DE19931387B4

DE19931387B4 - Method and arrangement with parametric transmission for echo sounding of the soil, sediment layers and objects on and in the soil as well as for underwater news transmission

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Publication number: DE19931387B4
Application number: DE1999131387
Authority: DE
Inventors: Gert Prof. Dr.-Ing.habil. Wendt
Original assignee: INNOMAR TECHNOLOGIE GmbH
Current assignee: INNOMAR TECHNOLOGIE GmbH
Priority date: 1999-07-07
Filing date: 1999-07-07
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2019-07-08
Also published as: DE19931387A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Echolotung des Bodens, von Sedimentschichten und von Objekten am und im Boden insbesondere in Flachwasserbereichen sowie zur Unterwassernachrichtenübertragung mit parametrischer (nichtlinearer) Sendung. Zeitverlauf und Spektrum der Ansteuersignale des parametrischen Sendewandlers (Primärsignale) werden so gewählt, daß die niederfrequenten Sekundärsignale unter Einbeziehung der bekannten nichtlinearen Effekte der Schallausbreitung optimal an die jeweilige Aufgabenstellung angepaßt sind. Dabei kann auch eine Anpassung an den akustischen Wirkungsgrad, die Pulsdauer und die Entfernungsabhängigkeit des Sekundär-Schallfeldes erfolgen, oder es können auf diese Weise spezielle Mehrfrequenzsignale erzeugt werden. Aus dem ermittelten Zeitverlauf und Spektrum der Primärsignale werden unter Einbeziehung der Eigenschaften des Schallwandlers und eventueller Kompensationsnetzwerke zwischen Sendestufe und Wandler pulsbreitenmodulierte Impulsmuster berechnet und in einem Speicher zum wiederholten Auslesen abgelegt. Die Ansteuersignale der vorzugsweise als Halb- oder Vollbrücken-Schaltstufen realisierten Sendeleistungsstufen werden so modifiziert, daß die Schaltstufen in den Halbbrücken nicht gleichzeitig leitend sind, im Ausgangssignal keine Lücken auftreten und das Ausgangssignal der Sendeleistungsstufen den geforderten Zeitverlauf aufweist. Das Kompensationsnetzwerk korrigiert den Frequenzgang des Schallwandlers und ...The invention relates to a method and an arrangement for echo sounding of the soil, of sediment layers and of objects on and in the soil, in particular in shallow water areas, and for underwater message transmission with parametric (non-linear) transmission. The time course and spectrum of the control signals of the parametric transmitter converter (primary signals) are selected so that the low-frequency secondary signals are optimally adapted to the respective task, taking into account the known non-linear effects of sound propagation. An adaptation to the acoustic efficiency, the pulse duration and the distance dependency of the secondary sound field can also take place, or special multi-frequency signals can be generated in this way. Pulse-width-modulated pulse patterns are calculated from the determined time curve and spectrum of the primary signals, taking into account the properties of the sound transducer and any compensation networks between the transmitter stage and transducer, and stored in a memory for repeated reading. The control signals of the transmission power stages, which are preferably implemented as half-bridge or full-bridge switching stages, are modified so that the switching stages in the half-bridges are not simultaneously conductive, there are no gaps in the output signal and the output signal of the transmission power stages has the required time profile. The compensation network corrects the frequency response of the sound transducer and ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Echolotung des Bodens, von Sedimentschichten und von Objekten am und im Boden insbesondere in Flachwasserbereichen sowie zur Unterwassernachrichtenübertragung mit parametrischer (nichtlinearer) Sendung. Zeitverlauf und Spektrum der Ansteuersignale des parametrischen Sendewandlers (Primärsignale) werden so gewählt, daß die niederfrequenten Sekundärsignale unter Einbeziehung der bekannten nichlinearen Effekte der Schallausbreitung optimal an die jeweilige Aufgabenstellung angepaßt sind. Dabei kann auch eine Anpassung an den akustischen Wirkungsgrad, die Pulsdauer und die Entfernungsabhängigkeit des Sekundär-Schallfeldes erfolgen, oder es können auf diese Weise spezielle Mehrfrequenzsignale erzeugt werden. Aus dem ermittelten Zeitverlauf und Spektrum der Primärsignale werden unter Einbeziehung der Eigenschaften des Schallwandlers und eventueller Kompensationsnetzwerke zwischen Sendestufe und Wandler pulsbreitenmodulierte Impulsmuster berechnet und in einem Speicher zum wiederholten Auslesen abgelegt. Die Ansteuersignale der vorzugsweise als Halb- oder Vollbrücken-Schaltstufen realisierten Sendeleistungsstufen werden so modifiziert, daß die Schaltstufen in den Halbbrücken nicht gleichzeitig leitend sind, im Ausgangssignal keine Lücken auftreten und das Ausgangssignal der Sendeleistungsstufen den geforderten Zeitverlauf aufweist. Das Kompensationsnetzwerk komgiert den Frequenzgang des Schallwandlers und ermöglicht kleine Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung in den Sendeleistungsstufen.The invention relates to a method and an arrangement for depth sounder, sediment layers and objects on and in the ground, especially in shallow water areas as well as for underwater news transmission with parametric (non-linear) transmission. Time course and spectrum the control signals of the parametric transmitter converter (primary signals) are chosen so that the low-frequency secondary signals including the known non-linear effects of sound propagation are optimally adapted to the respective task. One can also do this Adaptation to the acoustic efficiency, the pulse duration and the Distance dependence of the secondary sound field done, or it can special multi-frequency signals are generated in this way. Out the determined time course and spectrum of the primary signals are taking into account the properties of the transducer and any compensation networks between transmitter stage and converter Pulse width modulated pulse patterns are calculated and stored in a memory filed for repeated reading. The control signals of the preferably as half or full bridge switching stages Realized transmission power levels are modified so that the switching levels in the half bridges are not conductive at the same time, there are no gaps in the output signal and the output signal of the transmission power levels the required Has time history. The compensation network converges the frequency response of the transducer and enables small phase angle between current and voltage in the transmission power levels.

