Side-Scan-Sonar

Side-Scan-Sonar

GEOLOGIE UND MARINE BIOLOGIE

Side-Scan-Sonar

Ich wollte den Vortrag weiter vorstellen ein Werkzeug, das heute in der Meeresgeologie weit verbreitet istIch spreche über die Side-Scan-Sonar.

Es wurde erstmals zwischen 1950 und 1960 seitdem experimentiert Professor Harold Edgerton in Hudsons Ozeanographielabors. Dieses Instrument wurde zuerst von der US-Marine verwendet und dann in einen hervorragenden Verbündeten zur Identifizierung von Wracks verwandelt. Erst nach einigen Jahren wurde es für die Untersuchung des Meeresbodens verwendet.

Es ist in der Tat ein Sonar, aber anders als diesesgibt ein dreidimensionales Bild des Meeresbodens zurück, das seitliche Impulse abgeben kann. Die von ihm ausgesendeten Schallimpulse liegen zwischen 100 und 500 kHz. Je höher jedoch die verwendete Frequenz und damit die Bildauflösung ist, desto geringer ist der Betrachtungswinkel. Es wird daher der Techniker sein, während die Analyse des Hintergrunds fortschreitet, zu entscheiden, ob er eine breitere Ansicht oder ein definierteres Bild bevorzugt.

Das Side-Scan-Sonar wird gebildet durch ein Instrument ähnlich einem kleinen Torpedo, der im Wasser vorgeht, genannt "Fisch", von einem Kabel welches die auf dem Boot gesammelten Daten trägt und von eine Datensteuerungs- und Aufzeichnungseinheit, normalerweise ein Laptop.

Die Unterwassereinheit wird vom Boot gezogen Auf den zuvor festgelegten Routen wird jede Anomalie aufgrund der Geschwindigkeit des Fahrzeugs automatisch korrigiert. Das Instrument verwendet nicht die Reflexion der Schallwellen, sondern deren Beugung. Der Schallimpuls wird von zwei auf dem "Fisch" vorhandenen Wandlern gesendet: if Eine Welle trifft auf eine Oberfläche, deren Winkel der Welle selbst zugewandt ist, z. B. eine nicht verbundene Oberfläche. Die Wellenfront biegt sich um die Unterbrechungen, wodurch eine gebeugte Welle entsteht. Jeder Punkt des Hintergrunds, den eine Schallwelle erreicht, wird, wenn er geeignete Eigenschaften aufweist, zu einer Quelle gebeugter Wellen.

Die Frequenz und Länge der Welle hängen von den Eigenschaften des Bodens ab. Die Rückkehr der Schallwelle es wird daher von den Wandlern aufgezeichnet und das Signal wird in ein Bild umgewandelt, das aus einer Reihe von Linien besteht, die aus einzelnen Punkten (Pixeln) bestehen. Jede Zeile ist die Darstellung der Echos, die durch einen einzelnen Impuls erzeugt werden. Basierend auf der Amplitude des Rücksignals (daher der Morphologie des Hintergrunds) erzeugt das Instrument ein Bild in Graustufen, ähnlich einem Luftbild in Schwarzweiß.

Sobald die Daten aufgezeichnet sind, werden wir "Streifen" des Meeresbodens haben, die als endgültige Karte an den Benutzer zurückgegeben werden sollen, werden von einer bestimmten Software verarbeitet.

Side-Scan-Sonar wird für eine Vielzahl von Dingen verwendet: Identifizierung von Wracks, Identifizierung von Gefahren für die Navigation, Untersuchung der Bathymetrie zur Positionierung von Kabeln oder Öl / Gas-Kanälen und zur Erstellung detaillierter Karten.

Es gibt zwei Arten von Werkzeugen: eine für die Vermessung der Küsten innerhalb von 400 Metern und eine für tiefe Gewässer über 1000 m.

Bei Untersuchungen auf hartem Boden, also auf Gestein, wird die Verwendung des Side-Scan-Sonars aufgrund der Unleserlichkeit der erhaltenen Daten nicht empfohlen.

Dr. Rossella Stocco


Side-Scan-Sonar


Das Side-Scan-Sonar erzeugt mithilfe von Schallwellen ein Bild des Bodens. Während dies wie ein Bild aussehen kann, hängt das Bild von der Wechselwirkung der Schallwellen mit dem Boden ab. Das System berechnet anhand der Zeit der Rückkehr eine Entfernung und zeigt dann die Intensität der Rückkehr in einem Grauton an. Die Intensität der Rückgabe hängt ab von:

  • Härte des Bodens. Harte, felsige Böden reflektieren den größten Teil des Klangs, während weiche, schlammige Böden den größten Teil der Energie absorbieren. Vom Menschen geschaffene Merkmale sind im Allgemeinen schwierig, und Dinge wie Krabbentöpfe haben eine Reihe von abgewinkelten Oberflächen, die sich wie die Radarreflektoren an den Masten eines Segelboots verhalten, um viel Energie zu reflektieren und größer erscheinen können, als sie tatsächlich sind.
  • Glätte des Bodens. Ein glatter Boden wirkt wie ein Spiegel und reflektiert den Schall nur in eine Richtung. Wenn der Strahl also nicht in einem Winkel von 90 ° auf den Boden trifft, kehrt die Reflexion nicht zum Schleppfisch zurück. Eine raue Oberfläche streut den Schall und einige kehren zurück. Was glatt ist, hängt von der Wellenlänge der Energie ab - für Licht muss ein Spiegel unglaublich glatt sein (etwa 500 Nanometer), aber für die Sonare ist glatt oder rau auf der Skala von einigen Zentimetern, was der Größe von entspricht die Radarenergie, die für einige Kartierungsanwendungen an Land verwendet wird.
  • Neigung des Bodens. Es gibt bessere Renditen, wenn das Geräusch auf einen Boden trifft, der vom Fisch abfällt, und wenige Renditen, wenn der Boden abfällt.

  • Schwadbreite: die auf beiden Seiten des Schleppfisches zurückgelegte Strecke. Dies wird im Allgemeinen durch einen festen Depressionswinkel für die emittierten Schallstrahlen bestimmt, und die tatsächliche Breite hängt von der Höhe des Fisches über dem Boden ab, die gesteuert werden kann.
  • TWTT (Zwei-Wege-Reisezeit): Die Zeit, die der Ton benötigt, um vom Schleppfisch zum Ziel zu gelangen und zurückzukehren. Aus der TWTT und der Schallgeschwindigkeit kann der Neigungsbereich zum Ziel berechnet werden.
  • Neigungsbereich: Entfernung zum Ziel, die der Schall zurücklegt. Es ist die Hypotenuse des Dreiecks mit der Fischhöhe und dem tatsächlichen horizontalen Bodenabstand wie die anderen Beine.
  • Zurücklehnen.
  • Überqueren Sie die Spur und entlang der Spur: Jeder Ping des Seitenscans sammelt Daten in Querrichtung senkrecht zum Schiffs- und Schleppfischpfad. Wenn sich der Schleppfisch in Richtung der Spur bewegt, wird der nächste Ping verschoben und die nächste Linie in Richtung der Spur abgebildet. Der Teil des Bildes, der die Wassersäule zeigt, zeigt die Richtung entlang der Spur an. Wenn das Bild geometrisch korrigiert wurde, um die Wassersäule zu entfernen, zeigen die verzerrten Pixel die Richtung entlang der Spur.
Starke Renditen werden jetzt im Allgemeinen in Weiß und keine Renditen in Schwarz angezeigt, was den Klangschatten bezeichnet. Dies war bei den ersten Systemen nicht immer der Fall, bei denen nur ein Papierrekorder verwendet und nur schwarze Tinte auf die Ziele aufgetragen wurde. Sie sollten immer die Farbkonvention überprüfen, die in den Bildern verwendet wird, die Sie betrachten. Manchmal werden auch Farben verwendet, um sehr starke Renditen hervorzuheben und einen Wachposten wachsam zu halten, wenn sie eingehen. Ein goldenes Farbschema ist heute am gebräuchlichsten.
GraustufenKundenspezifische Goldfarbskala

Niedrigere Frequenzen dämpfen weniger und weiter entfernte Wale verwenden niedrige Frequenzen, um die Reichweite ihrer Kommunikation zu erhöhen.

Abbildung 1 zeigt zwei Ansichten des U-Bootes S5. Das Bild links ist kleiner, was darauf hinweist, dass das Sonar mit einer größeren Reichweite betrieben wurde. Dies liefert weniger Details, deckt jedoch einen großen Bereich ab und ist im Allgemeinen die Art und Weise, wie Sonare bei der Suche verwendet werden. Side-Scan-Sonare sind so konzipiert, dass sie den Meeresboden von der Seite betrachten und eine sehr schlechte Geometrie direkt unter dem Schleppfisch bieten (Abbildung 2). Sowohl in Abbildung 1 als auch in Abbildung 2 ist die Spur des Schleppfisches durch die großen Pixel dargestellt. Für das Bild der S5 wechselten sie, nachdem das NOAA-Vermessungsschiff das Wrack gefunden hatte, zu einer kurzen Reichweite auf dem Seitenscan, um ein besseres Bild zu erhalten, und kehrten für einen zweiten Durchgang zurück, wobei die Schiffsspur in die gleiche Richtung wie das Wrack ausgerichtet war . Außerdem versicherten sie, dass sich das Wrack in der Mitte eines Kanals und nicht unter dem Fisch befand. Wenn die Umfrage, die Abbildung 12 erhalten hat, an Details des Wracks interessiert wäre, hätten sie einen zweiten Durchgang gemacht und versichert, dass sie an der Seite des Wracks vorbeigekommen sind. Der Schleppfisch muss nicht nur nicht über das Wrack fahren, sondern auch nahe am Boden sein, um die Schatten zu verstärken. Beachten Sie, dass in Abbildung 11 die Schatten mehr Informationen liefern als der tatsächlich abgebildete Teil des Wracks.

Der beleuchtete Bereich ist die Reflexion und dunkel ist der Schatten.

Vermessungsgefäße können gleichzeitig Multibeam-Bathymetrie- und Side-Scan-Sonarbilder erfassen (Abbildung 7), und die Kombination dieser Ergebnisse erhöht die Sichtbarkeit eines Analytikers in den Daten erheblich (Abbildung 13).

Abbildung 13. Vergleich älterer Side-Scan- und Mehrstrahlsysteme am Schiffswrack. Die neueren Systeme mit höherer Auflösung befinden sich rechts neben dem Bild.

Die Seitenscan-Vermessung hat eine Schwadbreite, die den abgedeckten Bereich darstellt. Es ist etwas weniger als das Doppelte des Bereichs, da der angegebene Bereich der Neigungsbereich für jeden Kanal ist. Befindet sich der Fisch in der bevorzugten Höhe (15% der Schwadbreite), beträgt der horizontale Abstand am Boden etwa 99% der Reichweite. Wenn die Schiffsspuren genau doppelt so groß wären wie die Reichweite, würden Sie eine fast 100% ige Abdeckung erhalten, aber die Region direkt unter dem Schleppfisch hätte eine schreckliche Abdeckung. Wenn die Schiffsspuren den halben Abstand hätten, würden Sie jeden Punkt auf dem Boden zweimal abdecken, und die Region direkt unter dem Fisch in einem Durchgang würde sich am Rand des nächsten Durchgangs befinden. In beiden Fällen möchten Sie, dass der Abstand etwas enger ist, um Lücken zu vermeiden. Welchen Abstand Sie wählen, hängt von der verfügbaren Zeit und dem verfügbaren Geld sowie von den potenziellen Kosten ab, die entstehen, wenn Sie das Gesuchte verpassen.

Das Side-Scan-Sonar sammelt Bilder. Ein verwandtes System, Multibeam- oder Schwad-Bathymetrie, sammelt Tiefeninformationen.


Side-Scan-Sonar

Mit der branchenweit führenden Software zur Kartierung des Meeresbodens können Vermesser:

  • Erkennen Sie kleine Ziele über eine verbesserte Auflösung über die gesamte Spur.
  • Identifizieren Sie Unterschiede zwischen alten und neuen Umfragen mithilfe der SonarWiz-Tools für Transparenz, Wischen oder Zeilenverschiebung.
  • Bewahren Sie die volle Wiedergabetreue von Sonardaten in mehreren Formaten. Mit SonarWiz können Sie beispielsweise XTF nach Industriestandard oder herstellerspezifische Formate wie Edgetech JSF oder Kongsberg-GeoAcoustics GCF aufzeichnen.
  • Vereinfachen Sie die Missionsausführung mithilfe einer einzigen, leicht zu erlernenden Mapping-Lösung.
  • Erstellen Sie dank verbesserter Bearbeitungsfunktionen überlegene Kontaktberichte. Exportieren Sie Daten einfach in eine Vielzahl von Formaten, einschließlich PDF, OpenOffice, Microsoft Word und HTML.
  • Optimieren Sie die Zeit auf dem Wasser mithilfe ausgefeilter Planungswerkzeuge.
  • Reduzieren Sie die Kosten, indem Sie die Echtzeit-Datenerfassung nutzen, um Qualität und Abdeckung zu bestätigen, bevor Sie den Abdeckungsbereich verlassen.
  • Generieren Sie hochmoderne Mosaike, Kontakt- und Wasserfallbilder mit hochauflösenden 64-Bit-Displays.

