Intercettatore sonar

L'intercettatore sonar è un apparato di localizzazione subacquea simile al sonar passivo, è però indirizzato soltanto alla scoperta degli impulsi emessi dai siluri, genericamente indicati come vettori, (siluri filoguidati con ricerca attiva) in un campo di frequenze molto più elevato che nel passivo, esegue inoltre il controllo delle loro accostate^[1] ^{[N 1]}.

L'apparato è di notevole importanza per la navigazione dei sottomarini nelle fasi di sorveglianza o di attacco.

L’estensione del campo di frequenza rispetto al sonar passivo è dovuta al fatto che i vettori, date le ridotte dimensioni delle basi acustiche di emissione, devono operare a frequenze elevate per avere buoni guadagni di direttività.

Descrizione modifica

La descrizione dell'intercettatore è articolata secondo la struttura del sonar passivo con le varianti che diversificano i due sistemi di localizzazione subacquea.

Caratteristiche dei bersagli rilevate dal sonar modifica

Le caratteristiche dei bersagli dedotte dall'intercettatore sono:

Posizione angolare rispetto al Nord ^{[N 2]}
Traiettoria
Misura della quota
Rilevamento delle accostate
Misura della distanza ^{[N 3]}

Sequenza operativa modifica

La sequenza operativa dell'intercettatore raccoglie tute le funzioni e/o gli eventi che si sviluppano nel localizzatore ed in mare dall'inizio dell'attività di ricerca dei vettori alla scoperta e visualizzazione delle loro tracce:

Nel localizzatore ed in mare: Valutazioni delle condizioni ambientali (tracciamento dei raggi acustici e calcoli di previsione della portata) ^{[N 4]}

Nel localizzatore ed in mare: Trasduzione degli impulsi acustici ricevuti con la base idrofonica in segnali elettrici.

Soltanto in mare: Si affrontano i problemi dovuti al rumore del mare e ai disturbi generati dal sistema di propulsione dal vettore lungo la sua corsa

Soltanto nel localizzatore: Elaborazione dati e visualizzazione delle tracce degli impulsi emessi dai vettori.

Sistema di ricezione modifica

Il sistema dì ricezione degli impulsi acustici dell 'intercettatore è, a grandi linee, costituito da una base idrofonica in alta frequenza e da una complessa struttura di elaborazione dati che ne riceve i segnali elettrici.

Base idrofonica modifica

Base acustica cilindrica

Ha il compito di trasdurre le pressioni acustiche dagli impulsi generati dai vettori in deboli tensioni elettriche da inviare al sistema ricevente dell'intercettatore.

Cofano elaborazione dati modifica

Circuiti per la formazione fasci

La base idrofonica è di tipo cilindrico.

Preamplificatori con connettori di collegamento con la base idrofonica

Ricevitori a fasci preformati in Af

Sistema di rilevamento angolare di precisione della posizione dei vettori

Il cofano di elaborazione dati è composto dalle sezioni funzionali:

Preamplificatori e connettori di collegamento con la base idrofonica, amplificano in modo selettivo i segnali impulsivi generati dalla base. Generalmente il campo delle frequenze di lavoro dell'intercettatore si estende da $10000\ Hz\ a\ 80000\ Hz$ .

Circuiti a fasci preformati Af, generano un insieme di fasci acustici per la scoperta dei vettori per tutto l'arco dell'orizzonte

Sistema di rilevamento angolare di precisione della posizione dei vettori, è indirizzato sulla scorta delle indicazioni fornite dai fasci preformati.

Elaborazione segnali dei vettori modifica

Consolle di calcolo e presentazione delle tracce degli impulsi emessi dai vettori

L'elaborazione dei segnali acustici dovuti alle emissioni impulsive dei vettori è affidata ad un complesso sistema di rivelazione dati governato ed interfacciato con la consolle di comando e controllo.

Funzioni esplicate dalla consolle:

Presentazione a cascata: è un particolare sistema di visualizzazione degli impulsi che ha in ascisse la direzione di scoperta ed in ordinate il tempo trascorso dall'inizio del rilevamento (traccia la storia della traiettoria del vettore) dello scenario subacqueo per la funzione di scoperta, 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 ^{[N 5]}; lo schermo dedicato è nella parte inferiore della consolle.

