Overblik
Selv om de er baseret på to fundamentalt forskellige typer af bølgetransmission, er Radio Detection And Ranging (RADAR) og Sound Navigation and Ranging (SONAR) begge fjerndetekteringssystemer med vigtige militære, videnskabelige og kommercielle anvendelser. RADAR udsender elektromagnetiske bølger, mens aktiv SONAR sender akustiske (dvs. lyd) bølger. I begge systemer returnerer disse bølger ekkoer fra visse elementer eller mål, som gør det muligt at bestemme vigtige egenskaber og attributter ved målet (f.eks. form, størrelse, hastighed, afstand osv.). Da elektromagnetiske bølger svækkes kraftigt i vand, anvendes RADAR-signaler hovedsagelig til observationer på jorden eller i atmosfæren. Da SONAR-signaler let gennemtrænger vand, er de ideelle til navigation og måling under vand.
Baggrund
I hundredvis af år har man brugt ikke-mekaniske undervandslytteapparater (lytterør) til at registrere lyd i vand. Allerede i 1882 forsøgte den schweiziske fysiker Daviel Colladen at beregne lydhastigheden i de kendte dybder i Genevesøen.
Med udgangspunkt i den fysik om lydtransmission, der blev formuleret af den engelske fysiker Lord Rayleigh (1842-1914) fra det 19. århundrede, og den piezoelektriske effekt, der blev opdaget af den franske videnskabsmand Pierre Curie (1509-1906) i 1915, opfandt den franske fysiker Paul Langevin (1872-1946) det første system, der var beregnet til at udnytte lydbølger og akustiske ekkoer i en undervandsdetektionsanordning. I kølvandet på Titanic-katastrofen udviklede Langevin og hans kollega Constantin Chilowsky, en russisk ingeniør, der dengang boede i Schweiz, det, de kaldte en “hydrofon” som en mekanisme, der skulle gøre det lettere for skibe at opdage isbjerge (størstedelen af isbjerge forbliver under havets overflade). Lignende systemer blev straks taget i brug som hjælp til undervandsnavigation for ubåde.
Den forbedrede elektronik gjorde det muligt at fremstille stærkt forbedrede lytte- og optageapparater. Da passiv SONAR i bund og grund ikke er andet end en udførlig optagelses- og lydforstærkningsanordning, led disse systemer under, at de var afhængige af styrken af det lydsignal, der kom fra målet. De modtagne signaler eller bølger kunne typebestemmes (dvs. relateres til specifikke mål) med henblik på identifikation af karakteristika. Selv om man kunne opnå ganske gode resultater i hænderne på en dygtig og erfaren operatør, var skøn over afstand, pejling og målets relative bevægelse langt mindre præcise og nøjagtige end de resultater, der blev opnået med aktive systemer, medmindre målene var meget tæt på – eller lavede meget støj.
Truslen fra ubådskrig under 1. verdenskrig gjorde det presserende at udvikle SONAR og andre midler til ekkodetektion. Udviklingen af den akustiske transducer, der konverterede elektrisk energi til lydbølger, muliggjorde de hurtige fremskridt inden for SONAR-design og -teknologi i løbet af krigens sidste år. Selv om aktiv SONAR blev udviklet for sent til at blive sat på prøve under 1. Verdenskrig, gav udviklingen af denne teknologi enorme teknologiske fordele. Ikke alle fremskridt var imidlertid begrænset til militær brug. Efter krigen blev der anbragt ekkolydsudstyr om bord på mange store, franske oceangående skibe.
Under de første kampe under 2. Verdenskrig gjorde den britiske Anti-Submarine Detection and Investigation Committee (dens akronym, ASDIC, blev et almindeligt anvendt navn for britiske SONAR-systemer) en indsats for at udstyre alle skibe i den britiske flåde med avanceret detektionsudstyr. Brugen af ASDIC viste sig at være afgørende i den britiske indsats for at afværge tyske ubådes skadelige angreb på både britiske krigsskibe og handelsskibe, der forsynede ø-nationen med ammunition og fødevarer.
