Laboratorio di monitoraggio costiero tramite rete radar in banda X
L'uso del radar in banda X ha ricevuto un crescente interesse grazie alla possibilità di utilizzarlo anche come Wave Radar, permettendo di misurare, con elevata precisione e in tempo reale, gli spettri delle onde e il campo di corrente superficiale in un raggio fino a 5 km. Le peculiarità e le potenzialità di questa tecnologia innovativa, il 'wave radar', ha recentemente ricevuto un crescente interesse nel campo del monitoraggio costiero grazie ai suoi impieghi per la sorveglianza costiera e le situazioni di emergenza. Tra i sistemi di monitoraggio i Wave Radar si stanno affermando per il grande vantaggio di flessibilità d’uso grazie alle loro piccole dimensioni, al peso ridotto e alla facilità di installazione. In particolare, il modello in uso è denominato 'mobile' perché ha la caratteristica di essere posizionato su una colonna pneumatica montata a bordo di una piattaforma trainata. Il radar nautico in questione, utilizzato per scopi di ricerca scientifica, funziona esclusivamente con brevi impulsi, la trasmissione è inibita a terra ed ha un angolo di emissione stretto diretto solo verso il mare, irradiandolo ad intervalli di tempo non continuativi di pochi minuti e solo in corrispondenza di forti mareggiate, in modo da consentire l'acquisizione di dati sufficienti ad effettuare un'analisi delle caratteristiche del moto ondoso e delle correnti superficiali nella zona di mare antistante il sito di installazione prescelto.
L'attività descritta di seguito si concentra sulle applicazioni costiere dei radar in banda X, in particolare sulla loro capacità di fornire misure accurate e in tempo reale del campo d'onda, con costi molto più bassi e maggiore precisione rispetto alle boe ondametriche e, quindi, sulla probabilità di rilevare in tempo reale e da remoto i fenomeni di insabbiamento e di erosione costiera.
I cambiamenti della linea di costa sono un indicatore ambientale in grado di identificare: a) le aree esposte all'erosione; b) i ben demaniali esposti al rischio; c) le priorità per mitigare il rischio.
La capacità di conoscere in tempo reale e con buona precisione lo stato della superficie del mare permette di utilizzare una serie di applicazioni e strumenti. Il sistema radar in banda X, montato su stazioni fisse, in prossimità di porti o altri siti strategici, può essere utilizzato, fino ad una distanza di 3 miglia nautiche, per monitorare l'evoluzione della linea di riva, generando mappe delle correnti superficiali e il campo delle onde che irrompe generando erosione, e può costituire un dispositivo per la messa a punto di modelli di trasporto e diffusione di materiale sospeso e il monitoraggio delle foci dei fiumi.
STRUMENTI E PERSONALE
Un sistema “wave radar” si compone di:
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Antenna radar di 6 piedi per la ricetrasmissione nella banda di frequenze 9300 ÷ 9500 MHz;
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Sistema di acquisizione e conversione dati;
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PC per controllo radar ed elaborazione dati;
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Moduli software dedicati al controllo ed alla gestione dell’unità radar, dell’interfaccia di acquisizione e per la determinazione dei parametri fisici che concorrono alla definizione dello stato del mare in un’area di raggio fino a 1,5 miglia nautiche dal radar e relativa archiviazione su database;
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Moduli software dedicati alla generazione delle mappe di correnti superficiali ad alta risoluzione spaziale, alla trasmissione delle informazioni rilevate verso database/sistema remoto su protocollo TCP/IP con selezione automatica del migliore canale trasmissivo, alla gestione ed al controllo remoto del sistema (inclusa l’interfaccia grafica utente per la visualizzazione dei risultati). L'interfaccia di acquisizione e processamento dei segnali radar per la generazione di immagini della superficie del mare è conforme alla norma IEC60945. L'Unità di elaborazione è dedicata al post-processing ed all’archiviazione dei dati.
In particolare, il modello in oggetto è denominato Mobile in quanto ha la caratteristica di essere collocato su una colonna pneumatica montata a bordo di una piattaforma carrabile a rimorchio della RSA ITALIA Srl. La colonna pneumatica può essere azionata tramite un generatore a motore monocilindrico 4 tempi a benzina HONDA GX160 di dimensioni (L x L x A) 312 x 362 x 346 mm e peso a secco 15.1 kg, cilindrata 163 cm³, potenza netta 3.6 kW (4.8 HP)/3600 giri/min, potenza nominale continua 2.5 kW ( 3.4 HP )/3000 giri/min. La capacità del serbatoio è di 3.1 Litri e il consumo di combustibile stimato alla potenza continuativa è 1.4 L/O - 3600 giri/min.
