Misuratori passivi della distanza: confronto Italia USA

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

Sottomarino USA USS Harder (SS-568): in evidenza i 3 sensori a torre disposti sulla parte superiore dello scafo.

In Italia si è manifestato l'interesse per tali studi dopo il 1960, quando, informati sulle esperienze positive svolte sui sottomarini USA USS Harder (SS-568) dotati di misuratore passivo della distanza si pensò di svilupparlo anche per i sottomarini italiani (nella fotografia sono indicati con torri sullo scafo 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".

La struttura originale del misuratore passivo della distanza

La misura in oggetto veniva attuata mediante la struttura indicata in figura 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.

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

Sottomarini Classe Toti

Sottomarino Classe Toti

La disposizione delle due basi sul sottomarino Toti (misuratore passivo sperimentale MD64) è visibile in figura 2 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.

Date le caratteristiche navali del semovente lo spazio destinato ciascuna delle 6 pinne non doveva superare le dimensioni di $\approx 0.4\ m\times 0.4\ m$

Sottomarini Classe Sauro

Sottomarino Classe Sauro

La disposizione delle due basi sul sottomarino Sauro (misuratore passivo MD100) è visibile in figura 2/a dove le 3 coppie di sensori acustici sono nella parte alta dello scafo indicate con segmenti bianchi:

In questa disposizione la superficie di ciascuna pinna non doveva superare i $\approx 0.7\ m\times \ 0.7\ m$

La teoria della misura secondo la disposizione delle pinne a scafo

Propagazione onde acustiche in mare

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 di cui alle sezioni precedenti 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

Geometria di calcolo

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 $f$:

$D^{2}=f\ (2\ R+f)$

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

$D^{2}\approx f\ (2\ R)$ da cui $R=D^{2}/2\ f$

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 :

$R=D^{2}/2\ tr\ c$.

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.

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 $R=D^{2}/(2\ tr\ c)$  ; se ad esempio tra i sensori è $D=25\ m$ e la distanza della sorgente è $10000\ m$ il valore di $tr$ risulta: $tr=D^{2}/2\ R\ c=25^{2}/(2\times 10000\times 1530)=20.4\ \mu s$

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 $\ 1\ \mu s.$

Il problema della misura della distanza con metodo passivo non riguarda soltanto la precisione strumentale ma, ben di più, il rapporto tra segnale e disturbo $S/N$ presente in mare.

Il rapporto $S/N$ poteva essere migliorato soltanto giocando sul guadagno di direttività delle basi che dipende dalle dimensioni delle basi stesse.

Il guadagno delle basi acustiche

Guadagni di direttività in funzione delle dimensioni delle basi acustiche

Nella tabella, per una sorta di confronto tra i dati di partenza, sono riportati i dati salienti relativi ai tre sottomarini 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

• $2\ D=80\ \%\ L$

• $A$ = 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 $29\ dB$ degli USA e che il $tr$ era di soli $10\ \mu s\ a\ 10000\ m$, contro i $40\ \mu s$ 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.

Confronto tra le dimensioni delle pinne dei tre misuratori

I guadagni esposti in tabella sono congrui con le dimensioni delle pinne riportate in figura a confronto d'altezza uomo

Valutazione delle percentuali di probabilità di scoperta del bersaglio

Curve ROC; stabilita, ad esempio, $Pfa=0.1\%$ la retta rossa interseca l'insieme di parametri $d$ dai quali dedurre la probabilità di scoperta $Priv$ ad esempio per $d=9\ Priv=40\ \%$

La valutazione delle percentuali di probabilità di scoperta per i tre misuratori di distanza è legata all'impiego delle curve ROC tramite una valutazione del parametro probabilistico $d$ da computare con idoneo algoritmo.

Analisi delle Priv dei tre misuratori della distanza

Supponiamo per ipotesi che i tre sottomarini, indicati nelle sezioni precedenti, siano collocati in un teatro operativo alla distanza comune di $22000\ m$ da un bersaglio che emette rumore; e che inoltre il rumore del mare che avvolge i tre battelli abbia la stessa pressione acustica distribuita nella stessa banda di frequenze.

Valutando :

• Con $S_{b}=6\ dB/\mu Pa/Hz$ il livello del rumore del bersaglio che colpisce i tre semoventi
• Con $N_{m}=39\ dB/\mu Pa/Hz$ il livello del rumore del mare

Ciascun semovente riceverà il segnale emesso dal bersaglio con lo stesso rapporto segnale / disturbo indicato con $S_{b}/N_{m}\ dB$.

$S_{b}/N_{m}=6-39=-33\ dB$ rapporto segnale / disturbo in mare che incide sulle pinne dei misuratori della distanza

Grazie al guadagno $G_{p}$ delle basi acustiche dei misuratori della distanza il rapporto segnale / rumore all'ingresso degli elaboratori in correlazioni si può scrivere per tre valori diversi:

$S_{i}/N_{i}=S_{b}/N_{m}+G_{p}$ :

USA: $\ \ \ S_{i}/N_{i}=-33\ dB+G_{p}USA=-33+29=-4\ dB$

MD100:$\ \ \ S_{i}/N_{i}=-33\ dB+G_{p}MD100=-33+22=-11\ dB$

MD64: $\ \ \ S_{i}/N_{i}=-33\ dB+G_{p}MD64=-33+18=-25\ dB$

Facendo ricorso al parametro probabilistico $d$ riportiamo l'algoritmo per $S_{i}/N_{i}$ espresso in decibel:

$d=2\cdot BW\cdot RC\cdot [10^{(\ \ [Si/Ni]\ /\ 20\ \ )}]^{4}$ ]

assunti:

• $BW=1000\ Hz$

• $RC=0.1\ s$

• $Pfa=10\%$ Probabilità di falso allarme scelta dall'operatore

si ha:

USA: $\ \ \ S_{i}/N_{i}=-4\ dB$ : $d=31.7$: $Priv\approx 99\ \%$

MD100: $\ \ \ S_{i}/N_{i}=-11\ dB$ : $d=1.26$ $Priv\approx 40/\%$

MD64: $\ \ \ S_{i}/N_{i}=-25\ dB$ : $d=0$ $Priv\approx 10\%$

Bibliografia

• (EN) Robert J. Urick, Principles of underwater sound, 3ª ed., Mc Graw – Hill, 1968.

• G. Pazienza, Fondamenti della localizzazione marina, La Spezia, Studio grafico Restani, 1970.

• C. Del Turco, La correlazione, Tip. Moderna La Spezia 1992.

• G. Clifford Carter, Coherence and Time Delay Estimation, Proceedings of the IEEE vol.75 no 2, 1987.

• Billur Barshan – All Safak Sekmen, Radium of curvature estimation and localization of targets using multiple sonar sensor, J. Acoust. Soc. Am. Vol. 105. no 4, 1999.