Сонар - Sonar

Французские фрегаты типа F70 (здесь La Motte-Picquet ) оснащены гидролокаторами VDS (Variable Depth Sonar) типа DUBV43 или DUBV43C.
Сонарный снимок тральщика Т-297 ВМФ СССР , бывший латвийский Вирсайтис , потерпевшего кораблекрушение 3 декабря 1941 года в Финском заливе.

Сонар ( так унд на vigation и г anging ) представляет собой метод , который использует звук распространение ( как правило , под воду, как и в подводной навигации ) , чтобы перемещаться , мера расстояния ( в пределах ), связывается с или обнаруживать объекты на или под поверхностью воды, например как и другие суда. Два типа технологий имеют название «гидролокатор»: пассивный гидролокатор, по сути, прислушивается к звуку, издаваемому судами; активный сонар излучает импульсы звуков и прислушивается к эхо. Гидролокатор может использоваться как средство акустической локации и измерения характеристик эха «целей» в воде. Акустическая локация в воздухе использовалась до внедрения радара . Гидролокатор также может использоваться для навигации роботов, а SODAR (направленный вверх гидролокатор в воздухе) используется для исследования атмосферы. Термин сонар также используется для обозначения оборудования, используемого для генерации и приема звука. Акустические частоты, используемые в гидролокаторах, варьируются от очень низких ( инфразвуковые ) до чрезвычайно высоких ( ультразвуковые ). Изучение подводного звука известно как подводная акустика или гидроакустика .

Первое зарегистрированное использование этой техники было сделано Леонардо да Винчи в 1490 году, который использовал трубку, вставленную в воду, для обнаружения сосудов на слух. Он был разработан во время Первой мировой войны, чтобы противостоять растущей угрозе подводной войны , с действующей пассивной гидроакустической системой, которая использовалась к 1918 году. Современные активные гидроакустические системы используют акустический преобразователь для генерации звуковой волны, которая отражается от целевых объектов.

История

Хотя некоторые животные ( дельфины , летучие мыши , некоторые землеройки и другие) использовали звук для общения и обнаружения объектов в течение миллионов лет, использование человеком в воде первоначально было зарегистрировано Леонардо да Винчи в 1490 году: трубка, вставленная в воду, была Говорят, что он используется для обнаружения сосудов, прикладывая ухо к трубке.

В конце 19 века подводный колокол использовался в качестве вспомогательного средства на маяках или плавучих маяках для предупреждения об опасностях.

Использование звука для "эхолокации" под водой так же, как летучие мыши используют звук для воздушной навигации, по-видимому, было вызвано катастрофой на Титанике 1912 года. Первый в мире патент на подводное эхолокационное устройство был подан в Великобритании. Патентное бюро английского метеоролога Льюиса Фрая Ричардсона через месяц после гибели Титаника и немецкого физика Александра Бема в 1913 году получили патент на эхолот.

Канадский инженер Реджинальд Фессенден , работая в компании Submarine Signal Company в Бостоне , штат Массачусетс, построил экспериментальную систему, начиная с 1912 года, затем систему испытывали в Бостонской гавани и, наконец, в 1914 году из американского Revenue Cutter Miami на Гранд-Банкс у Ньюфаундленда. . В этом испытании Фессенден продемонстрировал зондирование глубины, подводную связь ( код Морзе ) и определение расстояния по эхосигналу (обнаружение айсберга на расстоянии 2 мили (3,2 км)). « Фессенден генератор », работает при температуре около 500 частоты Гц, не удалось определить отношение айсберга в связи с длиной волны 3 метра и малой размерностью излучающего лица преобразователя (меньше , чем 1 / 3 длиной волны в диаметре). Десять Монреаля -Встроенных Британского H-класс подводных лодки , начатые в 1915 году были оснащены Фессендны осцилляторами.

Во время Первой мировой войны необходимость обнаружения подводных лодок побудила к дальнейшим исследованиям в области использования звука. Британцы рано начали использовать подводные подслушивающие устройства, называемые гидрофонами , в то время как французский физик Поль Ланжевен , работая с русским иммигрантом-электриком Константином Чиловски, работал над разработкой активных звуковых устройств для обнаружения подводных лодок в 1915 году. Хотя пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи позже заменили что электростатические преобразователи , которые они использовали, эту работу под влияние конструкций будущего. Легкая звукопоглощающая пластиковая пленка и волоконная оптика использовались для гидрофонов, а Терфенол-Д и ПМН (ниобат свинца и магния) были разработаны для проекторов.

ASDIC

Блок дисплея ASDIC примерно с 1944 г.

В 1916 году под руководством Британского совета по изобретениям и исследованиям канадский физик Роберт Уильям Бойл вместе с AB Wood начал активный проект по обнаружению звука , создав прототип для испытаний в середине 1917 года. Эта работа для Противолодочного дивизиона британского военно-морского штаба была проведена в строжайшей секретности и использовала кварцевые пьезоэлектрические кристаллы для создания первого в мире практического подводного активного устройства обнаружения звука. Для сохранения секретности не было упоминания о звуковых экспериментах или кварце - слово, используемое для описания ранних работ («сверхзвуковые»), было изменено на «ASD» ics, а кварцевый материал - на «ASD» ivite: «ASD» для « Anti-Submarine Division », отсюда и английское сокращение ASDIC . В 1939 году, в ответ на вопрос из Оксфордского словаря английского языка , Адмиралтейство придумало историю, что это означает «Союзный комитет по расследованию обнаружения подводных лодок», и это до сих пор широко распространено, хотя ни один комитет с таким названием не был найден в Адмиралтейский архив.

К 1918 году Великобритания и Франция построили прототипы активных систем. Британцы испытали свой ASDIC на HMS  Antrim в 1920 году и начали производство в 1922 году. В 1923 году 6-я флотилия эсминцев имела суда, оборудованные ASDIC. В 1924 году в Портленде были созданы противолодочная школа HMS Osprey и учебная флотилия из четырех судов .

К началу Второй мировой войны у Королевского флота было пять комплектов для разных классов надводных кораблей и другие для подводных лодок, включенных в полную противолодочную систему. Эффективность раннего ASDIC снижалась из-за использования глубинной бомбы в качестве противолодочного оружия. Это требовало, чтобы атакующее судно прошло над подводным контактом, прежде чем сбросить заряды на корму, что привело к потере контакта ASDIC в моменты, предшествующие атаке. Охотник фактически стрелял вслепую, в это время командир подводной лодки мог уклоняться. Это положение было исправлено новой тактикой и новым оружием.

Тактические усовершенствования, разработанные Фредериком Джоном Уокером, включали в себя ползучую атаку. Для этого требовалось два противолодочных корабля (обычно шлюпы или корветы). «Направляющий корабль» отслеживал подводную лодку-цель на ASDIC с позиции примерно от 1500 до 2000 ярдов позади нее. Второй корабль с выключенным ASDIC и скоростью 5 узлов начал атаку с позиции между направляющим кораблем и целью. Эта атака контролировалась по радиотелефону с управляющего корабля на основе их ASDIC, а также дальности (дальномером) и пеленга атакующего корабля. Как только глубинные бомбы были выпущены, атакующий корабль на полном ходу покинул непосредственную зону. Направляющий корабль затем вошел в целевой район и также выпустил серию глубинных бомб. Низкая скорость подхода означала, что подводная лодка не могла предсказать, когда будут выпущены глубинные бомбы. Любое уклонение было обнаружено управляющим кораблем и отдавалось соответствующее распоряжение атакующему кораблю. Небольшая скорость атаки имела то преимущество, что немецкая акустическая торпеда была неэффективна против военного корабля, летящего так медленно. Вариантом ползучей атаки была «штукатурная» атака, при которой три атакующих корабля, работавшие в тесной линии в один ряд, направлялись над целью руководящим кораблем.

