Overzicht
Hoewel zij berusten op twee fundamenteel verschillende soorten golfoverdracht, zijn Radio Detection And Ranging (RADAR) en Sound Navigation and Ranging (SONAR) allebei teledetectiesystemen met belangrijke militaire, wetenschappelijke en commerciële toepassingen. RADAR zendt elektromagnetische golven uit, terwijl actieve SONAR akoestische (d.w.z. geluids-) golven uitzendt. In beide systemen weerkaatsen deze golven de echo’s van bepaalde kenmerken of doelwitten, waardoor belangrijke eigenschappen en kenmerken van het doelwit (d.w.z. vorm, grootte, snelheid, afstand, enz.) kunnen worden bepaald. Omdat elektromagnetische golven in water sterk worden verzwakt (verminderd), worden RADAR-signalen meestal gebruikt voor waarnemingen op de grond of in de lucht. Omdat SONAR-signalen gemakkelijk door water dringen, zijn zij ideaal voor navigatie en metingen onder water.
Achtergronden
Honderden jaren lang werden niet-mechanische onderwaterluisterapparaten (luisterbuizen) gebruikt om geluid in water waar te nemen. Reeds in 1882 trachtte de Zwitserse natuurkundige Daviel Colladen de geluidssnelheid in de bekende diepten van het Meer van Genève te berekenen.
Op basis van de fysica van de geluidsoverdracht zoals uiteengezet door de negentiende-eeuwse Engelse natuurkundige Lord Rayleigh (1842-1914) en het piëzo-elektrisch effect dat in 1915 door de Franse wetenschapper Pierre Curie (1509-1906) werd ontdekt, vond de Franse natuurkundige Paul Langevin (1872-1946) het eerste systeem uit dat geluidsgolven en akoestische echo’s in een onderwaterdetectieapparaat moest gebruiken. In de nasleep van de ramp met de Titanic ontwikkelden Langevin en zijn collega Constantin Chilowsky, een Russische ingenieur die toen in Zwitserland woonde, een zogenaamde “hydrofoon” als mechanisme om schepen gemakkelijker ijsbergen te laten opsporen (het overgrote deel van een ijsberg blijft onder het oceaanoppervlak). Soortgelijke systemen werden onmiddellijk in gebruik genomen als hulpmiddel voor onderwaternavigatie door onderzeeërs.
Verbetering van de elektronica maakte de produktie mogelijk van sterk verbeterde luister- en opnameapparatuur. Omdat passieve SONAR in wezen niets anders is dan een uitgebreid opname- en geluidsversterkingstoestel, hadden deze systemen te lijden onder het feit dat zij afhankelijk waren van de sterkte van het geluidssignaal dat afkomstig was van het doelwit. De ontvangen signalen of golven konden worden getypeerd (d.w.z. in verband gebracht met specifieke doelen) voor het identificeren van kenmerken. Hoewel vrij goede resultaten konden worden verkregen in de handen van een bekwame en ervaren bediener, waren schattingen van afstand, peiling en relatieve beweging van doelen veel minder nauwkeurig en accuraat dan resultaten verkregen met actieve systemen, tenzij de doelen zeer dichtbij waren of veel lawaai maakten.
De dreiging van onderzeebootoorlogvoering tijdens WOI maakte de ontwikkeling van SONAR en andere middelen van echodetectie urgent. De ontwikkeling van de akoestische transducer die elektrische energie omzet in geluidsgolven maakte de snelle vooruitgang in SONAR ontwerp en technologie tijdens de laatste jaren van de oorlog mogelijk. Hoewel actieve SONAR te laat werd ontwikkeld om nog tijdens WO I op de proef te kunnen worden gesteld, heeft de impuls voor de ontwikkeling ervan enorme technologische dividenden opgeleverd. Niet alle vooruitgang bleef echter beperkt tot militair gebruik. Na de oorlog werden echoloodapparaten aan boord van veel grote Franse oceaanschepen geplaatst.
Tijdens de eerste gevechten van WO II deed het Britse Anti-Submarine Detection and Investigation Committee (de afkorting ASDIC werd een gebruikelijke naam voor Britse SONAR-systemen) pogingen om elk schip in de Britse vloot uit te rusten met geavanceerde opsporingsmiddelen. Het gebruik van ASDIC bleek van cruciaal belang bij de Britse inspanningen om schadelijke aanvallen van Duitse onderzeeërs af te slaan op zowel Britse oorlogsschepen als koopvaardijschepen die de eilandnatie van munitie en voedsel voorzagen.
