Overview
Although they rely on two fundamentally different types of wave transmission, Radio Detection And Ranging (RADAR) and Sound Navigation and Ranging (SONAR) both are remote sensing systems with important military, scientific, and commercial applications. RADAR wysyła fale elektromagnetyczne, podczas gdy aktywny SONAR transmituje fale akustyczne (tj. dźwiękowe). W obu systemach fale te odbijają się echem od określonych cech lub celów, co pozwala na określenie ważnych właściwości i atrybutów celu (np. kształt, rozmiar, prędkość, odległość itp.). Ponieważ fale elektromagnetyczne są silnie tłumione (zmniejszane) w wodzie, sygnały RADARU są najczęściej wykorzystywane do obserwacji naziemnych lub atmosferycznych. Ponieważ sygnały SONAR-u łatwo przenikają przez wodę, są idealne do nawigacji i pomiarów pod wodą.
Kontekst
Przez setki lat do wykrywania dźwięku w wodzie używano niemechanicznych podwodnych urządzeń nasłuchowych (rur nasłuchowych). Już w 1882 roku szwajcarski fizyk Daviel Colladen próbował obliczyć prędkość dźwięku w znanej głębokości Jeziora Genewskiego.
W oparciu o fizykę transmisji dźwięku przedstawioną przez XIX-wiecznego angielskiego fizyka Lorda Rayleigha (1842-1914) oraz efekt piezoelektryczny odkryty przez francuskiego naukowca Pierre’a Curie (1509-1906) w 1915 roku, francuski fizyk Paul Langevin (1872-1946) wynalazł pierwszy system przeznaczony do wykorzystania fal dźwiękowych i echa akustycznego w podwodnym urządzeniu wykrywającym. W następstwie katastrofy Titanica Langevin i jego kolega Constantin Chilowsky, rosyjski inżynier mieszkający wówczas w Szwajcarii, opracowali coś, co nazwali „hydrofonem”, jako mechanizm umożliwiający statkom łatwiejsze wykrywanie gór lodowych (zdecydowana większość góry lodowej pozostaje pod powierzchnią oceanu). Podobne systemy zostały natychmiast wykorzystane jako pomoc w nawigacji podwodnej przez łodzie podwodne.
Ulepszona elektronika pozwoliła na produkcję znacznie ulepszonych urządzeń do słuchania i nagrywania. Ponieważ pasywny SONAR jest w zasadzie niczym więcej niż skomplikowanym urządzeniem rejestrującym i wzmacniającym dźwięk, systemy te cierpiały, ponieważ były uzależnione od siły sygnału dźwiękowego pochodzącego od celu. Odebrane sygnały lub fale można było typować (tj. odnosić do konkretnych celów) pod kątem cech identyfikacyjnych. Chociaż całkiem dobre wyniki można było uzyskać w rękach wykwalifikowanego i doświadczonego operatora, szacunki zasięgu, namiaru i względnego ruchu celów były o wiele mniej precyzyjne i dokładne niż wyniki uzyskane z systemów aktywnych, chyba że cele były bardzo blisko lub robiły dużo hałasu.
Zagrożenie wojną podwodną podczas I wojny światowej spowodowało pilny rozwój SONAR i innych środków wykrywania echa. Opracowanie przetwornika akustycznego, który przekształcał energię elektryczną w fale dźwiękowe, umożliwiło szybki postęp w konstrukcji i technologii SONAR-u w ostatnich latach wojny. Choć aktywny SONAR został opracowany zbyt późno, by można go było przetestować podczas I wojny światowej, nacisk na jego rozwój przyniósł ogromne korzyści technologiczne. Nie wszystkie postępy były jednak ograniczone do zastosowań wojskowych. Po wojnie urządzenia echosondy zostały umieszczone na pokładach wielu dużych francuskich transatlantyków.
W czasie wczesnych walk II wojny światowej brytyjski Anti-Submarine Detection and Investigation Committee (jego akronim, ASDIC, stał się nazwą powszechnie stosowaną do brytyjskich systemów SONAR) podjął wysiłki, aby wyposażyć każdy statek brytyjskiej floty w zaawansowane urządzenia wykrywające. Wykorzystanie ASDIC okazało się kluczowe w brytyjskich wysiłkach zmierzających do odparcia niszczących ataków niemieckich okrętów podwodnych zarówno na brytyjskie okręty wojenne, jak i statki handlowe zaopatrujące wyspiarski kraj w amunicję i żywność.
