DE2018005C1 - Sonaranlage zur Klassifizierung von interessierenden Objekten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonaranlage zur Klassifizierung von interessierenden Objekten.

Herkömmliche aktive Sonaranlagen sind lediglich in der Lage, über ein reflektierendes Objekt quantitative Aussagen über dessen Existenz, seine Richtung, Entfernung und gegebenenfalls über die Radialkomponente einer Relativgeschwindigkeit zur eigenen Sonaranlage zu machen.

Die Darstellung dieses Objekts auf einem Bildschirm oder einem Registriergerät, die meist in Intensitätsschrift erfolgt, reicht nur für Detektionszwecke aus. Eine Aussage über Art und Größe des Objekts, das vorzugsweise unter Wasser verborgen ist und sich mit anderen Mitteln nicht orten und identifizieren läßt, ist mit herkömmlichen Sonaranlagen nicht zu erreichen; die geringe Dynamik der Intensitätsschrift erlaubt keine genauere Darstellung von Einzelheiten eines Objekts.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Sonaranlage zu schaffen, die eine radiale Echoauflösung von Objekten und ihre spezifische Darstellung auf einem Bildschirm erlaubt und ferner Mittel zur Klassifizierung an Hand der reproduzierbaren Echoauflösung besitzt.

Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß sendeseitig ein Signalkodierer zur Modulation breitbandig ausgesandter Wasserschallimpulse und empfangsseitig eine Dekodierstufe mit Datenreduktionsstufe zur spezifizierten Darstellung einer in Echoimpulsen enthaltenen Struktur interessierender Objekte als hier sogenanntes Mehr-Zonenmuster in Amplitudenschrift nach Art eines Echogramms vorgesehen sind.

Ein geeigneter breitbandiger Sendeimpuls für die genannten Zwecke ist ein kurzer trägerfrequenter Impuls, der mit höchstmöglicher Sendeleistung abgegeben wird.

Der Sendeleistung wird jedoch durch Kavitationserscheinungen an der Oberfläche der Schallwandler eine Grenze gesetzt, die nicht überschritten werden kann.

Mit einem unter dieser naturgegebenen Sendeleistungsgrenze liegenden Impuls läßt sich aber nur eine begrenzte Entfernung im Wasser überbrücken, weil die Echoenergie mit der Entfernung stark abnimmt und bald im Störpegel untergeht.

Eine Erhöhung der Nutzenergie des Wasserschall-Sendeimpulses ohne Leistungserhöhung zur Überbrükkung größerer Entfernungen ist jedoch auch durch Verlängern der Impulsdauer möglich. Unter dieser Maßnahme leidet jedoch wiederum — geht man von einem unmodulierten Sendeimpuls aus — die radiale Objektauflösung, die Zweck dieser Erfindung ist.

Eine radiale Objektauflösung läßt sich sendeseitig nur mit sehr kurzen unmodulierten oder, bei größeren Entfernungen, mit längeren modulierten Sendeimpulsen, unter Anwendung der an sich bekannten Impulskompression, erzielen.

Empfangsseitig ist die fortlaufende Registrierung der Echostruktur eines Objekts zu dessen Identifizierung vorgesehen. Hierbei wird der empfangene Echöimpuls erfindungsgemäß nach Durchlaufen einer Dekodierstu- | fe mit dem kodierten Sendeimpuls durch Simultankorrelation verglichen und in einer Datenreduktionsstufe mit Hilfe beispielsweise eines kleinen Prozeßrechners, sofern das Objekt z. B. ein U-Boot mit einer entsprechenden typischen Echostruktur ist, zu einem klassifizierfähigen Mehr-Zonenmuster, im gewählten Beispiel zu einem 5-Zonenmuster, umgewandelt.

Dieses Mehr-Zonenmuster gibt die charakteristischen Kontueren des Objekts, wie es sich in seiner augenblicklichen Lage zum Empfangsort darbietet, im gewählten Maßstab wieder.

Die Aufzeichnung dieses Mehr-Zonenmusters erfolgt vorzugsweise durch Ausblendung eines schmalen Entfernungsbereiches um das Objekt herum, wobei vorteilhaft eine Zentrierung, z. B. aufeinanderfolgender Darstellungen, auf die Mitte der Aufzeichnung bzw. eines Bildschirmes mit Hilfe eines Verfolgungs- und Klassifizierungsrechners erfolgt. Zur besseren Objektbeurteilung ist es zweckmäßig, fortlaufend aus mehreren Echos stammende Mehr-Zonenmuster übereinander aufzuzeichnen, wobei Lageveränderungen des j Objekts um seine Vertikalachse gegenüber der eigenen " Sonaranlage wahrnehmbar werden. Zur bleibenden Erhaltung der aufgezeichneten Signale auf einer Kathodenstrahlröhre als Bildschirm ist ein Speicher vorgesehen, der gleichzeitig zur Abspeicherung sämtlicher bisher aufgenommener Mehr-Zonenmuster dienen kann.

Der Verfolgungs- und Klassifizierungsrechner ermöglicht dann auf Grund eines Vergleiches mit diesem Speicherinhalt die Klassifizierung des gerade aufgenommenen Objekts, sofern z. B. ein identisches oder ähnliches 5-Zonenmuster bereits abgespeichert war. Das Ergebnis wird gesondert angezeigt.

Die Erfindung hat demgemäß gegenüber einer herkömmlichen aktiven Sonar-Anlage den Vorteil, interessierende Objekte wie beispielsweise U-Boote unter Wasser durch spezifizierte Echodarstellung identifizierbar und klassifizierbar zu machen.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels schematisch dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 das Blockschaltbild einer Sonaranlage gemäß der Erfindung und

Fig.2 die vom objektbezogenen Einfallswinkel der

Wasserschallimpulse abhängige Echoauflösung als 5-Zonenmuster in Amplitudenschrift auf einem Registrierstreifen.

Zur Aussendung von Wasserschallimpulsen 1, welche vorzugsweise eine im Ultraschallbereich liegende Trägerfrequenz besitzen und in einem Signalkodierer 2 moduliert sowie in einem Sende-Leistungsverstärker 3 verstärkt wurden, dient ein Sende-Schallwandler 4 (F i g. 1). Entsprechend dem vorgegebenen Entfernungsbereich wird der Signalkodierer 2 auf Erzeugung eines kurzen trägerfrequenten Wasserschallimpulses 1 für kurze Entfernungsbereiche und auf Erzeugung einer zur Impulskompression geeigneten Kodierung für weite Entfernungsbereiche umgeschaltet.

Die vorzugsweise binärkodierte erfolgende Modulation mittels bekannter Methoden hat mehrere Vorteile. Einmal erlaubt sie die zur Erhöhung der Sendeenergie erforderliche Impulsdauer-Verlängerung ohne Verlust an Information über die akustisch reflexionsfähige Struktur interessierender Objekte 5. Außerdem besitzen günstig gewählte modulierte Impulse eine gute Nebenmaximafreiheit.

Der auf das vorzugsweise unter Wasser schwimmende Objekt 5 treffende Wasserschallimpuls 1 wird durch Reflexion an sämtlichen reflexionsfähigen Struktureinzelheiten dieses Objekts 5 in einen Echoimpuls 6 verwandelt, der die räumliche Struktur dieses Objekts 5 in Abhängigkeit von einem augenblicklichen Einfallswinkel φ (F i g. 2) als Information in sich trägt.

Zum Empfang dient ein Empfang-Schallwandler 7, der vorzugsweise aus einer Gruppenanordnung mehrerer Einzelschallwandler zusammengesetzt ist, um durch Bündelung eine Richtwirkung unter Bevorzugung einer Hauptempfangsrichtung zu erzielen. Ebenso kann der Sende-Schallwandler 4 aus einer Gruppenanordnung von Einzel-Schallwandlern bestehen. Ferner ist es möglich, einen einzigen Schallwandler bzw. eine einzige Gruppenanordnung von Schallwandlern mittels einer bekannten elektrischen Weiche im Wechselbetrieb zeitweise sowohl als Sende-Schallwandler 4 als auch als Empfangs-Schallwandler 7 zu benutzen.

Empfangssignale aus dem Empfangsschallwandler 7 werden zunächst, da sie von modulierten Wasserschallimpulsen 1 stammen, in einer Dekodierstufe 8 entschlüsselt. Diese Dekodierstufe 8 besteht beispielsweise aus einem Simultankorrelator oder einem sogenannten angepaßten Filter 8, wenn der sendeseitige Signalkodierer 2 auf Betrieb für weite Entfernungsbereiche eingestellt ist. Aufbau und Wirkungsweise dieser an sich bekannten elektronischen Bausteine sind beispielsweise von H. Schäfer in der »Nachrichtentechnischen Zeitschrift« 7/1967 auf S. 388 bis 400 in dem Aufsatz »Der Radarempfänger als Optimalfilter und Korrelator« beschrieben worden.

