Ekolod - Sonar

Sonar ( så und na vigation och r anging ) är en teknik som användningar ljudutbredning (vanligtvis under vatten, såsom i ubåten navigering ) för att navigera , mäta avstånd ( varierande ), kommunicera med eller detektera objekt på eller under vattenytan, såsom som andra fartyg. Två typer av teknik delar namnet "sonar": passivt ekolod lyssnar i huvudsak efter ljud från kärl; aktivt ekolod avger pulser av ljud och lyssnar efter ekon. Ekolod kan användas som ett medel för akustisk plats och för mätning av ekokarakteristiken för "mål" i vattnet. Akustisk plats i luften användes före införandet av radar . Ekolod kan också användas för robotnavigering och SODAR (ett uppåtvänd ekolod ) används för atmosfäriska undersökningar. Termen ekolod används också för den utrustning som används för att generera och ta emot ljudet. De akustiska frekvenserna som används i ekolodssystem varierar från mycket låg ( infrasonisk ) till extremt hög ( ultraljud ). Studiet av undervattensljud är känt som undervattensakustik eller hydroakustik .

Den första registrerade användningen av tekniken var av Leonardo da Vinci 1490 som använde ett rör som sattes i vattnet för att upptäcka kärl i örat. Det utvecklades under första världskriget för att motverka det växande hotet med ubåtskrig , med ett operativt passivt ekolodssystem i bruk 1918. Moderna aktiva ekolodsystem använder en akustisk givare för att generera en ljudvåg som reflekteras från målobjekt.

Historia

Även om vissa djur ( delfiner , fladdermöss , några spetsar och andra) har använt ljud för kommunikation och objektdetektering i miljontals år, registrerades användningen av människor i vattnet initialt av Leonardo da Vinci 1490: ett rör som sattes i vattnet var sägs användas för att detektera kärl genom att placera ett öra i röret.

I slutet av 1800 -talet användes en undervattensklocka som ett tillägg till fyrar eller fyrskepp för att varna för faror.

Användningen av ljud för att ”ekolokalisera” undervattnet på samma sätt som fladdermöss använder ljud för flygnavigering verkar ha föranletts av Titanic- katastrofen 1912. Världens första patent på en undervattensekoapparat anslogs till britterna Patentbyrån av den engelska meteorologen Lewis Fry Richardson en månad efter att Titanic sjönk , och en tysk fysiker Alexander Behm fick patent på ett ekolod 1913.

Den kanadensiska ingenjören Reginald Fessenden , medan han arbetade för Submarine Signal Company i Boston , Massachusetts, byggde ett experimentsystem från 1912, ett system som senare testades i Boston Harbor och slutligen 1914 från US Revenue Cutter Miami på Grand Banks utanför Newfoundland . I det testet visade Fessenden djupljud, undervattenskommunikation ( Morse-kod ) och eko-intervall (detekterar ett isberg på en rad på 3,2 km). Den " Fessenden oscillator ", som drevs vid ca 500 Hz frekvens, inte kunde fastställa lagret av ett isberg på grund av den 3-meters våglängd och den lilla dimensionen av givarens utstrålande yta (mindre än ett / 3 våglängd i diameter). De tio Montreal -byggda brittiska ubåtarna i H -klass som lanserades 1915 var utrustade med Fessenden -oscillatorer.

Under första världskriget krävde behovet av att upptäcka ubåtar mer forskning om användningen av ljud. Britterna använde tidigt undervattenslyssningsapparater som kallas hydrofoner , medan den franska fysikern Paul Langevin , som arbetade med en rysk immigranteringenjör Constantin Chilowsky, arbetade med utvecklingen av aktiva ljudanordningar för att upptäcka ubåtar 1915. Även om piezoelektriska och magnetostriktiva givare senare ersatte de elektrostatiska givare de använde, påverkade detta arbete framtida konstruktioner. Lätt ljudkänslig plastfilm och fiberoptik har använts för hydrofoner, medan Terfenol-D och PMN (blymagnesiumniobat) har utvecklats för projektorer.

ASDIC

År 1916, under British Board of Invention and Research , tog den kanadensiska fysikern Robert William Boyle på sig det aktiva ljuddetekteringsprojektet med AB Wood och producerade en prototyp för testning i mitten av 1917. Detta arbete för anti-ubåtsdivisionen i den brittiska marinstaben utfördes i yttersta hemlighet och använde kvarts piezoelektriska kristaller för att producera världens första praktiska undervattensaktiv ljuddetekteringsapparat. För att upprätthålla sekretess nämndes inte ljudexperiment eller kvarts - ordet som användes för att beskriva det tidiga arbetet ("supersonics") ändrades till "ASD" ics och kvartsmaterialet till "ASD" ivite: "ASD" för " Anti-Submarine Division ", därav den brittiska akronymen ASDIC . År 1939, som svar på en fråga från Oxford English Dictionary , utgjorde amiralitetet historien om att det stod för "Allied Submarine Detection Investigation Committee", och detta är fortfarande allmänt trott, även om ingen kommitté med detta namn har hittats i Amiralitetsarkiv.

År 1918 hade Storbritannien och Frankrike byggt prototypaktiva system. Den brittiska testade deras EKOLOD på HMS  Antrim 1920 och startade produktionen 1922. Den 6: e Destroyer Flotilla hade EKOLOD-utrustade fartyg 1923. En anti-ubåt skolan HMS Osprey och en tränings flottilj av fyra fartyg fastställdes på Portland 1924.

Vid utbrottet av andra världskriget hade Royal Navy fem uppsättningar för olika ytfartygsklasser, och andra för ubåtar, integrerade i ett komplett anti-ubåtssystem. Effektiviteten av tidig ASDIC försvårades av att djupladdningen användes som ett ubåt mot ubåt. Detta krävde att ett angripande fartyg passerade en nedsänkt kontakt innan den släppte laddningar över aktern, vilket resulterade i en förlust av ASDIC -kontakt i de ögonblick som ledde till attack. Jägaren sköt effektivt blind, under vilken tid en ubåtskommandant kunde vidta undvikande åtgärder. Denna situation åtgärdades med ny taktik och nya vapen.

De taktiska förbättringar som utvecklats av Frederic John Walker inkluderade den krypande attacken. Två anti-ubåtskepp behövdes för detta (vanligtvis sloppar eller korvetter). "Direktfartyget" spårade målbåten på ASDIC från en position cirka 1500 till 2000 meter bakom ubåten. Det andra fartyget, med sin ASDIC avstängd och igång i 5 knop, startade en attack från en position mellan styrfartyget och målet. Denna attack styrdes av radiotelefon från det styrande fartyget, baserat på deras ASDIC och räckvidden (med avståndsmätare) och det angripande fartygets bäring. Så snart djupladdningarna hade släppts lämnade det attackerande fartyget närområdet i full fart. Direktfartyget gick sedan in i målområdet och släppte också ett mönster av djupladdningar. Den låga hastigheten på inflygningen innebar att ubåten inte kunde förutsäga när djupladdningar skulle släppas. Varje undvikande åtgärd upptäcktes av det styrande skeppet och styrningsorder till det angripande skeppet som gavs i enlighet därmed. Attackens låga hastighet hade fördelen att den tyska akustiska torpeden inte var effektiv mot att ett krigsfartyg färdades så långsamt. En variant av den krypande attacken var "gips" -attacken, där tre attackerande fartyg som arbetade i nära anslutning riktades över målet av det riktande fartyget.

De nya vapnen för att hantera ASDIC-blindpunkten var "framåtkastande vapen", som Hedgehogs och senare Squids , som projicerade stridsspetsar mot ett mål före angriparen och fortfarande i ASDIC-kontakt. Dessa tillät en enda eskort att göra bättre riktade attacker mot ubåtar. Utvecklingen under kriget resulterade i brittiska ASDIC -uppsättningar som använde flera olika former av strålar och kontinuerligt täckte blinda fläckar. Senare användes akustiska torpeder .

Tidigt under andra världskriget (september 1940) överfördes brittisk ASDIC -teknik gratis till USA. Forskning om ASDIC och undervattensljud utökades i Storbritannien och i USA. Många nya typer av militär ljuddetektering utvecklades. Dessa inkluderade ljudbojar , utvecklades först av britterna 1944 under kodnamnet hög te , doppning / dunking sonar och gruv -detection sonar. Detta arbete utgjorde grunden för efterkrigstidens utveckling i samband med att motverka atomubåten .

