رادار سونار (رادار دريايي)

رادار سونار (رادار دريايي)

سونار (sonar) ، ناوبری و تشخیص فاصله توسط صوت ( sound navigation and ranging) ، تکنولوژی است که با استفاده از انتشار صدا در زیر آب قادر به شناسایی دیگر ناوها یا کشتی ها است . در انگلستان این تکنولوژی با نام ASDIC ( 1948) شناخته شده است .

تاریخچهرادار سونار (رادار دريايي)

در سال 1906 ، اولین سونار غیر فعال جهت شناسایی توده های یخ توسط لوییس نیکسون اختراع گردید . در جنگ جهانی اول به علت نیاز به شناسایی اهداف دریایی تمایل به استفاده از سونار افزایش یافت . پاول دانکوین فرانسوی به همراه کنستانتین چلوسکی روس موفق به اختراع اولین سونار فعال در سال 1915 شدند . اگرچه مبدل های پیزوالکتریک نسبت به این سونار ترجیح داده شدند ، اما در جای خود این نوع سونارها آینده روشنی را در علم رادار شناسی باز کردند .

در سال 1916 زیر نظر بخش تحقیقاتی و اختراعات ناوگان دریایی بریتانیا ، رابرت بویل ( فیزیکدان کانادایی) ، پروژه ای را بر عهده گرفت و با تشکیل کمیته تحقیقاتی تشخیص ضدزیر دریایی ( یا زیردریایی )، (anti or alied submarine detection investigation committee ) موفق به ساخت نمونه آزمایشی شدند که با نام مخفف ASDIC شناخته می شود .

درسال 1918 انگلیس و ایالات متحده متفقا موفق به ساخت سیستم های مجهز به سونارفعال گشتند ، ودرسال 1923 تولید این نوع سیستم ها به طور رسمی آغاز گشت . تکنیک تشخیص نابودگرهای سیستم هایی که مجهز به تکنیک ASDIC بودند در سال 1922 ساخته شد .

پس از جنگ جهانی دوم ناوگان آمریکا اقدام به تولید کشتی ها و زیر دریایی های که دارای فناوری معروف به ماهی کوچک بودند ، کرد .

سونار فعال با ایجاد پالس های صوتی (معروف به پینگ) ، وسپس گوش دادن به پالس بازگشتی عمل میکند . برای تشخیص فاصله از هدف ، شخص می تواند مدت زمان بین دریافت و ارسال پالس را اندازه گیری کند. برای اندازه گیری جهت و راستای هدف می توان از هیدروفونیک های متعدد (hydrofonic) استفاده کرده ، و سپس زمان دریافت پالس توسط هر یک از این هیدروفون ها را اندازه گرفت ، و با مقایسه این زمان ها به راحتی می توان جهت و راستای هدف را تعیین نمود .



پالس ارسالی ممکن است دارای فرکانس ثابت بوده یا دارای چهچهه ای (chirp ) از تغییرات فرکانس حامل باشد . درحالت دوم ما شاهد تغییر نامطلوب در بسامد حامل موج پیوسته هستیم . و میتوان از روش فشرده سازی برای دست یابی به سیگنالی با باند باریک و عاری از فرکانس های نامطلوب استفاده کرد . درعمل هنگامی که سیگنال ما از نوع چهچهه ای است مدت زمان دریافت سیگنال افزایش میابد . در نتیجه ما سیگنال دریافتی را با انرژی کمتری نسبت به زمانی که سیگنال ما دارای یک فرکانس بود دریافت می کنیم . در حالت کلی رابطه بین فرکانس و مسافت بدین صورت است که برای مسافت های طولانی از فرکانس های ضعیف تری استفاده می شود .

در یکی از موارد کاربردی ما از این سونار به عنوان چراغ قوه استفاده می کنیم . از یکی از نقاط زیر زیردریایی یا کشتی سنسور به درون آب فرستاده شده و می تواند فواصل خواسته شده را اندازه گیری کند .یگی دیگر از کاربردهای سونار فعال در شناسایی توده ماهیهای درون آب است . یکی دیگر از کاربردهای سونار فعال درعملیات نظامی می باشد و این سونار قادر به ایجاد یک تصویر سه بعدی با وضوح بالا ازمحیط اطراف سونار می باشد .با این وجود از این نوع سونار در عملیات جاسوسی مورد استفاده قرار نمی گیرد .درادامه کاربردهای این نوع سونار را به طور دقیق تر مورد بررسی قرار می دهیم .

