SONAR-INFO-p238
IL PORTMAX 1)Premessa 2)Definizione delle variabili di calcolo funzioni della frequenza 3)Sulla base idrofonica a modello e il processo dei segnali 4)Il pannello operativo del calcolatore 5)Esempio di computazione della frequenza ottimale di scoperta 6)Visualizzazione dei grafici delle funzioni accessorie 7)Osservazioni
Calcolatore della frequenza ottimale per la massima distanza di scoperta
Questo studio è un ampliamento di ciò che abbiamo trattato su p66 e del quale riportiamo integralmente
il paragrafo 1) delle generalità:
La determinazione della frequenza ottimale (fos) nella scoperta delle sorgenti acustiche coinvolge
numerose variabili non sempre quantizzabili con precisione, perciò anche il valore di tale frequenza non
può essere calcolato con esattezza.
Nei casi di scoperta su distanze superiori ai 33 Km, quando è difficile la scelta migliore tra
le diverse le leggi che governano l'attenuazione per assorbimento, gli errori su (fos) possono essere
anche dell'ordine del 30 % .
Nonostante le difficoltà citate questo tipo di calcolo resta l'unico possibile per fornire
unn'idea sulla frequenza ottimale nella scoperta sonar; la determinazione di tale frequenza
è fattibile con due metodi diversi:
Tramite la procedura analitica
Tramite un processo grafico-numerico
Nella pagina presente svilupperemo entrambe le procedure di calcolo, dal paragrafo 2
al paragrafo 5 si tratterà dell'elaborazione analitica del DT (soglia di rivelazione)
per valutarne il valore massimo in funzione della frequenza, nel paragrafo 6 sarà mostrata una
procedura grafico numerica sostitutiva di quella analitica, in 7 si dimostrerà
matematicamente la validità della soluzione grafica.
L'ampliamento di cui si tratta in questa pagina cerca di risolvere il problema del calcolo
della frequenza ottimale di scoperta in un contesto operativo, in mare, dove siano presenti
contemporaneamente le variabili:
SL: livello indice di un bersaglio di cui s'ipotizza la velocità
NL: livello del rumore del mare in dipendenza del suo stato
DI: livello indice della base ricevente a larga banda ( base conforme; base sul fianco )
RC: costante di tempo d'integrazione impostata al momento in base a considerazioni operative
d: variabile probabilistica impostata al momento in base a considerazioni operative sul Pfa e Priv.
Prop: selezione del tipo di propagazione individuato in base alle caratteristiche del sito
Base: impostazione dimensioni base in relazione alla direzione del bersaglio; al traverso o di prua.
Tutto ciò grazie al calcolatore PORTMAX in grado di risolvere in modo dinamico il problema
della determinazione della frequenza ottimale di scoperta durante le azioni sul campo pur con
le limitazioni di precisione già accennati alla pagina p66.
Il calcolatore, con un software in Visual Basic, complicato dal numero elevato delle variabili
in gioco, consente il tracciamento delle variabili stesse in funzione della frequenza e la lettura
della frequenza per la quale si configura la massime distanza di scoperta.
Tutte le computazioni sono eseguite in bande di frequenza di una ottava nelle quali i limiti
sono:
fq inferiore: f1 = 0.7 Fo
fq superiore: f2 = 1.41 Fo
dove Fo rappresenta la frequenza media geometrica degli estremi di banda.
