Сонар ( звуковая навигация и определение дальности или звуковая навигация и определение дальности ) [2] — это метод, который использует распространение звука (обычно под водой, как в подводной навигации ) для навигации , измерения расстояний ( определения дальности ), связи или обнаружения объектов на поверхности воды или под ней, например, других судов. [3]
«Сонар» может относиться к одному из двух типов технологий: пассивный сонар означает прослушивание звука, производимого судами; активный сонар означает излучение звуковых импульсов и прослушивание эха. Сонар может использоваться как средство акустической локации и измерения характеристик эха «целей» в воде. [4] Акустическая локация в воздухе использовалась до появления радара . Сонар также может использоваться для навигации роботов, [5] а содар (воздушный сонар, направленный вверх) используется для атмосферных исследований. Термин сонар также используется для оборудования, используемого для генерации и приема звука. Акустические частоты, используемые в гидроакустических системах, варьируются от очень низких ( инфразвуковых ) до чрезвычайно высоких ( ультразвуковых ). Изучение подводного звука известно как подводная акустика или гидроакустика .
Первое зарегистрированное использование этой техники было в 1490 году Леонардо да Винчи , который использовал трубку, вставленную в воду, чтобы обнаруживать суда на слух. [6] Она была разработана во время Первой мировой войны, чтобы противостоять растущей угрозе подводной войны , с оперативной пассивной гидроакустической системой, используемой к 1918 году. [3] Современные активные гидроакустические системы используют акустический преобразователь для генерации звуковой волны, которая отражается от целевых объектов. [3]
Хотя некоторые животные ( дельфины , летучие мыши , некоторые землеройки и другие) используют звук для общения и обнаружения объектов на протяжении миллионов лет, использование звука людьми в воде было впервые зафиксировано Леонардо да Винчи в 1490 году: как говорят, трубка, опущенная в воду, использовалась для обнаружения судов путем прикладывания уха к трубке. [6]
В конце 19 века подводный колокол использовался в качестве вспомогательного оборудования на маяках или плавучих маяках для оповещения об опасностях. [7]
Использование звука для «эхолокации» под водой, подобно тому, как летучие мыши используют звук для воздушной навигации, по-видимому, было вызвано катастрофой Титаника в 1912 году. [8] Первый в мире патент на подводный эхолокатор был подан в Британское патентное ведомство английским метеорологом Льюисом Фраем Ричардсоном через месяц после затопления Титаника , [9] а немецкий физик Александр Бем получил патент на эхолот в 1913 году. [10]
Канадский инженер Реджинальд Фессенден , работая в Submarine Signal Company в Бостоне , штат Массачусетс, в 1912 году построил экспериментальную систему, которая затем была испытана в Бостонской гавани и, наконец, в 1914 году на американском таможенном катере Miami на Гранд-Бэнкс у берегов Ньюфаундленда . [9] [11] В этом испытании Фессенден продемонстрировал глубинное зондирование, подводную связь ( азбуку Морзе ) и эхолокацию (обнаружение айсберга на расстоянии 2 миль (3,2 км)). [12] [13] « Генератор Фессендена », работающий на частоте около 500 Гц, не смог определить пеленг айсберга из- за длины волны 3 метра и малого размера излучающей поверхности преобразователя (менее 1⁄3 длины волны в диаметре). Десять британских подводных лодок класса H, построенных в Монреале и спущенных на воду в 1915 году, были оснащены генераторами Фессендена. [14]
Во время Первой мировой войны необходимость обнаружения подводных лодок побудила к большему количеству исследований в области использования звука. Британцы первыми использовали подводные прослушивающие устройства, называемые гидрофонами , в то время как французский физик Поль Ланжевен , работая с русским иммигрантом-электриком Константином Чиловским, работал над разработкой активных звуковых устройств для обнаружения подводных лодок в 1915 году. Хотя пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи позже вытеснили электростатические преобразователи, которые они использовали, эта работа повлияла на будущие конструкции. Легкая звукочувствительная пластиковая пленка и волоконная оптика использовались для гидрофонов, в то время как Терфенол-Д и ниобат магния свинца (PMN) были разработаны для проекторов.
В 1916 году в рамках Британского совета по изобретениям и исследованиям канадский физик Роберт Уильям Бойл взялся за проект активного обнаружения звука совместно с AB Wood , создав прототип для испытаний в середине 1917 года. Эта работа для Противолодочного дивизиона Британского военно-морского штаба проводилась в условиях строжайшей секретности, и для создания первого в мире практического подводного активного звукового детектора использовались кварцевые пьезоэлектрические кристаллы. Для сохранения секретности не было сделано никаких упоминаний об экспериментах со звуком или кварце — слово, используемое для описания ранней работы («сверхзвук»), было изменено на «ASD»ics, а кварцевый материал на «ASD»ivite: «ASD» означает «Противолодочный дивизион», отсюда и британская аббревиатура ASDIC . В 1939 году в ответ на вопрос из Оксфордского словаря английского языка Адмиралтейство выдумало историю о том, что это сокращение от «Комитет по расследованию обнаружения подводных лодок союзников», и это до сих пор широко распространено, [ 15] хотя в архивах Адмиралтейства не было найдено ни одного комитета с таким названием. [16]
К 1918 году Британия и Франция построили прототипы активных систем. Британцы испытали свою ASDIC на HMS Antrim в 1920 году и начали производство в 1922 году. 6-я флотилия эсминцев имела суда, оборудованные ASDIC, в 1923 году. Противолодочная школа HMS Osprey и учебная флотилия из четырех судов были созданы в Портленде в 1924 году.
К началу Второй мировой войны Королевский флот имел пять комплектов для различных классов надводных кораблей и другие для подводных лодок, объединенных в полную противолодочную систему. Эффективность ранних ASDIC была затруднена использованием глубинной бомбы в качестве противолодочного оружия. Это требовало, чтобы атакующее судно прошло над подводным контактом, прежде чем сбросить заряды за корму, что приводило к потере контакта ASDIC в моменты, предшествовавшие атаке. Охотник фактически стрелял вслепую, в течение которых командир подводной лодки мог предпринять действия по уклонению. Эта ситуация была исправлена с помощью новой тактики и нового оружия.
Тактические усовершенствования, разработанные Фредериком Джоном Уокером, включали в себя подкрадывающуюся атаку. Для этого требовалось два противолодочных корабля (обычно шлюпы или корветы). «Направляющий корабль» отслеживал целевую субмарину по ASDIC с позиции примерно в 1500–2000 ярдах позади субмарины. Второй корабль с выключенным ASDIC и работающим на скорости 5 узлов начинал атаку с позиции между направляющим кораблем и целью. Эта атака контролировалась по радиотелефону с направляющего корабля на основе их ASDIC и дальности (по дальномеру) и пеленга атакующего корабля. Как только глубинные бомбы были сброшены, атакующий корабль покинул непосредственный район на полной скорости. Затем направляющий корабль вошел в целевой район и также сбрасывал шаблон глубинных бомб. Низкая скорость подхода означала, что субмарина не могла предсказать, когда будут сброшены глубинные бомбы. Любое уклонение обнаруживалось направляющим кораблем, и атакующему кораблю отдавались соответствующие приказы. Низкая скорость атаки имела то преимущество, что немецкая акустическая торпеда не была эффективна против военного корабля, двигавшегося так медленно. Разновидностью ползучей атаки была атака «штукатуркой», в которой три атакующих корабля, работавшие в тесной линии в ряд, направлялись на цель судном-наводчиком. [17]
Новое оружие для борьбы со слепой зоной ASDIC представляло собой «оружие, метающее вперед», такое как Hedgehogs и позднее Squids , которое проецировало боеголовки на цель впереди атакующего и все еще находилось в контакте ASDIC. Это позволяло одному эскорту совершать более прицельные атаки на подводные лодки. Разработки во время войны привели к появлению британских ASDIC-комплектов, которые использовали несколько различных форм луча, непрерывно покрывая слепые зоны. Позднее были использованы акустические торпеды .
