Радиоакустическая локация

Радиоакустическая локация , иногда обозначаемая как « радиоакустическая локация », а иногда и сокращенно RAR , представляла собой метод определения точного местоположения корабля в море путем взрыва заряда взрывчатого вещества под водой рядом с кораблем и обнаружения прибытия подводных звуковых волн в удаленные места. и передавать по радио время прибытия звуковых волн на удаленные станции корабля, что позволяет экипажу корабля использовать мультилатерацию истинного диапазона для определения положения корабля. Разработанный Береговой и геодезической службой США в 1923 и 1924 годах для точного определения положения исследовательских судов во время гидрографических исследований , это был первый навигационный метод в истории человечества, кроме точного счисления , который не требовал визуального наблюдения за ориентиром. , маркер, свет или небесное тело , а также первое невизуальное средство определения точного местоположения. Радиоакустическая локация, впервые введенная в эксплуатацию в 1924 году, использовалась до 1944 года, когда радионавигации. во время войны были разработаны новые методы Вторая мировая война сделала его устаревшим.

Техника

Чтобы определить свое положение с помощью радиоакустической локации, экипаж корабля сначала определил температуру и соленость морской воды вблизи корабля, чтобы определить точную скорость звука в воде. Затем экипаж сбросил небольшую тротиловую с кормы корабля бомбу. Он взорвался на глубине около 100 футов (30 метров), и хронограф на борту корабля автоматически зафиксировал момент, когда на корабле раздался взрыв. Звук распространялся от взрыва и в конечном итоге достигал гидрофонов в известных местах — береговых станциях, стоящих на якоре кораблях-станциях или заякоренных буях — на расстоянии от корабля. Каждый гидрофон был подключен к радиопередатчику, который автоматически посылал сигнал, указывающий время, когда гидрофон обнаружил звук. На соответствующих расстояниях — обычно менее 200 морских миль (370 км) — каждый из этих радиосигналов достигал корабля практически в тот же момент, когда каждый из удаленных гидрофонов обнаружил звук взрыва. Корабельный хронограф автоматически записывал время прибытия каждого радиосигнала на корабль. Вычитая время взрыва из времени приема радиосигнала, экипаж корабля мог определить время, необходимое звуковой волне для прохождения от точки взрыва до каждого удаленного гидрофона и, зная скорость звука в окружающей среде, В морской воде можно было бы умножить время распространения звука на скорость звука в морской воде, чтобы определить расстояние между взрывом и гидрофоном. Определив расстояние как минимум до двух удаленных гидрофонов в известных местах, экипаж корабля мог бы использовать мультилатерация истинного диапазона для фиксации положения корабля. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

В глубоких водах, таких как те, которые преобладают в Тихом океане вдоль западного побережья Соединенных Штатов , Береговая и геодезическая служба может полагаться на береговые станции для поддержки радиоакустической локации, поскольку глубокая вода позволяет звуку доходить до побережья. Вдоль восточного побережья Соединенных Штатов , где преобладали более мелкие воды, звуку было труднее достичь побережья, и Береговая и геодезическая служба в большей степени полагалась на стоящие на якоре корабли-станции, а затем и на заякоренные буи для обеспечения радиоакустической локации. ^{[ 1 ]}

Хронографы записывали время с точностью до сотых долей секунды, а экипаж корабля с помощью радиоакустической локации мог определять расстояние своего корабля от удаленных гидрофонных станций с точностью до 50 футов (15 метров), что позволяло им определять положение своего корабля с большой точностью для время. Поскольку звуковые волны распространяются от точки взрыва к удаленным гидрофонам со скоростью около 0,8 морских миль в секунду (1,5 км/с), корабли иногда использовали радиоакустические диапазоны на расстояниях более 200 морских миль (370 километров) между судном и гидрофонной станцией. и расстояния от 75 до 100 морских миль (от 139 до 185 км) были обычным явлением. ^{[ 2 ]}

