SONAR-INFO-p146
Progetto di sistema di un sonar a bassa frequenza (prima)
Caratteristiche della base acustica
1) Generalità 2) Dati di specifica tecnica 3) Composizione base idrofonica conforme -punto A) s.t.- 4)Calcolo del (DI) totale della base idrofonica per avere R = 55 Km -punti B); C); F) e G) s.t.- 5) Traduzione delle variabili per SONARMATH 6) Esecuzione calcoli iterativi per la determinazione del DI 7) Dimensionamento della base acustica per il DI(totale) 8) Osservazioni a chiusura della pagina
In una sequenza di sei pagine vogliamo illustrare come nasce il progetto di sistema di un sonar partendo
dalle specifiche tecniche volute dell'utilizzatore.
Le pagine interessate sono:
p146-Caratteristiche della base acustica
p148-Caratteristiche dei preamplificatori idrofonici e dei filtri di banda
p150-Stesura del diagramma dei livelli
p152- Determinazione del numero dei fasci preformati
p154-Verifica della risoluzione angolare
p156-Conversione A/D - Unità di Calcolo - Presentazione dati
Tratteremo di un sonar di scoperta passivo da installare a bordo di un sommergibile
sulla scorta dei valori della portata minima voluta.
I livelli dei segnali acustici saranno espressi in dB/μPa/√Hz , le tensioni in
dB/V/√Hz, i dati elaborati dai calcolatori come rapporti tra segnali e disturbi S/N(dB).
Di seguito sono riportate le voci delle diverse caratteristiche volute dall'utilizzatore:
A)- Tipo base ricevente : conforme allo scafo del battello ( zona a proravia, ricezione compresa in un
settore di +/- 160° )- limitandone al massimo le dimensioni e il peso -.
B)-Portata di scoperta minima al traverso: R = 55 Km nelle condizioni:
Propagazione sferica
Bersaglio CT a 15 nodi
Stato del mare SS = 2
Condizioni probabilistiche: Priv = 90 % Pfa = 5 %
Unico grado di libertà: "DI" guadagno di metà base conforme al traverso
C)- Banda delle frequenze di ricezione : 200 Hz - 3500 Hz
D)- Rumore dei preamplificatori Ne < mare forza zero (SS=0)
E)- Scoperta a fasci preformati : in un settore di +/- 160° rispetto all'asse del battello
F)- Processo dei segnali: in correlazione
G)- Costante di tempo d'integrazione a calcolo: RC = 1 Sec.
H)- Dinamica per CT a 15 nodi: da 100 m a 55 Km
I)- Errore strumentale massimo di rilevamento al traverso : Δα = 1°
L)- Risoluzione angolare al traverso: Δφ = 5°
M)- Presentazione video a cascata in BRQ (storia 30 Sec) con indice di collimazione man. e aut.
La base idrofonica che deve essere installata sul sommergibile, nella zona coperta dal
falso scafo, può essere simile a quella riportata in figura 1:
Il posizionamento e il numero degli idrofoni sono soltanto indicativi, sono messe in evidenza le
due direzioni al traverso e l'angolo di copertura alfa di +/- 160°.
Ciascun idrofono può essere a stecca, fissato sotto il falso scafo, così come mostra la figura 2:
figura 2
Dall'esame delle variabili di specifica si evidenzia che, in base alle caratteristiche richieste,
deve essere risolto in DI il sistema trascendente delle equazioni del sonar passivo così come già
indicato in p42
1) TL = SL + DI - NL - DT + 10 Log BW
2) TL = 60 dB + 20 Log R + a R
Infatti tutte le variabili sono date ad eccezione del DI come segue:
- R Portata di scoperta al traverso = 55 Km
- SL Bersaglio CT a 15 nodi
- NL Stato del mare SS = 2
- BW Banda delle frequenze di ricezione : 200 Hz - 3500 Hz
- DT in correlazione in base a Priv = 90 % Pfa = 5 %
- "a" coeff. d'attenuazione per assorbimento (funzione di BW)
La soluzione del sistema non è agevole se non supportata da mezzi idonei, noi possiamo fare
riferimento al calcolatore SONARMATH già illustrato in p6/p16 che, lavorando mediante iterazioni
di calcolo, consente di ottenere il risultato del DI necessario per la soluzione del problema.
Per far ciò è necessario tradurre le variabili di specifica nei termini accettati dal SONARNATH
così come di seguito riportato.
