DE1961748A1 - System fuer die Unterwasser-Schallortung - Google Patents

Description

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vI/Mü München-Pullach, den 8. Dezember 1969

Paris file: M329-A

THE BENDIX CORPORATION, Bendix Genter, Southfield, Michigan, 48075, U.S.A.

System für die Unterwasser-Schallortung

Die Erfindung betrifft Sonar-Systeme (sound navigation and ranging) und insbesondere ein System zum Orten reflektierender Gegenstände und zum Unterscheiden von Gegenständen, die sich in ihren Abmessungen wesentlich von kleineren reflektierenden Gegenständen unterscheiden, und in einer solchen Umgebung auftreten können. Ein typisches ausgesendetes Sonar-Signal besteht aus einem Impuls mit ziemlicher Dauer, wie z.B. 30 bis 100 Millisekunden, wobei dieser Impuls aus einer Trägerfrequenz besteht, die in der Grössenordnung von 10 KHz liegen kann. Es können herkömmliche Prequenzauflösungs- oder Demodulationstechnlken dazu verwendet werden, die Bandbreite des empfangenen Signals, das verarbeitet werden soll, zu begrenzen und dies wird vorgenommen, um einen wesentlichen Geräuschanteil aus dem Signal zu entfernen. Da jedoch die For derung besteht, sich bewegende Gegenstände zu erfassen, kann man die Bandbreite des Empfängers nicht auf den Frequenzbereich des gesendeten Signals schmälern bzw. reduzieren, sondern die Bandbreite muss ausreichend breit sein, um den Dop-

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plerfrequenzVerschiebungen Rechnung zu tragen, diefäurch die sich bewegenden Gegenstände hervorgerufen werden. Das Hauptproblem besteht hierbei im Widerhall, der sich aus dem gesendeten Signal selbst ergibt. Da dieser Widerhall aufgrund zahlreicher Reflektoren oder reflektierender Gegenstände im Wasser verursacht wird, von denen sich einige in Bewegung befinden und einige stationär sind, erstreckt sich das reflektierte Echosignal, das vom empfangendenWandler aufgefangen wird, über ein Frequenzband, diese Echos sind jedoch sehr konzentriert und zwar um die Trägerfrequenz herum und ebenso um Frequenzen, die nahe bei der Trägerfrequenz gelegen sind und diese Echos werden daher notwendigerweise im Empfänger mit verarbeitet.

Eine extrem schmale Strahlbreite reduziert zwar den Widerhall, ein Abtasten bzw. Abfahren eines Gebietes mit ziemlichem Ausmass geht jedoch dann zu langsam vorsieh. Wenn man Jedoch eine grosse Anzahl an Strahlen venendet, so wird die Ausrüstung söir umfangreich und unbequem. Deshalb ist ei oft erforderlich eine Strahlbreite zu verwenden, die breiter ist, als man dies bevorzugen würde, und zwar einfach um ein Gebiet erfassen zu können, ohne einen übermässigen Geräteaufwand ader übermässig grosse Wandler zu verwenden.

Sehr häufig ist das Problem des Widerhalls so schwerwiegend, dass ein geübter Betreibender die Gegenstände mit ziemlichen Ausmassen nur von den Widerhall-slgnalen unterscheiden kann, in-dem er das sichtbar gemachte Signal auf einer Kathodenstrahlröhre beobachtet und gleichzeitig das dieses begleitende Audio-Signal abhört, da ein grosser Reflektor bei nacheinander folgenden Abtastungen sehr viel genauer erscheint, als kleine Streuquellen und gleichzeitig eine unterschiedliche Audio-Charakteristik zeigt. Das Betreiben eines solchen Systems ist selbst für einen erfahrenen Techniker ziemlich

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anstrengend· Relativ unerfahrene Betreibende haben jedoch Schwierigkelten überhaupt irgendein nützliches Signal zu identifizieren· Die Eingruppierung von reflektierenden Gegenständen stellt seit langem eines der Hauptprobleme auf dem Gebiet der Unterwasser-Schallmessung dar.

Es wurde beobachtet, dass, wenn ein Schallortungsimpuls ausgesendet wird, wie z.B. der 30 Millisekundenimpuls, der beschrie- " ben wurde, eine Reihe von Rückkehrimpulsen auftreten, die durch verschiedenartige kleine reflektierende Gegenstände mit ziemlicher Längenausdehnung verursacht werden, dass jedoch Rückkehrsignale von grossen reflektierenden Gegenständen, wie z.B.Schiffen oder Landspitzen ausgedehnt werden und zwar aufgrund der Zeitdauer,die erforderlich ist, damit der ausgesendete Impuls von der nahe gelegenen Seite zur abgelegenen Seite des Gegenstandes wandern kann·

Da die herkömmlichen AuJlösungstechniken, die zuvor beschrieben wurden, nicht effektiv den Widerhall eliminieren können oder auch nur wesentlich vermindern können, scheint die wirkungsvoll- Λ ste Möglichkeit ein Sonar-SjBtem zu verbessern darin zu liegen, ein ImpulsSpektrum zu senden, das in bestimmter Beziehung das Widerhallspektrum beeinflusst und zwar unterschiedlich beeinflusst, als es das Ortungsobjekt-Spektrum beeinflusst. Um dies ausführen zu können, muss man sich vergegenwärtigen, dass erstens das Widerhallspektrum vom Sendelmpulsspektrum abhängig 1st und dass zweitens grosse Ortungsobjekte, wie z.B. Schiffe, dazu neigen, den ausgesetzten ImpulB zu verlängern oder ihn auszudehnen·

