В наземной войне артиллерийская звуковая дальность — это метод определения координат вражеской батареи с использованием данных, полученных по звуку выстрелов ее орудий (или минометов, или ракет), так называемое обнаружение цели .
Этими же методами можно направить артиллерийский огонь по позиции с известными координатами, так называемое управление огнем.
Это применение звуковой (или акустической) локации , то есть определения местоположения источника звуков, которые могут возникать в воздухе, на земле, на поверхности воды или под ней. Звуковая дальнометрия была одним из трех методов обнаружения вражеской артиллерии, которые быстро развивались во время Первой мировой войны . Другими были воздушная разведка (визуальная и фотографическая) и обнаружение вспышек .
Звуковой рейнджер использовал слуховые методы и методы секундомера, которые впервые появились перед Первой мировой войной. Методы секундомера включали обнаружение выстрела из пистолета, измерение направления на него и продолжительность времени, которое потребовалось для того, чтобы звук дошел. Слуховые методы обычно подразумевали, что человек слушает пару микрофонов, находящихся на расстоянии нескольких километров друг от друга, и измеряет время между звуком, доходящим до микрофонов. Этот метод, похоже, использовался немцами на протяжении всей войны, но был быстро отвергнут западными союзниками как неэффективный, которые разработали научные методы звуковой дальности, потомки которых используются до сих пор.
В основе научной звуковой дальности лежит использование сенсорного поста, состоящего как минимум из пары микрофонов, для определения направления источника звука. При использовании нескольких постов датчиков пересечение этих подшипников определяет местоположение батареи. Пеленги определяются по разнице во времени прибытия на микрофоны, расположенные в каждом из этих сенсорных постов.
Обычно посты датчиков имеют три микрофона, расположенные треугольной формы, типичный размер которых составляет около 10 метров — расстояние, необходимое для получения оптимального соотношения сигнал/шум в нижнем частотном диапазоне.
С 2018 года разрабатывается новый подход с использованием так называемых акустических многоцелевых датчиков, которые содержат как микрофоны, так и датчики скорости частиц.
Поскольку датчики скорости частиц имеют широкую полосу направленности, в том числе и для более низких частот, большой (наземный) пост датчика можно уменьшить до размеров «кротовьей кучки».
Для научного метода звуковой дальнометрии требуется следующее оборудование.
Основной метод заключается в использовании микрофонов попарно и измерении разницы во времени прихода звуковой волны на каждый микрофон в паре (внутренние микрофоны входят в состав двух пар). Отсюда можно определить источник звука, исходя из точки посередине между двумя микрофонами. Пересечение как минимум трех подшипников и будет местом источника звука.
Рисунок 1 иллюстрирует базовую систему.
Эти ограничения были бы наложены для упрощения расчета артиллерийской позиции и не являются характеристикой общего подхода.
Микрофоны также могут быть предназначены для улавливания только звука выстрела. Микрофон может улавливать три типа звуков.
Во время Первой мировой войны было обнаружено, что выстрелы из орудий издают тихий грохот, который лучше всего уловить микрофоном, чувствительным к низким частотам и подавляющим высокие частоты. [1]
На рисунке 2 показан пример проблемы размещения артиллерии. Предположим, что мы расположили три микрофона в следующих относительных положениях (все измерения сделаны относительно микрофона 3).
Эти значения будут установлены во время первоначального обследования расположения микрофонов.
Рисунок 2: Пример проблемы размещения артиллерии.
Предположим, что измерены две временные задержки (примем скорость звука 330 метров в секунду).
Существует несколько способов определения дальности до артиллерийского орудия. Один из способов — дважды применить закон косинусов . [2]
Это система двух уравнений с двумя неизвестными ( , ). Эта система уравнений, хотя и нелинейная, может быть решена с использованием численных методов, чтобы получить решение для r 1 , равного 1621 метру. Хотя этот подход можно было бы использовать сегодня с компьютерами, он стал бы проблемой во время Первой и Второй мировых войн. Во время этих конфликтов решения разрабатывались с использованием одного из следующих методов.
Звуковая локация имеет ряд преимуществ перед другими методами:
Звуковая дальность также имеет ряд недостатков:
Военные силы нашли различные способы смягчения этих проблем, но, тем не менее, они создают дополнительную работу и снижают точность метода и скорость его применения.
