DE10242949B3 - Ultraschallortung - Google Patents

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Peter Aust Dobbins
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BAE Sema Ltd
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    • G01MEASURING; TESTING
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Abstract

Vorrichtung zur Ortung eines in einem Fluid untergetauchten Gegenstandes mit einer Mehrzahl akustischer Wandler (6), die in ihrer gegenseitigen Beziehung so angeordnet sind, dass wenigstens zwei Längsstrahler (2, 4) gebildet werden und die physikalische Beziehung zwischen den wenigstens zwei Längsstrahlern (2, 4) einen Winkelabstand zwischen den Längsachsen der akustischen Strahlen (10, 12) erzeugt, die durch die Längsstrahler (2, 4) gebildet werden und der Winkel zwischen den Strahlen (10, 12) eines jeden Längsstrahlers (2, 4) im Wesentlichen äquivalent zur Breite des so geformten Strahles ist, wobei der Winkelabstand der Strahlen (10, 12) die Auflösung der Winkellage von Gegenständen bewirkt, die in einer Entfernung vom Ende der Längsstrahler (2, 4) angeordnet sind, die beträchtlich kleiner ist als die maximale Breite der Strahlen (10, 12) über dem Fernfeld.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf Ultraschall-Anordnungen und insbesondere auf die Benutzung von Längsstrahlern zur Ortung von Gegenständen, die in einem Fluid untergetaucht sind.
  • Bekannte aktive Ultraschall-Ortungstechniken beruhen gewöhnlich auf der Fähigkeit von Wandlern, akustische Rundstrahlsignale zu erzeugen, von denen Reflexionen empfangen und verarbeitet werden, wodurch eine Ortung von Gegenständen sowohl hinsichtlich der Richtung als auch hinsichtlich der Entfernung erlangt werden kann.
  • Üblicherweise werden Gruppen von Wandlern benutzt, und die akustischen Signale können nach interessierenden Bereichen gesteuert oder gerichtet werden unter Benutzung von Maßnahmen, die auf diesem Gebiet als "elektronische Strahlerzeugung" bezeichnet werden, wobei z. B. eine phasengesteuerte Gruppe von Wandlern benutzt wird. In Verbindung mit Ultraschallsystemen, die auf Schiffen oder Unterseebooten benutzt werden, wird der Ausdruck "Breitseite" oder "ebene Gruppe" benutzt, um eine Gruppe zu definieren, die aus Wandlerelementen besteht, die auf der "Breitseite" des betreffenden Schiffes angeordnet sind.
  • Wenn Gruppen von Ultraschallwandlern benutzt werden, dann beruht die Möglichkeit, die empfangenen Signale in Richtungssignale und Entfernungssignale aufzulösen, auf der Konfiguration der Elemente der Gruppe selbst, zusammen mit der Verarbeitungsmöglichkeit des betreffenden Ultraschallsystems. Wenn sich jedoch die Entfernung eines Gegenstandes von einer Ultraschallgruppe vermindert, dann wird die Möglichkeit der Auflösung einer Information beträchtlich schwieriger infolge der Wechselbeziehung des Strahlmusters, das von einer Breitseitengruppe oder einer ebenen Gruppe erzeugt wird.
  • Im typischen Fall erfolgt bei einer ebenen Gruppe eine Strahlüberlappung von einer Wandlergruppe in der Größenordnung von 3 Dezibel stromab der Ebene der Gruppe, an welcher Stelle der Winkel zwischen den Strahlen, grob gesagt, äquivalent der Strahlbreite ist.
  • Bei Ultraschallanwendungen, bei denen eine genaue Ortung von Gegenständen im Nahbereich erforderlich ist, sind beim gegenwärtigen Stand der Technik die "handgeführten" Systeme funktionell auf Bereiche beschränkt, die bestimmt werden durch das, was auf diesem Gebiet als "Nahfeld"-Effekt bezeichnet wird. Derartige Effekte bewirken eine Begrenzung der effektiven Entfernung derartiger Vorrichtungen in der Größenordnung von Metern, weg von dem Objekt, und demgemäß werden im typischen Fall derartige Geräte als Sekundär-Ortungsvorrichtungen benutzt, während die primäre "Nah"-Ortung durch Hand oder Auge durchgeführt wird.
  • Eine spezielle Form akustischer Gruppen, die als Längsstrahler bekannt sind, haben die Fähigkeit, "Strahlen" von akustischen Signalen innerhalb des Nahfeldes zu erzeugen, d.h. bis zu dem letzten Wandler und einschließlich der Lage des letzten Wandlers. Eine Diskussion der Nahfeld-Effekte einer solchen Anordnung findet sich in der Literaturstelle H.O. Berktay and J.A. Shooter, "Nearfield Effects in Endfire Arrays", J. Accoust. Soc. Am., 53(2), 550–556.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren für ein auf Ultraschall basierendes Ortungssystem unter Benutzung der Eigenschaften von Längsstrahlern zu schaffen, welches die Auflösung von Gegenständen über Entfernungen ermöglicht, die beträchtlich näher an der Anordnung liegen, als dies bisher möglich war, wobei die Funktionsfähigkeit des Systems im Fernfeld nicht beeinträchtigt wird.
  • Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die Gesamtheit der in den Ansprüchen 1 bzw. 8 angegebenen Merkmale.
  • Die US-A-5305286 zeigt zwar bereits eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Ortung von Gegenständen im Wasser, welche u.a. zwei Längsstrahler verwendet. Diese sind jedoch parallel angeordnet. Ein Hinweis darauf, diese zur Verbesserung der Auflösung im Nahfeld in unterschiedliche Hauptstrahlrichtungen anzuordnen, ist dieser Druckschrift jedoch nicht zu entnehmen.
  • Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfassen die Wandler Rundstrahlwandler.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Charakteristiken des Strahlmusters von jedem Längsstrahler im wesentlichen identisch.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Strahlen von jedem Längsstrahler im wesentlichen symmetrisch um die Ziellinie angeordnet.
  • Gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung kann die beschriebene Vorrichtung in einem Schiff, in einem Unterseeboot oder in einer in der Hand zu haltenden Vorrichtung angeordnet sein.
  • Die beschriebene Erfindung benutzt die Strahlcharakteristiken von zwei oder mehreren Längsstrahlern, um den Ort eines Zielobjektes von sehr nahe bis zu einem Fernfeld zu messen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung von zwei Längsstrahlern und dem ihnen zugeordneten akustischen Strahlmuster, wie dies gemäß der Erfindung benutzt wird.
  • 1 zeigt zwei Längsstrahler 2, 4, von denen ein jeder aus mehreren akustischen Rundstrahlwandlern 6 besteht, wobei jeder der Wandler 6 in einem Matrixmaterial 8 untergebracht ist.
  • Die Funktion der Wandler wird durch eine Steuereinrichtung 9 eingestellt, die benutzt werden kann, um die Charakteristiken, beispielsweise Frequenz, Leistung und Dauer, zu steuern, und zwar zusammen mit der Fähigkeit, die von den Wandlern empfangenen Signale zu verarbeiten, die während des Empfangsbetriebes benutzt werden und nicht beim Aussenden.
  • Um die neuartige Fähigkeit zu schaffen, eine Entfernungsinformation nahe dem Ende der zwei gemäß der Erfindung benutzten Längsstrahler 2, 4 zu schaffen, ist es zweckmäßig, daß der Winkel zwischen den Strahlen 10, 12 der jeweiligen Längsstrahler 2, 4 im wesentlichen äquivalent ist der Breite des so erzeugten Strahles. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, ein Strahlmuster zu erzeugen, welches die genaue, nicht verzerrte Auflösung der empfangenen Ultraschallinformation ermöglicht, die sich auf das Zielobjekt bezieht.
  • Ein solches Sonargerät kann in einem in der Hand zu haltenden System untergebracht werden, um unter dem Wasserspiegel in unmittelbarer Nähe von Zielobjekten benutzt zu werden, oder das System kann ein Teil eines ferngesteuerten oder automatischen Systems sein, welches benutzt wird, um Gegenstände unter dem Meeresspiegel zu ermitteln, und zwar einschließlich solcher Gegenstände, die auf dem Meersboden ruhen oder in diesem eingebettet sind.
  • Die Längsachse, entlang welcher die Strahlen gerichtet werden, wird in Ausdrücken auf dem Gebiet der Ultraschallortung als Ziellinie 14 bezeichnet, d.h. die Richtung des Ziels des Ultraschallstrahls.

Claims (8)

  1. Vorrichtung zur Ortung eines in einem Fluid untergetauchten Gegenstandes mit einer Mehrzahl akustischer Wandler (6), die in ihrer gegenseitigen Beziehung so angeordnet sind, dass wenigstens zwei Längsstrahler (2, 4) gebildet werden und die physikalische Beziehung zwischen den wenigstens zwei Längsstrahlern (2, 4) einen Winkelabstand zwischen den Längsachsen der akustischen Strahlen (10, 12) erzeugt, die durch die Längsstrahler (2, 4) gebildet werden und der Winkel zwischen den Strahlen (10, 12) eines jeden Längsstrahlers (2, 4) im Wesentlichen äquivalent zur Breite des so geformten Strahles ist, wobei der Winkelabstand der Strahlen (10, 12) die Auflösung der Winkellage von Gegenständen bewirkt, die in einer Entfernung vom Ende der Längsstrahler (2, 4) angeordnet sind, die beträchtlich kleiner ist als die maximale Breite der Strahlen (10, 12) über dem Fernfeld.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Wandler (6) Rundstrahlwandler sind.
  3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, bei welcher die Charakteristiken der Strahlmuster der Längsstrahler (2, 4) im Wesentlichen identisch sind.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die Strahlen von jedem Längsstrahler im Wesentlichen symmetrisch zur Ziellinie (14) verlaufen.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Verwendung auf einem Schiff.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Verwendung auf einem Unterseeboot.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Verwendung in einem Handgerät.
  8. Verfahren zur Ortung von Gegenständen, die in einem Fluid untergetaucht sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) es werden mehrere Gruppen akustischer Wandler (6) relativ zueinander derart angeordnet, dass wenigstens zwei Längsstrahler (2, 4) gebildet werden; und b) es wird ein Winkelabstand zwischen den Längsachsen der akustischen Strahlen (10, 12), die von den Längsstrahlern (2, 4) erzeugt werden, gemäß der physikalischen Beziehung zwischen den wenigstens zwei Längsstrahlern erzeugt und der Winkel zwischen den Strahlen (10, 12) eines jeden Längsstrahlers (2, 4) im Wesentlichen äquivalent zur Breite des so geformten Strahles ist, wobei der Winkelabstand eine Auflösung der Winkelortung der Gegenstände liefert, die in Abständen vom Ende der Längsstrahler angeordnet sind, die beträchtlich kleiner sind als die maximale Breite der Strahlen über dem Fernfeld.
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