В начале Второй мировой войны (сентябрь 1940 года) британская технология ASDIC была бесплатно передана Соединенным Штатам. Исследования ASDIC и подводного звука были расширены в Великобритании и США. Было разработано много новых типов военных звуковых датчиков. К ним относятся гидроакустические буи , впервые разработанные британцами в 1944 году под кодовым названием High Tea , погружающийся гидролокатор и гидролокатор обнаружения мин . Эта работа легла в основу послевоенных разработок, связанных с противодействием атомным подводным лодкам .
В 1930-х годах американские инженеры разработали собственную технологию обнаружения подводного звука, и были сделаны важные открытия, такие как существование термоклинов и их влияние на звуковые волны. [18] Американцы начали использовать термин СОНАР для своих систем, придуманный Фредериком Хантом как эквивалент РАДАР . [19]
В 1917 году ВМС США впервые приобрели услуги Дж. Уоррена Хортона. Находясь в отпуске из Bell Labs , он служил правительству в качестве технического эксперта, сначала на экспериментальной станции в Наханте, штат Массачусетс , а затем в штаб-квартире ВМС США в Лондоне , Англия. В Наханте он применил недавно разработанную вакуумную лампу , тогда связанную с формирующими этапами области прикладной науки, ныне известной как электроника , для обнаружения подводных сигналов. В результате угольный пуговчатый микрофон , который использовался в более раннем оборудовании для обнаружения, был заменен предшественником современного гидрофона . Также в этот период он экспериментировал с методами обнаружения буксировкой. Это было связано с повышенной чувствительностью его устройства. Принципы все еще используются в современных буксируемых гидроакустических системах.
Для удовлетворения оборонных нужд Великобритании он был отправлен в Англию для установки в Ирландском море донных гидрофонов, соединенных с береговым постом прослушивания подводным кабелем. Пока это оборудование грузилось на кабелеукладочное судно, Первая мировая война закончилась, и Хортон вернулся домой.
Во время Второй мировой войны он продолжал разрабатывать гидроакустические системы, которые могли обнаруживать подводные лодки, мины и торпеды. Он опубликовал «Основы гидролокации» в 1957 году в качестве главного научного консультанта в Лаборатории подводного звука ВМС США . Он занимал эту должность до 1959 года, когда стал техническим директором, и занимал эту должность до обязательного выхода на пенсию в 1963 году. [20] [21]
В сонаре США с 1915 по 1940 год было мало прогресса. В 1940 году сонары США обычно состояли из магнитострикционного преобразователя и массива никелевых трубок, соединенных со стальной пластиной диаметром 1 фут, прикрепленной спина к спине к кристаллу сегнетовой соли в сферическом корпусе. Эта сборка проникала в корпус судна и вручную поворачивалась на нужный угол. Пьезоэлектрический кристалл сегнетовой соли имел лучшие параметры, но магнитострикционный блок был намного надежнее. Высокие потери американских торговых судов снабжения в начале Второй мировой войны привели к крупномасштабным высокоприоритетным исследованиям США в этой области, направленным как на улучшение параметров магнитострикционного преобразователя, так и на повышение надежности сегнетовой соли. Дигидрофосфат аммония (АДФ), превосходная альтернатива, была найдена в качестве замены сегнетовой соли; первым применением стала замена преобразователей сегнетовой соли на 24 кГц. Через девять месяцев сегнетовая соль устарела. Численность персонала завода ADP выросла с нескольких десятков человек в начале 1940 года до нескольких тысяч человек в 1942 году.
Одним из самых ранних применений кристаллов ADP были гидрофоны для акустических мин ; кристаллы были предназначены для отсечки низких частот на 5 Гц, выдерживания механических ударов при развертывании с самолета с высоты 3000 м (10 000 футов) и способности выдерживать взрывы соседних мин. Одной из ключевых особенностей надежности ADP является его нулевая стареющая характеристика; кристалл сохраняет свои параметры даже при длительном хранении.
Другое применение было для акустических самонаводящихся торпед. Две пары направленных гидрофонов были установлены на носу торпеды, в горизонтальной и вертикальной плоскости; разностные сигналы от пар использовались для управления торпедой влево-вправо и вверх-вниз. Была разработана контрмера: выбранная подводная лодка выпускала шипучий химикат, а торпеда следовала за более шумной шипучей ложной целью. Контрмерой была торпеда с активным сонаром — преобразователь был добавлен к носу торпеды, и микрофоны прослушивали его отраженные периодические тональные импульсы. Преобразователи состояли из идентичных прямоугольных кристаллических пластин, расположенных в ромбовидных областях в шахматном порядке.
Пассивные гидроакустические решетки для подводных лодок были разработаны на основе кристаллов ADP. Несколько кристаллических сборок были размещены в стальной трубке, заполненной касторовым маслом под вакуумом и запечатанной. Затем трубки были смонтированы в параллельные решетки.
Стандартный сканирующий сонар ВМС США в конце Второй мировой войны работал на частоте 18 кГц, используя массив кристаллов ADP. Однако желаемый больший диапазон требовал использования более низких частот. Требуемые размеры были слишком велики для кристаллов ADP, поэтому в начале 1950-х годов были разработаны магнитострикционные и пьезоэлектрические системы на основе титаната бария , но у них возникли проблемы с достижением однородных характеристик импеданса, и пострадала диаграмма направленности. Затем титанат бария был заменен более стабильным цирконатом титанатом свинца (PZT), а частота была снижена до 5 кГц. Флот США использовал этот материал в гидролокаторе AN/SQS-23 в течение нескольких десятилетий. В гидролокаторе SQS-23 сначала использовались магнитострикционные никелевые преобразователи, но они весили несколько тонн, а никель был дорогим и считался критически важным материалом; поэтому были заменены пьезоэлектрические преобразователи. Сонар представлял собой большой массив из 432 отдельных преобразователей. Сначала преобразователи были ненадежными, показывали механические и электрические сбои и приходили в негодность вскоре после установки; они также производились несколькими поставщиками, имели разные конструкции, и их характеристики были достаточно разными, чтобы ухудшить работу массива. Затем политика, разрешающая ремонт отдельных преобразователей, была принесена в жертву, и вместо нее была выбрана «расходная модульная конструкция», герметичные неремонтируемые модули, что устранило проблему с уплотнениями и другими посторонними механическими деталями. [22]
Императорский флот Японии в начале Второй мировой войны использовал проекторы на основе кварца . Они были большими и тяжелыми, особенно если были рассчитаны на более низкие частоты; проекторы для установки Type 91, работающие на частоте 9 кГц, имели диаметр 30 дюймов (760 мм) и приводились в действие генератором мощностью 5 кВт и выходной амплитудой 7 кВ. Проекторы Type 93 состояли из твердых сэндвичей из кварца, собранных в сферические чугунные корпуса. Позднее гидролокаторы Type 93 были заменены на Type 3, которые следовали немецкому дизайну и использовали магнитострикционные проекторы; проекторы состояли из двух прямоугольных идентичных независимых блоков в чугунном прямоугольном корпусе размером около 16 на 9 дюймов (410 мм × 230 мм). Открытая область была шириной в половину длины волны и высотой в три длины волны. Магнитострикционные сердечники были изготовлены из 4-миллиметровых штамповок никеля, а позднее из железо-алюминиевого сплава с содержанием алюминия от 12,7% до 12,9%. Питание осуществлялось от источника постоянного тока напряжением 2 кВт и напряжением 3,8 кВ с поляризацией 20 В, 8 А.
