Självständigt arbete (15hp)
Militärteknik: PK metod och självständigt arbete, OP10-‐13
Författare: Kd Andreas Linnarsson SA VT 2013
Program: OP10-‐13
Handledare: Nils Bruzelius Kurskod: 1OP154
Antal ord: 11 564
Multistatisk sonar
-‐
En teoretisk prestandastudie i en svensk kontext
Sammanfattning: I takt med att ubåtarna blir allt tystare och svårare att detektera ställs allt högre krav på de sensorer som utvecklas för hålla jämna steg med denna utveckling. Redan under 80-‐talet kunde man konstatera att ubåtarna hade blivit så tysta att passiv detektering inte räckte till varför intresset istället riktades mot primärt aktiva system. Aktiv sändning medför sina egna nackdelar och tillsammans med de tekniker som utvecklats för att dämpa ekona från en ubåt gör att inte ens en aktiv, monostatisk sonar alltid ger tillfredsställande resultat. Till Försvarsmaktens nya medeltunga helikopter HKP14 har ett nytt sonarsystem införskaffats med möjlighet till fusionerad signalbehandling (s.k. multistatisk sonar) av signaler mottagna från flera olika mottagare såsom t.ex. sonarbojar.
Undersökningen syftar till att belysa vilka fördelar som kan erhållas vid helikopterbaserad, multistatisk ubåtsjakt och visar med ett antal räkneexempel bland annat att en större räckvidd och därmed även ett större detekteringsområde kan förväntas i en multistatisk konfiguration. Beräkningarna är gjorda med utgångspunkt i Uricks sonarekvationer men då faktorer såsom reverberation och kanalutbredning har avgränsats bort är det osäkert hur väl dessa resultat skulle stämma överens med en fältstudie. Utifrån de typfall som har undersökts visar emellertid studien på att de teoretiska fördelarna med ett multistatiskt system är tydliga och att dessa rent logiskt i viss utsträckning även borde gälla i praktiken.
Nyckelord: multistatisk, monostatisk, bistatisk, sonar, hkp14, ubåt, diesel-‐elektrisk
Multistatic sonar
-‐
A theoretical study of performance in a Swedish context
Abstract: The fact that submarines are becoming more silent and therefore harder to detect has led to an ever-‐increasing demand for more sensitive and sophisticated sensors to keep up with this development. As early as the 1980s it became obvious that submarines had become so silent that passive detection was not enough and the focus shifted toward active systems instead. Active transmission has its own disadvantages, and new techniques to silence
submarines and reduce their acoustic signature even further have led to a situation where not even active, monostatic sonar always produces a satisfactory result. Along with the new medium sized helicopter (NH90), the Swedish Armed Forces have purchased a new sonar system that allows fused signal processing, using signals received by different receivers, such as sonobuoys.
The aim of the study is to show what advantages can be gained from helicopter-‐based multistatic anti-‐submarine warfare and to show, by a number of arithmetic examples, that greater detection ranges and thus greater detection areas can be expected from a multistatic configuration. The examples are based on Urick’s sonar equations, but since factors such as reverberation and channel propagation of sound have been excluded from the study, it is uncertain how these results would compare to a field study. However, the study clearly shows the theoretical advantages of a multistatic system and that, on the basis of simple logic, these results should be feasible, to some extent, in practice.
Keywords: multistatic, monostatic, bistatic, sonar, nh90, submarine, ssp
Innehållsförteckning
1 INLEDNING ... 1 1.1 BAKGRUND ... 1 1.2 PROBLEMFORMULERING ... 2 1.3 SYFTE ... 2 1.4 FRÅGESTÄLLNING ... 2 1.5 AVGRÄNSNINGAR ... 2 1.6 TIDIGARE STUDIER ... 2 1.6.1 Internationellt ... 3 1.6.2 Nationellt ... 3 1.7 METOD ... 31.8 MATERIAL OCH KÄLLKRITIK ... 4
1.9 VALIDITET OCH RELIABILITET ... 4
2 GRUNDLÄGGANDE HYDROAKUSTIK I EN SVENSK KONTEXT ... 5
2.1 SOUND NAVIGATION AND RANGING ... 5
2.2 AKTIV OCH PASSIV SONAR ... 5
2.3 LJUDHASTIGHETEN I VATTEN ... 6
2.4 SONAREKVATIONERNA ... 7
2.4.1 Inledning ... 7
2.4.2 Referensintensiteten μPa och dB-‐begreppet ... 8
2.4.3 Aktiva och passiva sonarekvationen ... 8
2.4.4 Sonarekvationernas termer ... 9 2.4.5 SL – Signalnivå ... 9 2.4.6 TL – Utbredningsförluster ... 11 2.4.7 TS – Målstyrka ... 15 2.4.8 NL – Brus ... 18 2.4.9 DI – Direktivitetsindex ... 19 2.4.10 DT -‐ Detekteringströskel ... 19 2.5 MONOSTATISK SONAR ... 20 2.6 MULTISTATISK SONAR ... 21 2.7 HKP 14 ... 24 2.8 SONAR 234 ... 24 2.9 SONARBOJAR ... 25 2.10 ÖSTERSJÖN ... 27 3 TYPFALLSSTUDIE ... 29 3.1 GRUNDFÖRUTSÄTTNINGAR ... 29
3.2 TYPFALL 1 – MONOSTATISK SONAR ... 29
3.3 TYPFALL 2 – MULTISTATISK SONAR ... 30
3.4 TYPFALL 3 – MULTISTATISK SONAR MED ALTERNATIV PLACERING AV SONARBOJ ... 31
4 RESULTAT ... 32
4.1 BERÄKNING AV ABSORPTIONSKOEFFICIENTEN ... 32
4.2 TYPFALL 1 ... 33 4.3 TYPFALL 2 ... 35 4.4 TYPFALL 3 ... 36 5 DISKUSSION ... 39 5.1 MÅLSTYRKA ... 39 5.2 SONARPLACERING ... 39 5.3 AVGRÄNSNINGAR ... 39 5.4 ÖVRIGT ... 40 6 SLUTSATS ... 40 7 KÄLLFÖRTECKNING ... 41 7.1 BÖCKER ... 41
7.2 RAPPORTER OCH ARTIKLAR ... 41
7.3 ELEKTRONISKA KÄLLOR ... 41
Centrala begrepp
Bistatisk sonar: Samlingsbegrepp för sonarkoncept som innebär geografiskt separerade sändare och mottagare. 1 I studien avses system bestående av en sändare och en
mottagare.
