Cifra di merito sonar passivo

La cifra di merito sonar passivo^[1], indicata con la sigla $C M$ , rappresenta il massimo valore della perdita di trasmissione che consente la scoperta di una sorgente acustica, d'intensità prefissata, con le desiderate probabilità di rivelazione $(P r i v .)$ e di falso allarme $(P f a .)$ ; maggiore sarà il valore di $C M$ migliori saranno le prestazioni del sonar.

Algoritmi della CM

Funzione esplicita

In termini logaritmici decibel la $C M$ di un sonar passivo è definita dall'espressione:

$C M = S L^{'} - (N L - D I) - D T$

nella quale le variabili sono:

$S L^{'} i n d B / μ P a / B W / 1 m$ = livello di pressione emesso dalla sorgente acustica ricevuta, espresso in banda $B W$ ^{[N 1]}

$D I i n d B =$ guadagno di direttività della base acustica del sonar.

$D T i n d B =$ soglia di rivelazione del sonar passivo.

$N L = i n d B / μ P a / H z$ livello spettrale del rumore ambiente generato dalla somma del rumore del mare $N m$ e del rumore proprio del battello $N p$ ^[2], che raggiunge la base ricevente attraverso il fissaggio di quest'ultima alla piattaforma ^{[N 2]}; si scrive: $N L = N m + N p$

Parte di questa funzione, il termine $(N L - D I)$ , viene utilizzata per il controllo della funzionalità del sonar e della piattaforma, secondo l'impostazione di un particolare parametro di progetto indicato con la lettera $k$ .

Analogia

L'algoritmo del $C M$ è l'analogo della seconda equazione del sistema trascendente impiegato per il calcolo della portata di un sonar passivo:

${\begin{matrix} T L = 60 + 20 \cdot \log_{10} R + α \cdot R \\ T L = S L + D I - N L - D T + 10 \cdot \log_{10} B W \end{matrix}$

L'equazione consente il calcolo dell'attenuazione massima $T L$ consentita al segnale del bersaglio sotto particolari condizioni, così come con il calcolo del $C M$ .

Le due equazioni sono identiche salvo la dimensione del livello della sorgente che nel sistema è indicata in $S L : d B / μ P a / \sqrt{H z} / 1 m$ ^{[N 3]} dato che il peso della banda del segnale, $10 \log_{10} B W$ , è aggiunto come somma, mentre per il $C M$ si indica con $S L^{'} : d B / μ P a / B W / 1 m$ comprensivo del peso della banda.

Dipendenza dalle sue variabili

La cifra di merito del sonar passivo s'incrementa, ad esempio, quando il livello della sorgente $S L^{'}$ cresce; infatti se la sorgente acustica emette più rumore, maggiore potrà essere la perdita di trasmissione accettata dal sonar con conseguente incremento della portata di scoperta.

La $C M$ decresce invece con il decremento dell'indice di direttività $D I$ ; ciò per il fatto che, se il $D I$ diminuisce, aumenta il rumore captato dalla base con la conseguenza di un peggioramento delle prestazioni di scoperta.

Analogamente un incremento del rumore $N L = N m + N p$ (sia di $N m$ sia di $N p$ ) o un aumento voluto della soglia di rivelazione $D T$ portano a una diminuzione della $C M$ , con la conseguenza di una riduzione della portata di scoperta.

Dato che un incremento del rumore proprio $N p,$ ^[3] che giunge alla base ricevente tramite il fissaggio a scafo di quest'ultima, provoca una riduzione della portata di scoperta, il controllo periodico del binomio della cifra di merito, $(N L - D I)$ , è utile affinché le prestazioni del sonar non si degradino all'insaputa dell'operatore.

Il controllo di $(N L - D I)$ consente inoltre la verifica dell'integrità della base ricevente che, se alterata da guasti parziali e imprevisti, con il conseguente decremento del $D I$ , può a sua volta provocare una riduzione delle prestazioni del sonar.