Terwijl aan het begin van de twintigste eeuw SONAR-ontwikkelingen plaatsvonden, werd een ander systeem van teledetectie ontwikkeld, gebaseerd op het verbeterde inzicht in de aard en de voortplanting van elektromagnetische straling dat de Schotse natuurkundige James Clerk Maxwell (1831-1879) in de loop van de negentiende eeuw had verworven.
In de jaren twintig en begin jaren dertig maakte de Schotse natuurkundige en meteoroloog Sir Robert Alexander Watson-Watt (1892-1973) met succes gebruik van kortegolf-radio-uitzendingen om de richting van naderende onweersbuien te bepalen. Een andere techniek die Watson-Watt en zijn collega’s van het Britse Radio Research Station gebruikten, was het meten van de hoogte van de ionosfeer (een laag in de bovenste atmosfeer die als radioreflector kan fungeren) door korte pulsen radiogolven naar boven te zenden en vervolgens de tijd te meten die het duurde voordat de signalen bij het station terugkwamen. Omdat de snelheid van radiogolven goed was vastgesteld, leverden de metingen zeer nauwkeurige bepalingen op van de hoogte van de reflecterende laag.
In 1935 kwam Watson-Watt op het geniale idee om deze richting- en afstandsbepalingstechnieken te combineren, en daarmee vond hij RADAR uit. Watson-Watt bouwde zijn eerste praktische RADAR-apparaat in Ditton Park.
Al vrijwel onmiddellijk vroegen functionarissen van het Royal Air Ministry aan Watson-Watt of zijn apparaat de mogelijkheid had om vijandelijke vliegtuigen te beschadigen of neer te halen. Watson-Watt antwoordde dat radiogolf transmissies veel te zwak waren om dit doel te bereiken. Niettemin suggereerde hij aan de ambtenaren van het ministerie dat radiodetectie haalbaar was. In 1935 schreef Watson-Watt een brief met de titel “Detection and Location of Aircraft by Radio Methods.” Watson-Watt zette zorgvuldig uiteen dat het lezen van het zwakke retoursignaal van een vliegtuig een veel grotere technische uitdaging zou vormen dan die welke hij tegenkwam bij zijn meteorologische experimenten. Het uitgezonden signaal moest meer dan honderd keer energieker zijn. Bovendien zouden een gevoeligere ontvanger en antenne moeten worden gefabriceerd.
Kort daarna, zonder voordeel van een proefrun, voerden Watson-Watt en wetenschappers van het Ministerie een experiment uit om de levensvatbaarheid van RADAR te testen. Het Watson-Watts apparaat bleek in staat vliegtuigen te belichten (d.w.z. op te sporen) op een afstand van maximaal 8 mijl (13 km). Binnen een jaar verbeterde Watson-Watt zijn RADAR systeem zodat het vliegtuigen kon detecteren op afstanden tot 70 mi (113 km). Het vooroorlogse Groot-Brittannië zette Watson-Watt’s uitvinding snel in voor militair gebruik en tegen het einde van 1938 waren de Engelse kusten bezaaid met primitieve RADAR-systemen. Deze stations, die in staat waren vliegtuigen te detecteren ongeacht mist of wolken op de grond, zouden een belangrijke rol spelen bij de detectie van naderende Nazi-vliegtuigen tijdens WO II.
De ontwikkeling van RADAR was niet het exclusieve terrein van de Britten. Bij het uitbreken van WO II hadden alle grote strijdende partijen een of andere vorm van RADAR systeem ontwikkeld. Op vele fronten werden de veldslagen vaak beïnvloed door dramatische spelletjes van wetenschappelijke en technische eenwording in wat de Britse Eerste Minister Sir Winston Churchill in de oorlog de “Tovenaarsoorlog” noemde. Tijdens de oorlog werd Watson-Watt een van die tovenaars toen hij de post van wetenschappelijk adviseur van het Royal Air Ministry aanvaardde.
Tegen het einde van de oorlog hadden de Britse en Amerikaanse strijdkrachten een aantal RADAR-typen en -toepassingen ontwikkeld, waaronder luchtinterceptie (AI), air-to-surface vessel (ASV), Ground-Controlled Interception (GCI), en diverse kanonricht- en volg-RADARs.