Die Erfindung findet in der Meeres- und Umwelttechnik Anwendung.The invention takes place in the marine and environmental technology application.

Bekanntlich entstehen bei der gleichzeitigen Abstrahlung von zwei Schallwellen unterschiedlicher Primär-Frequenzen mit sehr hohen Schalldrücken durch nichtlineare Wechselwirkungen im Wasser außer diesen Frequenzen auch Schallwellen mit den Summen- und Differenzfrequenzen und mit weiteren Frequenzen. Die Differenzfrequenzsignale (Sekundärfrequenzsignale) weisen bei Anwendungen in der Unterwasserortung und -nachrichtenübertragung vorteilhafte Eigenschaften bezüglich Richtcharakteristik und Bandbreite auf. Die Schall-Leistung und der Wirkungsgrad bei der Erzeugung des Differenzschalls sind unter anderem nichtlinear abhängig von der Größe der Differenzfrequenz, von der Schall-Leistung bei den Primärfrequenzen und von der Entfernung von der Quelle, und sie sind sehr gering. Das erfordert sehr hohe Primärschall-Leistungen. Als Schallwandler werden zur Realisierung hoher Wirkungsgrade üblicherweise piezoelektrische bzw. piezomagnetische Wandler ein gesetzt, deren akustische Resonanz im Bereich der Primärfrequenzen liegt. Die akustische Bandbreite solcher Wandler ist begrenzt und beschränkt die Größe der möglichen Differenzfrequenz. Die elektrische Bandbreite dieser Wandler ist ebenfalls begrenzt. Es ist bekannt, die Wandler bei der akustischen Resonanzfrequenz mit einer Induktivität bzw. Kapazität elektrisch zu kompensieren, damit die elektrische Blindleistung bei der Resonanzfrequenz Null wird. Bei Anwendungen in der Impulsortung und der Nachrichtenübertragung ist es jedoch erforderlich, anstelle einer einzelnen Frequenz ein vorgegebenes möglichst breitbandiges Sekundärfrequenz-Spektrum zu erzeugen. Mit zunehmender Abweichung von der Resonanzfrequenz steigt dann der Anteil der Blindleistung und der Verluste in den elektrischen Sendestufen erheblich und die maximal mögliche Sendeleistung wird begrenzt. Die bekannten Vorteile bei der Nutzung von digital gesteuerten Schalt-Leistungsverstärkern können hier nicht voll genutzt werden. Insbesondere treten durch die komplexe Belastung große Strom-, Spannungs- und Verlustleistungsspitzen auf, die schwer zu beherrschen sind und die zur Zerstörung der Bauelemente führen können. Es werden daher häufig analoge Leistungsverstärker eingesetzt, die aber einen großen Platzbedarf aufweisen und kostenintensiv sind. Auch ist es auf diese Weise nur stark eingeschränkt möglich, akustische Mehrfrequenzsignale zu generieren.As is well known, arise at the same time Radiation of two sound waves of different primary frequencies with very high sound pressures due to nonlinear interactions in water in addition to these frequencies Sound waves with the sum and difference frequencies and with others Frequencies. The differential frequency signals (secondary frequency signals) show Applications in underwater location and messaging advantageous properties regarding Polar pattern and bandwidth. The sound power and the Efficiency in generating the differential sound are among others non-linearly dependent on the size of the difference frequency, on the sound power at the primary frequencies and on the distance from the source and they are very minor. That requires very high Primary sound services. As sound transducers are usually used to achieve high efficiencies piezoelectric or piezomagnetic transducers set, whose acoustic resonance is in the range of the primary frequencies. The acoustic The bandwidth of such converters is limited and limits the Size of the possible Difference frequency. The electrical bandwidth of these converters is also limited. It is known the transducers at the acoustic resonance frequency with an inductance or capacity to compensate electrically, so the electrical reactive power becomes zero at the resonance frequency. For applications in pulse location and messaging however, it is necessary to enter a single frequency instead given as possible broadband secondary frequency spectrum to create. With increasing deviation from the resonance frequency increases then the proportion of reactive power and losses in the electrical Transmission levels considerably and the maximum possible transmission power is limited. The known advantages of using digitally controlled switching power amplifiers can be found here not fully used. In particular, occur due to the complex burden size Current, voltage and power dissipation peaks that are difficult to are mastered and can lead to the destruction of the components. It are therefore common analog power amplifiers used, but a large one Have space requirements and are costly. It is also on this Only very limited possible, generate acoustic multi-frequency signals.

Es ist bekannt, die Frequenzcharakteristik von linearen Schallfeldern in aufwendiger Weise durch Gruppen von Filtern mit einstellbaren Filterparametern zu korrigieren ( EP 0 571 635 A1 ). Es ist auch bekannt, das Übertragungsverhalten von linearen Schallwandlern durch steuerbare Entzerrernetzwerke zu korrigieren, deren Steuersignale aus einem vor dem Wandler befindlichen Sensor gewonnen werden ( EP 0508 392 A2 ). Das Verfahren löst nicht die Probleme der parametrischen Sendung bei der Unterwasserortung und -nachrtchtenübertragung. Auch könnte ein entsprechender Sensor nur mit großem Aufwand im Sekundärschallfeld angebracht werden.It is known that the frequency characteristic of linear sound fields can be corrected in a complex manner by means of groups of filters with adjustable filter parameters ( EP 0 571 635 A1 ). It is also known to correct the transmission behavior of linear sound transducers by controllable equalizer networks, the control signals of which are obtained from a sensor located in front of the transducer ( EP 0508 392 A2 ). The method does not solve the problems of parametric transmission in underwater location and night transmission. A corresponding sensor could also be attached to the secondary sound field only with great effort.

