Qual é a diferença entre banda larga e sonar de banda estreita?

Observações para o A2A.

Existem 2 respostas para esta pergunta, dependendo se estamos falando de sonar ativo ou passivo.

Eu me restrinjo ao sonar ativo por enquanto (se eu tiver interesse suficiente I'vou voltar e adicionar informações sobre passivo, espero que sim, porque existem algumas grandes histórias do mundo real associadas a ele). Quando a maioria das pessoas pensa em um sonar, elas pensam no clássico 'ping'. Esta foi a primeira forma de sonar ativo e toma a forma de um pulso de som, com uma freqüência, [matemática]f[/math] e um comprimento de pulso [matemática]\tau[/math]. Convencionalmente transmitimos o pulso, esperamos que os ecos voltem e os interpretamos como reflexos de objetos dentro da coluna de água. Esta abordagem relativamente simples tem muitas vantagens:

• Não necessitamos de fazer qualquer processamento digital na parte de trás do sistema. Podemos usar um hidrofone simples, normalmente conectado a um amplificador, como entrada para algo como uma impressora térmica e usar a voltagem analógica para mapear diretamente para uma 'escuridão' no papel. As principais vantagens desta abordagem são o custo reduzido e a complexidade.

• Se quisermos ficar um pouco mais avançados podemos até fazer alguma formação de feixe (no qual combinamos a saída de vários hidrofones para formar um 'feixe' de som muito mais estreito, podemos também usar a interferência construtiva e destrutiva de vários hidrofones para 'dirigir' a nossa direcção de escuta numa determinada direcção), se estamos apenas a usar uma única frequência então podemos dirigir os feixes simplesmente adicionando atrasos de tempo aos sinais dos hidrofones, usando algo como uma linha de atraso com fita adesiva.

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• Li>Porque estamos usando apenas uma única frequência it'é bastante fácil de implementar um filtro frontal analógico no front-end para rejeitar ruídos fora da banda

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• Se nós não'não nos importamos em escutar nada além de uma única frequência então podemos construir nossos transdutores de uma maneira relativamente simples e tê-los bem 'sintonizados' em nossa frequência, algo como um transdutor 'tonpilz'

Como com todas as coisas sonar, no entanto, há, inevitavelmente, compromissos. Várias desvantagens de um sonar de banda estreita são:

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• Pobre performance de reverberação; uma das principais fontes de degradação de sinal em sonares ativos é a da reverberação. O nível de reverberação é determinado principalmente pelo comprimento do pulso do sinal e é proporcional. A fim de manter os níveis de reverberação aceitáveis, precisamos de um pulso curto, no entanto, à medida que reduzimos o comprimento do pulso, reduzimos a quantidade de energia que transmitimos e, portanto, degradamos nosso desempenho em relação a alvos mais difíceis de detectar.>li>Limitações à transmissão de energia; podemos aumentar a energia na água simplesmente 'aumentando o volume'. Infelizmente, num dado momento, deparamo-nos com algumas restrições físicas fundamentais. Após uma certa (relativamente baixa) densidade de potência, chegamos a uma situação em que a água na face do transdutor começa a cavitar, na melhor das hipóteses levando a um desempenho degradado e, na pior das hipóteses, destruindo o transdutor>li> Falta de diversidade espectral; num sistema de banda estreita, se o adversário está ciente da frequência de operação então é relativamente trivial desenhar um revestimento ou revestimento para absorver essa frequência e se tornar invisível.>li>Doppler; em sistemas de banda estreita há uma restrição fundamental de que o produto da largura de banda e comprimento de pulso do sistema é unidade, ou seja [matemática]B\tau = 1[/math]. Isto coloca um limite na faixa de velocidades do alvo que podemos detectar, mantendo o desempenho de reverberação e transmissão de energia. Além disso, requer um 'entalhe' mais largo em nossa passagem de banda, admitindo ruídos.

Para alvos que não são particularmente difíceis de detectar, os sonares de banda estreita podem ser uma boa solução. Eles são relativamente descomplicados e confiáveis. Para alvos mais difíceis, porém, é necessária uma abordagem mais avançada, ou seja, sonar banda larga (também conhecido como banda larga).

Num sonar banda larga, continuamos a transmitir impulsos, porém, neste caso, em vez de um único tom, transmitimos um sinal de maior largura de banda, por exemplo, um tom varrido ou um 'chirp'.

Esta abordagem tem uma série de vantagens significativas.

>ul> Desempenho de reverberação; no caso de um sistema de banda larga a reverberação não é determinada pelo comprimento do pulso, mas pelo recíproco da largura de banda. Isto significa que à medida que aumentamos a largura de banda, na verdade, diminuímos a reverberação. O aumento da largura de banda também tem uma série de outros efeitos úteis.li>li>Non-unity [matemática]B\tau[/math]; ao contrário de um sistema de banda estreita, não estamos restritos a que a largura de banda seja o recíproco do comprimento do pulso, isto significa que se quisermos aumentar a quantidade de energia na água podemos simplesmente transmitir por mais tempo sem penalidade de reverberaçãoli> ganho de processamento; é aqui que realmente começamos a colher recompensas dos sistemas de banda larga. Se processarmos nossos sinais recebidos usando um processo de filtragem correspondente podemos gerar um ganho de [matemática]10log_{10}B\tau[/math] 'de graça'. Isto é extremamente poderoso.

Once novamente, no entanto, os deuses do sonar são caprichosos; o que eles dão com uma mão, eles tomam com a outra.

• Complexidade. Um dos truques padrão se digitalizarmos nossos sinais de sonar é misturar o sinal recebido com a portadora (diretamente análogo à heterodinâmica no rádio). Isto significa que podemos reduzir significativamente a taxa de amostragem necessária e ainda cumprir os requisitos do Nyquist para evitar o aliasing. No caso de um sonar de banda larga, ainda podemos fazer o mesmo truque, mas, para manter os requisitos Nyquist, temos de recolher amostras com o dobro da largura de banda (que acabamos de "aumentar" para obter melhor desempenho de reverberação e ganho de processamento) da amostragem em fase e em quadratura de uso. Em ambos os casos isto implica um desempenho muito superior A2D e hardware de processamento.
• A formação de feixe não pode mais ser alcançada por simples atrasos de tempo; porque estamos utilizando comprimentos de onda diferentes no sinal, a fim de realizar interferências construtivas e destrutivas o sinal deve ser atrasado por uma quantidade diferente dependendo da freqüência.
• Arrays se tornam mais complexos; porque não estamos mais procurando por um único tom nossos transmissores e receptores devem agora operar sobre uma largura de banda mais ampla, idealmente plana em amplitude e fase. Isto é difícil. Geralmente requer o uso de meta materiais compostos, estes são caros e difíceis de projetar e fabricar.

Então, em resumo, o sonar ativo de banda larga usa uma transmissão de maior largura de banda que banda estreita, ele fornece enormes vantagens de desempenho (até mais do que eu tenho listado aqui) mas vem com um custo não insignificante.