Intercettatore sonar

Per Risoluzione angolare nella scoperta sonar s'intende la capacità di un sistema elettroacustico di rilevamento di risolvere angolarmente la posizione di due bersagli molto vicini tra loro.

Convenzioni

Si conviene che la risoluzione angolare ${\displaystyle \Delta \phi }$  tra due bersagli sia accettabile quando le due curve di direttività, relative al rilevamento di questi, s'intersecano ad un livello uguale od inferiore a ${\displaystyle -3dB}$  rispetto al massimo delle ampiezze come mostra la figura:

 

* Intersezione a ${\displaystyle -3dB}$ 

In altri termini; la risoluzione angolare ${\displaystyle \Delta \phi }$  è identificabile con la larghezza, a ${\displaystyle -3dB}$ , del lobo di direttività.

Si conviene inoltre che negli sviluppi analitici che seguono si consideri il rumore del mare irrilevante rispetto ai livelli acustici generati dai bersagli sulla base ricevente del sonar.

Caratteristica di direttività presa a modello

Lo studio della risoluzione angolare del sonar si avvale della funzione Gaussiana, curva presa a modello in sostituzione ^[1] di qualsiasi diagramma di direttività rilevato in mare o calcolato con gli algoritmi classici.

La funzione è espressa con l'esponenziale: ${\displaystyle Y}$  = ${\displaystyle e^{-\alpha \cdot \beta ^{2}}}$ 

La curva menzionata è riportata in figura secondo le seguenti variabili d'esempio:

${\displaystyle \alpha =0.0188}$ 

Direzione di puntamento ${\displaystyle \beta }$  in scisse con scala ${\displaystyle 5}$ °/div.

Direzione del massimo ${\displaystyle \beta _{0}}$ 

Ampiezza normalizzata ${\displaystyle Y(\beta )}$  in ordinate ${\displaystyle 0.1}$  / div.

Larghezza del lobo di direttività ${\displaystyle \theta }$  misurata a ${\displaystyle -3dB}$ 

 

*Funzione gaussiana sostitutiva

La curva di figura può essere interpretata come la visione oscilloscopica dell'uscita dell'interpolatore di un sistema a fasci preformati di un sonar, con un fascio ogni ${\displaystyle 10}$ °, che sta elaborando il segnale acustico di una sorgente disposta per la direzione ${\displaystyle \beta _{0}}$ °

Presentazione di curve distintive di due bersagli

Se nell'ipotesi della figura precedente si suppone che il sistema a fasci preformati nella ricerca dei bersagli ne trovi due di pari livello indice ${\displaystyle (LI)}$ , disposti rispettivamente per ${\displaystyle \beta =0}$ ° e ${\displaystyle \beta =10}$ ° ,l'uscita dell'ipotetico interpolatore potrà essere costruita secondo il diagramma di figura:

 

Funzioni gaussiane interferenti

Le curve mostrano, ciascuna con il proprio massimo, la posizione angolare di due bersagli vicini:

Il primo bersaglio per rilevamento ${\displaystyle \beta =0}$ °

Il secondo bersaglio per rilevamento ${\displaystyle \beta =10}$ °

Le due curve s'intersecano ad un livello di circa ${\displaystyle -3.7dB}$  rispetto ai loro massimi; valore inferiore ai ${\displaystyle -3}$  dB enunciati nella convenzione.

Da un punto di vista tecnico se pensiamo le due curve come risultato della scansione dell'orizzonte subacqueo eseguita dal sonar attraverso un sistema di fasci preformati con interpolazione, fasci disposti a ${\displaystyle 10}$ ° l'uno dall'altro, i bersagli saranno collimati con ottima risoluzione angolare, ciascuno per la propria direzione, dato che l'interferenza di un bersaglio sulla direttività dell'attiguo è irrilevante.

Se il sistema a fasci preformati, per migliorare la precisione di rilevamento, è costruito con fasci distanti l'uno dall'altro di ${\displaystyle 5}$ °, il fascio puntato per ${\displaystyle 5}$ ° ( dove non c’e bersaglio) riceve contributi di segnali, non coerenti, dai due bersagli per ${\displaystyle 0}$ ° e ${\displaystyle 10}$ °

Deve pertanto essere valutata l'ampiezza del fascio a ${\displaystyle 5}$ ° per controllare se sussiste sempre la convenzione iniziale.

