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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Festlegen von mehreren Haupt-Blickrichtungen einer Unterwasserantenne, eine Unterwasserantenne, deren Haupt-Blickrichtungen gemäß diesem Verfahren festgelegt sind, eine Empfangsanlage mit einer solchen Unterwasserantenne, ein Computerprogramm zum Durchführung des Verfahrens sowie eine Signalfolge mit Befehlen für ein solches Verfahren.
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Eine Empfangsanlage mit einer Unterwasserantenne ist in der Regel an Bord eines Wasserfahrzeugs angeordnet und wird dafür eingesetzt, eine räumlich entfernte Unterwasser-Schallquelle zu peilen und / oder zu orten. Möglich ist auch, dass die Unterwasserantenne zu einer Schleppantenne gehört. Auf die Unterwasserantenne treffen Schallwellen auf, welche von der Unterwasser-Schallquelle abgestrahlt oder reflektiert werden. Abhängig von der Schallintensität der auftreffenden Schallwellen erzeugt die Unterwasserantenne Signale. Die Empfangsantenne wertet diese Signale aus. Bei dieser Auswertung wird die Unterwasserantenne rechnerisch in mehrere Haupt-Blickrichtungen verschwenkt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Unterwasserantenne mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 15 bereitzustellen, durch welche die Gefahr reduziert wird, dass eine Empfangsanlage mit der Unterwasserantenne in unterschiedlichen Haupt-Blickrichtungen redundante Detektionen erzielt.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und eine Unterwasserantenne mit den in Anspruch 15 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
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Durch das lösungsgemäße Verfahren werden automatisch mehrere Haupt-Blickrichtungen einer Unterwasserantenne festgelegt. Die Unterwasserantenne lässt sich rechnerisch in jede dieser festgelegten Haupt-Blickrichtungen verschwenken. Jede Haupt-Blickrichtung weist eine Hauptkeule auf. Die Hauptkeule einer Haupt-Blickrichtung gibt eine Größe als Funktion der Schalleinfallsrichtung an, aus welcher Schallwellen auf die Unterwasserantenne auftreffen. Diese Größe korreliert mit der erzielten Schallintensität der in diese Haupt-Blickrichtung verschwenkten Unterwasserantenne. Die Größe ist beispielsweise der Schallpegel oder ein absolutes Maß für den Schallpegel.
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Lösungsgemäß werden
- - ein Maß für die Überlappung zwischen den Hauptkeulen zweier benachbarter Haupt-Blickrichtungen sowie
- - ein erster Überlappungs-Wert vorgegeben.
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Mehrere erste Haupt-Blickrichtungen werden automatisch so festgelegt, dass folgendes Ergebnis erzielt wird: Das Überlappungs-Maß für die beiden Hauptkeulen von zwei benachbarten ersten Haupt-Blickrichtungen nimmt stets den ersten Überlappungs-Wert an. Optional werden weitere Haupt-Blickrichtungen automatisch festgelegt.
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Wie bereits erwähnt, lässt sich die Unterwasserantenne rechnerisch in eine von mehreren festgelegten Haupt-Blickrichtungen verschwenken, bevorzugt nacheinander in jede festgelegte. Ein Diagramm, welches für eine bestimmte Frequenz von Unterwasser-Schallwellen die Mess-Empfindlichkeit für auftreffende Schallwellen in Abhängigkeit des Winkels zwischen einer Referenzachse oder Referenzebene der rechnerisch verschwenkten Unterwasserantenne und der Schalleinfallsrichtung des auftreffenden Schalls zeigt, weist in der Regel eine Hauptkeule und mehrere Nebenkeulen auf. Im Falle einer Linearantenne ist diese Referenzachse beispielsweise die Antennen-Längsachse. Falls die Unterwasserantenne an einem Unterwasserfahrzeug montiert ist, so ist die Referenzachse beispielsweise die Längsachse des Wasserfahrzeugs. Die größte Mess-Empfindlichkeit wird in der Regel erreicht, wenn die Schalleinfallsrichtung gleich der Haupt-Blickrichtung ist. Die Hauptkeule erstreckt sich daher in der Regel in die Haupt-Blickrichtung und ist symmetrisch zur Haupt-Blickrichtung.
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Bevor die Unterwasserantenne eingesetzt wird, werden diejenigen Haupt-Blickrichtungen automatisch festgelegt, in welche die Unterwasserantenne im Einsatz rechnerisch verschwenkt werden soll. Für eine vorgegebene Frequenz des eintreffenden Unterwasser-Schalls lassen sich das gerade beschriebene Diagramm und somit die Hauptkeulen für mögliche Haupt-Blickrichtungen vorab berechnen und für die Festlegung der Haupt-Blickrichtungen verwenden.
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In der Regel sollen die Haupt-Blickrichtungen, die für den Betrieb einer Unterwasserantenne festgelegt werden, zusammen einen vorgegebenen akustischen Empfangsbereich abdecken. Im Falle einer Linearantenne, die sich entlang einer Referenzachse erstreckt, ist dieser Empfangsbereich ein akustischer Blickwinkel Θ, der zwischen zwei End-Haupt-Blickrichtungen (Endfires) liegt. Jede End-Haupt-Blickrichtung schließt mit der Referenzachse oder Referenzebene einen Winkel α ein, der kleiner als eine vorgegebene Winkel-Schranke ist. Die Unterwasserantenne hat dann im Falle eine Linearantenne einen akustischen Blickwinkel von Θ = 180 Grad - 2*α.
