sonar-info

“Conferenza”
Il sonar nella
navigazione dei
sommergibili.
Relatore: C. Del Turco
già Dirigente
USEA / Alenia Elsag Sistemi Navali
www.sonar-info.info
-ANTEPRIMA-
Le minacce e gli ostacoli alla navigazione
subacquea
S
ostacolo o minaccia = bersaglio
Viste le problematiche dovute agli
ostacoli in mare prende corpo la
conferenza:
Il sonar nella navigazione
dei sommergibili
Il sonar non è un dispositivo elettronico che una volta acceso
garantisca la certezza assoluta della scoperta dei bersagli: è un
apparato che deve risolvere, nel migliore dei modi, i molteplici
problemi, dipendenti dal comportamento del suono in mare,
che detta scoperta ostacolano.
Sonar: acronimo
dall’inglese che significa:
Navigazione e
localizzazione
con il suono
2
Esempi delle modalità di funzionamento
del sonar per la localizzazione subacquea
In modo passivo
Campo delle
frequenze d’ascolto:
Per la ricezione e l’ascolto
dei rumori emessi dai
semoventi (bersagli attivi)
State ascoltando il
rumore di una nave
in movimento.
da 200 a 10000 Hz
Con l’elaborazione dei
rumori ricevuti il sonar
misura la direzione e la
distanza del bersaglio
rumori = SEGNALI
3
In base al timbro di
questi rumori
l’operatore esperto
può stabilire le
caratteristiche
salienti del
bersaglio
Esempi delle modalità di funzionamento
del sonar per la localizzazione subacquea
In modo passivo
Per la scoperta della minaccia
Con l’elaborazione del
rumore ricevuto il sonar
misura la direzione e la
distanza del siluro
siluro in avvicinamento
4
Esempi delle modalità di funzionamento
del sonar per la localizzazione subacquea
In modo attivo
Per la ricezione e l’ascolto degli
echi riflessi dagli ostacoli
subacquei (bersagli passivi)
Campo delle frequenze di
lavoro:
da 8000 a 30000 Hz
Con l’elaborazione degli
echi ricevuti il sonar
misura la direzione e la
distanza del bersaglio
5
State ascoltando
l’emissione del sonar
e l’eco del bersaglio
echi = SEGNALI
“sonar” Le tre costituenti
fondamentali della
macchina
Idrofono = microfono subacqueo
Le parti bagnate:
insiemi d’ idrofoni
Per convertire le
vibrazioni acustiche
presenti in mare in
Secondo il progetto dello
scafo: calcoli e simulazioni
segnali elettrici
L’elettronica
Secondo il progetto di
sistema: calcoli e verifiche
di laboratorio
Gli algoritmi
Secondo il progetto di
sistema: calcoli e verifiche
di laboratorio
6
Per l’ascolto, la
visualizzazione dei
bersagli e la conduzione
della macchina
Procedure di calcolo
per la scoperta dei
bersagli mascherati dai
disturbi
“sonar” all’inizio della
II guerra mondiale
Nessuna ridondanza funzionale
Si ascoltavano le onde acustiche mediante ricevitore direzionale di
vibrazioni sonore (idrofono rotante) collegato ad amplificatore con
valvole termoioniche per ascolto in cuffia da parte dell’operatore
Teatro
operativo
Non era disponibile
alcun ausilio visivo
7
Base rotante a bordo
del sommergibile
“sonar” U.S.A.
durante la II guerra
mondiale
Nessuna ridondanza funzionale
Sonar attivo con ascolto
audio e presentazione
video delle tracce degli
echi dei bersagli.
Tecnologia:
Circuiti elettromeccanici,
valvole termoioniche e
tubi a raggi catodici.
Con questo sonar
ecco la comparsa
dell’ausilio visivo
8
“sonar” IP64 produzione
USEA 1964 – La Spezia
La consolle comando e controllo
Nessuna ridondanza funzionale
Si veda struttura d’insieme
Sistema ricevente e
trasmittente con
ascolto audio e
presentazione video
panoramica delle tracce
dei bersagli.
TECNOLOGIA:
Circuiti a
semiconduttori, gruppi
elettromeccanici,
valvole termoioniche e
tubi a raggi catodici.
Sonar con dimensioni ridotte
studiato per piccoli sommergibili:
Cls. Toti
9
–
“sonar” produzione
USEA / SELENIA – 1970
Per smg. Cls Sauro
Nessuna ridondanza funzionale
Video panoramico
Sistema ricevente e trasmittente con
ascolto audio e presentazione video delle
tracce dei bersagli. Circuiti integrati digitali
e analogici, gruppi elettromeccanici, tubi a
raggi catodici.
