Все о радаре и сонаре
Иногда, когда соблюдены определенные условия, Вы можете услышать собственное эхо. Если Вы крикните «Привет!», звук может отразиться от большого объекта, и Вы услышите собственный голос. Это и называется эхо. Морской радар и сонар – это электронные устройства, которые используют принцип эхо для обнаружения и локализации объекта.
Что такое радар?
Слово «Радар» («Radar») было образовано от английского словосочетания «radio detection and ranging»(«радиообнаружение и дальность»). Радиоволны представляют собой тип электромагнитного излучения (микроволновые печи, рентгеновские лучи и световые волны другого типа). Это основа данной технологии. Дальность означает измерение расстояния до цели от РЛС (устройство, которое отправляет радиосигнал и принимает обратно его отражение).
Как радар работает
РЛС (также называемые радиолокационными станциями) бывают разных размеров, в зависимости от тех целей, где их используют. Но все они состоят из четырех основных частей: передатчика, антенны, приемника и дисплея. Передатчик испускает радиоволны. Когда радиоволна доходит до объекта, например самолета, она отражается обратно к станции. Антенна обнаруживает отраженный сигнал и отправляет на приемник, который его увеличивает и усиливает. Затем, сигнал отправляется на дисплей как изображение.
Импульсная передача позволяет определить расстояние более точно. Почему это так? Представьте себе, как Вы кричите, чтобы услышать эхо. Если Вы кричите продолжительное время, то первые слова вернутся прежде, чем Вы закончите, и Вы не сможете услышать все предложение. Но если Вы крикните что-то короткое, то без проблем распознаете свое эхо.
Расположение цели по отношению к РЛС определяется немного иначе. Радарная антенна отправляет импульсы узким лучом, примерно как светит фонарь. Антенна и, соответственно, луч вращается медленно и проходит через все возможные препятствия в поисках целей. Сигнал отражается от корабля или какой-либо другой цели, только если луч задел её. Возвращенный сигнал усиливается приемником и отображается на мониторе, где показывается расстояние и направление до цели.
Применение радара
Также радары используются в метеорологии, при прогнозировании погодных условий. Синоптики, как правило, используют их в сочетании с лидаром (оптическим радаром) для изучения штормов, ураганов и других погодных катаклизмов. Доплеровский радар основывается на принципе эффекта Доплера – т. е. изменение частоты и длины волны для наблюдателя (приемника) из-за движения источника излучения или наблюдателя (приемника). Анализируя изменения частоты отраженных радиоволн, доплеровский радар может отслеживать движение штормов и развитие торнадо.
Ученые используют радары, чтобы отслеживать миграцию птиц и насекомых, определять расстояние до планет. Потому как он может показать в каком направлении и как быстро движется объект, радар используется полицией для определения нарушений скоростного режима. Подобные технологии используются в спорте, например в теннисе, чтобы определить скорость подачи. Радар используют спецслужбы, чтобы сканировать объекты. В военных целях радары, в большей степени, применяют в качестве поиска целей и управления огнем.
История радара
История радарной технологии началась с экспериментов с использованием радиоволн немецким физиком Генрихом Герцом в 1887 году. Он обнаружил, что волны могут проходить через одни объекты, но отражаться другими. В 1900 году Никола Тесла заметил, что крупные объекты могут отражать достаточно сильные сигналы. Он понял, что волны были отраженными радиосигналами, и предсказал, что они могут быть использованы для поиска положения и направления судов в открытом море.
Впервые импульсный радар был представлен в США в 1925 году. В 1935 году радар был запатентован в британском патентном бюро как результат исследований во главе с шотландским физиком Робертом Александром Уотсон-Уоттом. Этот запатентованный радар был применен в радарных системах, которые оказались эффективны против немецкой авиации во время воздушных налетов на Великобританию, в период Второй мировой войны.(1939-1945 г.г.) Термин «радар» был впервые использован учеными ВВС США во время этой войны.
Прогресс в сфере радарных технологий продолжается до сих пор, усилия направлены на улучшение качества изображения, точности размера и снижения стоимости.
Что такое сонар?
Слово «сонар» происходит от англ. «sound navigation and ranging». Сонар может обнаруживать и определять местоположение объектов в толще воды при помощи эхо, аналогично дельфинам и другим морским животным, которые используют принцип эхолокации.
Как сонар работает
Есть два типа сонара: активный и пассивный. Активный отправляет импульсы и затем принимает отраженный сигнал эхо. Пассивный принимает сигнал, без отправки собственного. В активных гидроакустических системах звуковые сигналы намного мощнее, чем обычные звуки. Каждый импульс длится доли секунды.
