L’evoluzione dei bersagli sintetici per controlli ed esercitazioni con i sonar

L’impiego dei bersagli sintetici nella conduzione degli apparati sonar a bordo dei sommergibili è necessario, sia per  un controllo in mare delle prestazioni generali dell'apparato dipendenti dall'insieme: elettronica, trasduttori, cuffia idrodinamica, cavi e giunzioni, per verificarne lo stato corretto al fine di garantire la costanza delle condizioni ottimali di scoperta, sia per l’addestramento degli operatori nelle fasi di scoperta sonar.

La soluzione di questa esigenza sarebbe risolta se si potesse, facilmente, uscire in mare con un  secondo battello come bersaglio; questa condizione non è sempre possibile, sia a causa della difficoltà ad impegnare un secondo battello operativo, sia per problemi di sicurezza nel caso di navigazione contemporanea di due sommergibili.

I bersagli sintetici, oggetto di questa lezione, possono sopperire alla presenza di un bersaglio vero risolvendo soddisfacentemente le problematiche accennate.

Le dimensioni di un bersaglio per sonar attivo

Se si pensa ad un bersaglio, quale ad  esempio un triedro, una sfera od un cilindro, questi dovrebbero uguagliare una superficie equivalente pari a quella di un sommergibile di media grandezza, tale, per intenderci, da presentare un $TS$ (target strength) dell' ordine di $15\ dB.$

L'ipotesi dell'impiego di un triedro come bersaglio mobile non è accettabile per la variazione del suo assetto lungo il percorso che provocherebbe sensibili variazioni del $TS.$

Per la sfera ed il cilindro, invece, utilizzando le formule sotto riportate, relative alla determinazione del $TS$ per i due solidi, calcoliamo le dimensioni meccaniche che questi dovrebbero avere per ottenere un $TS=15\ dB$

• per la sfera di raggio $r$ in metri:

essendo $TS={20\cdot log_{10}{(2\cdot r/4)}}$ si ha:

$r=2\cdot 10^{TS/20}$ $=2\cdot 10^{15/20}$ = $11.2$

• per il cilindro di raggio $r$ e lunghezza $L$, in metri, essendo

$TS={10\cdot log_{10}{(r\cdot L^{2}/2\cdot \lambda })}$

se $L=3\ m$  e $\lambda =0.15$ ( lunghezza d'onda dell'impulso ricevuto) si ha :

$r=(2\cdot \lambda /L^{2}){(10^{TS}/10)}$ = $(2\cdot 0.15/3^{2}){(10^{25}/10)}$ = $1.05\ m$

Dai dati emersi risulta che la sfera non sarebbe ragionevolmente costruibile; per il cilindro, qualora costruito, si presenterebbero enormi difficoltà di movimentazione e posizionamento alla quota d'impiego.

Da qui nasce l'esigenza della realizzazione di bersagli trainati di tipo elettroacustico dei quali ci occuperemo di seguito.

La struttura dei bersagli trainati per sonar attivi e passivi degli anni 60

Il bersagli venivano trainati a quota prefissata tramite una fune molto lunga da un mezzo leggero, ad esempio un motoscafo, al quale veniva fatta seguire una rotta stabilita per i rilievi del sonar; raggiunta la quota il comando d'accensione idrostatico attiva il dispositivo.

I bersagli elettroacustici per sonar attivi e passivi, di tipo trainato,  sono stati progettati e costruiti dalla Soc. USEA (La Spezia) negli anni 60; erano formati da un involucro cilindrico, con diametro di circa $25\ cm$ ed una lunghezza di circa $1\ m$ , con coppia di trasduttori, ogiva di avviamento idrodinamico, alette stabilizzatrici e comando d'accensione idrostatico così come mostrato in figura 1:

figura 1

Caratteristiche tecniche del bersaglio per il controllo del funzionamento del sonar in attivo (emissione di echi sintetici)

Affinché il bersaglio potesse avere il $TS\ voluto\ di\ 15\ dB$, ad esempio, ogni qualvolta fosse stato colpito da un impulso acustico emesso dal sonar ne avrebbe a sua volta trasmesso uno (a simulazione dell'eco), dopo un tempo brevissimo, ad un livello di $15\ dB$  superiore a quello ricevuto.

