Áttekintés
A RADAR (Radio Detection And Ranging) és a SONAR (Sound Navigation and Ranging) két alapvetően különböző hullámátviteli módra épül, de mindkettő fontos katonai, tudományos és kereskedelmi alkalmazásokkal rendelkező távérzékelő rendszer. A RADAR elektromágneses hullámokat, míg az aktív SONAR akusztikus (azaz hang) hullámokat sugároz. Mindkét rendszerben ezek a hullámok bizonyos jellemzők vagy célpontok visszhangjait küldik vissza, amelyek lehetővé teszik a célpont fontos tulajdonságainak és jellemzőinek (pl. alak, méret, sebesség, távolság stb.) meghatározását. Mivel az elektromágneses hullámok erősen csillapodnak (csökkennek) a vízben, a RADAR-jeleket többnyire földi vagy légköri megfigyelésekhez használják. Mivel a SONAR jelek könnyen áthatolnak a vízen, ideálisak a víz alatti navigációra és mérésekre.
Háttér
A víz alatti hangok érzékelésére évszázadok óta használtak nem mechanikus víz alatti lehallgató eszközöket (lehallgatócsöveket). Daviel Colladen svájci fizikus már 1882-ben megpróbálta kiszámítani a hang sebességét a Genfi-tó ismert mélységében.
A XIX. századi angol fizikus, Lord Rayleigh (1842-1914) által megfogalmazott hangátvitel fizikájára és a Pierre Curie (1509-1906) francia tudós által 1915-ben felfedezett piezoelektromos hatásra alapozva Paul Langevin (1872-1946) francia fizikus feltalálta az első olyan rendszert, amelyet a hanghullámok és akusztikus visszhangok víz alatti érzékelőeszközben való felhasználására terveztek. A Titanic katasztrófája után Langevin és kollégája, Constantin Chilowsky, egy akkoriban Svájcban élő orosz mérnök kifejlesztette az általuk “hidrofonnak” nevezett eszközt, amellyel a hajók könnyebben észlelhetik a jéghegyeket (a jéghegyek túlnyomó többsége az óceán felszíne alatt marad). Hasonló rendszereket a tengeralattjárók víz alatti navigációs segédeszközeként azonnal használatba is vettek.
A továbbfejlesztett elektronika lehetővé tette a nagymértékben továbbfejlesztett lehallgató és rögzítő eszközök gyártását. Mivel a passzív SONAR lényegében nem más, mint egy bonyolult rögzítő és hangerősítő eszköz, ezek a rendszerek szenvedtek, mert a célpontból érkező hangjel erősségétől függtek. A kapott jeleket vagy hullámokat a jellemzők azonosítása érdekében tipizálni lehetett (azaz meghatározott célpontokhoz lehetett kapcsolni). Bár egy képzett és tapasztalt kezelő kezében elég jó eredményeket lehetett elérni, a célpontok távolságának, irányának és relatív mozgásának becslése sokkal kevésbé volt pontos és precíz, mint az aktív rendszerekkel kapott eredmények, kivéve, ha a célpontok nagyon közel voltak – vagy nagy zajt keltettek.
A tengeralattjáró-háború fenyegetése az első világháború alatt sürgőssé tette a SONAR és más visszhangérzékelő eszközök fejlesztését. Az elektromos energiát hanghullámokká alakító akusztikus átalakító kifejlesztése tette lehetővé a háború utolsó éveiben a SONAR tervezésének és technológiájának gyors fejlődését. Bár az aktív SONAR-t túl későn fejlesztették ki ahhoz, hogy az első világháború alatt nagymértékben kipróbálhassák, a fejlesztésének ösztönzése hatalmas technológiai hozadékot hozott. Nem minden előrelépés korlátozódott azonban a katonai felhasználásra. A háború után számos nagy, francia óceánjáró fedélzetén helyeztek el visszhangjelző berendezéseket.
A második világháború korai harcai során a brit tengeralattjáró-felderítő és -vizsgálati bizottság (rövidítése, ASDIC, a brit SONAR-rendszerekre általánosan alkalmazott elnevezés lett) erőfeszítéseket tett, hogy a brit flotta minden hajóját korszerű felderítő eszközökkel szerelje fel. Az ASDIC használata kulcsfontosságúnak bizonyult a német tengeralattjárók által a brit hadihajók és a szigetországot lőszerrel és élelemmel ellátó kereskedelmi hajók ellen irányuló káros támadások visszaverésére irányuló brit erőfeszítésekben.