SonarWiz-Funktionsdetails

Umfrageplanung
  • Laden Sie Hintergrundkarten und Diagramme aus einer Reihe von Formaten, einschließlich DNC, RNC, S57 und GeoTIFF.
  • Planen Sie Vermessungslinien automatisch parallel zu einer Referenzlinie innerhalb eines Polygons, basierend auf Effizienz oder herkömmlichen Mustern.
  • Generieren Sie geplante Vermessungskarten als GeoPDF, GeoTIFF, ECW, JPEG oder Google Earth.
  • Schätzen Sie den Zeitpunkt der Umfrage.
Nachbearbeitung
  • Vorschau von Dateien mit der SNIFF-Funktion.
  • Hinzufügen und Korrigieren von Navigationsdaten mit NavInjectorPro.
  • Nutzen Sie die erweiterte Signalverarbeitung und Verstärkungsregelung und nutzen Sie Funktionen wie Abstrahlwinkelkorrektur, De-Striping, nichtlineares TVG pro Kanal, AGC, Bandpassfilterung und -stapelung, Kontakterfassung (Zielerfassung), Annotation und zusammenfassende Berichterstellung über 3D Viewer .
  • Verwenden Sie flexible Layback-Konfigurationen.
  • Leicht druckbare Ausgabe.
  • Isopach-Shapefile / Grid-Erzeugung vom Typ Isopach aus ausgewählten Variablen (z. B. Höhe + Tiefe).
Hardwarekompatibilität

SonarWiz ist mit der folgenden Sonar-Hardware kompatibel:

  • Atlas NA, C-MAX, EdgeTech, Falmouth Scientific, GeoAcoustics, Imagenex, Innomar, Jetasonic, Klein Marine Systems, Knudsen, Kongsberg Hugin AUV, Kongsberg Mesotech, Marine Sonic, PingDSP, R2Sonic, SyQwest, Teledyne Benthos, Teledyne Gavia, Teledyne Odom und Tritech.
  • Eine Liste der vielen von uns unterstützten Formate finden Sie in unseren unterstützten Schnittstellen und Dateiformaten. Wenn Sie keinen sehen, müssen Sie nur fragen!


Dinge, die beim Kauf eines Tiefenmessers mit seitlicher Bildgebung zu beachten sind

Es gibt einige wichtige Dinge zu beachten, wenn Sie in Tiefenmesser für Seitenansichten investieren.

Nachstehend sind folgende aufgeführt:

Leistung

Hohe Leistung ist immer gut. Aus diesem Grund ist die Wahl einer mit höheren Wattzahlen gut, um eine stärkere Leistung zu erzielen.

Frequenzen

Sie müssen sicherstellen, welche Auflösungen Sie genau benötigen. Bestimmen Sie einfach, ob Sie einzelne, doppelte oder mehrere Frequenzen benötigen. Frequenzen spielen eine wichtige Rolle für die Effektivität der Sonarscanner.

Als Faustregel gilt, dass die Frequenz umso höher ist, um mehr Details auf dem Bildschirm zu erhalten. Viele erfahrene Fachleute sind jedoch der Meinung, dass niedrigere Frequenzen ideal für tiefere Gewässer und höhere Frequenzen für flaches Wasser sind.

Bildschirmauflösung

Eine höhere Bildschirmauflösung ist immer gut. Es hilft Ihnen, mehr Detailansichten zu erhalten und Ihr Ziel zu bestimmen.

Wandler

Wandler werden verwendet, um Sonarwellen durch das Wasser zu senden, um in digitale Darstellungen von nicht lebenden Objekten, Strukturen und Lebewesen wie Fleisch zu gelangen. Schallköpfe sind für die Herstellung von Fischfindungswerkzeugen unerlässlich.

Bildschirmfarbe

Die Auswahl hochauflösender Bildschirme ist gut geeignet, um eine Vielzahl von Farben zu erhalten, mit denen Sie verschiedene Objekte leicht unterscheiden können. Deshalb ist hier die richtige Bildschirmauswahl wichtig.

Was ist ein Side-Imaging-Fischfinder?

Wie der Name schon sagt, ist ein seitlich abbildender Fischfinder im Grunde ein Sonargerät, mit dem Fische unter Wasser gefunden werden können. Sie können Ihre Zeit auf dem Wasser optimal nutzen. Es verwendet Sonartechnologie, die mit einem bestimmten Wandler geliefert wird. Sie müssen es nur an der Außenseite der Bootsspiegel anbringen, um einen Blick auf den Fischschwarm zu haben.

Der nützliche Aspekt des Side-Scan-Fischfinders

Mit Hilfe eines Side-Imaging-Fischfinders können Sie reichhaltige Fanggebiete und die Existenz von Fischschwärmen bestimmen. Folglich können Sie die notwendigen Maßnahmen ergreifen, um die Fische leicht zu fangen. So können Sie Ihr Angelerlebnis vereinfachen.

Basierend auf den besten Bewertungen von Fischsuchern haben wir die besten Scan-Fischfinder (von 2021) mit den besten Technologien ausgewählt, um ein reibungsloses Erlebnis zu gewährleisten.


Das Side-Scan-Sonar kann verwendet werden, um Untersuchungen zur Meeresarchäologie in Verbindung mit Meeresbodenproben durchzuführen. Es kann ein Verständnis der Unterschiede in Material und Textur des Meeresbodens vermitteln. Side-Scan-Sonarbilder sind auch ein häufig verwendetes Werkzeug zum Erkennen von Fremdkörpern und anderen Hindernissen auf dem Meeresboden, die für die Schifffahrt oder für Meeresbodeninstallationen durch die Öl- und Gasindustrie gefährlich sein können. Darüber hinaus kann der Status von Pipelines und Kabeln am Meeresboden mithilfe eines Side-Scan-Sonars untersucht werden. Side-Scan-Daten werden häufig zusammen mit bathymetrischen Messungen und Sub-Bottom-Profiler-Daten erfasst, um einen Einblick in die flache Struktur des Meeresbodens zu erhalten. Side-Scan-Sonar wird auch für Fischereiforschung, Baggerarbeiten und Umweltstudien verwendet. Es hat auch militärische Anwendungen einschließlich Minensuche.

Beim Side-Scan wird ein Sonargerät verwendet, das konische oder fächerförmige Impulse über einen weiten Winkel senkrecht zum Pfad des Sensors durch das Wasser zum Meeresboden hin abgibt, der von einem Oberflächenschiff oder U-Boot gezogen oder auf dem Schiff montiert werden kann Rumpf. Die Intensität der akustischen Reflexionen vom Meeresboden dieses fächerförmigen Strahls wird in einer Reihe von quer verlaufenden Schnitten aufgezeichnet. Wenn diese Scheiben entlang der Bewegungsrichtung zusammengenäht werden, bilden sie ein Bild des Meeresbodens innerhalb des Schwads (Abdeckungsbreite) des Strahls. Die im Side-Scan-Sonar verwendeten Schallfrequenzen reichen normalerweise von 100 bis 500 kHz. Höhere Frequenzen ergeben eine bessere Auflösung, aber eine geringere Reichweite.

Technologie bearbeiten

Die frühesten Side-Scan-Sonare verwendeten einen einzelnen Konusstrahlwandler. Als nächstes wurden Einheiten mit zwei Wandlern hergestellt, um beide Seiten abzudecken. Die Wandler waren entweder in einem am Rumpf montierten Paket oder mit zwei Paketen auf jeder Seite des Gefäßes enthalten. Als nächstes entwickelten sich die Wandler zu fächerförmigen Strahlen, um ein besseres "Sonogramm" oder Sonarbild zu erzeugen. Um in tiefem Wasser näher an den Boden zu kommen, wurden die Side-Scan-Wandler in einen "Schleppfisch" gelegt und mit einem Schleppkabel gezogen.

Bis Mitte der 1980er Jahre wurden kommerzielle Side-Scan-Bilder auf Papieraufzeichnungen erstellt. Die frühen Papieraufzeichnungen wurden mit einem schwungvollen Plotter erstellt, der das Bild in eine scrollende Papieraufzeichnung brannte. Spätere Plotter ermöglichten das gleichzeitige Plotten von Positions- und Schiffsbewegungsinformationen auf die Papieraufzeichnung. In den späten 1980er Jahren entwickelten kommerzielle Systeme, die die neueren, billigeren Computersysteme verwendeten, digitale Scan-Konverter, die die analogen Scan-Konverter, die von den militärischen Systemen verwendet wurden, um TV- und Computer-angezeigte Bilder des Scans zu erzeugen und sie auf Videoband zu speichern, billiger nachahmen konnten . Derzeit werden Daten auf Computerfestplatten oder Solid-State-Medien gespeichert.

Militärische Anwendung Bearbeiten

Einer der Erfinder des Side-Scan-Sonars war der deutsche Wissenschaftler Dr. Julius Hagemann, der nach dem Zweiten Weltkrieg in die USA gebracht wurde und von 1947 bis zu seinem Tod 1964 im US Navy Mine Defense Laboratory in Panama City, FL, arbeitete. Seine Arbeit ist im US-Patent 4,197,591 [1] dokumentiert, das erstmals im August 1958 veröffentlicht wurde, jedoch von der US-Marine bis zu seiner endgültigen Erteilung im Jahr 1980 klassifiziert blieb. Experimentelle Side-Scan-Sonarsysteme wurden in den 1950er Jahren in Laboratorien einschließlich der Scripps Institution hergestellt of Oceanography and Hudson Laboratories und von Dr. Harold Edgerton am MIT.

Militärische Side-Scan-Sonare wurden in den 1950er Jahren von Westinghouse hergestellt. Später wurden im Westinghouse-Werk in Annapolis bis in die 1990er Jahre fortschrittliche Systeme für spezielle militärische Zwecke entwickelt und gebaut, z. B. um auf See verlorene H-Bomben oder ein verlorenes russisches U-Boot zu finden. Diese Gruppe produzierte auch die erste und einzige Arbeit Angle Look Sonar das könnte Objekte verfolgen, während man unter das Fahrzeug schaut.

Kommerzielle Anwendung Bearbeiten

Das erste kommerzielle Side-Scan-System war das Kelvin Hughes "Transit Sonar", ein umgebauter Echolot mit einem einkanaligen, polmontierten Fächerstrahlwandler, der um 1960 eingeführt wurde. 1963 stellten Dr. Harold Edgerton, Edward Curley und John Yules verwendete ein 12-kHz-Side-Scan-Sonar mit konischem Strahl, um das versunkene Vineyard Lightship in Buzzards Bay, Massachusetts, zu finden. Ein Team unter der Leitung von Martin Klein bei Edgerton, Germeshausen & Grier (später EG & G., Inc.) entwickelte von 1963 bis 1966 das erste erfolgreiche zweikanalige kommerzielle Side-Scan-Sonarsystem "Vater" eines kommerziellen Side-Scan-Sonars. 1967 benutzte Edgerton Kleins Sonar, um Alexander McKee bei der Suche nach dem Flaggschiff von Henry VIII zu helfen Mary Rose. Im selben Jahr benutzte Klein das Sonar, um dem Archäologen George Bass zu helfen, ein 2000 Jahre altes Schiff vor der türkischen Küste zu finden. 1968 gründete Klein Klein Associates (jetzt Klein Marine Systems) und arbeitete weiter an Verbesserungen, einschließlich der ersten kommerziellen Hochfrequenzsysteme (500 kHz) und der ersten Zweifrequenz-Side-Scan-Sonare sowie der ersten kombinierten Side-Scan- und Sub-Scan-Sonare Bottom Profiling Sonar. 1985 produzierte Charles Mazel von Klein Associates (jetzt Klein Marine Systems, Inc.) die ersten kommerziellen Side-Scan-Sonartrainingsvideos und das erste Side Scan Sonar Trainingshandbuch und zwei Ozeanographen fanden das Wrack des RMS Titanic.

Für die Vermessung großer Gebiete wurde das GLORIA-Seitenscan-Sonar von Marconi Underwater Systems und dem Institut für Ozeanographische Wissenschaften (IOS) für NERC entwickelt.GLORIA steht für Geological Long Range Inclined Asdic. [2] Es wurde vom US Geological Survey und dem IOS in Großbritannien verwendet, um Bilder von Festlandsockeln weltweit zu erhalten. Es wurde bei relativ niedrigen Frequenzen betrieben, um eine große Reichweite zu erzielen. Wie die meisten Side-Scan-Sonare wird das GLORIA-Instrument hinter einem Schiff gezogen. GLORIA hat eine Ping-Rate von zwei pro Minute und erkennt Rückflüsse aus einer Reichweite von bis zu 22 km zu beiden Seiten des Sonarfisches.


