Intercettatore sonar: differenze tra le versioni

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[[File:Tigerfish torpedo.jpg|thumb|right|300px| Siluro filoguidato con ricerca attiva: (vettore)]]

L{{'}}'''intercettatore sonar''' è un apparato di localizzazione subacquea simile al [[sonar passivo]], è però indirizzato soltanto alla scoperta degli impulsi emessi dai [[siluro|siluri]], genericamente indicati come ''vettori'', ([[sonar per siluri|siluri filoguidati con ricerca attiva]]) in un campo di frequenze molto più elevato che nel passivo, esegue inoltre il controllo delle loro accostate<ref>{{cita|Horton |pp. 269-286}}.</ref> <ref group="N">L'intercettatore non si limita alla ricezione degli impulsi emessi dai vettori ma ne controlla gli spostamenti angolari in virtù del circuito BDI (vedi: [[Collimazione sonar con la trasformata di Hilbert ]])</ref>.

L'apparato è di notevole importanza per la navigazione dei sottomarini nelle fasi di sorveglianza o di attacco.

L’estensione del campo di frequenza rispetto al sonar passivo è dovuta al fatto che i vettori, date le ridotte dimensioni delle basi acustiche di emissione, devono operare a frequenze elevate per avere buoni [[Sistemi direttivi subacquei|guadagni di direttività]].

'''Differenziale di riconoscimento del sonar''', termine attribuito al valore che quantizza la caratteristica principale del sonar ; la capacità di discriminare una sorgente acustica in mare quando questa sia coperta dal rumore ambiente.

==Descrizione==

Il differenziale di riconoscimento, espresso in dB (deciBel), è contraddistinto con la sigla <math> \Delta </math> ,

La descrizione dell'intercettatore è articolata secondo la struttura del sonar passivo con le varianti che diversificano i due sistemi di localizzazione subacquea.

=== Caratteristiche dei bersagli rilevate dal sonar ===

== Il differenziale di riconoscimento standard==

Le caratteristiche dei bersagli dedotte dall'intercettatore sono:

*Posizione angolare rispetto al Nord <ref group="N">Oppure rispetto all'asse longitudinale del battello sul quale è installato il sonar.</ref>

*Traiettoria

*Misura della quota

*Rilevamento delle accostate

*Misura della distanza <ref group="N">La misura si riferisce alla distanza fisica tra sottomarino e bersaglio; da non confondersi con la portata che indica la probabile distanza massima di scoperta del bersaglio</ref>

=== Sequenza operativa ===

Il differenziale di riconoscimento <math>\Delta</math> è il minimo rapporto <math>S/N </math>con il quale un sonar può rivelare la presenza del bersaglio mascherato dal rumore.

La sequenza operativa dell'intercettatore raccoglie tute le funzioni e/o gli eventi che si sviluppano nel localizzatore ed in mare dall'inizio dell'attività di ricerca dei vettori alla scoperta e visualizzazione delle loro tracce:

Nel localizzatore ed in mare: Valutazioni delle condizioni ambientali (tracciamento dei raggi acustici e calcoli di previsione della portata) <ref group="N">Operazioni di calcolo eseguite dopo rilievi acustici e termici in mare</ref>

Secondo le convenzioni il differenziale di riconoscimento standard, che caratterizza un ricevitore in correlazione, è il minimo valore <math> S/N</math> per il quale si abbia:

Nel localizzatore ed in mare: Trasduzione degli impulsi acustici ricevuti con la base idrofonica in segnali elettrici.

Probabilità di falso allarme<math> Pfa. = 10 %</math>

Soltanto in mare: Si affrontano i problemi dovuti al rumore del mare e ai disturbi generati dal sistema di propulsione dal vettore lungo la sua corsa

Probabilità di rivelazione <math> Priv. = 50 %</math>

Soltanto nel localizzatore: Elaborazione dati e visualizzazione delle tracce degli impulsi emessi dai vettori.

== Calcolo del differenziale di riconoscimento con le probabilità standard==

=== Sistema di ricezione ===

Il differenziale di riconoscimento <math>\Delta</math> è calcolabile secondo la funzione:

Il sistema dì ricezione degli impulsi acustici dell 'intercettatore è, a grandi linee, costituito da una base idrofonica in alta frequenza e da una complessa struttura di elaborazione dati che ne riceve i segnali elettrici.

