砲撃音の測距

陸上戦において、砲兵音響測距は、砲（または迫撃砲やロケット）の発射音から得たデータを使用して 敵の砲台の座標を決定する方法であり、いわゆる目標捕捉と呼ばれます。

同じ方法を使用して、既知の座標を持つ位置に砲撃を 誘導することもできます。これを射撃管制と呼びます。

音響測距は、空中、地上、または水面上または水面下で発生する音源を特定する音響（または音響）位置特定法の応用です。音響測距は、第一次世界大戦で急速に発展した敵の砲兵の位置を特定する 3 つの方法のうちの 1 つです。他の 2 つは、航空偵察（視覚および写真）と閃光弾探知法です。

音響探知員は、第一次世界大戦前に初めて登場した聴覚とストップウォッチによる方法を使用していました。ストップウォッチによる方法では、発砲を捉え、その方位と音が到達するまでの時間を測定します。聴覚による方法では、通常、数キロ離れた 2 本のマイクを聞き、音がマイクに到達するまでの時間を測定します。この方法は、ドイツ軍が戦争中ずっと使用していたようですが、西側同盟国は効果がないとしてすぐに廃棄しました。西側同盟国は、科学的な音響探知方法を開発し、その手法は今でも使用されています。

科学的な音の測距の基本は、少なくとも 1 組のマイクロフォンで構成されるセンサー ポストを使用して、音源の方位を生成することです。複数のセンサー ポストを使用する場合、これらの方位の交点がバッテリーの位置を示します。方位は、これらの各センサー ポストにあるマイクロフォンへの到達時間の差から導き出されます。

通常、センサー ポストには 3 つのマイクが三角形に配置されており、その標準的なサイズは約 10 メートルで、低周波数範囲で最適な信号対雑音比を得るために必要な距離です。

2018 年以降、マイクロフォンと粒子速度センサーの両方を備えた、いわゆる音響マルチミッションセンサーを使用した新しいアプローチが開発されています。

粒子速度センサーは広帯域の指向性を持っているため、低周波数でも、大きな（地上設置の）センサーポストを「モグラ塚」のサイズに縮小できます。

科学的音響測距システムには、以下の機器が必要です。

• 数キロメートルにわたって4～6個のマイクが配置されたアレイ
• マイク間の音波到達時間差を測定できるシステム。
• 時間差を分析して音源の位置を計算する手段。

基本的な方法は、マイクをペアで使用し、ペアの各マイクへの音波の到着時間の差を測定することです (内側のマイクは 2 つのペアのメンバーです)。これにより、2 つのマイクの中間点から音源への方位を見つけることができます。少なくとも 3 つの方位の交差点が音源の位置になります。

図1は基本的なシステムを示しています。

これらの制約は砲兵の位置の計算を簡素化するために課されるものであり、一般的なアプローチの特徴ではありません。

マイクは、銃の発砲音だけを拾うように設計されている場合もあります。マイクが拾うことができる音には 3 種類あります。

• 銃の発砲（目的の信号）
• 砲弾が空中を移動する音
• 砲弾の衝撃

第一次世界大戦中、銃撃音は低いゴロゴロという音を発することが発見され、その音は低周波に敏感で高周波を排除するマイクで最もよく拾えることがわかった。^[1]

図 2 は、砲兵の位置の問題の例を示しています。3 つのマイクを次の相対位置に配置すると仮定します (すべての測定はマイク 3 を基準に行われます)。

• マイク 1 からマイク 3 までの距離:メートル${\displaystyle r_{5}=1267.9}$
• マイク2からマイク3までの距離:メートル${\displaystyle r_{4}=499.1}$
• マイク 3 から測定したマイク 1 とマイク 2 の間の角度: 16.177 ^o

これらの値は、マイクのレイアウトの初期調査中に確立されます。

図 2: 砲兵配置問題の例。

2 つの時間遅延が測定されると仮定します (音速は 毎秒 330 メートルと仮定)。 ${\displaystyle \approx}$

• マイク 1 からマイク 2 までの時間遅延: 0.455 秒メートル${\displaystyle \Rightarrow}$ ${\displaystyle r_{2}=150}$
• マイク 1 からマイク 3 までの時間遅延: 0.606 秒メートル${\displaystyle \Rightarrow}$ ${\displaystyle r_{3}=200}$

砲の射程距離を決定する方法はいくつかある。1つの方法は余弦定理を2回適用する方法である。^[2]

${\displaystyle \left(r_{1}+r_{2}\right)^{2}=\left(r_{1}+r_{3}\right)^{2}+r_{4}^{2}-2\cdot \left(r_{1}+r_{3}\right)\cdot r_{4}\cos \theta }$（マイク3、マイク2、銃）${\displaystyle \triangle }$

${\displaystyle r_{1}^{2}=\left(r_{1}+r_{3}\right)^{2}+r_{5}^{2}-2\cdot \left(r_{1}+r_{3}\right)\cdot r_{5}\cos(\theta -\phi )}$（マイク1、マイク3、銃）${\displaystyle \triangle }$

これは、2 つの未知数 ( 、) を持つ 2 つの方程式のシステムです。この方程式システムは非線形ですが、数値法を使用して解くことができ、r ₁が 1621 メートルの解が得られます。このアプローチは、今日ではコンピューターで使用できますが、第一次世界大戦や第二次世界大戦では問題でした。これらの紛争中、解は次の方法のいずれかを使用して開発されました。 ${\displaystyle \theta}$${\displaystyle r_{1}}$

• 紙に描かれた双曲線をグラフィカルに使用（この手順の詳細な説明については、このLORANの例を参照してください）。^[3]
• 砲兵が遠くにあると仮定し、直線である双曲線の漸近線を使用して砲兵のおおよその位置を見つけます。^[4]その後、曲率補正を適用して、より正確な方位を得ることができます。^[5]
• 半径が少しずつ異なる金属ディスクのセットを使用することで、近似解を生成することができます。問題の状況に近い3つのディスクを選択することで、近似解を生成することができます。^[4]

音響測距には、他の方法に比べて次のような多くの利点があります。

• 音響測距は受動的な方法であり、音響測距装置にまで遡って追跡可能な放射はありません。これは、送信機にまで遡って追跡可能なエネルギーを放射するレーダーとは異なります。
• 音響測距装置は小型になる傾向があり、大きなアンテナや大量の電力を必要としません。

音の測距には、次のような欠点もあります。

• 音速は温度によって変化します。風も誤差をもたらします。これらの要因を補正する手段があります。^[4]
• 遠くから見ると、銃の音は鋭い破裂音ではなく、むしろゴロゴロという音です（これにより、異なるセンサーでの波面の正確な到達時間を正確に測定することが困難になります）
• 銃は発砲するまで発見できない
• 味方の砲撃によっても発生する可能性がある
• 砲撃は大量に行われることが多く、どの波面がどの砲弾に関係しているかを判断するのが困難である。
• すべてのマイクは座標を正確に把握した上で設置する必要がある
• 各マイクは録音装置との通信チャネルを持たなければならない。効果的な無線リンクが登場する前は、これは現場ケーブルを意味し、さまざまな原因による断線を修復するために敷設および保守する必要があった。

軍隊はこれらの問題を緩和するさまざまな方法を見つけてきましたが、それでも追加の作業が発生し、方法の精度と展開速度が低下します。

第一次世界大戦では、科学的な音響測距が誕生しました。音響測距は、効果的な音響測距を行うために必要なセンサー、測定技術、分析機能を統合しました。多くの技術コンセプトと同様に、音を使って敵の砲弾の位置を特定するというアイデアは、ほぼ同時期に多くの人々の頭に浮かびました。

• ロシア人は第一次世界大戦前に音響測距法を使用していたと主張している。^[6]
• ドイツの将校レオ・レーヴェンシュタイン大尉は1913年にこの方法の特許を取得した^[7]。
• フランスが最初の運用機器を開発した^[8]
• アメリカは第一次世界大戦の初期に計画を提案した^[9]

第一次世界大戦は、次のような理由から音響測距の発展に理想的な環境を提供しました。

• 電話と録音技術の発達により、音の電気的処理が成熟し始めた。
• 音声を記録する技術が利用可能であった（これにより、100分の1秒単位の正確な時間差測定が可能になった）
• 対砲兵砲撃の必要性は強力な技術推進力となった。

イギリスが最初に砲兵の音響測距を試みたわけではないが、実際に最初の効果的な運用システムを導入したのは第一次世界大戦中のイギリスであった。その戦争中のイギリスの音響測距は、音と閃光の両方の探知を使用するクルーで始まった。音響測距オペレーターは、人間の聴覚を増強する機器を使用した。閃光クルーは、砲の閃光を使用して、セオドライトまたはトランシットを使用して砲の方位を判定した。音響検出クルーは、砲の閃光と砲音の時間差を判定し、それを使用して砲の距離を判定した。これにより、砲兵隊の反撃に必要な距離と方位のデータが提供された。これらの方法はあまり成功しなかった。^[10]

1915年半ば、イギリスは科学者でノーベル賞受賞者のウィリアム・ローレンス・ブラッグ卿をこの問題に任命した。^[11]ブラッグはイギリス陸軍の王立騎馬砲兵隊の予備役将校だった。ブラッグが現場に着任した当時、音波測距は遅く、信頼性が低く、不正確だった。彼の最初の仕事は、特にフランスの取り組みに目を向け、利用可能なものを調査することだった。

フランスは重要な開発を成し遂げていた。彼らは弦式検流計を採用し、マイクロフォンからの信号を写真フィルムに記録するように改造したのだ。この作業は、リュシアン・ブルと シャルル・ノルドマン（パリ天文台の天文学者）によって行われた。フィルムの現像には数分かかったが、砲兵隊はそれほど頻繁に移動しないため、これは大きな欠点ではなかった。しかし、フィルムを消費するため、この装置は連続的に動作させることができなかった。つまり、敵の砲が発砲したときにスイッチを入れる必要があり、そのためにはマイクロフォンの前に先端観測所（AP）を配置して、野戦ケーブルを介して遠隔から記録装置のスイッチを入れる必要があった。これらの先端観測所は中央に配置されたフラッシュボードに接続されており、この装置により観測者は全員が同じ銃口閃光を観測していることを確認できた。これが確立されると、観測者は記録装置のスイッチを入れることができた。

ブラッグはまた、砲弾の音の性質が十分に理解されておらず、砲弾の衝撃音と実際の発砲音を区別するために注意を払う必要があることも発見した。この問題は、ブラッグの分遣隊の一人であり、ロンドン大学物理学部の元伍長ウィリアム・サンサム・タッカーが低周波マイクを発明した1916年半ばに解決された。これは、砲弾の衝撃音から砲弾の衝撃音を分離するものである。これは、砲弾の音波で冷却される加熱された白金線を使用した。

1916年後半、タッカーは英国で実験的な音響測距部門を結成し、翌年には気象条件を補正するために音響データを修正する技術が開発された。他の事項も研究され、その中には「音響測距基地」、つまりマイクロフォンの配列の最適な配置と配置も含まれていた。緩やかな曲線と比較的短いベースが最適であることがわかった。これらの改良により、通常の状況下では敵の砲兵を25～50メートル以内の精度で位置特定できるようになった。^[8]

このプログラムは第一次世界大戦の終わりまでに非常によく発達した。実際、この方法は砲の位置、口径、および目標を決定するために拡張された。イギリスは西部戦線に多くの音響測距部隊を配備し、イタリア、バルカン半島、パレスチナでも部隊が活動した。1917年にアメリカが戦争に参戦すると、イギリスの装備を採用した。^[1]

ドイツ式聴覚法は中央同盟国によって採用された。これは早期警戒聴取所（LP）と中央の主LP、そして両側のやや後方500～1000メートルに2つの副LPを使用した。音が主LPに到達したらストップウォッチのスイッチを入れ、副LPの時間を距離（音速による）に変換して円を描き、次にこれら2つの円と主LPに接する別の円を導き出し、この円の中心が音源であった。音速に影響を与える条件について補正が行われた。しかし、戦争後期にドイツは「客観的な装置」、つまり方向性検流計、オシログラフ、改良型地震計を導入し、結果を紙や写真フィルムに直接転写した。^[12]

イギリスの研究は、他の国々と同様に、戦間期にも継続されました。イギリスでは、この研究によって、写真フィルムの代わりに感熱紙を使用した、より優れたマイクと録音装置が開発されたようです。無線リンクも開発されましたが、マイクと録音装置を接続することしかできず、AP が録音機をオンにすることはできませんでした。1930 年代後半のもう 1 つの革新は、コンパレータの開発でした。これは、1 次微分方程式を計算する機械式コンピューターです。これにより、音響測距によって特定された砲弾の落下座標をターゲットの座標と比較し、砲弾の落下に対する補正値を推論する高速な手段が実現しました。

第二次世界大戦中、音響測距は成熟した技術であり、特にイギリス軍（軍団レベルの砲兵調査連隊）とドイツ軍（Beobachtungsabteilungen）によって広く使用されていました。開発は継続され、特に迫撃砲の位置を特定するためのより優れた機器が導入されました。戦争の終わりに、イギリスは多重化も導入し、これによりマイクロフォンが録音装置への共通のフィールドケーブルを共有できるようになりました。1944年、レーダーは迫撃砲の位置を特定するために使用できるが、銃やロケットの位置を特定できないことが判明しました。レーダーは砲弾を「見る」はずですが、その楕円軌道を解くことはできませんでした。

米海兵隊は、防衛大隊の標準構成として音響測距ユニットを含んでいた。^[13]これらの音響測距ユニットは、第二次世界大戦前と戦中の両方で海兵隊で活躍していた。米陸軍も音響探知機を使用していた。^[14]米陸軍の音響測距ユニットは、1942年11月以降、陸軍が参加したほぼすべての戦闘に参加した。戦争の終わりまでに、13,000人の兵士を擁する25の観測大隊が存在した。^[15]沖縄戦役中、米陸軍は音響測距セットを使用して効果的な対砲兵射撃を行った。^{[16]日本軍は、この効果的な対砲兵射撃に「}撃って逃げる」戦術で対抗しようとした。これは、少数の弾丸を発射し、対砲兵射撃が到着する前に射撃位置を離れることを意味する。対砲兵射撃に対しては効果的な戦術であるが、このアプローチは砲撃の有効性を低下させる傾向がある。

第二次世界大戦中、イギリス軍は音響測距を広範に活用した。イギリス軍が砲兵の索敵に音響測距を利用したことについて記した優れた回顧録がウェブ上に多数あり、その中には「第4ダラム測量連隊：敵の音」や「砲兵位置の通信」などがある。^[17]「砲兵位置の通信」の記事では、これらの作戦に使用された電子機器について説明されている。^[18] イギリスの音響測距部隊とその位置について非常に包括的に説明したのが、マッシモ・マンジリ＝クリンプソンの2007年の報告である。^[19]

砲兵の音響測距は朝鮮戦争でも行われていたが、主に対迫撃砲レーダーと航空機搭載の砲兵観測員に取って代わられた。当時は対レーダー対策が限られており、国連軍が戦争中ずっと航空優勢を保っていたため、これらのアプローチはより単純で正確であった。^[20]

ベトナムにおける砲兵部隊に対する対砲兵活動のほとんどは、レーダーや航空機を使った砲兵の監視によるものだった。オーストラリアは1967年から1970年にかけてベトナムに音響測距分遣隊を派遣し、全方位観測を行うために横断基地を運営した。^[21]

また、この期間中、イギリスは音響測距レーダーと迫撃砲探知レーダーを備えた臨時の「クラッカー」砲台をボルネオ島とオマーンに配備した。

1970 年代初頭に、効果的な VHF 無線リンクが導入され、AP が記録装置をオンにできるようになりました。その後すぐに、電子機器の進歩により、方位の手動プロットやその他の計算が電子計算機に置き換えられました。^{[引用が必要]}

1970 年代後半以降、効果的な砲の位置を測るレーダーがようやく対迫撃砲レーダーを補完するようになったが、欠点があるにもかかわらず音響測距を維持している軍隊もあり、音響測距は復活を遂げつつある。また、音響測距がレーダーの自動前線 (AP) として機能する可能性を認識した軍隊もあったようだ。

英国は、当時VHF無線リンク音響測距を開発したRoke Manor Research Limited社（当時はPlessey社）が開発した新しいアプローチで先導した。これは、従来の音響測距基地をマイクロフォンクラスターの配列に置き換えた。各クラスターは、数メートル離れた3つのマイクロフォン、気象センサー、および処理装置で構成されていた。各無人クラスターは、継続的に音を聞き、音源の方位を計算し、その他の特性を記録した。これらは自動的に制御所に送信され、そこで自動的に照合され、音源の位置が計算された。新しいシステムであるHALO（敵砲兵位置特定）のプロトタイプは、1995年にサラエボで使用された。量産システムであるASP（先進音響測距プロジェクト）は、2001年頃にイギリスで配備された。伝えられるところによると、このシステムは2003年にイラクで50km離れた敵砲兵の位置を特定した。イギリスが設計したシステムは現在、レオナルド社（以前はBAE社やセレックス社の名前でも製造されていた）で製造されている^[22]。世紀の変わり目には、アメリカ海兵隊を含むいくつかの他の軍隊で採用されつつあった。同様のシステムがドイツでも開発されている^[23] 。同じ原理が、ロシアのAZK-7M/1B33Mシステムからウクライナで独自に開発されたRAZK砲兵音響測距複合体^[24]の基礎となっている。^[25]

2018年以降

この技術は、ハードウェアと信号処理の両面と運用概念の両面で進歩しました。このページの冒頭の短い説明で述べたように、音響マルチミッションセンサーが普及しました。^[26]これらは、2つの粒子速度センサーと1つのマイクで構成されています。設置面積が小さいため、軍用車両などのモバイルプラットフォームに取り付けることができます。通常、これらの車両には、4つの音響マルチミッションセンサーのハードワイヤードサブアレイをホストするのに十分なスペースがあり、CASTLEと呼ばれるセンサーポストを作成します。したがって、センサーポストには、適切な空間分布を持つ少なくとも12個の音響トランスデューサーがあります。これらのCASTLEは、MANET無線を使用してネットワーク化できます。

信号処理の面では、いくつかの傾向により、音による距離測定は砲口爆風のノイズ信号の処理から遠ざかっています。1 つの傾向は、砲撃距離の長距離化です。砲口爆風のノイズは、センサー ポストで検出できないレベルまで減衰する可能性がありますが、たとえ減衰したとしても、音速が遅く、現代の砲兵は発射後に移動する (撃って逃げる) ため、位置特定が遅すぎる可能性があります。もう 1 つの傾向は、自走段階があり砲口爆風のノイズをほとんど発生しないロケットの普及が進んでいることです。

より重要な信号は、砲弾が超音速で移動する間、砲弾によって生成される 3D 衝撃波です。砲口の爆風音と比較すると、3D 衝撃波信号は初期音レベルが高く、2 方向にのみ減衰し、センサー ポストに到達すると通常は上空から発生します。さらに、ターゲット捕捉時間はもはや音速ではなく、弾丸の速度によって決まります。実際には、約 50% の短縮となります。

運用コンセプトは、戦場にある艦隊内の車両にセンサー ポストを配置することに基づく必要があります。一方で、このコンセプトは、音響測距連隊がかつて行っていたような専用タスクの運用コストがかからないため、非常に手頃なものになります。他方、各センサー ポストは、センサー ポストをホストする各車両に近接認識を提供します。

• フラッシュスポット
• 対砲撃
• 銃撃探知機

• 音響定位とサウンドミラー
• LA6NCA – ドイツの第二次世界大戦音響監視装置の写真 – 3 – ドイツの第二次世界大戦音響監視装置の画像
• ポピュラーサイエンス、1942年1月、高感度マイクが隠された銃を発見
• 音による距離測定とフラッシュ検出による写真。