DE102005061149A1

DE102005061149A1 - Verfahren zum Erzeugen eines Sonarbildes

Info

Publication number: DE102005061149A1
Application number: DE200510061149
Authority: DE
Inventors: Anton Prof. Dr. Kummert; Fritz Dr. Boschen; Dirk Dr. Rathien
Original assignee: Atlas Elektronik GmbH
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2025-12-22
Also published as: DE102005061149B4

Abstract

Bei einem Verfahren zum Erzeugen eines Sonarbildes von einem Unterwasserareal wird ein von einem Wasserfahrzeug getragenes Sonar verwendet, das eine Sendeantenne zum Abstrahlen von Schallimpulsen und eine Empfangsantenne zum Empfangen von aus dem Unterwasserareal zurückgestreuten Schallwellen mit einer Richtcharakteristik mit vorgebbarem Öffnungswinkel aufweist. Zur Erzielung einer hohen Winkelauflösung bei der Abtastung des Unterwasserareals, die unabhängig ist von dem Öffnungswinkel der Richtcharakteristik, wird das Unterwasserareal in lückenlos aneinanderliegenden Makrozellen unterteilt, jede Makrozelle mittels der Richtcharakteristik unter einer Mehrzahl von unterschiedlichen Richtungs- oder Aspektwinkeln erfasst, werden aus über die Richtcharakteristik erhaltenen Empfangssignalen den Makrozellen zugeordnete Projektionsdaten ermittelt und in Zuordnung zu den Aspektwinkeln abgespeichert und wird jede Makrozelle in Zellenelemente unterteilt, für die aus den abgespeicherten Projektionsdaten nach bekannten tomographischen Rekonstruktionsverfahren Bildwerte berechnet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Sonarbildes von einem Unterwasserareal der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Ein bekanntes, auf Ultraschallbasis arbeitendes Sonarsystem zur Erzeugung eines Abbildes eines Unterwasserareals ( US 4 288 866 ) benutzt Schallimpulse mit einem großen Zeit-Bandbreiten-Produkt für eine gute Entfernungsauflösung und einen Bildspeicher, der als dreidimensionale Datenbasis der Objektreflexionen organisiert ist. Ein Schallsender sendet einen Pseudo-Random-Impuls aus, und ein Schallempfänger erfasst die von Objekten reflektierten Schallimpulse als Echosignale. Ein dem Schallempfänger nachgeschalteter Multibeamformer oder Richtungsbildner, der in einem Empfangssektor der Unterwasserantenne eine Anzahl von fächerartig aneinanderliegenden Beams oder Richtcharakteristiken aufspannt, gibt eine Vielzahl von Echos für jeweils eine Winkelauflösungszelle aus, deren horizontale Breite durch den horizontalen Öffnungswinkel des Beams bzw. der Richtcharakteristik bestimmt ist. Die Echosignale werden in Korrelatoren mit einem gespeicherten Muster des Schallimpulses korreliert, an deren Ausgänge für Winkelauflösungszellen zeitkomprimierte Impulse anstehen. Ein Bildspeicher übernimmt die Ausgangsimpulse der Korrelatoren und generiert eine dreidimensionale Datenbasis der Echos in Form eines Satzes von Konturlinien für jede Entfernungszelle. Mittels Standardcomputergrafiktechnik wird aus der dreidimensionalen Datenbasis ein optisches Bild erzeugt, das den Operator unterstützt, ein Objekt zu identifizieren.

Es ist bekannt, zur Identifizierung von Seeminen diese sog. Breitband-Sonar-Transducer-Technologie mit einer Signalverarbeitung für Schallreflexions-Tomographie zu verknüpfen, um hochauflösende Bilder von Seeminen aus einem Sicherheitsabstand von 100m bis 200m zu erhalten (Brian G. Ferguson „Application of acoustic reflection tomography to sonar imaging", J. Acoust. Soc. Am. 117(5), May 2005, Seite 2915 bis 2928). Hierzu muss das das Sonar tragende Wasserfahrzeug die auf herkömmliche Weise, z.B. mittels eines Minenjagdsonars, detektierte und klassifizierte Mine umfahren, damit das Sonar von der Mine reflektierte Echosignale aus unterschiedlichen Aspektwinkeln empfangen kann. Mittels tomographischer Rekonstruktions-Algorithmen wird aus den empfangenen Echosignalen ein zweidimensionales Bild von der Form der Mine erzeugt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen eines Sonarbildes von einem Unterwasserareal anzugeben, mit dem eine hohe Winkelauflösung des Unterwasserareals erreicht wird, die unabhängig ist von dem Öffnungswinkel der ausgebildeten Beams oder Richtcharakteristiken.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass ein beliebig großes Unterwasserareal hochauflösend abgetastet werden kann, so dass Objekte im Unterwasserareal und/oder die Oberfläche des Bodens des Unterwasserareals konturenmäßig sehr detailliert erfasst werden. Hierzu ist eine quasi geradlinige Fahrt des die Sende- und Empfangsantenne tragenden Wasserfahrzeugs über eine bestimmte Wegstrecke ausreichend, deren Länge wiederum von der Ausdehnung des zu erfassenden Unterwasserareals in Fahrtrichtung abhängig ist. Während bei den bekannten Verfahren die Winkelauflösung, also die winkelmäßige Auflösung des Unterwasserareals innerhalb des Empfangssektors der Empfangsantenne, von dem Öffnungswinkel und der Anzahl der Richtcharakteristiken oder Beams abhängig ist und sich mit zunehmender radialer Entfernung verschlechtert, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Winkelauflösung, die bei Fahrt des Wasserfahrzeugs der Wegauflösung des Unterwasserareals in Fahrtrichtung entspricht, unabhängig von dem Öffnungswinkel der Richtcharakteristik und über die Entfernung konstant. Sie ist ausschließlich von der Größe des überstrichenen Aspektwinkelintervalls, also vom Sektorwinkel φ_B des empfängerseitigen Beobachtungssektors, abhängig, unter dem gleiche Punkte des Unterwasserareals während der vom Wasserfahrzeug zurückgelegten Fahrstrecke empfängerseitig "betrachtet" werden.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Rückansicht eines in einem Seegebiet fahrenden Wasserfahrzeugs mit einem Sonar zur Datenerfassung in einem Unterwasserareal, schematisiert dargestellt,
2 ein Blockschaltbild der Senderseite des Sonars,
3 ein Blockschaltbild der Empfängerseite des Sonars,
4 eine schematische Darstellung eines Momentanzustands bei der Datenerfassung in Draufsicht zur Illustrierung des Verfahrens zur Erzeugung eines Sonarbildes vom Unterwasserareal,
5 ein detailliertes Blockschaltbild des Blocks „Rekonstruktion" in 3,
6 ein Beispiel einer Übertragungsfunktion des Filters im Blockschaltbild der 5,
7 eine gleiche Darstellung wie in 4 zur Illustrierung einer ersten Modifikation des Verfahrens,
8 eine gleiche Darstellung wie in 4 zur Illustrierung einer zweiten Modifikation des Verfahrens,
9 eine perspektivische, schematisierte Darstellung eines Momentanzustands bei der Datenerfassung zur Illustrierung einer dritten Modifikation des Verfahrens.
Bei dem nachstehend beschriebenen Verfahren zum Erzeugen eines Sonarbildes von einem Unterwasserareal 10 wird ein von einem Wasserfahrzeug 11 (1) getragenes Sonar verwendet, das einen Schallsender 12 (2) und einen Schallempfänger 13 (3) aufweist. Der Schallsender 12 umfasst einen Sendeimpulsgenerator 14 und eine Sendeantenne 15, die eine Mehrzahl von auf einem Antennenträger angeordneten, elektroakustischen Wandlern 16 aufweist. Die vom Sendeimpulsgenerator 14 generierten, elektrischen Sendeimpulse werden von der Sendeantenne 15 als Schallimpulse in einen Sendesektor 17 abgestrahlt, dessen Raumwinkel mindestens gleich groß ist wie ein empfängerseitiger Beobachtungssektor 18 (4), unter dem ein Abschnitt des Unterwasserareals 10 „betrachtet", d.h. akustisch abgetastet wird. Der Beobachtungssektor 18 ist am Wasserfahrzeug 11 festgemacht und verschiebt sich zusammen mit dem Wasserfahrzeug 11 bei Fahrt des Wasserfahrzeugs 11 längs einer Wegstrecke 19 (4). Der Beobachtungssektor 18 weist einen horizontalen Sektorwinkel φ_B (4) und einen vertikalen Sektorwinkel φ_V (1) auf. Der Raumwinkel des Sendesektors 17 wird vorzugsweise gleich dem Sektorwinkel des Beobachtungssektors 18 gewählt.
Der im Blockschaltbild der 3 dargestellte Schallempfänger 13 weist eine elektroakustische Empfangsantenne 20 aus einer Vielzahl von Hydrofonen 21 auf, die ebenfalls auf einem Antennenträger angeordnet sind. Zur Erzielung einer vertikalen Bündelung der Empfangsantenne 20, d.h. des vertikalen Öffnungswinkels φ_V des Beobachtungssektors 18, sind vertikal übereinanderliegende Hydrofone 21 zu einem sog. Stave zusammengefasst. Jedes der in 3 dargestellten Hydrofone 21 ist damit Teil eines Staves. Alle Hydrofone 21, bzw. alle Staves, werden gleichzeitig betrieben, und mittels eines Richtungsbildners oder Beamformers 22 wird in bekannter Weise eine Richtcharakteristik oder ein Beam generiert, die bzw. der innerhalb des Beobachtungssektors 18 beliebig ausgerichtet, also um beliebige Schwenkwinkel geschwenkt werden kann. Die mindestens eine Richtcharakteristik bzw. der mindestens eine Beam 23 hat einen horizontalen Öffnungswinkel φ (4 und 7) und einen vertikalen Öffnungswinkel φ*, der hier beispielhaft gleich dem vertikalen Sektorwinkel φ_V (1) ist. Im folgenden wird in Übereinstimmung mit dem fachüblichen Sprachgebrauch nur noch der Begriff „Beam" verwendet.