از سونار فعال می توان در اندازه گیری عمق دریا استفاده کرد ، که این عملکرد معروف به عمق سنجی آکوستیکی ( echo sounding) است .

از سونارهای فعال معمولا در اندازه گیری مسافت بین دو پاسخگر (transponder ) استفاده میگردد . پاسخ گر وسیله ای است که قادر به دریافت و ارسال پالس های نوع اول ( فرکانس ثابت ) می باشد . ونیز هنگامیکه این پاسخ گر پالسی را دریافت می کند بسته به میزان انرژی پالس دریافتی از خود عکس العمل نشان میدهد . برای اندازه گیری مسافت یکی از پاسخ گرها اقدام به تولید پالس می کند سپس به اندازه گیری مدت زمان ارسال به پاسخگر دیگر و دریافت پالس می پردازد .حال کافی است تنها سرعت صوت ( پالس ارسالی ) را درون آب بدانیم . یعنی در اینجا مدت زمان طی مسافت بین دو پاسخگر اندازه گرفته شده و در سرعت پالس در آب ضرب می کنیم تا مسافت بین دو پاسخگر بدست آید . با بکارگیری پاسخگرهای متعدد ما قادر به شناسایی نسبی موقعیت های اجسام ثابت و متحرک درون آب هستیم .

آنالیز داده های سونار فعال :

داده های کسب شده توسط سونار فعال با اندازه گیری صوت مشخص شده ، برای یک پریود زمانی کوچک پس از ارسال پینگ ، بدست می آید . مسافتی که پالس تا کف دریا یا هر جسمی که دارای خاصیت بازتابش آکوستیکی ( acoustic reflection) است می تواند با اندازه گیری زمان سپری شده بین ارسال پالس و تشخیص هدف انجام می گیرد . سایر ویرگی هایی راکه می توان از شکل پالس بازگشتی دریافت کرد به صورت زیر است :

در هنگام ارسال پالس به کف دریا یا اقیانوس ، برخی از پالس های بازگشتی با برخورد به فصل مشترک بین آب دریا و محیط خارج از آب مجددا بازتاب پیدا می کنند و برای دومین بار ازکف دریا بازتابیده می شوند . این امواج بازگشتی حامل اطلاعاتی است که بیانگر میزان خاصیت آکوستیکی آن ناحیه ازکف دریا می باشد .
بسته به میزان ناهمواری کف دریا ما شاهد زمان های متفاوتی از بازکشت پالس ارسالی خواهیم بود . برای زمانی که کف دریا صاف است ، اغلب موج های بازگشتی در یک مسیر باز تابیده میشوند در نتیجه ما شاهد اطلاعاتی حاکی از وجود گیاهان نوک تیز (sharp spike ) درکف دریا هستیم . برای سطوح با ناهمواری بیشتر موج های بازگشتی گستره وسیع تری را به خود اختصاص میدهند ، و بعضی از پالس های بازگشتی پس از چند بازتابش که ناشی از ناهمواری سطح کف دریا میباشد به سونار بازمیگردند .درنتیجه کاهش میزان گیاهان نوکتیز در داده ها بیانگر سطح ناصاف کف دریا می باشد .

سونار غیر فعال (passive sonar) :

در این نوع سونار ها تنها عمل گوش دادن (و عدم ارسال پالس ) انجام می شود . ازکاربردهای مهم این سونار می توان به عملیات جاسوسی که از این سونار بهره می برند اشاره کرد .

شناسایی منبع صدا (سونار)

سونارهای نظامی از راه های متعددی برای شناسایی منبع صوت استفاده می کنند . برای مثال ناوگان ایالات متحده از سیستم هایی که با جریان متناوب 60hz کار می کنند بهره می برد . در صورتی که ارسال کننده ها بر روی بدنه کشتی و با ایزولاسیون کامل سوار شده باشند یا اینکه در آب شناور شده باشند یک صوت با فرکانس 60 hz می توان از ژنراتورهای زیردریایی جهت کمک به تعیین اشیاء که اطراف زیردریایی هستند ساتع شوند . به طور قرار دادی اکثر زیردریایی های اروپا از فرکانس 50hz جهت توان سیستم های خود استفاده می کنند . نویز های ادواری نظیر پیچ ها یا تکان هایی که در زیردریایی هنگام افتادن در آب می کنند نیز برای سونار نیز قابل شناسایی است .

