Ricevitore in correlazione dei segnali sonar

Titolo: Ricevitore in correlazione dei segnali sonar

Il ricevitore in correlazione dei segnali sonar è un particolare dispositivo progettato per rivelare le tensioni elettriche generate dai bersagli e inquinati dal rumore, segnali generati dalle basi idrofoniche del Sonar.

I ricevitori in correlazione giocano un ruolo importante nella navigazione subacquea dei sottomarini incrementando le capacità di scoperta del sonar necessarie, sia per la mobilità del semovente, sia per la difesa dello stesso.

Il comportamento del livello della tensione d'uscita dei ricevitori è stato studiato con caratteristici algoritmi di correlazione; detti algoritmi sono stati utilizzati, sia per sistemi hardware (strutture in uso fino al 2012 su sonar di sottomarini italiani), sia per moderni sviluppi software.

Ricevitore da laboratorio

Una elementare struttura hardware ^{[N 1]} di laboratorio per la realizzazione di un sistema ricevente in correlazione, è mostrata in figura:

Il funzionamento elettrico del ricevitore è descritto, in modo sintetico, in 5 punti:

Una coppia di segnali elettrici generata dalla base idrofonica è applicata ai due ingressi del ricevitore.^{[N 2]}
Uno dei due segnali è ritardato di $τ$ ( variabile a comando) .
La coppia dei segnali è applicata a due circuiti di limitazione d'ampiezza per modificare la struttura analogica di questi in segnali logici a due stati.
La coppia dei segnali limitati viene applicata ad un circuito logico di tipo EXLUSIVE-NOR per la ricerca delle coincidenze dei segni (ricerca dei legami di correlazione).
L'uscita del nor esclusivo viene applicata da un apposito circuito d'integrazione RC la cui uscita isegue l'andamento studiato con le funzioni di correlazione.

Diversi tipi di ricevitore in correlazione sono stati studiati per applicazioni mirate ^[1]

Le funzioni di correlazione

Funzione in assenza di rumore

Curva tipica di $C (τ)$ tracciata per $N = 0$ .

Gli algoritmi con i quali si studiano i comportamenti delle tensioni d'uscita dei ricevitori in correlazione sono nominati funzioni di correlazione.

Un algoritmo caratteristico di tali funzioni ^{[N 3]}, studiato per la ricerca della correlazione tra due segnali elettrici mascherati dal rumore, si presenta in modo esplicito con l'espressione:

$C (τ) = \frac{2}{π} \arcsin [K \frac{\sin (2 π D F τ)}{2 π D F τ} \cos (2 π F_{O} τ)]$ ^[2]

Dove:

$D F$ = metà della larghezza di banda del ricevitore che definisce i segnali.

$F_{O}$ = frequenza media della banda.

$K$ = funzione che dipende dal rapporto tra le ampiezze dei segnali $S$ e l’ampiezza del disturbo $N$ ^{[N 4]} secondo l’espressione: $K = \frac{1}{1 + (\frac{N}{S})^{2}}$

$C (τ)$ , il cui andamento, tracciato in figura, mostra come varia la correlazione tra due segnali elettrici al variare del tempo di ritardo $τ$ di un segnale rispetto all'altro ^{[N 5]}:

Ampiezza e posizione temporale del massimo di $C (τ)$ indicano la presenza del segnale.

Per rapporti $S / N$ elevati la $C (τ)$ ha ampiezza elevata e segue il profilo a cuspide della funzione $\arcsin (x) / x$ come in figura.

Funzione in presenza del rumore

Curva tipica di $C (τ)$ tracciata per $S / N = 1 / 2.5$ .

Per rapporti $S / N$ bassi ( ad esempio $S / N = 1 / 2.5$ ) la $C (τ)$ ha ampiezza bassa e segue il profilo della funzione $\frac{\sin x}{x}$ come mostrato in figura.

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Condizione di rumore molto elevato

Curva tipica di $C (0)$ in funzione di $S / N$ variabile da $0$ a $1$

Per rapporti $S / N < < 1 / 2.5$ il tracciato grafico è difficilmente interpretabile a vista, la valutazione della funzione è delegata ad attività operative o di laboratorio.