Ampiezza fascio intermedio per ${\displaystyle 5}$° a seguito interferenze fasci adiacenti

L'ampiezza del fascio intermedio a ${\displaystyle 5}$ ° può essere calcolata secondo la seguente procedura per ${\displaystyle \alpha =0.0188}$ , valore assunto, come in precedenza, a titolo d’esempio:

• Impostazione della funzione Gaussiana, ${\displaystyle S_{1}}$ , per il fascio a ${\displaystyle 0}$ °

${\displaystyle S_{1}=e^{-\alpha \cdot \beta ^{2}}}$ 

• Impostazione della funzione Gaussiana, ${\displaystyle S_{2}}$ , per il fascio a ${\displaystyle 10}$ °

${\displaystyle S_{2}=e^{-\alpha \cdot (\beta +10)^{2}}}$ 

• Calcolo della funzione somma ${\displaystyle S_{3}}$  tra ${\displaystyle S_{1}}$  e ${\displaystyle S_{2}}$ : per evidenziare l’effetto dei segnali interferenti sul fascio a ${\displaystyle 5}$ °

${\displaystyle S_{3}={\sqrt {(S_{1})^{2}+(S_{2})^{2}}}}$  = ${\displaystyle {\sqrt {(e^{-\alpha \cdot \beta ^{2}})^{2}+[e^{-\alpha \cdot (\beta +10)^{2}}]^{2}}}}$ 

Il grafico di ${\displaystyle S_{3}}$  è mostrato in figura dove è visibile la sella ${\displaystyle (sl)}$ :

 

Funzione S_3

In virtù dell'ampiezza della sella ${\displaystyle (sl)}$ ^[2], circa ${\displaystyle 0.1}$ , che si forma sul fascio a ${\displaystyle 5}$ ° è possibile discriminare tra il bersaglio a ${\displaystyle 0}$ ° e quello a ${\displaystyle 10}$ °: la ${\displaystyle S_{3}}$  mostra infatti , da un punto di vista tecnico, la risoluzione angolare ${\displaystyle \Delta \phi }$  del sonar in esame.

Se la sella fosse molto più piccola sarebbe difficile la risoluzione angolare dei due bersagli.

La risoluzione angolare per bersagli con diverso livello indice

Se i due bersagli del sonar generano, come mostrato in precedenza, lo stesso livello di pressione acustica sulla base ricevente del sonar, il diagramma illustrato interpreta correttamente la presentazione video della scansione con interpolazione del sistema a fasci preformati.

Se invece i due bersagli non generano la stessa pressione acustica sulla base ricevente la curva di scansione tra i fasci si deforma con un deterioramento progressivo della capacità di risoluzione del sonar tanto più marcato quanto aumenta la differenza dei due livelli di pressione.

Per avere un'idea del fenomeno supponiamo che , nel caso precedente , i livelli di pressione acustica ricevuti dalla base del sonar siano nel rapporto: ${\displaystyle S2/S1=0.5}$ 

Questa nuova condizione, con ${\displaystyle S2<S1}$  , è rappresentata dalla nuova figura:

 

Fasci a diverso livello

La figura mostra con tutta evidenza che questa situazione consente con difficoltà la discriminazione del bersaglio ${\displaystyle S2}$  in quanto l'ampiezza della sella ${\displaystyle (sl)}$  è praticamente irrilevante e non rispetta una delle convenzioni iniziali.

Con la variazione del rapporto ${\displaystyle S2/S1}$ , per valori inferiori ad ${\displaystyle 1}$  , per mantenere il valore dell'ampiezza della sella ${\displaystyle (sl)}$  al livello di circa ${\displaystyle 0.1}$  , così come illustrato in precedenza, è necessario assumere un valore più ampio di ${\displaystyle \Delta \phi }$  ^[3] accettando il degrado delle prestazioni del sonar.

Osservazioni sulle computazioni

Nello sviluppo delle computazioni è stata assunta un'ampiezza di ${\displaystyle (sl)=0.1}$ , pari a circa il ${\displaystyle 10\%}$  dell'ampiezza di ${\displaystyle S1}$  come conseguenza dell'assunto convenzionale che indica : ${\displaystyle \Delta \phi }$  come ampiezza del lobo di direttività rilevato a ${\displaystyle -3dB}$ ; ciò assicura una facile risoluzione tra i bersagli da discriminare.