История развития

Прекурсоры

Радиоакустическая локация возникла в результате растущего понимания подводной акустики и ее практического применения в первые десятилетия 20-го века и развивалась параллельно с эхолотированием . Первый шаг был сделан в начале 1900-х годов, когда компания Submarine Signal Company изобрела сигнальное устройство для подводных колоколов и гидрофон, который мог служить приемником подводных звуков, издаваемых колоколами. Экипаж корабля, оснащенного приемным гидрофоном, мог определить расстояние своего корабля от механизма колокола подводной лодки и построить пересекающиеся линии от двух или более колоколов, чтобы определить положение корабля. Колокола были установлены на маяках , на борту маяков и на буях вдоль побережий Северной Америки и Европы , а приемные гидрофоны были установлены на борту сотен кораблей. Это было первое в истории практическое использование акустики в океанской среде. ^{[ 1 ]}

Затопление в 1912 году из RMS (1866–1932) начать работу над системой подводной передачи и приема звука на Titanic -за столкновения с айсбергом побудило канадского изобретателя Реджинальда Фессендена большие расстояния, которая могла бы обнаруживать опасности на пути корабля. Это привело к изобретению генератора Фессендена , электроакустического преобразователя , который к 1914 году доказал свою способность передавать и принимать звук на расстоянии 31 морскую милю (57 км; 36 миль) через Массачусетский залив и обнаруживать впереди айсберг. корабля на расстоянии 2 морских миль (3,7 км; 2,3 мили), отражая от него звук и обнаруживая эхо, а также как случайная способность обнаруживать отражение звука от дна океана. Дальнейшим толчком к развитию практического применения подводной акустики послужила Первая мировая война , которая побудила Королевский флот , ВМС США и Корпус береговой артиллерии армии США экспериментировать со звуком как средством обнаружения затопленных подводных лодок . В ходе послевоенных экспериментов отдел подводной звуковой локации корпуса береговой артиллерии проводил эксперименты на мелководье в Виньярд-Саунд у побережья Массачусетса , где он взорвал заряды взрывчатого вещества под водой на концах установленных базовых линий и измерил количество времени, которое потребовалось звуку, чтобы достичь гидрофонов на других концах базовых линий, чтобы установить очень точные измерения скорости звук сквозь воду. ^{[ 1 ]} А в 1923 году Компания подводных сигналов усовершенствовала свои подводные сигнальные устройства, оснастив их радиопередатчиками, которые посылали сигналы как для идентификации конкретного устройства, так и для указания приближающимся кораблям, что оно будет генерировать акустический сигнал через определенный интервал времени после его отправки. радиосигнал, позволяющий кораблям идентифицировать конкретное навигационное средство, к которому они приближаются, и воспользоваться преимуществами односторонней дальности, которая позволяет их экипажам определять свое направление и расстояние от навигационного средства. ^{[ 3 ]}

Николас Хек

Осознавая потенциал применения акустики в гидрографических съемках и навигации , особенно вдоль западного побережья США, где туман часто мешал попыткам точно определить положение кораблей, Эрнест Лестер Джонс (1876–1929), тогдашний директор Берегового управления США. и Геодезическая служба , посоветовавшись с Береговой и геодезической службы США офицерами , решили изучить использование акустики как для определения глубины, так и для навигации. Николас Х. Хек (1882–1953), офицер Берегового и геодезического корпуса, с 1917 по 1919 год был назначен на службу во время Первой мировой войны в Военно-морские резервные силы США , во время которой он исследовал использование подводной акустики в противолодочных операциях. война . Он был очевидным выбором, чтобы возглавить новое усилие. ^{[ 4 ]}

