Onderwaterakoestiek: Low Frequency Active Towed Array Sonar (1990’s)
Low Frequency Active Towed Array Sonar (1990’s)
Moderne conventionele onderzeeërs zijn de afgelopen decennia veel stiller geworden. De uitgestraalde geluidsniveaus zijn veel sneller gedaald dan dat de sonartechnologie is verbeterd. Als gevolg hiervan is de passieve detectie van onderzeeërs steeds problematischer geworden. Bovendien is het torpedobereik enorm toegenomen. Daarom is er een sterke behoefte aan lange-afstand actieve detectie van onderzeeërs.
ATAS-systemen (Active Towed Array Sonar) zijn goede kandidaten om aan deze behoefte te voldoen. Deze sonars maken gebruik van laagfrequente actieve transmissies, zodat hogere detectiebereiken kunnen worden bereikt. De gesleepte sonararrays kunnen ook op variabele diepten worden getrokken en kunnen dus worden ingezet in de meest gunstige akoestische laag. Een ATAS bestaat uit een (zeer) krachtige bron met lage frequentie en een ontvangende array van hydrofoons. De eerste is allesbehalve triviaal, omdat compacte, krachtige akoestische bronnen moeilijk te ontwerpen zijn en pas in de jaren 80 – 90 beschikbaar kwamen. De uitgezonden akoestische energie wordt ontvangen op de array na reflectie op het doelwit. De ontvangstarray moet zo lang mogelijk zijn om voldoende signaal-ruisverhouding te verkrijgen voor doelen op afstand en voor nauwkeurige richtingbepaling. Na jaren van onderzoek, onder andere bij TNO, zijn de eerste experimentele ATAS-systemen rond 1990 ontwikkeld.
Aanvankelijk werden goede detectieresultaten verkregen in diep (blauw) water. In dezelfde periode eindigde de koude oorlog. Dit betekende dat de meeste marine-interesses veranderden van diepwater oceanen naar ondiepe kustwateren. De ATAS-systemen van de eerste generatie waren niet goed aangepast voor dit doel. In ondiep water zijn de tijd en ruimte om manoeuvres uit te voeren vaak beperkt, zodat langdurige volgprocedures moeten worden vermeden. Daarom is het van het grootste belang om in een ping de dubbelzinnigheid (het beroemde links/rechts-probleem) op te lossen. Een ander enorm probleem is het gebruik van hoge bronniveaus in ondiep water. Dat veroorzaakt grote hoeveelheden bodemreflecties (weerkaatsing) die leiden tot buitensporige hoeveelheden valse alarmen. Verdere problemen voor ATAS in ondiep water zijn de doorgaans zeer slechte signaal/ruis-verhoudingen. Naast het onvermijdelijke achtergrondgeluid van de zee, heeft het systeem te maken met stromingsgeluid als gevolg van het slepen van het systeem door het water en het geluid van slepende boten.
Al deze ATAS-problemen kwamen aan bod in verschillende projecten van de Onderwaterakoestiekgroep van TNO in de jaren 90. De specifieke array-gegevensverwerkingstechnieken zijn een van de specialiteiten van de groep. Het onderzoek concentreerde zich op TNO’s ALF-sonar (Active Low Frequent), die al vele jaren met succes in zee wordt gebruikt. Er worden echter ook andere ATAS-systemen bestudeerd, meestal in nauwe samenwerking met buitenlandse partners.
Een hoogtepunt van het ATAS-onderzoek was in het najaar van 1998, toen TNO-FEL met twee verschillende (semi)operationele ATAS-systemen de zee op ging om experimenteel de eigen detectieprestaties in een ondiep watergebied nabij de Noorse kust te evalueren.
Het ATAS-systeem werd gesleept door de Hr. Ms. Tydeman. De proeven werden gedaan met twee onderzeeërs (een unieke situatie!): één Nederlandse onderzeeër uit de Walrusklasse en een Noorse onderzeeër van de Kobben-klasse (KNoMS Stord). De eerste metingen betroffen het stromingsgeluid bij verschillende snelheden en het testen van de hydrodynamische stabiliteit van de gesleepte sonar arrays. Vervolgens werden experimenten uitgevoerd met een gekalibreerde bron die aan de onderzeeër van de Walrusklasse was bevestigd. Met deze passieve experimenten kon de peilingsnauwkeurigheid van de gesleepte sonararrays worden bepaald.
Na deze experimenten volgden actieve experimenten. Een van de onderzeeërs kon in ruis gelimiteerde en de ander in een reverberatie (clutter) gelimiteerde omgeving gepositioneerd worden. Later werden testen gedaan in ondiep water voor de kust en in de fjorden.
De succesvolle resultaten van dit onderzoek bij TNO-FEL (en het Noorse zusterinstituut FFI) ondersteunden de Koninklijke Marine bij het inkoopproces van de ATAS-sonars voor de M-fregatten.