Qual è la differenza tra il sonar a banda larga e quello a banda stretta?

Grazie per l'A2A.

Ci sono 2 risposte a questa domanda, a seconda che stiamo parlando di sonar attivo o passivo.

Per ora mi limiterò al sonar attivo (se avrò abbastanza interesse tornerò ad aggiungere informazioni sul passivo, lo spero, perché ci sono alcune grandi storie del mondo reale associate ad esso). Quando la maggior parte delle persone pensa a un sonar pensa al classico 'ping'. Questa è stata la prima forma di sonar attivo e prende la forma di un impulso di suono, con una frequenza, [math]f[/math] e una lunghezza di impulso [math]\tau[/math]. Convenzionalmente trasmettiamo l'impulso, aspettiamo gli echi di ritorno e li interpretiamo come riflessioni di oggetti all'interno della colonna d'acqua. Questo approccio relativamente semplice ha molti vantaggi:

• Non abbiamo bisogno di fare alcuna elaborazione digitale nella parte posteriore del sistema. Possiamo usare un semplice idrofono, normalmente collegato a un amplificatore, come ingresso a qualcosa come una stampante termica e usare la tensione analogica per mappare direttamente un 'buio' sulla carta. I principali vantaggi di questo approccio sono costi e complessità ridotti.

• Se vogliamo diventare un po' più avanzati possiamo anche fare un po' di beamforming (in cui combiniamo l'uscita di più idrofoni per formare un 'fascio' di suono molto più stretto, possiamo anche usare l'interferenza costruttiva e distruttiva da più idrofoni per 'orientare' la nostra direzione di ascolto in una particolare direzione), se stiamo usando solo una singola frequenza allora possiamo orientare i fasci semplicemente aggiungendo ritardi temporali ai segnali dagli idrofoni, usando qualcosa come una linea di ritardo intercalata.

• Perché stiamo usando solo una singola frequenza è abbastanza facile implementare un filtro analogico sul front-end per rifiutare il rumore fuori banda

• Se non ci interessa ascoltare altro che una singola frequenza allora possiamo costruire i nostri trasduttori in modo relativamente semplice e averli ben 'accordati' alla nostra frequenza, qualcosa come un trasduttore 'tonpilz'

Come per tutte le cose sonar, però, ci sono inevitabilmente dei compromessi. Diversi svantaggi di un sonar a banda stretta sono:

• Povere prestazioni di riverbero; una delle principali fonti di degradazione del segnale nei sonar attivi è quella del riverbero. Il livello di riverbero è determinato principalmente dalla lunghezza dell'impulso del segnale ed è proporzionale. Per mantenere accettabili i livelli di riverbero abbiamo bisogno di un impulso breve, tuttavia, riducendo la lunghezza dell'impulso riduciamo la quantità di energia che trasmettiamo e quindi degradiamo le nostre prestazioni contro obiettivi più difficili da rilevare.
• Limitazioni alla trasmissione di energia; possiamo aumentare l'energia in acqua semplicemente "alzando il volume". Sfortunatamente, ad un certo punto ci imbattiamo in alcune restrizioni fisiche fondamentali. Dopo una certa densità di potenza (relativamente bassa) raggiungiamo una situazione in cui l'acqua sulla faccia del trasduttore inizia a cavitare, nel migliore dei casi portando a prestazioni degradate e, nel peggiore, distruggendo il trasduttore
• Mancanza di diversità spettrale; in un sistema a banda stretta, se l'avversario è a conoscenza della frequenza operativa, allora è relativamente banale progettare un rivestimento per assorbire quella frequenza e rendersi invisibile.
• Doppler; nei sistemi a banda stretta c'è un vincolo fondamentale che il prodotto della larghezza di banda del sistema e la lunghezza dell'impulso è l'unità, cioè [math]B\tau = 1[/math]. Questo pone un limite alla gamma di velocità del bersaglio che possiamo rilevare mantenendo le prestazioni di riverbero e l'energia di trasmissione. Inoltre, richiede una "tacca" più ampia nella nostra banda passante, ammettendo il rumore.

Per gli obiettivi che non sono particolarmente difficili da rilevare, i sonar a banda stretta possono essere una buona soluzione. Sono relativamente poco complicati e affidabili. Per i bersagli più difficili, però, è necessario un approccio più avanzato, ovvero il sonar a banda larga (noto anche come wideband).

In un sonar a banda larga, continuiamo a trasmettere impulsi, tuttavia, in questo caso, invece di un singolo tono trasmettiamo un segnale a banda larga, per esempio un tono swept o un 'chirp'.

Questo approccio ha una serie di vantaggi significativi.

• Prestazione di riverberazione; nel caso di un sistema a banda larga la riverberazione non è determinata dalla lunghezza dell'impulso, ma dal reciproco della larghezza di banda. Questo significa che aumentando la larghezza di banda diminuisce la riverberazione. L'aumento della larghezza di banda ha anche una serie di altri effetti utili.
• Non-unità [math]B\tau[/math]; a differenza di un sistema a banda stretta non siamo limitati alla larghezza di banda che è il reciproco della lunghezza dell'impulso, questo significa che se vogliamo aumentare la quantità di energia nell'acqua possiamo semplicemente trasmettere più a lungo senza alcuna penalità di riverbero
• Processo di guadagno; questo è dove si inizia davvero a raccogliere i frutti dei sistemi a banda larga. Se elaboriamo i nostri segnali ricevuti utilizzando un processo di filtro abbinato possiamo generare un guadagno di [math]10log_{10}B\tau[/math] 'gratis'. Questo è enormemente potente.

Ancora una volta, però, gli dei del sonar sono capricciosi; quello che danno con una mano, lo prendono con l'altra.

• Complessità. Uno dei trucchi standard se digitalizziamo i nostri segnali sonar è quello di mescolare il segnale ricevuto con la portante (direttamente analogo all'eterodirezione in radio). Questo significa che possiamo ridurre significativamente la frequenza di campionamento richiesta e soddisfare ancora i requisiti di Nyquist per evitare l'aliasing. Nel caso di un sonar a banda larga possiamo ancora fare lo stesso trucco, ma, al fine di mantenere i requisiti di Nyquist dobbiamo o campionare al doppio della larghezza di banda (che abbiamo appena 'alzato' per ottenere migliori prestazioni di riverbero e guadagno di elaborazione) o utilizzare il campionamento in fase e quadratura. In entrambi i casi questo implica prestazioni molto più elevate per l'A2D e l'hardware di elaborazione.
• Il beamforming non può più essere ottenuto con semplici ritardi temporali; poiché stiamo utilizzando diverse lunghezze d'onda nel segnale, per eseguire l'interferenza costruttiva e distruttiva il segnale deve essere ritardato di una quantità diversa a seconda della frequenza.
• Gli array diventano più complessi; poiché non stiamo più solo cercando un singolo tono i nostri trasmettitori e ricevitori devono ora operare su una larghezza di banda più ampia, idealmente piatta in ampiezza e fase. Questo è difficile. Di solito richiede l'uso di metamateriali compositi, che sono costosi e difficili da progettare e fabbricare.

Quindi, in sintesi, il sonar attivo a banda larga usa una trasmissione a banda più larga di quella a banda stretta, fornisce enormi vantaggi di performance (anche più di quelli che ho elencato qui) ma ha un costo non indifferente.