Первая мировая война стала свидетелем зарождения научной звуковой дальнометрии. Он объединил необходимые датчики, технологии измерения и возможности анализа, необходимые для эффективного определения дальности звука. Как и многие технологические концепции, идея использования звука для определения местоположения артиллерийских орудий противника пришла в голову нескольким людям примерно в одно и то же время.
Первая мировая война создала идеальные условия для развития звуковой дальнометрии, потому что:
Хотя британцы не были первыми, кто предпринял попытку звуковой дальнометрии артиллерии, именно британцы во время Первой мировой войны фактически использовали первую эффективную оперативную систему. Британская звуковая дальнометрия во время той войны началась с экипажей, которые использовали как звуковое, так и световое обнаружение. Операторы звуколокации использовали оборудование, улучшающее человеческий слух. Используя вспышку, съемочная группа определяла пеленг на пушку с помощью теодолита или транзита . Бригада по обнаружению звука определяла разницу во времени между вспышкой и звуком выстрела, которая использовалась для определения дальности стрельбы. Это обеспечило данные о дальности и пеленге, необходимые для контрбатарейного огня. Эти методы не имели большого успеха. [10]
В середине 1915 года британцы поручили решение этой проблемы австралийскому учёному, лауреату Нобелевской премии сэру Уильяму Лоуренсу Брэггу . [11] Брэгг был территориальным офицером Королевской конной артиллерии британской армии. Когда на сцене появился Брэгг, звуковая дальность была медленной, ненадежной и неточной. Его первой задачей было изучить то, что было доступно, в частности, учитывая усилия Франции.
Французы добились важного прогресса. Они взяли струнный гальванометр и приспособили его для записи сигналов микрофонов на фотопленку. Эту работу проделали Люсьен Булл и Чарльз Нордманн (астроном Парижской обсерватории). Обработка пленки заняла несколько минут, но это не было существенным недостатком, поскольку артиллерийские батареи двигались не очень часто. Однако аппарат не мог работать непрерывно из-за расхода пленки. Это означало, что его нужно было включать при стрельбе из вражеских орудий, что требовало размещения передовых постов (AP) перед микрофонами, которые могли включать записывающую аппаратуру удаленно через полевой кабель. Эти передовые посты были подключены обратно к расположенной в центре панели Flash Board , и это устройство позволяло наблюдателям быть уверенными, что все они наблюдают одну и ту же дульную вспышку. Когда это было установлено, они могли включить записывающую аппаратуру.
Брэгг также обнаружил, что природа звуков выстрела не совсем понятна и что необходимо позаботиться о том, чтобы отделить звуковой грохот снаряда от реального звука выстрела. Эта проблема была решена в середине 1916 года, когда один из отряда Брэгга, младший капрал Уильям Сэнсом Такер , бывший сотрудник физического факультета Лондонского университета, изобрел низкочастотный микрофон. Это отделяло низкочастотный звук выстрела от звукового удара снаряда. В нем использовалась нагретая платиновая проволока, охлаждаемая звуковой волной выстрела.
