В сухопутных войнах звуковое зондирование артиллерии представляет собой метод определения координат вражеской батареи с использованием данных, полученных по звуку выстрелов ее орудий (минометов или ракет), так называемое целеуказание.
Эти же методы могут быть использованы и для наведения артиллерийского огня на позицию с известными координатами, так называемое управление огнем.
Звуковая локация — это применение звуковой (или акустической) локации , которая заключается в идентификации источника звуков, которые могут возникать в воздухе, на земле или на поверхности воды или под ней. Звуковая локация была одним из трех методов определения местоположения вражеской артиллерии, которые быстро развивались в Первую мировую войну . Другими были воздушная разведка (визуальная и фотографическая) и флэш-споттинг .
Звуковой рейнджер использовал слуховые и секундомерные методы, которые впервые появились до Первой мировой войны. Методы секундомера включали обнаружение выстрела орудия, измерение пеленга на него и времени, которое потребовалось, чтобы звук достиг. Слуховые методы обычно включали прослушивание человеком пары микрофонов на расстоянии нескольких километров друг от друга и измерение времени между достижением звука микрофонами. Этот метод, по-видимому, использовался немцами на протяжении всей той войны, но был быстро отвергнут как неэффективный западными союзниками, которые разработали научные методы звуковой локации, потомки которых используются до сих пор.
Основой научного звукового определения дальности является использование сенсорного поста, состоящего как минимум из пары микрофонов, для получения пеленга на источник звука. При использовании нескольких сенсорных постов пересечение этих пеленгов дает местоположение батареи. Пеленги выводятся из разниц во времени прибытия на микрофоны, расположенные на каждом из этих сенсорных постов.
Обычно сенсорные стойки имеют три микрофона, размещенных в форме треугольника, типичный размер которых составляет около 10 метров — расстояние, необходимое для получения оптимального соотношения сигнал/шум в нижнем диапазоне частот.
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 широкополосную направленность, в том числе и для более низких частот, большой (наземный) датчиковый пост можно уменьшить до размеров «кротовой норы».
Научный метод звуковой локации требует следующего оборудования.
Основной метод заключается в использовании микрофонов парами и измерении разницы во времени прибытия звуковой волны на каждый микрофон в паре (внутренние микрофоны являются членами двух пар). Из этого можно определить пеленг на источник звука из точки, расположенной посередине между двумя микрофонами. Пересечение по крайней мере трех пеленгов будет местоположением источника звука.
На рисунке 1 представлена базовая система.
Эти ограничения вводятся для упрощения расчета артиллерийской позиции и не являются характеристикой общего подхода.
Микрофоны также могут быть разработаны для улавливания только звука выстрела. Существует три типа звуков, которые может улавливать микрофон.
Во время Первой мировой войны было обнаружено, что выстрелы из орудий издают низкий грохочущий звук, который лучше всего улавливается микрофоном, чувствительным к низким частотам и подавляющим высокие частоты. [1]
На рисунке 2 показан пример задачи определения местоположения артиллерии. Предположим, что мы размещаем 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 задачи определения местоположения артиллерии.
Предположим, что измерены две временные задержки (предположим, что скорость звука составляет 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 , равное 1621 метру. Хотя этот подход можно было бы использовать сегодня с помощью компьютеров, он был 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 локация также имеет ряд недостатков:
Военные 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 ознаменовалась рождением научной звуковой локации. Она объединила необходимые датчики, измерительные технологии и аналитические возможности, необходимые для эффективной звуковой локации. Как и многие технологические концепции, идея использования звука для определения местоположения артиллерийских орудий противника пришла нескольким людям примерно в одно и то же время.
Первая мировая война создала идеальные условия для развития звуковой локации, поскольку:
Хотя британцы не были первыми, кто пытался определить звуковую дальность артиллерии, именно британцы во время Первой мировой войны фактически применили первую эффективную оперативную систему. Британская звуковая дальность во время той войны началась с экипажей, которые использовали как звуковое, так и вспышечное обнаружение. Операторы звуковой дальности использовали оборудование, которое дополняло человеческий слух. Используя вспышку орудия, команда вспышки определяла пеленг на орудие с помощью теодолита или транзита . Команда обнаружения звука определяла разницу во времени между вспышкой орудия и звуком орудия, что использовалось для определения дальности орудия. Это давало данные о дальности и пеленге, необходимые для контрбатарейного огня. Эти методы были не очень успешными. [10]
В середине 1915 года британцы поручили решение этой проблемы ученому и лауреату Нобелевской премии сэру Уильяму Лоуренсу Брэггу . [11] Брэгг был территориальным офицером Королевской конной артиллерии в британской армии. Когда Брэгг вышел на сцену, звуковая локация была медленной, ненадежной и неточной. Его первой задачей было исследовать то, что было доступно, в частности, рассмотреть французские усилия.
