NL ENG

Side Scan Sonar

De Side Scan Sonar (SSS) is een veelgebruikte akoestische techniek in de gereedschapskist van de onderwaterarcheoloog. De SSS kan binnen de AMZ-cyclus worden toegepast tijdens de verkennende en karterende fases van een inventariserend veldonderzoek opwater om objecten op de waterbodem in kaart te brengen.

Wat?

Hoe werkt het?

Een SSS is een instrument dat wordt gebruikt voor het in kaart brengen van objecten en structuren die op de waterbodem liggen of deels uit de bodem steken (afbeelding 1). Een side scan sonar zendt geluidsgolven uit en ontvangt het gereflecteerde signaal. Door het tijdsverschil tussen de uitzending en het ontvangen van de reflectie te berekenen, maakt deze sensor gedetailleerde beelden van het onderwaterlandschap.

Afbeelding 1: Diagram van een side scan sonarbeeld (bron: Wikimedia Commons).

Het resultaat is een akoestisch beeld (echogram) van de waterbodem dat vergelijkbaar is met een zwart-wit foto (afbeelding 2). Het beeld geeft de sterkte van het gereflecteerde signaal weer. Solide objecten en een harde bodem (bijvoorbeeld zand) zorgen voor een sterke reflectie, terwijl een zachte slibbodem deels de geluidsgolven absorbeert en daardoor minder goed reflecteert. Enerzijds kunnen hiermee uitspraken gedaan worden over de samenstelling van de waterbodem (zand, slib of klei), anderzijds worden aanwezige objecten zichtbaar waarvan de afmetingen (lengte, breedte en hoogte) kunnen worden bepaald.

Afbeelding 2: Een echogram van een wrak in het Markermeer (bron: Periplus Archeomare).
Meer weten?

Verdieping X

De sterkte van een reflecterende geluidsgolf wordt de reflectiecoëfficiënt genoemd. Aan de hand van een grafische weergave van de reflectiecoëfficiënt kunnen lengte en breedte van objecten worden bepaald (afbeelding 3). Een object dat boven de waterbodem uitsteekt zal een “schaduw” werpen in de opnamen, doordat de geluidsgolven achter het object afgeschermd worden. Aan de hand van de lengte van de schaduw kan de hoogte van het object berekend worden (afbeelding 4).

Afbeelding 3: Schematische opbouw van een side scan sonarbeeld.
Afbeelding 4: De bepaling van de hoogte van een object op een side scan sonarbeeld.

Het bereik en de resolutie van het akoestisch beeld zijn afhankelijk van de frequentie van de gebruikte transceiver (zender/ontvanger). Hiervoor geldt de vuistregel: hoe hoger de frequentie van de uitgezonden geluidsgolven, hoe hoger de resolutie maar hoe beperkter het bereik is. Standaard wordt een frequentie van 500 kHz en een bereik van 50 m (links en rechts) gebruikt. In de praktijk wordt een onderzoeksgebied twee keer opgenomen zodat alle aanwezige objecten en structuren van verschillende kanten in kaart worden gebracht.

Wat heb je nodig?

Een side scan sonar systeem bestaat uit verschillende onderdelen, met als belangrijkste de transceiver. Dit kan een eenvoudig systeem zijn (bijvoorbeeld een zogenaamde fishfinder) of een geavanceerd systeem met meer vermogen en een groter bereik. Voor de inzet van een systeem en de interpretatie van de meetgegevens is specialistische kennis noodzakelijk. Essentiële onderdelen zijn een transceiver (afbeelding 5), een positioneringssysteem en SSS-inwin- en verwerkingssoftware.

Afbeelding 5: Inzet van een side scan sonar transceiver in een gesleepte opstelling (foto: RWS).
Meer weten?

