Projector Arrays and Beam Forming [PDF]

Citation preview

Summary of Sonar Concept, Projectors & Hydrophones, and Beamforming



Disusun Oleh: Lulu Larasati



03311740000024



Mata Kuliah: Penginderaan Dasar Laut A



Dosen: Khomsin, ST, MT Cherie Bhekti Pribadi, ST, MT



Departemen Teknik Geomatika FTSPK ITS Surabaya SONAR CONCEPT The Physics Sound in Water Suara bergerak di air dalam serangkaian bidang tekanan yang dikenal sebagai compressional wave atau gelombang kompresi. Tekanan yang diberikan gelombang ini bergerak(merambat) pada kecepatan tertentu di air, atau juga disebut sebagai kecepatan suara lokal. Kecepatan suara ini dapat berubah tergantung karakteristik air, yaitu salinitas, tekanan, dan suhu, namun juga bergantung terhadap karakteristik gelombang suara itu sendiri.



Gambar 1. Longitudinal Waves



Jarak antara bidang tekanan dalam gelombang suara yang bepergian merupakan sebuah panjang gelombang. Sedangkan, jumlah tekanan yang melewati titik stasioner dalam



air per unit waktu adalah frekuensi gelombang. Hubungan dari panjang gelombang dengan frekuensi gelombang didapatkan kecepatan suara. Kecepatan suara (m/s) = Frekuensi (Hz) x Panjang Gelombang (m) Gelombang suara membawa sejumlah energi akustik. Energi ini dapat diukur dengan menggunakan hydrophone. Energi dari gelombang suara per unit (power) bernilai setara dengan kuadrat amplitudonya.



Gambar 2. Komponen dari Gelombang Suara



Saat gelombang suara merambat, ia akan kehilangan sebagian energi akustiknya. Hal ini terjadi karena transfer perbedaan tekanan antara molekul air tidak 100% efisien hilang sebagai panas yang dihasilkan. Energi yang hilang tersebut disebut attenuated, dimana nilai amplitudonya juga berkurang. Meskipun energi akustik merambat dengan baik di air, energi tersebut masih akan terganggu oleh perubahan mendadak dari medium lain seperti batu atau pasir. Jumlah energi yang ditransmisikan bergantung pada sejumlah faktor, impedansi dari materialnya (densitas serta kecepatan suaranya), besar pancaran sudutnya, dan tingkat kekasaran dari permukaan medium. Seberapa banyak energi yang berhasil direfleksikan dan yang terhambur tergantung pada karakteristik material dan sudut pancaran. Energi yang kembali ke air, atau tidak diteruskan ke medium baru disebut dengan echo. Echo mempertahankan karakteristik frekuensi dari gelombang awal.



Gambar 3. Komponen peristiwa Echo di dasar laut



The Principle of Sonar Sonar merupakan perangkat untuk deteksi jarak jauh serta untuk menemukan lokasi objek dalam air dengan menggunakan gelombang suara. Terdapat dua tipe sonar, yaitu a. Passive sonars, pada dasarnya merupakan perangkat yang merekam suara yang dipancarkan di dalam air. Perangkat ini digunakan untuk mendeteksi gempa bumi, kapal, kapal selam, serta makhluk laut, atau apapun yang memancarkan suara sendiri. b. Acitve sonars, adalah perangkat yang menghasilkan gelombang suara dengan frekuensi yang terkontrol dan spesifik, serta mendengarkan echo dari suara yang dipancarkan dari objek jarak jauh di dalam air. Dalam mengukur kedalaman laut, digunakan sonar tipe aktif.



Gambar 4. Sonar pasif dan aktif



Echo sounder mengukur kedalam dengan menghasilkan gelombang akustik yang kemudian dipantulkan dari dasar air. Waktu tempuh saat gelombang ditransmisikan dan kembali dipantulkan adalah waktu yang dibutuhkan gelombang suara untuk dihasilkan nilai kedalaman. Jarak = (1/2) x kecepatan x waktu



Gambar 5. Pengukuran kedalaman



Untuk menghasilkan gelombang suara, echo sounder menggunakan sebuah projector. Bathymetric sonars membutuhkan projector yang mampu memproduksi gelombang akustik secara berulang dengan presisi dan dapat dikontrol. Digunakan proyektor yang terbuat dari keramik piezo-electric, yaitu bahan yang mengubah ukurannya dengan teliti saat diberikan tegangan. Sebuauh echo sounder dapat menggunakan tegangan tertentu --yang membuat proyektor dengan piezo-electrics mentransmisikan sebuah gelombang tekan dengan frekuensi tertentu ke dalam air.