Inhalt

  • 1 Geschichte
    • 1.1 ASDIC
    • 1.2 SONAR
    • 1.3 US Navy Underwater Sound Laboratory
    • 1.4 Materialien und Designs in den USA und Japan
    • 1.5 Spätere Entwicklungen bei Wandlern
  • 2 Aktives Sonar
    • 2.1 Projekt Artemis
    • 2.2 Transponder
    • 2.3 Leistungsvorhersage
    • 2.4 Handsonar zur Verwendung durch einen Taucher
    • 2.5 Aufwärtsgerichtetes Sonar
  • 3 Passives Sonar
    • 3.1 Schallquellen identifizieren
    • 3.2 Geräuschbegrenzungen
    • 3.3 Leistungsvorhersage
  • 4 Leistungsfaktoren
    • 4.1 Schallausbreitung
    • 4.2 Streuung
    • 4.3 Zielmerkmale
    • 4.4 Gegenmaßnahmen
  • 5 Militärische Anwendungen
    • 5.1 U-Boot-Abwehr
    • 5.2 Torpedos
    • 5.3 Minen
    • 5.4 Minengegenmaßnahmen
    • 5.5 U-Boot-Navigation
    • 5.6 Flugzeuge
    • 5.7 Unterwasserkommunikation
    • 5.8 Ozeanüberwachung
    • 5.9 Unterwassersicherheit
    • 5.10 Handsonar
    • 5.11 Sonar abfangen
  • 6 Zivilanträge
    • 6.1 Fischerei
    • 6.2 Echo ertönt
    • 6.3 Nettostandort
    • 6.4 ROV und UUV
    • 6.5 Fahrzeugstandort
    • 6.6 Prothese für Sehbehinderte
  • 7 Wissenschaftliche Anwendungen
    • 7.1 Biomasseschätzung
    • 7.2 Wellenmessung
    • 7.3 Wassergeschwindigkeitsmessung
    • 7.4 Bewertung des Bodentyps
    • 7.5 Bathymetrische Zuordnung
    • 7.6 Profilerstellung unter dem Boden
    • 7.7 Gaslecksuche am Meeresboden
    • 7.8 Synthetische Sonaröffnungen
    • 7.9 Parametrisches Sonar
    • 7.10 Sonar in außerirdischen Kontexten
  • 8 Auswirkung des Sonars auf das Leben im Meer
    • 8.1 Auswirkungen auf Meeressäuger
    • 8.2 Wirkung auf Fische
  • 9 Frequenzen und Auflösungen
  • 10 Siehe auch
  • 11 Explantationsnotizen
  • 12 Zitate
  • 13 Allgemeine Bibliographie
    • 13.1 Referenzen zur Fischereiakustik
  • 14 Weiterführende Literatur
  • 15 Externe Links

Obwohl einige Tiere (Delfine, Fledermäuse, einige Spitzmäuse und andere) seit Millionen von Jahren Schall zur Kommunikation und Objekterkennung verwenden, wird die Verwendung durch Menschen im Wasser zunächst von Leonardo da Vinci im Jahr 1490 aufgezeichnet: Ein in das Wasser eingeführtes Rohr wurde soll verwendet werden, um Gefäße zu erkennen, indem ein Ohr an die Röhre gelegt wird. [4]

Im späten 19. Jahrhundert wurde eine Unterwasserglocke als Hilfsmittel für Leuchttürme oder Feuerschiffe verwendet, um vor Gefahren zu warnen. [5]

Die Verwendung von Geräuschen zum "Echo-Lokalisieren" unter Wasser auf die gleiche Weise, wie Fledermäuse Geräusche für die Luftnavigation verwenden, scheint von der Titanic Katastrophe von 1912. [6] Das erste Patent der Welt für ein Unterwasserecho-Entfernungsmessgerät wurde einen Monat nach dem Untergang des englischen Meteorologen Lewis Fry Richardson beim britischen Patentamt angemeldet Titanic, [7] und ein deutscher Physiker Alexander Behm erhielten 1913 ein Patent für einen Echolot. [8]

Der kanadische Ingenieur Reginald Fessenden baute während seiner Arbeit für die Submarine Signal Company in Boston, Massachusetts, ab 1912 ein experimentelles System, das später im Hafen von Boston getestet wurde, und schließlich 1914 aus den USA. Revenue Cutter Du liebst mich auf den Grand Banks vor Neufundland. [7] [9] In diesem Test demonstrierte Fessenden Tiefenerkundung, Unterwasserkommunikation (Morsecode) und Echoentfernung (Erkennung eines Eisbergs in einer Entfernung von 3,2 km). [10] [11] Der "Fessenden-Oszillator", der mit einer Frequenz von etwa 500 Hz betrieben wurde, konnte die Peilung des Eisbergs aufgrund der Wellenlänge von 3 Metern und der geringen Abmessung der Strahlungsfläche des Wandlers (weniger als 1 ⁄) nicht bestimmen3 Wellenlänge im Durchmesser). Die zehn in Montreal gebauten britischen U-Boote der H-Klasse, die 1915 gestartet wurden, waren mit Fessenden-Oszillatoren ausgestattet. [12]

Während des Ersten Weltkrieges führte die Notwendigkeit, U-Boote zu entdecken, zu weiteren Untersuchungen zur Verwendung von Schall. Die Briten nutzten frühzeitig Unterwasser-Abhörgeräte, sogenannte Hydrophone, während der französische Physiker Paul Langevin 1915 in Zusammenarbeit mit einem russischen Elektrotechniker mit Migrationshintergrund Constantin Chilowsky an der Entwicklung aktiver Schallgeräte zur Erkennung von U-Booten arbeitete. Obwohl piezoelektrische und magnetostriktive Wandler später abgelöst wurden Durch die von ihnen verwendeten elektrostatischen Wandler beeinflusste diese Arbeit zukünftige Konstruktionen. Für Hydrophone wurden leichte schallempfindliche Kunststofffolien und Glasfasern verwendet, während für Projektoren Terfenol-D und PMN (Bleimagnesiumniobat) entwickelt wurden.

ASDIC

1916 übernahm der kanadische Physiker Robert William Boyle unter der Leitung des British Board of Invention and Research mit A. B. Wood das Projekt zur aktiven Schallerkennung und produzierte Mitte 1917 einen Prototyp für Tests. Diese Arbeiten für die U-Boot-Abwehrabteilung des britischen Marinestabs wurden unter strengster Geheimhaltung durchgeführt und verwendeten piezoelektrische Quarzkristalle, um das weltweit erste praktische aktive Unterwasser-Schalldetektionsgerät herzustellen. Um die Geheimhaltung zu wahren, wurden weder Klangexperimente noch Quarz erwähnt - das zur Beschreibung des frühen Werks verwendete Wort ("Überschall") wurde in "ASD" geändert, und das Quarzmaterial in "ASD" ivite: "ASD" für " Anti-Submarine Division ", daher das britische Akronym ASDIC. Im Jahr 1939 als Antwort auf eine Frage aus dem Oxford Englisch WörterbuchDie Admiralität erfand die Geschichte, dass sie für "Allied Submarine Detection Investigation Committee" stand, und dies wird immer noch allgemein angenommen, [13] obwohl kein Komitee mit diesem Namen in den Archiven der Admiralität gefunden wurde. [14]

Bis 1918 hatten Großbritannien und Frankreich Prototypen aktiver Systeme gebaut. Die Briten testeten ihren ASDIC auf HMS Antrim 1920 und begann 1922 mit der Produktion. Die 6. Zerstörerflottille hatte 1923 mit ASDIC ausgerüstete Schiffe. Eine U-Boot-Abwehrschule HMS Fischadler 1924 wurde auf Portland eine Trainingsflottille mit vier Schiffen eingerichtet.

Bei Ausbruch des Zweiten Weltkriegs verfügte die Royal Navy über fünf Sets für verschiedene Oberflächenschiffklassen und andere für U-Boote, die in ein vollständiges U-Boot-Abwehrsystem integriert waren. Die Wirksamkeit der frühen ASDIC wurde durch die Verwendung der Tiefenladung als U-Boot-Abwehrwaffe beeinträchtigt. Dies erforderte, dass ein angreifendes Schiff einen untergetauchten Kontakt überquerte, bevor es Ladungen über das Heck fallen ließ, was in den Augenblicken vor dem Angriff zu einem Verlust des ASDIC-Kontakts führte. Der Jäger feuerte effektiv blind. Während dieser Zeit konnte ein U-Boot-Kommandant ausweichen. Diese Situation wurde mit neuen Taktiken und neuen Waffen behoben.

Zu den von Frederic John Walker entwickelten taktischen Verbesserungen gehörte der schleichende Angriff. Hierfür wurden zwei U-Boot-Abwehrschiffe benötigt (normalerweise Schaluppen oder Korvetten). Das "Richtungsschiff" verfolgte das Ziel-U-Boot auf ASDIC von einer Position etwa 1500 bis 2000 Meter hinter dem U-Boot. Das zweite Schiff, dessen ASDIC ausgeschaltet war und mit 5 Knoten lief, startete einen Angriff von einer Position zwischen dem Direktionsschiff und dem Ziel. Dieser Angriff wurde per Funk vom Direktionsschiff aus gesteuert, basierend auf deren ASDIC und der Reichweite (per Entfernungsmesser) und der Peilung des angreifenden Schiffes. Sobald die Tiefenladungen freigegeben worden waren, verließ das angreifende Schiff die unmittelbare Umgebung mit voller Geschwindigkeit. Das steuernde Schiff betrat dann das Zielgebiet und gab auch ein Muster von Tiefenladungen frei. Aufgrund der geringen Geschwindigkeit des Anflugs konnte das U-Boot nicht vorhersagen, wann Tiefenladungen freigesetzt werden würden. Jegliche Ausweichaktion wurde von dem befehlshabenden Schiff erkannt und die Anweisungen an das angreifende Schiff entsprechend erteilt. Die geringe Angriffsgeschwindigkeit hatte den Vorteil, dass der deutsche akustische Torpedo gegen ein so langsam fahrendes Kriegsschiff nicht wirksam war. Eine Variation des Kriechangriffs war der "Gips" -Angriff, bei dem drei angreifende Schiffe, die in enger Linie nebeneinander arbeiteten, vom Zielschiff über das Ziel gerichtet wurden. [fünfzehn]

Die neuen Waffen, die sich mit dem blinden Fleck der ASDIC befassten, waren "vorauswerfende Waffen" wie Igel und spätere Tintenfische, die Sprengköpfe auf ein Ziel vor dem Angreifer projizierten und sich noch in ASDIC-Kontakt befanden. Diese ermöglichten es einer einzelnen Eskorte, gezielter U-Boote anzugreifen. Die Entwicklungen während des Krieges führten zu britischen ASDIC-Sets, die verschiedene Strahlformen verwendeten und kontinuierlich tote Winkel abdeckten. Später wurden akustische Torpedos eingesetzt.

Zu Beginn des Zweiten Weltkriegs (September 1940) wurde die britische ASDIC-Technologie kostenlos in die USA transferiert. Die Forschung zu ASDIC und Unterwasserschall wurde in Großbritannien und den USA ausgeweitet. Es wurden viele neue Arten der militärischen Schallerkennung entwickelt. Dazu gehörten Sonobojen, die 1944 von den Briten unter dem Codenamen entwickelt wurden Nachmittagstee, Eintauch- / Eintauchsonar und Minensuchsonar. Diese Arbeit bildete die Grundlage für Nachkriegsentwicklungen im Zusammenhang mit der Bekämpfung des Atom-U-Bootes.

SONAR

In den 1930er Jahren entwickelten amerikanische Ingenieure ihre eigene Unterwasser-Schalldetektionstechnologie, und es wurden wichtige Entdeckungen gemacht, wie die Existenz von Thermoklinen und ihre Auswirkungen auf Schallwellen. [16] Amerikaner begannen, den Begriff zu verwenden SONAR für ihre Systeme, die von Frederick Hunt als das Äquivalent von RADAR geprägt wurden. [17]

US Navy Underwater Sound Laboratory

1917 erwarb die US-Marine erstmals die Dienste von J. Warren Horton. Auf Urlaub von Bell Labs diente er der Regierung als technischer Experte, zunächst an der Versuchsstation in Nahant, Massachusetts, und später am US Naval Headquarters in London, England. In Nahant verwendete er die neu entwickelte Vakuumröhre, die damals mit den Entstehungsstufen des Fachgebiets der angewandten Wissenschaft verbunden war und heute als Elektronik bekannt ist, zur Erkennung von Unterwassersignalen. Infolgedessen wurde das Carbon-Knopfmikrofon, das in früheren Detektionsgeräten verwendet worden war, durch den Vorläufer des modernen Hydrophons ersetzt. Auch in dieser Zeit experimentierte er mit Methoden zur Abschlepperkennung. Dies war auf die erhöhte Empfindlichkeit seines Geräts zurückzuführen. Die Prinzipien werden immer noch in modernen Schleppsonarsystemen verwendet.

Um die Verteidigungsbedürfnisse Großbritanniens zu befriedigen, wurde er nach England geschickt, um in der Irischen See am Boden montierte Hydrophone zu installieren, die über ein U-Boot-Kabel mit einem Landabhörposten verbunden waren. Während diese Ausrüstung auf das Kabelverlegungsschiff geladen wurde, endete der Erste Weltkrieg und Horton kehrte nach Hause zurück.