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Die Unterwasserantenne soll für jede mögliche Schalleinfallsrichtung in diesem Empfangsbereich eine ausreichend große Mess-Empfindlichkeit aufweisen. Die Hauptkeulen der festgelegten Haupt-Blickrichtungen müssen zusammen den gesamten akustischen Empfangsbereich überdecken, um dieses Ziel zu erreichen. Zwei benachbarte Hauptkeulen müssen sich daher überlappen oder wenigstens ohne Lücke aneinander angrenzen.
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In der Regel hat die Hauptkeule derjenigen oder jeder Haupt-Blickrichtung, welche den akustischen Empfangsbereich Θ halbiert und daher senkrecht auf der Referenzachse oder Referenzebene steht, die kleinste Breite. Je kleiner der Winkel zwischen einer Haupt-Blickrichtung und der Referenzachse ist, desto breiter ist die Hauptkeule. Dies gilt sowohl dann, wenn die Haupt-Blickrichtungen lösungsgemäß festgelegt werden, also auch dann, wenn sie auf eine herkömmliche Weise festgelegt werden.
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Bei herkömmlichen Unterwasserantennen schließen zwei benachbarte Haupt-Blickrichtungen stets den gleichen Winkel zwischen sich ein. Bei N verwendeten Haupt-Blickrichtungen beträgt dieser Winkel β = Θ / (N-1). Dieser Winkel β wird so bestimmt, dass auch die schmalsten Hauptkeule mit den Hauptkeulen benachbarter Haupt-Blickrichtungen überlappt oder wenigstens lückenlos an diese angrenzt. Diese schmalste Hauptkeule gehört in der Regel zu einer Haupt-Blickrichtung, welche senkrecht auf der Referenzachse oder Referenzebene steht. Ein herkömmliches Verfahren, um Haupt-Blickrichtungen festzulegen, führt dazu, dass zwei Hauptkeulen von zwei benachbarten Haupt-Blickrichtungen, welche nahe einer End-Haupt-Blickrichtung liegen, sich stark überlappen. Dies führt oft dazu, dass bei unterschiedlichen Haupt-Blickrichtungen nahe einer End-Haupt-Blickrichtung redundante Peilungen geliefert werden. Um die Signale von der Unterwasserantenne auszuwerten, werden daher oft eine relativ hohe Rechenkapazität und ein relativ hoher Speicherplatz und ein relativ hoher Energieverbrauch benötigt. Dies ist unerwünscht.
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Das lösungsgemäße Verfahren vermeidet diesen Nachteil. In der Regel führt das lösungsgemäße Verfahren dazu, dass weniger Haupt-Blickrichtungen der Unterwasserantenne festgelegt werden. In der Regel ist der Winkel zwischen zwei lösungsgemäß festgelegten benachbarten Haupt-Blickrichtungen um so größer, je weiter diese Haupt-Blickrichtungen von einer senkrecht auf der Referenzachse oder Referenzebene stehenden Haupt-Blickrichtung entfernt sind und je näher diese benachbarten Haupt-Blickrichtungen der Referenzachse oder Referenzebene sind.
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Weil die Unterwasserantenne, für welche die Haupt-Blickrichtungen durch das lösungsgemäße Verfahren festgelegt werden, weniger Haupt-Blickrichtungen aufweist, sinken der Rechenaufwand und der Energieverbrauch verglichen mit einer Unterwasserantenne, der auf eine herkömmliche Weise die Haupt-Blickrichtungen vorgegeben werden. Bei gleicher verfügbarer Rechenkapazität lässt sich daher wahlweise eine höhere Abtastrate bei der zeitdiskreten Abtastung von gemessenen Signalen erzielen, oder bei gleicher Abtastrate können mehr Unterwasser-Schallempfänger verwendet werden oder Signale von mehr Unterwasser-Schallempfängern ausgewertet werden. Ermöglicht wird auch, bei gleicher Rechenkapazität und gleicher Abtastrate eine höhere Verschwenk-Rate („räumliche Abtastrate“) zu erzielen, wobei die Verschwenk-Rate festlegt, wie oft pro Zeiteinheit die Unterwasserantenne rechnerisch in alle festgelegten Haupt-Blickrichtungen verschwenkt wird. Oder ein gleich gutes Ergebnis bei gleicher Abtastrate und gleicher Verschwenk-Rate lässt sich mit einer geringeren Rechenkapazität und einem geringeren Energiebedarf erzielen.
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Das vorgegebene Überlappungs-Maß lässt sich so ausgestalten, dass die Unterwasserantenne trotz geringerer Anzahl von Haupt-Blickrichtungen für jede mögliche Schalleinfallsrichtung eine ausreichend hohe Mess-Empfindlichkeit aufweist. Die Qualität der Peilung einer räumlich entfernten Schallquelle, den die Unterwasserantenne zu erzielen vermag, ist in der Regel trotzdem nicht schlechter als die Peilungs-Qualität einer Unterwasserantenne, deren Haupt-Blickrichtungen auf herkömmliche Weise vorgegeben werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung werden das Maß für die Überlappung und der Überlappungs-Wert so vorgegeben, dass die beiden Hauptkeulen von zwei benachbarten ersten Haupt-Blickrichtungen sich in einem Punkt schneiden. Der Schallintensitäts-Wert dieses Schnittpunkts ist gleich einem vorgegebenen Wert.