Presentazione video della funzione BDI ^{[N 6]}.

Comando a mezzo volantino della punteria manuale; presentazione del valore angolare connesso con il rilevamento della posizione dei vettori.

Calcolo della portata di scoperta modifica

Il calcolo della portata di scoperta dell'intercettatore è simile a quello relativo al sonar passivo; le dimensioni delle variabili sono però diverse rispetto a quello dato che il primo è chiamato a lavorare in un campo di frequenze, livelli, e tempi di durata del fenomeno impulsivo, molto diversi dal secondo.

Nell'intercettatore il percorso dell'impulso emesso dal siluro è pari ad $(R_{o})$ , distanza fisica tra sonar e vettore.

Tracciato propagazione anomala; in grigio la zona d'ombra

La portata di scoperta dell'intercettatore indica in generale la probabile distanza $(R)$ alla quale tale componente può scoprire le emissioni di vettori lontani.

La portata di scoperta non è un dato certo, ma una previsione a carattere probabilistico.

Le equazioni che regolano la stima della portata sono valide se il sottomarino non è nella zona d’ombra, tale zona è generata dalla propagazione anomala del suono in mare^[2].

Variabili modifica

Il calcolo della portata richiede le seguenti variabili ^{[N 7]}:

campo delle frequenze di ricezione espresso in $Hz$

pressione acustica $LI$ dell'impulso emesso dal vettore espressa in $dB/\mu Pa/1\ m$ .

distanza $R$ , secondo le previsioni di calcolo della portata, tra vettore e l'intercettatore espressa in $km$

guadagno $DI$ della base acustica dell'intercettatore espresso in $dB$

rumore del mare $NL$ espresso in $dB/\mu Pa/{\sqrt {Hz}}$

valori delle probabilità di falso allarme accettate, $Pfa$ , espressi in percentuale ^{[N 8]}.

valori delle probabilità di rivelazione volute, $Priv$ , espressi in percentuale ^{[N 9]}.

soglia di rivelazione dell'intercettatore $DT$ espressa in $dB$ , dipende da $Priv$ e $Pfa$

Algoritmo di previsione modifica

La previsione della portata R dell'intercettatore si ottiene dalla soluzione del sistema trascendente:

${\begin{cases}TL=60+20\cdot \log _{10}{R}+\alpha \cdot R\\TL=SL+DI-NL-DT+10\cdot \log _{10}{BW}\end{cases}}$

Il calcolo di $TL$ ^{[N 10]}^[3] nella prima equazione è volto a stabilire la massima attenuazione sostenibile dell'impulso emesso dal vettore con le variabili indicate nell'equazione data.

Maggiore sarà il valore di $LI$ (pressione acustica dell'impulso emesso dal vettore) più elevata sarà la probabilità di scoperta.

Maggiore sarà il valore del $DI$ (guadagno della base ricevente del sottomarino) più elevata sarà la probabilità di scoperta.

Maggiore sarà il valore del $NL$ (livello del rumore del mare) minore sarà la probabilità di scoperta.

Maggiore sarà il valore del $DT$ (soglia di rivelazione del ricevitore sonar) minore sarà la probabilità di scoperta.

I valori delle probabilità di falso allarme $Pfa$ sono implicite nel calcolo del $DT$ e sono espressi in percentuale.

I valori delle probabilità di rivelazione $Priv$ sono implicite nel calcolo del $DT$ e sono espresse in percentuale.

Stabilita l'attenuazione massima che l'intercettatore può accettare per la rivelazione degli impulsi emessi dal vettore, in base alle caratteristiche proprie e alle condizioni esterne, si deve impostare la seconda equazione per il calcolo dell'attenuazione che il suono subisce nel tratto di mare tra il vettore e l'intercettatore.

