Sonar: Note storiche dei misuratori passivi della distanza in mare

[C. Del Turco]

 

 

1- Nota di risposta al Comandante  Lefa

 

La prima nota riguarda la risposta data  nel 2013 dallo scrivente al Comandante Lefa che chiedeva dei ritardi di messa in opera del misuratore MD100 sui battelli Cl. Sauro.

 

Per quello  che era a mia conoscenza allora scrissi:

 

Rispondo alla sua domanda cercando di chiarire le ragioni che hanno ritardato l’installazione dello MD100 sui Sauro.

Quando la MMI ha manifestato l’esigenza di installare il misuratore passivo della distanza sui smg Sauro l’apparato IP70 era in versione originale, USEA-SELENIA, ed aveva l’elaborazione dati e la presentazione video di tipo analogico. Questa configurazione dell’apparato non consentiva l’implementazione di un misuratore della distanza che sarebbe stato, per necessità dei tempi, del tipo digitale.

A questo punto USEA ed ELSAG proposero a MMI la modifica dell’IP70 con la sostituzione della consolle analogica con la versione digitale con il computer esa24.

La proposta fu accetta ma i tempi per le carte prima, e la faticosa messa a punto del sistema nuovo dopo, sistema che aveva notevoli problemi sul software, fecero slittare nel tempo l’obiettivo principale dell’ MPD.

Per quanto riguarda invece le problematiche sulle prestazioni dell’IPD70 potrà vedere le mie osservazioni, per quanto possano valere, alla pagina P64 del mio sito.

 

Ad oggi le mie conoscenze restano le stesse.

 

2- Nota sulle comparazioni delle prestazioni tra tre misuratori della distanza

 

2.1- Introduzione

Gli studi sulla misura della distanza di una sorgente acustica in mare risalgono al tempo dell'ultima guerra da parte dagli USA e di altri stati stranieri.

 Nel nostro Paese si è manifestato l'interesse per  tali studi dopo il 1960, quando, informati sulle esperienze positive svolte sui sommergibili USA  USS HARDER(SS-568) dotati di misuratore passivo della distanza si pensò di svilupparlo anche per i sommergibili italiani (nella fotografia sono indicati con segmenti blu i sensori del misuratore).

Questa introduzione storica, che precede la parte teorica del problema, è di fondamentale importanza per valutare le difficoltà che si sono incontrate nello studio e nello sviluppo tecnologico di tutta la problematica che investe "la misura passiva della distanza".

 

2.2- La struttura originale del misuratore passivo della distanza  

 

La misura in oggetto veniva attuata mediante la struttura indicata in figura 1:

 

   fig. 1

 

 

In figura si vedono, montati sullo scafo, due serie di tre sensori disposti sui fianchi; sul lato destro i tre sensori (b1) e sul lato sinistro i tre sensori (b2); ciascuna terna costituiva una particolare base idrofonica ricevente (ciascun sensore e stato genericamente nominato pinna).

I segnali elettrici provenienti dalle due basi venivano inviati, dopo amplificazione e filtraggio, all'elaboratore per il calcolo della distanza della sorgente acustica rivelata dal sonar passivo con il sonar passivo, oltre ad individuare la sorgente acustica, si trasferiva all'elaboratore del misuratore di distanza il dato angolare relativo alla posizione del bersaglio per il corretto puntamento del misuratore di distanza.

 

2.3- Comparazioni tra le basi idrofoniche

La presenza di due basi idrofoniche sui fianchi del battello era un modo per affrontare il problema sui nostri battelli, diversamente, come mostrano, in figura  02, le tre grosse pinne verticali nella fotografia del sommergibile USS HARDER(SS-568),la base era  unica e disposta sulla mezzeria dello scafo.

fig.02

La disposizione delle due basi sul sommergibile Toti (misuratore passivo sperimentale MD64) è visibile in figura 3 dove le pinne sono indicate con segmenti bianchi: questo apparato aveva come obiettivo la conferma delle teorie e della tecnologia adottate e la verifica "fuori tutto" delle prestazioni del misuratore di distanza.

                                                         fig.

 

 

 

La disposizione delle due basi sul sommergibile Sauro (misuratore passivo MD100) è visibile in figura 2/a dove le pinne sono indicate con segmenti bianchi:  

 

          fig. 2a

 

3- Teoria della misura nella struttura originale

La propagazione delle onde acustiche da parte di una sorgente avviene sempre o secondo una geometria sferica o sferico-cilindrica per cui una delle basi acustiche a tre sensori  viene colpita dal suono con onde "circolari" così come mostrato in figura 3.