Bistatiska teoremet: Teori inom optikläran som anger att reflektionsytan för en given bistatisk vinkel är densamma som den monostatiska reflektionsytan för den bistatiska vinkelns bisektris, vilket är giltigt för släta kroppar och reflektionsvinklar <<180°.2
Kanalutbredning: Vattenskikt med lägre ljudhastighet än omkringliggande lager som medför ljudutbredning med liten dämpning och därmed större räckvidd.3
Monostatisk sonar: Sonarsystem där sändare och mottagare befinner sig på samma plats eller i nära anslutning till varandra. Den traditionella typen av sonar som vanligtvis avses i litteraturen och i studien om inget annat nämns.
Multistatisk sonar: I likhet med bistatisk sonar men skillnaden att det explicit avser system med fler än två mottagare och/eller sändare.4
Reverbation: Oönskade återstudsar (ekon) och återspridning av de utsända ljudpulserna till följd av reflektion mot botten, ytan eller vattenvolymen och som kan maskera eller dränka den önskvärda signalen.5
Sonarboj: En aktiv eller passiv sonar, ofta av engångstyp som kan släppas från flygplan, helikopter eller fartyg och som används för bland annat ubåtsjakt.
Västerhavet: Vardaglig benämning på Kattegatt och Skagerrack men som även kan inbegripa Nordsjön, Öresund, Stora och Lilla Bält samt Limfjorden.6
1 Bistatic sonar, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Bistatic_sonar, Hämtad: 2013-‐05-‐20
2 J W. Crispin, A Theoretical Method for the Calculation of the Radar Cross Sections of Aircraft and Missiles, University of Michigan,
Michigan, 1959, s. 88.
3 FMV, Hydroakustik och sonarteknik för Marinen v. 2.0, 2009, s. 128.
4 Bistatic sonar, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Bistatic_sonar, Hämtad: 2013-‐05-‐20 5 FMV, Hydroakustik och sonarteknik för Marinen v. 2.0, s. 106-‐107.
1 Inledning
År 2007 överlämnade FMV den första av 18 helikoptrar med modellbeteckningen HKP14 till Försvarsmakten. Utav dessa 18 är fem helikoptrar avsedda att utrustas för ubåtsjakt och därmed överta rollen som huvudplattform för helikopterbaserad ubåtsjakt sedan avvecklingen av HKP4-‐systemet den 1:a mars 2011. Till de nya helikoptrarna har även ett nytt sonarsystem införskaffats som förutom ett antal generella förbättringar även skall ha stöd för s.k. multistatisk ubåtsjakt vilket med tidigare system inte har varit möjligt.
1.1 Bakgrund
Mellan juni 2005 och augusti 2007 leasade U.S. Navy den svenska ubåten HMS Gotland i syfte att utvärdera hur deras flotta stod sig i förhållande till hotet från moderna och tystgående diesel-‐elektriska ubåtar. Trots omfattande insatser från den amerikanska flottan lyckades HMS Gotland att både undkomma upptäckt såväl som penetrera försvaret kring det amerikanska hangarfartyget USS Ronald Reagan.7
Resultatet av HMS Gotlands framgångar under dessa övningar ledde dels till ett ökat internationellt intresse för små och tysta ubåtar med möjlighet till luftoberoende framdrivning, men följaktligen också en oro inför vad en allt större förekomst av dessa fartyg innebär för de som riskerar att möta dem. Även om USA ansåg att fallet med HMS Gotland var ett ”worst-‐case” scenario8 så var det ändå en väckarklocka för dem att deras ubåtsjaktförmåga sedan det kalla kriget varit under konstant förfall9 och att befintlig teknik och taktik inte kan anses vara tillfredställande i dagsläget.10
År 2012 uppskattade man att 39 nationer opererade med 400 diesel-‐elektriska ubåtar och att marknaden för dessa ser fortsatt positiv ut under åtminstone 10 år framöver.11 12 I dagsläget finns ett antal modeller tillgängliga på marknaden och deras förhållandevis låga pris och goda möjligheter att förse dem med kvalificerade system för allt från underrättelseinhämtning till vapeninsats gör dem till en resurs att räkna med, och hantera, även i framtiden.13