Пассивные гидрофоны Императорского флота Японии были основаны на конструкции с подвижной катушкой, пьезопреобразователях на основе сегнетовой соли и угольных микрофонах . [23]
Магнитострикционные преобразователи были разработаны после Второй мировой войны в качестве альтернативы пьезоэлектрическим. Никелевые спирально-навитые кольцевые преобразователи использовались для мощных низкочастотных операций, с размером до 13 футов (4,0 м) в диаметре, вероятно, самые большие отдельные гидроакустические преобразователи из когда-либо существовавших. Преимущество металлов заключается в их высокой прочности на разрыв и низком входном электрическом импедансе, но они имеют электрические потери и более низкий коэффициент связи, чем PZT, прочность на разрыв которого может быть увеличена путем предварительного напряжения . Были опробованы и другие материалы; неметаллические ферриты были многообещающими из-за своей низкой электропроводности, что приводит к низким потерям на вихревые токи , Metglas предлагал высокий коэффициент связи, но они уступали PZT в целом. В 1970-х годах были обнаружены соединения редкоземельных металлов и железа с превосходными магнитомеханическими свойствами, а именно сплав Terfenol-D . Это сделало возможными новые конструкции, например, гибридный магнитострикционно-пьезоэлектрический преобразователь. Самым последним из таких усовершенствованных магнитострикционных материалов является Галфенол .
Другие типы преобразователей включают преобразователи с переменным сопротивлением (или подвижным якорем, или электромагнитные), в которых магнитная сила действует на поверхности зазоров, и преобразователи с подвижной катушкой (или электродинамические), похожие на обычные динамики; последние используются для подводной калибровки звука из-за их очень низких резонансных частот и плоских широкополосных характеристик над ними. [24]
Активный сонар использует звуковой передатчик (или проектор) и приемник. Когда они находятся в одном месте, это моностатическая работа . Когда передатчик и приемник разделены, это бистатическая работа . [25] Когда используется больше передатчиков (или больше приемников), опять же пространственно разделенных, это мультистатическая работа . Большинство сонаров используются моностатически, при этом для передачи и приема часто используется один и тот же массив. [26] Активные поля гидроакустических буев могут работать мультистатически.
Активный сонар создает звуковой импульс , часто называемый «пингом», а затем прослушивает отражения ( эхо ) импульса. Этот звуковой импульс обычно создается электронным способом с использованием проектора сонара, состоящего из генератора сигналов, усилителя мощности и электроакустического преобразователя/решетки. [27] Преобразователь — это устройство, которое может передавать и принимать акустические сигналы («пинги»). Формирователь луча обычно используется для концентрации акустической мощности в луч, который может быть развернут для покрытия требуемых углов поиска. Как правило, электроакустические преобразователи относятся к типу Tonpilz , и их конструкция может быть оптимизирована для достижения максимальной эффективности в самой широкой полосе пропускания, чтобы оптимизировать производительность всей системы. Иногда акустический импульс может быть создан другими способами, например, химическим путем с использованием взрывчатых веществ, пневматических пушек или плазменных источников звука.
Для измерения расстояния до объекта время от передачи импульса до приема измеряется и преобразуется в диапазон с использованием известной скорости звука. [28] Для измерения пеленга используются несколько гидрофонов , и набор измеряет относительное время прибытия к каждому, или с массивом гидрофонов, измеряя относительную амплитуду в лучах, сформированных с помощью процесса, называемого формированием луча . Использование массива уменьшает пространственный отклик, так что для обеспечения широкого покрытия используются многолучевые системы. Затем целевой сигнал (если присутствует) вместе с шумом проходит через различные формы обработки сигнала , [29] которые для простых сонаров могут быть просто измерением энергии. Затем он представляется в некоторую форму решающего устройства, которое называет выход либо требуемым сигналом, либо шумом. Это решающее устройство может быть оператором с наушниками или дисплеем, или в более сложных сонарах эта функция может выполняться программным обеспечением. Дальнейшие процессы могут выполняться для классификации цели и ее локализации, а также для измерения ее скорости.
Импульс может быть на постоянной частоте или чирпом изменяющейся частоты (чтобы обеспечить сжатие импульса при приеме). Простые сонары обычно используют первый с фильтром, достаточно широким, чтобы охватить возможные изменения Доплера из-за движения цели, в то время как более сложные обычно включают последний метод. С тех пор как стала доступна цифровая обработка, сжатие импульса обычно реализуется с использованием методов цифровой корреляции. Военные сонары часто имеют несколько лучей, чтобы обеспечить круговое покрытие, в то время как простые охватывают только узкую дугу, хотя луч может вращаться относительно медленно с помощью механического сканирования.
В частности, при использовании одночастотных передач эффект Доплера может быть использован для измерения радиальной скорости цели. Разница в частоте между переданным и принятым сигналом измеряется и преобразуется в скорость. Поскольку доплеровские сдвиги могут быть вызваны как движением приемника, так и движением цели, необходимо сделать поправку на радиальную скорость поисковой платформы.
Один полезный небольшой сонар похож по внешнему виду на водонепроницаемый фонарик. Головка направлена в воду, нажимается кнопка, и устройство отображает расстояние до цели. Другой вариант — « рыболокатор », который показывает небольшой дисплей с косяками рыб. Некоторые гражданские сонары (которые не предназначены для скрытности) приближаются по возможностям к активным военным сонарам, имея трехмерные изображения области около лодки.
Когда активный сонар используется для измерения расстояния от датчика до дна, это известно как эхолотирование . Аналогичные методы могут использоваться для измерения волн, глядя вверх.
Активный сонар также используется для измерения расстояния в воде между двумя гидроакустическими преобразователями или комбинацией гидрофона (подводного акустического микрофона) и проектора (подводного акустического динамика). Когда гидрофон/преобразователь получает определенный сигнал запроса, он отвечает передачей определенного ответного сигнала. Для измерения расстояния один преобразователь/проектор передает сигнал запроса и измеряет время между этой передачей и получением ответа другого преобразователя/гидрофона. Разница во времени, масштабированная по скорости звука в воде и деленная на два, является расстоянием между двумя платформами. Этот метод при использовании с несколькими преобразователями/гидрофонами/проекторами может вычислять относительное положение статических и движущихся объектов в воде.
В боевых ситуациях активный импульс может быть обнаружен противником и выдаст местоположение подводной лодки на расстоянии, вдвое превышающем максимальное расстояние, на котором сама подводная лодка может обнаружить контакт, и даст подсказки относительно идентификации подводной лодки на основе характеристик исходящего пинга. По этим причинам активный сонар нечасто используется военными подводными лодками.
Очень направленный, но малоэффективный тип гидролокатора (используется в рыболовстве, в военных целях и для обеспечения безопасности портов) использует сложную нелинейную характеристику воды, известную как нелинейный гидролокатор, при этом виртуальный преобразователь называется параметрической решеткой .
Проект Artemis был экспериментальным научно-исследовательским и опытно-конструкторским проектом в конце 1950-х — середине 1960-х годов по изучению распространения звука и обработки сигнала для низкочастотной активной гидроакустической системы, которая могла бы использоваться для наблюдения за океаном. Вторичной целью было изучение инженерных проблем стационарных активных донных систем. [30] Приемная решетка была расположена на склоне Плантагнет-Бэнк у Бермудских островов. Активная исходная решетка была развернута с переоборудованного танкера времен Второй мировой войны USNS Mission Capistrano . [31] Элементы Artemis использовались экспериментально после завершения основного эксперимента.