Míg a huszadik század eleji SONAR-fejlesztések folytak, egy másik távérzékelési rendszert is kifejlesztettek, amely az elektromágneses sugárzás természetének és terjedésének James Clerk Maxwell (1831-1879) skót fizikus által a XIX. században elért jobb megértésén alapult.
A húszas években és a harmincas évek elején Sir Robert Alexander Watson-Watt (1892-1973) skót fizikus és meteorológus sikeresen használta a rövidhullámú rádióadásokat a közeledő zivatarok irányának észlelésére. Egy másik, Watson-Watt és kollégái által a Brit Rádiókutató Állomáson alkalmazott technika az ionoszféra (a felső légkör rádiótükörként működő rétege) magasságát mérte úgy, hogy rövid rádióhullám-impulzusokat küldött felfelé, majd megmérte, mennyi idő alatt érkeztek vissza a jelek az állomásra. Mivel a rádióhullámok sebessége jól ismert volt, a mérésekkel nagyon pontosan meg lehetett határozni a visszaverő réteg magasságát.
1935-ben Watson-Wattnak az a zseniális ötlete támadt, hogy kombinálja ezeket az irány- és távolságmérő technikákat, és ezzel feltalálta a RADAR-t. Watson-Watt Ditton Parkban megépítette első gyakorlati RADAR-készülékét.
A Királyi Légügyi Minisztérium tisztviselői szinte azonnal megkérdezték Watson-Wattot, hogy készüléke alkalmas lehet-e az ellenséges repülőgépek megrongálására vagy lelövésére. Watson-Watt azt válaszolta, hogy a rádióhullámok sugárzása túl gyenge ahhoz, hogy ezt a célt elérjék. Ettől függetlenül azt sugallta a minisztériumi tisztviselőknek, hogy a rádióérzékelés megvalósítható. 1935-ben Watson-Watt írt egy levelet “Repülőgépek észlelése és helymeghatározása rádiós módszerekkel” címmel. Watson-Watt gondosan kifejtette, hogy egy repülőgép gyenge visszatérő jelének leolvasása sokkal nagyobb mérnöki kihívást jelentene, mint amivel meteorológiai kísérletei során találkozott. A kiküldött jelnek több mint százszor nagyobb energiájúnak kellett lennie. Ezenkívül egy érzékenyebb vevőt és antennát kellett volna gyártani.
Röviddel ezután Watson-Watt és a minisztérium tudósai a próbaüzem előnyei nélkül kísérletet végeztek a RADAR életképességének tesztelésére. A Watson-Watts készülékről kiderült, hogy képes megvilágítani (azaz észlelni) a repülőgépeket akár 13 km (8 mérföld) távolságból is. Egy éven belül Watson-Watt továbbfejlesztette RADAR-rendszerét, így az akár 70 mi (113 km) távolságból is képes volt repülőgépeket észlelni. A háború előtti Nagy-Britannia gyorsan katonai használatba vette Watson-Watt találmányát, és 1938 végére kezdetleges RADAR-rendszerek tarkították az angol partokat. Ezek az állomások, amelyek a földi ködtől vagy felhőktől függetlenül képesek voltak észlelni a repülőgépeket, fontos szerepet játszottak a második világháború alatt a közeledő náci repülőgépek felderítésében.
A RADAR fejlesztése nem kizárólag a britek sajátja volt. A második világháború kitöréséig minden jelentős harcoló fél kifejlesztett valamilyen RADAR-rendszert. Sok fronton a csatákat gyakran a tudományos és technikai egykapuzás drámai játéka befolyásolta, amit Sir Winston Churchill brit háborús miniszterelnök “varázslóháborúnak” nevezett. A háború alatt Watson-Watt egyike lett ezeknek a varázslóknak, mivel a Királyi Légügyi Minisztérium tudományos tanácsadói posztját töltötte be.
A háború végére a brit és az amerikai erők számos RADAR-típust és alkalmazást fejlesztettek ki, beleértve a légi elfogó (AI), a levegő-föld hajó (ASV), a földi irányítású elfogó (GCI) és a különböző lövegcélzó és -követő RADAR-okat.
