Prezentare generală
Deși se bazează pe două tipuri fundamental diferite de transmisie a undelor, RADAR (Radio Detection And Ranging) și SONAR (Sound Navigation and Ranging) sunt sisteme de teledetecție cu aplicații militare, științifice și comerciale importante. RADAR trimite unde electromagnetice, în timp ce SONAR-ul activ transmite unde acustice (de exemplu, unde sonore). În ambele sisteme, aceste unde returnează ecouri de la anumite caracteristici sau ținte care permit determinarea unor proprietăți și atribute importante ale țintei (de exemplu, formă, dimensiune, viteză, distanță etc.). Deoarece undele electromagnetice sunt puternic atenuate (diminuate) în apă, semnalele RADAR sunt utilizate în principal pentru observații la sol sau în atmosferă. Deoarece semnalele SONAR pătrund cu ușurință în apă, acestea sunt ideale pentru navigație și măsurători sub apă.
Antecedente
De sute de ani, au fost folosite dispozitive nemecanice de ascultare subacvatică (tuburi de ascultare) pentru a detecta sunetul în apă. Încă din 1882, fizicianul elvețian Daviel Colladen a încercat să calculeze viteza sunetului în adâncurile cunoscute ale lacului Geneva.
Pe baza fizicii transmiterii sunetului articulată de fizicianul englez din secolul al XIX-lea Lord Rayleigh (1842-1914) și a efectului piezoelectric descoperit de omul de știință francez Pierre Curie (1509-1906) în 1915, fizicianul francez Paul Langevin (1872-1946) a inventat primul sistem conceput pentru a utiliza undele sonore și ecourile acustice într-un dispozitiv de detectare subacvatică. În urma dezastrului de pe Titanic, Langevin și colegul său Constantin Chilowsky, un inginer rus care locuia pe atunci în Elveția, au dezvoltat ceea ce au numit „hidrofon” ca mecanism pentru ca navele să detecteze mai ușor icebergurile (marea majoritate a icebergurilor rămân sub suprafața oceanului). Sisteme similare au fost folosite imediat ca ajutor pentru navigația subacvatică a submarinelor.
Electronica îmbunătățită a permis producerea unor dispozitive de ascultare și înregistrare mult îmbunătățite. Deoarece SONAR-ul pasiv nu este, în esență, nimic mai mult decât un dispozitiv elaborat de înregistrare și amplificare a sunetului, aceste sisteme au avut de suferit deoarece depindeau de intensitatea semnalului sonor provenit de la țintă. Semnalele sau undele recepționate puteau fi tipizate (adică legate de ținte specifice) în vederea identificării caracteristicilor. Deși se puteau obține rezultate destul de bune în mâinile unui operator priceput și experimentat, estimările privind distanța, orientarea și mișcarea relativă a țintelor erau mult mai puțin precise și exacte decât rezultatele obținute cu ajutorul sistemelor active, cu excepția cazului în care țintele erau foarte apropiate – sau făceau mult zgomot.
Menințarea războiului submarin din timpul Primului Război Mondial a făcut urgentă dezvoltarea SONAR și a altor mijloace de detectare a ecourilor. Dezvoltarea traductorului acustic care convertește energia electrică în unde sonore a permis progresele rapide în proiectarea și tehnologia SONAR în ultimii ani ai războiului. Deși SONAR-ul activ a fost dezvoltat prea târziu pentru a fi testat în timpul Primului Război Mondial, impulsul dat pentru dezvoltarea sa a adus dividende tehnologice enorme. Cu toate acestea, nu toate progresele au fost limitate la utilizarea militară. După război, dispozitive de sondare a ecourilor au fost amplasate la bordul multor nave mari de linie franceze.
În timpul primelor bătălii din cel de-al Doilea Război Mondial, Comitetul britanic de detectare și investigare antisubmarin (acronimul său, ASDIC, a devenit un nume aplicat în mod obișnuit sistemelor SONAR britanice) a depus eforturi pentru a dota fiecare navă din flota britanică cu dispozitive avansate de detectare. Utilizarea ASDIC s-a dovedit a fi esențială în efortul britanic de a respinge atacurile dăunătoare ale submarinelor germane atât asupra navelor de război britanice, cât și asupra navelor comerciale care asigurau aprovizionarea cu muniții și alimente a națiunii insulare.
