Detector de direcție de înaltă frecvență

Căutare direcție Huff-duff a Muzeului Naval din HMS Belfast

Detectorul de direcție de înaltă frecvență (cunoscut și sub numele de HF / HD sau sub porecla Huff-Duff ) este un dispozitiv de căutare a direcției dezvoltat în timpul celui de- al doilea război mondial . Numele se bazează pe acronimul HFDF, care înseamnă Găsirea direcției de înaltă frecvență . Acest dispozitiv a fost dezvoltat de inginerii francezi Maurice Deloraine și Henri Busignies . Au început dezvoltarea sa la Paris și au încheiat-o în Statele Unite ale Americii , unde emigraseră în urma ocupației germane a Franței .

Frecvența înaltă (HF, pentru frecvența înaltă) se referă la o bandă radio care poate transmite în mod eficient pe distanțe mari, de exemplu între bărcile U și sediul lor pe uscat. HF / DF a fost utilizat în principal pentru a localiza emițătoarele radio inamice în perioadele pe care le transmiteau, deși a fost folosit și pentru localizarea avioanelor prietenoase ca ajutor pentru navigație . Tehnica de bază rămâne utilizată și astăzi ca una dintre disciplinele fundamentale ale spionajului electronic , deși încorporată într-un sistem mare de medii radio și radar, mai degrabă decât să funcționeze ca un aparat de sine stătător.

HF / DF a folosit o serie de antene radio pentru a primi același semnal din locații sau direcții ușor diferite și apoi a folosit aceste mici diferențe pentru a expune poziția emițătorului pe un ecran de osciloscop . Primul sistem a folosit o antenă cu rotație mecanică (detector de direcție Bellini - Tosi) și un operator care a ascultat vârfurile și absențele semnalelor, luând mult timp, adesea un minut sau mai mult, pentru identificare.

Aparatul HF / DF a efectuat aceleași măsurători, dar în esență instantanee, ceea ce a făcut posibilă identificarea semnalelor emise în mișcare, cum ar fi cele de la o flotă de U-bărci .

Sistemul a fost dezvoltat pentru prima dată de Robert Watson-Watt , începând cu 1926 căutarea unui sistem care să localizeze fulgerele. Rolul său în spionaj nu a fost dezvoltat decât la sfârșitul anilor 1930 . În perioada inițială a războiului, unitățile HF / DF erau foarte solicitate și a existat o rivalitate considerabilă în desfășurarea lor. O utilizare inițială a fost făcută de Comandamentul de luptă RAF ca parte a „Dowding System” de interceptare și control, în care unitățile terestre erau utilizate pe scară largă pentru a aduna informații pentru Amiralitatea Britanică în scopul localizării U-boat-urilor . Între 1942 și 1944, unitățile mici au devenit disponibile pe scară largă și au fost instalate echipamente standard pe navele marinei britanice . Se crede că HF / DF a contribuit cu 24% din totalul scufundărilor sub U-boat în timpul războiului. ^[1]

Conceptul de bază este, de asemenea, cunoscut sub diferite nume, inclusiv găsirea direcției cu raze catodice (CRDF, ^[2] Twin Path DF, ^[1] și inventatorul său, Watson-Watt DF sau Adcock / Watson-Watt atunci când se ia în considerare antena. ^{[3 ]}

Istorie

Înainte de HF / DF

Găsirea direcției prin radio a fost o tehnică pe scară largă utilizată chiar înainte de primul război mondial , atât pentru navigația aeriană, cât și pentru cea navală. Conceptul de bază a fost utilizarea unei antene în formă de circumferință ( antenă de buclă ) de o dimensiune adecvată pentru banda de frecvență a semnalului care trebuie interceptat. Când planul cercului este perpendicular pe semnal, acesta dispare în cele două jumătăți ale cercului, producând o scădere bruscă a semnalului de ieșire din buclă , cunoscut sub numele de "0".

Sistemele DF timpurii foloseau o antenă circulară care putea fi rotită mecanic. Operatorul a trebuit să se conecteze la un post de radio cunoscut și apoi să rotească antena până când semnalul a dispărut. Acest lucru însemna că antena era acum perpendiculară pe direcția transmisiei, deși acest lucru ar putea însemna ambele părți, adică nu a fost posibil doar cu această măsură să detectăm direcția, ci doar direcția. Efectuând mai multe astfel de măsurători sau folosind alte surse de informații de navigație pentru a elimina ambiguitatea, ar putea fi stabilit cursul emițătorului.

În 1907 a fost introdusă o îmbunătățire de către inginerii italieni Ettore Bellini și Alessandro Tosi , ceea ce a simplificat foarte mult sistemul DF. Antena circulară unică a fost înlocuită cu două antene perpendiculare una pe cealaltă. Semnalul de ieșire de la fiecare a fost trimis la propriul său solenoid. Doi dintre acești solenoizi, unul pentru fiecare antenă, numiți solenoizi de câmp, au fost aranjați unul lângă celălalt și perpendicular unul pe celălalt. Semnalele de la cele două antene au generat un câmp magnetic în spațiul dintre cele două solenoide, care a fost primit de un solenoid rotativ, solenoidul de căutare. Semnalul maxim a fost generat atunci când solenoidul de căutare a fost aliniat cu câmpul magnetic al celor două solenoizi de câmp, care era la unghiul semnalului în raport cu antenele. Acest lucru a eliminat orice nevoie de antene rotative. Detectorul de direcție Bellini-Tosi a fost utilizat pe scară largă pe nave, în timp ce antena rotativă a rămas în uz pe aeronave în mod normal mai mici. ^[4]

Toate aceste dispozitive au avut nevoie de timp pentru a fi utilizate. În mod normal, operatorul radio ar folosi mai întâi tunerul normal pentru a localiza semnalul în cauză, fie utilizând antenele DF, fie pe o antenă nedirecțională separată. Odată acordat, operatorul a rotit antenele sau căutarea raportorului pentru a căuta vârfuri sau fără semnal. Deși o localizare grosieră ar putea fi găsită prin rotirea rapidă a dispozitivului, pentru o detecție mai precisă, operatorul a trebuit să „meargă la vânătoare” cu mișcări mici. Cu semnale periodice, cum ar fi Codul Morse , sau semnale la limita recepției, acesta a fost un proces dificil: au fost adesea menționate ore fixe din ordinea minutului. ^[4]

Unele lucrări privind automatizarea sistemului BT au fost efectuate cu puțin înainte de începerea celui de- al doilea război mondial , în special de inginerii francezi Maurice Deloraine și Henri Busignies , care au lucrat la filiala franceză a corporației ITT din SUA. Sistemul avea un solenoid de căutare motorizat și un card de monitor circular care se rotea sincronizat. O lampă de pe placa monitorului a fost conectată la ieșirea raportorului și a clipit când era în direcția corectă. Învârtindu-se rapid, aproximativ 120 de rotații pe minut, blițurile s-au amestecat într-un singur punct care indica direcția. Inginerii francezi și-au distrus toate locurile de muncă în biroul francez și au părăsit Franța în 1940, chiar înainte ca Germania lui Hitler să o invadeze și să-și continue munca în Statele Unite. ^[5]

Watson-Watt

De mult timp se știe că fulgerele perturbă semnalele radio. Se răspândește pe multe frecvențe, dar este deosebit de puternic în spectrul de unde lungi , care a fost una dintre principalele frecvențe radio pentru comunicațiile navale pe distanțe lungi. Robert Watson-Watt a arătat că măsurătorile acestor semnale radio pot fi folosite pentru a detecta furtunile și pentru a furniza alarme pe distanțe lungi pentru piloți și nave. În unele experimente a reușit să detecteze furtuni peste Africa la 2500 km distanță. ^[6] Cu toate acestea, durata fulgerului este atât de scurtă încât sistemele RDF tradiționale care utilizează antene circulare nu pot determina direcția sa înainte ca fulgerul să dispară. ^{[7] Prin} încorporarea semnalelor multor fulgere, se poate determina poziția medie care produce cel mai bun semnal pe o perioadă lungă de timp. ^[6]

În 1916 Watt a propus ca un tub cu raze catodice (CRT) să poată fi folosit ca element indicator în locul unui sistem mecanic ^[8], dar nu a reușit să demonstreze acest lucru.

Watt a lucrat la biroul Aldershot Met al RAF , dar în 1924 a readus postul la utilizarea RAF. În iulie 1924 Watt s-a mutat la noul sediu din Parcul Ditton, lângă Slough . Acest site găzduia deja Laboratorul Național de Fizică (NPL), secțiunea de cercetare radio. Watt a fost implicat în ramura Atmosphere, efectuând studii de bază în propagarea semnalelor radio prin atmosferă, în timp ce NPL a fost implicat în măsurători de teren și studii de detectare a direcției. NPL a avut două aparate pe care le-a folosit în aceste studii care s-au dovedit cruciale în dezvoltarea huff-duff , o antenă Adcock și un osciloscop modern. ^[6]

Antena Adcock este un dispozitiv Four Mast care acționează ca două antene circulare virtuale dispuse în unghi drept. Prin compararea semnalelor primite de antenele circulare virtuale, direcția semnalului poate fi determinată utilizând tehnicile RDF existente. Cercetătorii au asamblat antena în 1919, dar au neglijat-o în favoarea unor proiecte mai mici. Acestea s-au dovedit a fi de performanță slabă datorită caracteristicilor electrice ale zonei Slough, ceea ce a făcut dificilă determinarea dacă semnalul provenea dintr-o linie dreaptă sau cobora din cer. Smith-Rose și Barfield și-au îndreptat atenția asupra antenei Adcock, care nu avea componente orizontale și, prin urmare, „a filtrat” valurile care veneau din cer. Într-o serie de experimente de verificare au reușit să determine cu exactitate locul de transmitere. ^[9]

Dorința persistentă a lui Watt de a determina locația fulgerelor individuale a condus la dezvoltările finale majore ale bazei sistemului Huff-duff . Laboratorul primise recent o expediere a unui osciloscop WE-224 de la Bell Laboratories , care asigura contactele ușoare și avea o fosforescență de lungă durată.

Lucrând cu Jock Herd, în 1926 Watt a adăugat un amplificator la fiecare dintre cele două brațe ale antenei și a trimis acele semnale către cele două canale X și Y ale osciloscopului. Așa cum am sperat, semnalul radio a produs un model pe ecranul osciloscopului care indică locația fulgerului, iar fosforescența de lungă durată a oferit operatorului mai mult decât suficient timp pentru măsurătorile sale înainte ca imaginea să se estompeze. ^{[6] [7]}

Watt și Herd au scris un raport extins asupra sistemului în 1926, referindu-se la acesta ca „Un director instantaneu de citire directă” și susținând că ar putea fi folosit pentru a determina direcția semnalelor de până la 0,001 secunde. ^[10] Raportul descrie dispozitivul în detaliu și explică în continuare modul în care poate fi utilizat pentru a îmbunătăți direcția radio și detectarea navigației. În ciuda acestei publicații și a filmelor care arată modul de utilizare a aparatului pentru localizarea loviturilor de trăsnet, conceptul a rămas aparent necunoscut în afara Marii Britanii . Acest lucru i-a permis să fie dezvoltat în secret într-o formă utilizabilă.

Bătălia Britaniei

În timpul grabei de instalare a sistemului radar Chain Home (CH) înainte de bătălia din Marea Britanie , stațiile CH au fost așezate cât mai departe posibil de-a lungul coastei pentru a oferi cel mai mult timp între observare și acțiunea inamicului. Aceasta înseamnă că zonele interioare de pe insulele britanice nu aveau acoperire radar, bazându-se în schimb pe nou-înființatul Corp de Observare a Aerului (ROC) pentru observarea în zonă. În timp ce ROC-urile au putut furniza informații extinse cu privire la raidurile mari, luptătorii erau prea mici și au zburat prea sus pentru a fi observați. Deoarece întregul sistem Dowding s-a bazat pe direcții de la sol, a fost necesară o soluție pentru a-și localiza luptătorii. ^[11]

Trucul pentru a rezolva această problemă a fost utilizarea stațiilor huff-duff pentru a se conecta la radiourile de luptă. Fiecare sector de control însărcinat cu selectarea escadrilelor de luptă a fost echipat cu un receptor huff-duff , până la două stații situate la o distanță (aproximativ 48 km) distanță. Aceste posturi au ascultat emisiuni de la luptători, au comparat unghiuri pentru a triangula poziția lor și apoi au furnizat aceste informații camerei de control. ^[12] Prin compararea pozițiilor inamice raportate de ROC și luptători din sistemul huff-duff , comandanții de sector ar putea direcționa cu ușurință luptătorii britanici să îi intercepteze pe cei inamici.

Pentru a facilita acest proces, un sistem cunoscut sub numele de pip-squeak a fost instalat pe unii luptători , cel puțin doi pe secțiune (până la patru secțiuni pe escadrilă). Pip-squeak a emis automat o notă constantă timp de 14 secunde în fiecare minut, oferind timp suficient operatorilor huff-duff pentru a urmări semnalul. ^[13] A trebuit să se retragă pentru a se bloca la radioul aparatului în timp ce transmite semnalul DF. ^[14]

Nevoia de dispozitive DF a fost de așa natură, încât ministerul aerian britanic nu a putut inițial să furnizeze cantitățile solicitate de comandantul comandamentului de luptă al RAF, Hugh Dowding .

În bătăliile simulate din 1938, sistemul s-a dovedit atât de util, încât ministerul a răspuns oferind sistemelor Bellini-Tosi promisiunea că versiunile CRT le vor înlocui cât mai curând posibil. Acest lucru ar fi fost posibil pe teren prin simpla conectare a antenelor existente la un nou set de receptoare. Până în 1940, acestea au fost instalate în toate cele 29 de sectoare ale Comandamentului de luptă și au jucat rolul major în câștigarea bătăliei.

Bătălia Atlanticului

Echipament Super Duff pe nava muzeu HMS Belfast C35 . Indicatorul circular oferă o citire directă a cursului de la care este recepționat semnalul, cu cifre roșii pentru tribord și verde pentru port

Împreună cu sonar ( „ ASDIC “), cu sistemul de cod de decriptare german și radar , «Huff-Duff» a fost o componentă valoroasă a «depozitul de armament» aliate în detectarea german U-bărci și atacurile asupra transporturilor maritime comerciale. În timpul bătăliei de la Atlantic .

Kriegsmarine că detectoarele de direcție ar putea fi utilizate pentru a localiza navele sale pe mare atunci când transmiteau mesaje. În consecință, au dezvoltat un sistem care a transformat mesajele de rutină în mesaje prescurtate. „Semnalul scurtat” rezultat a fost apoi codificat, din motive de securitate, cu mașina criptografică Enigma și transmis pe scurt. Un operator radio cu experiență ar putea dura aproximativ 20 de secunde pentru a transmite un mesaj tipic ^[15]

Inițial, sistemul de detectare al Marii Britanii consta dintr-o serie de stații de coastă din Insulele Britanice și Atlanticul de Nord, care le-ar coordona interceptările pentru a identifica locația transmițătorului interceptat. Distanțele implicate în localizarea bărcilor U în Atlantic de la stațiile de coastă DF au fost atât de mari încât locațiile lor au fost relativ inexacte. În 1944, spionajul naval a dezvoltat o nouă strategie prin care au fost construite grupuri de cinci stații de coastă DF, astfel încât locațiile lor individuale să poată fi mediate pentru a obține o identificare mai bună a poziției localizate. Patru astfel de grupuri au fost instalate în Marea Britanie: la Ford End din Essex , la Anstruther din Fife , la Bower în Highlands și la Goonhavern din Cornwall . Alte grupuri au fost planificate să fie înființate în Islanda , Nova Scoția și Jamaica . ^[16] S-a constatat că medierea simplă este ineficientă și ulterior au fost utilizate metode statistice. De asemenea, operatorilor li s-a cerut să evalueze fiabilitatea citirilor lor, astfel încât citirile slabe sau variabile să aibă o pondere mai mică decât cele care păreau stabile și bine definite. Multe dintre aceste grupuri DF au continuat până în anii 1970 ca parte a Organizației de semnal compus . ^[17]

Au fost utilizate sisteme terestre, deoarece ar exista probleme tehnice serioase care funcționează pe nave, în principal datorită efectelor suprastructurii asupra frontului de semnale primite. Aceste probleme au fost depășite sub îndrumarea tehnică a inginerului polonez Wacław Struszyński , care a lucrat la Unitatea de semnal Admiralty. ^[18] Când navele au fost echipate, s-au efectuat o serie complexă de măsurători pentru a determina aceste efecte și cardurile au fost furnizate operatorilor pentru a le arăta corecțiile necesare la diferite frecvențe. Până în 1942, disponibilitatea tuburilor cu raze catodice s-a îmbunătățit și nu mai era necesar să se limiteze numărul de serii de huff-duff care ar putea fi produse. În același timp, au fost introduse serii îmbunătățite care includeau reglarea acționată de motor pentru a localiza frecvențele cele mai probabile și a suna o alarmă atunci când a fost descoperită o transmisie. Operatorii ar putea regla rapid semnalul înainte să dispară. Aceste aparate au fost instalate pe navele care escortau convoaiele, permițându-le să detecteze bărci U care transmit dincolo de linia orizontului, dincolo de raza de acțiune a radarelor. Acest lucru a permis distrugătoarelor și avioanelor antisubmarine să se grăbească cu viteză mare în direcția barcilor U , care ar putea fi apoi localizate prin radar dacă sunt la suprafață sau prin ASDIC dacă sunt scufundate.

Din august 1944, Germania lucra la sistemul Kurier , care ar fi transmis un întreg „semnal scurtat” într-o transmisie „împușcată” cu o durată de cel mult 454 de milisecunde, prea scurtă pentru a fi detectată sau interceptată pentru decriptare, dar sistemul a făcut-o să nu devină operațional până la sfârșitul războiului.

Descriere

Avion Huff-duff (extins) pe o fregată pakistaneză. Rețineți dispunerea celor patru antene verticale, care formează două cercuri.

Conceptul de bază al sistemului huff-duff este de a trimite semnalul de la două antene aeriene către axele X și Y (canale) ale unui osciloscop. În mod normal, axa Y ar reprezenta nord / sud pentru o stație terestră sau, în cazul navelor, aliniată cu axa pupa / prova. Axa X reprezintă, prin urmare, fie direcția est / vest, fie direcția port / tribord. Devierea urmei pe ecranul osciloscopului este o indicație directă a fazei și puterii instantanee a semnalului radio. Deoarece semnalele radio sunt unde, semnalul se modifică foarte repede. Dacă da, semnalul primit pe un canal, de ex. Y, punctul de pe ecran se va deplasa în sus și în jos atât de repede încât apare ca o linie dreaptă verticală, care se extinde în mod similar din centrul ecranului. Când adăugați celălalt canal, acordat la același semnal, punctul se va deplasa în ambele direcții în același timp, provocând imaginea unei linii diagonale. Cu toate acestea, semnalul radio are propria lungime de undă , astfel încât pe măsură ce se deplasează prin antenele circulare, faza relativă întâlnită de fiecare parte a antenei se schimbă. Acest lucru face ca linia să fie expusă ca o elipsă sau curbă Lissajous , în funcție de faza relativă. Curba este rotită astfel încât axa sa principală să se afle de-a lungul orientării semnalului. În cazul unui semnal în direcția nord-est, rezultatul va fi o elipsă a cărei axă pe ecran se află pe o linie de 45/225 grade. ^[19] Întrucât faza se schimbă pe măsură ce este desenată pe ecran, forma expusă include o neclaritate care trebuie luată în considerare. ^[20]

