Radyonun su altında çalışmama nedeni
Tuzlu su radyo dalgalarını metreler içinde emer. Havada 200 km giden 100 MHz'lik bir sinyal 1 metre deniz suyunda ölür. Ses bunun tersidir — hava sesi hızla emer, su yüzlerce kilometre taşır. Seçim fizik tarafından zorunlu kılınır: su üstünde radar; su altında sonar.
Hızlar ve çözünürlük
Radyo saniyede 300.000 km gider. Deniz suyunda ses saniyede yaklaşık 1,5 km — 200.000 kat daha yavaş. Bu, sonarın mesafeyi çözmek için atım başına 200.000 kat daha fazla zamanı olduğu, ama radarın 6 mikrosaniyede aldığı 1 km'lik mesafe konumunun sonar için bir saniyeden fazla sürdüğü anlamına gelir. Sonar gecikmeyi çözünürlük için takas eder.
Aktif ve pasif
Aktif sonar bir 'ping' gönderir ve yankıyı dinler — radarın benzeri. Pasif sonar yalnızca dinler ve gemileri pervanelerinin ve makinelerinin benzersiz akustik imzasıyla tanımlar. Aynı anlamda pasif radar yoktur çünkü hedefler doğal olarak algılanabilir radyo dalgaları yaymaz (bir istisna: pasif radar, ortam TV/hücresel sinyallerini aydınlatıcı olarak kullanabilir).
Ekran gelenekleri
Her iki sistem de yeşil-siyah PPI ekranını II. Dünya Savaşı radarından ödünç aldı — sonar bunu 1945'ten sonra benimsedi çünkü radarda eğitilmiş denizaltıcılar zaten aşinaydı. Zamanın ekrandan aşağı, frekansın yatay aktığı şelale ekranı sonardan geldi ve geri elektronik harp radarına göç etti.
Dönüştürücü kısıtlamaları ve hüzme genişliği
Verici donanımının fiziksel boyutu dalga boyuna göre belirlenir. Radar, dalga boylarının santimetre cinsinden ölçüldüğü mikrodalga spektrumunda çalışır. Bu durum, nispeten küçük bir parabolik çanağın veya faz dizili antenin enerjiyi birkaç derecelik dar bir hüzmeye odaklamasına olanak tanır. Dar hüzmeler yüksek açısal çözünürlük sağlayarak operatörlerin birbirine yakın uçan iki uçağı ayırt etmesini sağlar. Sonarda benzer bir hüzme genişliği elde etmek fiziksel olarak daha zordur çünkü akustik dalgalar çok daha uzun dalga boylarına sahiptir. Uzun menzilli tespit için düşük frekanslar gereklidir ancak bu frekanslar yönlülüğü korumak için devasa dönüştürücü dizileri gerektirir.
Pratik açıdan, 30 kHz'lik bir sonar sinyali, X-bandı radarına benzer şekilde 5 santimetrelik bir dalga boyuna sahiptir. Ancak bu frekansta 1 derecelik bir hüzme genişliği elde etmek için sonar dönüştürücüsünün birkaç metre genişliğinde olması gerekir. Bu nedenle denizaltılar ve su üstü gemileri genellikle yüzlerce metreye yayılabilen hidrofonlarla donatılmış uzun kablolar olan 'çekili dizinler' kullanır. Sensörün fiziksel açıklığını artırarak, sonar sistemleri radarların çok daha küçük bir alanda elde ettiği mekansal hassasiyete nihayet ulaşabilir. Bu mühendislik dengesi, modern savaş gemilerinin silüetini ve sonar kubbelerini barındıran devasa baş yapılarını tanımlar.
Termoklin ve sinyal kırılması
Her iki sistem de çevresel kırılmadan muzdariptir ancak mekanizmalar farklıdır. Radar dalgaları atmosferik basınç ve nem tarafından bükülür, bazen sinyallerin ufkun ötesine geçmesine izin veren 'kanallar' oluşturur. Okyanusta sonar, su sıcaklığının hızla düştüğü belirgin bir katman olan termoklin tarafından kontrol edilir. Ses hızı sıcaklığa ve basınca son derece bağlı olduğundan, bu katmanlar akustik aynalar veya mercekler gibi davranır. Bir denizaltı, termoklinin altındaki bir 'gölge bölgesinde' saklanabilir; burada bir su üstü gemisinden gelen pingler başka yöne kırılır ve denizaltıyı sadece birkaç yüz metre uzakta olmasına rağmen etkili bir şekilde görünmez kılar.
Donanmalar, Değişken Derinlikli Sonar (VDS) aracılığıyla bu dikey yapıdan yararlanır. Bir bulutun altını görmek için yüksekliğini değiştiremeyen sabit bir radar direğinin aksine, VDS sistemi bir geminin sonar dönüştürücüsünü bir kabloyla termoklini atlayacak şekilde alçaltmasına izin verir. Bu sırada radar operatörleri dalgalardan veya yağmurdan kaynaklanan 'parazitlerle' uğraşır, ancak derin okyanustaki SOFAR kanalında bulunan toplam sinyal yönlendirmesiyle nadiren karşılaşırlar. Bu derin ses kanalı, düşük frekanslı balina şarkılarının ve sismik olayların bir kırılma kılavuzuna hapsolup binlerce kilometre seyahat etmesini sağlar; bu fenomenin karasal radar ortamında doğrudan bir karşılığı yoktur.
Frekans Seçimi ve Dalga Boyu Sınırları
Radar sistemlerinde mühendisler, hedef boyutuna göre frekans seçimi yaparlar. Yüksek frekanslı X-bandı radarlar (10 GHz), 3 cm'lik dalga boyu sayesinde küçük yağmur damlalarını veya kuş sürülerini bile tespit edebilir. Ancak bu kısa dalgalar atmosferik nem tarafından kolayca dağıtılır. Uzun menzilli erken uyarı radarları ise VHF veya UHF bantlarını (300 MHz - 3 GHz) kullanır; yaklaşık 1 metrelik uzun dalga boyları ufuk ötesine bükülebilir ve fırtınaların içinden geçebilir, fakat hedef izleme hassasiyetinden yoksundurlar. Antenin fiziksel açıklığı bu dalga boylarıyla orantılı olmalıdır, bu da yönlü bir hüzme elde etmek için gemilerde veya havaalanlarında gördüğümüz devasa dönen dizinleri zorunlu kılar.
Sonar ise frekansa bağlı emilim denilen daha katı bir kısıtlamayla karşı karşıyadır. Düşük frekanslı sonar (1 kHz altı) tüm okyanus havzalarını kat edebilir, ancak yönlendirilebilir bir hüzme oluşturmak için birkaç metre genişliğinde transdüserler gerektirir. Aksine, yüksek frekanslı sonar (100 kHz üstü), deniz tabanı haritalama ve mayın tespiti için gereken milimetre altı çözünürlüğü sağlar ancak sinyal gücünü birkaç yüz metre içinde tamamen kaybeder. Bu durum sert bir ödünleşme yaratır: Bir denizaltı ya tek bir kayayı mükemmel detayla görebilir ya da uzak bir uçak gemisi grubunu belirsiz bir akustik leke olarak tespit edebilir; fizik kuralları her ikisinin aynı anda yapılmasına nadiren izin verir.
Takipte Doppler Etkisi
Göreceli hareketin neden olduğu frekans değişimi olan Doppler kayması, her iki sistemde farklı taktiksel amaçlara hizmet eder. Radarda Doppler etkisi öncelikle 'parazit reddi' (clutter rejection) için kullanılır. Bir darbe-Doppler radarı, frekans kayması sıfır olan sinyalleri filtreleyerek duran yer yüzeyini veya sakin denizi görmezden gelir ve hareketli bir uçağı izole eder. Bu, modern avcı uçakları için hayati önem taşıyan 'aşağı bak/aşağı vur' yeteneğini sağlar. Bu işlem olmasaydı, dünya yüzeyinden gelen yansıma, hedeften gelen çok daha küçük yansımayı bastırır ve radarı araziye gizlenen alçaktan uçan tehditlere karşı kör ederdi.
Sonarda ise Doppler kayması, hedef teşhisi ve konumlandırma için temel bir araçtır. Ses hızının çok düşük olması nedeniyle, yavaş hareket eden bir hedef bile devasa ve kolayca ölçülebilir bir frekans kayması yaratır. Sabit bir sensöre doğru hareket eden 30 knot hızındaki bir torpido, 10 kHz'lik bir pinglemede yaklaşık 100 Hz'lik bir kaymaya neden olur; bu, en temel hidrofonlar tarafından bile kolayca fark edilebilir. Pasif sonar operatörleri, bir hedefin kendilerine dönüp dönmediğini anlamak için motor bileşenlerinin dar bantlı Doppler kaymasını analiz ederler. Bu kayma o kadar belirgindir ki, hedefin bulanıklaşmasını önlemek için sistemin kendi sinyal işlemesinde sürekli düzeltilmelidir.