1. Visão geral do software
O MBES Collect é um simulador operacional de sonar multifeixe. O objetivo é permitir que o usuário altere parâmetros acústicos, ambientais, geométricos e operacionais e observe, em tempo de simulação, como esses parâmetros afetam o nível de sinal, a margem de detecção, a geometria do swath, o footprint, os produtos acústicos por ping, o monitor de saturação e clipagem, o swath útil e a distribuição dos pontos estimados no fundo.
2. Guia de início rápido
- Selecione um preset de cenário ou um preset de meio aquático.
- Defina profundidade, swath, range, frequência, número de feixes e beam spacing.
- Ajuste Power Level, SL, ganho, TVG, tipo de pulso, ruído, DT e velocidade da embarcação.
- Escolha o tipo de fundo e, se necessário, ative fundo irregular, cardumes ou falhas de detecção.
- Inicie a simulação e acompanhe o perfil transversal, o painel operacional, o Diagnóstico Acústico, o envelope, o SNR, o monitor de saturação e clipagem e Waterfall.
3. Estrutura funcional e fluxo de operação
A estrutura operacional separa parâmetros de configuração, indicadores de coleta, visualizações geométricas, produtos acústicos por ping e produtos espaciais. A aba principal reúne o perfil transversal e os comandos de operação. O Waterfall ilustra a leitura ping a ping. A janela Backscatter apresenta o retroespalhamento físico, BS em dB, projetado em grade local do fundo, preservando as camadas de cobertura espacial e risco de subamostragem. A Batimetria apresenta a agregação gridada das sondagens válidas.
- Painel lateral, parâmetros acústicos, meio, fundo, geometria, pulso, Power Level, SL, ruído e detecção.
- Painel operacional, controles de beams, transmit, ocean, detection, ping rate, range, swath útil, saturação e espaçamento along track.
- Waterfall, janela de produtos acústicos por ping e por feixe, com BS físico, retorno integrado (TS), SNR, EE, intensidade compensada por TVG, exportação PNG e comando Limpar.
- Backscatter, janela espacial em coordenadas locais, com visualização do retroespalhamento físico, cobertura espacial e risco de subamostragem.
- Batimetria, visualização gridada das sondagens válidas acumuladas por célula em coordenadas locais do levantamento.
- Diagnóstico Acústico, resumo numérico, alertas de consistência e mensagens de condição operacional.
4. Referência de parâmetros
| Parâmetro | Símbolo | Definição técnica | Unidade | Valor típico ou faixa | Dica prática |
|---|---|---|---|---|---|
| Preset de cenário | cenário | Conjunto predefinido de parâmetros para cenários operacionais típicos. | categoria | Águas rasas, reservatórios, canal, inspeção, águas profundas, backscatter | Aplicar como configuração inicial e ajustar os parâmetros conforme o objetivo da simulação. |
| Preset de meio aquático | preset | Conjunto pré-configurado de salinidade, temperatura e velocidade do som. | categoria | Doce, salobra, salgada temperada, salgada tropical, personalizado | Use água doce para rios e reservatórios. |
| Frequência central | f | Frequência acústica principal do transdutor. | kHz | 12 a 700 na interface; 100 a 700 em aplicações rasas típicas | Frequências altas melhoram detalhe potencial, mas reduzem alcance por absorção. Frequências baixas representam cenários de maior alcance e menor resolução. |
| Power Level | SL | Nível de fonte acústica usado diretamente na equação do sonar. | dB re 1 µPa a 1 m | 120 a 240 | Elevar SL aumenta diretamente o nível de sinal calculado. Um aumento de 3 dB representa duplicação da intensidade acústica em escala logarítmica. |
| SL mínimo estimado | SLreq | Nível de fonte mínimo calculado pelo modelo inverso da equação do sonar para manter EE positivo com margem adicional. | dB re 1 µPa a 1 m | depende do cenário | Interpretar como estimativa do modelo. Valores inviáveis indicam incompatibilidade entre frequência, profundidade, meio, ruído, geometria e limiar de detecção. |
| Beamwidth TX | βTX | Abertura angular do setor transmitido, usada no footprint longitudinal e na área ensonificada. | grau | 0,25 a 4,0 | Valores maiores aumentam a área ensonificada e reduzem a resolução geométrica along track. |
| Beamwidth RX | βRX | Abertura angular de cada feixe formado na recepção, usada no footprint transversal e no DIrx. | grau | 0,25 a 4,0 | Valores menores representam feixes mais estreitos, maior diretividade e menor footprint transversal. |
| Lóbulos laterais RX | SLRRX | Nível relativo efetivo dos lóbulos laterais de recepção em relação ao lóbulo principal. O valor 0 dB desativa a contribuição lateral. Valores negativos representam energia recebida fora do eixo principal. | dB | 0, menos 13, menos 17,5, menos 20, menos 22, menos 25, menos 30, menos 32, menos 36, menos 40 e menos 70 | Use 0 dB como condição de referência, sem contribuição lateral. Use menos 13 dB para demonstrar contaminação lateral intensa. Use menos 30 a menos 36 dB para representar sistemas com maior supressão angular. Use menos 70 dB como condição praticamente desprezível. |
| Número de feixes | n | Total de direções acústicas simuladas por ping. | unidade | 256, 512 ou 1024 | Mais feixes aumentam densidade transversal, carga gráfica e volume exportado, mas não garantem resolução independente. |
| Beam spacing | EA ou ED | Distribuição angular uniforme, Equal Angle, ou espaçamento transversal aproximadamente uniforme no fundo, Equal Distance. | categoria | EA ou ED | EA concentra no nadir. ED busca distribuição transversal mais homogênea. |
| Profundidade | z | Distância vertical média entre transdutor e fundo. | m | 0,5 a 12000 | Controla range, largura de faixa, absorção acumulada, footprint e ping rate. Combinações de profundidade elevada com frequência alta devem ser interpretadas como extrapolação. |
| Velocidade da embarcação | V | Velocidade usada para estimar o espaçamento longitudinal entre pings. | m/s ou nós | 1 a 5 m/s | Quanto maior a velocidade e menor o ping rate, maior o espaçamento along track. |