Это активное гидролокационное устройство, которое получает определенный стимул и немедленно (или с задержкой) ретранслирует полученный сигнал или заранее определенный сигнал. Транспондеры могут использоваться для дистанционной активации или восстановления подводного оборудования. [32]
Цель гидролокатора мала относительно сферы , центрированной вокруг излучателя, на которой она расположена. Поэтому мощность отраженного сигнала очень мала, на несколько порядков меньше исходного сигнала. Даже если отраженный сигнал был той же мощности, следующий пример (с использованием гипотетических значений) показывает проблему: Предположим, что система гидролокатора способна излучать сигнал мощностью 10 000 Вт/м 2 на расстоянии 1 м и обнаруживать сигнал мощностью 0,001 Вт/м 2. На расстоянии 100 м сигнал будет составлять 1 Вт/м 2 (из-за закона обратных квадратов ). Если весь сигнал отражается от цели площадью 10 м 2 , он будет иметь мощность 0,001 Вт/м 2 , когда достигнет излучателя, т. е. будет едва обнаруживаемым. Однако исходный сигнал будет оставаться выше 0,001 Вт/м 2 до 3000 м. Любая цель размером 10 м2 на расстоянии от 100 до 3000 м, использующая подобную или лучшую систему, сможет обнаружить импульс, но не будет обнаружена излучателем. Детекторы должны быть очень чувствительными, чтобы улавливать эхо. Поскольку исходный сигнал намного мощнее, его можно обнаружить во много раз дальше, чем в два раза дальше дальности действия сонара (как в примере).
Активный сонар имеет два ограничения производительности: из-за шума и реверберации. В общем, один или другой из них будет доминировать, так что эти два эффекта можно изначально рассматривать отдельно.
В условиях ограниченного шума при первоначальном обнаружении: [33]
где SL — уровень источника , PL — потери распространения (иногда называемые потерями передачи ), TS — мощность цели , NL — уровень шума , AG — коэффициент усиления приемной решетки (иногда аппроксимируемый ее индексом направленности), а DT — порог обнаружения .
В условиях ограниченной реверберации при первоначальном обнаружении (без учета усиления решетки):
где RL — уровень реверберации , а остальные факторы такие же, как и прежде.
Гидролокатор, смотрящий вверх (ULS) — это гидролокационное устройство, направленное вверх к поверхности моря. Он используется для тех же целей, что и гидролокатор, смотрящий вниз, но имеет некоторые уникальные приложения, такие как измерение толщины морского льда , шероховатости и концентрации, [34] [35] или измерение вовлечения воздуха из пузырьковых шлейфов во время бурного моря. Часто он пришвартован на дне океана или плавает на натянутом тросе, закрепленном на постоянной глубине, возможно, 100 м. Они также могут использоваться подводными лодками , AUV и поплавками, такими как поплавок Argo . [36]
Пассивный сонар слушает, не передавая сигнал. [37] Он часто используется в военных целях, хотя также используется в научных приложениях, например , для обнаружения рыбы для изучения присутствия/отсутствия в различных водных средах – см. также пассивную акустику и пассивный радар . В самом широком смысле этот термин может охватывать практически любую аналитическую технику, включающую дистанционно генерируемый звук, хотя обычно он ограничивается методами, применяемыми в водной среде.
Пассивный сонар имеет широкий спектр методов для определения источника обнаруженного звука. Например, американские суда обычно используют системы переменного тока частотой 60 Гц . Если трансформаторы или генераторы установлены без надлежащей виброизоляции от корпуса или затоплены, звук частотой 60 Гц от обмоток может издаваться подводной лодкой или кораблем. Это может помочь определить ее национальную принадлежность, так как все европейские подводные лодки и почти все подводные лодки других стран имеют системы питания частотой 50 Гц. Источники прерывистого звука (например, падение гаечного ключа ), называемые «транзиентами», также могут быть обнаружены пассивным сонаром. До недавнего времени [ когда? ] опытный, обученный оператор идентифицировал сигналы, но теперь это могут делать компьютеры.
Пассивные гидролокационные системы могут иметь большие звуковые базы данных , но оператор гидролокатора обычно в конечном итоге классифицирует сигналы вручную. Компьютерная система часто использует эти базы данных для идентификации классов кораблей, действий (например, скорости корабля или типа выпущенного оружия и наиболее эффективных контрмер для использования) и даже конкретных кораблей.
Пассивный сонар на транспортных средствах обычно сильно ограничен из-за шума, создаваемого транспортным средством. По этой причине многие подводные лодки используют ядерные реакторы , которые могут охлаждаться без насосов, используя бесшумную конвекцию , или топливные элементы или батареи , которые также могут работать бесшумно. Винты транспортных средств также спроектированы и точно обработаны для создания минимального шума. Высокоскоростные винты часто создают крошечные пузырьки в воде, и эта кавитация имеет отчетливый звук.
Гидрофоны сонара могут буксироваться позади корабля или подводной лодки, чтобы уменьшить влияние шума, создаваемого самим судном. Буксируемые устройства также борются с термоклином , поскольку устройство может буксироваться выше или ниже термоклина.
Дисплей большинства пассивных сонаров раньше представлял собой двухмерный водопадный дисплей . Горизонтальное направление дисплея — это пеленг. Вертикальное — это частота или иногда время. Другой метод отображения — это цветовая кодировка частотно-временной информации для пеленга. Более поздние дисплеи генерируются компьютерами и имитируют дисплеи индикатора положения плана радарного типа .
В отличие от активного сонара, задействовано только одностороннее распространение. Из-за разной обработки сигнала минимальное обнаруживаемое отношение сигнал/шум будет другим. Уравнение для определения производительности пассивного сонара [38] [33]
где SL — уровень источника, PL — потери распространения, NL — уровень шума, AG — коэффициент усиления решетки, а DT — порог обнаружения. Показатель качества пассивного сонара равен
Эффективность обнаружения, классификации и локализации сонара зависит от окружающей среды и приемного оборудования, а также от передающего оборудования в активном сонаре или излучаемого целью шума в пассивном сонаре.
На работу сонара влияют изменения скорости звука , особенно в вертикальной плоскости. Звук распространяется медленнее в пресной воде , чем в морской , хотя разница невелика. Скорость определяется модулем объемной упругости и плотностью массы воды . На модуль объемной упругости влияют температура, растворенные примеси (обычно соленость ) и давление . Влияние плотности невелико. Скорость звука (в футах в секунду) приблизительно равна:
Это эмпирически полученное приближенное уравнение достаточно точно для нормальных температур, концентраций солености и диапазона большинства глубин океана. Температура океана меняется с глубиной, но на глубине от 30 до 100 метров часто наблюдается заметное изменение, называемое термоклином , разделяющее более теплую поверхностную воду от холодных, неподвижных вод, составляющих остальную часть океана. Это может помешать работе сонара, поскольку звук, возникающий с одной стороны термоклина, имеет тенденцию изгибаться или преломляться через термоклин. Термоклин может присутствовать в более мелких прибрежных водах. Однако волновое воздействие часто перемешивает толщу воды и устраняет термоклин. Давление воды также влияет на распространение звука: более высокое давление увеличивает скорость звука, что заставляет звуковые волны преломляться в сторону от области с более высокой скоростью звука. Математическая модель преломления называется законом Снеллиуса .