Di seguito alcune foto del sistema ‘Wave Radar Mobile’ con il dettaglio del generatore elettrico innestato all’interno della struttura. La foto di sinistra mostra il sistema con l’antenna radar montata sulla colonna pneumatica che si trova in posizione verticale, quella di destra il sistema con la colonna a riposo e di minimo ingombro.
Le caratteristiche di flessibilità e mobilità del sistema Radar Mobile, lo rendono unico nel suo genere in quanto offre il vantaggio di poter effettuare un monitoraggio costiero con estrema semplicità e rapidità da una qualsiasi posizione senza la necessità di dover effettuare una installazione fissa, purché si abbia una visuale sul mare.
Personale
Francesco Raffa (Tecnologo CNR - Responsabile Sistema Radar)
Fabrizio Lirer (Ricercatore CNR)
Serena Botteghi (Ricercatore CNR)
Carlo Sardo (Tecnico CNR)
Lyuba Novi
Contatti
Telefono:
+39 347 1803641 (Francesco Raffa)
+39 050 6212387 (Serena Botteghi)
E-mail:
francesco.raffa(at)igg.cnr.it
serena.botteghi(at)igg.cnr.it
lyuba.novi(at)deltares.nl
L'attività di monitoraggio è fondamentale per la comprensione dei fenomeni in corso sul litorale e per la verifica degli effetti degli interventi realizzati. Da sempre il radar marino viene utilizzato come supporto alla navigazione, permettendo l’individuazione di target in mare. Per una migliore visualizzazione dei target il dispositivo permette di ridurre, tramite l’utilizzo di un filtro anti-clutter, il ritorno della radiazione elettromagnetica, denominato appunto clutter, proveniente dalla superficie del mare. Solo nell’ultimo decennio i dispositivi radar vengono utilizzati per un’altra applicazione: il monitoraggio dei parametri che caratterizzano lo stato del mare. Tramite l’analisi del segnale di clutter ricevuto da un comune radar in banda X, é possibile infatti, ricavare notevoli informazioni sullo stato del mare come la lunghezza dell’onda, la direzione, il periodo delle onde dominanti, le correnti superficiali e la batimetria del fondale. In specifiche condizioni è possibile anche ricostruire l'evoluzione spazio-temporale del moto ondoso e monitorare, quindi, l’altezza e il propagarsi delle singole onde della superficie del mare. La conoscenza di tali informazioni è utile per lo sviluppo di una serie di applicazioni e di servizi come, ad esempio, la protezione e salvaguardia della costa. Il Wave Radar in banda-X permette di scansionare la superficie del mare con alta risoluzione spaziale e temporale, ciò è possibile in quanto il backscattering dalla superficie del mare, la cui intensità può essere paragonabile a quella dei normali bersagli, è catturato dall’antenna radar. L’interazione tra le onde elettromagnetiche del radar e la superficie libera del mare può essere divisa in due fenomeni molto diversi:
- la riflessione dei campi elettromagnetici secondo le leggi dell'ottica geometrica.
- la dispersione delle onde elettromagnetiche o backscattering, che è l'effetto più significativo quando si misura
il campo d'onda attraverso i comuni radar nautici in banda X nella modalità grazing angle, cioè geometria di acquisizione con un angolo di vista quasi parallelo alla superficie del mare. L’effetto di backscattering è causato dall’interferenza delle onde trasmesse dal radar con la rugosità della superficie del mare. La suddetta rugosità è dovuta principalmente alle onde capillari formate dal vento locale e da altri fenomeni come la presenza di schiuma sulla superficie del mare. Pertanto, la misura delle onde mediante radar è legata all'esistenza di vento nella zona illuminata dal radar. Risultati sperimentali mostrano che è necessario un vento di almeno 2.5m/s perché si formino i ripples sulla superficie del mare, tali da poter dare un ritorno sufficientemente intenso sul segnale video del radar.
Per tale ragione in assenza di vento il sistema non è in grado di fornire immagini della superficie del mare poiché il segnale trasmesso viene riflesso in modo speculare rispetto alla posizione dell’antenna trasmittente e non scatterato in tutte le direzioni.
