Přehled
Ačkoli jsou oba systémy založeny na dvou zásadně odlišných typech přenosu vln, jsou rádiové systémy RADAR (Radio Detection And Ranging) a SONAR (Sound Navigation and Ranging) systémy dálkového průzkumu Země s významným vojenským, vědeckým a komerčním využitím. RADAR vysílá elektromagnetické vlny, zatímco aktivní SONAR vysílá akustické (tj. zvukové) vlny. V obou systémech tyto vlny vracejí ozvěnu od určitých prvků nebo cílů, která umožňuje určit důležité vlastnosti a atributy cíle (tj. tvar, velikost, rychlost, vzdálenost atd.). Protože elektromagnetické vlny jsou ve vodě silně zeslabeny (zeslabeny), používají se signály RADAR většinou pro pozemní nebo atmosférická pozorování. Protože signály SONAR snadno pronikají vodou, jsou ideální pro navigaci a měření pod vodou.
Pozadí
Po stovky let se k detekci zvuku ve vodě používala nemechanická podvodní naslouchací zařízení (naslouchací trubice). Již v roce 1882 se švýcarský fyzik Daviel Colladen pokusil vypočítat rychlost zvuku ve známé hloubce Ženevského jezera.
Na základě fyzikálních poznatků o přenosu zvuku formulovaných anglickým fyzikem devatenáctého století lordem Rayleighem (1842-1914) a piezoelektrického jevu, který v roce 1915 objevil francouzský vědec Pierre Curie (1509-1906), vynalezl francouzský fyzik Paul Langevin (1872-1946) první systém určený k využití zvukových vln a akustické ozvěny v podvodním detekčním zařízení. Po katastrofě Titaniku Langevin a jeho kolega Constantin Chilowsky, ruský inženýr žijící v té době ve Švýcarsku, vyvinuli takzvaný „hydrofon“ jako mechanismus, který by lodím umožnil snadněji odhalit ledovce (naprostá většina ledovců zůstává pod hladinou oceánu). Podobné systémy byly okamžitě použity jako pomůcka pro podvodní navigaci ponorek.
Vylepšená elektronika umožnila výrobu značně zdokonalených poslechových a záznamových zařízení. Protože pasivní SONAR není v podstatě nic jiného než důmyslné záznamové a zesilovací zařízení, trpěly tyto systémy tím, že byly závislé na síle zvukového signálu přicházejícího od cíle. Přijaté signály nebo vlny bylo možné typizovat (tj. vztahovat ke konkrétním cílům) pro identifikační charakteristiky. Ačkoli v rukou zkušené a kvalifikované obsluhy bylo možné dosáhnout poměrně dobrých výsledků, odhady vzdálenosti, azimutu a relativního pohybu cílů byly mnohem méně přesné a správné než výsledky získané z aktivních systémů, pokud cíle nebyly velmi blízko – nebo nevydávaly velké množství hluku.
Hrozba ponorkové války během první světové války si vyžádala naléhavý vývoj SONARu a dalších prostředků pro detekci ozvěny. Vývoj akustického měniče, který převáděl elektrickou energii na zvukové vlny, umožnil rychlý pokrok v konstrukci a technologii SONAR v posledních letech války. Ačkoli byl aktivní SONAR vyvinut příliš pozdě na to, aby mohl být během první světové války výrazněji vyzkoušen, snaha o jeho vývoj přinesla obrovské technologické dividendy. Ne všechny pokroky se však omezily na vojenské použití. Po válce byla na paluby mnoha velkých francouzských zaoceánských lodí umístěna zařízení pro snímání ozvěny.
Během prvních bojů druhé světové války se Britský výbor pro detekci a vyšetřování ponorek (jeho zkratka ASDIC se stala názvem běžně používaným pro britské systémy SONAR) snažil vybavit každou loď britského loďstva pokročilými detekčními zařízeními. Použití ASDIC se ukázalo jako klíčové v britské snaze odrazit ničivé útoky německých ponorek jak na britské válečné lodě, tak na obchodní lodě zásobující ostrovní zemi municí a potravinami.