Некоторые сонары излучают звуки, которые Вы можете услышать. Другие сигналы настолько высоки, что человеческое ухо не в силах их воспринять. Такие сигналы называются ультразвуковыми волнами (за пределами звука). У сонара имеется собственный приемник, который способен принять возвращенный эхо-сигнал. Положение объектов под водой можно определить по разнице между отправкой и приемом звукового сигнала.
Применение сонара
Сонар имеет множество применений. Подводные лодки используют сонар для обнаружения других судов. Технологию применяют для измерения глубин (эхолот). Эхолот измеряет время, необходимое для звукового импульса, чтобы достичь дна водоема и вернуться обратно. Рыболовные суда используют эхолот или гидролокатор для поиска стай рыб.
Океанографы используют сонар, чтобы отобразить контуры дна водоема. Звуковые сигналы могут пробивать толщу дна сквозь ил и песок и отрисовать слой породы под ними. Сигнал затем возвращается, давая расстояние до твердой поверхности.
Тот же принцип используется при поиске нефти на суше. Сонар отправляет импульс сквозь землю, импульс отражается с различной частотой от разных слоев почвы, и геологи могут определить какие виды грунта и пород присутствуют в почве. Это помогает определить места бурения, которые, скорее всего, содержат природные ресурсы. Это называется сейсморазведка.
Особый вид сонара используется в медицине и называется УЗИ (ультразвуковое исследование) или эхоскопия. Звуковые волны разной частоты производят различное эхо при отражении от разных органов тела. Врачи научились использовать эти сигналы, чтобы определять заболевания или контролировать развитие ребенка в утробе матери.
Звуковые волны очень высокой частоты используют в медицине и промышленности для чистки поверхностей от мельчайших инородных частиц.
История сонара
Сонар изобрела природа, задолго до того, как об этом задумался человек. Например, летучие мыши летают в темноте. Обходя препятствия и находя добычу при помощи ультразвуковых волн, которые человек услышать не в состоянии.
В 1906 году, американский военно-морской архитектор Льюис Никсон изобрел первый сонар для поиска айсбергов. Во время Второй мировой войны интерес к этой технологии возрос, т.к. возникла необходимость в обнаружении подводных лодок противника. В 1915 году такую первую действующую модель изобрел французский физик Поль Ланжевен. Первые приборы могли только слушать сигналы, но не могли излучать. Но уже к 1918 году Великобритания и Соединенные Штаты произвели образцы, которые могли отправлять сигнал и получать его обратно. Так же, как и с радарными технологиями, технологии сонаров постоянно совершенствуются и по сей день. Например, в 2000-х годах ВМС США ввели в оборот сонары, которые чистили военные мины.
сонар
Методы измерения сонара используют тот факт, что звук распространяется под водой с гораздо меньшими потерями, чем в воздухе, особенно на высоких частотах. По историческим причинам проводится различие между гидроакустическими устройствами (называемыми для краткости «сонарами»), которые располагаются преимущественно горизонтально, и эхолотами, которые устанавливаются преимущественно вертикально.
Активные гидролокаторы используют принцип эха, как и радиолокационные системы, то есть они сами излучают сигнал, эхо которого они принимают и от которого они определяют расстояние в течение времени распространения эха. Эхолоты относятся к этому типу.
Различие между «сонарными системами», которые могут иметь пассивный режим работы в дополнение к активному, и «прослушивающими системами», которые допускают только пассивную локализацию звука, часто неясно, особенно в англоязычной литературе.
Оглавление
история
Способность к пассивному слежению за звуком воды появилась у всемирного гения Леонардо да Винчи, впервые упомянутого в 1490 году: «Однако, если вы погрузите трубку в воду и поднесете другой конец к уху, вы сможете слышать корабли на большом расстоянии. «Сомнительно, успешно ли он применил это, поскольку корабли без двигателя производят сравнительно мало шума. Но, может быть, таким образом можно было услышать стук барабанов часов гребцов, ритмичный опускание весел или скрип деревянного корпуса корабля.
С другой стороны, глубину погружения подводной лодки можно было оценить только из-за преломления звука в воде и изначально недостаточной возможности поворота гидроакустических систем в вертикальном направлении. Контакт гидролокатора в основном терялся непосредственно перед глубинными бомбами, потому что атакующий корабль должен был приближаться на большой скорости с расстояния, чтобы не быть поврежденным глубинными бомбами, которые взорвались с задержкой по времени.
Типичным активным гидролокатором был сонар с поисковым лучом («Search Light Sonar») в диапазоне частот от 15 кГц до 40 кГц. Раздались короткие звуковые импульсы, так называемые пинги.
Как только контакт был установлен с объектом, сонар с поисковым лучом может хорошо удерживать цель. Метод «расщепленного луча» дает помощь с двухкомпонентным приемником, который можно использовать для определения того, движется ли цель за пределы оси луча.