Позже, в 1916 году, Такер сформировал экспериментальную секцию звуковой дальности в Великобритании, и в следующем году были разработаны методы коррекции звуковых данных для компенсации метеорологических условий. Были исследованы и другие вопросы, в том числе оптимальная компоновка и расположение «основания для измерения уровня звука» – набора микрофонов. Было обнаружено, что лучше всего подходит неглубокий изгиб и относительно короткое основание. Благодаря этим улучшениям в нормальных условиях артиллерию противника можно было определить с точностью до 25–50 метров. [8]
К концу Первой мировой войны программа была очень хорошо разработана. Фактически метод был расширен до определения местоположения, калибра и намеченной цели орудия. Британцы развернули множество секций звуковой дальности на Западном фронте, а также секции действовали в Италии, на Балканах и в Палестине. Когда США вступили в войну в 1917 году, они приняли на вооружение британское оборудование. [1]
Немецкий слуховой метод использовался Центральными державами. При этом использовался пост прослушивания раннего предупреждения (LP) и основной LP в центре, а также два второстепенных LP на расстоянии 500–1000 метров немного сзади с каждой стороны. Секундомеры включались, когда звук достигал основной ЛП, время вторичной ЛП конвертировалось в расстояние (через скорость звука) и строились окружности, затем получался еще один круг, который касался этих двух кругов и основной ЛП, центра этот круг был источником звука. Внесены поправки для условий, влияющих на скорость звука. Однако в конце войны Германия представила «объективные устройства» — направленные гальванометры, осциллографы и модифицированные сейсмографы, результаты которых переносились непосредственно на бумагу или фотопленку. [12]
Британские исследования продолжались между войнами, как и в других странах. Похоже, что в Британии это привело к тому, что в микрофонах и записывающих устройствах стали использоваться термочувствительная бумага вместо фотопленки. Также была разработана радиосвязь, хотя она позволяла только подключать микрофоны к записывающему устройству, но не позволяла точкам доступа включать записывающее устройство. Еще одним нововведением конца 1930-х годов стала разработка компаратора — механического компьютера, который вычислял дифференциальные уравнения первого порядка. Он обеспечивал быстрое сравнение координат падения выстрела, определенных по звуковой дальности, с координатами цели и, следовательно, вычисление поправки на падение выстрела.
Во время Второй мировой войны звуковая дальность была развитой технологией и широко использовалась, особенно британцами (в корпусных артиллерийских разведывательных полках) и немцами (в Beobachtungsabteilungen). Развитие продолжалось, и было внедрено лучшее оборудование, особенно для обнаружения минометов. В конце войны британцы также ввели мультиплексирование , которое позволило микрофонам использовать общий полевой кабель с записывающим устройством. В 1944 году было обнаружено, что радар можно использовать для обнаружения минометов, но не орудий или ракет. Хотя радар должен «видеть» снаряды, их эллиптические траектории определить невозможно.
Морские пехотинцы США включили подразделения звукового дальномера в стандартную часть своих батальонов обороны. [13] Эти звуковые дальномеры действовали в морской пехоте как до, так и во время Второй мировой войны. Армия США также использовала звуковые локаторы. [14] Подразделения звуколокации армии США принимали участие почти во всех боях, в которых участвовала армия после ноября 1942 года. К концу войны насчитывалось 25 наблюдательных батальонов общей численностью 13 000 человек. [15] Во время кампании на Окинаве армия США использовала свои звуковые дальномеры для обеспечения эффективного контрбатарейного огня. [16] Японцы пытались противостоять этому эффективному контрбатарейному огню, используя тактику « выстрели и убегай », что означает стрельбу небольшим количеством снарядов и уход с огневой позиции до того, как может начаться контрбатарейный огонь. Хотя этот подход является эффективной тактикой против контрбатарейного огня, он имеет тенденцию снижать эффективность артиллерийского огня.
Во время Второй мировой войны британцы широко использовали звуковую дальнометрию. В Интернете можно найти несколько отличных мемуаров, посвященных использованию ими звуковой дальности для обнаружения артиллерии, в том числе «4-й Даремский разведывательный полк: звучит как враг» и «Связь для определения местоположения артиллерии». [17] В статье «Связь для артиллерийского расположения» описывается электронное оборудование, участвующее в этих операциях. [18] Очень полный отчет о британских подразделениях звуковой дальнометрии, включая их позиции, содержится в отчете Массимо Манджилли-Климпсона за 2007 год. [19]
Звуковая локация артиллерии производилась в Корее , но в основном была заменена противоминометным радаром и авиационными артиллерийскими наблюдателями. Поскольку в то время меры противорадиолокационного противодействия были ограничены, а ООН имела превосходство в воздухе на протяжении всей войны, эти подходы были проще и точнее. [20]
Большая часть противобатарейных работ во Вьетнаме заключалась в обнаружении артиллерии с помощью радара или самолетов. С 1967 по 1970 год Австралия разместила во Вьетнаме отряд звуковой дальнометрии, который имел перекрестную базу для обеспечения кругового наблюдения. [21]
Кроме того, в этот период британцы развернули на Борнео и Омане специальные батареи «Крекер» с радиолокаторами звуковой дальности и обнаружения минометов.