Podczas gdy na początku XX wieku postępował rozwój SONAR-ów, opracowano inny system teledetekcji, oparty na lepszym zrozumieniu natury i rozchodzenia się promieniowania elektromagnetycznego, osiągniętym przez szkockiego fizyka Jamesa Clerka Maxwella (1831-1879) w XIX wieku.
W latach dwudziestych i na początku lat trzydziestych XX wieku szkocki fizyk i meteorolog Sir Robert Alexander Watson-Watt (1892-1973) z powodzeniem wykorzystał krótkofalowe transmisje radiowe do wykrywania kierunku zbliżających się burz. Inna technika stosowana przez Watsona Watta i jego kolegów z Brytyjskiej Stacji Badań Radiowych mierzyła wysokość jonosfery (warstwy w górnej atmosferze, która może działać jak reflektor radiowy) poprzez wysyłanie krótkich impulsów fal radiowych w górę, a następnie mierzenie czasu potrzebnego na powrót sygnałów do stacji. Ponieważ prędkość fal radiowych była dobrze znana, pomiary zapewniały bardzo dokładne określenie wysokości warstwy odbijającej.
W 1935 roku, Watson-Watt wpadł na genialny pomysł połączenia tych technik określania kierunku i zasięgu, i w ten sposób wynalazł RADAR. Watson-Watt zbudował swoje pierwsze praktyczne urządzenie RADAR w Ditton Park.
Niemal natychmiast urzędnicy Królewskiego Ministerstwa Lotnictwa zapytali Watsona-Watta, czy jego aparatura może potencjalnie uszkodzić lub zestrzelić wrogie samoloty. Watson-Watt odpowiedział, że transmisje fal radiowych są zbyt słabe, aby osiągnąć ten cel. Mimo to zasugerował urzędnikom ministerstwa, że wykrywanie fal radiowych jest wykonalne. W 1935 roku Watson-Watt napisał list zatytułowany „Wykrywanie i lokalizacja samolotów za pomocą metod radiowych”. Watson-Watt starannie przedstawił, że odczytanie słabego sygnału powrotnego z samolotu stanowiłoby znacznie większe wyzwanie inżynierskie niż to, które napotkał w swoich eksperymentach meteorologicznych. Wysyłany sygnał musiał być ponad sto razy bardziej energetyczny. Ponadto należałoby skonstruować bardziej czuły odbiornik i antenę.
Wkrótce potem, bez możliwości przeprowadzenia prób, Watson-Watt i naukowcy z ministerstwa przeprowadzili eksperyment mający na celu sprawdzenie możliwości RADARU. Aparat Watsona-Watta okazał się zdolny do oświetlania (tj. wykrywania) samolotów w odległości do 13 km (8 mil). W ciągu roku Watson-Watt udoskonalił swój RADAR tak, że mógł on wykrywać samoloty w odległości do 113 km. Przedwojenna Wielka Brytania szybko wykorzystała wynalazek Watsona Watta do celów wojskowych i do końca 1938 r. prymitywne systemy RADAR-owe były rozsiane po angielskim wybrzeżu. Stacje te, zdolne do wykrywania samolotów niezależnie od mgieł i chmur, miały odegrać ważną rolę w wykrywaniu zbliżających się samolotów nazistowskich podczas II wojny światowej.
Rozwój RADAR-u nie był wyłączną domeną Brytyjczyków. Do wybuchu II wojny światowej wszystkie główne walczące strony opracowały jakąś formę systemu RADAR. Na wielu frontach bitwy miały być często pod wpływem dramatycznych gier naukowych i technicznych one-upsmanship w co brytyjski premier czasu wojny Sir Winston Churchill nazwał „Wizard War”. Podczas wojny Watson-Watt stał się jednym z tych czarodziejów, obejmując stanowisko doradcy naukowego Królewskiego Ministerstwa Lotnictwa.
Do końca wojny siły brytyjskie i amerykańskie rozwinęły wiele typów i zastosowań RADAR-ów, w tym przechwytywanie w powietrzu (AI), statek powietrze-powierzchnia (ASV), przechwytywanie sterowane z ziemi (GCI) oraz różne radary do obserwacji i śledzenia broni.