Если источник звука находится на большой глубине и условия подходящие, распространение может происходить в « глубоком звуковом канале ». Это обеспечивает крайне низкие потери распространения для приемника в канале. Это происходит из-за улавливания звука в канале без потерь на границах. Подобное распространение может происходить в «поверхностном канале» при подходящих условиях. Однако в этом случае есть потери отражения на поверхности.
На мелководье распространение обычно происходит за счет многократного отражения от поверхности и дна, где могут возникать значительные потери.
Распространение звука зависит от поглощения в самой воде, а также на поверхности и дне. Это поглощение зависит от частоты, с несколькими различными механизмами в морской воде. Сонар дальнего действия использует низкие частоты для минимизации эффектов поглощения.
Море содержит много источников шума, которые мешают желаемому эхо-сигналу или сигнатуре цели. Основными источниками шума являются волны и судоходство . Движение приемника по воде также может вызывать зависящий от скорости низкочастотный шум.
При использовании активного сонара рассеивание происходит от небольших объектов в море, а также от дна и поверхности. Это может быть основным источником помех. Это акустическое рассеивание аналогично рассеиванию света от автомобильных фар в тумане: узкий луч высокой интенсивности в некоторой степени проникнет сквозь туман, но фары с более широким лучом излучают много света в нежелательных направлениях, большая часть которого рассеивается обратно к наблюдателю, подавляя отраженный от цели («засветка»). По аналогичным причинам активный сонар должен передавать узкий луч, чтобы минимизировать рассеивание.
Рассеивание сонара от объектов (мин, трубопроводов, зоопланктона, геологических объектов, рыбы и т. д.) — это то, как активный сонар обнаруживает их, но эта способность может быть замаскирована сильным рассеянием от ложных целей или «помех». Там, где они возникают (под прибойными волнами; [40] в следах кораблей; в газе, выделяемом из просачиваний и утечек на морском дне [41] и т. д.), газовые пузырьки являются мощными источниками помех и могут легко скрывать цели. TWIPS (Twin Inverted Pulse Sonar) [42] [43] [44] в настоящее время является единственным сонаром, который может преодолеть эту проблему помех.
Это важно, поскольку многие недавние конфликты происходили в прибрежных водах, и невозможность обнаружить наличие или отсутствие мин представляет опасность и задержки для военных судов, а также для конвоев и торгового судоходства, пытающихся поддержать регион в течение длительного времени после прекращения конфликта. [42]
Характеристики отражения звука от цели активного сонара, например, подводной лодки, известны как ее сила цели . Сложность заключается в том, что эхо также получается от других объектов в море, таких как киты, кильватерные струи, косяки рыб и скалы.
Пассивный сонар обнаруживает характеристики излучаемого шума цели . Излучаемый спектр представляет собой непрерывный спектр шума с пиками на определенных частотах, которые могут быть использованы для классификации.
Атакуемое судно может применять активные (мощные) средства противодействия для повышения уровня шума, создания большой ложной цели и сокрытия сигнатуры самого судна.
Пассивные (т.е. неактивные) контрмеры включают:
Современная морская война широко использует как пассивный, так и активный гидролокатор с надводных судов, самолетов и стационарных установок. Хотя активный гидролокатор использовался надводными судами во Второй мировой войне , подводные лодки избегали использования активного гидролокатора из-за возможности раскрытия их присутствия и местоположения вражеским силам. Однако появление современной обработки сигналов позволило использовать пассивный гидролокатор в качестве основного средства для операций по поиску и обнаружению. Сообщается, что в 1987 году подразделение японской компании Toshiba [45] продало Советскому Союзу оборудование , которое позволило фрезеровать лопасти винтов подводных лодок, так что они стали радикально тише, что сделало новое поколение подводных лодок более трудным для обнаружения.
Использование активного сонара подводной лодкой для определения пеленга встречается крайне редко и не обязательно даст высококачественную информацию о пеленге или дальности для команды управления огнем подводной лодки. Однако использование активного сонара на надводных кораблях очень распространено и используется подводными лодками, когда тактическая ситуация диктует, что важнее определить местоположение вражеской подводной лодки, чем скрыть свое собственное местоположение. В случае с надводными кораблями можно предположить, что угроза уже отслеживает корабль с помощью спутниковых данных, поскольку любое судно вокруг излучающего сонара обнаружит излучение. Услышав сигнал, легко определить используемое гидролокационное оборудование (обычно по его частоте) и его положение (по энергии звуковой волны). Активный сонар похож на радар тем, что, хотя он позволяет обнаруживать цели на определенном расстоянии, он также позволяет обнаруживать излучатель на гораздо большем расстоянии, что нежелательно.
Поскольку активный сонар обнаруживает присутствие и местоположение оператора и не позволяет точно классифицировать цели, он используется быстрыми (самолеты, вертолеты) и шумными платформами (большинство надводных кораблей), но редко подводными лодками. Когда активный сонар используется надводными кораблями или подводными лодками, он обычно активируется очень коротко в прерывистые периоды, чтобы свести к минимуму риск обнаружения. Следовательно, активный сонар обычно считается резервным для пассивного сонара. В самолетах активный сонар используется в виде одноразовых гидроакустических буев , которые сбрасываются в зоне патрулирования самолета или в непосредственной близости от возможных контактов вражеского сонара.
Пассивный сонар имеет несколько преимуществ, самое главное из которых — он бесшумный. Если уровень излучаемого целью шума достаточно высок, он может иметь больший радиус действия, чем активный сонар, и позволяет идентифицировать цель. Поскольку любой моторизованный объект издает некоторый шум, его в принципе можно обнаружить в зависимости от уровня излучаемого шума и уровня окружающего шума в этом районе, а также от используемой технологии. Для простоты пассивный сонар «видит» вокруг корабля, используя его. На подводной лодке пассивный сонар, установленный в носу, обнаруживает в направлениях около 270°, центрированных на выравнивании корабля, установленная на корпусе антенная решетка — около 160° с каждой стороны, а буксируемая антенная решетка — полные 360°. Невидимые области возникают из-за собственных помех корабля. Как только сигнал обнаружен в определенном направлении (что означает, что что-то издает звук в этом направлении, это называется широкополосным обнаружением), можно увеличить масштаб и проанализировать полученный сигнал (узкополосный анализ). Обычно это делается с помощью преобразования Фурье, чтобы показать различные частоты, составляющие звук. Поскольку каждый двигатель издает определенный звук, идентифицировать объект несложно. Базы данных уникальных звуков двигателей являются частью того, что известно как акустическая разведка или ACINT.
Другое применение пассивного сонара — определение траектории цели . Этот процесс называется анализом движения цели (TMA), а полученное «решение» — это дальность, курс и скорость цели. TMA выполняется путем отметки направления, с которого в разное время приходит звук, и сравнения движения с движением собственного судна оператора. Изменения относительного движения анализируются с использованием стандартных геометрических методов вместе с некоторыми предположениями о предельных случаях.
Пассивный сонар скрытен и очень полезен. Однако он требует высокотехнологичных электронных компонентов и является дорогостоящим. Он, как правило, развертывается на дорогих кораблях в виде массивов для улучшения обнаружения. Надводные корабли используют его с хорошим эффектом; еще лучше его используют подводные лодки , а также его используют самолеты и вертолеты, в основном для «эффекта неожиданности», поскольку подводные лодки могут прятаться под тепловыми слоями. Если командир подводной лодки считает, что он один, он может подвести свою лодку ближе к поверхности и ее будет легче обнаружить, или опуститься глубже и быстрее, и, таким образом, издать больше звука.