EKOLOD

Under 1930-talet utvecklade amerikanska ingenjörer sin egen undervattensljuddetekteringsteknik, och viktiga upptäckter gjordes, såsom förekomsten av termokliner och deras effekter på ljudvågor. Amerikaner började använda termen SONAR för sina system, myntade av Frederick Hunt för att motsvara RADAR .

US Navy Underwater Sound Laboratory

År 1917 förvärvade den amerikanska flottan J. Warren Hortons tjänster för första gången. På ledighet från Bell Labs tjänstgjorde han regeringen som teknisk expert, först vid experimentstationen i Nahant, Massachusetts , och senare vid US Naval Headquarters, i London , England. På Nahant applicerade han det nyutvecklade vakuumröret , sedan förknippat med de formativa stadierna inom tillämpad vetenskap som nu kallas elektronik, för detektering av undervattenssignaler. Som ett resultat ersattes kolknappsmikrofonen, som hade använts i tidigare detekteringsutrustning, med föregångaren till den moderna hydrofonen . Även under denna period experimenterade han med metoder för bogsering. Detta berodde på den ökade känsligheten hos hans enhet. Principerna används fortfarande i moderna bogserade ekolodssystem.

För att möta Storbritanniens försvarsbehov skickades han till England för att installera bottenmonterade hydrofoner i Irländska havet som är anslutna till en strandlyssning med sjökabel. Medan denna utrustning lastades på kabelläggningsfartyget tog första världskriget slut och Horton återvände hem.

Under andra världskriget fortsatte han att utveckla ekolodssystem som kunde upptäcka ubåtar, gruvor och torpeder. Han publicerade Fundamentals of Sonar 1957 som forskningskonsult vid US Navy Underwater Sound Laboratory. Han innehade denna tjänst till 1959 då han blev teknisk chef, en tjänst som han innehade fram till obligatorisk pension 1963.

Material och mönster i USA och Japan

Det gjordes små framsteg i amerikanska ekolod från 1915 till 1940. År 1940 bestod amerikanska ekolod vanligtvis av en magnetostriktiv givare och en uppsättning nickelrör anslutna till en stålplatta med en fotdiameter fäst rygg mot rygg på en Rochelle- saltkristall i ett sfäriskt hus. Denna enhet trängde in i fartygsskrovet och roterades manuellt till önskad vinkel. Den piezoelektriska Rochelle -saltkristallen hade bättre parametrar, men den magnetostriktiva enheten var mycket mer tillförlitlig. Höga förluster för amerikansk handelsförsörjning för sjöfart tidigt under andra världskriget ledde till storskalig högprioriterad amerikansk forskning inom området, som strävar efter både förbättringar av magnetostriktiva givarparametrar och Rochelles salttillförlitlighet. Ammoniumdivätefosfat (ADP), ett överlägset alternativ, hittades som ersättning för Rochellesalt; den första applikationen var en ersättning av 24 kHz Rochelle-saltomvandlare. Inom nio månader var Rochellesaltet föråldrat. ADP -tillverkningsanläggningen växte från några dussin personal i början av 1940 till flera tusen 1942.

En av de tidigaste tillämpningarna av ADP -kristaller var hydrofoner för akustiska gruvor ; kristallerna specificerades för lågfrekvent avstängning vid 5 Hz, motstår mekanisk chock för utplacering från flygplan från 3 000 m (10 000 fot), och förmåga att överleva grannexplosioner. En av nyckelfunktionerna i ADP -tillförlitligheten är dess nollagringsegenskaper; kristallen håller sina parametrar även vid långvarig lagring.

En annan applikation var för akustiska hemtorpeder. Två par riktade hydrofoner monterades på torpedosan, i det horisontella och vertikala planet; skillnadssignalerna från paren användes för att styra torpeden till vänster-höger och uppåt. En motåtgärd utvecklades: den riktade ubåten släppte ut en brusande kemikalie, och torpeden gick efter det bullrigare kolsyra. Motmåttet var en torpedo med aktivt ekolod-en givare lades till torpednosen och mikrofonerna lyssnade efter sina reflekterade periodiska tonsprängningar. Givarna omfattade identiska rektangulära kristallplattor anordnade till diamantformade områden i förskjutna rader.

Passiva ekolodserier för ubåtar utvecklades från ADP -kristaller. Flera kristallaggregat arrangerades i ett stålrör, vakuumfyllda med ricinolja och förseglades. Rören monterades sedan i parallella uppsättningar.

Den vanliga US Navy -skanningsekaren vid slutet av andra världskriget fungerade vid 18 kHz, med hjälp av en rad ADP -kristaller. Önskat längre räckvidd krävde dock användning av lägre frekvenser. De nödvändiga dimensionerna var för stora för ADP -kristaller, så i början av 1950 -talet utvecklades magnetostriktiva och bariumtitanat piezoelektriska system, men dessa hade problem med att uppnå enhetliga impedansegenskaper och strålmönstret led. Bariumtitanat ersattes sedan med mer stabilt blyzirkonattitanat (PZT) och frekvensen sänktes till 5 kHz. Den amerikanska flottan använde detta material i sonaren AN/SQS-23 i flera decennier. Ekolodet SQS-23 använde först magnetostriktiva nickelgivare, men dessa vägde flera ton och nickel var dyrt och betraktades som ett kritiskt material; piezoelektriska givare ersattes därför. Ekolodet var ett stort utbud av 432 individuella givare. Till en början var givarna opålitliga, visade mekaniska och elektriska fel och försämrades strax efter installationen; de producerades också av flera leverantörer, hade olika design och deras egenskaper var tillräckligt olika för att försämra gruppens prestanda. Policyn för att möjliggöra reparation av enskilda givare offrades sedan, och i stället valdes "expanderbar modulkonstruktion", förseglade icke-reparerbara moduler, vilket eliminerade problemet med tätningar och andra främmande mekaniska delar.

Den kejserliga japanska flottan i början av andra världskriget använde projektorer baserade på kvarts . Dessa var stora och tunga, särskilt om de var avsedda för lägre frekvenser; den för typ 91 -set, som arbetade vid 9 kHz, hade en diameter på 30 tum (760 mm) och drivs av en oscillator med 5 kW effekt och 7 kV utmatningsamplitud. Typ 93 -projektorerna bestod av massiva smörgåsar av kvarts, monterade i sfäriska gjutjärnskroppar . Sonar av typ 93 ersattes senare med typ 3, som följde tysk design och använde magnetostriktiva projektorer; projektorerna bestod av två rektangulära identiska oberoende enheter i en rektangulär kropp av gjutjärn cirka 410 mm × 230 mm. Det exponerade området var hälften av våglängden brett och tre våglängder höga. De magnetostriktiva kärnorna gjordes av 4 mm stansningar av nickel, och senare av en järn-aluminiumlegering med aluminiumhalt mellan 12,7% och 12,9%. Strömmen levererades från en 2 kW vid 3,8 kV, med polarisering från en 20 V, 8 A DC -källa.

De passiva hydrofonerna i den kejserliga japanska marinen var baserade på rörlig spole-design, Rochelle-saltpiezo-omvandlare och kolfikrofoner .

Senare utveckling inom givare

Magnetostriktiva givare förföljdes efter andra världskriget som ett alternativ till piezoelektriska. Ringsgivare med nickelrullning användes för högeffekts lågfrekventa operationer, med en storlek upp till 4,0 m i diameter, förmodligen de största enskilda ekolodgivarna någonsin. Fördelen med metaller är deras höga draghållfasthet och låga elektriska impedans, men de har elektriska förluster och lägre kopplingskoefficient än PZT, vars draghållfasthet kan ökas genom förspänning . Andra material prövades också; icke -metalliska ferrit lovade för sin låga elektriska konduktivitet vilket resulterade i låga virvelströmförluster , Metglas erbjöd hög kopplingskoefficient, men de var sämre än PZT totalt sett. På 1970- talet upptäcktes föreningar av sällsynta jordartsmetaller och järn med överlägsna magnetomekaniska egenskaper, nämligen Terfenol-D- legeringen. Detta möjliggjorde nya konstruktioner, t.ex. en hybridmagnetostriktiv-piezoelektrisk givare. Det senaste av dessa förbättrade magnetostriktiva material är Galfenol .

