Intercettatore sonar

BOZZA

Rumore del mare e dei preamplificatori idrofonici del sonar

Il rapporto tra il Rumore del mare e dei preamplificatori idrofonici del sonar, è alla base delle capacità di scoperta di quest’ultimo.

In condizioni ottimali dello stato del mare, SS = ½ od inferiore , le tensioni di rumore generate dai preamplificatori idrofonici devono essere ben al di sotto dei livelli di tensione che il rumore del mare genera ai capi degli idrofoni della base ricevente del sonar.

Le tensioni di rumore generate dal preamplificatore non devono incrementare quelle generate dall'idrofono, soltanto in questo caso sarà possibile la scoperta di bersagli a grande distanza; infatti segnali idrofonici di bersagli molto lontani possono avere livelli di pressione uguali od inferiori ai più bassi livelli del rumore del mare.

Per una valutazione numerica del rapporto esistente tra le due variabili è necessario iniziare l'esame del rumore del mare.

Il rumore del mare

Con il termine rumore del mare ci si riferisce alle cause che provocano perturbazioni acustiche in mare e che, per loro natura, sono sempre presenti a diversi livelli, queste creano significative riduzioni delle portate di scoperta dei sistemi sonar.

Il rumore del mare è riportato nelle curve tracciate in figura:

 

* Diagrammi dello stato del mare

Le curve indicano come varia la pressione acustica generata dal moto ondoso del mare in funzione dei due parametri fondamentali che caratterizzano la fisica del fenomeno; con sei segmenti di retta diversamente colorati si mostra la dipendenza del valore della pressione in funzione dello stato del mare e della frequenza.

Le ascisse indicano, in scala logaritmica a ${\displaystyle 3}$  decadi, il campo delle frequenze generate dal moto ondoso in un intervallo di valori che si estende da ${\displaystyle 100}$  Hz a ${\displaystyle 100}$  KHz.

Le ordinate, in scala lineare, indicano i livelli di pressione acustica del rumore espressi in dB/${\displaystyle \mu }$  Pa/ ${\displaystyle {\sqrt {Hz}}}$  ^[1], in un intervallo esteso da ${\displaystyle 0}$  dB a ${\displaystyle +100}$  dB con ${\displaystyle 20}$  divisioni da ${\displaystyle 5}$  dB/div.

La pendenza delle rette di ${\displaystyle -5}$  dB/ottava indica come alle frequenza più basse il livello del rumore del mare sia molto più elevato che alle frequenze alte.

Nella figura l'ampiezza del rumore del mare si estende dal minimo livello del rumore del mare, curva marrone, dovuto alla sola agitazione termica del mezzo (MWN - minimum water noise) , al mare SS = 6, generato dal forte moto indicato dalla curva bianca.

Utilizzo del diagramma

Computo di previsione nella più favorevole condizione ambientale con l'assunzione di due variabili:

• stato del mare ( ${\displaystyle SS=0}$  )

• frequenza centrale della banda da valutare ( ${\displaystyle f=2}$  KHz )

Per ${\displaystyle SS=0}$  -retta rossa - e ${\displaystyle f=2}$  KHz, si valuta il livello di pressione in banda di 1 Hz:

${\displaystyle +39}$  dB / ${\displaystyle \mu }$  Pa/${\displaystyle {\sqrt {Hz}}}$ 

Se il livello di pressione calcolato colpisce una stecca idrofonica ^[2] avente la sensibilità di ${\displaystyle -200dB/1Veff./\mu Pa}$ , la tensione in uscita della stecca sarà:

${\displaystyle -200dB/1V/\mu Pa}$  ${\displaystyle +39}$  dB / ${\displaystyle \mu }$  Pa/${\displaystyle {\sqrt {Hz}}}$  = ${\displaystyle -161dB/\mu Veff./{\sqrt {Hz}}}$  pari a:

Vu-idrofono- = ${\displaystyle 9\cdot 10^{-9}Veff.}$  ${\displaystyle (9\quad nanovolt/{\sqrt {Hz}})}$ 

La stecca idrofonica in oggetto è mostrata in figura:

 

Idrofono a stecca del sonar IPD70S

Il preamplificatore idrofonico

Il livello di tensione di rumore che si genera ai capi dell'idrofono, funzione dello stato del mare, dal computo precedente risulta:

Vu-idrofono- = ${\displaystyle 9\cdot 10^{-9}Veff.}$  ${\displaystyle (9\quad nanovolt/{\sqrt {Hz}})}$ .