På grund av deras låga marschfart, och i förhållande till atomubåtarnas begränsade uthållighet, lämpar sig konventionella ubåtar bäst för operationer i kustnära områden och grunda innanhav. Ur en ubåtsjaktsynvinkel sammanfaller emellertid svårigheterna med att bedriva spaning i denna miljö, med de moderna, konventionella ubåtarnas goda förmåga till signaturanpassning. Av denna anledning måste det anses vara av stor vikt
7 W Winslow, U.S. Time, More Than the Navy’s Numbers Could Be Sinking, 2012-‐12-‐04, http://nation.time.com/2012/12/04/more-‐
than-‐the-‐navys-‐numbers-‐could-‐be-‐sinking/, Hämtad: 2013-‐05-‐18
8 Strategy Page, It's Quiet Out There, Too Quiet, 2012-‐12-‐19, https://www.strategypage.com/htmw/htsub/articles/20121219.aspx,
Hämtad: 2013-‐05-‐18
9 J Keller,, Military & Aerospace, U.S. anti-‐submarine capability is eroding, and it may be too late to turn it around, 2012-‐12,
http://www.militaryaerospace.com/blogs/aerospace-‐defense-‐blog/2012/12/u-‐s-‐anti-‐submarine-‐capability-‐is-‐eroding-‐and-‐it-‐may-‐ be-‐too-‐late-‐to-‐turn-‐it-‐around.html, Hämtad: 2013-‐05-‐18
10 G Jean, National Defense, Diesel-‐Electric Submarines, the U.S. Navy’s Latest Annoyance, 2008-‐04,
http://www.nationaldefensemagazine.org/archive/2008/April/Pages/AntiSub2301.aspx, Hämtad: 2013-‐05-‐18
11 Strategy Page, It's Quiet Out There, Too Quiet
12 Kimla, D. -‐ Conventional (AIP) Submarine – a Weapon of Choice for the 21st Century, s.4
13 M Vego, U.S. Naval Institute, The Right Submarine for Lurking in the Littorals, 2010-‐06, http://www.usni.org/print/6170, Hämtad:
2013-‐05-‐18
att ubåtsjaktförmågan utvecklas, speciellt med fokus på upptäckt då detta är en förutsättning för att kunna gå vidare i bekämpningskedjan.
1.2 Problemformulering
I Sverige har vi nyttjat oss av helikoptrar som en del av ubåtsjaktförmågan sedan mitten av 50-‐talet. HKP4 som under nästan 50 år tjänade som plattform för ubåtsjakt har avvecklats och skall ersättas av HKP14 som nu är under införande i Försvarsmakten.14 Som sensor har man traditionellt sett använt sig av s.k. monostatisk sonar vilket innebär att sändare och mottagare befinner sig på samma geografiska position. Till HKP14 har en ny sonar införskaffats som utöver monostatisk funktionalitet även har stöd för s.k. multistatisk ubåtsjakt.15 Detta innebär att man kan användas sig av flera mottagare som kan vara geografiskt utspridda för att öka sannolikheten för att ett måleko uppfångas.16 I Försvarsmaktens materialförsörjningsplan för 2014-‐2020 är inriktningen att införskaffa sonarbojar som kan nyttjas i flera olika applikationer men huruvida detta innefattar sonarbojar med multistat-‐kapacitet eller inte går inte att utläsa explicit.17
1.3 Syfte
Arbetet syftar till att belysa fördelarna och eventuella nackdelar med ett multistatiskt sonarsystem i en svensk, kustnära miljö och den nytta detta skulle kunna innebära för den svenska ubåtsjaktförmågan.
1.4 Frågeställning
För att besvara syftet kommer följande frågeställning att besvaras i arbetet:
• Hur kan ett multistatiskt sonarsystem bidra till en förbättrad lägesbild i samband med ubåtsjakt i Östersjön?
1.5 Avgränsningar
• På grund av komplexiteten i att uppskatta förekomsten och inverkan av reverberation och kanalutbredning tas ingen hänsyn till dessa faktorer vid beräkning av räckvidd för de olika systemen.
• Ingen hänsyn tas till eventuella variationer mellan spektralnivå och bandnivå vid ljudnivåberäkningar.
• Eventuella problem med utveckling, anskaffning och driftsättning av sonarbojar lämpade för multistatisk användning hanteras inte i studien.
1.6 Tidigare studier
Ett antal internationella och nationella studier har genomförts med tydlig koppling till ämnet. Dessa redovisas i korthet nedan.
14 Boeing Vertol 107, Wikipedia, http://sv.wikipedia.org/wiki/Boeing_Vertol_107, Hämtad: 2013-‐05-‐24 15 FMV, Hydroakustik och sonarteknik för Marinen v. 2.0, s. 218.
16 A. Yakubovskiy, Bistatic Sonar, explained, http://www.farsounder.com/files/Bistatic%20Sonar_explained.pdf 17 Försvarsmakten, Materielförsörjning – Försvarsmaktens planerade materialförsörjning 2014 – 2020, 2012, s. 23.