Il calcolatore SONARMATH , nella sezione per la determinazione della portata di scoperta R in passivo,
richiede i seguenti dati nell'ordine:
- Le frequenze agli estremi della banda; dalla specifica risultano: F1 = 200 Hz ; F2 = 3500 Hz
- La frequenza media della banda; Fm = 1850 Hz
- Il livello spettrale del bersaglio che la specifica indica per CT a 15 nodi: questo risulta:
SL = 132.1 dB/μPa/√Hz ( dato ottenuto da altra sezione del SONARMTH per Fm = 1850 Hz)
- Il livello spettrale del rumore del mare che la specifica indica per SS = 2 risulta:
NL = 57.4 dB/μPa/√Hz ( dato ottenuto da altra sezione del SONARMTH per Fm = 1850 Hz )
- DI La metà del guadagno della base idrofonica al traverso ( incognita da trovare con iterazioni
di calcolo )
Nei processi di correlazione il DI rappresenta il guadagno di metà della base per cui il DI(totale)
sarà pari a: DI(totale) = DI + 3 dB.
-RC = costante di tempo d'integrazione; dalla specifica risulta: RC = 1 Sec.
-d = dipende da Priv e Pfa che secondo specifica sono : Priv = 90% ; Pfa = 5 % ; con questi dati e l'ausilio
del calcolatore delle curve ROC illustrato su p80 si ha: d = 8.5
Con i dati individuati in 5) s'inizia il calcolo reiterato su SONARMATH:
-Si imposta il tipo di propagazione indicato in specifica "propagazione sferica"
-Si eseguono ripetuti calcoli di "R" per DI variabile da 5 a 10 dB
-Si rilevano i valori e si compila la seguente tabella
che mostra la variabilità di R in funzione del DI
La tabella consente la soluzione del nostro problema:
DI (dB)
R(km)
5
45
6
48
7
52
8
57
9
62
10
68
Infatti il dato imposto a specifica, di R non inferiore a 55 Km, è soddisfatto con margine per DI = 8 dB.
Valori superiori del DI consentono ovviamente portate di scoperta ben superiori ai 55 Km ma implicano
incrementi delle dimensioni della base acustica in contrasto con il -punto A) s.t.-
Il valore del guadagno della base idrofonica, ricavato dalla routine di calcolo in correlazione,
rappresenta la metà del guadagno totale della base che sarà quindi DI(totale) = 8 + 3 dB = 11 dB.
Per il dimensionamento della base acustica s'inizia assumendo, come disponibili a magazzino, idrofoni
a stecca simili a quelli illustrati in figura 2; gli elementi in oggetto hanno una lunghezza di circa
0.8 metri.
Una volta scelto il tipo d'idrofono si cerca di stabilirne il numero "n" in base alle seguenti considerazioni:
Si definisce con λ la lunghezza d'onda relativa all frequenza media Fm, si ha :
λ = 1530/1850 = 0.82 m
-S'assimila il profilo della base conforme ad un segmento di retta (di colore rosso) sul quale
sono proiettati gli idrofoni interessati così come mostra la figura 3:
-S'evidenzia la seguente formula per il calcolo del guadagno di direttività di una base
idrofonica rettilinea formata da "n" idrofoni del tipo selezionato, spaziati di λ/2,
e posizionati
sul segmento di retta invece che sul profilo curvilineo della sistemazione a scafo:
DI(totale) = 10 Log n
Trascurando il guadagno della direttività verticale delle singole stecche a favore di una più elevata
portata di scoperta si può scrivere infine
l'espressione per il calcolo del numero "n" degli idrofoni necessari:
n = 10 ^ [DI(totale)/10] = 10 ^ [11/10] ≈ 13
Per il processo di correlazione richiesto -punto F) s.t.- è necessario che la base idrofonica possa
essere divisa idealmente in due parti uguali, ciò è possibile soltanto con un numero d'idrofoni pari
ottenibile elevando il numero dei sensori dai 13
calcolati a 14 ( 7 + 7 ) a tutto vantaggio del margine di portata.
A seguito di quest'ultima osservazione il numero totale delle stecche idrofoniche necessarie
per guarnire tutto il profilo della base conforme è di 28 unità.
Con i dati ora computati le caratteristiche di specifica relative ai punti A) e B) sono garantite
per le direzioni al traverso, per le direzioni a proravia e poppavia queste andranno a degradarsi
in base al profilo del battello.
Soltanto una volta che i cantieri abbiano fissato gli elementi della base acustica rispettando sia il
numero dei sensori sia le distanze che li separano potrà essere disponibile una mappatura geometrica
vera, secondo coordinate polari o cartesiane, con la quale calcolare su P.C. le direttività reali per
tutto l'arco dei +/- 160°.
Se nel corso del progetto di sistema risultasse che alcuni valori di specifica non sono
verificabili l'unica strada è il ridimensionamento della base acustica anche se questo
causasse ridondanza di altre prestazioni.
Chiudiamo la presente pagina dopo la definizione della base acustica ricevente che, sulla scorta delle
specifiche tecniche, si vede strutturata con 14 + 14 idrofoni disposti, a proravia, secondo figura 2.
La seconda parte del progetto di sistema del sonar sarà trattata su pagina p148.