К январю 1923 года Береговая и геодезическая служба решила установить звуковой дальномер Hayes — один из первых эхолотов — на борту исследовательского корабля USC&GS Guide , который Береговая и геодезическая служба планировала ввести в состав своего флота позднее в том же году; Для успешной работы звукового дальномера потребуется точное понимание скорости звука в воде. Когда Хек связался с Э.А. Стивенсоном из Корпуса береговой артиллерии армии США, чтобы сообщить ему об этом плане и узнать подробнее об экспериментах с «Винъярд Саунд», Стивенсон предположил, что система гидрофонов, обнаруживающих звук подводных взрывов, могла бы позволить кораблям береговой и геодезической службы фиксировать свою позицию при проведении опросов. Хек согласился, но считал, что существующие навигационные средства не удовлетворят потребностям береговой и геодезической службы с точки зрения оперативности и точности определения местоположения. ^{[ 4 ]} Он предполагал усовершенствовать систему подводных генераторов шума и прикрепленных к ним радиопередатчиков Подводной сигнальной роты. ^{[ 3 ]} а также другие предыдущие концепции, создав то, что впоследствии стало известно как метод радиоакустической локации. Как и эхолот, этот метод требовал точного расчета скорости звука в воде. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

Хек руководил испытаниями в штаб-квартире береговой и геодезической службы в Вашингтоне, округ Колумбия , которые продемонстрировали, что корабельная запись времени взрыва может быть выполнена достаточно точно, чтобы его концепция работала. ^{[ 4 ]} Он работал с доктором Э.А. Экхардтом, физиком , и М. Кейзером, инженером-электриком из Национального бюро стандартов , над разработкой гидрофонной системы, которая могла бы автоматически посылать радиосигнал при обнаружении звука подводного взрыва. ^{[ 4 ]} Когда в 1923 году Береговая и геодезическая служба заказала руководство , Хек разместил ее в Нью-Лондоне , штат Коннектикут . Под его руководством Гайд проверила способность своего нового эхолота производить точные измерения глубины и провела эксперименты по радиоакустической дальнометрии в сотрудничестве с корпусом береговой артиллерии армии США. Несмотря на многие трудности, в ноябре 1923 года успешно завершились испытания как эхолотирования, так и радиоакустической локации. ^{[ 4 ]}

Круиз Гида

В конце ноября 1923 года, взяв на борт Хека, Гид отправилась в путешествие из Нью-Лондона через Пуэрто-Рико и Панамский канал в Сан-Диего , штат Калифорния , где она будет базироваться в будущем. глубины океана, чтобы она могла продолжить испытания своего эхолота. ^{[ 4 ]} «Гид» вошел в историю во время путешествия, став первым кораблем береговой и геодезической службы, который использовал эхолотирование для измерения и записи глубины моря в точках своего курса; она также измерила температуру воды и взяла пробы воды, чтобы Институт биологических исследований Скриппса (ныне Институт океанографии Скриппса ) в Ла-Хойе , Калифорния, мог измерить солености . уровень ^{[ 4 ]} Она также сравнила измерения эхолота с измерениями, полученными с помощью свинцового троса, и обнаружила, что использование единой скорости звука в воде, как это делалось ранее теми, кто проводил эксперименты по эхолотированию, давало результаты акустического определения глубины, которые не соответствовали найденным глубинам. по направляющим линиям. ^{[ 4 ]} Прежде чем она прибыла в Сан-Диего в декабре 1923 года, она накопила много данных, полезных для изучения движения звуковых волн в воде и измерения их скорости в различных условиях солености, плотности и температуры, информация, необходимая как для определения глубины, так и для радиосвязи. акустическая дальность. ^{[ 4 ]}

По прибытии в Калифорнию сотрудники Хека и Гайда в консультации с Институтом Скриппса разработали формулы, которые позволили проводить точное эхолотирование глубин во всех водах, кроме самых мелких, и установили гидрофоны в Ла-Хойе и Оушенсайде , Калифорния, чтобы позволить экспериментировать с радиоакустической дальностью. ^{[ 4 ]} Под руководством Хека Гайд затем провел эксперименты у побережья Калифорнии в первые месяцы 1924 года, которые продемонстрировали, что точное эхолотирование возможно с использованием новых формул. Эксперименты с радиоакустической локацией, несмотря на первоначальные трудности, показали, что этот метод также практичен, хотя трудности с детонацией некоторых зарядов взрывчатого вещества затруднили выполнение некоторых экспериментальных программ. ^{[ 4 ]} В апреле 1924 года Береговая и геодезическая служба пришла к выводу, что и эхолотирование, и радиоакустическая локация в принципе обоснованы, и не осталось никаких фундаментальных проблем, требующих решения, и что все, что остается необходимым, - это дальнейшее развитие и совершенствование обоих методов в ходе их оперативного использования. Хек передал продолжающиеся разработки в области эхолотирования и радиоакустической дальности Гида командиру , командиру Роберту Люсу, и вернулся к своим обязанностям в Вашингтоне, округ Колумбия. ^{[ 4 ]}