Andra typer av givare inkluderar givare med variabel reluktans (eller rörlig armatur eller elektromagnetisk), där magnetisk kraft verkar på luckornas ytor, och rörliga spole- (eller elektrodynamiska) givare, liknande konventionella högtalare; de senare används i undervattensljudkalibrering på grund av deras mycket låga resonansfrekvenser och platta bredbandskarakteristika ovanför dem.

Aktivt ekolod

Aktivt ekolod använder en ljudsändare (eller projektor) och en mottagare. När de två är på samma plats är det monostatisk drift . När sändaren och mottagaren är åtskilda är det bistatisk drift . När fler sändare (eller fler mottagare) används, igen rumsligt åtskilda, är det multistatisk drift . De flesta ekolod används monostatiskt med samma array som ofta används för överföring och mottagning. Aktiva sonobuoyfält kan drivas multistatiskt.

Aktivt ekolod skapar en ljudpuls , ofta kallad "ping", och lyssnar sedan efter reflektioner ( eko ) av pulsen. Denna ljudpuls skapas i allmänhet elektroniskt med hjälp av en ekolodsprojektor bestående av en signalgenerator, effektförstärkare och elektroakustisk givare/matris. En givare är en enhet som kan överföra och ta emot akustiska signaler ("ping"). En stråleformare används vanligtvis för att koncentrera den akustiska effekten till en stråle, som kan svepas för att täcka de önskade sökvinklarna. I allmänhet är de elektroakustiska givarna av typen Tonpilz och deras design kan optimeras för att uppnå maximal effektivitet över den bredaste bandbredden för att optimera prestandan för det övergripande systemet. Ibland kan den akustiska pulsen skapas på andra sätt, t.ex. kemiskt med hjälp av sprängämnen, luftpistoler eller plasmaljudkällor.

För att mäta avståndet till ett objekt mäts tiden från överföring av en puls till mottagning och omvandlas till ett område med hjälp av den kända ljudhastigheten. För att mäta lagret används flera hydrofoner , och uppsättningen mäter den relativa ankomsttiden till varje, eller med en uppsättning hydrofoner, genom att mäta den relativa amplituden i strålar som bildas genom en process som kallas strålformning . Användning av en array minskar det rumsliga svaret så att multibeam -system för breda täckningar används. Målsignalen (om sådan finns) tillsammans med brus passeras sedan genom olika former av signalbehandling , som för enkla ekolod bara kan vara energimätning. Den presenteras sedan för någon form av beslutsenhet som kallar utsignalen antingen den erforderliga signalen eller bruset. Denna beslutsanordning kan vara en operatör med hörlurar eller display, eller i mer sofistikerade ekolod kan denna funktion utföras av programvara. Ytterligare processer kan utföras för att klassificera målet och lokalisera det, samt mäta dess hastighet.

Pulsen kan ha konstant frekvens eller ett kvittrande växlande frekvens (för att möjliggöra pulskomprimering vid mottagning). Enkla ekolod använder vanligtvis det förstnämnda med ett filter som är tillräckligt brett för att täcka eventuella Doppler -förändringar på grund av målrörelse, medan mer komplexa i allmänhet inkluderar den senare tekniken. Sedan digital bearbetning blev tillgänglig har pulskomprimering vanligtvis implementerats med användning av digitala korrelationstekniker. Militära ekolod har ofta flera strålar för att ge ett heltäckande skydd medan de enkla bara täcker en smal båge, även om strålen kan roteras relativt långsamt genom mekanisk avsökning.

Särskilt när enkelfrekvensöverföringar används kan Doppler -effekten användas för att mäta radiets hastighet för ett mål. Skillnaden i frekvens mellan den sända och mottagna signalen mäts och omvandlas till en hastighet. Eftersom Doppler -skift kan införas av antingen mottagare eller målrörelse måste hänsyn tas till sökplattformens radiella hastighet.

Ett användbart litet ekolod liknar i utseende en vattentät ficklampa. Huvudet pekar in i vattnet, en knapp trycks ned och enheten visar avståndet till målet. En annan variant är en " fishfinder " som visar en liten display med stim av fisk. Vissa civila ekolod (som inte är utformade för smygande) närmar sig aktiva militära ekolod med förmåga, med tredimensionella visningar av området nära båten.

När aktivt ekolod används för att mäta avståndet från givaren till botten kallas det ekoljud . Liknande metoder kan användas för att se uppåt för vågmätning.

Aktivt ekolod används också för att mäta avstånd genom vatten mellan två ekolodsgivare eller en kombination av en hydrofon (akustisk undervattensmikrofon under vatten) och projektor (akustisk undervattenshögtalare). När en hydrofon/givare tar emot en specifik förhörssignal svarar den genom att sända en specifik svarsignal. För att mäta avstånd sänder en givare/projektor en förhörssignal och mäter tiden mellan denna sändning och mottagandet av den andra givaren/hydrofonsvaret. Tidsskillnaden, skalad av ljudets hastighet genom vatten och dividerad med två, är avståndet mellan de två plattformarna. Denna teknik, när den används med flera givare/hydrofoner/projektorer, kan beräkna de relativa positionerna för statiska och rörliga föremål i vatten.

I stridsituationer kan en aktiv puls detekteras av en fiende och kommer att avslöja en ubåts position vid dubbelt så högt avstånd som ubåten själv kan upptäcka en kontakt och ge ledtrådar om ubåtens identitet baserat på egenskaperna hos den utgående pingen. Av dessa skäl används inte aktiv sonar ofta av militära ubåtar.

En mycket riktad, men lågeffektiv, ekolod (som används av fiske, militär och för hamnsäkerhet) använder sig av en komplex olinjär egenskap hos vatten som kallas icke-linjärt ekolod, den virtuella givaren är känd som en parametrisk uppsättning .

	Ekolod pingar Inspelning av aktiva ekolod.
Problem med att spela den här filen? Se mediehjälp .

Projekt Artemis

Projekt Artemis var ett experimentellt forsknings- och utvecklingsprojekt i slutet av 1950-talet till mitten av 1960-talet för att undersöka akustisk utbredning och signalbehandling för ett lågfrekvent aktivt ekolodssystem som kan användas för havsövervakning. Ett sekundärt mål var undersökning av tekniska problem med fasta aktiva bottensystem. Den mottagande matrisen var belägen på sluttningen av Plantagnet Bank utanför Bermuda. Den aktiva källmatrisen distribuerades från det konverterade tankfartyget USNS  Mission Capistrano från andra världskriget . Element av Artemis användes experimentellt efter att huvudexperimentet avslutades.

Transponder

Detta är en aktiv ekolodsenhet som tar emot en specifik stimulans och omedelbart (eller med fördröjning) överför den mottagna signalen eller en förutbestämd signal. Transponder kan användas för att fjärraktivera eller återställa undervattensutrustning.

Prestanda förutsägelse

Ett ekolod är litet i förhållande till sfären , centrerad kring sändaren, på vilken den är belägen. Därför är effekten hos den reflekterade signalen mycket låg, flera storleksordningar mindre än den ursprungliga signalen. Även om den reflekterade signalen hade samma effekt, visar följande exempel (med hypotetiska värden) problemet: Antag att ett ekolodsystem kan avge en 10 000 W/m ² signal vid 1 m och detektera en 0,001 W/m ²  signal. Vid 100 m kommer signalen att vara 1 W/m ² (på grund av invers-square-lagen ). Om hela signalen reflekteras från ett 10 m ² mål, kommer den att vara 0,001 W/m ² när den når sändaren, dvs bara detekterbar. Emellertid kommer den ursprungliga signalen att förbli över 0,001 W/m ² till 3000 m. Varje 10 m ² mål mellan 100 och 3000 m som använder ett liknande eller bättre system skulle kunna detektera pulsen, men detekteras inte av sändaren. Detektorerna måste vara mycket känsliga för att fånga ekon. Eftersom den ursprungliga signalen är mycket kraftfullare kan den detekteras många gånger längre än dubbelt så mycket som ekolodet (som i exemplet).

Aktivt ekolod har två prestandabegränsningar: på grund av buller och efterklang. I allmänhet kommer en eller annan av dessa att dominera, så att de två effekterna initialt kan betraktas separat.

I bullerbegränsade förhållanden vid initial detektion:

SL - 2PL + TS - (NL - AG) = DT,

där SL är källnivån, PL är förökningsförlusten (ibland kallad överföringsförlust ), TS är målstyrkan , NL är brusnivån, AG är arrayförstärkningen för den mottagande arrayen (ibland approximerad av dess direktivitetsindex) och DT är detekteringströskeln .