Verdieping X

De benodigde onderdelen zijn:

  1. Transceivers (zender/ontvanger): Deze zetten elektrische signalen om in hoogfrequente akoestische signalen en vice versa. De keuze van transceiver beïnvloedt de dekking en resolutie van het systeem. Hoe hoogfrequenter het systeem is, hoe groter de resolutie. Een side scan sonar transceiver wordt ook wel een ‘vis’ genoemd.
  2. Positioneringssysteem: Dit is nodig om de locatie van de SSS te bepalen. Dit kan een Global Navigation Satellite System (GNSS) zijn, of een Real-Time Kinematic (RTK) GPS. Hoe nauwkeuriger het positiesysteem, hoe nauwkeurig de resultaten uit de side scan, waarbij rekening moet worden gehouden met de zgn. layback-correctie (zie nummer 6).
  3. Positioneringssoftware: Dit dient om de positie van het schip vast te leggen. Tevens wordt de positie, eventueel gecorrigeerd voor de offset, aan de Sonarprocessor doorgegeven. De posities worden gekoppeld aan de data van de side scan zelf.
  4. Sonarprocessor: Deze verwerkt de geregistreerde akoestische signalen tot interpreteerbare beelden. Geavanceerde processors kunnen realtime beeldvorming mogelijk maken.
  5. Verwerkingssoftware: Voor het verwerken, analyseren en interpreteren van SSS-beelden kunnen verschillende commerciële programma’s worden gebruikt, voorbeelden hiervan zijn Qinsy en SonarWiz.
  6. Optioneel – Ultra Short Baseline (USBL): Een USBL kan gebruikt worden om de afstand tussen de SSS-transceiver en het positioneringssysteem nauwkeurig te meten. Een USBL is direct onder het positioneringssysteem gemonteerd aan de onderkant van het vaartuig en communiceert door middel van geluidsgolven met de SSS-transceiver. Door de precieze richting en afstand – de zogenaamde ‘layback’ – tussen het USBL systeem en de side scan vis te meten en te koppelen aan de precieze GPS locatie, kan real time de positie van de vis worden bepaald. De USBL hoeft alleen gebruikt te worden als de SSS achter een vaartuig gesleept wordt. Als de side scan vastzit aan het schip dan hoeft maar één keer de offset van de side scan te worden ingevoerd in de positioneringssoftware.

Aandachtspunten:

  • Voor optimale opnamen dient de hoogte van de transceiver boven de bodem 10-15% van het ingestelde bereik te zijn.
  • Het maximale bereik is afhankelijk van de gebruikte frequentie; hoe lager defrequentie, hoe groter het bereik.
  • De resolutie van het sonarbeeld neemt evenredig toe met de gebruikte frequentie; voor detectie van objecten met een minimale grootte van 1 m dient dit minimaal 500 kHz te zijn.

Kan worden gebruikt met..

Een SSS-transceiver wordt op drie manieren ingezet:

Vaste opstelling op een meetvaartuig of een ROV (Remotely Operated Vehicle)

  • Voordelen: nauwkeurige plaatsbepaling (De GPS antenne kan direct boven de transceiver worden geplaatst.
  • Nadelen: een vaste opstelling is alleen geschikt voor kleinere waterdiepten minder dan 25 m diep. Heftige scheepsbewegingen zijn zichtbaar in het resultaat.

Gesleepte opstelling

Hierbij wordt de transceiver achter een meetvaartuig aangesleept aan een kabel.

  • Voordelen: scheepsbewegingen hebben minder invloed op het resultaat, en de sonarvis kan op een vaste hoogte boven de bodem worden gesleept door de kabel te vieren.
  • Nadelen: De positionering kan minder nauwkeurig worden, afhankelijk van de lengte van de kabel. Bij grote variaties in waterdiepte dient de kabellengte steeds aangepast te worden.

Sectorscan opstelling

Hierbij wordt de transceiver verticaal op een statief gemonteerd waarbij de sensor 360 graden rondom scant. Deze opstelling wordt bijvoorbeeld gebruikt om de locatie van duikers te monitoren op locatie.

  • Voordelen: De transceiver kan een volledig 360 graden scan maken, waardoor je een compleet beeld van de omgeving krijgt zonder dat je de positie van de transceiver hoeft te veranderen.
  • Nadeel: Omdat de transceiver vast op een statief staat, is de scan beperkt tot een vaste locatie en kan het lastig zijn om grotere gebieden te onderzoeken.

Archeologische Toepassingen

Plaats in het archeologisch proces

Binnen het archeologisch werkproces (IVO opwater) wordt de SSS gebruikt om vanaf het wateroppervlak objecten op de bodem in kaart te brengen tijdens deverkennende en karterende fases van een inventariserend veldonderzoek opwater (KNA protocol 4103, p. 5-7). Door alle verzamelde lijnopnames te combineren tot een mozaïek (een soort orthofoto) kunnen grootschalige structuren (bijvoorbeeld doorlopende sleepsporen van vissersnetten of verschillen in oppervlaktesedimenten) inzichtelijk worden gemaakt (afbeelding 6).

