DE19857760C1

DE19857760C1 - Verfahren zur passiven akustischen Peilung eines Schall ins Wasser abstrahlenden Ziels

Info

Publication number: DE19857760C1
Application number: DE19857760A
Authority: DE
Inventors: Hanns-W Leuschner
Original assignee: STN Atlas Elektronik GmbH
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 1998-12-15
Filing date: 1998-12-15
Publication date: 2000-03-23
Anticipated expiration: 2018-12-16

Abstract

Zwecks Verbesserung der passiven akustischen Peilung eines schallabstrahlenden Ziels durch einen Torpedo in Hinblick auf vergrößerte Auffaßreichweite und/oder Trennung von Ziel und Störern wird der mit einer elektroakustischen Empfangsvorrichtung ausgestattete Torpedo zur Peilungsnahme auf eine Bahnkurve mit ständig wechselndem Kurs (Torpedomanöver) gezwungen. Während des Torpedomanövers wird im Frequenzspektrum der elektrischen Ausgangssignale der Empfangsvorrichtung mindestens eine Frequenzlinie ausgesucht und deren Dopplerverschiebung fortlaufend bestimmt. Der momentane Kurs des Torpedos bei Auftreten der maximalen Dopplerverschiebung wird als Zielpeilung ausgegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur passiven akustischen Peilung eines Schall ins Wasser abstrahlenden Ziels durch einen Unterwasserlaufkörper, insbesondere Torpedo, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung, wie sie beispielsweise aus der DE 34 20 545 A1 bekannt ist.

Torpedos werden mittels verschiedener akustischer Lenkverfahren ins Ziel gelenkt, wobei sich die Torpedos in unterschiedlichen Bahnkurven dem Ziel bis zum eigentlichen Treffpunkt nähern. Solche bekannte Bahnkurven sind Hundekurven, Schielwinkelkurven, Kollisionskurve (proportionale Navigationskurve) und Kombinationen davon. Die akustisch gelenkten Torpedos verfügen hierzu über eine akustische Ortungseinrichtung, mit welcher Ziele passiv gepeilt werden können. Aus dem Peilwinkel werden Steuersignale für die Lenkung zur Kurskorrektur des Torpedos generiert.

Bedingt durch die kleinen räumlichen Abmessungen im Torpedo können passive akustische Ortungseinrichtung im Torpedo nur in einem höheren Frequenzbereich arbeiten und damit nur einen relativen kleinen Frequenzbereich des im allgemeinen sehr breitbandig abgestrahlten Zielgeräusches erfassen. Da höhere Frequenzen im Wasser sehr viel stärker gedämpft werden als niedrigere, ist die Auffaß- und Detektionsreichweite der Torpedosonare beschränkt, so daß die Torpedos recht nahe ans Ziel herangeführt werden müssen, bevor eine akustische Eigenlenkung einsetzen kann.

Zur Torpedoabwehr werden als sog. Softkillmaßnahmen vom Ziel häufig Störer ausgesetzt, die im Frequenzbereich der Torpedosonare starke Störgeräusche abstrahlen, um die Zielgeräusche akustisch zu überdecken, so daß das Torpedosonar nicht in der Lage ist, Ziel- und Störgeräusch zu trennen, und den Torpedo weg vom Ziel zum lautstärkeren Störer lenkt (DE 29 26 195 C1).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur passiven akustischen Peilung eines Ziels von einem Torpedo aus anzugeben, mit dem das Ziel auf einer wesentlich größeren Distanz zuverlässig gepeilt werden kann.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß es in einem tiefen Frequenzbereich arbeitet, in dem Ziele weitreichende tiefe Frequenzen relativ schmalbandig abstrahlen. Werden solche schmalbandigen Frequenzlinien in den Ausgangssignalen der akustischen Empfangsvorrichtung detektiert, so kann durch das eingeleitete Torpedomanöver die Peilung zum Ziel bereits bestimmt werden, weit bevor das eigentliche Torpedosonar für die akustische Torpedolenkung selbst das Ziel auffaßt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist der Torpedo auch in der Lage, Störer und echte Ziele voneinander zu trennen, da die vom Störer herrührenden Frequenzen im Frequenzspektrum der Empfangssignale der Empfangsvorrichtung in einem völlig anderen Frequenzbereich liegen, als die vom Ziel abgestrahlten Frequenzlinien. Nach der Ermittlung der Peilung zum Ziel wird diese Peilung zur weiteren Lenkung des Torpedos ins Ziel (und nicht auf den Störer) verwendet und der vom Torpedosonar aufgefaßte Störer ausgeblendet.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, Ziele in einem Schiffsverband zu trennen und selektiv zu bekämpfen, wenn dieser aus unterschiedlichen Schiffstypen zusammengesetzt ist und damit unterschiedliche Frequenzlinien im tiefen Frequenzbereich abstrahlt. Überträgt der Torpedo via Nachrichtenleitung die Daten (Frequenz und Peilung) zum Führungsboot (U-Boot), so kann dort die Zielauswahl getroffen und dem Torpedo für den weiteren Angriff übertragen werden.

Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird als Bahnkurve für das Torpedomanöver ein mindestens einmal über die Verbindungslinie Ziel/Torpedo hinwegführender Mäanderabschnitt vorgegeben. Alternativ wird als Bahnkurve für das Torpedomanöver ein Vollkreis vorgegeben, den der Torpedo über 360° durchläuft. Letztes hat den Vorteil, daß der Hub der Frequenzänderung maximal ist und sich zusätzlich die Zielfrequenz als Mittenfrequenz aus dem Frequenzhub ermitteln läßt, die zu einer Klassifizierung des Ziels verwendet werden kann.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:

Fig. 1 ein Blockschaltbild für eine akustische Torpedolenkung in Verbindung mit einer passiven akustischen Zielpeilung

Fig. 2 und 3 jeweils eine Draufsicht eines Torpedomanövers zur Zielpeilung gemäß zweier Ausführungsbeispiele

Fig. 4 ein Diagramm der Frequenz über der Zeit als Ergebnis einer Signalanalyse bei einem Torpedomanöver gemäß Fig. 3

Fig. 5 ein Diagramm der Frequenz über den Torpedokurs bei einem Torpedomanöver gemäß Fig. 2.

Der Torpedo 10 verfügt bekannterweise über einen Antrieb 11, ein Ruder 12, eine Lenk- und Steuervorrichtung 13, eine akustische Ortungsvorrichtung, das sog. Torpedosonar 14, sowie über ein Lagereferenzsystem 15, meist ein zweiachsiger Kreisel, der den momentanen Kurs des Torpedos 10 bestimmt und an die Lenk- Steuervorrichtung 13 meldet. Das Torpedosonar 14 weist mit einem akustisch empfindlichen Empfangssektor in Vorausrichtung des Torpedos 10, wobei der Empfangssektor symmetrisch zur Torpedoachse fest ausgerichtet und einen Öffnungswinkel von z. B. +70° bis -70° aufweist. Die akustische Antenne des Torpedosonars 14 besteht aus einer Vielzahl von Wandlern, die zum Aufspannen des Empfangssektors in Horizontalrichtung aneinandergereiht sind, wobei in Vertikalrichtung mehrere Reihen übereinander liegen. Das Torpedosonar 14 liefert Peilwinkel zum Ziel durch Feststellen der Richtung des maximalen Schallpegels im Empfangssektor.

Zusätzlich zu den Torpedosonar 14 ist im Torpedo 10 eine passive akustische Peilvorrichtung 16 für eine Zielpeilung in einem Frequenzbereich vorgesehen, der weit unterhalb des vom Torpedosonar 14 überdeckten Frequenzbereichs liegt. Die Peilvorrichtung 16 weist hierzu eine elektroakustische Empfangsvorrichtung auf, die hier als Hydrophon 17 mit Rundumcharakteristik ausgebildet ist. Das Hydophon 17 ist so in der Torpedohülle angeordnet, daß der Schalleinfall über 360° an keiner Stelle vom Torpedokörper abgeschattet wird. Am Ausgang des Hydrophons 17 ist ein Vorverstärker 18 angeschlossen, dem ein Filter 19 nachgeschaltet ist. In einem hier als Fast-Fourier Transformator (FFT) 20 ausgebildeten Frequenzanalysator wird das Frequenzspektrum der vorverstärkten, gefilterten Ausgangssignale des Hydrophons 17 gebildet, das in einer Auswerteeinheit 21 zur Ermittlung der Zielpeilung ausgewertet wird. Um aus dem Frequenzspektrum Frequenzlinien zu eliminieren, die von dem Antriebsgeräusch des Torpedos selbst herrühren, wird der Auswerteeinheit 21 über die Eingabestelle 22 eine sog. "a-priori-Information" über das torpedoeigene Frequenzspektrum zugeführt. Die Fast- Fourier Analyse wird mit einer Zeitkonstanten durchgeführt, die sehr viel kleiner ist als die Zeit, die der Torpedo 10 für die Ausführung eines noch nachstehend beschriebenen Manövers benötigt.