سیستم های سونار غیر فعال دارای اطلاعات بسیار مفیدی برای رادار هستند . با این وجود اغلب طبقه بندی های انجام شده به طور دستی و توسط اپراتور انجام می پذیرد . سیستم های کامپیوتری مکررا از اطلاعات پایه جهت تشخیص طبقه بندی کشتی ها سرعت کشتی نوع سلاح استفاده شده و حتی کشتی های خاص استفاده می کنند . داده های طبقه بندی شده مرتبا توسط ناوبر به روز میشود تا اشتباهی در دریافت اطلاعات رخ ندهد .

نویز (noise ) : (سونار)

سیستم های سونار غیر فعال به علت اغتشاشی که توسط وسیله نقلیه ایجاد می شود دارای محدودیت های بسیار هستند . به این دلیل اغلب زیر دریایی ها دارای واکنش پذیری هسته ای هستند که در نتیجه بدون استفاده از پمپاژها به راحتی می توانند سرد شوند و از انتقال دهنده های گرمای بی صدا یا استفاده از سوخت های فسیلی یا استفاده از باتری هایی که در تمامی حالات می توانند به طور بی صدا به فعالیت بپردازند استفاده کنند . وسایل انتقال دهنده مناسب با کمترین نویز ساتع شده به صورت دقیق طراحی و ماشینیزه می شوند . این انتقال دهنده های مناسب در سرعت های بالا تنها حبابهایی را درون آب ایجاد می کنند و همچنین صدای خفیفی ایجاد میکنند هیدروفونهای سونار های فعال به طور مستور به بدنه کشتی یا زیر دریایی یدک کشیده می شوند تا تاثیر نویز حاصل شده ناشی از خود زیردریایی کاهش یابد . این هیدروفون ها بسته به کاربرد آن ها می توانند در بالای محدوده دماشیب یا پایین آن یدک کشیده شوند .در سالهای زیادی ایالات متحده اقدام به ساخت و جایگزینی سونار های پسیو متعدد در نقاط مختلف اقیانوس های جهان کرد که مجموعه آنها را sosus می نامند . در تمام مت زمانی که عملیات نظامی نظیر اکتشاف انجام می شد آنها به صورت آهسته عمل کرده و به صورت کاملا مخفیانه یدک کشیده میشدند .

اغلب نمایشگر هایی که در سونارهای غیر فعال می بینیم دارای تصاویر دو بعدی هستند . محور افقی بیانگر فرکانس و محور عمودر بیانگر موقعیت رادار است .

مشکلاتی به وجود آمده است(سونار)

فرض کنیم که سونار قابلیت ارسال سیگنالی با انرژی 20 وات و دریافت سیگنالی با حداقل انرژی 5 وات باشد . حال فرض نمایید که در فاصله 500 متری انرژی سونار به میزان 10 وات کاهش یابد . در صورتی که سیگنالی که بازتابیده میشود به طور کامل بازتابیده می شود با انرژی بیش تر از 5 وات به دریافت کننده سیگنال می رسند سیگنال اصلی دارای انرژی بالاتر از سیگنال با انرژی بیش از 5 وات در فاصله بین 500 تا 1000 متری است . اما دراین فاصله سیگنال بازگشتی به سونار دارای انرژی کمتر از 5 وات است و در نتیجه توسط سنسور قابل شناسایی نیست و در صورتی که از بویه صوتی استفاده کنیم پالس بازگشتی قابل شناسایی است . گیرنده آکوستیکی یا فرستنده آکوستیکی رادیویی نصب شده روی بویه که می تواند از هواپیما یا چتر پایین انداخته شود تا صداهای زیر آبی زیر دریا ها را دریافت و آنها را به هواپیما ارسال کند . برای ردیابی هدف تعداد زیادی بویه با الگوهایی که دارای مکان های معلوم یا مشکوک بوده به حضور هدف فرستاده می شود که هر بویه سیکنال قابل شناسایی خود را ارسال میکند .

