Come funziona la mappatura sonar

Metodo

di rilevamento acustico

Sonar Per altri usi, vedi Sonar (disambigua). Da non confondere con Sodar o Sonnar.

Il sonar ( sound navigation and ranging o sonic navigation and ranging ) [2] è una tecnica che utilizza la propagazione del suono (solitamente sott'acqua, come nella navigazione sottomarina) per navigare, misurare le distanze (ranging), comunicare o rilevare oggetti sopra o sotto la superficie dell'acqua, come altre imbarcazioni. [3]

"Sonar" può riferirsi a uno dei due tipi di tecnologia: sonar passivo significa ascoltare il suono prodotto dalle imbarcazioni; Ecoscandaglio attivo significa emettere impulsi di suoni e ascoltare gli echi. Il sonar può essere utilizzato come mezzo di localizzazione acustica e di misurazione delle caratteristiche dell'eco dei "bersagli" nell'acqua. [4] La localizzazione acustica nell'aria è stata utilizzata prima dell'introduzione del radar. Il sonar può anche essere utilizzato per la navigazione robotica, [5] e il sodar (un sonar in aria rivolto verso l'alto) viene utilizzato per le indagini atmosferiche. Il termine sonar è usato anche per l'apparecchiatura utilizzata per generare e ricevere il suono. Le frequenze acustiche utilizzate nei sistemi sonar variano da molto basse (infrasuoni) a estremamente alte (ultrasuoni). Lo studio del suono subacqueo è noto come acustica subacquea o idroacustica.

Il primo uso registrato della tecnica fu nel 1490 da parte di Leonardo da Vinci, che utilizzò un tubo inserito nell'acqua per rilevare le navi a orecchio. [6] Fu sviluppato durante la prima guerra mondiale per contrastare la crescente minaccia della guerra sottomarina, con un sistema sonar passivo operativo in uso dal 1918. [3] I moderni sistemi sonar attivi utilizzano un trasduttore acustico per generare un'onda sonora che viene riflessa dagli oggetti target. [3]

Sebbene

alcuni animali (delfini, pipistrelli, alcuni toporagni e altri) abbiano utilizzato il suono per la comunicazione e il rilevamento di oggetti per milioni di anni, l'uso da parte degli esseri umani nell'acqua è stato inizialmente registrato da Leonardo da Vinci nel 1490: si diceva che un tubo inserito nell'acqua fosse utilizzato per rilevare le navi posizionando un orecchio sul tubo.

Alla fine del XIX secolo, una campana subacquea veniva utilizzata come ausiliaria per fari o navi faro per fornire un avviso di pericolo. [7]

L'uso del suono per "ecolocalizzare" sott'acqua, nello stesso modo in cui i pipistrelli usano il suono per la navigazione aerea, sembra essere stato suggerito dal disastro del Titanic del 1912. [8] Il primo brevetto al mondo per un dispositivo subacqueo di eco-ranging è stato depositato presso l'Ufficio Brevetti britannico dal meteorologo inglese Lewis Fry Richardson un mese fa dopo l'affondamento del Titanic , [9] e un fisico tedesco Alexander Behm ottenne un brevetto per un ecoscandaglio nel 1913. [10]

L'ingegnere canadese Reginald Fessenden, mentre lavorava per la Submarine Signal Company a Boston, Massachusetts, costruì un sistema sperimentale a partire dal 1912, un sistema successivamente testato nel porto di Boston, e infine nel 1914 dalla U.S. Revenue Cutter Miami sui Grand Banks al largo di Terranova. [9] [11] In quel test, Fessenden dimostrò il sondaggio di profondità, le comunicazioni subacquee (codice Morse) e la portata dell'eco (rilevamento di un iceberg a una distanza di 2 miglia (3,2 km)). [12] [13] L'"oscillatore di Fessenden", operato a circa 500 Hz di frequenza, non era in grado di determinare la direzione dell'iceberg a causa della lunghezza d'onda di 3 metri e delle piccole dimensioni del trasduttore superficie radiante (meno di 1/3 di lunghezza d'onda di diametro). I dieci sottomarini britannici di classe H costruiti a Montreal e varati nel 1915 erano equipaggiati con oscillatori Fessenden. [14]

Durante la prima guerra mondiale la necessità di rilevare i sottomarini spinse ulteriori ricerche sull'uso del suono. Gli inglesi fecero un uso precoce di dispositivi di ascolto subacquei chiamati idrofoni, mentre il fisico francese Paul Langevin, lavorando con un ingegnere elettrico immigrato russo Constantin Chilowsky, lavorò allo sviluppo di dispositivi audio attivi per il rilevamento dei sottomarini nel 1915. Sebbene i trasduttori piezoelettrici e magnetostrittivi abbiano successivamente sostituito i trasduttori elettrostatici che utilizzavano, questo lavoro ha influenzato i progetti futuri. Per gli idrofoni sono stati utilizzati film plastici leggeri e sensibili al suono e fibre ottiche, mentre per i proiettori sono stati sviluppati Terfenol-D e piombo niobato di magnesio (PMN).

ASDIC

Nel 1916, sotto il British Board of Invention and Research, il fisico canadese Robert William Boyle assunse il progetto di rilevamento attivo del suono con A. B. Wood, producendo un prototipo per i test a metà del 1917. Questo lavoro per la Divisione Antisommergibile dello Stato Maggiore della Marina britannica fu intrapreso nella massima segretezza e utilizzò cristalli piezoelettrici di quarzo per produrre il primo pratico apparato subacqueo di rilevamento attivo del suono al mondo. Per mantenere la segretezza, non è stata fatta alcuna menzione della sperimentazione sonora o del quarzo: la parola usata per descrivere i primi lavori ("supersonics") è stata cambiata in "ASD"ics, e il materiale al quarzo in "ASD"ivite: "ASD" per "Anti-Submarine Division", da cui l'acronimo britannico ASDIC . Nel 1939, in risposta a una domanda dell'Oxford English Dictionary , l'Ammiragliato inventò la storia che stava per "Allied Submarine Detection Investigation Committee", e questo è ancora ampiamente creduto, [15] anche se nessun comitato con questo nome è stato trovato negli archivi dell'Ammiragliato. [16]

Nel 1918, la Gran Bretagna e la Francia avevano costruito prototipi di sistemi attivi. Gli inglesi testarono il loro ASDIC sulla HMS Antrim nel 1920 e iniziarono la produzione nel 1922. La 6ª Flottiglia Cacciatorpediniere aveva navi equipaggiate con ASDIC nel 1923. Nel 1924 furono istituite a Portland una scuola antisommergibile HMS Osprey e una flottiglia di addestramento di quattro navi.

Allo scoppio della seconda guerra mondiale, la Royal Navy aveva cinque set per diverse classi di navi di superficie e altri per sottomarini, incorporati in un sistema antisommergibile completo. L'efficacia dei primi ASDIC fu ostacolata dall'uso della carica di profondità come arma antisommergibile. Ciò richiedeva che una nave attaccante passasse sopra un contatto sommerso prima di sganciare cariche sopra la poppa, con conseguente perdita di contatto ASDIC nei momenti precedenti a attacco. Il cacciatore stava effettivamente sparando alla cieca, durante il quale un comandante di sottomarino poteva intraprendere un'azione evasiva. A questa situazione si pose rimedio con nuove tattiche e nuove armi.