Es ist auch eine Vorrichtung zur linearen Übertragung akustischer Energie zu einer Last bekannt, bei der mit hydraulischen Bauelementen eine optimale Anpassung der akustischen Druck-Quelle an den akustischen Strahler erreicht werden soll ( EP 0 261 253 B1 ). Mit dieser einer Water-Gun ähnlichen Vorrichtung läßt sich mit hohem technischen Aufwand eine niederfrequente, schwach gerichtete Schallquelle realisieren. Auf Problemstellungen bei der Verbesserung der Eigenschaften parametrischer (nichtlinearer) Sendeverfahren können die dargelegten Lösungswege aber nicht angewendet werden.A device for the linear transmission of acoustic energy to a load is also known, in which an optimal adaptation of the acoustic pressure source to the acoustic radiator is to be achieved with hydraulic components ( EP 0 261 253 B1 ). With this device, which is similar to a water gun, a low-frequency, weakly directed sound source can be implemented with great technical effort. However, the solutions described cannot be applied to problems in the improvement of the properties of parametric (non-linear) transmission methods.

Bekannt ist auch, ein Schallfeld zeitlich und räumlich ohne unerwünschte Kavitation zu focussieren, indem mehrere Gruppen von Schallwandlern so angeordnet und gesteuert mit unterschiedlichen Frequenzen und Phasenlagen erregt werden, daß sich durch lineare Superposition der Signale am gewünschten Ort kurzzeitig eine positive Schockwelle ausbaut ( US 4 955 366 ). Die hier dargelegten linearakustischen Prinzipien und Anordnungen sind besonders geeignet, um einen hohen Schalldruck an einem festen Punkt zu erzeugen. Für Zwecke der Ortung und Nachrichtenübertragung sind sie nur mit hohem technischen Aufwand einsetzbar, da hier eine dynamische laufzeitabhängige Focussierung erforderlich wäre. Die Schwachstellen der parametrischen Sendeverfahren lassen sich auf diese Weise nicht beheben.It is also known to focus a sound field temporally and spatially without undesired cavitation, by arranging and controlling several groups of sound transducers with different frequencies and phase positions are excited that a positive shock wave is briefly developed by linear superposition of the signals at the desired location ( US 4,955,366 ). The linear acoustic principles and arrangements presented here are particularly suitable for generating high sound pressure at a fixed point. For the purposes of location and message transmission, they can only be used with great technical effort, since dynamic runtime-dependent focusing would be required here. The weaknesses of the parametric transmission methods cannot be remedied in this way.

Bekannt ist auch, eine Richtwirkung bei einem linearen Array aus mehreren Schallquellen zu erzielen, indem die Wandler in einem solchen Abstand angeordnet werden, daß die Schallabstrahlung bei der seismischen Erkundung durch Superposition der einzelnen in der Amplitude gewichteten Sendesignale vorzugsweise schräge zum Boden erfolgt und die horizontale Schallabstrahlung unterdrückt wird ( US 4 918 668 ). Eine solche Wirkung ist aber auf Schmalbandsignale diskreter Frequenzen und großer Sendedauer beschränkt. Im Vergleich zu parametrischen Sendeverfahren ergeben sich auch wesentlich größere Array-Abmessungen. Weiterhin ist bekannt, niederfrequente Schallsignale mit einem planaren Wandler durch spezielle Anordnungen und Formen elektrisch leitender paralleler Platten zu erzeugen, an die Spannungsimpulse gelegt werden ( US 4 463 825 ). Wie bei allen linearakustischen Sendeverfahren sind für gerichtete Schallabstrahlung große Abmessungen erforderlich und es lassen sich keine kurzen Sendeimpulse erzeugen.It is also known to achieve a directional effect in a linear array of several sound sources by arranging the transducers at such a distance that the sound radiation in the seismic exploration is preferably oblique to the ground and the horizontal by superposition of the individual amplitude-weighted transmission signals Sound radiation is suppressed ( US 4,918,668 ). Such an effect is limited to narrowband signals of discrete frequencies and long transmission times. Compared to parametric transmission methods, there are also much larger array dimensions. It is also known to generate low-frequency sound signals with a planar transducer using special arrangements and shapes of electrically conductive parallel plates, to which voltage pulses are applied ( US 4,463,825 ). As with all linear acoustic transmission methods, large dimensions are required for directional sound radiation and no short transmission pulses can be generated.

Bekannt ist auch, daß es durch die nichtlinearen Wechselwirkungen im Wasser zu entfernungsabhängigen Änderungen im Spektrum des Differenzsignals kommt, die die Qualität der Ortung und Nachrichtenübertragung bei geringen Entfernungen erheblich beeinträchtigen können. Diese Effekte werden noch weiter bei sehr geringen Distanzen wie im Nahfeldbereich des Primärschallfeldes verstärkt, dessen Längenausdehnung sich mit wachsender Wandlerfläche vergrößert.It is also known that through the nonlinear interactions in water to distance-dependent changes comes in the spectrum of the difference signal, which is the quality of the location and messaging can significantly affect at short distances. These effects will be even further at very short distances like in the near field of the Primary sound field strengthened whose length expansion itself with increasing converter area increased.

