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Rete Ondametrica Nazionale - Strumenti

TRIAXIS	WAVEC	DIRECTIONAL WAVERIDER

La rete è, al 2001, composta da otto boe Datawell Wavec MKI e tre boe Datawell Waverider MKII, prodotte in Olanda. La carena delle boe Wavec (del tipo slope following) è conformata in modo da favorire l'inseguimento del profilo d'onda e, mediante il sensore "Hippy 120" ne misura l'elevazione e le inclinazioni riferite ad una piattaforma inerziale, contenuta all'interno del sensore, che individua il piano di riferimento orizzontale. L'elevazione è ottenuta dalla doppia integrazione dell'accelerazione verticale misurata da un accelerometro montato sulla piattaforma. Le inclinazioni sono ottenute dalla misura del seno degli angoli formati tra gli assi x ed y del sistema di riferimento solidale con la boa ed il piano di riferimento orizzontale. Un sistema di bussole misura le componenti del campo magnetico lungo gli assi del sistema di riferimento solidale con la boa: Hx, Hy, Hz. Da tali componenti del campo magnetico e dalle suddette inclinazioni si ricavano: il valore assoluto e l'inclinazione del campo magnetico terrestre, l'orientamento della boa e le due pendenze locali della superficie dell'acqua nelle due direzioni nord-sud ed est-ovest, che consentono di definire la direzione di propagazione delle onde. I valori misurati: elevazione, inclinazioni, Hx, Hy, Hz, sono trasmessi, via radio, in continuo dalla boa Wavec (in figura mostrata senza gli speciali galleggianti) e vengono ricevuti nella stazione a terra dal ricevitore DIREC il quale contiene, oltre al ricevitore radio, un microprocessore ed un timer. II ricevitore fornisce i segnali ricevuti dalla boa in un formato codificato; il microprocessore li decodifica, esegue il controllo sulla qualità dei dati e li elabora. I dati vengono acquisiti normalmente per periodi di 30 minuti ogni tre ore e con intervalli inferiori nel caso di mareggiate particolarmente significative. Dalle tre serie temporali di elevazione, pendenza nord-sud e pendenza est-ovest, secondo la procedura mostrata nel prossimo paragrafo, vengono ottenuti ed anche localmente mostrati:

• Hs (metri) altezza d'onda significativa spettrale
• Tp (secondi) periodo di picco
• Tm (secondi) periodo medio
• Dm (gradi N) direzione media di propagazione

I parametri spettrali per banda di frequenza:

• densità di energia
• direzione media di propagazione
• dispersione direzionale (spread)
• asimmetria (skewness)
• curtosi

Nei casi di mareggiate particolarmente significative, con valori di Hs superiori alle soglie preimpostate, l'acquisizione dei dati avviene automaticamente in continuo e i dati suddetti sono prodotti ogni mezz'ora. Nella stazione a terra, al ricevitore sono collegati due calcolatori (PC) mediante i quali si acquisiscono i dati grezzi trasmessi dalla boa e i dati elaborati. I dati così acquisiti vengono organizzati in file resi disponibili tramite connessioni ISDN al centro di controllo di Roma. Presso quest'ultimo un apposito programma li acquisisce ad intervalli di tempo programmabili e, una volta effettuate ulteriori analisi, popola un Data Base - Procedure utente ed altri programmi Client, come i modelli matematici, interrogando opportunamente il Data Base, producono le rappresentazioni e gli elaborati richiesti.

Verifica dei dati misurati dagli ondametri e procedura di elaborazione

Verifica della qualità dei dati

Il campione di dati misurati è filtrato sulla boa con un filtro passa-basso del 7° ordine di Butterworth con frequenza di taglio di 0.6 Hz per prevenire errori dovuti all'aliasing, ed è trasmesso ogni 0,78125 secondi come sequenza di 128 bit. Il blocco di 128 bit viene decodificato dal ricevitore DIREC e vengono individuati e corretti gli errori di trasmissione. Sono quindi calcolati il valore assoluto e l'inclinazione del campo magnetico. Poiché, entrambi questi valori, in condizioni di funzionamento normale, devono restare pressoché stabili, per la verifica di qualità si procede al loro confronto con i valori medi ottenuti sui precedenti 256 campioni validi. I valori dei dati misurati sono accettati se la deviazione dalla media del valore assoluto del campo magnetico terrestre è inferiore al 10%, e l'inclinazione del campo magnetico terrestre ha una deviazione dalla media inferiore a 5.5°. Il valore dell'elevazione viene confrontato con il valore atteso derivato dalla interpolazione dei valori precedenti e successivi. Il criterio generale di accettabilità è che la differenza tra il valore misurato ed il valore atteso sia inferiore a quattro volte la deviazione standard delle differenze nella serie e sia comunque inferiore a 0.7 m, che è la massima differenza assoluta ammessa.

