Intercettatore sonar

Prototipi sonar per il vettore A184

La voce Prototipi sonar per il vettore A184 è relativa agli studi ed alle realizzazioni prototipiche sviluppate presso la Soc. USEA nel 1967 .

L’obiettivo consisteva nella costruzione di sistemi sonar, attivi e passivi, da inserire nelle ogive dei siluri nominati A184; a detto progetto fu dato il nome di Autoguida 1967 ( AG67 ).

I prototipi AG67 comprendevano basi acustiche ortogonali, preamplificatori, trasmettitori e ricevitori a fasci preformati; tutto contenuto all'interno dell’ogiva.

La sperimentazione dei prototipi fu condotta con un'ogiva acustica montata, con apposito fondello-supporto, sulla parte superiore di un sommergibile operativo; con apposito cavo i segnali di emissione e ricezione venivano convogliati in apposito locale del battello per i rilievi del caso.

Il vettore multiruolo ${\displaystyle A184}$ , dall’aspetto simile al vettore MU 90, ha dimensioni maggiori, un sistema di filoguida e una acustica dell’ogiva molto sviluppati.

La strategia implementata in questo tipo di vettori prevede il controllo via cavo, del loro percorso per un lungo tratto di mare, circa ${\displaystyle 20000}$  metri per l'indirizzamento del vettore sul bersaglio in un intorno di raggio non inferiore a ${\displaystyle 1500}$  metri; raggiunto il limite di distanza prevista il siluro si sgancia dalla filoguida ed inizia in modo autonomo, con il proprio sonar, la localizzazione precisa del bersaglio con la componente passiva e/o quella attiva in base alla programmazione impostata.

Dato che i bersagli possono essere indifferentemente navi di superficie che sommergibili la localizzazione prevede la determinazione precisa, sia della direzione del bersaglio nel piano orizzontale, che dell'angolo tra l'orizzonte e la congiungente siluro-bersaglio nel piano verticale.

Questa duplice misura è possibile grazie alla struttura ogivale della testa del siluro che consente la realizzazione di due sistemi di fasci preformati ortogonali tra loro.

Caratteristiche delle basi acustiche dell’ogiva

L'ogiva acustica, schematizzata in figura , supporta due basi idrofoniche ciascuna posizionata sulle circonferenze giacenti su piani ortogonali del supporto:

 

*Ogiva vettore con basi idrofoniche a croce

I trasduttori delle due basi; per il piano orizzontale e per quello verticale sono evidenziati con dischetti neri; la base orizzontale è estesa su tutto l'arco dell'ogiva mentre quella verticale ne occupa soltanto una porzione.

Dal vero l'ogiva si presenta con una superficie uniforme senza traccia dei sensori idrofonici, sensori che sono ricoperti con uno strato leggero di resina epossidica trasparente al suono.

La ricezione della base orizzontale è stata progettata per generare fasci preformati aventi i lobi con le stesse caratteristiche su tutte le direzioni, è limitata in un arco di circa ${\displaystyle \pm 45}$ ° rispetto all'asse longitudinale del vettore.

La ricezione della base verticale^[1], date le geometrie nel campo, è limitata in un arco di circa ${\displaystyle \pm 10}$ °.

Con ciascuna base si rilevano dati angolari, sul piano orizzontale e su quello verticale, necessari per l'autoguida del vettore verso il bersaglio.

Dettagli della geometria della base acustica orizzontale

Il disegno della base acustica che si sviluppa nel piano orizzontale, per evidenziare l'arco utile con il quale si compongono i fasci preformati^[2] è mostrata in figura:

 

*Ogiva vettore con basi idrofoniche a croce

Con tale geometria tutti i fasci preformati compresi tra ${\displaystyle \pm 45}$ ° hanno le stesse caratteristiche di guadagno e di sensibilità; date le dimensioni dell'ogiva tutte le lunghezze delle corde, accoglienti la proiezione degli idrofoni che formano un fascio, sono dell'ordine di ${\displaystyle 35cm}$ .

Nella figura il numero dei sensori non corrisponde a quello reale.