Per ottimizzare le capacità di scoperta del sonar deve essere progettato un preamplificatore avente un rumore proprio nettamente inferiore alla tensione di rumore calcolata.

Il preamplificatore può essere progettato prevedendo come stadio d'ingresso una coppia di transistori a basso rumore; ad esempio la coppia bilanciata Mat 02 le cui caratteristiche di rumore sono illustrate in figura:

 

Rumore spettrale integrato Mat 02

Se la coppia lavora con 1 mA di corrente il rumore spettrale d'ingresso, a ${\displaystyle 2000Hz}$ , deducibile dalle curve è

${\displaystyle 0.9\cdot 10^{-9}Veff.}$  ${\displaystyle (0.9\quad nanovolt/{\sqrt {Hz}})}$ .

Il rumore d'ingresso del preamplificatore ^[3] risulta di poco inferiore a 20 dB ^[4] rispetto alla tensione di rumore generata dall'idrofono colpito dal rumore del mare.

Generalmente il rumore di un preamplificatore idrofonico deve essere valutato in tutta la banda di frequenze di ricezione; a tal proposito la verifica del rumore proprio viene eseguita per un numero discreto di frequenze facenti parte della banda; questi valori sono poi trasformati in pressioni acustiche e tracciati, per punti, nel diagramma dei rumori del mare.

Note

1. ^ Pressione acustica espressa in deciBel / ${\displaystyle \mu }$ Pascal per radice di Hz: ${\displaystyle 1\mu }$ Pa ${\displaystyle =10}$  ^{- 8} gr. / cm²
2. ^ Una delle 46 stecche idrofoniche facenti parte dalla base conforme
3. ^ Dati i bassi livelli di rumore d'ingresso la misura della tensione si esegue per via indiretta: Si misura la tensione all'uscita del preamplificatore e la si divide per il guadagno totale del circuito.
4. ^ Il rumore totale del preamplificatore è dovuto al rumore d'ingresso di poco incrementato dalla restante parte del circuito.

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

• Trasformazione delle caratteristiche di direttività del sonar

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

• Prototipi sonar per vettore A184

• Decremento della probabilità di scoperta sonar in funzione della distanza del bersaglio

Bibliografia

TOTI

I Sonar per sottomarini classe TOTI, apparati studiati e prodotti, negli anni 64 in piccola serie ^[1], nei laboratori della Soc. USEA in San Terenzo di Lerici (La Spezia); sono stati impiegati per la navigazione dei battelli fino al 1997 quando l'ultimo sottomarino della classe è stato radiato.

Gli apparati erano identificati con la sigla: IP64.

 

Sottomarino Toti: sonar IP64; in vista in alto a prua la cuffia idrodinamica che copre la base cilindrica per la scoperta attiva dei bersagli con il metodo dell'eco, sui fianchi le sei pinne per la sperimentazione del sistema per la misura della distanza in passivo

Caratteristiche generali del sonar IP64

Caratteristiche del sonar IP64 (parti esterne bagnate per la ricezione/trasmissione dei segnali acustici):

• Base idrofonica ricevente in bassa frequenza: (Tecnologia) idrofoni piezoelettrici a stecca montati come cortina a proravia del battello -base conforme-.

• Base ricetrasmittente in alta frequenza: (Tecnologia) Trasduttori tipo magnetostrittivo sulla superficie laterale di un cilindro montato nella parte alta della prua del sottomarino.

Caratteristiche del sonar IP64 (parti interne di elaborazione dei segnali):

• Scoperta panoramica dei bersagli passivi ^[2]in alta frequenza, con presentazione video su di un arco d'orizzonte di ${\displaystyle 360}$ °: (Tecnologia) Ricevitori a fasci preformati con rivelatori d'inviluppo; Trasmissione con impulsi non codificati.

• Scoperta manuale a punteria, di buona precisione, dei bersagli attivi e passivi, sia in bassa che in alta frequenza su di un arco d'orizzonte di ${\displaystyle 360}$ °: (Tecnologia) Ricevitori audio a banda variabile; Collimazione bersagli con sistema di somma e differenza.

• Presentazione video tipo PPI : (Tecnologia) Componenti elettronici sparsi.

