Радиоакустическая дальнометрия - Radio acoustic ranging
Радио акустического диапазона , иногда записываются как « радио-акустический диапазоне », иногда сокращенно RAR , был предложен способом определения точного местоположения судна в море путем подрыва взрывного заряда под водой вблизи суден, обнаруживает поступление подводных звуковых волн в удаленных местах , а также радиосвязь времени прибытия звуковых волн на удаленные станции к кораблю, что позволяет экипажу корабля использовать мультилатерацию истинного диапазона для определения местоположения корабля. Разработанный Берегово-геодезической службой США в 1923 и 1924 годах для использования для точного определения местоположения исследовательских судов во время гидрографических съемок , 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 для определения точного положения. Радиоакустическая локация, впервые использованная в эксплуатации в 1924 году, использовалась до 1944 года, когда новые методы радионавигации , разработанные во время Второй мировой войны, сделали ее устаревшей.
Техника
Чтобы определить свое местоположение с помощью радиоакустической локации, экипаж корабля сначала определил температуру и соленость морской воды в непосредственной близости от корабля, чтобы определить точную скорость звука в воде. Затем экипаж сбросил небольшую тротиловую бомбу с кормы корабля. Он взорвался на глубине около 100 футов (30 метров), и хронограф на борту корабля автоматически записал время, когда на корабле был слышен взрыв. Звук распространился наружу от взрыва, в конечном итоге достигнув гидрофонов в известных местах - береговых станциях, стоящих на якоре кораблях или пришвартованных буях - на расстоянии от корабля. Каждый гидрофон был подключен к радиопередатчику, который автоматически посылал сигнал, указывающий время, когда его гидрофон обнаружил звук. На соответствующих расстояниях - обычно менее 200 морских миль (370 км) - каждый из этих радиосигналов достиг корабля практически в тот же момент, когда каждый из удаленных гидрофонов улавливал звук взрыва. Хронограф корабля автоматически записывал время прихода каждого радиосигнала на корабль. Вычитая время взрыва из времени приема радиосигнала, экипаж корабля мог определить продолжительность времени, в течение которого звуковая волна должна пройти от точки взрыва до каждого удаленного гидрофона, и, зная скорость звука в окружающей среде. морская вода, может умножить время прохождения 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 использовать мультилатерацию истинного диапазона для определения местоположения корабля.
В глубоких водах, таких как те, которые преобладали в Тихом океане вдоль западного побережья Соединенных Штатов , Береговая и геодезическая служба могла полагаться на береговые станции для поддержки радиоакустической локации, потому что глубокая вода позволяла звуку распространяться к побережью. Вдоль восточного побережья Соединенных Штатов , где преобладали мелководья, звуку было труднее достигать побережья, и Береговая и геодезическая служба в большей степени полагалась на стоявшие на якоре корабли-станции, а затем и на пришвартованные буи для поддержки радиоакустической дальнометрии.
Хронографы записывали время с точностью до сотых долей секунды, и экипаж корабля, использующий радиоакустическую дальнометрию, мог определять расстояние своего корабля от удаленных гидрофонных станций с точностью до 50 футов (15 метров), что позволяло им определять местоположение своего корабля с большой точностью. время. Поскольку звуковые волны распространяются от места взрыва к удаленным гидрофонам со скоростью около 0,8 морских миль в секунду (1,5 км / с), корабли иногда использовали радиоакустические измерения 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 обычными.
История развития
Прекурсоры
Радиоакустическая дальнометрия возникла в результате растущего понимания подводной акустики и ее практического применения в первые десятилетия 20-го века и развивалась параллельно с эхолотом . 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 построить расстояние до своего корабля от механизма раструба подводной лодки и построить пересекающиеся линии от двух или более колоколов, чтобы определить положение корабля. Колокола устанавливались на маяках , на борту лайнеров и на буях у берегов Северной Америки и Европы , а принимающие гидрофоны устанавливались на сотни кораблей. Это было первое практическое использование акустики в океане.
Потопление из RMS Titanic в 1912 году стимулировало канадского изобретателя Фессендна (1866-1932) , чтобы начать работу на междугородном подводной передачу звука и систему приема , которая может обнаружить опасность 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 мили через Массачусетский залив и обнаруживать айсберг впереди корабля на расстоянии двух миль за счет отражения звука от него и обнаружения эха, а также случайной способности обнаруживать отражение звука от дна океана. Дальнейший импульс развитию практических приложений подводной акустики пришла после Первой мировой войны , которая побудила Королевский флот , ВМС США и корпус береговой артиллерии армии США экспериментировать со звуком как средством обнаружения подводных лодок . В послевоенных экспериментах подразделение подводной звуковой дальности береговой артиллерийской дивизии проводило эксперименты на мелководье в Виньярд-Саунд у Массачусетса, в ходе которых под водой приводило в действие взрывные заряды на концах установленных базовых линий и измеряло количество времени, необходимое для того, чтобы звук достиг гидрофонов на других концах базовых линий, чтобы установить очень точные измерения скорости звука в воде. А в 1923 году компания Submarine Signal Company усовершенствовала свои подводные сигнальные устройства, оснастив их радиопередатчиками, которые отправляли 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 судам идентифицировать конкретное навигационное средство, к которому они приближались, и использовать возможность одностороннего определения дальности, позволяющую их экипажам определять свое направление и расстояние от навигационного средства.