Основным нововведением 1970-х годов было введение буксируемых антенн (Towed Array Sonar, TAS). В этой пассивной системе локации цепь гидрофонов в маслонаполненном шланге протягивается по длинному кабелю позади корабля. Из-за масла шланг плавает под водой, не имея плавучести. Между шлангом гидрофона и буксирным тросом устанавливаются механические демпферы для акустической развязки, чтобы вибрации судна имели как можно меньшее разрушающее влияние. С помощью этой технологии можно использовать очень низкие частоты ниже 100 Гц. Они не сильно ослабляются на большой глубине, но их нельзя развязать с антенной на корабле, и из-за большой длины волны требуются очень большие размеры.
Последней разработкой примерно 1985 года является активный низкочастотный гидролокатор сопротивления или LFAS (низкочастотный активный сонар), который работает на частотах ниже 2 кГц, иногда на нескольких сотнях Гц.
Во время холодной войны было приложено немало усилий для разработки гидроакустической технологии, параллельно с большими достижениями в области подводных технологий. Даже после окончания холодной войны гидроакустическая технология имеет большое значение из-за подводной террористической угрозы и развития беспилотных подводных аппаратов (UUV, Unmanned Underwater Vehicles ), особенно автономных подводных аппаратов (AUV Autonomous Underwater Vehicles ), которые все больше и больше определяют ситуацию поиска.
Сонары
Сонары
С онар — средство звукового обнаружения подводных объектов с помощью акустического излучения. Слово «сонар» происходит от англ. «sound navigation and ranging».
Принцип действия
По принципу действия сонары делятся на активный и пассивный.
Электрический импульс от передатчика превращается преобразователем в звуковую волну, которая распространяется в водной среде. Когда звуковая волна встречает на своем пути какое-либо препятствие, то часть ее отражается и возвращается обратно к преобразователю. Преобразователь превращает отраженную звуковую волну в электрический импульс, который усиливается приемником и выводится на дисплей. Так как скорость звука в воде постоянна (примерно 1500 м/с), то, измеряя время между отправкой сигнала и возвращением отраженного эха, можно определить расстояние до найденного объекта.
Природа звука под водой
Вода, в отличие от воздуха, имеет свойство распространять звуковые колебания на большие расстояния, в этом причина использования звуковых волн под водой. Электромагнитные волны не используются, так как они распространяются лишь на небольшие расстояния.
На распространение звуковых волн в водной среде влияют факторы:
Средняя скорость звука в воде – 1480 м/с, граничные скорости: от 1450 до 1540 м/с.
Обработка сигналов
Еще раз рассмотрим фильтры и процессы, которые сигнал проходит после до того, как будет излучен антенной.
Квадратурная модуляция
Чем выше частота звука (соответственно, меньше длина волны), тем выше разрешающая способность сонара (более мелкие элементы могут быть обнаружены). С другой стороны, высокая частота несет меньше энергии в каждом колебании, поэтому оно подвергается большему воздействию шума, и отношение сигнал-шум уменьшается.
Рассмотрим одно отдельное колебание. Оно несет в себе максимум и минимум своей амплитуды. Информацию при этом передает максимум амплитуды, а минимум фактически не используется. Если дублировать исследуемый сигнал, сместить его по фазе на 90 градусов и сравнить с исходным, то максимум второго сигнала окажется на одном уровне с минимумом первого. Если передавать одновременно в одном канале эти два сигнала, их частоты останутся прежними, однако информационная насыщенность возрастет в 2 раза, так как передающий информацию максимум амплитуды будет встречаться в 2 раза чаще. Такая одновременная передача двух сигналов называется квадратурной модуляцией.
Эффект Доплера
Эффект изменения частоты звука при движении называется эффектом Доплера. Эффект Доплера для электромагнитных волн существенно отличается от наблюдаемого в воздухе, так как для электромагнитных волн отсутствует какая-либо среда-посредник, являющаяся третьей стороной в контакте приемника и передатчика волны.
Согласующий фильтр
Принятый сигнал сравнивается с исходным. В согласующем фильтре сигнал не только делится на фрагменты и сравнивается, но и суммируется с исходным сигналом, что позволяет уменьшить количество шумов, которые испытал на себе сигнал во время движения к цели и обратно. Здесь же первично оцениваются искажения сигнала и производится определение причины искажений.
Быстрое преобразование Фурье
В синусоиде, которая представляет сигнал, информация повторяется много раз. После преобразования Фурье эти повторения информации исчезают. Быстрое преобразование Фурье позволяет выполнять преобразование с меньшим количеством вычислений.
Что происходит с сигналом по прибытии на антенну:
Характеристики сонаров
Общие требования к системе:
Передатчик большой мощности
Большая мощность передатчика гарантирует возможность получения четкого эхосигнала даже с больших глубин и при плохом состоянии воды и позволяет рассмотреть мелкие детали подводного мира.