Новым оружием для борьбы с слепым пятном ASDIC было «оружие с метанием вперед», такое как Hedgehogs и более поздние Squids , которые проецировали боеголовки на цель впереди атакующего и все еще находились в контакте с ASDIC. Это позволяло одиночному эскорту проводить более прицельные атаки на подводные лодки. Разработки во время войны привели к появлению британских наборов ASDIC, в которых использовались лучи разных форм, непрерывно перекрывающие слепые зоны. Позже стали применяться акустические торпеды .

В начале Второй мировой войны (сентябрь 1940 г.) британская технология ASDIC была бесплатно передана США. Исследования ASDIC и подводного звука были расширены в Великобритании и США. Было разработано много новых типов военных устройств обнаружения звука. В их число входили гидроакустические буи , впервые разработанные британцами в 1944 году под кодовым названием High Tea , гидролокаторы для погружения и погружения и гидролокаторы для обнаружения мин . Эта работа легла в основу послевоенных разработок, связанных с противодействием атомной подводной лодке .

СОНАР

В 1930-х годах американские инженеры разработали собственную технологию обнаружения звука под водой, и были сделаны важные открытия, такие как существование термоклинов и их влияние на звуковые волны. Американцы начали использовать термин SONAR для своих систем, придуманный Фредериком Хантом для обозначения эквивалента RADAR .

Лаборатория подводного звука ВМС США

В 1917 году ВМС США впервые приобрели услуги Дж. Уоррена Хортона. Выйдя из Bell Labs , он работал в правительстве техническим экспертом сначала на экспериментальной станции в Наханте, штат Массачусетс , а затем в штаб-квартире ВМС США в Лондоне , Англия. В Наханте он применил недавно разработанную вакуумную лампу , которая тогда ассоциировалась с формирующимися этапами области прикладной науки, ныне известной как электроника, для обнаружения подводных сигналов. В результате угольный кнопочный микрофон, который использовался в более раннем оборудовании для обнаружения, был заменен предшественником современного гидрофона . Также в этот период он экспериментировал с методами обнаружения буксировки. Это было связано с повышенной чувствительностью его устройства. Эти принципы до сих пор используются в современных буксируемых гидроакустических системах.

Чтобы удовлетворить нужды обороны Великобритании, он был отправлен в Англию для установки в Ирландском море донных гидрофонов, соединенных подводным кабелем с береговым постом прослушивания. Пока это оборудование загружалось на судно-кабелеукладчик, Первая мировая война закончилась, и Хортон вернулся домой.

Во время Второй мировой войны он продолжал разрабатывать гидроакустические системы, которые могли обнаруживать подводные лодки, мины и торпеды. Он опубликовал « Основы сонара» в 1957 году в качестве главного консультанта по исследованиям в Лаборатории подводных звуков ВМС США. Он занимал эту должность до 1959 года, когда стал техническим директором, и занимал эту должность до обязательного выхода на пенсию в 1963 году.

Материалы и дизайн в США и Японии

С 1915 по 1940 год в американских гидролокаторах не было большого прогресса. В 1940 году гидролокаторы США обычно состояли из магнитострикционного преобразователя и массива никелевых трубок, соединенных со стальной пластиной диаметром 1 фут, прикрепленной спина к спине к кристаллу соли Рошеля. в сферическом корпусе. Эта сборка проникала в корпус корабля и вручную поворачивалась на нужный угол. Пьезоэлектрический сегнетовая соль кристалл имел лучшие параметры, но магнитострикционный блок был гораздо более надежным. Высокие потери торговых судов США в начале Второй мировой войны привели к крупномасштабным высокоприоритетным исследованиям в этой области в США, направленным как на улучшение параметров магнитострикционных преобразователей, так и на надежность Рошельской соли. Дигидрофосфат аммония (ADP), превосходная альтернатива, был найден в качестве замены соли Рошеля; Первым применением была замена преобразователей соли Рошель на 24 кГц. В течение девяти месяцев соль Рошель устарела. Производственные мощности ADP выросли с нескольких десятков сотрудников в начале 1940 года до нескольких тысяч в 1942 году.

Одним из первых применений кристаллов ADP были гидрофоны для акустических шахт ; кристаллы были предназначены для низкочастотной отсечки на 5 Гц, выдерживая механические удары для развертывания с самолетов с высоты 3000 м (10000 футов), и способность выдерживать взрывы соседних мин. Одной из ключевых характеристик надежности ADP является отсутствие старения; кристалл сохраняет свои параметры даже при длительном хранении.

Еще одно применение было для торпед с акустическим самонаведением. На носовой части торпеды устанавливались две пары направленных гидрофонов в горизонтальной и вертикальной плоскостях; разностные сигналы пар использовались для поворота торпеды влево-вправо и вверх-вниз. Была разработана контрмера: нацеленная подводная лодка выпустила шипучий химикат, и торпеда пошла за более шумным шипучим ловушкой. В качестве контрмеры использовалась торпеда с активным гидролокатором - в носовой части торпеды был добавлен датчик, и микрофоны прослушивали его отраженные периодические звуковые волны. Преобразователи состояли из идентичных прямоугольных кристаллических пластин, расположенных в виде ромбовидных участков в шахматном порядке.

Пассивные гидроакустические системы для подводных лодок были разработаны из кристаллов ADP. Несколько кристаллических сборок были помещены в стальную трубку, заполненную касторовым маслом под вакуумом и герметизированную. Затем трубки были установлены в параллельные группы.

Стандартный сканирующий сонар ВМС США в конце Второй мировой войны работал на частоте 18 кГц, используя массив кристаллов ADP. Однако желаемый более длинный диапазон требовал использования более низких частот. Требуемые размеры были слишком велики для кристаллов ADP, поэтому в начале 1950-х годов были разработаны магнитострикционные системы и пьезоэлектрические системы из титаната бария , но у них были проблемы с достижением однородных характеристик импеданса, и диаграмма направленности луча страдала. Затем титанат бария был заменен более стабильным титанатом цирконата свинца (PZT), а частота была снижена до 5 кГц. Флот США использовал этот материал в гидролокаторе AN / SQS-23 в течение нескольких десятилетий. В гидролокаторе SQS-23 сначала использовались магнитострикционные никелевые преобразователи, но они весили несколько тонн, а никель был дорогим и считался важным материалом; Поэтому были заменены пьезоэлектрические преобразователи. Гидролокатор представлял собой большой массив из 432 отдельных преобразователей. Сначала датчики были ненадежными, показывали механические и электрические отказы и выходили из строя вскоре после установки; они также были произведены несколькими поставщиками, имели разную конструкцию и их характеристики были достаточно разными, чтобы ухудшить производительность массива. Тогда политика, разрешающая ремонт отдельных преобразователей, была принесена в жертву, и вместо нее была выбрана «одноразовая модульная конструкция» - герметичные неремонтируемые модули, что устранило проблему с уплотнениями и другими посторонними механическими деталями.

Императорский флот Японии в начале Второй мировой войны использовал проекторы на основе кварца . Они были большими и тяжелыми, особенно если они рассчитаны на низкие частоты; один для набора Тип 91, работающий на частоте 9 кГц, имел диаметр 30 дюймов (760 мм) и приводился в действие генератором мощностью 5 кВт и выходной амплитудой 7 кВ. Проекторы Type 93 состояли из твердых сэндвичей из кварца, собранных в сферические чугунные корпуса. Позднее гидролокаторы Type 93 были заменены на Type 3, разработанные в Германии и использовавшие магнитострикционные проекторы; Проекторы состояли из двух идентичных независимых блоков прямоугольной формы в чугунном прямоугольном корпусе размером примерно 16 на 9 дюймов (410 мм × 230 мм). Облученная область составляла половину длины волны в ширину и три длины волны в высоту. Магнитострикционные сердечники были изготовлены из штампованного никеля толщиной 4 мм, а затем из сплава железо-алюминий с содержанием алюминия от 12,7% до 12,9%. Электропитание подавалось от источника 2 кВт при 3,8 кВ с поляризацией от источника постоянного тока 20 В, 8 А.

Пассивные гидрофоны Императорского флота Японии были основаны на конструкции с подвижной катушкой, пьезоэлектрических преобразователях соляной соли Рошель и углеродных микрофонах .