Дальнейшее развитие

Работая в Тихом океане у берегов Орегона в 1924 году, «Гид» стал первым кораблем, применившим в оперативном режиме радиоакустический дальнометр. В том же году у берегов Орегона она успешно применила эту технику на расстоянии 206 морских миль (382 километра) между дальним взрывом и удаленными гидрофонами, обнаружившими его звук, и в процессе добилась первого наблюдаемого признака звукового слоя океана, который позже был назван канал фиксации и дальности звука (SOFAR) или канал глубокого звука (DSC). ^{[ 1 ]}^{[ 3 ]} В 1928 году французские исследователи расширили этот диапазон, взорвав 30-килограммовую (66-фунтовую) взрывчатку в Средиземном море между Алжиром во Французском Алжире и Тулоном , Франция , и обнаружив звук на расстоянии 400 морских миль (740 километров). ^{[ 3 ]}

Первоначально Хек и другие, участвовавшие в разработке радиоакустической локации, считали, что этот метод окажется наименее эффективным на северо-западном побережье Тихого океана , где они предполагали, что звук воздействия волн вдоль побережья и сложность установки береговых станций и кабелей снизит эффективность радиоакустической локации; напротив, они считали, что условия на восточном побережье США не создадут никаких проблем. На самом деле верно обратное: помимо других проблем, относительно мелководье вдоль восточного побережья США заглушало звук дальних взрывов, а мели часто вообще не позволяли звуку достигать берега. Чтобы преодолеть эти трудности, Береговая и геодезическая служба поставила на якорь суда вдоль восточного побережья США, которые служили гидрофонными станциями. ^{[ 1 ]} В 1931 году Берегово-геодезическая служба предложила заменить обитаемые корабли-станции на «радиогидроакустические буи», а в июле 1936 года приступила к принятию на вооружение радиогидроакустических буев. Буи массой 700 фунтов (317,5 кг), оснащенные подземными гидрофонами, батареями и радиопередатчиками, которые автоматически посылают радиосигнал, когда их гидрофоны обнаруживают звук дальнего взрыва, могут быть развернуты или восстановлены судами береговой и геодезической службы в пять минут. ^{[ 1 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} Использование буев распространилось и на западное побережье США, поскольку их установка и эксплуатация обходились дешевле, чем береговая станция. ^{[ 5 ]}

Радиоакустическая локация имела ограничения и недостатки. Местные особенности распространения акустических волн в толще воды могли ухудшить ее точность, существовали проблемы с обслуживанием гидрофонных станций, а обращение с зарядами взрывчатого вещества представляло значительную опасность для личного состава и кораблей. ^{[ 7 ]} Однажды прапорщик Корпуса береговой и геодезической разведки на борту исследовательского корабля USC&GS Hydrographer вставил радиоакустическую дальномерную бомбу в пасть акулы и выпустил акулу только для того, чтобы с ужасом наблюдать, как она подплыла обратно к кораблю и взорвалась рядом с акулой. гидрографа Корпус ; взрыв потряс корабль. ^{[ 8 ]} На борту «Гида» в 1927 году едва не произошла трагедия, когда старшина, державший в руках бомбу, зажег ее запал, а затем упал, когда корабль накренился; он сбросил бомбу, которая укатилась в сточную канаву. Старшина снова упал, прежде чем, наконец, добрался до бомбы и как раз вовремя выбросил ее за борт; он взорвался рядом с кораблем, когда тот упал на воду. Сотрясение мозга побудило половину экипажа броситься наверх из-под палубы, чтобы выяснить, что произошло. ^{[ 9 ]}

