Πώς μεταδίδεται ο ήχος μέσα στη θάλασσα από ραδιοηλεκτρικό κύμα και sonar Ο ήχος της θάλασσας

Transcript

1 Πώς μεταδίδεται ο ήχος μέσα στη θάλασσα από ραδιοηλεκτρικό κύμα και sonar Ο ήχος της θάλασσας

2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Κεφάλαιο 1 ο Μετάδοση ήχου στην θάλασσα 1.1Ιστορική αναδρομή 1.1.α Οι πρώτες τηλεπικοινωνίες και οι εφαρμογές τους στη ναυσιπλοΐα 1.1.β Το ραδιογωνιόμετρο 1.1.γ Η γυροπυξίδα και τα πρώτα συστήματα αυτόματης πηδαλιούχησης 1.1.δ Από την δεκαετία του 1920 μέχρι το τέλος του Β Παγκοσμίου πολέμου 1.2.Η επινόηση και ανάπτυξη του ραντάρ Κεφάλαιο 2 ο Ραδιοηλεκτρικά κύματα και σύστημα Sonar 2.1 Τρόποι μετάδοσης υπερηχητικών σημάτων 2.2 Διάδοση σε πραγματικό ωκεανό 2.3 Μοντέλα απώλειας διάδοσης 2.4 Πρόβλεψη απόδοσης 2.5 Διάδοση πολλαπλών δρόμων Κεφάλαιο 3 ο Θόρυβος σε συστήματα Sonar 3.1 Πηγές του θορύβου 3.2 Θερμικός θόρυβος 3.3 Θόρυβος από την θάλασσα 3.4 Θόρυβος από ένα σκάφος 3.5 Το Περιβάλλον Sonar 3.6 Θόρυβος από τον εαυτό του (Αυτο-θόρυβος) 3.7 Ηλεκτρικός θόρυβος 3.8 Θόρυβος Μηχανημάτων 2

3 3.9 Θόρυβος ροής 3.10 Θόρυβος προπέλας Κεφάλαιο 4 ο Αντήχηση 4.1 Πηγές Αντήχησης 4.2 Κατηγορίες Αντήχησης 4.3 Ισχύς οπισθοδιασποράς 4.4 Ισχύς ανάκλασης αντήχησης Κεφάλαιο 5 ο Εξελίξεις Sonar 5.1 Ψηφιακή Επεξεργασία Σήματος Βιβλιογραφία 3

4 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Εμπνεόμενοι από τα δελφίνια, οι άνθρωποι κατασκεύασαν τα Σόναρ. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκαν για τον εντοπισμό εχθρικών υποβρυχίων στη διάρκεια του Δευτέρου Παγκοσμίου Πολέμου, όπου υιοθετήθηκε και η ονομασία του συστήματος ως sonar, αποτελώντας ακρωνύμιο των λέξεων SOund Navigation And Ranging. Όμως, σε κάθε περίπτωση, αυτά τα εργαλεία είναι λιγότερο αποτελεσματικά από τα φυσικά σόναρ των δελφινιών. Η πρώτη απόπειρα να χρησιμοποιηθούν ηχοβολιστικά συστήµατα στη ναυσιπλοΐα έγινε µετά το ναυάγιο του Τιτανικού το 1912, που βυθίστηκε λόγω πρόσκρουσης σε παγόβουνο, όταν ο Άγγλος φυσικός Λιούις Ρίτσαρντσον πρότεινε να εφοδιαστούν τα πλοία µε υδραυλικές σειρήνες υπερήχων ώστε να εντοπίζονται τα παγόβουνα µέσο της ηχώ 4

5 που θα επιστρέφει. Το πείραµα όµως απέτυχε γιατί η ηχητική ενέργεια ήταν πολύ µικρή ακόµη και όταν προστέθηκαν παραβολικά κάτοπτρα για να τη συγκεντρώνουν. Μετά την πρώτη αυτή αποτυχημένη προσπάθεια οι έρευνες συνεχίστηκαν κατά τον πρώτο παγκόσμιο πόλεµο από το βρετανικό Ναυαρχείο και την συµµαχική επιτροπή έρευνας για τον εντοπισµό υποβρυχίων (Allied Submarine- Detection- Investigation-Committee ASDIC). Σηµαντικό βήµα στην εξέλιξη των ηχοβολιστικών συστηµάτων υπήρξε η ανακάλυψη, από τους Ζακ και Πϊέρ Κιουρί, του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου που έδωσε λύση στο πρόβληµα της ικανοποιητικής παραγωγής και ανίχνευσης υπερήχων. Τα πρώτα επιτυχή πειράµατα πραγματοποιήθηκαν τα πρώτα χρόνια τις δεκαετίας

6 Κεφάλαιο 1 ο Μετάδοση ήχου στην θάλασσα Ιστορική αναδρομή 1.1.α Οι πρώτες τηλεπικοινωνίες και οι εφαρμογές τους στη ναυσιπλοΐα Ένας ιστορικός σταθμός στην εξέλιξη της επιστήμης της ηλεκτρονικής, αποτελεί η επίτευξη ασύρματης επικοινωνίας.στις 12 Δεκεμβρίου του 6

7 1901 ο Guglielmo Marconi, καταφέρνει να στείλει από την Αγγλία στις Η.Π.Α το πρώτο υπερατλαντικό μήνυμα, το γράμμα S. Το πρώτο όμως επίτευγμα ασύρματης επικοινωνίας είχε ήδη προηγηθεί στη θάλασσα από πολεμικά πλοία, το New York και το Massachucetts, ενώ βρισκόταν σε απόσταση 30 ναυτικών μιλίων πρόοδος των τεχνικών μέσων που χρησιμοποίησε, κατέστησαν στη συνέχεια δυνατή την επικοινωνία στα 1.551ναυτικά μίλια και αργότερα στα ναυτικά μίλια. Ως πρώτη εφαρμογή της ασύρματης επικοινωνίας στις μεθόδους ναυσιπλοΐας, θεωρείται η κατά την αρχή του 20 ου αιώνα εκπομπή ωριαίων σημάτων για την τήρηση ακριβούς χρόνου στα πλοία. Η σπουδαιότητα της εφαρμογής αυτής συνίσταται στο γεγονός ότι κατά την αποκλειστικά με αστρονομικές μεθόδους, στις οποίες σφάλμα χρόνου τεσσάρων δευτερολέπτων αντιστοιχεί σε σφάλμα στίγματος 7

8 ενός πρώτου λεπτού του μήκους. Μέσω όμως της ασύρματης εκπομπής κατάλληλων σημάτων, επετεύχθη η ρύθμιση του χρονομέτρου των πλοίων, με σφάλμα μικρότερο του ενός δευτερολέπτου. 1.1.β Το ραδιογωνιόμετρο Το ραδιογωνιόμετρο (Radio Direct Finding RDF ), αποτελεί το παλιότερο ραδιοναυτιλιακό βοήθημα. Η χρήση του χρονολογείται από τον Α Παγκόσμιο Πόλεμο. Με τη χρησιμοποίηση του ραδιογωνιόμετρο προσδιορίζεται μια γραμμή θέσεως που αντιστοιχεί στην διεύθυνση (διόπτευση) του σταθμού, από τον οποίο εκπέμπονται τα λαμβανόμενα στον δέκτη της συσκευής σήματα. Ο παλαιότερος και απλούστερος τύπος ραδιογωνιόμετρου είναι το ραδιογωνιόμετρο με περιστρεφόμενη κεραία. Οι περιστρεφόμενες κεραίες παρουσίαζαν αρκετά προβλήματα και περιορισμούς σχετικά με την εγκατάσταση, περιστροφή και μετάδοση της ενδείξεως στον δέκτη με μηχανικό τρόπο. Σε νεότερους 8