Vista d'insieme del Sonar IP64

Nella figura, non in scala tra loro, tutti i componenti dell'apparato:

 

Vista d'insieme Sonar IP64

Il percorso dei segnali è indicato con le frecce e le lettere:

• Dalle due basi riceventi di bassa ed alta frequenza, conforme e cilindrica, i segnali ricevuti sono inviati al cofano preamplificatori, percorsi A-B e E-B.

• I segnali sono inviati alla consolle di comando e controllo per la loro elaborazione e successiva presentazione video, percorso B-C.

• Il trasmettitore, su comando della consolle, percorso C-D, invia alla base cilindrica, percorso D-E l'impulso d'emissione per la scoperta dei bersagli passivi.

Vista in dettaglio della collocazione delle basi acustiche

In figura sono mostrate, indicativamente e non in scala tra loro, le disposizioni delle tre basi idrofoniche del Toti.

File:Sauroduedtc.jpg

Vista d'insieme basi idrofoniche IP64

• In colore verde la base idrofonica per la ricezione dei segnali acustici in bassa frequenza è collocata sotto il falso scafo del battello e non è visibile dall'esterno; l'insieme degli idrofoni è detto base conforme. In basso a sinistra è mostrata una fotografia di parte della base conforme vista in assenza della copertura sul falso scafo.

• In colore rosso la base cilindrica, impiegata sia per la trasmissione degli impulsi che per la ricezione degli echi, è collocata in alto a prua sotto la cuffia idrodinamica; in basso a destra è mostrata la fotografia della base cilindrica.

In figura il dettaglio dei collegamenti tra le basi idrofoniche e il ricevitore:

File:Sauro3dtc.jpg

Collegamento basi idrofoniche al ricevitore IPD70

Funzioni all'interno del cofano ricevitore

Il cofano preamplificatori mostrato in figura e nominato tricofano per essere formato da tre cofani uniti fra loro^[3] contiene nell'ordine i seguenti blocchi funzionali:

 

Tricofano IPD70S

• (blocco 1) - Preamplificatori equalizzatori dei segnali captati dalla base conforme in bassa frequenza.

• (blocco 2)- Preamplificatori dei segnali captati dalla base circolare.

• (blocco 4)- Circuiti per la formazione dei fasci preformati di alta frequenza con rivelatori d'energiaper la scoperta panoramica dei bersagli con il metodo dell’eco.

• (blocco 5)- Gruppo per la collimazione manuale dei bersagli in bassa frequenza; scoperta dei bersagli a punteria; con annessi circuiti di somma e differenza.

• Strutture varie di alimentazione, sistemi di sicurezza e interfaccia con la consolle di comando e controllo.

I circuiti di preamplificazione presenti nel ricevitore

Il cassetto dei preamplificatori contiene due gruppi circuitali come in figura:

 

Preamplificatori IPD70S

• Il primo gruppo, a sinistra nel disegno, contiene 46 preamplificatori, uno per ciascun idrofono della base conforme.

Il circuito ha il compito di amplificare i segnali idrofonici di bassa frequenza equalizzandoli in modo che il rumore del mare si presenti allo stesso livello in tutto il campo delle frequenze impiegate.

I 46 segnali d'uscita sono applicati, sia ai circuiti per la formazione fasci in correlazione, sia al sistema di puntamento a punteria in bassa frequenza.

• Il secondo gruppo, a destra nel disegno, contiene 36 preamplificatori, uno per ciascun idrofono della base circolare.

Il circuito ha il compito di amplificare i segnali idrofonici di alta frequenza e adattare l'impedenza delle singole stecche idrofoniche .

I 36 segnali d'uscita sono applicati, sia ai circuiti per la formazione fasci con rivelatori d'energia, sia al sistema di puntamento a punteria in alta frequenza.

Il complesso fasci preformati di bassa frequenza

Lo schema a blocchi dei circuiti per la formazione dei fasci preformati in correlazione è mostrato in figura:

 

Fasaci preformati in correlazione IPD70S

Il sistema è dotato di 46 canali di amplificazione e filtraggio in banda, l'uscita di questi è applicata a 46 ricevitori in correlazione le cui uscite sono scandite da un serializzatore elettronico, da questo l'invio dei dati alla consolle per la presentazione panoramica dello scenario subacqueo.