Более поздние разработки преобразователей

После Второй мировой войны магнитострикционные преобразователи стали искать альтернативу пьезоэлектрическим. Никелевые преобразователи с спиралевидным кольцом использовались для высокопроизводительных низкочастотных операций с размером до 13 футов (4,0 м) в диаметре, вероятно, это были самые большие отдельные гидролокаторные преобразователи из когда-либо существовавших. Преимущество металлов заключается в их высокой прочности на разрыв и низком входном электрическом импедансе, но они имеют электрические потери и более низкий коэффициент связи, чем PZT, предел прочности которого на растяжение может быть увеличен предварительным напряжением . Были опробованы и другие материалы; Неметаллические ферриты были многообещающими из-за их низкой электропроводности, что приводило к низким потерям на вихревые токи , Metglas предлагал высокий коэффициент связи, но в целом они уступали PZT. В 1970-х годах были открыты соединения редкоземельных элементов и железа с превосходными магнитомеханическими свойствами, а именно сплав Терфенол-Д . Это сделало возможными новые конструкции, например гибридный магнитострикционно-пьезоэлектрический преобразователь. Самым последним из этих улучшенных магнитострикционных материалов является галфенол .

Другие типы преобразователей включают преобразователи с переменным магнитным сопротивлением (или с подвижной арматурой, или с электромагнитными), в которых магнитная сила действует на поверхности зазоров, и преобразователи с подвижной катушкой (или электродинамические), аналогичные обычным динамикам; последние используются в подводной калибровке звука из-за их очень низких резонансных частот и плоских широкополосных характеристик над ними.

Активный сонар

Принцип активного сонара

Активный гидролокатор использует передатчик звука (или проектор) и приемник. Когда они находятся в одном месте, это моностатическая работа . Когда передатчик и приемник разделены, это бистатическая работа . Когда используется больше передатчиков (или больше приемников), снова пространственно разделенных, это мультистатический режим . Большинство сонаров используются моностатически с одним и тем же массивом, который часто используется для передачи и приема. Активные поля гидроакустических буев могут работать в многостатическом режиме.

Активный гидролокатор создает звуковой импульс , часто называемый «пингом», а затем прослушивает отражения ( эхо ) импульса. Этот звуковой импульс обычно создается с помощью электроники с помощью сонарного проектора, состоящего из генератора сигналов, усилителя мощности и электроакустического преобразователя / массива. Преобразователь - это устройство, которое может передавать и принимать акустические сигналы («пинги»). Формирователь луча обычно используется для концентрации акустической мощности в луче, который может быть развернут для покрытия требуемых углов поиска. Как правило, электроакустические преобразователи относятся к типу Tonpilz, и их конструкция может быть оптимизирована для достижения максимальной эффективности в самой широкой полосе частот, чтобы оптимизировать работу всей системы. Иногда акустический импульс может создаваться другими способами, например, химическим путем с использованием взрывчатых веществ, пневматического оружия или плазменных источников звука.

Чтобы измерить расстояние до объекта, время от передачи импульса до приема измеряется и преобразуется в диапазон с использованием известной скорости звука. Для измерения пеленга используются несколько гидрофонов , и прибор измеряет относительное время прихода на каждый из них или с массивом гидрофонов, измеряя относительную амплитуду в лучах, сформированных посредством процесса, называемого формированием диаграммы направленности . Использование массива уменьшает пространственный отклик, поэтому для обеспечения широкого покрытия используются многолучевые системы. Сигнал цели (если он присутствует) вместе с шумом затем проходит через различные формы обработки сигналов , которые для простых сонаров могут быть просто измерением энергии. Затем он представляется некоторой форме устройства принятия решений, которое вызывает на выходе либо требуемый сигнал, либо шум. Этим устройством принятия решения может быть оператор с наушниками или дисплеем, или в более сложных сонарах эта функция может выполняться программным обеспечением. Дальнейшие процессы могут быть выполнены для классификации цели и ее локализации, а также для измерения ее скорости.

Импульс может иметь постоянную частоту или чирикать с изменяющейся частотой (чтобы обеспечить сжатие импульса при приеме). Простые сонары обычно используют первый с фильтром, достаточно широким, чтобы перекрыть возможные изменения Доплера из-за движения цели, в то время как более сложные, как правило, включают второй метод. С тех пор, как стала доступной цифровая обработка, сжатие импульсов обычно осуществлялось с использованием методов цифровой корреляции. Военные гидролокаторы часто имеют несколько лучей, чтобы обеспечить круговое прикрытие, в то время как простые сонары покрывают только узкую дугу, хотя луч может вращаться относительно медленно с помощью механического сканирования.

В частности, когда используются одночастотные передачи, эффект Доплера можно использовать для измерения радиальной скорости цели. Разница в частоте между переданным и принятым сигналом измеряется и преобразуется в скорость. Поскольку доплеровские сдвиги могут быть вызваны движением приемника или цели, необходимо учитывать радиальную скорость поисковой платформы.

Один полезный небольшой гидролокатор внешне похож на водонепроницаемый фонарик. Голова направляется в воду, нажимается кнопка, и прибор показывает расстояние до цели. Другой вариант - это « эхолот », который показывает небольшой дисплей с косяками рыбы. Некоторые гражданские гидролокаторы (которые не предназначены для скрытности) приближаются к активным военным гидролокаторам по своим возможностям с трехмерным отображением местности возле лодки.

Когда активный гидролокатора используются для измерения расстояния от датчика до дна, он известен как эхо - звучание . Аналогичные методы можно использовать для измерения волн, глядя вверх.

Активный гидролокатор также используется для измерения расстояния через воду между двумя гидролокаторами или комбинацией гидрофона (подводный акустический микрофон) и проектора (подводный акустический динамик). Когда гидрофон / преобразователь получает конкретный сигнал запроса, он отвечает, передавая определенный ответный сигнал. Для измерения расстояния один преобразователь / проектор передает сигнал запроса и измеряет время между этой передачей и получением ответа от другого преобразователя / гидрофона. Разница во времени, измеренная скоростью звука в воде и деленная на два, и есть расстояние между двумя платформами. Этот метод, при использовании с несколькими датчиками / гидрофонами / проекторами, может вычислять относительное положение статических и движущихся объектов в воде.

В боевых ситуациях активный импульс может быть обнаружен противником и покажет положение подводной лодки на расстоянии, вдвое превышающем максимальное расстояние, на которое подводная лодка может сама обнаружить контакт, и дать подсказки относительно идентичности подводной лодки на основе характеристик исходящего сигнала. По этим причинам активный гидролокатор не часто используется на военных подводных лодках.

Очень направленный, но малоэффективный гидролокатор (используемый рыболовством, военными и для безопасности портов) использует сложную нелинейную характеристику воды, известную как нелинейный гидролокатор, а виртуальный преобразователь известен как параметрический массив .

Проект Артемида

Проект Artemis был экспериментальным проектом исследований и разработок в период с конца 1950-х до середины 1960-х годов для изучения распространения звука и обработки сигналов для низкочастотной активной гидролокаторной системы, которая могла бы использоваться для наблюдения за океаном. Второстепенной задачей было изучение инженерных проблем стационарных систем активного днища. Приемная установка располагалась на склоне банка Плантагнет у Бермудских островов. Активная исходная группа была развернута с переоборудованного танкера времен Второй мировой войны USNS  Mission Capistrano . Элементы Artemis были использованы экспериментально после окончания основного эксперимента.

Транспондер

Это активный гидролокатор, который получает определенный стимул и немедленно (или с задержкой) ретранслирует принятый или заранее определенный сигнал. Транспондеры могут использоваться для удаленной активации или восстановления подводного оборудования.