Французы сделали важное достижение. Они взяли струнный гальванометр и приспособили его для записи сигналов с микрофонов на фотопленку. Эту работу проделали Люсьен Булл и Шарль Нордман (астроном Парижской обсерватории). Обработка пленки заняла несколько минут, но это не было существенным недостатком, поскольку артиллерийские батареи не перемещались очень часто. Однако аппарат не мог работать непрерывно из-за расхода пленки. Это означало, что его приходилось включать, когда стреляли вражеские орудия, что требовало развертывания передовых постов (AP) перед микрофонами, которые могли включать записывающую аппаратуру дистанционно через полевой кабель. Эти передовые посты были подключены к центрально расположенной панели вспышки , 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 выстрелов не была хорошо изучена и что необходимо было соблюдать осторожность, чтобы отделить звуковой удар снаряда от фактического звука выстрела. Эта проблема была решена в середине 1916 года, когда один из отряда Брэгга, младший капрал Уильям Сансом Такер , ранее работавший на физическом факультете Лондонского университета, изобрел низкочастотный микрофон. Он отделил низкочастотный звук, издаваемый выстрелом орудия, от звукового удара снаряда. Он использовал нагретую платиновую проволоку, которая охлаждалась звуковой волной выстрела орудия.
Позже в 1916 году Такер сформировал экспериментальную секцию звукового измерения дальности в Великобритании, и в следующем году были разработаны методы для коррекции звуковых данных с целью компенсации метеорологических условий. Исследовались и другие вопросы, включая оптимальную компоновку и расположение «базы звукового измерения дальности» — массива микрофонов. Было обнаружено, что лучше всего подходит неглубокая кривая и относительно короткая база. Благодаря этим усовершенствованиям артиллерия противника могла быть обнаружена с точностью до 25–50 метров при нормальных обстоятельствах. [8]
Программа была очень хорошо разработана к концу Первой мировой войны. Фактически, метод был расширен для определения местоположения орудия, калибра и предполагаемой цели. Британцы развернули много звуковых дальномерных секций на Западном фронте, а также секции действовали в Италии, на Балканах и в Палестине. Когда США вступили в войну в 1917 году, они переняли британское оборудование. [1]
Немецкий слуховой метод использовался Центральными державами. Он использовал пост раннего оповещения (LP) и главный LP в центре с двумя вторичными LP в 500–1000 метрах немного сзади по обе стороны. Секундомеры включались, когда звук достигал главного LP, вторичное время LP преобразовывалось в расстояние (через скорость звука) и строились круги, затем выводился еще один круг, который касался этих двух кругов и главного LP, центр этого круга был источником звука. Были сделаны поправки на условия, влияющие на скорость звука. Однако в конце войны Германия ввела «объективные приборы» — направленные гальванометры, осциллографы и модифицированные сейсмографы, с результатами, непосредственно переносимыми на бумагу или фотопленку. [12]
Британские исследования продолжались между войнами, как и в других странах. Похоже, что в Британии это привело к созданию лучших микрофонов и записывающей аппаратуры, использующей термочувствительную бумагу вместо фотопленки. Также была разработана радиосвязь, хотя она могла только соединять микрофоны с записывающей аппаратурой, она не позволяла AP включать записывающее устройство. Еще одним новшеством в конце 1930-х годов стала разработка компаратора, механического компьютера, который вычислял дифференциальные уравнения первого порядка. Он обеспечивал быстрое средство сравнения координат падения снаряда, определенных с помощью звукового локатора, с координатами цели и, следовательно, вывода поправки к падению снаряда.
Во время Второй мировой войны звуковая локация была зрелой технологией и широко использовалась, особенно британцами (в артиллерийских разведывательных полках на уровне корпуса) и немцами (в Beobachtungsabteilungen). Развитие продолжалось, и было введено лучшее оборудование, особенно для обнаружения минометов. В конце войны британцы также внедрили мультиплексирование , которое позволило микрофонам использовать общий полевой кабель для записывающей аппаратуры. 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 не могли быть решены.
Морские пехотинцы США включали звуковые дальномерные подразделения в качестве стандартных частей своих оборонительных батальонов. [13] Эти звуковые дальномерные подразделения действовали в морской пехоте как до, так и во время Второй мировой войны. Армия США также использовала звуковые локаторы. [14] Звуковые дальномерные подразделения армии США принимали участие почти во всех сражениях, в которых армия участвовала после ноября 1942 года. К концу войны насчитывалось 25 наблюдательных батальонов с 13 000 человек. [15] Во время кампании на Окинаве армия США использовала свои звуковые дальномерные комплекты для обеспечения эффективного контрбатарейного огня. [16] Японцы пытались противостоять этому эффективному контрбатарейному огню с помощью тактики « стреляй и убегай », что означает выстрел небольшим количеством снарядов и покидание огневой позиции до того, как мог прибыть контрбатарейный огонь. Хотя это эффективная тактика против контрбатарейного огня, такой подход имеет тенденцию снижать эффективность артиллерийского огня.
Во время Второй мировой войны британцы широко использовали звуковую локацию. В сети есть несколько превосходных мемуаров, посвященных использованию звуковой локации для артиллерийской разведки, в том числе «4-й Даремский разведывательный полк: звучит как враг» и «Связь для артиллерийской локации». [17] В статье «Связь для артиллерийской локации» описывается электронное оборудование, используемое в этих операциях. [18] Весьма подробный отчет о британских звуковых локационных подразделениях, включая их позиции, содержится в отчете Массимо Манджилли-Климпсона 2007 года. [19]
Звуковая локация артиллерии проводилась в Корее , но в основном была заменена контрминометными радарами и артиллерийскими наблюдателями с самолетов. Поскольку в то время средства противорадиолокационного противодействия были ограничены, а у ООН было превосходство в воздухе на протяжении всей войны, эти подходы были проще и точнее. [20]
Большая часть контрбатарейной работы во Вьетнаме заключалась в артиллерийском наведении с помощью радара или самолета. Австралия разместила во Вьетнаме с 1967 по 1970 год звуковой дальномерный отряд, который управлял перекрестной базой для обеспечения кругового наблюдения. [21]
Кроме того, в этот период британцы разместили на Борнео и в Омане специальные батареи «Cracker», оснащенные радарами для измерения глубины и обнаружения минометов.
В начале 1970-х годов была введена эффективная радиосвязь VHF, которая позволила AP включить записывающую аппаратуру. Вскоре после этого достижения в области электроники привели к тому, что ручное построение пеленгов и некоторые другие расчеты были заменены электронными калькуляторами. [ необходима цитата ]
Хотя эффективные радары обнаружения пушек наконец-то дополнили радары противоминной обороны с конца 1970-х годов, звуковая локация переживает возрождение, поскольку некоторые армии сохранили ее, несмотря на ее недостатки. Похоже, что некоторые также осознали ее потенциал для работы в качестве автоматического передового поста (AP) для радаров.
Британцы стали лидерами в новом подходе, разработанном Roke Manor Research Limited , затем Plessey, которая разработала звуковую локацию с радиолинией VHF. Это заменило традиционную звуковую локационную базу на массив микрофонных кластеров. Каждый включал три микрофона на расстоянии нескольких метров друг от друга, метеорологический датчик и обработку. Каждый беспилотный кластер непрерывно прослушивал звук, вычислял пеленг на источник и регистрировал другие характеристики. Они автоматически отправлялись на контрольный пункт, где они автоматически сопоставлялись и вычислялось местоположение источника звука. Прототипы новой системы HALO (Hostile Artillery LOcating) использовались в Сараево в 1995 году. Производственная 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. Разработанные в Великобритании системы в настоящее время производятся компанией Leonardo SpA (ранее также под названиями BAE и Selex ) [22]. На рубеже веков ее принимали на вооружение несколько других армий, включая морскую пехоту США. Подобная система была также разработана для Германии [23]. Тот же принцип лежит в основе артиллерийского звукового комплекса RAZK [24] , разработанного независимо на Украине на основе российской системы AZK-7M/1B33M. [25]
Технология продвинулась как в плане оборудования, так и в плане обработки сигналов и концепции операций. Как упоминалось в кратком описании в начале этой страницы, акустические многоцелевые датчики нашли свое применение. [26] Они состоят из двух датчиков скорости частиц и микрофона. Они имеют небольшую площадь основания и поэтому могут быть установлены на мобильных платформах, таких как военные транспортные средства. Обычно эти транспортные средства имеют достаточно места для размещения жестко подключенного подмассива из четырех акустических многоцелевых датчиков, создавая сенсорный пост, называемый CASTLE. Следовательно, сенсорный пост имеет по крайней мере 12 акустических преобразователей с соответствующим пространственным распределением. Эти CASTLE могут быть объединены в сеть с использованием радиостанций MANET .
С точки зрения обработки сигнала, звуковая локация отходит от обработки сигналов шума дульного выстрела из-за нескольких тенденций. Одна из тенденций — дальнобойная артиллерия. Шум дульного выстрела может ослабевать до уровня, который больше не обнаруживается на сенсорном посту, но даже если это происходит, скорость звука низкая, а современная артиллерия движется дальше после выстрела (стреляй и убегай), получение локализации может быть просто слишком поздно. Другая тенденция — возросшая распространенность ракет, которые, имея самоходную фазу, почти не генерируют шум дульного выстрела.
Более значимым сигналом является 3D-ударная волна, которая генерируется снарядом, пока он движется со сверхзвуковой скоростью. По сравнению с шумом дульного взрыва, сигнал 3D-ударная волна имеет более высокий начальный уровень звука, затухает только в двух направлениях и обычно приходит с неба, когда достигает сенсорного поста. Более того, время захвата цели больше не определяется скоростью звука, а скоростью снаряда – на практике снижение составляет примерно 50%.
Концепция работы должна основываться на развертывании сенсорных постов на транспортных средствах в составе флота, присутствующих в боевом пространстве. С одной стороны, это делает концепцию очень доступной, поскольку нет эксплуатационных расходов на специализированную задачу, как это было у полка звукового зондирования. С другой стороны, каждый сенсорный пост обеспечивает близкую осведомленность о каждом из транспортных средств, на которых размещен сенсорный пост.