I efterklang-begränsade förhållanden vid initial detektering (försummar matrisförstärkning):

SL - 2PL + TS = RL + DT,

där RL är efterklangsnivån, och de andra faktorerna är som tidigare.

Handhållet ekolod för användning av en dykare

• LIMIS (limpet mine imaging sonar) är ett handhållet eller ROV -monterat avbildningssonar för användning av en dykare. Dess namn beror på att det har utformats för patrull dykare (strids grodmän eller clearance dykare ) för att leta efter limpet gruvor i låg synlighet vatten.
• LUIS (lensing underwater imaging system) är ett annat avbildande ekolod för användning av en dykare.
• Det finns eller var ett litet ficklampformat handhållet ekolod för dykare, som bara visar räckvidd.
• För INSS (integrerat navigationsekolodsystem)

Uppåtgående ekolod

Ett uppåtgående ekolod (ULS) är en ekolod som pekar uppåt och ser mot havets yta. Den används för liknande ändamål som nedåtvänd ekolod, men har några unika tillämpningar som att mäta havsets tjocklek, grovhet och koncentration, eller mäta luftinträngning från bubblor under hårda hav. Ofta ligger den förtöjd på botten av havet eller flyter på en spänd förtöjning på ett konstant djup på kanske 100 m. De kan också användas av ubåtar , AUV: er och flottörer som Argo -flottören.

Passivt ekolod

Passivt ekoljud lyssnar utan att sända. Det används ofta i militära miljöer, även om det också används i vetenskapliga tillämpningar, t.ex. upptäcka fisk för närvaro/frånvarostudier i olika vattenmiljöer - se även passiv akustik och passiv radar . I den allra bredaste användningen kan denna term omfatta praktiskt taget vilken analytisk teknik som helst som involverar fjärrgenererat ljud, även om det vanligtvis är begränsat till tekniker som används i en vattenmiljö.

Identifiera ljudkällor

Passivt ekolod har en mängd olika tekniker för att identifiera källan till ett detekterat ljud. Till exempel använder amerikanska fartyg vanligtvis 60 Hz växelströmssystem . Om transformatorer eller generatorer monteras utan korrekt vibrationsisolering från skrovet eller blir översvämmade kan 60 Hz -ljudet från lindningarna avges från ubåten eller skeppet. Detta kan hjälpa till att identifiera dess nationalitet, eftersom alla europeiska ubåtar och nästan alla andra lands ubåtar har 50 Hz kraftsystem. Intermittenta ljudkällor (t.ex. att en skiftnyckel tappas), som kallas "transienter", kan också detekteras för passiva ekolod. Fram till ganska nyligen identifierade en erfaren, utbildad operatör signaler, men nu kan datorer göra detta.

Passiva ekolodssystem kan ha stora soniska databaser , men ekolodoperatören klassificerar vanligtvis äntligen signalerna manuellt. Ett datorsystem använder ofta dessa databaser för att identifiera fartygsklasser, handlingar (dvs. fartygets hastighet eller vilken typ av vapen som släpps) och till och med särskilda fartyg.

Bullerbegränsningar

Passivt ekolod på fordon är vanligtvis starkt begränsat på grund av buller från fordonet. Av denna anledning driver många ubåtar kärnreaktorer som kan kylas utan pumpar, med tyst konvektion , eller bränsleceller eller batterier , som också kan köras tyst. Fordons propellrar är också konstruerade och precisionsbearbetade för att avge minimalt buller. Höghastighetspropellrar skapar ofta små bubblor i vattnet, och denna kavitation har ett distinkt ljud.

Ekolods hydrofoner kan bogseras bakom fartyget eller ubåt för att minska effekten av buller som genereras av vattenskotern själv. Bogserade enheter bekämpar också termoklinen , eftersom enheten kan bogseras ovanför eller under termoklinen.

Visningen av de mest passiva ekoloderna var tidigare en tvådimensionell vattenfallsvisning . Displayens horisontella riktning bär. Vertikalen är frekvens, eller ibland tid. En annan visningsteknik är att färgkoda information om frekvens-tid för bäring. Nyare skärmar genereras av datorerna och efterliknar radar -typ planlägesindikatorer .

Prestanda förutsägelse

Till skillnad från aktivt ekolod är endast envägsförökning involverad. På grund av den olika signalbehandling som används kommer det minimala detekterbara signal-brus-förhållandet att vara annorlunda. Ekvationen för att bestämma prestanda för ett passivt ekolod är

SL - PL = NL - AG + DT,

där SL är källnivån, PL är förökningsförlusten, NL är brusnivån, AG är arrayförstärkningen och DT är detekteringströskeln. Den godhetstal av ett passivt sonar är

FOM = SL + AG - (NL + DT).

Prestandafaktorer

Ett ekolods detektering, klassificering och lokaliseringsprestanda beror på miljön och den mottagande utrustningen, liksom överföringsutrustningen i ett aktivt sonar eller det målstrålade bullret i ett passivt ekolod.

Ljudutbredning

Ekolodsdriften påverkas av variationer i ljudhastigheten , särskilt i det vertikala planet. Ljudet rör sig långsammare i sötvatten än i havsvatten , även om skillnaden är liten. Hastigheten bestäms av vattnets bulkmodulen och massdensitet . Bulkmodulen påverkas av temperatur, upplösta föroreningar (vanligtvis salthalt ) och tryck . Densitetseffekten är liten. Ljudets hastighet (i fot per sekund) är ungefär:

4388 + (11,25 × temperatur (i ° F)) + (0,0182 × djup (i fot)) + salthalt (i delar per tusen).

Denna empiriskt härledda approximationsekvation är någorlunda korrekt för normala temperaturer, koncentrationer av salthalt och intervallet för de flesta havsdjup. Havstemperaturen varierar med djupet, men mellan 30 och 100 meter sker ofta en markant förändring, kallad termoklinen , som delar det varmare ytvattnet från det kalla, stilla vattnet som utgör resten av havet. Detta kan frustrera ekolod, eftersom ett ljud som härstammar från ena sidan av termoklinen tenderar att böjas eller brytas genom termoklinen. Termoklinen kan finnas i grundare kustvatten. Vågverkan kommer emellertid ofta att blanda vattenkolonnen och eliminera termoklinen. Vatten trycket påverkar också ljudutbredningen: högre tryck ökar ljudhastigheten, vilket får de ljudvågor för att bryta bort från området med högre ljudhastighet. Den matematiska modellen för brytning kallas Snells lag .

Om ljudkällan är djup och förhållandena är rätta kan spridning inträffa i den " djupa ljudkanalen ". Detta ger extremt låg utbredningsförlust till en mottagare i kanalen. Detta beror på ljudfångning i kanalen utan förluster vid gränserna. Liknande spridning kan ske i 'ytkanalen' under lämpliga förhållanden. I detta fall finns det dock reflektionsförluster vid ytan.

I grunt vatten sker spridning i allmänhet genom upprepad reflektion på ytan och botten, där avsevärda förluster kan uppstå.

Ljudutbredning påverkas av absorption i själva vattnet såväl som vid ytan och botten. Denna absorption beror på frekvens, med flera olika mekanismer i havsvatten. Långdistansekolon använder låga frekvenser för att minimera absorptionseffekter.

Havet innehåller många bullerkällor som stör önskat måleko eller signatur. De viktigaste bullerkällorna är vågor och sjöfart . Mottagarens rörelse genom vattnet kan också orsaka hastighetsberoende lågfrekvent brus.

Spridande

När aktivt ekolod används sker spridning från små föremål i havet såväl som från botten och ytan. Detta kan vara en stor källa till störningar. Denna akustiska spridning är analog med spridningen av ljuset från en bils strålkastare i dimma: en högintensiv penna strålar kommer att tränga in i dimman till viss del, men bredare strålkastare avger mycket ljus i oönskade riktningar, varav mycket sprids bakåt för observatören, överväldigande som reflekteras från målet ("white-out"). Av analoga skäl måste aktivt ekolod sända i en smal stråle för att minimera spridning.