Эффективный преобразователь
Прибор должен быть способен не только проводить сигналы высокой мощности, поступающие от передатчика, он должен преобразовывать электрическую волну в звуковую с минимальными потерями. Преобразователь должен распознавать и преобразовывать самое слабое эхо.
Чувствительный приемник
Приемник работает с сигналами в широком диапазоне. Он должен подавлять сигналы большой амплитуды во время работы передатчика и усиливать слабые электрические сигналы, которые возникают, когда возвращающийся эхосигнал достигает преобразователя. Приемник также должен обеспечивать четкую видимость на экране близкорасположенных целей, разделяя для этого электрические импульсы.
Экран с высоким разрешением и контрастностью
Экран должен иметь высокое разрешение, а также обладать высокой контрастностью. Это позволяет разглядеть на экране дугообразные эхосигналы и различные мелкие объекты, расположенные под водой.
Все части системы должны быть спроектированы для совместной работы при любых погодных условиях и при любых температурах.
Рабочая частота сонаров
Для большинства случаев как в пресной так и соленой воде частота 192 кГц дает лучшие результаты. На этой частоте лучше видны мелкие детали, с ней сонар лучше работает на мелководье и в движении, на экране получается меньше «шума» и нежелательных эхосигналов. На частоте 192 кГц достигается лучшее разрешение.
Но в определенных ситуациях лучше использовать частоту 50 кГц. Так, например, излучение сонара, работающего на частоте 50 кГц (при тех же условиях и при той же мощности), способно проникать на большую глубину, чем излучение на частоте 192кГц. Это связано со способностью воды поглощать звуковую энергию, имеющую разные частоты. Коэффициент поглощения для высоких частот больше, чем для низких. Поэтому частота 50 кГц используется в основном на больших глубинах. Угол расходимости звуковых волн при использовании частоты 50 кГц больше, чем у излучателей, работающих на частоте 192 кГц. Широкий угол обзора полезен при движении судна на мелководье, имеющем большое количество подводных скал и рифов.
| 192 kHz | 50 kHz |
|---|---|
| мелководье | большие глубины |
| узкий угол излучения | узкий угол излучения |
| лучшее разрешение и разделение объектов | меньшее разрешение |
| меньшая подверженность шумам | больше шумовых помех |
Преобразователи
Каждый преобразователь может работать только на одной определенной частоте и эта частота должна совпадать с частотой, на которой работают передатчик и приемник сонара. Кроме того, преобразователь должен быть рассчитан на работу с той мощностью, которая развивается передатчиком, и при этом он должен преобразовывать в звуковую энергию максимальную часть поступающей в него электрической энергии. В то же время преобразователь должен быть достаточно чувствительным, чтобы регистрировать очень слабые возвращающиеся эхосигналы. Все это должно иметь место для одной определенной частоты (192 или 50кГц), в то время как эхосигналы других частот должны отфильтровываться.
Угол излучения преобразователя
Звуковые волны распространяются от преобразователя (излучателя-приемника) в определенном направлении. Когда звуковой импульс удаляется от преобразователя, то, чем больше становится расстояние, тем большую площадь охватывает этот импульс. Если изобразить распространение звуковых волн, то получится конус, вследствие чего появился термин «угол конуса», характеризующий расходимость звукового излучения. По оси конуса мощность звуковых волн максимальна, а по мере удаления от оси она постепенно уменьшается до нуля.
Рис. 2. Сигнал сонара, посланный с лодки
Чтобы определить значение величины угла конуса для определенного преобразователя, необходимо сначала измерить мощность излучения по оси конуса, а затем сравнить его со значениями, полученными в разных точках при удалении от оси. Далее нужно найти ту точку, в которой мощность излучения будет равна половине максимального значения (-3 db). Угол между линией, проведенной из вершины конуса через точку половинного значения мощности с одной стороны от оси и аналогичной линией с другой стороны оси, и будет искомым углом конуса.
Преобразователи с рабочей частотой 192 кГц выпускаются как с узким углом конуса, так и с широким. Преобразователи с широким углом конуса следует применять в большинстве случаев на пресноводных водоемах. В то время как преобразователи с узким углом следует применять во всех случаях рыбалки на море. Излучатели с рабочей частотой 50 кГц обычно имеют углы конуса в диапазоне от 30 до 45 градусов.
Состояние воды и дна
На работу сонара оказывает влияние то, в какой воде он используется. В чистой пресной воде звуковые волны распространяются хорошо, а вот в соленой воде звук поглощается сильнее, к тому же он рассеивается на многочисленных взвешенных в морской воде частицах. Рассеиванию сигналов сонара способствуют содержащиеся в морской воде микроорганизмы, такие как мелкие водоросли и планктон. В пресной воде тоже есть течения и микроорганизмы, но их влияние на работу сонара значительно меньше.
