Impostazione tecnica del sonar FALCON

La presente lezione mostra in dettaglio le caratteristiche tecniche di progetto del sonar FALCON.

Il progetto aveva come obiettivi:

• L'installazione del FALCON sui sottomarini classe Sauro
• La realizzazione di un apparato portatile di dimensioni estremamente ridotte
• La configurazione della parte hardware indirizzata alla riduzione dei consumi
• La configurazione della parte software per ridurre i tempi di calcolo
• La costruzione di un sonar completamente indipendente da poter collegare, senza l'impiego di sistemi d'interfaccia, alla base ricevente del sonar principale

Il FALCON è un sonar passivo a fasci preformati in correlazione; è stato progettato per il collegamento diretto alle basi riceventi circolari montate sui sottomarini.

Una base ricevente è mostrata in figura 1.

figura 1 Base idrofonica ricevente

L’acronimo FALCON

L’acronimo definisce le caratteristiche salienti del sonar:

$Fasci\quad$ $Acustici\quad$ per $Localizzazione\quad$ a $Coerenza\quad$ d’$Onda\quad$ $Naturale$

Questo sistema è basato sulle tecniche di correlazione sviluppate in modo particolare, ovvero senza la rimessa in coerenza dei segnali idrofonici, sfruttando le caratteristiche di simmetria delle basi idrofoniche circolari dei sonar.

La particolarità, che elimina la necessità di circuiti di correlazione, consiste nell'implementazione nel software del sonar di matrici di conversione da dati binari d’ingresso a coefficienti di correlazione in uscita.

Le matrici riducono notevolmente l'hardware della struttura sonar e il tempo di calcolo nell'elaborazione dei coefficienti di correlazione.

Vantaggi del sonar FALCON

Prima del sonar FALCON uno tra i più semplici metodi per la costruzione di un sistema a fasci preformati in correlazione, da abbinare con basi idrofoniche a struttura circolare, era formato secondo lo schema a blocchi mostrato in figura 2:

figura 2 Fasci preformati a logica sparsa

Lo schema mostra come le $8$ tensioni idrofoniche di una base circolare siano limitate in ampiezza e correlate a coppie tra loro con un gruppo di $4$ correlatori; le uscite di questi sono sommate per la formazione del fascio preformato per la direzione interessata.

Per la formazione di $36$ fasci sono necessarie $36$ strutture analoghe a quelle che nella figura sono evidenziate in celeste; la complessità dell'hardware è evidente.

Per la formazione di $36$ fasci preformati con il FALCON lo schema, unico per tutti i fasci, è derivato dallo schema precedente senza i blocchi di correlazione ed è mostrato in figura 3, per semplicità grafica, con solo $8$ segnali invece di $18$ quanti sono gli idrofoni nella base:

figura 3 Fasaci preformati FALCON

Nello schema FALCON la parte celeste mancante è sostituita dall'insieme delle matrici di correlazione implementate nel software del computer.

Struttura del FALCON

Il FALCON è un apparato completamente autonomo che necessita soltanto della base acustica di ricezione alla quale collegarsi.

L'apparato è dotato di:

Funzioni per il trattamento dei segnali idrofonici

• Preamplificazione idrofonica
• Trasformazione dei segnali analogici in segnali a due stati
• Accoppiamento tra hardware e computer

Funzioni di operatività tattica

• Sistema d’inseguimento automatico
• Comando variazione della costante d’integrazione nei processi di correlazione
• Ascolto audio a punteria
• Rilevamento in BRQ
• Rilievo del rapporto S/N in acqua
• Computo della portata e della distanza stimata
• Regolazioni della sensibilità video/audio
• Misura del rapporto Si/Ni
• Presentazione video tipo A
• Simulatore di bersagli
• Variatore del fuori zero

Funzioni software

• Trattamento numerico dei segnali senza l’impiego di conversione analogico/digitale
• Rimessa in coerenza dei segnali video in tempo reale senza l’impiego di strutture di ritardo
• Algoritmi per la formazione fasci video in correlazione estremamente semplici
• Rivelazione video a fasci preformati
• Interpolazione numerica tra i fasci
• Integrazione video variabile manualmente

Funzionamento di principio del sonar FALCON

La metodologia di trattamento dei segnali idrofonici è, in linea di principio, estremamente semplice: si amplificano, si filtrano nella banda prescelta $(f_{1}-f_{2})$ e si limitano a due stati gli $N$ segnali idrofonici della base circolare che, dopo la limitazione d'ampiezza, sono indicati con $(L_{1}$…$L_{n})$ come mostrato in figura 4:

figura 4 Schema a blocchi hardware FALCON

L’insieme degli stati logici istantanei del gruppo $(L_{1}$…$L_{n})$ può essere visto come un numero binario $(Y)$ costituito da una stringa contenente, ad esempio, gli $N$ valori $(0\cdot 1\cdot 1\cdot 0$…$1\cdot 1\cdot 0)$.

La stringa a $N$ bit è inserita nel computer, vedi figura 5, al ritmo superiore a due volte la frequenza massima della banda; questa stringa ha un corrispondente valore numerico che contiene tutte le informazioni necessarie all'elaborazione.

figura 5 Schema a blocchi software FALCON

Il software dispone di $M$ matrici di conversione che, secondo la filosofia FALCON, computano gli $M$ fasci preformati per l'esplorazione di tutto l'orizzonte subacqueo.