<math> \Delta = f ( d* ) \quad</math> che esplicitata assume la forma:

==== Base idrofonica ====

<math>\Delta = 5 \cdot log_{10} { [(BW \cdot d*) / ( 2 \cdot RC )]} - 10 \cdot log_{10} {BW} </math>

[[File:circolaredtc.jpg|thumb|left|103x103px|Base acustica cilindrica]]

dove:

Ha il compito di trasdurre le pressioni acustiche dagli impulsi generati dai vettori in deboli tensioni elettriche da inviare al sistema ricevente dell'intercettatore.

<math>BW = f2 - f1 </math> larghezza di banda dei segnali e rumori all'ingresso del correlatore

==== Cofano elaborazione dati ====

<math>RC =</math> costante di tempo d'integrazione post correlazione

[[File:sauro9dtc.jpg|thumb|right|Circuiti per la formazione fasci]]La base idrofonica è di tipo cilindrico.

Preamplificatori con connettori di collegamento con la base idrofonica

<math> d* </math> parametro relativo alle curve ROC (Receiver Operating Characteristic); vedi bibliografia.

Ricevitori a fasci preformati in Af

Sistema di rilevamento angolare di precisione della posizione dei vettori

Per il computo del <math>\Delta</math>, per i valori standard:

Il cofano di elaborazione dati è composto dalle sezioni funzionali:

<math> Pfa. = 10 % </math>; <math> Priv. = 50 %</math>

Preamplificatori e connettori di collegamento con la base idrofonica, amplificano in modo selettivo i segnali impulsivi generati dalla base. Generalmente il campo delle frequenze di lavoro dell'intercettatore si estende da <math> 10000 \ Hz \ a \ 80000 \ Hz </math>.

si deve ricorrere alle curve ROC:

Circuiti a [[sonar a fasci preformati|fasci preformati]] Af, generano un insieme di fasci acustici per la scoperta dei vettori per tutto l'arco dell'orizzonte

In figura un particolare dell’insieme delle curve ROC relativo ad una sola curva per <math>d* =2 </math>:

Sistema di [[sistemi direttivi subacquei|rilevamento angolare]] di precisione della posizione dei vettori, è indirizzato sulla scorta delle indicazioni fornite dai fasci preformati.

[[File:curvaroc.jpg|thumb|left|<math> d* = f( Priv ; Pfa )</math>]]

{{clear}}

=== Elaborazione segnali dei vettori ===

La figura mostra come l’intersezione tra la retta di ascissa <math> Pfa = 10% </math> e la retta di ordinata <math>Priv. = 50% </math>; individui la retta <math>d* = 2 </math>

[[File:xxsauro13dtc.jpg|thumb|left|Consolle di calcolo e presentazione delle tracce degli impulsi emessi dai vettori]]

L'elaborazione dei segnali acustici dovuti alle emissioni impulsive dei vettori è affidata ad un complesso sistema di rivelazione dati governato ed interfacciato con la consolle di comando e controllo.

Funzioni esplicate dalla consolle:

Assumendo ad esempio:

Presentazione a cascata: è un particolare sistema di visualizzazione degli impulsi che ha in ascisse la direzione di scoperta ed in ordinate il tempo trascorso dall'inizio del rilevamento (traccia la storia della traiettoria del vettore) dello scenario subacqueo per la funzione di scoperta, lo schermo video dedicato per tale compito è nella parte alta della consolle.

<math>BW = 1000 Hz</math>

Presentazione in coordinate cartesiane dei diagrammi relativi ai calcoli del percorso dei raggi acustici in mare <ref group="N">Generalmente l'operazione di tracciamento dei raggi acustici in mare viene fatta prima d'iniziare la fase di scoperta dei bersagli</ref>; lo schermo dedicato è nella parte inferiore della consolle.

<math>RC = 1Sec. </math>

Presentazione video della funzione BDI <ref group="N">La funzione BDI consente di scoprire eventuali accostate del vettore</ref>.

si ha:

Comando a mezzo volantino della punteria manuale; presentazione del valore angolare connesso con il rilevamento della posizione dei vettori.

<math>\Delta = 5 \cdot log_{10} { [(1000 \cdot 2) / ( 2 \cdot 1 )]} - 10 \cdot log_{10} {1000} = -15 dB </math>

== Calcolo della portata di scoperta ==

In figura la funzione <math> \Delta = f ( d* )</math>; tracciata per

Il calcolo della portata di scoperta dell'intercettatore è simile a quello relativo al sonar passivo; le dimensioni delle variabili sono però diverse rispetto a quello dato che il primo è chiamato a lavorare in un campo di frequenze, livelli, e tempi di durata del fenomeno impulsivo, molto diversi dal secondo.

Nell'intercettatore il percorso dell'impulso emesso dal siluro è pari ad <math>(R_o) </math>, distanza fisica tra sonar e vettore.