Die passive akustische Peilung eines Schall ins Wasser abstrahlenden Ziels wird mit der Peilvorrichtung 16 nach folgenden Verfahren durchgeführt, wobei auf die Darstellungen der Fig. 2 bis 5 Bezug genommen ist:

Sobald im Frequenzspektrum der Ausgangssignale des Hydrophons 17 eine ausgeprägte, schmalbandige Frequenzlinie im tiefen Frequenzbereich detektiert wird, gibt die Auswerteeinheit 21 ein Auslösesignal an die Lenk- und Steuervorrichtung 13, wodurch ein Torpedomanöver ausgelöst wird, während dessen der Torpedo 10 auf eine Bahnkurve mit ständig wechselndem Kurs gezwungen wird. Die in der Lenk- und Steuervorrichtung 13 vorprogrammierte Bahnkurve ist in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ein Vollkreis, den der Torpedo 10 mit stetig wechselndem Kurs durchläuft. Verschiedene Positionen des Torpedos, die dieser während des Torpedomanövers einnimmt, sind in Fig. 2 strichliniert angedeutet. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist ein mäanderförmiges Torpedomanöver programmiert, wobei der Torpedo 10 einen Mäanderabschnitt durchläuft, der mindestens einmal, im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 zweimal, über die Verbindungslinie 23 zwischen Ziel und Torpedo 10 hinwegführt. In beiden Beispielen der Fig. 2 und 3 ist angenommen, daß ein Ziel genau im Norden, also auf der Kompaßrose genau unter 0°N liegt.

Wie bekannt, ist die vom Hydrophon 17 empfangene Zielfrequenz um den durch die Torpedobewegung verursachten Doppler zu größeren oder kleineren Frequenzen verschoben, je nachdem, ob sich der Torpedo auf das Ziel zubewegt oder sich von diesem entfernt. Das Hydrophon 17 empfängt damit die Zielfrequenz f₀ mit der Frequenz f gemäß

wobei α der Winkel zwischen der Torpedoachse (Bezugszeichen 24 in Fig. 2 und 3) und der Verbindungslinie Torpedo/Ziel (Bezugszeichen 23 in Fig. 3) ist. Der gegen die Nordrichtung N gemessene Kurs des Torpedo ist mit ϑ in Fig. 2 und 3 eingezeichnet.

Durch das vom Torpedo 10 ausgeführte Manöver gemäß Fig. 2 oder 3 verändert sich mit laufend wechselndem Torpedokurs und damit sich veränderndem Winkel α auch die Empfangsfrequenz f im Frequenzspektrum des Hydrophons 17, was in Fig. 4 für eine angenommene, schmalbandige Frequenzlinie dargestellt ist. Dabei ist unterstellt, daß der Torpedo 10 das Manöver gemäß Fig. 3 fährt. Bewegt sich der Torpedo 10 direkt auf das Ziel zu (hat also in Fig. 3 einen Kurs von ϑ = 0°), so ist der Doppler maximal, was zu den Zeitpunkten t₁, t₃ und t₅ der Fall ist. Die Frequenz f nimmt ihren maximalen Wert f₀ an. Verläuft der Torpedo 10 dagegen unter einem spitzen Winkel zur Verbindungslinie 23, was zu den Zeitpunkten t₂ und t₄ der Fall ist, so wird bedingt durch den kleineren Doppler die Frequenz f kleiner und nimmt ihren unteren Wert f_U an. Der in Fig. 4 erkennbare Frequenzhub Δf ist deutlich höher als die typische Linienbreite der Frequenzlinie f.

In der Auswerteeinheit 21 wird nunmehr in dem von dem FFT 20 gelieferten Frequenzspektrum eine solche signifikante Frequenzlinie ausgesucht und deren Frequenzänderung während des Torpedomanövers fortlaufend bestimmt. Der momentane Kurs ϑ des Torpedos 10 beim Auftreten der maximalen Frequenzänderung, also des größten Frequenzhubs Δf (maximale Dopplerverschiebung), wird als Zielpeilung ausgegeben. Da zu jedem Zeitpunkt t₁ bis t₅ auch der Torpedokurs ϑ bekannt ist, läßt sich aus dem Zeitdiagramm der Fig. 4 die Zielpeilung ohne weiteres bestimmen. Im Beispiel der Fig. 3 und 4 ist der Kurs des Torpedos 10 zu den Zeitpunkten t₁, t₃ und t₅ 0°, so daß als Zielpeilung ebenfalls 0° ausgeben wird.