Oongeacht hun toepassing verstrooien, afbuigen en weerkaatsen zowel RADAR- als SONAR-doelen inkomende golven. Deze verstrooiing is echter niet uniform en in de meeste gevallen wordt een sterke echo van het beeld teruggekaatst naar de signaalzender, ongeveer zoals een gladde spiegel licht kan weerkaatsen in de spiegelrichting. De sterkte van het retoursignaal is ook kenmerkend voor het doelwit en de omgeving waarin de systemen werken. Omdat het elektromagnetische stralingen zijn, verplaatsen RADAR-golven zich door de atmosfeer met de snelheid van het licht (in lucht). SONAR-golven (compressiegolven) bewegen zich door water met een veel langzamer snelheid – de geluidssnelheid. Door de tijd te meten die de signalen nodig hebben om het doel te bereiken en met echo’s terug te keren, kunnen zowel RADAR- als SONAR-systemen de afstand tot hun doel nauwkeurig bepalen.
In hun respectieve domeinen kunnen zowel RADAR als SONAR betrouwbaar functioneren onder een grote verscheidenheid van ongunstige omstandigheden om de menselijke waarnemingsmogelijkheden uit te breiden.
Impact
Als gevolg van het succes van RADAR in oorlogstijd, zochten wetenschappers en ingenieurs al snel naar nieuwe toepassingen voor dergelijke systemen. De voordelen voor de meteorologische wetenschap waren duidelijk.
De tijdens WOI ontwikkelde RADAR-technologie had ook een dramatisch effect op de prille wetenschap van de radioastronomie. Tijdens de oorlog stelde de Britse officier J.S. Hey correct vast dat de zon een krachtige bron van radio-uitzendingen was. Hey ontdekte dit toen hij onderzoek deed naar de oorzaken van het systematisch storen van het Britse RADAR-net, dat niet kon worden toegeschreven aan vijandelijke activiteiten (Hey schreef de radio-emissie toe aan verhoogde zonnevlamactiviteit). Hoewel geheim gehouden tijdens de oorlog, werden de Britse RADAR installaties en technologie de voorlopers van de moderne radiotelescopen omdat zij hemelse achtergrondgeluiden registreerden terwijl zij luisterden naar de tekenen van vijandelijke activiteit (b.v. V-2 raketaanvallen).
De historische erkenning van de besluitvaardigheid en het effect van Churchill’s Tovenaarsoorlog blijft hevig omstreden. Churchill zelf beschreef de Slag om Engeland als grotendeels een slag die beslissend werd uitgevochten en gewonnen met “ogen en oren”. Hoe dan ook, het staat buiten kijf dat de door de Britten gebruikte teledetectietoestellen en RADAR-netwerken (Chain High en Chain Low genoemd) de Britse bevelhebbers in staat stelden hun overklastende en onbemande troepen doeltreffender te concentreren tegen de luchtaanval van de nazi’s.
Ironiek genoeg leidde WO II tot ontwerpverbeteringen in SONAR-technologie die de basis legden voor de ontwikkeling van niet-invasieve medische procedures zoals echografie in de laatste helft van de twintigste eeuw. Op geluid en elektromagnetische signalen gebaseerde teledetectietechnologieën en -technieken werden krachtige medische instrumenten waarmee artsen nauwkeurige diagnoses konden stellen met een minimum aan invasie voor de patiënt.
Instrumenten voor teledetectie zoals RADAR en SONAR stellen ook wetenschappers, geologen en archeologen in staat om topografie en kenmerken van de ondergrond op aarde en op objecten in het zonnestelsel in kaart te brengen. SONAR-metingen hebben geleid tot vooruitgang in de seismografie onder water, waardoor de oceaanbodem in kaart kon worden gebracht en minerale en energiebronnen konden worden geïdentificeerd.
RADAR-systemen zijn essentiële onderdelen van het moderne commerciële luchtnavigatiesysteem. Een Britse uitvinding uit oorlogstijd, Identification Friend or Foe (IFF) RADAR, gebruikt om vliegtuigen te identificeren en van een uniek label te voorzien, is nog steeds een belangrijk onderdeel van het luchtverkeersleidingssysteem.
K. LEE LERNER
Verder Lezen
Boeken
Cox, A.W. Sonar and Underwater Sound. Lexington, MA: Lexington Books, 1974.
Heppenheimer, T.A. Anti-Submarine Warfare: De dreiging, de strategie, de oplossing. Arlington, VA: Pasha Publications Inc., 1989.
Holmes, J. Diagnostic Ultrasound: Historical Perspective. Mosby, 1974.
National Defense Research Committee. Principles and Applications of Underwater Sound. Washington, D.C., 1976.
Rowe, A. One Story of Radar. Cambridge, Engeland: Cambridge University Press, 1948.
Watson-Watt, R.A. Three Steps to Victory. Odhams Press, 1957.