Trasmettitore
Consolle comando e
controllo
Consolle comando
e controllo
Trasmettitore
Ricevitore
Ricevitore
Ripetitore dati
10
Ripetitore dati
Base acustica BF
Base acustica AF
Base acustica AF
Base acustica BF
Parti bagnate
“sonar” produzione
USEA / ELSAG – 1974
Per smg Cls Sauro
Ridondanza funzionale parziale
Video a cascata
Consolle comando e
controllo
Sistema ricevente e trasmittente con ascolto
Sistema ricevente e trasmittente con
audio e presentazione video delle tracce dei
ascolto audio e presentazione video delle
bersagli. Circuiti integrati digitali e analogici,
tracce dei bersagli. Circuiti integrati digitali
computer ESA 24, gruppi elettromeccanici,
e analogici, gruppi elettromeccanici, tubi a
tubi a raggi catodici.
raggi catodici.
Trasmettitore
Ricevitore
Marc. 90
Ripetitore dati
11
Base acustica AF
Base acustica BF
Parti bagnate
“sonar” ATLAS anni 2000
Gruppo consolle per smg U 212
Video a cascata
12
“sonar” FALCON
-sistema d’ emergenzaSviluppato presso Marinarsen La Spezia –2002-
13
“sonar” composizione
di massima dell’apparato
IP64 (alla consolle)
Nessuna ridondanza funzionale
Sonar USEA per
sommergibile Toti:
Il primo sommergibile
costruito in Italia, dopo la
fine della II guerra, nei
cantieri di Monfalcone
14
“sonar” scenari
subacquei
Il sonar di A riceve i
rumori di B e D che
sono in movimento,
non riceve rumori da C
essendo questo fermo
Se le condizioni del mare lo consentono:
Il sonar di A dopo
Se le condizioni del mare lo consentono:
l’emissione
dell’impulso riceve i
gli echi dei tre battelli
15
“sonar” visione dei
bersagli subacquei
Scenario
subacqueo
Visione ostacoli dopo
emissione impulso
16
Visione ostacoli in fase
di ascolto passivo
“sonar” precisione
di rilevamento
L’incertezza di rilevamento angolare x, dovuta alla distanza e alle
caratteristiche del sonar, si riduce mano a mano che (a) si
avvicina a (b) e la sicurezza di navigazione di (a) è comunque
assicurata.
17
rilevamento = posizione angolare del bersaglio
“sonar” precisione
di rilevamento
Bersaglio a 40 Km
Errore di misura
1.5°
Arco
d’incertezza
1 Km
18
“sonar” base acustica
di ricezione
-Il cuore del sonarIn via di principio l’ascolto delle sorgenti acustiche presenti
nell’arco dei 360° può essere fatto con un insieme di sensori
“idrofoni” disposti secondo la superficie di un cilindro;
all’interno di questo del materiale isolante acustico evita il
passaggio delle onde attraverso la struttura affinché ciascun
idrofono le riceva dalla direzione in cui è posizionato.
Le basi acustiche, in virtù
della loro struttura,
consentono la
realizzazione di fasci di
ricezione privilegiati
base acustica = insieme d’idrofoni
19
“sonar” base acustica
e amplificatori
I deboli segnali elettrici che provengono dagli n trasduttori della base
ricevente devono essere opportunamente amplificati e filtrati, da una
delle n strutture indicate in figura, prima del loro utilizzo.
Estrema cura nel
progetto
20
“sonar” base acustica di
trasmissione impulsi
21
“sonar” disposizioni basi
acustiche di ricezione sul
sommergibile
Le basi acustiche, sia per la ricezione che per la trasmissione sono,
generalmente, collocate a proravia del battello così come indicato in figura;
le basi sono protette in diversi modi come vedremo in seguito.
22
“sonar” -sensori acusticitipologie d’ idrofoni
sensore a dischetto
sensore a cilindro
Idrofono composto da un insieme di sensori cilindrici
23
Trasduttore con cilindri ceramici
per emissione
“sonar” idrofoni e basi di
ricezione e trasmissione
Base ricevente / trasmittente a proravia
Diametro: circa 1 m: Cifra d guadagno = 26
pari ad un incremento del segnale d 20 volte
Base ricevente sotto il falso scafo
Altezza: circa 1 m.
Perimetro: circa 16 m.