Zatímco na počátku dvacátého století pokračoval vývoj systému SONAR, byl vyvinut další systém dálkového průzkumu založený na lepším pochopení povahy a šíření elektromagnetického záření, kterého dosáhl skotský fyzik James Clerk Maxwell (1831-1879) v průběhu devatenáctého století.
Ve dvacátých a na počátku třicátých let 20. století skotský fyzik a meteorolog sir Robert Alexander Watson-Watt (1892-1973) úspěšně využíval krátkovlnné rádiové vysílání ke zjišťování směru blížících se bouřek. Další technika, kterou Watson-Watt a jeho kolegové z Britské výzkumné rádiové stanice používali, měřila výšku ionosféry (vrstva v horních vrstvách atmosféry, která může fungovat jako rádiový reflektor) vysíláním krátkých pulzů rádiových vln směrem vzhůru a následným měřením doby, za kterou se signály vrátily zpět na stanici. Protože rychlost rádiových vln byla dobře známa, umožňovala tato měření velmi přesné určení výšky odrazné vrstvy.
V roce 1935 přišel Watson-Watt na geniální nápad spojit tyto techniky určování směru a dosahu, a tím vynalezl RADAR. Watson-Watt sestrojil svůj první praktický přístroj RADAR v Ditton Parku.
Téměř okamžitě se úředníci Královského ministerstva letectví zeptali Watsona-Watta, zda by jeho přístroj mohl mít potenciál poškodit nebo sestřelit nepřátelské letadlo. Watson-Watt odpověděl, že vysílání rádiových vln je pro dosažení tohoto cíle příliš slabé. Přesto úředníkům ministerstva navrhl, že rádiová detekce je proveditelná. V roce 1935 Watson-Watt napsal dopis nazvaný „Detekce a lokalizace letadel pomocí rádiových metod“. Watson-Watt v něm pečlivě uvedl, že čtení slabého zpětného signálu z letadla by představovalo mnohem větší technický problém, než s jakým se setkal při svých meteorologických experimentech. Vysílaný signál musel být více než stokrát energičtější. Kromě toho by bylo třeba vyrobit citlivější přijímač a anténu.
Krátce poté, aniž by Watson-Watt a vědci ministerstva využili výhod zkušebního provozu, provedli experiment, který měl ověřit životaschopnost RADARu. Bylo zjištěno, že Watsonův-Wattův přístroj je schopen osvětlovat (tj. detekovat) letadla na vzdálenost až 13 km (8 mil). Během jednoho roku Watson-Watt zdokonalil svůj systém RADAR tak, že dokázal detekovat letadla na vzdálenost až 113 km (70 mil). Předválečná Británie Watson-Wattův vynález rychle využila pro vojenské účely a koncem roku 1938 byly na anglickém pobřeží rozmístěny primitivní systémy RADAR. Tyto stanice, schopné detekovat letadla bez ohledu na přízemní mlhu nebo mraky, měly hrát důležitou roli při odhalování blížících se nacistických letadel během druhé světové války.
Vývoj RADARu nebyl výhradní doménou Britů. Do vypuknutí druhé světové války vyvinuly nějakou formu systému RADAR všechny hlavní bojující strany. Na mnoha frontách měly být bitvy často ovlivňovány dramatickými hrami vědeckého a technického předhánění se v tom, co britský válečný premiér sir Winston Churchill nazval „válkou kouzelníků“. Watson-Watt se během války stal jedním z těchto čarodějů, když nastoupil na místo vědeckého poradce Královského ministerstva letectví.
Koncem války britské a americké ozbrojené síly vyvinuly řadu typů a aplikací RADARů, včetně leteckých záchytných (AI), vzduch-země (ASV), pozemně řízených záchytných (GCI) a různých zaměřovacích a sledovacích RADARů.