| Espaçamento along track | Δs | Distância longitudinal entre pings sucessivos. | m | V/PR | Use para discutir densidade longitudinal e risco de lacunas. |
| Velocidade do som | c | Velocidade homogênea usada no modelo acústico simplificado. | m/s | 1400 a 1600 na interface; 1450 a 1530 como faixa usual em muitos cenários naturais | Representa apenas velocidade homogênea, sem perfil vertical e sem traçado de raios. |
| Temperatura | T | Temperatura usada no cálculo de absorção. | °C | 0 a 40 | Afeta principalmente a absorção em altas frequências. |
| Salinidade | S | Concentração salina usada no cálculo de absorção. | ppt | 0 em água doce, 35 no oceano | Alta salinidade e alta frequência podem tornar o SL requerido inviável em grandes profundidades. |
| Tipo de fundo | classe | Classe sedimentar associada aos parâmetros GSAB. | categoria | clay, mud, sand, gravel, rock | Alterar para comparar a resposta angular associada a cada classe sedimentar. |
| Rugosidade | σb | Desvio padrão das variações topográficas aleatórias aplicadas ao fundo. | m | 0 a 5 | Valores altos tornam o fundo visualmente irregular. |
| Modo fundo | modo | Define se a cena usa fundo plano ou fundo irregular. | categoria | Plano ou Irregular | Use Plano para testes acústicos controlados. |
| Amplitude topográfica | Atopo | Amplitude das variações do relevo simulado. | m | 0 a 20 | Use para demonstrar instabilidade de range e resposta angular. |
| Cardumes | fish | Ativa alvos acústicos sintéticos de meia água na coluna d’água. Quando a probabilidade de falsa detecção é maior que zero, um cardume interceptado pode ser aceito como retorno raso se houver interceptação geométrica, EE positivo e detecção no envelope composto. | liga ou desliga | desligado por padrão | Use para discutir ecos antes do fundo, falsa detecção e diferença entre alvo visual e sondagem aceita. |
| Probabilidade de falsa detecção | Pfalse | Probabilidade por ping de o cardume ser aceito como retorno raso. | adimensional | 0 a 1 | A aceitação por feixe não é automática. Ela exige interceptação geométrica, EE positivo e detecção no envelope composto. |
| TS do cardume | TSfish | Força de alvo aparente do cardume por feixe, usada na simulação de falsa detecção. | dB | menos 35 a menos 5 | Valores menos negativos aumentam a chance de o cardume exceder DT. |
| Destacar falsa detecção | highlight | Realça visualmente os pontos aceitos como retorno raso por cardume. | liga ou desliga | ligado por padrão | Altera a simbologia do ponto aceito. Não força aceitação e não muda o cálculo de detecção. |
| Falhas de detecção | Nfalhas | Número de feixes rejeitados propositalmente. | feixes | 0 a 50 | Use valores baixos para simular lacunas de sondagem. |
| Swath geométrico | Θ | Abertura angular total solicitada. | grau | 10 a 170 na interface; 90 a 140 como faixa operacional conservadora | Swath grande aumenta footprint, range nos bordos e perda de margem acústica em feixes externos. |
| Swath útil | Wútil | Parte do swath com feixes válidos segundo SNR, EE e detecção. | m ou % | depende do cenário | Não confunda faixa geométrica com faixa hidrográfica útil. |
| Range de escuta | Rmax | Distância máxima aguardada para retorno acústico. | m | maior que z/cos(Θ/2) | Range curto descarta feixes externos. |
| PING_TABLE | PR(R) | Tabela de referência que relaciona range operacional e taxa de ping. | Hz | 60 Hz em ranges curtos até 0,6 Hz em 1200 m | O ping rate também respeita o limite do tempo de ida e volta. |
| Tipo de pulso | CW ou FM | Forma de modulação temporal do pulso acústico. | categoria | CW ou FM | FM permite energia maior com resolução dependente da largura de banda. |
| Comprimento de pulso | τ | Duração temporal do pulso transmitido, limitada pela formação mínima do pulso e pela profundidade. | ms | τmin(s)=10/f(Hz), equivalente a τmin(ms)=10/f(kHz); máximo por cτ ≤ z; limite estrutural até 20 ms | Em 12 kHz, o pulso mínimo físico é aproximadamente 0,833 ms. Em CW, pulsos longos aumentam energia, mas pioram resolução de alcance. |
| Largura de banda FM | BWFM | Faixa de frequências varrida pelo chirp. | kHz | 1 a 100 | Maior BW melhora resolução comprimida. |
| Ruído espectral | Nc | Nível de ruído por unidade de banda. | dB | 30 a 70 | Aumente para simular ambiente acústico degradado. |
| Limiar de detecção | DT | Margem mínima requerida para aceitar detecção. | dB | 3 a 10 | Valores altos tornam a detecção mais seletiva. |
| Ganho AGC | G | Controle de recepção ou visualização aplicado após o balanço físico de detecção. | dB | -30 a 30 | Não altera BS, TS, SN nem EE físico. Pode alterar a intensidade exibida e consumir headroom do receptor quando modelado antes do limite dinâmico. |
| TVG | TVG(R) | Time varying gain, compensação aplicada à imagem em função do tempo de chegada, portanto em função do range. | categoria | 20 log(R), 30 log(R), 40 log(R), 20 log(R)+2αR | Gera a intensidade compensada para visualização. Não altera SL, TL, BS, TS, SN nem EE físico. Pode gerar clipagem visual, mas não corrige saturação física do receptor. |
| Produto acústico exibido | produto | Grandeza exibida na aba Waterfall. | categoria | BS físico, Retorno integrado (TS), SNR, EE, Intensidade compensada por TVG | Use BS físico para leitura do retroespalhamento por ping e por feixe, Retorno integrado (TS) para o efeito da área ensonificada, SNR e EE para desempenho de detecção e Intensidade compensada por TVG para visualizar a compensação em função do range. |
| Cor do fundo no leque transversal | produto | Produto acústico usado no mapeamento cromático das sondagens do fundo. | categoria | BS, TS, SNR, EE, Intensidade compensada por TVG, Nível recebido modelado | Altera apenas a representação cromática dos retornos do fundo no leque transversal. Não altera a detecção nem a batimetria. Nível recebido modelado representa o nível recebido antes da compensação por TVG, calculado pelo modelo do simulador. |