I miglioramenti tattici sviluppati da Frederic John Walker includevano l'attacco strisciante. A questo scopo erano necessarie due navi antisommergibile (di solito sloop o corvette). La "nave dirigente" seguì il sottomarino bersaglio sull'ASDIC da una posizione a circa 1500-2000 metri dietro il sommergibile. La seconda nave, con l'ASDIC spento e funzionante a 5 nodi, iniziò un attacco da una posizione tra la nave che dirigeva e il bersaglio. Questo attacco era controllato via radio telefono dalla nave dirigente, in base al loro ASDIC e alla distanza (tramite telemetro) e alla direzione della nave attaccante. Non appena le bombe di profondità furono sganciate, la nave attaccante lasciò l'area circostante a tutta velocità. La nave dirigente entrò quindi nell'area bersaglio e si rilasciò un modello di cariche di profondità. La bassa velocità di avvicinamento significava che il sommergibile non poteva prevedere quando le bombe di profondità sarebbero state rilasciate. Qualsiasi azione evasiva veniva rilevata dalla nave che dirigeva e gli ordini di direzione verso la nave attaccante venivano dati di conseguenza. La bassa velocità dell'attacco aveva il vantaggio che il siluro acustico tedesco non era efficace contro una nave da guerra che viaggiava così lentamente. Una variante dell'attacco strisciante era l'attacco "in gesso", in cui tre navi attaccanti che lavoravano in linea ravvicinata venivano dirette sopra il bersaglio dalla nave che dirigeva. [17]

Le nuove armi per affrontare il punto cieco dell'ASDIC erano "armi da lancio in avanti", come i ricci e successivamente i calamari, che proiettavano testate su un bersaglio davanti all'attaccante e ancora in contatto con l'ASDIC. Questi permettevano a una singola scorta di effettuare attacchi meglio mirati ai sommergibili. Gli sviluppi durante la guerra portarono a set ASDIC britannici che Ha utilizzato diverse forme di fascio, coprendo continuamente i punti ciechi. Più tardi furono utilizzati siluri acustici.

All'inizio della seconda guerra mondiale (settembre 1940), la tecnologia ASDIC britannica fu trasferita gratuitamente negli Stati Uniti. La ricerca sull'ASDIC e sul suono subacqueo è stata ampliata nel Regno Unito e negli Stati Uniti. Sono stati sviluppati molti nuovi tipi di rilevamento del suono militare. Questi includevano le sonoboe, sviluppate per la prima volta dagli inglesi nel 1944 con il nome in codice High Tea , il sonar per immersioni/schiacciate e il sonar per il rilevamento delle mine. Questo lavoro ha costituito la base per gli sviluppi postbellici relativi al contrasto del sottomarino nucleare.

Durante

gli anni '30 gli ingegneri americani svilupparono la propria tecnologia di rilevamento del suono subacqueo e furono fatte importanti scoperte, come l'esistenza dei termoclini e i loro effetti sulle onde sonore. [18] Gli americani iniziarono a usare il termine SONAR per i loro sistemi, coniato da Frederick Hunt per essere l'equivalente di RADAR. [19]

Laboratorio di suoni subacquei della Marina degli Stati Uniti

Nel 1917, la Marina degli Stati Uniti acquisì per la prima volta i servizi di J. Warren Horton. In congedo dai Bell Labs, prestò servizio presso il governo come esperto tecnico, prima presso la stazione sperimentale di Nahant, Massachusetts, e successivamente presso il quartier generale della Marina degli Stati Uniti, a Londra, in Inghilterra. A Nahant applicò il tubo a vuoto di nuova concezione, allora associato alle fasi formative del campo della scienza applicata ora noto come elettronica, alla rivelazione di segnali subacquei. Di conseguenza, il microfono a bottone in carbonio, che era stato utilizzato nelle precedenti apparecchiature di rilevamento, fu sostituito dal precursore del moderno idrofono. Sempre in questo periodo, sperimenta metodi per il rilevamento del traino. Ciò era dovuto alla maggiore sensibilità del suo dispositivo. I principi sono ancora utilizzati nei moderni sonar trainati Sistemi.

Per soddisfare le esigenze di difesa della Gran Bretagna, fu inviato in Inghilterra per installare nel Mare d'Irlanda idrofoni montati sul fondo collegati a una postazione di ascolto a terra tramite cavo sottomarino. Mentre questa attrezzatura veniva caricata sulla nave posacavi, la prima guerra mondiale finì e Horton tornò a casa.

Durante la seconda guerra mondiale, continuò a sviluppare sistemi sonar in grado di rilevare sottomarini, mine e siluri. Ha pubblicato Fundamentals of Sonar nel 1957 come consulente capo di ricerca presso l'US Navy Underwater Sound Laboratory. Mantenne questa carica fino al 1959 quando divenne direttore tecnico, carica che mantenne fino al pensionamento obbligatorio nel 1963. [20] [21]

Materiali e progetti negli Stati Uniti e in Giappone

Ci furono pochi progressi nel sonar statunitense dal 1915 al 1940. Nel 1940, i sonar statunitensi consistevano tipicamente in un trasduttore magnetostrittivo e una serie di tubi collegati a una piastra d'acciaio di 1 piede di diametro fissata schiena contro schiena a un cristallo di sale di Rochelle in un alloggiamento sferico. Questo gruppo penetrava nello scafo della nave e veniva ruotato manualmente all'angolo desiderato. Il cristallo piezoelettrico di sale di Rochelle aveva parametri migliori, ma l'unità magnetostrittiva era molto più affidabile. All'inizio della seconda guerra mondiale, le elevate perdite subite dalle navi mercantili statunitensi portarono a una ricerca statunitense su larga scala nel campo, che perseguiva sia miglioramenti nei parametri dei trasduttori magnetostrittivi che nell'affidabilità del sale di Rochelle. Il diidrogeno fosfato di ammonio (ADP), un'alternativa superiore, è stato trovato come sostituto del sale di Rochelle; la prima applicazione è stata la sostituzione dei trasduttori a sale di Rochelle a 24 kHz. Nel giro di nove mesi, il sale di Rochelle era obsoleto. L'impianto di produzione ADP crebbe da poche decine di dipendenti all'inizio del 1940 a diverse migliaia nel 1942.

Una delle prime applicazioni dell'ADP i cristalli erano idrofoni per miniere acustiche; i cristalli sono stati specificati per il taglio delle basse frequenze a 5 Hz, in grado di resistere agli urti meccanici per il dispiegamento da aerei da 3.000 m (10.000 piedi) e di sopravvivere alle esplosioni delle mine vicine. Una delle caratteristiche chiave dell'affidabilità ADP sono le sue caratteristiche di invecchiamento zero; Il cristallo mantiene i suoi parametri anche in caso di conservazione prolungata.

Un'altra applicazione era per i siluri acustici a ricerca. Due coppie di idrofoni direzionali erano montati sul muso del siluro, sul piano orizzontale e verticale; I segnali di differenza delle coppie venivano utilizzati per guidare il siluro da sinistra a destra e da cima a fondo. Fu sviluppata una contromisura: il sommergibile bersaglio scaricò una sostanza chimica effervescente e il siluro andò a caccia dell'esca frizzante più rumorosa. La contro-contromisura era un siluro con sonar attivo: un trasduttore fu aggiunto al muso del siluro e i microfoni erano in ascolto il suo tono periodico riflesso esplode. I trasduttori comprendevano piastre di cristallo rettangolari identiche disposte in aree a forma di diamante in file sfalsate.

Gli array di sonar passivi per sottomarini sono stati sviluppati a partire da cristalli ADP. Diversi gruppi di cristalli sono stati disposti in un tubo d'acciaio, riempito sottovuoto con olio di ricino e sigillato. I tubi sono stati poi montati in array paralleli.

Il sonar a scansione standard della Marina degli Stati Uniti alla fine della seconda guerra mondiale operava a 18 kHz, utilizzando una serie di cristalli ADP. La gamma più lunga desiderata, tuttavia, richiedeva l'uso di frequenze più basse. Le dimensioni richieste erano troppo grandi per i cristalli ADP, così nei primi anni '50 furono sviluppati sistemi piezoelettrici magnetostrittivi e di titanato di bario, ma questi avevano problemi a raggiungere caratteristiche di impedenza uniformi e il modello del fascio ne risentì. Il titanato di bario è stato quindi sostituito con un più stabile titanato di zirconato di piombo (PZT) e la frequenza è stata abbassata a 5 kHz. La flotta statunitense ha utilizzato questo materiale nel sonar AN/SQS-23 per diversi decenni. Il sonar SQS-23 utilizzava inizialmente trasduttori magnetostrittivi in nichel, ma questi pesavano diverse tonnellate, e il nichel era costoso e considerato un materiale critico; I trasduttori piezoelettrici sono stati quindi sostituiti. Il sonar era costituito da una vasta gamma di 432 trasduttori individuali. All'inizio, i trasduttori erano inaffidabili, mostravano guasti meccanici ed elettrici e si deterioravano subito dopo l'installazione; Erano anche prodotti da diversi fornitori, avevano design diversi e le loro caratteristiche erano abbastanza diverse da compromettere le prestazioni dell'array. La politica di consentire la riparazione dei singoli trasduttori è stata quindi sacrificata e al suo posto è stato scelto il "design modulare sacrificabile", moduli sigillati non riparabili, eliminando il problema delle guarnizioni e di altre parti meccaniche estranee. [22]