Es wird bisher nur mit einfach strukturierten Ansteuersignalen gearbeitet. Der Zusammenhang zwischen den geforderten Parametern des Differenzfrequenzschallfeldes und den elektrischen Ansteuersignalen der Sendeleistungsstufen unter Einbeziehung aller elektrischen und akustischen Komponenten und Forderungen wird nicht berücksichtigt.So far it has only been structured with simple Control signals worked. The relationship between the required Parameters of the differential frequency sound field and the electrical Control signals of the transmission power levels including all electrical and acoustic components and requirements will not considered.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches parametrisches Sendeverfahren und eine Anordnung zu schaffen, daß die Vorzüge parametrischer Sendung besser zur Echolotung des Bodens, von Sedimentschichten und von Objekten am und im Boden insbesondere in Flachwasserbereichen sowie zur Unterwassernachrichtenübertragung genutzt werden und daß bei der Erzeugung der Differenzsignale der Wirkungsgrad vergrößert und die Kosten verringert werden.The specified in claim 1 The invention is based, such a parametric task Transmission methods and an arrangement to create that virtue parametric Shipment better for echo sounding of the soil, of sediment layers and objects on and in the ground, especially in shallow water areas as well as for underwater news transmission be used and that at the generation of the differential signals increases the efficiency and the costs are reduced.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen aufgeführten Merkmale gelöst.This object is achieved according to the invention that in the claims listed Features solved.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der parametrische Sendeschallwandler anstelle einfacher fester Signalformen einstellbar mit speziellen, bezüglich Zeitverlauf und Spektrum ausgewählten hochfrequenten elektrischen Signalen erregt, die bezüglich der jeweiligen Anwendung optimale niederfrequente akustische Signale erzeugen. Eine solche Verfahrensweise wird durch die besonderen Eigenschaften der parametrischen Akustik sehr wirkungsvoll. Weiterhin ist es dadurch auch möglich, die nichtlinearen Zusammenhänge zwischen der elektrischen Erregung und den akustischen Signalen zu linearisieren. Ein hoher elektroakustischer Wirkungsgrad wird bei geringem zusätzlichen technischen Aufwand erreicht, indem die Verluste im Sender durch Anpassung der Ansteuersignale an die Erfordernisse geschalteter Leistungsverstärker und eine breitbandige elektrische Kompensation des Schallwandlers über den Frequenzbereich der elektrischen Primärsignale reduziert werden. Der Gesamtaufwand gegenüber der Verwendung von analogen Leistungsverstärkern verringert sich beträchtlich. Durch die Anpassung der Größe der aktiven Wandlerfläche beim Senden an die Entfernung wird die Länge des Nahfeldbereiches bei geringen Entfernungen reduziert und eine erfolgreiche Ortung oder Nachrichtenübertragung ermöglicht.In the method according to the invention the parametric transmit transducer becomes more solid instead of simple Waveforms adjustable with special, with respect to time course and spectrum chosen high-frequency electrical signals excited with respect to the optimal low-frequency acoustic signals for each application produce. Such a procedure is characterized by the special Properties of parametric acoustics very effective. Farther it is also possible the nonlinear relationships between to linearize electrical excitation and acoustic signals. A high electroacoustic efficiency is combined with a small additional technical effort achieved by the losses in the transmitter through Adaptation of the control signals to the requirements of switched power amplifier and broadband electrical compensation of the transducer via the Frequency range of the electrical primary signals can be reduced. The total effort compared the use of analog power amplifiers is considerably reduced. By adjusting the size of the active transducer surface when sending to the distance, the length of the near field area becomes Reduced short distances and a successful location or messaging allows.

Für die meisten Anwendungen ist es zur Erzielung einer großen Reichweite erforderlich, die Sekundärsignale mit einem genügend großen Schalldruck zu erzeugen. Der maximal mögliche Primärschalldruck ist physikalisch begrenzt. Als Ausweg werden die elektrischen Primärsignale so modifiziert, daß unter Beachtung der nichtlinearen Zusammenhänge zwischen den akustischen Primär- und Sekundärsignalen bei der Schallausbreitung ein hoher akustischer Wirkungsgrad bei der parametrischen Signalerzeugung besteht und damit ein großer Sekundärsignal-Schallpegel vorliegt. Bei der Synthese des elektrischen Primärsignals werden als weitere Kriterien geforderte Zeitverläufe und Spektren der akustischen Sekundärsignale einbezogen, um bezüglich der Anwendung optimale Eigenschaften zu gewährleisten.For most applications it is to achieve a long range required the secondary signals with one enough huge Generate sound pressure. The maximum possible primary sound pressure is physical limited. As a way out, the electrical primary signals modified so that under Consideration of the nonlinear relationships between the acoustic Primary- and secondary signals a high acoustic efficiency for sound propagation parametric signal generation and thus a large secondary signal sound level is present. In the synthesis of the primary electrical signal are considered further Criteria required time courses and spectra of the acoustic secondary signals are included to determine the Application to ensure optimal properties.

Wenn die Ortungs- oder Nachrichtenübertragungs-Entfernung bekannt ist, werden durch eine Anpassung an diese Entfernung die optimalen Eigenschaften des akustischen Sekundärfre quenzsignals beim Auftreffen auf den Boden oder den Nachrichtenempfänger z.B. bezüglich Störabstand und Auflösung möglich.If the location or communication distance is known, by adapting to this distance the optimal properties of the acoustic secondary frequency signal on impact on the floor or the message recipient e.g. regarding signal-to-noise ratio and resolution possible.

Für bestimmte Anwendungen der Ortung und Nachrichtenübertragung ist es erforderlich, akustische Signale mit einem genau definierten Spektrum zu erzeugen. Für Phasen- und Dämpfungsmessungen bei der Sedimentortung werden Mehrfrequenzsignale benötigt, die mit linearen Schallwandlern wegen ihrer begrenzten Bandbreite nicht in der erforderlichen Qualität bereitgestellt werden können. Mit dem angegebenen Verfahren können solche Signale parametrisch gewonnen werden.For certain applications of location and communication, it is necessary to use acoustic Generate signals with a precisely defined spectrum. Multi-frequency signals are required for phase and attenuation measurements during sediment location, which cannot be provided in the required quality with linear sound transducers due to their limited bandwidth. With the specified method, such signals can be obtained parametrically.