9 τύπος ραδιογωνιόμετρου αντί της περιστρεφόμενης κεραίας, χρησιμοποιούνται δυο σταθερές κεραίες πλαισίου σε κάθετες μεταξύ τους διευθύνσεις και η ένδειξη της ραδιοδιοπτεύσεως εμφανίζεται αυτόματα σε ψηφιακό ενδείκτη μετά από τον συντονισμό της συσκευής στην κατάλληλη συχνότητα και τη συνεχή περιστροφή του πηνίου έρευνας (γωνιόμετρου). Το ραδιογωνιόμετρο χρησιμοποιήθηκε στην ναυτιλία στις δυο επόμενες εφαρμογές : Προσδιορισμός θέσεως (στίγματος) πλοίου με τη μέτρηση ραδιοδιοπτεύσεως, Ραδιοεντοπισμός κινδυνεύοντος πλοίου με ραδιοδιοπτεύσεις από παράκτιους σταθμούς ραδιογωνιομέτρησης, ή/και από άλλα παραπλέοντα πλοία. 1.1.γ Η γυροπυξίδα και τα πρώτα συστήματα αυτόματης πηδαλιούχησης Σύμφωνα με ιστορικά τεκμηριωμένα στοιχεία, το

10 κατασκευάστηκε από το Γερμανό Bohnenberg γυροσκόπιο περιστρεφόμενου σφονδύλου, αρκετά νωρίτερα από την πλήρη επιστημονική τεκμηρίωση του φαινομένου της γυροσκοπικής αδράνειας από τον Γάλλο φυσικό Foucault κατά το Εν τούτοις, η αξιοποίηση του γυροσκοπίου στη ναυτιλία πραγματοποιήθηκε ορισμένες δεκαετίες αργότερα και συγκεκριμένα μετά την καθιέρωση των μεταλλικών ναυπηγήσεων, λόγω της επίδρασης του μαγνητικού πεδίου του σκάφους στην ακρίβεια των ενδείξεων της παραδοσιακής μαγνητικής πυξίδας. Η λειτουργία του γυροσκοπίου συνίσταται στη διατήρηση σε ταχεία περιστροφή ενός σφονδύλου, ο οποίος τοποθετείται εντός κινουμένου πλαισίου, το οποίο διατηρεί τη συνισταμένη των εξωτερικών ροπών ίση με το μηδέν. Έτσι, εάν το πλοίο λάβει κλίση ως προς είτε το διαμήκη είτε τον εγκάρσιο άξονα, ο σφόνδυλος του γυροσκοπίου θα συνεχίζει να 10

11 περιστρέφεται με την ίδια ταχύτητα, ενώ παράλληλα θα διατηρείται προσανατολισμένος στην ίδια διεύθυνση. Η γωνιακή απόκλιση ανάμεσα στον σταθερά προσανατολισμένο σφόνδυλο του γυροσκοπίου και τους άξονες των στελεχών του περιστρεφόμενου πλαισίου, παρέχει τις πληροφορίες αφενός των γωνιών στροφής, αφετέρου του ρυθμού μεταβολής των. Με την πάροδο του χρόνου, η εξέλιξη της τεχνολογίας οδήγησε στη δραστική αύξηση της ακρίβειας της μέτρησης των δύο προαναφερομένων πληροφοριών. Έτσι, προέκυψε σταδιακά η δυνατότητα της χρήσης του γυροσκοπίου σε ένα πλήθος εφαρμογών, όπως: Εκτέλεση ακριβούς ναυτιλίας Μηχανισμοί σταθεροποίησης (stabilizers) κινουμένων οχημάτων (πλοία, αεροσκάφη, υποβρύχια, κατευθυνόμενα βλήματα). Συστήματα αδρανειακής ναυτιλίας. Συστήματα αυτόματου πιλότου. Η πρώτη γυροπυξίδα που χρησιμοποιήθηκε στη ναυτιλία επινοήθηκε 11

12 και κατασκευάστηκε από τον Γερμανό Herman Anschütz- Kaempfe το 1903 και βελτιώθηκε από τον συνεργάτη του Schuler. Το 1909, ο Αμερικανός Elmer Sperry κατασκεύασε το πρώτο σύστημα αυτόματης πηδαλιούχησης αεροσκαφών με γυροσκόπια και το 1911 επέδειξε την λειτουργία μιας νέας ναυτικής γυροσκοπικής πυξίδας στο πολεμικό πλοίο των ΗΠΑ Dellaware. Το πρώτο σύστημα αυτόματης πηδαλιούχησης για τη ναυσιπλοΐα κατασκευάστηκε το 1916 στο Κίελο, από την εταιρεία Anschütz και εγκαταστάθηκε σε ένα Δανικό επιβατηγό πλοίο. 1.1.δ Από την δεκαετία του 1920 μέχρι το τέλος του Β Παγκοσμίου πολέμου Κατά τη δεκαετία του 1920 σε διάφορα πανεπιστήμια των ΗΠΑ και της Ευρώπης, έγιναν τεκμηριωμένες επιστημονικές μελέτες για την δημιουργία νέων ραδιοναυτιλιακών βοηθημάτων, τόσο για την μέτρηση 12

13 αποστάσεων με την εκπομπή και λήψη ραδιοκυμάτων και τη μέτρηση του χρόνου διάδοσής τους (αρχή λειτουργίας ραντάρ), όσο και για τον προσδιορισμό της θέσεως (στίγματος) πλοίου στη τομή δύο υπερβολικών γραμμών θέσεως με την λήψη και επεξεργασία ραδιοκυμάτων που εκπέμπονται από παράκτιους σταθμούς (αρχή υπερβολικής ναυτιλίας). Εν τούτοις οι επιστημονικές αυτές επινοήσεις παρέμειναν αναξιοποίητες μέχρι την περίοδο του Α παγκοσμίου πολέμου, κατά την οποία αναπτύχθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν για στρατιωτικές ανάγκες, τόσο το ναυτικό ραντάρ, όσο και τα πρώτα συστήματα υπερβολικής ναυτιλίας. Η επινόηση και ανάπτυξη του ραντάρ Το 1920 κατασκευάζεται στην Αμερική η πρώτη λυχνία magnetron από τον Albert W. Hull της εταιρείας General Electric. Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της είναι η παραγωγή μικροκυμάτων υψηλής 13