Tecniche per il progetto dei fasci preformati

I fasci preformati progettati per i prototipi AG67 prevedevano il rifasamento delle tensioni generate dagli idrofoni e non la loro rimessa in coerenza ^[3]; ciò in virtù del fatto che il sonar doveva operare prevalentemente in attivo, con impulsi di frequenza nota (salvo il Doppler), e in passivo in banda estremamente stretta.

Gli sfasamenti calcolati erano realizzati tramite le cellule R-C riportate in figura secondo caratteristici criteri di progetto.

 

Cellula di rifasamento per segnali a banda stretta

A seguito dell'industrializzazione dell'ogiva la struttura dei fasci rimase praticamente identica salvo una notevole riduzione dei volumi di tutta l'elettronica.

Ad oggi la struttura attuale dei fasci preformati dell'ogiva del vettore A184 può essere sviluppata sia con il metodo indicato, sia con sistemi numerici su processori veloci che richiedono la digitalizzazione delle tensioni idrofoniche.

La portata di scoperta dell’ogiva acustica.

Per il particolare modo d'impiego il sonar dell'ogiva deve consentire la portata di scoperta voluta, indicata in precedenza in ${\displaystyle 1500}$  metri, fissate, di massima, le seguenti probabilità di rivelazione e falso allarme:

${\displaystyle Priv=99\%}$ 

${\displaystyle Pfa=0.01\%}$ 

Il calcolo della portata dell'ogiva è risolto per via grafico-numerica secondo le seguenti variabili:

Frequenza dell'impulso trasmesso dal vettore: ${\displaystyle F=30000Hz}$ 

• Livello indice di trasmissione ipotizzato per il trasmettitore del vettore :

${\displaystyle LI=210dB/\mu Pa/1m}$ 

• Livello del rumore messo a calcolo: rumore del mare + rumore del vettore:

${\displaystyle NL=57dB/\mu Pa/Hz}$ 

• Forza del bersaglio ${\displaystyle TS=15dB}$ 

• Larghezza di banda del ricevitore:

${\displaystyle BW=1300Hz}$ 

• Durata d'impulso emesso dal vettore: ${\displaystyle t=0.0025Sec.}$ 

• Probabilità di scoperta: ${\displaystyle Priv=99\%}$ 

• Probabilità di falso allarme ${\displaystyle Pfa=0.01\%}$ 

• Con questa coppia di valori probabilistici dalle curve ROC si legge: ${\displaystyle d*=37}$ 

• Propagazione : sferica

• Soglia di rivelazione calcolata con la formula:

${\displaystyle DT=5\cdot log_{10}{(BW\cdot d*/t)}}$  = ${\displaystyle 5\cdot log_{10}{(1300\cdot 37/0.0025)}}$  = ${\displaystyle 36dB}$ 

Con i dati impostati si applica la prima equazione in ${\displaystyle TL}$  ottenendo:

${\displaystyle TL=LI+DI+TS-DT-NL}$  = ${\displaystyle 210dB+23dB+15dB-36dB-57dB}$  = ${\displaystyle 155dB}$ 

Successivamente s'imposta la variazione del ${\displaystyle TL}$  con la seconda equazione in funzione della distanza ${\displaystyle R}$  e del coefficiente di assorbimento ${\displaystyle \alpha }$ 

Il valore di ${\displaystyle \alpha }$  ,calcolato con la formula di Thorp per ${\displaystyle f}$  in ${\displaystyle KHz}$ :

${\displaystyle \alpha =\left[{\frac {0.1\cdot f^{2}}{1+f^{2}}}\right]+\left[{\frac {40\cdot f^{2}}{4100+f^{2}}}\right]+\left[{\frac {2.75\cdot f^{2}}{10^{4}}}\right]}$ 

che, per ${\displaystyle F=30KHz}$  dà ${\displaystyle \alpha =7.5dB/Km}$ 

${\displaystyle TL=60dB+20\cdot log_{10}{R}+R\cdot \alpha }$  = ${\displaystyle 60dB+20\cdot log_{10}{R}+7.5\cdot R}$ 

La soluzione grafica del problema in figura:

 

Soluzione grafica per la portata del vettore

E’ tracciata la curva di ${\displaystyle TL}$  della prima equazione (retta rossa parallela alle ascisse)

È tracciata la curva di ${\displaystyle TL}$  della seconda equazione in funzione di ${\displaystyle R.}$  (in blu).