Николас Хек
Осознавая потенциал этих приложений акустики для гидрографических съемок и навигации , особенно вдоль западного побережья США, где туман часто мешал попыткам точно определить местоположение судов, Эрнест Лестер Джонс (1876–1929), тогдашний директор Побережья Соединенных Штатов и Геодезическая служба , в консультации с офицерами Службы береговой и геодезической службы США , решила исследовать использование акустики как для глубинного поиска, так и для навигации. Николас Х. Хек (1882–1953), офицер Береговой и геодезической службы, был назначен с 1917 по 1919 год на службу в Военно-морские резервные силы США во время Первой мировой войны , во время которой он исследовал использование подводной акустики в противолодочных кораблях. война . Он был очевидным выбором, чтобы возглавить новое усилие.
К январю 1923 года Берегово-геодезическая служба решила установить звуковой дальномер Hayes - ранний эхолот - на борту исследовательского корабля USC & GS Guide , который Берегово-геодезическая служба планировала ввести в состав своего флота позже 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 проинформировать его об этом плане и узнать подробнее об экспериментах со звуком Виноградника, Стивенсон предположил, что система гидрофонов, обнаруживающая звук подводных взрывов, могла бы позволить судам береговой и геодезической службы фиксировать их позиция при проведении опросов. Хек согласился, но считал, что существующие навигационные средства не будут соответствовать потребностям Береговой и геодезической службы с точки зрения оперативности и точности определения местоположения. Он предполагал усовершенствовать систему подводных генераторов шума и прикрепленных радиопередатчиков компании Submarine Signal Company, а также другие предыдущие концепции, создав так называемый метод радиоакустической локации. Подобно эхолоту, этот метод требовал точного расчета скорости звука в воде.
Хек наблюдал за испытаниями в штаб-квартире береговой и геодезической службы в Вашингтоне, округ Колумбия , которые продемонстрировали, что бортовая регистрация времени взрыва может быть выполнена достаточно точно, чтобы его концепция работала. 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. Когда Берегово-геодезическая служба заказала « Гид» в 1923 году, Хек разместил ее в Нью-Лондоне , штат Коннектикут . Под его руководством Гид проверила способность своего нового эхолота проводить точные измерения глубины и провела эксперименты с радиоакустической дальностью в сотрудничестве с Корпусом береговой артиллерии армии США. Несмотря на многие трудности, в ноябре 1923 года испытания как эхолота, так и радиоакустической локации были успешно завершены.
Круиз Гида
.jpg)
В конце ноября 1923 года с Хеком на борту « Гид» отправился в путешествие из Нью-Лондона через Пуэрто-Рико и Панамский канал в Сан-Диего , штат Калифорния , где она будет базироваться в будущем, и ее маршрут должен был охватить широкий спектр различных маршрутов. глубины океана, чтобы она могла продолжить тестирование своего эхолота. Путеводитель вошел в историю во время путешествия, став первым кораблем береговой и геодезической службы, который использовал эхолот 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 уровень солености . Она также сравнила зондирование эхолотом с результатами, сделанными по выводным линиям, и обнаружила, что использование одной скорости звука через воду, как это делалось ранее теми, кто проводил эксперименты по эхолоту, дало результаты определения акустической глубины, которые не соответствовали найденным глубинам. по выводным линиям. Прежде чем она достигла 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, информации, необходимой как для глубинных исследований, так и для радиосвязи. акустическая дальнометрия.
По прибытии в Калифорнию сотрудники Хека и Гида в консультации с Институтом Скриппса разработали формулы, позволяющие проводить точное эхолотное зондирование глубин во всех водах, кроме самых мелких, и установили гидрофоны в Ла-Хойе и Оушенсайде , Калифорния, чтобы проводить эксперименты с радиоакустической дальностью. Под руководством Хека Гид провел эксперименты у берегов Калифорнии в первые месяцы 1924 года, которые продемонстрировали, что точное зондирование эха возможно с использованием новых формул. Эксперименты с радиоакустической локацией, несмотря на первоначальные трудности, продемонстрировали, что этот метод также был практичным, хотя трудности с подрывом некоторых зарядов взрывчатого вещества затрудняли выполнение некоторых из экспериментальных программ. В апреле 1924 года Берегово-геодезическая служба пришла к выводу, что и эхолот, и радиоакустическая дальнометрия были в основном надежными, и не оставалось никаких фундаментальных проблем, которые нужно было решить, и что все, что оставалось необходимым, - это постоянное развитие и совершенствование обоих методов во время их оперативного использования. Хек передал дальнейшее развитие эхолокации и радиоакустической локации командиру Гида , командиру Роберту Люсу, и вернулся к своим обязанностям в Вашингтоне, округ Колумбия.