<math>BW = 1000 Hz</math>; <math> RC = 1Sec. </math>

[[File:zonaombra.jpg|thumb|right|200px|Tracciato propagazione anomala; in grigio la zona d'ombra]]

è messo in evidenza il punto calcolato per <math> d* = 2 </math>.

La portata di scoperta dell'intercettatore indica in generale la probabile distanza <math>(R) </math> alla quale tale componente può scoprire le emissioni di vettori lontani.

La portata di scoperta non è un dato certo, ma una previsione a carattere probabilistico.

[[File:differenziale ric.jpg|thumb|left|<math>* \Delta = f ( d* )</math>]]

{{clear}}

Le equazioni che regolano la stima della portata sono valide se il sottomarino non è nella zona d’ombra, tale zona è generata dalla propagazione anomala del suono in mare<ref>{{cita | Del Turco|pp. 200-206}}.</ref>.

== Dettagli e misure del <math>\Delta</math>==

La misura del <math>\Delta</math> in un sonar implica l'analisi dei circuiti di correlazione in esso strutturati.

===Variabili===

Nelle fasi di collaudo dei sonar IP70/74, installati sui sottomarini classe Sauro,

Il [[portata sonar passivo|calcolo della portata]] richiede le seguenti variabili <ref group="N">variabili analoghe sono impiegate anche nel calcolo della portata di un sonar passivo</ref>:

la misura del <math>\Delta</math> era dovuta, sia a conclusione del progetto, sia in fase di collaudo in laboratorio secondo la procedura che segue.

campo delle frequenze di ricezione espresso in <math> Hz </math>

La misura del <math>\Delta</math> in mare sarebbe stata esaustiva ma impossibile dati i rumori non controllati nell'ambiente.

pressione acustica <math>LI </math> dell'impulso emesso dal vettore espressa in <math>dB /\mu Pa/1 \ m</math>.

La procedura tecnica per la misura del <math>\Delta</math> in laboratorio richiede un ambiente controllato e la struttura mostrata in figura:

distanza <math> R </math>, secondo le previsioni di calcolo della portata, tra vettore e l'intercettatore espressa in <math> km </math>

[[File:misuradifferenziale.jpg|thumb|left|Funzione di correlazione]]

{{clear}}

'''Componenti la struttura'''

guadagno <math>DI </math> della base acustica dell'intercettatore espresso in <math> dB </math>

Per la simulazione di <math>S/N</math> :

*rumore duedel generatorimare di<math> rumoreNL al</math> livelloespresso di:in <math>;dB /\mu XPa/ \quad mVeff.sqrt{Hz}</math> in banda (fondo rosso)

valori delle probabilità di falso allarme accettate, <math> Pfa </math>, espressi in percentuale <ref group="N">devono essere estremamente piccoli data la funzione di sorveglianza che l'intercettatore deve svolgere con un basso margine d'incertezza</ref>.

* un generatore di segnale al livello di: <math> 0.175 \cdot X \quad mVeff. (S/N = -15 dB)</math> in banda (fondo vede)

valori delle probabilità di rivelazione volute, <math> Priv </math>, espressi in percentuale <ref group="N">devono essere molto elevati data la funzione di sicurezza che devono offrire</ref>.

soglia di rivelazione dell'intercettatore <math>DT </math> espressa in <math> dB </math>, dipende da <math> Priv </math> e <math> Pfa </math>

===Algoritmo di previsione===

* tre filtri di banda e due sommatori a guadagno unitario ( fondo grigio )

La previsione della portata R dell'intercettatore si ottiene dalla soluzione del sistema trascendente:

<math>\begin{cases} TL = 60 + 20 \cdot \log_{10}{ R } + \alpha \cdot R\\

TL = SL + DI - NL - DT + 10 \cdot \log_{10}{ BW }

\end{cases}</math>

Il calcolo di <math>TL</math><ref group="N">I calcoli sono confortati dall'impiego del

Regolo Raytheon</ref><ref>{{cita | Raytheon |}}.</ref> nella prima equazione è volto a stabilire la massima attenuazione sostenibile dell'impulso emesso dal vettore con le variabili indicate nell'equazione data.

Maggiore sarà il valore di <math> LI </math> (pressione acustica dell'impulso emesso dal vettore) più elevata sarà la probabilità di scoperta.

Maggiore sarà il valore del <math> DI</math> (guadagno della base ricevente del sottomarino) più elevata sarà la probabilità di scoperta.

Maggiore sarà il valore del <math>NL</math> (livello del rumore del mare) minore sarà la probabilità di scoperta.

Maggiore sarà il valore del <math>DT </math> (soglia di rivelazione del ricevitore sonar) minore sarà la probabilità di scoperta.