Il risultato della computazione, punto d'intersezione tra le due curve, indica una portata di${\displaystyle 1700}$  metri, di poco superiore a quella dichiarata ( ${\displaystyle 1500}$  metri ) come caratteristica rilevante per il vettore.

Osservazione: La portata calcolata, a carattere probabilistico, è sempre subordinata alla scelta di:

${\displaystyle Priv=99\%}$ 

${\displaystyle Pfa=0.01\%}$ 

Note

1. ^ La base verticale del vettore ha un numero d'idrofoni sensibilmente inferiore alla base orizzontale.
2. ^ Anche per la base idrofonica che si sviluppa nel piano verticale il processo di formazione fasci è analogo a quello per la base orizzontale
3. ^ Il processo di rifasamento dei segnali si realizza in spazi nettamente inferiori di quanto sarebbe necessario per la loro rimessa in coerenza

Voci correlate

• Algoritmi di correlazione nel rilevamento sonar

• Base idrofonica

• Collimazione dei bersagli mediante trasformata di Hilbert

• Cortine idrofoniche cilindriche

• Differenziale di riconoscimento del sonar

• Effetti della cavitazione nell'impiego del sonar

• Fasci preformati

• Fenomeni della riverberazione in mare

• Forza del bersaglio nella scoperta sonar attiva

• Impostazione della soglia di rivelazione del sonar

• Misura della distanza tramite sonar

• Portata di scoperta del sonar

• Propagazione del suono in mare

• Ricevitore in correlazione

• Rumore delle navi

• Stato del mare

• Trasformazione delle caratteristiche di direttività del sonar

• Funzione d'intercettazione del sonar degli impulsi emessi dai vettori

Bibliografia

• Robert J. Urick, Principles of underwater sound , Mc Graw – Hill|edizione=3ª, 1968

• Aldo De Dominics Rotondi, Principi di elettroacustica subacquea , Elettronica San Giorgio-Elsag S.p.A. Genova, 1990.

• Nat. Def. Res.Comm. Div.6 Sum. Tech. rep. vol.22, Acoustic Torpedoes,1946

Curve

 

* d* = f( Priv.)

 

DT = f( d* )

 

R = f( DT )

 

Priv. = f(R)

Bozza del testo

Calcolo della probabilità di scoperta come funzione della distanza del bersaglio

Il problema relativo al calcolo della probabilità di scoperta in passivo ${\displaystyle (Priv.)}$  in funzione della distanza del bersaglio, ${\displaystyle Priv.=f(R)}$  è stato sviluppato per mostrare come varia la probabilità di scoperta ${\displaystyle (Priv)}$  in funzione della variazione della distanza del bersaglio.

Calcolo di una portata di scoperta di riferimento

Per raggiungere l'obiettivo i computi iniziano con un calcolo di portata di scoperta di riferimento per un sonar passivo secondo le equazioni:

${\displaystyle {\begin{cases}TL=60+20\cdot \log _{10}{R}+\alpha \cdot R\\TL=SL+DI-NL-DT+10\cdot \log _{10}{BW}\end{cases}}}$ 

dove, nella prima equazione:

${\displaystyle TL=}$  attenuazione, espressa in deciBel, dipendente dalla distanza ${\displaystyle R}$  espressa in km e dal coefficiente d'assorbimento ${\displaystyle \alpha }$ 

e nella seconda equazione:

${\displaystyle TL=}$  attenuazione, espressa in deciBel, dipendente da:

• ${\displaystyle BW=}$  banda delle frequenze di ricezione del sonar in Hz.
• ${\displaystyle SL=}$  rumore "spettrale" irradiato dal bersaglio in dB/${\displaystyle \mu }$  Pa/ ${\displaystyle {\sqrt {Hz}}}$ .
• ${\displaystyle NL=}$ rumore "spettrale" del mare in dB/${\displaystyle \mu }$  Pa/ ${\displaystyle {\sqrt {Hz}}}$ .
• ${\displaystyle DI=}$  guadagno di direttività della base idrofonica ricevente in dB.
• ${\displaystyle DT=}$  soglia di rivelazione in correlazione in dB^[1] a sua volta dipendente da:

• ${\displaystyle d}$  = parametro probabilistico^[2]
• ${\displaystyle BW}$  = banda del ricevitore
• ${\displaystyle RC}$  = costante d'integrazione del rivelatore

Calcolo della portata di riferimento con il metodo grafico

Significativa la soluzione grafica del sistema trascendente con le variabili:

• ${\displaystyle SL=140dB}$ 
• ${\displaystyle NL=58dB}$ 
• ${\displaystyle DI=10dB}$ 
• ${\displaystyle BW=2000Hz}$ 
• ${\displaystyle RC=0.1s}$ 
• ${\displaystyle d=28(Priv=99\%;Pfa=0.1\%)}$ 

Con questi valori si ottiene questo grafico:

 

in cui:

• la curva blu rappresenta la prima equazione del sistema
• la retta rossa rappresenta la seconda equazione del sistema
• l'ascissa del loro punto d'intersezione indica la portata calcolata, nell'esempio: ${\displaystyle R=46}$  Km

l'impiego del calcolatore delle curve ROC e un insieme di routine  accessorie

da eseguire su P.C. per le soluzioni di equazioni trascendenti con metodi iterativi.

Calcolo della portata di un sonar passivo di riferimento

  Per sviluppare quanto accennato nelle generalità è necessario impostare il calcolo
  della portata  di un sonar passivo di riferimento secondo la sequenza delle variabili quali
   F1 ; F2 &nbsp estremi di banda delle frequenze  di ricezione: 

F1 = 1000 Hz;

F2 = 3000 Hz

fo frequenza media geometrica nella banda: fo = 1.7 KHz

SL &nbsp s'ipotizza come sorgente del segnale un cacciatorpediniere di vecchia generazione che naviga a 20 nodi; dai tabulati in letteratura, per fo = 1.7 KHz, si ha: SL = 140 db/microPascal/Hz

NL &nbsp s'ipotizza il mare a forza 2; dai tabulati in letteratura, per fo = 1.7 KHz, si ha: NL = 58 dB/microPascal/Hz

DI &nbsp si assume un guadagno di direttività della base ricevente di: DI = 10 dB

RC &nbsp si pone a calcolo una costante di tempo d'integrazione di: RC = 0.1 Sec.

d &nbsp si stabilisce di avere una probabilità di scoperta del 99% con una probabilità di falso allarme del 0.1 %; d = 28

Propagazione &nbsp s'ipotizza di operare a quote profonde con: propagazione sferico/cilindrica

BW &nbsp la larghezza di banda del ricevitore è: BW = F2-F1 = 2000 Hz

DT &nbsp il valore è: DT = 27.2 dB

Con i dati impostati si applica l'equazione 1) ottenendo:

TL = SL + DI - NL - DT + 10 Log BW = 140 dB + 10 dB - 58 dB - 27.2 dB + 10 Log 2000 = 97.8 dB

Dopo il calcolo del TL si computa ora la variazione del TL in funzione della distanza R e del coefficiente di assorbimento "a"

TL = 60 dB + 20 Log R + a R = 60 dB + 20 Log R + 0.1 R

dove il valore di "a" ,calcolato con la formula riportata in p42, è: a = 0.1 dB/Km

La soluzione del sistema tra la 1) e la 2) porta ad un valore di R = 46 Km.

Questo esercizio mostra come, con le variabili indicate per i calcoli della portata, alla coppia Priv = 99% e Pfa. = 0.1% corrisponda un valore della distanza di R = 46 Km; per valori crescenti di questa distanza calcoleremo la riduzione della probabilità di rivelazione (Priv.) di questo sonar di riferimento.

 ==Processo di calcolo di Priv. = f (R) ==

Il computo della funzione Priv. = f (R) inizia con la stesura di una tabella da ricavarsi con il calcolatore  curve ROC di P80.