? per.bf > per.af
Singolo idrofono
base ricevente
! freq.bf < freq.af
! port.bf > port.af
! prec.bf < prec.af
24
Singolo
trasduttore
base circolare
“sonar” basi acustiche
smg Toti – sopra scafo -
Vista delle basi esterne smg Toti
25
“sonar” basi acustiche:
montaggio cuffia idrod.
26
“sonar” basi acustiche smg
Toti – sotto falso scafo -
Vista base ricevente dallo spaccato del falso scafo
27
“sonar” base acustica smg
Toti – sotto falso scafo -
Particolare
degli idrofoni
montati sotto il
falso scafo
28
“sonar” una delle pinne
del smg Toti (1964)
Pinna per
misuratore
passivo della
distanza
29
“sonar” una delle pinne
del smg U212 (2004)
Pinna per
misuratore
passivo della
distanza
30
“sonar” caratteristica di
direttività di una base
d’idrofoni –lobo di ricerca
manuale 1Sono ottimamente ricevibili
soltanto le onde acustiche
provenienti dalla direzione
attorno al massimo della
zona ombreggiata, la
direzione può variare a
comando dell’operatore al
sonar
? Dir
Come si crea la
direttività della
base
Dir ^ L^
Dir ^ f ^
? Lsecondar.
31
Lsec
L^
Lsec
f^
“sonar” caratteristica di
direttività di una base
d’idrofoni –lobo di ricerca
manuale 2La direzione del lobo di ricerca manuale è posizionabile sui 360°
dell’orizzonte
32
“sonar” caratteristica di
direttività di una base
d’idrofoni –ricerca
automaticaPiù i lobi di
direttività sono
stretti più elevata
è la precisione di
rilevamento
Più i lobi di
direttività sono
stretti maggiore
deve essere il
loro numero
33
È l’equivalente di
un elevato numero
di sistemi di
ricerca manuale
che operano
simultaneamente
Esempi di
calcolo
Le forme normali di
propagazione del suono in
mare:
per divergenza sferica o sfer./cilindrica
Cifra d’attenuazione = 10
Cifra d’attenuazione = 20
propagazione = legge di spostamento del suono
34
“sonar” la propagazione
anomala del suono in
mare 1
Raggi acustici rettilinei nel caso di
temperatura costante con la quota
(velocità del suono costante)
35
Raggi acustici curvilinei nel caso di
temperatura che varia con la quota
(velocità del suono variabile)
“sonar” la propagazione
anomala del suono in
mare 2
La misura della velocità
del suono
Il calcolo
delle
traiettorie
36
Zona d’ombra dovuta alla variazione della temperatura con la quota.
(sensibili variazioni della velocità del suono)
I bersagli nella zona d’ombra sono, generalmente, non rilevabili
“sonar” misura e ascolto
del rumore emesso dai
bersagli attivi
Tecniche per il rilievo dei rumori emessi dai semoventi
per ottenere i diagrammi mostrati alla pagina seguente
State ascoltando
il rumore di
alcuni battelli in
fase di controllo
37
“sonar” il rumore emesso
dai bersagli attivi
Il diagramma mostra la variazione dell’intensità del
rumore della nave rispetto al suo asse
38
Il diagramma mostra lo
spettro del rumore
emesso dalla nave
ampiezza
Livelli di rumore emessi da
un CT a diverse velocità
300000
livelli dei rumori
di un bersaglio
attivo ricevuti dal
sonar
Corrispondenti livelli di
rumore ricevuti alla distanza
di 10 Km
25
L’attenuazione dei rumori emessi è
molto forte, dipende dalla distanza e
dalla frequenza: nel grafico, ad
esempio, un suono emesso a livello
indicativo di 300000 viene ricevuto a
livello 25
39
0.1 KHz
1 frequenza
KHz
10 KHz
“sonar” il rumore
dell’ambiente marino,
il vento ed il conseguente
moto ondoso.
State ascoltando il
rumore del mare
allo stato mediano
tra 1 e 2
40
“sonar” il rumore
dell’ambiente marino,
l’effetto della pioggia.
State ascoltando il
rumore della pioggia
molto intensa ricevuto
dal sonar
41
“sonar” il rumore
dell’ambiente marino,
dovuto alle forme di vita.