I valori delle probabilità di falso allarme<math> Pfa</math> sono implicite nel calcolo del <math>DT</math> e sono espressi in percentuale.

I valori delle probabilità di rivelazione <math> Priv</math> sono implicite nel calcolo del <math>DT</math> e sono espresse in percentuale.

Stabilita l'attenuazione massima che l'intercettatore può accettare per la rivelazione degli impulsi emessi dal vettore, in base alle caratteristiche proprie e alle condizioni esterne, si deve impostare la seconda equazione per il calcolo dell'attenuazione che il suono subisce nel tratto di mare tra il vettore e l'intercettatore.

Dato che l'attenuazione del suono in mare dipende, sia dalla divergenza dei raggi acustici, sia dall'assorbimento delle onde in funzione della frequenza della sorgente, questa dipendenza è espressa dalla seconda equazione:

<math>TL = 60 \ dB + 10 \cdot log_{10} {R} + \alpha \cdot R </math>

In questa equazione il valore di <math>TL</math> esprime l'attenuazione [[trasmissione del suono in mare|(per divergenza e assorbimento)]] della pressione dell'impulso acustico emesso dal vettore al variare della distanza <math>R</math> e del valore del coefficiente d'attenuazione <math> \alpha </math>.

Nell'equazione è ipotizzata la propagazione sferico-cilindrica; il primo addendo, indicato in <math>60 \ dB</math> tiene conto del fatto che la variabile <math>R </math> è espressa in <math>km </math> invece che in metri.

Il secondo addendo è relativo all'attenuazione per divergenza per propagazione sferico-cilindrica, il terzo addendo, infine, è relativo all'attenuazione per assorbimento in funzione di <math>R</math> e della frequenza (tramite <math>\alpha</math>).

==== Esempio ====

Un esempio di calcolo della portata di un intercettatore è risolvibile, per via grafica, assumendo le seguenti variabili:

Frequenza dell'impulso trasmesso dal vettore: <math> F = 60000 \ Hz </math>

Livello indice di trasmissione ipotizzato per il trasmettitore del vettore: <math>LI = 210 \ dB/\mu Pa/1m</math>

Livello del [[rumore del mare]] messo a calcolo per <math> SS = 6 </math> e <math> F = 60000 \ Hz </math> : <math>NL = 41 \ dB/\mu Pa/ \sqrt{Hz}</math>

Guadagno di direttività della base ricevente <ref group="N" >Dati i valori elevati delle frequenze impiegate nei sistemi d'intercettazione le basi di ricezione possono avere dimensioni modeste; ad esempio un base ricevente quadrata di 12 x 12 cm ha una direttività di circa 25 \ dB.</ref> dell'intercettatore del sottomarino: <math> DI = 26 \ dB </math>

Larghezza di banda del ricevitore:

<math> BW = 1500 \ Hz</math>

Durata d'impulso emesso dal vettore: <math> t = 0.001 \ s. </math>

Probabilità di scoperta: <math> Priv = 98 \% </math>

Probabilità di falso allarme <math> Pfa = 0.0001 \% </math>

Con questa coppia di [[probabilità di scoperta sonar|valori probabilistici dalle curve ROC]] si legge: <math> d = 25 </math>

Propagazione: sferico/cilindrica

Soglia di rivelazione calcolata con la formula <ref>{{cita|Urick|pp. 377-403}}.</ref>:

<math> DT = 5 \cdot log_{10} {(BW\cdot d / t)} </math> = <math> 5 \cdot log_{10} {(1500\cdot 25 / 0.001)}</math> = <math> 38 \ dB</math>

Con i dati impostati si applica la prima equazione in <math>TL </math> ottenendo:

<math> TL = LI + DI - DT - NL </math> = <math> 210 \ dB + 26 \ dB - 38 \ dB - 41 \ dB </math> = <math> 157 \ dB </math>

Successivamente s'imposta la variazione del <math> TL </math> con la seconda equazione in funzione della distanza <math> R </math> e del coefficiente di assorbimento <math>\alpha</math>

Il valore di <math>\alpha</math> ,calcolato con la formula di Thorp <ref>{{cita|Thorp|articolo}}.</ref> per <math> f</math> in <math> kHz </math>:

<math> \alpha = \left[ \frac{0.1 \cdot f^2}{1 + f^2} \right] + \left[ \frac{40\cdot f^2}{4100 + f^2} \right]+ \left[ \frac{2.75 \cdot f^2}{10^4} \right]</math>

che, per <math> F = 60 \ kHz </math> rende <math>\alpha = 19.7 \ dB/km </math>

<math> TL = 60 \ dB + 20 \cdot log_{10} {R} + R \cdot \alpha</math> = <math>60 \ dB +