Unter Be*ekeiehtigung dieser zwei Tatsachen wurde ein Sendes-pektrum aufgestellt, das einen Sendeimpuls verwendet, der eine Vielzahl an "Ein-" und ^wAus-ⁿSeiten während der normalen

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Sendedauer aufweist. Bei einer Anordnung wurde eine 3,2 Millisekunden "Ein^w-Zeit und eine 3,2 Millisekunden "Aus"-Zeit für eine Sendeöauer verwendet, die eine normale 30 Millisekundenimpulsdauer überschreitet, um einen Impulszug zu erzeugen· Verwendet man diese Impulsbreite (3»2 Millisekunden), dann beträgt die Impulsfolgefrequenz für einen 10 KHz Träger gleich 156 Hz« Würde dies ein unendlicher Impulszug sein, so würde ein Linienspektrum erscheinen, das die gesendete Energie enthalten würde und durch die Impiisfolgefrequenz getrennt sein würde; d.h. ein Linienspektrum f_Q (die Mitte der Empfangsbandbreite) ein weiteren bei f_Q+ der Impulsfolgefrequenz, ein weiteres bei f + zweimal der Impulsfolgefrequenz, und ebenso eines bei f_Q - der Impulsfolgefrequenz und ein weiteres bei f - zweimal der Impulsfolgefrequenz usw.. In Abhängigkeit von dem verwendeten bestimmten Impulszug und in Abhängigkeit von der Empfängerbandbreite, lässt sich der Energiebetrag, der innerhalb der Bandbreite des Sonar-Systems zurückgelangt, steuern. Ein besonderer Vorteil des hier beschriebenen Systems besteht darin, dass die ausgesendete Energie bei den gesteuerten Frequenzen konzentriert liegt und zwar anderen Prequenaen als die Mittenfrequenz (f«) jedoch innerhalb des Empfängerbandpasses, wie z.B₆ f_Q + oder - IPP (Impulsfolgefrequenz).

Dort wo die zuvor beschriebene Ein- und Aussendung von einem grossen Gegenstand, wie z.B. einem Schiff reflektiert wird, dehnt normalerweise das Ortungsobjekt das rtickkehrende Signal um ei^en Betrag., der grosser als 3,2 Millisekunden ist« Normal enveise tritt oisss grosse Dehnung dann auf, wenn die äcpivalfiite Son&rlänge des Gegenstandes sieben und ©inen halben Fass KiQhP beträgt ο Wenn das Rückkehrsignal uiß 3,2 Millisekunden gedehnt wird, wls?ö file A^iseit durch das ausgedehnte Rüekkehr» signal ausgefüllt und der Rückkehrimpuls ähnelt einem normal ausgedehnten, als Rechteck ausgesendeten Rückkehrsignal«Rück-

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kehrsignale, die von kleineren Gegenständen herrühren, füllen nicht aus und weisen eine Dauer auf, die sich mit den individuellen gesendeten Impulsen vergleichen lässt. Dadurch lässt sich das Widerhallsignal durch die Sonarbandbreite reduzieren und durch Verarbeitung nach der Demodulation bzw. nach dem Auf lösen. Diese unterschiedliche Verarbeitung hat eine bedeutende Verbesserung des Signal-Zug-Widerhallverhältnisses am Ausgang zur Folge.

Eine Steuerung der Rückkehrsignaltyp-en, die verarbeitet werden sollen, kann dadurch erreicht werden, indem man die Auszeit des Impulszuges ändert. Als Beispiel für^ z.B. die 3,2 Millisekundenauszeit, muss das Ortungsobjekt eine Ausdehnung von 7 und einem halben Puss in der Sonarlänge hervorrufen. Wenn die Auszeit auf 6,4 Millisekunden erhöht werden würde, so müsste das Ortungsobjekt das Äquivalent von 15 Fuss haben. Es ist daher durch Verändern der Auszeit möglich, die effektive Sonarlänge des Gegenstandes zu bestimmen, die den Impulszug "füllt" und in dem Sonarsystem ein gutes Rückkehrsignal erzeugt. Auf diese Weise lassen sich z.B. Schiffe von dem normalen Widerhall, der durch Meereslebewesen verursacht wird, unterscheiden. Darüberhinaus lässt sich mt Hilfe dieser Technik tatsächlich die äquivalente sonare Länge des reflektierenden Gegenstandes durch Verändern der Auszeit messen und es lässt sich die spezifische Breite oder Periode der Auszeit bestimmen, bei welcher der Rückkehrimpuls gerade anfängt "auszufüllen¹¹, um einen gleichmässigen Impuls zu formen. In ähnlicher Weise kann dieselbe Technik für kürzere Entfernungen verwendet werden, wo sehr viel kürzere Sendeimpulse verwendet werden, wie z.B. ein Einmillisekundenimpuls, der in eine Kette von 0,1 Millisekundenimpulse zerlegt werden kann und diese Impulse in 0,1 Millisekundenintervallen folgen bzw. voneinander getrennt sind. _0R,_G,_NAl

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Ein weiterer Vorteil der Impulszugtechnik die hier beschrieben ist, liegt in der vorgesehenen Steuerung der Frequenz der Amplitudenwelligkeit, die durch Vektoraddition der von vielen Reflektoren gleichzeitig reflektierten Signale verursacht wird. Diese Welligkeiten verschlechtern das Erscheinen des wirklichen Ortungsobjektes und weisen normalerweise die gleiche Frequenz entsprechend dem Ortungsobjekt (f ) auf. Durch Variieren der parameter lässt sich der Impulszug so abwandeln, dass man das Sendes^ektrum so steuern kann, dass die durch Vektoraddition bewirkten Welligkeiten bei einer Frequenz konzentriert werden, die genügend weiet von der Frequenz der Welligkeit entsprechend dem Ortungsobjekt entfernt liegt und dass man sie durch Filterung entfernen kann.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung. In dieser zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Auflösungssystems nach der vorliegenden Erfindung, das in einem Sonarsystem des Strahlphasen-Vergleichstyps eingebaut ist,