La legge che governa l’ampiezza della $C (τ)$ in funzione del rapporto $S / N$ per $τ = 0$ è:

$C (0) = \frac{2}{π} \cdot \arcsin \frac{1}{1 + (\frac{N}{S})^{2}}$

ed è mostrata nel grafico di figura.

Caratteristico il punto per $S / N = 1$ con $C (0) = 0.3$

Riscontri di laboratorio

Template:Doppia immagine verticale Le basi idrofoniche forniscono i segnali da inviare al ricevitore che, con opportuni livelli di tensione o numerici ^{[N 6]}, consente l’individuazione degli stessi mascherati da disturbi a carattere casuale con rapporti segnale/disturbo al limite di rivelazione dell'ordine di :

$S / N \approx 1 / 10$ (valore per ricevitori hardware).

Nella figura in alto il comportamento della tensione d'uscita del ricevitore in assenza di segnale e in presenza di solo disturbo per $τ$ variabile in modo ciclico: I disturbi^[3] sono evidenziati dal ricevitore con un livello di tensione di rumore $N$ che ondula di $\pm ε$ attorno al livello $0$ ; dove $ε$ è la varianza (rumore).

Nella figura in basso condizione di segnale presente tra i disturbi con rapporto $S / N = 1 / 2.5$

Il ricevitore ne denuncia la presenza con un livello di tensione normalizzato $C (τ) \pm ε$ tale che:

$0 < C (τ) \pm ε < = 1$

dove $ε$ è la varianza (rumore) che inquina il segnale.

note

Annotazioni

↑ Con modelli riceventi simili a quello mostrato sono stati progettati e realizzati i sistemi di scoperta panoramica dei sonar IP70 installati a bordo dei sottomarini Classe Sauro; con 72 di questi ricevitori sono state impostate le strutture a fasci preformati che hanno caratterizzato, positivamente, il funzionamento di questo tipo di sonar.
↑ I ricevitori in correlazione che sono progettati per il collegamento con due gruppi di molteplici sensori delle basi idrofoniche, ricevono i segnali di ciascun gruppo dopo la loro rimessa in coerenza e la loro somma.
↑ L’algoritmo illustrato descrive il comportamento del livello d’uscita di un ricevitore che opera con segnali limitati in ampiezza, altre funzioni di correlazione sono utilizzate per l’analisi dei ricevitori analogici e per ricevitori, sia digitali che analogici, che operano in bande di frequenze con caratteristiche diverse da quella implementata nell’algoritmo citato.
↑ Le ampiezze dei segnali (S) e dei disturbi (N) sono espresse in forma lineare.
↑ Per K = 1 ( assenza dei disturbi).
↑ Dopo conversione A/D dei segnali

Fonti

Bibliografia

Collegamenti esterni

N° FASCI Selenia

Sonar FALCON

Schemi sonar FALCON

Testo discorsivo sul sonar

Testo tecnico sulla Correlazione

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[1] Con modelli riceventi simili a quello mostrato sono stati progettati e realizzati i sistemi di scoperta panoramica dei sonar IP70 installati a bordo dei sottomarini Classe Sauro; con 72 di questi ricevitori sono state impostate le strutture a fasci preformati che hanno caratterizzato, positivamente, il funzionamento di questo tipo di sonar.

[2] I ricevitori in correlazione che sono progettati per il collegamento con due gruppi di molteplici sensori delle basi idrofoniche, ricevono i segnali di ciascun gruppo dopo la loro rimessa in coerenza e la loro somma.

[4] L’algoritmo illustrato descrive il comportamento del livello d’uscita di un ricevitore che opera con segnali limitati in ampiezza, altre funzioni di correlazione sono utilizzate per l’analisi dei ricevitori analogici e per ricevitori, sia digitali che analogici, che operano in bande di frequenze con caratteristiche diverse da quella implementata nell’algoritmo citato.

[6] Le ampiezze dei segnali (S) e dei disturbi (N) sono espresse in forma lineare.

[7] Per K = 1 ( assenza dei disturbi).

[8] Dopo conversione A/D dei segnali

[3] Template:Cita.

[5] Template:Cita.

[9] Template:Cita.

[N 1]

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Indice

Ricevitore da laboratorio