Parametri caratterizzanti del sonar

Sonar IPD70

Italia

-Soc. USEA

-La Spezia

-Inizio costruzione = 1998

-Fine costruzione = 1970

-Utilizzato nei sottomarini Cl. Sauro fino al 2010, data di radiazione dell'ultimo battello.

I parametri caratterizzanti del sonar per la valutazione delle specificità di targa dell'apparato sono:

• precisione
• accuratezza
• risoluzione

Le figure del testo per l'esame di questi parametri sono adatte per il controllo su sottomarino operativo, in un poligono acustico (privo di rumori), dove oltre al sottomarino sia collocato, ad adeguata distanza, un bersaglio sonar (corpo cavo sferico o cilindrico) , traguardabile con un teodolite; questo strumento ottico s'ipotizza fissato sul sottomarino in superficie; con questo dispositivo si ha il riferimento di precisione per il rilievo della direzione del bersaglio, rappresenta termine di confronto con la direzione del bersaglio rilevata acusticamente con il sonar.

• Il parametro precisione si riferisce alla finezza di misura del rilevamento di un bersaglio; piccoli scostamenti attorno ad una rilevamento spostato rispetto alla direzione campione rilevata con teodolite

• Il parametro accuratezza si riferisce alla misurazione del rilevamento angolare di un bersaglio con ampi scostamenti in più od in meno attorno alla direzione campione rilevata con teodolite.

• Il parametro risoluzione si riferisce alla capacità del sonar di discriminare il rilevamento tra due bersagli angolarmente vicini.

Nella letteratura il tema è trattato in forma prevalentemente teorica nella quale la matematica statistica svolge un ruolo preminente; in questa pagina l'argomento è sviluppato , per quanto possibile, secondo semplici dimostrazioni tecniche che non tengono conto, volutamente, del rumore del mare.

Disposizione dei mezzi nel poligono

figura 1a

La disposizione del sottomarino e del bersaglio, per il controllo dei due parametri precisione e accuratezza è mostrata in figura 1a ; la traccia rossa per evidenziare la misurazione, con il teodolite, dell'angolo di riferimento $\alpha$ = $40$° tra l'asse del sottomarino e il bersaglio.

Possibili risultati dei rilievi

figura 1b

Le possibili condizioni rilevabili sul campo, per il rilevo della precisione e dell'accuratezza, sono riportate in figura 1b e di seguito commentate:

Ipotetici risultati nelle fasi di collaudo di un sonar attivo:

• A- Il piccolo settore grigio mostra che i rilevamenti possono avere qualsiasi valore nell'ambito del settore stesso; in questo caso il rilevamento è poco accurato (si misurano $41$° invece di $40$°; ( è come collimare un falso bersaglio) ma le molteplici misure eseguite indicano che la componente attiva del sonar è di buona precisione dato che gli scarti sulla falsa direzione sono contenuti una fascia ristretta di valori di $\pm \ 0.2$° ( $41$° $\pm \ 0.2$°)

• B- L'ampio settore verde mostra che il rilevamento è accurato ma poco preciso ; si misura un angolo attorno ai $40$° con scarti sensibili di $\pm \ 1$°

• C- Il settore nero, molto piccolo, mostra che il rilevamento è accurato e preciso ; si misura un angolo di $40$° con scarti dell'ordine di $\pm \ 0.1$°

Controllo della risoluzione

figura 2 : Disposizione dei mezzi nel poligono per il controllo della risoluzione angolare

Una disposizione generica del sottomarino e dei bersagli per il controllo del parametro risoluzione è mostrata in figura 2 ; le tracce rosse per evidenziare le misurazioni, con il teodolite, degli angoli di riferimento $\alpha$ = $40$° per il primo bersaglio e $\alpha '$ = $45$° per il secondo bersaglio.

Analisi della risoluzione angolare

Ottima risoluzione angolare

Il parametro risoluzione si riferisce alla capacità del sonar di discriminare tra due dati acustici; se questi sono afferenti alla direttività della base del sonar il parametro risoluzione ha come simbolo: $\Delta \phi$.

Se ad esempio consideriamo i dati acustici relativi alle posizioni angolari di due bersagli, ciascuno di essi sarà individuato da un diagramma di direttività così come mostra la figura 3, nella quale il primo bersaglio (curva blu) è disposto su $30$° e il secondo bersaglio (curva rossa) è disposto su $50$°.

Le due curve possono essere, ad esempio, il risultato della scansione dell'orizzonte con un sistema a fasci preformati; le tensioni di due fasci, ciascuna individuata rispettivamente con i simboli $s1\ ;\ s2$ si presentano all'uscita del sistema di rivelazione come due livelli la cui ampiezza è funzione dell'angolo di puntamento.

Il parametro di risoluzione del sonar, il cui limite vedremo in seguito, è definito dalle caratteristiche di direttività tracciate in figura 3; queste nell'esempio specifico consentono le rilevazione dei due bersagli senza possibilità assoluta di errore; questo perché la distanza angolare tra i due, di $20$° , è il doppio della larghezza dei singoli lobi misurata a $-3\ dB$ $(10)$° ; questa geometria fa sì che la somma $Sm$ delle tensioni $s1;s2$ dei due segnali nel punto d'incontro tra le due curve sia irrilevante rispetto ai livelli dei loro massimi.

Se i due bersagli sono più vicini (ad esempio a distanza angolare di $10$° ), come ad esempio in figura 4, la possibilità di discriminare tra le due direzioni diventa più critica:

In questo caso infatti la somma $Sm$ delle tensioni dei due segnali $s1=0.6$ ed $s2=0.6$ nel punto d'incontro è pari a: $Sm={\sqrt {(s1)^{2}+(s2)^{2}}}$ = ${\sqrt {(0.6)^{2}+(0.6)^{2}}}=0.84$

La presenza di $Sm=0.84$ deforma il grafico di figura 4 in quello di figura 5 nel quale si vede come le due curve, fondendosi in un'unica traccia, si differenzino meno angolarmente anche se ancora in grado di discriminare le due diverse posizioni angolari a $30$° e a $40$° .

• Analisi della risoluzione angolare tramite le caratteristiche di direttività: scarsa risoluzione
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Quando la distanza angolare tra i due bersagli è $9$° i valori di $s1;s2$ sono pari a circa $0.7$ così come mostra la figura 6:

in questo caso la somma $Sm$ è pari a:

$Sm={\sqrt {(s1)^{2}+(s2)^{2}}}$ = ${\sqrt {(0.7)^{2}+(0.7)^{2}}}=0.98$ e le due curve sono difficilmente discriminabili tra loro come si evince da figura 7:

La figura mostra che la discriminazione tra i due bersagli non è più possibile; s'individua un solo falso bersaglio per la direzione mediana, nel nostro caso per circa $35$°.

Si deduce quindi, per questo esempio, che il limite del parametro di risoluzione angolare ( $\Delta \phi$) deve essere superiore a $9$°, ad esempio $10$°, corrispondente alla larghezza del lobo a $-3\ dB$ della curva di figura 3.

Bibliografia

• J.W. Horton, Foundamentals of Sonar, United States Naval Institute,Annapolis Maryland, 1959

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

• Cesare Del Turco, Sonar- Principi - Tecnologie - Applicazioni,Tip. Moderna,La Spezia, 1992.