Si comprende che anche valori di ${\displaystyle (sl)}$  inferiori a ${\displaystyle 0.1}$  consentono, entro certi limiti, la discriminazione tra le due sorgenti acustiche se il rumore dell'ambiente subacqueo lo consente.

La trattazione dell'argomento, al di là delle possibili scelte e condizioni ambientali, vuole mostrare come uno dei parametri più significativi del sonar sia subordinato a particolari condizioni che non sempre possono verificarsi; la risoluzione angolare risulta dipendente, per quanto visto, dal rapporto tra le pressioni acustiche che colpiscono la base ricevente del sonar; pressioni acustiche dei bersagli che possono variare sia per le stazze dei mezzi che le generano, sia per le loro velocità che per la loro distanza dal sonar.

Note

1. ^ Si veda la pagina: Trasformazione delle caratteristiche di direttività del sonar
2. ^ La sella indica il decremento d'ampiezza tra un fascio e il fascio adiacente; concretizza la possibilità di risolvere la posizione angolare tra due bersagli.
3. ^ Un incremento di ${\displaystyle \Delta \phi }$  riduce il guadagno di direttività della base ricevente del sonar.

Voci correlate

• Algoritmi di correlazione nel rilevamento sonar

• Base idrofonica

• 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

• Rumore delle navi

• Stato del mare

• Trasformazione delle caratteristiche di direttività del sonar

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

• Prototipi sonar per vettore A184

Bibliografia

• Robert J. Urick, Principles of underwater sound, Mc Graw – hill, 3^ ed. 1968

• Cesare Del Turco, Sul calcolo del minimo numero di fasci preformati per il sonar, Rivista Tecnica Selenia - industrie elettroniche associate - vol. 11 n°3, 1990.

• Giuseppe Pazienza, Fondamenti della localizzazione marina, Studio grafico Restani La Spezia, 1970

BOZZA FALCON

Sonar d’emergenza FALCON

Il Sonar d’emergenza FALCON è stato ideato per dotare i sottomarini di un sistema elettroacustico che consentisse la risalita in sicurezza del natante nel caso che il sonar operativo fosse in avaria.

Il prototipo del FALCON è stato sviluppato presso le Officine Elettroacustiche dell’Arsenale Militare di La Spezia nell'anno 2001.

L’operazione aveva come obiettivo l’installazione del FALCON sui sottomarini classe Sauro.

Il FALCON è un sonar passivo a fasci preformati in correlazione, è stato progettato per il collegamento diretto, senza alcun tipo di interfaccia, alle basi riceventi circolari montate sui sottomarini, opera in autonomia con alimentazione a batterie.

Tutti gli algoritmi di calcolo e il pannello di comando e controllo sono generati via software.

L’acronimo FALCON

L’acronimo definisce le caratteristiche salienti del sonar:

Fasci Acustici per Localizzazione a Coerenza d’Onda Naturale.

Questo sistema è basato sulle tecniche di correlazione sviluppate in modo particolare, ovvero senza la rimessa in coerenza dei segnali idrofonici, sfruttando le caratteristiche di simmetria delle basi idrofoniche circolari dei sonar.

La particolarità, che elimina la necessità di circuiti di correlazione, consiste nell'implementazione nel software del sonar di matrici di conversione da dati binari d’ingresso a coefficienti di correlazione i uscita.

Le matrici riducono notevolmente l'hardware della struttura sonar e il tempo di calcolo nella elaborazione dei coefficienti di correlazione.

Vantaggi del sonar FALCON

Prima del sonar FALCON uno tra i più semplici metodi per la costruzione di un sistema a fasci preformati in correlazione, da abbinare con basi idrofoniche a struttura circolare, era formato secondo lo schema a blocchi mostrato in figura:

 

Fasci preformati a logica sparsa

Lo schema mostra come le 8 tensioni idrofoniche di una base circolare siano limitate in ampiezza e correlate a coppie tra loro con un gruppo di 4 correlatori , le uscite di questi sono sommate per la formazione del fascio preformato per la direzione interessata.

Per la formazione di 18 fasci sono necessarie 18 strutture analoghe a quelle che nella figura che sono evidenziate in celeste; la complessità dell'hardware è evidente.

