SONAR Κατσίκας Γιώργος – Πασσιά Μαρία-Θάλεια

Ορισμός SONAR ( SOund NAvigation and Ranging ) : Συστήματα που χρησιμοποιούν ηχητικά κύματα στο νερό για την εκτίμηση μεγεθών ( θέση, ταχύτητα) και για ταυτοποίηση. Διακρίνονται σε ενεργά και παθητικά. Η συχνότητα λειτουργίας εξαρτάται από την εφαρμογή ! Hz 1-10 kHz >20kHz

Εφαρμογές Εντοπισμός ψαριών Στρατιωτικές εφαρμογές Χαρτογράφηση βυθού Πλοήγηση υποβρυχίων Εύρεση ναυαγίων

Ιστορικά Στοιχεία 1912 : Τιτανικός Α’ Παγκόσμιος Πόλεμος-δημιουργία του πρώτου ενεργητικού σόναρ το 1917 από τον R.W.Boyle με την ονομασία ASDIC. Β’ Παγκόσμιος Πόλεμος: καθιέρωση του όρου SONAR 1958: USS Nautilus-χρήση τεχνικών επεξεργασίας σήματος για πλοήγηση Μετά το 1960 : προηγμένα ηλεκτρονικά συστήματα χωρίς μηχανική περιστροφή 20 ος αιώνας: χρήση λογισμικού για επεξεργασία σήματος.

Γιατί ήχος και όχι Η/Μ κύμα; Το θαλασσινό νερό είναι καλός αγωγός του ηλεκτρισμού(λόγω της προσθήκης του ηλεκτρολύτη NaCl) => ραγδαία μετaτροπή ηλ. ενέργειας σε θερμότητα(λόγω δινορευμάτων) Ο ήχος έχει μικρότερη εξασθένιση στην ίδια συχνότητα. Ο ήχος έχει μεγαλύτερο εύρος διάδοσης. Θα μπορούσαμε να κάνουμε κάτι ώστε να έχουμε μεγαλύτερο εύρος για το H/M κύμα; Μεγαλύτερη παροχή ενέργειας -> μεγάλο κόστος Η/Μ κύματα μεγάλου μήκους κύματος -> πολύ φτωχή ανάλυση.

Κανάλι (ωκεανός) Τυπική τιμή c=1500 m/s Απώλειες Μετάδοσης (TL)  Spreading Loss  Absorption Loss  Scattering Loss Θόρυβος:  Ανθρώπινη παρέμβαση  Θαλάσσια ζωή  Συνθήκες Περιβάλλοντος  Self Noise #Στις χαμηλότερες συχνότητες, έχουμε μικρότερη απορρόφηση καθώς τα μόρια του νερού ταλαντώνονται λιγότερες φορές το δευτερόλεπτο.

Παθητικό SONAR Έχει μόνο δέκτη. Ο στόχος ανιχνεύεται από τον θόρυβο που εκπέμπει.

Ενεργό SONAR Έχει και πομπό και δέκτη. Ο πομπός στέλνει ένα σήμα (ping) προς ένα στόχο, και το ανακλώμενο κύμα (echo) ανιχνεύεται από τον δέκτη.

Εξίσωση SONAR Παθητικό: SL-TL-NL+DI>DT Ενεργό: SL- 2TL +TS-NL+DI>DT όπου SL  στάθμη έντασης εκπομπής για το ενεργό και στάθμη του ήχου που εκπέμπει ο στόχος TL  απώλειες κατά τη διάδοση NL  στάθμη του θορύβου TS  η ηχώ του επιθυμητού στόχου (μόνο για ενεργό) DI  o δείκτης κατευθυντικότητας της συστοιχίας των μετατροπέων DT  κατώφλι απόφασης Αν τα αριστερά μέλη των εξισώσεων είναι μεγαλύτερα από το κατώφλι, ο στόχος ανιχνεύεται!