L’applicazione ha come scopo quello di contribuire all’acquisizione di conoscenze avanzate sulle dinamiche e/o variazioni nel tempo degli ecosistemi costieri in relazione ai processi fisici che li caratterizzano, da sviluppare attraverso la sperimentazione di nuove metodologie di monitoraggio in relazione alle specifiche caratteristiche dell’area costiera. Con il rilevamento da remoto attraverso il Wave Radar, da affiancare ai sistemi più tradizionali per i rilievi di dettaglio, si forniranno importanti datasets per testare i software, calibrare i sistemi e confrontare i risultati. Potranno essere individuate variazioni della linea di riva dell’ordine di grandezza pari a qualche metro. Dati a questa scala spazio-temporale non sono facilmente ottenibili da altre tecniche di rilevamento da remoto. L'uso del Wave Radar come strumento per quantificare la variazione costiera a scale stagionali e di eventi in complessi sistemi idrodinamici è un'applicazione unica per monitorare aree con morfologia dinamica o vulnerabile all'erosione determinata da eventi di tempesta.
Nell’ambito della convenzione stipulata nel corso del 2018 con il CNR-ISMAR Sede secondaria di Napoli proprietaria del Wave Radar Mobile, per attività di studio e monitoraggio condiviso a fini di ricerca scientifica, il CNR-IGG sta utilizzando questa innovativa strumentazione per la prima volta in Italia per collezionare dati di monitoraggio dell’aree costiere della Toscana. E’ stata avviata un'attività periodica di monitoraggio a scala locale, con cui poter individuare le aree caratterizzate dai fenomeni più evidenti da monitorare con maggior dettaglio, come l’area del Parco San Rossore, tra il Gombo e Marina di Pisa, la Versilia, tra Marina di Carrara e Lido di Camaiore, la Mazzanta, tra Vada e Cecina e la zona di Calafuria. Poiché la profondità del fondale, le caratteristiche idrodinamiche dello stato superficiale dell'acqua, l’impatto antropico e gli sversamenti di materiale alle foci fluviali incidono fortemente sullo stato ambientale del sistema costiero, l’attività di monitoraggio proposta riguarda lo studio delle variazioni della linea di costa e della batimetria dei bassi fondali.
Di seguito la descrizione dell'analisi dei dati acquisiti durante una mareggiata da un Wave Radar in uso presso l'Istituto IGG-Pisa: un radar mobile, di proprietà del CNR dell'ISMAR-Napoli, installato su una piattaforma mobile, a Marina di Pisa (Italia) alle coordinate: Lat: 43°39'23.10 "N e Lon: 10°16'52.56 "E ad ottobre 2019.
La figura seguente mostra le aree indagate con in dettaglio il Wave Radar in banda X modello SRT Consilium 25KW con antenna da 9''.
La seguente tabella mostra i parametri di funzionamento del sistema radar.
Parametri radar | Valori |
Potenza di picco | 25 kW |
Lunghezza dell'antenna | 2,7 m |
Scala radar | 1,25 NM |
Periodo di rotazione dell'antenna (Δt) | 2,4 s |
Spaziatura delle immagini (Δx e Δy) | 4,5 m |
Altezza dell'antenna | 15 m |
Settore angolare | 110° N |
Tabella 1: Parametri di funzionamento del sistema radar
A titolo di esempio, la figura seguente mostra un'immagine radar acquisita alle 13:35 UTC da Marina di Pisa. L'immagine mostra le navi nelle vicinanze e la "firma" radar delle onde del mare.
Gli algoritmi di analisi dei dati radar, interamente sviluppati al CNR, permettono di stimare, in tempo reale e con elevata precisione, i parametri caratteristici dello stato del mare (altezza significativa delle onde, direzione, periodo e lunghezza delle onde dominanti), la portata della corrente di superficie e, in condizioni appropriate, la batimetria del fondo marino fino ad una distanza di 5 Km dal radar. Le immagini seguenti mostrano alcuni esempi dello spettro direzionale misurato durante il rilevamento insieme alle misure medie delle onde e delle correnti superficiali.
Le immagini spettrali e le misure d'onda rivelano la presenza di un'onda dominante da circa 250° e 260°. Per verificare l'intensità delle misure radar ottenute durante la suddetta rilevazione, è possibile confrontarle con le previsioni d'onda generate dal modello e con le misure del mareografo corrispondenti allo stesso giorno. I modelli di previsione d'onda forniti dal modello WWMII prodotto da ISMAR-CNR e le misurazioni effettuate dalla boa di Gombo del servizio di monitoraggio meteorologico idrologico della Regione Toscana sono coerenti con le misurazioni effettuate nell'area oggetto di studio. Di seguito sono riportate le immagini del modello d'onda WWMII dell'area oggetto di studio e i grafici temporali dell'altezza, della direzione e del periodo delle onde misurate dal misuratore d'onda.