20 \cdot log_{10} {R} + 19.7 \cdot R </math>

[[File:intercettatoredtc.jpg|thumb|left| Soluzione grafica della portata dell'intercettatore: curva rossa massima attenuazione consentita a calcolo, curva blu attenuazione in funzione della distanza]]

In un sistema di assi cartesiani si tracciano:

la curva di <math> TL </math> della prima equazione (massima attenuazione consentita dal calcolo), risulta una parallela all'asse delle ascisse.

la curva di <math>TL </math> della seconda equazione in funzione di <math> R.</math> (risulta una curva convessa).

L'ascissa de punto d'incontro delle due curve, <math>R = 4500 \ m </math>, corrisponde alla portata di scoperta dell'intercettatore. <ref group="N">Ricordare che nel caso in esempio la portata calcolata, di <math> 4500 </math> metri, è subordinata all'accettazione di una probabilità di falso allarme del <math>0.0001 \ \% </math> e di una probabilità di scoprire il vettore del <math>98 \%</math></ref>.

{{clear}}

==note==

;Annotazioni

Per la valutazione di <math>Priv; Pfa</math> (fondo giallo)

<references group="N"/>

;Fonti

<references/>

==Bibliografia==

*generatore d'impulsi: allo start genera una sequenza di <math>20000</math> impulsi in <math>60 Sec.</math>

* {{Cita libro|J.W. Horton,|titolo=Foundamentals of Sonar |editore= United States Naval Institute, Annapolis Maryland, 1959 |cid= Horton}}

*soglia analogica, con uscita digitale, per la regolazione del numero di falsi allarmi ( Pfa ) accettati

* {{Cita libro | C. Del Turco|titolo= Sonar- Principi - Tecnologie – Applicazioni |editore= Tip. Moderna La Spezia, 1992|cid= Del Turco}}

*{{Cita libro | autore= Robert J. Urick | titolo= Principles of underwater sound |editore= 3ª ed. Mc Graw – Hill, 1968. cap.five - six, Propagation of sound in the sea, pp. 99 - 197 | cid= Urick}}

* {{Cita libro|WH Thorp | titolo= Analytical description of the low frequency attenuation coefficient | editore= Acoustical Society of America Journal, vol. 42, 1967, pag. 270. |cid= Thorp}}

* {{Cita libro | autore= Raytheon | titolo= Sonar Performance Calculator |editore=, Submarine Signal Division - Portsmouth - USA, 1991|cid= Raytheon}}

==Collegamenti esterni==

*circuito AND moltiplicazione logica tra gli impulsi del generatore e il livello logico dovuto alla soglia.

[https://github.com/sonar2020/wiki/archive/refs/heads/main.zip N° FASCI Selenia]

*contatore d'impulsi per il conteggio degli eventi

[https://github.com/sonar2020/wiki2/archive/refs/heads/main.zip Sonar FALCON]

'''Procedura di misura '''

[https://github.com/sonar2020/Schemi-FALCON/archive/refs/heads/main.zip Schemi sonar FALCON]

-Si accendono i due generatori di rumore; all'uscita dei sommatori, nella banda impostata, si presentano due tensioni di <math> X \quad mVeff.</math>.

[https://github.com/sonar2020/Sonar-Principi-Tecnologie-Applicazioni/archive/refs/heads/main.zip Testo discorsivo sul sonar]

-si regola la soglia analogica in modo che, con la presenza della varianza in uscita dal correlatore, la sua logica abiliti la AND per il passaggio di 2000 impulsi del generatore per il tempo di 60 Sec. Il contatore somma gli impulsi e indica un superamento della soglia di 2000 impulsi su 10000: (condizione per <math> Pfa = 10% </math>)

[https://github.com/sonar2020/CorrelaTESTO/archive/refs/heads/main.zip testo tecnico sulla Correlazione]

-Si accende il generatore di segnale; all'uscita dei sommatori, nella banda impostata, si presentano due tensioni di <math> X \cdot 0.175 \quad mVeff.</math>.

{{Portale|guerra|marina|metrologia}}

-si lascia inalterata la soglia analogica in modo che, con la presenza del segnale in uscita dal correlatore, la sua logica abiliti la AND per il passaggio di 5000 impulsi del generatore su 10000 per il tempo di 60 Sec. (condizione per <mathh> Priv. = 50% </math>)

[[Categoria:Sonar]]

Le misure devono essere ripetute decine di volte per ricavarne le medie; i risultati possono essere secondo la tabella: