Zijdelingse sonar

Zijdelingse sonar

GEOLOGIE EN MARIENE BIOLOGIE

Zijdelingse sonar

Ik wilde de lezing inleiden een hulpmiddel dat nu veel wordt gebruikt in de mariene geologie, Ik heb het over de zijscan sonar.

Het werd voor het eerst geëxperimenteerd tussen 1950 en 1960 Professor Harold Edgerton in de oceanografielaboratoria van Hudson. Dit instrument werd voor het eerst gebruikt door de Amerikaanse marine, daarna omgevormd tot een uitstekende bondgenoot voor de identificatie van wrakken, pas na een paar jaar werd het gebruikt voor het bestuderen van de zeebodem.

Het is in feite een sonar, maar in tegenstelling tot deze, geeft een driedimensionaal beeld van de zeebodem terug, met de mogelijkheid om laterale impulsen uit te zenden. De geluidsimpulsen die het afgeeft, liggen tussen 100 en 500 KHz, maar hoe hoger de gebruikte frequentie, dus de beeldresolutie, hoe lager de kijkhoek. Het is daarom aan de technicus om, naarmate de analyse van de achtergrond vordert, te beslissen of hij de voorkeur geeft aan een bredere kijk of een meer gedefinieerd beeld.

De zijscan-sonar wordt gevormd door een instrument dat lijkt op een kleine torpedo die in het water voortschrijdt, genaamd 'vis", van een kabel die de gegevens bevat die op de boot zijn verzameld, en van een gegevenscontrole- en registratie-eenheid, typisch een laptop.

De onderwatereenheid wordt door de boot gesleept langs de eerder bepaalde routes wordt elke anomalie als gevolg van de snelheid van het voertuig automatisch gecorrigeerd. Het instrument gebruikt niet de reflectie van de akoestische golven maar hun diffractie, de geluidsimpuls wordt verzonden door twee transducers die aanwezig zijn op de "vis": als een golf raakt een oppervlak dat een hoek heeft die naar de golf zelf is gericht, zoals een losgekoppeld oppervlak, het golffront buigt rond de ontkoppelingen waardoor een afgebogen golf ontstaat. Elk punt van de achtergrond dat door een akoestische golf wordt bereikt, wordt, als het geschikte kenmerken heeft, een bron van afgebogen golven.

De frequentie en lengte van de golf zijn afhankelijk van de karakteristieken van de bodem. De terugkeer van de akoestische golf het wordt daarom opgenomen door de transducers en het signaal wordt omgeschakeld naar een beeld dat bestaat uit een reeks lijnen die zijn opgebouwd uit enkele punten (pixels), waarbij elke lijn de weergave is van de echo's die door een enkele puls worden geproduceerd. Op basis van de amplitude van het retoursignaal (dus de morfologie van de achtergrond) creëert het instrument een beeld in grijstinten, vergelijkbaar met een luchtfoto in zwart-wit.

Zodra de gegevens zijn vastgelegd, zullen we "strepen" van de zeebodem hebben, die om te worden teruggegeven aan de gebruiker als een definitieve kaart, worden verwerkt door specifieke software.

Side scan sonar wordt voor verschillende dingen gebruikt: identificatie van wrakken, identificatie van eventuele gevaren voor de navigatie, studie van de bathymetrie voor de positionering van kabels of olie- / gaskanalen en voor de constructie van gedetailleerde kaarten.

Er zijn twee soorten tools: een voor het onderzoek van de kusten, binnen 400 meter, en een andere voor diep water van meer dan 1000 meter.

In het geval van onderzoek op harde grond, dus gesteente, wordt het gebruik van de side scan sonar niet aanbevolen, vanwege de onleesbaarheid van de verkregen gegevens.

Dr. Rossella Stocco


Zijdelingse sonar


De zijscan-sonar creëert een beeld van de bodem met behulp van geluidsgolven. Hoewel dit op een plaatje kan lijken, hangt het beeld af van de interactie van de geluidsgolven met de bodem. Het systeem gebruikt de tijd van de terugkeer om een ​​afstand te berekenen en geeft vervolgens de intensiteit van de terugkeer weer in een grijstint. De intensiteit van het rendement is afhankelijk van:

  • Hardheid van de bodem​Harde, rotsachtige bodems reflecteren het meeste geluid, terwijl zachte, modderige bodems de meeste energie absorberen. Door de mens gemaakte kenmerken zijn over het algemeen moeilijk, en dingen zoals krabpotten hebben een aantal schuine oppervlakken die op dezelfde manier werken als de radarreflectoren op de masten van een zeilboot om veel energie te reflecteren en kunnen groter lijken dan ze in werkelijkheid zijn.
  • Gladheid van de bodem​Een gladde bodem werkt als een spiegel en reflecteert geluid in slechts één richting - dus tenzij de straal de bodem raakt in een hoek van 90 °, zal de reflectie niet terugkeren naar de sleepvis. Een ruw oppervlak zal het geluid verstrooien, en sommige zullen terugkeren. Wat glad is, hangt af van de golflengte van de energie - voor licht moet een spiegel ongelooflijk glad zijn (ongeveer 500 nanometer), maar voor de sonars is glad of ruw op de schaal van enkele centimeters, wat even groot is als voor de radarenergie die wordt gebruikt voor sommige kaarttoepassingen op het land.
  • Helling van de bodem​Er zullen betere resultaten zijn wanneer het geluid een bodem raakt die omhoog en weg van de vis loopt, en weinig terugkeert wanneer de bodem naar beneden helt.

  • Zwadbreedte: de afstand afgelegd aan weerszijden van de sleepvis. Dit wordt meestal bepaald door een vaste verlagingshoek voor de uitgezonden geluidsbundels, en de werkelijke breedte hangt af van de hoogte van de vis boven de bodem die kan worden gecontroleerd.
  • TWTT (reistijd in twee richtingen): de tijd die het duurt voordat het geluid van de sleepvis naar het doel gaat en terugkeert. Van de TWTT en de geluidssnelheid kan het schuine bereik tot het doel worden berekend.
  • Schuin bereik: afstand tot het doel dat door het geluid is afgelegd. Het is de hypotenusa van de driehoek met de vishoogte en de ware horizontale grondafstand als de andere benen.
  • Layback.
  • Cross track en langs track: elke ping van de zijscan verzamelt gegevens in de richting van de baan, loodrecht op het pad van het schip en de sleepvis. Terwijl de sleepvis in de langs track-richting beweegt, wordt de volgende ping verplaatst en wordt de volgende regel in de langs track-richting afgebeeld. Het gedeelte van de afbeelding dat de waterkolom toont, zal de richting langs de baan aangeven. Als de afbeelding geometrisch is gecorrigeerd om de waterkolom te verwijderen, zullen de vervormde pixels de richting langs de baan onthullen.
Sterke rendementen worden nu over het algemeen in wit weergegeven en geen rendement in zwart, wat de geluidsschaduw aangeeft. Dit was niet altijd het geval bij de eerste systemen die alleen een papieren recorder gebruikten en alleen zwarte inkt op de doelen aanbrachten. U moet altijd de kleurconventie controleren die wordt gebruikt in de afbeeldingen waarnaar u kijkt. Kleuren worden soms ook gebruikt om zeer sterke rendementen te benadrukken, en om een ​​wachtstander alert te houden wanneer ze binnenkomen. Een gouden kleurenschema is tegenwoordig de meest voorkomende.
GrijstintenAangepaste gouden kleurenschaal

Lagere frequenties verzwakken minder en reizen verder walvissen gebruiken lage frequenties om het bereik van hun communicatie te vergroten.

Afbeelding 1 hieronder toont twee weergaven van Submarine S5. Het beeld aan de linkerkant is kleiner, wat aangeeft dat de sonar werkte met een groter bereik. Dit geeft minder details, maar bestrijkt een groot gebied, en is over het algemeen de manier waarop sonars worden gebruikt bij het zoeken. Zijscan-sonars zijn ontworpen om de zeebodem vanaf de zijkant te bekijken en bieden een zeer slechte geometrie direct onder de sleepvis (Figuur 2). In zowel figuur 1 als 2 wordt het spoor van de sleepvis weergegeven door de grote pixels. Voor de afbeelding van de S5, zodra het NOAA-onderzoeksschip het wrak had gelokaliseerd, schakelden ze over naar een korte afstand op de zijscan om een ​​beter beeld te verzamelen, en keerden ze terug voor een tweede doorgang met het scheepsspoor in dezelfde richting als het wrak. . Bovendien verzekerden ze zich ervan dat het wrak in het midden van één kanaal lag en niet onder de vis. Als de enquête die Figuur 12 opleverde, geïnteresseerd was in details van het wrak, zouden ze een tweede doorgang hebben genomen en verzekerd zijn dat ze naar de zijkant van het wrak zijn gegaan. Naast het niet willen passeren over het wrak, moet de sleepvis zich dicht bij de bodem bevinden om de schaduwen te versterken. Merk op dat in Figuur 11 de schaduwen meer informatie geven dan het werkelijk afgebeelde deel van het wrak.

Het verlichte gebied is de reflectie en donker is de schaduw.

Onderzoeksschepen kunnen tegelijkertijd multibeam-bathymetrie- en side-scan-sonarbeelden verkrijgen (Figuur 7), en door deze resultaten te combineren wordt aanzienlijk vergroot wat een analist in de gegevens kan zien (Figuur 13).

Figuur 13. Vergelijking van oudere zijscan- en meerbundelsystemen op scheepswrakken. De nieuwere systemen met een hogere resolutie staan ​​rechts van de afbeelding.

Het sidescan-onderzoek heeft een zwadbreedte, dat is het bestreken gebied. Het is iets minder dan het dubbele van het bereik, aangezien het vermelde bereik het schuine bereik voor elk kanaal is. Als de vis zich op de gewenste hoogte bevindt (15% van de zwadbreedte), is de horizontale afstand op de bodem ongeveer 99% van het bereik. Als de sporen van het schip precies twee keer zo groot waren, zou je bijna 100% dekking krijgen, maar het gebied direct onder de sleepvis zou een vreselijke dekking hebben. Als de scheepssporen op de helft van de afstand waren, zou je elk punt op de bodem twee keer bedekken, en het gebied direct onder de vis op de ene doorgang zou aan de rand van de volgende doorgang zijn. In beide gevallen wilt u dat de tussenruimte iets kleiner is om hiaten te voorkomen. Welke afstand u kiest, hangt af van de beschikbare tijd en geld en de mogelijke kosten als u mist wat u zoekt.

Side scan sonar verzamelt beelden. Een gerelateerd systeem, multibeam- of zwad-bathymetrie, verzamelt diepte-informatie.


Zijdelingse sonar

Met de toonaangevende software voor het in kaart brengen van de zeebodem kunnen landmeters:

  • Detecteer kleine doelen via verbeterde resolutie over het hele spoor.
  • Identificeer verschillen tussen oude en nieuwe enquêtes met de SonarWiz-tools voor transparantie, vegen of lijnverschuiving.
  • Behoud de volledige betrouwbaarheid van sonargegevens in meerdere formaten. SonarWiz maakt het bijvoorbeeld mogelijk om op te nemen in industriestandaard XTF of leverancierspecifieke formaten zoals Edgetech JSF of Kongsberg-GeoAcoustics GCF.
  • Vereenvoudig het uitvoeren van missies door het gebruik van een enkele, gemakkelijk te leren kaartoplossing.
  • Creëer superieure contactrapporten dankzij verbeterde bewerkingsfuncties. Exporteer eenvoudig gegevens naar verschillende indelingen, waaronder PDF, OpenOffice, Microsoft Word en HTML.
  • Optimaliseer de tijd op het water door het gebruik van geavanceerde planningstools.
  • Verlaag de kosten door gebruik te maken van real-time data-acquisitie om de kwaliteit en dekking te bevestigen voordat u het dekkingsgebied verlaat.
  • Genereer ultramoderne mozaïeken, contact- en watervalbeelden met 64-bits beeldschermen met hoge resolutie.

SonarWiz-functiedetails

Onderzoeksplanning
  • Laad achtergrondkaarten en grafieken uit een reeks formaten, waaronder DNC, RNC, S57 en GeoTIFF.
  • Plan automatisch meetlijnen parallel aan een referentielijn, binnen een polygoon op basis van efficiëntie of conventionele patronen.
  • Genereer geplande survey-kaarten als een GeoPDF, GeoTIFF, ECW, JPEG of Google Earth.
  • Schat de timing van het onderzoek.
Nabewerking
  • Bekijk voorbeelden van bestanden met de SNIFF-functie.
  • Voeg navigatiegegevens toe en herstel ze met NavInjectorPro.
  • Maak gebruik van geavanceerde signaalverwerking en versterkingsregeling profiteer van functies zoals correctie van de stralingshoek, de-striping, niet-lineaire TVG per kanaal, AGC, banddoorlaatfiltering en -stapeling, vastleggen van contacten (doel), annotatie en samenvattende rapportage via 3D-viewer .
  • Pas flexibele layback-configuraties toe.
  • Gemakkelijk afdrukbare uitvoer.
  • Raster / contour isopach-type shapefile / rastergeneratie uit geselecteerde variabelen (bijv. Hoogte + diepte).
Hardware compatibiliteit

SonarWiz is compatibel met de volgende Sonar-hardware:

  • Atlas NA, C-MAX, EdgeTech, Falmouth Scientific, GeoAcoustics, Imagenex, Innomar, Jetasonic, Klein Marine Systems, Knudsen, Kongsberg Hugin AUV, Kongsberg Mesotech, Marine Sonic, PingDSP, R2Sonic, SyQwest, Teledyne Benthos, Teledyne Gavia, Teledyne Odom , en Tritech.
  • Raadpleeg onze ondersteunde interfaces en bestandsindelingen voor een lijst met de vele indelingen die we ondersteunen. Als je er geen ziet, hoef je het maar te vragen!


Dingen om te overwegen bij het kopen van dieptemeter met zijbeeldvorming

Er zijn enkele belangrijke dingen waarmee u rekening moet houden bij het investeren in dieptemeter voor zijaanzicht.

Hieronder zijn deze:

Kracht

Hoog vermogen is altijd goed. Dit is de reden waarom het kiezen van een met een hoger wattage goed is om een ​​sterker vermogen te krijgen.

Frequenties

U moet zeker weten welke resoluties u precies nodig heeft. Bepaal gewoon of u enkele, dubbele of meerdere frequenties nodig heeft. Frequenties spelen een belangrijke rol bij hoe effectief de sonarscanners presteren.

De vuistregel is het selecteren van hoe hoger de frequentie om meer details op het scherm te krijgen. Veel ervaren professionals zijn echter van mening dat lagere frequenties ideaal zijn voor diepere wateren en hogere frequenties goed zijn voor ondiep water.

Schermresolutie

Een hogere schermresolutie is altijd goed. Het helpt u om meer detailweergaven te krijgen en uw doel te bepalen.

Transducers

Transducers worden gebruikt om sonargolven door het water uit te zenden om in digitale representaties van niet-levende objecten, structuren en levende wezens zoals vlees te komen. Transducers zijn essentieel om elk viszoekgereedschap te maken.

Schermkleur

Het kiezen van schermen met een hoge resolutie is goed voor het verkrijgen van een grote verscheidenheid aan kleuren waarmee u verschillende objecten gemakkelijk kunt onderscheiden. Daarom is de juiste schermselectie hier van belang.

Wat is een viszoeker met zijbeeldvorming?

Zoals de naam doet vermoeden, is een visvinder met zijbeeldvorming in feite een sonarapparaat dat wordt gebruikt om vissen onder water te vinden. U kunt uw tijd op het water optimaal benutten. Het maakt gebruik van sonartechnologie die bij een bepaalde transducer wordt geleverd. U hoeft het alleen maar aan de buitenkant van de spiegel van de boot te plaatsen om zicht te hebben op de school vissen.

Het gebruiksaspect van side scan fishfinder

Met behulp van een viszoeker aan de zijkant kunt u de rijke vislocaties en het bestaan ​​van een school vissen bepalen. Bijgevolg kunt u de nodige maatregelen nemen om de vissen gemakkelijk te vangen. Zo kunt u uw viservaring vereenvoudigen.

Op basis van de beste beoordelingen van fishfinder, hebben we de beste fishfinder-scans (van 2021) opgenomen met de beste technologieën om een ​​soepele ervaring te garanderen.


Side-scan sonar kan worden gebruikt om surveys uit te voeren voor mariene archeologie in combinatie met zeebodemmonsters. Het is in staat om inzicht te geven in de verschillen in materiaal en textuur van de zeebodem. Side-scan sonarbeelden zijn ook een veelgebruikte tool om puin en andere obstakels op de zeebodem te detecteren die gevaarlijk kunnen zijn voor de scheepvaart of voor zeebodeminstallaties door de olie- en gasindustrie. Daarnaast kan de status van pijpleidingen en kabels op de zeebodem worden onderzocht met side-scan sonar. Side-scan-gegevens worden vaak verzameld samen met bathymetrische peilingen en sub-bottom profiler-gegevens, waardoor een glimp wordt opgevangen van de ondiepe structuur van de zeebodem. Side-scan sonar wordt ook gebruikt voor visserijonderzoek, baggerwerkzaamheden en milieustudies. Het heeft ook militaire toepassingen, waaronder mijndetectie.

Side-scan maakt gebruik van een sonarapparaat dat kegelvormige of waaiervormige pulsen uitzendt naar de zeebodem over een brede hoek loodrecht op het pad van de sensor door het water, dat kan worden gesleept vanaf een oppervlaktevaartuig of onderzeeër, of gemonteerd kan worden op de zeebodem. romp. De intensiteit van de akoestische reflecties van de zeebodem van deze waaiervormige bundel wordt geregistreerd in een reeks van cross-track plakjes. Wanneer ze in de bewegingsrichting aan elkaar worden gestikt, vormen deze plakjes een beeld van de zeebodem binnen de strook (bedekkingsbreedte) van de balk. De geluidsfrequenties die in side-scan sonar worden gebruikt, variëren meestal van 100 tot 500 kHz, hogere frequenties leveren een betere resolutie op, maar een kleiner bereik.

Technologie bewerken

De vroegste side-scan sonars gebruikten een enkele conische straaltransducer. Vervolgens werden eenheden gemaakt met twee transducers om beide zijden te bedekken. De transducers bevonden zich ofwel in één op de romp gemonteerd pakket of met twee pakketten aan weerszijden van het schip. Vervolgens evolueerden de transducers naar waaiervormige bundels om een ​​beter "sonogram" of sonarbeeld te produceren. Om in diep water dichter bij de bodem te komen, werden de side-scan transducers in een "sleepvis" geplaatst en aan een sleepkabel getrokken.

Tot halverwege de jaren tachtig werden commerciële side scan-afbeeldingen geproduceerd op papieren platen. De vroege papieren records werden geproduceerd met een ingrijpende plotter die het beeld in een scrollend papieren record brandde. Latere plotters maakten het mogelijk om gelijktijdig positie- en scheepsbewegingsinformatie op het papieren dossier uit te zetten. In de late jaren 1980 ontwikkelden commerciële systemen die de nieuwere, goedkopere computersystemen gebruikten digitale scan-converters die goedkoper konden nabootsen van de analoge scan-converters die door de militaire systemen worden gebruikt om tv- en computerafbeeldingen van de scan te produceren en deze op videoband op te slaan. . Momenteel worden gegevens opgeslagen op harde schijven van computers of solid-state media.

Militaire toepassing Bewerken

Een van de uitvinders van side-scan sonar was de Duitse wetenschapper Dr. Julius Hagemann, die na de Tweede Wereldoorlog naar de VS werd gebracht en van 1947 tot aan zijn dood in 1964 bij het US Navy Mine Defense Laboratory, Panama City, FL werkte. Zijn werk is gedocumenteerd in Amerikaans octrooi 4,197,591 [1] dat voor het eerst werd onthuld in augustus 1958, maar bleef geclassificeerd door de Amerikaanse marine tot het uiteindelijk werd uitgegeven in 1980. Experimentele side-scan sonarsystemen werden gemaakt in de jaren vijftig in laboratoria, waaronder Scripps Institution of Oceanography and Hudson Laboratories en door Dr. Harold Edgerton aan het MIT.

Militaire side-scan sonars werden in de jaren vijftig gemaakt door Westinghouse. Geavanceerde systemen werden later ontwikkeld en gebouwd voor speciale militaire doeleinden, zoals het vinden van op zee verloren H-bommen of het vinden van een verloren Russische onderzeeër in de Westinghouse-faciliteit in Annapolis tot in de jaren negentig. Deze groep produceerde ook de eerste en enige werkende Kijkhoek Sonar die objecten kunnen traceren terwijl ze onder het voertuig kijken.

Commerciële applicatie Bewerken

Het eerste commerciële side-scan-systeem was de Kelvin Hughes "Transit Sonar", een omgebouwde echolood met een enkelkanaals, op een paal gemonteerde waaiervormige transducer die rond 1960 werd geïntroduceerd. In 1963 kwamen Dr. Harold Edgerton, Edward Curley en John Yules gebruikte een 12 kHz side-scan sonar met conische straal om het gezonken Vineyard Lightship in Buzzards Bay, Massachusetts te vinden. Een team onder leiding van Martin Klein van Edgerton, Germeshausen & Grier (later EG & G., Inc.) ontwikkelde van 1963 tot 1966 het eerste succesvolle gesleepte, tweekanaals commerciële side-scan sonarsysteem. Martin Klein wordt algemeen beschouwd als de "vader" van commerciële side-scan sonar. In 1967 gebruikte Edgerton de sonar van Klein om Alexander McKee te helpen het vlaggenschip van Henry VIII te vinden Mary Rose​Datzelfde jaar gebruikte Klein de sonar om archeoloog George Bass te helpen bij het vinden van een 2000 jaar oud schip voor de kust van Turkije. In 1968 richtte Klein Klein Associates (nu Klein Marine Systems) op en bleef werken aan verbeteringen, waaronder de eerste commerciële hoogfrequente (500 kHz) -systemen en de eerste dual-frequency side-scan sonars, en de eerste gecombineerde side-scan en sub- onderste profilering sonar. In 1985 produceerde Charles Mazel van Klein Associates (nu Klein Marine Systems, Inc.) de eerste commerciële side-scan sonartrainingsvideo's en de eerste Side Scan Sonar Trainingshandleiding en twee oceanografen vonden het wrak van de RMS Titanic.

Voor het inmeten van grote gebieden is de GLORIA sidescan-sonar ontwikkeld door Marconi Underwater Systems en het Institute of Oceanographic Sciences (IOS) voor NERC.GLORIA staat voor Geological Long Range Inclined Asdic. [2] Het werd gebruikt door de US Geological Survey en de IOS in het VK om afbeeldingen te verkrijgen van continentale plateaus over de hele wereld. Het werkte op relatief lage frequenties om een ​​groot bereik te verkrijgen. Zoals de meeste side-scan sonars, wordt het GLORIA-instrument achter een schip gesleept. GLORIA heeft een ping-snelheid van twee per minuut en detecteert terugkeer van een bereik tot 22 km aan weerszijden van de sonarvis.


Inhoud

  • 1 Geschiedenis
    • 1.1 ASDIC
    • 1.2 SONAR
    • 1.3 Underwater Sound Laboratory van de Amerikaanse marine
    • 1.4 Materialen en ontwerpen in de VS en Japan
    • 1.5 Latere ontwikkelingen in transducers
  • 2 Actieve sonar
    • 2.1 Project Artemis
    • 2.2 Transponder
    • 2.3 Prestatievoorspelling
    • 2.4 Hand-held sonar voor gebruik door een duiker
    • 2.5 Opwaarts gerichte sonar
  • 3 Passieve sonar
    • 3.1 Identificatie van geluidsbronnen
    • 3.2 Geluidsbeperkingen
    • 3.3 Prestatievoorspelling
  • 4 Prestatiefactoren
    • 4.1 Voortplanting van geluid
    • 4.2 Verstrooiing
    • 4.3 Doelkenmerken
    • 4.4 Tegenmaatregelen
  • 5 Militaire toepassingen
    • 5.1 Onderzeebootbestrijding
    • 5.2 Torpedo's
    • 5.3 Mijnen
    • 5.4 Mijn tegenmaatregelen
    • 5.5 Onderzeese navigatie
    • 5.6 Vliegtuigen
    • 5.7 Onderwatercommunicatie
    • 5.8 Oceaantoezicht
    • 5.9 Onderwaterbeveiliging
    • 5.10 Handheld sonar
    • 5.11 Onderschepp sonar
  • 6 Civiele toepassingen
    • 6.1 Visserij
    • 6.2 Echo klinkende
    • 6.3 Netto locatie
    • 6.4 ROV en UUV
    • 6.5 Voertuiglocatie
    • 6.6 Prothese voor slechtzienden
  • 7 Wetenschappelijke toepassingen
    • 7.1 Schatting van biomassa
    • 7.2 Golfmeting
    • 7.3 Meting van de watersnelheid
    • 7.4 Bodemtypebeoordeling
    • 7.5 Bathymetrische mapping
    • 7.6 Onderbodemprofilering
    • 7.7 Gaslekdetectie vanaf de zeebodem
    • 7.8 Synthetische sonaropeningen
    • 7.9 Parametrische sonar
    • 7.10 Sonar in buitenaardse contexten
  • 8 Effect van sonar op het leven in zee
    • 8.1 Effect op zeezoogdieren
    • 8.2 Effect op vissen
  • 9 Frequenties en resoluties
  • 10 Zie ook
  • 11 Toelichtingen
  • 12 Citaten
  • 13 Algemene bibliografie
    • 13.1 Referenties op het gebied van visserijakoestiek
  • 14 Verder lezen
  • 15 Externe links

Hoewel sommige dieren (dolfijnen, vleermuizen, sommige spitsmuizen en anderen) al miljoenen jaren geluid gebruiken voor communicatie en objectdetectie, wordt het gebruik door mensen in het water aanvankelijk vastgelegd door Leonardo da Vinci in 1490: een buis die in het water werd gestoken, werd wordt gebruikt om bloedvaten te detecteren door een oor tegen de buis te plaatsen. [4]

Aan het einde van de 19e eeuw werd een onderwaterbel gebruikt als hulp bij vuurtorens of lichtschepen om te waarschuwen voor gevaren. [5]

Het gebruik van geluid om onder water te "echo-lokaliseren" op dezelfde manier als vleermuizen geluid gebruiken voor luchtnavigatie lijkt te zijn ingegeven door de Titanic ramp van 1912. [6] 's Werelds eerste octrooi voor een onderwaterecho-meetapparaat werd bij het Britse octrooibureau ingediend door de Engelse meteoroloog Lewis Fry Richardson een maand na het zinken van Titanic, [7] en een Duitse natuurkundige Alexander Behm verkreeg in 1913 een octrooi voor een echolood. [8]

De Canadese ingenieur Reginald Fessenden bouwde tijdens zijn werk voor de Submarine Signal Company in Boston, Massachusetts, een experimenteel systeem vanaf 1912, een systeem dat later werd getest in Boston Harbor en uiteindelijk in 1914 vanuit de VS. Inkomsten Cutter Jij houdt van mij op de Grand Banks bij Newfoundland. [7] [9] In die test demonstreerde Fessenden dieptepeilingen, onderwatercommunicatie (morsecode) en echo-bereik (detectie van een ijsberg op een afstand van 2 mijl (3,2 km)). [10] [11] De "Fessenden-oscillator", die werkte op een frequentie van ongeveer 500 Hz, was niet in staat de peiling van de ijsberg te bepalen vanwege de golflengte van 3 meter en de kleine afmeting van het stralende oppervlak van de transducer (minder dan 1 ⁄3 golflengte in diameter). De tien in Montreal gebouwde Britse H-klasse onderzeeërs die in 1915 werden gelanceerd, waren uitgerust met Fessenden-oscillatoren. [12]

Tijdens de Eerste Wereldoorlog leidde de noodzaak om onderzeeërs te detecteren tot meer onderzoek naar het gebruik van geluid. De Britten maakten al vroeg gebruik van onderwaterluisterapparatuur, hydrofoons genaamd, terwijl de Franse natuurkundige Paul Langevin, in samenwerking met een Russische immigrant elektrotechnisch ingenieur Constantin Chilowsky, in 1915 werkte aan de ontwikkeling van actieve geluidsapparatuur voor het detecteren van onderzeeërs. Hoewel piëzo-elektrische en magnetostrictieve transducers later werden vervangen de elektrostatische transducers die ze gebruikten, beïnvloedde dit werk toekomstige ontwerpen. Lichtgewicht geluidsgevoelige plastic film en glasvezel zijn gebruikt voor hydrofoons, terwijl Terfenol-D en PMN (loodmagnesiumniobaat) zijn ontwikkeld voor projectoren.

ASDIC

In 1916 nam de Canadese natuurkundige Robert William Boyle, onder de British Board of Invention and Research, het actieve geluidsdetectieproject op zich samen met A. B. Wood, en produceerde een prototype voor testen in het midden van 1917. Dit werk voor de Anti-Submarine Division van de British Naval Staff werd in het grootste geheim uitgevoerd en er werden piëzo-elektrische kwartskristallen gebruikt om 's werelds eerste praktische onderwater actieve geluidsdetectieapparaat te produceren. Om geheimhouding te bewaren, werd geen melding gemaakt van geluidsexperimenten of kwarts - het woord dat werd gebruikt om het vroege werk ('supersonics') te beschrijven, werd veranderd in 'ASD' ics, en het kwartsmateriaal in 'ASD' ivite: 'ASD' for ' Anti-Submarine Division ", vandaar het Britse acroniem ASDIC​In 1939, in antwoord op een vraag van de Oxford Engels woordenboek, verzon de Admiraliteit het verhaal dat het stond voor "Allied Submarine Detection Investigation Committee", en dit wordt nog steeds algemeen aangenomen [13], hoewel er geen commissie met deze naam is gevonden in de archieven van de Admiraliteit. [14]

In 1918 hadden Groot-Brittannië en Frankrijk prototypes van actieve systemen gebouwd. De Britten testten hun ASDIC op HMS Antrim in 1920 en begon met de productie in 1922. De 6e Destroyer Flotilla beschikte in 1923 over met ASDIC uitgeruste schepen. Een anti-onderzeebootschool HMS Visarend en een oefenvloot van vier schepen werd in 1924 op Portland gevestigd.

Bij het uitbreken van de Tweede Wereldoorlog had de Royal Navy vijf sets voor verschillende klassen van oppervlakteschepen, en andere voor onderzeeërs, opgenomen in een compleet anti-onderzeeërsysteem. De effectiviteit van de vroege ASDIC werd belemmerd door het gebruik van de dieptebom als onderzeebootbestrijdingswapen. Dit vereiste dat een aanvallend vaartuig over een onder water gelegen contact passeerde voordat ladingen over de achtersteven werden gedropt, wat resulteerde in verlies van ASDIC-contact in de momenten voorafgaand aan de aanval. De jager schoot in feite blind, gedurende welke tijd een onderzeebootcommandant ontwijkende maatregelen kon nemen. Deze situatie werd verholpen met nieuwe tactieken en nieuwe wapens.

De tactische verbeteringen ontwikkeld door Frederic John Walker omvatten de sluipende aanval. Hiervoor waren twee anti-onderzeebootschepen nodig (meestal sloepen of korvetten). Het "leidende schip" volgde de doelonderzeeër op ASDIC vanaf een positie ongeveer 1500 tot 2000 meter achter de onderzeeër. Het tweede schip, met haar ASDIC uitgeschakeld en met een snelheid van 5 knopen, begon een aanval vanuit een positie tussen het leidende schip en het doelwit. Deze aanval werd bestuurd via de radiotelefoon vanaf het stuurschip, op basis van hun ASDIC en het bereik (door afstandsmeter) en peiling van het aanvallende schip. Zodra de dieptebommen waren losgelaten, verliet het aanvallende schip in volle vaart de directe omgeving. Het leidende schip kwam toen het doelgebied binnen en liet ook een patroon van dieptebommen los. Door de lage snelheid van de nadering kon de onderzeeër niet voorspellen wanneer dieptebommen zouden worden losgelaten. Elke ontwijkende actie werd opgemerkt door het leidende schip en dienovereenkomstig werden stuuropdrachten gegeven aan het aanvallende schip. De lage snelheid van de aanval had het voordeel dat de Duitse akoestische torpedo niet effectief was tegen een oorlogsschip dat zo langzaam reed. Een variatie op de sluipende aanval was de "gips" -aanval, waarbij drie aanvallende schepen die in een korte rij naast elkaar werkten door het leidende schip over het doel werden gericht. [15]

De nieuwe wapens om met de ASDIC-blinde vlek om te gaan waren "vooruitwerpende wapens", zoals egels en later inktvissen, die kernkoppen projecteerden op een doelwit vóór de aanvaller en nog steeds in ASDIC-contact. Hierdoor kon een enkele escorte beter gerichte aanvallen op onderzeeërs uitvoeren. Ontwikkelingen tijdens de oorlog resulteerden in Britse ASDIC-sets die verschillende vormen van balk gebruikten, die continu blinde vlekken bedekten. Later werden akoestische torpedo's gebruikt.

In het begin van de Tweede Wereldoorlog (september 1940) werd de Britse ASDIC-technologie gratis naar de Verenigde Staten overgedragen. Onderzoek naar ASDIC en onderwatergeluid werd uitgebreid in het VK en in de VS. Er zijn veel nieuwe soorten militaire geluidsdetectie ontwikkeld. Deze omvatten geluidsboeien, voor het eerst ontwikkeld door de Britten in 1944 onder de codenaam High tea, dompelen / dunking sonar en mijndetectie sonar. Dit werk vormde de basis voor naoorlogse ontwikkelingen met betrekking tot het bestrijden van de nucleaire onderzeeër.

SONAR

In de jaren dertig ontwikkelden Amerikaanse ingenieurs hun eigen onderwatergeluidsdetectietechnologie en er werden belangrijke ontdekkingen gedaan, zoals het bestaan ​​van thermoclines en hun effecten op geluidsgolven. [16] Amerikanen begonnen de term te gebruiken SONAR voor hun systemen, bedacht door Frederick Hunt om het equivalent van RADAR te zijn. [17]

Onderwatergeluidslaboratorium van de Amerikaanse marine

In 1917 verwierf de Amerikaanse marine voor het eerst de diensten van J. Warren Horton. Met verlof van Bell Labs diende hij de regering als technisch expert, eerst op het experimentele station in Nahant, Massachusetts, en later op het US Naval Headquarters in Londen, Engeland. Bij Nahant paste hij de nieuw ontwikkelde vacuümbuis, die toen werd geassocieerd met de vormende stadia van het veld van toegepaste wetenschap dat nu bekend staat als elektronica, toe op de detectie van onderwatersignalen. Als gevolg hiervan werd de koolstofknopmicrofoon, die in eerdere detectieapparatuur was gebruikt, vervangen door de voorloper van de moderne hydrofoon. Ook in deze periode experimenteerde hij met methoden voor sleepdetectie. Dit kwam door de verhoogde gevoeligheid van zijn apparaat. De principes worden nog steeds gebruikt in moderne gesleepte sonarsystemen.

Om aan de defensiebehoeften van Groot-Brittannië te voldoen, werd hij naar Engeland gestuurd om in de Ierse Zee op de bodem gemonteerde hydrofoons te installeren die via een onderzeese kabel met een luisterpost aan de wal waren verbonden. Terwijl deze apparatuur op het kabellegschip werd geladen, eindigde de Eerste Wereldoorlog en keerde Horton naar huis terug.

Tijdens de Tweede Wereldoorlog bleef hij sonarsystemen ontwikkelen die onderzeeërs, mijnen en torpedo's konden detecteren. Hij publiceerde Fundamentals of Sonar in 1957 als hoofdonderzoeksconsulent bij het Underwater Sound Laboratory van de Amerikaanse marine. Hij bekleedde deze functie tot 1959 toen hij technisch directeur werd, een functie die hij bekleedde tot zijn verplichte pensionering in 1963. [18] [19]

Materialen en ontwerpen in de VS en Japan

Er was weinig vooruitgang in de Amerikaanse sonar van 1915 tot 1940. In 1940 bestonden Amerikaanse sonars meestal uit een magnetostrictieve transducer en een reeks nikkelbuizen die waren verbonden met een stalen plaat met een diameter van 1 voet die rug aan rug was bevestigd aan een Rochelle-zoutkristal. in een bolvormige behuizing. Dit samenstel drong door de scheepsromp en werd handmatig in de gewenste hoek gedraaid. Het piëzo-elektrische Rochelle-zoutkristal had betere parameters, maar de magnetostrictieve eenheid was veel betrouwbaarder. Grote verliezen voor de Amerikaanse koopvaardijschepen aan het begin van de Tweede Wereldoorlog leidden tot grootschalig Amerikaans onderzoek met hoge prioriteit in het veld, gericht op zowel verbeteringen in magnetostrictieve transducerparameters als op Rochelle-zoutbetrouwbaarheid. Ammoniumdiwaterstoffosfaat (ADP), een superieur alternatief, werd gevonden als vervanging voor Rochelle-zout. De eerste toepassing was een vervanging van de 24 kHz Rochelle-zouttransducers. Binnen negen maanden was Rochelle-zout verouderd. De ADP-productiefaciliteit groeide van enkele tientallen personeelsleden begin 1940 tot enkele duizenden in 1942.

Een van de vroegste toepassingen van ADP-kristallen waren hydrofoons voor akoestische mijnen, de kristallen waren gespecificeerd voor laagfrequente afsnijding bij 5 Hz, bestand tegen mechanische schokken voor inzet vanaf vliegtuigen vanaf 3.000 m (10.000 ft) en het vermogen om naburige mijnexplosies te overleven. Een van de belangrijkste kenmerken van ADP-betrouwbaarheid is dat het geen verouderingseigenschappen heeft, waardoor het kristal zijn parameters zelfs bij langdurige opslag behoudt.

Een andere toepassing was voor akoestische homing-torpedo's. Twee paar directionele hydrofoons werden op de torpedo-neus gemonteerd, in het horizontale en verticale vlak werden de verschilsignalen van de paren gebruikt om de torpedo van links naar rechts en van boven naar beneden te sturen. Er werd een tegenmaatregel ontwikkeld: de gerichte onderzeeër loosde een bruisende chemische stof en de torpedo ging achter de luidruchtigere koolzuurhoudende lokvogel aan. De tegenmaatregel was een torpedo met actieve sonar - een transducer werd aan de torpedo-neus toegevoegd en de microfoons luisterden naar de gereflecteerde periodieke toonuitbarstingen. De transducers bestonden uit identieke rechthoekige kristalplaten die waren gerangschikt in ruitvormige gebieden in verspringende rijen.

Passieve sonar-arrays voor onderzeeërs zijn ontwikkeld op basis van ADP-kristallen. Verschillende kristalsamenstellen werden in een stalen buis gerangschikt, vacuümgevuld met ricinusolie en afgedicht. De buizen werden vervolgens in parallelle reeksen gemonteerd.

De standaard scansonar van de Amerikaanse marine aan het einde van de Tweede Wereldoorlog werkte op 18 kHz en gebruikte een reeks ADP-kristallen. Gewenst groter bereik vereiste echter het gebruik van lagere frequenties. De vereiste afmetingen waren te groot voor ADP-kristallen, dus in het begin van de jaren vijftig werden magnetostrictieve en bariumtitanaat piëzo-elektrische systemen ontwikkeld, maar deze hadden problemen om uniforme impedantiekarakteristieken te bereiken, en het bundelpatroon leed. Bariumtitanaat werd vervolgens vervangen door stabielere loodzirkonaattitanaat (PZT) en de frequentie werd verlaagd tot 5 kHz. De Amerikaanse vloot heeft dit materiaal tientallen jaren gebruikt in de AN / SQS-23-sonar. De SQS-23 sonar gebruikte eerst magnetostrictieve nikkeltransducers, maar deze wogen enkele tonnen, en nikkel was duur en werd beschouwd als een kritiek materiaal, piëzo-elektrische transducers werden daarom vervangen. De sonar was een grote reeks van 432 afzonderlijke transducers. Aanvankelijk waren de transducers onbetrouwbaar, vertoonden ze mechanische en elektrische storingen en gingen ze snel achteruit. Ze werden ook geproduceerd door verschillende leveranciers, hadden verschillende ontwerpen en hun kenmerken waren verschillend genoeg om de prestaties van de array te verminderen. Het beleid om reparatie van individuele transducers mogelijk te maken werd vervolgens opgeofferd en in plaats daarvan werd gekozen voor "vervangbaar modulair ontwerp", verzegelde niet-repareerbare modules, waardoor het probleem met afdichtingen en andere externe mechanische onderdelen werd geëlimineerd. [20]

De keizerlijke Japanse marine gebruikte aan het begin van de Tweede Wereldoorlog projectoren op basis van kwarts. Deze waren groot en zwaar, vooral als ze waren ontworpen voor lagere frequenties die van Type 91, werkend op 9 kHz, een diameter van 30 inch (760 mm) had en werd aangedreven door een oscillator met een vermogen van 5 kW en een uitgangsamplitude van 7 kV. . De Type 93 projectoren bestonden uit massieve sandwiches van kwarts, geassembleerd tot bolvormige gietijzeren lichamen. De Type 93 sonars werden later vervangen door Type 3, dat Duitse ontwerp volgde en magnetostrictieve projectoren gebruikte.De projectoren bestonden uit twee rechthoekige identieke onafhankelijke eenheden in een gietijzeren rechthoekig lichaam van ongeveer 16 bij 9 inch (410 mm x 230 mm). Het belichte gebied was de helft van de golflengte breed en drie golflengten hoog. De magnetostrictieve kernen waren gemaakt van 4 mm nikkel stampen, en later van een ijzer-aluminium legering met een aluminiumgehalte tussen 12,7% en 12,9%. Het vermogen werd geleverd door een 2 kW bij 3,8 kV, met polarisatie van een 20 V, 8 A DC-bron.

De passieve hydrofoons van de Japanse Keizerlijke Marine waren gebaseerd op het ontwerp met een bewegende spoel, Rochelle-zoutpiëzo-omvormers en koolstofmicrofoons. [21]

Latere ontwikkelingen in transducers

Magnetostrictieve transducers werden na de Tweede Wereldoorlog nagestreefd als alternatief voor piëzo-elektrische transducers. Nikkel-scroll-gewikkelde ringtransducers werden gebruikt voor hoogvermogen laagfrequente operaties, met een afmeting tot 13 voet (4,0 m) in diameter, waarschijnlijk de grootste individuele sonartransducers ooit. Het voordeel van metalen is hun hoge treksterkte en lage elektrische ingangsimpedantie, maar ze hebben elektrische verliezen en een lagere koppelingscoëfficiënt dan PZT, waarvan de treksterkte kan worden verhoogd door voorspanning. Andere materialen werden ook geprobeerd, niet-metalen ferrieten waren veelbelovend vanwege hun lage elektrische geleidbaarheid, wat resulteerde in lage wervelstroomverliezen. Metglas bood een hoge koppelingscoëfficiënt, maar ze waren in het algemeen inferieur aan PZT. In de jaren zeventig werden verbindingen van zeldzame aarden en ijzer ontdekt met superieure magnetomechanische eigenschappen, namelijk de Terfenol-D-legering. Dit maakte nieuwe ontwerpen mogelijk, b.v. een hybride magnetostrictief-piëzo-elektrische transducer. De meest recente van deze verbeterde magnetostrictieve materialen is galfenol.

Andere soorten transducers zijn transducers met variabele reluctantie (of bewegend anker of elektromagnetische), waarbij magnetische kracht inwerkt op de oppervlakken van openingen, en transducers met bewegende spoel (of elektrodynamische), vergelijkbaar met conventionele luidsprekers, de laatste worden gebruikt bij onderwatergeluidskalibratie , vanwege hun zeer lage resonantiefrequenties en vlakke breedbandkarakteristieken erboven. [22]

Actieve sonar maakt gebruik van een geluidszender (of projector) en een ontvanger. Als de twee zich op dezelfde plaats bevinden, is het monostatische werking. Wanneer de zender en ontvanger gescheiden zijn, is het bistatisch bedrijf. [23] Wanneer meer zenders (of meer ontvangers) worden gebruikt, ook weer ruimtelijk gescheiden, is er sprake van een multistatische werking. De meeste sonars worden monostatisch gebruikt, waarbij dezelfde array vaak wordt gebruikt voor verzending en ontvangst. [24] Actieve geluidsboei-velden kunnen multistatisch worden bedreven.

Actieve sonar genereert een puls van geluid, vaak een "ping" genoemd, en luistert vervolgens naar reflecties (echo) van de puls. Deze geluidspuls wordt over het algemeen elektronisch gecreëerd met behulp van een sonarprojector die bestaat uit een signaalgenerator, een vermogensversterker en een elektro-akoestische transducer / array. [25] Een transducer is een apparaat dat akoestische signalen kan verzenden en ontvangen ("pings"). Een straalvormer wordt gewoonlijk gebruikt om het akoestische vermogen te concentreren in een straal, die kan worden geveegd om de vereiste zoekhoeken te dekken. Over het algemeen zijn de elektro-akoestische transducers van het Tonpilz-type en kan hun ontwerp worden geoptimaliseerd om maximale efficiëntie te bereiken over de breedste bandbreedte, om de prestaties van het totale systeem te optimaliseren. Af en toe kan de akoestische puls worden opgewekt met andere middelen, b.v. chemisch met behulp van explosieven, luchtgeweren of plasmageluidsbronnen.

Om de afstand tot een object te meten, wordt de tijd tussen verzending van een puls en ontvangst gemeten en omgezet in een bereik met behulp van de bekende geluidssnelheid. [26] Om het lager te meten, worden verschillende hydrofoons gebruikt, en de set meet de relatieve aankomsttijd op elk, of met een reeks hydrofoons, door de relatieve amplitude te meten in bundels die worden gevormd door een proces dat bundelvorming wordt genoemd. Het gebruik van een array vermindert de ruimtelijke respons, zodat voor het verschaffen van een brede dekking multibeam-systemen worden gebruikt. Het doelsignaal (indien aanwezig) samen met ruis wordt vervolgens door verschillende vormen van signaalverwerking [27] geleid, wat voor eenvoudige sonars slechts energiemeting kan zijn.Het wordt dan gepresenteerd aan een of andere vorm van beslissingsapparaat dat de uitvoer ofwel het vereiste signaal of ruis oproept. Dit beslissingsapparaat kan een operator zijn met een koptelefoon of een beeldscherm, of in meer geavanceerde sonars kan deze functie worden uitgevoerd door software. Verdere processen kunnen worden uitgevoerd om het doel te classificeren en te lokaliseren, en om de snelheid ervan te meten.

De puls kan een constante frequentie hebben of een getjilp met een veranderende frequentie (om pulscompressie bij ontvangst mogelijk te maken). Eenvoudige sonars gebruiken over het algemeen de eerste met een filter dat breed genoeg is om mogelijke Doppler-veranderingen als gevolg van beweging van het doelwit te dekken, terwijl complexere sonars over het algemeen de laatste techniek omvatten. Sinds digitale verwerking beschikbaar kwam, is pulscompressie meestal geïmplementeerd met behulp van digitale correlatietechnieken. Militaire sonars hebben vaak meerdere bundels om een ​​allround dekking te bieden, terwijl eenvoudige sonars slechts een smalle boog bestrijken, hoewel de bundel relatief langzaam kan worden geroteerd door mechanische scanning.

Vooral wanneer transmissies met één frequentie worden gebruikt, kan het Doppler-effect worden gebruikt om de radiale snelheid van een doel te meten. Het verschil in frequentie tussen het uitgezonden en ontvangen signaal wordt gemeten en omgezet in een snelheid. Aangezien Dopplerverschuivingen kunnen worden geïntroduceerd door ofwel ontvanger- of doelbeweging, moet rekening worden gehouden met de radiale snelheid van het zoekplatform.

Een handige kleine sonar lijkt qua uiterlijk op een waterdichte zaklamp. Het hoofd wordt in het water gericht, er wordt een knop ingedrukt en het apparaat geeft de afstand tot het doel weer. Een andere variant is een "fishfinder" die een klein display toont met scholen vis. Sommige civiele sonars (die niet zijn ontworpen voor stealth) benaderen actieve militaire sonars in capaciteit, met driedimensionale weergave van het gebied nabij de boot.

Wanneer actieve sonar wordt gebruikt om de afstand van de transducer tot de bodem te meten, staat dit bekend als echogeluid. Vergelijkbare methoden kunnen worden gebruikt door naar boven te kijken voor golfmeting.

Actieve sonar wordt ook gebruikt om afstand door water te meten tussen twee sonartransducers of een combinatie van een hydrofoon (akoestische onderwatermicrofoon) en projector (akoestische onderwaterluidspreker). Wanneer een hydrofoon / transducer een specifiek ondervragingssignaal ontvangt, reageert deze door een specifiek antwoordsignaal uit te zenden. Om de afstand te meten, zendt één transducer / projector een ondervragingssignaal uit en meet de tijd tussen deze transmissie en de ontvangst van het antwoord van de andere transducer / hydrofoon. Het tijdsverschil, geschaald door de geluidssnelheid door water en gedeeld door twee, is de afstand tussen de twee platforms. Deze techniek kan, indien gebruikt met meerdere transducers / hydrofoons / projectoren, de relatieve posities van statische en bewegende objecten in water berekenen.

In gevechtssituaties kan een actieve puls worden gedetecteerd door een vijand en de positie van een onderzeeër onthullen op tweemaal de maximale afstand waarop de onderzeeër zelf een contact kan detecteren en aanwijzingen geven over de identiteit van de onderzeeër op basis van de kenmerken van de uitgaande ping. Om deze redenen wordt actieve sonar niet vaak gebruikt door militaire onderzeeërs.

Een zeer directionele, maar weinig efficiënte sonar (gebruikt door de visserij, het leger en voor havenbeveiliging) maakt gebruik van een complexe niet-lineaire eigenschap van water, bekend als niet-lineaire sonar, waarbij de virtuele transducer bekend staat als een parametrische array.

Project Artemis

Project Artemis was een experimenteel onderzoeks- en ontwikkelingsproject eind jaren vijftig tot midden jaren zestig om akoestische voortplanting en signaalverwerking te onderzoeken voor een laagfrequent actief sonarsysteem dat zou kunnen worden gebruikt voor oceaansurveillance. Een secundaire doelstelling was het onderzoeken van technische problemen van vaste actieve bodemsystemen. [28] De ontvangende array bevond zich op de helling van Plantagnet Bank bij Bermuda. De active source array werd ingezet vanuit de omgebouwde tanker USNS uit de Tweede Wereldoorlog Missie Capistrano​[29] Elementen van Artemis werden experimenteel gebruikt nadat het hoofdexperiment was beëindigd.

Transponder

Dit is een actief sonarapparaat dat een specifieke stimulus ontvangt en onmiddellijk (of met een vertraging) het ontvangen signaal of een vooraf bepaald signaal opnieuw uitzendt. Transponders kunnen worden gebruikt om onderzeese apparatuur op afstand te activeren of te herstellen. [30]

Prestatievoorspelling

Een sonardoel is klein ten opzichte van de bol, gecentreerd rond de zender waarop het zich bevindt. Daarom is het vermogen van het gereflecteerde signaal erg laag, enkele ordes van grootte kleiner dan het oorspronkelijke signaal. Zelfs als het gereflecteerde signaal van hetzelfde vermogen was, toont het volgende voorbeeld (met gebruikmaking van hypothetische waarden) het probleem: Stel dat een sonarsysteem een ​​signaal van 10.000 W / m 2 kan uitzenden op 1 m en een 0,001 W / m 2 kan detecteren. signaal. Op 100 m is het signaal 1 W / m 2 (vanwege de omgekeerde kwadratenwet). Als het volledige signaal wordt gereflecteerd door een doel van 10 m 2, zal het 0,001 W / m 2 zijn wanneer het de zender bereikt, d.w.z. gewoon detecteerbaar. Het oorspronkelijke signaal blijft echter tot 3000 m boven de 0,001 W / m 2. Elk doel van 10 m 2 tussen 100 en 3000 m met een vergelijkbaar of beter systeem zou de puls kunnen detecteren, maar zou niet worden gedetecteerd door de zender. De detectoren moeten erg gevoelig zijn om de echo's op te vangen. Omdat het oorspronkelijke signaal veel krachtiger is, kan het vele malen verder worden gedetecteerd dan tweemaal het bereik van de sonar (zoals in het voorbeeld).

Actieve sonar heeft twee prestatiebeperkingen: vanwege ruis en nagalm. In het algemeen zal de ene of de andere domineren, zodat de twee effecten in eerste instantie afzonderlijk kunnen worden beschouwd.

In geluidsarme omstandigheden bij de eerste detectie: [31]

waarbij SL het bronniveau is, PL het voortplantingsverlies is (soms transmissieverlies genoemd), TS de doelsterkte is, NL het ruisniveau, AG de arrayversterking van de ontvangende array (soms benaderd door de directiviteitsindex) en DT is de detectiedrempel.

In omstandigheden met beperkte nagalm bij de eerste detectie (waarbij array-versterking wordt verwaarloosd):

waarbij RL het nagalmniveau is en de andere factoren zoals voorheen.

Hand-held sonar voor gebruik door een duiker

  • De LIMIS (limpet mine imaging sonar) is een draagbare of ROV-gemonteerde beeldsonar voor gebruik door een duiker. De naam is omdat het is ontworpen voor patrouilleduikers (gevechtsduikers of klaringsduikers) om te zoeken naar limpetmijnen in slecht zichtwater.
  • De LUIS (Lensing Underwater Imaging System) is een andere imaging sonar voor gebruik door een duiker.
  • Er is of was een kleine zaklamp in de vorm van een draagbare sonar voor duikers, die alleen het bereik weergeeft.
  • Voor het INSS (geïntegreerd navigatiesonarsysteem)

Opwaarts gerichte sonar

Een opwaarts gerichte sonar (ULS) is een naar boven gericht sonarapparaat dat naar het zeeoppervlak kijkt. Het wordt gebruikt voor soortgelijke doeleinden als naar beneden kijkende sonar, maar heeft een aantal unieke toepassingen zoals het meten van de dikte, ruwheid en concentratie van zeeijs, [32] [33] of het meten van het meesleuren van lucht door bellenpluimen tijdens ruwe zeeën. Vaak ligt het afgemeerd op de bodem van de oceaan of drijft het op een strakke lijn afgemeerd op een constante diepte van misschien wel 100 meter. Ze kunnen ook worden gebruikt door onderzeeërs, AUV's en drijvers zoals de Argo-drijver. [34]

Passieve sonar luistert zonder uit te zenden. Het wordt vaak gebruikt in militaire omgevingen, hoewel het ook wordt gebruikt in wetenschappelijke toepassingen, bijv., het detecteren van vissen voor aan- / afwezigheidsonderzoeken in verschillende aquatische omgevingen - zie ook passieve akoestiek en passieve radar. In het meest brede gebruik kan deze term vrijwel elke analytische techniek omvatten met op afstand gegenereerd geluid, hoewel deze meestal beperkt is tot technieken die in een wateromgeving worden toegepast.

Identificatie van geluidsbronnen

Passieve sonar heeft een breed scala aan technieken om de bron van een gedetecteerd geluid te identificeren. Bijvoorbeeld, U.S. schepen werken meestal met wisselstroomsystemen van 60 Hz. Als transformatoren of generatoren zijn gemonteerd zonder de juiste trillingsisolatie van de romp of onder water komen te staan, kan het 60 Hz-geluid van de wikkelingen worden uitgezonden door de onderzeeër of het schip. Dit kan helpen om zijn nationaliteit te identificeren, aangezien alle Europese onderzeeërs en bijna alle onderzeeërs van een ander land een 50 Hz-voedingssysteem hebben. Intermitterende geluidsbronnen (zoals een sleutel die valt), "transiënten" genaamd, kunnen ook worden gedetecteerd door passieve sonar. Tot vrij recent [ wanneer? ] een ervaren, getrainde operator identificeerde signalen, maar nu kunnen computers dit doen.

Passieve sonarsystemen kunnen grote sonische databases hebben, maar de sonaroperator classificeert de signalen meestal uiteindelijk handmatig. Een computersysteem gebruikt deze databases vaak om klassen schepen, acties (d.w.z. de snelheid van een schip of het type wapen dat wordt vrijgegeven) en zelfs bepaalde schepen te identificeren.

Geluidsbeperkingen

Passieve sonar op voertuigen is meestal ernstig beperkt vanwege het geluid dat door het voertuig wordt gegenereerd. Om deze reden gebruiken veel onderzeeërs kernreactoren die zonder pompen kunnen worden gekoeld, met behulp van stille convectie, of brandstofcellen of batterijen, die ook stil kunnen werken. De propellers van voertuigen zijn ook ontworpen en nauwkeurig bewerkt om zo min mogelijk geluid uit te stoten. Snelle propellers creëren vaak kleine belletjes in het water, en deze cavitatie heeft een duidelijk geluid.

De sonar-hydrofoons kunnen achter het schip of de onderzeeër worden gesleept om het effect van door het vaartuig zelf gegenereerd geluid te verminderen. Getrokken eenheden bestrijden ook de thermocline, aangezien de eenheid boven of onder de thermocline kan worden gesleept.

De weergave van de meeste passieve sonars was vroeger een tweedimensionaal watervalbeeldscherm. De horizontale richting van het scherm is peiling. De verticale is frequentie, of soms tijd. Een andere weergavetechniek is het kleurcoderen van frequentie-tijdinformatie voor peiling. Meer recente weergaven worden gegenereerd door de computers en bootsen de positie-indicatorweergaven van het radartype na.

Prestatievoorspelling

In tegenstelling tot actieve sonar is er slechts sprake van eenrichtingsvoortplanting. Vanwege de verschillende gebruikte signaalverwerking, zal de minimaal detecteerbare signaal-ruisverhouding anders zijn. De vergelijking voor het bepalen van de prestaties van een passieve sonar is [35] [31]

waarbij SL het bronniveau is, PL het voortplantingsverlies, NL het ruisniveau, AG de arrayversterking en DT de detectiedrempel. De verdienste van een passieve sonar is

De detectie, classificatie en lokalisatieprestaties van een sonar zijn afhankelijk van de omgeving en de ontvangende apparatuur, evenals de zendapparatuur in een actieve sonar of het doel dat ruis uitstraalt in een passieve sonar.

Voortplanting van geluid

De werking van de sonar wordt beïnvloed door variaties in de geluidssnelheid, vooral in het verticale vlak. Geluid verplaatst zich langzamer in zoet water dan in zeewater, hoewel het verschil klein is. De snelheid wordt bepaald door de bulkmodulus en massadichtheid van het water. De bulkmodulus wordt beïnvloed door temperatuur, opgeloste onzuiverheden (meestal zoutgehalte) en druk. Het dichtheidseffect is klein. De geluidssnelheid (in voet per seconde) is ongeveer:

4388 + (11,25 × temperatuur (in ° F)) + (0,0182 × diepte (in voet)) + zoutgehalte (in delen per duizend).

Deze empirisch afgeleide benaderingsvergelijking is redelijk nauwkeurig voor normale temperaturen, concentraties van zoutgehalte en het bereik van de meeste oceaandiepten. De temperatuur van de oceaan varieert met de diepte, maar tussen de 30 en 100 meter is er vaak een duidelijke verandering, de thermocline genaamd, die het warmere oppervlaktewater scheidt van het koude, stille water dat de rest van de oceaan vormt. Dit kan sonar frustreren, omdat een geluid dat aan één kant van de thermocline komt, de neiging heeft om door de thermocline te worden gebogen of gebroken. De thermocline kan aanwezig zijn in ondieper kustwater. Golfwerking zal echter vaak de waterkolom mengen en de thermocline elimineren. Waterdruk heeft ook invloed op de voortplanting van geluid: hogere druk verhoogt de geluidssnelheid, waardoor de geluidsgolven wegbreken van het gebied met hogere geluidssnelheid. Het wiskundige model van breking wordt de wet van Snell genoemd.

Als de geluidsbron diep is en de omstandigheden goed zijn, kan verspreiding plaatsvinden in het 'diepe geluidskanaal'. Dit zorgt voor een extreem laag voortplantingsverlies voor een ontvanger in het kanaal. Dit komt door het vangen van geluid in het kanaal zonder verliezen aan de grenzen. Een soortgelijke voortplanting kan onder geschikte omstandigheden plaatsvinden in het 'oppervlaktekanaal'. In dit geval zijn er echter reflectieverliezen aan het oppervlak.

In ondiep water vindt voortplanting over het algemeen plaats door herhaalde reflectie aan het oppervlak en de bodem, waarbij aanzienlijke verliezen kunnen optreden.

De voortplanting van geluid wordt beïnvloed door absorptie in het water zelf, maar ook aan het oppervlak en de bodem. Deze absorptie is afhankelijk van de frequentie, met verschillende mechanismen in zeewater. Sonar met groot bereik gebruikt lage frequenties om absorptie-effecten te minimaliseren.

De zee bevat veel bronnen van ruis die de gewenste echo of signatuur van het doel verstoren. De belangrijkste geluidsbronnen zijn golven en scheepvaart. De beweging van de ontvanger door het water kan ook snelheidsafhankelijke laagfrequente ruis veroorzaken.

Verstrooiing

Wanneer actieve sonar wordt gebruikt, treedt verstrooiing op door zowel kleine objecten in de zee als vanaf de bodem en het oppervlak. Dit kan een belangrijke storingsbron zijn. Deze akoestische verstrooiing is analoog aan de verstrooiing van het licht van de koplampen van een auto in mist: een hoge intensiteit potloodstraal zal tot op zekere hoogte de mist doordringen, maar bredere koplampen zenden veel licht uit in ongewenste richtingen, waarvan een groot deel wordt teruggestrooid. voor de waarnemer, overweldigend dat weerkaatst door het doelwit ("white-out"). Om analoge redenen moet actieve sonar in een smalle straal uitzenden om verstrooiing te minimaliseren.

De verstrooiing van sonar van objecten (mijnen, pijpleidingen, zoöplankton, geologische kenmerken, vissen enz.) Is hoe actieve sonar ze detecteert, maar dit vermogen kan worden gemaskeerd door sterke verstrooiing door valse doelen, of 'clutter'. Waar ze voorkomen (onder brekende golven [37] in het kielzog van schepen in gas dat wordt uitgestoten door sijpelen en lekken op de zeebodem [38] enz.), Zijn gasbellen krachtige bronnen van ruis en kunnen ze doelen gemakkelijk verbergen. TWIPS (Twin Inverted Pulse Sonar) [39] [40] [41] is momenteel de enige sonar die dit clutterprobleem kan verhelpen.

Dit is belangrijk omdat er veel recente conflicten hebben plaatsgevonden in kustwateren, en het onvermogen om te detecteren of er al dan niet mijnen aanwezig zijn, brengt gevaren en vertragingen met zich mee voor militaire vaartuigen, en ook om konvooien en koopvaardijschepen te helpen die de regio lang na het conflict proberen te ondersteunen. opgehouden. [39]

Target kenmerken

Het geluid reflectie kenmerken van het doelwit van een actieve sonar, zoals een onderzeeër, staan ​​bekend als de doelsterkte. Een complicatie is dat echo's ook worden verkregen van andere objecten in de zee zoals walvissen, kielzog, scholen vissen en rotsen.

Passieve sonar detecteert het doelwit uitgestraald geluidskarakteristieken. Het uitgestraalde spectrum omvat een continu spectrum van ruis met pieken op bepaalde frequenties die voor classificatie kunnen worden gebruikt.

Tegenmaatregelen

Actief (aangedreven) tegenmaatregelen kunnen worden genomen door een onderzeeër die wordt aangevallen om het geluidsniveau te verhogen, een groot vals doelwit te vormen en de handtekening van de onderzeeër zelf te verdoezelen.

Passief (d.w.z. niet-aangedreven) tegenmaatregelen omvatten:

  • Geluidsgenererende apparaten op isolerende apparaten monteren.
  • Geluidsabsorberende coatings op de rompen van onderzeeërs, bijvoorbeeld echovrije tegels.

Moderne oorlogsvoering op zee maakt uitgebreid gebruik van zowel passieve als actieve sonar van vaartuigen, vliegtuigen en vaste installaties. Hoewel actieve sonar werd gebruikt door oppervlaktevaartuigen in de Tweede Wereldoorlog, vermeden onderzeeërs het gebruik van actieve sonar vanwege het potentieel om hun aanwezigheid en positie aan vijandelijke troepen te onthullen. De komst van moderne signaalverwerking maakte het echter mogelijk passieve sonar te gebruiken als primair middel voor zoek- en detectieoperaties. In 1987 verkocht een divisie van het Japanse bedrijf Toshiba naar verluidt [42] machines aan de Sovjet-Unie waarmee de propellerbladen van hun onderzeeër konden worden gefreesd, zodat ze radicaal stiller werden, waardoor de nieuwere generatie onderzeeërs moeilijker te detecteren werd.

Het gebruik van actieve sonar door een onderzeeër om de peiling te bepalen is uiterst zeldzaam en geeft niet noodzakelijkerwijs hoogwaardige peiling- of afstandsinformatie aan het vuurleidingsteam van de onderzeeërs. Het gebruik van actieve sonar op oppervlakteschepen is echter heel gebruikelijk en wordt gebruikt door onderzeeërs wanneer de tactische situatie dit vereist, dat het belangrijker is om de positie van een vijandige onderzeeër te bepalen dan om hun eigen positie te verbergen. Bij oppervlakteschepen kan worden aangenomen dat de dreiging het schip al volgt met satellietgegevens, aangezien elk vaartuig in de buurt van de uitzendende sonar de emissie zal detecteren. Na het signaal te hebben gehoord, is het gemakkelijk om de gebruikte sonarapparatuur (meestal met de frequentie) en de positie (met de energie van de geluidsgolf) te identificeren. Actieve sonar is vergelijkbaar met radar omdat het, hoewel het detectie van doelen op een bepaald bereik mogelijk maakt, het ook mogelijk maakt dat de zender op een veel groter bereik wordt gedetecteerd, wat ongewenst is.

Aangezien actieve sonar de aanwezigheid en positie van de operator onthult en geen exacte classificatie van doelen toestaat, wordt het gebruikt door snelle (vliegtuigen, helikopters) en lawaaierige platforms (de meeste oppervlakteschepen) maar zelden door onderzeeërs. Wanneer actieve sonar wordt gebruikt door oppervlakteschepen of onderzeeërs, wordt deze meestal zeer kort geactiveerd met tussenpozen om het risico van detectie te minimaliseren. Daarom wordt actieve sonar normaal gesproken beschouwd als een back-up van passieve sonar. In vliegtuigen wordt actieve sonar gebruikt in de vorm van wegwerpbare sonarboeien die worden gedropt in het patrouillegebied van het vliegtuig of in de buurt van mogelijke vijandelijke sonarcontacten.

Passieve sonar heeft verschillende voordelen, vooral dat het stil is. Als het uitgestraalde geluidsniveau van het doel hoog genoeg is, kan het een groter bereik hebben dan actieve sonar en kan het doelwit worden geïdentificeerd. Aangezien elk gemotoriseerd object enig geluid maakt, kan het in principe worden gedetecteerd, afhankelijk van het uitgestraalde geluidsniveau en het omgevingsgeluidsniveau in het gebied, evenals de gebruikte technologie. Om het te vereenvoudigen: passieve sonar "ziet" rond het schip dat het gebruikt. Op een onderzeeër detecteert aan de neus gemonteerde passieve sonar in richtingen van ongeveer 270 °, gecentreerd op de uitlijning van het schip, de op de romp gemonteerde reeks van ongeveer 160 ° aan elke kant en de gesleepte reeks van een volledige 360 ​​°. De onzichtbare gebieden zijn te wijten aan de eigen interferentie van het schip. Zodra een signaal in een bepaalde richting wordt gedetecteerd (wat betekent dat iets in die richting geluid maakt, dit wordt breedbanddetectie genoemd) is het mogelijk om in te zoomen en het ontvangen signaal te analyseren (smalbandanalyse). Dit wordt meestal gedaan met behulp van een Fourier-transformatie om de verschillende frequenties te laten zien waaruit het geluid bestaat. Omdat elke motor een specifiek geluid maakt, is het eenvoudig om het object te identificeren. Databases met unieke motorgeluiden maken deel uit van wat bekend staat als akoestische intelligentie of ACINT.

Een ander gebruik van passieve sonar is om het traject van het doelwit te bepalen. Dit proces wordt doelbewegingsanalyse (TMA) genoemd en de resulterende "oplossing" is het bereik, de koers en de snelheid van het doelwit.TMA wordt gedaan door te markeren uit welke richting het geluid op verschillende tijdstippen komt, en de beweging te vergelijken met die van het eigen schip van de operator. Veranderingen in relatieve beweging worden geanalyseerd met behulp van geometrische standaardtechnieken, samen met enkele aannames over beperkende gevallen.

Passieve sonar is onopvallend en erg handig. Het vereist echter hoogtechnologische elektronische componenten en is kostbaar. Het wordt over het algemeen ingezet op dure schepen in de vorm van arrays om de detectie te verbeteren. Oppervlakteschepen gebruiken het met goed resultaat, het wordt zelfs nog beter gebruikt door onderzeeërs, en het wordt ook gebruikt door vliegtuigen en helikopters, meestal met een "verrassingseffect", aangezien onderzeeërs zich kunnen verbergen onder thermische lagen. Als de commandant van een onderzeeër gelooft dat hij alleen is, kan hij zijn boot dichter bij de oppervlakte brengen en gemakkelijker te detecteren zijn, of dieper en sneller gaan en zo meer geluid maken.

Hieronder worden voorbeelden gegeven van sonartoepassingen bij militair gebruik. Veel van de civiele toepassingen die in de volgende paragraaf worden gegeven, kunnen ook van toepassing zijn op maritiem gebruik.

Anti-onderzeeër oorlogsvoering

Tot voor kort waren scheepssonars meestal met op de romp gemonteerde arrays, ofwel midscheeps ofwel aan de boeg. Na het eerste gebruik werd al snel ontdekt dat er een middel nodig was om het stromingsgeluid te verminderen. De eerste waren gemaakt van canvas op een raamwerk, daarna werden stalen exemplaren gebruikt. Nu zijn koepels meestal gemaakt van versterkt plastic of onder druk gezet rubber. Dergelijke sonars zijn voornamelijk actief in gebruik. Een voorbeeld van een conventionele sonar op de romp is de SQS-56.

Vanwege de problemen van scheepsgeluid worden ook gesleepte sonars gebruikt. Deze hebben ook het voordeel dat ze dieper in het water kunnen worden geplaatst. Er zijn echter beperkingen voor het gebruik ervan in ondiep water. Dit worden gesleepte arrays (lineair) of sonars met variabele diepte (VDS) met 2 / 3D-arrays genoemd. Een probleem is dat de lieren die nodig zijn om deze in te zetten / herstellen groot en duur zijn. VDS-sets zijn voornamelijk actief in gebruik, terwijl gesleepte arrays passief zijn.

Een voorbeeld van een moderne, actief-passieve, door schepen gesleepte sonar is Sonar 2087, gemaakt door Thales Underwater Systems.

Torpedo's

Moderne torpedo's zijn over het algemeen uitgerust met een actieve / passieve sonar. Dit kan worden gebruikt om direct op het doelwit te huisvesten, maar ook worden gebruikt om homing-torpedo's te wekken. Een vroeg voorbeeld van een akoestische homerus was de Mark 37 torpedo.

Torpedo-tegenmaatregelen kunnen worden gesleept of gratis. Een vroeg voorbeeld was de Duitser Sieglinde apparaat terwijl de Stoutmoedig was een chemisch apparaat. Een veelgebruikt apparaat in de VS was de gesleepte AN / SLQ-25 Nixie, terwijl de mobiele onderzeese simulator (MOSS) een gratis apparaat was. Een modern alternatief voor het Nixie-systeem is het Britse Royal Navy S2170 Surface Ship Torpedo Defense-systeem.

Mijnen

Mijnen kunnen worden uitgerust met een sonar om het vereiste doelwit te detecteren, te lokaliseren en te herkennen. Een voorbeeld is de CAPTOR-mijn.

Mijn tegenmaatregelen

Mine Countermeasure (MCM) sonar, ook wel "mine and obstacle vermijden sonar (MOAS)" genoemd, is een gespecialiseerd type sonar dat wordt gebruikt voor het detecteren van kleine objecten. De meeste MCM-sonars zijn op de romp gemonteerd, maar een paar typen zijn VDS-ontwerp. Een voorbeeld van een op de romp gemonteerde MCM-sonar is het Type 2193, terwijl de SQQ-32-mijnenjacht-sonar en Type 2093-systemen VDS-ontwerpen zijn.

Onderzeese navigatie

Onderzeeërs vertrouwen in grotere mate op sonar dan oppervlakteschepen omdat ze op diepte geen radar kunnen gebruiken. De sonar-arrays kunnen op de romp worden gemonteerd of gesleept. Informatie over typische pasvormen wordt gegeven in Oyashio-klasse onderzeeër en Snel zeker-klasse onderzeeër.

Vliegtuigen

Helikopters kunnen worden gebruikt voor anti-onderzeese oorlogsvoering door velden van actief-passieve geluidsboeien in te zetten of kunnen dompelende sonar bedienen, zoals de AQS-13. Vliegtuigen met vaste vleugels kunnen ook geluidsboeien inzetten en hebben een groter uithoudingsvermogen en capaciteit om ze in te zetten. De verwerking van de geluidsboeien of dompelsonar kan in het vliegtuig of op het schip plaatsvinden. Het dompelen van sonar heeft het voordeel dat het inzetbaar is tot diepten die geschikt zijn voor de dagelijkse omstandigheden. Helikopters zijn ook gebruikt voor mijnbestrijdingsmissies met gesleepte sonars zoals de AQS-20A.

Onderwatercommunicatie

Speciale sonars kunnen op schepen en onderzeeërs worden gemonteerd voor communicatie onder water.

Oceaantoezicht

De Verenigde Staten zijn in 1950 begonnen met een systeem van passieve, vaste oceaantoezichtsystemen met de geclassificeerde naam Sound Surveillance System (SOSUS) met American Telephone and Telegraph Company (AT&T), waarbij de Bell Laboratories-onderzoeks- en Western Electric-productie-entiteiten werden gecontracteerd voor ontwikkeling en installatie. De systemen maakten gebruik van het diepe geluidskanaal (SOFAR) en waren gebaseerd op een AT & T-geluidsspectrograaf, die geluid omzet in een visueel spectrogram dat een tijdfrequentieanalyse van geluid weergeeft dat is ontwikkeld voor spraakanalyse en aangepast om laagfrequente onderwatergeluiden te analyseren. Dat proces was Low Frequency Analysis and Recording en de apparatuur werd de Low Frequency Analyzer and Recorder genoemd, beide met de afkorting LOFAR. LOFAR-onderzoek werd genoemd Jezebel en leidde tot gebruik in lucht- en oppervlaktesystemen, met name sonobuys die het proces gebruikten en soms "Jezebel" in hun naam gebruikten. [43] [44] [45] Het voorgestelde systeem bood zo'n belofte van onderzeeërdetectie op lange afstand dat de marine onmiddellijke maatregelen voor implementatie beval. [44] [46]

Tussen de installatie van een testarray gevolgd door een prototype van een operationele array met veertig elementen op volledige schaal in 1951 en 1958 werden systemen geïnstalleerd in de Atlantische Oceaan en vervolgens in de Stille Oceaan onder de niet-geclassificeerde naam Project Caesar​De oorspronkelijke systemen werden beëindigd op geclassificeerde kuststations die werden aangeduid als Naval Facility (NAVFAC), waarvan werd verklaard dat ze betrokken waren bij "oceaanonderzoek" om hun geheime missie te dekken. Het systeem is meerdere keren geüpgraded met geavanceerdere kabels waardoor de arrays in oceaanbekkens kunnen worden geïnstalleerd en de verwerking kan worden opgewaardeerd. De walstations werden geëlimineerd in een proces van consolidatie en omleiding van de arrays naar centrale verwerkingscentra in de jaren negentig. In 1985, toen nieuwe mobiele arrays en andere systemen operationeel werden, werd de verzamelnaam van het systeem veranderd in Integrated Undersea Surveillance System (IUSS). In 1991 werd de missie van het systeem vrijgegeven. Het jaar ervoor waren IUSS-insignes toegestaan ​​voor slijtage. Er werd toegang verleend tot enkele systemen voor wetenschappelijk onderzoek. [43] [44]

Aangenomen wordt dat een soortgelijk systeem in gebruik is genomen door de Sovjet-Unie.

Onderwaterbeveiliging

Sonar kan worden gebruikt om kikvorsmannen en andere duikers te detecteren. Dit kan van toepassing zijn rond schepen of bij ingangen van havens. Actieve sonar kan ook worden gebruikt als afschrikmiddel en / of uitschakelingsmechanisme. Een van die apparaten is het Cerberus-systeem.

Hand-held sonar

Limpet mine imaging sonar (LIMIS) is een draagbare of ROV-gemonteerde imaging sonar die is ontworpen voor patrouilleduikers (gevechtsduikers of klaringsduikers) om te zoeken naar zeeslakmijnen in slecht zichtbaar water.

De LUIS is een andere beeldsonar voor gebruik door een duiker.

Geïntegreerd navigatie-sonarsysteem (INSS) is een kleine zaklampvormige draagbare sonar voor duikers die het bereik weergeeft. [47] [48]

Onderschep sonar

Dit is een sonar die is ontworpen om de uitzendingen van vijandige actieve sonars te detecteren en te lokaliseren. Een voorbeeld hiervan is het Type 2082 dat op de Britten is gemonteerd Voorhoede-klasse onderzeeërs.

Visserij

De visserij is een belangrijke bedrijfstak met een groeiende vraag, maar de tonnage van de wereldvangst daalt als gevolg van ernstige hulpbronnenproblemen. De industrie staat voor een toekomst van voortdurende wereldwijde consolidatie totdat een punt van duurzaamheid kan worden bereikt. De consolidatie van de vissersvloten leidt echter tot een toenemende vraag naar geavanceerde elektronica voor het vinden van vissen, zoals sensoren, signaalgevers en sonars. Historisch gezien hebben vissers veel verschillende technieken gebruikt om vis te vinden en te oogsten. Akoestische technologie is echter een van de belangrijkste drijvende krachten achter de ontwikkeling van de moderne commerciële visserij geweest.

Geluidsgolven verplaatsen zich anders door vissen dan door water, omdat de met lucht gevulde zwemblaas van een vis een andere dichtheid heeft dan zeewater. Dit dichtheidsverschil maakt het mogelijk scholen vissen te detecteren door gebruik te maken van gereflecteerd geluid. Akoestische technologie is vooral geschikt voor onderwatertoepassingen, aangezien geluid onder water verder en sneller reist dan in de lucht. Tegenwoordig vertrouwen commerciële vissersvaartuigen bijna volledig op akoestische sonar en peilers om vis te detecteren. Vissers gebruiken ook actieve sonar- en echoloodtechnologie om de waterdiepte, bodemcontour en bodemsamenstelling te bepalen.

Bedrijven zoals eSonar, Raymarine, Marport Canada, Wesmar, Furuno, Krupp en Simrad maken een verscheidenheid aan sonar- en akoestische instrumenten voor de commerciële diepzeevisserij. Netsensoren doen bijvoorbeeld verschillende onderwatermetingen en sturen de informatie terug naar een ontvanger aan boord van een schip. Elke sensor is uitgerust met een of meer akoestische transducers, afhankelijk van zijn specifieke functie. Gegevens worden door de sensoren verzonden met behulp van draadloze akoestische telemetrie en worden ontvangen door een op de romp gemonteerde hydrofoon. De analoge signalen worden gedecodeerd en omgezet door een digitale akoestische ontvanger in gegevens die worden verzonden naar een bridgecomputer voor grafische weergave op een monitor met hoge resolutie.

Echo klinkt

Echolood is een proces dat wordt gebruikt om de diepte van water onder schepen en boten te bepalen. Een soort actieve sonar, echoluiden is het zenden van een akoestische puls direct naar beneden naar de zeebodem, waarbij de tijd wordt gemeten tussen verzending en echo-terugkeer, nadat deze de bodem heeft geraakt en terugkaatst naar het schip van herkomst. De akoestische puls wordt uitgezonden door een transducer die ook de retourecho ontvangt. De dieptemeting wordt berekend door de geluidssnelheid in water (gemiddeld 1.500 meter per seconde) te vermenigvuldigen met de tijd tussen emissie en echo-terugkeer. [49] [50]

De waarde van onderwaterakoestiek voor de visserijsector heeft geleid tot de ontwikkeling van andere akoestische instrumenten die op dezelfde manier werken als echoloods maar, omdat hun functie enigszins verschilt van het oorspronkelijke model van de echolood, een andere hebben gekregen. termen.

Netto locatie

De netzoemer is een echolood met een transducer die op de kop van het net is gemonteerd in plaats van op de bodem van het vaartuig. Desalniettemin, om de afstand van de transducer tot de weergave-eenheid, die veel groter is dan bij een normale echolood, te accommoderen, moeten verschillende verfijningen worden aangebracht. Er zijn twee hoofdtypen beschikbaar. De eerste is het kabeltype waarin de signalen via een kabel worden verzonden. In dit geval moet er een kabeltrommel zijn waarop de kabel kan worden getrokken, afgeschoten en opgeborgen tijdens de verschillende fasen van de operatie. Het tweede type is de kabelloze net-sounder - zoals Marport's Trawl Explorer - waarbij de signalen akoestisch worden verzonden tussen het net en de op de romp gemonteerde ontvanger-hydrofoon op het schip. In dit geval is geen kabeltrommel nodig, maar is geavanceerde elektronica nodig bij de transducer en ontvanger.

Het display op een netzoemer toont de afstand van het net tot de bodem (of het oppervlak), in plaats van de waterdiepte zoals bij de op de romp gemonteerde transducer van de dieptemeter. Bevestigd aan de kop van het net, is meestal het koord te zien, wat een indicatie geeft van de netto prestatie. Elke vis die in het net passeert, kan ook worden gezien, waardoor fijne aanpassingen kunnen worden gemaakt om zo veel mogelijk vis te vangen. In andere visserijen, waar de hoeveelheid vis in het net belangrijk is, worden vangsensor-transducers op verschillende posities aan de kuil van het net gemonteerd. Terwijl de kuil vol raakt, worden deze transducers van de vangsensor één voor één geactiveerd en wordt deze informatie akoestisch verzonden naar monitoren op de brug van het vaartuig. De schipper kan dan beslissen wanneer hij het net wil slepen.

Moderne versies van de netzoemer, die gebruik maken van transducers met meerdere elementen, functioneren meer als een sonar dan als een echolood en tonen segmenten van het gebied voor het net en niet alleen de verticale weergave die de oorspronkelijke netzoemers gebruikten.

De sonar is een echolood met een richtingsvermogen dat vissen of andere objecten rond het vaartuig kan laten zien.

ROV en UUV

Kleine sonars zijn gemonteerd op op afstand bediende voertuigen (ROV's) en onbemande onderwatervoertuigen (UUV's) om ze in duistere omstandigheden te kunnen gebruiken. Deze sonars worden gebruikt om vooruit te kijken op de auto. Het Long-Term Mine Reconnaissance System is een UUV voor MCM-doeleinden.

Voertuig locatie

Sonars die als bakens fungeren, worden in vliegtuigen gemonteerd om hun locatie te bepalen in geval van een crash in zee. Sonars met een korte en lange basislijn kunnen worden gebruikt voor het verzorgen van de locatie, zoals LBL.

Prothese voor slechtzienden

In 2013 onthulde een uitvinder in de Verenigde Staten een 'spider-sense'-bodysuit, uitgerust met ultrasone sensoren en haptische feedbacksystemen, die de drager waarschuwt voor inkomende bedreigingen, zodat ze op aanvallers kunnen reageren, zelfs als ze geblinddoekt zijn. [51]

Biomassa-schatting

Detectie van vissen en ander zee- en waterleven, en het schatten van hun individuele grootte of totale biomassa met behulp van actieve sonartechnieken. Terwijl de geluidspuls door water gaat, komt het objecten tegen die een andere dichtheid of akoestische eigenschappen hebben dan het omringende medium, zoals vissen, die geluid weerkaatsen naar de geluidsbron. Deze echo's geven informatie over de grootte, locatie, hoeveelheid en gedrag van vissen. Gegevens worden meestal verwerkt en geanalyseerd met behulp van een verscheidenheid aan software, zoals Echoview.

Wave meting

Een naar boven kijkende echolood die op de bodem of op een platform is gemonteerd, kan worden gebruikt om de golfhoogte en -periode te meten. Hieruit kunnen statistieken van de oppervlaktecondities op een locatie worden afgeleid.

Meting van de watersnelheid

Er zijn speciale sonars voor korte afstand ontwikkeld om de watersnelheid te kunnen meten.

Bodemtypebeoordeling

Er zijn sonars ontwikkeld waarmee de zeebodem kan worden gekarakteriseerd in bijvoorbeeld modder, zand en grind. Relatief eenvoudige sonars zoals echoloden kunnen via add-on modules worden gepromoveerd tot classificatiesystemen op de zeebodem, waarbij echoparameters worden omgezet in sedimenttype. Er bestaan ​​verschillende algoritmen, maar ze zijn allemaal gebaseerd op veranderingen in de energie of vorm van de gereflecteerde sirenepings. Geavanceerde substraatclassificatie-analyse kan worden bereikt met behulp van gekalibreerde (wetenschappelijke) echosounders en parametrische of fuzzy-logic analyse van de akoestische gegevens.

Bathymetrische mapping

Side-scan sonars kunnen worden gebruikt om kaarten van de zeebodemtopografie (bathymetrie) af te leiden door de sonar er net boven de bodem overheen te bewegen. Laagfrequente sonars zoals GLORIA zijn gebruikt voor onderzoeken op het continentale plat, terwijl hoogfrequente sonars worden gebruikt voor meer gedetailleerde onderzoeken van kleinere gebieden.

Sub-bodem profilering

Krachtige laagfrequente echoloden zijn ontwikkeld om profielen van de bovenste lagen van de oceaanbodem te leveren.

Gaslekdetectie vanaf de zeebodem

Gasbellen kunnen uit de zeebodem, of er dichtbij, uit meerdere bronnen lekken. Deze kunnen worden gedetecteerd door zowel passieve [52] als actieve sonar [38] (weergegeven in schematische afbeelding [52] door respectievelijk gele en rode systemen).

Er treden natuurlijke sijpelingen van methaan en kooldioxide op. [38] Gaspijpleidingen kunnen lekken en het is belangrijk om te kunnen detecteren of er lekkage optreedt uit faciliteiten voor het afvangen en opslaan van koolstof (CCSF's, bijv. Uitgeputte oliebronnen waarin gewonnen atmosferische koolstof wordt opgeslagen). [53] [54] [55] [56] Kwantificering van de hoeveelheid gaslekkage is moeilijk, en hoewel schattingen kunnen worden gemaakt met actieve en passieve sonar, is het belangrijk om hun nauwkeurigheid in twijfel te trekken vanwege de aannames die inherent zijn aan het maken van dergelijke schattingen. van sonargegevens. [52] [57]

Synthetische sonaropeningen

In het laboratorium zijn verschillende synthetische diafragma-sonars gebouwd en sommige zijn in gebruik genomen in mijnenjacht- en zoeksystemen. Een uitleg van hun werking wordt gegeven in sonar met synthetische opening.

Parametrische sonar

Parametrische bronnen gebruiken de niet-lineariteit van water om de verschilfrequentie tussen twee hoge frequenties te genereren. Er wordt een virtuele end-fire-array gevormd. Zo'n projector heeft de voordelen van een brede bandbreedte, een smalle bundelbreedte, en als hij volledig ontwikkeld en zorgvuldig gemeten is, heeft hij geen duidelijke zijlobben: zie Parametrische array. Het grootste nadeel is een zeer laag rendement van slechts enkele procenten. [58] P.J. Westervelt vat de trends samen. [59]

Sonar in buitenaardse contexten

Het gebruik van zowel passieve als actieve sonar is voorgesteld voor verschillende buitenaardse toepassingen. [60] Een voorbeeld van het gebruik van actieve sonar is het bepalen van de diepte van koolwaterstofzeeën op Titan, [61] Een voorbeeld van het gebruik van passieve sonar is de detectie van methaanvallen op Titan, [62]

Er is opgemerkt dat die voorstellen die het gebruik van sonar suggereren zonder naar behoren rekening te houden met het verschil tussen de aardse (atmosfeer, oceaan, minerale) omgevingen en de buitenaardse omgevingen, kunnen leiden tot onjuiste waarden [63] [64] [65] ] [66] [67] [68]

Effect op zeezoogdieren

Onderzoek heeft aangetoond dat het gebruik van actieve sonar kan leiden tot massale strandingen van zeezoogdieren. [69] Spitssnuitdolfijnen, het meest voorkomende slachtoffer van de strandingen, bleken zeer gevoelig te zijn voor middenfrequente actieve sonar. [70] Andere zeezoogdieren zoals de blauwe vinvis vluchten ook weg van de bron van de sonar, [71] terwijl maritieme activiteit de meest waarschijnlijke oorzaak zou zijn van een massale stranding van dolfijnen. [72] De Amerikaanse marine, die een deel van de studies gedeeltelijk financierde, zei dat de bevindingen alleen gedragsreacties op sonar lieten zien, geen daadwerkelijke schade, maar ze 'zullen de effectiviteit van [hun] beschermende maatregelen voor zeezoogdieren evalueren in het licht van nieuwe onderzoeks resultaten ". [69] In een uitspraak van het Amerikaanse Hooggerechtshof uit 2008 over het gebruik van sonar door de Amerikaanse marine werd opgemerkt dat er geen gevallen waren waarin onomstotelijk was aangetoond dat sonar een zeezoogdier heeft geschaad of gedood. [73]

Sommige zeedieren, zoals walvissen en dolfijnen, gebruiken echolocatiesystemen, ook wel biosonar om roofdieren en prooien te lokaliseren. Onderzoek naar de effecten van sonar op blauwe vinvissen in de Zuid-Californische Bocht toont aan dat het gebruik van middenfrequente sonar het voedingsgedrag van de walvissen verstoort. Dit geeft aan dat door sonar veroorzaakte verstoring van de voeding en verplaatsing van hoogwaardige prooiplaatsen aanzienlijke en voorheen ongedocumenteerde gevolgen zou kunnen hebben voor de foeragerende ecologie van baleinwalvissen, de individuele fitheid en de gezondheid van de bevolking. [74]

Een overzicht van het bewijsmateriaal over de massale strandingen van spitssnuitdolfijn in verband met oefeningen op zee waarbij sonar werd gebruikt, werd gepubliceerd in 2019. Hieruit werd geconcludeerd dat de effecten van actieve middenfrequente sonar het sterkst zijn op de spitssnuitdolfijnen van Cuvier, maar verschillen van persoon tot persoon of populatie. De review suggereerde dat de responssterkte van individuele dieren kan afhangen van het feit of ze eerder aan sonar waren blootgesteld, en dat symptomen van decompressieziekte zijn gevonden bij gestrande walvissen die een gevolg kunnen zijn van een dergelijke respons op sonar.Het merkte op dat op de Canarische Eilanden, waar eerder meerdere strandingen waren gemeld, er geen massale strandingen meer hadden plaatsgevonden nadat de marine-oefeningen waarbij sonar werd gebruikt in het gebied waren verboden, en adviseerde het verbod uit te breiden tot andere gebieden waar massale strandingen nog steeds plaatsvinden. optreden. [75] [76]

Effect op vissen

Sonargeluiden met hoge intensiteit kunnen een kleine tijdelijke verschuiving in de gehoordrempel van sommige vissen veroorzaken. [77] [78] [a]

De frequenties van sonars variëren van infrasoon tot boven een megahertz. Over het algemeen hebben de lagere frequenties een groter bereik, terwijl de hogere frequenties een betere resolutie en kleinere afmetingen bieden voor een bepaalde directionaliteit.

Om een ​​redelijke directionaliteit te bereiken, vereisen frequenties onder 1 kHz over het algemeen een grote afmeting, meestal bereikt als gesleepte arrays. [79]

Laagfrequente sonars worden losjes gedefinieerd als 1–5 kHz, hoewel sommige marines 5–7 kHz ook als lage frequentie beschouwen. De middenfrequentie wordt gedefinieerd als 5–15 kHz. Een andere manier van verdelen beschouwt de lage frequentie als lager dan 1 kHz en de middenfrequentie tussen 1 en 10 kHz. [79]

Sonars uit het Amerikaanse tijdperk uit de Tweede Wereldoorlog werkten met een relatief hoge frequentie van 20–30 kHz om directionaliteit te bereiken met redelijk kleine transducers, met een typisch maximaal operationeel bereik van 2500 km. Naoorlogse sonars gebruikten lagere frequenties om een ​​groter bereik te bereiken, bijv. SQS-4 bediend op 10 kHz met een bereik tot 5000 km. SQS-26 en SQS-53 werkten op 3 kHz met een bereik tot 20.000 km. Hun koepels hadden een afmeting van ca. een 60-ft personeelsboot, een bovengrens voor afmetingen voor conventionele rompsonars. Het bereiken van grotere afmetingen door een conforme sonaropstelling verspreid over de romp is tot dusverre niet effectief geweest, voor lagere frequenties worden daarom lineaire of gesleepte reeksen gebruikt. [79]

Japanse WO2-sonars werkten op verschillende frequenties. De Type 91, met 30 inch kwartsprojector, werkte op 9 kHz. De Type 93, met kleinere kwartsprojectoren, werkte op 17,5 kHz (model 5 bij 16 of 19 kHz magnetostrictief) met vermogens tussen 1,7 en 2,5 kilowatt, met een bereik van maximaal 6 km. De latere Type 3, met magnetostrictieve transducers van Duits ontwerp, bedreven bij 13, 14,5, 16 of 20 kHz (per model), met behulp van dubbele transducers (behalve model 1, dat drie enkele transducers had), met 0,2 tot 2,5 kilowatt. Het eenvoudige type gebruikte 14,5 kHz magnetostrictieve transducers bij 0,25 kW, aangedreven door capacitieve ontlading in plaats van oscillatoren, met een bereik tot 2,5 km. [21]

De resolutie van de sonar is dat hoekobjecten die verder uit elkaar liggen, worden afgebeeld met lagere resoluties dan nabije.

Een andere bron geeft een overzicht van bereiken en resoluties versus frequenties voor sidescan-sonars. 30 kHz geeft een lage resolutie met een bereik van 1000–6000 m, 100 kHz geeft een gemiddelde resolutie op 500–1000 m, 300 kHz geeft een hoge resolutie op 150–500 m en 600 kHz geeft een hoge resolutie op 75–150 m. Sonars met een groter bereik worden nadeliger beïnvloed door niet-homogeniteit van water. Sommige omgevingen, typisch ondiepe wateren nabij de kusten, hebben een gecompliceerd terrein met veel kenmerken, hogere frequenties zijn daar nodig. [80]


Video: Handbooker Helper: Multiclassing