CORRELATORE PANORAMICO SETTORIALE DI SCOPERTA 2 x 120 punti
-Correlazione a coincidenza di segni-

L'argomento riportato su p18 è relativo ad un sistema di correlazione panoramico che opera in un settore angolare prefissato per azioni di sorveglianza subacquea su postazione fissa.

Lo spazio di scoperta è delimitato dal settore angolare la cui bisettrice rappresenta l'asse dei sensori idrofonici di ricezione così come mostrato in figura 1:



Il sistema, basato sulla correlazione a due stati (si veda p5 paragrafi 1.4, 4.3 e capitolo 6)
prevede l'elaborazione dei segnali da correlare, provenienti dagli idrofoni della base, con:
-Amplifiocazione
-Filtraggio
-Limitazione d'ampiezza
I due segnali all'uscita dei due limitatori sono applicati alla porta parallela (LPT1) di un P.C.

La descrizione del sistema verte esclusivamente sul software di correlazione essendo la parte bagnata e
l'elettronica di primo processo attuabili con soluzioni standard.

DESCRIZIONE D'INSIEME

Il software di elaborazione è sviluppato in Vbasic ed è composto dalle seguenti routine:
1) Grafica d'interfaccia con l'operatore
2) Algoritmi di correlazione clippata ed integrazione
3) Acquisizione dati da LPT1
4) Simulazione sorgenti acustiche su rilevamenti impostati
5) Lettore di direzione in termini di numero di campioni

Il software misura l'angolo di provenienza del suono come numero di unità di ritardo positive,
per gli angoli del semisettore di destra, e negative per per gli angoli del semisettore di sinistra.
Il calcolo dell'angolo, in gradi sessagesimali, è lasciato a software aggiuntivo una volta stabilite:
-distanza tra i sensori idrofonici
-frequenza di campionatura dei segnali da parte del software di acquisizione

Iniziamo la descrizione del progetto software dall'esame dell'interfaccia con l'operatore mostrata in fig.2



Lo schermo è diviso,verticalmente, dall'asse della base ricevente, in due semi settori; a sinistra per il
suono che proviene da sinistra, a destra per il suono che proviene da destra.
Compaiono una serie di segmenti verticali celesti che rappresentano il risultato della correlazione computata
per i 2 x 120 punti di calcolo.

Nella parte inferiore dello schermo sono disposti nell'ordine, da sinistra:
-indicatore delle unità di ritardo misurate
-pulsante per la scansione settoriale
-pulsante per la simulazione di una sorgente, a sinistra, con ritardo impostato
-pulsante per la simulazione di una sorgente, a destra, con ritardo impostato
-pulsante analisi dati; avvia il calcolo dei 2 x 120 punti di correlazione
-sopra ai due pulsanti di simulazione è presente lo scroll per l'impostazione
numerica del ritardo da simulare (dopo l'impostazione cliccare lo scroll)

Nella figura è mostrata l'acquisizione di un segnale simulato a sinistra con 85 unità
di ritardo; il segnale è stato generato dalla pressione del tasto illuminato in rosso.
Un'idea pratica d'impiego del sistema, nelle diverse fasi di simulazione, è possibile,
con il file exe cliccando su: Correlatore 2 x 120

Per utilizzare l'eseguibile anche per acquisizione diretta da LPT1 è indispensabile
scaricare la IO.DLL così com'è indicato al seguente punto 11); in tal caso la scansione
del settore di scoperta avviene dopo aver cliccato sul pulsante "Scansione settore".
La durata della scansione è di circa 4 secondi, alla fine del tempo stabilito si illumina
di verde il pulsante "Elaborazione" avvisando l'operatore che può passare alla fase di
calcolo e presentazione dati dopo aver cliccato su tale pulsante che riprenderà il colore di fondo.