Bez ohledu na jejich použití cíle RADARů i SONARů rozptylují, odklánějí a odrážejí přicházející vlny. Tento rozptyl však není rovnoměrný – a ve většině případů se silná ozvěna obrazu šíří zpět k vysílači signálu podobně, jako může hladké zrcadlo odrážet světlo zpět v zrcadlovém směru. Síla zpětného signálu je rovněž charakteristická pro cíl a prostředí, v němž systémy pracují. Protože se jedná o elektromagnetické záření, vlny RADAR se šíří atmosférou rychlostí světla (ve vzduchu). Vlny SONAR (kompresní vlny) se pohybují vodou mnohem pomaleji – rychlostí zvuku. Měřením doby, za kterou se signály dostanou k cíli a vrátí se zpět s ozvěnou, jsou systémy RADAR i SONAR schopny přesně určit vzdálenost k cíli.
V rámci svých oblastí mohou RADAR i SONAR spolehlivě pracovat v nejrůznějších nepříznivých podmínkách a rozšířit tak možnosti lidského snímání.
Vliv
V důsledku válečného úspěchu RADARu vědci a inženýři rychle hledali nové aplikace těchto systémů. Přínos pro meteorologii byl zřejmý.
Technologie RADAR vyvinutá během první světové války měla také dramatický dopad na začínající vědu radioastronomii. Během války britský důstojník J. S. Hey správně určil, že Slunce je silným zdrojem rádiového vysílání. Hey na to přišel při zkoumání příčin celosystémového rušení britské sítě RADAR, které nebylo možné přičíst nepřátelské činnosti (Hey připisoval rádiové vysílání zvýšené aktivitě slunečních erupcí). Ačkoli byly během války drženy v tajnosti, britská RADARová zařízení a technologie se staly předchůdci moderních radioteleskopů, protože zaznamenávaly nebeský šum na pozadí a zároveň naslouchaly varovným signálům nepřátelské aktivity (např. raketovým útokům V-2).
Historické zásluhy o rozhodnost a dopad Churchillovy kouzelnické války zůstávají předmětem vášnivých diskusí. Sám Churchill popisoval bitvu o Británii jako do značné míry rozhodně vybojovanou a vyhranou bitvu „očima a ušima“. Bez ohledu na to je nesporné, že zařízení pro dálkový průzkum a sítě RADAR (pojmenované Chain High a Chain Low), které Britové použili, umožnily britským velitelům účinněji soustředit své vyzbrojené a vyzbrojené síly proti náporu nacistického letectva.
Ironicky vzato, druhá světová válka vyvolala konstrukční zlepšení v technologii SONAR, která položila základ pro rozvoj neinvazivních lékařských postupů, jako je ultrazvuk v poslední polovině dvacátého století. Technologie a techniky dálkového průzkumu založené na zvukovém a elektromagnetickém signálu se staly mocnými lékařskými nástroji, které lékařům umožnily stanovit přesnou diagnózu s minimálním zásahem do pacienta.
Přístroje dálkového průzkumu, jako jsou RADAR a SONAR, také umožňují vědcům, geologům a archeologům mapovat topografii a podpovrchové prvky na Zemi a na objektech ve sluneční soustavě. Čtení SONARu vedlo k pokroku v podvodní seismografii, která umožnila mapování oceánského dna a identifikaci nerostných a energetických zdrojů.
Systémy RADAR jsou důležitými součástmi moderního komerčního leteckého navigačního systému. Jeden z britských válečných vynálezů, identifikační systém IFF (Friend or Foe) RADAR, používaný k identifikaci a jednoznačnému označení letadel, je dodnes důležitou součástí systému řízení letového provozu.
K. LEE LERNER
Další literatura
Knihy
Cox, A.W. Sonar and Underwater Sound. Lexington, MA: Lexington Books, 1974.
Heppenheimer, T.A. Anti-Submarine Warfare: The Threat, The Strategy, The Solution. Arlington, VA: Pasha Publications Inc. 1989.
Holmes, J. Diagnostic Ultrasound: Historical Perspective. Mosby, 1974.
Národní výbor pro obranný výzkum. Principy a aplikace podvodního zvuku. Washington, D.C., 1976.
Rowe, A. One Story of Radar. Cambridge, Anglie: Cambridge University Press, 1948.
Watson-Watt, R.A. Three Steps to Victory. Odhams Press, 1957.