Considerazioni numeriche

Le procedure per le computazioni del $C M$ e delle portate di scoperta di un sonar passivo oggetto del paragrafo a seguire fanno riferimento alle dimensioni delle variabili:

$f 1 = 4000 H z$ frequenza inferiore della banda di ricezione

$f 2 = 6000 H z$ frequenza superiore della banda di ricezione

$B W = 2000 H z$ larghezza della banda di ricezione

$d = 1; P r i v . = 50 %; P f a . = 20 %$ parametri probabilistici

propagazione: sferico-cilindrica

Calcolo CM su battello ideale

Un battello ideale ^{[N 4]} non trasmette rumore alla base ricevente dato che $N p = 0$ ; in questo caso la variabile $N L$ è dovuta soltanto al rumore del mare $N m$ ; se in tali condizioni assumiamo ad esempio:

$S L^{'} = + 150 d B / μ P a / B W / 1 m$

$D I = 20 d B$

$D T = 15 d B$

$N L = + 55 d B / μ P a / H z$ (soltanto rumore del mare)

si ha:

$C M = S L^{'} - (N L - D I) - D T$ = $150 - (55 - 20) - 15$ = $100 d B$ .

Portata di scoperta

Con il valore di $C M$ calcolato il sonar può contare su di un notevole margine di attenuazione del rumore emesso dal bersaglio; tale attenuazione consente una portata di scoperta di $R = 67 k m$ ; risultato ottenuto con la soluzione del sistema trascendente visto all'inizio dove $S L = S L^{'} - (10 \cdot l o g \cdot B W)$ .

Calcolo CM su battello reale

Un battello reale trasmette rumore alla base ricevente; in questo caso la variabile $N L$ è dovuta alla somma del rumore del mare $N m$ e del rumore del battello $N p$ .

Supponiamo che siano:

$N m = + 55 d B / μ P a / H z$

$N p = + 10 d B / μ P a / H z$

$S L^{'} = + 150 d B / μ P a / B W / 1 m$

$D I = 20 d B$

$D T = 15 d B$

sarà:

$N L = N m + N p$ = $+ 55 d B / μ P a / H z + 10 d B / μ P a / H z$ = $(55 + 10) = 65 d B / μ P a / H z$

da cui:

$C M = S L^{'} - (N L - D I) - D T$ = $150 - (65 - 20) - 15 = 90 d B$

Portata di scoperta

Con questo valore ridotto del $C M$ il sonar può contare ancora su di un discreto margine di attenuazione; tale attenuazione consente una portata di scoperta di $R = 43 k m$ .

Calcolo CM con base in avaria

Se un guasto alla base del sonar riduce il $D I$ da $20 d B$ a $18 d B$ , ferme restando le variabili esposte in precedenza, si ha:

$S L^{'} = + 150 d B / μ P a / B W / 1 m$

$D I = 18 d B$

$D T = 15 d B$

$N L = N m + N p$ = $+ 55 d B / μ P a / H z + 10 d B / μ P a / H z$ = $65 d B$

da cui: $C M = S L^{'} - (N L - D I) - D T$ = $150 - (65 - 18) - 15$ = $88 d B$

Portata di scoperta

Con il $C M$ ridotto a $88 d B$ il sonar ha un margine di attenuazione del rumore emesso dal bersaglio sensibilmente inferiore rispetto ai due valori precedenti.

Con questa riduzione del $C M$ la portata di scoperta si riduce a $R = 39 k m$ .

Osservazioni sul binomio ( NL - DI )

Le osservazioni sul binomio $N L - D I$ espresso in $d B / μ P a / H z$ mirano alla impostazione di un parametro $k$ , ^{[N 5]} deducibile dalle misure acustiche in mare, necessario al controllo della $C M .$

Nella funzione

$C M = S L^{'} - (N L - D I) - D T$

il binomio $(N L - D I)$ , essendo $N L = N m + N p$ , può essere scritto come

$(N m + N p - D I)$ che sostituito nella $C M$ la modifica in:

$C M = S L^{'} - (N m + N p - D I) - D T$

tolta la parentesi si ha

$C M = S L^{'} - N m - N p + D I - D T$

posto $k = D I - N p$ si ha infine:

$C M = S L^{'} - N m + k - D T$

nella nuova espressione di $C M$ il binomio $k = D I - N p$ è una variabile misurabile in mare.

Le computazioni condotte mostrano come il degrado della $C M$ , in qualsiasi condizione ambientale, dipenda dall'alterazione del parametro $k = (D I - N p)$ .

Il parametro $k$ dipende rispettivamente dalla piattaforma e dalla base acustica del sonar.

Si osservi che tanto $D I$ che $N p$ sono dati valutati in sede di progetto del sonar e della piattaforma.

