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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Gefahrenwarnung
vor einem ein Wasserfahrzeug achterlich angreifenden, insbesondere kielwassergeführten Torpedo
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Torpedos
sind typbedingt in der Lage, ein Wasserfahrzeug aus allen Richtungen
anzugreifen. So laufen moderne, sehr leise Torpedos das Wasserfahrzeug,
z.B. ein Oberflächenschiff,
in der Regel aus einem vorlichen Sektor an, wohingegen kielwasserhomende
Torpedos das Schiff aus dem achterlichen Sektor angreifen. Zur frühzeitigen
Ortung eines anlaufenden Torpedos ist daher eine Rundumsicht der vom
Schiff mitgeführten
Sonareinrichtung erforderlich. Bekannte, bordgestützte Aktivsonare,
die üblicherweise
im Bug des Schiffes installiert oder am Bug als sog. Hull Mounted
Sonare (HMS) integriert werden, weisen lagebedingt sowie bedingt
durch das Schraubengeräusch
des Schiffes eine nur unvollkommene Rundumsicht mit einer mehr oder
weniger großen
achterlichen Lücke
auf. Dieser achterliche Sektor des Schiffes ist blind gegen anlaufende
Torpedos.
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Zur
Abdeckung dieses Verwundbarkeitssektors des Schiffes wird bei einem
bekannten Verfahren zur Abwehr eines aus achterlicher Richtung angreifenden
Torpedos (
EP 1 117
587 B1 ) der Torpedo mittels eines sog. Schleppsonars, das
eine vom Schiff nachgeschleppte Unterwasserantenne aufweist, passiv
gepeilt und die Frequenz mindestens einer von dem Torpedo abgestrahlten,
signifikanten Spektrallinie über
der Zeit vermessen. Aus der Peiwinkeläderungsgeschwindigkeit, der
Frequenz der vermessenen Spektrallinie und deren Änderungsgeschwindigkeit
wird die Entfernung zum Torpedo fortlaufend berechnet. Bei Feststellen
einer Torpedoentfernung, die vom Einsatzbereich eines den Torpedo bekämpfenden
Effektors abgedeckt wird, wird schiffsseitig die Absetzung des Effektors
ausgelöst.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effizientes Verfahren
zur Erzeugung einer Gefahrenwarnung im Falle eines achterlich angreifenden Torpedos
anzugeben, das mit geringem Aufwand an Signalverarbeitung zumindest
dann einen Warnalarm auslöst,
wenn der Torpedo die Unterwasserantenne überläuft.
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Die
Aufgabe ist erfindungsgemäß durch
die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
hat den Vorteil, dass durch die Überwachung
der Änderungsgeschwindigkeit
des Kotangens der sukzessiv ermittelten Peilwinkel zum anlaufenden
Torpedo der Überlauf
des Torpedos über
die Unterwasserantenne mit einfachen Mitteln festgestellt werden
kann. Die Detektion des Überlaufs
liefert Daten sowohl über
die Geschwindigkeit des Torpedos, als auch über dessen Entfernung zum Heck
des Wasserfahrzeugs, da einerseits die Änderungsgeschwindigkeit des
Kotangens der Peilwinkel, also das zeitliche Differential des Kotangens
der Peilwinkel, im wesentlichen konstant ist und der Torpedogeschwindigkeit
entspricht und andererseits der durch das Schleppseil vorgegebene Abstand
der Unterwasserantenne vom Fahrzeugsheck und damit die Torpedoposition
im Augenblick des Antennenüberlaufs
bekannt ist. Dadurch können in
einem zur Bekämpfung
des Torpedos vom Wasserfahrzeug abgesetzten Effektor die für die Bekämpfung erforderlichen
Zieldaten sehr genau vorprogrammiert werden und kann der Zeitpunkt
des Absetzens des Effektors für
eine wirkungsvolle Bekämpfung
des Torpedos relativ genau eingehalten werden.
