Misura della velocità di un bersaglio sonar tramite l'effetto Doppler

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lezione
Misura della velocità di un bersaglio sonar tramite l'effetto Doppler
Tipo di risorsa Tipo: lezione
Materia di appartenenza Materia: Principi, sistemi e metodologie per la localizzazione subacquea attiva
Avanzamento Avanzamento: lezione completa al 100%.

La misura della velocità[1] di un bersaglio sonar tramite l'effetto Doppler si avvale delle variazioni di frequenza dell'eco.[2] dovute al moto relativo tra la sorgente sonora e il bersaglio.

Tramite tale fenomeno fisico, ed opportune trasformazioni, il sonar può rilevare la componente della velocità relativa del bersaglio lungo la congiungente bersaglio-sottomarino; l'informazione dedotta coadiuva le strategie operative.

Condizioni operative nella scoperta sonar con il metodo dell'eco[modifica]

Le condizioni[3] operative sul campo[4] possono assumere diverse geometrie, alcune di queste sono indicate in figura 1:

figura 1 Diverse configurazioni sul campo tra sottomarino (a) in fase di scoperta e bersaglio (b).

Per posizioni del sottomarino (a) e del bersaglio (b) sulla lstessa rotta o rotte opposte abbiamo:

  • 1) Sottomarino (a) fermo, in fase di scoperta attiva, bersaglio (b) anch'esso fermo.
  • 2) Sottomarino (a) fermo, in fase di scoperta attiva, bersaglio (b) in allontanamento.
  • 3) Sottomarino (a) fermo, in fase di scoperta attiva, bersaglio (b) in avvicinamento.
  • 4) Sottomarino (a) e bersaglio (b) in avvicinamento tra loro.
  • 5) Sottomarino (a) e bersaglio (b) in allontanamento l'uno dall'altro

Per traiettorie inclinate tra loro:

  • 6) Sottomarino (a) e bersaglio (b) su rotte diverse.

Il significato delle frecce:

  • Freccia rossa, il percorso dell'impulso emesso dal trasmettitore sonar del sottomarino (a), che colpisce il bersaglio (b).
  • Freccia blu, il percorso dell'eco di ritorno dal bersaglio verso il ricevitore del sonar.

Rapporto tra frequenza dell'impulso emesso dal sonar e frequenza dell'eco di ritorno[modifica]

Facendo riferimento alla figura precedente si deduce come l'effetto Doppler condizioni la frequenza dell'eco.

  • 1) Nel caso in cui, tanto il sottomarino (a) in fase di scoperta sonar, quanto il bersaglio (b) siano fermi, la frequenza dell'eco ricevuto dal sonar è uguale alla frequenza emessa dal trasmettitore del sonar; e non si ha generazione dell'effetto Doppler.
  • 2) Nel caso in cui il sottomarino (a) sia fermo, in fase di scoperta sonar, e che il bersaglio (b) sia in allontanamento, la frequenza dell'eco ricevuto dal sonar è inferiore alla frequenza emessa dal trasmettitore del sonar:.
  • 3) Nel caso in cui il sottomarino (a) sia fermo, in fase di scoperta sonar, e che il bersaglio (b) sia in avvicinamento, la frequenza dell'eco ricevuto dal sonar è superiore alla frequenza emessa dal trasmettitore del sonar:.
  • 4) Nel caso in cui il sottomarino (a), in fase di scoperta sonar, e che il bersaglio (b) siano entrambi in avvicinamento tra loro, la frequenza dell'eco ricevuto dal sonar è superiore alla frequenza emessa dal trasmettitore del sonar:.
  • 5) Nel caso in cui il sottomarino (a), in fase di scoperta sonar, e il bersaglio (b) siano entrambi in allontanamento tra loro, la frequenza dell'eco ricevuto dal sonar è inferiore alla frequenza emessa dal trasmettitore del sonar:.
  • 6) Nel caso in cui il sottomarino (a), in fase di scoperta sonar, e che il bersaglio (b) siano su due traiettorie diverse, la frequenza dell'eco ricevuto dal sonar è diversa dalla frequenza emessa dal trasmettitore del sonar:[5].

Situazione statica dei semoventi[modifica]

Con riferimento al caso 1) della figura, con sottomarino e bersaglio fermi, non si genera l'effetto Doppler e la frequenza contenuta nell'eco è uguale alla frequenza dell'impulso emesso dal sonar.

Calcolo della frequenza dell'eco a causa dell'effetto Doppler[modifica]

Nel caso 2) della figura, nell'ipotesi che l'ambiente abbia un basso grado di riverberazione, la dell'eco si può calcolare indicando con la variazione di frequenza subita da a causa dell'effetto Doppler.

Il valore di è calcolabile con l'espressione approssimata:

dove:

frequenza impulso emesso dal sonar

è la differenza di velocità tra il sottomarino (a) e il bersaglio (b), espressa in .