1.6.1 Internationellt
Matthew Fewell och Sylvia Ozolz, båda verksamma vid Maritime Operations Division i Australien redogör i sin rapport Simple Detection-‐Performance Analysis of Multistatic Sonar for Anti-‐Submarine Warfare för resultatet av en teoretisk analys av fördelarna med ett multistatiskt sonarsystem gentemot ett monostatiskt dito. Där konstaterar man att det är utseendet på kurvan för detekteringssannolikhet som har enskilt störst
inverkan på huruvida multistatisk detektering faktiskt innebär några fördelar eller inte. I ett multistatiskt fält med sonarbojar visar emellertid resultaten att endast en fjärdedel så många bojar krävs för att uppnå samma sannolikhet för upptäckt i förhållande till om bojarna nyttjas monostatiskt, om man antar att detekteringskurvan är exponentiell.18
Ari Poikonen, Pekka Mertsalmi och Pentti Mattila vid Finnish Naval Research Institute skriver i sin rapport Multistatic Sonar Studies In Shallow Water Environment In The Gulf Of Finland om resultatet från en praktisk studie genomförd i Finska viken under 2007. Fokus ligger här främst på hur val av olika moduleringar och signalbehandling av mottagna ekon påverkar målföljning som implementerats med hjälp av ett linjärt Kalman-‐filter. Resultatet visar på att god prestanda i ett multistat-‐system kan uppnås både med CW-‐ och FM-‐pulser när ovan nämnda filtreringsmetod används. Tyvärr relateras inte resultatet till något monostat-‐system men visar likväl på möjligheterna med en multistat-‐lösning.19
1.6.2 Nationellt
År 2000 publicerade FOA resultatet av en fem år lång studie av multistatisk sonar med avseende på målstyrka, reverberation, detektion och lokalisering. Man konstaterar där att bi/multistatisk operation kan innebära fördelar ur en reverberationsaspekt då sannolikheten för att ha en mottagare i närheten av målet ökar, vilket i sin tur även ökar förhållandet mellan eko och reverberation. I övrigt finner man fördelar såsom ökade detekteringsavstånd, minskad risk för inbördes störning mellan olika sonarsystem såväl som en förbättrad möjlighet till taktisering med systemet då mottagarna kan operera dolt. De nackdelar man kunde konstatera var bland annat lägre målstyrka i vissa fall, mer komplexa system med större koordineringsbehov samt att mål mellan sändare och mottagare kan vara svåra att upptäcka.20
1.7 Metod
Inledningsvis har studier av bakomliggande teorier samt forskningsrapporter inom ämnet genomförts i syfte att skapa en djupare förståelse för problemet och för att därefter kunna utveckla en lämplig metod för vidare analys. I teorikapitlet avhandlas sonarens historik och grundläggande funktionsprincip tillsammans med grundläggande hydroakustik. Uricks sonarekvationer och dess termer redovisas med därtill hörande ekvationer för räckviddsberäkning. För beräkning av bistatisk målstyrka används det bistatiska teoremet.
Då ljudutbredningen i vattnet är en komplex företeelse med många faktorer som påverkar prestandan på ett sonarsystem har undersökningen lagts upp som en typfallsstudie där tre typfall har konstruerats och utvärderats. Dessa typfall är
18 M.P. Fewell and S. Ozols. Simple Detection-‐Performance Analysis of Multistatic Sonar for Anti-‐Submarine Warfare, s. 22. 19 A. Poikonen et al. Multistatic Sonar Studies In Shallow Water Environment In The Gulf Of Finland
konstruerade som en jämförelse mellan en HKP14 som bedriver ubåtsjakt monostatiskt i förhållande till två fall av multistatisk ubåtsjakt. Detta syftar till att belysa skillnaden i prestanda mellan vad man kan förväntas uppnå om man fortsätter operera på samma sätt som man har gjort historiskt, jämfört med ett fall där den nya sonar 234 tillåts ta hjälp av sonarbojar och därmed operera i en multistatiskt mod. Jämförelsen har skett utifrån ett räckvidds-‐ och yttäckningsperspektiv med beräkningar gjorda med
utgångspunkt i Uricks sonarekvationer. Resultatet av dessa beräkningar diskuteras sedan utifrån frågeställningen.
1.8 Material och källkritik
Uppsatsen grundar sig främst på R. J. Uricks bok Principles of Underwater Sound som refereras till i ett stort antal uppsatser och artiklar inom ämnet och därmed får anses vara en primärkälla inom området.
Till detta har även utdrag hämtats ur FMVs utbildningskompendium Hydroakustik och Sonarteknik för Marinen 2.0. Detta kompendium används som kursmaterial inom Försvarsmakten och bygger vidare på Uricks teoribildningar med forskningsresultat från studier genomförda av FOI/FOA i bland annat Östersjön och Västerhavet. Detta gör denna källa till ett bra komplement då den täcker in områden där Urick inte är så
specifik, såsom vid sonaroperationer i Östersjön.
I den mån klassisk litteratur inte har räckt till för att täcka upp detta relativt nya ämnesområde har även forskningsrapporter inom området nyttjats. Artiklar av mer populärvetenskaplig karaktär har använts restriktivt i studien där mer tillförlitliga och öppna källor inte har gått att finna.
1.9 Validitet och reliabilitet
Valet av metod genom räckviddsanalys har gjorts i syfte att bidra till en så god validitet som möjligt. Uricks teorier är välkända inom området och sonarekvationerna är ett välanvänt redskap för överslagsberäkningar gällande sonarprestanda. Givet att de förhållanden som inte hanteras av sonarekvationernas faktorer, men som ändå påverkar ljudutbredningen, inte skiljer sig mellan typfallen så borde jämförelsen ge en rättvis bild systemens teoretiska prestanda.21
Till följd av alla variationer i havet och därtill hörande variationer i sonarutrustning beroende på konstruktion och funktion, blir det svårt att med god reliabilitet uppskatta prestandan utifrån enbart sonarekvationerna. Vissa variationer kan detekteras och kompenseras för medan andra uppträder till synes helt oregelbundet varför praktiska försök sannolikt skulle ge helt andra resultat än de teoretiska och med sämre
repeterbarhet. 22 Det faktum att förekomst och inverkan av faktorer såsom reverberation och kanalutbredning har avgränsats bort i undersökningen kan
räckvidderna för de olika systemen inte anses vara tillförlitliga med absoluta mått mätt.
21 R J Urick, Principles of Underwater Sound, s.29. 22 Ibid, s.29.
2 Grundläggande hydroakustik i en svensk kontext
Detta kapitel syftar till att ge en introduktion till sonaren med avseende på historik, funktionsprincip samt vilka primära faktorer som påverkar prestandan hos ett sonarsystem. Övriga områden med kopplingar till studien redovisas kort i slutet av kapitlet.