 Fissato il valore di Pfa. = 0.1 %, come da sonar di riferimento, si computano 20 valori del parametro "d" per altrettanti valori di Priv. da Priv = 5% a Priv = 99% a passi  del 5%, dopo lungo e complesso lavoro il calcolatore ROC fornisce tutti i dati per compilare la tabella:

Alla prima tabella segue la seconda nella quale, sempre secondo le variabili del sonar di riferimento, si calcola il valore del DT in funzione del "d" ricavato da tab.1 [DT = f (d)] secondo l'espressione:

 DT = 5 Log[ d BW / (2  RC) ]  
 
    

Con i valori del DT della tab.2, secondo l'equazione:

60 + 20 log R + 0.1 R = SL + DI - NL - DT + 10 log BW

che in base ai dati del sonar di riferimento ed esplicitata in R diventa:

20 log R + 0.1 R = 65 - DT

si risolve in R tramite processi iterativi al P.C. ottenendo infine la tabella 3

Si può osservare che l'ultima coppia di tabella coincide, come voluto, con la distanza computata per il sonar di riferimento: R = 46 Km per Pfa = 0.1 % e Priv. = 99%.

La soluzione del problema posto è ora mostrata in forma di grafico nella figura 1; in essa sono riportate le coppie di numeri di tabella 3 con la Priv. in ordinate, che decresce in funzione della distanza R in ascisse che da R = 46 Km s'incrementa verso i 70 Km; sempre per Pfa. = 0.1% costante. 

In figura, tracciate in rosso, le coordinate della coppia di valori di partenza caratteristici del sonar di riferimento.

<IMG height=500 alt="" src="f1.jpg" width=660 border=0> figura 1

Iinterpretazione della curva

Una volta fissata la soglia di falso allarme (Pfa. = 0.1%) la probabilità di rivelazione Priv, riportata in ordinate, decresce con l'aumentare della distanza R riportata in ascisse. E' naturale che l'insieme delle computazioni e il grafico devono essere ripetuti per un sonar di riferimento diverso da quello di paragrafo 2. <

==Osservazioni sul significato dei calcoli ==
I risultati dei calcoli che hanno  portato alla figura 1, anche se non hanno risvolti in situazioni operative reali, possono essere immaginati frutto di rilievi sul campo e così giustificati sulla base delle variabili riportati  in precedenza:

Se l'operatore addetto al sonar, dopo i calcoli di portata da svolgere secondo il paragrafo 2), imposta la soglia
di rivelazione affinché la probabilità di falso allarme  (Pfa.) sia quella messa a calcolo nel citato paragrafo:
 Pfa = 0.1 %; potrà osservare come la probabilità di rivelazione (Priv.) al livello del 99% con il bersaglio
  per R = 46 Km
 si riduca al solo 5% quando il bersaglio, allontanandosi raggiunge la distanza R = 69 Km.

Calcolo della portata di un sonar passivo di riferimento

  Per sviluppare quanto accennato nelle generalità è necessario impostare il calcolo
  della portata  di un sonar passivo di riferimento secondo la sequenza delle variabili quali
   F1 ; F2 &nbsp estremi di banda delle frequenze  di ricezione: 

F1 = 1000 Hz;

F2 = 3000 Hz

fo frequenza media geometrica nella banda: fo = 1.7 KHz

SL &nbsp s'ipotizza come sorgente del segnale un cacciatorpediniere di vecchia generazione che naviga a 20 nodi; dai tabulati in letteratura, per fo = 1.7 KHz, si ha: SL = 140 db/microPascal/Hz

NL &nbsp s'ipotizza il mare a forza 2; dai tabulati in letteratura, per fo = 1.7 KHz, si ha: NL = 58 dB/microPascal/Hz

DI &nbsp si assume un guadagno di direttività della base ricevente di: DI = 10 dB

RC &nbsp si pone a calcolo una costante di tempo d'integrazione di: RC = 0.1 Sec.

d &nbsp si stabilisce di avere una probabilità di scoperta del 99% con una probabilità di falso allarme del 0.1 %; d = 28

Propagazione &nbsp s'ipotizza di operare a quote profonde con: propagazione sferico/cilindrica

BW &nbsp la larghezza di banda del ricevitore è: BW = F2-F1 = 2000 Hz

DT &nbsp il valore è: DT = 27.2 dB

Con i dati impostati si applica l'equazione 1) ottenendo:

TL = SL + DI - NL - DT + 10 Log BW = 140 dB + 10 dB - 58 dB - 27.2 dB + 10 Log 2000 = 97.8 dB

Dopo il calcolo del TL si computa ora la variazione del TL in funzione della distanza R e del coefficiente di assorbimento "a"

TL = 60 dB + 20 Log R + a R = 60 dB + 20 Log R + 0.1 R

dove il valore di "a" ,calcolato con la formula riportata in p42, è: a = 0.1 dB/Km

La soluzione del sistema tra la 1) e la 2) porta ad un valore di R = 46 Km.

