Ubåtens öra täcker snart hela kroppen

Extra öron i supertunna fibrer. Signalbehandlingen surfar på IT-vågen - minsta ljud kan uppfattas och analyseras

Av Erland Sangfelt

En modern ubåt är mycket tyst. Själv har den dock ett förnämligt öra för att lyssna under vattnet. Örat är ett komplicerat system av hydrofoner och processorer som signalbehandlar. I Östersjön varierar ljudutbredningen i regel och ubåten får söka ett bästa djup att lyssna från. Genom att mäta ljudhastigheten på olika djup och med hjälp av hydroakustiska informationssystem kan en operatör beräkna hur långt ubåten själv hörs och på vilket djup de bästa lyssningsförhållanden finns. Längre ut i Östersjön kan avlägsna fartyg eller en bullrig undervattensfarkost uppfattas på tiotals mil.

Ubåten har då funnit ett bästa djup att lyssna från och ljudet har samtidigt gått i en sk ljudkanal som bildas då skiktningen av salthalter och temperaturer gör att en del av ljudvågorna böjs av från havsyta och botten utan att förlora energi vid reflexer mot dessa. Då kan ljudet nå mycket långt. I de djupa världshaven finns en sådan stabil kanal på cirka 400 m djup året om. Den har utnyttjats för att sända lågfrekvent ljud i stort sett över halva jordklotet. Man har studerat den globala uppvärmningen genom att mäta mycket små förändringar i ljudhastighet under lång tid. Denna påverkas av vattentemperaturen. I grunda vatten med besvärliga bottnar kan det mesta av ljudet förloras efter några km.

Tekniksprång från Hajen till Gotland
Tidiga ubåtar som Hajen och Draken hade enkla sonarer. Förutom en aktiv sändare för målinmätning och en pingvarnare, dvs en hydrofon som varnade för aktiv sändning, fanns en halvcirkelformad hydrofonantenn, array i fören. Två rader med 15 hydrofoner i varje satt fast i formskrovet. Vibrationer och hydrodynamiskt buller vid gång samt den lilla antennstorleken försvårade lyssning och upptäcktsavståndet till ett mål var litet.

Gotland hör cirka tio gånger längre än Hajen. Sonaren i fören har snarare 300 hydrofoner mot Hajens 30 och sluter cirkeln istället för att täcka en bit av den. På detta sätt kan sonaren med mycket stor bäringsnoggrannhet höra mål i alla riktningar utom rakt bakåt där ubåtens konstruktion skymmer. Den cirkelformade sonaren kallas CAS, circular array system. Därtill finns en flankmonterad hydrofonantenn, FAS, flank array sonar. Denna har relativt stor horisontell utsträckning och används för att bättre upptäcka och pejla in lågfrekventa signalkällor.

Störningar vid gång är kraftigt dämpade och bygger på ett helt annat skydd mot vibrationer och strömningsbuller än i äldre ubåtar. Förutom dessa passiva system finns aktiva sonarer och pingvarnare.

Hela skrovet blir en sensor
För ubåt Viking kommer det passiva sonarsystemet att bli än mer avancerat. CAS ersätts av en hästskoformad antenn - som följer skrovets form - med avsevärt högre vertikal antennstorlek än tidigare. FAS får en större vertikal antennstorlek samt kompletteras med effektiva hydrofoner längre akterut och eventuellt på tornet. Hela antennsystemet bildar en enhet som spanar inom ett utökat frekvensområde. Ubåt Viking tar således ett steg mot att hela skrovet blir en sensor. Jämfört med Gotland kommer Viking främst att ha en fördel av den vertikala utsträckningen i antennsystemet som öppnar vägen för nya signalbehandlingsmetoder för att se eller höra längre, speciellt i grunda vatten. Därmed kan Viking få en avsevärt större räckvidd vid passiv spaning jämfört med Gotland. Till detta sonarsystem kommer troligen även en släpad hydrofonantenn, TAS, Towed Array Sonar.

Ubåtens förlängda armar
I framtiden kan förbättrad spaning nås med ökad antennstorlek eller apertur, främst i vertikal led för de skrovfasta sonarerna och främst i horisontell led med längre TAS eller syntetisk apertursonar. Den syntetiska aperturen som är avsevärt större än den verkliga åstadkoms genom att ubåten under gång sammanväger de infallande ljudvågorna vid olika tidpunkter. Det avstånd som då tillryggaläggas bildar den syntetiska aperturen.

Ett viktigt steg mot att åstadkomma ett flexibelt spaningssystem där olika marina enheter eller sensorsystem samverkar, inbegriper sensorantenner som kan vara av engångstyp. Dessa kan ha varierad form med både vertikal och horisontell apertur och kunna behandla signaler autonomt eller sända stora datamängder till en ubåt eller ett fartyg. Det senare kräver sannolikt en trådförbindelse via optisk fiber. Antennen blir en förlängd arm för ubåten som spanar där ubåtens sensorer inte når.

Ubåten kan även vara mottagare i ett multistatiskt sonarsystem där den aktiva sändaren är på en annan plats. Begreppet multistatisk betyder att flera mottagare ingår. Eftersom en ubåt ogärna sänder ljudpulser är detta ett attraktivt sätt att utnyttja fördelen med aktiv sonar. Fördelen är främst att kunna upptäcka ett mycket tyst mål på större avstånd än vad en passiv sonar klarar.

Med obemannade spaningsfarkoster kan flexibiliteten i systemet av förlängda armar ökas. De spanar med lätta och tunna TAS som farkosten drar utan stora energiförluster. Via en trådförbindelse med optisk fiber kan farkostens sända i realtid till ubåten.

FOA forskar kring detta koncept som troligen kommer att bygga på en utveckling av fiberlaserteknik. Man kan skapa flera optiska hydrofoner på rad i en tunn fiber vilket kan ge mycket långa, ultratunna sensorantenner. Det innebär en mycket stor antennvinst och därmed kraftigt ökad spaningsförmåga hos obemannade farkoster. På köpet kan farkosten också ta emot hydroakustiska signaler på stora avstånd.

FOA studerar även teknik för multistatiska sonarer, syntetisk apertursonar och användning av tvådimensionella antenner med både vertikal och horisontell apertur där man utnyttjar kunskapen om vågutbredningen i grunda vatten för att öka detekterbarhet av ett mål samtidigt som dess lokalisering erhålles. Studier av utdragbara engångsantenner pågår och kan komma att ske i internationellt samarbete.

Från FOA-tidningen nr 2-2000 - www.foi.se/framsyn