1. Finalidade e escopo do simulador
O MBES Simulator é uma ferramenta de modelagem geométrica e operacional para análise do comportamento de um sistema multifeixe sob diferentes combinações de profundidade, velocidade, abertura angular, cobertura, número de feixes, distribuição dos feixes, temporização, fundo sintético, movimentos da plataforma, offsets, latência, sound velocity profile, maré e termos verticais.
A finalidade principal do software é representar, de forma controlada, a relação entre configuração de aquisição e resposta espacial da nuvem sintética. O MBES Simulator atua como ambiente de apoio técnico e didático à interpretação de relações físicas e geométricas essenciais, permitindo avaliar deslocamentos, distorções, variações de densidade e alterações de distribuição espacial sob diferentes condições de simulação. Para aplicações de certificação, aceitação contratual ou controle normativo, os resultados devem ser avaliados em conjunto com procedimentos formais de aquisição, processamento, validação e controle de qualidade.
Leitura correta do simulador- Use o simulador para estudar tendência geométrica, sensibilidade de parâmetros e coerência visual dos resultados.
- Use a nuvem sintética como apoio à análise de comportamento espacial, densidade aparente e resposta a parâmetros de aquisição.
- Interprete spacing, cobertura e densidade de feição dentro das convenções geométricas adotadas pelo simulador.
- Compare sempre a resposta observada nas vistas com o fenômeno que foi configurado na interface.
2. Convenções e hipóteses do modelo
- O sistema de referência interno da simulação é local e cartesiano.
- O eixo x representa a direção longitudinal da linha de navegação no plano nativo, isto é, along track.
- O eixo y representa a direção transversal à navegação no plano nativo, isto é, across track.
- O eixo z representa a coordenada vertical, com superfície d’água próxima de
z = 0 e fundo em valores negativos.
- A profundidade de referência H controla a escala vertical usada nos cálculos de swath, range, spacing e ray tracing simplificado.
- As métricas de planejamento são calculadas a partir da geometria nominal do sistema. A nuvem pode ser deslocada ou deformada por movimentos, offsets, latência e modo avançado.
- O modelo representa soundings pontuais por feixe, com foco na posição geométrica da amostra acústica e na resposta espacial da nuvem.
- Quando um plano de linhas LNW é importado, suas coordenadas são tratadas como coordenadas métricas. O simulador aplica uma translação ao plano para o sistema local interno, preservando forma, comprimentos, orientação relativa, direção e sentido das linhas.
- Se o LNW estiver em coordenadas UTM ou em outro sistema métrico projetado, a simulação continua local. A transformação de retorno às coordenadas originais do arquivo é preservada para a exportação da nuvem.
A distinção entre sistema local de simulação e sistema de exportação é essencial. As vistas, o duto, o cubo, os perfis e a navegação usam coordenadas locais para estabilidade geométrica. A exportação CSV, XYZ e PLY pode retornar às coordenadas originais do LNW quando os pontos tiverem sido gerados a partir de linhas importadas.
O MBES Simulator não realiza reprojeção cartográfica, transformação de datum, mudança de fuso UTM ou conversão geodésica. Se o arquivo LNW estiver em SIRGAS 2000 / UTM zone 23S, por exemplo, essa informação deve ser conhecida e documentada pelo usuário. O software apenas registra a translação necessária para restituir os valores numéricos originais do plano importado.
3. Variáveis de entrada e parâmetros principais
| Parâmetro | Função técnica | Resposta esperada |
|---|
| Profundidade | Define a escala vertical do problema. | Aumenta swath, range mínimo e spacing transversal. |
| Swath angular | Define a abertura angular requerida. | Aumenta a largura de faixa e intensifica efeitos nas bordas. |
| Cobertura | Controla o espaçamento planejado entre linhas segundo convenção interna. | Valores maiores reduzem o line spacing e aumentam sobreposição entre faixas. |
| Número de beams | Define a discretização transversal do swath. | Maior número reduz o spacing across nominal. |
| Beam Mode | Seleciona distribuição equiangular ou equidistante. | Equiangular adensa no nadir e espaça nas bordas. Equidistante mantém intervalo transversal constante. |
| Beam Mode, Single Beam | Seleciona emissão por feixe único, normalmente nadiral, para simular aquisição monofeixe. | O número efetivo de beams passa a ser igual a 1. O swath angular e a cobertura deixam de controlar a largura de faixa, e o espaçamento entre linhas passa a ser definido por LS Single Beam. |
| Velocidade | Controla a progressão longitudinal da plataforma. | Aumenta o spacing along e amplia o deslocamento associado à latência. |
| Ping | Controla a frequência de emissão dos pings. | Aumentar o ping reduz o spacing along, respeitando limite físico e tabela interna. |
| SVP Real | Controla a trajetória física do feixe no modo avançado interativo. | Altera ray tracing, TWTT e geometria amostrada. |
| SVP Arquivado | Controla a reconstrução da profundidade a partir do TWTT. | Diferença em relação ao SVP Real cria discrepância geométrica reconstruída. |
4. Geometria básica do swath e dos feixes
Em um multifeixe idealizado, a largura de faixa depende da profundidade nominal de planejamento e da abertura angular efetiva. Para fundo horizontal e propagação retilínea, a relação principal é trigonométrica. Essa formulação é adequada para compreender a escala do swath, o comportamento dos beams e a sensibilidade geométrica da faixa, concentrando a análise nos efeitos espaciais mais relevantes para fins didáticos e operacionais.
