Misura della distanza tramite sonar

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lezione
Misura della distanza tramite sonar
Tipo di risorsa Tipo: lezione
Materia di appartenenza Materia: Principi, sistemi e metodologie per la localizzazione subacquea passiva
Avanzamento Avanzamento: lezione completa al 100%.

La misura della distanza tramite il sonar è la capacità del sistema 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; due di questi utilizzano:

  • La curvatura delle onde acustiche in mare
  • La riflessione delle onde acustiche sul fondo

Misura della distanza mediante valutazione della freccia del fronte d'onda[modifica]

In via teorica il calcolo della distanza si sviluppa studiando la geometria nel piano orizzontale dedotta dal contesto operativo di figura 1:

figura 1 Situazione operativa sul campo, posizioni relative sottomarino nave

Per l'utilizzo della geometria sul campo il sottomarino era[1] dotato di particolari basi acustiche riceventi torreggianti sullo scafo (figure 2 e 3 ):

figura 2 Sottomarino con basi acustiche in primo piano
figura 3 Sottomarino con vista delle tre basi acustiche

In figura 4 un dettaglio ingrandito, deformato nelle proporzioni, della situazione operativa; il grafico di una sola onda generata dal bersaglio che colpisce il sottomarino:

figura 4 Geometria per la misura della distanza

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

Dalla geometria di figura 4 si ricava:

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

quindi

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

dove velocità del suono in mare.

Essendo

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

Esame numerico dell'algoritmo[modifica]

L'esame dell'algoritmo sviluppato in precedenza si rende necessario per valutare l'entità del ritardo il cui valore, se troppo piccolo, crea problemi per la precisione di calcolo.

Dalla funzione:

si esplicita il tempo tf:

In figura 5 una famiglia di curve parametriche in sono tracciate per funzione di variabile da a . I parametri sono:

 ;  ;

figura 5 Variazione di tf in funzione della distanza R

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

Gli errori nella valutazione del tempo [modifica]

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

  • - 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 così come mostrato in figura 6:
figura 6 Distorsione del fronte d'onda

La misura della distanza per riflessione dal fondo[modifica]

Il metodo[2] utilizza la riflessione dal fondo dei raggi acustici generati dai semoventi navali; la geometria del campo operativo è mostrata, in figura 7, nel piano verticale:

figura 7 Geometria riflessione dal fondo

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

dove:

quota del sottomarino

angolo di depressione

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

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

La misura della distanza per riflessione sul fondo utilizza una caratteristica base acustica[3] semisferica, in figura 8, non visibile all'esterno del battello perché sistemata sotto il falso scafo.

figura 8 Simulacro base semisferica

Gli errori nella misura della distanza per riflessione[modifica]

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[modifica]

  1. Questa metodologia di misura con basi acustiche sopra scafo è stata impiegata nel periodo della II guerra mondiale.
  2. Metodi più innovativi sono stati studiati nel tempo ma restano coperti dal segreto militare.
  3. Nei sonar moderni sono impiegati più sistemi di scoperta con annesse basi acustiche, i dati elaborati vengono poi fusi per ricavare variabili più attendibili.

Bibliografia[modifica]

  • 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.
  • Cesare Del Turco, La correlazione, collana scientifica ed. Moderna La Spezia, 1993.