| Produto da coluna d’água | WCD | Produto acústico usado no mapeamento cromático da coluna d’água sintética. | categoria | SNR, EE, BS, TS, Intensidade compensada por TVG, Nível recebido modelado | Use para comparar a aparência da matriz range por feixe. O produto é didático e não representa dado bruto de fabricante. Nível recebido modelado representa o nível recebido antes da compensação por TVG. |
| Paleta do leque transversal | paleta | Rampa de cores aplicada ao leque transversal principal. | categoria | clássica ou acústica | Controla apenas a aparência da imagem. Não modifica cálculo, detecção, produtos exportados ou interpretação física. |
| Coluna d’água sintética | WCD | Campo raster semitransparente, limitado ao setor de feixes válidos e ao envelope do fundo. | visualização | desligada ou ligada | Use para ensino da geometria da coluna, retornos de meia água e realce de fundo. Não interpretar como WCD real medido. |
| Visão da janela Backscatter | Vis | Camada espacial exibida na janela Backscatter. | categoria | Retroespalhamento físico, Cobertura espacial, Risco de subamostragem, Incidência local, Sombra acústica | Use Retroespalhamento físico para visualizar o BS em dB projetado em grade local, Cobertura espacial para densidade de contribuição, Risco de subamostragem para diagnosticar lacunas, Incidência local para verificar o ângulo efetivo de retroespalhamento e Sombra acústica para avaliar a atenuação topográfica. Incidência local e Sombra acústica requerem modo Irregular e laterais. |
| Célula da janela Backscatter | cell | Tamanho da célula da grade espacial em coordenadas locais. | m | Auto, 0,25 m, 0,50 m, 1,00 m, 2,00 m ou 5,00 m | Célula pequena não cria informação. Ela apenas evidencia lacunas quando a amostragem longitudinal ou lateral é insuficiente. |
| Histórico da janela Backscatter | Pings | Número máximo de pings recentes mantidos na composição espacial da janela Backscatter. | pings | 20 a 200 | Controla o comprimento longitudinal exibido no eixo along track. Como cada ping corresponde a uma posição sucessiva da embarcação, o comprimento exibido em metros depende do número de pings acumulados, da velocidade da embarcação e do ping rate. Aumentar Pings amplia a extensão vertical exibida, mas não cria nova informação acústica nem melhora a resolução física do produto. |
| Escala de cor da janela Backscatter | Auto, clim | Modo de definição dos limites radiométricos da imagem. | dB para Retroespalhamento físico | automático por percentis ou manual | Use Auto para inspeção geral. Use clim manual apenas quando precisar comparar imagens com limites fixos. |
| Suavização visual da janela Backscatter | σ | Filtro gaussiano aplicado apenas à exibição da imagem espacial. | pixel | 0 a 3 | Não altera BS físico nem profundidade. Use com cautela para não mascarar lacunas de cobertura. |
| Histograma lateral da janela Backscatter | Hist, Barras | Resumo visual da distribuição dos valores finitos exibidos na imagem espacial. | pixel e número de classes | 0 a 220 px, 8 a 96 barras | Use para avaliar contraste e distribuição radiométrica. Não substitui cobertura espacial nem risco de subamostragem. |
| Monitor de saturação e clipagem | sat | Indicador contínuo do headroom do receptor, separado da clipagem visual da imagem compensada. | % | idealmente abaixo da faixa crítica | Interpretar em conjunto com SN e EE. Saturação do receptor indica risco de regime não linear. Clipagem visual por TVG indica problema de visualização, não de detecção física. |
5. Equação do sonar e nível de fonte
A formulação central é uma forma monostática simplificada da equação do sonar, aplicada à resposta do fundo ou de um alvo acústico equivalente.
- A rotina estima o SL mínimo para obter EE positivo com margem adicional, usando os parâmetros acústicos, geométricos, ambientais e de ruído configurados no painel.
- O cálculo é uma estimativa do modelo. Não substitui especificação de fabricante nem calibração acústica do transdutor.
6. Absorção, TVG e perda de transmissão
A perda de transmissão combina espalhamento geométrico e absorção química e viscosa da água. O TVG, time varying gain, é tratado no MBES Collect como compensação aplicada à imagem em função do range. Ele gera a intensidade compensada para visualização, mas não altera energia transmitida, perda de transmissão, BS, TS, SN, EE nem a resposta angular GSAB.
7. Modelo de retroespalhamento GSAB
O GSAB representa a resposta angular do fundo por uma soma de dois termos. O primeiro descreve o pico especular próximo ao nadir. O segundo descreve a contribuição difusa associada à rugosidade e à resposta oblíqua do fundo.
- θ é usado em graus no termo exponencial especular.
- B é tratado como parâmetro em grau², atuando diretamente como denominador de θ².
- Usar exp(−θ²/(2B²)) com esses mesmos valores alargaria artificialmente o pico especular.
| Fundo | A, dB | B, grau² | C, dB | D | BS(0°), dB | BS(30°), dB | Interpretação |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Argila, clay | −16,0 | 5,5 | −32,0 | 2,0 | −15,9 | −33,2 | Pico especular baixo e resposta difusa muito fraca. |
| Lama, mud | −13,6 | 5,5 | −29,1 | 2,0 | −13,5 | −30,3 | Pico especular moderado e baixa resposta oblíqua. |
| Areia, sand | −9,1 | 5,9 | −23,9 | 2,0 | −9,0 | −25,1 | Resposta especular alta e resposta difusa intermediária. |
| Cascalho, gravel | −9,1 | 4,9 | −17,9 | 2,0 | −8,6 | −19,1 | Resposta difusa elevada em ângulos oblíquos. |
| Rocha, rock | −6,0 | 4,5 | −14,0 | 2,0 | −5,4 | −15,2 | Resposta forte no nadir e manutenção de energia oblíqua. |
8. Três regimes angulares de backscatter
- Regime especular (θ < ~15°), próximo ao nadir, dominado pela reflexão coerente e pelo contraste de impedância acústica entre água e sedimento.