Conversão da abertura angular solicitada:
θreq = (π / 180) θreq,deg
Largura nominal requerida da faixa:
Wreq = 2 Hp tan(θreq / 2)
Range mínimo para atender à abertura requerida:
Rmin = Hp / cos(θreq / 2)
Largura efetiva nominal da faixa:
Weff = 2 Hp tan(θeff / 2)
Definição dos parâmetros- Hp, profundidade nominal de planejamento, em metros.
- θreq, abertura angular solicitada pelo usuário, em radianos.
- θreq,deg, abertura angular solicitada pelo usuário, em graus.
- θeff, abertura angular efetiva após a limitação pelo range, em radianos.
- Wreq, largura nominal requerida da faixa, em metros.
- Weff, largura efetiva nominal da faixa, em metros.
- Rmin, range mínimo necessário para representar a abertura angular requerida, em metros.
Em águas rasas, uma pequena variação na abertura angular pode produzir grande variação lateral nos beams de bordo. Essa sensibilidade é consequência direta da função tangente. Por isso, efeitos associados a roll, SVP, offsets angulares e latência tendem a aparecer com maior intensidade nas bordas do swath do que no nadir.
5. Range, ping rate e TWTT
O range define a distância máxima considerada para o retorno acústico simplificado. A taxa de ping efetiva resulta da combinação entre o limite físico associado ao tempo de ida e volta do pulso, o limite máximo do sistema e a tabela operacional de referência adotada pelo simulador.
Range efetivo em modo automático:
R = min[max(Rmin, Hp), Rmax]
Range efetivo em modo manual:
Hp ≤ R ≤ Rmax
Abertura angular efetiva:
θeff = 0, para R ≤ Hp
θeff = θreq, para R ≥ Rmin
θeff = 2 arccos(Hp / R), para Hp < R < Rmin
Taxa física máxima de ping:
PRphys = c / (2R)
Tempo de ida e volta:
TWTT = 2R / c
Definição dos parâmetros- R, range efetivo usado no cálculo, em metros.
- Rmax, range máximo admitido pelo simulador, em metros.
- c, velocidade do som usada no painel de geometria básica, em metros por segundo.
- PRphys, taxa física máxima de ping associada ao tempo de ida e volta, em hertz.
- TWTT, two way travel time, tempo de ida e volta do pulso acústico, em segundos.
A taxa de ping efetiva exibida pela interface é determinada pela combinação entre o limite físico associado a c / 2R, o limite máximo do sistema e a tabela operacional interna. Por isso, dois cenários com o mesmo range podem apresentar taxa efetiva condicionada pela convenção operacional adotada no simulador.
Controle por range e interseção com a cena: O MBES Simulator limita o traçado ao range efetivo configurado na simulação. Nos modos multifeixe, esse range pode ser calculado automaticamente a partir da profundidade nominal e do swath angle. No modo Single Beam, o swath angle não controla a emissão acústica, e o range automático é definido a partir da profundidade nominal com folga operacional. Quando um feixe inclinado por movimento da plataforma ou por offset angular não intercepta fundo, paredão, duto, bloco ou outro anteparo dentro desse range, o sounding não é registrado na nuvem. Feixes com direção quase paralela à superfície da água também podem ser filtrados, pois tendem a não produzir interseção válida com a cena. Esse comportamento representa uma restrição geométrica do traçado acústico e deve ser considerado em cenários com offset angular elevado ou range configurado muito curto.
6. Espaçamento entre linhas, cobertura e distribuição transversal
O espaçamento entre linhas é calculado a partir da profundidade nominal de planejamento e da largura efetiva da faixa associada à geometria angular do sistema. Em fundos com descontinuidades abruptas, como o fundo do tipo paredão, a largura efetiva da faixa sondada pode diferir da geometria nominal, pois parte dos feixes passa a interceptar regiões com profundidades distintas da profundidade usada no planejamento.
Largura efetiva nominal da faixa:
Weff = 2 Hp tan(θeff / 2)
Espaçamento nominal entre linhas:
Slinha = Weff (1,5 − C / 200)
Espaçamento longitudinal entre pings:
Salong = V / PReff
Distribuição transversal em modo equidistante:
yi = − Weff / 2 + i Weff / (N − 1)
Distribuição transversal em modo equiangular:
αi = − θeff / 2 + i θeff / (N − 1)
yi = Hp tan(αi)
Definição dos parâmetros- Weff, largura efetiva nominal da faixa, em metros.
- Hp, profundidade nominal de planejamento, em metros.
- θeff, abertura angular efetiva do swath, em radianos.
- Slinha, espaçamento nominal entre linhas adjacentes, em metros.
- C, cobertura configurada na interface, em porcentagem.
- Salong, espaçamento longitudinal entre pings sucessivos, em metros.
- V, velocidade da embarcação, em metros por segundo.
- PReff, taxa de ping efetiva, em hertz.
- N, número de beams.
- i, índice do beam, variando de 0 a N − 1.
- αi, ângulo transversal do beam i em relação ao nadir, em radianos.
- yi, posição transversal nominal do beam i no sistema local do sonar, em metros.
A cobertura do simulador é uma convenção geométrica usada para calcular o espaçamento entre linhas a partir da largura nominal da faixa. Sua interpretação deve ser feita no contexto do modelo de simulação. Em aplicações hidrográficas formais, cobertura, detecção de feições, densidade de sondagens, validação de holidays e conformidade com especificações técnicas dependem de critérios próprios de aquisição, processamento e controle de qualidade.