Zur einfachen Bestimmung der maximalen Dopplerverschiebung der Frequenzlinie wird aus dem Zeitverlauf des Frequenzspektrums gemäß Fig. 4 die Frequenzlinie als Funktion des Torpedokurses ## ermittelt, was problemlos mit den zu jedem Zeitpunkt t₁ bis t₅ bekannten Kursen ϑ des Torpedos 10 möglich ist. In Fig. 5 ist eine solche Funktion für das Torpedomanöver gemäß Fig. 2 dargestellt. Bei einem Torpedokurs ϑ von 0° und 360° ist die Empfangsfrequenz f maximal und nimmt den Wert f_max an, da sich der Torpedo 10 direkt auf das unter 0° Nord liegende Ziel bewegt. Bei den Torpedokursen ϑ = 90° und 270° hat die Frequenz f keine Dopplerverschiebung und entspricht der Sendefrequenz f₀. Bei dem Kurs ϑ = 180° ist der Doppler negativ, da sich der Torpedo 10 vom Ziel entfernt. Die im Hydrophon 17 empfangene Frequenz f ist minimal und nimmt den Wert f_min an. Wird nunmehr in dieser Funktion gemäß Fig. 5 das Maximum ermittelt, so ist der dem Maximum zugehörige Kurs ϑ des Torpedos 10 die Peilung zum Ziel. Das Torpedomanöver gemäß Fig. 2 hat gegenüber dem Torpedomanöver Fig. 3 den Vorteil, daß nicht nur die Peilung zum Ziel, sondern auch die Sendefrequenz des Ziels als Mittenfrequenz zwischen den Frequenzen f_max und f_min bestimmt werden und somit das Ziel klassifiziert werden kann.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So muß für die Peilvorrichtung 17 kein gesondertes Hydrophon 17 vorgesehen werden. Möglich ist auch, einen Wandler in der Antenne des Torpedosonars 14 zu verwenden. Dabei ist allerdings zu berücksichtigen, daß ein solcher Wandler aufgrund seines räumlichen Einbaus in den Torpedo 10 nur einen Empfangswinkel von beispielsweise etwas mehr als 180° in Vorausrichtung des Torpedos 10 aufweist. In diesen Fällen führt ein Torpedomanöver gemäß Fig. 2 wegen teilweisem Ausfall des Schallempfangs vom Ziel nicht zu der gewünschten verbesserten Peilung, so daß man sich hier auf das Torpedomanöver gemäß Fig. 3 beschränken muß.

Claims

1. Verfahren zur passiven akustischen Peilung eines Schall ins Wasser abstrahlenden Ziels durch einen Unterwasserlaufkörper, insbesondere Torpedo (10), bei dem der Zielschall mittels einer elektroakustischen Empfangsvorrichtung (17) des Torpedos (10) empfangen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Torpedo (10) zur Peilungsnahme auf einer Bahnkurve mit ständig wechselndem Kurs gezwungen wird (Tropedomanöver), daß im Frequenzspektrum der elektrischen Ausgangssignale der Empfangsvorrichtung (17) mindestens eine Frequenzlinie ausgesucht und deren Dopplerverschiebung während des Torpedomanövers bestimmt wird und daß der momentane Kurs des Torpedos (10) bei maximaler Dopplerverschiebung als Zielpeilung ausgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der maximalen Dopplerverschiebung die Frequenz (f) als Funktion des Torpedokurses (ϑ) ermittelt, das Maximum (f_max) der Funktion berechnet und der dem Maximum zugehörige Kurs (ϑ') als Zielpeilung ausgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Frequenzspektren die Empfangssignale einer Fourier-Analyse unterzogen werden, deren Zeitkonstante sehr viel kleiner als die Zeit zum Ausführen des Torpedomanövers gewählt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Bahnkurve für das Torpedomanöver ein mindestens einmal über die Verbindungslinie Ziel/Torpedo (23) hinwegführender Mäanderabschnitt vorgegeben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Bahnkurve für das Torpedomanöver ein Vollkreis vorgegeben wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Empfangsvorrichtung ein Hydrophon (17) mit Rundumcharakteristik verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Empfangsvorrichtung mindestens ein elektroakustischer Wandler einer im Torpedo (10) vorhandenen passiven akustischen Ortungseinrichtung (Torpedosonar 14) verwendet wird, die einen akustisch empfindlichen Empfangssektor mit festem Öffnungswinkel aufweist, der fest und symmetrisch zur Torpedoachse ausgerichtet ist.