Грязь, песок и водная растительность на дне сильно поглощают сигналы сонара, ослабляя тем самым отраженный сигнал, который формирует на экране линию дна. Камни, сланцы, кораллы и другие твердые объекты хорошо отражают сигналы сонара. Это различие заметно на экране сонара: мягкое дно, например, илистое, дает на экране тонкую линию. Твердое каменистое дно дает на экране широкую линию.
Применение сонара
Сонар имеет множество применений. Подводные лодки используют сонар для обнаружения других судов. Технологию применяют для измерения глубин (эхолот). Эхолот измеряет время, необходимое для звукового импульса, чтобы достичь дна водоема и вернуться обратно. Рыболовные суда используют эхолот или гидролокатор для поиска стай рыб.
Рис. 3. Внешний вид эхолота
Океанографы используют сонар, чтобы отобразить контуры дна водоема.
Сонары также используются при поиске нефти на суше. Это помогает определить места бурения, которые, скорее всего, содержат природные ресурсы (сейсморазведка).
Звуковые волны очень высокой частоты используют в медицине и промышленности для чистки поверхностей от мельчайших инородных частиц.
Принципы работы сонаров и подводная акустика: как, зачем и почему
Сонары используются для обнаружения и исследования подводных объектов, в то время как похожие устройства, называемые радары — для исследования надводных, наземных, воздушных и космических объектов. Многое из того, что сказано ниже про сонары, справедливо и для радаров, либо имеет очевидные сходства.
Я заметил, что в интернете нет материалов по данной теме, описывающих все процессы в связи друг с другом и понятными словами. В статье мы пройдем весь путь от особенностей распространения звуковых волн в воде до процессов внутри сонара. Сделать это я намереваюсь просто и ясно, чтобы заинтересовать как любопытных читателей, так и тех, кому через 2 часа надо сдать устный экзамен по подводной акустике. Предполагается, конечно, что кто-то из одной, либо из другой обозначенной группы может не иметь никаких знаний по данной теме, поэтому все начнется с основ.
Задолго до того, как Шелдон поможет разобраться с эффектом Доплера, мы погружаемся под воду, чтобы начать знакомство с тем, как происходит и от чего зависит распространение звуковых волн в водной среде.
Природа звука под водой
На распространение звуковых волн в водной среде влияют множество факторов: частота и амплитуда звуковой волны, температура, соленость и глубина воды, расстояние распространения звука (и связанная с этим постепенная трансформация звука в тепло — абсорбция), а также другие местные факторы (неоднородности в воде, участки с турбулентностью, состояние поверхности воды – пузырьки воздуха, дождь и ветер; тип дна – ил, песок, гравий или скала).
Чем больше температура, соленость, глубина, т.е. чем выше плотность воды – тем выше скорость распространения звука. Изменение этих трех параметров также влияет на искривление направления движения звука в воде, а также на величину пространственного угла распространения.
Часто в умеренных широтах температура в поверхностных слоях воды быстро понижается, что снижает скорость звука, фокусирует звуковую волну на некоторой глубине, удаляя ее от поверхности. Напротив, когда температура у поверхности постоянна (например, в тропиках вода прогревается довольно глубоко), на скорость звука влияет только глубина, и из-за этого скорость звука в поверхностных водах увеличивается только благодаря глубине. В таких водах звук фокусируется возле поверхности, постоянно отражаясь от нее и возвращаясь к ней снова. Средняя скорость звука в воде – 1480 метров в секунду, граничные скорости: от 1450 до 1540 м/с.
Чем выше частота звука, тем быстрее он рассеивается. Это вызывается трансформированием энергии звука в тепло, рассеиванием из-за неоднородностей в воде и при подходящей глубине затуханием на дне (в первую очередь если дно – ил или песок), либо возле поверхности по причине дождя, ветра, пузырьков воздуха и т.п.; при штиле потери на поверхности незначительны, так как поверхность воды отражает более 99% звука.
Все эти данные позволяют создавать шаблоны настроек сонара и просчитывать возможные время и траектории распространения звуковых волн, настраивать сонар с максимальной эффективностью.
Конструкция антенны сонара
Передающая антенна сонара колеблется в звуковом диапазоне частот и производит звуковые воллны. Излучающая звуковые волны поверхность антенны называется апертурой.
Апертуры бывают непрерывные и дискретные, то есть имеющие множество отдельных излучающих элементов.
Можно рассматривать дискретные апертуры как содержащие в себе множество непрерывных апертур. Элементы дискретных апертур находятся на определенном расстоянии друг от друга, поэтому волны, излучаемые ими, будут приходить к цели в разное время. Этот факт учитывается при генерировании волн, при направлении звукового пучка, а также по прибытии отраженных волн.
Излучаемые апертурами звуковые волны оказывают давление на слои воды вокруг, поэтому можно говорить о распределении давления звуковой волны вокруг апертуры, назовем это формой акустического пучка. Вот пример такой формы: 
Звуковые колебания, как и любые колебания, по причине своей упругой природы имеют минимумы и максимумы, сменяющие друг друга и противоположные друг другу по амплитуде. Изначально в волне минимумы и максимумы находятся на определенном расстоянии друг от друга во времени и пространстве, то есть смещены по фазе. Вследствие излучения звуковые волны имеют свойство объединяться, находясь в разных фазах, то есть усиливают, либо гасят друг друга. Это называется интерференцией.
Боковые лепестки на изображениях выше возникают из-за того, что энергия от антенны распространяется не только фронтально, но и в смежных направлениях; они имеют минимумы и максимумы благодаря интерференции. Боковые лепестки являются нежелательными, так как имеют амплитуды и частоты, отличные от основного лепестка, и этим вносят помехи.
Как можно представить, пучок раскрывается под некоторым пространственным углом. Если рассматривать в горизонтальной и вертикальной плоскостях, то это два угла — вертикальный (угол элевации) и горизонтальный (азимут). Развернув эти углы на плоскости, можно показать форму пучка в более наглядном виде: 
Апертуры бывают разных геометрических форм и поэтому производят разные пучки. На рисунке выше, например, показана форма пучка для прямоугольной апертуры. Также существуют круговые апертуры, либо линейные (похожие на отрезок определенной длины), либо даже апертуры в виде трехмерных форм, например, параболоиды. Вы можете представить, как для них выглядят формы пучков. Например, для круговой апертуры боковые лепестки уменьшаются радиально, а не в виде креста, как на рисунке выше. В случае параболоидной формы происходит увеличение основного лепестка за счет соседних.
Если у диаграммы выше сделать сечение по центру, вот что мы увидим: 
Длиной волны называется расстояние, которое волна проходит во время одного колебания. А время, за которое она проходит это расстояние, называется периодом. Если расстояние между двумя излучающими звук элементами дискретной апертуры становится больше половины длины волны, у нас начинают увеличиваться боковые лепестки, а при дальнейшем уменьшении длины волны появляются новые лепестки, равные по амплитуде основному, что вносит помехи и является нежелательным фактом: при приеме сигнала будет неизвестно, какой именно лепесток является причиной. 
Даже если все боковые лепестки меньше основного, они являются нежелательными по причине дополнительных искажений, вносимых ими: волны боковых лепестков тоже будут отражаться от каких-то объектов и двигаться в обратном направлении к сонару. Поэтому разработали способы уменьшения как боковых лепестков при излучении звука, так и их следствий при приеме отраженного сигнала. Основная идея: нужно таким образом сформировать сигнал, чтобы переместить энергию из боковых лепестков в основной, тем самым уменьшив и уровняв боковые лепестки по амплитуде. Это делается с помощью предустановленных паттернов (так называемых «окон»), через которые пропускается сигнал. Самый эффективный паттерн гордо носит имя «окно Чебышева». На примере ниже сигнал, прошедший через окно Чебышева, выделен курсивом: 
Чтобы исследовать определенную область пространства, сонары поворачивают под необходимым углом, тем самым добиваясь нужного направления для основного лепестка звукового пучка. Еще существуют более тонкие способы направить звуковой луч в нужном направлении.
В случае, если сонар настроен на принятие сигнала (называется «пассивный режим»), может использоваться способ, рассмотренный на рисунке справа. Звук из исследуемого направления приходит на разные элементы апертуры через разные промежутки времени. В зависимости от требуемого направления луча высчитывается необходимая задержка для каждого элемента апертуры, вследствие чего принимается картинка из нужного направления. Этот способ прекрасно работает для принятия сигналов, в которых присутствуют волны большого диапазона частот, то есть «широкополосных» сигналов. Причины использования широкополосных сигналов будут рассмотрены в следующем параграфе.
Сигнал одной частоты, либо очень близкого диапазона частот называется узкополосным. В узкополосном сигнале нам легче увидеть его периодическую составляющую. По этой причине нет особой нужды вычислять различные промежутки времени, которые сигнал идет к разным элементам апертуры, так как по прошествии одного периода сигнала начинается точно такой же период снова, т.е. информация повторяется. Достаточно учитывать и использовать лишь сдвиг по фазе, с которым сигнал приходит, либо излучается разными элементами апертуры. Когда мы управляем направлением пучка этим способом, на элементах апертуры сигнал принимается/излучается с разной задержкой по фазе. На картинке справа вы можете наблюдать, как перенаправляется основной лепесток пучка при изменении фазы. Данный способ называется фазовым затенением и применяется как для пассивного, так и для активного режимов сонара.
Внутри сонара. Обработка сигналов
Внутри все начинается с генератора синусоидальных импульсов. Типичный генератор состоит из двух компонентов. Во-первых это усилитель, выход которого подключен к собственному входу («положительная обратная связь»), из-за чего происходят колебательные отклонения сигнала. Второй компонент — это электрический фильтр. Внутри фильтра находятся катушки индуктивности и конденсаторы, сопротивление которых зависит от частоты подаваемого сигнала. На определенных частотах сопротивление возрастает, что препятствует прохождению сигнала. С помощью разных комбинаций катушек и конденсаторов настраивается отсеивание необходимых частот на выходе генератора.
Далее находится группа фильтров, имеющих сходства с описанным только, однако чуть более сложных. Они занимаются амплитудным и фазовым затенением, формированием направления и формы пучка (это все описывалось выше). Еще некоторые их функции будут со временем рассмотрены.
Следом сигнал подается на усилитель и на антенну, где он становится звуком. Излучаемый звуковой сигнал имеет некоторую протяженность во времени и называется импульсом. Импульс движется к исследуемому объекту, отражается и возвращается назад к сонару. Сонар в это время находится в пассивном режиме и ожидает возвращения импульса, который снова переводится в электрический сигнал. Длительность импульса должна быть короче времени, которое, как предполагается, будет затрачено на движение импульса от сонара к цели и обратно, иначе на приемнике результат будет суммироваться с исходящими волнами.
Давайте еще раз обратимся к фильтрам и процессам, которые сигнал проходит после до того, как будет излучен антенной. Впрочем, после приема отраженный сигнал ждут вполне похожие процедуры.
Квадратурная модуляция
Чем выше частота звука (= меньше длина волны), тем выше разрешающая способность сонара (более мелкие элементы могут быть обнаружены). С другой стороны, высокая частота несет меньше энергии в каждом колебании, поэтому оно подвергается большему воздействию шума и отношение сигнал-к-шуму уменьшается.
Рассмотрим одно колебание в отдельности. Оно несет в себе максимум и минимум своей амплитуды. Информацию при этом передает максимум амплитуды, а минимум фактически не используется. Что будет, если дублировать исследуемый сигнал, сместить его по фазе на 90 градусов и сравнить с исходным? Максимум второго сигнала окажется на одном уровне с минимумом первого. Если передавать одновременно в одном канале эти два сигнала, их частоты останутся прежними, однако информационная насыщенность возрастет в 2 раза, так как передающий информацию максимум амплитуды будет встречаться в 2 раза чаще. Такая одновременная передача двух сигналов называется квадратурной модуляцией. Это довольно распространенный прием и он используется во множестве электронных устройств.
Сжатие импульса
Уровень мощности антенны сонара, конечно же, ограничен какими-то пределами. Однако мы заинтересованы в том, чтобы энергия сигнала была как можно более высокой, так как это уменьшает влияние шумов на сигнал, этим увеличивая разрешающую способность. Используя более длинные импульсы, можно уменьшить пиковую мощность у передаваемого импульса при сохранении того же уровня энергии. При приеме импульс сжимается в более короткий, что увеличивает пиковую мощность импульса. Пиковая мощность импульса после сжатия во много раз превышает пиковую мощность, которая была бы без сжатия. Перед отправкой импульс удлинняется в той же пропорции, в которой по прибытию будет сжат.
Линейная частотная модуляция
Пусть был послан такой сигнал, как расположен слева, а в ответ был получен сигнал, как выше отрезка Х. Как мы сможем отличить этот сигнал от аналогичного над отрезком Y? Это сделать невозможно, так как оба сигнала одинаковы, лишь смещены во времени. То есть появится некая неопределенность в интерпретации временного отрезка, которому соответствует пришедший сигнал, соответственно будет неопределенность в расстоянии до объекта. 
Если же сигнал будет такой, как сейчас на рисунке справа, становится возможным отличить соответствующие ему временные отрезки. Этот прием называется линейной частотной модуляцией, когда частота увеличивается или уменьшается линейно.
Гауссова огибающая
В предыдущем параграфе рассматривались бобковые лепестки, возникающие под действием интерференции. Этими лепестками описывалось распределение давления звуковой волны в трехмерной среде. Хочется отметить, что боковым лепесткам соответствуют волны меньших амплитуд. Амплитуда вместе с тем уменьшается и от дальности распространения сигнала. До сих пор мы подразумевали, что пик каждого колебания имеет одинаковую амплитуду. Будет ли полезным менять амплитуды каждого колебания по определенному правилу? Конечно, поскольку в этом случае мы сможем дополнительно дифференцировать сигналы боковых лепестков, частоты которых уменьшены. Сравнивая, как изменяются амплитуды переданного и полученного сигналов на определенной частоте и находя несоответствия, можно отсекать сигналы с боковых лепестков.
Эффект Доплера
Если приближать и отдалять телефонную трубку, когда в ней раздается гудок, можно почувствовать плавные изменения в тональности. Это изменяется воспринимаемая частота звука. Эффект изменения частоты звука при движении называется эффектом Доплера. Эффект Доплера для электромагнитных волн существенно отличается от рассматриваемого здесь, так как для них отсутствует какая-либо среда-посредник, являющаяся третьей стороной в контакте приемника и передатчика волны. Для звука же такой средой является вода.
Если представить, что судно, к которому прикреплен сонар, находится в движении, либо двигается объект исследования, можно прийти к выводу, что частота принимаемого сигнала будет изменена в соответствии с эффектом Доплера. В этом случае линейная частотная модуляция снова является причиной неопределенности и может вводить в заблуждение: сигнал привязан к отрезкам времени изменяющейся частотой, однако эту частоту дополнительно изменяет эффект Доплера.
Диаграмма неопределенности
Как написано выше, одновременно используются две техники модуляции сигнала, чтобы сократить две неопределенности в исследуемых параметрах объекта. Первая неопределенность связана со способностью сонара различить временную задержку сигнала (расстояние до объекта), а вторая — связанная с эффектом Доплера (скорость объекта).
На диаграмме ниже показаны уровни неопределенности для немодулированного сигнала: временная задежка по горизонтальной оси и частотная — по вертикальной. Тут неопределенности возникают благодаря упоминавшимся выше причинам: боковые лепестки вызывают неопределенности, связанные с эффектом Доплера (это видно как поперечные дуги); формы одного цвета показывают неопределенности в оценке дальности, которые поясняются неоднозначностью временного отрезка, к которому можно отнести пришедший сигнал (по причине неизменности каждого его периода при неизменной частоте). Диаграмма неопределенности напрямую отражает разрешающую способность сонара. 
Следующий график отображает линейно частотно модулированный сигнал. Благодаря частоте, изменяемой пропорционально времени, можно более точно определять временную задержку сигнала и дальность до цели. Эффект Доплера, меняя частоту, вносит искажения. Также искажения вносят боковые лепестки. 
Следующий график отображает линейно частотно модулированный сигнал с гауссовой огибающей (амплитудная модуляция). Теперь мы можем убрать боковые лепестки частот, поскольку дополнительно сравниваем амплитуды исходящего и пришедшего сигналов, а у боковых лепестков амплитуды меньше, чем у основного. 
При увеличении дальности объекта пропорционально затухает амплитуда сигнала во время его движения к объекту и обратно. Если на этот же сигнал еще влияет и эффект Доплера, то становится неясным, что на сигнал влияло больше — уменьшение амплитуды из-за дальности (сигнал будет сверяться по частотам с исходным, а по разнице амплитуд будут формирования предположения о дальности), либо эффект Доплера (сигнал будет сверяться по амплитудам с исходным, а по разнице частот будет сделан вывод о скорости объекта). Эти две пересекающихся стратегии оценки на диаграмме ярко выражены тем, что форма растягивается по диагонали.
Согласующий фильтр
Ранее много раз упоминалось, что принятый сигнал сравнивается с исходным. Это происходит в согласующем фильтре, в нем имеются копии исходных сигналов. Здесь сигнал не только делится на фрагменты и сравнивается, но и суммируется с исходным сигналом, что позволяет уменьшить количество шумов, которые испытал на себе сигнал во время движения к цели и обратно. Здесь же первично оцениваются искажения сигнала и производятся вычисления, что же было причиной искажений. Например, здесь присутствует абсорбционная модель, которая учитывает возможное рассеивание импульса во время его движения к цели и обратно. Здесь же происходит сжатие импульса.
Быстрое преобразование Фурье
Согласно преобразованию Фурье, любой сигнал (даже шум) можно представить в виде суммы синусоид разных частот и фаз (говоря более строго, можно представить в виде спектральной плотности). В синусоиде, которая является периодическим сигналом, информация повторяется много раз — из периода в период одно и то же. После преобразования Фурье эти повторения информации исчезают. Быстрое преобразование Фурье позволяет выполнять преобразование с меньшим количеством вычислений. Вычисления в согласованном фильтре происходят со сжатыми быстрым преобразованием Фурье сигналами, для чего необходимы специальные микроконтроллеры, выполняющие математические операции.
Вот порядок того, что с сигналом происходит по прибытии на антенну:
Предварительный усилитель и фильтр полосы частот, автоматическая регулировка усиления => Квадратурная демодуляция => Фильтр антиалиасинга и конвертация в цифровой вид => Переход в согласующий фильтр (компрессия импульса, описанные выше действия; компенсация движения, микро-навигация, автофокус, искусственные методы повышения разрешения) => Обработка изображения (формирование частей изображения, объединение их, программируемые обнаружение и классификация целей) => Выведение на экран монитора.