L'impiego delle matrici di correlazione per i fasci preformati del FALCON

Un'idea dell'impiego delle matrici di correlazione si ha facendo riferimento, a solo titolo di esempio, alla figura 6:

figura 6 Fasaci preformati FALCON

Con l'assunzione di $8$ idrofoni per la formazione dei fasci il numero di questi, con centro passante tra le coppie o su di un idrofono, è per $36$ direzioni ( un fascio ogni $10$° ).

Il fascio preformato che nasce dall'elaborazione contemporanea dei segni istantanei alle uscite dei limitatori esprime la somma dei valori di correlazione delle quattro coppie d'idrofoni simmetrici della base idrofonica.

Il peso della correlazione $C(\alpha )$ dei quattro gruppi può variare da un minimo $C(\alpha )=1$ (una sola coincidenza di segni) ad un massimo di $C(\alpha )=4$ (quattro coincidenze di segni).

I valori intermedi di correlazione si formano dall'alternanza casuale delle coincidenze e non coincidenze integrate nel tempo.

Se gli stati logici dei segnali generati dalla base sono ad esempio, per il primo di $36$ fasci, quelli sotto riportati significa che, ad un certo istante, i segnali delle $4$ coppie sono:

• $L_{15}=1\quad$ $L_{4}=1\quad$ Segnali coerenti

• $L_{16}=1\quad$ $L_{3}=0\quad$ Segnali incoerenti

• $L_{17}=0\quad$ $L_{2}=1\quad$ Segnali incoerenti

• $L_{18}=1\quad$ $L_{1}=1\quad$ Segnali coerenti

La correlazione dei segnali si verifica soltanto nella prima e nella quarta coppia, si ha pertanto: $C(\alpha )=2$

In tal caso il numero binario $(Y)$ applicato al computer è:

$1\cdot 1\cdot 0\cdot 1\cdot 1\cdot 1\cdot 0\cdot 1$ pari al numero decimale $221$.

Facendo ora riferimento ad una matrice implementata nel computer quale, ad esempio, quella in figura 7:

figura 7 Matrice per fasci preformati FALCON

nella quale con la lettera $x$ s'intende il valore numerico $(Y)$ e con la funzione $i(x)$ la funzione di correlazione $C(\alpha )$.

Interrogata a software la matrice, per $x=221$, indica $i(x)=2$ come visualizzato nella casella verde.

Le interrogazioni sequenziali della matrice portano ad una serie di valori $i(x)$ che, opportunamente integrati nel tempo, rendono l'ampiezza del fascio preformato in correlazione.

Ripetuta la procedura per gli altri $35$ fasci si ha la scansione panoramica dell'orizzonte subacqueo.

Pannello comandi e presentazione video

Il pannello virtuale di comando e controllo del FALCON è mostrato in figura 8; tutti gli algoritmi di calcolo sono generati via software:

figura 8 Pannello comandi e controlli FALCON

Nel panello si vede l'indice di collimazione che, per $Brq=95$°, rileva un bersaglio, tutto intorno la varianza di correlazione dovuta al rumore del mare.

La serie dei comandi, da sn. a dx :

• Integrazione (seleziona le costanti di tempo dei processi di correlazione)

• Simul. (comanda la presentazione video per il controllo sonar)

• Puntamento ( comanda il posizionamento dell’indice di collimazione angolare)

• Calcoli di portata( imposta un calcolo approssimativo per una stima indicativa della distanza del bersaglio)

• Ins,Aut.( comando per l’inseguimento automatico del bersaglio)

• G. Vdeo +; G. Video (comandi per la regolazione dell'ampiezza della presentazione video dei bersagli)

• Interp. (comanda l’inserzione del processo d'interpolazione tra i fasci preformati)

• Punt. Audio( comanda il posizionamento del ricevitore audio sulla direzione indicata dall'indice di collimazione)

• Gruppo FZ ( se inserito comanda lo spostamento del livello zero della presentazione video)

La serie degli indicatori, da sn. dx:

• S/N (dB) (indicatore del rapporto segnale/disturbo nella collimazione di un bersaglio)

• RC (Sec.) (indicatore della costante di tempo impostata)

• Brq (Gradi) (indicatore della posizione del bersaglio collimato con l’indice)

• Rstim ; Rport Gruppo per l’indicazione della distanza stimata

• Tempo di Acc. ( indicatore dell’autonomia dello stato batterie)

Vista del prototipo FALCON nel laboratorio della sezione E.A. dell'arsenale MMI di La Spezia

Prototipo sonar FALCON

Bibliografia

• P. Rudnick, Small Signal Detection in the DIMUS Array, J.A.S.A. vol. 32 n°7 , 1960

• R.G.Pridham and R.A:Mucci, A novel approach to digital beamforming, J.A.S.A. vol. 62 n°2 , 1978

• V.C. Anderson, Digital Array Phasing, J.A.S.A. vol. 32 n°7 , 1960

• F.B. Tuteur, Spectral esimation of space-time signal a DIMUS array, J.A.S.A. vol. 70 n°1 , 1981

• C. Del Turco, La correlazione, Collana scientifica ed. Moderna La Spezia, 1993

• C. Del Turco, Studio di un sistema di fasci acustici per localizzazione a coerenza d'onda naturale, Direzione Arsenale M.M. La Spezia, 2000