Die in den Beobachtungssektor 18 vom Schallsender 12 ausgesendeten Schallimpulse werden nach Rückstreuung aus dem Beobachtungssektor 18 von den Hydrofonen 21 der Empfangsantenne 20 erfasst. Aus den elektrischen Ausgangssignalen der Hydrofone 21 werden in bekannter Weise durch Signalverarbeitung, der sog. Richtungsbildung oder dem sog. Beamforming, Gruppensignale aus unterschiedlichen Empfangsrichtungen mit jeweils maximaler Empfangsempfindlichkeit erhalten. Die maximale Empfangsempfindlichkeit der Empfangsantenne 20 wird auch als Richtcharakteristik oder Beam bezeichnet, und die entsprechende Empfangsrichtung bildet die jeweilige Ausrichtung der Richtcharakteristik oder des Beam. Die Ausrichtung der Richtcharakteristik oder des Beam kann als Schwenkung eines Beam um verschiedene Schwenkwinkel oder als Einstellen einer Vielzahl von gleichen Beams unter verschiedenen Richtungswinkeln interpretiert werden. Zur Erzeugung der Gruppensignale werden die Ausgangssignale der Hydrofone 21 oder Staves verstärkt, mit einer Abtastfrequenz 1/T abgetastet und komplex weiterverarbeitet, wobei die einzelnen Abtastwerte oder Samples zeitrichtig verzögert und konphas addiert werden. Von jedem der komplexen Gruppensignale wird im Block 24 der Betrag gebildet. Beispielsweise wird hierzu das Gruppensignal komplex in die Basisbandlage gemischt und tiefpassgefiltert. Die aus dem Block 24 hervorgehenden, zeitlichen Verläufe des Betrags der komplexen Gruppensignale werden im folgenden als Empfangssignale bezeichnet. Bei einer alternativen Ausführung des Verfahrens können jedoch auch Betragsquadrate der komplexen Gruppensignale verwendet werden. Auch können die Gruppensignale selbst oder deren Realteil als Empfangssignale verwendet werden. Die Empfangssignale werden noch im Block 25 mindestens einer Korrektur unterzogen, um z.B. die während des Hin- und Rücklaufs der Schallimpulse durch geometrische Dämpfung bedingte Abnahme der Amplituden der Empfangssignale auszugleichen.
Zur Erzeugung des Sonarbildes von dem Unterwasserareal 10 wird – wie dies beispielhaft in 4 schematisiert dargestellt ist – das Unterwasserareal 10 in lückenlos aneinanderliegenden Makrozellen 26 unterteilt. Um evtl. störende Randeffekte zu kompensieren, können die Makrozellen 26 sich auch wenig überlappen. Die Makrozellen 26 werden in Zeilen und Spalten angeordnet, wobei die Spalten sich parallel zu der vorgebbaren, geradlinigen Wegstrecke 19, die vom Wasserfahrzeug 11 zurückzulegen ist, ausgerichtet werden. Zur Erzeugung eines zweidimensionalen Sonarbildes – wie dies mit 3 bis 8 illustriert ist – sind die Makrozellen 26 als Flächenelemente ausgebildet und ergeben in ihrer Summe ein rechteckiges Feld auf dem Boden des Unterwasserareals 10 oder in einer zur Fahrebene des Wasserfahrzeugs 11 parallelen Ebene, dessen vordere Seitenlinie einen minimalen Abstand x_min und dessen hintere Seitenlinie einen maximalen Abstand x_max von der Wegstrecke 19 des Wasserfahrzeugs 11 besitzt und sich längs der Wegstrecke 19 erstreckt. Im Ausführungsbeispiel der 3 sind die Makrozellen 26 quadratisch ausgeführt, d.h. die Kantenlänge e der Makrozellen 26 in Zeilen- und Spaltenrichtung ist gleich groß. Die Kantenlänge e ist dabei der Breite des Beams 23 angepasst, die zumindest in Bereich des Beobachtungssektors 18 konstant gehalten wird. Diese Breitenkonstanz des Beams 23 wird durch eine zeitabhängige Steuerung des Öffnungswinkel φ des Beams 23 erreicht. Das Wasserfahrzeug 11 legt nunmehr die im wesentlichen geradlinig vorgegebene Wegstrecke 19 zurück, die im Abstand x_min parallel zur y-Koordinate des Makrozellenfelds verläuft, also parallel zu den Spalten des Makrozellenfelds. Das am Wasserfahrzeug 11 festgemachte Beobachtungsfeld 18 ist so ausgerichtet, dass es im Ausführungsbeispiel der 4 nach Steuerbord weist, wobei die Mittenachse des Beobachtungssektors 18 mit der Längsachse des Wasserfahrzeugs 11 einen Winkel von 90° einschließt. Dieser Winkel kann selbstverständlich auch mehr oder weniger von 90° abweichen. Im Beobachtungssektor 18 mit dem horizontalen Sektorwinkel φ_B wird der Beam 23 auf jede der dort vorhandenen Makrozellen 26 ausgerichtet, wie dies in 4 für eine Makrozelle 26 (schraffiert gekennzeichnet) dargestellt ist.
In aufeinanderfolgenden, vorzugsweise äquidistanten Messstellen 27 längs der Wegstrecke 19 strahlt die Sendeantenne 15 jeweils mindestens einen Schallimpuls mit der Impulsdauer τ aus. Die Empfangsantenne 20 empfängt die aus dem Unterwasserareal 10 zurückgestreuten Echosignalen, aus denen – wie beschrieben – die aus dem Beam 23 erhaltenen Empfangssignale hervorgehen. Dabei wird der Beam 23 auf jede der Makrozellen 26 einmal ausgerichtet, so dass die jeweilige Makrozelle 26 einmal vollständig von dem Beam 23 überdeckt wird. Aus dem bei jeder Beamausrichtung gewonnenen Empfangssignal wird im Block 29 der 3 ein zeitbegrenztes Signalsegment p(t), ein sog. Projektionsdatum, ausgeschnitten. Die zeitliche Lage des auszuschneidenden Signalsegments p(t) innerhalb des Empfangssignals wird anhand der Entfernung der jeweiligen Makrozelle 26 von der Messstelle 27 ermittelt. Die zeitliche Breite oder Länge Δt der Signalsegmente p(t) wird durch die Größe der Makrozellen 26 bestimmt und beträgt mindestens Δt = 2e/c. Insbesondere bei Makrozellen 26, die von dem Beam 23 annähernd längs ihrer Diagonalen überdeckt werden, wird die zeitliche Länge Δt etwas größer gemacht. Zusätzlich zu den Signalsegmenten p(t) oder Projektionsdatenwerden die Richtungswinkel von der Messstelle 27 zur jeweiligen Makrozelle 26 mit den Koordinaten x_i, y_j, der sog. Aspektwinkel α_ij, bestimmt sowie die Entfernungen r_ij von der Messstelle 27 zur jeweiligen Makrozelle 26 mit den Koordinaten x_i, y_j berechnet. Für alle Makrozellen 26, die von dem Beobachtungssektor 18 von einer Messstelle 27 aus erfasst werden, wird somit jeweils ein Signalsegment p(t), ein Aspektwinkel a_ij und eine Entfernung r_ij der jeweiligen Makrozelle 26 von der Messstelle 27 jeweils in einem der jeweiligen Makrozelle 26 zugeordneten Speicher 28 abgelegt.
Der beschriebene Vorgang wird in jeder Messstelle 27 wiederholt. Jede der Makrozellen 26 mit den Koordinaten x_i, y_j wird in folgenden Messstellen 27 unter einem anderen Aspektwinkel α_ij betrachtet und besitzt eine andere Entfernung r_ij von der Messstelle 27. Folglich ergibt sich auch ein anderes Signalsegment p(t). Die Signalsegmente p(t), die Aspektwinkel α_ij und die Entfernungen r_ij werden getrennt nach Messstellen 27 im Speicher 28 abgelegt und sind in 3 mit p(t)^l, α_ij ^l, r_ij ^l bezeichnet, wobei l = 1, 2, ...L die jeweilige Messstelle 27 kennzeichnet. Mit Blick auf 3 erfolgt die Berechnung der Aspektwinkel α_ij ^l im Block 30, dem hierzu die Koordinaten x_i, y_j der Makrozelle 26 und die Koordinaten 0, y_MS ^l der Messstelle 27 sowie deren Kennzeichen l zugeführt wird. Der Aspektwinkel α_ij ^l wird dem Beamformer 22 zugeführt, der die entsprechende Ausrichtung des Beams 23 auf die Makrozelle 26 vornimmt. Die Berechnung der Entfernung r_ij ^l zwischen der Messstelle 27 und der Makrozelle 26 mit den Koordinaten x_i, y_j erfolgt im Block 31, dem hierzu die gleichen Daten wie dem Block 30 zugeführt werden. Die von den Rechenblöcken 30, 31 ausgegebenen Daten α_ij ^l und r_ij ^l werden dem Speicher 28 zugeführt und dort zusammen mit dem Signalsegment p(t)^l unter der Zeile l (l = 1, 2, ...L) abgespeichert. In 5 ist schematisiert der Speicherinhalt einer Makrozelle 26 dargestellt. Jede Zeile l des Speichers 28 ist einer Messstelle 27 zugeordnet, wobei die Zeile l = 1 die Messstelle 27 kennzeichnet, in der die Makrozelle 26 in den Beobachtungssektor 18 eingetreten ist und Zeile l = L die Messstelle 27 kennzeichnet, in der die Makrozelle 26 den Beobachtungssektor 18 wieder verlässt.
Zur Gewinnung von Bildwerten wird nunmehr jede Makrozelle 26 in zweidimensionale Zellenelemente, sog. Pixel 35, unterteilt, wie dies in 5 für eine Makrozelle 26 dargestellt ist. Für die Pixel 35 wird aus den im zugeordneten Speicher 28 der Makrozelle 26 abgelegten Signalsegmenten p(t)^l oder Projektionsdaten nach einem bekannten tomographischen Rekonstruktionsverfahren Bildwerte berechnet. Dies erfolgt im Block 32 im Blockschaltbild der 3, der in 5 detailliert beispielhaft dargestellt ist.
Das Rekonstruktionsverfahren, das auf den Speicherinhalt des Speichers 28 einer jeden Makrozelle 26 angewandt wird, ist beispielhaft anhand der in 5 schematisch skizzierten, gefilterten Rückprojektionen im folgenden beschrieben:
Der Speicherinhalt des Speichers 28 der Makrozelle 26 wird Zeile für Zeile (l = 1, 2, ...L) ausgelesen. Die Signalsegmente p(t)^l mit der zeitlichen Länge Δt ≥ 2e/c, die sog. Projektionsdaten, werden einem Filter 33 zugeführt. Das Filter 33 ist beispielsweise ein Rampenfilter, dessen Übertragungsfunktion in 6 dargestellt ist. Verallgemeinert ist es ein lineares System, dessen periodische Übertragungsfunktion H(e^jωT) innerhalb der durch die halbe negative und halbe positive Abtastkreisfrequenz -π/T bzw. +π/T festgelegten Grenzen proportional dem Betrag der Kreisfrequenz ω ist und im Bereich -π/T bis 0 abfällt und im Bereich 0 bis +π/T ansteigt. Die gefilterten Projektionsdaten werden Zeile für Zeile in einem weiteren Speicher 34 unter der gleichen Zeile l = 1, 2 ...L abgelegt. Die Pixel 35 der unterteilten Makrozelle 26 sind quadratisch mit einer Kantenlänge von c•τ/2 ausgeführt, wobei τ die Impulsdauer der Sendeimpulse und c die Schallgeschwindigkeit ist. Diese Kantenlänge entspricht der maximalen Auflösung des Sonars. Die Pixel 35 können aber auch größer als die maximale Auflösung gewählt werden. In diesem Fall ist eine zusätzliche Tiefpassfilterung der Zeilen des Speichers 28 erforderlich, die in das Filter 33 durch Modifikation der Übertragungsfunktion integriert werden kann. Jedes Pixel 35 hat in der Makrozelle 26 die Koordinaten X_m und Y_n, wie dies in 5 dargestellt ist. Für jedes Pixel 35 in der Makrozelle 26 wird mittels seiner Koordinaten X_m, Y_n sowie mit den die Lage der Makrozelle 26 in dem Makrozellenfeld kennzeichnenden Daten Aspektwinkel α_ij ^l und Entfernung r_ij ^l die Entfernung r^l des Pixels 35 mit den Koordinaten X_m, Y_n von der Messstelle 27 berechnet. Hierzu werden dem Block 36 beim Auslesen jeder l-ten Zeile aus dem Speicher 28 die dem Signalsegment p(t)^l zugeordneten Daten Entfernung r_ij ^l und Aspektwinkel α_ij ^l der Makrozelle 26 sowie die Koordinaten X_m, Y_n des Pixels 35 zugeführt, der daraus r^l und aus r^l die „Position" des Pixels 35 im Signalsegment p(t)^l als Zeitwert berechnet, gemäß:
Mit dem Zeitwert t^l (l = 1, 2 ...L) wird die diesem Zeitwert zugehörige Amplitude oder Streuintensität im jeweiligen Signalsegment p(t)^l mit l = 1, 2 ...L ausgelesen und als Pixelwert in einen Speicher 37 unter der durch die Koordinaten X_m, Y_n des jeweiligen Pixels 35 festgelegten Speicheradresse eingeschrieben. Dabei wird dieser Pixelwert auf einen bereits unter dieser Speicheradresse abgespeicherten Pixelwert aufaddiert. Dieser Vorgang wird für jedes Signalsegment p(t)^l jeder l-ten Zeile wiederholt, wobei jeweils ein neuer Auslese-Zeitwert t^l berechnet wird. Der beschriebene Vorgang wird für alle Pixel 35 der Makrozelle 26 durchgeführt, so dass am Ende alle Speicherplätze im Speicher 37 mit L aufaddierten Pixelwerten belegt sind, welche die Bildwerte einer Makrozelle 26 darstellen. Der beschriebene Vorgang der Rekonstruktion wird für alle Makrozellen 26 durchgeführt, und zwar jeweils frühestens dann, wenn die Makrozelle 26 infolge der Fahrt des Wasserfahrzeugs 11 den kompletten Beobachtungssektor 18 durchlaufen hat. Die in allen Speichern 37 der Makrozellen 26 auf diese Weise abgelegten Bildwerte ergeben das zweidimensionale Sonarbild des abgetasteten Unterwasserareals 10.
Zur Erzeugung eines dreidimensionalen Sonarbildes des Unterwasserareals 10 wird das gleiche Verfahren angewendet, jedoch werden die Makrozellen 26' nicht als Flächenelemente sondern als Volumenelemente ausgeführt, die eine den Flächenelementen entsprechende Grund- und Deckfläche und eine vertikale Höhe aufweisen, die dem vertikalen Öffnungswinkel φ* des Beams 23 angepasst ist. Der vertikale Öffnungswinkel φ* ist durch vertikale Richtungsbildung deutlich kleiner als der vertikale Sektorwinkel φ_V des Beobachtungssektors 18. Die als Volumenelemente ausgebildeten Makrozellen 26 haben die Koordinaten x_i, y_j, z_k. Dem Wasserfahrzeug 11 werden vertikal übereinanderliegende Wegstrecken 19 vorgegeben, die vorzugsweise äquidistant sind und vom Wasserfahrzeug 11 sukzessive abgefahren werden. Die Anzahl der in Vertikalrichtung übereinander gestapelten Volumenelemente oder Makrozellen 26' wird anhand der Tiefe des Unterwasserareals 10 bestimmt. Die Anzahl der innerhalb des Beobachtungssektors 18 zu einer Säule übereinander gestapelten Volumenelemente oder Makrozellen 26' ist durch den vertikalen Öffnungswinkel φ_V des Beobachtungssektors 18 bestimmt. An jeder Messstelle 27 gelten für die in einer Horizontalebene innerhalb des Beobachtungssektors 18 liegenden Messzellen 26' die gleichen Verfahrensschritte wie sie zuvor für den zweidimensionalen Fall beschrieben worden sind. In vertikaler Richtung sind dabei immer alle Makrozellen 26' einer Säule anzufahren. Am Ende des Verfahrens liegt für jede Makrozelle 26' eine Vielzahl von Projektionsdaten mit unterschiedlichen horizontalen und vertikalen Aspektwinkeln vor, auf die das tomographische Rekonstruktionsverfahren wie beschrieben angewendet wird, jedoch mit der Abänderung, dass die als Volumenelemente ausgebildeten Makrozellen 26' nicht in zweidimensionale Zellenelemente, sondern in dreidimensionale Zellenelemente, in sog. Voxel 39, unterteilt werden.
In 7 und 8 sind zwei Modifikationen des Verfahrens illustriert. Im Fall der 7 wird nicht die Beambreite des Beam 23 konstant gehalten, sondern der Beam mit dem Öffnungswinkel φ erstreckt sich durch den gesamten Beobachtungssektor hindurch, so dass die Beambreite in den einzelnen Spalten der Makrozellen 26 sich mit zunehmender Entfernung der Spalten von der Wegstrecke 19 vergrößert. Bei der Festlegung der Makrozellen 26 wird deshalb die Größe der Makrozellen 26 in den einzelnen Spalten der Beambreite angepasst, so dass die Größe der Makrozellen 26 mit zunehmendem Abstand von der Wegstrecke 19 des Wasserfahrzeugs 10 zunimmt. Dabei wird die in Spaltenrichtung gesehene Breite aller Makrozellen 26 innerhalb einer Spalte gleich groß gemacht, wobei die Breite mit zunehmendem Abstand der Spalte von der Wegstecke 19 von Spalte zu Spalte anwächst. Vorzugsweise werden die in Fahrtrichtung weisenden Kantenlängen der Makrozellen 26 gleich groß ausgebildet, so dass die Makrozellen 26 wiederum insgesamt quadratisch sind. Diese Abwandlung der Ausbildung der Makrozellen 26 hat den Vorteil, dass die Zahl der Winkelstützpunkte, also die Zahl der Aspektwinkel, unter denen jede Makrozelle 26 im Beobachtungssektor 18 erfasst wird, bei allen Makrozellen 26 gleich groß ist. Im Gegensatz dazu ist bei der identischen Ausbildung aller Makrozellen 26 gemäß 4 die Zahl der Winkelstützpunkte für diejenigen Makrozellen 26, die einen größeren Abstand von der Wegstrecke 19 haben, deutlich größer. Bei der Rekonstruktion werden die Pixel 35 in allen Makrozellen 26 aber gleich groß gemacht.
In der Verfahrensmodifikation gemäß 8 werden die Makrozellen 26 zwar ebenfalls alle gleich groß gewählt, jedoch nicht alle im Beobachtungssektor 18 liegenden Makrozellen 26 von dem schwenkenden Beam 23 erfasst, sondern nur ein definierter Makrozellenbereich 38. Dieser Makrozellenbereich 38 wird von einem quer zur Wegstrecke 19 sich erstreckenden Streifen mit einer in Fahrtrichtung weisenden Breite gebildet. Diese Breite des Streifens ist durch die Anzahl der vom Beobachtungssektor 18 überdeckten Makrozellen 26 bestimmt, die in der der Wegstrecke 19 am nächsten liegenden Spalte, also in der Spalte mit dem minimalen Abstand x_min, liegen. In jeder Messstelle 27 wird der wiederum konstante Beambreite aufweisende Beam 23 nur auf diejenigen Makrozellen 26 ausgerichtet, die in dem Makrozellenbereich 38 liegen. Nach Durchlaufen mehrerer Messstellen 27 besitzen alle Makrozellen 26 gleich viele Winkelstützwerte. Diese sind allerdings in verschiedenen Spalten auf verschiedene Winkelbereiche verteilt. Der überstrichene Aspektwinkelbereich ist dabei für Makrozellen 26 nahe bei x_max deutlich kleiner als jener für Makrozellen 26 nahe bei x_min, was eine schlechtere Auflösung (in Fahrtrichtung gesehen) im Fernfeld des Beobachtungssektors 18 zur Folge hat.
In einer weiteren Verfahrensvariante werden die Makrozellenspalten, ausgehend von der Spalte mit dem kleinsten Abstand von der Wegstrecke 19, fortlaufend numeriert. Eine Makrozelle 26 in der i-te Spalte würde an L_i aufeinanderfolgenden Messstellen 27 im Beobachtungssektor 18 mit dem Öffnungswinkel φ_B unter L_i Aspektwinkeln α_ij ^l erfasst werden. Aus der Menge L_i der möglichen Messstellen 27 wird nur jede l_i-te Messstelle 27 berücksichtigt. Wird nun l_i so gewählt, dass der Quotient L_i/l_i in allen Spalten annähernd gleich ist, wobei der Quotient ganzzahlig gerundet werden muss, so reduziert sich der Signalverarbeitungsaufwand beträchtlich und bei allen Makrozellen 26 wird nach Durchlaufen der individuell vorgesehenen Messstellen 27 ungefähr der gleiche Aspektwinkelbereich ±φ_B/2 abgedeckt. Die Zahl der diesen Winkelbereich liegenden Winkelstützpunkte α_ij ^l ist für alle Makrozellen 26 approximativ gleich.
Um den Rechenaufwand bei der Ausrichtung des oder der Beams auf jede Makrozelle 26 innerhalb des Beobachtungssektors 18 zu verringern, wird der Aspektwinkel α_ij des Beam 23, der für eine Makrozelle 26 in der der Messstelle 27 nächstliegenden Spalte berechnet wurde, auf in Sektortiefe benachbarte Makrozellen 26, also in Spalten hintereinanderliegende benachbarte Makrozellen, zeitabhängig nachgeführt, d.h. der Aspektwinkel α_ij zeitlich schrittweise verändert.

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines Sonarbildes von einem Unterwasserareal (10) unter Verwendung eines von einem Wasserfahrzeug (11) getragenen Sonars mit einer Sendeantenne (15) zum Abstrahlen von Schallimpulsen in das Unterwasserareal (10) und einer Empfangsantenne (20) zum Empfangen von aus dem Unterwasserareal (10) zurückgestreuten Schallwellen, die eine Richtcharakteristik mit vorgebbarem Öffnungswinkel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterwasserareal (10) in lückenlos aneinanderliegende Makrozellen (26) unterteilt wird, dass jede Makrozelle (26) mittels der Richtcharakteristik unter einer Mehrzahl von unterschiedlichen Richtungs- oder Aspektwinkeln (α_ij ^l) erfasst wird, dass aus über die Richtcharakteristik erhaltenen Empfangssignalen den Makrozellen (26) zugeordnete Projektionsdaten ermittelt und in Zuordnung zu den Aspektwinkeln (α_ij ^l) abgespeichert werden und dass jede Makrozelle (26) in die Makrozelle (26) ausfüllende Zellenelemente unterteilt wird, für die aus den abgespeicherten Projektionsdaten nach bekannten tomographischen Rekonstruktionsverfahren Bildwerte berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Makrozellen (26) in Zeilen und Spalten angeordnet und die Spalten parallel zu einer vorgegebenen, vom Wasserfahrzeug (11) zurückzulegenden Wegstrecke (19) ausgerichtet werden, dass das Wasserfahrzeug (11) längs der vorgegebenen Wegstrecke (19) bewegt wird und dass in aufeinanderfolgenden, vorzugsweise äquidistanten Messstellen (27) längs der Wegstrecke (19) Schallimpulse in einen am Wasserfahrzeug (11) festgemachten, vorgegebenen Beobachtungssektor (18) mit einem gegenüber dem Öffnungswinkel der mindestens einen Richtcharakteristik deutlich größeren Sektorwinkel ausgesendet und die Richtcharakteristik auf jede der im Beobachtungssektor (18) liegenden Makrozellen (26) einmal ausgerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewinnung der den Makrozellen (26) zuzuordnenden Projektionsdaten in jedem der über die Richtcharakteristik erhaltenen Empfangssignale anhand der Entfernung (r_ij ^l) der jeweils mit der Richtcharakteristik erfassten Makrozelle (26) von der Messstelle (27) und der Schallimpulszeit ein zeitbegrenztes Signalsegment (p(t)^l) ausgeschnitten und dieser Makrozelle (26) zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Länge (Δt) der Signalsegmente (p(t)^l) mindestens gleich dem Quotienten der in Zeilenrichtung gesehenen doppelten Kantenlänge (e) der Makrozellen (26) dividiert durch die Schallgeschwindigkeit im Wasser (c) festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildwertberechnung für die Pixel (35) einer Makrozelle (26) frühestens dann durchgeführt wird, wenn die Makrozelle (26) einmal vollständig vom Beobachtungssektor (18) überstrichen worden ist und an der in Fahrtrichtung des Wasserfahrzeugs (11) hinteren Sektorkante des Beobachtungssektors (18) aus diesem ausgetreten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Zellenelemente gleich der radialen Auflösung c·τ/2 des Sonars gewählt wird, wobei τ die Impulsdauer der Schallimpulse und c die Schallgeschwindigkeit im Wasser ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die in Spaltenrichtung gesehene Kantenlänge (e) der Makrozellen (26) von Spalte zu Spalte mit zunehmendem Abstand der Spalten von der Wegstrecke (19) vergrößert wird, wobei der Vergrößerungsbetrag so gewählt wird, dass die Kantenlänge (e) der Makrozellen (26) in etwa der Bogenlänge des Öffnungswinkels der Richtcharakteristik im jeweiligen Spaltenabstand entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die quer zur Achse der Richtcharakteristik gesehene Breite der Richtcharakteristik über die radiale Ausdehnung des Beobachtungssektors (18) konstant gehalten wird und dass zumindest die in Spaltenrichtung gesehene Breite aller Makrozellen (26) gleich gemacht und an die konstante Breite der Richtcharakteristik angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung der Breitenkonstanz der Richtcharakteristik der Öffnungswinkel der Richtcharakteristik zeitabhängig gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kantenlänge (e) der Makrozellen (26) in Zeilenrichtung gesehen gleich der Kantenlänge (e) der Makrozellen (26) in Spaltenrichtung gesehen gemacht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder Messstelle (27) alle im Beobachtungssektor (18) liegenden Makrozellen (26) mit der mindestens einen Richtcharakteristik erfasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Beobachtungssektor (18) ein Makrozellenbereich (38) definiert wird, der einen quer zur Wegstrecke (19) sich erstreckenden Streifen mit einer in Fahrtrichtung weisenden Breite bildet, die durch die Anzahl der vom Beobachtungssektor (18) in der Spalte mit minimalem Abstand (x_min) zur Wegstrecke (19) überdeckten Makrozellen (26) bestimmt ist, und dass an jeder Messstelle (27) nur die in dem Makrozellenbereich (38) liegenden Makrozellen (26) mit der Richtcharakteristik erfasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung eines' zweidimensionalen Sonarbildes dem Beobachtungssektor (18) ein horizontaler Öffnungswinkel (φ_B) und der Richtcharakteristik ein horizontaler Öffnungswinkel (φ) zugewiesen wird, und dass die Makrozellen (26) als Flächenelemente und die Zellenelemente zweidimensional als Pixel (35) vorgegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung eines dreidimensionalen Sonarbildes vertikal vorzugsweise äquidistant übereinanderliegende Wegstrecken (19), die vom Wasserfahrzeug (11) sukzessive abzufahren sind, vorgegeben werden, dem Beobachtungssektor (18) ein horizontaler und ein vertikaler Sektorwinkel (φ_B, φ_V) und der mindestens einen Richtcharakteristik ein horizontaler und vertikaler Öffnungswinkel (φ, φ*) zugewiesen werden, die Makrozellen (26') als Volumenelemente mit einer an die vertikale Breite der Richtcharakteristik angepassten Höhe vorgegeben werden, wobei die Anzahl der in Vertikalrichtung übereinander gestapelten Makrozellen (26') anhand der Tiefe des Unterwasserareals (10) bestimmt wird, und die Zellenelemente dreidimensional als Voxel (39) vorgegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Empfangssignale durch Richtungsbildung gewonnene, komplexe Gruppensignale verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Empfangssignale der Zeitverlauf des Betrags oder des quadratischen Betrags von durch Richtungsbildung gewonnenen, komplexen Gruppensignalen verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Empfangssignale die Realteile von durch Richtungsbildung gewonnenen komplexen Gruppensignalen verwendet werden.