Acest lucru lasă nerezolvată problema determinării dacă semnalul are o direcție nord-est sau sud-vest, elipsa fiind la fel de lungă pe ambele părți ale centrului ecranului. Pentru a rezolva această problemă, la acest ansamblu a fost adăugată o antenă aeriană separată, antena senzorială. Aceasta era o antenă aeriană omnidirecțională plasată la o distanță fixă ​​de antena circulară de aproximativ o jumătate de lungime de undă. Când semnalul său este introdus, cel al fazei opuse față de această antenă suprimă semnalul atunci când este în opoziție de fază în direcția sensului antenei. Acest semnal a fost trimis către canalul de intensitate a luminii ecranului sau axa Z a osciloscopului, provocând dispariția imaginii ecranului atunci când cele două semnale erau în opoziție de fază. Prin conectarea antenei de sens la una dintre antenele circulare, să spunem canalul nord-sud, imaginea de pe ecran a fost suprimată când se afla în a doua jumătate, indicând că semnalul era undeva la nord. În acest moment, singura orientare posibilă era nord-estul. ^[21]

Semnalele primite de cele două antene sunt foarte slabe și la frecvență ridicată, astfel încât mai întâi trebuie amplificate de două receptoare radio identice. Acest lucru necesită ca cele două receptoare să fie extrem de bine echilibrate, astfel încât niciunul să nu se amplifice mai mult decât celălalt, schimbând astfel semnalul de ieșire. De exemplu, dacă amplificatorul de antenă nord-sud ar avea un câștig ceva mai mare, locul de pe ecran nu s-ar mișca de-a lungul unei linii de 45 °, ci poate de-a lungul uneia de 30 °. Pentru a echilibra cele două amplificatoare, majoritatea sistemelor de reglare au inclus o buclă de testare care a generat un semnal de testare în direcția cunoscută. ^[22]

Pentru sistemele navale, suprastructura navei a prezentat cauze grave de interferență, în special fază, deoarece semnalele se deplasau în jurul diferitelor obstacole metalice. Pentru a remedia acest lucru, nava a fost ancorată în timp ce o a doua navă a transmis un semnal de test de la aproximativ o milă distanță și semnalul rezultat a fost înregistrat pe o foaie de calibrare. Vasul de transmisie s-a mutat apoi într-o altă locație și calibrarea a fost repetată. Calibrarea a fost diferită pentru diferite lungimi de undă, precum și pentru direcții diferite; întocmirea unui set complet de foi pentru fiecare navă a necesitat o muncă semnificativă. ^[23]

Unitățile navale, în special seria HF4, includeau un platan rotativ din plastic cu o linie, „cursorul”, folosit ca ajutor la determinarea unghiurilor. Acest lucru ar putea fi dificil dacă vârfurile elipselor nu ajungeau la capetele ecranului sau chiar ele a ieșit. Prin alinierea cursorului cu vârfurile de la ambele capete, acest lucru a devenit simplu. Figurile stoarse pe ambele părți ale cursorului au permis măsurarea lățimii pe ecran și au servit la determinarea cantității de neclaritate.

Notă

Bibliografie

• ( EN ) G. Gardiner, Radio Research at Ditton Park - II: 1922-1927 , în Radio Research Organization Newsletter , nr. 10, 15 februarie 1962.
• ( EN ) Patrick Beesly, Inteligență foarte specială: povestea Centrului de informații operaționale al amiralității în al doilea război mondial , Spere, 1978, ISBN 0-7221-1539-3 .
• (EN) THE DeRosa, Direction Finding, în JA Blyd, DB Harris, DD King, HW Welch Jr. (editor), Electronic Countermeasures, Los Altos, CA, Peninsula Publishing, ISBN 0-932146-00-7 .
• Kathleen Broome Williams, Secret Weapon: US High-Frequency Direction Finding in the Battle of the Atlantic , Naval Institute Press, 1 octombrie 1996, ISBN 1-55750-935-2 .

linkuri externe

• ( EN ) HF / DF - Găsirea direcției radio de înaltă frecvență Royal Navy, WW2
• ( EN ) Demo simulator Huff-Duff
• (EN) Arthur O. Bauer, HF / DF An Allied Weapon against German U-Boats 1939-1945 (PDF) pe xs4all.nl, 27 decembrie 2004. Accesat la 26 ianuarie 2008.

Portalul aviației

Portalul Războiului

Portalul marin