Gambar 6. Echo sounder dalam pengukuran



Gelombang suara yang dihasilkan di air, melebar membentuk bola dari sumbernya, dimana energi menjelajah ke semua arah. Saat gelombang ini meluas, energinya menyebar ke area yang semakin luas menyebabkan penurunan energi per unit area. Penurunan ini dikenal sebagai spreading loss. Pada gelombang tersebut juga terjadi atenuasi atau absorption loss. Hal ini juga dikenal sebagai transmission loss. Besar nilai yang hilang saat transmisi bergantung pada jarak tempuh, dimana semakin jauh jarak maka semakin lemah gelombangnya. Besar nilai energi yang ditransmisikan ke dasar laut tergantung pada material dari dasar laut tersbut, pasir dan lumpur mampu menerima energi dengan mudah, dimana batu dan logam menerima sedikit energi akustik. Fraksi energi per unit area yang diarahkan kembali kea rah proyektor disebut sebagai backscattering atau hambur balik bagian dasar laut.



Gambar 7. Pancaran dan pantulan gelombang



Setelah gelombang dipantulkan, gelombang suara dapat bertahan lebih lama, yang kemudian dideteksi dengan menggunakan hydrophone. Hydrophone bekerja secara terbalik dari projectors. Hyrdophoone mengubah gelombang suara menjadi sebuah listrik. Hydrophone dan projectors dalam sistem sonar biasanya terletak pada satu perangkat, yang dikenal sebagai transduser



Gambar 8. Komponen transduser



The Sonar Equation Semua faktor yang berperan dalam proses pancaran gelombang akustik dituliskan menjadi Sonar Equation, yang menampilkan dengan apa yang dikenal sebagai Signal Excess (SE), yakni SE= SL -2TL + BS – NL + TA Dimana,



SE= Signal Excess SL= Transmitted Source Level TL = Transmission Loss BS= Backscattering Strength NL= Noise Level TA= Target Area Persamaan sonar ini dapat dirumuskan secara berbeda, dimana persamaan ini merepresentasikan faktor-faktor yang berpendaruh dalam echo sounding dan bagaimana mereka terhubung satu sama lain. Gambar di bawah ini menjelaskan mengenai bagimana gelombang ditransmisikan dari proyektor ke dasar laut dan kembali lagi ke hydrophone, serta bagaimana setiap elemen ikut berperan.



Gambar 9. Jalannya gelombang



A Single-Beam Depth-Sounder Kegunaan dari single beam echosounder adalah agar dilakukannya pengukuran secara satu persatu dari dasar laut di banyak lokasi. Single beam depth sounder diatur untuk melakukan pengukuran dari kapal saat sedang bergerak. Sistem dari single bea, depth sounder ini berisi empat komponen, yaitu: transmitter, transducer, receiver, dan sebuah control serta display sistem.



Gambar 10. Komponen dari Single Beam Depth Sounder



Komponen ini digambarkan secara skematik melalui gambar 10. Untuk mengumpulkan seluruh pengukuran kedalaman saat kapal melakukan perjalanan, pengoperasian single beam depth sounder berkerja secara kontinu yang disebut dengan siklus ping.



Gambar 11. Perbedaan single beam dan swath multibeam



Why Multibeam? The Limitations of a SingleBeam Depth Sounder



Gambar 12. Perbedaan hasil pada tiap pengukuran



Dalam survey batimetri, sonar digunakan untuk mengukur lokasi kedalaman, di titik yang letaknya tepat di bawah kapal. Dengan menggunakan single beam echosounder, kita mengasumsikan bahwa pantulan pertama menunjukkan dasar laut yang tepat berada di bawah kapal. Pada gambar 13, digambarkan survey yang dilakukan pada dasar laut yang tidak teratur, dimana dasar laut yang paling dekat dengan kapal berada di belakangnya, bukan di bawah kapal tersebut. Karena itu, tidak mungkin operator kapal mengetahui bahwa pantulan pertama yang diterima bukanlah tepat berada di bawah kapal. Hal ini akan mempengaruhi keakuratan dari nilai kedalaman lokasi tersebut.