Die laufende Berechnung der optimalen Ansteuersignale für die Leistungsstufen ist rechenzeitintensiv und kann selbst bei sehr schnellen Rechnern die Geschwindigkeit der anderen in einer Ortungs- oder Nachrichtenübertragungsanlage ablaufenden Prozesse nachteilig beeinflussen, oder es sind wesentlich schnellere oder größere Rechner erforderlich. Bei dem angegebenen Verfahren treten diese Probleme nicht auf, da bereits off-line eine größere Zahl von Ansteuersignalen berechnet werden können, die im Sendespeicher abgelegt werden. Die on-line Sendesignalaufbereitung beschränkt sich dann auf die Auswahl des momentan erforderlichen Sendesignalmusters und benötigt wesentlich weniger Rechenzeit. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben. Zur Erzielung großer Sendeleistungen werden die Leistungsschaltstufen als Halb- oder Vollbrücken realisiert. Werden diese Stufen mit den nach Patentanspruch 1 berechneten und realisierten Signalen angesteuert, treten wegen unterschiedlicher Signalverzögerungen und Schaltzeiten in den einzelnen Schaltstufen Überschneidungen und Lücken beim Schalten auf. Diese können zu unzulässigen Strom- und Spannungsspitzen an den Schaltstufen führen. Als Folge treten verringerte Lebensdauer der Schaltstufen und Störsignale auf den Leiterkarten auf, oder das Leistungsvermögen der Leistungsstufen kann nicht voll ausgeschöpft werden. Das im Patentanspruch 2 angegebene Verfahren vermeidet diese Schwierigkeiten ohne zusätzlichen Aufwand an Hardware.The ongoing calculation of the optimal Control signals for The power level is computationally intensive and can even be very fast computers the speed of others in a location or communication system adversely affect ongoing processes, or they are essential faster or bigger computers required. These problems occur with the specified procedure not because there is already a large number of control signals off-line can be calculated which are stored in the transmission memory. The online transmission signal processing limited then the selection of the currently required transmission signal pattern and needed significantly less computing time. An advantageous embodiment of the Invention is specified in claim 2. To achieve large transmission powers the power switching stages are implemented as half or full bridges. Are these stages with the calculated according to claim 1 and realized signals occur because of different signal delays and switching times in the individual switching stages overlaps and gaps in the Turn on. These can too unacceptable Lead current and voltage peaks at the switching stages. As This results in reduced service life of the switching stages and interference signals on the circuit boards, or the performance of the performance levels not fully exhausted become. The method specified in claim 2 avoids this Difficulties without additional Hardware effort.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Patentansprüchen 3 und 4 angegeben. Bei Verwendung von Schaltstufen treten hohe Verlustleistungsspitzen beim Umschalten auf, wenn die geschaltete Last ein komplexer Widerstand ist. Es ist deshalb erforderlich, die Blindanteile im Lastwiderstand über einen größeren Frequenzbereich zu kompensieren. Das ist nur durch eine größere Anzahl an Kompensationsbauelementen zu realisieren. Mit den in den Patentansprüchen 3 und 4 angegebenen Verfahren werden nicht nur die Verlustleistungsspitzen reduziert, sondern es wird bei gleichem Aufwand an zusätzlicher Hardware auch die effektiv wirksame akustische Bandbreite des Schallwandlers vergrößert, so daß auch kürzere Signale oder Mehrfrequenzsignale abgestrahlt werden können.Another advantageous embodiment the invention is specified in claims 3 and 4. at Using switching stages occur high power loss peaks when switching to when the switched load is a complex resistor is. It is therefore necessary to use a reactive component in the load resistor wider frequency range to compensate. This is only due to a larger number of compensation components to realize. With the methods specified in claims 3 and 4 not only are the power loss peaks reduced, but it becomes the same with the same amount of additional hardware effectively effective acoustic bandwidth of the transducer increases, so that too shorter Signals or multi-frequency signals can be emitted.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 5 angegeben. Mit einem Kompensationsnetzwerk muß neben der Kompensation entsprechend Patentansprüchen 3 und 4 auch eine Widerstandstransformation zur Anpassung zwischen Sender und Schallwandler vorgenommen werden. Mit dem im Patentanspruch 5 angegebenen Verfahren können alle Anforderungen mit minimalem Bauelementeaufwand erfüllt werden.Another advantageous embodiment the invention is specified in claim 5. With a compensation network must next to the compensation according to claims 3 and 4 also a resistance transformation to adapt between transmitter and transducer. With the method specified in claim 5, all Requirements can be met with minimal component expenditure.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 6 angegeben. Die Länge des Nahfeldbereiches ist den Abmessungen der aktiven Wandlerfläche direkt proportional. Bei stark gerichteter Schallabstrahlung kann die Länge des Nahfeldbereiches größer als die Entfernung zum Boden oder zum Schallempfänger werden. In diesen Fällen sind Fehler bei der Signalauswertung möglich. Im Patentanspruch 6 wird eine sehr einfach und ohne Aufwand an Kosten zu realisierende Möglichkeit zur Verkürzung der Nahfeldlänge angegeben.Another advantageous embodiment the invention is specified in claim 6. The length of the Near field is the dimensions of the active transducer area directly proportional. With strongly directed sound radiation, the length of the Near field greater than the distance to the floor or to the sound receiver. In these cases Errors in signal evaluation possible. In claim 6 will be a very easy to implement without any expense possibility for shortening the near field length specified.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben werden. Es zeigen:The invention is intended to: an embodiment to be discribed. Show it:

1 Schematische Anordnung der Funktionseinheiten des parametrischen Sendeverfahrens 1 Schematic arrangement of the functional units of the parametric transmission method

2 Schaltbild eines Kompensationsnetzwerkes 2 Circuit diagram of a compensation network

3 Amplitudenfrequenzgang des Mehrfrequenz-Sekundärsignals 3 Amplitude frequency response of the multi-frequency secondary signal

4 Amplitudenfrequenzgang des Sendewandlers ohne und mit Korrektur. 4 Amplitude frequency response of the transmitter converter with and without correction.