Le variabili di calcolo dipendenti dalla frequenza Fo e le loro equazioni espresse in linguaggio VB
sono:
Per SL:
xj = Fo / 1000
dbj = 6.67
kj = dbj / (20 * Log(2) / Log(10))
Yj = 20 * Log((xj) ^ kj) / Log(10)
If Combo2.Text = "10 nodi" Then livdB = 127.5 - Yj 'per 10 nodi
If Combo2.Text = "15 nodi" Then livdB = 138 - Yj 'per 15 nodi
If Combo2.Text = "20 nodi" Then livdB = 145.4 - Yj 'per 20 nodi
If Combo2.Text = "25 nodi" Then livdB = 151.4 - Yj 'per 25 nodi
SL = livdB
Per NL:
xg = Fo / 1000
dbg = 5
kg = dbg / (20 * Log(2) / Log(10))
Yg = 20 * Log((xg) ^ kg) / Log(10)
If Combo3.Text = "SS=0" Then livdBm = 55 - Yg - 10.8
If Combo3.Text = "SS=1/2" Then livdBm = 55 - Yg - 4.7
If Combo3.Text = "SS=1" Then livdBm = 55 - Yg + 0
If Combo3.Text = "SS=2" Then livdBm = 55 - Yg + 6.8
If Combo3.Text = "SS=4" Then livdBm = 55 - Yg + 11.6
If Combo3.Text = "SS=6" Then livdBm = 55 - Yg + 15
NL = (livdBm)
Per DI:
F = Fo / 1000 'freq in KHz
latoA = 800 'Val(Text2.Text) * 100 'entra in cm
latoB = 80 'Val(Text6.Text) * 100 'entra in m
If latoA = 0 Then GoTo fine
If latoB = 0 Then GoTo fine
If Fo = 0 Then GoTo fine
landa = 1.53 / F
DI = 10 * Log((4 * 3.14 * (latoA / 100) * (latoB / 100)) / landa ^ 2) / Log(10)
Per Prop.
If Combo1.Text = "Sferica" Then hhh = 20
If Combo1.Text = "Sfer.cil." Then hhh = 10
If hhh = 0 Then hhh = 20
Per alfa (secondo Thorp):
k = Sqr(F2 * F1) 'frequenza centrale in Hz
k1 = (F2 - F1) 'banda in Hz
k2 = k / 1000 'frequenza centrale in Khz
a = (0.1 * (k2 ^ 2)) / (1 + (k2 ^ 2)) + (40 * (k2 ^ 2)) / (4100 + (k2 ^ 2)) +
+(2.75 * (k2) ^ 2) / 10000
Con le variabili indicate e processi iterativi con anelli nidificati si calcolano gli
elementi per la costruzione della funzione principale R = f( Fo )
La base idrofonica presa a modello, riportata in figura 1; può essere
indifferentemente o sul fianco del sommergibile o
del tipo conforme idealmente rettificata così come indicato in p39.
In ogni caso la risposta in frequenza e da ritenersi piatta da 100 Hz a 20000 Hz.
Si considera inoltre che il trattamento dei segnali idrofonici sia sviluppato tramite processi di correlazione.
figura 1
In figura 2 è riportato il pannello operativo del PORTMAX con le indicazioni delle diverse funzioni:
figura 2
a) Tracciato cartesiano: ascisse Fo da 0 a 20000 Hz (1000 Hz/div.)
ordinate in Km per la distanza R, in dB per le altre variabili
b) TextBox per inserzione dati: RC in Sec, d, dati per la base: L in metri, H in metri
c) Selettore tipo di propagazione; sferica o sferico-cilindrica
d) Selettore velocità del bersaglio in nodi
e) Selettore stato del mare; SS = 1...
f) Selettore ampiezza ordinate per grafico distanza
g) Pulsante avvio calcolo e grafica
h) Settore di presentazione della frequenza Fo' e della massima distanza R calcolata a seguito
collimazione curva rossa con la freccia comandata dal mouse.
i) Selettori CheckBox per la presentazione dei grafici delle quattro funzioni accessorie; DI, alfa, SL, NL,
nei colori e nelle scale distintivi indicati in i):
DI è espresso in 5 dB/div.
alfa è espresso in 1 dB/Km/ div.
SL è espresso in 10 dB/μPa/√Hz/ div.
NL è espresso in 10 dB/μPa/√Hz/ div.
Si attiva il programma di calcolo cliccando su PORTMAX quindi
si considera una situazione sul campo così definita:
-Il sommergibile ha una base sul fianco con L = 8 m e H = 0.8 m e il bersaglio si trova al traverso
-Il sito è molto profondo che presuppone una propagazione di tipo sferico
-I movimenti relativi sommergibile bersaglio suggeriscono una costante di tempo d'integrazione di RC = 1 Sec.
- Accettando una P(fa) = 5 % e desiderando una P(riv) = 90 % si pone d = 8 (si veda p 80)
- Si valuta la velocità del bersaglio in 10 nodi
-Si valuta lo stato del mare per SS = 2
-Si imposta una scala della distanza di 5 Km/div (da aggiustare, se necessario, in un secondo tempo)
-Non si presenta al momento nessuna grafico di funzioni accessorie
Dopo l'impostazioni delle variabili citate si preme il pulsante calcolo per l'esecuzione del programma ottenendo
il grafico di figura 3.