Questo esercizio mostra come, con le variabili indicate per i calcoli della portata, alla coppia Priv = 99% e Pfa. = 0.1% corrisponda un valore della distanza di R = 46 Km; per valori crescenti di questa distanza calcoleremo la riduzione della probabilità di rivelazione (Priv.) di questo sonar di riferimento.

 ==Processo di calcolo di Priv. = f (R) ==

Il computo della funzione Priv. = f (R) inizia con la stesura di una tabella da ricavarsi con il calcolatore  curve ROC di P80.

 Fissato il valore di Pfa. = 0.1 %, come da sonar di riferimento, si computano 20 valori del parametro "d" per altrettanti valori di Priv. da Priv = 5% a Priv = 99% a passi  del 5%, dopo lungo e complesso lavoro il calcolatore ROC fornisce tutti i dati per compilare la tabella:

Priv. %	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50	55	60	65	70	75	80	85	90	95	99
"d"	1.8	2.9	3.8	4.7	5.4	6.1	6.8	7.6	8.3	9	9.8	10	11	12	13	14	16	18	21	28

tab. 1)

 Alla prima tabella segue la seconda nella quale, sempre secondo le variabili del sonar di riferimento, si calcola il valore del DT in funzione del "d" ricavato da tab.1 [DT = f (d)] secondo l'espressione:
 DT = 5 Log[ d BW / (2  RC) ]  
 
    

Con i valori del DT della tab.2, secondo l'equazione:  

60 + 20 log R + 0.1 R = SL + DI - NL - DT + 10 log BW 

 che in base ai dati del sonar di riferimento ed esplicitata in R diventa:

 20 log R + 0.1 R = 65 - DT 

 si risolve in R tramite processi iterativi al P.C. ottenendo infine la tabella 3

 

Si può osservare che l'ultima coppia di tabella coincide, come voluto, con la distanza computata per il sonar di riferimento: R = 46 Km per Pfa = 0.1 % e Priv. = 99%.

La soluzione del problema posto è ora mostrata in forma di grafico nella figura 1; in essa sono riportate le coppie di numeri di tabella 3 con la Priv. in ordinate, che decresce in funzione della distanza R in ascisse che da R = 46 Km s'incrementa verso i 70 Km; sempre per Pfa. = 0.1% costante. 

In figura, tracciate in rosso, le coordinate della coppia di valori di partenza caratteristici del sonar di riferimento.

<IMG height=500 alt="" src="f1.jpg" width=660 border=0> figura 1

Iinterpretazione della curva

Una volta fissata la soglia di falso allarme (Pfa. = 0.1%) la probabilità di rivelazione Priv, riportata in ordinate, decresce con l'aumentare della distanza R riportata in ascisse. E' naturale che l'insieme delle computazioni e il grafico devono essere ripetuti per un sonar di riferimento diverso da quello di paragrafo 2. <

==Osservazioni sul significato dei calcoli ==
I risultati dei calcoli che hanno  portato alla figura 1, anche se non hanno risvolti in situazioni operative reali, possono essere immaginati frutto di rilievi sul campo e così giustificati sulla base delle variabili riportati  in precedenza:

Se l'operatore addetto al sonar, dopo i calcoli di portata da svolgere secondo il paragrafo 2), imposta la soglia
di rivelazione affinché la probabilità di falso allarme  (Pfa.) sia quella messa a calcolo nel citato paragrafo:
 Pfa = 0.1 %; potrà osservare come la probabilità di rivelazione (Priv.) al livello del 99% con il bersaglio
  per R = 46 Km
 si riduca al solo 5% quando il bersaglio, allontanandosi raggiunge la distanza R = 69 Km.

1. ^ Errore nelle note: Errore nell'uso del marcatore <ref>: non è stato indicato alcun testo per il marcatore Urick
2. ^ Questa variabile rende il calcolo della portata non deterministico