14 συχνότητας και μεγάλης ισχύος. Όταν ανάλογα σήματα εκπέμπονται από μία πηγή, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μεταφέρουν σήματα σε μεγάλες αποστάσεις. Δεν είναι λοιπόν τυχαίο, ότι με την ανακάλυψη της λυχνίας, σημειώνεται δραστική πρόοδος στις ασύρματες επικοινωνίες. Άμεση συνέπεια ήταν η βελτίωση των τεχνικών διαμόρφωσης,δηλαδή εκείνων των τεχνικών με τις οποίες μεταβάλλοντας κατάλληλα τα χαρακτηριστικά του εκπεμπομένου σήματος, μεταφέρεται πληροφορία από μία θέση σε μία άλλη. Οι αποστάσεις επικοινωνίας αυξάνονται, η ποιότητα των σημάτων βελτιώνεται και ο δρόμος για την ανάπτυξη του ραντάρ είναι πλέον ανοικτός.η συσκευή ραντάρ αναγνωρίζεται διαχρονικά ως το χαρακτηριστικότερο ηλεκτρονικό ναυτιλιακό όργανο. Αποτελεί το «ηλεκτρονικό μάτι» του ναυτικού, το οποίο ερευνά δυναμικά το περιβάλλον, προσδιορίζοντας σε πραγματικό χρόνο τόσο τους 14

15 ακίνητους ή χερσαίους ναυτιλιακούς κινδύνους, όσο και τους κινούμενους στόχους. Είναι το κατεξοχήν μέσο σύνθεσης της εικόνας της ναυτιλιακής καταστάσεως. Η ονομασία ραντάρ (radar) αποτελεί συντομογραφία του όρου Radio Detection and Ranging. Τα πρώτα πειράματα που κατέδειξαν την ιδιότητα της ανάκλασης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων από αντικείμενα στα οποία προσπίπτουν, εκτελέσθηκαν από τον Heinrich Hertz το Στη συνέχεια η τεχνική αναπτύχθηκε σταδιακά, ταυτόχρονα από Γερμανούς, Γάλλους, Βρετανούς και Αμερικανούς επιστήμονες. Η πρώτη επιτυχημένη χρήση ανάλογης συσκευής έγινε το 1935 και αφορούσε στον επιτυχή εντοπισμό και στην εξαγωγή της απόστασης επερχομένου αεροσκάφους. Η πρώτη ναυτιλιακή εφαρμογή έγινε το 1937 με την εγκατάσταση της πρώτης συσκευής ραντάρ σε πολεμικό πλοίο των Η.Π.Α. Το ραντάρ αποτέλεσε ένα από τα σημαντικότερα τεχνολογικά 15

16 επιτεύγματα του Β Παγκοσμίου Πολέμου, διεκδικώντας επάξια μερίδιο ευθύνης για την επιτυχή έκβαση αυτού του πολέμου. Το 1944 άρχισε σταδιακά η εγκατάστασή του και στα εμπορικά πλοία, η οποία γενικεύθηκε μετά το τέλος του πολέμου. Με την πάροδο του χρόνου και την εξέλιξη της τεχνολογίας, βελτιώθηκε σημαντικά η ακρίβεια της εξαγόμενης πληροφορίας της συσκευής, καθώς και η περαιτέρω αξιοποίησή της, ώστε να επιτευχθεί η αυτόματη υποτύπωση της ναυτιλιακής κινήσεως. 16

17 Κεφάλαιο 2 ο Ραδιοηλεκτρικά κύματα και σύστημα Sonar 2.1 Τρόποι μετάδοσης υπερηχητικών σημάτων Τα υπερηχητικά σήματα διαδίδονται μέσω του αέρα, αλλά η μετάδοση σε μακρινές αποστάσεις είναι αποτελεσματικότερη στα ρευστά, όπως το νερό, όπου η αναλογία πυκνότητας ιξώδους οδηγεί σε μεγαλύτερη ταχύτητα κυμάτων και τη μικρότερη εξασθένιση ανά μονάδα μήκους. Οι υπερηχητικές τεχνικές μέτρησης απόστασης (ή αλλιώς SONAR = SOund NAvigation and Ranging) αναπτύχθηκάν αρχικά για τις υποθαλάσσιες εφαρμογές, όπου ο ήχος υπερέχει σε σχέση με την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια (συμπεριλαμβανομένου και του φωτός) όσον αφορά την απόσταση διάδοσης. Οι συχνότητες που τυπικά χρησιμοποιούνται στις υπερηχητικές τεχνικές μέτρησης απόστασης είναι από μερικές δεκάδες kηz μέχρι μερικές 17

18 εκατοντάδες kηz. Για την επιλογή της υπερηχητικής συχνότητας πρέπει κανείς να έχει υπόψιν ότι ενώ οι υψηλές συχνότητες μπορούν να διαμορφωθούν σε στενότερες δέσμες, και επομένως να επιτύχουν υψηλότερη πλευρική ακρίβεια, εντούτοις τείνουν να εξασθενίσουν γρηγορότερα με την απόσταση. Μπορεί να διαπιστωθεί ότι μια πολύ στενή δέσμη ήχου σε ένα ρευστό μέσο μπορεί να έχει πλάτος λιγότερο από 10 αλλά μειώνεται πάρα πολύ γρήγορα για να μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εφαρμογές στον αέρα. Όμως αν και η υπερηχητική ενέργεια μειώνεται γρηγορότερα στον αέρα απ' ό,τι στο νερό, χρήσιμά περιορισμένης εμβέλειας υπερηχητικά σήματα μπορούν να παραχθούν στον αέρα με τα σχετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας επειδή η χαμηλότερη πυκνότητα του αέρα απαιτεί μικρότερες δυνάμεις στο μετατροπέα για ένα δεδομένο πλάτος κύματος. Συγκρίνοντας κανείς τα ηχητικά κύματα με τα 18

19 ηλεκτρομαγνητικά για τεχνικές χρόνου πτήσης (TοF) πρέπει να αναλογιστεί ότι ο ήχος, αντίθετα από το φως, όχι μόνο διαδίδεται με πολύ μικρές ταχύτητες, αλλά η ταχύτητα διάδοσης των ηχητικών κυμάτων αλλάζει ανάλογα με τον είδος και την κατάσταση του μέσου διάδοσης. Επομένως παράγοντες όπως η υγρασία του αέρα, η θερμοκρασία και η πίεση έχουν επιπτώσεις στην ακρίβεια μιας συσκευής χρόνου πτήσης (TοF) για την μέτρηση της απόστασης. Για τις υποβρύχιες εφαρμογές, η αλμυρότητα και το βάθος επηρεάζουν τη μέτρηση. Η μικρή ταχύτητα του ήχου επιδρά επίσης και στο μέγιστό αριθμό μετρήσεων που μπορούν να συλλεχθούν ανά μονάδα χρόνου. Παραδείγματος χάριν, αν ένας στόχος βρίσκεται στα 10m χρειάζονται τουλάχιστον 60ms για να παρθεί μια μέτρηση στον αέρα. Τα 60ms φαίνεται να μην είναι πάρα πολύς χρόνος για λήψη μίας απλής μέτρησης, αλλά δημιουργείται 19