La Marina imperiale giapponese all'inizio del La seconda guerra mondiale ha utilizzato proiettori basati sul quarzo. Questi erano grandi e pesanti, soprattutto se progettati per le frequenze più basse; quello per il gruppo Type 91, operante a 9 kHz, aveva un diametro di 30 pollici (760 mm) ed era azionato da un oscillatore con 5 kW di potenza e 7 kV di ampiezza di uscita. I proiettori Type 93 consistevano in solidi sandwich di quarzo, assemblati in corpi sferici in ghisa. I sonar Type 93 furono successivamente sostituiti con il Type 3, che seguiva il design tedesco e utilizzava proiettori magnetostrittivi; I proiettori consistevano in due unità rettangolari identiche indipendenti in un corpo rettangolare in ghisa di circa 16 x 9 pollici (410 mm × 230 mm). L'area esposta era larga metà della lunghezza d'onda e alta tre lunghezze d'onda. I nuclei magnetostrittivi sono stati realizzati con stampi di nichel da 4 mm, e successivamente di una lega ferro-alluminio con un contenuto di alluminio compreso tra il 12,7% e il 12,9%. L'alimentazione era fornita da un 2 kW a 3,8 kV, con polarizzazione da una sorgente CC da 20 V, 8 A.

Gli idrofoni passivi della Marina imperiale giapponese erano basati su un design a bobina mobile, trasduttori piezoelettrici a sale di Rochelle e microfoni a carbone. [23]

Sviluppi successivi nei trasduttori

I trasduttori magnetostrittivi furono perseguiti dopo la seconda guerra mondiale come alternativa a quelli piezoelettrici. I trasduttori ad anello avvolti in nichel sono stati utilizzati per operazioni ad alta potenza e bassa frequenza, con dimensioni fino a 13 piedi (4,0 m) di diametro, probabilmente i più grandi trasduttori sonar individuali di sempre. Il vantaggio dei metalli è la loro elevata resistenza alla trazione e la bassa impedenza elettrica in ingresso, ma hanno perdite elettriche e coefficiente di accoppiamento inferiore rispetto al PZT, la cui resistenza alla trazione può essere aumentata dalla precompressione. Sono stati provati anche altri materiali; Le ferriti non metalliche erano promettenti per la loro bassa conducibilità elettrica con conseguenti basse perdite per correnti parassite, il Metglas offriva un elevato coefficiente di accoppiamento, ma era complessivamente inferiore al PZT. Negli anni '70 sono stati scoperti composti di terre rare e ferro con proprietà magnetomeccaniche superiori, vale a dire la lega Terfenol-D. Ciò ha reso possibili nuovi progetti, ad esempio un trasduttore ibrido magnetostrittivo-piezoelettrico. Il più recente di questi materiali magnetostrittivi migliorati è il Galfenol.

Altri tipi di trasduttori includono trasduttori a riluttanza variabile (o armatura mobile, o elettromagnetici), in cui la forza magnetica agisce sulle superfici delle fessure, e trasduttori a bobina mobile (o elettrodinamici), simili agli altoparlanti convenzionali; questi ultimi sono utilizzati nella calibrazione del suono subacqueo, a causa delle loro frequenze di risonanza molto basse e delle caratteristiche di banda larga piatta al di sopra di esse.

Per il processo analogo negli animali, vedi animale ecolocazione.

L'ecoscandaglio attivo utilizza un trasmettitore sonoro (o proiettore) e un ricevitore. Quando i due si trovano nello stesso posto, si tratta di un funzionamento monostatico. Quando il trasmettitore e il ricevitore sono separati, si tratta di un funzionamento bistatico. [25] Quando vengono utilizzati più trasmettitori (o più ricevitori), sempre separati spazialmente, si tratta di un funzionamento multistatico. La maggior parte dei sonar viene utilizzata in modo monostatico con lo stesso array spesso utilizzato per la trasmissione e la ricezione. [26] I campi di sonoboe attive possono essere azionati in modo multistatico.

Il sonar attivo crea un impulso sonoro, spesso chiamato "ping", e quindi ascolta le riflessioni (eco) dell'impulso. Questo impulso sonoro viene generalmente creato elettronicamente utilizzando un proiettore sonar costituito da un generatore di segnali, un amplificatore di potenza e un trasduttore/array elettroacustico. [27] Un trasduttore è un dispositivo in grado di trasmettere e ricevere segnali acustici ("ping"). Un beamformer viene solitamente impiegato per concentrare la potenza acustica in un fascio, che può essere spazzato per coprire gli angoli di ricerca richiesti. Generalmente, i trasduttori elettroacustici sono del tipo Tonpilz e il loro design può essere ottimizzato per ottenere la massima efficienza sulla più ampia larghezza di banda, al fine di ottimizzare le prestazioni dell'intero sistema. Occasionalmente, l'impulso acustico può essere creato con altri mezzi, ad esempio utilizzando chimicamente esplosivi, fucili ad aria compressa o sorgenti sonore al plasma.

Per misurare la distanza da un oggetto, il tempo dalla trasmissione di un impulso alla ricezione viene misurato e convertito in un intervallo utilizzando la velocità del suono nota. [28] Per misurare il rilevamento, vengono utilizzati diversi idrofoni e il set misura il tempo di arrivo relativo a ciascuno, o con una serie di idrofoni, Misurando l'ampiezza relativa nei fasci formati attraverso un processo chiamato beamforming. L'uso di un array riduce lo spazio risposta in modo da fornire un'ampia copertura vengono utilizzati sistemi multibeam. Il segnale target (se presente) insieme al rumore viene quindi fatto passare attraverso varie forme di elaborazione del segnale, [29] che per i sonar semplici può essere solo una misurazione dell'energia. Viene quindi presentato a una qualche forma di dispositivo decisionale che chiama l'uscita al segnale o al rumore richiesto. Questo dispositivo decisionale può essere un operatore con cuffie o un display, oppure in sonar più sofisticati questa funzione può essere svolta da un software. Ulteriori processi possono essere eseguiti per classificare e localizzare il bersaglio, oltre a misurarne la velocità.

L'impulso può essere a frequenza costante o un chirp di frequenza variabile (per consentire la compressione dell'impulso alla ricezione). I sonar semplici utilizzano generalmente il primo con un filtro abbastanza largo da coprire eventuali cambiamenti Doppler dovuti al movimento del bersaglio, mentre quelli più complessi generalmente includono la seconda tecnica. Poiché L'elaborazione digitale è diventata disponibile La compressione degli impulsi è stata solitamente implementata utilizzando tecniche di correlazione digitale. I sonar militari hanno spesso più raggi per fornire una copertura a tutto tondo, mentre quelli semplici coprono solo un arco stretto, anche se il raggio può essere ruotato, relativamente lentamente, mediante scansione meccanica.

In particolare quando vengono utilizzate trasmissioni a singola frequenza, l'effetto Doppler può essere utilizzato per misurare la velocità radiale di un bersaglio. La differenza di frequenza tra il segnale trasmesso e quello ricevuto viene misurata e convertita in velocità. Poiché gli spostamenti Doppler possono essere introdotti sia dal movimento del ricevitore che da quello del bersaglio, è necessario tenere conto della velocità radiale della piattaforma di ricerca.

Un utile piccolo ecoscandaglio è simile nell'aspetto a una torcia impermeabile. La testa viene puntata nell'acqua, viene premuto un pulsante e il dispositivo visualizza la distanza dal bersaglio. Un'altra variante è un "ecoscandaglio" che mostra una piccola esposizione con banchi di pesci. Alcuni sonar civili (che non sono progettati per la furtività) si avvicinano ai sonar militari attivi in termini di capacità, con visualizzazioni tridimensionali dell'area vicino all'imbarcazione.