In einem Speicher 4 sind vorzugsweise pulsbreitenmodulierte Ansteuersignale der Sendeleistungsverstärker 3₁...3 _n gespeichert. Ein oder mehrere pulsbreitenmodulierte Ansteuersignal-Muster werden in einem steuerbaren Signalmustergenerator 5 berechnet und in einen oder mehrere Speicherbereiche des Speichers 4 geladen. Nach dem Starten des Sendevorganges mit dem Startsignal 17 werden die Ansteuersignale 8 ₁...8_n der Sendeleistungsverstärker 3₁...3 _n aus dem mit der Speicherbereichsauswahl 7 ausgewählten Speicherbereich des Speichers 4 mittels der laufenden Adreßzählersignale 6 des Adreßzählers 16 ausgelesen. Sie steuern die vorzugsweise als Halb- oder Vollbrücken-Schaltstufen realisierten Sendeleistungsverstärker 3₁...3 _n an. Ihre Ausgangssignale 9₁...9 _n gelangen an die Kompensationsnetzwerke 2₁ ...2_n. Diese sind mit den Sendewandlerelementen 1 ₁...1_n des als Array realisierten parametrischen Sendewandlers 1 verbunden.In a store 4 are preferably pulse-width-modulated control signals of the transmission power amplifiers 3 ₁ ... 3 _n saved. One or more pulse width modulated drive signal patterns are in a controllable signal pattern generator 5 calculated and in one or more memory areas of the memory 4 loaded. After the start of the transmission process with the start signal 17 the control signals 8th ₁ ... 8 _{n of} the transmit power amplifiers 3 ₁ ... 3 _n from the one with the memory area selection 7 selected memory area of the memory 4 by means of the current address counter signals 6 of the address counter 16 read. They control the transmission power amplifiers, which are preferably implemented as half or full bridge switching stages 3 ₁ ... 3 _n on. Your output signals 9 ₁ ... 9 _n reach the compensation networks 2 ₁ ... 2 _n . These are with the transmitter converter elements 1 ₁ ... 1 _{n of} the parametric transmission converter implemented as an array 1 connected.

Der parametrische Sendeschallwandler 1 wird mittels Signalmustergenerator 5 und Speicher 4 einstellbar mit solchen hochfrequenten, in Zeitverlauf und Spektrum ausgewählten elektrischen Primär-Signalen 10₁...10 _n erregt, daß an die jeweilige Aufgabenstellung optimal angepaßte Sendesignalformen und Sendesignalspektren im niederfrequenten akustischen Sekundärfrequenzbereich mittels nichtlinearer Wechselwirkungen im Wasser generiert werden. Die Signalmuster des Signalmustergenerators 5 werden aus den über den Eingang 15 eingegebenen möglichen Parametern der Unterwasserortungs- bzw. -übertragungsstrecke und Anforderungen aus den Aufgabenstellungen unter Einbeziehung der physikalischen Zusammenhänge und der Eigenschaften der Funktionsgruppen: Sendwandlerelemente 1₁...1_n, Kompensationsnetzwerke 2₁...2 _n und Sendeleistungsverstärker 3₁...3_n berechnet. Die Speicherbereichsauswahl 7 der Speicherbereiche des Speichers 4 wird entsprechend den aktuell gemessenen Parametern und den Anforderungen aus den Aufgabenstellungen vorgenommen. Zeitverlauf und Spektrum der elektrischen Primärsignale 10₁...10_n werden so gewählt, daß unter Einbeziehung bekannter nichtlinearer Effekte bei der Schallausbreitung das akustische Sekundärsignal 11 im nichtlinearen Wechselwirkungsraum mit maximalem Wirkungsgrad und einem solchen Spektrum generiert wird, daß es optimal bezüglich Pulsdauer bzw. Bandbreite ist. Zeitverlauf und Spektrum der elektrischen Primärsignale 10₁...10_n werden außerdem an die Entfernung zum Boden oder zum Schall-Empfänger unter Berücksichtigung der entfernungsabhängigen nichtlinearen Wechselwirkungen angepaßt. Vorzugsweise zur Bestimmung der Materialeigenschaften bei der Sediment- und Objektortung werden Zeitverlauf und Spektrum der elektrischen Primärsignale 10₁...10_n weiterhin so gewählt, daß unter Beachtung nichtlinearer Effekte bei der Schallausbreitung das akustische Sekundärsignal 11 ein Mehrfrequenzsignal aus zwei oder mehreren in einem ganzzahligen Verhältnis stehenden Spektralanteilen F_S1, F_S ₂, F_S3,... ist