2.1 SOund NAvigation and Ranging
I jämförelse med elektromagnetisk strålning såsom ljus, radar och radio som dämpas mycket snabbt i vatten har ljudvågor en mycket god förmåga till utbredning. Medan räckvidden för en elektromagnetisk sensor under vatten ofta begränsas till hundratalet meter kan ljudvågor i extrema fall färdas tusentals kilometer i öppet hav.23
Begreppet SONAR är en akronym för SOund NAvigation and Ranging och myntades i samband med andra världskriget då tekniken fick sitt riktiga genomslag. Grunden till hydroakustiken kan härledas till år 1827 och det man tror var de första kvantitativa mätningarna av ljudets utbredningshastighet i vatten. Dessa framsteg följdes av ett antal landvinningar inom det elektrotekniska området som under mitten och slutet av 1800-‐ talet möjliggjorde vidare utveckling av tekniken. Genom utvecklingen av elektriska svängare (eng: transducer) kunde man på konstgjord väg med hjälp av elektriska impulser generera ljudvågor av önskad frekvens och med hjälp av en
undervattensmikrofon, s.k. hydrofon (eng: hydrophone) fånga upp desamma.24
Under slutet av 1800-‐talet genomfördes försök med undervattenssignalering som navigationshjälpmedel för fartyg men dessa ersattes snart med alternativa tekniker i samband med införandet av radion. Det dröjde emellertid inte länge innan man fann alternativa nyttor för hydroakustiken efter det att Titanic kolliderade med ett isberg och sjönk 1912. Genom utsändning av en ljudpuls som reflekterades mot ett isberg varefter ekot mottogs och tiden däremellan mättes, erhöll man en indikation på avståndet till objektet.25
Nyttan av ekolokalisering för detektering av ubåtar i samband med första världskrigets utbrott 1914 var tydlig och i samband med detta bildades i England Anti-‐Submarine Detection & Investigation Committee, ASDIC i syfte att utveckla tekniken ytterligare. Tyvärr kom framstegen för sent för att göra någon riktig nytta under första världskriget men i gengäld fick tekniken desto större användning för ubåtsjakt i samband med andra världskriget.26, 27
2.2 Aktiv och passiv sonar
I ett aktivt sonarsystem använder man sig av ljudpulser som skickas ut av en sändare. Dessa ljudvågor utbreder sig i vattnet men reflekteras när de träffar på ett föremål eller ett gränsskikt. En del av den reflekterade energin fångas upp av mottagaren i form av ett eko som signalbehandlas i sonarutrustningen och presenteras för operatören. Med en aktiv sonar medges att både detektera bäringen till målet såväl som inmätning av
23 FMV, Hydroakustik och sonarteknik för Marinen v. 2.0, s. 20.
24 R J Urick, Principles of Underwater Sound, Peninsula Publishing, Los Altos, 1983, s. 2-‐3. 25 Ibid s. 3.
26 Ibid.
avstånd. Det faktum att man sänder ut ljudpulser innebär emellertid även att man riskerar att röja sig själv vilket gör att tekniken främst används av farkoster som inte förlitar sig på dolt uppträdande. Exempel på detta kan vara ytfartyg och helikoptrar, men även sonarbojar och torpedmålsökare.28
Ett passivt sonarsystem är ett lyssnande system som inte använder sig av någon egen sändare utan som helt förlitar sig på sin omgivning för detektering. Då dessa system inte riskerar att röja sin bärarplattform är det främst ubåtar, system för permanent
övervakning samt sonarbojar som använder sig av denna teknik. Passiva system kan i vissa fall ha bättre räckvidd än ett aktivt system men i takt med att de mål som man vill upptäcka, i vanliga fall ubåtar, blir allt tystare så ökar svårigheterna med att använda sig av enbart passiva system.29
2.3 Ljudhastigheten i vatten
Då avståndet till ett mål är produkten av ljudets utbredningshastighet i mediet och den förlupna tiden mellan pulsens utsändning och dess ankomst vid målet, är det av vikt att känna till ljudhastigheten i vattnet för beräkning av målets position. Mätningar har visat att ljudets utbredningshastighet beror på primärt tre faktorer; temperatur, tryck och salthalt.30 Ett antal modeller har utarbetats för att approximera ljudhastigheten och enligt Medwin31 kan denna approximeras enligt följande:
𝑐 = 1449,2 + 4,6 · 𝑡 − 0,055 · 𝑡
! + 0,00029 · 𝑡! +
(1,34 − 0,01 · 𝑡) · (𝑠 − 35) + 0,016 · 𝑑 [m/s] ( 2:1 )
t = temperaturen i grader Celsius [°C] s = salthalten i promille [‰]
d = djupet i meter [m]
Ljudhastighetens variation till följd av ovan nämnda tre faktorer medför således att en vattenmassa uppvisar både vertikala och horisontella ljudhastighetsvariationer till följd av de inbördes variationer som vattenmassan uppvisar. Medwins approximation visar att temperaturen har en tydlig, ickelinjär inverkan på ljudhastigheten och att inverkan av salthalt och djup är linjärt. Detta kan åskådliggöras på följande sätt i nedanstående tabell.
28 Passive sonar, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Sonar#Passive_sonar, Hämtad: 2013-‐05-‐20 29 K Artman, A Westman, Lärobok i Militärteknik, vol. 2: Sensorteknik, Försvarshögskolan, Stockholm, 2007, s. 88 30 R J Urick, Principles of Underwater Sound, s.113.
Temp [°C] Salthalt [‰] Djup [m] Ljudhastighet [m/s]
5 2 30 1428,8 5 7 30 1435,2 5 35 30 1471,3 5 2 100 1429,9 5 7 100 1436,3 5 35 100 1472,5 10 2 30 1449,6 10 7 30 1455,8 10 35 30 1490,5
Tabell 2:1 Ljudhastigheten i vatten enligt Medwin för olika temperaturer, salthalt och djup.
Ur ett vertikalt perspektiv kan en vattenmassa indelas i ett antal skikt s.k. termokliner där temperaturen förändras med djupet.32 Det översta skiktet består av ytvattnet som är utsatt för dagliga temperaturvariationer till följd av variationer i vädret. På grund av vågor och vind sker en större omrörning av vattenmassan här varför
temperaturgradienten ofta är relativt flack om inte vädret är lugnt. Under ytvattenskiktet finns den säsongsberoende termoklinen som framförallt under
sommarhalvåret har en starkt negativ hastighetsgradient där ljudhastigheten avtar med ökat djup till följd av den sjunkande temperaturen.
Vid ett djup om ungefär 1000 meter finner man det djupa, isoterma lagret där
temperaturen är relativt konstant kring 4°C varför ljudhastigheten återigen ökar med ökat djup.33 Förutom det faktum att variationer i ljudhastigheten påverkar precisionen vid lägesbestämning av mål får det även andra följder vilka avhandlas närmare i kapitel 2.4.6.
2.4 Sonarekvationerna
Nedan kommer sonarekvationerna att redovisas utifrån Uricks34 definitioner och
förklaringar om inget annat anges men med variabelnamnen utbytta mot deras svenska motsvarigheter enligt FMV35.
2.4.1 Inledning
Sonarekvationerna utvecklades under andra världskriget som ett verktyg för
räckviddsberäkningar av sonarsystem men är fortfarande användbara på grund av sin generella formulering. Utifrån ett antal parametrar som antingen mäts eller uppskattas ger ekvationerna ett värde på den s.k. utbredningsförlusten vilket i sin tur kan
omvandlas till ett närmevärde för avstånd eller räckvidd.36
Ekvationerna bygger på teorin om att det akustiska spektrum som i varje givet
ögonblick tas emot av mottagaren består av två delar; den önskvärda signalen samt den
32 R J Urick, Principles of Underwater Sound, s.117. 33 Ibid, s. 117-‐118.
34 Ibid, s. 29.
35 FMV, Hydroakustik och sonarteknik för Marinen v. 2.0 , s. 29-‐31. 36 R J Urick, Principles of Underwater Sound, s. 17.
ej önskvärda bakgrunden. Bakgrunden är i sig sammansatt av två delar; bruset som består av de ljud som genereras av omgivningen och som vi inte kan påverka, samt reverberationen som är de ekon som genereras av omgivningen men som inte är intressant ur en ubåtsjaktsynvinkel.
Bakgrunden sägs maskera den önskade signalen genom att denna blandas upp med ekon och reflektioner med motsvarande frekvensinnehåll. Detta ger i sin tur enligt Urick en balans mellan signal å ena sidan och den maskerande bakgrunden å andra sidan, som definieras av en punkt där vi precis kan uppnå vårt syfte, dvs. där sonaren nätt och jämnt klarar av att upptäcka målet.37
2.4.2 Referensintensiteten μPa och dB-‐begreppet
Alla ingående delar i sonarekvationen relateras till en referensintensitet som motsvarar ljudtrycket hos en plan våg med effektivvärdet 1 μPa (mikropascal) RMS (Root Mean Square), eller 10-‐5 dyn per cm2, på ett avstånd av 1 m i en isotrop vattenvolym med densiteten 1000kg/m3 och ljudhastigheten 1500 m/s.38 Denna definition skiljer sig något från Uricks ursprungliga definition som bygger på det amerikanska fot-‐systemet men har av praktiska skäl valts då det metriska systemet är det måttsystem som denna studie använder sig av.
Historiskt sett har ljudnivån angetts i decibel (dB) vilket även denna rapport kommer att använda sig utav då det medför att olika storheter kan multipliceras eller divideras med hjälp av enkla additions-‐ respektive subtraktionsoperationer. Nivån hos en ljudvåg, mätt i dB, är det antal gånger N som ljudvågen skiljer sig från referensintensiteten enligt följande formel.39 𝑁 = 10 ∙ 𝑙𝑜𝑔!"∙ 𝐼! 𝐼! (1)
I1 är det intensitetsvärde som sätts i relation till referensintensiteten I2. För att klargöra
att det är referensintensiteten som avses kan nivån skrivas som ”N dB re 1 μPa”.40
2.4.3 Aktiva och passiva sonarekvationen
Sonarekvationerna är i sin kondenserade form tre till antalet men endast två av dessa ligger till grund för detta arbete då inverkan av reverberation inte hanteras i
räckviddsberäkningarna. Dessa två ekvationer definieras enligt nedan med termernas definitioner redovisade separat:
Aktiv sonar med brusbegränsad utbredning: 2𝑇𝐿 = 𝑆𝐿 + 𝑇𝑆 − 𝑁𝐿 + 𝐷𝐼 − 𝐷𝑇 [dB] ( 2:2 )
37 R J Urick, Principles of Underwater Sound, s. 17.
38 FMV, Hydroakustik och sonarteknik för Marinen v. 2.0, s. 30. 39 R J Urick, Principles of Underwater Sound, s.15
Passiv sonar:
𝑇𝐿 = 𝑆𝐿 − 𝑁𝐿 + 𝐷𝐼 − 𝐷𝑇 [dB] ( 2:3 )
2.4.4 Sonarekvationernas termer
Sonarekvationens termer tolkas enligt följande i Tabell 2:2 nedan.
