بخشی از مقاله
ناوبري در دریا با الگو گیري از سیستم بیو سونار دلفین
چکیده
سیستمهاي سونار ابزارهایی جهت ناوبري دریایی و یافتن موانع می باشند. همچنین سونارها میتوانند از حرکت و فاصله کوههـاییخ و محـل تجمـع ماهیها اطلاعاتی بدست دهند. به این منظور عمـدتا از امـواج صـوتی کـه در آب بهتـر از امـواج الکترومغنـاطیس منتشـر مـی شـوند اسـتفاده مـی شود.سیستمهاي سونار اولیه با الگو گیري از حیواناتی نظیر خفاش ها ساخته شده اند. امروزه مراکز تحقیقاتیبیو اکوستیک در کشورهاي صـنعتی در حال تقلید از سیستم بیولوژیکی سونار دلفینهاي پوزه بطري هستند که از قابلیتهاي بالایی برخوردارند. در ایـن مقالـه ضـمن معرفـی انـواع کلـی سیستمهایسونار و مشکلات مطرح در ارتباطات صوتی دریایی بخصوص در آبهاي کم عمق خلیج فارس، به تشریح خصوصیات بیـو آکوسـتیکیدلفین پرداخته شده است. در نهایت با الگو گیري از سیستم بیو سونار دلفین نوع پوزه بطري، ایده توسعه سیستمهاي سـوناري بـر پایـه سیسـتم سـوناري دلفین تشریح شده است و مزایاي بکار گیري آن در آبهاي سرزمینی کشور ما بیان گردیده است.
کلمات کلیدي: سونار،انتشار، امواج، صوت، نویز، فرکانس
مقدمه
سونار1یا ناوبري و تشخیص فاصله توسط صوت2 ، تکنولوژي است که با استفاده از انتشار صدا در زیر آب قادر به شناسایی دیگر ناوها یـا کشـتی هـا است . در انگلستان این تکنولوژي با نامĤسدیک3 شناخته شده است. در مورد تاریخچهسونار گفته می شود کـه در سـال 1906 ، اولـین سـونار غیـر فعال جهت شناسایی توده هاییخ توسط لوییس نیکسون اختراع گردید . در جنگ جهانی اول به علت نیاز به شناسایی اهداف دریایی تمایلات بـراي استفاده از سونار افزایشیافت . پاول دانکوین فرانسوي به همراه کنستانتین چلوسکی روس موفق به اختراع اولین سونار فعال در سال 1915 شـدند .
اگرچه مبدل هاي پیزوالکتریک نسبت به این سونار ترجیح داده شدند ، اما در جاي خود این نوع سونارها آینده روشنی را در علم رادار شناسـی بـاز کردند . در سال 1916 زیر نظر بخش تحقیقاتی و اختراعات ناوگان دریایی بریتانیا ، رابرت بویل ( فیزیکدان کانادایی) ، پروژه اي را بر عهده گرفت و با تشکیل کمیته تحقیقاتی تشخیص ضدزیر دریایی)4 یا زیردریایی )، موفق به ساخت نمونه آزمایشی شدند که بـا نـام مخفـف آسدیکشـناخته مـی شود.[1]
پس از جنگ جهانی دوم ناوگان آمریکا اقدام به تولید کشتی ها و زیر دریایی هاکرد و نام این سیستمهارا سونار نهاد. سونار فعال با ایجاد پالس هاي صوتی (معروف به پینگ) ، وسپس گوش دادن به پالس بازگشتی عمل میکند . براي تشخیص فاصله از هدف ، شخص می توانـد مـدت زمـان بـین دریافت و ارسال پالس را اندازه گیري کند. براي اندازه گیري جهت و راستاي هدف می توان از هیدروفونیک هاي متعدد استفاده کـرده ، و سـپس زمان دریافت پالس توسط هر یک از این هیدروفون ها را اندازه گرفت ، و با مقایسه این زمان ها به راحتی می توان جهت و راستاي هدف را تعیـین نمود.[2]
امروزه در مراکز تحقیقاتی کشورها ي صنعتی از سیستمهاي سوناري مبتنی بر دلفین ها الگو گیري شده است تا سیستمهاي جدید سوناري توسـعه یابد. به این منظور در این مقاله ما ضمن بررسی اجمالی اصول اساسی سیستمهاي سونار به تشریح خصوصیات سونار دلفین بخصـوص دلفـین نـوع پوزه بطري می پردازیم. در نهایت چنین نتیجه گیري شده است که با توسعه این سیستمها که با الگو گیري از سیستم سونار دلفین توسعه می یابد امکان بهبود عملکرد سیستمهاي سونار را در محیط هاي کم عمق نظیر خلیج فارس را می توان انتظار داشت.