è la velocità del suono in mare

se ad esempio: ; (sottomarino fermo) ; (bersaglio in allontanamento); si ha:

=

ne segue:

Calcolo della velocità Vb del bersaglio in allontanamento[modifica]

Con riferimento al caso 2) della figura, con sottomarino fermo e bersaglio in allontanamento si ha: .Elaborando le espressioni sviluppate inizialmente si ottiene l'algoritmo:

che consente una valutazione approssimata della velocità del bersaglio.

Esempio:

Se l'operatore al sonar emette un impulso alla frequenza e riceve un'eco dal bersaglio alla frequenza , riscontrando che , stabilisce che il bersaglio è in allontanamento; dal calcolo ne rileva, successivamente, la velocità con l'espressione:

= pari a nodi

Calcolo della velocità Vb del bersaglio in avvicinamento[modifica]

Con riferimento al caso 3) della figura, con sottomarino fermo e bersaglio in avvicinamento si ha: .

Elaborando le espressioni sviluppate inizialmente si ottiene l'algoritmo:

che consente la valutazione approssimata della velocità del bersaglio.

Esempio:

Se l'operatore al sonar emette un impulso alla frequenza e riceve un'eco dal bersaglio alla frequenza , riscontrando che , stabilisce che il bersaglio è in avvicinamento; dal calcolo ne rileva, successivamente, la velocità con l'espressione:

= pari a nodi

Calcolo della velocità Vb del bersaglio con sottomarino e bersaglio in avvicinamento tra loro[modifica]

Con riferimento al caso 4) della figura, con sottomarino e bersaglio in avvicinamento tra loro si ha: .

Elaborando le espressioni sviluppate inizialmente si ottiene l'algoritmo:

che consente la valutazione approssimata della velocità del bersaglio.

Esempio

Un sottomarino (a) naviga a velocità verso un bersaglio (b); l'operatore al sonar dopo aver emesso un impulso alla frequenza riceve un'eco dal bersaglio alla frequenza , riscontrando[6] che , deduce che il bersaglio sia in avvicinamento, successivamente ne calcola la velocità con l'espressione: = pari a nodi.

Calcolo della velocità Vb del bersaglio con sottomarino e bersaglio in allontanamento tra loro[modifica]

Con riferimento al caso 5) della figura, con sottomarino e bersaglio in allontanano tra loro si ha: .

Elaborando le espressioni sviluppate inizialmente si ottiene l'algoritmo:

che consente la valutazione approssimata della velocità del bersaglio.

Esempio

Un sottomarino (a) naviga a velocità rispetto ad un bersaglio (b) in allontanamento; l'operatore al sonar dopo aver emesso un impulso alla frequenza riceve un'eco dal bersaglio alla frequenza , riscontrando che , deduce che il bersaglio sia in allontanamento, successivamente ne calcola la velocità con l'espressione: = pari a nodi.

Calcolo della velocità Vb del bersaglio con sottomarino e bersaglio su traiettorie inclinate[modifica]

Con riferimento al caso 6) della figura, con sottomarino e bersaglio su traiettorie inclinate tra loro si ha: .

Se i movimenti del bersaglio non sono effettuati lungo la stessa rotta con il sottomarino, ma secondo una retta inclinata dell’angolo , rispetto alla traiettoria del sottomarino, le formule impiegate per i diversi casi di della figura, dal 2) al 5), saranno ancora valide ma vedranno le variabili della velocità, Va e Vb modificarsi rispettivamente in:

Qualora l’angolo assuma l’ampiezza di ° il valore della variabile sarà nullo dato che si trasforma in - con il conseguente annullamento del Doppler.

Note[modifica]

  1. Vedi G. Pazienza, pagine 314, 317
  2. La misura delle variazioni di frequenza rilevate da un'eco di breve durata era, nel 1970, cosa molto complicata; oggi con i processori di segnale è diventata operazione di routine
  3. Per semplicità d'esposizione si considerano semoventi navali alla stessa quota.
  4. S'intende la zona di mare dove il sottomarino è in azione.
  5. La mancanza di determinazione delle altezze tra e è dovuta alla posizione angolare che le due traiettorie potranno assumere.
  6. Con i sistemi moderni di scoperta è il computer del sonar che valuta automaticamente la differenza tra le frequenze ed esegue il calcolo della velocità.

Bibliografia[modifica]

  • Department of the Navy, Advanced Submarine Sonar Technology, Washington D.C., Napers 93084 Bureau of Naval Personnel, 1965.
  • J.W. Horton, Foundamentals of Sonar, United States Naval Institute,Annapolis Maryland, 1959
  • G. Pazienza, Fondamenti della localizzazione marina, La Spezia, Studio grafico Restani, 1970.
  • Raytehon, Sonar Performance Calculator Submarine Signal Division, Portsmouth