Fig. 2 eine Reihe von Kurven zur Veranschaulichung der Art und Weise, in welcher das gesendete S^gial durch das System nach Figur lverarbeitet wird,

Fig· 3 eine Schaltung eines Abschnittes der im Blockdiagramm nach Figur 1 gezeigten zusammenhängenden Schaltung,

Fig. 4 ein Schaltbild von Abschnitten des Videodetektors und der verarbeitenden Filterschaltungen, die in Figur gezeigt sind, und

Flg. 5 ein Blockschaltbild eines Sonarsystems von Strahlamplltudentyp, das das erflndungsgemässe Auflösungssystem enthalte

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InFigur 1 ist ein Paar von Empfänger-Unterwasser-Sehallempfängerelementen oder "Staves" mit den Bezugszeichen i O und 12 angezeigt. Dieser Schallempfängersatz empfängt die reflektierten Sonarsignale und die räumliche Anordnung dieser Schallempfänger ist so getroffen, dass die Signalverzögerung zwischen ihnen eine Phasenverschiebungfewischen den zwei Ausgangsgrössen erzeugt, die eine Punktion des Einfallwinkels ist. Wie dies auf dem vorliegenden Gebiet gut bekannt ist, wird dieser Phasenwinkel dazu verwendet um ein höheres Seitenwlnkelauflösungsvermögen zu erhalten, als man dies mit Hilfe eines einzelnen Strahles mit gleicher Breite erhält. Ein typisches Sonarsystem enthält getrennte Einrichtungen zum Verarbeiten der Signale, die auf jedem von mehreren Sektoren empfangen werden, um ein grosses Gebiet abzutasten, diese Einrichtungen stellen jedoch keinen wesentlichen Teil der vorliegenden Beschreibung dar·

Die Sonarsignale, die von den Schallerapfängern 10 und 12 aufgefangen werden, werden in Strahl-formenden Schaltungenl6 verarbeitet, deren Funktion, wie dies gut bekannt ist, darin besteht die Eingangssignale aus den verschiedene Schallauffängern g zu verbinden, die durch die Schallauffänger 12 und 10 darstellt sind, um daraus zwei diskrete elektrische Signale zu bilden, die den rechten und linken Strahl repräsentieren, die etwas räumlich voneinander versenden empfangen werden.

Das diskrete linke und rechte Signal wird dann In getrennten Empfängerkanälen 18 und 20 verarbeitet, wobei diese Kanäle typisch einen örtlichen Oszillator, eine Misoberstufe und Zwischenfrequenzenverstärkerstufen aufweisen, die auf dem vorliegenden Gebiet gut bekannt sind. Die getrennten linken und rechten Verstärker enthalten ebenso Filter* die ein Auflösungsvermögen gegenüber der Trägerfrequenz(f_Q) besitzen und zwar aufgrund der Amplitudenwelligkeit, auf die welter oben bereits

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hingewiesen wurde, wobei jedoch benachbarte Seitenbänder übertragen werden können, Das Ausgangssignal besteht aus einer Reihe von positiven und negativen Impulsen, die in einer Phasenvergleichsstufe 22 verarbeitet werden, wobei diese Stufe für jeden Kanal einen Begrenser aufweisen kann und ebenso eine Multivibratorschaltung, die die begrenzten Empfängerimpulse empfängt und positiv gerichtete und negativ gerichtete Rechteckswellen erzeugt, die symmetrisch sind, wenn zwischen der linken und rechten Smpfängerausgangsgrösse keine Phasendifferenz besteht und erzeugt relativ längere oder kürzere Impulse von einer Polarität oder der anderen Polarität, um die Grösse und Richtung der Phasendifferenzen zwischen dem rechten und linken Signal anzuzeigen. Die Ausgangsgrösse des Phasenvergleichers 22 wird in einem herkömmlichen Ablenkverstärker 23 verstärkt und wird dann der Ablenkvorrichtung 44 zugeführt (die in diesem Fall/einer Kathodenstrahlröhre dargestellt is$, und zwar so zugeführt, dass die Lage des reflektierenden Gegenstandes als ein leuchtender Punkt angezeigt wird und zwar in einem Abstand links oder rechts von der Mitte des Sektors, der abgetastet wird. Der Abstand vom Empfänger wird in typischer Weise durch den Abstand von der Mitte der Kathodenstrahlröhre 24 angezeigt, dessen Kippschaltungen zeitlich so gesteuert sind, dass sie mit dem gesendeten Impuls beginnen»

Um dia Ausgangsimpulse aus dem linken und dem rechten Signalempfäßgsr 18 iiM 20 zu empfangen^ ist ebenso ©ine Yideodetsktorschaltung 26 angesehloosan bzw» an den Mittslabgriff eines IJidersua-sdss 28' abgeschlossen, der swischon die Aus gangs an-. L·ΰhlüs~■& d@r liäEpjuiugsr- geschaltet ist» Diese Sehalt'mg dieat als V-si⁵st;äPke?^> ujiti I>atektcp für das rückksiir-enöe Irapiilesignal, das ämui zn eiKsr sufcomatils jha;; Ye im tärküngsivegs lungs schal t'üiig 27 gelangt₉ die sii den Er-pfängern 18 nnä 20 rückgekoppelt iac und gelangt durßh ein verarbeitendes Filter 28 _$ bevor das Sig»