Per la formazione di 18 di fasci preformati con il FALCON lo schema, unico per tutti i fasci, è derivato dallo schema precedente senza i blocchi di correlazione ed è mostrato in figura:

 

Fasaci preformati FALCON

Nello schema FALCON la parte celeste mancante è sostituita dall'insieme delle matrici di correlazione implementate nel software del computer.

Struttura del FALCON

Il Falcon è un apparato completamente autonomo che necessita soltanto della base acustica di ricezione alla quale collegarsi.

L’apparato è dotato di:

Funzioni per il trattamento dei segnali idrofonici

• Preamplificazione idrofonica

• Trasformazione dei segnali analogici in segnali a due stati

• Accoppiamento tra hardware e computer

Funzioni di operatività tattica

• Sistema d’inseguimento automatico

• Comando variazione della costante d’integrazione nei processi di correlazione

• Ascolto audio a punteria

• Rilevamento in BRQ

• Rilievo del rapporto S/N in acqua

• Computo della portata e della “distanza stimata”

• Regolazioni della sensibilità video/audio

• Misura del rapporto Si/Ni

• Presentazione video tipo A

• Simulatore di bersagli

• Variatore del fuori zero

Funzioni software

• Trattamento numerico dei segnali senza l’impiego di conversione analogico/digitale.

• Rimessa in coerenza dei segnali video in tempo reale senza l’impiego di strutture di ritardo.

• Algoritmi per la formazione fasci video in correlazione estremamente semplici.

• Rivelazione video a fasci preformati

• Interpolazione numerica tra i fasci

• Integrazione video variabile manualmente

Funzionamento di principio sonar FALCON

La metodologia di trattamento dei segnali idrofonici è, in linea di principio, estremamente semplice: si amplificano, si filtrano nella banda prescelta ${\displaystyle (f1-f2)}$  e si limitano a due stati gli ${\displaystyle N}$  segnali idrofonici della base circolare che, dopo limitazione, sono indicati con ${\displaystyle (L1}$ …${\displaystyle Ln)}$  come mostrato in figura:

 

* Schema a blocchi hardware FALCON

L’insieme degli stati logici istantanei del gruppo ${\displaystyle (L1}$ …${\displaystyle Ln)}$  può essere visto come un numero binario ${\displaystyle (Y)}$  costituito da una stringa contenente, ad esempio, gli ${\displaystyle N}$  valori ${\displaystyle (0\cdot 1\cdot 1\cdot 0}$ …${\displaystyle 1\cdot 1\cdot 0)}$ .

La stringa ad ${\displaystyle N}$  bit è inserita nel computer, vedi figura, al ritmo superiore a due volte la frequenza massima della banda; questa stringa ha un corrispondente valore numerico che contiene tutte le informazioni necessarie all'elaborazione.

 

* Schema a blocchi software FALCON

Il software dispone di ${\displaystyle M}$  matrici di conversione che, secondo la filosofia FALCON, computano gli ${\displaystyle M}$  fasci preformati per l'esplorazione di tutto l'orizzonte subacqueo.

L'impiego delle matrici di correlazione per i fasci preformati del FALCON

Un'idea^[1] dell'impiego delle matrici di correlazione si ha facendo riferimento alla figura:

 

Fasaci preformati FALCON

Con l'assunzione di 8 idrofoni per la formazione del fascio il numero di questi, con centro passante tra le 4 coppie, è per 18 direzioni ( un fascio ogni 10 gradi ).

Il fascio preformato che nasce dall'elaborazione contemporanea dei segni istantanei alle uscite dei limitatori esprime la somma dei valori di correlazione delle quattro coppie d'idrofoni simmetrici della base idrofonica.

Il peso della correlazione ${\displaystyle C(\alpha )}$  dei quattro gruppi può variare da un minimo ${\displaystyle C(\alpha )=1}$  (una sola coincidenza di segni) ad un massimo di ${\displaystyle C(\alpha )=4}$  (quattro coincidenze di segni).

I valori intermedi di correlazione si formano dall'alternanza casuale delle coincidenze e non coincidenze integrate nel tempo.