- Regime oblíquo (~15° a ~45°), em ângulos intermediários, dominado pelo espalhamento superficial associado à rugosidade e ao tipo de sedimento.
- Regime de feixes externos (θ > ~45°), nos feixes externos, onde o range aumenta, o footprint cresce, a relação sinal-ruído diminui e a interpretação sedimentológica tende a ser menos estável.
8.1. Lóbulos laterais RX e resposta angular do sistema
O MBES Collect representa lóbulos laterais de recepção como contribuição angular secundária ao retorno acústico observado. O parâmetro Lóbulos laterais RX define o nível relativo efetivo dessa contribuição em relação ao lóbulo principal. O valor 0 dB desativa a contribuição lateral e preserva a condição de referência sem contaminação angular.
O modelo adota uma formulação conservadora. A contribuição lateral é combinada em domínio de potência aos produtos acústicos observados, enquanto a batimetria permanece controlada pela detecção principal. Assim, o usuário pode avaliar contaminação acústica sem introduzir deslocamentos geométricos artificiais no fundo detectado.
| Valor | Interpretação | Uso recomendado |
|---|---|---|
| 0 dB | Contribuição lateral desativada. | Usar como condição de referência, sem contribuição lateral. |
| menos 13 dB | Caso agressivo, associado a baixa supressão angular e a padrões próximos de abertura uniforme sem apodização. | Usar em aula para evidenciar contaminação lateral de forma clara. |
| menos 17,5 a menos 25 dB | Supressão baixa a moderada. | Usar em cenários de sensibilidade, nos quais o efeito lateral deve permanecer perceptível. |
| menos 30 a menos 36 dB | Supressão angular mais forte e efeito visual discreto. | Usar para representar sistemas com melhor controle de lóbulos laterais. |
| menos 40 a menos 70 dB | Supressão muito forte. | Usar como condição de contribuição lateral muito baixa ou praticamente desprezível. |
9. Detecção de fundo por amplitude e fase
O simulador distingue dois regimes de detecção. Até 45°, usa o algoritmo selecionado para a zona de amplitude. Acima de 45°, usa uma curva de diferença de fase para representar o princípio de detecção por cruzamento de fase zero em feixes oblíquos.
10. Resolução vertical CW versus FM
No pulso CW, a resolução vertical está diretamente associada à duração do pulso. No pulso FM, a compressão de pulso permite associar a resolução vertical principalmente à largura de banda processada.
| Tipo de pulso | Vantagem | Limitação | Uso operacional |
|---|---|---|---|
| CW curto | Boa resolução em condições favoráveis. | Menor energia total. | Águas rasas e bom SNR. |
| CW longo | Mais energia transmitida. | Pior separação de retornos se não houver processamento equivalente. | Alcance maior quando detalhe fino não é prioridade. |
| FM ou chirp | Mais energia e possibilidade de compressão. | Depende de largura de banda e processamento. | Águas mais profundas e bordas fracas. |
11. Visualizações do software
| Visualização | O que mostra | Como interpretar |
|---|---|---|
| Perfil + Operação MBES | Geometria transversal do swath, feixes, fundo, sondagens e comandos operacionais. | Use para avaliar abertura angular, bordas, detecção e parâmetros ajustáveis durante uma coleta. |
| Leque transversal com coluna d’água | Campo raster semitransparente da coluna, retornos do fundo, feixes e sondagens sobrepostos. | Use para visualizar a relação entre setor ensonificado, feixes válidos, retorno de fundo, falhas e alvos sintéticos de meia água. |
| Painel operacional | Beams, Transmit, Ocean, Detection, ping rate, range, swath útil, saturação e espaçamento along track. | Relaciona os parâmetros de configuração aos controles operacionais de uma aquisição multifeixe. |
| Waterfall | Imagem por ping e por feixe nos modos BS físico, Retorno integrado (TS), SNR, EE e Intensidade compensada por TVG. | Use BS físico para acompanhar o retroespalhamento ao longo dos pings e dos feixes. Use Retorno integrado (TS) para o efeito da área ensonificada, SNR e EE para margem de detecção e Intensidade compensada por TVG para avaliar a imagem após compensação em função do range. |
| Backscatter, visão Retroespalhamento físico | Projeção espacial do BS físico, em dB, em grade local do fundo, com eixo transversal across track e eixo longitudinal along track. | Use para avaliar a resposta de retroespalhamento organizada espacialmente. A célula controla a discretização da grade, mas não cria resolução real. O histórico em pings define o comprimento longitudinal usado na composição. |
| Backscatter, visão Cobertura espacial | Peso relativo ou densidade de contribuições por célula da imagem espacial. | Use para distinguir baixo retroespalhamento de ausência de dado. Células com baixa cobertura indicam amostragem fraca, lacunas ou baixa contribuição de footprints. |
| Backscatter, visão Risco de subamostragem | Mapa diagnóstico baseado em max(Ix,Iy), em que Ix representa risco transversal e Iy representa risco longitudinal. | Use para avaliar o efeito combinado de velocidade, ping rate, profundidade, swath, footprint e espaçamento entre feixes. Valores elevados indicam risco de lacunas ou baixa densidade espacial. |
| Batimetria | Grade das sondagens válidas acumuladas em coordenadas locais do levantamento. | Use para avaliar a distribuição espacial das profundidades simuladas. Células vazias devem ser interpretadas como ausência de sondagem válida, não como profundidade zero. |
| Envelope | Forma temporal do eco no nadir e, quando habilitado, no feixe externo. | Use para comparar retorno principal, ruído, envelope, diferença de fase e diferenças entre CW e FM. Os lóbulos laterais RX afetam produtos acústicos observados como RX, BS, TS, SNR, EE, Waterfall, Backscatter e diagnósticos exportados, mas não representam decomposição completa do envelope temporal nem da fase sintética. |
| SNR por feixe | Nível de sinal acima do ruído para cada ângulo. | Use para identificar feixes abaixo do limiar ou com baixa margem de detecção. Não confundir SNR com saturação. |
| Monitor de saturação e clipagem | Indicadores separados para saturação do receptor e clipagem visual da imagem compensada. | Use para avaliar regime não linear do receptor ao alterar SL, comprimento de pulso e ganho. Use a clipagem visual para avaliar escala de imagem e TVG. Não use TVG para corrigir saturação física. |
| Diagnóstico Acústico | Resumo numérico e alertas de consistência por ping. | Use para rastrear SL, TL, BS, TS, NL, DIrx, SN, EE, absorção, saturação, clipagem visual e swath útil. |
12. Imagens acústicas, coluna d’água e orientação espacial
As imagens acústicas do MBES Collect devem ser interpretadas de acordo com a natureza de cada janela. O Waterfall organiza produtos acústicos por ping e por feixe, com o ping mais recente exibido no topo. A janela Backscatter projeta o retroespalhamento físico e camadas diagnósticas em uma grade espacial local, usando os eixos across track e along track. A janela Batimetria usa a mesma referência espacial para representar a grade das sondagens válidas.