În timp ce se desfășurau dezvoltările SONAR de la începutul secolului al XX-lea, a fost dezvoltat un alt sistem de teledetecție bazat pe o mai bună înțelegere a naturii și propagării radiațiilor electromagnetice realizată de fizicianul scoțian James Clerk Maxwell (1831-1879) în secolul al XIX-lea.
În anii 1920 și la începutul anilor 1930, fizicianul și meteorologul scoțian Sir Robert Alexander Watson-Watt (1892-1973) a folosit cu succes transmisiunile radio pe unde scurte pentru a detecta direcția în care se apropie furtunile. O altă tehnică folosită de Watson-Watt și de colegii săi de la British Radio Research Station a măsurat altitudinea ionosferei (un strat din atmosfera superioară care poate acționa ca un reflector radio) trimițând scurte impulsuri de unde radio în sus și măsurând apoi timpul necesar pentru ca semnalele să se întoarcă la stație. Deoarece viteza undelor radio era bine stabilită, măsurătorile au furnizat determinări foarte precise ale înălțimii stratului reflector.
În 1935, Watson-Watt a avut ideea ingenioasă de a combina aceste tehnici de determinare a direcției și a distanței și, astfel, a inventat RADAR-ul. Watson-Watt a construit primul său dispozitiv RADAR practic la Ditton Park.
Chiar imediat, oficialii de la Royal Air Ministry l-au întrebat pe Watson-Watt dacă aparatul său ar putea avea potențialul de a avaria sau doborî avioane inamice. Watson-Watt a răspuns că transmisiile de unde radio erau mult prea slabe pentru a atinge acest scop. Cu toate acestea, el a sugerat oficialilor ministerului că detectarea prin radio era fezabilă. În 1935, Watson-Watt a scris o scrisoare intitulată „Detectarea și localizarea aeronavelor prin metode radio”. Watson-Watt a expus cu atenție faptul că citirea semnalului slab de întoarcere de la un avion ar reprezenta o provocare inginerească mult mai mare decât cea întâlnită în experimentele sale meteorologice. Semnalul trimis trebuia să fie de peste o sută de ori mai energic. În plus, ar fi trebuit să se fabrice un receptor și o antenă mai sensibile.
La scurt timp după aceea, fără a beneficia de un test, Watson-Watt și oamenii de știință din minister au efectuat un experiment pentru a testa viabilitatea RADAR. S-a constatat că aparatul Watson-Watts era capabil să ilumineze (adică să detecteze) avioanele la o distanță de până la 8 mi (13 km). În decurs de un an, Watson-Watt și-a îmbunătățit sistemele RADAR astfel încât să poată detecta aeronave la distanțe de până la 70 mi (113 km). Marea Britanie de dinainte de război a folosit rapid invenția lui Watson-Watt în scopuri militare și, până la sfârșitul anului 1938, sistemele RADAR primitive au împânzit coasta engleză. Aceste stații, capabile să detecteze aeronavele indiferent de ceața de la sol sau de nori, aveau să joace un rol important în detectarea aeronavelor naziste care se apropiau în timpul celui de-al Doilea Război Mondial.
Dezvoltarea RADAR nu a fost apanajul exclusiv al britanicilor. Până la izbucnirea celui de-al Doilea Război Mondial, toți marii combatanți dezvoltaseră o anumită formă de sistem RADAR. Pe multe fronturi, bătăliile urmau să fie deseori influențate de jocuri dramatice de superioritate științifică și tehnică, în ceea ce premierul britanic din timpul războiului, Sir Winston Churchill, a numit „războiul vrăjitorilor”. În timpul războiului, Watson-Watt a devenit unul dintre acești vrăjitori, deoarece a preluat postul de consilier științific al Ministerului Regal al Aerului.
Până la sfârșitul războiului, forțele britanice și americane au dezvoltat o serie de tipuri de RADAR-uri și aplicații, inclusiv interceptare aeriană (AI), interceptare aer-suprafață (ASV), interceptare controlată la sol (GCI) și diverse RADAR-uri de ochire și urmărire a tunurilor.