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nal als ein Videoimpuls der Kathodenstrahlröhre 24 zugeführt wird. Das Ausgangssignal aus der Phasenvergleicherstufe 22 wird ebenso der zusammenhängenden Fsilwinkelschaltung 30 zugeführt, die dem verarbeitenden Filter 28 eine Eingangsgröße liefert. Die Punktion der Peilwinkel-zusammenhängenden Schaltung und der Filterschaltung besteht darin, einen wesentlichen Geräuschanteil aus dem rückkehrenden Signal zu beseitigen. Die Ausgangs grösse aus der Phasenvergleicherschaltung enthält typisda einen wesentlichen Teil der Hochfrequenzkomponenten, die durch den Widerhall verursacht wurden und eine wesentliche Anzahl von kleinen Reflektoren,' ein Signalrücklauf, der von einem Gegenstand mit ziemlichen Abmassen verursacht wurde, bewirkt jedoch, dass das Signal eine ziemliche Gleichstromkomponente hervorruft und zwar für eine wesentlich längere Zeit-dauer , so dass der wesentliche Anteil der reflektierten Energie angezeigt wird. Mit Hilfe eines Hochpasses in der Schaltung 28 wird die Hochfrequenzkomponente des Signales abgetrennt und dazu verwendet einenTransistorschalter anzusteuern und zwar im verarbeitenden Filter 28, der bewirkt, dass die Hochfrequenzkomponenten im Videodetektorausgang geerdet wer/und die kohärenten Signale der Kathodenstrahlröhre 24 zugeleitet werden. Diese Schaltungen werden im folgenden im einzelnen näher beschrieben.

Die Senderkomponenten sind in der unteren Reihe der Blockschaltung gezeigt und sie enthalten den Sender-Wandler 14, der vom Leistungsverstärker 32 angetrieben wird. Dieser Verstärker empfängt ein Hochfrequenzsignal, das in einem Oszillator 34 erzeugt wird, und diese Oszlllatorausgangsgrösse, die in der Grössenordnung von 10 KHz liegen kann, kann mit Hilfe eines Modulators 36 moduliert werden. Dem Oszillator 34 wird ein Ausgangssignal von einer Impulszug-arzeugenden Schaltung 38 zugeführt, die in bevorzugter Weise eine digetale Zähleinrichtung aufweist und die ein Einstellsignal von der Zeitsteuer-

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und Regeleinrichtung 40 empfängt, die einfache Handschalter aufweisen kann, um die Länge der 10 KHz-Impulse steuern zu können» die durch den Oszillator und der Zeitsteuerung der Kippschaltungen im Zusammenwirken erzeugt wurden, da ein neuer Kippzyklus mit jedem gesendeten Impuls beginnen sollte. Es ist eine ganz allgemeine Eigenschaft von Sonarsystemen, dass sie Impulse mit unterschiedlicher Länge senden können, da sowohl kurze als auch lange Impulse für verschiedene Anwendungsfälle vorteilhaft sind. Typische Impulslängenwerte sind 3 Millisekunden und 30 Millisekunden. Kürzere Impulse sind weniger annehmbar aufgrund der Einbusse des Auflösungsvermögens kurzer Entfernungen, und längere Impulse weisen offensich-tlich mehr Energie für annehmbare Rückkehrsignale auf, die aus grösseren Entfernungen zurück gelangen·

Ein Rückkopplungssignal aus dem Oszillator 34 wird zur Impulszug-erzeugenden Schaltung 38 durch einen Draht 41 rückgekoppelt. Dieses Rückkopplungssignal sieht eine Oszillatorphaseninformation vor, so dass die Impulszug-erzeugende Schaltung immer die Impulse startet und stoppt und zwar bei einem Nulldurchgang des Oszillators, um hohe Übergangsströme zu vermeiden, die den Leistungsverstärker 32 zerstören könnten. Diese Techniken sind auf dem vorliegenden Gebiet gut bekannt und werden in Signalgeneratoren angewendet, die im Handel sind·

An den Impulszuggenerator 38 1st eine Impulszug-Steuereinrlchtung 42 angeschlossen, die eine Vielzahl von Handschaltern aufweisen kann, um die Impulslänge einzustellen und ebenso die Zelt adschen den Impulsen des Generators 38 und um die Einstellung des Impulszuggenerators 38 mit einer Filtereinstellung in dem verarbeitenden Filter 28 zu koordinieren, um die Länge des Videosignals, das im, Empfänger verarbeitet wird, steuern zu können· Der Impulszuggenerator ist vermittels eines Drahtes 44

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-limit dem Modulator 36 verbunden, um die Ein- und Auszeiten der gesendeten Impulse zu regeln. Daher kann der Impulszuggenerator 38 durch die Steuereinrichtung 40 eingestellt werden, um einen Norm 30 Millisekundenimpuls eines 10 KHz«Signales zu erzeugen, dieses Signal kann jedoch auch weiter moduliert werden und zwar entsprechend der Einstellung der Steuereinheit 42, um den gesendeten Impuls in einen Zug mit einer gegebenen Anzahl an 3 Millisekundenimpulsen zu zerhaken, die eine 3 Millisekundenauszeit aufweisen. Es besteht auch die Möglichkeit, die ¹¹EInzeitⁿ zu verändern und zwar ebenso wie die "Auszeit", oder es können auch beide zur gleichen Zeit verändert werden» Da, wie dies zuvor beschrieben wurde, grosse reflektierende Objekte eine Ausdehnung des rückkehrenden Signals bewirken, die nahezu auf die "eonare äquivalente Länge" des reflektierenden Gegenstandes rückbezogen ist, so ergibt sich, dass beim progressiven Verkürzender "Auszeit", bis die Ausdehnungen gerade anfangen "auszufüllen" oder bis die gesendete Kette gerade beginnt wie ein gleichmässiges Rückkehrsignal an dem Empfänger zu erscheinen, ein Betreibender eine Annäherung der sonaren äquivalenten Länge des reflektierenden Gegenstandes vornehmen kann. Dies wird ausgeführt, indem man die Ausgangs-grösse des Impulszuggenerators 38 durch die Impulsaugeteuereinriehtung *fO verändert ·