Az alkalmazástól függetlenül mind a RADAR, mind a SONAR célpontok szórják, eltérítik és visszaverik a beérkező hullámokat. Ez a szórás azonban nem egyenletes – és a legtöbb esetben a kép erős visszhangja terjed vissza a jeladó felé, hasonlóan ahhoz, ahogyan egy sima tükör is visszaveri a fényt a tükrözés irányában. A visszatérő jel erőssége szintén jellemző a célpontra és a környezetre, amelyben a rendszerek működnek. Mivel elektromágneses sugárzásról van szó, a RADAR-hullámok a légkörben (levegőben) fénysebességgel terjednek. A SONAR-hullámok (kompressziós hullámok) sokkal lassabb sebességgel – a hangsebességgel – haladnak a vízben. Azáltal, hogy mérik azt az időt, amely alatt a jelek eljutnak a célpontig és visszhangként térnek vissza, mind a RADAR, mind a SONAR rendszerek képesek pontosan meghatározni a célpontok távolságát.
A saját területükön mind a RADAR, mind a SONAR képes megbízhatóan működni a legkülönfélébb kedvezőtlen körülmények között, hogy kiterjesszék az emberi érzékelési képességeket.
Impact
A RADAR háborús sikerének eredményeképpen a tudósok és mérnökök gyorsan új alkalmazási lehetőségeket kerestek az ilyen rendszereknek. A meteorológiai tudomány számára az előnyök nyilvánvalóak voltak.
Az első világháború alatt kifejlesztett RADAR-technológia drámai hatással volt a rádiócsillagászat születőben lévő tudományára is. A háború alatt J.S. Hey brit tiszt helyesen állapította meg, hogy a Nap a rádióadások erőteljes forrása. Hey ezt akkor fedezte fel, amikor a brit RADAR-hálózat egész rendszerre kiterjedő zavarásának okait vizsgálta, amelyet nem lehetett ellenséges tevékenységnek tulajdonítani (Hey a rádiósugárzást a fokozott napkitörési aktivitásnak tulajdonította). Bár a háború alatt titokban tartották, a brit RADAR-berendezések és -technológia a modern rádióteleszkópok előfutáraivá váltak, mivel rögzítették az égi háttérzajokat, miközben az ellenséges tevékenység árulkodó jeleit (pl. V-2 rakétatámadások) figyelték.
A Churchill varázslóháborújának határozottságát és hatását illető történelmi érdemek továbbra is hevesen vitatottak. Maga Churchill úgy jellemezte az angliai csatát, mint nagyrészt “szemmel és füllel” döntően megvívott és megnyert csatát. Ettől függetlenül vitathatatlan, hogy a britek által alkalmazott távérzékelő eszközök és RADAR-hálózatok (Chain High és Chain Low néven) lehetővé tették a brit parancsnokok számára, hogy hatékonyabban összpontosítsák a náci légi támadással szemben a túlerőben lévő, tüzérséggel és emberekkel túlerőben lévő erőiket.
A második világháború olyan tervezési fejlesztéseket indukált a SONAR technológiában, amelyek a huszadik század utolsó felében megalapozták a nem invazív orvosi eljárások, például az ultrahang fejlesztését. A hang- és elektromágneses jeleken alapuló távérzékelési technológiák és technikák nagy teljesítményű orvosi eszközökké váltak, amelyek lehetővé tették az orvosok számára, hogy pontos diagnózist állítsanak fel a beteg számára minimális beavatkozással.
A távérzékelési eszközök, mint a RADAR és a SONAR, a tudósok, geológusok és régészek számára is lehetővé teszik a Föld és a Naprendszeren belüli objektumok topográfiájának és felszín alatti jellemzőinek feltérképezését. A SONAR leolvasásai vezettek a víz alatti szeizmográfia fejlődéséhez, amely lehetővé tette az óceánok fenekének feltérképezését, valamint az ásványi és energiaforrások azonosítását.
A RADAR-rendszerek a modern kereskedelmi léginavigációs rendszer kritikus elemei. Az egyik brit háborús találmány, az IFF (Identification Friend or Foe) RADAR, amelyet a repülőgépek azonosítására és egyedi megjelölésére használtak, ma is fontos eleme a légiforgalmi irányító rendszernek.
K. LEE LERNER
További olvasmányok
Könyvek
Cox, A.W. Sonar and Underwater Sound. Lexington, MA: Lexington Books, 1974.
Heppenheimer, T.A. Anti-Sub-Smarine Warfare: The Threat, The Strategy, The Solution. Arlington, VA: Pasha Publications Inc., 1989.
Holmes, J. Diagnostic Ultrasound: Ultrahangvizsgálat: Történelmi perspektíva. Mosby, 1974.
National Defense Research Committee. A víz alatti hangzás alapelvei és alkalmazásai. Washington, D.C., 1976.
Rowe, A. One Story of Radar. Cambridge, Anglia: Cambridge University Press, 1948.
Watson-Watt, R.A. Three Steps to Victory. Odhams Press, 1957.