Spridningen av ekolod från föremål (gruvor, rörledningar, zooplankton, geologiska särdrag, fisk etc.) är hur aktivt ekolod detekterar dem, men denna förmåga kan maskeras genom stark spridning från falska mål eller "röran". Där de inträffar (under brytande vågor; vid fartygets väckningar; i gas som släpps ut från havsbotten sipprar och läcker etc.) är gasbubblor kraftfulla källor till röror och kan lätt dölja mål. TWIPS (Twin Inverted Pulse Sonar) är för närvarande det enda ekolodet som kan övervinna detta problem.

Detta är viktigt eftersom många konflikter nyligen har inträffat i kustvatten, och oförmågan att upptäcka om gruvor är närvarande eller inte utgör faror och förseningar för militära fartyg, och även för att hjälpa konvojer och handelsfartyg som försöker stödja regionen långt efter att konflikten har upphörde.

Målegenskaper

De ljudreflektionsegenskaperna hos målet på en aktiv sonar, såsom en ubåt, är kända som dess mål styrka . En komplikation är att ekon också erhålls från andra föremål i havet som valar, vågor, fiskskolor och stenar.

Passivt ekolod detekterar målets utstrålade brusegenskaper. Det utstrålade spektrumet innefattar ett kontinuerligt brusspektrum med toppar vid vissa frekvenser som kan användas för klassificering.

Motåtgärder

Aktiva (drivna) motåtgärder kan startas av en ubåt under attack för att höja ljudnivån, ge ett stort falskt mål och dölja själva ubåten.

Passiva (dvs. icke-drivna) motåtgärder inkluderar:

• Montering av ljudgenererande enheter på isolerande enheter.
• Ljudabsorberande beläggningar på ubåtarnas skrov, till exempel anekoiska plattor .

Militära tillämpningar

Modern marin krigföring använder omfattande både passiva och aktiva ekolod från vattenburna fartyg, flygplan och fasta installationer. Även om aktiv ekolod användes av ytbåtar under andra världskriget , undvek ubåtar användningen av aktiva ekolod på grund av möjligheten att avslöja deras närvaro och position för fiendens styrkor. Tillkomsten av modern signalbehandling möjliggjorde emellertid användningen av passivt ekolod som ett primärt medel för sök- och detekteringsoperationer. År 1987 såldes enligt uppgift en del av det japanska företaget Toshiba maskiner till Sovjetunionen som gjorde att deras ubåtspropellerblad kunde fräsas så att de blev radikalt tystare, vilket gjorde den nya generationen ubåtar svårare att upptäcka.

Användningen av aktivt ekolod av en ubåt för att bestämma bäring är extremt sällsynt och ger inte nödvändigtvis högkvalitativ lager- eller räckviddsinformation till ubåtarnas brandkontrollteam. Användning av aktivt ekolod på ytfartyg är dock mycket vanligt och används av ubåtar när den taktiska situationen föreskriver att det är viktigare att bestämma positionen för en fientlig ubåt än att dölja sin egen position. Med ytfartyg kan man anta att hotet redan spårar fartyget med satellitdata eftersom alla fartyg runt det utsändande ekolodet kommer att upptäcka utsläppet. Efter att ha hört signalen är det lätt att identifiera den ekolod som används (vanligtvis med dess frekvens) och dess position (med ljudvågens energi). Aktivt ekolod liknar radar i det att även om det tillåter detektering av mål vid ett visst avstånd, kan det också sändas att detekteras vid ett mycket större avstånd, vilket är oönskat.

Eftersom aktivt ekolod avslöjar operatörens närvaro och position och inte tillåter exakt klassificering av mål, används det av snabba (flygplan, helikoptrar) och av bullriga plattformar (de flesta ytfartyg) men sällan av ubåtar. När aktivt ekolod används av ytfartyg eller ubåtar aktiveras det vanligtvis mycket kort vid intermittenta perioder för att minimera risken för upptäckt. Följaktligen betraktas aktivt ekolod normalt som en backup till passivt ekolod. I flygplan används aktivt ekolod i form av engångs Sonobuoys som tappas i flygplanets patrullområde eller i närheten av eventuella fiendens sonarkontakter.

Passivt ekolod har flera fördelar, viktigast av allt är att det är tyst. Om den målstrålade ljudnivån är tillräckligt hög kan den ha ett större avstånd än ett aktivt ekolod och gör att målet kan identifieras. Eftersom alla motoriserade föremål gör lite ljud kan det i princip detekteras, beroende på ljudnivån och den omgivande bullernivån i området, samt den teknik som används. För att förenkla "passerar" passivt ekolod runt skeppet som använder det. På en ubåt detekterar näsmonterat passivt ekolod i riktningar på cirka 270 °, centrerat på fartygets inriktning, skrovmonterad uppsättning på cirka 160 ° på varje sida och den bogserade uppsättningen med hela 360 °. De osynliga områdena beror på fartygets egen störning. När en signal detekterats i en viss riktning (vilket innebär att något låter i den riktningen, kallas detta bredbandsdetektering) är det möjligt att zooma in och analysera den mottagna signalen (smalbandsanalys). Detta görs i allmänhet med hjälp av en Fourier -transform för att visa de olika frekvenser som utgör ljudet. Eftersom varje motor ger ett specifikt ljud är det enkelt att identifiera objektet. Databaser med unika motorljud är en del av det som kallas akustisk intelligens eller ACINT.

En annan användning av passivt ekolod är att bestämma målets bana . Denna process kallas target motion analysis (TMA), och den resulterande "lösningen" är målets räckvidd, kurs och hastighet. TMA görs genom att markera från vilken riktning ljudet kommer vid olika tidpunkter och jämföra rörelsen med operatörens eget fartyg. Förändringar i relativ rörelse analyseras med hjälp av geometriska standardtekniker tillsammans med några antaganden om begränsande fall.

Passivt ekolod är smygande och mycket användbart. Det kräver dock högteknologiska elektroniska komponenter och är dyrt. Det används vanligtvis på dyra fartyg i form av arrays för att förbättra upptäckten. Ytfartyg använder den med god effekt; den används ännu bättre av ubåtar , och den används också av flygplan och helikoptrar, mestadels till en "överraskningseffekt", eftersom ubåtar kan gömma sig under termiska lager. Om en ubåts befälhavare tror att han är ensam, kan han föra sin båt närmare ytan och bli lättare att upptäcka, eller gå djupare och snabbare och därmed göra mer ljud.

Exempel på ekolodstillämpningar för militär användning ges nedan. Många av de civila användningsområden som ges i följande avsnitt kan också vara tillämpliga på marin användning.

Krig mot ubåt

Fram till nyligen var fartygssonarer vanligtvis med skrovmonterade matriser, antingen i midskepp eller vid fören. Det upptäcktes snart efter deras första användning att ett medel för att minska flödesbuller krävdes. De första var gjorda av duk på en ram, sedan användes stål. Nu är kupoler vanligtvis gjorda av förstärkt plast eller trycksatt gummi. Sådana ekolod är i första hand aktiva. Ett exempel på ett konventionellt skrovmonterat ekolod är SQS-56.

På grund av problemen med fartygsbuller används också bogserade ekolod. Dessa har fördelen att de kan placeras djupare i vattnet, men har begränsningar för deras användning på grunt vatten. Dessa kallas bogserade matriser (linjära) eller ekolod med variabelt djup (VDS) med 2/3D -matriser. Ett problem är att vinschar som krävs för att distribuera/återställa dem är stora och dyra. VDS -uppsättningar är i första hand aktiva medan bogserade matriser är passiva.

Ett exempel på ett modernt aktivt-passivt skeppsdraget ekolod är Sonar 2087 från Thales Underwater Systems .

Torpedon

Moderna torpeder är vanligtvis utrustade med ett aktivt/passivt ekolod. Detta kan användas för att hemma direkt på målet, men väckande torpeder används också. Ett tidigt exempel på en akustisk homer var Mark 37 -torpeden .

Torpedo motåtgärder kan bogseras eller gratis. Ett tidigt exempel var den tyska Sieglinde -enheten medan den djärva var en kemisk enhet. En mycket använd amerikansk enhet var den bogserade AN/SLQ-25 Nixie medan den mobila ubåtssimulatorn (MOSS) var en gratis enhet. Ett modernt alternativ till Nixiesystemet är brittiska Royal Navy S2170 Surface Ship Torpedo Defense -systemet.

Gruvor

Gruvor kan vara utrustade med ett ekolod för att upptäcka, lokalisera och känna igen det önskade målet. Ett exempel är CAPTOR -gruvan .