Immagine di un
crangon; dimensioni da
2 a 5 cm
State ascoltando il
rumore di alcuni
organismi marini
42
Le curve mostrano come il rumore
del mare, tracciato come un fascio di
rette parallele, sia comparabile con
ampiezza
il segnale di una nave , traccia
curva, che naviga a 10 Km di
distanza rispetto al punto d’ascolto
SS = 6
SS = 2
“sonar” livelli del
rumore dell’ambiente
marino comparati con il
livello del segnale
emesso da un CT a
distanza di 30 Km che
naviga a 40 Km / h
43
Alcune
osservazioni
SS = 1
SS = 0
frequenza
0.1 KHz
1 KHz
10 KHz
20 KHz
17e
Calcoli di previsione della portata di
scoperta del sonar in condizioni di
propagazione normale
Soluzione di un sistema trascendente a 2 incognite e 8
parametri
L’operazione si avvale di un software di calcolo e dei
dati in precedenza accennati:
Tipo di
propagazione
3 parametri
ambiente
Stato del mare
5
parametri
del sonar
Tipo e velocità del
bersaglio
44
Bersaglio fuori dalla
zona d’ombra
% Scop e Fa.
portata = probabile distanza di scoperta
“sonar” dopo l’impulso
la riverberazione
La riverberazione è la risposta del volume
d’acqua , della superficie e del fondo all’impulso
acustico emesso dal sonar
State ascoltando il
fenomeno dopo l’emissione
dell’ impulso
Segnale di riverberazione visualizzato dal vero
Livello teorico del segnale di riverberazione
45
L’ampiezza dipende dalla forza del bersaglio
“sonar” la
riverberazione dopo
un’esplosione
Qualsiasi
perturbazione
acustica prodotta in
mare da luogo alla
riverberazione
State ascoltando il
fenomeno a seguito
dell’esplosione
A chiusura della
conferenza i tre
metodi del sonar
per la misura
della distanza del
bersaglio
Segnale di riverberazione visualizzato dal vero
46
“sonar” dopo l’impulso
la misura della distanza
Misura della distanza sulla base del tempo tra emissione impulso e ricezione eco;
in questo modo operativo l’emissione rivela però la posizione del sommergibile
47
19a
“sonar” la misura della
distanza del bersaglio 1
Misura della distanza sulla base delle
caratteristiche temporali dell’onda
emessa dal bersaglio.
Metodo di misura che non rivela la
posizione del sommergibile.
48
“sonar” la misura della
distanza del bersaglio 2
Misura della distanza sulla base delle caratteristiche temporali
dell’onda emessa dal bersaglio.
Metodo di misura che non rivela la posizione del sommergibile.
49
“sonar” la misura della
distanza del bersaglio 3
Misura della distanza sulla base degli degli angoli di provenienza del rumore del
bersaglio. Metodo di misura che non rivela la posizione del sommergibile.
50
“Fine della conferenza”
Grazie dell’attenzione
Disegni, fotografie e suoni:
Marina Militare Italiana
HNSA-Historic
Betasom.it
ATLAS
Testo Sonar –princ-tec-appl.
Museo Toti
Doc. USEA/ELSAG
Testo Urick
Sonar-info.info
State ascoltando l’inno della
Marina Militare Italiana
IP64 Consolle comando e controllo
– prospetto -
Presentazione tipo A
Al video
dinamico
Al
FALCON
225°
225°
Sintesi delle tipologie di
presentazione dei bersagli
nel sonar
Presentazione
panoramica di echi e
rumori di bersagli
“visibilità per
intensificazione”
Presentazione tipo A
“rettificazione del cerchio”
per soli rumori di bersagli
“visibilità in ampiezza”
Presentazione a cascata di
soli rumori di bersagli
“visibilità per scorrimento e
intensificazione”
Il sonar sui siluri
Autoguida su indicazione
sonar
Guida con filo e su
indicazione sonar
La cortina trainata
Dati caratteristici: lung. circa 100 m
freq da 100 a 500 Hz
Da non confondere con il VDS delle navi di superficie
vista parziale in acqua di una
cortina trainata
La misura della forza di
un bersaglio
Il rilievo della velocità
del suono alle diverse
quote
Il bativelocigrafo
Misura la velocità
del suono in
funzione della
profondità
Osservazioni
fondamentali sui segnali
captati dal sonar
Se il bersaglio è relativamente vicino
l’operatore può rivelarne la presenza
mediante l’ascolto del rumore irradiato
Se il bersaglio è molto lontano il
rumore del bersaglio è mascherato dal
rumore del mare e l’operatore non
riesce più a discriminarlo; la scoperta è
affidata a rilievi strumentali
-Il cervello del sonarI rilievi strumentali sono basati su
particolari algoritmi di calcolo che
consentono di scoprire un bersaglio
anche quando il suo segnale è
inferiore al rumore del mare
s =1 ; n = 5
Le tre versioni
del sonar di
emergenza
FALCON
U212 base conforme
Sauro
base
circolare
U212 base d’illuminazione