MILITARNE APLIKACJE ULTRADŹWIĘKÓW dr inż. Lech Kilian st MILITARNE APLIKACJE ULTRADŹWIĘKÓW dr inż. Lech Kilian st. wykładowca w Katedrze systemów Elektroniki Morskiej Wydziału Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej Gdańsk 10.2008

KLASYFIKACJA ULTRADŹWIĘKOWYCH SYSTEMÓW MILITARNYCH systemy hydrolokacyjne aktywne - dalekiego zasięgu (przeciwokrętowe) - z antenami podkilowymi - z antenami opuszczanymi (śmigłowcowe) i holowanymi - bliskiego zasięgu (przeciwminowe, przeciwsabotażowe) - czołowe - boczne - FM - echosondy systemy hydrolokacyjne pasywne (bierne – przeciwokrętowe) - z rozległymi antenami holowanymi, naburtowymi (OP), stacjonarnymi - z radiohydrobojami - poligony pomiarowe systemy komunikacyjne - do komunikacji z okrętami podwodnymi - do komunikacji z płetwonurkami - transmisji danych telemetryczne nawigacji lokalnej logi dopplerowskie

HYDROLOKACYJNE DALEKOSIĘŻNE SYSTEMY AKTYWNE Doświadczenie KSEM: modernizacja podkilowych stacji na ORP KASZUB (zakończona) i ORP PUŁASKI (w trakcie) oraz sonarów śmigłowcowych (potencjalnie – współpraca z Thales Underwater Systems). zasięgi: kilkanaście km wypełniająca (nośna) częstotliwość impulsów: kilka – kilkanaście kHz (słyszalna) beamforming po stronie odbiorczej sondujące impulsy szerokopasmowe z filtracją dopasowaną w odbiorniku na mniejszych okrętach – stabilizacja pozycji anteny przy przechyłach Beamforming: - przyczyna stosowania: powolna propagacja fal dźwiękowych w wodzie – np. echo z 15km po 20s, czyli przy czterostopniowej wiązce N/O czas przeszukania sektora 360 stopni TP = 1800s = 0,5h. - sposób: jednoczesne wytwarzanie wielu (n = kilkanaście, kilkadziesiąt) wiązek odbiorczych przez co TPb = TP/n Szerokopasmowe impulsy sondujące z filtracją dopasowaną: Szum, sygnał 1, sygnał2 t Szum, sygnał 1, sygnał2 FDP t

Sonar okrętowy ASW z anteną podkilową i holowaną (strona internetowa Kongsberg Maritime) Stosowanie niewygodnej anteny holowanej z powodu konieczności opuszczania jej poniżej strefy termicznego gradientu przypowierzchniowego, powodującego znaczne ugięcia tras propagacji fal akustycznych – konieczne są pomiary wgłębnego rozkładu prędkości dźwięku w akwenie.

Sonar śmigłowcowy ASW (strona internetowa Thales Underwater Systems)

Zespoły okrętowego sonaru ASW: - cylindryczna (dookólna) antena podkilowa - holowany nośnik anteny - konsola operatora sonaru (strona internetowa ATLAS ELEKTRONIK Sonar Systems)

HYDROLOKACYJNE SYSTEMY AKTYWNE BLISKIEGO ZASIĘGU Doświadczenie KSEM: projekt, modele i prototypy sonarów czołowych i bocznych na trałowcach redowych i niszczycielach min (druga połowa lat ’80) i modernizacja sonarów bocznych (aktualnie) modernizacja poradzieckich sonarów czołowych na trałowcach redowych projekty, modele i jednostkowa produkcja sonarów FM i miniaturowych impulsowych na pojazd podwodny i dla płetwonurków MW Przeznaczenie: wykrywanie i lokalizacja min, nurków, małych pojazdów podwodnych i innych, niewielkich celów w toni i dennych (także zabezpieczenia portów i ważnych akwenów). Sonary boczne dodatkowo wykonywanie map dna. Instalowane na okrętach nawodnych i podwodnych oraz w miniaturowych wykonaniach na małych jednostkach, pojazdach podwodnych, torpedach i dla płetwonurków. zasięgi: rzędu 1000m wypełniająca (nośna) częstotliwość impulsów: kilkadziesiąt – kilkaset kHz, często kilka (2-3) częstotliwości nośnych beamforming po stronie odbiorczej impulsy sondujące szerokopasmowe z filtracją dopasowaną w odbiorniku stabilizacja pozycji anteny przy przechyłach echosondy parametryczne

Sonar przeciwminowy (strona internetowa Kongsberg Maritime)

Autonomiczny pojazd podwodny z sonarem czołowym, bocznym, czterowiązkowym logiem dopplerowskim i łączem ultradźwię-kowym ze statkiem. (strona internetowa Kongsberg Maritime)

Zabezpieczenia przed dywersją (strony internetowe firm RESON i Kongsberg Maritime)

Sonary boczne z anteną na kadłubie i holowaną (strona internetowa firmy NORA)

echosondy liczna rodzina – od wędkarstwa przez nawigację, rybołówstwo (szacowanie zasobów, sieciowe) sedymenty po wykrywanie złóż ropy (ORP KOPERNIK) Doświadczenie KSEM: udział w konstruowaniu pierwszej polskiej echosondy (MORS Gdynia prof. Jagodziński) konstrukcja serii specjalistycznych echosond do płytkich wód dla polskich instytucji admini- strujących wodami śródlądowymi (SONEL) WIKIMEDIA

- sonary dla płetwonurków: Doświadczenie KSEM: sonary WODNIK (impulsowe + FM + komunikacja) - ’70/’80 sonarki FM (SONEL) RJE Imntrnational, Inc. ELAC