Em fundos com variações abruptas de profundidade, a faixa efetivamente sondada pode não coincidir com a faixa nominal calculada por Weff. Isso ocorre porque o planejamento usa Hp como profundidade de referência, enquanto a nuvem é gerada sobre a geometria real do fundo sintético. Assim, no fundo do tipo paredão, é esperado observar mudança aparente de cobertura, densidade e espaçamento transversal nas proximidades da descontinuidade.
Quando o modo equiangular está ativo, a distância transversal entre beams aumenta em direção às bordas do swath. Quando o modo equidistante está ativo, a distância transversal permanece aproximadamente constante dentro da faixa efetiva nominal. Essa diferença é importante para interpretar densidade, resolução transversal e resposta visual da nuvem.
6A. Modo Single Beam
O modo Single Beam representa uma aquisição por feixe único. Ele foi incluído para permitir comparação didática entre uma sondagem monofeixe idealizada e a aquisição multifeixe, preservando a mesma lógica geral de navegação, temporização, movimento da plataforma, interseção com fundo e interseção com feições.
Número efetivo de beams no modo Single Beam:
Neff = 1
Ângulo nominal do feixe:
αSB = 0
Swath efetivo nominal:
Weff,SB = não aplicável
Spacing across:
Sacross,SB = não aplicável
Espaçamento entre linhas no modo Single Beam:
Slinha,SB = LSSB
Definição dos parâmetros- Neff, número efetivo de beams usado na geração da nuvem.
- αSB, ângulo nominal do feixe único em relação ao nadir.
- Weff,SB, largura efetiva de faixa no modo Single Beam. No simulador, essa grandeza é tratada como não aplicável.
- Sacross,SB, spacing transversal no modo Single Beam. Como há apenas um feixe, essa métrica é tratada como não aplicável.
- LSSB, espaçamento entre linhas definido pelo campo LS Single Beam, em metros.
No modo Single Beam, o swath angular não controla a emissão da nuvem. O feixe nominal é único e nadiral. Portanto, os campos de swath, cobertura e número de beams deixam de ter função direta na discretização transversal. O planejamento entre linhas passa a depender do valor informado em LS Single Beam.
O modo Single Beam representa um sounding pontual por ping e concentra a análise na geometria de trajetória, no espaçamento longitudinal, nos efeitos de movimento, nos offsets e na interseção com fundo ou feições. A modelagem detalhada de footprint acústico, largura de pulso, directividade do transdutor, forma do lóbulo acústico, janela temporal de detecção e processamento de eco pertence a um nível instrumental mais específico.
Interação com offsets e movimentos- Com roll, pitch, yaw ou offsets angulares nulos, o feixe único permanece nadiral.
- Com offset angular de roll, pitch ou yaw no modo avançado, o feixe único pode deixar de ser nadiral, pois o offset angular representa boresight físico do sonar.
- Quando o feixe único inclinado não intercepta fundo, paredão, cubo ou duto dentro do range disponível, o sounding não é registrado na nuvem.
- Quando o range automático usa margem adicional para Single Beam, essa margem tem função operacional de preservar interseções válidas em movimentos moderados e não caracteriza faixa lateral multifeixe.
A leitura correta do modo Single Beam é: um ping gera no máximo um ponto. A ausência de ponto deve ser interpretada inicialmente pela geometria de interseção entre o feixe e a cena dentro do range configurado. Em presença de offset angular alto, movimento não compensado ou range manual muito curto, esse comportamento pode ser fisicamente coerente.
7. Linhas de navegação, mudança de linha e reciprocidade
A navegação pode ocorrer por dois mecanismos. No plano nativo, a embarcação segue linhas retas alternadas, avança ao longo do eixo x, muda de faixa ao atingir o fim da linha e inverte o sentido de navegação. No plano importado, a embarcação segue a geometria das linhas carregadas no arquivo LNW, incluindo linhas longitudinais, transversais, diagonais e recíprocas.
Atualização longitudinal na linha nativa:
x(t + Δt) = x(t) + s V Δt
Sentido da linha nativa:
s = +1, para linha direta
s = −1, para linha reversa
Heading nominal da linha nativa:
ψ0 = 0°, para linha direta
ψ0 = 180°, para linha reversa
Deslocamento transversal entre linhas nativas:
yk+1 = yk + Slinha
Interpolação angular durante a curva nativa:
ψ(u) = ψi + u(ψf − ψi), com 0 ≤ u ≤ 1
Linha importada por LNW:
P0 = (x0, y0)
P1 = (x1, y1)
Comprimento do segmento:
L = sqrt[(x1 − x0)² + (y1 − y0)²]
Heading do segmento:
ψLNW = atan2(y1 − y0, x1 − x0)
Posição ao longo do segmento:
P(s) = P0 + (s / L)(P1 − P0), com 0 ≤ s ≤ L
Definição dos parâmetros- x(t), posição longitudinal da embarcação no instante t, em metros.
- Δt, intervalo de atualização da simulação, em segundos.
- s, sinal do sentido de navegação.
- V, velocidade da embarcação, em metros por segundo.
- ψ0, heading nominal da linha nativa, em graus.
- ψLNW, heading calculado para o segmento da linha importada, convertido para graus quando apresentado na interface.
- P(s), posição interpolada ao longo da linha importada, em metros.
Como interpretar linhas recíprocas- Erro de roll ou offset angular de roll tende a produzir diferenças transversais opostas entre linhas de sentidos contrários.
- Erro de pitch e latência tendem a aparecer melhor em feições ou taludes observados com velocidades ou sentidos diferentes.
- Erro de yaw ou heading tende a rotacionar a faixa e deslocar a coincidência entre linhas adjacentes.
- Diferenças de SVP tendem a crescer com ângulo de feixe e profundidade, sendo mais visíveis nas bordas.