Während des Zweiten Weltkriegs entwickelte er weiterhin Sonarsysteme, mit denen U-Boote, Minen und Torpedos entdeckt werden konnten. Er veröffentlichte Grundlagen des Sonars 1957 als leitender Forschungsberater am US Navy Underwater Sound Laboratory. Er hatte diese Position bis 1959 inne, als er technischer Direktor wurde, eine Position, die er bis zur obligatorischen Pensionierung im Jahr 1963 innehatte. [18] [19]

Materialien und Designs in den USA und Japan

Von 1915 bis 1940 gab es beim US-Sonar nur geringe Fortschritte. 1940 bestanden US-Sonare typischerweise aus einem magnetostriktiven Wandler und einer Anordnung von Nickelröhren, die mit einer Stahlplatte mit einem Durchmesser von 1 Fuß verbunden waren, die Rücken an Rücken an einem Rochelle-Salzkristall befestigt war in einem kugelförmigen Gehäuse. Diese Baugruppe drang in den Schiffsrumpf ein und wurde manuell in den gewünschten Winkel gedreht. Der piezoelektrische Rochelle-Salzkristall hatte bessere Parameter, aber die magnetostriktive Einheit war viel zuverlässiger. Hohe Verluste für die US-Handelsschifffahrt zu Beginn des Zweiten Weltkriegs führten zu einer groß angelegten US-Forschung mit hoher Priorität auf diesem Gebiet, bei der sowohl Verbesserungen der magnetostriktiven Wandlerparameter als auch die Zuverlässigkeit des Rochelle-Salzes angestrebt wurden. Ammoniumdihydrogenphosphat (ADP), eine überlegene Alternative, wurde als Ersatz für Rochelle-Salz gefunden. Die erste Anwendung war ein Ersatz für die 24-kHz-Rochelle-Salz-Wandler. Innerhalb von neun Monaten war Rochelle-Salz veraltet. Die ADP-Produktionsstätte wuchs von wenigen Dutzend Mitarbeitern Anfang 1940 auf mehrere Tausend Mitarbeiter im Jahr 1942.

Eine der frühesten Anwendungen von ADP-Kristallen waren Hydrophone für akustische Minen. Die Kristalle wurden für eine Niederfrequenzabschaltung bei 5 Hz spezifiziert, die einem mechanischen Schock für den Einsatz von Flugzeugen aus 3.000 m (10.000 ft) und der Fähigkeit, benachbarte Minenexplosionen zu überleben, standhalten. Eines der Hauptmerkmale der ADP-Zuverlässigkeit ist die Alterungsfreiheit. Der Kristall behält seine Parameter auch bei längerer Lagerung bei.

Eine andere Anwendung war für akustische Homing-Torpedos. Zwei Paare von gerichteten Hydrophonen wurden an der Torpedonase angebracht, in der horizontalen und vertikalen Ebene wurden die Differenzsignale der Paare verwendet, um den Torpedo von links nach rechts und von oben nach unten zu steuern. Es wurde eine Gegenmaßnahme entwickelt: Das Ziel-U-Boot entlud eine sprudelnde Chemikalie, und der Torpedo ging dem lauteren Sprudelköder nach. Die Gegenmaßnahme war ein Torpedo mit aktivem Sonar - ein Wandler wurde an der Torpedonase angebracht, und die Mikrofone lauschten auf die reflektierten periodischen Tonstöße. Die Wandler umfassten identische rechteckige Kristallplatten, die in versetzten Reihen in rautenförmigen Bereichen angeordnet waren.

Passive Sonar-Arrays für U-Boote wurden aus ADP-Kristallen entwickelt. Mehrere Kristallanordnungen wurden in einem Stahlrohr angeordnet, mit Rizinusöl vakuumgefüllt und versiegelt. Die Röhren wurden dann in parallelen Anordnungen montiert.

Das Standard-Scan-Sonar der US Navy am Ende des Zweiten Weltkriegs arbeitete mit 18 kHz und einer Reihe von ADP-Kristallen. Gewünschter größerer Bereich erforderte jedoch die Verwendung niedrigerer Frequenzen. Die erforderlichen Abmessungen waren für ADP-Kristalle zu groß, so dass in den frühen 1950er Jahren magnetostriktive und bariumtitanat-piezoelektrische Systeme entwickelt wurden, die jedoch Probleme hatten, gleichmäßige Impedanzeigenschaften zu erzielen, und das Strahlmuster litt darunter. Bariumtitanat wurde dann durch stabileres Bleizirkonat-Titanat (PZT) ersetzt und die Frequenz auf 5 kHz gesenkt. Die US-Flotte verwendete dieses Material mehrere Jahrzehnte lang im AN / SQS-23-Sonar. Das SQS-23-Sonar verwendete zuerst magnetostriktive Nickelwandler, die jedoch mehrere Tonnen wogen, und Nickel war teuer und wurde als kritisches Material angesehen. Daher wurden piezoelektrische Wandler ersetzt. Das Sonar bestand aus einer großen Anzahl von 432 einzelnen Wandlern. Anfangs waren die Wandler unzuverlässig, zeigten mechanische und elektrische Fehler und verschlechterten sich kurz nach der Installation. Sie wurden auch von mehreren Anbietern hergestellt, hatten unterschiedliche Designs und ihre Eigenschaften waren unterschiedlich genug, um die Leistung des Arrays zu beeinträchtigen. Die Politik, die Reparatur einzelner Wandler zu ermöglichen, wurde dann geopfert, und stattdessen wurde ein "verbrauchbarer modularer Aufbau", versiegelte nicht reparierbare Module, gewählt, um das Problem mit Dichtungen und anderen mechanischen Fremdteilen zu beseitigen. [20]

Die kaiserliche japanische Marine verwendete zu Beginn des Zweiten Weltkriegs Projektoren auf Quarzbasis. Diese waren groß und schwer, insbesondere wenn sie für niedrigere Frequenzen ausgelegt waren, die für Typ 91 mit 9 kHz betrieben wurden, einen Durchmesser von 760 mm hatten und von einem Oszillator mit 5 kW Leistung und 7 kV Ausgangsamplitude angetrieben wurden . Die Projektoren vom Typ 93 bestanden aus massiven Quarzsandwiches, die zu kugelförmigen Gusseisenkörpern zusammengesetzt waren. Die Sonare vom Typ 93 wurden später durch Sonare vom Typ 3 ersetzt, die deutschem Design folgten und magnetostriktive Projektoren verwendeten. Die Projektoren bestanden aus zwei rechteckigen identischen unabhängigen Einheiten in einem rechteckigen Körper aus Gusseisen mit einer Größe von 410 mm × 230 mm (16 x 9 Zoll). Der belichtete Bereich war halb so breit wie die Wellenlänge und drei Wellenlängen hoch. Die magnetostriktiven Kerne bestanden aus 4 mm Nickelprägungen und später aus einer Eisen-Aluminium-Legierung mit einem Aluminiumgehalt zwischen 12,7% und 12,9%. Die Leistung wurde von 2 kW bei 3,8 kV mit Polarisation von einer 20 V, 8 A DC-Quelle bereitgestellt.

Die passiven Hydrophone der kaiserlichen japanischen Marine basierten auf Moving-Coil-Design, Rochelle-Salz-Piezo-Wandlern und Carbon-Mikrofonen. [21]

Spätere Entwicklungen bei Wandlern

Magnetostriktive Wandler wurden nach dem Zweiten Weltkrieg als Alternative zu piezoelektrischen Wandlern verfolgt. Nickel-Spiralringwandler wurden für Niederfrequenzbetriebe mit hoher Leistung und einer Größe von bis zu 4,0 m Durchmesser verwendet, wahrscheinlich die größten einzelnen Sonarwandler aller Zeiten. Der Vorteil von Metallen ist ihre hohe Zugfestigkeit und niedrige elektrische Eingangsimpedanz, sie haben jedoch elektrische Verluste und einen niedrigeren Kopplungskoeffizienten als PZT, dessen Zugfestigkeit durch Vorspannung erhöht werden kann. Andere Materialien wurden ebenfalls ausprobiert. Nichtmetallische Ferrite waren aufgrund ihrer geringen elektrischen Leitfähigkeit vielversprechend, was zu geringen Wirbelstromverlusten führte. Metglas bot einen hohen Kopplungskoeffizienten, war jedoch PZT insgesamt unterlegen. In den 1970er Jahren wurden Verbindungen von Seltenen Erden und Eisen mit überlegenen magnetomechanischen Eigenschaften entdeckt, nämlich die Terfenol-D-Legierung. Dies ermöglichte neue Designs, z. ein magnetostriktiv-piezoelektrischer Hybridwandler. Das jüngste dieser verbesserten magnetostriktiven Materialien ist Galfenol.

Andere Arten von Wandlern umfassen Wandler mit variabler Reluktanz (oder mit beweglichem Anker oder elektromagnetisch), bei denen Magnetkraft auf die Oberflächen von Lücken wirkt, und Wandler mit beweglicher Spule (oder elektrodynamischer Wandler), ähnlich wie herkömmliche Lautsprecher, die letztere werden bei der Unterwasserschallkalibrierung verwendet aufgrund ihrer sehr niedrigen Resonanzfrequenzen und flachen Breitbandcharakteristika über ihnen. [22]

Das aktive Sonar verwendet einen Tonsender (oder Projektor) und einen Empfänger. Wenn sich die beiden am selben Ort befinden, handelt es sich um eine monostatische Operation. Wenn Sender und Empfänger getrennt sind, handelt es sich um einen bistatischen Betrieb. [23] Wenn mehr Sender (oder mehr Empfänger) verwendet werden, die wiederum räumlich getrennt sind, handelt es sich um einen multistatischen Betrieb. Die meisten Sonare werden monostatisch verwendet, wobei das gleiche Array häufig zum Senden und Empfangen verwendet wird. [24] Aktive Sonobuoy-Felder können multistatisch betrieben werden.

Aktives Sonar erzeugt einen Schallimpuls, der oft als "Ping" bezeichnet wird, und lauscht dann auf Reflexionen (Echo) des Impulses. Dieser Schallimpuls wird im Allgemeinen elektronisch unter Verwendung eines Sonarprojektors erzeugt, der aus einem Signalgenerator, einem Leistungsverstärker und einem elektroakustischen Wandler / Array besteht. [25] Ein Wandler ist ein Gerät, das akustische Signale ("Pings") senden und empfangen kann. Ein Strahlformer wird normalerweise verwendet, um die Schallleistung in einem Strahl zu konzentrieren, der gewobbelt werden kann, um die erforderlichen Suchwinkel abzudecken. Im Allgemeinen sind die elektroakustischen Wandler vom Tonpilz-Typ und ihr Design kann optimiert werden, um maximale Effizienz über die größte Bandbreite zu erreichen, um die Leistung des Gesamtsystems zu optimieren. Gelegentlich kann der akustische Impuls durch andere Mittel erzeugt werden, z. chemisch unter Verwendung von Sprengstoffen, Luftgewehren oder Plasma-Schallquellen.

Um die Entfernung zu einem Objekt zu messen, wird die Zeit von der Übertragung eines Impulses bis zum Empfang gemessen und unter Verwendung der bekannten Schallgeschwindigkeit in einen Bereich umgewandelt. [26] Um die Peilung zu messen, werden mehrere Hydrophone verwendet, und der Satz misst die relative Ankunftszeit zu jedem oder mit einer Anordnung von Hydrophonen, indem die relative Amplitude in Strahlen gemessen wird, die durch einen als Strahlformung bezeichneten Prozess gebildet werden. Die Verwendung eines Arrays reduziert die räumliche Reaktion, so dass zur Bereitstellung einer breiten Abdeckung Mehrstrahlsysteme verwendet werden. Das Zielsignal (falls vorhanden) wird dann zusammen mit dem Rauschen durch verschiedene Formen der Signalverarbeitung geleitet [27], die für einfache Sonare nur eine Energiemessung sein können.Es wird dann einer Art Entscheidungsvorrichtung präsentiert, die den Ausgang entweder mit dem erforderlichen Signal oder mit dem erforderlichen Rauschen aufruft. Dieses Entscheidungsgerät kann ein Bediener mit Kopfhörern oder einem Display sein, oder in anspruchsvolleren Sonaren kann diese Funktion von einer Software ausgeführt werden. Weitere Prozesse können durchgeführt werden, um das Ziel zu klassifizieren und zu lokalisieren sowie seine Geschwindigkeit zu messen.

Der Impuls kann eine konstante Frequenz oder ein Zwitschern einer sich ändernden Frequenz haben (um eine Impulskomprimierung beim Empfang zu ermöglichen). Einfache Sonare verwenden im Allgemeinen das erstere mit einem Filter, der breit genug ist, um mögliche Doppler-Änderungen aufgrund von Zielbewegungen abzudecken, während komplexere im Allgemeinen die letztere Technik umfassen. Seit die digitale Verarbeitung verfügbar ist, wurde die Impulskomprimierung normalerweise unter Verwendung digitaler Korrelationstechniken implementiert. Militärsonare haben oft mehrere Strahlen, um eine Rundumabdeckung bereitzustellen, während einfache nur einen schmalen Bogen abdecken, obwohl der Strahl durch mechanisches Scannen relativ langsam gedreht werden kann.