Die Betrtfosweise lässt sich besser verstehen, Indem man die Signal-über-Zeitdarstellungen der Figur 2 zu Hilfe nimmt. Die Kurve a zeigt eine Darstellung der glelehföi*mlgeiS Hoshfrtquenzoszillatorausgangsgrössen aus dem Oszillator JA₁ Bis rungs- und Regelschaltung erzeugen eine Ausgangsgrßsse» dia

als

in Zeile b/elne Reihe von Impulsen mit ziefi.iöher Länge (30 Millisekunden) gezeigt ist, die dem Impulszuggenerator- 38 zugeführt werden, um zu bewirken, dass der Modulator 36 nnir für denjenigen Teil des Bereich*»aßstabes das Oszlllato£*signal h

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lässt, der der Länge der Impulse aus der Schaltung 40 entspricht. Die Impulszugsteuereinheit 42 kann jedoch einen Zug an Impulsen erzeugen, wie z.B. 12 Impulse mit 3 Millisekunden Anreit und 3 Millisekunden Auszeit, die in Zeile c gezeigt sind, was die gesamte Länge des Impulses aus cer Schaltung 40 überschreiten kann, in welchem Fall die Steuereinheit 42 die Steuerung der Ausgangsgrösse aus dem Impulszuggenerator 38 für eine längere Zeit übernimmt. Diese Impulse werden zum Modulieren der Oszillatorausgangsgrösse, wie in Zeile b gezeigt ist, verwendet, in welchen Fall der Sender für eine wesentlich längere Zeitdauer sendet, als von der Zeitsteuer- und Regelschaltung 4o gefordert wird. Um zu verhindern, dass diese Ausdehnung in den Empfänger gelangt, verhindern spezielle Austastschaltungen ein Verarbeiten des Signals im Empfänger, bis die Sendekette vervollständigt ist.

In Figur 3 sind Einzelheiten der Peilwinkelschaltung 30 gezeigt. Der Ausgang des Phasenvergleichers ist zwischen einem Anschluss 46 und einer Masseleitung 48 angeschlossen. Das am Anschluss 46 erscheinende Signal wird mit Hilfe eines Widerstandes 49 und einer Kapazität 50 in der Weise gefiltert, dass Hochfrequenzsignale nach Masse abgeleitet werden, wodurch die Zwischenfrequenzträgerkomponente aus dem Signal entfernt wird.

Durch die Kapazitäten 52 und 54 wird darüberhinaus eine Filterung vorgesehen, so dass man dadurch eine Hochpasscharakteristik erhält und die Hochfrequenzkomponenten hindurchgelassen werden, die am meisten den Widerhall und die RefLexionen an den verschiedenartigsten Streupunkten repräsentieren, die räumlich weit verteilt sind. Diese Komponenten werden mit Hilfe der Verstärkerstufen verstärkt, die durch die Transistoren 56 und 58 dargestellt sind und am Anschluss 59 von einer Gleichstromspannungsquelle versorgt werden, und nach Verstärkung werden diese Kompo-

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nenten einem übertrager 60 zug£ührfc» der eine mittelangezapfte Sekundärwicklung aufweist, wobei die Mittelanzapfung an eine Schwelle oder eine Empfindlichkeitseinstellvorrichtung angeschlossen ist, die durch eine Potentiometer 62 gebildet ist. Die gegenüberliegenden Enden der Sekundärwicklung sind über Dioden 6k und 66, über&inen Widerstand 68, mit dem Eingangsanschluss 70 verbunden, der an einen Leiter oder Draht 72 angeschlossen ist und zwar am Eingang zum verarbeitenden Filter-28, das in Figur k gezeigt ist. Die Sekundärwicklung des Übertragers 60 und die Dioden Sk und 66 sorgen für eine Vollwellengleichrichtung für die Hochfrequenzkomponenten der Eingangssignale und diese werden durch den Draht 72 der Basis eines Transistors 7k in dem verarbeitenden Filter 28 zugeführt. Der Transistor Jk arbeitet als Schalter und zwar so, dass, wenn der Transistor leitet, die Hochfrequenzkomponenten des erfassten Signals, das am Kollektor erscheint, nach Masse abgeleitet werden. Die Erapfindliehkeitseinstellvorrichtung, die durch das Potentiometer 62 vorgesehen wird, indem man damit die Schwelle des Schaltpotentials steuert, das der Basis des Transistors 75 zugeführt wird, stellt effektiv eine Einrichtung zum Einstellen der Empfindlichkeit des Empfängers auf bestimmte Hochfrequenzeingangssignale dar. Es kann so eingestellt werden, dass nur be3t-immte sehr kurze Sjjgiale geerdet weifen, oder alle Signale ausser den Signalen geerdet werden, die eine ziemliche Dauer aufweisen, was von dem Bereich abhängt und damit von der Länge oder Dauer des gesendeten Signals unter anderen Signalen.