Per ottenere le prestazioni indicate il bersaglio aveva  una struttura secondo lo schema a blocchi di figura 2 con i seguenti blocchi funzionali:

figura 2

• ir = idrofono ricevente

• amf = amplificatore e filtro dell'impulso d'ingresso

• rv = rivelatore impulso amplificato

• cli = calcolatore livello e durata dell'impulso

• prle = predispositore livello di trasmissione e blocco ricevitore

• pl = generatore impulso di trasmissione

• Tx = trasmettitore di potenza

• te = trasduttore di emissione

Il funzionamento del sistema era il seguente:

l'impulso acustico emesso dal sonar colpiva l'idrofono ricevente (ir), la tensione impulsiva ai suoi capi veniva amplificata e filtrata nella banda stabilita dall'amplificatore (amf).

L'impulso in uscita da (amf) era  rivelato di cresta da (rv) ed inviato al misuratore di livello (cli).

Il segnale in uscita da (cli) era ricevuto dal predispositore di livello (prle) che ne valutava l'ampiezza ed, in base al TS stabilito, definiva il livello dell'impulso da emettere;  contemporaneamente bloccava il ricevitore (amf).

Da (prle) scaturiva il comando per il generatore dell'impulso di trasmissione (pl) che sviluppava un impulso di ampiezza stabilita.

Il trasmettitore di potenza (Tx) riceveva l'impulso d'emissione da (pl) e lo applicava al trasduttore (te) per la restituzione in acqua dell'eco sintetico.

Una volta avvenuta l'emissione il sistema si predisponeva automaticamente per la ricezione di un nuovo impulso e la successiva emissione dell'eco sintetico.

Caratteristiche tecniche del bersaglio per il controllo del funzionamento del sonar in passivo (emissione di rumore)

All'interno del vettore di figura 1 era disponibile anche la funzione di controllo dei sonar passivi.

Questa funzione aveva una struttura secondo il semplice schema a blocchi di figura 3:

figura 3

dove:

-gr = generatore di rumore ad ampio spettro

-sf = selettore banda di emissione

-vle = variatore del livello d'emissione

-Tx = trasmettitore di potenza

-te = trasduttore d'emissione

Il bersaglio, che questa predisposizione non usava l'idrofono ricevente ir, veniva preparato prima dell'immersione, mediante l'impostazione della banda, con (sf), e del livello del segnale, con (vle), che deve essere inviato a trasduttore d'emissione (te).

Bersagli sonar autonomi attivi e passivi

Con l’avvento dei computer e delle nuove tecnologie elettroniche, di alimentazione elettrica e nautiche sono stati studiati  bersagli sonar a navigazione autonoma e rotta predisponibile al momento del lancio.

Questi bersagli svolgono entrambe le funzioni attive e passive con predisposizione delle due modi operativi sulla base delle cinematiche programmate nel computer del vettore.

Caratteristiche del vettore portante i bersagli autonomi

La struttura dei bersagli elettroacustici autonomi  è mostrata in figura 4, in essa si osservano:

figura 4

• corpo cilindrico avviato di plastica per uso nautico

• trasduttore di emissione semisferico a prua del vettore

• Idrofono ricevente di tipo ad anello

• sensore di profondità

• alette stabilizzatrici

• elica di propulsione

Schema a blocchi funzionali  del bersaglio autonomo

Il sistema di ricezione, emissione , predisposizione operative è governato da un processore veloce così come illustrato nello schema a blocchi di figura 5.

figura 5

Un esempio di sequenza funzionale è il seguente:

Predisposizione a terra

• il software del processore 5 è predisposto dall’operatore, tramite il blocco 6,  per una cinematica studiata a tavolino che prevede, in un tempo determinato, traiettorie rettilinee, curvilinee e diversive con attività di bersaglio passivo, con livello di risposta pari al TS voluto, per una certa parte della corsa e attività di tipo attivo, con livello di emissione calibrato, per il resto del tempo.