Insbesondere wenn Einzelfrequenzübertragungen verwendet werden, kann der Doppler-Effekt verwendet werden, um die Radialgeschwindigkeit eines Ziels zu messen. Die Frequenzdifferenz zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Signal wird gemessen und in eine Geschwindigkeit umgewandelt. Da Doppler-Verschiebungen entweder durch Empfänger- oder Zielbewegung eingeführt werden können, muss die Radialgeschwindigkeit der Suchplattform berücksichtigt werden.

Ein nützliches kleines Sonar ähnelt im Aussehen einer wasserdichten Taschenlampe. Der Kopf zeigt ins Wasser, ein Knopf wird gedrückt und das Gerät zeigt die Entfernung zum Ziel an. Eine andere Variante ist ein "Fischfinder", der ein kleines Display mit Fischschwärmen zeigt. Einige zivile Sonare (die nicht für Stealth-Zwecke konzipiert sind) nähern sich aktiven militärischen Sonaren mit dreidimensionalen Darstellungen des Bereichs in der Nähe des Bootes.

Wenn aktives Sonar verwendet wird, um den Abstand vom Schallkopf zum Boden zu messen, spricht man von Echolot. Ähnliche Methoden können verwendet werden, um nach oben zu schauen und Wellen zu messen.

Das aktive Sonar wird auch verwendet, um den Abstand zwischen zwei Sonarwandlern oder einer Kombination aus einem Hydrophon (akustisches Unterwassermikrofon) und einem Projektor (akustischer Unterwasserlautsprecher) durch Wasser zu messen. Wenn ein Hydrophon / Wandler ein bestimmtes Abfragesignal empfängt, antwortet er mit einem bestimmten Antwortsignal. Um die Entfernung zu messen, sendet ein Wandler / Projektor ein Abfragesignal und misst die Zeit zwischen dieser Übertragung und dem Empfang der Antwort des anderen Wandlers / Hydrophons. Der Zeitunterschied, skaliert durch die Schallgeschwindigkeit durch Wasser und geteilt durch zwei, ist der Abstand zwischen den beiden Plattformen. Diese Technik kann bei Verwendung mit mehreren Wandlern / Hydrophonen / Projektoren die relativen Positionen statischer und sich bewegender Objekte im Wasser berechnen.

In Kampfsituationen kann ein aktiver Impuls von einem Feind erfasst werden und zeigt die Position eines U-Bootes in der doppelten maximalen Entfernung an, in der das U-Boot selbst einen Kontakt erkennen und anhand der Eigenschaften des ausgehenden Pings Hinweise auf die Identität des U-Bootes geben kann. Aus diesen Gründen wird aktives Sonar von militärischen U-Booten nicht häufig verwendet.

Ein sehr gerichteter, aber wenig effizienter Sonartyp (der von der Fischerei, dem Militär und der Hafensicherheit verwendet wird) nutzt ein komplexes nichtlineares Merkmal von Wasser, das als nichtlineares Sonar bezeichnet wird, wobei der virtuelle Wandler als a bekannt ist parametrisches Array.

Projekt Artemis

Das Projekt Artemis war Ende der 1950er bis Mitte der 1960er Jahre ein experimentelles Forschungs- und Entwicklungsprojekt zur Untersuchung der akustischen Ausbreitung und Signalverarbeitung für ein niederfrequentes aktives Sonarsystem, das zur Überwachung des Ozeans verwendet werden könnte. Ein sekundäres Ziel war die Untersuchung technischer Probleme fester Systeme mit aktivem Boden. Das Empfangsarray befand sich am Hang der Plantagnet Bank vor Bermuda. Das aktive Quellarray wurde vom umgebauten Tanker USNS aus dem Zweiten Weltkrieg bereitgestellt Mission Capistrano. [29] Elemente von Artemis wurden experimentell verwendet, nachdem das Hauptexperiment beendet worden war.

Transponder

Dies ist ein aktives Sonargerät, das einen bestimmten Stimulus empfängt und das empfangene oder ein vorbestimmtes Signal sofort (oder mit Verzögerung) erneut sendet. Transponder können verwendet werden, um Unterwasserausrüstung aus der Ferne zu aktivieren oder wiederherzustellen. [30]

Leistungsvorhersage

Ein Sonarziel ist relativ zur Kugel klein und zentriert sich um den Emitter, auf dem es sich befindet. Daher ist die Leistung des reflektierten Signals sehr gering und um mehrere Größenordnungen geringer als die des ursprünglichen Signals. Selbst wenn das reflektierte Signal dieselbe Leistung hatte, zeigt das folgende Beispiel (unter Verwendung hypothetischer Werte) das Problem: Angenommen, ein Sonarsystem kann ein Signal von 10.000 W / m 2 bei 1 m aussenden und 0,001 W / m 2 erfassen Signal. Bei 100 m beträgt das Signal 1 W / m 2 (aufgrund des Gesetzes des umgekehrten Quadrats). Wenn das gesamte Signal von einem 10 m 2 -Ziel reflektiert wird, liegt es bei 0,001 W / m 2, wenn es den Emitter erreicht, d. H. nur nachweisbar. Das ursprüngliche Signal bleibt jedoch bis 3000 m über 0,001 W / m 2. Jedes 10 m 2 -Ziel zwischen 100 und 3000 m unter Verwendung eines ähnlichen oder besseren Systems könnte den Impuls erfassen, würde jedoch vom Emitter nicht erfasst. Die Detektoren müssen sehr empfindlich sein, um die Echos aufzunehmen. Da das ursprüngliche Signal viel leistungsfähiger ist, kann es um ein Vielfaches weiter als doppelt so groß wie die Reichweite des Sonars erkannt werden (wie im Beispiel).

Aktive Sonare haben zwei Leistungseinschränkungen: aufgrund von Rauschen und Nachhall. Im Allgemeinen wird der eine oder andere davon dominieren, so dass die beiden Effekte zunächst getrennt betrachtet werden können.

Unter rauschbegrenzten Bedingungen bei der ersten Erkennung: [31]

Dabei ist SL der Quellpegel, PL der Ausbreitungsverlust (manchmal als Übertragungsverlust bezeichnet), TS die Zielstärke, NL der Rauschpegel, AG der Array-Gewinn des empfangenden Arrays (manchmal angenähert durch seinen Richtungsindex). und DT ist die Erfassungsschwelle.

Bei nachhallbegrenzten Bedingungen bei der Ersterkennung (Vernachlässigung der Array-Verstärkung):

Dabei ist RL der Nachhallpegel und die anderen Faktoren sind wie zuvor.

Handsonar zur Verwendung durch einen Taucher

  • Das LIMIS (Limpet Mine Imaging Sonar) ist ein tragbares oder ROV-montiertes Imaging-Sonar zur Verwendung durch einen Taucher. Sein Name ist, weil es für Patrouillentaucher (Kampffroschmänner oder Räumungstaucher) entwickelt wurde, um nach Napfschneckenminen in schlecht sichtbarem Wasser zu suchen.
  • Das LUIS (Lensing Underwater Imaging System) ist ein weiteres Bildgebungssonar zur Verwendung durch einen Taucher.
  • Es gibt oder gab ein kleines Taschenlampen-Handsonar für Taucher, das lediglich die Reichweite anzeigt.
  • Für das INSS (integriertes Navigationssonarsystem)

Aufwärtsgerichtetes Sonar

Ein nach oben gerichtetes Sonar (ULS) ist ein nach oben gerichtetes Sonargerät, das auf die Meeresoberfläche zeigt. Es wird für ähnliche Zwecke wie nach unten gerichtetes Sonar verwendet, hat jedoch einige einzigartige Anwendungen wie die Messung der Meereisdicke, -rauheit und -konzentration [32] [33] oder die Messung des Lufteintrags von Blasenfahnen bei rauer See. Oft liegt es am Meeresboden fest oder schwimmt auf einer gespannten Leine in einer konstanten Tiefe von vielleicht 100 m. Sie können auch von U-Booten, AUVs und Schwimmern wie dem Argo-Schwimmer verwendet werden. [34]

Passives Sonar hört zu, ohne zu senden. Es wird oft in militärischen Umgebungen eingesetzt, obwohl es auch in wissenschaftlichen Anwendungen eingesetzt wird. z.B., Erkennung von Fischen für An- / Abwesenheitsstudien in verschiedenen aquatischen Umgebungen - siehe auch passive Akustik und passives Radar. Im weitesten Sinne kann dieser Begriff praktisch jede Analysetechnik umfassen, bei der ferner Schall erzeugt wird, obwohl er normalerweise auf Techniken beschränkt ist, die in einer aquatischen Umgebung angewendet werden.

Schallquellen identifizieren

Passives Sonar verfügt über eine Vielzahl von Techniken zum Identifizieren der Quelle eines erkannten Tons. Zum Beispiel Schiffe betreiben normalerweise 60-Hz-Wechselstromversorgungssysteme. Wenn Transformatoren oder Generatoren ohne ordnungsgemäße Schwingungsisolierung vom Rumpf montiert werden oder überflutet werden, kann der 60-Hz-Schall der Wicklungen vom U-Boot oder Schiff abgegeben werden. Dies kann helfen, seine Nationalität zu identifizieren, da alle europäischen U-Boote und fast jedes U-Boot jeder anderen Nation über 50-Hz-Stromversorgungssysteme verfügen. Intermittierende Schallquellen (z. B. ein Schlüssel, der fallen gelassen wird), sogenannte "Transienten", können auch für passives Sonar erkennbar sein. Bis vor kurzem [ wann? ] Ein erfahrener, geschulter Bediener hat Signale identifiziert, aber jetzt können Computer dies tun.

Passive Sonarsysteme verfügen möglicherweise über große Schalldatenbanken, aber der Sonaroperator klassifiziert die Signale normalerweise endgültig manuell. Ein Computersystem verwendet diese Datenbanken häufig, um Klassen von Schiffen, Aktionen (d. H. Die Geschwindigkeit eines Schiffes oder die Art der freigegebenen Waffe) und sogar bestimmte Schiffe zu identifizieren.

Geräuschbegrenzung

Passives Sonar in Fahrzeugen ist aufgrund der vom Fahrzeug erzeugten Geräusche normalerweise stark eingeschränkt. Aus diesem Grund betreiben viele U-Boote Kernreaktoren, die ohne Pumpen mit leiser Konvektion gekühlt werden können, oder Brennstoffzellen oder Batterien, die ebenfalls geräuschlos laufen können. Die Propeller der Fahrzeuge sind ebenfalls so konstruiert und präzise bearbeitet, dass sie nur minimale Geräusche abgeben. Hochgeschwindigkeitspropeller erzeugen oft winzige Blasen im Wasser, und diese Kavitation hat ein deutliches Geräusch.

Die Sonarhydrophone können hinter dem Schiff oder U-Boot gezogen werden, um die Auswirkungen des vom Wasserfahrzeug selbst erzeugten Lärms zu verringern. Geschleppte Einheiten bekämpfen auch die Thermokline, da die Einheit über oder unter der Thermokline gezogen werden kann.

Die Anzeige der meisten passiven Sonare war früher eine zweidimensionale Wasserfallanzeige. Die horizontale Richtung des Displays ist Peilung. Die Vertikale ist die Frequenz oder manchmal die Zeit. Eine andere Anzeigetechnik besteht darin, Frequenz-Zeit-Informationen für die Peilung farblich zu kennzeichnen. Neuere Anzeigen werden von den Computern generiert und ahmen Radar-Positionsanzeige-Anzeigen nach.

Leistungsvorhersage

Im Gegensatz zum aktiven Sonar ist nur eine Einwegausbreitung beteiligt. Aufgrund der unterschiedlichen verwendeten Signalverarbeitung ist das minimal erkennbare Signal-Rausch-Verhältnis unterschiedlich. Die Gleichung zur Bestimmung der Leistung eines passiven Sonars lautet [35] [31]

Dabei ist SL der Quellenpegel, PL der Ausbreitungsverlust, NL der Rauschpegel, AG die Array-Verstärkung und DT die Erfassungsschwelle. Die Gütezahl eines passiven Sonars ist

Die Erkennungs-, Klassifizierungs- und Lokalisierungsleistung eines Sonars hängt von der Umgebung und der Empfangsausrüstung sowie von der Sendeausrüstung in einem aktiven Sonar oder dem vom Ziel abgestrahlten Rauschen in einem passiven Sonar ab.

Schallausbreitung

Der Sonarbetrieb wird durch Schwankungen der Schallgeschwindigkeit beeinflusst, insbesondere in der vertikalen Ebene. Der Schall bewegt sich im Süßwasser langsamer als im Meerwasser, obwohl der Unterschied gering ist. Die Geschwindigkeit wird durch das Volumenmodul und die Massendichte des Wassers bestimmt. Der Kompressionsmodul wird durch Temperatur, gelöste Verunreinigungen (normalerweise Salzgehalt) und Druck beeinflusst. Der Dichteeffekt ist gering. Die Schallgeschwindigkeit (in Fuß pro Sekunde) beträgt ungefähr:

4388 + (11,25 × Temperatur (in ° F)) + (0,0182 × Tiefe (in Fuß)) + Salzgehalt (in Teilen pro Tausend).