No leque transversal principal, a coluna d’água é apresentada como uma matriz raster sintética, semitransparente e limitada ao setor ensonificado. O campo é desenhado atrás dos feixes e dos retornos do fundo, respeita os feixes válidos e não deve ultrapassar o envelope do fundo detectado. A intensidade aumenta progressivamente em direção ao fundo, com realce sintético junto à interface fundo água.
A coluna d’água é um produto didático. Ela não representa WCD bruto de fabricante nem deve ser usada como evidência física de alvos reais. Quando os cardumes são ativados, o software gera uma camada visual de ecos sintéticos de meia água sobre a matriz da coluna. Essa camada não altera, por si só, as matrizes BS, TS, SNR, EE, Intensidade compensada por TVG e Nível recebido modelado. Quando a probabilidade de falsa detecção é maior que zero, o cardume pode ser aceito como retorno raso se for interceptado pelo feixe, exceder o critério de EE e for selecionado pelo detector no envelope composto. Nesse caso, a profundidade detectada, o range, o envelope, os produtos por feixe e as exportações passam a representar a falsa detecção naquele feixe. As falhas de detecção permanecem representadas como vazios coerentes com os feixes inválidos.
| Produto cromático | Uso na interface | Interpretação recomendada |
|---|---|---|
| BS | Coloração do fundo, Waterfall, Backscatter e coluna d’água sintética. | Resposta angular de retroespalhamento associada ao fundo ou ao produto sintético derivado. |
| TS | Produto por feixe e por ping, incluindo Waterfall e matriz de coluna. | Retorno integrado pela área ensonificada, não equivalente ao BS físico isolado. |
| SNR | Produto de margem sinal ruído para feixes, Waterfall e coluna d’água. | Útil para avaliar robustez acústica e contraste relativo dos retornos sintéticos. |
| EE | Produto de margem acima do limiar de detecção. | Auxilia na distinção entre retorno detectável e retorno abaixo do limiar adotado. |
| Intensidade compensada por TVG | Produto visual após compensação por range. | Deve ser interpretado como imagem compensada, não como alteração do BS físico. |
| Nível recebido modelado | Produto associado ao nível recebido antes da compensação por TVG. | Útil para discutir headroom, saturação do receptor e amplitude relativa do retorno recebido calculado pelo modelo. |
| Método de imagem acústica na janela Backscatter | Descrição | Interpretação recomendada |
|---|---|---|
| BS por feixe | Representação espacial do BS físico calculado para cada feixe e ping. | Leitura direta da resposta angular, da variação sedimentar e da coerência entre feixes. |
| Snippet sintético | Representação baseada no retorno associado à vizinhança da detecção do fundo. | Avaliação didática da relação entre detecção, batimetria, incidência local e imagem acústica. |
| Sidescan sintético | Reconstrução lateral simplificada do retorno acústico por ping. | Leitura visual de faixas acústicas e comparação com produtos organizados por feixe. |
| Retorno máximo por range | Realce do maior retorno em vizinhança angular. | Identificação de retornos dominantes e contrastes acústicos fortes. |
As camadas Incidência local e Sombra acústica auxiliam a avaliar a coerência entre relevo e resposta acústica. A incidência local representa o ângulo efetivo usado no cálculo do retroespalhamento, derivado da normal local da superfície. A sombra acústica representa a atenuação topográfica associada à geometria de iluminação.
13. Indicadores operacionais, swath útil, saturação e alertas
O painel operacional reúne controles e indicadores associados à parametrização de uma aquisição multifeixe. A organização permite avaliar geometria, sinal, detecção, range, ping rate, saturação e densidade longitudinal sem reproduzir rotinas proprietárias de fabricantes.