- Planos importados permitem simular configurações de patch test com linhas longitudinais, transversais, diagonais e recíprocas sem alterar a lógica física de geração da nuvem.
7A. Importação de planos LNW e coordenadas originais
O arquivo LNW pode conter coordenadas locais, coordenadas arbitrárias de projeto ou coordenadas projetadas, como UTM. Durante a importação, o MBES Simulator preserva a geometria do plano e aplica uma translação para posicionar o primeiro ponto da primeira linha em uma âncora local do sistema de simulação. Essa decisão evita instabilidade numérica e mantém coerentes a vista 3D, os perfis, o duto, o cubo, a gridagem e a navegação.
Primeiro ponto original do LNW:
Porig,0 = (Xorig,0, Yorig,0)
Âncora local do simulador:
Ploc,0 = (Xloc,0, Yloc,0)
Translação aplicada ao plano importado:
ΔX = Xloc,0 − Xorig,0
ΔY = Yloc,0 − Yorig,0
Coordenadas usadas internamente na simulação:
Xloc = Xorig + ΔX
Yloc = Yorig + ΔY
Consequências práticas- A forma do plano importado é preservada.
- Os comprimentos das linhas são preservados.
- Os headings relativos dos segmentos são preservados.
- A direção e o sentido de cada linha importada são preservados.
- As coordenadas absolutas originais não são usadas para navegar internamente, mas são preservadas como referência de exportação.
Se um plano LNW em UTM iniciar, por exemplo, em 500000, 7700000, esse ponto pode ser deslocado internamente para perto de 0, 0. A nuvem será calculada no sistema local, mas a exportação poderá retornar para valores próximos de 500000, 7700000, desde que os pontos tenham sido gerados a partir do plano importado.
A importação de LNW não transforma o sistema de referência do simulador em um sistema geodésico ou cartográfico. O software não valida EPSG, hemisfério, fuso, datum horizontal, datum vertical ou unidade angular. Ele assume que as coordenadas do LNW já estão em um sistema métrico coerente e aplica somente uma translação local reversível.
8. Fundos sintéticos
Os fundos sintéticos definem a superfície sobre a qual os soundings são gerados. A profundidade nominal de planejamento continua controlando métricas como swath e espaçamento entre linhas, mas a posição vertical final da nuvem acompanha a geometria do fundo selecionado.
Fundo plano:
zb(x,y) = −Hp
Fundo inclinado:
zb(x,y) = −Hp − x tan(β)
Fundo ondulado bidimensional:
zb(x,y) = −Hp + A sin(2πx / λx) cos(2πy / λy)
Fundo do tipo paredão:
zb(x,y) = −Hp, para y < yw
zb(x,y) = −0,35Hp, para y ≥ yw
Fundo irregular fixo:
zb(x,y) = −Hp + zond + ztalude + zbancos + zaflor + zrug
Definição dos parâmetros- zb(x,y), cota sintética do fundo, em metros.
- β, inclinação longitudinal do fundo, em radianos.
- A, amplitude da ondulação sintética, em metros.
- λx e λy, comprimentos de onda nas direções longitudinal e transversal, em metros.
- yw, posição transversal da descontinuidade no fundo do tipo paredão, em metros.
O fundo irregular possui geometria sintética fixa e é adequado para avaliação visual de relevo composto, análise de resposta espacial e testes de sensibilidade sobre superfícies complexas.
9. Movimento da embarcação
Roll periódico:
φ(t) = Aφ sin(2πt / Tφ)
Pitch periódico:
θ(t) = Aθ sin(2πt / Tθ)
Oscilação de heading:
δψ(t) = Aψ sin(2πt / Tψ)
Heave periódico:
h(t) = Ah sin(2πt / Th)
Heading instantâneo:
ψ(t) = ψ0 + δψ(t)
Definição dos parâmetros- φ(t), roll no instante t, em graus.
- θ(t), pitch no instante t, em graus.
- δψ(t), oscilação de heading no instante t, em graus.
- h(t), heave no instante t, em metros.
- A, amplitude do movimento correspondente.
- T, período do movimento correspondente, em segundos.
Leitura física dos movimentos- Roll, altera principalmente a geometria transversal e aumenta efeito nas bordas.
- Pitch, projeta deslocamento na direção longitudinal.
- Heading, altera a orientação planimétrica da faixa.
- Heave, desloca verticalmente a plataforma e a nuvem quando não compensado integralmente.
10. Compensações na nuvem e resíduo de estabilização
As opções de estabilização e compensação atuam sobre a nuvem sintética, reduzindo a manifestação de roll, pitch, heading e heave no resultado visual. Porém, a compensação não zera completamente o efeito. O modelo mantém um resíduo controlado para representar a persistência de efeitos residuais após a compensação.
Fator residual de compensação:
ηq = 0,05, quando a compensação do termo q está ligada
ηq = 1,00, quando a compensação do termo q está desligada
Roll aplicado à nuvem:
φc = ηφ φ
Pitch aplicado à nuvem:
θc = ηθ θ
Heading aplicado à nuvem:
ψc = ψ0 + ηψ δψ
Heave aplicado à nuvem:
hc = ηh h
Definição dos parâmetros- ηq, fator residual aplicado ao termo compensado.
- φc, roll residual aplicado à nuvem, em graus.
- θc, pitch residual aplicado à nuvem, em graus.
- ψc, heading usado na projeção da nuvem, em graus.
- hc, heave residual aplicado à nuvem, em metros.