Diese empirisch abgeleitete Näherungsgleichung ist für normale Temperaturen, Salzgehaltkonzentrationen und den Bereich der meisten Meerestiefen ziemlich genau. Die Meerestemperatur variiert mit der Tiefe, aber zwischen 30 und 100 Metern gibt es häufig eine deutliche Veränderung, die als Thermokline bezeichnet wird und das wärmere Oberflächenwasser vom kalten, stillen Wasser trennt, aus dem der Rest des Ozeans besteht. Dies kann das Sonar frustrieren, da ein Schall, der von einer Seite der Thermokline ausgeht, dazu neigt, durch die Thermokline gebogen oder gebrochen zu werden. Die Thermokline kann in flacheren Küstengewässern vorhanden sein. Wellenbewegungen mischen jedoch häufig die Wassersäule und beseitigen die Thermokline. Der Wasserdruck beeinflusst auch die Schallausbreitung: Ein höherer Druck erhöht die Schallgeschwindigkeit, wodurch die Schallwellen vom Bereich höherer Schallgeschwindigkeit weg gebrochen werden. Das mathematische Modell der Brechung heißt Snellsches Gesetz.

Wenn die Schallquelle tief ist und die Bedingungen stimmen, kann es zu einer Ausbreitung im „tiefen Schallkanal“ kommen. Dies bietet einem Empfänger im Kanal einen extrem geringen Ausbreitungsverlust. Dies liegt an der Schallfalle im Kanal ohne Verluste an den Grenzen. Eine ähnliche Ausbreitung kann unter geeigneten Bedingungen im "Oberflächenkanal" auftreten. In diesem Fall treten jedoch Reflexionsverluste an der Oberfläche auf.

Im Flachwasser erfolgt die Ausbreitung im Allgemeinen durch wiederholte Reflexion an der Oberfläche und am Boden, wo erhebliche Verluste auftreten können.

Die Schallausbreitung wird durch die Absorption im Wasser selbst sowie an der Oberfläche und am Boden beeinflusst. Diese Absorption hängt von der Frequenz mit verschiedenen Mechanismen im Meerwasser ab. Langstrecken-Sonar verwendet niedrige Frequenzen, um Absorptionseffekte zu minimieren.

Das Meer enthält viele Geräuschquellen, die das gewünschte Zielecho oder die gewünschte Signatur stören. Die Hauptlärmquellen sind Wellen und Schifffahrt. Die Bewegung des Empfängers durch das Wasser kann auch geschwindigkeitsabhängige Niederfrequenzgeräusche verursachen.

Streuung

Wenn aktives Sonar verwendet wird, tritt Streuung an kleinen Objekten im Meer sowie am Boden und an der Oberfläche auf. Dies kann eine Hauptstörquelle sein. Diese akustische Streuung ist analog zur Streuung des Lichts von den Scheinwerfern eines Autos im Nebel: Ein hochintensiver Bleistiftstrahl dringt bis zu einem gewissen Grad in den Nebel ein, aber Scheinwerfer mit breiterem Strahl emittieren viel Licht in unerwünschte Richtungen, von denen ein Großteil zurückgestreut wird für den Betrachter überwältigend, was vom Ziel reflektiert wird ("White-Out"). Aus analogen Gründen muss aktives Sonar in einem schmalen Strahl senden, um die Streuung zu minimieren.

Die Streuung von Sonar von Objekten (Minen, Pipelines, Zooplankton, geologischen Merkmalen, Fischen usw.) ist die Art und Weise, wie aktives Sonar sie erkennt. Diese Fähigkeit kann jedoch durch starke Streuung von falschen Zielen oder "Unordnung" maskiert werden. Wo sie auftreten (unter brechenden Wellen [37] in Schiffswachen in Gas, das vom Sickern und Auslaufen des Meeresbodens [38] usw. emittiert wird), sind Gasblasen starke Störquellen und können Ziele leicht verbergen. TWIPS (Twin Inverted Pulse Sonar) [39] [40] [41] ist derzeit das einzige Sonar, das dieses Problem lösen kann.

Dies ist wichtig, da in jüngster Zeit viele Konflikte in Küstengewässern aufgetreten sind und die Unfähigkeit, festzustellen, ob Minen vorhanden sind oder nicht, Gefahren und Verzögerungen für Militärschiffe darstellt, sowie Konvois und Handelsschifffahrt zu unterstützen, die versuchen, die Region lange nach dem Konflikt zu unterstützen aufgehört. [39]

Zielmerkmale

Der Klang Reflexion Die Eigenschaften des Ziels eines aktiven Sonars, beispielsweise eines U-Bootes, werden als Zielstärke bezeichnet. Eine Komplikation ist, dass Echos auch von anderen Objekten im Meer wie Walen, Wachen, Fischschwärmen und Felsen erhalten werden.

Passives Sonar erkennt das Ziel bestrahlt Geräuschcharakteristik. Das abgestrahlte Spektrum umfasst ein kontinuierliches Rauschspektrum mit Spitzen bei bestimmten Frequenzen, das zur Klassifizierung verwendet werden kann.

Gegenmaßnahmen

Aktiv (angetriebene) Gegenmaßnahmen können von einem angegriffenen U-Boot ergriffen werden, um den Geräuschpegel zu erhöhen, ein großes falsches Ziel bereitzustellen und die Signatur des U-Bootes selbst zu verdecken.

Passiv (d. h. nicht mit Strom versorgte) Gegenmaßnahmen umfassen:

  • Montage geräuscherzeugender Geräte an Trenngeräten.
  • Schallabsorbierende Beschichtungen auf den Rümpfen von U-Booten, zum Beispiel schalltoten Fliesen.

In der modernen Seekriegsführung wird sowohl passives als auch aktives Sonar von Wasserschiffen, Flugzeugen und ortsfesten Anlagen in großem Umfang eingesetzt. Obwohl aktives Sonar im Zweiten Weltkrieg von Oberflächenfahrzeugen verwendet wurde, vermieden U-Boote die Verwendung von aktivem Sonar, da sie den feindlichen Streitkräften ihre Anwesenheit und Position offenbaren konnten. Das Aufkommen der modernen Signalverarbeitung ermöglichte jedoch die Verwendung von passivem Sonar als primäres Mittel für Such- und Erkennungsoperationen. 1987 verkaufte eine Abteilung des japanischen Unternehmens Toshiba Berichten zufolge [42] Maschinen an die Sowjetunion, mit denen ihre U-Boot-Propellerblätter gefräst werden konnten, so dass sie radikal leiser wurden und die neuere Generation von U-Booten schwerer zu erkennen war.

Die Verwendung eines aktiven Sonars durch ein U-Boot zur Bestimmung der Peilung ist äußerst selten und gibt dem U-Boot-Brandschutzteam nicht unbedingt qualitativ hochwertige Peilungs- oder Reichweiteninformationen. Die Verwendung von aktivem Sonar auf Überwasserschiffen ist jedoch sehr verbreitet und wird von U-Booten verwendet, wenn die taktische Situation es vorschreibt, dass es wichtiger ist, die Position eines feindlichen U-Bootes zu bestimmen, als ihre eigene Position zu verbergen. Bei Überwasserschiffen kann davon ausgegangen werden, dass die Bedrohung das Schiff bereits mit Satellitendaten verfolgt, da jedes Schiff um das emittierende Sonar die Emission erkennt. Nachdem Sie das Signal gehört haben, können Sie die verwendete Sonarausrüstung (normalerweise anhand ihrer Frequenz) und ihre Position (anhand der Energie der Schallwelle) leicht identifizieren. Aktives Sonar ähnelt Radar darin, dass es zwar die Erfassung von Zielen in einem bestimmten Bereich ermöglicht, aber auch die Erfassung des Emitters in einem weitaus größeren Bereich ermöglicht, was unerwünscht ist.

Da aktives Sonar die Anwesenheit und Position des Bedieners anzeigt und keine genaue Klassifizierung von Zielen ermöglicht, wird es von schnellen (Flugzeuge, Hubschrauber) und lauten Plattformen (die meisten Oberflächenschiffe) verwendet, jedoch selten von U-Booten. Wenn aktives Sonar von Überwasserschiffen oder U-Booten verwendet wird, wird es normalerweise in kurzen Abständen sehr kurz aktiviert, um das Erkennungsrisiko zu minimieren. Folglich wird aktives Sonar normalerweise als Backup für passives Sonar betrachtet. In Flugzeugen wird aktives Sonar in Form von Einweg-Sonobojen verwendet, die im Patrouillenbereich des Flugzeugs oder in der Nähe möglicher feindlicher Sonarkontakte abgeworfen werden.

Passives Sonar hat mehrere Vorteile, vor allem, dass es leise ist. Wenn der abgestrahlte Geräuschpegel des Ziels hoch genug ist, kann er eine größere Reichweite als aktives Sonar haben und ermöglicht die Identifizierung des Ziels. Da jedes motorisierte Objekt Geräusche verursacht, kann es im Prinzip abhängig vom Geräuschpegel und dem Umgebungsgeräuschpegel in der Umgebung sowie der verwendeten Technologie erkannt werden. Zur Vereinfachung "sieht" passives Sonar das Schiff, das es benutzt. Bei einem U-Boot erkennt das auf der Nase montierte passive Sonar in Richtungen von ungefähr 270 °, zentriert auf der Schiffsausrichtung, die am Rumpf montierte Anordnung von ungefähr 160 ° auf jeder Seite und die gezogene Anordnung von vollen 360 °. Die unsichtbaren Bereiche sind auf die eigene Störung des Schiffes zurückzuführen. Sobald ein Signal in einer bestimmten Richtung erkannt wird (was bedeutet, dass etwas in dieser Richtung Geräusche macht, wird dies als Breitbanderkennung bezeichnet), kann das empfangene Signal vergrößert und analysiert werden (Schmalbandanalyse). Dies erfolgt im Allgemeinen unter Verwendung einer Fourier-Transformation, um die verschiedenen Frequenzen anzuzeigen, aus denen der Klang besteht. Da jeder Motor ein bestimmtes Geräusch macht, ist es einfach, das Objekt zu identifizieren. Datenbanken mit einzigartigen Motorgeräuschen sind Teil dessen, was als bekannt ist akustische Intelligenz oder ACINT.

Eine andere Verwendung des passiven Sonars besteht darin, die Flugbahn des Ziels zu bestimmen. Dieser Prozess wird als Zielbewegungsanalyse (TMA) bezeichnet, und die resultierende "Lösung" ist die Reichweite, der Kurs und die Geschwindigkeit des Ziels.TMA erfolgt durch Markieren, aus welcher Richtung der Ton zu unterschiedlichen Zeiten kommt, und Vergleichen der Bewegung mit der des eigenen Schiffs des Bedieners. Änderungen der Relativbewegung werden unter Verwendung von geometrischen Standardtechniken zusammen mit einigen Annahmen über Grenzfälle analysiert.

Passives Sonar ist verstohlen und sehr nützlich. Es erfordert jedoch elektronische High-Tech-Komponenten und ist teuer. Es wird im Allgemeinen auf teuren Schiffen in Form von Arrays eingesetzt, um die Erkennung zu verbessern. Oberflächenschiffe nutzen es effektiv, es wird sogar noch besser von U-Booten genutzt, und es wird auch von Flugzeugen und Hubschraubern verwendet, meist mit einem "Überraschungseffekt", da sich U-Boote unter thermischen Schichten verstecken können. Wenn der Kommandant eines U-Bootes glaubt, allein zu sein, kann er sein Boot näher an die Oberfläche bringen und leichter zu erkennen sein oder tiefer und schneller fahren und so mehr Geräusche machen.

Beispiele für Sonaranwendungen im militärischen Einsatz sind nachstehend aufgeführt. Viele der im folgenden Abschnitt angegebenen zivilrechtlichen Verwendungszwecke können auch für den Einsatz auf See gelten.

U-Boot-Abwehr

Bis vor kurzem waren Schiffssonare normalerweise mittschiffs oder am Bug mit am Rumpf montierten Arrays ausgestattet. Es stellte sich bald nach ihrer ersten Verwendung heraus, dass ein Mittel zur Reduzierung des Strömungsgeräuschs erforderlich war. Die ersten wurden aus Leinwand auf einem Rahmen hergestellt, dann wurden Stahl verwendet. Jetzt bestehen Kuppeln normalerweise aus verstärktem Kunststoff oder unter Druck stehendem Gummi. Solche Sonare sind hauptsächlich im Betrieb aktiv. Ein Beispiel für ein herkömmliches am Rumpf montiertes Sonar ist das SQS-56.

Aufgrund der Probleme des Schiffslärms werden auch gezogene Sonare verwendet. Diese haben auch den Vorteil, dass sie tiefer ins Wasser gelegt werden können. Die Verwendung in seichtem Wasser unterliegt jedoch Einschränkungen. Diese werden als gezogene Arrays (linear) oder Sonare mit variabler Tiefe (VDS) mit 2 / 3D-Arrays bezeichnet. Ein Problem ist, dass die Winden, die zum Bereitstellen / Wiederherstellen dieser erforderlich sind, groß und teuer sind. VDS-Sets sind hauptsächlich im Betrieb aktiv, während gezogene Arrays passiv sind.

Ein Beispiel für ein modernes Aktiv-Passiv-Schiffsschleppsonar ist das Sonar 2087 von Thales Underwater Systems.

