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空中與水下的搜尋技術

2016/07/11
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2014年3月8日,一架由吉隆坡飛往北京的班機在馬來西亞海域消失了。這地區有多國的雷達監視竟沒有看到這架飛機的出現和去向,飛機與艦艇搜索及水下的聲納探索也沒發現任何與失事飛機有關的證物。
 
 
 
2014年3月8日,馬來西亞航空由吉隆坡飛往北京的MH370號班機在馬來西亞海域消失了。這地區有多國多種型式的雷達監視,竟沒有一個國家的雷達看到這架飛機的出現和去向,飛機與艦艇搜索及水下的聲納探索也沒發現任何與失事飛機有關的證物。本文即介紹雷達和聲納這兩項搜尋技術。

雷達的獨特性

雷達早期是一種軍用儀器,二次大戰後逐漸發展出很多的民間用途,常見的有航空管制雷達、船用雷達、飛機用雷達、人造衛星雷達與氣象雷達。每一種雷達依性能的需求和用途,體積、頻率與功能差異很大,並非一種型號就可用於各種場所。現以一個海軍船用雷達的基本設計為例,說明其獨特性。

軍艦雷達的設計必須滿足多方面的要求,如天線的位置與大小,對水面船隻、潛艇和浮雷、飛機和飛彈的靈敏度。

每種軍艦有其大小、排水量及高度,而主雷達大部分安裝在艦橋附近,從這可以知道它在船上的位置、距海平面多少公尺的高度、面積有多高多寬。根據這艘軍艦對水面船隻監控的功能要求,我們知道它要能測到多近或多遠和多大的水面船隻;對潛艇和浮雷靈敏度的要求,這個雷達必須能測視到多少海里之外敵人的潛望鏡和多大的浮雷;對飛機和飛彈靈敏度的要求,這款雷達必須能測到哪一高度、哪些距離、反射面積多大、某速度與加速度範圍內的飛行物。

工程師根據上述的需求來設計天線,選擇頻率、發射波形、放射能量和功率,決定相關的軟硬體。

如果要設計另一種軍艦的雷達,因軍艦的大小不一樣,各項性能的要求也不同,所以各種數據會不一樣,設計出來的雷達也會是截然不同的規格。

早期雷達主要是利用它從目標上反射回來的電磁波,因為金屬物件反射率特強,所以對偵測金屬物件特別有效。今天我們更了解各種材料對電磁波的反射和穿透問題,因此雷達也可用於非金屬物件的探測。把雷達的科學原理了解清楚,就可發展特別的雷達以便應用於特殊的軍事和商業用途。

雷達的天線

二次大戰時很多的雷達有龐大的天線,今日的雷達天線小到可以安裝在戰鬥機裡,但也可能比1941年裝在夏威夷島的雷達的天線還大很多倍。例如 ,安裝在人造衛星上的一種新型雷達,隨著衛星的運轉,達到很多軍事、氣象和自然資源監控的目的,其天線比1941年裝在夏威夷島的大得多,因為在太空中地心引力非常小也沒有空氣阻力,龐大的天線運轉起來不是問題。

雷達天線的大小取決於其運用需求,如果要把遠處的目標看得很清楚,就必須用很大的天線和很高的頻率。在幾十英里的太空中,要清晰分辨一輛汽車就必須用很大的天線,可是如果要更高的解析度,例如想知道那是一輛運輸車或坦克車,就需要用另一種更進步的技術—合成孔徑影像。

雷達的頻率

雷達的頻率分成很多個頻帶,這些頻帶是聯合國國際電信聯盟專門劃分給雷達用的。例如,138~144 MHz(百萬赫茲)是VHF頻帶, 33.4~36.0 GHz(兆赫茲)是Ka頻帶。

雷達頻率的選擇關係到天線的大小和目標的清晰度,決定了噪音的大小和電磁波的流失,以及發射波所需的能量,也決定測得的多普拉效應、對目標的反射率和對中間介質(森林和地表)的穿透率。工程師必須考量上述各項原則,折衷決定雷達的頻率。

今日的雷達技術

以今日的技術,雷達到底能測量到什麼?視界有多遠?多準?

現今雷達的靈敏度很高,可以測到非常微小的目標。例如,你在鄉間的小路上慢跑,我在5英里外的小丘上放一架1英尺口徑天線的雷達。這雷達不僅能清楚且很精確地記錄下你每一分鐘的位置、你的瞬時座標和速度。望遠鏡也能在5英里外看到一個人,但雷達在白天、夜晚或大霧裡都可自動測到目標的出現,並測到其速度、加速度、減速度或跳起等,並可把這些瞬時資料傳送到其他的系統,例如把目標的座標送到某武器系統中,大大增強該武器的命中率和殺傷率。

以下從地對空雷達和空對地雷達兩個角度來看雷達的測視範圍,前者是從地面看空中目標,後者是把雷達裝在飛機或人造衛星上,從空中或高空監控地面或海上。從地面看空中可看得很遠,但看得越遠就需要越大的能量和天線,因為越遠的目標反射回來的訊號越弱,當反射的訊號低於雜訊時就測不到目標了。

從空中往下看,地平線以下的部分就看不到了。當然這也牽涉到能量和天線的問題,遠距離目標就得用強大的放射波和較大的天線,並且飛機要飛到某一高度。考慮到地球是橢圓的,如果在10萬英尺的高空,能看到的極限大約是350海里。

今日的科技也讓我們可對任何一個雷達反射波做很多先進的分析,再用各種圖形或數值方式給一位或同時給多位操作員相關資料。依設計的特殊性,雷達資訊可能同時展現在多個不同模式的螢光幕上。其中有可能是比照片更精密的圖像,一個飛行物的瞬時速度、加速度和運行的時間軌跡,或高度、方向、距離等瞬間位置資料。