Mina motåtgärder

Mine motåtgärder (MCM) ekolod, ibland kallat "gruv- och hinderundvikande ekolod (MOAS)", är en specialiserad typ av ekolod som används för att upptäcka små föremål. De flesta MCM -ekolod är skrovmonterade men några typer är VDS -konstruerade. Ett exempel på ett skrovmonterat MCM-ekolod är typ 2193 medan SQQ-32 gruvjakt-ekolod och typ 2093-system är VDS-konstruktioner.

Ubåt navigering

Ubåtar förlitar sig på ekolod i större utsträckning än ytfartyg eftersom de inte kan använda radar på djupet. Ekolodserierna kan vara skrovmonterade eller bogserade. Information monteras på typiska passar ges i Oyashio -klass ubåten och Swiftsure -klass ubåten .

Flygplan

Helikoptrar kan användas för antisubmarisk krigföring genom att distribuera fält med aktiv-passiva sonobuoys eller kan använda doppningsekolod, till exempel AQS-13 . Fastvingade flygplan kan också distribuera sonobuoys och ha större uthållighet och kapacitet att distribuera dem. Bearbetning från sonobuoys eller doppande ekolod kan vara på flygplanet eller ombord på fartyget. Doppning av ekolod har fördelen att det kan distribueras till djup som är anpassade till dagliga förhållanden. Helikoptrar har också använts för gruvmottagningsuppdrag med hjälp av bogserade ekolod såsom AQS-20A .

Undervattenskommunikation

Dedikerade ekolod kan monteras på fartyg och ubåtar för kommunikation under vattnet.

Havsövervakning

USA inledde ett system med passiva, fasta havsövervakningssystem 1950 med det klassificerade namnet Sound Surveillance System (SOSUS) med American Telephone and Telegraph Company (AT&T), med dess Bell Laboratories forskning och Western Electric tillverkningsenheter kontrakterade för utveckling och installation. Systemen utnyttjade den djupa ljudkanalen (SOFAR) och baserades på en AT&T ljudspektrograf, som omvandlade ljud till ett visuellt spektrogram som representerar en tidsfrekvensanalys av ljud som utvecklats för talanalys och modifierades för att analysera lågfrekventa undervattensljud. Den processen var lågfrekvensanalys och inspelning och utrustningen kallades lågfrekvensanalysator och inspelare, båda med förkortningen LOFAR. LOFAR -forskning kallades Jezebel och ledde till användning i luft- och ytsystem, särskilt sonobuoys som använde processen och ibland använde "Jezebel" i sitt namn. Det föreslagna systemet erbjöd ett sådant löfte om upptäckt av långdistansubåtar att marinen beordrade omedelbara drag för implementering.

Mellan installationen av en testmatris följt av en fullskalig, fyrtio element, prototyp operationell matris 1951 och 1958 installerades system i Atlanten och sedan Stilla havet under det oklassificerade namnet Project Caesar . De ursprungliga systemen avslutades vid klassificerade strandstationer som betecknades Naval Facility (NAVFAC) förklarade att de deltog i "havsforskning" för att täcka deras klassificerade uppdrag. Systemet uppgraderades flera gånger med mer avancerad kabel så att matriserna kan installeras i havsbassänger och uppgraderad bearbetning. Strandstationerna eliminerades i en konsolideringsprocess och omdirigering av matriserna till centrala behandlingscentra in på 1990 -talet. 1985, med nya mobila matriser och andra system i drift, ändrades det kollektiva systemnamnet till Integrated Undersea Surveillance System (IUSS). 1991 avklassificerades systemets uppdrag. Året innan IUSS -insignier godkändes för slitage. Tillgång beviljades vissa system för vetenskaplig forskning.

Ett liknande system antas ha drivits av Sovjetunionen.

Undervattenssäkerhet

Ekolod kan användas för att upptäcka grodmän och andra dykare . Detta kan gälla runt fartyg eller vid ingångar till hamnar. Aktivt ekolod kan också användas som en avskräckande och/eller inaktiverande mekanism. En sådan enhet är Cerberus -systemet.

Handhållet ekolod

Limpet gruvan avbildnings sonar (LIMIS) är en handhållen eller ROV -monterad avbildning sonar konstruerad för patrull dykare (strids frogmen eller clearance dykare ) för att leta efter limpet gruvor i låg synlighet vatten.

LUIS är ett annat avbildande ekolod för användning av en dykare.

Integrerat navigationssonarsystem (INSS) är ett litet ficklampformat handhållet ekolod för dykare som visar räckvidd.

Avlyssna ekolod

Detta är ett ekolod som är utformat för att upptäcka och lokalisera överföringar från fientliga aktiva ekolod. Ett exempel på detta är typ 2082 monterad på de brittiska ubåtarna i klass Vanguard .

Civila ansökningar

Fiske

Fiske är en viktig industri som ser en växande efterfrågan, men världsmängden fångst minskar till följd av allvarliga resursproblem. Branschen står inför en framtid med fortsatt global konsolidering tills en hållbarhetspunkt kan nås. Konsolideringen av fiskeflottorna driver dock ökade krav på sofistikerad fiskelektronik som sensorer, ljudgivare och ekolod. Historiskt sett har fiskare använt många olika tekniker för att hitta och skörda fisk. Akustisk teknik har dock varit en av de viktigaste drivkrafterna bakom utvecklingen av det moderna kommersiella fisket.

Ljudvågor rör sig annorlunda genom fisk än genom vatten eftersom en fisks luftfyllda simblåsa har en annan densitet än havsvatten. Denna densitetsskillnad gör det möjligt att upptäcka fiskskolor genom att använda reflekterat ljud. Akustisk teknik är särskilt väl lämpad för undervattensapplikationer eftersom ljudet rör sig längre och snabbare under vattnet än i luften. Idag förlitar sig kommersiella fiskefartyg nästan helt på akustiska ekolod och ekolod för att upptäcka fisk. Fiskare använder också aktiv ekolod och ekolodsteknik för att bestämma vattendjup, bottenkontur och bottenkomposition.

Företag som eSonar, Raymarine , Marport Canada, Wesmar, Furuno, Krupp och Simrad tillverkar en mängd olika ekolod och akustiska instrument för djuphavs kommersiellt fiskeindustri. Exempelvis gör nätsensorer olika undervattensmätningar och överför informationen tillbaka till en mottagare ombord på ett fartyg. Varje sensor är utrustad med en eller flera akustiska givare beroende på dess specifika funktion. Data överförs från sensorerna med hjälp av trådlös akustisk telemetri och tas emot av en skrovmonterad hydrofon. De analoga signalerna avkodas och konverteras av en digital akustisk mottagare till data som överförs till en bryggdator för grafisk visning på en högupplöst bildskärm.

Ekoljud

Ekoljud är en process som används för att bestämma djupet av vattnet under fartyg och båtar. En typ av aktivt ekolod, ekoljud är överföringen av en akustisk puls direkt nedåt till havsbotten, som mäter tiden mellan överföring och ekoturgång, efter att ha träffat botten och studsat tillbaka till sitt ursprungsskepp. Den akustiska pulsen avges av en givare som också tar emot ekot. Djupmätningen beräknas genom att multiplicera ljudets hastighet i vatten (i genomsnitt 1500 meter per sekund) med tiden mellan emission och ekoåtergång.

Vattnet av undervattensakustik för fiskeindustrin har lett till utvecklingen av andra akustiska instrument som fungerar på liknande sätt som ekoljud, men eftersom deras funktion skiljer sig något från ekolodarens ursprungliga modell har de fått olika villkor.

Nettoposition

Nätgivaren är ett ekolod med en givare monterad på nätets rubrik snarare än på botten av fartyget. För att rymma avståndet från givaren till bildskärmen, som är mycket större än i ett normalt ekolod, måste dock flera förbättringar göras. Två huvudtyper är tillgängliga. Den första är den kabeltyp där signalerna skickas längs en kabel. I detta fall måste det finnas en kabeltrumma för att dra, skjuta och stuva kabeln under de olika faserna av operationen. Den andra typen är det kabellösa nätlarmet-som Marport's Trawl Explorer-där signalerna skickas akustiskt mellan nätet och skrovmonterad mottagarhydrofon på fartyget. I detta fall krävs ingen kabeltrumma men sofistikerad elektronik behövs vid givaren och mottagaren.