DESCRIZIONE DEL SOFTWARE

La descrizione del software è resa più significativa se preceduta dall'impostazione di un
progetto su dati reali; quali:
- acquisizione dei segnali a due stati mediante 2 bit di LPT1
- scansione di un settore di mare di ampiezza +/- 60°
- lunghezza della base ricevente fissata in D = 6 mt
- idrofoni della base colpiti da un segnale acustico filtrato nella banda di rumore
compresa tra f1 = 1000 Hz e f2 = 3000 Hz

Con i dati esposti iniziamo a valutare la variabili che caratterizzeranno il
software (nel prosieguo tutti i calcoli saranno arrotondati ed evidenziati con il simbolo &):

1)- La frequenza di campionatura dei segnali di ingresso, che dovrebbe vincolare la porta LPT1, è data
,secondo Nyquist, da fc > 2.5 f2 che per eccesso potrebbe essere fissata in fc = 9000 Hz.
pari ad un tempo di campionatura tc = 1/9000 Hz = & 111 microSec

2)- La larghezza temporale della funzione di correlazione di un segnale nella banda data, misurata sul
primo zero è data da tcr = 1/(4fo) dove fo = (f1 + f2) /2 ( si veda testo in p5 , pag.47)
essendo (f1+f2)/2 = 2000 Hz tcr sarà : tcr = 1/(4 * 2000) = 125 microSec.

3)-Una buona visualizzazione della curva di correlazione richiede almeno 4 punti da calcolo,
piazzati all'interno del suo profilo; ciascun punto sarà pari a trc/4 = 125/4 = & 31 microSec.

4)-La 3) mostra che il tempo di campionatura tc, calcolato nella 1), è nettamente superiore al
tempo necessario per visualizzare la funzione di correlazione, quindi, anche se si deve sovvracampionare,
si assume, per la porta LPT1, un ritmo di acquisizione di 31 microSec pari ad una fc' = & 32200 Hz.

5)-Per la copertura di +/- 60° dell'orizzonte il ritardo massimo che deve essere compensato dal
software, per ciascun semisettore, è: D Sen 60°/C = 6mt Sen 60° /1530 mSec. = & 3390 microSec.

6)-Dal tempo computato in 3)e dal ritardo esplicitato in 5) si possono stabilire il numero minimo, n, dei punti
di correlazione necessari alla scansione del settore di scoperta: n = 3390 microSec./31 microSec. = & 109 ;
il valore computato può essere portato a 120 a tutto vantaggio della grafica di presentazione.

7)-Assumendo un ragionevole tempo di acquisizione segnali in T = 4 Secondi il numero dei campioni
grezzi da immagazzinare nella memoria del P.C, per ciascuno dei due canali idrofonici, è
ng = 4Sec./31 microSec. = & 130000.

8)-La correlazione clippata (a coincidenza di segni) viene eseguita facendo slittare la metà dei
campioni grezzi di un canale sul contenuto completo dei campioni grezzi dell'altro canale;
pertanto il numero dei campioni di segnale disponibile per la costruzione dei 120 punti di
correlazione è: 130000/2 = 65000.

9)-Dai dati del punto 8) si evince che il numero di campioni che concorrono ad un punto di correlazione
è pari a 65000/120 = & 540, questo numero, per buoni valori di S/N, consente un ragionevole compromesso
tra l'assunzione di un beta = 512, per una discreta integrazione, ed un livello di correlazione dell'ordine
del 65% del max; si veda p27-paragrafo 3.