Die in Figur 4 gezeigte Schaltung enthält einen Videodetektor 26 und das/arbeitende Filter 28, Die Eingangsgröße, die zwischen dem Anschluss 76 und der Masseleitung erscheint, besteht aus dom Summensignal aus den Empfängern 18 und 20, das vom Mittelabgriff des Widerstandes 28* abgegriffen *rd.Dieses Signal, das nicht begrenzt wurde und das sovchl das gewünschte Rückkehr-

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Signal als auch den Widerhall enthält, wird über eine Kopplungskapazität 78 einem Transistor 80 zugeführt, der als Halbwellengleichrichter wirkt. Das gleichgerichtete Signal wird dann der automatischen Verstärkungssteuereinriahtung 27 zugeführt, die aus irgendeiner von mehreren bekannten Sohaltunganordnungen bestehen kann, und dieses Signal gelangt dannzum verarbeitenden Filter 28, das zusätzlich zur Eingangsgröße auß der Schaltung 30 ebenso eine Eingangsgrösse aus der Impulszugrege!einheit 42 empfängt und zwar über einen Draht 82, der an die Basis eines Transistors 84 angeschlossen ist. Dieser iransistor wirkt als Schalter, um die Zeitkonstante des Filters zu regeln, um die Videosignale mit dem gesendeten SJ&iajL, wie dies an der Impulszugsteuereinheit 42 diktiert wird, su koordinieren. Da das gleichgerichtete Signal an dieserStslle die Zwis eigenfrequenzträgerkomponente enthält, wird es durch eine Kapazität 86 gefiltert; das gefilterte Signal wird jedoch einem weiteren Prozess unterworfen und zwar wird es in einem Filter verarbeitet, das aus einem Widerstand 88, einer Diode 90 und den Kapazitäten 92 und 94, sowfe dem Transistor 84 besteht. Der Transistor 84, der leitend für die Grosse aus der Impulszugsteuereinheit 42 vorgespannt ist, arbeitet als Schalter, so dass sich das gleichgerichtete Signal entwafer an der Kapazität 92 aufbauen kann (wenn 84 nichtleitend ist), oder an der Kapazität 94, wenn 84 leitend ist, wodurch man eine Einrichtung zum Steuern der Filterzeitkonstante erhält und zwar entweder durch addieren der kapazitiven Wirkung der Kapazität 94 zu derjenigen der Kapazität 92 oder indem man effektiv die Kapazität 84 aus dem Filter entfernt. Während nur zwei Zeltkonstante-Anordnungen gezeigt sind, können zusätzlich ähnliche Schalter verwendet werden, um weitere Kapazitäten, je nach Wunsch hinzuzufügen oder zu entfernen, und die dem gleichgerichteten Signal zugeteilte oder zugewiesene Zeltdauer, während welcher sich da« gleichgerichtete Signal Im filter 28 aufbauen kann, zu steuern. Diese Zeit

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ist natürlich mit dem Sendeimpuls koordiniert.

Wie zuvor bei der Beschreibung des Senders angedeutet wurde, können die gesendeten Signale aus kurzen Impulsen wie z.B. 3 Millisekunden oder aus längeren Impulsen wie z.B. 30 Millisekunden bestehen. Wenn eine Betriebsweise gefordert ist, bei der eine Reihe von Impulsen mit kleinem Abstand erzeugt wird, kann der gesamte Impulszug bedeutend länger sein als dies durch die Steuereinrichtung ¹JO gefordert wird. Wenn eine ReIb von Impulsen mit kurzem Abstand gesendet wird, so werden diese als eine Reihe von Impulsen mit dichtem Abstand zurückkehren, wenn der reflektierende Gegenstand nicht ein solches Ausmass hat, dass die Zwischenräume dadurch ausgefüllt werden. Wenn kurze Impulse zurückkehren, hat man festgestellt, dass das herkömmliche R-C-Pilter, das aus dem Widerstand 88 und den Kapazitäten 92 und 9k besteht, so arbeitet, dass sich eine Spannung an den Kapazitäten aufbauen kann. Dadurch fällt auch die Spannung zwischen den Impulsen nicht vollständig ab. Dieser Effekt ist nicht gewünscht, da dadurch das Signal so erscheint, als ob es von einem grossen Reflektor her stamme; es ist die Diode 90 vorgesehen, um derartig kurze Impulssignale zu "dämpfen" oder diese schneller nach Masse abzuleiten. Bei einem empfangenen Impuls der über eine ziemliche Zeitdauer nicht auf Null abfällt, fährt das Signal fort an den Kapazitäten, trotz der Diode 90, höhere Spannungswerte aufzubauen. Die Diode entleert die Kapazität nur, wenn die Eingangsspannung niedriger ist als die Ladespannung an der Kapazität und die Kapazität wird nur um den Differenzbetrag entladen.

Die Eingangsgrösse auf dem Draht 72 stellt das Hochfrequenzsignal aus der Pellwlnkelschätung 30 dar, das empfangene Signale enthält, die für den Widerhall repräsentativ sind, "eben-so repräsentativ für kleine Streureflektoren und Phasenauslösch-

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Schwankungen usw. Es ist nicht erwünscht, solche SJgiale abzulenken, so dass diese Eingangsgrösse der Basis des Transistors 7*1 zugeführt wird, so dass dieser Transistor das erfasste Signal nach Masse ableitet und zwar zum selben Zeitpunkt, zu dem die HochfrequenzkompoBnten erscheinen. Dadurch enthält das der Kathodenstrahlröhre zugeführte Helligkeitssignal nur Impulse mit bedeutender Länge, die Gegenstände mit ziemlichen Ausmassen repräsentieren.

