontas. Cada agregado produz um fexe com grande abertura transversal e com pequena abertura longtudnal. Um destes agregados de elementos transdutores é utlzado para a transmssão, nsonfcando uma área do fundo e dfundndo a energa ncdente em váras dreções. Parte dessa energa será refletda na dreção dos agregados que medem o ângulo relatvamente aos transdutores.. A dstânca é também calculada a partr do tempo de da e volta observado. Exstem város métodos para a medção do ângulo. O mas smples consste na soma dos snas recebdos em dos agregados, resultando em franjas de ampltude do snal ou frnge que correspondem à varação da ntensdade do snal. Se os dos agregados estverem separados por meo comprmento de onda, exstrá apenas uma frnge, correspondendo a dreção de fase nula à perpendcular do exo do transdutor, podendo a dreção ser determnada sem ambgudade. Se os transdutores estverem separados por város comprmentos de onda, o ângulo de detecção da frente de onda pode ser dervado para as dreções onde a ocorrênca do snal é máxma ou mínma (Fgura 3.4). No entanto, este método, quando utlzado ndvdualmente, produz um número reduzdo de medções Sonares de prospecção (Forward lookng sonars) Os sonares de abertura horzontal são utlzados na detecção de obstruções através do varrmento mecânco ou eletrónco no plano horzontal. Estes sstemas são especalmente adequados na detecção de obstruções em áreas não levantadas ou sondadas nadequadamente.

61 175 Fgura 3.4 "Dagrama de radação resultante da nterferênca, construtva ou destrutva, dos snas recebdos em dos agregados, separados por uma dstânca (d) 10 vezes superor ao comprmento da onda acústca (vermelho) e a meo comprmento de onda (azul)" 6. SISTEMAS NÃO ACÚSTICOS Além dos sstemas acústcos apresentados na secção anteror, exstem alguns sstemas eletromagnétcos que podem ser utlzados na medção da profunddade, tas como os sstemas laser e de ndução eletromagnétca, bem como a determnação de profunddade dervada de altmetra satélte. Estes sstemas e os tradconas métodos mecâncos para determnação da profunddade ou para rocega são descrtos segudamente Sstemas Laser Aerotransportados Os sstemas laser 48 consttuem uma alternatva e um complemento aos sstemas acústcos em fundos baxos [Guenther et al., 1996]. Um sstema laser é consttuído por um módulo de varrmento laser, um receptor GPS e um sensor nércal de movmento (IMU) Prncípos de funconamento O sstema hdrográfco laser aerotransportado, LIDAR (LIght Detecton And Rangng), é utlzado para medção da profunddade. Este sstema emte um mpulso laser em duas frequêncas (azulverde e nfravermelho), com um padrão em arco através do percurso de voo da plataforma. O sstema regsta ambos os snas correspondentes ao mpulso de luz refletdo pela superfíce do mar e pelo fundo (Fgura 3.43). O ntervalo de tempo entre os dos retornos é convertdo em profunddade. 48 Laser é o acrónmo para Lght Amplfcaton by Stmulated Emsson of Radaton. Bascamente o laser consste num dodo que produz luz numa determnada frequênca.