Na prática hidrográfica, sensores inerciais, alinhamentos, offsets, latência, modelos verticais e filtros de navegação mantêm incertezas residuais mesmo quando corretamente configurados. O simulador representa esse comportamento por um resíduo fixo controlado de 5% do movimento configurado, adequado para evidenciar a diferença entre compensação desligada, compensação idealizada e resposta residual observável na nuvem.
Roll, pitch e heading são tratados como rotações residuais aplicadas à geometria da nuvem. Heave é tratado como translação vertical residual. Portanto, heave não deve ser interpretado como redirecionamento eletrônico de feixe no mesmo sentido de roll, pitch e yaw.
11. Geração da nuvem de pontos, planta, perfil transversal e perfil longitudinal
A nuvem é gerada a partir da posição da embarcação, do beam selecionado, da distribuição transversal do swath e dos termos residuais de atitude. Em seguida, os pontos são projetados para o sistema local da cena e amarrados à geometria do fundo sintético ou da feição ativa.
Posição transversal em modo equidistante:
yi = −Weff / 2 + i Weff / (N − 1)
Posição transversal em modo equiangular:
αi = −θeff / 2 + i θeff / (N − 1)
yi = Hp tan(αi)
Contribuição residual de roll por referência angular:
α'i = αi + φc
δyroll = Hp tan(α'i) − yi
δzroll = Hp [1 − cos(α'i) / cos(αi)]
Contribuição residual simplificada de pitch:
xp = Hp tan(θc)
Coordenadas corrigidas no sistema local:
ycorr = yi + δyroll
Transformação para o plano da cena:
X = Xb + xp cos(ψc) − ycorr sin(ψc)
Y = Yb + xp sin(ψc) + ycorr cos(ψc)
Definição dos parâmetros- X e Y, coordenadas planimétricas finais do sounding sintético, em metros.
- Xb e Yb, posição da embarcação no plano da cena, em metros.
- xp, deslocamento longitudinal simplificado associado ao pitch residual, em metros.
- δyroll, deslocamento transversal associado ao roll residual por referência angular, em metros.
- ycorr, posição transversal corrigida do beam, em metros.
- ψc, heading aplicado à projeção da nuvem, em graus.
Vistas principais- Planta, mostra a distribuição horizontal da nuvem em x e y.
- Perfil transversal, mostra o último ping em seção across track.
- Perfil longitudinal, mostra a sequência nadiral da linha corrente.
- Vista 3D, integra embarcação, fundo, linhas, nuvem, feição e gridagem.
- RPYH, exibe séries temporais de roll, pitch, yaw e heave em tempo real. O painel superior mostra roll, pitch e yaw em graus; o painel inferior mostra heave em metros. A janela temporal cobre os últimos 60 s, com histórico de até 7200 amostras. Cada série pode ser ativada ou desativada individualmente. Zoom por scroll e pan por arraste. Botão Reset restaura o ajuste automático de escala.
O perfil longitudinal usa o ponto mais próximo do nadir em cada ping e prioriza a resposta vertical ao longo da linha. Essa vista é especialmente adequada para interpretar fundos inclinados, ondulados, taludes, paredes e efeitos associados a heave ou SVP.
12. Feições de análise, cubo e duto
A feição de análise permite observar a resposta do sistema sobre alvos sintéticos de geometria conhecida. A feição é habilitada em fundo plano e pode ser configurada como cubo ou duto cilíndrico alinhado ao eixo x.
Cubo sobre fundo plano:
zmin = zb(cx, cy)
zmax = zmin + L
Atopo,cubo = L²
Duto cilíndrico sobre fundo plano:
Rd = D / 2
zcentro = zb(cx, cy) + Rd
ztopo = zb(cx, cy) + D
Asuperior,duto ≈ π Rd E
Definição dos parâmetros- L, aresta do cubo, em metros.
- D, diâmetro do duto, em metros.
- Rd, raio do duto, em metros.
- E, extensão longitudinal do duto, em metros.
- cx e cy, coordenadas do centro da feição, em metros.
- Atopo,cubo, área plana superior do cubo, em metros quadrados.
- Asuperior,duto, área aproximada da metade superior do cilindro, em metros quadrados.
| Métrica | Interpretação | Cuidado |
|---|
| Pings sobre a feição | Conta pings nos quais ao menos um feixe intercepta a feição. | Não mede densidade espacial por si só. |
| Feixes que interceptaram | Conta interseções dos beams com a feição. | Pode crescer por multiplicidade de feixes no mesmo ping. |
| Pontos na feição ou superfície | Conta soundings preservados na nuvem e associados à feição. | Depende da persistência da nuvem e da geometria de interseção. |
| Densidade aparente no topo | No cubo usa hits próximos da face superior. No duto usa hits na metade superior aparente do cilindro e normaliza por π Rd E. | É uma métrica sintética do simulador, não uma densidade hidrográfica normativa. |
No duto, vários beams de um mesmo ping podem incidir sobre a mesma seção cilíndrica. Por isso, a leitura conjunta de pings, feixes, pontos e densidade aparente é recomendada. Avaliar somente a densidade aparente pode produzir interpretação incompleta, especialmente quando o duto está fora do nadir ou quando a janela temporal da nuvem foi reduzida.
13. Visualizações, gridagem e paletas
O modo por pontos preserva os soundings individuais. O modo gridado agrega pontos em células regulares no plano x y, produzindo uma representação espacial contínua apenas onde existem células válidas.