Εξίσωση SONAR F=8kHz SL=220dB re : συγκριτικό μέγεθος σε dB AG=20dB TL=spreading loss+attenuation=20logR+0.5 (dB/km )*R Για R=10km  TL=85dB Ts=25dB, BW=10Hz NL(dB re re 1μPa/sqrt(Hz) +10logBW = 73 dB re 1 μPa SNR =22dB > 15 dB : Detection Threshold

Εξίσωση SONAR

Block Διάγραμμα Ενεργού Sonar

Αποτελείται από :  Transmitter:  Παράγει τον εκπεμπόμενο παλμό  Ρυθμίζει : τη συχνότητα του φέροντος, το PRF(Pulse Repeating Frequency), το pulse width και τη διαμόρφωση.  Η ισχύς εκπομπής καθορίζεται από τον χειριστή.  Transducer Array: Μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε ακουστική (projectors) και αντίστροφα (hydrophones). Τοποθετούνται σε συστοιχίες.  Beamforming Processor: Αποτελεί τη διαδικασία σχηματισμού και στένωσης της δέσμης. Το εύρος της δέσμης καθορίζει τη γωνιακή ακρίβεια (bearing accuracy) του συστήματος όταν ανιχνεύει.

Block Διάγραμμα Ενεργού Sonar Duplexer : Διακόπτης που απομονώνει τον πομπό από τον δέκτη. Synchroniser : Όπως και στα RADAR είναι υπεύθυνο για το συντονισμό. Receiver: Συλλέγει τα σήματα από τους μετατροπείς για ανίχνευση.

Block Διάγραμμα Ενεργού Sonar Display: Aποτελείται από 2 κυρίως τύπους οθονών : A scan type: PPI(Plan Position Indicator):

Block Διάγραμμα Παθητικού Sonar

Beamforming: Δίλημμα:  Μεγαλύτερος λοβός για ευρύτερη κάλυψη  Στενότερος λοβός για καλύτερο SNR

Block Διάγραμμα Παθητικού Sonar Broadband Display: Για κοντινούς στόχους θέλουμε γρηγορότερη ανανέωση της πληροφο- ρίας. *Από μόνο του δεν είναι πλήρες!

Block Διάγραμμα Παθητικού Sonar Frequency Analyzer:  bins( μικρές μπάντες φασματικών συχνοτήτων)  Υλοποιείται με κατάλληλα ζωνοπερατά φίλτρα  Μέσω αυτού και Doppler => ταχύτητα στόχου!

Doppler f ΄αυξάνει  στόχος πλησιάζει f ΄μειώνεται  στόχος απομακρύνεται *Συγκρίνουμε τη συχνότητα της ηχούς του στόχου (f ΄) με τη συχνότητα των υπόλοιπων ανακλάσεων της ίδιας δέσμης !! Κίνδυνος false alarm !!

Block Διάγραμμα Παθητικού Sonar Narrowband Display: Έχουμε εποπτεία για τη διεύθυνση του στόχου.

Κατηγορίες SONAR Απλής Δέσμης: -ενεργά -ξεπερασμένα -μετατροπείς χωρίς δυνατότητα περιστροφής -μόνο για εκτίμηση απόστασης (πχ:απόσταση βυθού) Πλευρικής Σάρωσης: -ενεργά -μετρά την ισχύ των επιστρεφόμενων σημάτων - εκπομπή από τις πλευρές του μετατροπέα( towfish) -ικανοποιητική απεικόνιση των αντικειμένων

Κατηγορίες SONAR Multibeam: -Καταγραφή χρόνου άφιξης -Αυξημένη ανάλυση – χαρτογράφηση χωρίς κενά -ταχύτερη σάρωση της επιθυμητής περιοχής -δυνατότητα καταγραφής πιο σύνθετων δομών Mεταβλητού Βάθους( VDS): -ενεργά -μεγάλου μεγέθους μετατροπείς που σύρονται πίσω από ένα πλοίο -δυνατότητα λειτουργίας σε μεγάλα βάθη Ρυμουλκούμενης Συστοιχίας: -σαν το VDS, αλλά παθητικό -οριζόντια συστοιχία =>ασάφεια

Κατηγορίες SONAR Sonobuoy: -μικρά και αυτόνομα -ενεργά ή παθητικά -σε πραγματικό χρόνο -παύση λειτουργίας μετά από κάποιο χρονικό διάστημα Διστατικά: -συνδυασμός ενεργού και παθητικού -ισχυρό εκπεμπόμενο σήμα -ανίχνευση σε μεγάλες αποστάσεις -το σκάφος πολύ μακριά από τον στόχο

Κατηγορίες SONAR

Βιβλιογραφία Βιβλίο: Principles of Naval Weapon Systems, Craig M. Payne Ιστοσελίδες: /navy/docs/es310/asw_sys/asw_sys.htm ΕΥΧΑΡΙΣΤΟΥΜΕ ΠΟΛΥ!!!