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Diese Ausgestaltung stellt sicher, dass die Mess-Empfindlichkeit der Unterwasserantenne für jede verwendete Haupt-Blickrichtung und bei jeder möglichen Schalleinfallsrichtung mindestens gleich dem vorgegebenen Schallintensitäts-Wert ist. Je größer der Schallintensitäts-Wert dieses Schnittpunkts ist, desto höher ist die Mess-Empfindlichkeit, desto mehr Haupt-Blickrichtungen werden ermittelt, und desto höher ist die insgesamt benötigte Rechenkapazität, um die Signale von der Unterwasserantenne, die nacheinander in die verschiedenen festgelegten Haupt-Blickrichtungen verschwenkt wird, auszuwerten. Der Schallintensitäts-Wert lässt sich als Kompromiss zwischen den beiden einander widersprechenden Anforderungen festlegen,
- - dass die Mess-Empfindlichkeit so hoch wie möglich sein soll und
- - dass die für einen Abtast-Zeitpunkt erforderliche Rechenkapazität und der Energieverbrauch so gering wie möglich sein sollen.
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Beispielsweise ist der Punkt, in dem zwei benachbarte Hauptkeulen sich schneiden, der 3-dB-Punkt. Der 3-dB-Punkt einer Hauptkeule ist diejenige Schalleinfallsrichtung, in der die Empfindlichkeit der Unterwasserantenne gleich der Hälfte der maximalen Mess-Empfindlichkeit, das ist die Mess-Empfindlichkeit in der Haupt-Blickrichtung, ist.
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In einer anderen Ausgestaltung schneiden zwei benachbarte Hauptkeulen sich in einem Nullpunkt. Dies bewirkt folgendes: Zwei Hauptkeulen von zwei benachbarten ersten Haupt-Blickrichtungen grenzen aneinander an, überlappen sich aber nicht. Dieses Überlappungs-Maß führt bei gegebener Frequenz zu der geringstmöglichen Anzahl von lösungsgemäßen festgelegten ersten Haupt-Blickrichtungen.
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In der Regel hängen die Form und insbesondere die Breite einer Hauptkeule von der Frequenz ab. Unterschiedliche Frequenzen führen zu verschiedenen Hauptkeulen. In einer Ausgestaltung wird eine erste Frequenz für den Empfang von Unterwasserschall durch die Unterwasserantenne vorgegeben. Diese erste Frequenz ist beispielsweise eine Maximal-Frequenz, also die höchste erwartete Frequenz, mit welcher Schallwellen auf die Unterwasserantenne auftreffen. In dieser Ausgestaltung wird diese erste Frequenz verwendet, um lösungsgemäß die ersten Haupt-Blickrichtungen festzulegen. Die Hauptkeulen für die ersten Haupt-Blickrichtungen beziehen sich auf die vorgegebene erste Frequenz.
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In der Regel ist bei gleichbleibender Haupt-Blickrichtung die Hauptkeule umso schmaler, je höher die Frequenz ist. Wird bei der Ermittlung der ersten Haupt-Blickrichtungen die größtmögliche Frequenz verwendet, so wird daher bei vorgegebenem Überlappungs-Maß die größtmögliche Anzahl von Haupt-Blickrichtungen festgelegt. Diese festgelegten Haupt-Blickrichtungen reichen auch für niedrigere Frequenzen aus.
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In einer Fortbildung dieser Ausgestaltung wird eine zweite Frequenz für den Empfang von Unterwasserschall vorgegeben. Diese zweite Frequenz unterscheidet sich von der ersten Frequenz, ist beispielsweise kleiner als die Maximal-Frequenz, welche als die erste Frequenz verwendet wird. Gemäß der Ausgestaltung werden mehrere erste Haupt-Blickrichtungen mit Bezug auf die erste Frequenz festgelegt. Gemäß dieser Fortbildung werden mehrere zweite Haupt-Blickrichtungen mit Bezug auf die zweite Frequenz festgelegt. Auch der Schritt, zusätzlich zur ersten Haupt-Blickrichtungen die zweiten Haupt-Blickrichtungen festzulegen, wird bevorzugt lösungsgemäß durchgeführt, also unter Verwendung eines Überlappungs-Maßes. Die zweiten Haupt-Blickrichtungen werden so festgelegt, dass das Überlappungs-Maß für jedes Paar mit zwei benachbarten zweiten Haupt-Blickrichtungen einen vorgegeben Überlappungs-Wert annimmt. Dieser vorgegebene Überlappungs-Wert kann gleich dem ersten Überlappungs-Wert sein, der auch für die ersten Haupt-Blickrichtungen verwendet wird, oder ein zweiter Überlappungs-Wert, der sich vom ersten Überlappungs-Wert unterscheidet.
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In einer Ausgestaltung lässt die Unterwasserantenne sich wahlweise in einer ersten Betriebsart oder in einer zweiten Betriebsart betreiben. Diese Betriebsart kann beispielsweise von der jeweiligen maximal erwarteten Frequenz von auftreffenden Unterwasser-Schallwellen abhängen. Wird die Unterwasserantenne in der ersten Betriebsart betrieben, so lässt sie sich rechnerisch mindestens in jede der festgelegten ersten Haupt-Blickrichtungen verschwenken. Wird die Unterwasserantenne in der zweiten Betriebsart betrieben, so lässt sie sich rechnerisch mindestens in jede der festgelegten zweiten Haupt-Blickrichtungen verschwenken. Möglich ist, dass weitere Haupt-Blickrichtungen festgelegt werden, in welche die Unterwasserantenne sich verschwenken lässt.
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In einer Ausgestaltung wird als erste Frequenz die erwartete maximale Frequenz verwendet, und die Maximal-Frequenz führt zu einer relativ hohen Anzahl von festgelegten Haupt-Blickrichtungen. Die zweite Frequenz ist kleiner als erste Frequenz und führt zu weniger Haupt-Blickrichtungen. In der zweiten Betriebsart sind daher insgesamt weniger Rechenschritte erforderlich, um die Unterwasserantenne nacheinander rechnerisch in jede festgelegte Haupt-Blickrichtung zu verschwenken. In der zweiten Betriebsart ist es daher möglich, mit einer höheren Abtastrate und / oder mit einer höheren Verschwenk-Rate zu arbeiten oder weniger Energie zu verbrauchen.
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In einer Ausgestaltung werden die Signale der Unterwasserantenne durch ein Beamforming im Frequenzbereich ausgewertet. Auch hierbei wird die Unterwasserantenne rechnerisch nacheinander in die festgelegten Haupt-Blickrichtungen verschwenkt. Gemäß einer Ausführungsform dieser Ausgestaltung werden mehrere Frequenzbänder vorgegeben. Für jedes Frequenzband wird jeweils eine Menge von Haupt-Blickrichtungen festgelegt, wobei das lösungsgemäße Verfahren angewendet wird. Je kleiner die maximale Frequenz eines Frequenzbandes ist, desto weniger Haupt-Blickrichtungen werden durch Anwendung des lösungsgemäßen Verfahrens für dieses Frequenzband festgelegt.
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Lösungsgemäß werden mehrere erste Haupt-Blickrichtungen festgelegt. Optional werden zusätzlich mehrere zweite Haupt-Blickrichtungen festgelegt. Hierfür wird das Überlappungs-Maß verwendet. In einer Ausgestaltung wird mindestens eine dritte Haupt-Blickrichtung festgelegt, ohne notwendigerweise das oder ein Überlappungs-Maß zu verwenden. Die oder jede dritte Haupt-Blickrichtung liegt zwischen zwei benachbarten bereits festgelegten ersten oder zwischen zwei benachbarten bereits festgelegten zweiten Haupt-Blickrichtungen.
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Diese Ausgestaltung führt dazu, dass die Mess-Empfindlichkeit erhöht wird, insbesondere für eine Schalleinfallsrichtung, welche zwischen zwei ersten oder zwischen zwei optionalen zweiten festgelegten Haupt-Blickrichtungen liegt. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn als Überlappungs-Maß das Nullpunkt-Kriterium verwendet wird, also das Kriterium, dass zwei Hauptkeulen unmittelbar aneinander angrenzen, ohne sich zu überlappen.
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Die optionalen dritten Haupt-Blickrichtungen werden nicht notwendigerweise so wie die ersten und die optionalen zweiten Haupt-Blickrichtungen unter Verwendung des Überlappungs-Maßes festgelegt. In einer Ausgestaltung wird die oder mindestens eine dritte Haupt-Blickrichtung dergestalt festgelegt, dass sie den Winkel zwischen zwei bereits festgelegten benachbarten ersten Haupt-Blickrichtungen oder zwischen zwei benachbarten zweiten Haupt-Blickrichtungen halbiert.
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In einer Ausgestaltung liegen alle festgelegten Haupt-Blickrichtungen in einer Referenzebene. Die Referenzachse liegt in dieser Referenzebene. Bevorzugt sind die Referenzebene und die Referenzachse horizontal angeordnet, und die Empfangsanlage vermag die horizontale Komponente jeder Schalleinfallsrichtung zu ermitteln.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist hingegen jede festgelegte Haupt-Blickrichtung jeweils eine horizontale Komponente und eine vertikale Komponente auf. Zwei festgelegte Haupt-Blickrichtungen unterscheiden sich durch unterschiedliche horizontale Komponenten und / oder unterschiedliche vertikale Komponenten. Diese Ausgestaltung verbessert die Fähigkeit einer Empfangsanlage mit der lösungsgemäßen Unterwasserantenne, eine Unterwasser-Schallquelle zu peilen und / oder zu orten. Ermöglicht wird, dass auch eine ermittelte Schalleinfallsrichtung und damit eine erzielte Peilung sowohl eine horizontale Komponente als auch eine vertikale Komponente aufweist. Dies wiederum ermöglicht es insbesondere, folgende beiden Situationen voneinander zu unterscheiden:
- - Zwei unterschiedliche Unterwasser-Schallquellen führen zu zwei Peilungen mit übereinstimmender horizontaler Komponente.
- - Die Schallwellen von derselben Unterwasser-Schallquelle pflanzen sich auf mindestens zwei verschiedenen Wegen zu der Unterwasserantenne fort (Mehrwege-Ausbreitung), was zu mindestens zwei unterschiedlichen Schalleinfallsrichtungen mit übereinstimmender horizontaler Komponente führt.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung werden die ersten Haupt-Blickrichtungen iterativ festgelegt. Als erstes wird eine initiale Haupt-Blickrichtung ermittelt. Diese initiale Haupt-Blickrichtung wird als eine festgelegte erste Haupt-Blickrichtung verwendet. Bevorzugt halbiert diese initiale Haupt-Blickrichtung einen geforderten akustischen Blickwinkel der Unterwasserantenne und / oder steht senkrecht auf der oberen beschriebenen Referenzachse oder Referenzebene.
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Anschließend wird wiederholt ein Ergänzungs-Schritt durchgeführt. In jedem Ergänzungs-Schritt wird mindestens eine weitere erste Haupt-Blickrichtung ermittelt. Diese weitere erste Haupt-Blickrichtung wird dergestalt ermittelt, dass folgendes Ergebnis erzielt wird: Das vorgegebene Maß für die Überlappung zwischen
- - der Hauptkeule dieser weiteren ersten Haupt-Blickrichtung und
- - der Hauptkeule einer bereits festgelegten benachbarten ersten Haupt-Blickrichtung nimmt den vorgegebenen ersten Überlappungs-Wert an. Diese weitere Haupt-Blickrichtung wird als eine weitere erste Haupt-Blickrichtung verwendet.
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Die Durchführung von Ergänzungs-Schritten wird wiederholt, bis ein vorgegebenes Abbruchkriterium erfüllt ist. In einer Ausgestaltung ist dieses Abbruchkriterium erfüllt, wenn die bislang festgelegten ersten Haupt-Blickrichtungen zusammen einen geforderten akustischen Blickwinkel oder dreidimensionalen Blickbereich der Unterwasserantenne überdecken.
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Das gleiche iterative Verfahren lässt sich auch dafür anwenden, um die optionalen zweiten Haupt-Blickrichtungen festzulegen. In einer Ausgestaltung ist das Abbruchkriterium auch dann erfüllt, wenn die bislang festgelegten zweiten Haupt-Blickrichtungen zusammen diesen akustischen Blickwinkel oder dreidimensionale Blickbereich der Unterwasserantenne überdecken. Optional werden nunmehr weitere Haupt-Blickrichtungen zwischen die bereits festgelegten ersten oder zweiten Haupt-Blickrichtungen eingefügt.
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Dieses iterative Verfahren ist ein konstruktives Verfahren und erfordert in vielen Anwendungen weniger Rechenschritte als andere denkbare Verfahren, um lösungsgemäß die ersten und optional die zweiten Haupt-Blickrichtungen festzulegen.
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Nachfolgend werden das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Unterwasserantenne anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 in Draufsicht mehrere Haupt-Blickrichtungen für ein horizontales Beamforming;
- 2 vier Haupt-Blickrichtungen, die gemäß dem Stand der Technik festgelegt sind;
- 3 vier Haupt-Blickrichtungen, die gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung festgelegt sind;
- 4 wie die vier Haupt-Blickrichtungen gemäß der ersten Ausführungsform von 3 iterativ festgelegt werden;
- 5 fünf Haupt-Blickrichtungen, die gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung festgelegt sind.
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Im Ausführungsbeispiel wird die Erfindung für eine Empfangsanlage eingesetzt, welche an Bord eines Wasserfahrzeugs montiert ist. Die Empfangsanlage umfasst eine Unterwasserantenne sowie eine datenverarbeitende Auswerteeinheit und wird dafür verwendet, um mindestens eine Unterwasser-Schallquelle zu peilen und optional auch zu orten und / oder um weitere Informationen über die Unterwasser-Schallquelle zu ermitteln. Unter „Peilen“ wird der Schritt verstanden, die Richtung von der Unterwasser-Schallquelle zu der Unterwasserantenne zu ermitteln, also die Schalleinfallsrichtung, aus welcher Schallwellen, die von der Unterwasser-Schallquelle abgestrahlt oder reflektiert werden, auf die Unterwasserantenne auftreffen. Unter „Orten“ wird der Schritt verstanden, die Position der Unterwasser-Schallquelle relativ zu der Unterwasserantenne zu ermitteln, also insbesondere zusätzlich zu der Richtung auch die Entfernung zwischen der Unterwasser-Schallquelle und der Unterwasserantenne. Weitere Informationen können beispielsweise der zeitliche Verlauf der Peilung oder Ortung sein oder das Frequenzband, in dem die Unterwasser-Schallquelle Schallwellen ausstrahlt, oder der zeitliche Verlauf dieses Frequenzbandes. Selbstverständlich kann die Empfangsanlage gleichzeitig mehrere Unterwasser-Schallquellen peilen und / oder orten.
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Die Unterwasserantenne ist in einer Ausgestaltung an der Außenhülle eines Wasserfahrzeugs montiert. In einer anderen Ausgestaltung gehört die Unterwasserantenne zu einer Schleppantenne (towed array), die von einem Wasserfahrzeug oder auch einem Luftfahrzeug durch das Wasser gezogen wird. In beiden Ausgestaltungen kommt die Unterwasserantenne mit dem umgebenden Wasser in Berührung. Abhängig von auftreffenden Schallwellen erzeugt die Unterwasserantenne Signale. Die Auswerteeinheit wertet die Signale aus, welche die Unterwasserantenne erzeugt hat. Die Auswerteeinheit führt ein Beamforming aus und verschwenkt hierbei rechnerisch die Unterwasserantenne nacheinander in verschiedene Haupt-Blickrichtungen, wobei die Haupt-Blickrichtungen zusammen einen gewünschten akustischen Blickwinkel oder dreidimensionale Blickbereich der Unterwasserantenne abdecken.
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In 1 werden in Draufsicht 200 Haupt-Blickrichtungen HB_h.1, ..., HB_h.200 für ein horizontales Beamforming sowie der erzielte akustische Blickwinkel Θ veranschaulicht. Selbstverständlich ist auch jede andere Anzahl von Haupt-Blickrichtungen möglich. Die Unterwasserantenne 1 umfasst eine Abfolge von M Hydrophonen 3.1, 3.2, ..., die sich entlang einer horizontalen Längsachse LA erstrecken. Diese Längsachse LA fungiert als eine Referenzachse, auf welche sich die Haupt-Blickrichtungen beziehen, und liegt in der Zeichenebene von 1. Die Referenzachse ist beispielsweise die Längsachse des Wasserfahrzeugs, an dem die Unterwasserantenne montiert ist. Möglich ist, dass mehrere solcher Abfolgen übereinander angeordnet sind. Die Unterwasserantenne kann auch anders geformt sein, beispielsweise die Form einer Mantelfläche eines Zylinders aufweisen oder an den Bug eines Unterwasserfahrzeugs angepasst sein.
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Jedes Hydrophon 3.1, 3.2, ... erzeugt jeweils eine zeitliche Abfolge von Signalen, wobei die Signale von der Schallintensität von auftreffenden Schallwellen abhängen. Nacheinander wird rechnerisch jede der 200 Haupt-Blickrichtungen HB_h.1, ..., HB_h.200 eingestellt. Die Signale von den M Hydrophonen 3.1, 3.2, ... werden von der Auswerteeinheit zeitversetzt aufaddiert, wobei der Zeitversatz von der aktuellen rechnerisch eingestellten Haupt-Blickrichtung abhängt. Hierdurch wird für jeden Abtast-Zeitpunkt und jede eingestellte Haupt-Blickrichtung jeweils eine Messwertreihe berechnet, welche eine Größe, die mit der Schallintensität korreliert, als Funktion der Zeit oder der Frequenz oder der Entfernung zu einer Schallquelle beschreibt.
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Zwischen zwei benachbarten Hydrophonen 3(i) und 3(i+1) tritt der Abstand d auf. In dem gezeigten Beispiel wird angenommen, dass die aus einer Schalleinfallsrichtung SR auftreffenden Schallwellen jeweils eine ebene Wellenfront WF haben. Eine Wellenfront WF erreicht zwei benachbarte Hydrophone 3(i) und 3(i+1) mit einem Zeitabstand, der von dem Winkel θ zwischen der Wellenfront WF und der Längsachse LA, dem Abstand d und der Fortpflanzungsgeschwindigkeit c von Schallwellen unter Wasser abhängt. Falls die aktuell eingestellte Haupt-Blickrichtung senkrecht auf der Wellenfront WF steht, so weist die Messwertreihe die größten berechneten Werte auf.
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In einer Ausgestaltung vermag eine Empfangsanlage mit einer Unterwasserantenne sowohl die horizontale als auch die vertikale Komponente jeder Schalleinfallsrichtung von Schallwellen, die auf die Unterwasserantenne auftreffen, zu ermitteln. In dieser Ausgestaltung wird sowohl ein horizontales als auch ein vertikales Beamforming durchgeführt.
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Die Unterwasserantenne 1 weist für jede Haupt-Blickrichtung jeweils eine Richtcharakteristik auf. Diese Richtcharakteristik beschreibt ein Maß für die gemessene Schallintensität, beispielsweise den Schallpegel, als Funktion der Schalleinfallsrichtung, beispielsweise des Winkels θ von 1. In der Regel besitzt die Richtcharakteristik eine Hauptkeule und typischerweise mehrere Nebenkeulen. Die Hauptkeule ist am schmälsten, wenn die Haupt-Blickrichtung senkrecht auf der Längsachse LA steht, also im Beispiel von 1 die Hauptkeule der Haupt-Blickrichtung HB_h.100. Je kleiner der Winkel zwischen der aktuell eingestellten Haupt-Blickrichtung und der Längsachse LA ist, desto breiter wird in der Regel die Hauptkeule. 2, 3 und 5 zeigen die jeweilige Hauptkeule für vier Haupt-Blickrichtungen. Die Nebenkeulen werden nicht gezeigt.
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Die Haupt-Blickrichtungen, in welche eine Unterwasserantenne 1 im laufenden Betrieb rechnerisch verschwenkt wird, werden vorab festgelegt. Im laufenden Betrieb brauchen diese Haupt-Blickrichtungen nicht verändert zu werden. In 2 werden beispielhaft vier Haupt-Blickrichtungen HB.a, ..., HB.d sowie die zugehörigen Hauptkeulen HK.a, ..., HK.d gezeigt, die gemäß dem Stand der Technik festgelegt wurden. Diese Haupt-Blickrichtungen HB.a, ..., HB.d sollen zusammen einen akustischen Blickwinkel von 60 Grad abdecken. Dieser zu überdeckende Winkel von 60 Grad wird gemäß dem Stand der Technik in vier gleiche Teile unterteilt. Zwischen zwei benachbarten Haupt-Blickrichtungen tritt also jeweils ein Winkel von 60 Grad / 4 = 15 Grad auf.
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Ein Nachteil dieser Festlegung wird in 2 gezeigt: Die beiden Hauptkeulen HK.a und HK.b für die beiden Haupt-Blickrichtungen HB.a und HB.b, welche einen Winkel von 90 Grad bzw. 70 Grad mit der Längsachse LA einschließen, überlappen sich fast gar nicht. Die beiden anderen Hauptkeulen HK.c und HK.d, die einen Winkel von 50 Grad bzw. 30 Grad mit der Längsachse LA einschließen, überlappen sich sehr stark. Dies führt in vielen Fällen zu Redundanzen und daher zu unerwünscht hohem Rechenaufwand bei Schalleinfallsrichtungen, welche einen kleinen Winkel mit der Längsachse LA einschließen, also in der Nähe des so genannten Endfire.
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3 und 5 zeigen zwei Ausgestaltungen der Erfindung, welche diesen Nachteil nicht aufweisen. In beiden Ausgestaltungen werden die Haupt-Blickrichtungen rechnerisch vorab festgelegt, und zwar bevorzugt automatisch. Die Rechenschritte, die für diese Festlegung durchgeführt werden, lassen sich vor dem Einsatz und von einer Recheneinheit durchführen, welche nicht notwendigerweise an Bord eines Wasserfahrzeugs positioniert ist, an welchem die Unterwasserantenne montiert ist. Daher steht zum Festlegen der Haupt-Blickrichtungen oft mehr Rechenkapazität zur Verfügung als bei einer Recheneinheit, welche zwingend an Bord des Wasserfahrzeugs angeordnet sein muss.
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Die vier Haupt-Blickrichtungen von 3 sowie die fünf Haupt-Blickrichtungen von 5 werden gemäß verschiedenen lösungsgemäßen Ausgestaltungen vorab festgelegt. Eine Konsequenz des lösungsgemäßen Verfahrens ist, dass der abgedeckte akustische Blickwinkel (in diesem Beispiel 60 Grad) von den lösungsgemäß festgelegten Haupt-Blickrichtungen nicht mehr gleichmäßig unterteilt wird.
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Vorgegeben wird ein Maß für die Überlappung zwischen zwei benachbarten Hauptkeulen. Im Beispiel von 3 und 5 wird als Überlappungs-Maß vorgegeben, dass die Schnittpunkte der beiden Hauptkeulen von zwei benachbarten Haupt-Blickrichtungen stets den gleichen y-Wert (Schallintensitäts-Wert) haben. Dieser übereinstimmende Wert ist beispielsweise der 3-db-Wert. 3 zeigt den Schnittpunkt P.1.2 zwischen den beiden Hauptkeulen HK.1 und HK.2, den Schnittpunkt P.2.3 zwischen den beiden Hauptkeulen HK.2 und HK.3 sowie den Schnittpunkt P.3.4 zwischen den beiden Hauptkeulen HK.3 und HK.4. Der Winkel zwischen den beiden Haupt-Blickrichtungen HB.1 und HB.2 beträgt 15 Grad, der Winkel zwischen den beiden Haupt-Blickrichtungen HB.2 und HB.3 20 Grad und der Winkel zwischen den beiden Haupt-Blickrichtungen HB.3 und HB.4 25 Grad.
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4 veranschaulicht beispielhaft, durch welche Schritte die vier Haupt-Blickrichtungen HB.1, ..., HB.4 von 3 schrittweise festgelegt werden.
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Im ersten Schritt wird die initiale erste Haupt-Blickrichtung HB.1 so festgelegt, dass sie senkrecht auf der Längsachse LA steht. Die Hauptkeule HK.1 für diese initiale erste Haupt-Blickrichtung HB.1 wird berechnet. 4a zeigt das Ergebnis des ersten Schritts. Auch eine andere Festlegung einer initialen ersten Haupt-Blickrichtung HB.1 ist möglich.
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Im zweiten Schritt wird mindestens eine weitere erste Haupt-Blickrichtung HB.2 probeweise mit verschiedenen Winkeln zur bereits festgelegten ersten Haupt-Blickrichtung HB.1 positioniert, und die jeweils resultierende Hauptkeule HK.2 wird berechnet. Das jeweils resultierende Überlappungs-Maß zwischen der bereits festgelegten ersten Hauptkeule HK.1 und der probeweise festgelegten Hauptkeule HK.2 wird berechnet, in diesem Fall der y-Wert des resultierenden Schnittpunkts P.1.2. Sobald das gewünschte Überlappungs-Maß zwischen den beiden benachbarten Hauptkeulen HK.1 und HK.2 erreicht ist, d.h. den ersten Überlappungs-Wert annimmt, ist die Haupt-Blickrichtung HB.2 als eine weitere erste Haupt-Blickrichtung festgelegt und besitzt die Hauptkeule HK.2. In manchen Anwendungen ist es auch möglich, aus dem vorgegebenen Überlappungs-Maß und der bereits festgelegten ersten Hauptkeule HK.1 direkt die Lage der weiteren ersten Hauptkeule HK.2 und der zugehörigen weiteren ersten Haupt-Blickrichtung HB.2 rechnerisch herzuleiten. 4b zeigt das nach dem zweiten Schritt erreichte Ergebnis. Selbstverständlich ist es möglich, auf der anderen Seite der bereits festgelegten ersten Haupt-Blickrichtung HB.1 ebenfalls eine weitere erste Haupt-Blickrichtung auf die gleiche Weise festzulegen.
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Im dritten Schritt wird eine weitere erste Haupt-Blickrichtung HB.3 so positioniert, dass das vorgegebene Überlappungs-Maß zwischen der bereits festgelegten Hauptkeule HK.2 der bereits festgelegten ersten Haupt-Blickrichtung HB.2 und der Hauptkeule HK.3 der im dritten Schritt festgelegten ersten Haupt-Blickrichtung HB.3 erreicht wird. In dieser Ausgestaltung bedeutet dies, dass der y-Wert des Schnittpunkts P.2.3 zwischen den beiden Hauptkeulen HK.2 und HK.3 dem vorgegebenen y-Wert annimmt. 4c zeigt das Ergebnis, das nach dem dritten Schritt erreicht ist.
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Im vierten Schritt wird entsprechend die Haupt-Blickrichtung HB.4 so festgelegt, dass das vorgegebene Überlappungs-Maß zwischen den beiden Hauptkeulen HK.3 und HK.4 erzielt wird. Nunmehr sind vier erste Haupt-Blickrichtungen HB.1 bis HB.4 festgelegt, was in 4d gezeigt wird.
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5 zeigt eine alternative Ausführungsform. In diesem Beispiel wird als Überlappungs-Maß vorgegeben, dass die Hauptkeulen von zwei benachbarten Haupt-Blickrichtungen aneinander angrenzen, ohne sich zu überlappen. Mit anderen Worten: Zwei benachbarte Hauptkeulen schneiden sich auf der x-Achse, und der y-Wert des Schnittpunkts ist gleich Null. 5 zeigt die drei ersten Haupt-Blickrichtungen HB.1, HB.2, HB.3 und deren Hauptkeulen HK.1, HK.2 und HK.3, die mit Hilfe dieses Überlappungs-Maßes festgelegt wurden, sowie die beiden auf der x-Achse liegenden Schnittpunkte P.1.2 und P.2.3 zwischen den beiden benachbarten Hauptkeulen HK.1 und HK.2 bzw. HK.2 und HK.3.
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Die auf diese Weise festgelegten drei ersten Haupt-Blickrichtungen HB.1, HB.2, HB.3, deren Hauptkeulen HK.1, HK.2 und HK.3 überlappungsfrei aneinander angrenzen, alleine führen im Ausführungsbeispiel noch nicht zu einer Unterwasserantenne 1, welche Unterwasser-Schallquellen mit ausreichender Sicherheit zu peilen vermag. Daher werden zwischen die bereits festgelegten ersten Haupt-Blickrichtungen HB.1, HB.2, HB.3 weitere Haupt-Blickrichtungen gelegt, welche als dritte Haupt-Blickrichtungen fungieren. Zwischen den beiden ersten Haupt-Blickrichtungen HB.1 und HB.2 ist eine weitere Haupt-Blickrichtung HB.x festgelegt, beispielsweise so, dass sie den Winkel zwischen den beiden bereits festgelegten ersten Haupt-Blickrichtungen HB.1 und HB.2 halbiert. Entsprechend ist zwischen den beiden ersten Haupt-Blickrichtungen HB.2 und HB.3 eine weitere Haupt-Blickrichtung HB.y festgelegt, beispielsweise so, dass sie den Winkel zwischen den beiden bereits festgelegten Haupt-Blickrichtungen HB.2 und HB.3 halbiert. 5 zeigt die resultierenden Hauptkeulen HK.x und HK.y, welche in dieser Ausgestaltung aber nicht zur Festlegung der beiden dritten Haupt-Blickrichtungen HB.x und HB.y verwendet werden.
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Die Haupt-Blickrichtungen gemäß der alternativen Ausführungsform von 5 werden in zwei Phasen festgelegt. In der ersten Phase werden mehrere erste Haupt-Blickrichtungen HB.1, HB.2, HB.3 so festgelegt, dass das vorgegebene Überlappungs-Maß (hier: die Hauptkeulen grenzen überlappungsfrei aneinander) erfüllt ist. Die erste Phase führt in dem Beispiel von 5 zu den drei ersten Haupt-Blickrichtungen HB.1, HB.2, HB.3.
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In der zweiten Phase wird zwischen die oder wenigstens zwischen einige benachbarte erste Haupt-Blickrichtungen jeweils mindestens eine weitere Haupt-Blickrichtung gelegt. Im Beispiel von 5 wird die weitere Haupt-Blickrichtung HB.x als Winkelhalbierende zwischen die beiden Haupt-Blickrichtungen HB.1 und HB.2 gelegt, die weitere Haupt-Blickrichtung HB.y als Winkelhalbierende zwischen die beiden bereits festgelegten Haupt-Blickrichtungen HB.2 und HB.3.
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Möglich ist, dass zwischen zwei benachbarten Haupt-Blickrichtungen, die in der ersten Phase festgelegt wurden, nur dann eine weitere Haupt-Blickrichtung gelegt wird, wenn der Winkel zwischen zwei in der ersten Phase festgelegten Haupt-Blickrichtungen größer als eine vorgegebene erste Schranke ist. Falls dieser Winkel sogar größer als eine zweite Schranke ist, so werden in einer Ausgestaltung mindestens zwei weitere Haupt-Blickrichtungen zwischen diese ersten Haupt-Blickrichtungen aus der ersten Phase gelegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Unterwasserantenne mit den Hydrophonen 3.1, 3.2, ...
- 3.1, 3.2,
- Abfolge von Hydrophonen der Unterwasserantenne 1, erstreckt sich entlang der Längsachse LA
- d
- Abstand zwischen zwei benachbarten Hydrophonen der Unterwasserantenne 1
- HB.1,
- erste Haupt-Blickrichtungen, welche gemäß einem lösungsgemäßen Verfahren vorab festgelegt werden
- HB.x,
- weitere (dritte) Haupt-Blickrichtungen, welche vorab festgelegt werden und
- HB.y
- zwischen zwei bereits festgelegten ersten Haupt-Blickrichtungen HB.1,... gelegt werden
- HB.a,
- Haupt-Blickrichtungen, welche gemäß einem Verfahren nach dem Stand der Technik vorab festgelegt werden
- HB_h.1,
- horizontale Haupt-Blickrichtungen, in welche die Unterwasserantenne 1 rechnerisch verschwenkt werden kann
- HK.1,
- Hauptkeulen der vorab festgelegten ersten Haupt-Blickrichtungen HB.1, ...
- HK.a,
- Hauptkeulen der vorab festgelegten Haupt-Blickrichtungen HB.a, ...
- HK.x,
- Hauptkeulen der vorab festgelegten weiteren Haupt-Blickrichtungen HB.x, ...
- LA
- Längsachse, in welche sich die Abfolge der Hydrophone 3.1, 3.2, ... der Unterwasserantenne 1 erstreckt
- P1.2,
- Schnittpunkte zwischen den Hauptkeulen von zwei benachbarten Haupt-Blickrichtungen HB.1 und HB.2, ...
- Pa.b,
- Schnittpunkte zwischen den Hauptkeulen von zwei benachbarten ersten Haupt-Blickrichtungen HB.a und HB.b, ...
- SR
- Schalleinfallsrichtung von Schallwellen
- θ
- Winkel zwischen der Wellenfront WF und der Längsachse LA
- Θ
- akustischer Blickwinkel der Unterwasserantenne 1
- WF
- als eben angenommene Wellenfront der Schallwellen, die aus der Schalleinfallsrichtung SR auf die Unterwasserantenne 1 auftreffen