Gambar 13. Survey yang dilakukan pada dasar laut tidak beraturan



Gambar 14. Menggunakan narrow-beam echosounder pada dasar laut yang tidak beraturan



Pada gambar 14, dapat dilihat bahwa echo sounder yang menggunakan narrow-beam dapat menghasilkan hasil yang lebih akurat dalam pengukuran kedalaman. Bagaimanapun, penggunaan narrow-beam tidak sepenuhnya menyelesaikan permasalahan. Karena transduser dipasang di lambung kapal, sehingga mudah terpengaruh oleh pergerakan gelombang, sehingga bersifat tidak stabil seperti yang ditampilkan pada gambar 15. Kemudian, alat yang dibuat dengan pancaran lebih sempit, maka harus menggunakan transduser berukuran besar.



Gambar 15. Efek pergerakan gelombang pada beam yang tidak stabil



Survey Speed Agar hemat biaya, survey batimetri harus diselesaikan dalam waktu yang singkat. Untuk dapat dilakukan dengan sesuai, survey harus dilakukan dengan kapal survey khusus, yang memiliki harga yang mahal. Sebuah kapal survey harus dapat bertahan dari cuaca laut yang buruk dengan staff yang menjalankannya selama berhari-hari. Dalam survey batimetri, waktu bernilai setara dengan uang. Sedangkan, single beam echo sounder bukanlah alat dengan efisiensi waktu karena hanya menghasilkan satu ukuran kedalaman dalam satu waktu. Apabila kita menggunakan narrow beam echosounder dalam pengukuran, hasil yang didapatkan akan lebih teliti namun dibutuhkan waktu yang sangat lama. Pengukuran dapat berlangsung dengan cepat apabila menggunakan wide-beam echosounder, namun didapatkan hasil dengan resolusi rendah.



Gambar 16. Lajur pengukuran dari singlebeam echosounder



The Multibeam Solution Sonar multibeam adalah sebuah instrumen yang mampu memetakan lebih dari satu lokasi hanya dengan sekali pancaran dengan resolusi tinggi dibandingkan echosounder konvensional lainnya. Lebih mudahnya, narrow-beam echo sounder digunakan secara bersamaan pada lokasi yang berbeda. Lokasinya diatur sehingga dapat dipetakan area yang berdekatan di dasar laut. Area ini dikenal sebagai swath, yang diga,barkan pada gambar 8. Multibeam dapat memetakan seluruh area swath dalam waktu yang bersamaan pada saat pantulan sinyal terjauh dari single beam echosounder diterima. Oleh karena itu, multibeam echosounder banyak digunakan sebagai pilihan dalam sebagian besar pemetaan, terutama pada wilayah dengan biaya penyewaan kapal yang tinggi.



Gambar 17. Multibeam sonar swath



PROJECTOR, HYDROPHONE SYSTEMS, AND BEAMFORMING



Projector Arrays and Beam Forming Ping dari sebuah singlebeam echosounder merambat secara melingkar dengan amplitude yang sama di dalam air, energi akustiknya tersebar secara merata ke segala arah. Penyebaran secara simetris ini dikenal dengan ekspansi isotropik, yang dihasilkan oleh proyektor yang disebut sebagai sumber isotropic. Sebuah proyektor isotropic tidak ideal digunakan dalam pengukuran kedalaman, hal ini dikarenakan: 1. Sinyal dipancarkan ke dasar laut menuju segala arah. Namun, arah pantulannya tidak dapat ditentukan, sehingga tidak ada informasi rinci letak dasar laut yang diukur menggunakan sinyal pantulan yang mana. 2. Kekuatan sinyal yang dipancarkan merambat ke segala arah, sehingga terlalu banyak pantulan yang diterima, namun data tersebut tidak dibutuhkan.



Gambar 18. Ekspansi Isotropik



Namun, pada susunan proyektor dapat digunakan untuk mentransmisikan gelombang non-isotropik atau gelombang suara yang amplitudonya bervariasi sebagai fungsi lokasi sudut (angular location) yang masih menyebar secara melingkar. Sinyal yang terarah dapat digunakan untuk mengetahui area tertentu di dasar laut. Perbedaan ini kemudian dapat ditemukan pada dasar laut, sehingga dapat dihasilkan informasi yang lebih rinci.