Quando il sonar attivo viene utilizzato per misurare la distanza dal trasduttore al fondo, si parla di ecoscandaglio. Metodi simili possono essere utilizzati guardando verso l'alto per la misurazione delle onde.

Il sonar attivo viene utilizzato anche per misurare la distanza attraverso l'acqua tra due trasduttori sonar o una combinazione di un idrofono (microfono acustico subacqueo) e un proiettore (altoparlante acustico subacqueo). Quando un idrofono/trasduttore riceve uno specifico segnale di interrogazione, risponde trasmettendo uno specifico segnale di risposta. Per misurare la distanza, un trasduttore/proiettore trasmette un segnale di interrogazione e misura il tempo che intercorre tra questa trasmissione e la ricezione della risposta dell'altro trasduttore/idrofono. La differenza di orario, scalata dal La velocità del suono attraverso l'acqua e divisa per due, è la distanza tra le due piattaforme. Questa tecnica, se utilizzata con più trasduttori/idrofoni/proiettori, è in grado di calcolare le posizioni relative di oggetti statici e in movimento nell'acqua.

In situazioni di combattimento, un impulso attivo può essere rilevato da un nemico e rivelerà la posizione di un sottomarino al doppio della distanza massima che il sottomarino stesso può rilevare un contatto e fornirà indizi sull'identità del sottomarino in base alle caratteristiche del segnale in uscita. Per questi motivi, il sonar attivo non è frequentemente utilizzato dai sottomarini militari.

Un tipo di sonar molto direzionale, ma a bassa efficienza (utilizzato dalla pesca, dall'esercito e per la sicurezza dei porti) fa uso di una complessa caratteristica non lineare dell'acqua nota come sonar non lineare, il trasduttore virtuale è noto come array parametrico .

Progetto Artemis

Il progetto Artemis era un Progetto sperimentale di ricerca e sviluppo tra la fine degli anni '50 e la metà degli anni '60 per esaminare la propagazione acustica e l'elaborazione del segnale per un sistema sonar attivo a bassa frequenza che potrebbe essere utilizzato per la sorveglianza oceanica. Un obiettivo secondario era l'esame dei problemi ingegneristici dei sistemi fissi a fondo attivo. [30] L'array ricevente era situato sul pendio del Plantagnet Bank al largo delle Bermuda. L'array di origine attiva è stato schierato dalla petroliera convertita della seconda guerra mondiale USNS Mission Capistrano . [31] Gli elementi di Artemide sono stati utilizzati sperimentalmente dopo che l'esperimento principale è stato terminato.

Transponder

Si tratta di un dispositivo sonar attivo che riceve uno stimolo specifico e ritrasmette immediatamente (o con un ritardo) il segnale ricevuto o uno predeterminato. I transponder possono essere utilizzati per attivare o recuperare a distanza le apparecchiature sottomarine. [32]

Previsione delle prestazioni

Un bersaglio sonar è piccolo rispetto alla sfera, centrato attorno all'emettitore, su cui si trova. Pertanto, la potenza del segnale riflesso è molto bassa, di diversi ordini di grandezza inferiore rispetto al segnale originale. Anche se il segnale riflesso fosse della stessa potenza, l'esempio seguente (utilizzando valori ipotetici) mostra il problema: supponiamo che un sistema sonar sia in grado di emettere un segnale di 10.000 W/m 2 a 1 m e di rilevare un segnale di 0,001 W/m 2. A 100 m il segnale sarà 1 W/m 2 (a causa della legge dell'inverso del quadrato). Se l'intero segnale viene riflesso da un bersaglio di 10 m 2, sarà a 0,001 W/m 2 quando raggiunge l'emettitore, cioè appena rilevabile. Tuttavia, il segnale originale rimarrà al di sopra di 0,001 W/m 2 fino a 3000 m. Qualsiasi bersaglio da 10 m 2 tra 100 e 3000 m utilizzando Un sistema simile o migliore sarebbe in grado di rilevare l'impulso, ma non verrebbe rilevato dall'emettitore. I rilevatori devono essere molto sensibili per captare gli echi. Poiché il segnale originale è molto più potente, può essere rilevato molte volte oltre il doppio della portata del sonar (come nell'esempio).

L'ecoscandaglio attivo ha due limitazioni di prestazioni: a causa del rumore e del riverbero. In generale, l'uno o l'altro di questi dominerà, in modo che i due effetti possano essere inizialmente considerati separatamente.

In condizioni di rumore limitato al rilevamento iniziale: [33]

SL − 2PL + TS − (NL − AG) = DT,

dove SL è il livello della sorgente, PL è la perdita di propagazione (a volte indicata come perdita di trasmissione), TS è la forza target, NL è il livello di rumore, AG è il guadagno dell'array ricevente (a volte approssimato dal suo indice di direttività) e DT è la soglia di rilevamento.

condizioni di riverbero limitate al rilevamento iniziale (trascurando il guadagno dell'array):

SL − 2PL + TS = RL + DT,

dove RL è il livello di riverbero e gli altri fattori sono come prima.

Il

  • LIMIS (limpet mine imaging sonar) è un sonar di imaging portatile o montato su ROV per l'uso da parte di un subacqueo. Il suo nome è dovuto al fatto che è stato progettato per i sommozzatori di pattuglia (sommozzatori da combattimento o sommozzatori di sgombero) per cercare mine patella in acque poco visibili.
  • Il LUIS (lensing underwater imaging system) è un altro ecoscandaglio per l'imaging per i subacquei
  • . C'è o c'era un piccolo sonar portatile a forma di torcia per i subacquei, che si limita a visualizzare la portata.
  • Per l'INSS (sistema sonar di navigazione integrato)
Un

ecoscandaglio

rivolto verso l'alto (ULS) è un dispositivo sonar puntato verso l'alto che guarda verso la superficie del mare. Viene utilizzato per scopi simili a quelli del sonar rivolto verso il basso, ma ha alcune applicazioni uniche come la misurazione dello spessore, della rugosità e della concentrazione del ghiaccio marino [34] [35] o la misurazione del trascinamento dell'aria dai pennacchi di bolle durante il mare mosso. Spesso è ormeggiato sul fondo dell'oceano o galleggia su una linea tesa ormeggiando a una profondità costante di forse 100 m. Possono anche essere utilizzati da sottomarini, AUV e galleggianti come il galleggiante Argo. [36]

Ecoscandaglio passivo

Il sonar passivo ascolta senza trasmettere. [37] Viene spesso impiegato in contesti militari, sebbene sia utilizzato anche in applicazioni scientifiche, ad esempio il rilevamento di pesci per studi di presenza/assenza in vari ambienti acquatici - vedi anche acustica passiva e radar passivo. Nell'uso più ampio, questo termine può comprendere praticamente qualsiasi tecnica analitica che coinvolga suono generato a distanza, anche se di solito è limitato alle tecniche applicate in un ambiente acquatico.

Identificazione delle sorgenti sonore

Il sonar passivo dispone di un'ampia varietà di tecniche per identificare la fonte di un suono rilevato. Ad esempio, le navi statunitensi di solito utilizzano sistemi di alimentazione a corrente alternata a 60 Hertz (Hz). Se i trasformatori o i generatori sono montati senza un adeguato isolamento dalle vibrazioni dallo scafo o si allagano, il suono a 60 Hz proveniente dagli avvolgimenti può essere emesso dal sottomarino o dalla nave. Questo può aiutare a identificare la sua nazionalità, poiché tutti i sottomarini europei e quasi tutti i sottomarini di ogni altra nazione hanno sistemi di alimentazione a 50 Hz. Anche le fonti sonore intermittenti (come la caduta di una chiave inglese), chiamate "transitori", possono essere rilevabili dal sonar passivo. Fino a poco tempo fa, un operatore esperto e addestrato identificava i segnali, ma ora i computer possono fare questo.

I sistemi sonar passivi possono avere grandi database sonori, ma l'operatore sonar di solito classifica i segnali manualmente. Un sistema informatico utilizza frequentemente queste banche dati per identificare classi di navi, azioni (cioè la velocità di una nave, o il tipo di arma sganciata e le contromisure più efficaci da impiegare) e persino particolari navi.

