Sonar attivo

Scoperta dei bersagli con sonar attivo: il sottomarino a) localizza, con il metodo dell'eco i tre bersagli b), c), d)

Il sonar attivo è un localizzatore subacqueo che esegue la ricerca dei bersagli emettendo impulsi acustici ad alto livello per riceverne, come conseguenza, gli echi.

Caratteristiche dei bersagli dedotte dal sonar:

• Posizione angolare rispetto al Nord
• Traiettoria
• Misura della quota
• Misura della distanza
• Rilevamento della velocità
• Altri particolari dati operativi

Sequenza operativa del sonar

La sequenza operativa raccoglie tute le funzioni e/o gli eventi che si sviluppano nel sonar attivo e in mare dall'inizio dell'attività di ricerca dei bersagli alla scoperta e visualizzazione delle loro tracce.

• Nel localizzatore e in mare: Valutazioni delle condizioni ambientali (tracciamento dei raggi acustici e calcoli di previsione della portata)

• Nel localizzatore: comando per l'emissione degli impulsi acustici

• Nel localizzatore: generazione degli impulsi elettrici da applicare alla base acustica d'emissione

• Nel localizzatore e in mare: trasduzione degli impulsi elettrici in acustici con la base d'emissione

• In mare: i problemi dovuti alla riverberazione a seguito emissione impulso in mare

• In mare: i bersagli generano gli echi conseguenti all'emissione

• Nel localizzatore: ricezione degli echi mascherati dalla riverberazione

• Nel localizzatore: elaborazione dati e visualizzazione delle tracce dei bersagli

Generatore di potenza e base acustica

Cofano di un generatore di potenza e base acustica

Il sistema dì generazione degli impulsi acustici di un sonar attivo è, a grandi linee, costituito da un generatore di potenza elettrica e da una base acustica d'emissione.

Il generatore di potenza di un sonar installato su di un sottomarino è in grado di generare impulsi elettrici dell'ordine di decine di migliaia di watt.

La forma, la frequenza all'interno degli impulsi e la durata degli stessi possono variare in un'ampia gamma di valori suggeriti dalle condizioni operative al momento della ricerca dei bersagli.

La base acustica trasduce gli impulsi elettrici del generatore in impulsi acustici che si propagano in mare, inizialmente come onde sferiche.

Modalità d'emissione e livelli

L'emissione degli impulsi del sonar può essere comandata in modalità panoramica o in modalità direzionale .

Gli impulsi emessi dalla base acustica del sonar hanno, indicativamente, un livello di pressione pari a:

$LI\approx 230\ dB/\mu Pa/1m$

Ricezione echi dei bersagli

Consolle di calcolo e presentazione degli echi

La ricezione dei segnali acustici dovuti agli echi dei bersagli, e la loro visualizzazione, è affidata a un complesso sistema di elaborazione dati governato e interfacciato con la consolle di comando e controllo.

Le molteplici funzioni esplicate dalla consolle sono:

• Presentazione a cascata dello scenario subacqueo per la funzione attiva, lo schermo video dedicato per tale compito è nella parte alta della consolle.

• Presentazione in coordinate cartesiane dei diagrammi relativi ai calcoli del percorso dei raggi acustici in mare ; lo schermo dedicato è nella parte inferiore della consolle.

• Presentazione video della funzione BDI(in fase di emissione d'impulsi).

• Misura della velocità dei bersagli passivi mediante analisi dell'effetto Doppler.

• Comando a mezzo volantino della punteria manuale: presentazione del valore angolare connesso con il rilevamento dei bersagli.

• Comando per l'emissione impulsiva: omnidirezionale / direttiva / durata impulsi.

Il mare dopo l'impulso

La riverberazione

I fenomeni della riverberazione in mare accompagnano le emissioni acustiche del sonar attivo generate per l'illuminazione impulsiva dei bersagli, sono caratterizzati da tre tipi particolari che si manifestano, sia isolatamente, sia contemporaneamente in dipendenza delle caratteristiche dell'ambiente subacqueo.

Tipologie della riverberazione

I tre tipi della riverberazione:

• riverberazione di superficie (causata dalla riflessione delle onde acustiche che colpiscono la superficie del mare), tanto più elevata quanto è l'increspatura del mare
• riverberazione di fondo (causata dalle riflessione delle onde acustiche che colpiscono il fondo del mare), tanto più elevata quando il fondo è roccioso
• riverberazione di volume (causata dalle riflessione delle particelle disperse in mare e altre cause)

Lo svolgersi del fenomeno

Lo sviluppo del fenomeno della riverberazione è descrivibile in tre fasi:

• Prima fase - l'emissione dell'impulso del sonar;
• Seconda fase - la comparsa di una porzione dell'energia acustica riflessa dall'ambiente che la riverbera; prima giunge la riverberazione del volume d'acqua investito dall'impulso, successivamente le altre;
• Terza fase - la comparsa dell'eco del bersaglio coperto in parte dalla riverberazione.