Parameternamn: Parameter: Referens:
Signalnivå SL 1 m från källan på den akustiska axeln
Utbredningsförluster TL 1 m från källan och vid målet eller mottagaren.
Målstyrka TS 1 m från akustiskt centrum hos målet
Brus NI Vid hydrofonen
Direktivitetsindex DI Vid hydrofonens signalutgång
Detekteringströskel DT Vid hydrofonens signalutgång
Tabell 2:2 Sonarekvationens parameternamn och dess referenser.
Samtliga termer har enheten [dB] om inget annat anges.
2.4.5 SL – Signalnivå
Signalnivån (eng: source level) är ljudstyrkan hos det ljud som man önskar detektera. Termens definition ser ut enligt följande men dess praktiska innebörd beror på om systemet är passivt eller aktivt.
𝑆𝐿 = 10 ∙ 𝑙𝑜𝑔!!!
!"# [dB] ( 2:4 )
IK = Ljudkällans intensitet vid 1 m avstånd från ljudkällan.
IRef = referenssignalens intensitet.
Signalnivå i passiv sonar
I fallet med passiv sonar så kan signalen vara bullret från en ubåt, ytfartyg,
telemetribojar eller sändning från andra aktiva sonarer. Fartygsgenererat buller kan generellt indelas i följande kategorier:41
• Maskinbuller • Propellerbuller • Hydrodynamiskt buller • Transientljud
Maskinbuller uppstår till följd av mekaniska vibrationer orsakade av obalanser i
roterande delar såsom pumpar, diskontinuiteter i t.ex. kuggväxlar samt explosionsljud i förbränningsmotorer. Detta buller är i stort sett hastighetsoberoende och utgör
majoriteten av fartygsbullret vid låga hastigheter.42
41 FMV, Hydroakustik och sonarteknik för Marinen v. 2.0, s. 34. 42 Ibid.
Propellerbullret genereras av propellerns rörelse i vattnet och består både av
lågfrekventa toner samt ett kontinuerligt brusspektrum. Tonerna är proportionella mot varvtalet samt antalet propellerblad och är det dominerande ljudtillskottet vid högre farter.43 När en propeller roterar kan även buller uppstå till följd av kavitation när den kraftiga accelerationen av vattnet från propellern får vattnet att ”kallkoka” och bilda luftbubblor. När dessa bubblor kollapsar bildas små men kraftiga smällar som även dessa är beroende på propellerns varvtal och antal propellerblad.44
Hydrodynamiskt buller kallas även för strömningsbrus och innefattar är de ljud som uppkommer i gränsytan mellan fartyget och vattnet när fartyget rör sig genom vattenmassan. Nivån på bullret beror på ytjämnheten hos fartyget men även på dess hastighet.45
Transientljud eller slagljud är ljud som uppkommer till följd av olika aktiviteter ombord på fartyget. Det kan t.ex. vara en pump som startar, en lucka som öppnas eller ett
verktyg som tappas.46
Signalnivå i aktiv sonar
I fallet med aktiv sonar är det sändaren (ljudomvandlaren) som är själva signalkällan och som genererar signalnivån SL. Oftast sker detta genom att elektrisk energi
omvandlas till en mekanisk rörelse som i sin tur genererar ljudvågor i vattnet, men även andra metoder existerar. Givet att en elektrisk sändare används kan signalnivån
approximeras med följande ekvationer utifrån den tillförda elektriska effekten;47
𝑃 = 𝜂 ∙ 𝑃! [W] ( 2:5 )
där 𝜂 är verkningsgraden hos svängaren vilket i sin tur ger följande uttryck för SL.
𝑆𝐿 = 10 ∙ log 𝜂 𝑃! + 𝐷𝐼!+ 171 dB re 1 µμPa [dB] ( 2:6 )
𝐷𝐼!= sändarens direktivitetsindex 𝜂 = sändarens verkningsgrad
171 = omvandlingskonstanten i dB.48
Sändarens direktivitetsindex 𝐷𝐼! är ett mått på hur ljudintensiteten i en punkt utmed sändarens riktningsaxel förhåller sig till ljudintensiteten hos en rundstrålande ljudkälla med samma sändareffekt. Direktivitetsindexet definieras enligt följande formel och illustreras i figuren nedan:
𝐷𝐼! = 10 ∙ 𝑙𝑜𝑔 !!"#
!!"#$ [dB] ( 2:7 )
43 FMV, Hydroakustik och sonarteknik för Marinen v. 2.0, 2009, s. 34. 44 Ibid, s. 154.
45 Ibid, s. 35. 46 Ibid. 47 Ibid s. 37. 48 Ibid s. 38.
Figur 2:1 Direktionell och rundstrålande sändare. Källa: FMV
2.4.6 TL – Utbredningsförluster
För utbredningen av ljud är havsvolymen tillsammans med sina gränsytor ett komplext medium. Ljudvågorna försvagas, fördröjs och störs under sin färd i vattnet till följd av ett antal fenomen som kan sammanfattas under benämningen utbredningsförluster.49
I sonarekvationen definieras termen TL för dessa utbredningsförluster på följande sätt och visar förhållandet mellan ljudintensiteten på ett givet avstånd i förhållande till ljudintensiteten 1 m från ljudkällans akustiska centrum:50
𝑇𝐿 = 10 ∙ 𝑙𝑜𝑔!!
!! [dB] ( 2:8 )
IS = ljudkällans intensitet på 1 m avstånd från signalkällan.
IM = signalens intensitet vid mål eller mottagare.