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Zweckmäßige Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung wird als Peilwinkel der Winkel einer Empfangsrichtung
mit maximalem Empfangspegel, vorzugsweise bezogen auf die Längsachse
der Unterwasserantenne, bestimmt. Dieser maximale Empfangspegel
wird – vorzugsweise
nach Glättung – fortlaufend
mit einem Schwellwert verglichen, und mit Überschreiten des Schwellwerts
ein Torsignal generiert. Das Torsignal wird mit dem Auslösesignal
der Kotangens-Detektion so verknüpft,
dass ein Verknüpfungssignal
entsteht, wenn das Torsignal und das von der Kotangens-Detektion
erzeugte Auslösesignal
gemeinsam auftreten. Mit dem Verknüpfungssignal wird der Warnalarm
aktiviert. Durch diese zusätzliche Überwachung
des Empfangspegels wird die Zuverlässigkeit der Torpedodetektion
erhöht,
also die Falschalarmrate reduziert, da der Torpedo bei Überlauf
der Unterwasserantenne den größten Empfangspegel
erzeugt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung wird zusätzlich
geprüft,
bei welchem Peilwinkel das Verknüpfungssignal
auftritt und ein Zusatzalarm dann ausgegeben, wenn das Verknüpfungssignal
bei einem Peilwinkel im Bereich von 90° auftritt. Durch diese Maßnahme wird
die Genauigkeit der Entfernungsbestimmung des Torpedos während des Überlaufs
erhöht,
da bei einer Peilung des Torpedos unter 90° der Torpedo exakt die Mitte
der Unterwasserantenne erreicht hat und mit dem bekannten Abstand
der Unterwasserantenne vom Fahrzeugheck ein exaktes Entfernungsmaß berechnet
werden kann.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung weist die Unterwasserantenne eine Vielzahl von in Schlepprichtung
nebeneinander angeordneten Hydrofonen oder Hydrofongruppen auf und
aus den elektrischen Ausgangssignalen der Hydrofone oder Hydrofongruppen
wird mittels Richtungsbildung ein Fächer von aneinandergereihten Richtcharakteristiken,
denen jeweils ein Richtungswinkel eindeutig zugeordnet ist, beidseitig
der Unterwasserantenne aufgespannt. Die über die Richtcharakteristiken
erhaltenen Empfangssignale werden normalisiert, wobei ein hierzu
verwendetes Normalisierungsfenster für die Empfangssignale aus den
am weitesten achterlichen Richtcharakteristiken im Vergleich zu
einem hierzu verwendeten Normierungsfenster für die Empfangssignale aus den übrigen Richtcharakteristiken
größer gewählt wird.
In den normalisierten Empfangssignalen wird der maximale Empfangspegel
ermittelt und der Richtungswinkel der Richtcharakteristik mit dem
maximalen Empfangspegel als Peilwinkel ausgegeben.
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Durch
die Normalisierung werden in Peilung und Pegel konstante Geräuschquellen
weitgehend unterdrückt
und schnelle Pegel- und Peilungsänderungen
hervorgehoben. Hierzu wird über
einen durch das Normalisierungsfenster definierten, vorangegangenen
Zeitabschnitt eines jeden Empfangssignals der Median oder Mittelwert
gebildet und der aktuelle Wert des Empfangssignals durch diesen
Median oder Mittelwert geteilt. Das Normalisierungsfenster bzw.
der Zeitabschnitt wird – wie
vorstehend beschrieben – für verschiedene
Richtungswinkel aufweisende Richtcharakteristiken unterschiedlich
bemessen. Auf diese Weise wird beim sich Annähern eines Torpedos einem langsamen
Pegelanstieg des Empfangssignals in den achterlichen Richtcharakteristiken,
den sog. Endfire Beams, und beim Überlauf der Antenne dem schnellen
Pegelanstieg infolge des schnellen Durchlaufens des Torpedos durch
die übrigen
Richtcharakteristiken Rechnung getragen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung werden die Empfangspegel der am weitesten achterlichen
Richtcharakteristiken (Endfire Beams) überwacht und bei Auftreten
eines steilen Pegelanstiegs, der einen Schwellwert übersteigt,
ein Voralarm ausgegeben. Bei weiterem kontinuierlich sich vergrößernden
Pegelanstieg wird eine Bestätigung
des Voralarms ausgegeben.
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Die
Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
schematisierte Draufsicht eines Oberflächenschiffes mit einem bugseitigen
Aktivsonar und einem achterlichen Schleppsonar,
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2 ein
Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Gefahrenwarnung
vor einem achterlich angreifenden Torpedo,
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3 ein
Diagramm der Funktion des Peilwinkels zu einem achterlich angreifenden
Torpedo (Kurve a) und der Kotangens des Peilwinkels (Kurve b) jeweils
in Abhängigkeit
von der Zeit.
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Ein
zum Schutz gegen Torpedos mit Abwehreffektoren ausgerüstetes Oberflächenschiff 10 als
Ausführungsbeispiel
für ein
allgemeines Wasserfahrzeug weist eine Sonareinrichtung auf, die
neben der Ortung von Zielen auch zur Detektion und Ortung von das
Schiff angreifenden Torpedos dient. Die Sonareinrichtung umfasst
ein Aktivsonar 11, das in bekannter Weise als Zylinderbasis
oder als sog. Hull Mounted Sonar (HMS) ausgeführt ist, und ein Schleppsonar,
das eine im Wasser vom Oberflächenschiff 10 nachgeschleppte
Unterwasserantenne, im folgenden Schleppantenne 13 genannt,
aufweist. Bedingt durch die Anordnung im Bug des Schiffes oder durch
die Integration in der vorderlichen Bordwand des Schiffes überstreicht
das Aktivsonar 11 nur einen Sektor von jeweils ca. 150° von Schiffsvoraus
nach Steuerbord und von Schiffsvoraus nach Backbord und ist in einem
achterlichen Sektor α ≈ 60° blind. Aus
diesem achterlichen Sektor anlaufende Torpedos werden vom Aktivsonar 11 nicht
detektiert.
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Zur
Schließung
dieser Verwundbarkeitslücke des
Oberflächenschiffes 10 im
achterlichen Bereich dient das Schleppsonar, das ausschließlich passiv arbeitet.
Die Schleppantenne 13 ist an einem sehr langen Schleppkabel
oder Schleppseil 14, z.B. 800m, befestigt und besitzt einen
akustischen wirksamen Teil von ca. 6m. An der Schleppantenne 13 kann
noch einen Schleppbremse 15 befestigt sein. Die Befestigung
des akustischen Teils der Schleppantenne 13 an Schleppseil 14 und
Schleppbremse 15 erfolgt üblicherweise über hier
nicht dargestellte Dämpfungsglieder,
sog. VIMs. Der akustische Teil der Schleppantenne 13 wird
von einer Vielzahl von in Schlepprichtung nebeneinander angeordneten
Hydrofonen 16 (2) oder Hydrofongruppen gebildet, die über im Schleppseil 14 verlaufende
Signalleitungen 17 mit einer an Bord des Oberflächenschiffes 10 installierten
Signalverarbeitungseinheit verbunden sind. Alle Hydrofone 16 bzw.
Hydrofongruppen werden gleichzeitig betrieben, und mittels eines
Richtungsbildners 18, auch Beamformer genannt, wird beidseitig
der Schleppantenne 13 ein Fächer von aneinanderliegenden
Richtcharakteristiken 19, auch Beams genannt, aufgespannt.
Hierzu werden in bekannter Weise die elektrischen Ausgangssignale
der Hydrofone 16 oder Hydrofongruppen zeitrichtig verzögert und
konphas addiert.
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Jeder
Richtcharakteristik 19 ist ein Richtungswinkel Θ (1)
zugeordnet. Die Längsachse der
Schleppantenne 13 stellt dabei die Bezugslinie für die Richtungswinkel Θ dar, so
dass die Richtcharakteristiken 19 mit den größten Richtungswinkeln Θ die am
weitesten achterlichen Richtcharakteristiken 19 sind. Die über die
einzelnen Richtcharakteristiken 19 erhaltenen Empfangssignale
werden ausgewertet, um einen im Kielwasser des Oberflächenschiffes 10 achterlich
anlaufenden Torpedo, einen sog. kielwasserhomenden Torpedo, zu detektieren
und eine Gefahrenwarnung zu erzeugen.
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Um
in Peilung und Pegel konstante Geräuschquellen in den Empfangssignalen
weitgehend zu unterdrücken
und damit die sich schnell ändernden
Torpedogeräusche
hervorzuheben, werden im Block 20 die Empfangssignale aus
jeder Richtcharakteristik 19 normalisiert, wobei ein verwendetes Normalisierungsfenster
für die
Empfangssignale aus den am weitesten achterlichen Richtcharakteristiken 19,
also aus dem sog. Endfire-Sektor, im Vergleich zu dem Normalisierungsfenster
für die
Empfangssignale aus den übrigen
Richtcharakteristiken 19 groß gewählt wird. Dadurch wird den
unterschiedlichen Mechanismen, die beim Torpedoanlauf zu Pegeländerungen
in den Empfangssignalen der Richtcharakteristiken 19 führen, Rechnung
getragen. In den am weitesten achterlichen Richtcharakteristiken 19,
den sog. Endfire Beams, ergibt sich ein langsamer Pegelanstieg durch
den sich nähernden
Torpedo. Außerhalb
der Endfire Beams ergibt sich eine schnelle Pegeländerung
durch das schnelle Durchlaufen des Torpedos durch die Richtcharakteristiken 19 beim Überlauf
der Schleppantenne 13. Deshalb wird für die langsamen Pegeländerungen
ein großer
Zeitraum, also ein großes
Normalisierungsfenster, und für
die schnellen Pegeländerungen
ein kurzer Zeitraum, also ein kleines Normalisierungsfenster, verwendet.
Die Normalisierung wird in der Weise durchgeführt, dass ein aktueller Signalwert
des Empfangssignals durch den Median der Signalwerte dividiert wird,
die in einem durch das Normalisierungsfenster bestimmten, dem aktuellen
Signalwert unmittelbar vorausgegangenen Zeitabschnitt enthalten
sind. Anstelle des Median kann auch der Mittelwert über das Normalisierungsfenster
verwendet werden.
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Kernpunkt
des Verfahrens zur Erzeugung der Gefahrenwarnung ist die fortlaufende
Peilung des Torpedos unter Ausgabe von Peilwinkel und Peilzeit.
Zur Bestimmung des Peilwinkels ϑ wird in den normalisierten
Empfangssignalen der Richtcharakteristiken 19 der maximale
Empfangspegel ermittelt und der Richtungswinkel Θ der Richtcharakteristiken 19 mit
dem maximalen Empfangspegel als Peilwinkel ϑ ausgegeben
(Block 21). Ebenfalls wird der jeweilige maximale Empfangspegel
Pmax ausgegeben. Die Bestimmung von Peilwinkel ϑ und
Empfangspegel Pmax ist dabei auf die Richtcharakteristiken 19 beschränkt, deren
Richtungswinkel Θ im
Winkelbereich zwischen 40° bis
140° liegen.
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Die
Zuordnung der erfassten Peilwinkel ϑ zu den Peilzeiten
t ist in 3 dargestellt und ergibt die Kurve α im Peilwinkelbereich
von ϑ=40° bis ϑ=140°. Für die ausgegebenen
Peilwinkel ϑ wird nunmehr im Block 22 der Kotangens
berechnet und den Peilzeiten t zugeordnet. Es ergibt sich die Kurve
b in 3, die unter der Voraussetzung, dass der Torpedo
mit annähernd
konstanter Geschwindigkeit anläuft – was im
allgemeinen der Fall ist – annähernd eine
Gerade ist. Im Block 23 wird die Änderungsgeschwindigkeit des
Kotangens, also dessen zeitliches Differential, gebildet, die nach
Durchlaufen eines Filters 24 zum Glätten von Schwankungen infolge
der Pendelbewegung des Torpedos im Kielwasser des Oberflächenschiffes 10 im
Block 25 mit einem Vorgabewert oder einer Schwelle verglichen
wird. Übersteigt
die geglättete
Kotangens-Änderungsgeschwindigkeit
den Vorgabewert, so wird ein Auslösesignal für einen Warnalarm an ein Logisch-UND-Glied 26 gelegt.
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Die
Pegelmaxima Pmax werden geglättet (Filter 27)
und einer Schwelle (Block 28) zugeführt. Übersteigt das gefilterte Pegelmaximumsignal
den im Block 28 vorgegebenen Schwellwert, so wird ein Torsignal
generiert und an das Logisch-UND-Glied 26 gelegt. Im Logisch-UND-Glied 26 werden
das vom Block 25 kommende Auslösesignal und das vom Block 28 kommende
Torsignal miteinander verknüpft, so
dass am Ausgang des Logisch-UND-Glieds 26 ein Verknüpfungssignal
auftritt, das einen Warnalarm aktiviert. Der Warnalarm ist in 2 symbolisch
durch eine Warnsignallampe 29 dargestellt. Im Block 30 wird
geprüft,
ob das Verknüpfungssignal,
das den Warnalarm aktiviert bei einem Peilwinkel ϑ auftritt, der
im Bereich zwischen 80° und
120° liegt.
Ist dies der Fall, so wird das Verknüpfungssignal im Block 30 durchgeschaltet
und gibt einen Zusatzalarm aus. Der Zusatzalarm wird beispielsweise
durch blinkendes Aufleuchten der Signallampenreihe aus drei Warnsignallampen 31 kenntlich
gemacht. Gleichzeitig kann das vom Block 30 durchgeschaltete
Verknüpfungssignal
zum automatischen Absetzen eines den Torpedo bekämpfenden Effektors verwendet
werden. Der Zusatzalarm signalisiert, dass der Torpedo die Schleppantenne 13 bis
zu deren Mitte überlaufen
hat, so dass die Entfernung des Torpedos anhand der Länge des
Schleppseils 14 und der Schleppantenne 13 sehr
genau bestimmbar ist.
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Um
den achterlich anlaufenden, kielwasserhomenden Torpedo möglichst
frühzeitig
zu detektieren, damit genügend
Vorbereitungszeit für
den Einsatz der Effektoren zum Zeitpunkt des Überlaufs des Torpedos über die
Schleppantenne 13 verbleibt, wird neben der vorstehend
beschriebenen sog. Überlauf-Detektion
noch eine sog. Endfire-Detektion durchgeführt. Bei dieser Endfire-Detektion
werden die Empfangspegel in den am weitesten achterlichen Richtcharakteristiken 19,
also in denjenigen Richtcharakteristiken 19 mit den maximalen
Richtungswinkeln Θ (1),
die sich nach Achtern erstrecken, überwacht. In diesen achterlichen
Richtcharakteristiken 19 wird wiederum das Maximum des
Empfangspegels in Abhängigkeit
von der Zeit überwacht. Dabei
wird einmal das Auftreten eines steilen Pegelanstiegs sensiert und
zum andern ein weiterer kontinuierlich sich vergrößernder
Pegel geprüft. Übersteigt
der steile Pegelanstieg einen Schwellwert, so wird ein Voralarm
ausgegeben. Hierzu wird der zeitliche Verlauf des Empfangspegelmaximums
einerseits über
einen Tiefpass 32 mit vorgebbarer Grenzfrequenz an eine
Schwelle (Block 33) und andererseits über einen Tiefpass 34 mit
einer dem gegenüber
geringeren Grenzfrequenz an eine weitere Schwelle (Block 35)
gelegt. Wird der im Block 33 vorgegebene Schwellwert überschritten,
so wird der Voralarm ausgegeben, der in 2 durch
die Warnsignallampe 37 symbolisiert ist. Wird der im Block 35 vorgegebene
Schwellwert überschritten,
so wird eine Voralarmbestätigung
ausgegeben, was in 2 durch die Warnsignallampe 38 symbolisiert
ist. Die Warnsignallampen 29, 31, 37 und 38 generieren
vorzugsweise eine unterschiedlich farbige Anzeige in einem Display,
auf dem der Torpedotrack visualisiert ist. Beispielsweise wird ein
neu aufkommender Torpedo durch Aufleuchten der Warnsignallampe 37 in blau,
eine Bestätigung
des neu aufkommenden Torpedos durch Aufleuchten der Warnsignallampe 38 in grün, ein Überlauf
des Torpedos durch Auf leuchten der Warnsignallampe 29 in
rot und ein Höchstalarm durch
blinkendes Aufleuchten der drei Warnsignallampen 31 visualisiert.
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In
einer ergänzenden
Ausgestaltung des Verfahrens können
die normalisierten Empfangssignale auf einem Bildschirm, einem sog.
BTR-Display, dargestellt werden. Die beschriebenen Alarmmeldungen
werden dann auch in den Bildschirm eingeblendet. Dadurch ist es
einem Bediener möglich, zusätzlich die
Alarmmeldungen zu verifizieren und damit die Falschalarmrate zu
senken.
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Im
Allgemeinen stört
der parallel verlaufende Aktivbetrieb des Aktivsonars 11 den
Passivbetrieb des Schleppsonars. Daher ist es von Vorteil, Störungen durch
den Sendevorgang beim Passivempfang auszublenden. Dies kann in der
Weise erfolgen, dass der Sendevorgang durch eine mehrheitliche Schwellenüberschreitung
des Pegels der Empfangssignale (vor deren Normalisierung im Block 20)
detektiert wird und der alte Pegelwert beibehalten wird, solange die
Schwellenüberschreitung
andauert.