Еще в 1942 году радиоакустическая локация оставалась достаточно важной для Береговой и геодезической службы, и она посвятила чуть более 100 страниц своего Гидрографического руководства ей . Однако Вторая мировая война , бушевавшая к тому времени уже три года, дала толчок быстрому развитию чисто радионавигационных систем, помогающих бомбардировщикам находить цели в темноте и плохой погоде. Такие радионавигационные системы было проще в обслуживании, чем гидрофонные станции, и не требовали обращения со взрывчатыми веществами. ^{[ 7 ]} и по мере развития новых систем Береговая и геодезическая служба начала применять их в морской навигации. Радиоакустическая локация, судя по всему, не использовалась после 1944 года. ^{[ 1 ]} а к 1946 году корабли береговой и геодезической службы перешли на новую технологию электронной навигации SHORAN для определения своего местоположения. ^{[ 7 ]}

Наследие

Первый в истории человечества невизуальный метод точной навигации и первый, который можно было использовать в любое время дня и ночи и в любых погодных условиях, радиоакустическая локация стала важным шагом вперед в развитии современных навигационных систем. Николас Хек произвел революцию в океанических исследованиях, применив радиоэлектронную дальнометрию для определения местонахождения кораблей, что стало одним из его главных вкладов в океанографию . ^{[ 3 ]} Его работа, связанная с этой техникой, также помогла разработать таблицы скорости звука под водой, позволяющие определять «истинные глубины» до пяти миль (8,0 км) с помощью эхолотирования. ^{[ 10 ]}

Радиоакустическая локация стала первым шагом на пути к современным электронным навигационным системам, системам океанографической телеметрии и развитию морской сейсморазведки. Этот метод также заложил основу для разработки гидролокаторов, способных смотреть вперед и по бокам судов. ^{[ 11 ]}

Радиогидроакустические буи Береговой и геодезической службы, разработанные для обеспечения радиоакустической локации, были предшественниками гидроакустических буев, используемых сегодня кораблями и самолетами в противолодочной войне и подводных акустических исследованиях. ^{[ 6 ]}

См. также

Эхо-зондирование - измерение глубины воды путем передачи звуковых волн в воду и определения времени возвращения.
Гидрографические исследования - наука об измерении и описании особенностей, влияющих на морскую деятельность.
Николас Х. Хек - американский офицер USCGSC (1882–1953)
Береговая и геодезическая служба США - бывшее научное агентство правительства США.

Ссылки

Внешние ссылки

[theberge20091202-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Теберг, Альфред Э., «Система без фиксированных точек: развитие метода радиоакустической дальномерной навигации (Часть 1)», Hydro-international.com, 2 декабря 2009 г.

[rudemay1935-2] Jump up to: ^а ^б Руд, Гилберт Т., «Современная диаграмма», Motor Boating , май 1935 г., стр. 35, 68.

[discovery-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Hydro-international.com Открытие передачи звука на большие расстояния в океане

[start-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м История NOAA: Начало акустических работ побережья и геодезической съемки

[popmech-5] Jump up to: ^а ^б ^с Аноним, «Глубина океана, измеренная радиороботом», Popular Mechanics , декабрь 1938 г., стр. 828–830.

[HollerJan2014-6] Jump up to: ^а ^б ЭВОЛЮЦИЯ ГОНОКБУЯ.pdf Холлер, Роджер А., «Эволюция гидроакустического буя от Второй мировой войны до холодной войны», Журнал подводной акустики ВМС США , январь 2014 г., стр. 323. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[Theberge20090327-7] Jump up to: ^а ^б ^с Hydro-international.com Теберг, Альберт Э., «Первые разработки электронных навигационных систем», 27 марта 2009 г.

[8] History.noaa.gov «Письмо с фронта»

[9] History.noaa.gov «Первый год»

[NOAAbio-10] История NOAA: Профили во времени - Биографии C&GS: Николас Хантер Хек

[11] Celebrating200years.noaa.gov Десятка лучших: Прорывы: Методы гидрографических исследований: Методы акустических исследований: Радиоакустическая локация

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]