Primo tratto di cinematica, ricezione ed emissione impulsi

• una volta in assetto di navigazione e un sonar di un semovente emette un impulso di ricerca del bersaglio detto impulso è ricevuto dall’idrofono 1, la tensione impulsiva conseguente  è amplificata nel blocco 2, filtrata nel blocco 3 e applicata ad un convertitore analogico-digitale 4 la cui uscita è collegata al processore 5.
• Il processore 5, valutata la frequenza dell’impulso e la sua ampiezza, genera un impulso sintetico digitale adatto a simulare l’eco di un bersaglio con TS stabilito.
• Una uscita del processore 5, destinata al trasferimento degli impulsi   viene convogliata al convertitore digitale analogico 7, da questo tramite il filtro 8 e il deviatore 9, predisposto per l’emissione dell’impulso, al blocco di trasmissione di potenza 10 che eccita il trasduttore semisferico disposto sulla prua del vettore.

Secondo tratto di cinematica, emissione rumori e toni

• a comando del processore 5 viene abilitato il complesso funzionale per la generazione di rumore bianco e toni per la simulazione di un semovente lontano; i blocchi 11; 12 per la generazione del rumore bianco in forma analogica, i blocchi 13:14 per la generazione di toni la cui frequenza è governata dal processore, il blocco deviatore 15, predisposto dal processore che, secondo la programmazione iniziale, seleziona il generatore di rumore 11;12.
• La tensione di rumore, tramite  il commutatore 9 opportunamente predisposto, è applicata al blocco 10 per l’emissione del rumore atto a simulare un semovente in navigazione.

Esame dei livelli degli impulsi sonar e del rumore del mare ricevuti dal risponditore

Con riferimento a figura 6 è presa in esame la dinamica dei livelli:

• Caso A : nave lontana $(R=10000\ m)$
• Caso B; nave vicina $(R=1000\ m)$
• Caso C; soltanto il rumore del mare

figura 6

Dinamica e livelli dell'unità di emissione degli impulsi

Sulla base dei valori delle tensioni inpulsive viste in predenza si computa la dinamica e la potenza generata dal gruppo 10 di figura 7:

figura 7

In figura 8 il diagramma dei livelli di emissione nel campo di frequenze $200\ Hz-13500\ Hz$; la zona celeste è relativa all'emissione di toni e rumori, la zona rossa, a più alti livelli interessa l'emissione degli echi sintetici.

figura 8

Dinamica e livelli dell'unità di emissione toni e rumori

Dopo un esame dei livelli emessi da un cacciatorpediniere (CT) alla velocità di 15 nodi si calcolano i livelli del generatore di rumore e dei toni mostrato in figura 9.

figura 9

per l'emissione dei rumori con il blocco 10 di figura 10

figura 10

Filosofia del sistema governata dal processore

In 10 punti la descrizione sintetica delle funzioni software del processore 5 di figura 5.

In questo paragrafo il numero delle figure, indicato con Fig. 1 e Fig. 2 , si riferisce soltanto alle due immagini del paragrafo nstesso.

Bibliografia

• C.W. Helstrom, Statistical Theory of Signal Detection, Pergamon Press

• Kim McCoy, Beatrice Tomasi, Giovanni Zappa, JANUS: la genesi, la propagazione e l'uso di uno standard subacqueo, Centro di ricerca sottomarino della NATO, Viale San Bartolomeo 400, 19126 La Spezia, Italia.

• Lockheed Martin’s Massachusetts, Expendable Mobile Anti-Submarine warfare (ASW) Training Targhets: MK39 Mod 2 EMATT