Displayen på ett ekolod visar nätets avstånd från botten (eller ytan), snarare än vattendjupet som med ekolodets skrovmonterade givare . Fäst på nätets rubrik kan fotstången vanligtvis ses vilket ger en indikation på nettoprestanda. Alla fiskar som passerar in i nätet kan också ses, så att finjusteringar kan göras för att fånga så mycket fisk som möjligt. I andra fiske, där mängden fisk i nätet är viktig, är fångsensoromvandlare monterade på olika positioner på nätets torskände. När torskänden fylls ut triggas dessa fångsensoromvandlare en efter en och denna information överförs akustiskt till bildskärmar på fartygets brygga. Befälhavaren kan sedan bestämma när nätet ska dras.

Moderna versioner av nätet ekolod, som använder flera elementgivare, fungerar mer som ett ekolod än ett ekolod och visar skivor av området framför nätet och inte bara den vertikala vy som de ursprungliga nätlarmarna använde.

Ekolodet är ett ekolod med en riktningsförmåga som kan visa fisk eller andra föremål runt fartyget.

ROV och UUV

Små ekolod har monterats på fjärrstyrda fordon (ROV) och obemannade undervattensfordon (UUV) för att möjliggöra deras drift i grumliga förhållanden. Dessa ekolod används för att titta framför fordonet. Den långsiktiga Mine spaningssystemet är en UUV för MCM ändamål.

Fordonsplats

Ekolod som fungerar som fyrar är monterade på flygplan för att möjliggöra deras placering vid en krasch i havet. Korta och långa baslinjesonare kan användas för att ta hand om platsen, till exempel LBL .

Protes för synskadade

År 2013 presenterade en uppfinnare i USA en "spindelsinnig" bodysuit, utrustad med ultraljudssensorer och haptiska återkopplingssystem , som varnar bäraren om inkommande hot; så att de kan svara på angripare även när de är bundna med ögon.

Vetenskapliga tillämpningar

Uppskattning av biomassa

Upptäckt av fisk och andra marina och akvatiska liv, och uppskattning av deras individuella storlekar eller total biomassa med hjälp av aktiva ekolodstekniker. När ljudpulsen rör sig genom vatten stöter den på objekt som har olika densitet eller akustiska egenskaper än det omgivande mediet, till exempel fisk, som reflekterar ljud tillbaka mot ljudkällan. Dessa ekon ger information om fiskstorlek, plats, överflöd och beteende. Data bearbetas och analyseras vanligtvis med en mängd olika program som Echoview .

Vågmätning

Ett uppåtvänd ekolod monterat på botten eller på en plattform kan användas för att göra mätningar av våghöjd och period. Från denna statistik kan ytförhållandena på en plats härledas.

Vattenhastighetsmätning

Speciella ekolod för korta avstånd har utvecklats för att möjliggöra mätningar av vattenhastighet.

Nedre typbedömning

Ekolod har utvecklats som kan användas för att karakterisera havsbotten till exempelvis lera, sand och grus. Relativt enkla ekolod som ekolodare kan marknadsföras till klassificeringssystem för havsbotten via tilläggsmoduler, vilket omvandlar ekoparametrar till sedimenttyp. Olika algoritmer finns, men de är alla baserade på förändringar i energin eller formen hos de reflekterade ekolodspingorna. Avancerad substratklassificeringsanalys kan uppnås med hjälp av kalibrerade (vetenskapliga) ekoljud och parametrisk eller oklar logisk analys av akustiska data.

Bathymetrisk kartläggning

Ekolod med sidoskanning kan användas för att härleda kartor över havsbottentopografi ( badymetri ) genom att flytta ekolodet över det precis ovanför botten. Lågfrekventa ekolod såsom GLORIA har använts för kontinentala hyllundersökningar medan högfrekventa ekolod används för mer detaljerade undersökningar av mindre områden.

Underbotten profilering

Kraftfulla lågfrekventa ekoljud har utvecklats för att tillhandahålla profiler av de övre lagren av havsbotten. En av de senaste enheterna är Innomars SES-2000 quattro multi-transducer parametriska SBP, som används till exempel i Puck Bay för undervattensarkeologiska ändamål

Gasläckagivning från havsbotten

Gasbubblor kan läcka från havsbotten, eller nära den, från flera källor. Dessa kan detekteras av både passiva och aktiva ekolod (visas schematiskt med gula respektive röda system).

Naturliga sipprar av metan och koldioxid förekommer. Gasledningar kan läcka, och det är viktigt att kunna upptäcka om läckage uppstår från kolfångst- och lagringsanläggningar (CCSF, t.ex. utarmade oljebrunnar i vilka extraherat atmosfäriskt kol lagras). Kvantifiering av mängden gasläckage är svår, och även om uppskattningar kan användas med aktivt och passivt ekolod är det viktigt att ifrågasätta deras noggrannhet på grund av de antaganden som ligger i att göra sådana uppskattningar från ekolodsdata.

Sonar med syntetisk bländare

Olika ekolod med syntetiska bländare har byggts i laboratoriet och några har tagits i bruk i gruvjakt- och söksystem. En förklaring av deras funktion ges i syntetiskt bländarekolod .

Parametrisk ekolod

Parametriska källor använder vattenets icke-linjäritet för att generera skillnadsfrekvensen mellan två höga frekvenser. En virtuell slut-eld-array bildas. En sådan projektor har fördelar med bred bandbredd, smal strålbredd, och när den är fullt utvecklad och noggrant uppmätt har den inga uppenbara sidolober: se Parametric array . Dess stora nackdel är mycket låg verkningsgrad på bara några procent. PJ Westervelt sammanfattar de involverade trenderna.

Ekolod i utomjordiska sammanhang

Användning av både passiv och aktiv sonar har föreslagits för olika utomjordiska användningsområden. Ett exempel på användning av aktivt ekolod är för att bestämma djupet av kolvätehav på Titan , Ett exempel på användning av passivt ekolod är vid detektering av metanfall på Titan,

Det har noterats att de förslag som föreslår användning av ekolod utan att ta hänsyn till skillnaden mellan de jordiska (atmosfären, havet, mineral) miljöerna och de utomjordiska, kan leda till felaktiga värden

Ekologisk påverkan

Del av en serie om
Förorening
WikiProject Environment WikiProject Ecology
Luftförorening Surt regn Luftkvalitetsindex Atmosfärisk dispersionsmodellering Klorfluorkolväte Avgas Dis Inomhusluft Förbränningsmotor Global dimning Global destillation Ozonförlust Partiklar Ihållande organiska föroreningar Smog Aerosol Sot Flyktig organisk förening
Biologisk förorening Biologisk förorening Genetisk förorening
Elektromagnetisk förorening Ljus Ekologisk ljusförorening Överupplysning Radiospektrumföroreningar
Naturlig förorening Ozon Radium och radon i miljön Vulkanisk aska Löpeld
Buller Transport Landa Vatten Luft Järnväg Hållbar transport Urban Ekolod Marina däggdjur och ekolod Industriell Militär Abstrakt Ljudkontroll
Strålningsföroreningar Actinides Bioremediering Fission produkt Kärnkraftsfall Plutonium Förgiftning Radioaktivitet Uran Elektromagnetisk strålning och hälsa Radioaktivt avfall
Markförorening Jordbruksföroreningar Herbicider Gödselavfall Bekämpningsmedel Markförstöring Bioremediering Avföring Elektrisk motståndsuppvärmning Riktvärden Fytormediering
Fast förorening av avfall Bionedbrytbart avfall Brunt avfall Elektroniskt avfall Batteriåtervinning Matavfall Grönt avfall Farligt avfall Biomedicinskt avfall Kemiskt avfall Byggavfall Blyförgiftning Kvicksilverförgiftning Giftigt avfall Industriavfall Blysmältning Skräp Brytning Kolbrytning Guld grävning Ytbrytning Djuphavsbrytning Gruvavfall Uranbrytning Kommunalt fast avfall Sopor Nanomaterial Plastföroreningar Mikroplast Förpackningsavfall Postkonsumentavfall Avfallshantering Deponi Värmebehandling
Rymdföroreningar Satellit
Termisk förorening Urban heat island
Visuell förorening Flygresor Trassel (reklam) Vägskyltar Kraftledningar Vandalism
Vattenförorening Jordbruksavloppsvatten Sjukdomar Övergödning Eld vatten Sötvatten Grundvatten Hypoxi Industriellt avloppsvatten Marin skräp Övervakning Nonpoint -källförorening Näringsämnesföroreningar Havets försurning Oljeläckage Läkemedel Septiktankar Avlopp Septiktankar Grop latrin Frakt Stagnation Svavelvatten Ytavrinning Grumlighet Urban avrinning Vattenkvalitet
Listor Sjukdomar Mest förorenade städer
Kategori ( efter land )  Miljöportal  Ekologi portal
v t e