Прогноз производительности

Цель сонара мала по сравнению со сферой , центрированной вокруг излучателя, на котором она расположена. Следовательно, мощность отраженного сигнала очень мала, на несколько порядков меньше, чем у исходного сигнала. Даже если отраженный сигнал был той же мощности, следующий пример (с использованием гипотетических значений) показывает проблему: предположим, что гидролокатор способен излучать сигнал мощностью 10000 Вт / м 2 на расстоянии 1 м и обнаруживать 0,001 Вт / м 2.  сигнал. На 100 м сигнал будет 1 Вт / м 2 (из -за закона обратных квадратов ). Если весь сигнал отражается от цели площадью 10 м 2 , он будет на уровне 0,001 Вт / м 2, когда достигнет излучателя, то есть будет легко обнаруживаться. Однако исходный сигнал будет оставаться выше 0,001 Вт / м 2 до 3000 м. Любая цель площадью 10 м 2 на расстоянии от 100 до 3000 м, использующая аналогичную или лучшую систему, сможет обнаружить импульс, но не будет обнаружена излучателем. Детекторы должны быть очень чувствительными, чтобы улавливать эхо. Поскольку исходный сигнал намного мощнее, он может быть обнаружен во много раз дальше, чем удвоенная дальность действия сонара (как в примере).

У активного сонара есть два ограничения производительности: из-за шума и реверберации. В общем, один или другой из них будет доминировать, так что два эффекта можно изначально рассматривать отдельно.

В условиях ограниченного шума при первоначальном обнаружении:

SL - 2PL + TS - (NL - AG) = DT,

где SL - уровень источника , PL - потери при распространении (иногда называемые потерями при передаче ), TS - мощность цели , NL - уровень шума , AG - коэффициент усиления приемного массива (иногда аппроксимируется его индексом направленности) DT - порог обнаружения .

В условиях ограниченной реверберации при первоначальном обнаружении (без учета усиления массива):

SL - 2PL + TS = RL + DT,

где RL - уровень реверберации , а остальные факторы остались прежними.

Ручной гидролокатор для дайвера

  • LIMIS (гидролокатор для визуализации миниатюрных мин) представляет собой переносной гидролокатор или гидролокатор на базе ROV, предназначенный для использования водолазом. Его название связано с тем, что он был разработан для патрульных водолазов (боевых водолазов или дайверов ) для поиска мин в условиях плохой видимости .
  • LUIS (линзирующая система подводной съемки) - еще один гидролокатор для использования дайвером.
  • Существовал или был небольшой ручной гидролокатор в форме фонарика для дайверов, который просто отображает расстояние.
  • Для INSS (интегрированная навигационная гидролокаторная система)

Гидролокатор, направленный вверх

Гидролокатор, направленный вверх (ULS), представляет собой устройство гидролокатора, направленное вверх и смотрящее на поверхность моря. Он используется для тех же целей, что и гидролокатор, направленный вниз, но имеет некоторые уникальные приложения, такие как измерение толщины, шероховатости и концентрации морского льда или измерение уноса воздуха из пузырьковых шлейфов во время волнения на море. Часто он пришвартовывается на дне океана или плывет на натянутом тросе, пришвартовавшись на постоянной глубине, возможно, 100 м. Они также могут использоваться подводными лодками , АНПА и поплавками, такими как поплавок Арго .

Пассивный гидролокатор

Пассивный сонар слушает без передачи. Он часто используется в военных условиях, хотя он также используется в научных приложениях, например , для обнаружения рыбы для изучения присутствия / отсутствия в различных водных средах - см. Также пассивную акустику и пассивный радар . В самом широком смысле этот термин может охватывать практически любой аналитический метод, включающий удаленно генерируемый звук, хотя обычно он ограничивается методами, применяемыми в водной среде.

Определение источников звука

Пассивный гидролокатор имеет широкий спектр методов определения источника обнаруженного звука. Например, на судах США обычно используются системы переменного тока частотой 60 Гц . Если трансформаторы или генераторы установлены без надлежащей вибрации изоляции от корпуса или стать затоплены, 60 Гц звук из обмоток может быть испускаемый из подводной лодки или судна. Это может помочь определить его национальность, поскольку все европейские подводные лодки и почти все подводные лодки других стран имеют системы питания с частотой 50 Гц. Прерывистые источники звука (например, падающий гаечный ключ ), называемые «переходными процессами», также могут быть обнаружены пассивным сонаром. До недавнего времени сигналы распознавал опытный, обученный оператор, но теперь это могут делать компьютеры.

Пассивные гидролокаторные системы могут иметь большие звуковые базы данных , но оператор гидролокатора обычно классифицирует сигналы вручную. Компьютерная система часто использует эти базы данные для идентификации классов судов, действия (т.е. скорости судна или типа оружия отпущено), и даже отдельные кораблей.

Ограничения по шуму

Пассивный гидролокатор на транспортных средствах обычно сильно ограничен из-за шума, создаваемого транспортным средством. По этой причине на многих подводных лодках работают ядерные реакторы, которые можно охлаждать без насосов, используя бесшумную конвекцию , или топливные элементы или батареи , которые также могут работать бесшумно. Гребные винты транспортных средств также сконструированы и точно обработаны так, чтобы издавать минимальный шум. Высокоскоростные винты часто создают в воде крошечные пузырьки, и эта кавитация имеет отчетливый звук.

Гидрофоны гидролокатора можно буксировать за кораблем или подводной лодкой, чтобы уменьшить влияние шума, создаваемого самим плавсредством. Буксируемые агрегаты также борются с термоклином , поскольку агрегат может буксироваться выше или ниже термоклина.

Дисплей большинства пассивных сонаров раньше представлял собой двухмерный дисплей с водопадом . Горизонтальное направление дисплея - азимут. Вертикаль - это частота, а иногда и время. Другой метод отображения - это цветовая кодировка частотно-временной информации для пеленга. Более поздние дисплеи генерируются компьютерами и имитируют индикаторы местоположения в плане типа радара .

Прогноз производительности

В отличие от активного сонара, используется только одностороннее распространение. Из-за различной обработки сигналов минимальное обнаруживаемое отношение сигнал / шум будет другим. Уравнение для определения характеристик пассивного сонара:

SL - PL = NL - AG + DT,

где SL - уровень источника, PL - потери при распространении, NL - уровень шума, AG - коэффициент усиления решетки, а DT - порог обнаружения. Показатель качества пассивного гидролокатора составляет

ФОМ = SL + AG - (NL + DT).

Факторы производительности

Характеристики гидролокатора по обнаружению, классификации и локализации зависят от окружающей среды и приемного оборудования, а также от передающего оборудования в активном гидролокаторе или шума, излучаемого целью в пассивном гидролокаторе.

Распространение звука

На работу сонара влияют изменения скорости звука , особенно в вертикальной плоскости. В пресной воде звук распространяется медленнее, чем в морской , хотя разница невелика. Скорость определяется модулем объемной упругости и массовой плотностью воды . Объемный модуль упругости зависит от температуры, растворенных примесей (обычно солености ) и давления . Эффект плотности невелик. Скорость звука (в футах в секунду) составляет приблизительно:

4388 + (11,25 × температура (в ° F)) + (0,0182 × глубина (в футах)) + соленость (в частях на тысячу).

Это приближенное уравнение, полученное эмпирическим путем, достаточно точно для нормальной температуры, концентрации солености и диапазона большинства глубин океана. Температура океана меняется с глубиной, но на глубине от 30 до 100 метров часто наблюдается заметное изменение, называемое термоклином , которое отделяет более теплые поверхностные воды от холодных, неподвижных вод, составляющих остальную часть океана. Это может нарушить работу сонара, потому что звук, исходящий с одной стороны термоклина, имеет тенденцию изгибаться или преломляться через термоклин. Термоклин может присутствовать в более мелководных прибрежных водах. Однако воздействие волн часто приводит к перемешиванию водяного столба и устранению термоклина. Давление воды также влияет на распространение звука: более высокое давление увеличивает скорость звука, что приводит к тому, что звуковые волны преломляются от области с более высокой скоростью звука. Математическая модель преломления называется законом Снеллиуса .