Assemblaggio dei dati per il calcolo spettrale

Le terne di valori di elevazione, pendenza N/S e pendenza E/W sono raccolti in blocchi di 256 campioni, ognuno corrispondente ad un intervallo di 200 secondi. Il campionamento inizia di nuovo se sono stati rilevati più di 25 campioni non ritenuti validi (10%) o se risultano mancanti 2 o più campioni adiacenti. In tal caso i dati precedenti all'interno del blocco di 256 sono eliminati. Il numero totale di blocchi di 256 dati impiegati nella successiva elaborazione è pari al numero di blocchi accettati.

Smussamento degli estremi ("Tapering")

I primi e gli ultimi 32 campioni del blocco di 256 terne di dati vengono filtrati moltiplicando per la funzione: f n= 1 - cos (n pi / 32) Tale operazione evita la fluttuazione della Fast Fourier Transform, utilizzata nella elaborazione, come di seguito illustrato, agli estremi dell'intervallo di osservazione.

Analisi spettrale

Il metodo utilizzato per l'analisi dei dati trasmessi dalla boa consente di ottenere 4 parametri caratteristici della distribuzione direzionale per frequenza Df(q ), senza alcuna ipotesi preliminare sulla forma della distribuzione stessa: Df(Ø ) = E(f, Ø ) / E(f) dove E(f, Ø ) è lo spettro direzionale di energia ed E(f) = 0/2p E(f, Ø ) dØ è la densità di energia. La distribuzione e approssimata con uno sviluppo in serie di Fourier troncato ai primi 4 coefficienti: Df(Ø ) = 1/pi [1/2+ (a1 CosØ + b1 SenØ ) + (a2 Cos2Ø + b2 Sen2Ø )] I coefficienti a1, b1 , a2 e b2 vengono calcolati a partire dai dati registrati con la procedura seguente. Il campionamento inizia di nuovo se sono stati rilevati più di 25 campioni non ritenuti validi (10%) o se risultano mancanti 2 o più campioni adiacenti. In tal caso i dati precedenti all'interno del blocco di 256 sono eliminati. Il numero totale di blocchi di 256 dati impiegati nella successiva elaborazione è pari al numero di blocchi accettati.

Smussamento degli estremi ("Tapering")

I primi e gli ultimi 32 campioni del blocco di 256 terne di dati vengono filtrati moltiplicando per la funzione: f n= 1 - cos (n pi / 32) Tale operazione evita la fluttuazione della Fast Fourier Transform, utilizzata nella elaborazione, come di seguito illustrato, agli estremi dell'intervallo di osservazione.

Analisi spettrale

Il metodo utilizzato per l'analisi dei dati trasmessi dalla boa consente di ottenere 4 parametri caratteristici della distribuzione direzionale per frequenza Df(q ), senza alcuna ipotesi preliminare sulla forma della distribuzione stessa: Df(Ø ) = E(f, Ø ) / E(f) dove E(f, Ø ) è lo spettro direzionale di energia ed E(f) = 0/2p E(f, Ø ) dØ è la densità di energia. La distribuzione e approssimata con uno sviluppo in serie di Fourier troncato ai primi 4 coefficienti: Df(Ø ) = 1/pi [1/2+ (a1 CosØ + b1 SenØ ) + (a2 Cos2Ø + b2 Sen2Ø )] I coefficienti a1, b1 , a2 e b2 vengono calcolati a partire dai dati registrati con la procedura seguente. Con le funzioni di densità spettrale ottenute, si calcolano, quindi, i coefficienti a1, b1 , a2 e b2, dello sviluppo in serie di Fourier della funzione Df(q ) con le seguenti relazioni: a1 (f)= 0 /2p Df(q ) cos q dq = Qzx(f) / K(f) Czz(f) a2 (f)= 0/ 2p Df(q ) cos 2q dq = Cxx(f) - Cyy(f) / K2(f) Czz(f) b1 (f)= 0/ 2p Df(q ) sen q dq = Qzy(f) / K(f) Czz(f) b2 (f)= 0/ 2p Df(q ) sen 2q dq = 2 Cxy(f) - Cyy(f) / K2(f) Czz(f) dove K(f) e il numero d'onda (Czz+ Cyy / Czz) 1/2 La direzione media di propagazione per banda di frequenza è ottenuta come: Ø 0(f) = arctan (b1 (f) / a1 (f)) Dai coefficienti dello sviluppo in serie di Fourier, mediante una rotazione del sistema di coordinate in modo da avere direzione media nulla, si ottengono le funzioni: m1(f)= a1(f)cos [q 0(f)] + b1(f) sen [q 0(f)] m2(f)= a2(f)cos [2 q 0(f)]+ b2(f) sen [2 q 0(f)] n2(f)= b2(f)cos [2 q 0(f)]- a2(f) sen [2 q 0(f)] mediante le quali si calcolano i seguenti valori per banda di frequenza: la dispersione direzionale (spread) Ø (f) = (2[1-m1(f)])1/2 I'asimmetria (skewness) S(f) = - n2(f) / [0.5 (1-m2(f)]3/2 la curtosi K(f) = (6 -8 m1 (f) + 2 m2 (f)) / [s (f)]4