Nel grafico, valutando ascissa e ordinata del massimo, si evince che la distanza di
scoperta calcolata è di 49 Km in corrispondenza di Fo' = 2800 Hz; risultato che compare
anche nel settore h) dopo collimazione del massimo della curva con la freccia e il click del mouse.
Dato che Fo' = 2800 Hz la banda di ricezione dovrà essere compresa tra:
F1 = 0.7 x 2800 ≈ 2000 Hz e F2 = 1.41 x 2800 ≈ 4000 Hz
figura 3
Il risultato del calcolo consente, mediante il posizionamento della freccia del mouse, di
stabilire le portate ottenibili, nelle condizioni date, anche per frequenze diverse da Fo'
ma sempre nel campo tra 0 e 20000 Hz; ad esempio per Fo'' = 9000 Hz si legge una portata di scoperta
pari a 25.8 Km. ciò dimostra che il calcolatore PORTMAX è utile anche per il calcolo di portate
inferiori alla massima con basi idrofoniche di diverse dimensioni.
Con il calcolatore è possibile, a seguito di una qualsiasi impostazione dati, il tracciamento di una
o più funzioni accessorie quali: DI; alfa; SL; NL; ciascuna tracciata con apposita scala
evidenziata dalle scritte colorate a fianco dei CheckBox.
Le curve possono essere tracciate singolarmente o in diversa combinazioni assieme al tracciato
principale in rosso; in figura 4 un esempio di tutte le curve contemporaneamente:
figura 4
____ E' interessante verificare il calcolo della Fo', sviluppato nel precedente
paragrafo 5) con le variabili impostate, che porta alla soluzione del problema con la coppia
Fo' = 2800 Hz e Rmax = 49 Km ; con la funzione 2) del
paragrafo 5) di p66 che sotto riportiamo:
Secondo la 2) per R = 49 Km il valore di Fo' ottenuto per via analitica
è Fo' = √(434/Rkm) = 2970 Hz
contro i 2800 Hz ottenuti con il PORTMAX con un errore dell'ordine del 6% da ritenersi più
che accettabile in una computazione di questo genere.
_____ I valori significativi del massimo della curva rossa restano sempre su frequenze Fo molto basse
qualsiasi combinazione delle variabili siano inserite.
Questa situazione di carattere permanente è dovuta al comportamento delle funzioni ausiliarie
SL ed alfa che penalizzano in modo pesante la trasmissione in acqua delle frequenze alte così come
si può vedere da figura 5:
figura 5
La curva viola, andamento del livello di SL, scende di oltre 40 dB alle frequenze alte e contemporaneamente
il valore dell'attenuazione per assorbimento, dovuto alla funzione alfa, raggiunge livelli di 4 dB/Km
per dette frequenze; per queste ragioni, a distanze ancora modeste, ad esempio 10 Km,
alfa porta ad una attenuazione di ben 40 dB; la somma dell'attenuazione di SL e di alfa, per una distanza di 10 Km è dell'ordine di
80 dB, valore che confina i valori massimi di portata nel solo campo delle frequenze basse.
______Due fasi caratterizzano il rapporto tra sommergibile e bersaglio:
La fase di scoperta e quella di attacco; nella prima si tratta di individuare la presenza
del bersaglio alla maggior distanza possibile per anticipare lo stato di allerta; in questo
caso la determinazione della Fo' che massimizza la portata è di fondamentale importanza.
A questo punto ci si può chiedere perché non adottare tale soluzione anche nella fase di attacco.
Nella fase operativa d'attacco è richiesta la massima precisione nel rilevamento della posizione
del bersaglio; è necessario quindi che l'ampiezza del lobo della caratteristica di direttività della base
idrofonica sia la più stretta possibile, cosa ottenibile spostando la frequenza d'ascolto verso
valori superiori di Fo' così come mostra la figura 6:
figura 6
Dalla figura si vede come l'ampiezza del lobo di direttività di una base idrofonica presa a
modello, ampiezza calcolata a -3 dB, sia di ben 27° alla frequenza di 1000 Hz e si riduca a soli 2°
alla frequenza di 8000 Hz consentendo una più accurata collimazione della direzione del bersaglio.