Dato che l'attenuazione del suono in mare dipende, sia dalla divergenza dei raggi acustici, sia dall'assorbimento delle onde in funzione della frequenza della sorgente, questa dipendenza è espressa dalla seconda equazione:

$TL=60\ dB+10\cdot log_{10}{R}+\alpha \cdot R$

In questa equazione il valore di $TL$ esprime l'attenuazione (per divergenza e assorbimento) della pressione dell'impulso acustico emesso dal vettore al variare della distanza $R$ e del valore del coefficiente d'attenuazione $\alpha$ .

Nell'equazione è ipotizzata la propagazione sferico-cilindrica; il primo addendo, indicato in $60\ dB$ tiene conto del fatto che la variabile $R$ è espressa in $km$ invece che in metri.

Il secondo addendo è relativo all'attenuazione per divergenza per propagazione sferico-cilindrica, il terzo addendo, infine, è relativo all'attenuazione per assorbimento in funzione di $R$ e della frequenza (tramite $\alpha$ ).

Esempio modifica

Un esempio di calcolo della portata di un intercettatore è risolvibile, per via grafica, assumendo le seguenti variabili:

Frequenza dell'impulso trasmesso dal vettore: $F=60000\ Hz$

Livello indice di trasmissione ipotizzato per il trasmettitore del vettore: $LI=210\ dB/\mu Pa/1m$

Livello del rumore del mare messo a calcolo per $SS=6$ e $F=60000\ Hz$ : $NL=41\ dB/\mu Pa/{\sqrt {Hz}}$

Guadagno di direttività della base ricevente ^{[N 11]} dell'intercettatore del sottomarino: $DI=26\ dB$

Larghezza di banda del ricevitore:

$BW=1500\ Hz$

Durata d'impulso emesso dal vettore: $t=0.001\ s.$

Probabilità di scoperta: $Priv=98\%$

Probabilità di falso allarme $Pfa=0.0001\%$

Con questa coppia di valori probabilistici dalle curve ROC si legge: $d=25$

Propagazione: sferico/cilindrica

Soglia di rivelazione calcolata con la formula ^[4]:

$DT=5\cdot log_{10}{(BW\cdot d/t)}$ = $5\cdot log_{10}{(1500\cdot 25/0.001)}$ = $38\ dB$

Con i dati impostati si applica la prima equazione in $TL$ ottenendo:

$TL=LI+DI-DT-NL$ = $210\ dB+26\ dB-38\ dB-41\ dB$ = $157\ dB$

Successivamente s'imposta la variazione del $TL$ con la seconda equazione in funzione della distanza $R$ e del coefficiente di assorbimento $\alpha$

Il valore di $\alpha$ ,calcolato con la formula di Thorp ^[5] per $f$ in $kHz$ :

$\alpha =\left[{\frac {0.1\cdot f^{2}}{1+f^{2}}}\right]+\left[{\frac {40\cdot f^{2}}{4100+f^{2}}}\right]+\left[{\frac {2.75\cdot f^{2}}{10^{4}}}\right]$

che, per $F=60\ kHz$ rende $\alpha =19.7\ dB/km$

$TL=60\ dB+20\cdot log_{10}{R}+R\cdot \alpha$ = $60\ dB+20\cdot log_{10}{R}+19.7\cdot R$

Soluzione grafica della portata dell'intercettatore: curva rossa massima attenuazione consentita a calcolo, curva blu attenuazione in funzione della distanza

In un sistema di assi cartesiani si tracciano:

la curva di $TL$ della prima equazione (massima attenuazione consentita dal calcolo), risulta una parallela all'asse delle ascisse.

la curva di $TL$ della seconda equazione in funzione di $R.$ (risulta una curva convessa).

L'ascissa de punto d'incontro delle due curve, $R=4500\ m$ , corrisponde alla portata di scoperta dell'intercettatore. ^{[N 12]}.