Если источник звука находится на большой глубине и условия благоприятны, распространение может происходить в « канале глубокого звука ». Это обеспечивает чрезвычайно низкие потери при распространении для приемника в канале. Это связано с улавливанием звука в канале без потерь на границах. Подобное распространение может происходить в «поверхностном канале» при подходящих условиях. Однако в этом случае возникают потери на отражение от поверхности.

На мелководье распространение обычно происходит за счет многократного отражения от поверхности и дна, где могут возникать значительные потери.

На распространение звука влияет поглощение самой водой, а также поверхностью и дном. Это поглощение зависит от частоты и имеет несколько различных механизмов в морской воде. Гидролокатор дальнего действия использует низкие частоты для минимизации эффектов поглощения.

Море содержит множество источников шума, которые мешают желаемому эхо-сигналу или сигнатуре цели. Основными источниками шума являются волны и судоходство . Движение приемника по воде также может вызывать зависящий от скорости низкочастотный шум.

Рассеяние

При использовании активного сонара рассеяние происходит от мелких объектов в море, а также от дна и поверхности. Это может быть основным источником помех. Это акустическое рассеяние аналогично рассеянию света от автомобильных фар в тумане: карандашный луч высокой интенсивности до некоторой степени проникает в туман, но фары с более широким светом излучают много света в нежелательных направлениях, большая часть которого рассеивается назад. наблюдателю, подавляющее отраженное от цели («белое пятно»). По аналогичным причинам активный гидролокатор должен передавать узкий луч, чтобы минимизировать рассеяние.

Пузырьковые облака показаны под морем. Из исх.

Рассеяние сонара от объектов (шахты, трубопроводы, зоопланктон, геологические объекты, рыба и т. Д.) - это то, как активный сонар обнаруживает их, но эта способность может быть замаскирована сильным рассеянием от ложных целей или «помехами». Там, где они возникают (под набегающими волнами; в кильватере корабля; в газе, выходящем из просачиваний и утечек с морского дна и т. Д.), Пузырьки газа являются мощными источниками помех и могут легко скрыть цели. TWIPS (Twin Inverted Pulse Sonar) в настоящее время является единственным гидролокатором, который может решить эту проблему с помехами.

Сравнение стандартного сонара и TWIPS при поиске цели в пузырящейся воде. По материалам исх.

Это важно, поскольку в последнее время в прибрежных водах произошло много конфликтов, и невозможно определить, присутствуют ли мины или не представляют опасность и задержку для военных судов, а также помочь конвоям и торговым судам, пытающимся поддержать регион еще долгое время после того, как конфликт закончился. прекратились.

Целевые характеристики

Характеристики отражения звука от цели активного гидролокатора, такого как подводная лодка, известны как сила цели . Сложность заключается в том, что эхо также получается от других объектов в море, таких как киты, следы, косяки рыб и скалы.

Пассивный гидролокатор определяет характеристики излучаемого шума цели . Излучаемый спектр представляет собой непрерывный спектр шума с пиками на определенных частотах, которые можно использовать для классификации.

Контрмеры

Активные (силовые) средства противодействия могут быть запущены атакуемой подводной лодкой для повышения уровня шума, создания большой ложной цели и затемнения сигнатуры самой подводной лодки.

Пассивные (т. Е. Без источника питания) контрмеры включают:

  • Установка шумогенераторов на изолирующие устройства.
  • Звукоизоляционные покрытия корпусов подводных лодок, например, безэховая плитка .

Военное применение

Современная военно-морская война широко использует как пассивный, так и активный гидролокатор с водных судов, самолетов и стационарных установок. Хотя активный гидролокатор использовался надводными кораблями во время Второй мировой войны , подводные лодки избегали использования активного гидролокатора из-за возможности раскрытия их присутствия и местоположения для вражеских сил. Однако появление современной обработки сигналов позволило использовать пассивный гидролокатор в качестве основного средства для операций поиска и обнаружения. Сообщается, что в 1987 году подразделение японской компании Toshiba продало Советскому Союзу оборудование, которое позволяло фрезеровать лопасти гребных винтов их подводных лодок, так что они стали значительно тише, что затрудняло обнаружение подводных лодок нового поколения.

Использование подводной лодки активного гидролокатора для определения пеленга крайне редко и не обязательно дает высококачественную информацию о пеленге или дальности для группы управления огнем подводных лодок. Однако использование активного гидролокатора на надводных кораблях очень распространено и используется на подводных лодках, когда тактическая ситуация диктует, что более важно определить позицию вражеской подводной лодки, чем скрыть свою позицию. Что касается надводных кораблей, можно предположить, что угроза уже отслеживает судно с помощью спутниковых данных, поскольку любое судно вокруг излучающего гидролокатора обнаружит излучение. Услышав сигнал, легко определить используемое гидроакустическое оборудование (обычно по его частоте) и его положение (по энергии звуковой волны). Активный гидролокатор похож на радар в том, что, хотя он позволяет обнаруживать цели на определенном расстоянии, он также позволяет обнаруживать излучатель на гораздо большем расстоянии, что нежелательно.

Поскольку активный гидролокатор обнаруживает присутствие и положение оператора и не позволяет точно классифицировать цели, он используется на быстрых (самолеты, вертолеты) и на шумных платформах (большинство надводных кораблей), но редко на подводных лодках. Когда активный гидролокатор используется надводными кораблями или подводными лодками, он обычно активируется очень кратковременно с перерывами, чтобы минимизировать риск обнаружения. Следовательно, активный гидролокатор обычно считается резервным по сравнению с пассивным гидролокатором. В самолетах активный гидролокатор используется в виде одноразовых гидроакустических буев , которые сбрасываются в районе патрулирования самолета или вблизи возможных контактов с гидролокатором противника.

Пассивный гидролокатор имеет несколько преимуществ, главное, что он бесшумный. Если уровень шума, излучаемого целью, достаточно высок, он может иметь больший диапазон, чем активный сонар, и позволяет идентифицировать цель. Поскольку любой моторизованный объект издает некоторый шум, он в принципе может быть обнаружен в зависимости от уровня излучаемого шума и уровня окружающего шума в районе, а также от используемой технологии. Чтобы упростить, пассивный гидролокатор "видит" вокруг корабля, используя его. На подводной лодке пассивный гидролокатор, установленный в носовой части, обнаруживает в направлении около 270 ° с центром на выравнивании корабля, корпусную группу с углом около 160 ° с каждой стороны и буксируемую группу с полным углом обзора 360 °. Невидимые области возникают из-за вмешательства самого корабля. Как только сигнал обнаружен в определенном направлении (что означает, что что-то издает звук в этом направлении, это называется широкополосным обнаружением), можно увеличить масштаб и проанализировать полученный сигнал (узкополосный анализ). Обычно это делается с помощью преобразования Фурье, чтобы показать различные частоты, составляющие звук. Поскольку каждый двигатель издает определенный звук, идентифицировать объект несложно. Базы данных уникальных звуков двигателя являются частью так называемого акустического интеллекта или ACINT.

Еще одно применение пассивного сонара - определение траектории цели . Этот процесс называется анализом движения цели (TMA), и результирующим «решением» является дальность, курс и скорость цели. TMA выполняется путем отметки того, с какого направления идет звук в разное время, и сравнения движения с движением собственного корабля оператора. Изменения относительного движения анализируются с использованием стандартных геометрических методов наряду с некоторыми предположениями о предельных случаях.

Пассивный гидролокатор незаметен и очень полезен. Однако для этого требуются высокотехнологичные электронные компоненты и он стоит дорого. Обычно он используется на дорогостоящих кораблях в виде массивов для улучшения обнаружения. Надводные корабли используют это хорошо; он даже лучше используется на подводных лодках , а также на самолетах и ​​вертолетах, в основном для «эффекта неожиданности», поскольку подводные лодки могут прятаться под тепловыми слоями. Если командир подводной лодки считает, что он один, он может подвести лодку ближе к поверхности и ее будет легче обнаружить, или же он может идти глубже и быстрее и, таким образом, издавать больше шума.

Примеры использования гидролокаторов в военных целях приведены ниже. Многие из гражданских применений, описанных в следующем разделе, также могут быть применимы к военно-морскому использованию.