 

   

 

Su questa geometria s'imposta l'algoritmo per la misura della distanza che, nel caso più semplice, prevede la sorgente sulla perpendicolare della base come mostra  la figura 4:   

 

 

 

Nella figura 4 si  vedono il fronte d'onda circolare che, dopo aver colpito inizialmente s2, si è spostato verso sinistra fino a colpire contemporaneamente s1 e s3 e, definite da lettere, rispettivamente:

R = distanza della sorgente acustica

D = distanza tra due sensori

f = freccia del cerchio di raggio R 

 

Con la semplice formula relativa alla circonferenza si può scrivere la relazione tra raggio R, semicorda D e freccia f:

 

 

 

Dato che nelle condizioni operative in mare la lunghezza della freccia f è trascurabile rispetto al valore di R si può in definitiva scrivere:  

 

 

Se valutiamo il tempo tr che il suono impiega a coprire l'intervallo f abbiamo:

tr = f/c  ovvero f = tr c  dove c è la velocità del suono in acqua. 

Ne segue infine che R può essere espressa in funzione di tr come :

 

 

Con l'algoritmo ora trovato veniva dedotta la distanza R dopo aver misurato il valore di tr relativo al ritardo tra il segnale idrofonico che colpisce il sensore s2 e il segnale che colpisce i sensori s1-s3; questa operazione veniva eseguita mediante le tecniche di correlazione.  

 

4- Sul funzionamento degli apparati originali

Al fine di una valutazione degli apparati originali è anzitutto utile esaminare come agiscono le variabili che concorrono all'algoritmo ricavato in 3); se ad esempio tra i sensori è

D = 25 m e la distanza della sorgente è 10000 m il valore

di tr risulta:

 tr =  20.4 micro sec.

Per contenere l'errore di misura di R, ad esempio in 500 m a 10000 m, la valutazione strumentale di tr doveva essere entro il 5%, pari a 1 micro sec.

Il problema della misura della distanza con metodo passivo non riguardava soltanto la precisione strumentale ma, ben di più, il rapporto tra segnale e disturbo presente in mare nonché la deformazione del fronte d'onda all'atto del rilievo.   Il rapporto S/N poteva essere migliorato soltanto giocando sul guadagno di direttività delle basi che, come sappiamo  dipende dalle dimensioni delle basi stesse. 

Nella tabella sottostante, per una sorta di confronto tra i dati di partenza, sono riportati i dati salienti relativi ai tre sommergibili menzionati nel testo; non essendo a conoscenza delle misure esatte delle lunghezze delle basi nei tre casi si assume:

L = lunghezza del battello data dal cantiere  

2D = 80% L  

A = superficie pinne = in base a vecchi dati 

f = frequenza operativa = 8000 Hz  per tutti gli apparati.  

 

 

Il misuratore della distanza MD64 ha dato discreti risultati su distanze non molto elevate, la limitazione di portata è stata senz'altro causata dal basso guadagno delle pinne; dalla comparazione della tabella si può infatti osservare che la base aveva un guadagno di soli 18 dB contro i 29 degli USA e che il tr era di soli 10 micro sec a 10000 m, contro i 40 micro sec degli USA, con evidente difficoltà nella misura precisa di un tempo così piccolo.

 

Il misuratore passivo MD100 ha avuto prestazioni limitate  a causa delle ridotte dimensioni

delle pinne; dimensioni superiori sarebbero state auspicabili ma i cantieri  ritennero che, in base al dislocamento del battello, ciò non fosse prudente.

Nel confronto con l'apparato USA si aveva un guadagno delle basi inferiore di ben 7 dB, ciò che, secondo lo scrivente, era una delle ragioni primarie che ne faceva la differenza. 

 

5- Valutazioni a vista delle dimensioni pinne

 

 

 

 

6- Confronto funzionale sui tre misuratori disanza 

 

Secondo un'analisi svolta in altra sede,  vedi voce su wikivesità,  le percentuali di probabilità nella misura della distanza, assumendo un 10% di probabilià fissa di avere un falso allarme sono:             

 

 

 

 

 

 

Modificato 5 Aprile da C. Del Turco