Als Sendeleistungsverstärker 3₁...3 _n werden vorzugsweise Halb- oder Vollbrücken-Schaltstufen verwendet, deren Ansteuersignale 8₁...8_n unter Berücksichtigung der geforderten Ausgangssignale 9₁...9_n zur Kompensation der Schaltzeiten sowie zur Reduzierung von Strom- und Spannungsspitzen so geformt, zueinander versetzt und mit solchen kurzen zeitlichen Lücken versehen sind, daß die beiden Schaltstufen jeder Halbbrücke nicht gleichzeitig leiten, im Ausgangssignal keine Lücken auftreten und die Ausgangssignale 9₁...9_n den geforderten Zeitverlauf zur Ansteuerung der Kompensationsnetzwerke 2₁...2_n aufweisen. Die Kompensationsnetzwerke 2₁...2_n sind so dimensioniert, daß der senderseitige Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung im benötigten Frequenzbereich klein ist und daß der Amplitudenfrequenzgang A(f) der Sendewandlerelemente 1₁...1_n so zu A_k(f) korrigiert ist, daß von der Resonanzfrequenz der Sendewandlerelemente 1₁...1_n abweichende Frequenzen f angehoben werden. Insbesondere sind die Kompensationsnetzwerke 2₁...2 _n so dimensioniert, daß Frequenzen im Ansteuersignal 10₁...10 _n außerhalb der akustischen Resonanz der Sendewandlerelemente 1₁...1 _n in solcher Weise angehoben werden, daß sich die resultierende akustische Bandbreite vergrößert.The parametric broadcast transducer 1 is using a signal pattern generator 5 and memory 4 adjustable with such high-frequency, primary electrical signals selected over time and spectrum 10 ₁ ... 10 _n excited that transmission signal forms and transmission signal spectra optimally adapted to the respective task are generated in the low-frequency acoustic secondary frequency range by means of non-linear interactions in water. The signal pattern of the signal pattern generator 5 become from the over the entrance 15 entered possible parameters of the underwater location or transmission route and requirements from the tasks taking into account the physical relationships and the properties of the function groups: Transducer elements 1 ₁ ... 1 _n , compensation networks 2 ₁ ... 2 _n and transmit power amplifier 3 ₁ ... 3 _n calculated. The storage area selection 7 the memory areas of the memory 4 is carried out according to the currently measured parameters and the requirements from the tasks. Time course and spectrum of the electrical primary signals 10 ₁ ... 10 _n are chosen such that the acoustic secondary signal is taken into account, taking into account known nonlinear effects during sound propagation 11 is generated in the nonlinear interaction space with maximum efficiency and such a spectrum that it is optimal in terms of pulse duration or bandwidth. Time course and spectrum of the electrical primary signals 10 ₁ ... 10 _n are also adapted to the distance to the floor or to the sound receiver, taking into account the distance-dependent non-linear interactions. The time course and spectrum of the electrical primary signals are preferably used to determine the material properties during sediment and object location 10 ₁ ... 10 _n further selected so that the acoustic secondary signal takes into account non-linear effects in sound propagation 11 is a multi-frequency signal consisting of two or more spectral components F _S1 , F _S ₂ , F _S3 , ... which are in an integer ratio

As a transmit power amplifier 3 ₁ ... 3 _n half or full-bridge switching stages are preferably used, their control signals 8 ₁ ... 8 _n taking into account the required output signals 9 ₁ ... 9 _n To compensate for the switching times and to reduce current and voltage peaks, they are shaped, offset from one another and provided with such short time gaps that the two switching stages of each half-bridge do not conduct at the same time, there are no gaps in the output signal and the output signals 9 ₁ ... 9 _n have the required time profile for controlling the compensation networks 2 ₁ ... 2 _n . The compensation networks 2 ₁ ... 2 _n are dimensioned so that the transmitter phase angle between current and voltage in the required frequency range is small and that the amplitude frequency response A (f) of the transmitter transducer elements 1 ₁ ... 1 _n corrected to A _k (f) so that the resonance frequency of the transmitter transducer elements 1 ₁ ... 1 _n deviating frequencies f are raised. In particular, the compensation networks 2 ₁ ... 2 _n dimensioned so that frequencies in the control signal 10 ₁ ... 10 _n outside of the acoustic resonance of the transmitter transducer elements 1 ₁ ... 1 _n be raised in such a way that the resulting acoustic bandwidth increases.

Die Kompensationsnetzwerke 2₁...2 _n bestehen vorzugsweise aus Transformatoren 12 zur Widerstandstransformation der Wandlerwiderstände Rw mit solchen Primärinduktivitäten L_P, daß die Wandlerkapazitäten C_W der Sendewandlerelemente 1₁...1 _n parallel kompensiert werden, aus Reihenschwingkreisen 13 zur Sperrung höherfrequenter Harmonischer und aus dazu in Reihe geschalteten bedämpften Parallelschwingkreisen 14 zur Vergrößerung der Bandbreite.The compensation networks 2 ₁ ... 2 _n preferably consist of transformers 12 for resistance transformation of the converter resistors Rw with such primary inductances L _P that the converter capacitances C _{W of} the transmitter converter elements 1 ₁ ... 1 _n can be compensated in parallel, from series resonant circuits 13 to block higher-frequency harmonics and damped parallel resonant circuits connected in series 14 to increase the bandwidth.

Die aktive Größe des Sendewandlers 1 wird durch Nichtansteuerung von Sendewandlerelementen 1₁...1 _n automatisch stufenweise verringert, wenn die gemessene Entfernung bei der Ortung oder Nachrichtenübertragung einen jeweils vorgegebenen Wert, der durch die Länge des Nahfeldbereiches bestimmt wird, unterschreitet.The active size of the transmitter converter 1 is caused by non-activation of transmitter converter elements 1 ₁ ... 1 _n automatically reduced step by step if the measured distance during locating or message transmission falls below a respectively predetermined value, which is determined by the length of the near field area.

Claims

Method with parametric (non-linear) transmission for echo sounding of the ground, sediment layers and objects on and in the ground, in particular in shallow water areas and for underwater message transmission, characterized in that the parametric transmission sound transducer ( 1 ) adjustable with electrical primary signals selected over time and spectrum ( 10 ₁ ... 10 _n ) is excited that the time course and spectrum of the electrical primary signals ( 10 ₁ ... 10 _n ) using a non-linear transfer function for sound propagation, which is calculated on the basis of the KZK equation or other equations for modeling non-linear sound propagation or for the transmitter sound transducer ( 1 ) is calculated in the sound field from the measured nonlinear effects during sound propagation, so analytically or numerically formed by successive approximation that the acoustic secondary signal ( 11 ) in the nonlinear interaction space at a certain fixed distance from the transmitter transducer ( 1 ) with maximum acoustic. Efficiency as a ratio of acoustic secondary signal power to total acoustic power and with such a spectrum arises that it is optimal in terms of pulse duration in echo sounding for maximum distance resolution or range or optimal in terms of bandwidth for message transmission for maximum transmission capacity or range, determined from the concrete tasks of echo sounding or message transmission in the usual way with the means of signal and system theory that time course and spectrum of the electrical primary signals ( 10 ₁ ... 10 _n ) in the same way to the distance to the floor or to the sound receiver taking into account the distance dependent nonlinear interactions are adapted that time course and spectrum of the electrical primary signals ( 10 ₁ ... 10 _n ) are shaped in the same way so that the acoustic secondary signal ( 11 ) in the nonlinear interaction space is a multi-frequency signal consisting of two or more spectral components F _S1 , F _S2 , F _S3 , ... which are in an integer ratio