I praktiken beror dessa förluster på följande tre faktorer: • Geometrisk spridning
• Absorption • Anomalier
Geometrisk spridning
Om ljudkällan är placerad fritt i vattnet så kommer ljudet att sprida sig likformigt i vattenvolymen ända tills ljudvågorna träffar på en yta med andra akustiska egenskaper, såsom vattenytan eller havsbottnen. Ljudutbredningen kommer först att ske sfäriskt för att i samband med yt-‐ eller bottenkontakt fortsätta breda ut sig som en skiva med konstant tjocklek, dvs. cylindrisk utbredning. En förutsättning för cylindrisk utbredning är emellertid att de ljudvågor som stöter på något ytskikt reflekteras utan att
49 R J Urick, Principles of Underwater Sound, s. 99.
50 FMV, Hydroakustik och sonarteknik för Marinen v. 2.0, s. 39.
𝐼!"#$ 𝐼!"# Direktionell sändare Runstrålande sändare Sidolober Nollställe
absorberas, något som man enbart kan komma i närheten av vid utbredning i s.k. ljudkanaler.51
Figur 2:2 Ljudutbredning i vatten. Källa: FMV
För sfärisk utbredning kan utbredningsförlusterna beräknas enligt följande där r betecknar avståndet från ljudkällan och anges i meter.52
𝑇𝐿 = 20 ∙ log 𝑟 [dB] ( 2:9 )
För cylindrisk utbredning gäller följande samband.53
𝑇𝐿 = 10 ∙ log 𝑟 [dB] ( 2:10 )
Även om ett hav kan anses vara grunt och således möjliggöra cylindrisk utbredning och därmed en större räckvidd, har det visat sig att ljudvågorna på grund av reflektion både dämpas och sprids på ett sätt som påverkar räckvidden på ett negativt sätt. Detta kan exemplifieras med ljudutbredningen i Östersjön, som trots sitt ringa djup, påverkar ljudet genom bottendämpning i så stor utsträckning att sfärisk utbredning istället kan anses gälla där.54
Absorption
Absorption är en annan faktor som tillför förluster i ljudutbredningen till följd av avståndet. Till skillnad från förlusterna som kan kopplas till geometrisk spridning så dämpas här ljudvågorna genom att en del av rörelseenergin omvandlas till värme i mediet, i det här fallet vattnet.55 Detta beror på att ljudet fortplantas genom rörelser hos partiklar som i sin tur ger upphov till friktion och därmed energiförlust.56
Mätningar har visat att absorptionen är starkt frekvensberoende men även att faktorer såsom vattentemperatur och salthalt inverkar. 57 Till följd av detta har ett antal olika
51 R J Urick, Principles of Underwater Sound, s. 102 52 Ibid, s. 101.
53 Ibid, s. 102.
54 FMV, Hydroakustik och sonarteknik för Marinen v. 2.0, s. 122. 55 R J Urick, Principles of Underwater Sound, s. 102
56 FMV, Hydroakustik och sonarteknik för Marinen v. 2.0, s. 40. 57 R J Urick, Principles of Underwater Sound, s. 103.
Ljudkälla
Cylindrisk utbredning Sfärisk
modeller utarbetats för beräkning av den s.k. absorptionskoefficienten, 𝛼. Modellen som redovisas nedan är framtagen av Tore Pentelius på dåvarande FOA och är särskilt lämpad för beräkningar av absorptionen i svenska vatten.58
Absorptionskoefficienten kan enligt Pentelius approximeras med följande formel; 𝛼 =𝐴 ∙ 𝑠 ∙ 𝑓!∙ 𝑓! 𝑓!!+ 𝑓! + 𝐵 𝑓!𝑓!+ 0,11 + 𝑓! 1 + 𝑓! ( 2:11 ) 𝑓! = 21,9 ∙ 10!!!!!"!!!"# [kHz] ( 2:12 )
där 𝑓! är den s.k. temperaturberoende relaxationsfrekvensen.59 Övriga termer definieras enligt följande:
A = 0,00203 (konstant) B = 0,0293 (konstant)
s = salthalten i promille [‰]
t = temperaturen i grader Celsius [°C] f = frekvensen i kilohertz [kHz]
Om sfärisk utbredning antas enligt tidigare kan utbredningsförlusterna inklusive absorptionen beräknas enligt följande ekvation:
𝑇𝐿 = 20 ∙ log 𝑅 + 𝛼 ∙ 𝑅 + 60 [dB] ( 2:13 )60
där R är avståndet i km och 𝛼 är absorptionskoefficienten som anger absorptionen i dB/km.
Anomalier
Anomalier är den tredje kategorin av utbredningsförluster som inte inbegriper geometrisk spridning eller absorption och kan delas in i följande kategorier:
• Reflekterande spridning/dämpning mot olika ytskikt såsom vattenytan eller havsbotten av en vanligtvis önskvärd signal.
• Reverberation bestående av framspridning (eng: forward scattering) samt återspriding (eng: backscattering) av en vanligtvis icke önskvärd signal. • Ljudavböjning (eng: refraction) till följd av variationer i ljudets
utbredningshastighet i havet. • Diffraktion (eng: diffraction).
Reflekterande spridning
Reflektion är de riktningsförändringar hos ljudvågorna som sker när dessa träffar på mer eller mindre hårda ytor. Både vattenytan och havsbotten verkar som reflektorer av ljudvågorna, fast med stora inbördes skillnader rörande deras egenskaper. Om ytan och botten hade varit perfekt släta så hade reflektionsvinkeln varit i stort sett identisk med
58 FMV, Hydroakustik och sonarteknik för Marinen v. 2.0, s.103. 59 R J Urick, Principles of Underwater Sound, s. 105.
