Översikt
Radio Detection And Ranging (RADAR) och Sound Navigation and Ranging (SONAR) är båda fjärranalyssystem med viktiga militära, vetenskapliga och kommersiella tillämpningar, trots att de bygger på två olika typer av vågöverföring. RADAR sänder elektromagnetiska vågor, medan aktiv SONAR sänder akustiska vågor (dvs. ljudvågor). I båda systemen returnerar dessa vågor ekon från vissa funktioner eller mål som gör det möjligt att fastställa viktiga egenskaper och attribut hos målet (t.ex. form, storlek, hastighet, avstånd osv.). Eftersom elektromagnetiska vågor dämpas kraftigt i vatten används RADAR-signaler oftast för observationer på marken eller i atmosfären. Eftersom SONAR-signaler lätt tränger igenom vatten är de idealiska för navigering och mätning under vatten.
Bakgrund
I hundratals år har icke-mekaniska undervattenslyssningsanordningar (lyssningsrör) använts för att upptäcka ljud i vatten. Redan 1882 försökte den schweiziske fysikern Daviel Colladen beräkna ljudets hastighet på kända djup i Genèvesjön.
Med utgångspunkt i den fysik för ljudöverföring som den engelske fysikern Lord Rayleigh (1842-1914) på 1800-talet hade formulerat och den piezoelektriska effekten som den franske vetenskapsmannen Pierre Curie (1509-1906) upptäckte 1915, uppfann den franske fysikern Paul Langevin (1872-1946) det första systemet som utformades för att utnyttja ljudvågor och akustiska ekon i en anordning för detektering av ljud under vatten. Efter Titanic-katastrofen utvecklade Langevin och hans kollega Constantin Chilowsky, en rysk ingenjör som då bodde i Schweiz, vad de kallade en ”hydrofon” som en mekanism som skulle göra det lättare för fartyg att upptäcka isberg (den stora majoriteten av alla isberg ligger under havsytan). Liknande system togs omedelbart i bruk som hjälpmedel för undervattensnavigering för ubåtar.
Förbättrad elektronik gjorde det möjligt att tillverka kraftigt förbättrade avlyssnings- och inspelningsanordningar. Eftersom passiv SONAR i huvudsak inte är något annat än en avancerad inspelnings- och ljudförstärkningsanordning, blev dessa system lidande eftersom de var beroende av styrkan hos den ljudsignal som kommer från målet. De signaler eller vågor som togs emot kunde typas (dvs. relateras till specifika mål) för att identifiera egenskaper. Även om ganska goda resultat kunde uppnås i händerna på en skicklig och erfaren operatör, var uppskattningar av målens avstånd, bäring och relativa rörelse långt mindre exakta och korrekta än de resultat som erhölls från aktiva system, såvida inte målen var mycket nära – eller gjorde mycket oväsen.
Hotet från ubåtskriget under första världskriget gjorde det brådskande att utveckla SONAR och andra metoder för ekodetektering. Utvecklingen av den akustiska omvandlaren som omvandlade elektrisk energi till ljudvågor möjliggjorde de snabba framstegen inom SONAR-design och teknik under krigets sista år. Även om aktiv SONAR utvecklades för sent för att kunna testas i någon större utsträckning under första världskriget, gav den intensiva satsningen på dess utveckling enorma tekniska fördelar. Alla framsteg var dock inte begränsade till militär användning. Efter kriget placerades ekoljudsapparater ombord på många stora franska oceanliners.
Under de första striderna under andra världskriget försökte den brittiska Anti-Submarine Detection and Investigation Committee (dess akronym, ASDIC, blev ett vanligt namn för brittiska SONAR-system) att utrusta varje fartyg i den brittiska flottan med avancerade detektionsapparater. Användningen av ASDIC visade sig vara avgörande för de brittiska ansträngningarna att avvärja skadliga attacker från tyska ubåtar mot både brittiska krigsfartyg och handelsfartyg som höll önationen försörjd med ammunition och livsmedel.