Limitazioni del rumore

L'ecoscandaglio passivo sui veicoli è solitamente fortemente limitato a causa del rumore generato dal veicolo. Per questo motivo, molti sottomarini gestiscono reattori nucleari che possono essere raffreddati senza pompe, utilizzando la convezione silenziosa, o celle a combustibile o batterie, che possono anche funzionare silenziosamente. Anche le eliche dei veicoli sono progettate e lavorate con precisione per emettere un rumore minimo. Le eliche ad alta velocità spesso creano minuscole bolle nell'acqua e questa cavitazione ha un suono distinto.

Gli idrofoni sonar possono essere trainati dietro la nave o il sottomarino in al fine di ridurre l'effetto del rumore generato dall'unità da diporto stessa. Le unità trainate combattono anche il termoclino, poiché l'unità può essere trainata sopra o sotto il termoclino.

La maggior parte dei sonar passivi era una cascata bidimensionale. La direzione orizzontale del display è in rilevamento. La verticale è la frequenza, o talvolta il tempo. Un'altra tecnica di visualizzazione consiste nel codificare a colori le informazioni di frequenza-tempo per il rilevamento. I display più recenti sono generati dai computer e imitano i display degli indicatori di posizione in pianta di tipo radar.

A

differenza del sonar attivo, è coinvolta solo la propagazione unidirezionale. A causa della diversa elaborazione del segnale utilizzata, il rapporto segnale/rumore minimo rilevabile sarà diverso. L'equazione per determinare le prestazioni di un ecoscandaglio passivo è [38] [33]

SL − PL = NL − AG + DT,

dove SL è il livello della sorgente, PL è la perdita di propagazione, NL è il livello di rumore, AG è il guadagno dell'array e DT è la soglia di rilevamento. La cifra di merito di un ecoscandaglio passivo è

FOM = SL + AG − (NL + DT).

Le

prestazioni di rilevamento, classificazione e localizzazione di un ecoscandaglio dipendono dall'ambiente e dall'apparecchiatura ricevente, nonché dall'apparecchiatura trasmittente in un ecoscandaglio attivo o dal rumore irradiato dal bersaglio in un ecoscandaglio passivo.

Propagazione del suono

Il funzionamento dell'ecoscandaglio è influenzato dalle variazioni della velocità del suono, in particolare sul piano verticale. Il suono viaggia più lentamente in acqua dolce che in acqua di mare, anche se la differenza è piccola. La velocità è determinata dal modulo di massa dell'acqua e dalla densità di massa. Il modulo di massa è influenzato dalla temperatura, dalle impurità disciolte (solitamente salinità) e dalla pressione. L'effetto densità è piccolo. La velocità del suono (in piedi al secondo) è approssimativamente:

4388 + (11,25 × di temperatura (in °F)) + (0,0182 × di profondità (in piedi)) + salinità (in parti per mille).

Questa equazione di approssimazione derivata empiricamente è ragionevolmente accurata per le temperature normali, le concentrazioni di salinità e l'intervallo della maggior parte delle profondità oceaniche. La temperatura dell'oceano varia con la profondità, ma tra i 30 e i 100 metri c'è spesso un netto cambiamento, chiamato termoclino, che divide l'acqua superficiale più calda dalle acque fredde e ferme che compongono il resto dell'oceano. Questo può frustrare il sonar, perché un suono proveniente da un lato del termoclino tende ad essere piegato, o rifratto, attraverso il termoclino. Il termoclino può essere presente nelle acque costiere meno profonde. Tuttavia, l'azione delle onde spesso mescola la colonna d'acqua ed elimina il termoclino. Anche la pressione dell'acqua influisce sulla propagazione del suono: una pressione più alta aumenta il suono velocità, che fa sì che le onde sonore si rifrangano lontano dall'area di maggiore velocità del suono. Il modello matematico della rifrazione è chiamato legge di Snell.

Se la sorgente sonora è profonda e le condizioni sono giuste, la propagazione può verificarsi nel "canale del suono profondo". Ciò fornisce una perdita di propagazione estremamente bassa a un ricevitore nel canale. Ciò è dovuto all'intrappolamento del suono nel canale senza perdite ai confini. Una propagazione simile può verificarsi nel "condotto superficiale" in condizioni adeguate. Tuttavia, in questo caso ci sono perdite di riflessione in superficie.

Nelle acque poco profonde la propagazione avviene generalmente per riflessione ripetuta in superficie e sul fondo, dove possono verificarsi perdite considerevoli.

La propagazione del suono è influenzata dall'assorbimento nell'acqua stessa, così come in superficie e sul fondo. Questo assorbimento dipende dalla frequenza, con diversi meccanismi nell'acqua di mare. Il sonar a lungo raggio utilizza le basse frequenze per Ridurre al minimo gli effetti di assorbimento.

Il mare contiene molte fonti di rumore che interferiscono con l'eco o la firma del bersaglio desiderato. Le principali fonti di rumore sono le onde e le navi. Il movimento del ricevitore attraverso l'acqua può anche causare rumore a bassa frequenza dipendente dalla velocità.

Dispersione

Vedere anche: Strato di dispersione profondo

Quando si utilizza il sonar attivo, la dispersione avviene da piccoli oggetti in mare, nonché dal fondo e dalla superficie. Questa può essere una delle principali fonti di interferenza. Questa dispersione acustica è analoga alla dispersione della luce dai fari di un'auto nella nebbia: un raggio di matita ad alta intensità penetrerà la nebbia in una certa misura, ma i fari a fascio più ampio emettono molta luce in direzioni indesiderate, gran parte della quale viene dispersa all'osservatore, travolgendo quella riflessa dal bersaglio ("white-out"). Per ragioni analoghe, il sonar attivo deve trasmettere in un fascio stretto per ridurre al minimo dispersione.

La dispersione del sonar da oggetti (miniere, condutture, zooplancton, caratteristiche geologiche, pesci, ecc.) è il modo in cui il sonar attivo li rileva, ma questa capacità può essere mascherata da una forte dispersione da falsi bersagli o "disordine". Dove si verificano (sotto le onde che si infrangono; [40] nelle scie delle navi; nel gas emesso dalle infiltrazioni e dalle perdite del fondo marino [41] ecc.), le bolle di gas sono potenti fonti di disordine e possono facilmente nascondere i bersagli. TWIPS (Twin Inverted Pulse Sonar) [42] [43] [44] è attualmente l'unico sonar in grado di superare questo problema di disordine.

Questo è importante in quanto molti conflitti recenti si sono verificati nelle acque costiere e l'incapacità di rilevare se le mine sono presenti o meno presenta pericoli e ritardi per le navi militari, e anche per aiutare i convogli e le navi mercantili che cercano di sostenere il regione molto tempo dopo la cessazione del conflitto. [42]

Caratteristiche del bersaglio

Le caratteristiche di riflessione del suono del bersaglio di un sonar attivo, come un sottomarino, sono note come forza del bersaglio. Una complicazione è che gli echi si ottengono anche da altri oggetti nel mare come balene, scie, banchi di pesci e rocce.

Il sonar passivo rileva le caratteristiche del rumore irradiato del bersaglio. Lo spettro irradiato comprende uno spettro continuo di rumore con picchi a determinate frequenze che possono essere utilizzati per la classificazione.

Contromisure

Le contromisure attive (a motore) possono essere lanciate da un'imbarcazione sotto attacco per aumentare il livello di rumore, fornire un grande falso bersaglio e oscurare la firma dell'imbarcazione stessa.

Le contromisure passive (cioè non alimentate) includono:

  • dispositivi di isolamento.
  • Rivestimenti fonoassorbenti sugli scafi dei sottomarini, ad esempio piastrelle anecoiche.

La

moderna guerra navale fa ampio uso di sonar sia passivi che attivi da imbarcazioni acquatiche, aerei e installazioni fisse. Sebbene il sonar attivo sia stato utilizzato dai mezzi di superficie nella seconda guerra mondiale, i sottomarini hanno evitato l'uso del sonar attivo a causa del potenziale di rivelare la loro presenza e posizione alle forze nemiche. Tuttavia, l'avvento della moderna elaborazione del segnale ha permesso l'uso del sonar passivo come mezzo primario per le operazioni di ricerca e rilevamento. Nel 1987 una divisione della società giapponese Toshiba vendette macchinari all'Unione Sovietica che permettevano di fresare le pale delle eliche dei sottomarini in modo che diventassero radicalmente più silenziose, rendendo la nuova generazione di sottomarini più difficile da rilevare.

