SONAR-INFO-p146




Progetto di sistema di un sonar a bassa frequenza (prima)
Caratteristiche della base acustica


1) Generalità
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).

2) Dati di specifica tecnica
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.

3) Composizione base idrofonica conforme -punto A) s.t.-
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

4)Calcolo del (DI) totale della base idrofonica per avere R = 55 Km -punti B); C); F) e G) s.t.-
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.

5) Traduzione delle variabili per SONARMATH
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

6) Esecuzione calcoli iterativi per la determinazione del DI
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.

7) Dimensionamento della base acustica per il DI(totale)
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

8) Osservazioni a chiusura della pagina
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.






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