Misura della distanza con il sonar

Sottomarino con basi acustiche a torre per la misura della distanza con il sonar

La misura della distanza con il sonar è una caratteristica dei sistemi di localizzazione subacquea di determinare, tramite la ricezione delle onde acustiche emesse da un semovente navale, la distanza del semovente stesso.

Diversi metodi sono stati sviluppati per la misura della distanza con il sonar; due di questi utilizzano:

La curvatura delle onde acustiche in mare

La riflessione delle onde acustiche sul fondo.

Misura secondo curvatura fronte d'onda

Geometria di misura

Contesto operativo sul campo, posizioni relative sottomarino bersaglio, in evidenza la curvatura delle onde

In via teorica il calcolo della distanza si sviluppa studiando la geometria nel piano orizzontale dedotta dal contesto operativo.

Analisi della geometria

Per l'utilizzo della geometria sul campo il sottomarino era dotato di particolari basi acustiche riceventi torreggianti sullo scafo

Sottomarino con vista delle tre basi acustiche

 

Geometria delle basi acustiche per la misura della distanza

Per lo studio della geometria di misura si traccia un dettaglio ingrandito, deformato nelle proporzioni, della situazione operativa; il grafico di una sola onda generata dal bersaglio che colpisce il sottomarino:

Il fronte d'onda colpisce inizialmente l'elemento centrale della base, di seguito, dopo aver percorso la lunghezza della freccia $f$, colpisce i due elementi estremi.

Dalla geometria si ricava:

$D^{2}=f\cdot (2\cdot R+f)$

dato che la lunghezza della freccia $f$ è irrilevante rispetto alla distanza $R$ si scrive:

$D^{2}=2\cdot f\cdot R\ \$ quindi

$R=D^{2}/(2\cdot f)$

La misura della distanza $R$ viene computata valutando il ritardo temporale, $tf$, necessario al fronte d'onda per percorre in mare la freccia $f$:

$tf=f/c$

Essendo $f=tf\cdot c$

si ha la distanza $R$ in funzione del tempo di ritardo $tf$:

$R=D^{2}/(2\cdot tf\cdot c)$

Esame numerico dell'algoritmo

Variazione di tf in funzione della distanza R

L'esame dell'algoritmo sviluppato in precedenza si rende necessario per valutare l'entità del ritardo $tf$ il cui valore, se troppo piccolo, crea problemi nella sua misura e incide sulla precisione di calcolo.

Dalla funzione:

$R=D^{2}/(2\cdot tf\cdot c)$

si esplicita il tempo tf:

$tf=D^{2}/(2\cdot R\cdot c)$

tre curve parametriche in $D$ si possono tracciate per $tf$ funzione di $R$ variabile da $1000\ m$ a $10000\ m$.

I parametri sono:

$D1=25\ m$ ; $D2=50\ m$ ; $D3=75\ m$

I grafici mostrano che minore è la distanza $D$ minore è l'entità del ritardo $tf$ che il misuratore della distanza deve elaborare.

Errori nella valutazione del tempo tf

Distorsione del fronte d'onda

Due possono essere le cause d'errore più rilevanti nella misura di $tf$:

• - Un rapporto sfavorevole tra il segnale e il disturbo $(S/N)$ , dove quest'ultimo dipende, prevalentemente, dallo stato del mare
• - La deformazione del fronte d'onda dovuta a riflessioni dal fondo e dalla superficie.

Misura per riflessione dal fondo

Geometria nel piano verticale per riflessione dal fondo

Il metodo utilizza la riflessione dal fondo dei raggi acustici generati dai semoventi navali; la geometria del campo operativo deve essere tracciata nel piano verticale:

Se i due mezzi sono alla stessa quota, ovvero per $dq=0$, e i due raggi acustici che incidono sul fondo sono uguali, l'algoritmo per il calcolo della distanza $R$ è:

$R={\frac {2\cdot P}{\tan \beta }}$

dove:

$P=$ quota del sottomarino

$\beta =$ angolo di depressione .

Se i due mezzi si trovano a quote diverse; uno alla quota $P$ e l'altro alla quota $P-dq$ il calcolo di $R$ si esegue con la formula:

$R={\sqrt[{}]{[({\frac {2\cdot P-dq}{\tan \beta }})^{2}+dq^{2}]}}$

Il calcolo della distanza sarà tanto più attendibile quanto potrà esserlo la valutazione della differenza di quota $dq.$

Base acustica

Simulacro base semisferica

La misura della distanza per riflessione sul fondo utilizza una caratteristica base acustica semisferica non visibile all'esterno del battello perché sistemata sotto il falso scafo.

Questa base consente la misura dell'angolo $\beta$ nel piano verticale.

Gli errori nella misura della distanza per riflessione

Le cause d'errore più rilevanti nella misura della distanza, oltre alla differenza di quota dei due battelli, sono:

Un rapporto sfavorevole tra il segnale e il disturbo $(S/N)$, dove quest'ultimo dipende, prevalentemente, dallo stato del mare

L'alterazione dell'inclinazione dei raggi acustici a seguito fenomeni legati alla propagazione del suono in mare.

Note

Annotazioni

Fonti

Bibliografia

• (EN) Robert J. Urick, Principles of underwater sound, 3ª ed., Mc Graw – Hill, 1968.

• G. Pazienza, Fondamenti della localizzazione marina, La Spezia, Studio grafico Restani, 1970.

• C. Del Turco, La correlazione, Tip. Moderna La Spezia 1992.

• G. Clifford Carter, Coherence and Time Delay Estimation, Proceedings of the IEEE vol.75 no 2, 1987.

• Billur Barshan – All Safak Sekmen, Radium of curvature estimation and localization of targets using multiple sonar sensor, J. Acoust. Soc. Am. Vol. 105. no 4, 1999.

Collegamenti esterni

N° FASCI Selenia

Sonar FALCON

Schemi sonar FALCON

Testo discorsivo sul sonar

Testo tecnico sulla Correlazione