20 πρόβλημα εάν η εφαρμογή πρέπει να κάνει πολλαπλές μετρήσεις, όπως είναι εφαρμογές παρακολούθησης κινήσεων (π.χ. υπολογισμός ταχύτητας) ή αποφυγής σύγκρουσης. Στάσιμα μαγνητικά πεδία Τα στατικά ή ψευδοστατικά (δηλ. χαμηλής συχνότητας) μαγνητικά πεδία χρησιμοποιούνται μόνο στις τεχνικές βασισμένες στο πεδίο. Ένα πλεονέκτημα τέτοιων πεδίων είναι ότι παράγονται εύκολα και φτηνά είτε από έναν μόνιμο μαγνήτη είτε από ένα πηνίο. Δεδομένου ότι τα στάσιμα πεδία δεν διαβιβάζουν ενέργεια, οι στόχοι δεν πρέπει να είναι παθητικοί δηλαδή πρέπει ενεργά να αισθανθούν τις ιδιότητες του πεδίου στην θέση τους. Πολλές τεχνολογίες αισθητήρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να κάνουν μετρήσεις της κατευθυντικότητας και της έντασης ενός μαγνητικού πεδίου, συμπεριλαμβανομένων του φαινομένου Hall και των μαγνητόμετρων τύπου μαγνητοσυστολής. Ραδιοσυχνότητες 20

21 Τα συστήματα χρόνου πτήσης (TOF) που βασίζονται στην ανίχνευση της ηχούς τα οποία βρίσκονται στην περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος και συγκεκριμένα χρησιμοποιούν ηλεκτρομαγνητικά μήκη κύματος στην περιοχή από 1m 1mm είναι γνωστά ως ραντάρ ( RADAR = RAdio Detection And Ranging). Τα ραδιοκύματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη ανίχνευση στόχων μεγάλης απόστασης σε ποικίλες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Όπως στην περίπτωση των ηχητικών κυμάτων, υπάρχουν προβλήματα διάδοσης που πρέπει να ληφθούν υπόψη για την επιλογή της συχνότητας. Τα μεγάλα μήκη κύματος διαδίδονται καλύτερα σε μεγάλες αποστάσεις, ενώ τα μικρά μήκη κύματος μπορούν να εστιασθούν σε στενές δέσμες επιτυγχάνοντας καλύτερη ανάλυση (διάκριση). Μια ενδιαφέρουσα εφαρμογή του ραντάρ που χρησιμοποιεί μικρά μήκη κύματος είναι ότι διαπερνά το έδαφος και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εντοπίσει και να 21

22 απεικονίσει αντικείμενα κάτω από την επιφάνεια του εδάφους. Πρέπει λοιπόν η συχνότητα να επιλέγει με τέτοιο τρόπο ώστε να ισορροπηθεί η ικανότητα απεικόνισης (μικρό μήκος κύματος) με την καλή εμβέλεια (μεγάλο μήκος κύματος). Ένα παράδειγμα ενός μονόδρομου συστήματος TOF (ενεργός δέκτης) που χρησιμοποιεί τις ραδιοσυχνότητες είναι το global positioning system (GPS). Η απόσταση του δέκτη στο έδαφος καθορίζεται από κάθε έναν από τους επί μέρους δορυφόρους που είναι εξοπλισμένοι με μια συσκευή αποστολής σημάτων και ένα πολύ ακριβές ρολόι καισίου για συγχρονισμό. Συχνότητες στην περιοχή του ορατού. Στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα πέρα από την περιοχή των ραδιοκυμάτων βρίσκονται οι υπέρυθρες, οι ορατές, και υπεριώδεις συχνότητες. Αυτές οι συχνότητες μπορούν να παραχθούν από τα λέιζερ και να ανιχνευθούν από φωτοευαίσθητες συσκευές (π.χ. φωτοδιόδους) 22

23 και είναι χρήσιμες για μεθόδους μέτρησης απόστασης τόσο για τις τεχνικές του χρόνου πτήσης (time of flight) όσο και για τις τεχνικές τριγωνομέτρησης (triangulation). Τα συστήματα χρόνου πτήσης (time of flight) τυπού αντανάκλασης (echo-type) είναι γνωστά και ως ραντάρ με ακτίνες laser (LIDAR= LΙght Detection And Ranging). Ενώ οι συχνότητες στην περιοχή του ορατού εξασθενούν περισσότερο μέσω σύννεφων και ομίχλης από τις ραδιοσυχνότητες εντούτοις μπορούν να διαδοθούν σε ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΠΟΣΤΑΣΗΣ 22 πάρα πολύ στενές δέσμες ακτίνων (λέιζερ), που επιτρέπουν την καλύτερη πλευρική ανάλυση και επιλογή στόχων. 2.2 Διάδοση σε πραγματικό ωκεανό Η διάθλαση, η σκέδαση και η παρουσία των ορίων του ωκεανού,(δηλαδή η επιφάνεια και ο πυθμένας), εξασφαλίζουν ότι εκτός από πολύ μικρές αποστάσεις, συνθήκες ελεύθερου πεδίου δεν υπάρχουν στον πραγματικό ωκεανό. Πολλή προσπάθεια γίνεται για την 23

24 ανάπτυξη αξιόπιστων μοντέλων τα οποία να μας δίνουν πληροφορίες για αυτά τα γεγονότα.η ταχύτητα του ήχου στη θάλασσα(η απόλυτη τιμή της και ακόμα πιο σημαντικό, η διακύμανση σε σχέση με το βάθος) είναι θεμελιώδους σημασίας για όλα τα μοντέλα. Η γνώση του προφίλ της ταχύτητας ήχου (SSP) μπορεί να βοηθήσει τον σχεδιαστή και τον χειριστή του Sonar να επιλέξει το κατάλληλο τρόπο διάδοσης Sonar (μία συρόμενη συστοιχία ή ένα μεταβλητού βάθους Sonar (VDS)), να μπορεί να το τοποθετήσει σε ένα κατάλληλο βάθος για την αποφυγή σκοτεινών ζωνών και για να μπορέσει να εκμεταλλευτεί την αναπήδηση του βυθού ή την σύγκλιση του εδάφους (CZ). 2.3 Μοντέλα απώλειας διάδοσης Η εξάπλωση, η διάθλαση και η ανάκλαση του ήχου στη θάλασσα έχουν μέχρι στιγμής συζητηθεί. Η διάδοση του ήχου σε ένα ελαστικό μέσο περιγράφεται μαθηματικά από την επίλυση της εξίσωσης κύματος 24

25 χρησιμοποιώντας τα κατάλληλα όρια και μέσους όρους για ένα συγκεκριμένο περιβάλλον. Υπάρχουν δύο προσεγγίσεις για την επίλυση αυτής της εξίσωσης: Θεωρία κυμάτων: η διάδοση περιγράφεται όσον αφορά τα χαρακτηριστικά λειτουργίας και ονομάζονται συνήθεις τρόποι, καθένα από τα οποία είναι μια λύση στην εξίσωση. Οι τρόποι αθροίζονται για να ικανοποιήσουν το απαιτούμενο όριο και το μέσο όρο. 2. Θεωρία ακτινών: αυτή υποθέτει μέτωπα κύματος και την ύπαρξη ακτινών που δείχνουν ότι ο ήχος παράγεται από την πηγή. Δεν παρέχουν μια καλή λύση όταν η ακτίνα καμπυλότητας του μετώπου κύματος ή οι αλλαγές πίεσης είναι σημαντικά πάνω από την απόσταση του ενός μήκους κύματος. Κατά συνέπεια περιορίζεται σε σύντομα μήκη κύματος. 2.4 Πρόβλεψη απόδοσης Η απώλεια διάδοσης είναι μία από τις πολλές παραμέτρους που απαιτούνται για να προβλέψουμε την απόδοση ανίχνευσης ενός 25