Medans det tidiga 1900-talets SONAR-utveckling fortskred, utvecklades ett annat system för fjärranalys som byggde på den skotska fysikern James Clerk Maxwells (1831-1879) förbättrade förståelse av elektromagnetisk strålnings natur och utbredning under 1800-talet.
På 1920-talet och i början av 1930-talet använde den skotske fysikern och meteorologen Sir Robert Alexander Watson-Watt (1892-1973) framgångsrikt kortvågiga radiosändningar för att upptäcka riktningen på annalkande åskväder. En annan teknik som användes av Watson-Watt och hans kollegor vid British Radio Research Station mätte höjden på jonosfären (ett lager i den övre atmosfären som kan fungera som en radioreflektor) genom att sända korta pulser av radiovågor uppåt och sedan mäta den tid det tog för signalerna att komma tillbaka till stationen. Eftersom radiovågornas hastighet var väl etablerad gav mätningarna mycket exakta bestämningar av höjden på det reflekterande skiktet.
1935 fick Watson-Watt den geniala idén att kombinera dessa riktnings- och avståndsmätningstekniker, och på så sätt uppfann han RADAR. Watson-Watt byggde sin första praktiska RADAR-apparat i Ditton Park.
Nästan omedelbart frågade tjänstemän vid Royal Air Ministry Watson-Watt om hans apparat kunde ha potential att skada eller skjuta ner fientliga flygplan. Watson-Watt svarade att radiovågsöverföringar var alldeles för svaga för att uppnå detta. Trots detta föreslog han för ministeriets tjänstemän att radiodetektering var möjlig. År 1935 skrev Watson-Watt ett brev med titeln ”Detection and Location of Aircraft by Radio Methods”. Watson-Watt redogjorde noggrant för att avläsning av den svaga retursignalen från ett flygplan skulle innebära en mycket större teknisk utmaning än den som han mötte i sina meteorologiska experiment. Signalen som sändes måste vara mer än hundra gånger mer energisk. Dessutom skulle en känsligare mottagare och antenn behöva tillverkas.
Kort därefter genomförde Watson-Watt och ministeriets vetenskapsmän ett experiment för att testa RADAR:s användbarhet, utan att ha haft någon testkörning. Watson-Watts apparat visade sig kunna belysa (dvs. upptäcka) flygplan på ett avstånd på upp till 13 km (8 mi). Inom ett år förbättrade Watson-Watt sitt RADAR-system så att det kunde upptäcka flygplan på avstånd upp till 113 km (70 mi). Storbritannien under förkrigstiden använde snabbt Watson-Watts uppfinning för militärt bruk och i slutet av 1938 fanns primitiva RADAR-system utspridda längs den engelska kusten. Dessa stationer, som kunde upptäcka flygplan oberoende av dimma eller moln på marken, kom att spela en viktig roll i upptäckten av nazistiska flygplan som närmade sig under andra världskriget.
Utvecklingen av RADAR var inte uteslutande en angelägenhet för britterna. Vid utbrottet av andra världskriget hade alla större stridande parter utvecklat någon form av RADAR-system. På många fronter kom striderna ofta att påverkas av dramatiska lekar av vetenskaplig och teknisk överlägsenhet i det som den brittiske premiärministern Sir Winston Churchill under kriget kallade ”trollkarlskriget”. Under kriget blev Watson-Watt en av dessa trollkarlar när han tillträdde som vetenskaplig rådgivare till Royal Air Ministry.
I slutet av kriget hade de brittiska och amerikanska styrkorna utvecklat ett antal RADAR-typer och tillämpningar, bland annat luftinterception (AI), luft-till-ytfartyg (ASV), markstyrd interception (GCI) och olika RADARs för sikte och spårning av kanoner.