Bez względu na zastosowanie, zarówno RADAR, jak i SONAR rozpraszają, odchylają i odbijają przychodzące fale. To rozpraszanie nie jest jednak jednolite – w większości przypadków silne echo obrazu jest propagowane z powrotem do nadajnika sygnału w taki sam sposób, jak gładkie lustro może odbijać światło z powrotem w kierunku spekularnym. Siła sygnału powrotnego jest również charakterystyczna dla celu i środowiska, w którym systemy działają. Ponieważ fale RADARU są promieniowaniem elektromagnetycznym, przemieszczają się one przez atmosferę z prędkością światła (w powietrzu). Fale SONAR (fale kompresyjne) przemieszczają się przez wodę z dużo mniejszą prędkością – prędkością dźwięku. Mierząc czas potrzebny na dotarcie sygnałów do celu i powrót z echem, zarówno systemy RADAR, jak i SONAR są w stanie dokładnie określić odległość do celu.
W ramach swoich dziedzin zarówno RADAR, jak i SONAR mogą działać niezawodnie w wielu różnych niekorzystnych warunkach, rozszerzając ludzkie możliwości wykrywania.
Impact
W wyniku wojennego sukcesu RADAR-u naukowcy i inżynierowie szybko szukali nowych zastosowań dla takich systemów. Korzyści dla nauk meteorologicznych były oczywiste.
Technologia RADAROWA rozwinięta podczas I wojny światowej miała również dramatyczny wpływ na rodzącą się naukę radioastronomii. W czasie wojny brytyjski oficer J.S. Hey prawidłowo ustalił, że Słońce jest potężnym źródłem transmisji radiowych. Hey odkrył to podczas badania przyczyn systemowego zakłócania brytyjskiej sieci RADAR, którego nie można było przypisać wrogiej aktywności (Hey przypisał emisję radiową zwiększonej aktywności rozbłysków słonecznych). Chociaż utrzymywane w tajemnicy podczas wojny, brytyjskie instalacje i technologia RADAR stały się prekursorami nowoczesnych radioteleskopów, ponieważ rejestrowały one niebiański szum tła, nasłuchując jednocześnie wyraźnych oznak aktywności wroga (np. ataków rakietowych V-2).
Historyczny kredyt przyznany stanowczości i wpływowi wojny kreatora Churchilla pozostaje gorąco dyskutowany. Sam Churchill opisał Bitwę o Anglię jako bitwę, w której decydujące znaczenie miały „oczy i uszy”. Niezależnie od tego, bezdyskusyjne jest, że urządzenia teledetekcyjne i sieci RADAR-ów (nazwane Chain High i Chain Low) zastosowane przez Brytyjczyków pozwoliły brytyjskim dowódcom na skuteczniejsze skoncentrowanie ich uzbrojonych po zęby i bezzałogowych sił przeciwko nazistowskiej napaści powietrznej.
Ironicznie, II wojna światowa spowodowała ulepszenia projektowe w technologii SONAR, które położyły podwaliny pod rozwój nieinwazyjnych procedur medycznych, takich jak ultradźwięki w ostatniej połowie XX wieku. Technologie i techniki teledetekcji oparte na sygnałach dźwiękowych i elektromagnetycznych stały się potężnymi narzędziami medycznymi, które pozwoliły lekarzom na postawienie dokładnej diagnozy przy minimalnej inwazji na pacjenta.
Narzędzia teledetekcji, takie jak RADAR i SONAR, pozwalają również naukowcom, geologom i archeologom na mapowanie topografii i cech podpowierzchniowych na Ziemi oraz na obiektach w Układzie Słonecznym. Odczyty SONAR doprowadziły do postępów w podwodnej sejsmografii, która umożliwiła mapowanie dna oceanów oraz identyfikację zasobów mineralnych i energetycznych.
Systemy RADAR są krytycznymi elementami nowoczesnego komercyjnego systemu nawigacji lotniczej. Jeden z brytyjskich wynalazków wojennych, Identification Friend or Foe (IFF) RADAR, używany do identyfikacji i jednoznacznego oznaczania samolotów, pozostaje ważnym elementem w systemie kontroli ruchu lotniczego.
K. LEE LERNER
Dalsza lektura
Książki
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. Principles and Applications of Underwater Sound. 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.