26 συστήματος Sonar. Παράμετροι όπως το επίπεδο πηγής (SL) και ο δείκτης κατευθυντικότητας (DI) είναι αρκετά γνωστά με ακρίβεια 2 db. Όμως η απώλεια διάδοσης (PL) είναι εξαιρετικά μεταβλητή, και δεν έχει σημασία πόσο ακριβές είναι το μοντέλο ή πόσο καλά αντιπροσωπεύει το περιβάλλον, αλλά τα τυχόν αποτελέσματα πρέπει να είναι τόσο καλά όπως και τα δεδομένα εισόδου. Υπό συνθήκες λειτουργίας, είναι μόνο δυνατόν να μετρηθεί το SSP σε έναν περιορισμένο αριθμό σημείων. Αυτό το SSP δεν θα εφαρμόζεται με ακρίβεια σε όλες τις στήλες του νερού μεταξύ Sonar και στόχου. Τα PL γραφήματα εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις SSP, τα οποία στηρίζονται κατά κύριο λόγο στις μετρήσεις της θερμοκρασίας έναντι βάθους. 2.5 Διάδοση πολλαπλών δρόμων Η διάδοση του ήχου κάτω από το νερό ακολουθεί πάντα πολλαπλές 26

27 διαδρομές στο κατακόρυφο επίπεδο. Αυτή είναι μια αναπόφευκτη συνέπεια του κατακόρυφου εύρους δέσμης και προκαλεί τις διαφορές μεταξύ των χρόνων άφιξης και των απωλειών διάδοσης κατά μήκος των πιθανών διαδρομών. Αυτές οι διαφορές αυξάνονται καθώς η απόσταση από την πηγή στο δέκτη αυξάνεται. Είναι σημαντική μία ποσοτική γνώση αυτών των διαφορών. Σε ένα σύστημα ενός ενεργού Sonar, οι μεγάλες διαφορές μπορούν να παράγουν πολλούς απόηχους που διαχωρίζονται σε χρόνο (εύρος). Μικρές διαφορές παράγουν επιμήκυνση του στόχου. Στα παθητικά συστήματα Sonar, οι διαφορές μεταξύ των χρόνων άφιξης χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση του εύρους. Κεφάλαιο 3 ο Θόρυβος σε συστήματα Sonar 3.1 Πηγές του θορύβου 27

28 Ο θόρυβος είναι το πλαίσιο εντός του οποίου το Sonar, ενεργητικό και παθητικό, ανιχνεύει σήματα από τους στόχους. Σε ένα ενεργό Sonar, ο θόρυβος είναι αυξημένος λόγο των αντηχήσεων από ανεπιθύμητες πηγές και το σήμα είναι ένας αντίλαλος του στόχου. Για ένα παθητικό Sonar, το σήμα είναι επίσης θόρυβος (ο εκπεμπόμενος θόρυβος του στόχου). Υπάρχουν τρεις πηγές θορύβου που πρέπει να ληφθούν υπόψη: θερμικός θόρυβος θόρυβος από τη θάλασσα (θόρυβος περιβάλλοντος) θόρυβος σκάφους 3.2 Θερμικός θόρυβος Μαζί με οποιοδήποτε ηλεκτρικό σύστημα λήψης, ένας δέκτης Sonar προσθέτει το δικό του θόρυβο στα σήματα που λαμβάνει. Ο σχεδιαστής πρέπει να διασφαλίσει ότι ο θόρυβος που εισάγεται από την πηγή αυτή είναι αμελητέος σε σχέση με το θόρυβο που προέρχεται από την ίδια τη θάλασσα. Όλα τα αποτελέσματα που καθορίστηκαν για την κλασική 28

29 περίπτωση του ραδιοφώνου ισχύουν για το Sonar, όπου «αντένα» ή «κεραία» αντικαθίσταται από τη φράση «υδρόφωνο». 3.3 Θόρυβος από την θάλασσα Ο θερμικός θόρυβος της θάλασσας δεν μπορεί παρά να είναι το κυρίαρχο φόντο σε ένα Sonar, σε υψηλές συχνότητες (τουλάχιστον 30 khz και για πρακτικούς λόγους τουλάχιστον 100 khz), που είναι ο αναμενόμενος θόρυβος του περιβάλλοντος στη θάλασσα. Όταν η θάλασσα δεν είναι «νεκρή» (δηλαδή τέλεια απομονωμένη από όλες τις πηγές ήχου και υπόκεινται μόνο σε θερμική διέγερση), ακόμα κι αν μπορεί να φαίνεται απολύτως ήρεμη, υπόκειται σε ανατάραξη πολύ μεγαλύτερη από το θερμικό θόρυβο, κυρίως κατά τις χαμηλότερες συχνότητες (κάτω των 30 khz.αποκλίσεις από το μέσο όρο έως 10 db είναι συχνές, ιδιαίτερα σε ρηχά νερά και κοντά στην επιφάνεια της θάλασσας. Ο θόρυβος περιβάλλοντος πέφτει σε περίπου 5 db ανά 29

30 οκτάβα για συχνότητες άνω των 500 Hz. Ο θόρυβος από πλοία είναι σημαντικός, ιδιαίτερα σε συχνότητες κάτω των 500 Hz. Στα λιμάνια και προσεγγίζοντας σε αυτά, ο θόρυβος από τα πλοία είναι κυρίαρχος. Ιδιαίτερα από μικρά σκάφη, των οποίων ο θόρυβος εκτείνεται σε συχνότητες αρκετών khz όπως και από τη βιομηχανική δραστηριότητα κατά μήκος της ακτής. Ο βιολογικός θόρυβος παράγεται από την θαλάσσια ζωή. Εκτός από τους ατομικούς ήχους των θαλάσσιων θηλαστικών, όπως οι γαρίδες που είναι μια σημαντική πηγή θορύβου, οι οποίες παράγουν ένα αρκετά επίπεδο φάσμα του θορύβου που κυμαίνεται μεταξύ 500 Hz και 20 khz, μπορεί να είναι υψηλός όπως 70 db σε πίεση 1 μpa. Η δυνατή βροχή μπορεί να κυριαρχήσει σε όλες τις συχνότητες, αλλά οι βροχοπτώσεις λιγότερο από 3 mm περίπου ανά ώρα δεν είναι σημαντικές. Ο θόρυβος που προκύπτει από την θαλασσοταραχή λόγω του 30