Eco e riverberazione

Eco di un bersaglio e riverberazione causata dall'impulso del sonar

L'eco del bersaglio, in base alla distanza dal sonar può comparire in mezzo alla riverberazione.

In particolari condizioni il rapporto tra eco e riverberazione non consente la rivelazione del bersaglio.

Livello echi dei bersagli

TS in dB: diagramma della forza riflettente di un bersaglio variabile con l'aspetto

Quando un sonar attivo emette impulsi acustici per la ricerca di bersagli subacquei questi riflettono una porzione dell'energia ricevuta sotto forma di eco.

Il rapporto fra l'intensità dell'energia riflessa e l'intensità dell'onda incidente viene indicato come forza del bersaglio: TS (abbreviazione inglese per Target Strength); il TS è espresso in $dB$ (decibel).

L'entità del livello dell'eco dipende dalle caratteristiche volumetriche, di forma e di aspetto del bersaglio.

L'importanza dell'ampiezza del $TS$ nel calcolo delle portata di scoperta di un sonar attivo è sensibile.

Il TS dei sottomarini

Il calcolo del $TS$ per corpi aventi strutture geometriche regolari è stato sviluppato ed è disponibile in apposite tabelle di testi specialistici.

IL calcolo del $TS$ di strutture irregolari, quali ad esempio un'unità sottomarina dotata di torretta e altro che ne costituiscono l'insieme dello scafo, non è fattibile con precisione; la valutazione del $TS$ per dette strutture è affidata a rilievi sul campo.

Portata sonar in funzione del TS

Portata R in km in funzione del valore di TS in dB

La portata di scoperta di un sonar attivo indica in generale la probabile distanza alla quale questo può scoprire un bersaglio. La portata di scoperta non è un dato certo ma una previsione a carattere probabilistico.

Il calcolo della portata massima per propagazione sferico-cilindrica per la componente attiva si ottiene dalla soluzione del seguente sistema di equazioni in $R$:

${\begin{cases}TL=120+20\cdot \log _{10}{R}+2\cdot \alpha \cdot R\\TL=LI+TS-NL-DT+DI\end{cases}}$

Assunti i valori delle variabili che compaiono nel sistema con dati reali, $TS$ escluso, si calcola la curva che mostra come la portata $R$ vari da $22\ km\ a\ 31\ km$ per $Ts$ variabile da $0\ a\ 20\ dB.$

Valutazioni delle condizioni ambientali

Tracciamento raggi acustici

Uno dei molteplici casi della formazione della zona d'ombra: un bersaglio che si trovasse nella zona grigia non sarebbe scoperto dal sonar di un sottomarino al di fuori di tale zona

Dall'andamento delle traiettorie dei raggi acustici in mare, legate alle variazioni delle temperature dell'acqua, dipendono le capacità di scoperta dei sonar attivi.

Come attività propedeutica alla scoperta dei bersagli con il sonar attivo è necessario il computo e il tracciamento grafico delle traiettorie dei raggi acustici in mare per individuarne le zone d'ombra.

Le diverse situazioni che si possono verificare a seguito dei molteplici andamenti delle traiettorie dei raggi acustici si estendono dall'impossibilità di qualsiasi rilevamento sonar, nelle zone d'ombra, alle capacità di scoperta dei bersagli a distanze eccezionali nei casi di canalizzazione del suono.

Probabili portate di scoperta

Il calcolo delle portate di scoperta è un dato indicativo delle probabili distanze coperte dal localizzatore attivo.

Il computo dipende da diverse variabili sia caratteristiche fisiche del sonar, sia rilevate o desunte al momento come, ad esempio, il rumore del mare.

note

Annotazioni

Fonti

Bibliografia

• Urick, Principles of underwater sound, 3ª ed., Mc Graw–Hill, 1968.

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

• Aldo De Dominicis Rotondi, Principi di elettroacustica subacquea, Genova, Elettronica San Giorgio-Elsag S.p.A., 1990.

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

Collegamenti esterni

N° FASCI Selenia

Sonar FALCON

Schemi sonar FALCON

Testo discorsivo sul sonar

Testo tecnico sulla Correlazione