Gracias por el A2A.
Hay 2 respuestas a esta pregunta, dependiendo de si estamos hablando de sonar activo o pasivo .
Me limitaré a sonar activo por ahora (si tengo suficiente interés volveré y agregaré información sobre pasivo, espero que sí, porque hay algunas historias geniales relacionadas con el mundo real). Cuando la mayoría de la gente piensa en un sonar, piensan en el clásico ‘ping’. Esta fue la primera forma de sonar activo y toma la forma de un pulso de sonido, con una frecuencia, [matemática] f [/ matemática] y una longitud de pulso [matemática] \ tau [/ matemática]. Convencionalmente transmitimos el pulso, esperamos que vuelvan los ecos e los interpretamos como reflejos de los objetos dentro de la columna de agua. Este enfoque relativamente simple tiene muchas ventajas:
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- No necesitamos hacer ningún procesamiento digital en la parte posterior del sistema. Podemos usar un hidrófono simple, normalmente conectado a un amplificador, como entrada a algo así como una impresora térmica y usar el voltaje analógico para mapear directamente a una ‘oscuridad’ en el papel. Las principales ventajas de este enfoque son la reducción de costos y complejidad.
- Si queremos avanzar un poco más, incluso podemos hacer algo de formación de haz (en el que combinamos la salida de múltiples hidrófonos para formar un “haz” de sonido mucho más estrecho, también podemos usar interferencia constructiva y destructiva de múltiples hidrófonos para “dirigir” ‘nuestra dirección de escucha en una dirección particular), si solo estamos usando una frecuencia única, entonces podemos dirigir los haces simplemente agregando retrasos de tiempo a las señales de los hidrófonos, usando algo así como una línea de retardo girada.
- Debido a que estamos usando una sola frecuencia, es bastante fácil implementar un filtro frontal analógico en el extremo frontal para rechazar el ruido fuera de banda
- Si no nos importa escuchar otra cosa que no sea una sola frecuencia, entonces podemos construir nuestros transductores de una manera relativamente simple y tenerlos bien sintonizados a nuestra frecuencia, algo así como un transductor ‘tonpilz’
Sin embargo, como sucede con todas las cosas del sonar, inevitablemente hay compromisos. Varias desventajas de un sonar de banda estrecha son:
- Pobre rendimiento de reverberación; Una de las principales fuentes de degradación de la señal en los sonares activos es la reverberación. El nivel de reverberación está determinado principalmente por la longitud del pulso de la señal y es proporcional. Para mantener los niveles de reverberación aceptables, necesitamos un pulso corto, sin embargo, a medida que reducimos la longitud del pulso, reducimos la cantidad de energía que transmitimos y, por lo tanto, degradamos nuestro rendimiento frente a objetivos más difíciles de detectar.
- Limitaciones a la transmisión de energía; podemos aumentar la energía en el agua simplemente “subiendo el volumen”. Desafortunadamente, en un punto dado nos encontramos con algunas restricciones físicas fundamentales. Después de una cierta densidad de potencia (relativamente baja), llegamos a una situación en la que el agua en la cara del transductor comienza a cavitar, lo que en el mejor de los casos conduce a un rendimiento degradado y, en el peor, a la destrucción del transductor.
- Falta de diversidad espectral; En un sistema de banda estrecha, si el adversario es consciente de la frecuencia de funcionamiento, es relativamente trivial diseñar un revestimiento o revestimiento para absorber esa frecuencia y hacerse invisible.
- Doppler en sistemas de banda estrecha existe una restricción fundamental de que el producto del ancho de banda del sistema y la longitud del pulso es la unidad, es decir, [matemática] B \ tau = 1 [/ matemática]. Esto pone un límite en el rango de velocidades del objetivo que podemos detectar mientras mantenemos el rendimiento de reverberación y transmitimos energía. Además, requiere una ‘muesca’ más amplia en nuestro paso de banda, admitiendo ruido.
Para objetivos que no son particularmente difíciles de detectar, los sonares de banda estrecha pueden ser una buena solución. Son relativamente sencillos y confiables. Sin embargo, para objetivos más difíciles, se requiere un enfoque más avanzado, es decir, sonar de banda ancha (también conocido como banda ancha).
En un sonar de banda ancha, continuamos transmitiendo pulsos, sin embargo, en este caso, en lugar de un solo tono, transmitimos una señal de ancho de banda más amplio, por ejemplo, un tono barrido o un ‘chirrido’.
Este enfoque tiene una serie de ventajas significativas .
- Reverberación de rendimiento; en el caso de un sistema de banda ancha, la reverberación no está determinada por la longitud del pulso, sino por el recíproco del ancho de banda. Esto significa que a medida que aumentamos el ancho de banda, en realidad disminuimos la reverberación. El aumento del ancho de banda también tiene otros efectos útiles.
- No unidad [matemáticas] B \ tau [/ matemáticas]; a diferencia de un sistema de banda estrecha, no estamos limitados a que el ancho de banda sea el recíproco de la longitud del pulso, esto significa que si queremos aumentar la cantidad de energía en el agua, simplemente podemos transmitir por más tiempo sin penalización por reverberación
- Ganancia de procesamiento; Aquí es donde realmente comenzamos a cosechar recompensas de los sistemas de banda ancha. Si procesamos nuestras señales recibidas utilizando un proceso de filtro coincidente, podemos generar una ganancia de [math] 10log_ {10} B \ tau [/ math] ‘gratis’. Esto es muy poderoso.
Una vez más, sin embargo, los dioses del sonar son caprichosos; lo que dan con una mano, lo toman con la otra.
- Complejidad. Uno de los trucos estándar si digitalizamos nuestras señales de sonda es mezclar la señal recibida con la portadora (directamente análoga al heterodino en la radio). Esto significa que podemos reducir significativamente la frecuencia de muestreo requerida y aún así cumplir con los requisitos de Nyquist para evitar el aliasing. En el caso de un sonar de banda ancha, todavía podemos hacer el mismo truco, pero, para mantener los requisitos de Nyquist, debemos muestrear al doble del ancho de banda (que simplemente ‘aumentamos’ para obtener un mejor rendimiento de reverberación y ganancia de procesamiento) utilizar muestreo en fase y en cuadratura. En cualquier caso, esto implica un rendimiento mucho mayor de A2D y hardware de procesamiento.
- La formación de haces ya no se puede lograr con simples retrasos de tiempo; Debido a que estamos utilizando diferentes longitudes de onda en la señal, para realizar interferencias constructivas y destructivas, la señal debe retrasarse en una cantidad diferente dependiendo de la frecuencia.
- Las matrices se vuelven más complejas; Debido a que ya no solo buscamos un solo tono, nuestros transmisores y receptores ahora deben operar en un ancho de banda más amplio, idealmente plano en amplitud y fase. Esto es duro. Por lo general, requiere el uso de meta materiales compuestos, estos son caros y difíciles de diseñar y fabricar.
Entonces, en resumen, el sonar activo de banda ancha utiliza una transmisión de ancho de banda más amplio que la banda estrecha, brinda enormes ventajas de rendimiento (incluso más de lo que he enumerado aquí) pero tiene un costo no insignificante.