Profundidade associada ao ponto:
d = −z
Critério Shallow:
dcélula = min(d1, d2, ..., dn)
Critério Mean:
dcélula = (1/n) Σ dj
Critério Std:
σcélula = sqrt[(1/(n − 1)) Σ(dj − d̄)²]
Critério Max:
dcélula = max(d1, d2, ..., dn)
Definição dos parâmetros- d, profundidade positiva derivada da coordenada vertical z, em metros.
- z, coordenada vertical do sounding, em metros.
- n, número de soundings dentro da célula.
- dj, profundidade do sounding j dentro da célula, em metros.
- d̄, profundidade média da célula, em metros.
- σcélula, desvio padrão das profundidades dentro da célula, em metros.
Interpretação dos critérios- Shallow, privilegia a profundidade mais rasa da célula, útil para leitura conservadora de feições.
- Mean, suaviza a variabilidade interna da célula.
- Std, evidencia dispersão vertical local e heterogeneidade.
- Max, privilegia a profundidade mais profunda, útil para revelar valores extremos profundos.
A gridagem do simulador é uma visualização derivada da nuvem, voltada à análise espacial dos soundings em células regulares. Métodos como CUBE, ponderação por TPU, interpolação geoestatística e validação automática de holidays pertencem a etapas especializadas de processamento hidrográfico. A escolha do tamanho da célula deve considerar a densidade de pontos, a escala do fundo sintético e a finalidade visual do teste.
14. Modo avançado, SVP, proxy de refração e ray tracing
O modo avançado separa a geometria física simulada da reconstrução aplicada ao sounding. Essa separação permite estudar discrepâncias entre SVP Real e SVP Arquivado, efeitos de latência e termos verticais adicionais. Os offsets angulares representam o boresight físico do sonar: alteram a direção física dos feixes emitidos e a reconstrução geométrica correspondente. Os offsets lineares são tratados como lever arms locais da plataforma.
Invariante simplificado do raio:
p = sin(θ0) / c0
Ângulo local em uma camada de profundidade z:
sin[θ(z)] = p c(z)
Avanço lateral incremental:
Δx = Δz tan[θ(z)]
Tempo de ida incremental:
Δt = Δz / {c(z) cos[θ(z)]}
Tempo de ida e volta:
TWTT = 2 Σ Δt
Definição dos parâmetros- p, invariante simplificado do raio usado no traçado em camadas.
- θ0, ângulo inicial do feixe junto ao transdutor, em radianos.
- c0, velocidade do som na superfície ou na primeira camada do perfil, em metros por segundo.
- c(z), velocidade do som na profundidade z, em metros por segundo.
- θ(z), ângulo local do raio na profundidade z, em radianos.
- Δz, incremento vertical usado no traçado por camadas, em metros.
- Δx, incremento lateral acumulado pelo raio, em metros.
- Δt, tempo incremental de ida, em segundos.
| Modo | Traçado físico | Reconstrução | Uso adequado |
|---|
| Rápido | Velocidade constante baseada no valor nominal. | Velocidade constante baseada em c na face do SVP Arquivado. | Teste rápido e qualitativo. |
| Interativo | SVP Real em camadas discretizadas. | SVP Arquivado efetivo em camadas discretizadas. | Estudo físico de SVP, bordas, ray tracing e diferenças de reconstrução. |
Proxy de refração:
Pref = |carq,0 − creal,0| |tan(θeff / 2)| Hp / 1500
Definição do proxy- Pref, indicador escalar de sensibilidade à discrepância acústica, em metros.
- carq,0, velocidade superficial do SVP Arquivado efetivo, em metros por segundo.
- creal,0, velocidade superficial do SVP Real, em metros por segundo.
- θeff, abertura angular efetiva do swath, em radianos.
- Hp, profundidade nominal de planejamento, em metros.
O proxy de refração é um indicador escalar de sensibilidade, não uma componente vetorial isolada. Ele cresce com a diferença entre velocidades superficiais, com a abertura angular e com a profundidade. Em termos visuais, a discrepância tende a ser pequena no nadir e mais expressiva nas bordas.
O modo Rápido é indicado para testes qualitativos e avaliação inicial com velocidades constantes. Para estudar curvatura do raio em coluna d’água estratificada, use o modo Interativo e compare SVP Real e SVP Arquivado.
15. Offsets angulares, offsets lineares, latência e termos verticais
| Controle | Como atua no simulador | Manifestação esperada |
|---|
| Offset angular Roll do sonar | Altera fisicamente a orientação transversal dos feixes emitidos e a reconstrução correspondente. | Mudança coerente da geometria transversal do swath, com maior sensibilidade nas bordas. |
| Offset angular Pitch do sonar | Altera fisicamente a orientação longitudinal dos feixes emitidos e a reconstrução correspondente. | Mudança coerente da geometria longitudinal do swath, mais evidente sobre taludes ou feições. |
| Offset angular Yaw do sonar | Altera fisicamente a orientação horizontal da faixa emitida e a reconstrução correspondente. | Rotação física da faixa e alteração planimétrica coerente da nuvem. |
| Offset Linear X | Desloca a origem do sensor no eixo longitudinal local da plataforma, rotacionado por roll, pitch e yaw. | Translação longitudinal acoplada à atitude. |
| Offset Linear Y | Desloca a origem do sensor no eixo transversal local da plataforma, rotacionado por roll, pitch e yaw. | Translação lateral acoplada à atitude. |
| Offset Linear Z | Desloca a origem física e reconstruída no eixo vertical local da plataforma, rotacionado por roll, pitch e yaw. | Alteração vertical e pequeno acoplamento planimétrico quando há atitude. |
| Limite por range | Quando a combinação entre abertura, atitude e offset angular faz um feixe exigir range maior que o range disponível, o sounding é descartado. | Redução física da faixa efetivamente observada, sem geração de pontos geometricamente incompatíveis com o range disponível. |
| Latência | Desloca a pose amostrada ao longo do heading em função da velocidade. | Deslocamento along track proporcional à velocidade e ao atraso. |
| Maré, settlement e load offset | Entram como termos verticais adicionais após a reconstrução geométrica. | Alteração vertical da nuvem ativa. |
Deslocamento planimétrico associado à latência:
Δs = V Δτ
Componentes no plano da cena:
ΔX = Δs cos(ψ)
ΔY = Δs sin(ψ)
Composição vertical simplificada no modo avançado:
Zfinal = Zgeom − T + S + Lo
Definição dos parâmetros- Δs, deslocamento ao longo da trajetória devido à latência, em metros.