10)- Per la conversione tra il valore del ritardo letto rl , da 0 a 120 unità, in angoli sessagesimali
si può implementare nel software l'espressione di calcolo : angolo = Arcosen( 1530 rl/6)

11)-Per l'utilizzo della porta LPT1, non contemplato dal Vbasic, si deve ricorrere ad una DLL,
scaricabile dalla rete su http://www.geekhideout.com/iodll.shtml.
La DLL in oggetto è nominata con IO.DLL e deve essere dichiarata all'inizio del programma con:
Private Declare Sub PortOut Lib "IO.DLL" (ByVal Port As Integer, ByVal Data As Byte)
Private Declare Function PortIn Lib "IO.DLL" (ByVal Port As Integer) As Byte
Le istruzioni per il suo impiego sono le seguenti:
PER USCITA DA LPT1: PortOut indirizzoporta, datoinuscita
PER INGRESSO DA LPT1: PortIn(indirizzoporta)

12)-Per avere su LPT1 la frequenza di campionatura voluta, vedi punto 3), e non potendo contare
sul timer di Vbasic, è necessaria una calibrazione dell'anello di acquisizione aggiustando
il tempo dell'anello di "compensazione" affinchè il valore di fc sia prossimo a quello voluto.
La misura di fc, risultante dalla compensazione, si esegue con le istruzioni riportate con la scritta TT??

13)- Si osservi che l'acquisizione dei dati avviene su soli 2 bit della LPT1, è possibile pertanto
elaborare, nell'ambito dello stesso software, contemporaneamente alla coppia di idrofoni indicata in figura 1,
altre 3 coppie, disposte in diversi settori angolari, estendendo notevolmente le capacità di scoperta
del sistema mediante la presentazione contemporanea di 4 traqcciati di correlazione.

Il listato commentato del programma, con riferimento ai dati sopra riportati, è consultabile
cliccando su Listato in testo.txt

CONTROLLO DEL SOFTWARE

Il funzionamento del software, oltre che con i due pulsanti di simulazione Sorgente sn; Sorgente dx,
può essere controllato nella sua funzione più significativa: l'acqusizione dei segnali tramite la
porta LPT1.
Questa operazione, fattibile soltanto con la DLL IO.DLL, richiede alcune piccole modifiche a due
routine che potranno essere eliminate dopo il controllo, le routine sono:

a)Private Sub form_MouseMove(Button....

b)Private Sub Command1_Click() "SCANSIONE SETTORE"

Nella routine a) si tratta di sbloccare l'istruzione 'Label2.Caption = 6500-y aggiungendo nel
contempo un nuovo label nel form (label2) per poi eliminarlo finito il controllo; su label2 si
leggeranno i livelli di correlazione in termini di numero di punti verticali dello schermo.

Nella routine b) si deve sostituire l'istruzione:
PortOut &H378, 255 con una delle istruzioni seguenti:
b1)PortOut &H378, 1
b2)PortOut &H378, 3
b3)PortOut &H378,(1 - ((-1) ^ (Int(100 * Rnd)))) / 2

Con la modifica b1) si introducono,tramite LPT1, 130000 coppie di dati a due stati, una serie
è formata da 130000 valori di livello 1, l'altra è formata da 130000 valori di livello 0; questo
è il classico segnale di inversocorrelazione che porta il livello della funzione al minimo valore
su tutto l'arco esplorato; questo livello è rilevabile con il mouse ed è dell'ordine di 585 punti
che si leggeranno sul nuovo label2.

Con la modifica b2)si introducono,tramite LPT1, 130000 coppie di dati a due stati, una serie
è formata da 130000 valori di livello 1, l'altra è formata da 130000 valori di livello 1; questo
è il classico segnale di correlazione che porta il livello della funzione al massimo valore
su tutto l'arco esplorato; questo livello è rilevabile con il mouse ed è dell'ordine di 4700 punti
che si leggeranno sul nuovo label2.

Con la modifica b3)si introducono,tramite LPT1, 130000 coppie di dati a due stati, una serie
è formata da 130000 valori di livello e segno casuali, l'altra è formata da 130000 valori di livello
e segno casuali; questo è il classico segnale di scorrelazione che porta il livello della funzione al
valore centrale su tutto l'arco esplorato; questo livello è rilevabile con il mouse ed è dell'ordine
di 2325 punti che si leggeranno sul nuovo label2.

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