Противолодочная война

Гидролокатор переменной глубины и его лебедка

До недавнего времени судовые гидролокаторы обычно оснащались решетками, установленными на корпусе судна, либо на миделе, либо на носу. Вскоре после их первоначального использования было обнаружено, что требуются средства уменьшения шума потока. Первые были холщовые на каркасе, затем стали. Сейчас купола обычно делают из армированного пластика или герметичной резины. Такие гидролокаторы в основном активны в эксплуатации. Примером обычного гидролокатора, установленного на корпусе, является SQS-56.

Из-за проблем с шумом судов также используются буксируемые гидролокаторы. Их преимущество заключается в том, что их можно размещать глубже в воде, но есть ограничения на их использование на мелководье. Они называются буксируемыми массивами (линейными) или сонарами переменной глубины (VDS) с массивами 2 / 3D. Проблема в том, что лебедки, необходимые для их развертывания / восстановления, большие и дорогие. Установки VDS в основном активны в работе, а буксируемые массивы пассивны.

Примером современного активно-пассивного судового буксируемого гидролокатора является Sonar 2087 производства Thales Underwater Systems .

Торпеды

Современные торпеды обычно оснащены активным / пассивным гидролокатором. Это может быть использовано для наведения на цель, но также используются торпеды с самонаводкой . Ранним примером акустического гомера была торпеда Mark 37 .

Противодействие торпедам может быть буксируемым или бесплатным. Ранним примером было немецкое устройство Sieglinde, в то время как Bold было химическим устройством. Широко используемым в США устройством был буксируемый AN / SLQ-25 Nixie, в то время как имитатор мобильной подводной лодки (MOSS) был бесплатным устройством. Современной альтернативой системе Nixie является система защиты надводных торпедных кораблей S2170 Королевского военно-морского флота Великобритании .

Мины

Мины могут быть оснащены гидролокатором для обнаружения, локализации и распознавания необходимой цели. Примером может служить шахта CAPTOR .

Противоминные меры

Гидролокатор противоминной защиты (MCM), иногда называемый «гидролокатором для предотвращения мин и препятствий (MOAS)», представляет собой специальный тип гидролокатора, используемый для обнаружения небольших объектов. Большинство гидролокаторов MCM монтируются на корпусе, но некоторые из них имеют конструкцию VDS. Примером монтируемого на корпусе гидролокатора MCM является тип 2193, в то время как гидролокатор для добычи мин SQQ-32 и системы типа 2093 являются конструкциями VDS.

Подводная навигация

Подводные лодки в большей степени полагаются на гидролокаторы, чем надводные корабли, поскольку они не могут использовать радар на глубине. Гидролокаторы могут быть установлены на корпусе или буксируемы. Информация устанавливается на типичных приступах даются в Ойясио -класса подводной лодки и Swiftsure -класса подводной лодке .

Самолет

Погружной гидролокатор AN / AQS-13, развернутый с корабля H-3 Sea King

Вертолеты могут использоваться для борьбы с подводными лодками путем развертывания полей активно-пассивных гидроакустических буев или могут работать с гидролокатором погружения, таким как AQS-13 . Самолеты с неподвижным крылом также могут развертывать гидроакустические буи и обладают большей выносливостью и возможностями для их развертывания. Обработка с гидроакустических буев или наклонного гидролокатора может осуществляться как на самолете, так и на корабле. Преимущество погружаемого гидролокатора в том, что он может быть развернут на глубину, соответствующую ежедневным условиям. Вертолеты также использовались в миссиях по противодействию минам с использованием буксируемых гидролокаторов, таких как AQS-20A .

Подводные коммуникации

Для подводной связи на кораблях и подводных лодках могут быть установлены специальные гидролокаторы.

Наблюдение за океаном

Соединенные Штаты начали систему пассивных стационарных систем наблюдения за океаном в 1950 году под секретным названием Система звукового наблюдения (SOSUS) с американской телефонной и телеграфной компанией (AT&T), с ее исследованиями Bell Laboratories и производственными предприятиями Western Electric, с которыми заключены контракты на разработку и установка. Системы использовали канал глубокого звука (SOFAR) и основывались на звуковом спектрографе AT&T, который преобразовывал звук в визуальную спектрограмму, представляющую частотно-временной анализ звука, который был разработан для анализа речи и модифицирован для анализа низкочастотных подводных звуков. Этот процесс был низкочастотным анализом и записью, а оборудование было названо низкочастотным анализатором и записывающим устройством, оба с аббревиатурой LOFAR. Исследование LOFAR было названо Иезавель и привело к его использованию в воздушных и надводных системах, особенно в гидроакустических буях, использующих этот процесс, а иногда и с использованием слова «Иезавель» в их названии. Предлагаемая система предлагала такую ​​перспективу обнаружения подводных лодок на большом расстоянии, что ВМФ приказал немедленно приступить к реализации.

Создатели лофарграмм, по одному для каждого луча массива, на дежурном этаже NAVFAC.

Между установкой испытательной группы, за которой последовал полномасштабный, из сорока элементов, прототип оперативной группы в 1951 и 1958 годах, системы были установлены в Атлантике, а затем в Тихом океане под несекретным названием Project Caesar . Первоначальные системы были отключены на засекреченных береговых станциях, обозначенных как военно-морские объекты (NAVFAC), которые, как объяснили, занимались «океанскими исследованиями» для прикрытия своей секретной миссии. Система была модернизирована несколько раз более совершенным кабелем, позволяющим устанавливать массивы в океанских бассейнах и улучшать обработку. Береговые станции были ликвидированы в процессе консолидации и перенаправления массивов в центральные обрабатывающие центры в 1990-е годы. В 1985 году, когда начали работать новые мобильные массивы и другие системы, коллективное название системы было изменено на Integrated Undersea Surveillance System (IUSS). В 1991 году миссия системы была рассекречена. За год до этого эмблема IUSS была разрешена к ношению. Был предоставлен доступ к некоторым системам для научных исследований.

Считается, что подобная система действовала в Советском Союзе.

Подводная безопасность

Сонар можно использовать для обнаружения водолазов и других аквалангистов . Это может быть применимо вокруг кораблей или на входе в порты. Активный гидролокатор также может использоваться как средство сдерживания и / или отключения. Одним из таких устройств является система Cerberus .

Ручной гидролокатор AN / PQS-2A со съемным манжетом и магнитным компасом

Ручной гидролокатор

Гидролокатор обнаружения мин Limpet (LIMIS) - это ручной или устанавливаемый на ROV гидролокатор изображения, предназначенный для патрульных водолазов (боевых водолазов или водолазов- очистных водолазов ) для поиска мин в условиях плохой видимости .

LUIS - еще один гидролокатор для визуализации, который может использовать дайвер.

Интегрированная навигационная гидролокаторная система (INSS) - это небольшой портативный гидролокатор в форме фонарика для дайверов, который отображает дальность действия.

Гидролокатор перехвата

Это гидролокатор, предназначенный для обнаружения и определения местоположения передач от враждебных активных гидролокаторов. Примером этого является Тип 2082, установленный на подводных лодках класса British Vanguard .

Гражданские приложения

Рыболовство

Рыболовство - важная отрасль, спрос на которую растет, но мировой тоннаж улова падает из-за серьезных проблем с ресурсами. Перед отраслью стоит будущее продолжающейся всемирной консолидации до тех пор, пока не будет достигнута точка устойчивости . Тем не менее, консолидация рыболовных флотилий вызывает повышенный спрос на сложную электронику для поиска рыбы, такую ​​как датчики, эхолоты и гидролокаторы. Исторически сложилось так, что рыбаки использовали множество различных методов для поиска и ловли рыбы. Однако акустические технологии были одной из важнейших движущих сил развития современного коммерческого рыболовства.