Dato il profilo della base conforme i segnali applicati ai ricevitori sono rimessi in coerenza da un insieme di strutture di ritardo analogiche.

Il complesso fasci preformati in alta frequenza

Lo schema a blocchi dei circuiti per la formazione dei fasci preformati in alta frequenza è mostrato in figura:

 

Fasci preformati in correlazione IPD70S

Il sistema è dotato di 36 canali di amplificazione e filtraggio in banda, l'uscita di questi è applicata a 36 rivelatori d'energia le cui uscite sono scandite da un serializzatore elettronico, da questo l'invio dei dati alla consolle per la presentazione panoramica dello scenario subacqueo.

I segnali applicati ai rivelatori sono rimessi in coerenza da un insieme di strutture di ritardo analogiche.

L'insieme dei 36 fasci preformati, prima della rivelazione d'energia, sono inviati alla consolle per la presentazione degli echi in fase di scoperta attiva.

Complesso di puntamento manuale a compensatore

Lo schema a blocchi del circuito per la ricerca manuale dei bersagli è mostrato in figura:

File:Sauro11dtc.jpg

Compensatore IPD70S

Il sistema è dotato di 2 canali di rimessa in coerenza di struttura molto complessa, uno per la bassa frequenza, l'altro per l'alta frequenza; l'uscita di questi è applicata a ad un insieme selezionabile di filtri di banda e da questi all'amplificatore che pilota sia l'altoparlante, sia le cuffie per l'operatore al sonar.

Altre funzioni sono sviluppate dal compensatore:

• Collimazione per RLI

• Collimazione per BDI (Utilizzata in ricerca attiva)

• Funzione di misura rapporto segnale/disturbo

• Funzione d'inseguimento automatico

Il compensatore è comandato da apposito volantino sul fronte della consolle .

Unità di potenza per trasmissione impulsi

Una vista del trasmettitore è riportata in figura:

File:Sauro12dtc.jpg

Trasmettitore impulsi IPD70S

Il trasmettitore è costituito da alcune unità di potenza in grado di eccitare la base circolare affinché questa emetta la pressione acustica voluta.

La trasmissione degli impulsi, a comando dell'operatore alla consolle, può avvenire in modalità direttiva o in modalità omnidirezionale^[4].

In modalità direttiva si ha l'emissione degli impulsi al massimo del livello di pressione.

In modalità omnidirezionale la pressione generata dalla base è a livello inferiore dovendo distribuire tutta la potenza su di un arco di ${\displaystyle 360}$ °

La consolle di comando e controllo

La consolle di comando e controllo delle funzionalità del sonar IP64 è mostrata in figura:

File:Sauro13dtc.jpg

Consolle di presentazione e comandi IPD70S

Le molteplici funzioni esplicate dal sistema sono:

• Presentazione panoramica dello scenario subacqueo per la scoperta dei bersagli con il metodo dell’eco.

• Presentazione strumentale delle funzioni somma e differenza.

• Comando a mezzo volantino della punteria manuale; presentazione del valore angolare connesso.

• Sistema d'inserzione filtri di banda per ascolto del rumore dei bersagli in fase di punteria.

• Comandi per l'emissione impulsiva: omnidirezionale / direttiva / durata impulsi.

Note

1. ^ La serie deriva dal prototipo, IP60) realizzato nel 1960
2. ^ Per bersagli passivi s'intendono semoventi navali fermi o particolarmente silenziati
3. ^ Questa scelta costruttiva è stata adottata per consentire il passaggio dei manufatti attraverso il portellone di accesso all'interno del sottomarino.
4. ^ La scoperta dei bersagli con il metodo dell'eco è nominata come funzione ECG (ecogoniometrica).

Bibliografia

• Soc. USEA, Monografia Apparato IP64, Archivio Off. Ea. Arsenale. M.M.I La Spezia, 1964.
• C. Del Turco, Sonar Principi Tecnologie Applicazioni , edizione Accademia Navale - 3° Gruppo Insegnamento Armi Subacquee - Abilitazione Smg-Agg, .Prof. EA/ST, Livorno, 1992.
• C. Del Turco, La correlazione , Collana scientifica ed. Moderna La Spezia,1993.
• C. Del Turco, I sistemi direttivi nella localizzazione subacquea con il SONAR "Rivista l’Elettrotecnica n° 1 anno 1989".

Note