Valore del parametro k

Il valore di $k = D I - N p$ è fissato in sede di progetto del sonar in base a valutazioni accurate del $D I$ ^[4] e misure su $N p$ .

Valori di $k$ inferiori a quelli di progetto indicheranno una riduzione della $C M$ con la conseguenza di una diminuzione della portata di scoperta.

Le misure di $N p$ sono eseguite con accelerometri disposti a scafo e le misure del $D I$ ^[5] sono eseguite in mare con ambiente controllato.

Supponiamo ora che in un progetto sia stato calcolato $k = 14 d B / μ P a / H z$ per $N p = 8 d B / μ P a / H z$ e $D I = 22 d B$ e che si debba controllarlo sul campo su di un sottomarino varato di recente.

Il controllo del valore nominale di progetto $k$ dopo la messa a punto integrale della piattaforma e del sonar segue questa procedura:

Si misura $N m$ in una zona di mare priva di rumori, trovando ad esempio:

$N m = + 40 d B / μ P a / H z$

Si misura in modo appropriato in mare ^{[N 6]} $(N L - D I) = (N m + N p - D I)$ = $26 d B / μ P a / H z$

Si computa $k$ come differenza tra i due valori:

$k = N m - (N L - D I)$ = $40 d B / μ P a / H z - 26 d B / μ P a / H z = 14 d B / μ P a / H z$ ;

Il valore di $k$ ottenuto da rilievi in mare e computazioni indica che l'obiettivo del valore nominale di progetto è stato raggiunto.

Supponiamo ora che il battello venga controllato periodicamente e che, durante un controllo, con mare a livello $N m = + 55 d B / μ P a / H z,$ il $D I$ sia sceso da $22 d B$ a $19 d B$ a causa di un'anomalia alla base ricevente.

In queste condizioni il valore di $(N L - D I)$ risulterà:

$(N L - D I)$ = $(N m + N p - D I) = (55 d B / μ P a / H z + 8 d B / μ P a / H z - 19 d B)$ = $44 d B / μ P a / H z$

e di conseguenza il valore di $k$ sarà:

$k = N m - (N L - D I)$ = $55 d B / μ P a / H z - 44 d B / μ P a / H z = 11 d B / μ P a / H z$ .

Il controllo mette in evidenza che $k$ ha subito una variazione di $- 3 d B$ passando da $14 d B / μ P a / H z$ nominale a $11 d B / μ P a / H z$ , ne consegue una riduzione della portata di scoperta.

Il controllo eseguito non individua se il decadimento di $k$ dipende dal $D I$ o da un incremento anomalo di $N p$ , in ogni caso pone il problema di una verifica accurata su entrambi i valori.

Sistema di misura per Nm; (NL - DI) e calcolo di k

Struttura d'insieme del misuratore del $k$

Con le misure di $N m$ e $(N L - D I)$ e il successivo calcolo di $k$ è possibile avere un riscontro sulla costanza delle prestazioni offerte dalla $C M .$

L'illustrazione del metodo adottato per la misura sulla piattaforma delle variabili citate fa riferimento alla figura.

Il rilievo di $N m$ si esegue tramite l'idrofono omnidirezionale trCm fissato allo scafo tramite idoneo ammortizzatore^{[N 7]} in grado di tagliare tutte le vibrazioni provocate dalla piattaforma.

I segnali ricevuti da trCm sono applicati all'amplificatore con filtro di banda Am1 e da questo all'elaboratore Elb che, dopo conversione A/D, mette a calcolo $N m (d B)$ .

All'uscita di un fascio direttivo del sonar, sia preformato sia a collimazione manuale, viene prelevato il segnale $(N L - D I)$ da inviare a sua volta all'elaboratore Elb, il segnale dopo conversione A/D viene messo a calcolo in forma logaritmica $(N L - D I) d B$ .

L’elaboratore esegue l’operazione:

$k$ = $N m$ – $(N L - D I)$

restituendo su apposito indicatore numerico il valore di $k$ .

Misura del k in mare

Ormeggio del battello in una zona priva di sorgenti idrofoniche; l'idrofono trCm capta il rumore del mare $N m$ che viene trasformato in segnale elettrico S1 e successivamente amplificato e filtrato nella banda stabilita per le misure sull'elaboratore Elb.