note modifica

Annotazioni

^ L'intercettatore non si limita alla ricezione degli impulsi emessi dai vettori ma ne controlla gli spostamenti angolari in virtù del circuito BDI (vedi: Collimazione sonar con la trasformata di Hilbert )
^ Oppure rispetto all'asse longitudinale del battello sul quale è installato il sonar.
^ La misura si riferisce alla distanza fisica tra sottomarino e bersaglio; da non confondersi con la portata che indica la probabile distanza massima di scoperta del bersaglio
^ Operazioni di calcolo eseguite dopo rilievi acustici e termici in mare
^ Generalmente l'operazione di tracciamento dei raggi acustici in mare viene fatta prima d'iniziare la fase di scoperta dei bersagli
^ La funzione BDI consente di scoprire eventuali accostate del vettore
^ variabili analoghe sono impiegate anche nel calcolo della portata di un sonar passivo
^ devono essere estremamente piccoli data la funzione di sorveglianza che l'intercettatore deve svolgere con un basso margine d'incertezza
^ devono essere molto elevati data la funzione di sicurezza che devono offrire
^ I calcoli sono confortati dall'impiego del Regolo Raytheon
^ Dati i valori elevati delle frequenze impiegate nei sistemi d'intercettazione le basi di ricezione possono avere dimensioni modeste; ad esempio un base ricevente quadrata di 12 x 12 cm ha una direttività di circa 25 \ dB.
^ Ricordare che nel caso in esempio la portata calcolata, di $4500$ metri, è subordinata all'accettazione di una probabilità di falso allarme del $0.0001\ \%$ e di una probabilità di scoprire il vettore del $98\%$

Fonti

^ Horton, pp. 269 - 286.
^ Del Turco, pp. 200 - 206.
^ Raytheon.
^ Urick, pp. 377 - 403.
^ Thorp, articolo.

Bibliografia modifica

J.W. Horton,, Foundamentals of Sonar, United States Naval Institute, Annapolis Maryland, 1959.
C. Del Turco, Sonar- Principi - Tecnologie – Applicazioni, Tip. Moderna La Spezia, 1992.
Robert J. Urick, Principles of underwater sound, 3ª ed. Mc Graw – Hill, 1968. cap.five - six, Propagation of sound in the sea, pp. 99 - 197.
WH Thorp, Analytical description of the low frequency attenuation coefficient, Acoustical Society of America Journal, vol. 42, 1967, pag. 270..
Raytheon, Sonar Performance Calculator, , Submarine Signal Division - Portsmouth - USA, 1991.

Collegamenti esterni modifica

N° FASCI Selenia

Sonar FALCON

Schemi sonar FALCON

Testo discorsivo sul sonar

testo tecnico sulla Correlazione

Portale Guerra

Portale Marina

Portale Metrologia

[2] L'intercettatore non si limita alla ricezione degli impulsi emessi dai vettori ma ne controlla gli spostamenti angolari in virtù del circuito BDI (vedi: Collimazione sonar con la trasformata di Hilbert )

[3] Oppure rispetto all'asse longitudinale del battello sul quale è installato il sonar.

[4] La misura si riferisce alla distanza fisica tra sottomarino e bersaglio; da non confondersi con la portata che indica la probabile distanza massima di scoperta del bersaglio

[5] Operazioni di calcolo eseguite dopo rilievi acustici e termici in mare

[6] Generalmente l'operazione di tracciamento dei raggi acustici in mare viene fatta prima d'iniziare la fase di scoperta dei bersagli

[7] La funzione BDI consente di scoprire eventuali accostate del vettore

[9] variabili analoghe sono impiegate anche nel calcolo della portata di un sonar passivo

[10] vono essere estremamente piccoli data la funzione di sorveglianza che l'intercettatore deve svolgere con un basso margine d'incertezza

[11] vono essere molto elevati data la funzione di sicurezza che devono offrire

[12] I calcoli sono confortati dall'impiego del Regolo Raytheon

[14] Dati i valori elevati delle frequenze impiegate nei sistemi d'intercettazione le basi di ricezione possono avere dimensioni modeste; ad esempio un base ricevente quadrata di 12 x 12 cm ha una direttività di circa 25 \ dB.

[17] Ricordare che nel caso in esempio la portata calcolata, di $4500$ metri, è subordinata all'accettazione di una probabilità di falso allarme del $0.0001\ \%$ e di una probabilità di scoprire il vettore del $98\%$

[1] Horton, pp. 269 - 286.

[8] Del Turco, pp. 200 - 206.

[13] Raytheon.

[15] Urick, pp. 377 - 403.

[16] Thorp, articolo.

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