В начале 1970-х годов была введена эффективная радиосвязь УКВ, которая позволила точкам доступа включать записывающее устройство. Вскоре после этого достижения в области электроники привели к тому, что ручное определение подшипников и некоторые другие расчеты были заменены электронными калькуляторами. [ нужна цитата ]
Хотя с конца 1970-х годов эффективные радары для определения местоположения орудия, наконец, дополнили радары противоминометной обороны, звуковая дальнометрия переживает период возрождения, поскольку некоторые армии сохранили ее, несмотря на ее недостатки. Похоже, что некоторые также осознали его потенциал в качестве автоматического передового поста (AP) для радаров.
Британцы возглавили новый подход, разработанный компанией Roke Manor Research Limited , а затем Plessey, которая разработала звуковую дальность радиосвязи УКВ. Это заменило традиционную базу для измерения дальности звука набором микрофонных кластеров. Каждый состоял из трех микрофонов, расположенных на расстоянии нескольких метров друг от друга, метеорологического датчика и устройства обработки данных. Каждый беспилотный кластер непрерывно прослушивал звук, рассчитывал пеленг на источник и записывал другие характеристики. Они автоматически отправлялись на контрольный пост, где автоматически сопоставлялись и вычислялось местоположение источника звука. Прототипы новой системы HALO (Hostile Artillery LOcating) использовались в Сараево в 1995 году. Серийная система ASP (Advanced Sound Ranging Project) поступила на вооружение Великобритании примерно в 2001 году. Как сообщается, она обнаруживала вражескую артиллерию на расстоянии 50 км в Ираке. в 2003 году. Системы, разработанные в Великобритании, в настоящее время производятся компанией Leonardo SpA (а также ранее под названиями BAE и Selex ) [22]. В настоящее время они принимаются на вооружение нескольких других армий, включая морскую пехоту США. Аналогичная система также была разработана. для Германии. [23] Тот же принцип лежит в основе артиллерийского звукового дальномера РАЗК, [24] разработанного в Украине независимо от российской системы АЗК-7М/1Б33М. [25]
С 2018 года
Технология продвинулась вперед как в аппаратном обеспечении, так и в области обработки сигналов, а также в концепции операций. Как упоминалось в кратком описании в начале этой страницы, акустические многофункциональные датчики нашли свое применение. Они состоят из двух датчиков скорости частиц и микрофона. Они занимают небольшую площадь и поэтому могут быть установлены на мобильных платформах, например, на военной технике. Обычно в этих транспортных средствах достаточно места для размещения проводного подмассива из четырех акустических многоцелевых датчиков, образующих сенсорный пост, получивший название ЗАМОК. Следовательно, сенсорный пост имеет как минимум 12 акустических преобразователей с соответствующим пространственным распределением. Эти ЗАМКИ можно объединить в сеть с помощью радиостанций MANET .
Что касается обработки сигналов, звуковая дальность отходит от обработки сигналов дульного шума из-за тенденций. Одной из тенденций является артиллерия большей дальности. Шум дульного взрыва может ослабнуть до уровня, который больше не будет обнаруживаться на сенсорном посту, но даже если это произойдет, скорость звука низкая, а современная артиллерия движется дальше после выстрела (стреляй и беги), определение локализации может быть просто слишком поздно. Другой тенденцией является рост распространенности ракет, которые, имея самоходную фазу, практически не производят дульного шума.
Более актуальным сигналом является трехмерная ударная волна, которая генерируется снарядом, пока он движется со сверхзвуковой скоростью. По сравнению с шумом дульного взрыва, сигнал ударной волны 3D имеет более высокий начальный уровень звука, затухает только в двух направлениях и обычно исходит с неба при прибытии на пост датчика. Более того, время обнаружения цели больше зависит не от скорости звука, а от скорости снаряда – на практике сокращение составляет более или менее 50%.
Концепция операции должна основываться на размещении постов датчиков на машинах флота, находящихся в боевом пространстве. С одной стороны, это делает концепцию очень доступной, поскольку для выполнения конкретной задачи не требуются эксплуатационные расходы, как это было раньше в полку звукового дальномера. С другой стороны, каждый сенсорный пост обеспечивает обнаружение непосредственной близости к каждому транспортному средству, на котором установлен сенсорный пост.
