Sonar bistatyczny
Sonar bistatyczny to konfiguracja sonaru , w której nadajnik i odbiornik znajdują się w odległości na tyle dużej, aby była porównywalna z odległością do celu. Większość systemów sonarowych jest monostatycznych , w których nadajnik i odbiornik znajdują się w tym samym miejscu. Konfiguracja z wieloma odbiornikami nazywana jest multistatic .
Bistatyczny kontra monostatyczny
Utrata propagacji (transmisji).
Jest to utrata poziomu dźwięku, która ma miejsce, gdy impuls dźwiękowy przemieszcza się od projektora do celu i od celu do odbiornika. Istnieją 3 różne mechanizmy powodujące utratę transmisji : sferyczne (lub cylindryczne w płytkiej wodzie) rozprzestrzenianie się, pochłanianie i rozpraszanie przez niejednorodności mediów oceanicznych. Tłumienie transmisji (TL) jest proporcjonalne do zasięgu (im dalej dźwięk dociera, tym większe straty) oraz do częstotliwości dźwięku. W sonarze monostatycznym dźwięk najpierw przemieszcza się od projektora do celu, a następnie tą samą drogą z powrotem od celu do odbiornika, więc strata dwukierunkowa wynosi tylko 2 TL, gdzie TL to strata jednokierunkowa. W sonarze bistatycznym całkowita strata (w decybelach) jest sumą TL pt (od projektora do celu) i TL tr (od celu do odbiornika).
Martwa strefa
W sonarze monostatycznym pierwszą rzeczą, którą słyszy odbiornik, jest dźwięk przesyłanego sygnału ping. Ten poziom dźwięku jest bardzo wysoki i nie jest możliwe wykrycie echa podczas trwania pingu τ. Oznacza to, że cele są niewykrywalne w okręgu o promieniu Cτ/2, gdzie C to prędkość dźwięku w wodzie. Obszar ten jest zwykle określany jako „martwa strefa”. Jeśli sonar znajduje się blisko powierzchni, dna lub obu tych obszarów (co może się zdarzyć na płytkiej wodzie), martwa strefa może być większa niż Cτ/2 ze względu na wysoki poziom pogłosu.
W sonarze bistatycznym odległość przebyta od projektora do celu i od celu do odbiornika wynosi R = R pt + R tr . Ponieważ projektor jest oddalony od odbiornika o odległość R pr , pierwsze R pr /C sekundy po rozpoczęciu pingowania, odbiornik po prostu czeka. Po tym czasie otrzymuje bezpośredni sygnał z projektora (często określany jako „bezpośredni podmuch”), który trwa τ sekund. Tak więc sonar nie może wykryć celów w obrębie elipsy R = Rpr + Cτ, jak pokazano na rysunku. Wysoki poziom pogłosu w obszarze projektora nie wpływa na martwą strefę.
Docelowy wzór rozpraszania
Cele nie odbijają dźwięku we wszystkich kierunkach. Mechanizm odbijania (lub rozpraszania) dźwięku przez cel jest skomplikowany, ponieważ cel nie jest tylko sztywną kulą. Poziom rozproszonego dźwięku zależy od kąta β, z którego cel jest nasłuchiwany przez projektor, a także zmienia się wraz z kierunkiem rozpraszania kąta α (patrz lokalne osie celu Z{x,y}). Kąty te są często określane jako aspekty. Ta funkcja rozproszonego poziomu dźwięku vs (α, β) jest nazywana wzorem rozpraszania S (α, β). Kierunek echa maksymalnego (maksimum S(α, β)) zależy również od kształtu celu i struktury wewnętrznej. Czasami więc aspekt najlepszego udźwiękowienia nie jest tym samym, co aspekt najlepszego odbioru.
Prowadzi to do rozwiązania bistatycznego. Rozpraszanie celu staje się jeszcze bardziej skomplikowane, jeśli cel jest zakopany (lub częściowo zakopany) w osadach dna morskiego. (Tak się dzieje w przypadku min morskich, pojemników na odpady, wraków statków itp.) W takim przypadku na mechanizm rozpraszania wpływają nie tylko cechy celu, ale także interakcja fali dźwiękowej między celem a otaczającym go dnem.
Poszczególne klasy sonarów bistatycznych
Rozpraszanie wsteczne i rozpraszanie do przodu
W sonarze monostatycznym odbiornik nasłuchuje echa, które jest odbijane (rozpraszane) bezpośrednio od celu. Sonar bistatyczny może działać na dwa sposoby: wykorzystując rozpraszanie wsteczne celu lub rozpraszanie do przodu. z rozpraszaniem wstecznym to sonar, w którym kąt bistatyczny φ jest mniejszy niż 90°. Rozpraszanie do przodu jest zjawiskiem fizycznym opartym na zasadzie Babineta . Sonar bistatyczny rozpraszający do przodu to sonar, w którym kąt bistatyczny φ jest większy niż 90°.