Примеры применения гидролокаторов в военных целях приведены ниже. Многие из гражданских применений, приведенных в следующем разделе, могут быть также применимы к военно-морскому использованию.
_p%C3%A5_et_af_s%C3%B8v%C3%A6rnets_skibe_af_Thetis-klassen.jpg/1280px-Variabel_dybde_sonar_(VDS)_p%C3%A5_et_af_s%C3%B8v%C3%A6rnets_skibe_af_Thetis-klassen.jpg)
До недавнего времени судовые сонары обычно изготавливались с решетками, устанавливаемыми на корпусе, либо в середине судна, либо на носу. Вскоре после их первоначального использования было обнаружено, что требуется средство снижения шума потока. Первые изготавливались из брезента на каркасе, затем стали использоваться стальные. Теперь купола обычно изготавливаются из армированного пластика или резины под давлением. Такие сонары в основном активны в эксплуатации. Примером обычного сонара, устанавливаемого на корпус, является SQS-56.
Из-за проблем с шумом судна также используются буксируемые сонары. Они имеют преимущество в том, что их можно размещать глубже в воде, но имеют ограничения по использованию на мелководье. Они называются буксируемыми массивами (линейными) или гидролокаторами переменной глубины (VDS) с 2/3D массивами. Проблема в том, что лебедки, необходимые для их развертывания/подъема, большие и дорогие. Наборы VDS в основном активны в работе, тогда как буксируемые массивы пассивны.
Примером современного активно-пассивного буксируемого корабельного гидролокатора является Sonar 2087 производства компании Thales Underwater Systems .
Современные торпеды обычно оснащены активным/пассивным сонаром. Он может использоваться для прямого наведения на цель, но также используются торпеды с самонаведением по кильватерному следу . Ранним примером акустического самонаводящегося устройства была торпеда Mark 37 .
Противоторпедные средства могут быть буксируемыми или свободными. Ранним примером было немецкое устройство Sieglinde , в то время как Bold было химическим устройством. Широко используемым американским устройством было буксируемое устройство AN/SLQ-25 Nixie , в то время как мобильный имитатор подводной лодки (MOSS) был свободным устройством. Современной альтернативой системе Nixie является система защиты надводных кораблей Королевского флота Великобритании S2170 .
Мины могут быть оснащены сонаром для обнаружения, локализации и распознавания требуемой цели. Примером может служить мина CAPTOR .
Противоминный сонар (MCM), иногда называемый «гидролокатором обнаружения мин и препятствий (MOAS)», — это специализированный тип сонара, используемый для обнаружения небольших объектов. Большинство гидролокаторов MCM устанавливаются на корпусе, но несколько типов имеют конструкцию VDS. Примером гидролокатора MCM, устанавливаемого на корпусе, является Type 2193, в то время как гидролокатор поиска мин SQQ-32 и системы Type 2093 имеют конструкцию VDS.
Подводные лодки полагаются на гидролокатор в большей степени, чем надводные корабли, поскольку они не могут использовать радар в воде. Гидроакустические антенны могут быть установлены на корпусе или буксироваться. Информация о типичных установках приведена в подводных лодках класса Oyashio и Swiftsure .
Вертолеты могут использоваться для противолодочной войны путем развертывания полей активно-пассивных гидроакустических буев или могут управлять погружающимся сонаром, таким как AQS-13 . Самолеты с фиксированным крылом также могут развертывать гидроакустические буи и обладают большей выносливостью и способностью развертывать их. Обработка с гидроакустических буев или погружающегося сонара может осуществляться на самолете или на корабле. Погружной гидроакустический аппарат имеет преимущество в том, что его можно развертывать на глубинах, соответствующих ежедневным условиям. Вертолеты также использовались для противоминных миссий с использованием буксируемых сонаров, таких как AQS-20A .
Специальные гидролокаторы могут быть установлены на кораблях и подводных лодках для обеспечения подводной связи.
Соединенные Штаты начали систему пассивных, стационарных систем наблюдения за океаном в 1950 году с секретным названием Sound Surveillance System (SOSUS) совместно с American Telephone and Telegraph Company (AT&T), с ее исследовательскими лабораториями Bell Laboratories и производственными предприятиями Western Electric , которые были заключены контракты на разработку и установку. Системы использовали канал SOFAR , также известный как глубокий звуковой канал, где минимальная скорость звука создает волновод , в котором низкочастотный звук распространяется на тысячи миль. Анализ был основан на звуковом спектрографе AT&T, который преобразовывал звук в визуальную спектрограмму, представляющую собой частотно-временной анализ звука, который был разработан для анализа речи и модифицирован для анализа низкочастотных подводных звуков. Этот процесс назывался анализом и записью низких частот , а оборудование называлось анализатором и регистратором низких частот, оба с аббревиатурой LOFAR. Исследование LOFAR называлось Jezebel и привело к использованию в воздушных и наземных системах, в частности, в гидроакустических буях, использующих этот процесс и иногда использующих «Jezebel» в своем названии. [46] [47] [48] [49] Предлагаемая система обещала столь многообещающее обнаружение подводных лодок на большом расстоянии, что ВМС приказали немедленно приступить к ее внедрению. [47] [50]
Между установкой испытательной решетки, за которой последовала полномасштабная, сорокаэлементная, опытная рабочая решетка в 1951 и 1958 годах, системы были установлены в Атлантике, а затем в Тихом океане под несекретным названием Project Caesar . Первоначальные системы были завершены на секретных береговых станциях, обозначенных как Naval Facility (NAVFAC), которые, как объяснялось, занимались «океаническими исследованиями» для прикрытия своей секретной миссии. Система была модернизирована несколько раз с помощью более совершенного кабеля, позволяющего устанавливать решетки в океанских бассейнах и модернизировать обработку. Береговые станции были ликвидированы в процессе консолидации и перенаправления решеток в центральные центры обработки в 1990-х годах. В 1985 году, с вводом в эксплуатацию новых мобильных решеток и других систем, коллективное название системы было изменено на Integrated Undersea Surveillance System (IUSS). В 1991 году миссия системы была рассекречена. За год до этого были разрешены знаки отличия IUSS для ношения. Был предоставлен доступ к некоторым системам для научных исследований. [46] [47]
Предполагается, что аналогичная система использовалась в Советском Союзе.
Сонар может использоваться для обнаружения водолазов и других аквалангистов . Это может быть применимо вокруг кораблей или у входов в порты. Активный сонар также может использоваться в качестве сдерживающего и/или дезактивирующего механизма. Одним из таких устройств является система Cerberus .
Гидролокатор обнаружения магнитных мин (LIMIS) — это переносной или устанавливаемый на дистанционно управляемый аппарат гидролокатор, предназначенный для патрульных водолазов (боевых пловцов или водолазов-разминаторов ) для поиска магнитных мин в условиях плохой видимости .
LUIS — еще один гидролокатор для визуализации, предназначенный для использования водолазом.
Интегрированная навигационная гидролокационная система (INSS) представляет собой небольшой портативный гидролокатор в форме фонарика для дайверов, который отображает дальность. [51] [52]
Это сонар, предназначенный для обнаружения и локализации передач от враждебных активных сонаров. Примером этого является Тип 2082, установленный на британских подводных лодках класса Vanguard .