that from the determined time course and spectrum of the electrical primary signals ( 10 ₁ ... 10 _n ) taking into account the electrical properties of the transmitter converter elements ( 1 ₁ ... 1 _n ) and possible compensation networks 2 ₁ ... 2 _n between transmit power amplifiers 3 ₁ ... 3 _n and transmit transducer elements 1 ₁ ... 1 _n , described by their transfer functions, which are assumed to be known or to be calculated or measured, preferably pulse-width-modulated pulse patterns for controlling the transmission power amplifiers 3 ₁ ... 3 _n calculated and in a memory 4 be stored for repeated reading that the electroacoustic efficiency when transmitting by using switched transmission power amplifiers ( 3 ₁ ... 3 _n ) with control signals optimized with regard to edge steepness and delay times for minimal switching losses and interference ( 8 ₁ ... 8 _n ) and is maximized by broadband-compensated sound transducers and the required electrical signals ( 9 ₁ ... 9 _n ) rest on the broadband-compensated sound transducer and that as a transmitter transducer ( 1 ) an array of the transmitter converter elements ( 1 ₁ ... 1 _n ) is used, the size of which is adapted to the distance during transmission, in that for short distances the number of active transmission transducer elements ( 1 ₁ ... 1 _n ) is reduced to the minimum location or message transmission distance in order to shorten the near field.

Method according to claim 1, characterized in that as the transmission power amplifier ( 3 ₁ ... 3 _n ) half or full bridge switching stages are preferably used, the control signals ( 8 ₁ ... 8 _n ) taking into account the required output signals ( 9 ₁ ... 9 _n ) to compensate for the switching times and to reduce current and voltage peaks, so formed, offset from one another and provided with such short time gaps that the two switching stages of each half bridge are not conductive at the same time, there are no gaps in the output signal and the output signals ( 9 ₁ ... 9 _n ) the time required to control the transmitter converter elements ( 1 ₁ ... 1 _n ) or the compensation networks ( 2 ₁ ... 2 _n ) have.

Method according to claim 1, characterized in that between the transmission power amplifiers ( 3 ₁ ... 3 _n ) and the transmitter converter elements ( 1 ₁ ... 1 _n ) Compensation networks ( 2 ₁ ... 2 _n ) find that the compensation networks ( 2 ₁ ... 2 _n ) are dimensioned so that the transmitter-side phase angle between current and voltage in the required frequency range becomes small and that the amplitude frequency response A (f) of the transmitter transducer elements ( 1 ₁ ... 1 _n ) is corrected to A _k (f) in such a way that the resonance frequency f _{0 of} the transmitter transducer elements ( 1 ₁ ... 1 _n ) deviating frequencies f are raised.

Method according to claim 3, characterized in that the compensation networks ( 2 ₁ ... 2 _n ) are dimensioned so that frequencies in the control signal ( 10 ₁ ... 10 _n ) outside the acoustic resonance of the transmitter transducer elements ( 1 ₁ ... 1 _n ) are raised in such a way that the resulting acoustic bandwidth increases.

Process according to patent claims 3 and 4 , characterized in that the compensation networks ( 2 ₁ ... 2 _n ) preferably from transformers ( 12 ) for the resistance transformation of the converter resistors R _W with such primary inductances L _P that the converter capacitances C _{W of} the transmitter converter elements ( 1 ₁ ... 1 _n ) are compensated in parallel from series resonant circuits ( 13 ) to block high-frequency harmonics and from damped parallel resonant circuits connected in series ( 14 ) exist to increase the bandwidth.

Method according to claim 1, characterized in that the active size of the transmitter converter ( 1 ) by not controlling transmitter converter elements ( 1 ₁ ... 1 _n ) is automatically reduced step by step if the distance during the location or message transmission has a predetermined value which is determined by the length of the near-field area of the transmitter converter ( 1 ) is determined.

Arrangement for locating and transmitting messages with parametric transmission, consisting of transmission converter, transmission power amplifiers, compensation networks, memory, signal pattern generator and address counter for carrying out the method according to the patent claims 1-6 , characterized in that transmitter converter elements ( 1 ₁ ... 1 _n ) a transmitter converter ( 1 ) via compensation networks ( 2 ₁ ... 2 _n ) with transmit power amplifiers ( 3 ₁ ... 3 _n ) are connected that a compensated transmitter converter from a chain switching the transmitter converter elements ( 1 ₁ ... 1 _n ) and compensation networks ( 2 ₁ ... 2 _n ) there are inputs for control signals ( 8 ₁ ... 8 _n ) the transmission power amplifier ( 3 ₁ ... 3 _n ) with outputs of a memory ( 4 ) that the memory ( 4 ) from the controllable signal pattern generator ( 5 ) that a start signal ( 17 ) into an address counter ( 16 ) is fed in and the address counter ( 16 ) current address counter signals ( 6 ) for the current addresses of the memory ( 4 ) delivers and that the memory ( 4 ) Inputs for memory area selection ( 7 ) and a controllable signal pattern generator ( 5 ) Inputs ( 15 ) for parameter input.