L'uso di attivi L'ecoscandaglio da parte di un sottomarino per determinare il rilevamento è estremamente raro e non fornirà necessariamente informazioni di alta qualità sul rilevamento o sulla portata al team di controllo del fuoco del sottomarino. Tuttavia, l'uso del sonar attivo sulle navi di superficie è molto comune e viene utilizzato dai sottomarini quando la situazione tattica impone che sia più importante determinare la posizione di un sottomarino ostile piuttosto che nascondere la propria posizione. Con le navi di superficie, si potrebbe presumere che la minaccia stia già tracciando la nave con i dati satellitari, poiché qualsiasi nave intorno al sonar che emette rileverà l'emissione. Dopo aver ascoltato il segnale, è facile identificare l'apparecchiatura sonar utilizzata (di solito con la sua frequenza) e la sua posizione (con l'energia dell'onda sonora). Il sonar attivo è simile al radar in quanto, mentre consente il rilevamento di bersagli a una certa distanza, consente anche di rilevare l'emettitore a una distanza molto maggiore, il che è indesiderabile.

Poiché l'ecoscandaglio attivo rivela il presenza e posizione dell'operatore, e non permette l'esatta classificazione dei bersagli, viene utilizzato da piattaforme veloci (aerei, elicotteri) e da piattaforme rumorose (la maggior parte delle navi di superficie) ma raramente da sommergibili. Quando il sonar attivo viene utilizzato da navi di superficie o sottomarini, viene in genere attivato molto brevemente a periodi intermittenti per ridurre al minimo il rischio di rilevamento. Di conseguenza, il sonar attivo è normalmente considerato un backup del sonar passivo. Negli aerei, il sonar attivo viene utilizzato sotto forma di sonoboe usa e getta che vengono sganciate nell'area di pattugliamento dell'aereo o in prossimità di possibili contatti con il sonar nemico.

Il sonar passivo ha diversi vantaggi, il più importante dei quali è silenzioso. Se il livello di rumore irradiato dal bersaglio è sufficientemente alto, può avere una portata maggiore rispetto al sonar attivo e consente di identificare il bersaglio. Poiché qualsiasi oggetto motorizzato emette un certo rumore, in linea di principio può essere rilevato, a seconda del livello di rumore emesso e il livello di rumore ambientale nell'area, nonché la tecnologia utilizzata. Per semplificare, il sonar passivo "vede" intorno alla nave che lo utilizza. Su un sottomarino, il sonar passivo montato sul muso rileva in direzioni di circa 270°, centrato sull'allineamento della nave, l'array montato sullo scafo di circa 160° su ciascun lato e l'array trainato di 360°. Le aree invisibili sono dovute all'interferenza della nave stessa. Una volta che un segnale viene rilevato in una certa direzione (il che significa che qualcosa emette suono in quella direzione, questo è chiamato rilevamento a banda larga) è possibile ingrandire e analizzare il segnale ricevuto (analisi a banda stretta). Questo viene generalmente fatto utilizzando una trasformata di Fourier per mostrare le diverse frequenze che compongono il suono. Poiché ogni motore emette un suono specifico, è semplice identificare l'oggetto. I database di suoni unici del motore fanno parte di ciò che è noto come intelligenza acustica o ACINT.

Un altro uso del sonar passivo è determinare la traiettoria del bersaglio. Questo processo è chiamato analisi del movimento del bersaglio (TMA) e la "soluzione" risultante è la portata, la rotta e la velocità del bersaglio. La TMA viene eseguita segnando da quale direzione proviene il suono in momenti diversi e confrontando il movimento con quello della nave dell'operatore. I cambiamenti nel moto relativo sono analizzati utilizzando tecniche geometriche standard insieme ad alcune ipotesi sui casi limite.

Il sonar passivo è furtivo e molto utile. Tuttavia, richiede componenti elettronici ad alta tecnologia ed è costoso. Viene generalmente distribuito su navi costose sotto forma di array per migliorare il rilevamento. Le navi di superficie lo usano con buoni risultati; È ancora più utilizzato dai sottomarini ed è utilizzato anche da aerei ed elicotteri, per lo più con un "effetto sorpresa", poiché i sottomarini possono nascondersi sotto gli strati termici. Se il comandante di un sottomarino crede che sia solo, può avvicinare la sua barca alla superficie e più facile da rilevare, o andare più in profondità e più velocemente, e quindi fare più suono.

Di seguito sono riportati esempi di applicazioni sonar nell'uso militare. Molti degli usi civili indicati nella sezione seguente possono essere applicabili anche all'uso navale.

Guerra

antisommergibile

Fino a poco tempo fa, i sonar delle navi erano solitamente realizzati con array montati sullo scafo, sia a centro nave che a prua. Dopo il loro uso iniziale si è presto scoperto che era necessario un mezzo per ridurre il rumore di flusso. I primi erano fatti di tela su un'intelaiatura, poi sono stati utilizzati quelli in acciaio. Ora le cupole sono solitamente realizzate in plastica rinforzata o gomma pressurizzata. Tali sonar sono principalmente attivi durante il funzionamento. Un esempio di ecoscandaglio convenzionale montato sullo scafo è l'SQS-56.

A causa dei problemi di rumore delle navi, vengono utilizzati anche sonar trainati. Questi hanno il vantaggio di poter essere posizionati più in profondità nell'acqua, ma hanno limitazioni sul loro utilizzo in acque poco profonde Acqua. Questi sono chiamati array trainati (lineari) o sonar a profondità variabile (VDS) con array 2/3D. Un problema è che i verricelli necessari per dispiegarli/recuperarli sono grandi e costosi. I set VDS sono principalmente attivi durante il funzionamento, mentre gli array trainati sono passivi.

Un esempio di un moderno sonar attivo-passivo trainato da una nave è il Sonar 2087 realizzato da Thales Underwater Systems.

I siluri

moderni sono generalmente dotati di un sonar attivo/passivo. Questo può essere utilizzato per puntare direttamente sul bersaglio, ma vengono utilizzati anche siluri a ricerca di scia. Un primo esempio di homer acustico fu il siluro Mark 37.

Le contromisure dei siluri possono essere trainate o libere. Un primo esempio fu il dispositivo tedesco Sieglinde, mentre il Bold era un dispositivo chimico. Un dispositivo statunitense ampiamente utilizzato era l'AN/SLQ-25 Nixie trainato, mentre il simulatore di sottomarini mobili (MOSS) era un dispositivo gratuito. Un'alternativa moderna al sistema Nixie è il sistema di difesa antisiluro per navi di superficie S2170 della Royal Navy del Regno Unito.

Le

mine possono essere dotate di un sonar per rilevare, localizzare e riconoscere il bersaglio richiesto. Un esempio è la miniera CAPTOR.

Il

sonar delle contromisure mine (MCM), a volte chiamato "sonar per evitare le mine e gli ostacoli (MOAS)", è un tipo specializzato di sonar utilizzato per rilevare piccoli oggetti. La maggior parte dei sonar MCM sono montati sullo scafo, ma alcuni tipi sono progettati VDS. Un esempio di ecoscandaglio MCM montato sullo scafo è il Type 2193, mentre il sonar da caccia alle mine SQQ-32 e i sistemi Type 2093 sono progetti VDS.

Articolo

principale: Navigazione sottomarina

I sottomarini si affidano al sonar in misura maggiore rispetto alle navi di superficie in quanto non possono utilizzare il radar in acqua. Gli array di sonar possono essere montati sullo scafo o trainati. Le informazioni montate sui fit tipici sono fornite nel sottomarino di classe Oyashio e Sottomarino classe Swiftsure .