SYSTEMY HYDROLOKACYJNE PASYWNE (BIERNE) - z rozległymi antenami holowanymi, naburtowymi (OP), stacjonarnymi Doświadczenie KSEM: - uruchomienie i modernizacja sonarów na ORP PUŁASKI i ORP KOŚCIUSZKO pasmo nasłuchu: ułamki Hz – kilka kHz beamforming niekiedy opcja pracy sonarów aktywnych Uzyskuje się tylko namiar na źródło hałasu (niekiedy bez rozróżnienia z lewej czy prawej burty). Odległość z przecięcia namiarów Holowany i stacjonarny sysem pasywny (strony internetowe Thales Underwater Systems i OBR CTM w Gdyni))

z radiohydrobojami Doświadczenie KSEM: modernizacja radiohydroboi i zobrazowań śmigłowcowych systemów poradzieckich, procesor sygnałowy i zobrazowanie współczesnego systemu samolotowego pasmo nasłuchu: ułamki Hz – kilka kHz kilka – kilkanaście boi tworzy zaporę boja uruchamia swój nadajnik radiowy gdy słyszy w pobliżu hałas okrętu boje: bezkierunkowe - o pozycji wykrywanego okrętu informuje pozycja i numer działającej boi (okręt w pobliżu) kierunkowe – droższe (kompas, charakterystyka kierunkowa nasłuchu) - dają namiar na okręt aktywne – najdroższe – dają namiar i odległość Poniższe rysunki ze strony Wikimedii i Wikipedii

poligony pomiarowe stacjonarne – zakotwiczone hydrofony poligony pomiarowe stacjonarne – zakotwiczone hydrofony. Na powierzchni - tor z bojami wyznaczającymi podejście okrętów. Cel: okresowe sprawdzenie, czy hałasy wytwarzane przez okręt nie są nadmierne. Instalowane na poligonie na ogół razem z magnetometrami. Sprawdzenie wartości pól fizycznych wytwarzanych przez okręt powinno zapobiegać reakcji min na pola okrętu.

systemy komunikacyjne - do komunikacji z okrętami podwodnymi Doświadczenia KSEM - hydrotelefon IBIS (lata ’60) - hydrotelefon HTL-10 w wersjach śmigłowcowej i okrętowej (SONEL) szumy + pogłos – konieczne specjalne metody obróbki sygnałów, mimo to transmisja mowy powolna istotne parametry (STANAG): nośna ok.10kHz, moc min 40W, SSB dolna lub górna wstęga pinger ratunkowy zasięgi – kilka km WIKIMEDIA

do komunikacji z płetwonurkami Doświadczenia KSEM – hydrotelefon PALMA (lata’70) zła akustyka maski + szum „kaczego dzioba” efekt „kaczora Donalda” częstotliwość nośna - kilkadziesiąt kHz, zasięgi ok. 1km, modulacja SSB.

transmisji danych Doświadczenia KSEM – urządzenie do sterowania podwodnym systemem stacjonarnym - złe własności kanału transmisyjnego dla typowych transmisji cyfrowych - szczególne metody modulacji, potwierdzeń, transmisje powolne - energooszczędne „czuwanie” NAVAL TECHNOLOGY

telemetryczne Doświadczenia SONEL: - mierniki bezpośrednie rozkładów wgłębnych prędkości dźwięku w akwenach z predykcją i ergonomiczną ekspozycją warunków detekcji celów - zintegrowany zestaw pomiarowy wielkości przepływu nurtów rzek (echosonda + nurtometr dopplerowski + transponder nawigacyjny) - systemy kontroli manewrów statków w Porcie Północnym - system pomiarowy geometrii modelów włoka Można ponadto mierzyć np. amplitudy falowania, wgłębne rozkłady prędkości nurtu a wyniki pomiarów gromadzić w pamięci lub przesyłać akustycznie.

nawigacji lokalnej Doświadczenia KSEM – tylko modelowe + transpondery do oznaczania pozycji wykrytych celów przed erą GPS na ogół kilka zatopionych na znanych pozycjach boi wysyłających impulsy samoczynnie lub na zapytanie. Na podstawie różnic czasowych (fazowych) odbieranych impulsów możliwe określenie położenia odbiornika. Częstotliwość pracy – kilkadziesiąt kHz. - do nawigacji pojazdów podwodnych, dynamicznej stabilizacji statków wiertniczych, wyznaczania niejawnych bezpiecznych przejść itp - liczne odmiany: ze względu na rozmiar bazy pomiarowej względem długości fali akustycznej - z długą, krótką i superkrótką bazą a ze względu na rodzaj boi odzewowych z pingerami, transponderami i responderami - pingery i transpondery (pytane – oszczędniejsze energetycznie) elementami systemów ratunkowych okrętów podwodnych i nurków. - logi dopplerowskie Doświadczenia KSEM – tylko modelowe Na niezbyt głebokich i niezbyt rozwarstwionych termicznie wodach istnieją warunki do uzyskiwania odbić pod kątem sygnałów od dna. Sygnały odbite zawierają wówczas informację dopplerowską o prędkości ruchu statku względem dna a nie jak w przypadku innych rodzajów logów – względem otaczającej kadłub wody. Możliwy pomiar obu składowych wektora prędkości

Przykłady zastosowania techniki ultradźwiękowej w innych niż MW rodzajach wojsk: inżynieryjne – mierniki grubości warstw lodu - transportery rozpoznania inżynieryjnego przepraw (zintegrowane: echosonda, nurtometr, sonar czołowy, sonar boczny, transponder nawigacyjny) - lotnicze - sodary meteorologiczne