Рыболовство является важной отраслью, в которой наблюдается растущий спрос, но мировой тоннаж улова падает из-за серьезных проблем с ресурсами. Отрасль сталкивается с будущим продолжающейся всемирной консолидации до тех пор, пока не будет достигнута точка устойчивости . Однако консолидация рыболовных флотов обуславливает повышенный спрос на сложную электронику для поиска рыбы, такую как датчики, эхолоты и сонары. Исторически рыбаки использовали множество различных методов для поиска и добычи рыбы. Однако акустическая технология стала одной из важнейших движущих сил развития современного коммерческого рыболовства.
Звуковые волны распространяются по-разному через рыбу и через воду, поскольку заполненный воздухом плавательный пузырь рыбы имеет другую плотность, чем морская вода. Эта разница в плотности позволяет обнаруживать косяки рыб с помощью отраженного звука. Акустическая технология особенно хорошо подходит для подводных применений, поскольку под водой звук распространяется дальше и быстрее, чем в воздухе. Сегодня коммерческие рыболовные суда почти полностью полагаются на акустические сонары и эхолоты для обнаружения рыбы. Рыбаки также используют активные сонары и эхолоты для определения глубины воды, контура и состава дна.
Такие компании, как eSonar, Raymarine , Marport Canada, Wesmar, Furuno, Krupp и Simrad, производят разнообразные гидролокаторы и акустические приборы для глубоководной коммерческой рыболовной промышленности. Например, сетевые датчики выполняют различные подводные измерения и передают информацию обратно на приемник на борту судна. Каждый датчик оснащен одним или несколькими акустическими преобразователями в зависимости от его конкретной функции. Данные передаются с датчиков с помощью беспроводной акустической телеметрии и принимаются гидрофоном, установленным на корпусе. Аналоговые сигналы декодируются и преобразуются цифровым акустическим приемником в данные, которые передаются на мостиковый компьютер для графического отображения на мониторе с высоким разрешением.
Эхолотирование — это процесс, используемый для определения глубины воды под кораблями и лодками. Эхолотирование, тип активного сонара, представляет собой передачу акустического импульса непосредственно вниз к морскому дну, измеряя время между передачей и возвратом эха, после того как он ударился о дно и отразился обратно к судну-источнику. Акустический импульс испускается преобразователем, который также принимает возвратный эхо-сигнал. Измерение глубины рассчитывается путем умножения скорости звука в воде (в среднем 1500 метров в секунду) на время между испусканием и возвратом эха. [53]
Значение подводной акустики для рыболовной промышленности привело к разработке других акустических приборов, которые работают аналогично эхолотам, но поскольку их функция несколько отличается от первоначальной модели эхолота, им присвоены другие названия.
Сетевой эхолот представляет собой эхолот с датчиком, установленным на верхней линии сети, а не на дне судна. Тем не менее, чтобы учесть расстояние от датчика до блока отображения, которое намного больше, чем в обычном эхолоте, необходимо внести несколько усовершенствований. Доступны два основных типа. Первый — кабельный тип, в котором сигналы передаются по кабелю. В этом случае необходимо предусмотреть кабельный барабан, на котором можно тянуть, забрасывать и укладывать кабель на разных этапах операции. Второй тип — это беспроводной сетевой эхолот, например, Marport's Trawl Explorer, в котором сигналы передаются акустически между сетью и установленным на корпусе судна приемником-гидрофоном. В этом случае кабельный барабан не требуется, но на преобразователе и приемнике необходима сложная электроника.
Дисплей на сетевом эхолоте показывает расстояние от сети до дна (или поверхности), а не глубину воды, как в случае с датчиком , установленным на корпусе эхолота . Закрепленный на верхней линии сети, подножку обычно можно увидеть, что дает представление о производительности сети. Также можно увидеть любую рыбу, попадающую в сеть, что позволяет выполнять точную настройку для поимки как можно большего количества рыбы. В других рыболовных хозяйствах, где важно количество рыбы в сети, датчики улова устанавливаются в различных местах на кутке сети. По мере заполнения кутка эти датчики улова срабатывают один за другим, и эта информация передается акустическим способом на мониторы на мостике судна. Затем капитан может решить, когда выбирать сеть.
Современные версии сетевых эхолотов, использующие многоэлементные преобразователи, функционируют скорее как гидролокатор, чем как эхолот, и показывают срезы области перед сетью, а не только вертикальный вид, как это использовали первоначальные сетевые эхолоты.
Сонар — это эхолот с направленным датчиком, который может показывать рыбу и другие объекты вокруг судна.
Малые сонары были установлены на дистанционно управляемых аппаратах (ROV) и беспилотных подводных аппаратах (UUV), чтобы обеспечить их работу в условиях непрозрачности. Эти сонары используются для наблюдения за впереди идущим аппаратом. Система долгосрочной разведки мин — это UUV для целей MCM.
Гидролокаторы, которые действуют как маяки, устанавливаются на самолетах, чтобы обеспечить их местоположение в случае крушения в море. Для определения местоположения могут использоваться гидролокаторы с короткой и длинной базой, такие как LBL .
В 2013 году изобретатель из США представил костюм с «паучьим чутьем», оснащенный ультразвуковыми датчиками и системами тактильной обратной связи , который предупреждает владельца о входящих угрозах, позволяя ему реагировать на нападающих даже с завязанными глазами. [54]
Обнаружение рыб и других морских и водных организмов, а также оценка их индивидуальных размеров или общей биомассы с использованием активных методов гидролокации. Звуковые импульсы отражаются от любого объекта, плотность которого отличается от плотности окружающей среды. Сюда входят рыбы или, в частности, заполненный воздухом плавательный пузырь у рыб. [55] Эти эхосигналы предоставляют информацию о размере, местоположении, численности и поведении рыб. Это особенно эффективно для рыб с плавательными пузырями (например, сельдь, треска и минтай) и менее полезно для рыб без них (например, акулы, скумбрия и камбала). [56] Данные из водной толщи обычно обрабатываются иначе, чем данные о морском дне или обнаружении объектов, этот тип данных можно обрабатывать с помощью специализированного программного обеспечения. [55]
Эхолот, направленный вверх и установленный на дне или на платформе, может использоваться для измерения высоты и периода волны. Из этого можно получить статистику состояния поверхности в определенном месте.
Разработаны специальные гидролокаторы ближнего действия, позволяющие измерять скорость течения воды.
Были разработаны сонары, которые можно использовать для классификации морского дна, например, на ил, песок и гравий. Относительно простые сонары, такие как эхолоты, можно продвигать в системы классификации морского дна с помощью дополнительных модулей, преобразующих параметры эха в тип осадка. Существуют различные алгоритмы, но все они основаны на изменениях энергии или формы отраженных сигналов эхолота. Расширенный анализ классификации субстрата можно выполнить с помощью калиброванных (научных) эхолотов и параметрического или нечетко-логического анализа акустических данных.
Гидролокаторы бокового обзора могут использоваться для получения карт топографии морского дна ( батиметрии ), перемещая гидролокатор по нему чуть выше дна. Низкочастотные гидролокаторы, такие как GLORIA , использовались для исследований континентального шельфа, в то время как высокочастотные гидролокаторы используются для более подробных исследований небольших территорий.
Многолучевые эхолоты, установленные на корпусе крупных надводных судов, создают полосы батиметрических данных практически в реальном времени. Одним из примеров является система General Instrument "Seabeam", которая использует проекционную решетку вдоль киля для озвучивания дна веерным лучом. Сигналы от гидрофонной решетки, установленной поперек судна, обрабатываются для синтеза нескольких виртуальных веерных лучей, пересекающих проекционный луч под прямым углом.
Создание двух- и трехмерных изображений с использованием данных сонара.