Gli

elicotteri possono essere utilizzati per la guerra antisommergibile dispiegando campi di sonoboe attive-passive o possono operare sonar a immersione, come l'AQS-13. Gli aerei ad ala fissa possono anche dispiegare le sonoboe e avere una maggiore resistenza e capacità di dispiegarle. L'elaborazione dalle sonoboe o dal sonar a immersione può avvenire sull'aereo o sulla nave. Il sonar a immersione ha il vantaggio di essere dispiegabile a profondità adeguate alle condizioni quotidiane. Gli elicotteri sono stati utilizzati anche per missioni di contromisura contro le mine utilizzando sonar trainati come l'AQS-20A.

Comunicazioni subacquee

Sonar dedicati possono essere montati su navi e sottomarini per le comunicazioni subacquee.

Gli

Stati Uniti hanno avviato un sistema di sistemi di sorveglianza oceanica fissi e passivi nel 1950 con il nome classificato Sound Surveillance System (SOSUS) con l'American Telephone and Telegraph Company (AT&T), con le sue entità di ricerca Bell Laboratories e Western Electric in fase di appalto per lo sviluppo e l'installazione. I sistemi sfruttavano il canale SOFAR, noto anche come canale sonoro profondo, dove una velocità minima del suono crea una guida d'onda in cui il suono a bassa frequenza viaggia per migliaia di chilometri. L'analisi si è basata su uno spettrografo sonoro AT&T, che ha convertito il suono in uno spettrogramma visivo che rappresenta un'analisi tempo-frequenza del suono sviluppata per l'analisi del parlato e modificata per analizzare i suoni subacquei a bassa frequenza. Questo processo era l'analisi e la registrazione a bassa frequenza e l'apparecchiatura è stata denominata analizzatore e registratore a bassa frequenza, entrambi con l'acronimo LOFAR. La ricerca LOFAR è stata denominata Jezebel e ha portato all'utilizzo in sistemi di aria e superficie, in particolare nelle sonoboe che utilizzano il processo e talvolta l'uso di "Jezebel" nel loro nome. [46] [47] [48] [49] Il sistema proposto offriva una tale promessa di rilevamento di sottomarini a lungo raggio che la Marina ordinò mosse immediate per l'implementazione.

Tra

l'installazione di un array di prova seguito da un prototipo di array operativo in scala reale di quaranta elementi nel 1951 e nel 1958, i sistemi furono installati nell'Atlantico e poi nel Pacifico con il nome non classificato Project Caesar . I sistemi originali sono stati terminati in stazioni costiere classificate designate Naval Facility (NAVFAC) spiegate come impegnate in "ricerca oceanica" per coprire la loro missione classificata. Il sistema è stato aggiornato più volte con cavi più avanzati che hanno permesso di installare gli array nei bacini oceanici e di migliorare l'elaborazione. Le stazioni di terra sono state eliminate in un processo di consolidamento e reindirizzare gli array ai centri di elaborazione centrali negli anni '90. Nel 1985, con l'entrata in funzione di nuovi array mobili e di altri sistemi, il nome del sistema collettivo fu cambiato in Integrated Undersea Surveillance System (IUSS). Nel 1991 la missione del sistema è stata declassificata. L'anno prima che le insegne IUSS fossero autorizzate per l'uso. L'accesso è stato concesso ad alcuni sistemi per la ricerca scientifica. Si

ritiene che un sistema simile sia stato utilizzato dall'Unione Sovietica.

Articolo

principale: Tecniche anti-sommozzatori § Il

sonar di rilevamento può essere utilizzato per rilevare sommozzatori e altri subacquei. Questo può essere applicabile intorno alle navi o all'ingresso dei porti. Il sonar attivo può essere utilizzato anche come deterrente e/o meccanismo di disabilitazione. Uno di questi dispositivi è il sistema Cerberus.

Ecoscandaglio portatile

Limpet Il sonar per l'imaging delle mine (LIMIS) è un sonar per immagini portatile o montato su ROV progettato per i subacquei di pattuglia (sommozzatori da combattimento o sommozzatori di sgombero) per la ricerca di mine in acque a bassa visibilità.

Il LUIS è un altro ecoscandaglio per l'imaging per l'uso da parte di un subacqueo.

Il sistema sonar di navigazione integrato (INSS) è un piccolo ecoscandaglio portatile a forma di torcia per subacquei che visualizza la portata. [51] [52]

Ecoscandaglio di intercettazione

Questo è un sonar progettato per rilevare e localizzare le trasmissioni da sonar attivi ostili. Un esempio di questo è il Type 2082 montato sui sommergibili britannici classe Vanguard .

La

pesca è un'industria importante che sta registrando una domanda crescente, ma il tonnellaggio mondiale delle catture sta diminuendo a causa di gravi problemi di risorse. Il settore si trova di fronte a un futuro di continuo consolidamento a livello mondiale fino a raggiungere un punto di sostenibilità. Tuttavia, il consolidamento delle flotte pescherecce sta determinando un aumento della domanda di sofisticate apparecchiature elettroniche per la ricerca del pesce come sensori, ecoscandaglio e sonar. Storicamente, i pescatori hanno utilizzato molte tecniche diverse per trovare e raccogliere il pesce. Tuttavia, la tecnologia acustica è stata una delle forze trainanti più importanti dietro lo sviluppo della moderna pesca commerciale.

Le onde sonore viaggiano in modo diverso attraverso i pesci rispetto all'acqua perché la vescica natatoria piena d'aria di un pesce ha una densità diversa rispetto all'acqua di mare. Questa differenza di densità consente il rilevamento di banchi di pesci utilizzando il suono riflesso. La tecnologia acustica è particolarmente adatta per le applicazioni subacquee poiché il suono viaggia più lontano e più velocemente sott'acqua che nell'aria. Oggi, i pescherecci commerciali si affidano quasi completamente al sonar acustico e ai sirene per rilevare i pesci. I pescatori utilizzano anche il sonar attivo e Tecnologia ecoscandaglio per determinare la profondità dell'acqua, il contorno del fondale e la composizione del fondale.

Aziende come eSonar, Raymarine, Marport Canada, Wesmar, Furuno, Krupp e Simrad producono una varietà di sonar e strumenti acustici per l'industria della pesca commerciale d'altura. Ad esempio, i sensori di rete effettuano varie misurazioni subacquee e trasmettono le informazioni a un ricevitore a bordo di un'imbarcazione. Ogni sensore è dotato di uno o più trasduttori acustici a seconda della sua specifica funzione. I dati vengono trasmessi dai sensori utilizzando la telemetria acustica wireless e vengono ricevuti da un idrofono montato sullo scafo. I segnali analogici vengono decodificati e convertiti da un ricevitore acustico digitale in dati che vengono trasmessi a un computer bridge per la visualizzazione grafica su un monitor ad alta risoluzione.

Articolo

principale: Echo sounding

Echo sounding è un processo utilizzato per determinare la profondità dell'acqua sotto le navi e le barche. Un tipo di sonar attivo, l'ecoscandaglio è la trasmissione di un impulso acustico direttamente verso il basso sul fondo del mare, misurando il tempo tra la trasmissione e il ritorno dell'eco, dopo aver toccato il fondo e rimbalzare sulla nave di origine. L'impulso acustico viene emesso da un trasduttore che riceve anche l'eco di ritorno. La misurazione della profondità viene calcolata moltiplicando la velocità del suono in acqua (in media 1.500 metri al secondo) per il tempo che intercorre tra l'emissione e il ritorno dell'eco. [53]

Il valore dell'acustica subacquea per l'industria della pesca ha portato allo sviluppo di altri strumenti acustici che funzionano in modo simile agli ecoscandagli ma, poiché la loro funzione è leggermente diversa dal modello iniziale dell'ecoscandaglio, sono stati dati termini diversi.

Posizione della rete

La sirena di rete è una sirena ecoscandaglio con un trasduttore montato sulla testata della rete anziché sul fondo dell'imbarcazione. Tuttavia, per adattarsi alla distanza tra il trasduttore e l'unità di visualizzazione, che è molto maggiore rispetto a quella di un normale ecoscandaglio, è necessario apportare diversi perfezionamenti. Sono disponibili due tipi principali. Il primo è il tipo di cavo in cui i segnali vengono inviati lungo un cavo. In questo caso, ci deve essere la predisposizione di un tamburo per cavi su cui tirare, sparare e stivare il cavo durante le diverse fasi dell'operazione. Il secondo tipo è l'ecoscandaglio senza cavi – come il Trawl Explorer di Marport – in cui i segnali vengono inviati acusticamente tra la rete e il ricevitore-idrofono montato sullo scafo della nave. In questo caso, non è necessario alcun tamburo per cavi, ma è necessaria un'elettronica sofisticata per il trasduttore e il ricevitore.

