Yleiskatsaus
Radiohavainnointi- ja etäisyysmittaus (RADAR) ja ääninavigointi- ja etäisyysmittaus (SONAR) ovat molemmat kaukokartoitusjärjestelmiä, joilla on tärkeitä sotilaallisia, tieteellisiä ja kaupallisia sovelluksia. RADAR lähettää sähkömagneettisia aaltoja, kun taas aktiivinen SONAR lähettää akustisia (eli ääni-) aaltoja. Molemmissa järjestelmissä nämä aallot palauttavat kaikuja tietyistä piirteistä tai kohteista, joiden avulla voidaan määrittää kohteen tärkeitä ominaisuuksia ja ominaisuuksia (esim. muoto, koko, nopeus, etäisyys jne.). Koska sähkömagneettiset aallot vaimenevat (vähenevät) voimakkaasti vedessä, RADAR-signaaleja käytetään useimmiten maasta tai ilmakehästä tehtäviin havaintoihin. Koska SONAR-signaalit läpäisevät helposti veden, ne soveltuvat erinomaisesti navigointiin ja mittauksiin veden alla.
Tausta
Satojen vuosien ajan ei-mekaanisia vedenalaisia kuuntelulaitteita (kuunteluputkia) on käytetty äänen havaitsemiseen vedessä. Jo vuonna 1882 sveitsiläinen fyysikko Daviel Colladen yritti laskea äänen nopeuden Genevenjärven tunnetuissa syvyyksissä.
1900-luvun englantilaisen fyysikon Lord Rayleigh’n (1842-1914) artikuloiman äänen siirtymisen fysiikan ja ranskalaisen tiedemiehen Pierre Curien (1509-1906) vuonna 1915 havaitseman pietsosähköisen vaikutuksen perusteella ranskalainen fyysikko Paul Langevin (1872-1946) keksi ensimmäisen järjestelmän, joka oli suunniteltu hyödyntämään ääniaaltoja ja akustisia kaikuja vedenalaisessa havaitsemislaitteessa. Titanicin onnettomuuden jälkeen Langevin ja hänen kollegansa Constantin Chilowsky, venäläinen insinööri, joka asui tuolloin Sveitsissä, kehittivät niin sanotun ”hydrofonin”, jonka avulla alukset pystyisivät havaitsemaan jäävuoret helpommin (suurin osa jäävuorista jää meren pinnan alle). Samankaltaiset järjestelmät otettiin välittömästi käyttöön sukellusveneiden vedenalaisen navigoinnin apuvälineenä.
Elektroniikan kehittyminen mahdollisti huomattavasti parempien kuuntelu- ja tallennuslaitteiden valmistuksen. Koska passiivinen SONAR on pohjimmiltaan pelkkä monimutkainen tallennus- ja äänenvahvistuslaite, nämä järjestelmät kärsivät, koska ne olivat riippuvaisia kohteesta tulevan äänisignaalin voimakkuudesta. Vastaanotetut signaalit tai aallot voitiin tyypitellä (eli liittää tiettyihin kohteisiin) tunnistettavien ominaisuuksien saamiseksi. Vaikka ammattitaitoisen ja kokeneen operaattorin käsissä saatiin varsin hyviä tuloksia, arviot kohteiden etäisyydestä, suunnasta ja suhteellisesta liikkeestä olivat paljon epätarkempia ja epätarkempia kuin aktiivisten järjestelmien avulla saadut tulokset, elleivät kohteet olleet hyvin lähellä – tai pitäneet paljon melua.
Sukellusvenesodan uhka ensimmäisen maailmansodan aikana teki kiireelliseksi SONAR:n ja muiden kaikuluotainten havaitsemiskeinojen kehittämisen. Sähköenergiaa ääniaalloiksi muuttavan akustisen muuntimen kehittäminen mahdollisti SONAR-suunnittelun ja -tekniikan nopean edistymisen sodan viimeisinä vuosina. Vaikka aktiivinen SONAR kehitettiin liian myöhään, jotta sitä olisi voitu testata ensimmäisen maailmansodan aikana, sen kehittämisen vauhdittaminen tuotti valtavia teknologisia etuja. Kaikki edistysaskeleet eivät kuitenkaan rajoittuneet sotilaskäyttöön. Sodan jälkeen kaikuluotainlaitteita sijoitettiin moniin suuriin ranskalaisiin valtamerilaivoihin.
Toisen maailmansodan alkutaistelujen aikana Ison-Britannian sukellusveneiden havaitsemis- ja tutkimuskomitea (sen lyhenne ASDIC tuli yleisesti käytetyksi nimeksi Ison-Britannian SONAR-järjestelmille) pyrki varustamaan kaikki Ison-Britannian laivaston alukset edistyksellisillä havaintolaitteilla. ASDIC:n käyttö osoittautui ratkaisevan tärkeäksi Ison-Britannian pyrkimyksissä torjua saksalaisten sukellusveneiden vahingolliset hyökkäykset sekä brittiläisiä sotalaivoja että kauppalaivoja vastaan, jotka pitivät saarivaltion varustettuna ampumatarvikkeilla ja elintarvikkeilla.