جهت شناسایی سیگنال بازگشتی دو راه وجود دارد(سونار)

سیگنال ارسالی بسیار پر قدرت باشد .
شناساگرها بسیار حساس باشند تا بتوانند حداکثر فاصله رفت و برگشتی را که موج بازگشتی ارسال میکند تشخیص دهند.
زمانی که سونارهای فعال ایجاد نویز های شدید می کنند در نتیجه کسب اطلاعات توسط آنها ضعیف می باشد این نوع تشخیص توسط وسایلی که سکوها بروی آنها نصب می شوند نظیر هواپیما و هلی کوپترها انجام می گیرد وبه ندرت از زیر دریایها یا کشتی ها استفاده می گردد . زمانی که سونارهای فعال توسط کشتی ها یا زیر دریایی ها مورد استفاده قرار می گیرند این سونارها بوسیله تحریک های کوچک ادواری فعال می شوند( به وسیله پریود های متناوب و به وسیله تحریک های ضعیف ) جهت کاهش خطر شناسایی زیر دریایی توسط سونارهای غیر فعال دشمن در اغلب موارد سونار فعال به صورت پشتیبانی برای سونارهای غیر فعال در نظر گرفته می شود . زمانی که از هواپیما استفاده می شود سونارهای فعال درقالب بویه های یک بار مصرف استفاده می شوند که در هواپیماهای گشت زنی یدک کشیده می شوند یا در مجاورت یا نزدیکی محدوده ای که با سونارهای دشمن در ارتباط هستند انداخته می شوند بطور کلی سونارهای غیر فعال دارای محدوده و بست عملکرد گسترده تر نسبت به سونارهای فعال جهت شناسایی و کسب اطلاعات مورد نظر از هدف هستند .

زمانی که هر یک از وسایل موتور ریزه شده تولید بعضی تحریکات می کنند ممکن است سونار مورد نظر شناسایی شود . جهت بهبود وضعیت شناسایی سونارهای غیر فعال این سونارها دارای چشمی هستند چشمی مرکزی دارای دید 270 درجه است و دو چشمی دیگر که در دو سمت سونار تعبیه می شود هر کدام دارای دید 160 ردجه می باشد در نتیجه سونار دارای دید 360 درجه نسبت به محیط اطراف خودمی گردد. دراینجابا دو مسئله مواجه می شویم نخست نویزهای که زیر دریایی تولید می کند دیگر سیگنالهای دریافتی رسیده به سونار هنگامی که یک سیگنال در یک جهت مشخص شناسایی می شود و توسط سونار تعیین می گردد ( بدین معنا که هر سونار دارای ناحیه دیدی است که قادر به شناسایی سیگنالهای دریافتی است که به آن پهنای باند موقعیت گفته می شود ) این سیگنال توسط سونار آنالیز می شود ( آنالیز با استفاده از پهنای باند باریک ) که به طور کلی از تبدیل فوریه برای مشخص کردن سیگنال و آنالیز آن استفاده می شود سیگنال اصلی دارای فرکانسی است وهر کدام از موتورها نویزهای با فرکانس مشخص تولید می کنند در نتیجه با استفاده از یک فیلتر فرکانس گزین به راحتی سیگنال اصلی از داخل سیگنال همراه با نویز تشخیص داده می شود .

کاربرد سونار

یکی دیگر از کاربردهای سونارهای غیر فعال در مسیریابی اهداف می باشد . این فرایند با نام آنالیز حرکت هدف( Target motion Analysis) شناخته می شود و قادربه مشخص کردن محدوده حرکت هدف جهت راستا و سرعت هدف می باشد . TMA طی فرایند خاصی وبا استفاده از دریافت سیگنالهای با جهت های مشخص از زمانهای متفاوت انجام می گیرد وهر سیگنال بیانگر مکانی است که هدف در آنجا قرار می گیرد با مقایسه این مکانها توسط اپراتور می توان نحوه حرکت را مشخص کرد . هنگامی که آنالیز حرکت نسبی هدف انجام می گیردبه یک مدل هندسی که با تعیین شرایط محدود انجام می پذیرد دست می یابیم .

یکی دیگر از کاربردهای سونارغیر فعال انجام عملیاتهای جاسوسی می باشد. در اینجا وجود تکنولوژی بالا از جمله فیلترهای فرکانس گزین و نیز دریافت کننده های حساس ضروری است . در نتیجه هزینه سیستمها سنگین می شود بطور کلی این آرایش در کشتیهای گران قیمت جهت بهبود وضعیت تشخیص ( شناسایی آنها ) استفاده می شود . زیردریایی های مجهز به سونارهای غیر فعال دارای این قابلیت هستند که در زیر لایه های حرارتی آب مخفی شده یا اینکه با پائین رفتن در جهت عمق دریا می توانند سرعت خود را بهبود بخشند. البته متعاقبا نویزهای تولید شده نیز افزایش می یابد.