| Indicador | Interpretação | Resposta operacional recomendada |
|---|---|---|
| Swath útil | Percentual ou largura da faixa com feixes válidos segundo o modelo de SNR e EE. | Reduzir swath, aumentar Power Level, SL, ajustar frequência, revisar ruído, reduzir DT ou limitar bordas. |
| Saturação do receptor | Indicador didático contínuo de 0 a 100%, calculado a partir do nível recebido após ganho de recepção, antes da compensação visual por TVG. O clipping do receptor considera excedência do limite sintético adotado pelo software. | Reduzir Power Level, SL, comprimento de pulso, ganho de recepção ou abertura quando o receptor estiver próximo do limite. Reduzir TVG não corrige saturação física do receptor. |
| Clipagem visual por TVG | Indicador separado associado à intensidade compensada usada para visualização. | Reduzir TVG ou ganho pode melhorar a escala visual, mas não altera BS, TS, SN nem EE físico. |
| Espaçamento along track | Distância entre pings sucessivos, calculada por velocidade da embarcação dividida pelo ping rate. | Reduzir velocidade ou aumentar ping rate quando houver risco de baixa densidade longitudinal. |
| Cobertura espacial | Indica o peso relativo de contribuições por célula na janela Backscatter. | Use para separar ausência de dado de baixo retroespalhamento. Aumentar histórico, reduzir velocidade, aumentar ping rate ou revisar célula pode melhorar a leitura espacial. |
| Ix95 | Indicador percentílico do risco de subamostragem transversal, associado ao espaçamento entre feixes em relação ao footprint transversal. | Reduzir swath, aumentar número de feixes, usar distribuição ED quando adequado ou revisar a profundidade operacional. |
| Iy95 | Indicador percentílico do risco de subamostragem longitudinal, associado ao espaçamento entre pings em relação ao footprint longitudinal. | Reduzir velocidade, aumentar ping rate ou reduzir range quando o cenário permitir. |
| Range insuficiente | O retorno esperado pode estar fora da janela de escuta. | Aumentar range ou reduzir swath. |
| SL requerido inviável | O modelo inverso estima nível de fonte incompatível com a combinação acústica e geométrica adotada. | Reduzir frequência, profundidade operacional, swath, ruído, DT ou revisar o meio aquático. |
| Modelo SVP simplificado | A velocidade do som é homogênea e não há ray tracing por perfil. | Interpretar o resultado como propagação homogênea simplificada, sem extrapolação direta para previsão de campo. |
14. Guia de cenários alinhado à apostila
| Cenário | Configuração inicial recomendada | Risco principal | Controle em campo simulado |
|---|---|---|---|
| Águas rasas com objetivo de detalhe | Frequência alta quando o alcance permitir, setor moderado, pulso curto ou modo de alta resolução. | Bolhas, reverberação, near field, excesso de dados e saturação. | Monitorar saturação, estabilidade do fundo, densidade longitudinal e objetos. |
| Reservatórios e rios | Água doce, frequência intermediária ou alta conforme profundidade, atenção a sedimentos em suspensão e margens inclinadas. | Refração local, bolhas, fundo mole e geometria complexa nas margens. | Comparar linhas, ajustar setor e observar limitação de SVP. |
| Canal de navegação ou dragagem | Configuração conservadora, ED, setor limitado quando a borda estiver fraca, foco em cobertura completa. | Perder feições críticas nas bordas ao tentar maximizar produtividade. | Verificar swath útil, densidade, EE e rejeição por feixe. |
| Inspeção de estruturas | Setor e modo adaptados à geometria do alvo, alta densidade e frequência alta quando o range permitir. | Usar configuração de batimetria convencional para paredes, pilares ou dutos. | Validar visualmente a nuvem, sombras acústicas e cobertura ao redor do alvo. |
| Águas mais profundas | Frequência mais baixa, pulso mais energético, swath conservador e velocidade reduzida. | Perda de borda, ping rate baixo, footprint grande e menor resolução. | Monitorar SNR, EE, bordas, densidade longitudinal e SL requerido. |
| Levantamento com backscatter | Manter frequência, tipo de pulso, Power Level, SL, ganho, modo de TVG, saturação, direção das linhas e estratégia de processamento consistentes. | Produtos acústicos radiometricamente inconsistentes ou interpretação indevida de BS como intensidade compensada por TVG. | Usar o BS físico para resposta do fundo, Retorno integrado (TS) para efeito da área ensonificada e Intensidade compensada por TVG como produto de visualização, preservando a distinção entre BS físico, retorno integrado, margem de detecção e imagem compensada. |
15. Exportação e abertura no Qimera
A exportação do MBES Collect registra produtos numéricos e visuais para inspeção externa e rastreabilidade da simulação. A referência geográfica padrão representa uma região offshore na costa do Espírito Santo, com latitude inicial −20,315°, longitude inicial −39,882° e rumo inicial de 60°.
| Arquivo exportado | Conteúdo | Uso recomendado |
|---|---|---|
mbes_collect_AAAAMMDD_HHMMSS_xyz.csv | Latitude, longitude e profundidade dos feixes válidos. | Arquivo mínimo para importação como sondagens XYZ. |
mbes_collect_AAAAMMDD_HHMMSS_full.csv | CSV completo por sounding, incluindo ping, feixe, validade, ângulo, range, across track, profundidade, BS, TS, SNR, EE, rx_db, nível recebido modelado antes do ganho, rx_after_gain_db, nível após ganho, tvg_gain_db, intensidade compensada por TVG, saturação do receptor, clipagem visual, método de detecção, tipo de fundo, BS visual, modulação sedimentar, speckle acústico e ângulo de incidência. Quando os lóbulos laterais RX estão ativos, o CSV completo também registra campos diagnósticos associados à contribuição lateral, incluindo nível relativo dos lóbulos laterais, supressão equivalente, excesso por lóbulo lateral, razão de contaminação lateral, razão de desacoplamento por range, BS intrínseco, TS intrínseco e nível recebido principal. | Arquivo principal para auditoria técnica da simulação. |
mbes_collect_AAAAMMDD_HHMMSS_meta.json | Metadados da missão simulada, versão do software, parâmetros acústicos, referência geográfica e configurações da cena. | Rastreabilidade técnica da simulação. |