Gambar 19. Interfernsi Konstruktif dan Destruktif



Dua proyektor bersebelahan yang saling memancarkan gelombang isotropik akan tumpeng tindih dan menggangu sinyal satu sama lain. Terdapat dua jenis interferensi akibat tumpeng tindih ini, yaitu interferensi secara konstruktif dan destruktif.



1. Interferensi konstruktif, dimana puncak dan palung bertepatan dengan puncak dan palung lainnya, dimana akan tereleminasi puncak dan palung yang sifatnya lemah. Pada interferensi konstruktif, jarak ke setiap proyektor sama, atau perbedaan antara dua jarak sama nilainya dengan panjang gelombang. 2. Interferensi destruktif, dimana puncak yang bertepatan dengan palung akan secara efektif membatalkan satu sama lain. Pada interferensi deduktif, perbedaan jarak ke proyektor adalah setengah panjang gelombang Jika sebuah hidrofon diletakkan pada posisi interferensi konstruktif, maka sebuah gelombang gabungan akan diukur dengan amplitude bernilai dua kali dari sinyal yang dipancarkan oleh masing-masing proyektor secara terpisah. Pada posisi interferensi deduktif, tidak akan ada yang diukur. Pada gambar 20, dua buah proyektor p1 dan p2 dipisahkan oleh jarak d (element spacing). Pertimbangkan titik yang terletak pada R1 dari P1 dan R2 dari P2, maka R1 dan R2 bernilai sama. Setiap titik di sepanjgang garis ini akan menngalam interferensi konstruktif.



Gambar 20. Posisi Interferensi Konstruktif



Dua buah proyektor akan mentransmisikan energi gelombang suara tertinggi pada arah θ 0 = 0, 180 dan tidak ada suara sama sekali pada arah θ 0 = 90, 270. Emisi dari system ini dapat diukur dengan mikrofon yang terletak pada sudut yang berbeda di sekitarnya. Pada sudut 0 dan 180, akan mengukur nilai amplitude maksimum, sementara pada sudut 90 dan 270, tidak akan ada yang diukur. Pada sudut diantaranya, ada campuran dari interferensi konstruktif dan deduktif yang mengarah ke nilai amplitudo menengah.



Gambar 21. Arah interfernsi konstruktif dan destruktif pada dua proyektor.



Dengan memposisikan hidrofon pada radius yang telah ditentukan, serta pada banyak sudut berbeda di sekitar susunan proyektor, maka dapat direkam amplitudo suara yang dipancarkan ke arah yang berbeda. Gambar 22 adalah sebuah plot kutub, dimana amplitude diukur sepanjang garis radial dari pusat. Plot amplitude, yang dikenal sebagai pola berkas, atau pola susunan. Dimana, dengan jelas menunjukkan bahwa sebagian besar energi yang dipancarkan oleh dua susunan proyektor merambat tegak lurus terhadap sumbu pemisahan proyektor.



Gambar 22. Pola sinar pada dua buah hidrofon



Kita perlu mengingat bahwa proyektor bekerja dalam lingkungan tiga dimensi. Untuk dapat menggambarkan pola sinar dari dua susunan proyektor, maka plot pada gambar 22 harus diputar di sekitar sumbu pemisah proyektor yang simetris. (Gambar 23). Hal ini karena gambar tiga dimensi dari pola balok sulit ditafsirkan, pola biasanya digambar dalam dua dimensi. Untuk pola balok dengan sumbu simetri, gambar dua dimensi memberikan deskripsi lengkap. Pola yang lebih kompleks yang tidak simetris tentang sumbu biasanya diwakili oleh beberapa gambar yang menunjukkan penampang pola pada sudut yang berbeda.