Kahdennenkymmenennen vuosisadan alun SONAR-kehitystyön edetessä kehitettiin toinenkin kaukokartoitusjärjestelmä, joka perustui skotlantilaisen fyysikon James Clerk Maxwellin (1831-1879) 1800-luvun aikana saavuttamaan parempaan ymmärrykseen sähkömagneettisen säteilyn luonteesta ja etenemisestä.
1920-luvulla ja 1930-luvun alussa skotlantilainen fyysikko ja meteorologi Sir Robert Alexander Watson-Watt (1892-1973) käytti menestyksekkäästi lyhytaaltoradiolähetyksiä havaitakseen lähestyvien ukkosmyrskyjen suunnan. Watson-Watt ja hänen kollegansa brittiläisellä radiotutkimusasemalla käyttivät toista tekniikkaa, jolla mitattiin ionosfäärin (yläilmakehän kerros, joka voi toimia radioheijastimena) korkeutta lähettämällä lyhyitä radioaaltopulsseja ylöspäin ja mittaamalla sitten aika, joka kului signaalien palaamiseen asemalle. Koska radioaaltojen nopeus oli hyvin vakiintunut, mittaukset antoivat erittäin tarkat tiedot heijastavan kerroksen korkeudesta.
Vuonna 1935 Watson-Watt sai nerokkaan idean yhdistää nämä suunnan- ja etäisyydenmääritystekniikat, ja näin hän keksi RADARin. Watson-Watt rakensi ensimmäisen käytännöllisen RADAR-laitteensa Ditton Parkissa.
Kuninkaallisen ilmaministeriön virkamiehet kysyivät Watson-Wattilta lähes välittömästi, voisiko hänen laitteellaan mahdollisesti vahingoittaa tai pudottaa viholliskoneita. Watson-Watt vastasi, että radioaaltolähetykset olivat aivan liian heikkoja tämän tavoitteen saavuttamiseksi. Siitä huolimatta hän ehdotti ministeriön virkamiehille, että radiohavainnointi olisi mahdollista. Vuonna 1935 Watson-Watt kirjoitti kirjeen otsikolla ”Ilma-alusten havaitseminen ja paikantaminen radiomenetelmin”. Watson-Watt esitti huolellisesti, että lentokoneen heikon paluusignaalin lukeminen olisi paljon suurempi tekninen haaste kuin hänen meteorologisissa kokeissaan. Lähetettävän signaalin oli oltava yli sata kertaa voimakkaampi. Lisäksi olisi valmistettava herkempi vastaanotin ja antenni.
Pian tämän jälkeen Watson-Watt ja ministeriön tiedemiehet tekivät kokeen RADARin käyttökelpoisuuden testaamiseksi ilman koeajoa. Watson-Wattsin laitteen todettiin kykenevän valaisemaan (eli havaitsemaan) lentokoneita jopa 13 kilometrin (8 mailin) etäisyydeltä. Vuoden kuluessa Watson-Watt paransi RADAR-järjestelmäänsä niin, että se pystyi havaitsemaan lentokoneet jopa 113 kilometrin (70 mi) etäisyydeltä. Sotaa edeltävässä Britanniassa Watson-Wattin keksintö otettiin nopeasti sotilaskäyttöön, ja vuoden 1938 loppuun mennessä Englannin rannikolla oli alkeellisia RADAR-järjestelmiä. Näillä asemilla, jotka pystyivät havaitsemaan lentokoneet maasumusta tai pilvistä huolimatta, oli tärkeä rooli lähestyvien natsikoneiden havaitsemisessa toisen maailmansodan aikana.
RADARin kehittäminen ei ollut yksinomaan brittien omaisuutta. Toisen maailmansodan alkuun mennessä kaikki tärkeimmät taisteluosapuolet olivat kehittäneet jonkinlaisen RADAR-järjestelmän. Monilla rintamilla taisteluihin vaikuttivat usein dramaattiset pelit tieteellisestä ja teknisestä yhdenvertaisuudesta siinä, mitä Britannian sota-ajan pääministeri Sir Winston Churchill kutsui ”velhosodaksi”. Sodan aikana Watson-Wattista tuli yksi näistä velhoista, kun hän ryhtyi kuninkaallisen ilmaministeriön tieteelliseksi neuvonantajaksi.
Sodan loppuun mennessä brittiläiset ja amerikkalaiset joukot olivat kehittäneet useita RADAR-tyyppejä ja -sovelluksia, mukaan lukien ilmasta käsin tapahtuva kuuntelu (AI), ilmasta pintaan (ASV), maasta käsin tapahtuva kuuntelu (GroundControlled Interception, GCI) ja erilaiset tykkien tähtäys- ja seurantasädelaitteet.