Afbeelding 6: Side scan sonarmozaïek van het onderzoeksgebied Enkhuizerzand in het Markermeer (bron: Periplus Archeomare).

Welke typen archeologische materialen/landschappen

De SSS wordt gebruikt om objecten zoals scheepswrakken in kaart te brengen en de dimensies (lengte, breedte, en hoogte) hiervan te bepalen. Aan de hand van de sterkte van de reflecties kan enigszins bepaald worden of het om houten (zwakke reflectie) of metalen (sterke reflectie) wrakken gaat. Het maakt niet uit of het om zoet, zout, of brak water gaat.

Ook grotere structuren zoals verdronken dijken en dorpen kunnen gekarteerd worden met behulp van de SSS door een samengesteld mozaïek te maken.

Beperkingen/onzekerheden

Om de side scan sonar succesvol in te zetten, is het van belang om de beperkingen en onzekerheden van deze methode in acht te houden.

Beperkingen:

  • Voor zowel opname als interpretatie is speciale software nodig.
  • Alleen geschikt voor de kartering van objecten en structuren aan het waterbodemoppervlak, niet voor afgedekte objecten in de waterbodem.
  • Hoe hoger de gebruikte frequentie, hoe hoger de resolutie maar hoe kleiner het maximaal bereik.
  • Een accurate identificatie van objecten vereist vaak aanvullend onderzoek, zoals duikonderzoek of een visuele inspectie met een ROV. Ter illustratie, het verschil tussen een polyester en een houten wrak is niet zichtbaar op sonarbeelden, waardoor een visuele bevestiging nodig is ter validatie.
  • De juiste interpretatie van side scan sonarbeelden vereist veel ervaring.

Onzekerheden:

  • De onnauwkeurigheid van de plaatsbepaling neemt toe bij opnamen in water dieper dan 10 m.
  • Golven, stroming, en troebelheid kunnen de prestaties beïnvloeden.

Referenties/verder lezen

Mazel, C. (1985). Side scan sonar training manual. Klein Associates.

Van den Brenk en R. van Lil, 2023. Archeologisch bureauonderzoek en Inventariserend veldonderzoek Enkhuizerzand, Markermeer. Periplus Archeomare rapport 23A003-01

Van den Brenk, S. en R. van Lil, 2021. Inventariserend Veldonderzoek (opwaterfase), de Banjaard, Noordzee. Periplus Archeomare rapport 20A015-03.

Van den Brenk, S. en R. van Lil, 2021. Inventariserend Veldonderzoek (opwaterfase) Haringvliet. Periplus Archeomare rapport 20A015-07.

Van den Brenk, S. en R. van Lil, 2021. Inventariserend Veldonderzoek (opwaterfase) Grevelingenmeer.
Periplus Archeomare rapport 20A015-08.

Van den Brenk, S., 2021. Archeologisch bureauonderzoek en inventariserend veldonderzoek Friese Kust, IJsselmeer. Periplus Archeomare rapport 21A012-04.

Van den Brenk, S., 2023. Archeologisch bureauonderzoek en inventariserend veldonderzoek Kreupel en Vrouwenzand, IJsselmeer. Periplus Archeomare 22A002-08

Van den Brenk, S., E. Jongejan en C. Onstwedder, 2020. Inventariserend Veldonderzoek (opwaterfase), gebied ten westen van Noorderhaaks Noordzee en Gemeente Texel. Periplus Archeomare rapport 19A005- 06.

Van den Brenk, S., H. Eelman en M.H. Bartels, 2018. Inventariserend Veldonderzoek (opwaterfase), Texelstroom Noord en Scheer, westelijke Waddenzee. Periplus Archeomare rapport 18A010-01.

Van den Brenk, S., R. Cassée, R. van Lil, C. Aay, F. Postema, T. van Meurs, H. de Weerd en R. van Oosterwijk, 2020. Inventariserend Veldonderzoek (opwaterfase) Hoornse Hop. Periplus Archeomare rapport 20A015- 06.

https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/sidescan-sonar