- V, velocidade da embarcação, em metros por segundo.
- Δτ, latência, em segundos.
- ψ, heading usado na projeção, em graus.
- ΔX e ΔY, componentes planimétricas do deslocamento de latência, em metros.
- Zgeom, coordenada vertical resultante da reconstrução geométrica, em metros.
- T, nível de maré aplicado, em metros.
- S, settlement, em metros.
- Lo, load offset, em metros.
A latência distingue-se do offset linear. O offset linear desloca a geometria por uma distância fixa no referencial local da plataforma. A latência desloca a amostragem em função do tempo e, portanto, depende diretamente da velocidade da embarcação.
16. Exportação da nuvem, arquivos por linha e coordenadas de saída
A exportação da nuvem separa a visualização ativa do histórico completo de pontos. A visualização pode ser limpa ou limitada por janela temporal, mas a exportação CSV, XYZ e PLY utiliza o histórico completo acumulado durante a simulação. Esse histórico é agrupado por linha de levantamento, permitindo gerar um arquivo separado para cada linha navegada.
- CSV, exporta pontos sintéticos agrupados por linha, com coordenadas finais de exportação, linha, tempo e atributos numéricos essenciais.
- XYZ, exporta coordenadas
x y z por linha, adequadas para visualização e testes externos simples.
- PLY, exporta uma nuvem de pontos por linha para visualização externa compatível com formato de pontos.
- HSX, gera arquivo sintético no padrão textual usado para intercâmbio hidrográfico simplificado, com grupos por ping e parâmetros derivados da simulação.
- PNG, exporta a vista gráfica efetivamente aberta e exibida.
Exportação para linhas nativas:
Xexp = Xloc
Yexp = Yloc
Exportação com restituição das coordenadas do LNW:
Xexp = Xloc − ΔX
Yexp = Yloc − ΔY
Coordenada vertical exportada:
Zexp = Zsim
Definição dos parâmetros- Xloc e Yloc, coordenadas locais usadas internamente pelo simulador, em metros.
- Xexp e Yexp, coordenadas planimétricas gravadas no arquivo exportado, em metros.
- ΔX e ΔY, translação aplicada ao plano LNW para converter o plano ao sistema local.
- Zsim, coordenada vertical sintética gerada pelo simulador.
Comportamento por tipo de plano- Plano nativo, os arquivos CSV, XYZ e PLY saem em coordenadas locais do simulador.
- Plano LNW importado, os arquivos CSV, XYZ e PLY retornam às coordenadas originais do arquivo LNW, desde que os pontos tenham sido gerados enquanto o plano importado estava ativo.
- Plano LNW em sistema métrico projetado, a exportação retorna valores numéricos compatíveis com as coordenadas originais do arquivo, sem reprojetar, validar ou modificar o CRS.
- Histórico misto, pontos nativos permanecem locais e pontos de LNW importado retornam ao sistema original correspondente, pois cada ponto carrega sua própria referência de exportação.
Organização dos arquivos- CSV, XYZ e PLY são gerados por linha, usando a identificação da linha como parte do nome do arquivo.
- Em linhas nativas, os nomes usam identificadores como
LINE_0001, LINE_0002 e assim por diante. - Em linhas importadas, os nomes usam o identificador lido do LNW, como
LINHA_LONG_EW, PT04_CROSS_SN_CENTER ou outro nome definido no arquivo.
A coordenada vertical exportada é a coordenada sintética do simulador. Ela não representa automaticamente altitude normal, profundidade reduzida, cota vinculada a nível de redução, maré observada ou datum vertical oficial. Qualquer interpretação vertical geodésica ou hidrográfica exige referência externa e documentação própria.
Regra operacional: o botão Limpar remove a nuvem visível, o último ping e os perfis visíveis, mas mantém o histórico completo usado na exportação. O botão Reset reinicia a simulação e apaga o histórico exportável. Portanto, depois de Limpar, a exportação ainda pode gerar arquivos. Depois de Reset, a exportação deve ficar vazia até que novos pontos sejam gerados.
Os arquivos exportados representam dados sintéticos gerados pelo simulador e são adequados para estudo, visualização, demonstração, treinamento e testes de fluxo. Datagramas brutos de fabricante e dados hidrográficos reais possuem estrutura instrumental e metadados próprios, associados aos sistemas de aquisição correspondentes.