Mens udviklingen af SONAR i begyndelsen af det 20. århundrede fortsatte, blev der udviklet et andet system til telemåling baseret på den forbedrede forståelse af elektromagnetisk strålings natur og udbredelse, som den skotske fysiker James Clerk Maxwell (1831-1879) opnåede i løbet af det 19. århundrede.
I 1920’erne og begyndelsen af 1930’erne brugte den skotske fysiker og meteorolog Sir Robert Alexander Watson-Watt (1892-1973) med succes kortbølget radiotransmissioner til at registrere retningen af tordenvejr, der nærmer sig. En anden teknik, der blev anvendt af Watson-Watt og hans kolleger på British Radio Research Station, målte højden af ionosfæren (et lag i den øvre atmosfære, der kan fungere som radioreflektor) ved at sende korte impulser af radiobølger opad og derefter måle den tid, det tog for signalerne at vende tilbage til stationen. Da radiobølgernes hastighed var veletableret, gav målingerne meget nøjagtige bestemmelser af højden af det reflekterende lag.
I 1935 fik Watson-Watt den geniale idé at kombinere disse retnings- og afstandsbestemmelsesteknikker, og dermed opfandt han RADAR. Watson-Watt byggede sit første praktiske RADAR-apparat i Ditton Park.
Næsten straks spurgte embedsmænd i Royal Air Ministry Watson-Watt, om hans apparat kunne have potentiale til at beskadige eller nedskyde fjendtlige fly. Watson-Watt svarede, at radiobølgetransmissioner var alt for svage til at opnå dette formål. Ikke desto mindre foreslog han ministeriets embedsmænd, at radiodetektion var mulig. I 1935 skrev Watson-Watt et brev med titlen “Detection and Location of Aircraft by Radio Methods”. Watson-Watt redegjorde omhyggeligt for, at det ville være en langt større teknisk udfordring at aflæse det svage retursignal fra et fly, end han havde mødt i sine meteorologiske eksperimenter. Det signal, der blev sendt, skulle være mere end hundrede gange mere energisk. Desuden skulle der fremstilles en mere følsom modtager og en mere følsom antenne.
Kort tid efter gennemførte Watson-Watt og videnskabsfolk fra ministeriet et eksperiment for at afprøve RADAR’s levedygtighed uden at have haft mulighed for en prøvekørsel. Watson-Watts apparat viste sig at være i stand til at belyse (dvs. opdage) fly i en afstand på op til 13 km (8 mi). I løbet af et år forbedrede Watson-Watt sit RADAR-system, så det kunne registrere fly på afstande på op til 113 km (70 mi). Storbritannien under førkrigstiden tog hurtigt Watson-Watts opfindelse i militær brug, og ved udgangen af 1938 var der primitive RADAR-systemer overalt på den engelske kyst. Disse stationer, der kunne registrere fly uanset tåge eller skyer på jorden, kom til at spille en vigtig rolle i forbindelse med registreringen af nazistiske fly, der nærmede sig under 2. verdenskrig.
Den britiske udvikling af RADAR var ikke den eneste britiske. Ved udbruddet af Anden Verdenskrig havde alle de store kombattanter udviklet en eller anden form for RADAR-system. På mange fronter kom kampene ofte til at blive påvirket af dramatiske spil om videnskabelig og teknisk overlegenhed i det, som den britiske premierminister Sir Winston Churchill på krigstid kaldte “troldmandskrigen”. Under krigen blev Watson-Watt en af disse troldmænd, da han blev videnskabelig rådgiver for det kongelige luftfartsministerium.
Ved krigens slutning havde de britiske og amerikanske styrker udviklet en række RADAR-typer og -anvendelser, herunder luftinterception (AI), luft-til-overflade fartøj (ASV), GroundControlled Interception (GCI) og forskellige kanonsigte- og sporings-RADAR’er.