Позднее развитие
Работая в Тихом океане у берегов Орегона в 1924 году, Guide стал первым судном, которое оперативно применило радиоакустическую локацию. В том же году у берегов Орегона она успешно применила эту технику на расстоянии 206 морских миль (382 км) между дальнобойным взрывом и удаленными гидрофонами, обнаружившими его звук, и в процессе достигла первого наблюдаемого признака звукового слоя океана, который позже был назван звук фиксации и в пределах канал (ГНФАР) или глубокий звук канал (ДСК). 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).
Первоначально Хек и другие, участвовавшие в разработке радиоакустической дальнометрии, думали, что этот метод окажется наименее эффективным вдоль побережья Тихоокеанского Северо-Запада , где они полагали, что звук волнения вдоль побережья и сложность установки береговых станций и кабелей снизит успешность радиоакустической локации; напротив, они думали, что условия вдоль восточного побережья США не вызовут никаких проблем. На самом деле, верно и обратное: среди прочего, относительно мелководье вдоль восточного побережья США ослабляло звук дальних взрывов, а мелководье часто вообще не позволяло звуку достигать берега. Чтобы преодолеть эти трудности, служба береговой и геодезической службы поставила суда на якорь вдали от берега вдоль восточного побережья США, чтобы они служили гидрофонными станциями. В 1931 г. Берегово-геодезическая служба предложила заменить корабли с пилотируемой станцией на «радиогидроакустические буи», а в июле 1936 г. начала вводить в строй радиогидроакустические буи. 700-фунтовые (317,5 кг) буи, оборудованные подводными 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. Использование буев распространилось и на западное побережье США, потому что их установка и эксплуатация были дешевле, чем береговая станция.
Радиоакустическая дальнометрия имела ограничения и недостатки. Локальные особенности распространения акустических волн в толще воды могли ухудшить его точность, возникли проблемы с обслуживанием гидрофонных станций, а обращение с зарядами взрывчатого вещества представляло значительную опасность для персонала и судов. Однажды прапорщик Береговой и геодезической службы на борту исследовательского судна USC & GS Hydrographer вставил радиоакустическую дальномерную бомбу в пасть акулы и выпустил акулу только для того, чтобы с ужасом наблюдать, как она подплыла к кораблю и взорвалась рядом с ним. гидрограф 'S корпус ; взрыв потряс корабль. На борту « Гида» в 1927 году почти случилась трагедия, когда старшина, взявший бомбу, зажег ее запал, а затем упал, когда корабль накренился; он сбросил бомбу, которая скатилась в канаву. Старшина снова упал, прежде чем, наконец, дотянулся до бомбы и как раз вовремя выбросил ее за борт; он взорвался рядом с кораблем, когда упал на воду. Сотрясение мозга заставило половину экипажа броситься с нижней палубы, чтобы узнать, что произошло.
Еще в 1942 году радиоакустическая локация оставалась достаточно важной для Береговой и геодезической службы, и она посвятила ей чуть более 100 страниц своего Гидрографического руководства . Однако Вторая мировая война , которая к тому времени бушевала уже три года, дала толчок к быстрому развитию чисто радионавигационных систем, помогающих бомбардировщикам находить цели в темноте и плохой погоде. Такие радионавигационные системы было легче обслуживать, чем гидрофонные станции, и они не требовали обращения с взрывчатыми веществами, и по мере развития новых систем Берегово-геодезическая служба начала применять их в морской навигации. Радиоакустическая локация, похоже, не использовалась после 1944 года, и к 1946 году корабли береговой и геодезической службы перешли на новую технологию электронной навигации SHORAN для определения своего местоположения.
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 дальнометрия явилась крупным шагом вперед в развитии современных навигационных систем. Николас Хек произвел революцию в океанической съемке, применив радиоэлектронную локацию для определения местоположения судов, что стало одним из его основных вкладов в океанографию . Его работа, связанная с этой техникой, также помогла разработать таблицы скорости звука под водой, позволяющие установить «истинные глубины» до пяти миль (8,0 км) с помощью эхолота.
Радиоакустическая дальнометрия была первым шагом на пути к современным электронным навигационным системам, системам океанографической телеметрии и развитию морской сейсмической разведки. Этот метод также заложил основу для разработки гидролокаторов, способных смотреть вперед и по сторонам от судов.
Радиогидроакустические буи береговой и геодезической службы, разработанные для поддержки радиоакустической локации, были предками гидроакустических буев, используемых сегодня кораблями и самолетами в противолодочной войне и подводных акустических исследованиях.
Смотрите также
использованная литература
внешние ссылки
- История NOAA: начало акустических работ побережья и геодезических изысканий
- История NOAA: профессиональные инструменты: радиоакустическая дальность
- 200-е место NOAA: Методы гидрографических исследований: Методы акустической съемки: Радиоакустическая дальность
- Обзор побережья NOAA: монументальная история
- Hydro International «Система без стационарных точек»
- ЭВОЛЮЦИЯ СОНОБУЙ.pdf Холлер, Роджер А., «Эволюция гидроакустического буя от Второй мировой войны до холодной войны», Журнал подводной акустики ВМС США , январь 2014 г.