Gambar 23. Bentuk 3D pola sinar untuk dua buah proyektor



Susunan proyektor nyata umumnya memiliki lebih dari dua elemen proyektor dan memiliki pola sinar yang kompleks. Satu konfigurasi yang umum adalah perpanjangan sederhana dari dua susun proyektor atau pengaturan proyektor dalam garis lurus yang disebut susnan garis. Pola balok array garis multi-elemen digambarkan pada Gambar 24. Meskipun matematika terperinci diperlukan untuk menghitung pola ini, pada dasarnya ini hanyalah perpanjangan dari alasan yang digunakan untuk menemukan pola array dua proyektor. Pola balok kompleks ini dapat digunakan untuk menunjukkan fitur dari semua pola tersebut. Sebagian besar energi dalam pola balok larik garis disebut lobus utama. Arah proyeksi dari energi puncak (pusat lobus utama) disebut dengan sumbu respons maksimum dari pola balok. Lebar atau sudut solid sinar dari lobe utama, yang merupakan ukuran dari directivity pola, adalah dua kali sudut dari sumbu ke setengah titik daya pada pola - sudut di mana daya yang diproyeksikan persis setengah dari sumbu .



Gambar 24. Pola sinar dari beberapa elemen susun garis



Lobus utama dari pola larik garis lebih sempit daripada pola larik dua proyektor. Secara umum, semakin besar susunan atau sistem proyektor dalam dimensi, semakin sempit lobus utama yang diproyeksikan ke arah tegak lurus. Perkiraan pertama yang baik untuk lebar lobus utama dari pola sistem dengan ukuran D (yang dapat menjadi ukuran fisik transduser dalam sistem proyektor tunggal, atau (N - 1) x d, panjang total elemen N dalam susunan dengan jarak d) mentransmisikan pada panjang gelombang 𝜆 adalah: setengah lebar balok daya (derajat) = 50,6 x 𝜆 / D. Jika sistem sonar resolusi tinggi diinginkan, maka sinar sempit diperlukan. Lebar balok dapat dikurangi dengan membangun proyektor dan susunan yang lebih besar, tetapi ada batas fisik pada keduanya. Lebih mudahnya, panjang gelombang yang lebih pendek dapat digunakan. Suara gelombang pendek, yang juga frekuensinya lebih tinggi, menerima redaman(atenuasi) yang lebih besar dalam air. Redaman dapat dikompensasi dengan meningkatkan daya yang ditransmisikan, tetapi ada batasan jumlah daya yang dapat ditransmisikan oleh proyektor tunggal ke dalam air. Di kedua sisi lobus utama merupakan sebuah serangkaian lobus samping di mana gangguan konstruktif parsial terjadi. Secara umum, tujuan dibentuknya susunan adalah untuk merekam target ke arah lobus utama. Lobus samping adalah sebuah gangguan — tidak hanya sebagian energi proyektor yang dihamburkan ke arah ini, tetapi mungkin juga ada gema dari mereka, dan ini mungkin dikacaukan dengan gema dari target di lobus utama. Lobus samping dalam pola balok susunan proyektor tidak dapat dihindari, meskipun energi yang diproyeksikan ke dalamnya dapat dikurangi dengan memproyeksikan sinyal yang lebih kuat dari elemen individu di tengah susunan daripada yang ada di tepi. Teknik ini disebut naungan, dan fraksi energi yang diproyeksikan oleh setiap elemen proyektor dibagi dengan energi yang diproyeksikan oleh elemen puncak disebut nilai naungannya. Terdapat satu skema naungan populer, yang disebut naungan Dolph-Chebyshev, dapat digunakan untuk membawa semua level lobus samping ke nilai yang seragam. Perbandingan perkiraan lebar lobus utama dengan ukuran susunan yang berbeda, ditampilkan pada tabel berikut: Tabel 1. Perbandingan lebar lobe utama



Hydrophones Arrays Hidrofon dan juga proyektor dapat dibentuk menjadi sebuah array. Dimana, array proyektor mentransmisikan suara kedalam sinar sudut sempit, array hidrofon akan menerima suara dari sinar sudut sempit tersebut. Dalam Gambar 25, sumber yang tegak lurus terhadap sumbu dari array garis menghasilkan gelombang suara. Sumber gelombang suara ini berada di bidang jauh, sehingga bagian depan gelombang yang menabrak susunan mikrofon adalah serangkaian garis paralel.