Se gli stati logici dei segnali generati dalla base sono ad esempio, per il primo di 18 fasci, quelli sotto riportati significa che, ad un certo istante, i segnali delle 4 coppie sono:

${\displaystyle s15=1\quad }$  ${\displaystyle s4=1\quad }$  Segnali coerenti

${\displaystyle s16=1\quad }$  ${\displaystyle s3=0\quad }$  Segnali incoerenti

${\displaystyle s17=0\quad }$  ${\displaystyle s2=1\quad }$  Segnali incoerenti

${\displaystyle s18=1\quad }$  ${\displaystyle s1=1\quad }$  Segnali coerenti

La correlazione dei segnali si verifica soltanto nella prima e nella quarta coppia, si ha pertanto: ${\displaystyle C(\alpha )=2}$ 

In tal caso il numero binario ${\displaystyle (Y)}$  applicato al computer è:

${\displaystyle 1\cdot 1\cdot 0\cdot 1\cdot 0\cdot 1\cdot 0\cdot 1}$  pari al numero decimale ${\displaystyle 221}$ .

Facendo ora riferimento ad una matrice implementata nel computer quale, ad esempio, quella in figura:

 

Fasaci preformati FALCON

nella quale con la lettera ${\displaystyle x}$  s'intende il valore numerico ${\displaystyle (Y)}$  e con la funzione ${\displaystyle i(x)}$  la funzione di correlazione ${\displaystyle C(\alpha )}$ .

Interrogata a software la matrice, per ${\displaystyle x=221}$ , indica ${\displaystyle i(x)=2}$  come visualizzato nella casella verde.

Le interrogazioni sequenziali della matrice portano ad una serie di valori ${\displaystyle i(x)}$  che, opportunamente integrati nel tempo, rendono l'ampiezza del fascio preformato in correlazione.

Ripetuta la procedura per gli altri 17 fasci si ha la scansione panoramica dell'orizzonte subacqueo.

Pannello comandi e presentazione video

Il pannello di comando e controllo del FALCON è mostrato in figura:

 

Pannello comandi e controlli FALCON

La serie dei comandi, da sn. a dx :

• Integrazione ( seleziona le costanti di tempo dei processi di correlazione)

• Simul. (comanda la presentazione video per il controllo sonar)

• Puntamento ( comanda il posizionamento dell’indice di collimazione angolare)

• Calcoli di portata ( imposta un calcolo approssimativo per una sima indicativa della distanza del bersaglio)

• Ins,Aut. ( comando per l’inseguimento automatico del bersaglio)

• G. Vdeo +  ; G. Video ( comandi per la regolazione dell’ ampiezza della presentazione video dei bersagli)

• Interp. ( comanda l’inserzione del processo d’interpolazione tra i fasci preformati)

• Punt. Audio ( comanda il posizionamento del ricevitore audio sulla dirzione indicata dall’indice di collimazione)

• Gruppo FZ ( se inserito comanda lo spostamento del livello zero della presentazione video)

La serie degli indicatori, da sn. dx:

• S/N (dB) (indicatore del rapporto segnale/disturbo nella collimazione di un bersaglio)

• RC (Sec.) (indicatore della costante di tempo impostata)

• Brq (Gradi) (indicatore della posizione del bersaglio collimato con l’indice)

• Rsim ; Rport Gruppo per l’indicazione della distanza stimata

• Tempo di Acc. ( indicatore dell’autonomia dello stato batterie)

Note

1. ^ Il problema relativo alla teoria FALCON è molto ampio e complesso, non può pertanto essere trattato a livello enciclopedico; l'esposizione di tutti gli sviluppi nella nota bibliografica: *C. Del Turco, Studio di un sistema di fasci acustici per localizzazione a coerenza d'onda naturale , Direzione Arsenale M.M. La Spezia, 2000

Voci correlate

• Algoritmi di correlazione nel rilevamento sonar

• Base idrofonica

• 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

• Rumore delle navi

• Stato del mare

• Trasformazione delle caratteristiche di direttività del sonar

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

• Prototipi sonar per vettore A184

Bibliografia

• R. J. Urick, Principles of underwater sound, Mc Graw – hill, 3^ ed. 1968

• C. Del Turco, La correlazione , Collana scientifica ed. Moderna La Spezia,1993

• C. Del Turco, Studio di un sistema di fasci acustici per localizzazione a coerenza d'onda naturale , Direzione Arsenale M.M. La Spezia, 2000