mbes_collect_AAAAMMDD_HHMMSS_bs_fisico_matrix.csv, _ts_matrix.csv, _snr_matrix.csv, _ee_matrix.csv ou _intensidade_tvg_matrix.csv | Matriz do produto acústico selecionado no momento da exportação. Quando o produto exportado é BS, a matriz corresponde ao BS físico, em dB. Esse mesmo produto é usado no Waterfall para leitura por ping e por feixe e na janela Backscatter para visualização espacial em grade local. Cada linha corresponde a um ping e cada coluna a um feixe, preservando a ordenação angular original. Os valores são gravados com seis casas decimais, em decibéis para BS, TS, SNR e EE, e em unidades de intensidade compensada para o produto Intensidade compensada por TVG. Feixes inválidos e valores não finitos são representados por células vazias, preservando a estrutura matricial sem inserir zeros artificiais. | Suporte a análise matricial e radiométrica do produto selecionado, incluindo extração de estatísticas por ping e por feixe, geração de mosaicos auxiliares e auditoria do desempenho acústico ao longo da linha. O sufixo do nome do arquivo identifica univocamente o produto exportado, evitando ambiguidade entre BS físico e intensidade compensada por TVG, conforme recomendação de Lurton e Lamarche (2015) para rastreabilidade radiométrica de produtos de backscatter. |
mbes_collect_AAAAMMDD_HHMMSS_bs_fisico.png, _ts.png, _snr.png, _ee.png ou _intensidade_tvg.png | Imagem em escala de cinza de 8 bits do mesmo produto acústico selecionado para a matriz, gerada por normalização radiométrica robusta entre o 2º e o 98º percentis dos valores finitos da matriz, de vmin a vmax. Quando o produto é BS, a imagem é uma normalização visual do BS físico exportado. Feixes inválidos e valores não finitos são mapeados para pixel nulo, preservando a consistência geométrica entre matriz e imagem. | Inspeção visual rápida do produto exportado em escala radiometricamente estável entre exportações de um mesmo cenário, conforme prática recomendada por Lurton e Lamarche (2015) e Lamarche et al. (2010) para visualização de mosaicos de backscatter, em que normalizações por percentil reduzem a influência de valores extremos isolados sobre a escala de exibição. |
mbes_collect_AAAAMMDD_HHMMSS_mosaic_bs_fisico_matrix.csv, _mosaic_bs_fisico.png, _mosaic_coverage_matrix.csv, _mosaic_coverage.png, _mosaic_risk_matrix.csv, _mosaic_risk.png e _mosaic_meta.json | Produtos opcionais do Mosaico BS espacial sintético, em coordenadas locais across track e along track. Incluem matriz do produto, imagem PNG, cobertura espacial, risco de subamostragem e metadados da grade. | Use quando for necessário avaliar a organização espacial do BS e distinguir baixa resposta acústica de ausência de contribuição por célula. O mosaico é sintético e não substitui mosaico hidrográfico calibrado. |
mbes_collect_AAAAMMDD_HHMMSS_snr.csv | SNR por ping, feixe, ângulo e indicador de validade. | Análise da margem acústica por geometria de feixe. |
- Execute a simulação até gerar a cena desejada.
- Abra a opção de exportação do MBES Collect.
- Escolha uma pasta de saída organizada por projeto, data e cenário.
- Marque os produtos de saída desejados. A exportação contempla XYZ, CSV completo, JSON, matriz do produto acústico, PNG do produto acústico e SNR por feixe.
- No Qimera, use o caminho File → Import → Generic XYZ Sounding.
- Selecione o arquivo
_xyz.csve associe as colunas de latitude, longitude e profundidade. - Confira unidade vertical, sinal da profundidade e consistência do sistema de referência antes de interpretar a cena.
16. Limitações do modelo e condições de validade
O MBES Collect representa um subconjunto da cadeia de aquisição multifeixe. A interpretação técnica exige distinguir variáveis modeladas, aproximações numéricas e processos instrumentais não simulados.
| Elemento | Status no MBES Collect | Implicação operacional |
|---|---|---|
| SVP e refração real | Não há ray tracing por perfil de velocidade do som. | Use apenas como modelo homogêneo de propagação. |
| Atitude, GNSS e patch test | Não são modelados como cadeia metrológica completa. | Não substitui processamento hidrográfico com dados reais. |
| Fase acústica | A fase exibida é uma representação da diferença de fase usada para ilustrar o cruzamento de fase zero em feixes oblíquos. | Não interpretar como simulação completa dos elementos do array, interferometria acústica real ou beamforming proprietário de fabricante. |
| TVG | Compensação aplicada à imagem em função do range. Aplicado como compensação da intensidade de visualização. Não altera BS, TS, SN nem EE físico. | Pode gerar clipagem visual da imagem compensada. Não corrige saturação física do receptor e não recupera informação perdida por clipping anterior. |
| Backscatter, BS | Modelado pelo GSAB como resposta angular do fundo. | Não deve ser confundido com SNR, EE, intensidade compensada por TVG ou retorno integrado (TS) pela área ensonificada. |
| Waterfall | Inclui BS físico, Retorno integrado (TS), SNR, EE e Intensidade compensada por TVG como camadas diagnósticas distintas. O método de imagem acústica, quando aplicável, é selecionado na janela Backscatter. | Separar retroespalhamento físico, retorno integrado, margem de detecção e intensidade compensada por TVG. |
| Janela Backscatter | Projeção espacial sintética de produtos acústicos em grade local do fundo, com cobertura, risco de subamostragem, incidência local e sombra acústica. | Não deve ser interpretada como mosaico hidrográfico calibrado. Serve para treinamento sobre footprint, densidade espacial, cobertura, amostragem longitudinal, espaçamento lateral e resposta de retroespalhamento. |
| Coluna d’água sintética | Matriz range por feixe exibida no leque transversal, com textura visual, realce de fundo e alvos sintéticos de meia água quando habilitados. | Não representa WCD real medido. Serve para ensino da geometria do leque e da interpretação visual de retornos na coluna. |
| Batimetria | Grade das sondagens válidas acumuladas pelo simulador. | Não substitui superfície batimétrica processada com controle hidrográfico real. Células vazias indicam ausência de sondagem válida. |
| Swath útil | Estimado por validade dos feixes no modelo. | Ajuda a distinguir faixa geométrica e faixa operacional aceitável. |
| Perda por transmissão em água rasa | Modelada por espalhamento esférico, 20 log10(r), sem transição explícita para guia de ondas. | Em água muito rasa, a margem de detecção pode ser subestimada. |