Sovelluskohteesta riippumatta sekä RADAR- että SONAR-kohteet sirottavat, poikkeuttavat ja heijastavat saapuvia aaltoja. Tämä sironta ei kuitenkaan ole tasaista – ja useimmissa tapauksissa kuvan voimakas kaiku leviää takaisin signaalilähettimeen samalla tavalla kuin sileä peili voi heijastaa valoa takaisin heijastussuunnassa. Paluusignaalin voimakkuus riippuu myös kohteesta ja ympäristöstä, jossa järjestelmät toimivat. Koska RADAR-aallot ovat sähkömagneettista säteilyä, ne kulkevat ilmakehän läpi valon nopeudella (ilmassa). SONAR-aallot (puristusaallot) kulkevat veden läpi paljon hitaammin – äänen nopeudella. Mittaamalla aikaa, jonka signaalit kulkevat kohteeseen ja palaavat kaikuina, sekä RADAR- että SONAR-järjestelmät pystyvät määrittämään tarkasti etäisyyden kohteisiinsa.
Kummallakin alallaan sekä RADAR- että SONAR-järjestelmät pystyvät toimimaan luotettavasti monenlaisissa epäsuotuisissa olosuhteissa ja laajentamaan näin ihmisen havaintokykyä.
Impact
RADAR-järjestelmien menestyksen seurauksena tutkijat ja insinöörit etsivät nopeasti uusia sovellutuksia tällaisille järjestelmille. Hyödyt meteorologiselle tieteelle olivat ilmeiset.
RADAR-teknologialla, joka kehitettiin ensimmäisen maailmansodan aikana, oli myös dramaattinen vaikutus aloittelevaan radioastronomian tieteeseen. Sodan aikana brittiläinen upseeri J.S. Hey totesi oikein, että aurinko oli voimakas radiolähteiden lähde. Hey havaitsi tämän tutkiessaan syitä brittiläisen RADAR-verkon koko järjestelmän laajuiseen häirintään, jonka ei voitu katsoa johtuvan vihollisen toiminnasta (Heyn mukaan radiolähetykset johtuivat lisääntyneestä auringonpurkausten aktiivisuudesta). Vaikka brittiläiset RADAR-laitteistot ja -tekniikka pidettiin sodan aikana salassa, niistä tuli nykyaikaisten radioteleskooppien edelläkävijöitä, sillä ne tallensivat taivaallista taustakohinaa ja kuuntelivat samalla vihollisen toiminnasta kertovia merkkejä (esim. V-2 -rakettihyökkäyksiä).
Historiallinen kunnia, joka Churchillin ohjatun sodan päättäväisyydelle ja vaikutukselle on annettu, on edelleen kiistelty kuumasti. Churchill itse kuvasi Britannian taistelua suurelta osin taisteluksi, joka käytiin ja voitettiin ratkaisevasti ”silmien ja korvien” avulla. Siitä huolimatta on kiistatonta, että brittien käyttämät kaukokartoituslaitteet ja RADAR-verkot (nimeltään Chain High ja Chain Low) mahdollistivat sen, että brittiläiset komentajat pystyivät keskittämään tehokkaammin alivoimaiset ja alimitoitetut joukkonsa natsien ilmahyökkäystä vastaan.
Ironisesti toinen maailmansota sai aikaan SONAR-teknologian suunnittelun parannuksia, jotka loivat perustan ei-invasiivisten lääketieteellisten menetelmien, kuten ultraäänen, kehitykselle 1900-luvun jälkimmäisellä puoliskolla. Ääni- ja sähkömagneettisiin signaaleihin perustuvista kaukokartoitustekniikoista ja -menetelmistä tuli tehokkaita lääketieteellisiä välineitä, joiden avulla lääkärit pystyivät tekemään tarkkoja diagnooseja potilasta mahdollisimman vähän rasittaen.
Kaukokartoitusvälineiden, kuten RADAR:n ja SONAR:n, avulla tiedemiehet, geologit ja arkeologit pystyvät myös kartoittamaan pinnanmuodostusta ja pinnanalaisia piirteitä Maapallolla ja Aurinkokunnan sisällä olevissa kohteissa. SONAR-lukemat johtivat edistykseen vedenalaisessa seismografiassa, joka mahdollisti merenpohjien kartoittamisen sekä mineraali- ja energiavarojen tunnistamisen.
RADAR-järjestelmät ovat nykyaikaisen kaupallisen lennonvarmistusjärjestelmän kriittisiä komponentteja. Eräs brittiläinen sota-ajan keksintö, IFF (Identification Friend or Foe) RADAR, jota käytettiin lentokoneiden tunnistamiseen ja yksilölliseen merkitsemiseen, on edelleen tärkeä osa lennonjohtojärjestelmää.
K. LEE LERNER
Lisälukemista
Kirjat
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.
National Defense Research Committee. Vedenalaisen äänen periaatteet ja sovellukset. Washington, D.C., 1976.
Rowe, A. One Story of Radar. Cambridge, Englanti: Cambridge University Press, 1948.
Watson-Watt, R.A. Three Steps to Victory. Odhams Press, 1957.