Звуковые волны проходят через рыбу иначе, чем через воду, потому что наполненный воздухом плавательный пузырь рыбы имеет другую плотность, чем морская вода. Эта разница в плотности позволяет обнаруживать косяки рыб с помощью отраженного звука. Акустическая технология особенно хорошо подходит для подводных применений, поскольку звук распространяется под водой дальше и быстрее, чем в воздухе. Сегодня коммерческие рыболовные суда почти полностью полагаются на акустический гидролокатор и эхолоты для обнаружения рыбы. Рыбаки также используют активные гидролокаторы и эхолоты для определения глубины воды, контура дна и состава дна.

Дисплей в кабине эхолота для эхолота

Такие компании, как eSonar, Raymarine , Marport Canada, Wesmar, Furuno, Krupp и Simrad, производят различные гидролокаторы и акустические инструменты для глубоководного коммерческого рыболовства. Например, сетевые датчики выполняют различные подводные измерения и передают информацию обратно на приемник на борту судна. Каждый датчик оснащен одним или несколькими акустическими преобразователями в зависимости от его конкретной функции. Данные передаются с датчиков с помощью беспроводной акустической телеметрии и принимаются гидрофоном, установленным на корпусе. Эти аналоговые сигналы декодируются и преобразуются с помощью цифрового акустического приемника в данные , которые передаются на компьютер моста для графического отображения на мониторе высокого разрешения.

Эхо

Эхо-зондирование - это процесс, используемый для определения глубины воды под кораблями и лодками. Тип активного сонара, эхолокация - это передача акустического импульса прямо вниз на морское дно, измерение времени между передачей и возвратом эхо-сигнала после того, как он ударится о дно и отскочит назад к своему исходному кораблю. Акустический импульс излучается преобразователем, который также принимает отраженное эхо. Измерение глубины рассчитывается путем умножения скорости звука в воде (в среднем 1500 метров в секунду) на время между излучением и отражением эха.

Значение подводной акустики для рыбной промышленности привело к разработке других акустических инструментов, которые работают аналогично эхолотам, но, поскольку их функция немного отличается от первоначальной модели эхолота, получили другие термины.

Чистое местоположение

Сетевой эхолот - это эхолот с датчиком, установленным на заголовке сети, а не на дне судна. Тем не менее, чтобы приспособить расстояние от преобразователя до блока дисплея, которое намного больше, чем у обычного эхолота, необходимо сделать несколько уточнений. Доступны два основных типа. Первый - это тип кабеля, в котором сигналы передаются по кабелю. В этом случае должен быть предусмотрен кабельный барабан, на котором можно тянуть, стрелять и укладывать кабель на различных этапах работы. Второй тип - это бескабельные эхолоты, такие как Trawl Explorer от Marport, в которых сигналы передаются акустически между сетью и установленным на корпусе приемником-гидрофоном на судне. В этом случае не требуется кабельный барабан, но требуется сложная электроника на датчике и приемнике.

Дисплей на чистом эхолот показывает расстояние сетки от дна (или поверхности), а не глубина воды , как с эхолот в корпусе монтаж датчика . Прикрепленный к заголовку сети, обычно можно увидеть подножку, которая указывает на эффективность сети. Также можно увидеть любую рыбу, попадающую в сеть, что позволяет произвести точную настройку, чтобы поймать как можно больше рыбы. В других промыслах, где важно количество рыбы в сети, датчики улова устанавливаются в различных местах на конце сети для трески. Когда конец трески заполняется, эти датчики датчика улова срабатывают один за другим, и эта информация акустически передается на мониторы на мостике судна. Затем капитан может решить, когда тянуть сеть.

Современные версии эхолота, использующего несколько преобразователей, работают больше как сонар, чем эхолот, и показывают срезы области перед сетью, а не только вертикальный вид, который использовался в первоначальных эхолотах.

Гидролокатор - это эхолот с возможностью определения направления, который может отображать рыбу или другие объекты вокруг судна.

ROV и UUV

Небольшие гидролокаторы были установлены на дистанционно управляемые аппараты (ROV) и беспилотные подводные аппараты (UUV), чтобы они могли работать в темных условиях. Эти гидролокаторы используются для наблюдения за автомобилем. Система долгосрочной разведки шахт - это БНПА для целей MCM.

Местонахождение автомобиля

Гидролокаторы, которые действуют как маяки, устанавливаются на самолетах для определения их местоположения в случае крушения в море. Для определения местоположения могут использоваться гидролокаторы с короткой и длинной базой, например, LBL .

Протез для слабовидящих

В 2013 году изобретатель из США представил боди с «паучьим чутьем», оснащенное ультразвуковыми датчиками и системами тактильной обратной связи , которые предупреждают пользователя о приближающихся угрозах; позволяя им реагировать на нападающих даже с завязанными глазами.

Научные приложения

Оценка биомассы

Обнаружение рыб и других морских и водных организмов и оценка их индивидуальных размеров или общей биомассы с использованием активных методов сонара. Когда звуковой импульс проходит через воду, он сталкивается с объектами, плотность или акустические характеристики которых отличаются от окружающей среды, например, рыбы, которые отражают звук обратно к источнику звука. Эти эхо-сигналы предоставляют информацию о размере, местонахождении, численности и поведении рыбы. Данные обычно обрабатываются и анализируются с помощью различных программ, таких как Echoview .

Измерение волн

Направленный вверх эхолот, установленный на дне или на платформе, может использоваться для измерения высоты и периода волны. Из этой статистики можно получить данные о состоянии поверхности в определенном месте.

Измерение скорости воды

Были разработаны специальные гидролокаторы ближнего действия, позволяющие измерять скорость воды.

Оценка нижнего типа

Были разработаны гидролокаторы, которые можно использовать для определения характеристик морского дна, например, на ил, песок и гравий. Относительно простые гидролокаторы, такие как эхолоты, могут быть продвинуты в системы классификации морского дна с помощью дополнительных модулей, преобразующих параметры эхолокации в тип отложений. Существуют разные алгоритмы, но все они основаны на изменении энергии или формы отраженных сигналов эхолота. Расширенный анализ классификации субстратов может быть выполнен с использованием калиброванных (научных) эхолотов и параметрического или нечетко-логического анализа акустических данных.

Батиметрическое картографирование

Графические изображающая промера судна проводящего многолучевые и боковой обзор операции эхолота

Гидролокаторы бокового обзора могут использоваться для построения карт топографии морского дна ( батиметрии ), перемещая гидролокатор по нему чуть выше дна. Низкочастотные гидролокаторы, такие как GLORIA , использовались для обследований континентального шельфа, в то время как высокочастотные гидролокаторы используются для более детальных обследований небольших территорий.

Поддонное профилирование

Для получения профилей верхних слоев дна океана были разработаны мощные низкочастотные эхолоты. Одним из последних устройств является параметрический SBP с несколькими преобразователями Innomar SES-2000 quattro, который используется, например, в заливе Пуцк для подводных археологических целей.

Обнаружение утечки газа с морского дна

Пузырьки газа могут вытекать с морского дна или вблизи него из нескольких источников. Они могут быть обнаружены как пассивным, так и активным сонаром (показаны на схематическом рисунке желтой и красной системами соответственно).

Активное (красный) и пассивный (желтый) гидролокатор обнаружения пузырьков с морского дна (естественные просачивания и утечки CCSF) и газопроводов, взятых из исх.

Происходит естественная утечка метана и углекислого газа. Газопроводы могут протекать, и важно иметь возможность определить, происходит ли утечка из объектов улавливания и хранения углерода (CCSF; например, истощенные нефтяные скважины, в которых хранится извлеченный атмосферный углерод). Количественная оценка количества утечки газа затруднена, и хотя оценки могут быть сделаны с использованием активного и пассивного гидролокатора, важно подвергнуть сомнению их точность из-за допущений, присущих таким расчетам на основе данных гидролокатора.

Эхолот с синтетической апертурой

В лаборатории были созданы различные гидролокаторы с синтезированной апертурой, и некоторые из них уже используются в системах поиска мин и мин. Объяснение их работы дается в гидролокаторе с синтезированной апертурой .