Uanset hvilken anvendelse de har, spreder, afbøjer og reflekterer både RADAR- og SONAR-mål indkommende bølger. Denne spredning er imidlertid ikke ensartet – og i de fleste tilfælde spredes et kraftigt ekko af billedet tilbage til signalgiveren på samme måde, som et glat spejl kan reflektere lys tilbage i spejlretningen. Styrken af det tilbagevendende signal er også karakteristisk for målet og det miljø, som systemerne opererer i. Da RADAR-bølger er elektromagnetiske stråler, bevæger de sig gennem atmosfæren med lysets hastighed (i luft). SONAR-bølger (kompressionsbølger) bevæger sig gennem vand med en meget langsommere hastighed – lydhastigheden. Ved at måle den tid, det tager for signalerne at bevæge sig til målet og vende tilbage med ekkoer, er både RADAR- og SONAR-systemer i stand til præcist at bestemme afstanden til deres mål.
Inden for deres respektive områder kan både RADAR og SONAR fungere pålideligt under en lang række forskellige ugunstige forhold for at udvide menneskets sansekapacitet.
Impact
Som følge af RADAR’s succes i krigstiden søgte forskere og ingeniører hurtigt nye anvendelser for sådanne systemer. Fordelene for den meteorologiske videnskab var indlysende.
RADAR-teknologi, der blev udviklet under Første Verdenskrig, havde også en dramatisk indvirkning på den spirende videnskab om radioastronomi. Under krigen fastslog den britiske officer J.S. Hey korrekt, at solen var en kraftig kilde til radiotransmissioner. Hey opdagede dette, mens han undersøgte årsagerne til den systemdækkende blokering af det britiske RADAR-net, som ikke kunne tilskrives fjendtlig aktivitet (Hey tilskrev radioudsendelsen øget soludladningsaktivitet). Selv om de britiske RADAR-installationer og -teknologi blev hemmeligholdt under krigen, blev de britiske RADAR-installationer og -teknologi forløbere for moderne radioteleskoper, da de registrerede himmelske baggrundsstøj, mens de lyttede efter afslørende tegn på fjendtlig aktivitet (f.eks. V-2-raketangreb).
Den historiske kredit, der gives til Churchills troldmandskrigs beslutsomhed og virkning, er fortsat stærkt omdiskuteret. Churchill selv beskrev slaget om England som i høj grad et slag, der blev udkæmpet og vundet afgørende med “øjne og ører”. Uanset hvad er det ubestrideligt, at de fjernsøgningsanordninger og RADAR-netværk (kaldet Chain High og Chain Low), som briterne benyttede, gjorde det muligt for de britiske kommandanter at koncentrere deres underlegne og udmanøvrerede styrker mere effektivt mod nazisternes luftangreb.
Ironisk set medførte Anden Verdenskrig designforbedringer i SONAR-teknologien, der lagde grunden til udviklingen af ikke-invasive medicinske procedurer som f.eks. ultralyd i sidste halvdel af det 20. århundrede. Lyd- og elektromagnetiske signalbaserede fjernsøgningsteknologier og -teknikker blev kraftfulde medicinske værktøjer, der gjorde det muligt for læger at stille nøjagtige diagnoser med et minimum af indgreb i patienten.
Fjernsøgningsværktøjer som RADAR og SONAR gør det også muligt for forskere, geologer og arkæologer at kortlægge topografi og undergrundsforhold på Jorden og på objekter i solsystemet. SONAR-aflæsninger førte til fremskridt inden for undervandsseismografi, som gjorde det muligt at kortlægge havbunden og identificere mineral- og energiressourcer.
RADAR-systemer er kritiske komponenter i det moderne kommercielle luftnavigationssystem. En britisk opfindelse fra krigstiden, Identification Friend or Foe (IFF) RADAR, der bruges til at identificere og entydigt mærke fly, er stadig en vigtig komponent i flyvekontrolsystemet.
K. LEE LERNER
Videre læsning
Bøger
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: Historisk perspektiv. Mosby, 1974.
National Defense Research Committee. Principles and Applications of Underwater Sound (Principper og anvendelser af undervandslyd). Washington, D.C., 1976.
Rowe, A. One Story of Radar. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1948.
Watson-Watt, R.A. Three Steps to Victory. Odhams Press, 1957.