Gambar 25. Hydrophones Array



Setiap hidrofon dalam larik membuat pengukuran gelombang masing-masing. Sinyal yang diukur oleh setiap mikrofon sebagai fungsi waktu dapat diplot, yang disebut dengan jejak sinyal. Karena gelombang paralel yang diterima hidrofon ini tepat pada waktu yang sama, ketiga plot ini bersifat identik, dimana puncak dan palung yang diukur terjadi pada waktu yang sama. Pada gambar 27, penjumlahan dari tiga jejak hidrofon menghasilkan jejak dengan frekuensi yang sama atau tiga kali amplitudo pengukuran dari ketiga hidropon ditambahkan secara konstruktif. Secara kolektif, susunan hidrofon sangat sensitif terhadap suara dari arah ini.



Gambar 26. Hydrophone Traces for a Perpendicular Source



Gambar 27. Sum of Hydrophone Traces for a Perpendicular Source



Gambar 28 menunjukkan susunan mikrofon yang sama yang menerima gelombang suara dari sumber pada sudut q dari tegak lurus. Karena sudut sumbernya, gelombang paralel dari sumber ini diterima oleh hidropon dalam susunan pada waktu yang berbeda. Hal ini menyebabkan jejak mikrofon terlihat berbededa, dimana puncak dan palung terjadi pada waktu yang berbeda seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 29.



Gambar 28. Hydrophone Array with Waves from an Angled Source



Gambar 29. Hydrophone Traces for an Angled Source



Secara singkat, poin-poin penting yang perlu diingat mengenai pola berkas dari proyektor dan susunan mikrofon adalah sebagai berikut: 1. Semakin besar array dalam sebuah dimensi, maka semakin sempit ukuran lobus utamanya, sehingga akan berada di bidang tegak lurus terhadap dimensi tersebut. 2. Lebar lobus utama diukur pada titik daya setengah. Lobus samping tidak diinginkan, tetapi tidak dapat dihindari. 3. Lobus samping dapat dikurangi melalui teknik seperti naungan dengan biaya pelebaran lobus utama. 4. Pola sinar dari array transduser pada proyektor sama dengan pola yang ada pada hidrofon.



Gambar 30. Beam Pattern for a Line Array of Hydrophones



Beam Steering Pada bagian ini, dijelaskan bagaimana sebuah array dapat diubah untuk menerima secara istimewa dari sejumlah arah, teknik ini disebut beam steering. Array garis menerima gelombang suara dari sudut acak 𝜃 secara tegak lurus. Gelombang suara dari sudut ini sampai pada elemen-elemen dari rangkaian hidrofon keluar dari fase, menyebabkan sinyal pada



hidrofon yang berbeda menambahkan interferensi secara destruktif. Hal ini dikarenakan gelombang suara harus menempuh jarak yang berbeda untuk mencapai masing-masing mikrofon.



Gambar 31. Wavefronts Striking a Hydrophone Array from a Source at



Pada gambar 31, gelombang suara pertama-tama menghantam mikrofon yang berlabel 3. Mereka harus menempuh jarak yang diberi label A sebelum mencapai hidrofon 2, dan jarak B sebelum mencapai hidrofon 1. Jarak-jarak ini dapat dihitung dengan menggunakan jarak antara hidrofon (keduanya diasumsikan dalam kasus ini sama dengan d): A = d x sin θ B = 2d x sin θ



Waktu ekstra yang dibutuhkan untuk sebuah gelombang depan agar dapat mencapai setiap mikrofon diberikan oleh jarak dibagi dengan kecepatan suara lokal c, yaitu: T2 (time to hydrophone 2) = A / c = (d sin q) / c T1 (time to hydrophone 1) = B / c = (2d sin q) / c



Gambar 32. Main Lobe Shifted to Angle q by Introducing a Time Delay



Hal yang perlu diperhatikan adalah, dalam mengarahkan array hidrofon agar peka terhadap sudut tertentu, tidak ada apa pun tentang array itu yang berubah — hanya penafsiran data yang direkam diubah. Dengan mengubah pemrosesan data, array yang sama dapat diarahkan untuk mengamati salah satu dari berbagai sudut. ahkan, dengan menggunakan data rekaman yang sama dari elemen-elemen dari array hidrofon, pemrosesan data yang berbeda dapat digunakan untuk memeriksa suara yang berasal dari sudut yang berbeda secara bersamaan. Dengan cara ini, array hidrofon dapat digunakan untuk memeriksa gema dari satu ping di banyak lokasi berbeda.