Il display su una sirena mostra la distanza della rete dal fondo (o dalla superficie), piuttosto che la profondità di acqua come con il trasduttore montato sullo scafo dell'ecoscandaglio. Fissata al titolo della rete, di solito si può vedere la corda del piede che dà un'indicazione della prestazione netta. Si possono vedere anche i pesci che passano nella rete, consentendo di effettuare regolazioni fini per catturare il maggior numero possibile di pesci. In altre attività di pesca, dove la quantità di pesce nella rete è importante, i trasduttori del sensore di cattura sono montati in varie posizioni sul sacco della rete. Man mano che il sacco si riempie, questi trasduttori del sensore di cattura vengono attivati uno per uno e queste informazioni vengono trasmesse acusticamente ai monitor sul ponte della nave. Lo skipper può quindi decidere quando tirare la rete.

Le versioni moderne dell'ecoscandaglio, che utilizzano trasduttori a più elementi, funzionano più come un ecoscandaglio che come un ecoscandaglio e mostrano porzioni dell'area davanti alla rete e non semplicemente la vista verticale utilizzata dai primi ecoscandagli.

Ecoscandaglio con una capacità direzionale in grado di mostrare pesci o altri oggetti intorno all'imbarcazione.

ROV e UUV

I piccoli sonar sono stati montati su veicoli telecomandati (ROV) e veicoli subacquei senza equipaggio (UUV) per consentirne il funzionamento in condizioni di oscurità. Questi sonar vengono utilizzati per guardare avanti al veicolo. Il Long-Term Mine Reconnaissance System è un UUV per scopi MCM.

Posizione del veicolo

I sonar che fungono da fari sono montati sugli aeromobili per consentirne la localizzazione in caso di incidente in mare. I sonar a base corta e lunga possono essere utilizzati per la cura della posizione, come LBL.

Nel

2013 un inventore negli Stati Uniti ha presentato un body "spider-sense", dotato di sensori a ultrasuoni e sistemi di feedback tattile, che avvisa chi lo indossa delle minacce in arrivo, consentendo loro di rispondere agli aggressori anche quando è bendato. [54]

Articolo principale: Bioacustica

Rilevamento di pesci e altre forme di vita marina e acquatica e stima delle loro dimensioni individuali o della biomassa totale utilizzando tecniche sonar attive. Gli impulsi sonori si riflettono su qualsiasi oggetto che abbia una densità diversa rispetto al mezzo circostante. Ciò include i pesci o, più specificamente, la vescica natatoria piena d'aria sui pesci. [55] Questi echi forniscono informazioni sulle dimensioni, la posizione, l'abbondanza e il comportamento dei pesci. Ciò è particolarmente efficace per le vesciche natatorie dei pesci (ad esempio aringhe, merluzzo e merluzzo) e meno utile per i pesci che ne sono sprovvisti (ad esempio squali, sgombri e passere). [56] I dati provenienti dalla colonna d'acqua vengono solitamente elaborati in modo diverso rispetto ai dati di rilevamento del fondo marino o degli oggetti, questo tipo di dati può essere elaborato con software specializzato. [55]

Misurazione delle onde

: un ecoscandaglio rivolto verso l'alto montato sul fondo o su una piattaforma può essere utilizzato per effettuare misurazioni dell'altezza e del periodo delle onde. Da ciò si possono ricavare statistiche delle condizioni della superficie in un luogo.

Misurazione della velocità dell'acqua

Sono

stati sviluppati speciali sonar a corto raggio per consentire la misurazione della velocità dell'acqua.

Sono

stati sviluppati sonar che possono essere utilizzati per caratterizzare il fondale marino, ad esempio, in fango, sabbia e ghiaia. Sonar relativamente semplici come gli ecoscandagli possono essere promossi a sistemi di classificazione dei fondali marini tramite moduli aggiuntivi, convertendo i parametri dell'eco in tipo di sedimento. Esistono diversi algoritmi, ma sono tutti basati su cambiamenti nell'energia o nella forma dei ping dell'ecoscandaglio riflessi. L'analisi avanzata della classificazione dei substrati può essere ottenuta utilizzando ecoscandagli (scientifici) e analisi parametrica o fuzzy-logica dei dati acustici.

Mappatura

batimetrica

I sonar a scansione laterale possono essere utilizzati per derivare mappe della topografia del fondo marino (batimetria) spostando il sonar su di esso appena sopra il fondo. I sonar a bassa frequenza come GLORIA sono stati utilizzati per indagini su tutta la piattaforma continentale, mentre i sonar ad alta frequenza sono utilizzati per indagini più dettagliate di aree più piccole.

Gli ecoscandagli multibeam montati sullo scafo su grandi imbarcazioni di superficie producono strisce di dati batimetrici quasi in tempo reale. Un esempio, il sistema "Seabeam" della General Instrument, utilizza una serie di proiettori lungo la chiglia per armonizzare il fondale con un fascio a ventaglio. I segnali provenienti da un array di idrofoni montato lateralmente vengono elaborati per sintetizzare più fasci di ventaglio virtuali che attraversano il fascio del proiettore ad angolo retto.

Creazione di immagini bidimensionali e tridimensionali Utilizzo dei dati dell'ecoscandaglio.

Potenti

ecoscandagli a bassa frequenza sono stati sviluppati per fornire profili degli strati superiori del fondo oceanico. Uno dei dispositivi più recenti è l'SBP parametrico multi-trasduttore SES-2000 quattro di Innomar, utilizzato ad esempio nella Puck Bay per scopi archeologici subacquei. [57]

Rilevamento di fughe di gas dal fondale marino

Le bolle di gas possono fuoriuscire dal fondale marino, o vicino ad esso, da più fonti. Questi possono essere rilevati sia dal sonar passivo [58] che da quello attivo [41] (mostrato nella figura schematica [58] rispettivamente dai sistemi giallo e rosso).

Si verificano infiltrazioni naturali di metano e anidride carbonica. [41] I gasdotti possono perdere ed è importante essere in grado di rilevare se si verificano perdite a causa della cattura e dello stoccaggio del carbonio Impianti (CCSF; ad esempio pozzi petroliferi esauriti in cui è immagazzinato il carbonio atmosferico estratto). [59] [60] [61] [62] La quantificazione della quantità di gas che fuoriesce è difficile e, sebbene le stime possano essere effettuate utilizzando sonar attivi e passivi, è importante mettere in discussione la loro accuratezza a causa delle ipotesi inerenti all'effettuazione di tali stime dai dati sonar. [58] [63]

Sonar ad apertura sintetica

Vari sonar ad apertura sintetica sono stati costruiti in laboratorio e alcuni sono entrati in uso nei sistemi di caccia alle mine e di ricerca. Una spiegazione del loro funzionamento è fornita nel sonar ad apertura sintetica.

Le

sorgenti parametriche utilizzano la non linearità dell'acqua per generare la differenza di frequenza tra due alte frequenze. Viene formato un array virtuale di fuoco finale. Un proiettore di questo tipo presenta i vantaggi di un'ampia larghezza di banda, di una larghezza del fascio ridotta e, quando è completamente sviluppato e misurato con cura, non ha lobi laterali evidenti: vedi Array parametrico. Il suo principale svantaggio è l'efficienza molto bassa, pari a solo pochi punti percentuali. [64] P.J. Westervelt riassume le tendenze coinvolte. [65]

L'uso di sonar sia attivi che passivi è stato proposto per vari ambienti extraterrestri. [66] Un esempio è Titano, dove il sonar attivo potrebbe essere utilizzato per determinare la profondità dei suoi mari di idrocarburi, [67] e il sonar passivo potrebbe essere utilizzato per rilevare le cadute di metano. [68]

Le proposte che non tengono adeguatamente conto della differenza tra ambienti terrestri ed extraterrestri potrebbero portare a misurazioni errate. [69] [70] [71] [72] [73] [74]

Impatto ecologico