31 ανέμου και τα κύματα κυριαρχούν σε συχνότητες άνω των 500Hz. Είναι δύσκολο να σχετίζονται με το πραγματικό επίπεδο θορύβου που επικρατεί από την ταχύτητα άνεμου ή κατάσταση της θάλασσας. Η ταχύτητα του ανέμου μπορεί να μετρηθεί, αλλά η κατάσταση της θάλασσας συχνά βασίζεται σε μια υποκειμενική εκτίμηση του ύψους κύματος. Η ταχύτητα του ανέμου και η κατάσταση της θάλασσας που σαφώς συνδέονται μεταξύ τους, σπάνια συμπίπτουν χρονικά. Ο θόρυβος της ναυτιλίας είναι ασήμαντος άνω του 1 khz (ο ίδιος ο εκπεμπόμενος θόρυβος πέφτει ραγδαία μαζί με τη συχνότητα και επίσης πέφτει λόγο μιας σειράς απωλειών λόγω απορρόφησης). Ο θόρυβος κάτω του 1 khz είναι πιθανό να κυριαρχείται από διακριτούς ήχους, αλλά εάν υπάρχουν πολλά πλοία τότε ο θόρυβος μπορεί να φαίνεται ότι έχει ένα συνεχές φάσμα. 3.4 Θόρυβος από ένα σκάφος 31

32 Υπάρχουν τρεις κύριες πηγές θορύβου από ένα σκάφος (το οποίο σημάνει ένα πλοίο επιφανείας, ένα υποβρύχιο ή ένα τορπιλών): Από μηχανήματα πρόωσης και βοηθητικά μηχανήματα Από προπέλες Από θόρυβο ροής Οι σύγχρονες φρεγάτες μπορούν να βελτιωθούν σημαντικά σε αυτά τα στοιχεία, επιτυγχάνοντας ίσως SS2 σε ταχύτητες μέχρι 10 κόμβους. Ο αυτοθόρυβο ενός Sonar είναι το άθροισμα όλων των πηγών θορύβου, του περιβάλλοντος και του πλοίου. 3.5 Το Περιβάλλον Sonar Διατάξεις Sonar, τοποθετημένα μέσα σε θόλους ή πίσω από ακουστικά παράθυρα, βρίσκονται ενδεχομένως σε πολύ θορυβώδη περιβάλλοντα που μπορούν να περιορίσουν σημαντικά την απόδοση του Sonar. Αυτές οι πηγές θορύβου έχουν περιγραφεί ανωτέρω και χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες 32

33 Ο εσωτερικός θόρυβος του συνόλου του υδρόφωνου και του δέκτη Ο θόρυβος του περιβάλλοντος της θάλασσας Ο ίδιος θόρυβος του σκάφους Ο σχεδιαστής πρέπει να εξασφαλίσει ότι ο εσωτερικός θόρυβος του Sonar είναι αμελητέος.δεν μπορεί να γίνει κάτι σχετικό με το θόρυβο του περιβάλλοντος της θάλασσας. Συνεπώς ο σχεδιαστής του συνολικού συστήματος - σκάφος, θόλος και διάταξης - πρέπει να προσπαθήσει να ελαχιστοποιήσει τον, συνήθως κυρίαρχο, θόρυβο σκάφους. Ένας πρακτικός στόχος είναι να επιχειρήσει να τον ταιριάξει με τον ατμοσφαιρικό θόρυβο της αντίστοιχης θάλασσας, ας πούμε, SS2 για πλοία επιφάνειας με ταχύτητες λειτουργίας μέχρι 15 κόμβους και κάπως καλύτερα για υποβρύχια 3.6 Θόρυβος από τον εαυτό του (Αυτο-θόρυβος) Ο αυτο-θόρυβος ενός Sonar γίνεται αντιληπτός ως μια τάση του θορύβου που εμφανίζεται στην έξοδο του δέκτη. Είναι πιο εύκολο, 33

34 ωστόσο, τόσο για το σχεδιασμό όσο και για την απόδοση ανάλυσης, να καθοριστεί, κατά την έναρξη του συστήματος. Η ένταση του θορύβου δίνεται σε db σε σχέση με την κατευθυντική ένταση από ένα επίπεδο κύματος που έχει πίεση ίση με 1 μpa σε μια ζώνη 1 Ηz. Αυτό είναι το ισοτροπικό επίπεδο φάσματος. Αν υποθέσουμε ότι το σκάφος βρίσκεται σε μια ήρεμη θάλασσα και δεν υπάρχουν παρασιτικού θορύβου πηγές, ο αυτο-θόρυβος θα είναι αποκλειστικά και μόνο λόγω του συνδυασμού του σκάφους και Sonar. 3.7 Ηλεκτρικός θόρυβος Ο σχεδιασμός του Sonar κανονικά πρέπει να εξασφαλίζει ότι ο ηλεκτρικός θόρυβος που εισάγεται από τον δέκτη του είναι αμελητέος. Αλλαγές στην συστοιχία και στη ζώνη συχνοτήτων του Sonar μπορεί να προκαλέσουν προβλήματα, ιδιαίτερα εάν η ευαισθησία της συστοιχίας είναι χαμηλότερη. Έτσι ο συντελεστής θορύβου του δέκτη πρέπει να 34

35 ελεγχθεί και να βελτιωθεί εάν είναι αναγκαίο. Ηλεκτρικές παρεμβολές στα καλώδια μεταξύ πίνακα και δέκτη είναι συχνά ένα πρόβλημα. Αποτελεσματικός ηλεκτρομαγνητικός έλεγχος των καλωδίων σε χαμηλές συχνότητες είναι πολύ δύσκολος. Ευτυχώς, αυτό το πρόβλημα μπορεί να εξαλειφθεί ή να μετριαστεί με σύγχρονες τεχνικές όπου οι αναλογικές τάσεις των υδρόφωνων μετατρέπονται σε ψηφιακή μορφή κοντά στην συστοιχία. 3.8 Θόρυβος Μηχανημάτων Μηχανές κοντά στη διάταξη είναι το πιο ενοχλητικό. Αυτές μπορεί να είναι μηχανές πρόωσης ή βοηθητικά μηχανήματα. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να μειωθεί η συμβολή τους στον αυτο-θόρυβο: Να σχεδιαστούν οι μηχανές με ηρεμία ως μια σημαντική παράμετρος. Να απομονωθούν μηχανές, άξονες και σωληνώσεις από τη γάστρα με αντικραδασμικές βάσεις. Να απομονωθούν ο πίνακας και ο θόλος από τη γάστρα, 35

36 παρέχοντας απόσβεση μεταξύ του πίνακα, του θόλου και της γάστρας, περιορίζοντας αυτή καθεαυτή τη γάστρα. Να ξεχωριστούν συστοιχίες και μηχανές. Να είναι σε ένα χώρο οι συστοιχίες μπροστά από την κύρια μηχανής προώσεως και να αποφευχθεί η τοποθέτηση οποιουδήποτε βοηθητικού μηχανήματος κοντά στους πίνακες. 3.9 Θόρυβος ροής Η κύρια αιτία του θορύβου ροής είναι η ροή του νερού πάνω στο θόλο του Sonar και πάνω στη γάστρα κοντά στο θόλο. Εδώ είναι τέσσερις τρόποι για τη μείωσή του: Καλό υδροδυναμικό σχεδιασμό του θόλου. Ομαλές διασυνδέσεις μεταξύ θόλου και της γάστρας Μειωμένη τραχύτητα της επιφάνειας του θόλου και κοντά του στην επιφάνια της γάστρας Στρώμα χρώματος στο θόλο και στη γάστρα. Η επίστρωση της γάστρας είναι σημαντικό να συνεχίζει και στο θόλο 36