Torpedos

Moderne Torpedos sind in der Regel mit einem Aktiv / Passiv-Sonar ausgestattet. Dies kann verwendet werden, um direkt auf dem Ziel zu landen, aber es werden auch Wake-Homing-Torpedos verwendet. Ein frühes Beispiel für einen akustischen Homer war der Mark 37 Torpedo.

Torpedo-Gegenmaßnahmen können abgeschleppt oder kostenlos sein. Ein frühes Beispiel war der Deutsche Sieglinde Gerät, während die Fett gedruckt war ein chemisches Gerät. Ein weit verbreitetes US-Gerät war der abgeschleppte AN / SLQ-25 Nixie, während der mobile U-Boot-Simulator (MOSS) ein kostenloses Gerät war. Eine moderne Alternative zum Nixie-System ist das Oberflächenschifffahrts-Torpedo-Verteidigungssystem S2170 der britischen Royal Navy.

Minen

Minen können mit einem Sonar ausgestattet sein, um das erforderliche Ziel zu erkennen, zu lokalisieren und zu erkennen. Ein Beispiel ist die CAPTOR-Mine.

Meine Gegenmaßnahmen

Das Sonar für Minen-Gegenmaßnahmen (MCM), manchmal auch als "Minar zur Vermeidung von Minen und Hindernissen (MOAS)" bezeichnet, ist ein spezieller Sonartyp, der zur Erkennung kleiner Objekte verwendet wird. Die meisten MCM-Sonare sind am Rumpf montiert, einige Typen sind jedoch VDS-Sonare. Ein Beispiel für ein am Rumpf montiertes MCM-Sonar ist der Typ 2193, während das Minensuchsonar SQQ-32 und die Systeme Typ 2093 VDS-Konstruktionen sind.

U-Boot-Navigation

U-Boote sind stärker auf Sonar angewiesen als Oberflächenschiffe, da sie in der Tiefe kein Radar verwenden können. Die Sonar-Arrays können am Rumpf montiert oder abgeschleppt werden. Informationen zu typischen Passungen finden Sie in OyashioU-Boot der Klasse und SwiftsureU-Boot der Klasse.

Flugzeug

Hubschrauber können für die U-Boot-Bekämpfung eingesetzt werden, indem Felder mit aktiv-passiven Sonobuoys eingesetzt werden, oder sie können Tauchsonare wie das AQS-13 betreiben. Starrflügelflugzeuge können auch Sonobojen einsetzen und haben eine größere Ausdauer und Kapazität, um sie einzusetzen. Die Verarbeitung von den Sonobuoys oder dem Eintauchsonar kann im Flugzeug oder auf dem Schiff erfolgen. Das Eintauchen des Sonars hat den Vorteil, dass es in Tiefen eingesetzt werden kann, die den täglichen Bedingungen entsprechen. Hubschrauber wurden auch für Minen-Gegenmaßnahmen mit gezogenen Sonaren wie dem AQS-20A eingesetzt.

Unterwasserkommunikation

Spezielle Sonare können an Schiffen und U-Booten für die Unterwasserkommunikation angebracht werden.

Ozeanüberwachung

Die Vereinigten Staaten begannen 1950 mit der American Telephone and Telegraph Company (AT & T) ein System passiver, fester Ozeanüberwachungssysteme mit dem klassifizierten Namen Sound Surveillance System (SOSUS) Installation. Die Systeme nutzten den SOFAR-Kanal (Deep Sound) und basierten auf einem AT & T-Schallspektrographen, der Schall in ein visuelles Spektrogramm umwandelte, das eine Zeit-Frequenz-Analyse von Schall darstellt, die für die Sprachanalyse entwickelt und zur Analyse niederfrequenter Unterwassergeräusche modifiziert wurde. Dieser Prozess war Niederfrequenzanalyse und -aufzeichnung, und das Gerät wurde als Niederfrequenzanalysator und -rekorder bezeichnet, beide mit dem Akronym LOFAR. LOFAR-Forschung wurde als bezeichnet Isebel und führte zur Verwendung in Luft- und Oberflächensystemen, insbesondere bei Sonobuys, die das Verfahren verwendeten und manchmal "Jezebel" in ihrem Namen verwendeten. [43] [44] [45] Das vorgeschlagene System bot ein derartiges Versprechen der U-Boot-Langstreckenerkennung, dass die Marine sofortige Schritte zur Umsetzung anordnete. [44] [46]

Zwischen der Installation eines Testarrays, gefolgt von einem vollständigen Prototyp-Betriebsarray mit vierzig Elementen in den Jahren 1951 und 1958, wurden Systeme im Atlantik und dann im Pazifik unter dem nicht klassifizierten Namen installiert Projekt Caesar. Die ursprünglichen Systeme wurden an klassifizierten Küstenstationen mit der Bezeichnung Naval Facility (NAVFAC) beendet, die als "Ozeanforschung" zur Abdeckung ihrer klassifizierten Mission eingestuft wurden. Das System wurde mehrmals mit einem fortschrittlicheren Kabel aktualisiert, sodass die Arrays in Ozeanbecken installiert und die Verarbeitung verbessert werden konnte. Die Küstenstationen wurden im Zuge der Konsolidierung und Umleitung der Arrays zu zentralen Verarbeitungszentren bis in die 1990er Jahre beseitigt. 1985, als neue mobile Arrays und andere Systeme in Betrieb genommen wurden, wurde der Name des kollektiven Systems in Integriertes Unterwasserüberwachungssystem (IUSS) geändert. 1991 wurde die Mission des Systems freigegeben. Im Jahr zuvor wurden IUSS-Insignien zum Tragen zugelassen. Einige Systeme wurden für die wissenschaftliche Forschung zugänglich gemacht. [43] [44]

Ein ähnliches System soll von der Sowjetunion betrieben worden sein.

Unterwassersicherheit

Sonar kann verwendet werden, um Froschmänner und andere Taucher zu erkennen. Dies kann um Schiffe oder an Eingängen zu Häfen gelten. Aktives Sonar kann auch als Abschreckungs- und / oder Deaktivierungsmechanismus verwendet werden. Ein solches Gerät ist das Cerberus-System.

Handsonar

Das Limpet Mine Imaging Sonar (LIMIS) ist ein tragbares oder ROV-montiertes Imaging-Sonar, das für Patrouillentaucher (Kampffroschmenschen oder Clearance-Taucher) entwickelt wurde, um nach Napfschneckenminen in schlecht sichtbarem Wasser zu suchen.

Das LUIS ist ein weiteres Bildsonar zur Verwendung durch einen Taucher.

Das integrierte Navigationssonarsystem (INSS) ist ein kleines Taschenlampen-Handsonar für Taucher, das die Reichweite anzeigt. [47] [48]

Sonar abfangen

Dies ist ein Sonar, das entwickelt wurde, um die Übertragungen von feindlichen aktiven Sonaren zu erkennen und zu lokalisieren. Ein Beispiel hierfür ist der Typ 2082 der Briten VorhutU-Boote der Klasse.

Fischerei

Die Fischerei ist eine wichtige Branche mit wachsender Nachfrage, aber die weltweite Fangmenge sinkt aufgrund schwerwiegender Ressourcenprobleme. Die Branche steht vor einer Zukunft der weltweiten Konsolidierung, bis ein Punkt der Nachhaltigkeit erreicht ist. Die Konsolidierung der Fischereiflotten führt jedoch zu einer erhöhten Nachfrage nach hochentwickelter Fischfindungselektronik wie Sensoren, Signalgebern und Sonaren. In der Vergangenheit haben Fischer viele verschiedene Techniken angewendet, um Fische zu finden und zu ernten. Die Akustiktechnologie war jedoch eine der wichtigsten Triebkräfte für die Entwicklung der modernen kommerziellen Fischerei.

Schallwellen bewegen sich anders durch Fische als durch Wasser, weil die luftgefüllte Schwimmblase eines Fisches eine andere Dichte hat als Meerwasser. Dieser Dichteunterschied ermöglicht die Erkennung von Fischschwärmen mithilfe von reflektiertem Schall. Die Akustiktechnologie eignet sich besonders gut für Unterwasseranwendungen, da sich der Schall unter Wasser weiter und schneller ausbreitet als in der Luft. Heutzutage verlassen sich kommerzielle Fischereifahrzeuge fast vollständig auf akustisches Sonar und Schallgeber, um Fische zu erkennen. Fischer verwenden auch die aktive Sonar- und Echolottechnologie, um die Wassertiefe, die Bodenkontur und die Bodenzusammensetzung zu bestimmen.

Unternehmen wie eSonar, Raymarine, Marport Canada, Wesmar, Furuno, Krupp und Simrad stellen eine Vielzahl von Sonar- und Akustikinstrumenten für die kommerzielle Tiefseefischerei her. Beispielsweise führen Netzsensoren verschiedene Unterwassermessungen durch und senden die Informationen an Bord eines Schiffes an einen Empfänger zurück. Jeder Sensor ist je nach seiner spezifischen Funktion mit einem oder mehreren Schallwandlern ausgestattet. Daten werden von den Sensoren mittels drahtloser akustischer Telemetrie übertragen und von einem am Rumpf montierten Hydrophon empfangen. Die analogen Signale werden von einem digitalen akustischen Empfänger decodiert und in Daten umgewandelt, die zur grafischen Anzeige auf einem hochauflösenden Monitor an einen Brückencomputer übertragen werden.

Echo ertönt

Echo-Sounding ist ein Prozess, mit dem die Wassertiefe unter Schiffen und Booten bestimmt wird. Eine Art aktives Sonar, Echo ertönt, ist die Übertragung eines akustischen Impulses direkt nach unten auf den Meeresboden, wobei die Zeit zwischen Übertragung und Echowiedergabe gemessen wird, nachdem der Boden erreicht und zu seinem Ursprungsschiff zurückgeworfen wurde. Der akustische Impuls wird von einem Wandler ausgesendet, der auch das Rückecho empfängt. Die Tiefenmessung wird berechnet, indem die Schallgeschwindigkeit im Wasser (durchschnittlich 1.500 Meter pro Sekunde) mit der Zeit zwischen Emission und Echorückgabe multipliziert wird. [49] [50]

Der Wert der Unterwasserakustik für die Fischereiindustrie hat zur Entwicklung anderer akustischer Instrumente geführt, die ähnlich wie Echolote funktionieren, deren Funktion sich jedoch geringfügig vom ursprünglichen Modell des Echolots unterscheidet Begriffe.

Nettostandort

Der Net Echolot ist ein Echolot mit einem Wandler, der an der Überschrift des Netzes und nicht am Boden des Gefäßes angebracht ist. Um den Abstand vom Wandler zur Anzeigeeinheit auszugleichen, der viel größer ist als bei einem normalen Echolot, müssen jedoch einige Verbesserungen vorgenommen werden. Es stehen zwei Haupttypen zur Verfügung. Der erste ist der Kabeltyp, bei dem die Signale entlang eines Kabels gesendet werden. In diesem Fall muss eine Kabeltrommel vorhanden sein, auf der das Kabel während der verschiedenen Betriebsphasen gezogen, geschossen und verstaut werden kann. Der zweite Typ ist der kabellose Netzton - wie Marports Trawl Explorer -, bei dem die Signale akustisch zwischen dem Netz und dem am Rumpf montierten Empfängerhydrophon auf dem Schiff gesendet werden. In diesem Fall ist keine Kabeltrommel erforderlich, aber am Wandler und Empfänger ist eine ausgefeilte Elektronik erforderlich.

Die Anzeige eines Netzschalldämpfers zeigt den Abstand des Netzes vom Boden (oder der Oberfläche) an und nicht die Wassertiefe wie beim am Rumpf montierten Schallkopf des Echolots. An der Überschrift des Netzes ist normalerweise das Fußseil zu sehen, das einen Hinweis auf die Nettoleistung gibt. Jeder Fisch, der ins Netz gelangt, ist ebenfalls zu sehen, sodass Feineinstellungen vorgenommen werden können, um möglichst viele Fische zu fangen. In anderen Fischereien, in denen die Menge der Fische im Netz wichtig ist, sind Fangsensorwandler an verschiedenen Positionen am Kabeljauende des Netzes angebracht. Wenn sich das Kabeljauende füllt, werden diese Wandler des Fangsensors nacheinander ausgelöst, und diese Informationen werden akustisch übertragen, um Monitore auf der Brücke des Schiffes anzuzeigen. Der Skipper kann dann entscheiden, wann er das Netz ziehen soll.

Moderne Versionen des Netzschalldämpfers, die Wandler mit mehreren Elementen verwenden, funktionieren eher wie ein Sonar als wie ein Echolot und zeigen Schnitte des Bereichs vor dem Netz und nicht nur die vertikale Ansicht, die die ursprünglichen Netzschalldämpfer verwendeten.

Das Sonar ist ein Echolot mit einer Richtungsfähigkeit, die Fische oder andere Objekte um das Schiff herum zeigen kann.

ROV und UUV

Kleine Sonare wurden an ferngesteuerten Fahrzeugen (ROVs) und unbemannten Unterwasserfahrzeugen (UUVs) angebracht, um deren Betrieb unter trüben Bedingungen zu ermöglichen. Diese Sonare dienen dazu, vor das Fahrzeug zu schauen. Das Langzeit-Minenaufklärungssystem ist ein UUV für MCM-Zwecke.