ناوبری در دریا و اصول سیستمهای سونار
-1 انواع سیستمهای سونار :
ناوگان ها ی مدرن امروزی به طور گسترده از سونار استفاده می کنند. زمینه فعالیت های این رادار ها بسته به نوع موقعیت ناوها و زیردریایی ها تغییر می کند و بسته به نوع عملکرد در زمینه های مختلف با هم تفاوت می کنند. سیستمهای سونار از لحاظ چگونگی عملکرد به دو نوع کلی سونار اکتیو و سونار پسیو تقسیم بندی می شوند. سونارهای فعال شامل هم فرستنده می باشد و هم گیرنده که با ارسال سیگنال صوتی و دریافت اکو آن به کشف هدف می پردازد. عملکرد سونارهای فعال مشابه رادار می باشد به طوریکه پالس صوتی ارسال می شود سپس امواج صوتی در تمامی مسیرها شروع به حرکت می کنند. زمانی که این امواج به زمین برخورد میکنند امواج برخوردکننده در تمام جهات بازتابیده می شوند. بعضی از سیگنال های بازتابیده شده به سنسور سونار فعال می رسند. این سیگنال های بازتابیده شده تکنیسین های سونار را قادر می سازد تا به شناسایی پارامتر هایی از قبیل فرکانس سیگنال انرژی سیگنال رسیده شده عمق درجه حرارت آب و درنتیجه موقعیت هدف بپردازند. برای اینکه نوع سونار ساتع کننده انرژی شناسایی شود کافی است تا سیگنال صوتی ناشی از سونار با استفاده از فرکانس سیگنال های رسیده شده به سنسور گوش فرا دهیم شنود شود. در نتیجه با استفاده از انرژی دریافتی می توان موقعیت رادار را شناسایی کرد . سونارهای فعال قادر به شناسایی اهداف دریک فاصله معین می باشند اما این رادارها توسط شناساگرهای دیگر در فواصل چندین برابر فاصله شناسایی این سونارها قابل شناسایی هستند2]و.[3
در سونار های پسیو فرستنده وجود ندارد و تنها سیستمهای گیرنده وجود ندارد. بنابراین سیگنال و پالسی ارسال نمی شود و تنها عمل شنود انجام می شود . ازکاربردهای مهم این سونار می توان به عملیات جاسوسی که از این سونار بهره می برند اشاره کرد. سیستم های سونار غیر فعال دارای اطلاعات بسیار مفیدی برای رادار هستند. سیستم های کامپیوتری مکررا از اطلاعات پایه جهت تشخیص طبقه بندی کشتی ها، سرعت کشتی و نوع تجهیزات استفاده شده و حتی کشتی های خاص استفاده می کنند. البته باید داده های طبقه بندی شده مرتبا توسط ناوبر به روز می شود تا اشتباهی در دریافت اطلاعات رخ ندهد. اغلب نمایشگر های سیستمهای سونار غیر فعال دارای تصاویر دو بعدی هستند . محور افقی بیانگر فرکانس و محور عمودر بیانگر موقعیت رادار است. سونارهای فعال قادر به شناسایی اهداف دریک فاصله معین می باشند اما مشکل این است که این رادار توسط شناساگرهای دیگر در فواصل چندین برابر فاصله شناسایی این سونارها قابل شناسایی هستند . اهداف سونار رابطه کمی با محدوده ای که سونار در مرکز آن واقع شده است دارد . به طور نسبی بزرگی سیگنال دریافت شده از سونار ارسالی و نیز مسافت تا هدف وابسته است و سیگنالهای رسیده شده به سونار تنها مقدار کمی از اندازه سیگنال های ارسالی را به خود اختصاص می دهند.[3]
-2معادلات سونار اساس کار سونار بر اساس ارسال و دریافت اکوهای برگشتی و تحلیل و پردازش آنهاست. برای کشف و آشکار سازی هدف باید شدت سیگنال
دریافتی از سطح آستانه و نویز بیشتر باشد. از طرفی خود سیگنال نیز در محیط آب دچار تضعیف می شوند.بنابر این معادله سونار در مقیاس لگاریتمی و به شکل زیر بیان می شود.