Effekt på marina däggdjur

Forskning har visat att användning av aktivt ekolod kan leda till masssträngningar av marina däggdjur . Näshvalar , den vanligaste dödsolyckan av strängarna, har visat sig vara mycket känsliga för mittfrekventa aktiva ekolod. Andra marina däggdjur, till exempel blåhvalen, flyr också från sonarens källa, medan marina aktiviteter föreslogs vara den mest troliga orsaken till masssträngning av delfiner. US Navy, som delfinansierade några av studierna, sa att fynden endast visade beteendemässiga svar på ekolod, inte verklig skada, men de "kommer att utvärdera effektiviteten av [sina] marina däggdjursskyddsåtgärder mot bakgrund av nya forskningsresultat" . En dom från USA: s högsta domstol från 2008 om användning av ekolod av den amerikanska marinen noterade att det inte hade förekommit några fall där ekolod definitivt hade visat sig ha skadat eller dödat ett marint däggdjur.

Vissa marina djur, såsom valar och delfiner , använder ekolokationssystem , ibland kallade biosonar för att lokalisera rovdjur och byten. Forskning om ekolodets effekter på blåhvalar i södra Kalifornien Bight visar att användning av medelfrekventa ekolod stör valarnas utfodringsbeteende. Detta indikerar att ekolodsinducerad störning av utfodring och förflyttning från högkvalitativa bytesfläckar kan ha betydande och tidigare papperslösa effekter på balhvalens ekologi, individuell kondition och befolkningens hälsa.

En granskning av bevis på masssträngningarna av näbbvalar kopplade till marina övningar där ekolod användes publicerades 2019. Den drog slutsatsen att effekterna av mittfrekvent aktiv ekolod är starkast på Cuviers näbbvalar men varierar mellan individer eller populationer. Granskningen föreslog att svarsstyrkan hos enskilda djur kan bero på om de tidigare utsatts för ekolod och att symptom på dekompressionssjukdom har hittats hos strandade valar som kan vara ett resultat av ett sådant svar på ekolod. Den noterade att på Kanarieöarna där flera strängningar tidigare rapporterats hade inga fler masssträngningar inträffat när marina övningar under vilka ekolod användes förbjöds i området och rekommenderade att förbudet utvidgas till andra områden där massstrandningar fortsätter att inträffa.

Påverkan på fisk

Högintensiva ekoljud kan skapa en liten tillfällig förskjutning av hörselgränsen för vissa fiskar.

Frekvenser och upplösningar

Sonars frekvenser sträcker sig från infrasonisk till över en megahertz. I allmänhet har de lägre frekvenserna längre räckvidd, medan de högre frekvenserna erbjuder bättre upplösning och mindre storlek för en given riktning.

För att uppnå rimlig riktning kräver frekvenser under 1 kHz generellt stor storlek, vanligtvis uppnådda som bogserade matriser.

Lågfrekventa ekolod definieras löst som 1–5 kHz, även om vissa flottor betraktar 5–7 kHz också som lågfrekvent. Medelfrekvens definieras som 5–15 kHz. En annan uppdelningsstil anser att lågfrekvens är under 1 kHz och medelfrekvens mellan 1–10 kHz.

Ekolod från amerikanska andra världskriget arbetade med en relativt hög frekvens på 20–30 kHz för att uppnå riktning med relativt små givare, med typiskt maximalt driftsområde på 2500 yd. Efterkrigstidens ekolod använde lägre frekvenser för att uppnå längre räckvidd; t.ex. SQS-4 som drivs vid 10 kHz med ett område upp till 5000 yd. SQS-26 och SQS-53 drivs vid 3 kHz med ett område på upp till 20000 km; deras kupoler hade en storlek på ca. en 60-fots personalbåt, en övre storleksgräns för konventionella skrovsonar. Att uppnå större storlekar med konforma ekolodsmängder utspridda över skrovet har hittills inte varit effektivt, för lägre frekvenser används därför linjära eller bogserade matriser.

Japanska WW2 -ekolod opererade med olika frekvenser. Typ 91, med 30 tums kvartsprojektor, arbetade vid 9 kHz. Typ 93, med mindre kvartsprojektorer, drivs med 17,5 kHz (modell 5 vid 16 eller 19 kHz magnetostriktiv) med en effekt mellan 1,7 och 2,5 kilowatt, med en räckvidd på upp till 6 km. Den senare typ 3, med magnetostriktiva givare i tysk design, som drivs vid 13, 14,5, 16 eller 20 kHz (efter modell), med dubbla givare (utom modell 1 som hade tre enstaka), på 0,2 till 2,5 kilowatt. Den enkla typen använde 14,5 kHz magnetostriktiva givare vid 0,25 kW, driven av kapacitiv urladdning istället för oscillatorer, med räckvidd upp till 2,5 km.

Ekolodets upplösning är kantig; objekt längre ifrån varandra avbildas med lägre upplösningar än närliggande.

En annan källa listar intervall och upplösningar vs frekvenser för sidoskannade ekolod. 30 kHz ger låg upplösning med räckvidd på 1000–6000 m, 100 kHz ger medelhög upplösning vid 500–1000 m, 300 kHz ger hög upplösning på 150–500 m och 600 kHz ger hög upplösning vid 75–150 m. Ekolod med längre räckvidd påverkas mer negativt av vattenhomogeniteter. Vissa miljöer, vanligtvis grunt vatten nära kusterna, har komplicerad terräng med många funktioner; högre frekvenser blir nödvändiga där.

Se även

Förklarande anteckningar

Citat

Allmän bibliografi

• Dring, Thomas R. (mars 2018). "En brant inlärningskurva: Effekten av ekolodsteknik, utbildning och taktik på de första åren av den amerikanska marinen Antisubmarine Warfare under andra världskriget". Krigsfartyg International . LV (januari 2018): 37–57. ISSN  0043-0374 .
• Hackmann, Willem. Seek & Strike: Sonar, Anti-ubåt Warfare och Royal Navy 1914–54 . London: Her Majesty's Stationery Office, 1984. ISBN  0-11-290423-8 .
• Hackmann, Willem D. "Sonar Research and Naval Warfare 1914–1954: A Case Study of a Twentieth-Century Science" (prenumeration krävs) . Historiska studier i fysikaliska och biologiska vetenskaper 16#1 (januari 1986) 83–110. doi : 10.2307/27757558 .
• Urick, RJ (1983). Principles of Underwater Sound (3: e upplagan). Los Altos: Peninsula Publishing. ISBN  9780932146625 . OCLC  1132503817 .

Fiske akustik referenser

• Fisheries Acoustics Research (FAR) vid University of Washington
• NOAA -protokoll för fiskeriakustikundersökningar
• Akustik uppackad - en "hur" bra referens för sötvattenhydroakustik för resursbedömning
• "AKUSTIK I FISKERI OCH VATTENSKOLOGI"
• "Hydroakustiskt protokoll - sjöar, reservoarer och låglandsfloder" (för bedömning av fisk)
• Simmonds, E. John och DN MacLennan. Fisheries Acoustics: Theory and Practice , andra upplagan. Fish and aquatic resources series, 10. Oxford: Blackwell Science, 2003. ISBN  978-0-632-05994-2 .

Vidare läsning

• "Canada: Stable Sonics" , Time , 28 oktober 1946. En intressant redogörelse för de 4 800 ASDIC -ekolodsenheter som i hemlighet tillverkades i Casa Loma , Toronto , under andra världskriget. Hämtad 25 september 2009.
• "Radar of the Deep - SONAR" , Popular Science , november 1945, s. 84–87, 246, 250: en av de bästa allmänna artiklarna om ämnet

externa länkar

• FFI -fakta: Ekolod och havsmiljön av norska försvarsforskningsinstitutet (FFI)
• Fjärranalys för kustförvaltning: Single Beam Sonar —Coastal Services Center, National Oceanic and Atmospheric Administration