Fahrzeugstandort

Sonare, die als Leuchtfeuer dienen, werden an Flugzeugen angebracht, um ihre Position im Falle eines Absturzes im Meer zu ermöglichen. Kurze und lange Basissonare können zur Pflege des Standorts verwendet werden, z. B. LBL.

Prothese für Sehbehinderte

2013 stellte ein Erfinder in den USA einen "Spider-Sense" -Bodysuit vor, der mit Ultraschallsensoren und haptischen Rückkopplungssystemen ausgestattet ist und den Träger vor eingehenden Bedrohungen warnt, sodass er auch mit verbundenen Augen auf Angreifer reagieren kann. [51]

Biomasseschätzung

Erkennung von Fischen und anderen Meeres- und Wasserlebewesen und Schätzung ihrer individuellen Größe oder Gesamtbiomasse unter Verwendung aktiver Sonartechniken. Während sich der Schallimpuls durch Wasser bewegt, trifft er auf Objekte, die eine andere Dichte oder akustische Eigenschaften als das umgebende Medium haben, wie z. B. Fische, die den Schall zurück zur Schallquelle reflektieren. Diese Echos geben Auskunft über Fischgröße, Standort, Häufigkeit und Verhalten. Daten werden normalerweise mit einer Vielzahl von Software verarbeitet und analysiert, wie z Echoview.

Wellenmessung

Ein nach oben gerichteter Echolot, der am Boden oder auf einer Plattform montiert ist, kann verwendet werden, um Wellenhöhe und -periode zu messen. Aus dieser Statistik können die Oberflächenverhältnisse an einem Standort abgeleitet werden.

Wassergeschwindigkeitsmessung

Spezielle Kurzstrecken-Sonare wurden entwickelt, um Messungen der Wassergeschwindigkeit zu ermöglichen.

Bewertung des Bodentyps

Es wurden Sonare entwickelt, mit denen der Meeresboden beispielsweise in Schlamm, Sand und Kies umgewandelt werden kann. Relativ einfache Sonare wie Echolote können über Zusatzmodule zu Klassifizierungssystemen für den Meeresboden befördert werden, um Echoparameter in Sedimenttypen umzuwandeln. Es gibt verschiedene Algorithmen, die jedoch alle auf Änderungen der Energie oder Form der reflektierten Schallgeber-Pings basieren. Eine erweiterte Substratklassifizierungsanalyse kann unter Verwendung kalibrierter (wissenschaftlicher) Echolote und einer parametrischen oder Fuzzy-Logik-Analyse der akustischen Daten erreicht werden.

Bathymetrische Kartierung

Side-Scan-Sonare können verwendet werden, um Karten der Meeresbodentopographie (Bathymetrie) abzuleiten, indem das Sonar direkt über dem Boden darüber bewegt wird. Niederfrequenzsonare wie GLORIA wurden für Vermessungen im gesamten Festlandsockel verwendet, während Hochfrequenzsonare für detailliertere Vermessungen kleinerer Gebiete verwendet werden.

Profilerstellung unter dem Boden

Leistungsstarke Niederfrequenz-Echolote wurden entwickelt, um Profile der oberen Schichten des Meeresbodens bereitzustellen.

Gaslecksuche vom Meeresboden

Gasblasen können aus mehreren Quellen aus dem Meeresboden oder in dessen Nähe austreten. Diese können sowohl vom passiven [52] als auch vom aktiven Sonar [38] erfasst werden (in der schematischen Abbildung [52] durch gelbe bzw. rote Systeme dargestellt).

Es treten natürliche Versickerungen von Methan und Kohlendioxid auf. [38] Gaspipelines können auslaufen, und es ist wichtig zu erkennen, ob Leckagen an Einrichtungen zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung auftreten (CCSFs, z. B. abgereicherte Ölquellen, in denen extrahierter atmosphärischer Kohlenstoff gespeichert wird). [53] [54] [55] [56] Die Quantifizierung der Menge an austretendem Gas ist schwierig, und obwohl Schätzungen unter Verwendung von aktivem und passivem Sonar vorgenommen werden können, ist es wichtig, ihre Genauigkeit aufgrund der Annahmen, die mit solchen Schätzungen verbunden sind, in Frage zu stellen aus Sonardaten. [52] [57]

Synthetische Sonaröffnungen

Im Labor wurden verschiedene Sonare mit synthetischer Apertur gebaut, von denen einige in Minenjagd- und Suchsystemen eingesetzt wurden. Eine Erklärung ihrer Funktionsweise findet sich im Sonar mit synthetischer Apertur.

Parametrisches Sonar

Parametrische Quellen verwenden die Nichtlinearität von Wasser, um die Differenzfrequenz zwischen zwei hohen Frequenzen zu erzeugen. Ein virtuelles End-Fire-Array wird gebildet. Ein solcher Projektor hat die Vorteile einer breiten Bandbreite und einer schmalen Strahlbreite, und wenn er vollständig entwickelt und sorgfältig gemessen ist, weist er keine offensichtlichen Nebenkeulen auf: siehe Parametrisches Array. Sein Hauptnachteil ist ein sehr geringer Wirkungsgrad von nur wenigen Prozent. [58] P.J. Westervelt fasst die Trends zusammen. [59]

Sonar in außerirdischen Kontexten

Die Verwendung von sowohl passivem als auch aktivem Sonar wurde für verschiedene außerirdische Zwecke vorgeschlagen. [60] Ein Beispiel für die Verwendung von aktivem Sonar ist die Bestimmung der Tiefe von Kohlenwasserstoffmeeren auf Titan. [61] Ein Beispiel für die Verwendung von passivem Sonar ist die Erkennung von Methanfällen auf Titan. [62]

Es wurde festgestellt, dass Vorschläge, die die Verwendung von Sonar vorschlagen, ohne den Unterschied zwischen der irdischen (Atmosphäre, Ozean, Mineral) Umgebung und der außerirdischen Umgebung angemessen zu berücksichtigen, zu fehlerhaften Werten führen können [63] [64] [65] ] [66] [67] [68]

Wirkung auf Meeressäuger

Untersuchungen haben gezeigt, dass die Verwendung von aktivem Sonar zu Massensträngen von Meeressäugern führen kann. [69] Es wurde gezeigt, dass Schnabelwale, das häufigste Opfer der Strandungen, sehr empfindlich auf mittelfrequentes aktives Sonar reagieren. [70] Andere Meeressäugetiere wie der Blauwal fliehen ebenfalls von der Sonarquelle weg, [71] während die Seetätigkeit als wahrscheinlichste Ursache für eine Massenstrandung von Delfinen angesehen wurde. [72] Die US-Marine, die einige der Studien mitfinanzierte, sagte, dass die Ergebnisse nur Verhaltensreaktionen auf Sonar zeigten, keinen tatsächlichen Schaden, sondern "die Wirksamkeit ihrer Schutzmaßnahmen gegen Meeressäugetiere im Lichte neuer Ergebnisse bewerten werden" Forschungsergebnisse ". [69] In einem Urteil des Obersten Gerichtshofs der USA aus dem Jahr 2008 über die Verwendung von Sonar durch die US-Marine wurde festgestellt, dass es keine Fälle gegeben hatte, in denen eindeutig nachgewiesen wurde, dass Sonar ein Meeressäugetier geschädigt oder getötet hat. [73]

Einige Meerestiere, wie Wale und Delfine, verwenden Echolokalisierungssysteme, die manchmal auch genannt werden Biosonar Raubtiere und Beute zu lokalisieren. Untersuchungen zu den Auswirkungen von Sonar auf Blauwale in der Bucht von Südkalifornien zeigen, dass die Verwendung von Sonar mit mittlerer Frequenz das Fütterungsverhalten der Wale stört. Dies deutet darauf hin, dass sonarbedingte Störungen der Fütterung und Verdrängung von hochwertigen Beutefeldern erhebliche und bisher nicht dokumentierte Auswirkungen auf die Ökologie der Bartenwalfutter, die individuelle Fitness und die Gesundheit der Bevölkerung haben könnten. [74]

Eine Überprüfung der Beweise für die Massenstrandung von Schnabelwalen im Zusammenhang mit Marineübungen, bei denen Sonar verwendet wurde, wurde 2019 veröffentlicht. Sie kam zu dem Schluss, dass die Auswirkungen von mittelfrequentem aktivem Sonar auf Cuviers Schnabelwale am stärksten sind, jedoch zwischen Individuen oder Populationen variieren. Die Überprüfung ergab, dass die Stärke der Reaktion einzelner Tiere davon abhängen kann, ob sie zuvor Sonar ausgesetzt waren, und dass bei gestrandeten Walen Symptome einer Dekompressionskrankheit festgestellt wurden, die möglicherweise auf eine solche Reaktion auf Sonar zurückzuführen sind.Es stellte fest, dass auf den Kanarischen Inseln, auf denen zuvor mehrere Strandungen gemeldet worden waren, keine Massenstrandungen mehr aufgetreten waren, nachdem Marineübungen, bei denen Sonar verwendet wurde, in dem Gebiet verboten waren, und empfahl, das Verbot auf andere Gebiete auszudehnen, in denen Massenstrandungen weiterhin bestehen auftreten. [75] [76]

Wirkung auf Fische

Hochintensive Sonargeräusche können bei einigen Fischen zu einer geringfügigen vorübergehenden Verschiebung der Hörschwelle führen. [77] [78] [a]

Die Frequenzen von Sonaren reichen von Infraschall bis über einem Megahertz. Im Allgemeinen haben die niedrigeren Frequenzen einen längeren Bereich, während die höheren Frequenzen eine bessere Auflösung und eine kleinere Größe für eine gegebene Richtwirkung bieten.

Um eine vernünftige Richtwirkung zu erreichen, erfordern Frequenzen unter 1 kHz im Allgemeinen eine große Größe, die üblicherweise als gezogene Arrays erreicht wird. [79]

Niederfrequenzsonare werden lose als 1–5 kHz definiert, obwohl einige Marinen 5–7 kHz auch als Niederfrequenz betrachten. Die Mittelfrequenz wird als 5–15 kHz definiert. Eine andere Art der Teilung geht davon aus, dass die Niederfrequenz unter 1 kHz und die Mittelfrequenz zwischen 1 und 10 kHz liegt. [79]

Sonare aus der Zeit des amerikanischen Zweiten Weltkriegs wurden mit einer relativ hohen Frequenz von 20 bis 30 kHz betrieben, um mit relativ kleinen Wandlern mit einer typischen maximalen Reichweite von 2500 m eine Richtwirkung zu erzielen. Nachkriegssonare verwendeten niedrigere Frequenzen, um eine größere Reichweite zu erzielen, z. SQS-4 arbeitete mit 10 kHz und einer Reichweite von bis zu 5000 m. SQS-26 und SQS-53 arbeiteten bei 3 kHz mit einer Reichweite von bis zu 20.000 m. Ihre Kuppeln hatten eine Größe von ca. ein 60-Fuß-Personalboot, eine obere Größenbeschränkung für herkömmliche Rumpfsonare. Das Erreichen größerer Größen durch eine über den Rumpf verteilte konforme Sonaranordnung war bisher nicht effektiv, da daher lineare oder gezogene Anordnungen mit niedrigeren Frequenzen verwendet werden. [79]

Japanische WW2-Sonare arbeiteten mit verschiedenen Frequenzen. Der Typ 91 mit 30-Zoll-Quarzprojektor arbeitete mit 9 kHz. Der Typ 93 mit kleineren Quarzprojektoren arbeitete mit 17,5 kHz (Modell 5 mit 16 oder 19 kHz magnetostriktiv) bei Leistungen zwischen 1,7 und 2,5 Kilowatt mit einer Reichweite von bis zu 6 km. Der spätere Typ 3 mit magnetostriktiven Wandlern deutscher Bauart arbeitete bei 13, 14,5, 16 oder 20 kHz (nach Modell) unter Verwendung von Doppelwandlern (mit Ausnahme von Modell 1 mit drei einzelnen Wandlern) mit 0,2 bis 2,5 Kilowatt. Der einfache Typ verwendete magnetostriktive 14,5-kHz-Wandler mit 0,25 kW, die durch kapazitive Entladung anstelle von Oszillatoren angetrieben wurden, mit einer Reichweite von bis zu 2,5 km. [21]

Die Auflösung des Sonars ist eckig. Objekte, die weiter voneinander entfernt sind, werden mit niedrigeren Auflösungen abgebildet als Objekte in der Nähe.

Eine andere Quelle listet Bereiche und Auflösungen im Vergleich zu Frequenzen für Side-Scan-Sonare auf. 30 kHz bietet eine niedrige Auflösung mit einer Reichweite von 1000 bis 6000 m, 100 kHz eine mittlere Auflösung bei 500 bis 1000 m, 300 kHz eine hohe Auflösung bei 150 bis 500 m und 600 kHz eine hohe Auflösung bei 75 bis 150 m. Sonare mit größerer Reichweite werden durch Nichthomogenitäten des Wassers stärker beeinträchtigt. Einige Umgebungen, typischerweise flache Gewässer in Küstennähe, haben kompliziertes Gelände mit vielen Merkmalen, bei denen höhere Frequenzen erforderlich werden. [80]


Video: Side scan sonar