| Ganho de recepção | O ganho de recepção não entra no balanço SN nem no cálculo inverso de SL_req. | Interpretar como controle de visualização e headroom. Pode contribuir para saturação do receptor se elevar o nível após ganho acima do limite dinâmico, mas não melhora EE físico. |
17. Glossário técnico
| Termo | Definição |
|---|---|
| Absorção | Conversão de energia acústica em calor e perdas químicas durante a propagação. |
| AGC | Controle automático ou manual de ganho aplicado ao sinal recebido. |
| Backscatter | Energia acústica retroespalhada pelo fundo ou por alvos na coluna de água. |
| BS físico | Resposta angular do fundo calculada pelo modelo GSAB, sem efeito de Power Level, SL, ganho ou TVG. |
| Janela Backscatter | Janela espacial que projeta o BS físico em grade local do fundo, usando coordenadas across track e along track, com camadas de cobertura espacial e risco de subamostragem. |
| Cobertura espacial | Camada que indica a densidade relativa de contribuições ou pesos por célula da imagem espacial. |
| Risco de subamostragem | Camada diagnóstica baseada em max(Ix,Iy), usada para indicar risco de lacunas por espaçamento lateral ou longitudinal insuficiente. |
| Ix95 | Percentil 95 do índice de subamostragem transversal, associado ao espaçamento entre feixes e ao footprint transversal. |
| Iy95 | Percentil 95 do índice de subamostragem longitudinal, associado ao espaçamento entre pings e ao footprint longitudinal. |
| Clim | Limites mínimo e máximo usados para mapear valores numéricos na escala de cor da imagem. |
| Sigma visual | Parâmetro de suavização aplicado apenas à imagem exibida. Não altera o dado acústico nem a profundidade. |
| Beam | Direção acústica individual formada pelo sonar. |
| Beam spacing | Forma de distribuição transversal dos feixes ou sondagens, como EA ou ED. |
| Beamwidth | Largura angular efetiva de um feixe acústico. |
| Cardume | Conjunto de alvos sintéticos inseridos na coluna d’água para representar retornos de meia água antes do fundo. |
| Coluna d’água sintética | Representação raster didática da matriz range por feixe, limitada ao setor ensonificado e ao envelope do fundo. |
| Nível recebido modelado | Nível do retorno recebido antes da compensação visual por TVG, usado para avaliar amplitude relativa, headroom e risco de saturação. |
| Paleta acústica | Rampa cromática de visualização inspirada em displays acústicos operacionais, sem efeito sobre os cálculos físicos. |
| Chirp | Pulso FM com frequência variável ao longo do tempo. |
| CW | Pulso de frequência aproximadamente constante durante a emissão. |
| DIrx | Índice de diretividade de recepção usado no termo de ruído. |
| DT | Limiar de detecção usado para aceitar ou rejeitar retorno acústico. |
| EE, Echo Excess | Margem entre a relação sinal ruído calculada e o limiar de detecção. |
| Envelope | Amplitude temporal do eco após representação do pulso recebido. |
| Falha de detecção | Feixe propositalmente rejeitado ou sem retorno válido, usado para simular lacunas de sondagem. |
| Fase | Representação simplificada da diferença de fase usada para ilustrar o cruzamento de fase zero em feixes oblíquos. Não representa fase real dos elementos do array nem beamforming proprietário. |
| FM | Modulação em frequência, geralmente associada a compressão de pulso. |
| Footprint | Área ou dimensão do fundo ensonificada por um feixe. |
| GSAB | Modelo angular de backscatter com termo especular e termo difuso. |
| Modo Demo | Modo de execução destinado à apresentação controlada do software. |
| Near Field | Região próxima ao transdutor em que o campo acústico ainda não se comporta como propagação distante idealizada. |
| NL | Nível de ruído integrado na banda considerada. |
| PING_TABLE | Tabela de referência usada para interpolar a taxa de ping em função do range operacional. |
| SL_req | Nível de fonte mínimo requerido pelo modelo inverso da equação do sonar para manter EE positivo com margem definida. |
| Ping | Emissão acústica individual e respectivo conjunto de retornos. |
| Range | Distância inclinada entre transdutor e ponto ensonificado. |
| Saturação do receptor | Condição em que o nível recebido após ganho excede o limite sintético de resposta linear adotado pelo software. |
| Clipagem visual | Condição em que a intensidade compensada por TVG excede o limite de visualização. Não deve ser confundida com saturação física do receptor. |
| SNR | Relação sinal ruído expressa em decibéis. |
| SL | Nível de fonte acústica emitido pelo transdutor. |
| SVP | Perfil de velocidade do som na coluna d’água. No MBES Collect, a propagação é representada por velocidade homogênea, sem traçado de raios por perfil vertical. |
| Swath geométrico | Faixa angular ou transversal solicitada pela configuração. |
| Swath útil | Parte da faixa que mantém feixes válidos segundo o modelo de SNR, EE e detecção. |
| TL | Perda de transmissão acústica ao longo do caminho. |
| Retorno integrado, TS | Grandeza diagnóstica calculada como BS + 10 log10(A), em que A é a área ensonificada. Não deve ser confundida com BS puro nem com intensidade compensada por TVG. |
| TVG | Time varying gain, compensação aplicada à intensidade em função do tempo ou do range. No MBES Collect, gera a intensidade compensada para visualização e não altera SL, TL, BS, TS, SN ou EE. Pode causar clipagem visual, mas não corrige saturação física do receptor nem recupera sinal já clipado. |
| TWTT | Two Way Travel Time, tempo de ida e volta do pulso acústico entre transdutor e alvo. |
18. Referências bibliográficas
- Francois, R. E.; Garrison, G. R. 1982. Sound absorption based on ocean measurements. Journal of the Acoustical Society of America.
- Hamilton, E. L. 1980. Geoacoustic modeling of the sea floor. Journal of the Acoustical Society of America.
- Lamarche, G. et al. 2010. Quantitative characterisation of seafloor substrate and bedforms using advanced processing of multibeam backscatter. Continental Shelf Research.
- Lurton, X. 2010. An Introduction to Underwater Acoustics. Springer Praxis.
- Lurton, X. 2013. Backscatter measurement by seafloor mapping sonars. GEOHAB Workshop.
- Lurton, X.; Lamarche, G. 2015. Backscatter measurements by seafloor mapping sonars. Guidelines and Recommendations.
19. Créditos e contato
Desenvolvido por Prof. Dr. Italo O. Ferreira, GPHIDRO, Universidade Federal de Viçosa.
GPHIDRO · UFV · Prof. Dr. Italo O. Ferreira