Indiferent de aplicația lor, atât țintele RADAR, cât și cele SONAR împrăștie, deviază și reflectă undele primite. Cu toate acestea, această împrăștiere nu este uniformă – și în cele mai multe cazuri, un ecou puternic al imaginii se propagă înapoi la emițătorul de semnal, în același mod în care o oglindă netedă poate reflecta lumina înapoi în direcția speculară. Puterea semnalului de întoarcere este, de asemenea, caracteristică țintei și mediului în care funcționează sistemele. Deoarece sunt radiații electromagnetice, undele RADAR se deplasează prin atmosferă cu viteza luminii (în aer). Undele SONAR (unde de compresie) se deplasează prin apă cu un ritm mult mai lent – viteza sunetului. Măsurând timpul necesar pentru ca semnalele să ajungă la țintă și să se întoarcă cu ecouri, atât sistemele RADAR, cât și SONAR sunt capabile să determine cu precizie distanța până la țintele lor.
În domeniile lor respective, atât RADAR, cât și SONAR pot funcționa în mod fiabil într-o mare varietate de condiții nefavorabile pentru a extinde capacitățile umane de detecție.
Impact
Ca urmare a succesului din timpul războiului al RADAR, oamenii de știință și inginerii au căutat rapid noi aplicații pentru astfel de sisteme. Beneficiile pentru știința meteorologică au fost evidente.
Tehnologia RADAR dezvoltată în timpul Primului Război Mondial a avut, de asemenea, un impact dramatic asupra științei în devenire a radioastronomiei. În timpul războiului, ofițerul britanic J.S. Hey a determinat corect că Soarele era o sursă puternică de transmisii radio. Hey a descoperit acest lucru în timp ce investiga cauzele bruiajului la nivel de sistem al rețelei RADAR britanice, care nu putea fi atribuit activității inamice (Hey a atribuit emisiile radio la o activitate crescută a erupțiilor solare). Deși ținute secrete în timpul războiului, instalațiile și tehnologia RADAR britanică au devenit precursorii radiotelescoapelor moderne, deoarece înregistrau zgomotul de fond ceresc în timp ce ascultau semnele revelatoare ale activității inamice (de exemplu, atacurile cu rachete V-2).
Creditul istoric acordat hotărârii și impactului Războiului Vrăjitoresc al lui Churchill rămâne foarte dezbătut. Churchill însuși a descris Bătălia Marii Britanii ca fiind în mare parte o bătălie purtată în mod decisiv și câștigată cu „ochii și urechile”. Cu toate acestea, este incontestabil faptul că dispozitivele de teledetecție și rețelele RADAR (denumite Chain High și Chain Low) folosite de britanici au permis comandanților britanici să își concentreze mai eficient forțele depășite de armament și de personal împotriva atacului aerian nazist.
În mod ironic, cel de-al Doilea Război Mondial a indus îmbunătățiri de proiectare în tehnologia SONAR care au pus bazele dezvoltării procedurilor medicale neinvazive, cum ar fi ultrasunetele, în ultima jumătate a secolului al XX-lea. Tehnologiile și tehnicile de teledetecție bazate pe semnale sonore și electromagnetice au devenit instrumente medicale puternice care au permis medicilor să pună diagnostice precise cu un minim de invazie asupra pacientului.
Instrumentele de teledetecție, cum ar fi RADAR și SONAR, permit, de asemenea, oamenilor de știință, geologilor și arheologilor să cartografieze topografia și caracteristicile subsolului de pe Pământ și de pe obiectele din sistemul solar. Citirile SONAR au condus la progrese în seismografia subacvatică care au permis cartografierea fundului oceanelor și identificarea resurselor minerale și energetice.
Sistemele RADAR sunt componente critice ale sistemului modern de navigație aeriană comercială. O invenție britanică din timpul războiului, Identification Friend or Foe (IFF) RADAR, folosită pentru a identifica și eticheta în mod unic aeronavele, rămâne o componentă importantă în sistemul de control al traficului aerian.
K. LEE LERNER
Lecturi suplimentare
Cărți
Cox, A.W. Sonar and Underwater Sound. Lexington, MA: Lexington Books, 1974.
Heppenheimer, T.A. Anti-Submarine Warfare: The Threat, The Strategy, The Solution (Amenințarea, strategia, soluția). Arlington, VA: Pasha Publications Inc., 1989.
Holmes, J. Diagnostic cu ultrasunete: Perspectivă istorică. Mosby, 1974.
National Defense Research Committee. Principii și aplicații ale sunetului subacvatic. 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.
.