17. Leitura crítica dos resultados e testes recomendados
| Teste | Configuração sugerida | Resposta esperada |
|---|
| Distribuição de beams | Fundo plano, sem movimento, comparar EA e ED. | EA apresenta maior espaçamento nas bordas. ED mantém espaçamento transversal constante. |
| Roll residual | Ativar roll, comparar estabilização ligada e desligada. | Com estabilização ligada, a distorção deve cair para resíduo pequeno, sem desaparecer completamente. |
| Pitch | Fundo inclinado ou feição, variar pitch. | Resposta mais clara no perfil longitudinal e na posição along track. |
| Heading ou yaw | Linhas acumuladas, aplicar offset angular yaw. | Rotação planimétrica e desalinhamento entre faixas. |
| Latência | Usar velocidade alta e feição ou talude. | Deslocamento longitudinal proporcional a V · Δt. |
| SVP | Modo Interativo, SVP Real diferente do SVP Arquivado. | Diferenças crescem com ângulo de feixe e profundidade. |
| Gridagem | Comparar pontos, Shallow, Mean, Std e Max. | Células evidenciam estatísticas distintas da nuvem e devem ser interpretadas conforme o critério selecionado. |
| Single Beam | Selecionar Beam Mode igual a Single Beam, fundo plano, sem offsets, e depois repetir com offset angular pequeno. | Sem offsets, cada ping deve gerar no máximo um ponto nadiral. Com offset angular e range curto, a ausência de interseção válida pode impedir o registro do sounding na nuvem. |
| Plano LNW importado | Importar plano com linha longitudinal, transversal e diagonal. | A embarcação deve seguir a geometria, direção e sentido das linhas importadas, sem retornar à lógica nativa de linhas alternadas. |
| Patch test sintético | Usar linhas recíprocas, transversais e diagonais sobre duto ou cubo em fundo plano. | Os perfis e a vista em planta devem evidenciar diferenças coerentes com roll, pitch, heading, heave, offsets e latência configurados. |
| Exportação por linha | Rodar mais de uma linha e exportar CSV, XYZ ou PLY. | O software deve gerar um arquivo por linha, com chave de linha coerente com o plano nativo ou com o identificador LNW importado. |
| Exportação com restituição das coordenadas do LNW | Importar LNW com coordenadas métricas conhecidas, simular a primeira linha e exportar a nuvem. | As coordenadas x e y exportadas devem retornar valores compatíveis com as coordenadas originais do LNW. As coordenadas locais devem permanecer restritas à escala interna da simulação. |
| Limpar versus Reset | Gerar pontos, clicar em Limpar e exportar. Depois clicar em Reset e exportar novamente. | Após Limpar, a visualização deve ficar vazia, mas a exportação deve manter o histórico. Após Reset, a exportação deve ficar vazia. |
Um resultado coerente é aquele cuja deformação observada corresponde ao parâmetro alterado. Quando a nuvem apresenta resposta incompatível com a teoria do parâmetro testado, recomenda-se isolar o cenário, reduzir variáveis simultâneas e repetir a análise antes de qualquer conclusão.
Para testar estabilização em plano com linhas de orientações diferentes, evite métricas globais que misturem linhas longitudinais, transversais e diagonais. A avaliação correta deve comparar resíduos locais por linha, como diferença entre heading aplicado à nuvem e heading nominal da linha ativa, além dos resíduos de roll, pitch e heave.
18. Escopo técnico de interpretação
O MBES Simulator foi desenvolvido para representar, de forma visual e controlada, relações geométricas, temporais e operacionais essenciais de uma aquisição multifeixe. Seu foco principal é permitir que o usuário compreenda como profundidade, abertura angular, número de feixes, distribuição dos beams, velocidade da embarcação, taxa de ping, movimentos de atitude, offsets, latência, SVP e termos verticais influenciam a formação da nuvem sintética e sua leitura em planta, perfil transversal, perfil longitudinal, vista 3D e séries temporais RPYH.
Função técnica do simuladorO simulador atua como ambiente de estudo, treinamento e análise de sensibilidade. Ele permite isolar parâmetros que, em uma aquisição real, normalmente aparecem combinados com diversos efeitos instrumentais, ambientais e operacionais. Essa separação ajuda o usuário a reconhecer padrões geométricos, testar hipóteses e compreender a resposta espacial esperada da nuvem multifeixe.
Leitura hidrográfica dos resultados- Alterações de profundidade, abertura angular e número de beams modificam diretamente a largura de faixa e a densidade transversal da nuvem.
- Velocidade da embarcação e taxa de ping controlam o espaçamento longitudinal entre sondagens sucessivas.
- Roll, pitch, heading e heave permitem estudar como movimentos residuais da plataforma afetam a geometria aparente da nuvem.
- Offsets lineares, offsets angulares e latência ajudam a compreender deslocamentos sistemáticos, assimetrias e distorções associadas à integração entre sensores.
- SVP Real, SVP Arquivado e c na face permitem avaliar a sensibilidade da reconstrução geométrica à velocidade do som e à refração simplificada.
- Gridagem, perfis e vista 3D devem ser analisados em conjunto, pois cada visualização evidencia uma dimensão diferente do mesmo cenário simulado.
Quando o objetivo for certificação hidrográfica, aceitação contratual, controle final de qualidade ou enquadramento normativo, os resultados simulados devem ser avaliados em conjunto com procedimentos formais de aquisição, processamento, validação cruzada, controle estatístico e critérios técnicos aplicáveis. Essa distinção reforça a função técnica do simulador: oferecer um ambiente controlado para estudar fenômenos que, em dados reais, costumam aparecer combinados, mascarados ou dependentes de múltiplas etapas de processamento.
É recomendável alterar poucos parâmetros por vez, observar a resposta nas diferentes vistas e verificar se a deformação obtida é compatível com a interpretação física esperada. Um resultado coerente combina organização visual e resposta consistente ao parâmetro modificado.
19. Créditos e contato
Desenvolvido por Prof. Ítalo Ferreira.
Em caso de dúvidas, contatar italo.ferreira@ufv.br.