اگر سونار اکتیو باشد داریم:
(1) DT=EL-NR
(2) EL=SL-2TL+TS
(3) NR=NL-DI
(4) DT=SL-2TL+TS-(NL-DI)
که DT میزان سطح آستانه، SL میزان شدت منبع منتشر کننده، TL میزان تلفات محیط،TS میزان قدرت انعکاس هدف، NL میزان نویز محیط و DI گین آنتن می باشد. در حالت پسیو، یک مسیر اتلاف وجود دارد بنابراین معادله سونار پسیو به شکل زیر می باشد.
(5) EL=SL-TL
(6) DT=SL-TL-(NL-DI)
شدت سیگنالهای دریافتی نقش مهمی در آشکار سازی و استخرا پارامترهای هدف دارد بنابراین میزان تلفات و نویز محیط بسیار مهم است .[4] شکل (1) منابع مهم نویز در دریا را نشان می دهد.
2
شکل (1) منابع نویز در دریا
تلفات شامل دو بخش تلفات جذب و تلفات پخش می باشد که تعیین کننده میزان تلفات صوت در محیط آبی می باشد و میزان فاصله از منبع صوتی نقش تعیین کننده ای در شدت تلفات دارد. در فواصل محدود از منبع تلفات پخش به صورت کره ای فرض می شود که با افزایش شعاع کره، تلفات بیشتر می شود. تلفات جذب نیز با توجه به شرایط محیطی و خواص آب و همچنین فرکانس انتشار صوت، با ضریب α مدل می شود. بنابراین کل تلفات به شکل زیر مدل می شود. ممکن است تلفات بی قائده ای نیز بوجود آید که در ترم A لحاظ می گردد.
TL = 20 log R + α R + A (7)
که ترم R نیز بیانگر میزان فاصله از منبع منتشر کننده صوتی می باشد. البته این فرمول تلفات را در حالت سیستم اکتیو بیان می کند و در حالت پسیو باید توجه داشت که یک مسیر تلفات داریم.[5]
-3سرعت صوت :
عملکرد سونار وابسته به سرعت صوت می باشد . داده های کسب شده توسط سونار فعال با اندازه گیری صوت مشخص شده ، برای یک پریود زمانی کوچک پس از ارسال پینگ ، بدست می آید . مسافتی که پالس تا کف دریا یا هر جسمی کـه دارای خاصـیت بازتـابش آکوسـتیکی ( acoustic (reflection است می تواند با اندازه گیری زمان سپری شده بین ارسال پالس و تشخیص هدف انجام می گیرد .سرعت صوت در آب های شـیرین آهسته تر از سرعت صوت در آب دریا می باشد . در تمامی آب ها سرعت صوت وابسته به چگالی آب مـی باشـد . چگـالی وابسـته بـه پارامترهـایی نظیردما واملاح آب ( معمولا میزان شوری آب ) و فشار میباشد . سرعت صوت به طور تقریبی برابراست با :
temperature (in °F) + 0.0182 × depth ( in feet) + salinity ( in parts-per-thousand) (8)
که از رابطه بالا جهت فرآیندهایی از قبیل تغلیظ آب و تعیین عمق آب استفاده می شود . دمای آب متناسب با عمق آب از سطح دریـا تغییـر مـی کند . اما در عمق 30 تا 100 متری از سطح دریا شاهد تغییرات قابل توجهی هستیم . که به این محدوده دمـا شـیب (themocline ) گفتـه مـی شود که حد واسطی بین آب گرم تر و آب سردتر است که امواج صدا در این ناحیه طوری خم می شوند که زیر دریایی ها می توانند با پنهـان شـن در زیر این ناحیه از آشکارشدن بگریزند.[2]
شکل (2) سرعت صوت در دریا