Sonar pseudomonostatyczny
To jest sonar o małym kącie bistatycznym. Innymi słowy, zarówno odległość od projektora do celu Rpt, jak i od celu do odbiornika R tr jest znacznie większa niż odległość od projektora do odbiornika R pr .
Sonar multistatyczny
Jest to system wielowęzłowy z więcej niż jednym projektorem, odbiornikiem lub jednym i drugim.
Aplikacje
Obserwacja dalekiego zasięgu
W celu nadzoru wybrzeża duży zestaw hydrofonów odbiorczych jest zwykle rozmieszczany blisko brzegu i połączony kablami z naziemnym centrum przetwarzania. Aby umożliwić wykrywanie celów z dużej odległości (daleko od brzegu), można użyć potężnego projektora mobilnego, który można rozmieścić ze statku. System tego typu wykorzystuje ideę „zbliżenia projektora do obszaru zainteresowania i zmniejszenia strat transmisji”.
Nadzór dużego obszaru za pomocą jednego projektora i sieci odbiorników
Układ tego typu jest multistatyczny. Wykorzystuje ideę „pokrycia obszaru zainteresowania rzadką siecią odbiorników i udźwiękowienia całego obszaru potężnym projektorem”. Węzłami odbiorczymi mogą być boje sondy (z łączem radiowym do centrum przetwarzania) lub autonomiczne pojazdy podwodne (AUV) z akustycznym łączem komunikacyjnym. Przykładem jest projekt GOATS wykorzystujący AUV jako węzły odbiorcze.
Holowany sonar o niskiej częstotliwości
Im niższa częstotliwość, tym mniej składników pochłaniających i rozpraszających straty transmisji. Z drugiej strony, im niższa częstotliwość, tym większy rozmiar projektora kierunkowego i układu odbiorczego. Tak więc sonar dalekiego zasięgu, który można rozmieścić na statku, to bistatyczny sonar holowany o niskiej częstotliwości z przestrzennie oddzielonym projektorem i układem odbiorczym. Przykładem jest holowany sonar LFATS.
Wykrywanie zakopanego obiektu
Aby wykryć zakopany obiekt, ping nadawczy musi przeniknąć do dna. To wymaga potężnego i wysoce kierunkowego projektora. Następnie należy umieścić odbiornik kierunkowy w miejscu, w którym odbicie „cel + otaczające dno” jest najlepsze. To jest system bistatyczny. Przykładem jest projekt SITAR, opracowany w celu wyszukiwania obiektów, takich jak pojemniki na odpady toksyczne i miny.
Główne zalety sonaru bistatycznego i multistatycznego to: [ potrzebne źródło ]
- Niższe koszty zakupu i konserwacji (w przypadku korzystania z nadajnika innej firmy)
- Eksploatacja bez zezwolenia na częstotliwość (w przypadku korzystania z nadajnika innej firmy)
- Ukryta praca odbiornika
- Zwiększona odporność na elektroniczne środki zaradcze, ponieważ używany kształt fali i lokalizacja odbiornika są potencjalnie nieznane
- Możliwy wzmocniony przekrój poprzeczny radaru celu ze względu na efekty geometryczne
Główne wady sonaru bistatycznego i multistatycznego obejmują: [ potrzebne źródło ]
- Złożoność systemu
- Koszty zapewnienia komunikacji między stronami
- Brak kontroli nad nadajnikiem (w przypadku korzystania z nadajnika innej firmy)
- Trudniejsze do wdrożenia
- Zmniejszony zasięg na niskim poziomie ze względu na potrzebę linii wzroku z kilku lokalizacji
Zobacz też
Źródła
Dalsza lektura
- NK Naluai i in. Bistatyczne zastosowania przetwarzania intensywności. Journal of Acoustic Society of America, 2007, 121 (4), s. 1909–1915
- JR Edwards, H. Schmidt i K. LePage, „Bistatyczne wykrywanie i obrazowanie celu z syntetyczną aperturą za pomocą AUV”, IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2001, 26 (4): s. 690–699
- I. Lucifredi i H. Schmidt. Rozpraszanie podkrytyczne z zakopanych elastycznych powłok. Journal of Acoustic Society of America, 2006, 120 (6), s. 3566–3583, 2006
- Holowany sonar o niskiej częstotliwości Captas Nano. www.thalesgroup.com/naval
- JI Bowen i RW Mitnick. Metodologia wielostatycznego przewidywania wydajności. Johns Hopkins APL Technical Digest, 1999, t. 2, nr 3, s. 424–431