In Figur 5 ist das erfindungsgemässe Signal-verarbeitende System in Verbindung mit einem Sonarsystem vom vorgeformten Strahlamplitudentyp gezeigt (preformed beam amplitude type). Dieses System verwendet eine Vielzal von sehr schmalen Strahlen, die möglich werden, wenn ein sehr grosser Wandler verwendet wird, bei dem eine grosse Anzahl an Elementen oder "Staves" vorgesehen ist. Viele der Teile sind mit demjenigen, die in Figur 1 gezeigt sind, identisch oder können mit diesen identisch sein. Auch hier bezieht sich die Beschreibung auf einen .einzelnen Kanal und es sei hervorgehoben, dass eine Anzahl von identischen Empfängerkanälen verwendet werden würde undfewar mit herkömmlichen Schaltereinrichtungen, um wiederholt die Empfängerausgangsgrössen abzutasten, um eine Darstellung oder Oszillogramm entsprechend vollen 360° vorzusehen.

Die reflektierten Signale werden an den Empfänger-Unterwasserschallempfängern 100 aufgefangen, die die akustischen Signale

in elektrische Signale konvertieren, und sie werden einem Vorzugeführt verstärker und Strahl-formenden Schaltungen!^/ Obwohl ein Signal tatsächlich von einer Vielzahl benachbarter Hydrophone empfangen werden kann, arbeiten Strahl-formende Schaltungen in einer Weise, die auf dem vorliegenden Gebiet gut bekannt ist, um einen Signalstrahl zu erzeugen. Diese Signale werden in herkömmlichen AVR-Verstärkern 104 verstärkt, in Videodetek-

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torsehaltungen 106 erfasst, und werden dann einem verarbeitenden Filter 108 zugeführt. Das verarbeitende Filter 108 enthält einen Eingang von einer Impulszug-Steuersehaltung 110, die im wesentlichen dieselbe wie die in Figur 1 sein kann. Das Filter 108 kann dem Filter 28 sehr ähnlieh s^in mit der Ausnahme, dass das Filter 108 keinen Eingang au' einem Transistorschalter von einer Peilwinkelschaltung besitzt, da dieses System in erster Linie auf Amplitudeninformationen arbeitet, also nicht auf Peilwinkel-informationen. Es enthält natürlich einen Schalter zum Steuern der Zeitkonstante des Video-Signals. Die Ausgangsgrösse aus dem verarbeitenden Filter 108 wird einer Strahlabtast-Schaltereinrichtung 112 zugeführt, die in üblicher Weise ausgelegt bzw. beschaffen sein kann, und gelangt von dort zu einer Kathodenstrahlröhre 114. Die Strahl- Abtastschaltereinrichtung 112 kann Empfängersignale für eine grosse Anzahl von Strahl-Verstärkerschaltungen, wie z.B. 36 oder 48 vorsehen.

Im Sender kann die Reihe der Komponenten· im wesentlichen identisch mit derjenigen der Figur 1 sein. Die Zeltsteuer- und Rege Is ehalt ungen 116 fragen Sendeimpulse einer gewünschten Länge ab und sie koordinieren die Kathodenstrahl-Kippschaltungen so, dass eine Ablenkung pro gesendetem Impuls oder in diesem Fall, des gesendeten Impulszuges auftritt. Diese Abfrage, die in ähnlicher Weise erscheinen kann wie Zeile b in Figur 2, wird der Impulszug-Generatorschaltung 118 zugeführt, die dieses Signal dem Sender-Oszillator 120 zuführt und ebenso dem Modulator 122, der die Oszillatorausgangsgrösse, wie gefordert, steuert, um lange oder kurze Impulse in der Oszillatorfrequenz vorzusehen. Die Steuereinheit 110 sieht, zusätzlich zum Vorsehen eines Signales zum Verarbeitenden Filter 108, um die Filterzeitkonstante mit der Länge oder der Dauer des gesendeten Impulses zu koordinieren,eine Einrichtung zum Verändern der ^wEin^H- und "Aus"-Zeit des gesendeten Impules vor. Dadurch kann der gewünsch-

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te Impulszug abgefragt bzw.vorgesehen werden und die"Aus"-Zeit kann so geändert werden, dass eine Annäherung der "sonaren. äquivalenten Länge· des reflektierenden Gegenstandes, wie dies an früherer Stelle beschrieben wurde, möglich ist, In dem Ausmass, in dem der Impulszug die Impulslänge durch die Eeitsteuer- und Regelschaltung 116 überschreitet, empfängt der Empfänger Austastsignale, um ein direktes Vorarbeiten des Sendeimpules zu verhindern.

Aus dem Vorangegangenen lässt sich erkennen, dass die Erfindung^ ein System schafft, um zwischen Signalen unterscheiden zu können, die Gegenstände von grossen Abma?sen darstellen, und denjenigen, die von kleineren Gegenständen herrühren, die Widerhall verursachen, wie z.B. Fische usw. Durch Konvertieren eines Impules, der eine ziemliche zeitliche Länge aufweist, in einen Impulszug mit kurzen Intervallen keiner Enörgie, bewirken die kleinen Ortungsobjekt3, dass nur kurze Impulse zurückgeworfen werden, die grob der Länge der individuellen gesendeten Impulse entsprechen. Die Energie, die/das Wasser abgegeben wird, lässt sich mit derjenigen der einzelnen Unterbrecherimpulse vergleichen und grosse Ortungaobjekte werfen ein Reflexionssignal zurück, das in Pomeines nicht unterbrochenen Impulses erscheint, da die grossen Gegenstände defl gesendeten Impuls dehnen oder ihn füllen. Man erhält dadurch einen relativ richtungsbetriebenen Prozess, um die kürzeren Rückkehrimpulse von den grösseren bzw. längeren Rückkehrsignalen auszufiltern und dieses System stellt einen wesentlichen Port schritt in der Sonar-Darstellung dar.