Puntamento di un fascio direttivo del sonar verso un arco di mare privo di segnali acustici; questa operazione porta alla captazione del rumore del mare $N m$ e del rumore proprio $N p$ ^{[N 8]} in forma di segnale S2 secondo l'espressione: $N m + N p - D I$

Invio in modo automatico delle variabili $S 1 = N m$ e $S 2 = (N m + N p - D I)$ all'elaboratore per il calcolo:

$k = N m - (N m + N p - D I)$ = $(D I - N p)$

Il calcolo di $k$ è preceduto da una regolazione automatica dei livelli dei segnali S1 e S2 per compensare le differenze di guadagno insite nei due sensori; i calcoli vengono eseguiti in termini logaritmici in modo da fornire il valore $k$ in $d B / μ P a / H z$ .

Storia

Il sistema illustrato in questa pagina è simile a quello progettato e successivamente costruito, negli anni 1970, dalla Soc. USEA con la sigla $C M 10$ ^[6].

Con il $C M 10$ si sorvegliava la stabilità nel tempo del valore di $k$ iniziale (sottomarino e sonar a punto) con la garanzia di poter eseguire rapidi interventi, in porto, volti a ripristinare i dati originali sul campo.

L'apparato, studiato per i sottomarini classe Sauro, è stato implementato nella struttura del sonar IP70/74.

Il piccolo apparato ha dato prova di essere un sistema "robusto" e fondamentalmente semplice, in grado di assicurare in mare le prestazioni richieste dalla MMI.

Annotazioni

↑ Il livello $L S^{'}$ , espresso in banda $B W$ , è indicato con l'apostrofo per distinguerlo dal valore spettrale $L S$ espresso invece in banda di $1 H z$ .
↑ Supporto che alloggia la base ricevente
↑ indica il livello spettrale
↑ Condizione presa a modello per evidenziare le variazioni della $C M$
↑ Dal controllo periodico di $k$ , da parte dell'operatore al sonar, si potrà stabilire il degrado della $C M$ generato sia dall'incremento $N p$ del rumore della piattaforma, sia a un decremento del guadagno $D I$ della base acustica dovuto a cause elettriche o meccaniche
↑ In seguito indicazioni su tale misura.
↑ In virtù dell'ammortizzatore il segnale in uscita da trCm dipende soltanto da $N m$ e non da $N p$
↑ Np è captato dalla base idrofonica del sonar, perché questa è estesa lungo un ampio settore del battello

Fonti

Bibliografia

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Template:Clear==Collegamenti esterni==

N° FASCI Selenia

Sonar FALCON

Schemi sonar FALCON

Testo discorsivo sul sonar

Testo tecnico sulla Correlazione

Template:Portale

[2] Il livello $L S^{'}$ , espresso in banda $B W$ , è indicato con l'apostrofo per distinguerlo dal valore spettrale $L S$ espresso invece in banda di $1 H z$ .

[4] Supporto che alloggia la base ricevente

[5] vello spettrale

[7] Condizione presa a modello per evidenziare le variazioni della $C M$

[8] Dal controllo periodico di $k$ , da parte dell'operatore al sonar, si potrà stabilire il degrado della $C M$ generato sia dall'incremento $N p$ del rumore della piattaforma, sia a un decremento del guadagno $D I$ della base acustica dovuto a cause elettriche o meccaniche

[11] In seguito indicazioni su tale misura.

[12] In virtù dell'ammortizzatore il segnale in uscita da trCm dipende soltanto da $N m$ e non da $N p$

[13] Np è captato dalla base idrofonica del sonar, perché questa è estesa lungo un ampio settore del battello

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Cifra di merito sonar passivo

Indice

Algoritmi della CM

Funzione esplicita

Analogia

Dipendenza dalle sue variabili

Considerazioni numeriche

Calcolo CM su battello ideale

Portata di scoperta

Calcolo CM su battello reale

Portata di scoperta

Calcolo CM con base in avaria

Portata di scoperta

Osservazioni sul binomio ( NL - DI )

Valore del parametro k

Sistema di misura per Nm; (NL - DI) e calcolo di k

Misura del k in mare

Storia

Annotazioni

Bibliografia

Menu di navigazione

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Funzione esplicita

Analogia

Dipendenza dalle sue variabili

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Calcolo CM su battello ideale

Portata di scoperta

Calcolo CM su battello reale

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