Oavsett deras tillämpning sprider, avlänkar och reflekterar både RADAR- och SONAR-mål inkommande vågor. Denna spridning är dock inte enhetlig – och i de flesta fall sprids ett starkt eko av bilden tillbaka till signalsändaren på ungefär samma sätt som en slät spegel kan reflektera ljuset tillbaka i den speglande riktningen. Styrkan hos retursignalen är också karakteristisk för målet och den miljö där systemen arbetar. Eftersom RADAR-vågorna är elektromagnetisk strålning färdas de genom atmosfären med ljusets hastighet (i luft). SONAR-vågor (kompressionsvågor) färdas genom vatten i mycket långsammare takt – ljudets hastighet. Genom att mäta den tid det tar för signalerna att färdas till målet och återvända med ekon kan både RADAR- och SONAR-systemen exakt bestämma avståndet till sina mål.
Inom sina respektive områden kan både RADAR och SONAR fungera tillförlitligt under en mängd olika ogynnsamma förhållanden för att utöka människans avkänningsmöjligheter.
Impact
Som ett resultat av RADARs framgångar under kriget sökte vetenskapsmän och ingenjörer snabbt efter nya användningsområden för sådana system. Fördelarna för den meteorologiska vetenskapen var uppenbara.
RADAR-tekniken som utvecklades under första världskriget hade också en dramatisk inverkan på den gryende vetenskapen radioastronomi. Under kriget konstaterade den brittiske officeren J.S. Hey korrekt att solen var en kraftfull källa till radiosändningar. Hey upptäckte detta när han undersökte orsakerna till en systemomfattande störning av det brittiska RADAR-nätet som inte kunde tillskrivas fientlig aktivitet (Hey tillskrev radiosändningen till ökad solutbrottsaktivitet). Även om de brittiska RADAR-anläggningarna och -tekniken hölls hemliga under kriget blev de brittiska RADAR-anläggningarna och -tekniken föregångare till moderna radioteleskop, eftersom de registrerade himmelskt bakgrundsbrus samtidigt som de lyssnade efter de avslöjande tecknen på fientlig aktivitet (t.ex. V-2-rakettattacker).
Den historiska krediten som ges till den beslutsamhet och inverkan som Churchills trollkarlskrig gav upphov till förblir hett omdiskuterad. Churchill själv beskrev slaget om Storbritannien som till stor del ett slag som avgörande utkämpades och vanns med ”ögon och öron”. Oavsett detta är det odiskutabelt att de fjärranalysapparater och RADAR-nätverk (med namnen Chain High och Chain Low) som britterna använde gjorde det möjligt för de brittiska befälhavarna att effektivare koncentrera sina underlägset beväpnade och bemannade styrkor mot nazisternas luftangrepp.
Ironiskt nog ledde andra världskriget till konstruktionsförbättringar inom SONAR-tekniken, som lade grunden för utvecklingen av icke-invasiva medicinska förfaranden, som t.ex. ultraljud, under den sista halvan av 1900-talet. Ljud- och elektromagnetiska signalbaserade fjärranalysmetoder och tekniker blev kraftfulla medicinska verktyg som gjorde det möjligt för läkare att ställa exakta diagnoser med minsta möjliga intrång för patienten.
Fjärranalysverktyg som RADAR och SONAR gör det också möjligt för vetenskapsmän, geologer och arkeologer att kartlägga topografi och underjordiska egenskaper på jorden och på objekt i solsystemet. SONAR-avläsningar ledde till framsteg inom undervattensseismografi som möjliggjorde kartläggning av havsbottnar och identifiering av mineral- och energiresurser.
RADAR-system är kritiska komponenter i det moderna kommersiella flygnavigeringssystemet. En brittisk uppfinning från krigstiden, Identification Friend or Foe (IFF) RADAR, som används för att identifiera och unikt märka flygplan, är fortfarande en viktig komponent i flygtrafikledningssystemet.
K. LEE LERNER
Fördjupad läsning
Böcker
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: Historiskt perspektiv. Mosby, 1974.
National Defense Research Committee. Principles and Applications of Underwater Sound (Principer och tillämpningar av undervattensljud). Washington, D.C., 1976.
Rowe, A. One Story of Radar. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1948.
Watson-Watt, R.A. Three Steps to Victory. Odhams Press, 1957.