Мощные низкочастотные эхолоты были разработаны для предоставления профилей верхних слоев морского дна. Одним из последних устройств является параметрический многопреобразовательный SBP SES-2000 quattro компании Innomar, используемый, например, в заливе Пак для подводных археологических целей. [57]
Пузырьки газа могут просачиваться со дна моря или вблизи него из нескольких источников. Их можно обнаружить как пассивным [58], так и активным сонаром [41] (показаны на схематическом рисунке [58] желтой и красной системами соответственно).
Происходят естественные утечки метана и углекислого газа. [41] Газопроводы могут протекать, и важно иметь возможность обнаружить, происходит ли утечка из установок по улавливанию и хранению углерода (CCSF; например, истощенные нефтяные скважины, в которых хранится извлеченный атмосферный углерод). [59] [60] [61] [62] Количественная оценка количества утекающего газа затруднена, и хотя оценки могут быть сделаны с использованием активного и пассивного сонара, важно подвергнуть сомнению их точность из-за предположений, присущих получению таких оценок на основе данных сонара. [58] [63]
Различные сонары с синтетической апертурой были созданы в лабораторных условиях, и некоторые из них вошли в использование в системах поиска и охоты за минами. Объяснение их работы дано в сонаре с синтетической апертурой .
Параметрические источники используют нелинейность воды для генерации разностной частоты между двумя высокими частотами. Образуется виртуальная торцевая решетка. Такой проектор имеет преимущества широкой полосы пропускания, узкой ширины луча, и при полной разработке и тщательном измерении он не имеет очевидных боковых лепестков: см. Параметрическая решетка . Его главный недостаток - очень низкая эффективность, всего несколько процентов. [64] PJ Westervelt суммирует задействованные тенденции. [65]
Использование как активного, так и пассивного сонара было предложено для различных внеземных сред. [66] Одним из примеров является Титан , где активный сонар может быть использован для определения глубины его углеводородных морей , [67] а пассивный сонар может быть использован для обнаружения метановых водопадов . [68]
Предложения, которые не учитывают должным образом разницу между земной и внеземной средой, могут привести к ошибочным измерениям. [69] [70] [71] [72] [73] [74]
Исследования показали, что использование активного сонара может привести к массовому выбросу морских млекопитающих на берег . [75] Было показано, что клюворылые киты , наиболее частая жертва выброса на берег, очень чувствительны к среднечастотному активному сонару. [76] Другие морские млекопитающие, такие как синий кит, также бегут от источника сонара, [77] в то время как военно-морская деятельность была предложена как наиболее вероятная причина массового выброса дельфинов на берег. [78] ВМС США, которые частично финансировали некоторые из исследований, заявили, что результаты показали только поведенческие реакции на сонар, а не фактический вред, но они «оценят эффективность [своих] мер защиты морских млекопитающих в свете новых результатов исследований». [75] В постановлении Верховного суда США 2008 года об использовании сонара ВМС США отмечалось, что не было случаев, когда было бы убедительно доказано, что сонар нанес вред или убил морское млекопитающее. [79]
Некоторые морские животные, такие как киты и дельфины , используют системы эхолокации , иногда называемые биосонаром, для обнаружения хищников и добычи. Исследования воздействия сонара на синих китов в заливе Южной Калифорнии показывают, что использование среднечастотного сонара нарушает пищевое поведение китов. Это указывает на то, что вызванное сонаром нарушение питания и перемещение из высококачественных участков добычи может иметь значительные и ранее не документированные последствия для экологии добычи усатых китов , индивидуальной приспособленности и здоровья популяции. [80]
Обзор доказательств о массовых выбросах клюворылов, связанных с военно-морскими учениями, где использовался сонар, был опубликован в 2019 году. В нем сделан вывод о том, что воздействие среднечастотного активного сонара сильнее всего на клюворылов Кювье, но оно различается у отдельных особей или популяций. В обзоре предполагается, что сила реакции отдельных животных может зависеть от того, подвергались ли они предварительному воздействию сонара, и что у выброшенных на берег китов были обнаружены симптомы декомпрессионной болезни , что может быть результатом такой реакции на сонар. В нем отмечено, что на Канарских островах, где ранее сообщалось о множественных выбросах на берег, больше не происходило массовых выбросов на берег после того, как в этом районе были запрещены военно-морские учения, во время которых использовался сонар, и рекомендовано распространить запрет на другие районы, где продолжают происходить массовые выбросы на берег. [81] [82]
Низкочастотный сонар может вызвать небольшое временное смещение порога слуха некоторых рыб. [83] [84] [a]
Частоты сонаров варьируются от инфразвуковых до мегагерц. Как правило, более низкие частоты имеют больший диапазон, в то время как более высокие частоты обеспечивают лучшее разрешение и меньший размер для заданной направленности.
Для достижения разумной направленности частоты ниже 1 кГц обычно требуют больших размеров, что обычно достигается с помощью буксируемых антенных решеток. [85]
Низкочастотные сонары в общих чертах определяются как 1–5 кГц, хотя некоторые флоты считают 5–7 кГц также низкой частотой. Средняя частота определяется как 5–15 кГц. Другой стиль деления считает низкую частоту ниже 1 кГц, а среднюю частоту — между 1–10 кГц. [85]
Американские сонары времен Второй мировой войны работали на относительно высокой частоте 20–30 кГц, чтобы достичь направленности с достаточно малыми преобразователями, с типичным максимальным рабочим диапазоном 2500 ярдов. Послевоенные сонары использовали более низкие частоты для достижения большего диапазона; например, SQS-4 работал на частоте 10 кГц с диапазоном до 5000 ярдов. SQS-26 и SQS-53 работали на частоте 3 кГц с диапазоном до 20 000 ярдов; их купола имели размер приблизительно 60-футовой шлюпки для персонала, верхний предел размера для обычных корпусных сонаров. Достижение больших размеров с помощью конформной гидроакустической решетки, распределенной по корпусу, до сих пор не было эффективным, поэтому для более низких частот используются линейные или буксируемые решетки. [85]
Японские сонары Второй мировой войны работали на разных частотах. Тип 91 с 30-дюймовым кварцевым излучателем работал на частоте 9 кГц. Тип 93 с меньшими кварцевыми излучателями работал на частоте 17,5 кГц (модель 5 на 16 или 19 кГц магнитострикционные) при мощности от 1,7 до 2,5 кВт, с дальностью действия до 6 км. Более поздний Тип 3 с магнитострикционными преобразователями немецкой конструкции работал на частотах 13, 14,5, 16 или 20 кГц (в зависимости от модели), используя двойные преобразователи (кроме модели 1, у которой было три одиночных), при мощности от 0,2 до 2,5 кВт. Простой тип использовал магнитострикционные преобразователи 14,5 кГц на 0,25 кВт, приводимые в действие емкостным разрядом вместо осцилляторов, с дальностью действия до 2,5 км. [23]
Разрешение сонара является угловым; объекты, расположенные дальше друг от друга, отображаются с более низким разрешением, чем объекты, расположенные ближе.
Другой источник перечисляет диапазоны и разрешения в зависимости от частот для гидролокаторов бокового обзора. 30 кГц обеспечивает низкое разрешение с диапазоном 1000–6000 м, 100 кГц дает среднее разрешение на 500–1000 м, 300 кГц дает высокое разрешение на 150–500 м, а 600 кГц дает высокое разрешение на 75–150 м. На гидролокаторы с большим радиусом действия большее негативное влияние оказывают неоднородности воды. Некоторые среды, как правило, мелководье вблизи берегов, имеют сложный рельеф со множеством особенностей; там необходимы более высокие частоты. [86]
{{cite journal}}: CS1 maint: unfit URL (link){{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link)