水下聲學的搜索技術

空難發生後,要知道事故真相往往希望能找到黑盒子,因為它有還原空難真相非常重要的紀錄,其特別的設計也使它能在多種空難的惡劣環境下保存下來。發生陸上空難事件時,黑盒子比較容易搜尋,但在廣大的海洋、超深的水域,用聲納搜尋則相當困難。

黑盒子在空難後30天內會不斷放出37.5 KHz的超音波訊號,大大方便了搜尋,因為在廣大的水域找一個37.5 KHz聲源有可能是一項一維空間的搜尋。但30天後,則只能在大海中先找到飛機的殘骸,再去找黑盒子,這是一個繁瑣的三維搜索工作。

聲波是介質波,只能在介質中傳播,它在空氣裡、水中、人體內、金屬中都可傳播。在搜尋的領域裡,聲波和電磁波是相輔相成的,兩者都可在空氣裡傳播,但電磁波比聲波的速度快了約百萬倍,因此用雷達比用聲波搜尋快得多。惟電磁波不能在水中傳播,聲波就可派上用場了。

聲納的原理

在搜尋的技術上,聲波和電磁波的基本原理很相似。用發聲器 (換能器)發出聲波,在聲音發出後靜聽其反射波,反射波是聲波在碰到不同介質時由界面反射回來的波。根據反射波的強度和返回的時間,可以推算出反射物是何物及其位置。

聲波在空氣中的速度隨溫度和氣壓而變,在攝氏0度的海平面空氣中聲速是331公尺/秒,電磁波在大氣層中的速度是300,000,000公尺/秒,大概是聲波的一百萬倍。在攝氏20度的水中,聲波的速度是1,482公尺/秒,比在空氣中快了4倍,可是比雷達波的速度還是相差很遠(二十萬分之一)。聲速太慢對水下的搜尋有許多負面效果。

很少人用過聲納,但多數人看過醫用超音波的操作,就以醫用超音波為例來說明。醫用超音波常用來檢測胎兒在母體子宮內的發育,那是即時的影像,嬰兒的一舉一動在螢光幕上看得清清楚楚,絲毫沒有成像太慢的感覺,主要是子宮只有二十多公分寬。

聲納是用一種類似醫用超音波的技術來看浩瀚的海洋,但它運用起來就沒有那麼方便了,因為海洋的體積比母體大得太多。例如,一個在離海岸10公里處的反射體,要13秒才能等到反射波回來。因此,每13秒鐘有一組反射訊號可以收回,但在這13秒內敵方目標可能有很大的變化。因此,不可能僅靠一組反射波就可以有效地判斷敵方目標的動態。

如果看過二次大戰時驅逐艦用聲納搜覓敵人潛艇的電影,你可能就有點印象,那個ping ping ping ping慢動作的聲音,就是一束束發射出的聲波。基本上,在第2個ping放出之前,第1個發出波的反射波已全部回收了,而2個ping的時間差乘上聲速就可推算出這聲納的測試距離(是這種聲納有效測試距離的2倍)。

聲納的局限

海洋裡水溫不一,通常水越深溫度越低,而密度越高。依聲學原理,當聲速或密度改變時,即使是化學成分相同的物質也是不同的介質,而聲音會在界面上產生折射和反射現象。此外,海中有洋流,隨地域而變,這都影響到聲音的傳播。

聲波在某種情形下不走直線,因此從海洋中某處反射回來的資訊必須修正才可應用。聲波在碰到不同聲速或密度介質的界面時,會產生有如光學上斯奈爾定律的反射或折射,這更增加搜尋的困難。甚至有些區域聲波根本就很難射入,聲波在海洋中的傳播比雷達波在空氣或真空中傳播要複雜得多。諸如這類的問題,使聲納在海中和海底的探索比雷達在海面上的搜尋要複雜得多。

澳洲西部的印度洋海域不但浩瀚,涵蓋數百萬平方英里,而且超深,有的地方還深過3英里,在這種地帶做水下的搜尋實非易事。如果以水面船隻做聲納搜尋,就必須用很大的天線和很強的發射能量才可能收回高解析度的反射波。而且因為水深,搜尋速度會不切實際。另外,還得應付反射、折射、洋流之類的問題。

但最需要聲納搜尋的地方不是海面或海中,而是海底附近水域,搜尋僅限於海底附近水域則有一項特別有效的技術。

拖曳式側面掃描聲納

拖曳式側面掃描聲納是一種水下聲納技術,克服了上述種種水下聲學的問題,可以很有效地做二維的海底描繪。2009年法航447班機在巴西水域失蹤,其黑盒子就是用這種儀器找到的。

水下拖船是一個水下航行器,兩側各裝了一組特殊的聲波發聲器,每組的發聲器有多個扇形的發聲振動子,每個振動子可發射和接收固定頻率的聲波。每個發聲振動子接收回來的訊號就涵蓋一條線形海底的聲納圖像,而每一組發聲器涵蓋半邊的海底圖像,兩邊的兩個發聲器收回的訊號就組合成一幅海底的二維聲納造影圖片。

這個水下拖船航行的深度完全控制在離海底一個選定的深度,航行方向、速度由海面的拖船決定,所有電子訊號的射出、回收和處理到最後的成像,完全由水面的母船操作和控制,這樣一幅幅海底圖片就可組合成整個海底的造影。如果這聲納的剖面寬度是1海里,而母船以4節的速度前進掃描,則每小時可搜尋4平方海里的海底。

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