Параметрический сонар

Параметрические источники используют нелинейность воды для создания разности частот между двумя высокими частотами. Формируется виртуальный массив конечного огня. Такой проектор обладает такими преимуществами, как широкая полоса пропускания, узкая ширина луча, а при полной разработке и тщательном измерении у него нет явных боковых лепестков: см. Параметрическая матрица . Его главный недостаток - очень низкий КПД всего несколько процентов. П. Дж. Вестервельт резюмирует задействованные тенденции.

Сонар во внеземных условиях

Было предложено использовать как пассивный, так и активный сонар для различных внеземных целей. Пример использования активного сонара - определение глубины углеводородных морей на Титане. Пример использования пассивного сонара - обнаружение метановых осадков на Титане.

Было отмечено, что те предложения, которые предполагают использование гидролокатора без должного учета разницы между земной (атмосфера, океан, минералы) средой и внеземной средой, могут привести к ошибочным значениям.

Экологическое воздействие

Влияние на морских млекопитающих

Исследования показали, что использование активного сонара может привести к массовому выбросу морских млекопитающих на берег . Клювые киты , наиболее частая жертва высадки на берег , показали высокую чувствительность к среднечастотным активным сонарам. Другие морские млекопитающие, такие как синий кит, также убегают от источника эхолота, в то время как морская деятельность считается наиболее вероятной причиной массового выброса дельфинов на берег. ВМС США, которые частично финансировали некоторые исследования, заявили, что результаты показали только поведенческие реакции на сонар, а не фактический вред, но они «будут оценивать эффективность [своих] мер по защите морских млекопитающих в свете новых результатов исследований». . В постановлении Верховного суда США от 2008 года об использовании гидролокатора ВМС США отмечалось, что не было случаев, когда было бы убедительно доказано, что гидролокатор повредил или убил морское млекопитающее.

Некоторые морские животные, такие как киты и дельфины , используют системы эхолокации , иногда называемые биосонаром, для обнаружения хищников и добычи. Исследования воздействия сонара на синих китов в бухте Южной Калифорнии показывают, что использование среднечастотного сонара нарушает пищевое поведение китов. Это указывает на то, что вызванное гидролокатором нарушение питания и вытеснение из высококачественных кормовых участков может иметь значительные и ранее недокументированные воздействия на экологию кормодобывания усатого кита , индивидуальную приспособленность и здоровье популяции.

Обзор данных о массовых высадках клювовидных китов, связанных с военно-морскими учениями, в которых использовался гидролокатор, был опубликован в 2019 году. В нем сделан вывод о том, что воздействие среднечастотного активного сонара сильнее всего на клювовидных китов Кювье, но различается для разных людей или популяций. Обзор показал, что сила реакции отдельных животных может зависеть от того, подвергались ли они ранее воздействию сонара, и что симптомы декомпрессионной болезни были обнаружены у выброшенных на мель китов, что может быть результатом такой реакции на сонар. Он отметил, что на Канарских островах, где ранее сообщалось о нескольких высадках на берег, больше не происходило массовых высадок после того, как в этом районе были запрещены военно-морские учения, во время которых использовались гидролокаторы, и рекомендовал распространить запрет на другие районы, где продолжаются массовые высадки на берег. происходить.

Влияние на рыбу

Звуки эхолота высокой интенсивности могут вызвать небольшое временное изменение порога слышимости некоторых рыб.

Частоты и разрешения

Частоты сонаров варьируются от инфразвукового до мегагерца. Как правило, более низкие частоты имеют больший диапазон, в то время как более высокие частоты обеспечивают лучшее разрешение и меньший размер для данной направленности.

Для достижения разумной направленности частоты ниже 1 кГц обычно требуют большого размера, обычно достигаемого в виде буксируемых решеток.

Низкочастотные гидролокаторы в общих чертах определяют как 1–5 кГц, хотя некоторые военно-морские силы рассматривают 5–7 кГц также как низкую частоту. Средняя частота определяется как 5–15 кГц. Другой стиль деления предполагает, что низкая частота составляет менее 1 кГц, а средняя частота - от 1 до 10 кГц.

Американские гидролокаторы времен Второй мировой войны работали на относительно высокой частоте 20–30 кГц для достижения направленности с помощью относительно небольших датчиков, с типичным максимальным рабочим диапазоном 2500 ярдов. Послевоенные гидролокаторы использовали более низкие частоты для увеличения дальности; например, SQS-4 работал на частоте 10 кГц с диапазоном до 5000 ярдов. SQS-26 и SQS-53 работали на частоте 3 кГц с дальностью до 20 000 ярдов; их купола имели размер ок. 60-футовый катер для персонала, максимальный размер для обычных гидролокаторов корпуса. Достижение больших размеров с помощью конформной группы гидролокаторов, распределенных по корпусу, до сих пор не было эффективным, поэтому для более низких частот используются линейные или буксируемые группы.

Японские гидролокаторы времен Второй мировой войны работали в широком диапазоне частот. Тип 91 с 30-дюймовым кварцевым проектором работал на частоте 9 кГц. Тип 93 с кварцевыми проекторами меньшего размера работал на частоте 17,5 кГц (модель 5 - при магнитострикции 16 или 19 кГц) при мощности от 1,7 до 2,5 киловатт с дальностью действия до 6 км. Более поздний Тип 3 с магнитострикционными преобразователями немецкой конструкции работал на частотах 13, 14,5, 16 или 20 кГц (в зависимости от модели), используя сдвоенные преобразователи (за исключением модели 1, у которой было три одиночных), мощностью от 0,2 до 2,5 киловатт. В простом типе использовались магнитострикционные преобразователи 14,5 кГц на 0,25 кВт, управляемые емкостным разрядом вместо генераторов, с дальностью действия до 2,5 км.

Разрешение сонара угловое; объекты, расположенные дальше друг от друга, отображаются с более низким разрешением, чем ближайшие.

Другой источник перечисляет диапазоны и разрешения по сравнению с частотами для гидролокаторов бокового обзора. 30 кГц обеспечивает низкое разрешение с диапазоном 1000–6000 м, 100 кГц дает среднее разрешение на расстоянии 500–1000 м, 300 кГц дает высокое разрешение на расстоянии 150–500 м, а 600 кГц дает высокое разрешение на расстоянии 75–150 м. На гидролокаторы дальнего действия более неблагоприятно влияют неоднородности воды. Некоторые среды, как правило, мелководье у побережья, имеют сложный рельеф со многими особенностями; там становятся необходимы более высокие частоты.

Смотрите также

Пояснительные примечания

Цитаты

Общая библиография

  • Дринг, Томас Р. (март 2018 г.). «Крутая кривая обучения: влияние гидроакустических технологий, обучения и тактики на первые годы противолодочной войны ВМС США во Второй мировой войне». Военный корабль Интернэшнл . LV (январь 2018 г.): 37–57. ISSN  0043-0374 .
  • Хакманн, Виллем. Поиск и удар: сонар, противолодочная война и Королевский флот 1914–54 . Лондон: Канцелярия Ее Величества, 1984. ISBN  0-11-290423-8 .
  • Хакманн, Виллем Д. «Гидролокаторные исследования и морская война 1914–1954: пример науки двадцатого века» (требуется подписка) . Исторические исследования в физических и биологических науках 16 № 1 (январь 1986 г.) 83–110. DOI : 10.2307 / 27757558 .
  • Урик, RJ (1983). Принципы подводного звука (3-е издание). Лос-Альтос: издательство Peninsula. ISBN  9780932146625 . OCLC  1132503817 .

Справочные материалы по акустике рыболовства

дальнейшее чтение

  • "Canada: Stable Sonics" , Time , 28 октября 1946 г. Интересный отчет о 4800 гидроакустических устройствах ASDIC, тайно изготовленных в Casa Loma , Торонто , во время Второй мировой войны. Проверено 25 сентября 2009 года.
  • "Radar of the Deep - SONAR" , Popular Science , ноябрь 1945 г., стр. 84–87, 246, 250: одна из лучших статей для широкой публики на эту тему.

внешние ссылки