37 3.10 Θόρυβος προπέλας Ο θόρυβος προπέλας παράγεται από ένα αμιγώς υδροδυναμικό μηχανισμό όπως η σπηλαίωση στις άκρες των πτερύγιων, η σπηλαίωση στα ίδια τα πτερύγια, ή από μηχανικές δονήσεις των πτερύγιων. Εδώ είναι δύο τρόποι για να μειωθεί η συνεισφορά του αυτοθορύβου και του εκπεμπόμενου θορύβου Agouti: μια συσκευή που εκπέμπει φυσαλίδες αέρα στην περιοχή των πτερυγίων για να αντικαταστήσει τις φυσαλίδες νερού που δημιουργούνται από σπηλαίωση. Μια βελτίωση της τάξης του 10dB είναι δυνατόν σε υψηλές ταχύτητες των πλοίων (άνω των 20 κόμβων). Bafles: αυτά είναι τοποθετημένα μέσα στο θόλο για να προστατεύσει τη διάταξη από θορύβους προπέλας. Μειώνουν αναπόφευκτα την απόδοση του Sonar. Ένας χρήσιμος κανόνας είναι να θεωρηθεί ότι η επιτρεπόμενη απώλεια διάδοσης είναι 37

38 μειωμένη κατά 10 db πάνω από το τόξο στελέχους. Κεφάλαιο 4 ο Αντήχηση 4.1 Πηγές Αντήχησης Όταν ο ήχος μεταδίδεται υποβρύχια διασκορπίζεται από τη θαλάσσια ζωή, την άψυχη ύλη που είναι διανεμημένη στην θάλασσα, την ανομοιογενής δομή της ίδιας της θάλασσας, όπως καθώς και με αντανάκλαση από την επιφάνεια και το βυθό της θάλασσας. Η συνιστώσα της προσπίπτουσας ενέργειας του ήχου που αντανακλάται πίσω στην πηγή είναι γνωστή ως οπισθοδιασπορά. Αυτή οπισθοδιασποριζόμενη ενέργεια είναι η αντήχηση, η οποία περιλαμβάνει τόσο το υπόβαθρο για τον εντοπισμό ενός στόχου όσο και τους ήχους από τον ίδιο τον στόχο. Οι ήχοι του στόχου είναι απλά μια ειδική περίπτωση της αντήχησης. 4.2 Κατηγορίες Αντήχησης Μαζί με το θόρυβο, η αντήχηση, αποτελεί το υπόβαθρο για την 38

39 ανίχνευση των στόχων από ένα ενεργό Sonar. Σε πολλά περιβάλλοντα, η αντήχηση μπορεί να είναι το κύριο στοιχείο αυτού του υποβάθρου. Συνεπώς, είναι πολύ σημαντικό, για το σχεδιασμό των ενεργών Sonars, να έχουν μια καλή μέτρηση του μεγέθους της και πως αλλάζει ανάλογα με την τραχύτητα και την γωνία κρούσης. Η αντήχηση μπορεί να ταξινομηθεί ανάλογα με την πηγή της: Ένταση αντήχησης όπου η αντήχηση προέρχεται από διασπορά εντός όγκου της θάλασσας. Αντήχηση επιφάνειας θάλασσας, όπου η αντήχηση προέρχεται από διασπορά που εκτείνεται σε μια περιοχή της επιφάνειας της θάλασσας. Αντήχηση βυθού θάλασσας, είναι όπου η αντήχηση προέρχεται από διασπορά που εκτείνεται σε μια περιοχή του πυθμένα της θάλασσας. 4.3 Ισχύς οπισθοδιασποράς Ισχύς οπισθοδιασποράς είναι η θεμελιώδης παράμετρος που καθορίζει την ένταση της αντήχηση. Αυτή καθορίζεται από 39

40 Ss,v=10log(Iscar/Ii) Όπου Ιscar είναι η ένταση του ήχου διασποράς (πίσω στην πηγή) από μία μονάδα επιφανείας ή μονάδα έντασης, η οποία αναφέρεται σε μια απόσταση 1 m από το ακουστικό κέντρο και Ιi είναι η ένταση από το προσπίπτον επίπεδο κύμα. 4.4 Ισχύς ανάκλασης αντήχησης Η ισχύς ανάκλασης αντήχησης, TSR, είναι ένα μέτρο του υποβάθρου ανίχνευσης ενός στόχου και χρησιμοποιείται για να προσδιορίσει την αντήχηση. Η εξίσωση περιορισμένου ενεργού Sonar είναι: TSR=Ss,v+10logA, V όπου Α και V είναι η συνολική επιφάνεια αντήχησης ή έντασης αντίστοιχα, όπως ορίζεται από το διπλής κατεύθυνσης εύρος δέσμης του Sonar. Δηλαδή τα αποτελεσματικά εύρη ζώνης της προβολής του υδρόφωνου σε συνδυασμό του αζιμούθιου και της ανύψωσης. 40

41 Κεφάλαιο 5 ο Εξελίξεις Sonar 5.1 Ψηφιακή Επεξεργασία Σήματος Από τη δεκαετία του 1980 και έπειτα, δημιουργείται έτσι ένας νέος κλάδος της ηλεκτρονικής,ο κλάδος της Ψηφιακής Επεξεργασίας Σήματος. Ιδιαίτερα στη σύγχρονη εποχή, η τεχνολογία αυτή 41

42 χαρακτηρίζεται από διαρκή ανάπτυξη. Οι εφαρμογές της επεκτείνονται σε κάθε σύστημα μεταφοράς, αποθήκευσης και επεξεργασίας πληροφορίας, όπως συστήματα επεξεργασίας δεδομένων σε συσκευές καθορισμού στίγματος, σε συστήματα παρακολούθησης κινητών οχημάτων, πλοίων, ανθρώπων, σε ραδιοεντοπιστικές (radar) και ηχοεντοπιστικές συσκευές (sonar), σε συστήματα επεξεργασίας ήχου και εικόνας, στις τηλεπικοινωνίες και τα ασύρματα ή ενσύρματα δίκτυα μεταφοράς δεδομένων. Η ανάπτυξη του κλάδου της Ψηφιακής Επεξεργασίας Σήματος προήλθε από την επαναστατική πρόοδο που σημειώθηκε τόσο στην τεχνολογία των μικροεπεξεργαστών, όσο και στη δυνατότητα κατασκευής λογισμικού υψηλού επιπέδου για τον προγραμματισμό τους. Στην ψηφιακή τεχνολογία, κάθε σήμα προερχόμενο από οποιοδήποτε δέκτη συλλογής πληροφορίας, ηλεκτρομαγνητικής, ακουστικής ή οπτικής (εικόνα), μετατρέπεται σε μία 42