Il sistema Wave Radar, oltre a fornire misure d'onda in termini di parametri caratteristici, ricostruisce anche l'elevazione dell'onda nello spazio e nel tempo con una risoluzione spaziale di pochi metri. Le immagini seguenti mostrano un'istantanea della ricostruzione spaziale dell'elevazione dell'onda rispetto ai dati acquisiti. Le immagini, sovrapposte alla mappa di Google, mostrano la propagazione dell'onda dominante, proveniente dall'OSO, che impatta sulla costa.
La presenza della costa genera la riflessione e la rifrazione dell'onda, fenomeni associati alla deviazione della traiettoria di propagazione delle onde quando incontrano un ostacolo sul loro percorso. Questi fenomeni sono di fondamentale importanza per comprendere gli effetti dell'interazione delle onde con le aree costiere per monitorare gli effetti dell'erosione. Un'area costiera esposta in media ad una maggiore energia delle onde può potenzialmente soffrire di erosione naturale più grave: un modello numerico di calcolo dell'energia può essere utilizzato come strumento di valutazione preliminare per stimare la distribuzione del rischio di erosione naturale lungo la costa. Tuttavia, una condizione necessaria per un corretto calcolo mediante simulazioni numeriche di tale quantità di energia è che gli input siano affidabili, in questo caso che provengano da misure reali di altezze d'onda significative.
Queste informazioni, infatti, unite a quelle della batimetria dei fondali, forniscono un quadro completo per gli esperti per effettuare studi preventivi per la costruzione di nuove infrastrutture ma anche per un più efficace ripascimento o dragaggio delle spiagge.
INTERESSI SCIENTIFICI
I principali interessi scientifici sono legati alla pressione antropica sulla costa a dune e cordoni, che si combina con l’erosione costiera. Ampi tratti del litorale sabbioso sono interessati da fenomeni di erosione: nonostante le opere a protezione, in alcuni tratti la linea di costa è arretrata di alcune decine di metri. L'analisi a scala regionale dei tassi annuali di variazione media della linea di riva indica che nel periodo 1984 -2005 della metà circa del litorale toscano: - il 30% presenta variazioni contenute (tra 0,5 e 1,5 m/anno), di cui quasi il 18% è risultato in crescita; - il 10% ha visto variazioni comprese tra 1,5 e 3 m/anno, equamente distribuite tra tratti in erosione e in avanzamento; - il restante 6% (il 4% del litorale originariamente sabbioso è oggi occupato da costa artificiale) ha variazioni maggiori, con una prevalenza dei fenomeni di erosione rispetto a quelli di avanzamento (Fonte: www.regione.toscana.it/difesasuolo: Documento operativo per il recupero e il riequilibrio della fascia costiera, 2016; a cura di: Regione Toscana, Direzione Difesa del Suolo e Protezione Civile, Settore “Genio Civile Valdarno Inferiore e Costa”).
- Michele Punzo, Chiara Lanciano, Daniela Tarallo, Francesco Bianco, Giuseppe Cavuoto, Rosanna De Rosa, Vincenzo Di Fiore, Giuseppe Cianflone, Rocco Dominici, Michele Iavarone, Fabrizio Lirer, Nicola Pelosi, Laura Giordano, Giovanni Ludeno, Antonio Natale, Ennio Marsella, 2016 “Application of X-Band Wave Radar for Coastal Dynamic Analysis: Case Test of Bagnara Calabra (South Tyrrhenian Sea, Italy),” Journal of Sensors, vol. 2016, Article ID 6236925, 9 pages, 2016. https://doi.org/10.1155/2016/6236925.
- Williams, JJ; Esteves, LS and Atkinson, J. X-band radar system to support coastal management decisions [online]. In: Australasian Coasts & Ports 2017: Working with Nature. Barton, ACT: Engineers Australia, PIANC Australia and Institute of Professional Engineers New Zealand, 2017: 1179-1185.
- G. Ludeno, F. Raffa, F. Soldovieri, F. Serafino, 2018. Proof of feasibility of the sea state monitoring from data collected in medium pulse mode by a x-band wave radar system. Remote Sensing 10 (3), 459