Sämtliche in der Beschreibung erkennbaren und in der Zeichnung dargestellten Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

BAD ORIGINAL

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Iy Signalerzeugendes und verarbeitendes System für ein Sonargerät, bestehend aus einem Empfänger mit einem Empfänger-Wandler und einer Empfängerkette, in der ein Detektor enthalten ist, welter mit einer Einrichtung zum Verarbeiten des Signals nach der Demodulation, und mit einer oszillograitlsch darstellenden Einrichtung; ferner aus einem Sender mit einem Sender-Wandler und einer Sender-Kette, die einen Leistungsverstärker zum Treiben des Sender-Wandlers aufweist, weiter mit einem Oszillator zum Erzeugen eines Hochfrequenzsignales, das dem Leistungsverstärker zugeführt wird, und mit einer Steuereinrichtung zum Steuern der Sendedauer des Oszillatorausgangssignals und zum Steuern der Intervalle zwischen den Perioden, um Unterwasserortungsimpulse zu erzeugen; dadurch gekennzeichnet, dass das signalerzeugende und verarbeitende System folgendes enthält: eine Impulssteuereinrichtung (36,38,42 -122, 118, 110), die der Steuereinheit (40 - 116) zugeordnet ist, zum Modulieren der Unterwasser—ortungsimpulse, um zu sendende Impulszüge zu erzeugen, die aus einer Reihe von Kurzimpulsen aus dem Oszillatorsignal bestehen und die kurze Perioden keiner Energie zwischen sich aufweisen; weiter eine Filtereinrichtung (28-108), die einen Teil der verarbeitenden Einrichtung, die nach der Demodulation wirksam wird, bildet, um effektiv empfangene Sjgiale von einer Dauer auszufiltern, die mit der Dauer der Kurzimpulse vergleichbar 1st, während die empfa-ngenen Signale mit gösserer Dauer die oszillografisch darstellende Einrichtung (24 114) erreichen können·

   2, System nach Anspruch 1, dadunh gekennzeichnet, dass die Piltereinrichtung (28-108) folgendes enthält: eine Zeitkonstante-Schaltung, die aus einer ersten Kapazität (92) und einem Widerstand (88) besteht; einer zweiten Kapazität (94), die zur ersten

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   Kapazität parallel geschaltet ist; und eine Sdultervorrichtung (84), die auf die impulssteuernde Einrichtung (36, 38, 42 - 122, 118, 110) zum Steuern der Leitfähigkeit zwischen der zweiten Kapazität und Masse (Erde) ansprechen kann, um die effektive Zeitkonstante der Piltereinrichtung (28-108) verändern zu können.

   3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die Schaltung, die aus dem Widerstand (88) und der ersten Kapazität (92) besteht,eine Diode (90) so eingeschaltet ist, dass kurze Impulssignale, die an der erden Kapazität eine Spannung aufbauen wollen, nach Masse (Erde) währenddes Intervalles zwischen den kurzen Impulsen abgeleitet werden.

   4. System nach Anspruch 1, für ein Sonargerät, dessen Empfängerkette strahlformende Schaltungen enth-ält, die Signale erzeugen, die kennzeichnend für ein Paar sich überlappender vom Mittelpunkt verschobener Phasen-Strahlen sind, mit getrennten Empfängerkanälen für jedes der Signale und mit einer Phasenvergleichseinrichtung zum Empfangen der Ausgangsgrößen aus den Empfängerkanälen und um eine Ausgangsgrösse für die oeillografiseh darstellende Einrichtung vorzusehen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochpassfilter (30) vorgesehen ist, das mit der Ausgangsgrösse aus der Phasenvergleichseinrichtung (22) versorgt wird, und dass weiter ein Schalttransistor (74) vorgesehen ist, der durch die Ausgangsgrösse des Hochpassfilters (30) steuerbar ist und die Piltereinrichtung (28) so eingeschaltet ist, dass, wenn der Transistor (74) leitet, das empfangene Signal nach Masse (Erde) abgeleitet Wird.

   5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulssteuereinrichtung (36, 38, 42 - 122, 118, 110) einen Modulator (36-122) enthält, der zwischen den Oszillator (34-120) und dem Leistungsverstärker (32-124) geschaltet ist, und dass weiter eine Rückkopplungsschleife (42) vom Oszillator (34-124)

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   zu einem Teil (38-118) der Impulsstsuereinrichtung (36,38,42-112,118,110) führt, um den Teil (38~118) zu steuern, um dadurch den Modulator (36-122) nur dann aus-und einsehalten bzw. ansteuern zu können, wenn die momentane Ausgangsgrösse des Oszillators (34-120) einen Viert von im wesentlichen Null aufweist.

   6. System nach Anspruch I₄ dadurch gekennzeichnet, dass die Impulssteuereinrichtuiig (36_a38,l|2«-122,llC,110) einen einstellbaren Teil (42-110) zum Verändern eier Dauer der kurzen Perioden, die keine Energie im Signal darstellen und/oder der kurzen Impulse, aufweist, um den Punkt zu bestimmen, bei welchem der Empfänger gerade anfängt in die länge gezogene Impulse von reflektierenden Degenständen zu empfangen, die über die kurzen Impulse vorhersehend sind.

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