43 ακολουθία αριθμών, που ουσιαστικά αποτελούν δείγματα του λαμβανόμενου σήματος. Αφού έχουμε να κάνουμε με ακολουθίες αριθμών,είναι εφικτό να χρησιμοποιήσουμε περαιτέρω κατάλληλα διαμορφωμένα μαθηματικά λογικά μοντέλα, που εκτελούν την επιθυμητή επεξεργασία στους αριθμούς. Η μαθηματική λογική λοιπόν, αποδίδεται μέσω μίας εφαρμογής λογισμικού σε εκατομμύρια εντολών που εκτελούνται σχεδόν ταυτόχρονα και σε ελάχιστο χρόνο από συστήματα μικροεπεξεργαστών, με την τελικά επεξεργασμένη πληροφορία να αποθηκεύεται σε συναφούς τεχνολογίας ψηφιακά μέσα αποθήκευσης (ψηφιακή μνήμη). Τα μέσα αυτά διαθέτουν τεράστια χωρητικότητα αποθήκευσης δεδομένων, η οποία χωρητικότητα χαρακτηρίζεται και αυτή από διαρκή τάση περαιτέρω αύξησης.συνοπτικά, τα πλεονεκτήματα που απορρέουν από την εφαρμογή τεχνικών επεξεργασίας σήματος είναι τα παρακάτω: Απαλοιφή θορύβου αύξηση της αντοχής στα παράσιτα - θόρυβο 43

44 και κατ επέκταση αύξηση της εμβέλειας που είναι εκμεταλλεύσιμο ένα σήμα. Εντοπισμός και απομόνωση ιδιαιτέρων χαρακτηριστικών σήματος, δηλαδή αναγνώριση επιθυμητού σήματος μέσα από μία πληθώρα σημάτων. Συσχέτιση σήματος με τράπεζα δεδομένων και ένταξή του σε κατηγορία. Εκτέλεση με ψηφιακά φίλτρα, μεγάλης ακριβείας αυτόματης παρακολούθησης πλοίων, ταξινόμηση και εύρεση προτεραιότητας ως προς τον ελιγμό αποφυγής συγκρούσεως. Επιπλέον, βελτίωση της ακρίβειας του ίχνους και της τροχιάς των παραπλεόντων πλοίων. Βέλτιστη διαχείριση και επεξεργασία της πληροφορίας. Μείωση του κόστους του εξοπλισμού. Παρά τις συνεχείς εξελίξεις της τεχνολογίας, οι βασικές αρχές και ανάγκες της ναυσιπλοΐας παραμένουν διαχρονικά αναλλοίωτες και 44

45 συνoψίζονται στην αποφυγή προσάραξης, αποφυγή σύγκρουσης και αποφυγή ζημιών λόγω δυσμενών καιρικών συνθηκών. Οι μόνες αλλαγές που δημιουργούνται με τη πάροδο του χρόνου είναι ο εκσυγχρονισμός των χρησιμοποιούμενων μεθόδων και των διατιθέμενων μέσων για την επίτευξη των προαναφερθέντων βασικών σκοπών (αποφυγή προσάραξης, σύγκρουσης και ζημιών λόγω καιρικών συνθηκών). Για παράδειγμα αναφέρεται η συνήθης περίπτωση των μεθόδων της παραδοσιακής ναυσιπλοΐας για την αξιοποίηση ενός φανού του φαρικού δικτύου, του επαναλήπτη της γυροπυξίδας για τη μέτρηση της διόπτευσης, του παραδοσιακού ραντάρ με αναλογική οθόνη για τη μέτρηση της απόστασης, ενός παραδοσιακού έντυπου χάρτη και οργάνων σχεδίασης (μολύβι, γομολάστιχα, κουμπάσο, διπαράλληλο) για την υποτύπωση του στίγματος και η εν συνεχεία αξιολόγηση της ακριβείας του στίγματος αυτού. Η διαδικασία αυτή 45

46 απαιτεί ναυτιλιακή αντίληψη, εμπειρία και γνώσεις. Η ίδια ακριβώς διαδικασία σήμερα μπορεί να γίνει με άλλα ναυτιλιακά βοηθήματα και εργαλεία όπως: οι δορυφόροι του συστήματος GNSS (αντί του φαρικού δικτύου ), οι ηλεκτρονικοί ναυτιλιακοί χάρτες ENC s (αντί των έντυπων χαρτών) και το σύστημα ECDIS (αντί των οργάνων σχεδίασης). Ο εκσυγχρονισμός των μεθόδων ναυσιπλοΐας και η ανάπτυξη εξελιγμένων συστημάτων για την αυτοματοποίηση των εργασιών και διαδικασιών της παραδοσιακής ναυτιλίας για την προετοιμασία εκτέλεση και υποτύπωση του πλού, σε καμιά περίπτωση δεν μετατρέπει τον ρόλο του αξιωματικού φυλακής γέφυρας σε απλό χειριστή για την παρακολούθηση και καταγραφή της κατάστασης σε ένα πλήρως αυτοματοποιημένο σύστημα. Απεναντίας η χρησιμοποίηση αυτοματοποιημένων μεθόδων απαιτεί υψηλό βαθμό επαγγελματικής κατάρτισης, ετοιμότητας και εγρήγορσης για την επιλογή, την 46

47 αξιολόγηση και την κατάλληλη αξιοποίηση των απαραίτητων στοιχείων και πληροφοριών που διατίθενται από τα σύγχρονα ολοκληρωμένα συστήματα ναυτιλίας INS και ολοκληρωμένα συστήματα γέφυρας IBS. Η δυναμική εξέλιξη των ναυτιλιακών συστημάτων και των μονάδων που τα απαρτίζουν υλοποιείται σύμφωνα με διεθνή πρότυπα τυποποίησης για την εξασφάλιση της απαιτούμενης, ακρίβειας και διαλειτουργικότητας. Για τον σκοπό αυτό βρίσκονται σε εξέλιξη διάφορες ομάδες εργασίας και επιτροπές τόσο στον Διεθνή Ναυτιλιακό Οργανισμό (IMO), όσο και σε άλλους συναφείς διεθείς οργανισμούς, όπως ο Διεθνής Υδρογραφικός Οργανισμός (IHO) και η Διεθνής Ένωση Υπηρεσιών Ναυτιλιακών Βοηθημάτων και Φάρων (IALA). 47

48 Βιβλιογραφία Sonar_systems_and_underwater_signal_processing_cl assic_and_modern_approaches.pdf %BD%CE%B1%CF%81 Sonar for Practising Engineers, Second Edition, published and distributed by Thales Underwater Systems Limited (formerly named Thomson Marconi Sonar Limited), Ocean House,Templecombe, Somerset, BA8 ODH ( Development of an e-navigation Startegy IMO. Sub- Committee on safety of Navigation. NAV 54/13 28 March 2008 Ψύλλας Α. Ραδιοναυτιλιακά Βοηθήματα, Αθήνα 1961 Global Maritime Distress and Safety System, 3 rd edition IMO London

49 49