Ist der Signalkodierer 2 auf kurze Entfernungsbereiehe eingestellt, dann ist die Dekodierstufe 8 entsprechend umgeschaltet, d. h. sie arbeitet dann als einfacher, an sich bekannter Hüllkurvengleichrichter.

Hierauf folgt eine Datenreduzierstufe 9, vorzugsweise in Form eines kleinen Prozeßrechners, in der die im dekodierten Empfangssignal enthaltene Objektinformation, sofern es sich bei dem gerade erfaßten Objekt 5 beispielsweise um ein U-Boot mit einer besonders typischen Struktur seines Echoimpulses 6 handelt, zu einem klassifizierfähigen 5-Zonenmuster 10 aufbereitet wird.

Das 5-Zonenmuster 10 wird in Amplitudenschrift erstellt und in einem Anzeigegerät 11 auf einem Bildschirm 11a sichtbar dargestellt und gegebenenfalls auch auf einem Registrierstreifen 116 fortlaufend registriert. Gleichzeitig gelangen die Signale des 5-Zonenmusters 10 in einen Speicher 12 zur Aufzeichnung, wodurch unter anderem die Erzeugung eines stehenden Bildes auf dem Bildschirm 11a ermöglicht wird.

Dieser Speicher 12 ist die Vorstufe zu einem Verfolgungs- und Klassifizierungsrechner 13 und dient letzterem als Datenspeicher, der ihn in die Lage versetzt, ein soeben erstelltes 5-Zonenmuster 10 aus gerade empfangenen Echoimpulsen 6 durch Vergleich mit einer bereits früher abgespeicherten Auswahl von 5-Zonenmustern zu klassifizieren. Das Ergebnis der Klassifizierung wird durch den Verfolgungs- und Klassifizierungsrechner 13 gesondert zur Anzeige gebracht.

Der Verfolgungs- und Klassifizierungsrechner 13 hat außerdem noch Steuerungsaufgaben auf der Sendeseite und bei der fortlaufenden Anzeige auf dem Anzeigegerät 11 zu übernehmen. So wird unter Einbeziehung einer elektronischen Taktzentrale 14 für zentrale Impulssteuerung der gesamten Sonaranlage in Abhängigkeit von der jeweiligen Echolaufzeit die Länge und die Modulationsart der Wasserschallimpulse 1 sowie ihre Folgefrequenz gesteuert.

Empfangsseitig steuert der Verfolgungs- und Klassifizierungsrechner 13, ebenfalls im Zusammenwirken mit der Taktzentrale 14, über eine Torstufe 15 das Anzeigegerät 11 in der Weise, daß auf seiner Zeitachse, vorzugsweise unter Zentrierung der Mittelkontur des 5-Zonenmusters 10 auf eine senkrechte Mittelachse, nur die Echoimpulse 6 eines interessierenden Objekts 5 mit optimaler Spreizung erscheinen.

F i g. 2 zeigt die kontinuierliche Darstellung von aus Echoimpulsen 6 (Fig. 1) eines U-Bootes als Objekt 5 aufbereiteten 5-Zonenmustern 10, die unter fortlaufender Veränderung des Einfallwinkels der Wasserschallimpulse 1 von 0° bis etwa 100° auf einem Registrierstreifen Wb aufgezeichnet wurden. Durch die fortlaufende Registrierung gewinnt die Darstellung an Plastizität, und bei bisher unbekannten Objekten 5 lassen sich auf diese Weise zuverlässige Aussagen über dessen Gesamt- und Detaildimensionen wie Länge, Breite und Ausdehnung sowie Anordnung von Aufbauten bzw. Einbaugruppen machen. Hierdurch ergibt sich unter Einbeziehung des Menschen als Beobachter und weiterer Hilfsmittel wie Handbücher eine zusätzliche Möglichkeit zur Identifizierung von bisher unbekannten Objekten 5 unter Wasser mit Hilfe der verbesserten Sonar-Technik.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Sonaranlage zur Klassifizierung von interessierenden Objekten, dadurch gekennzeichnet, daß sendeseitig ein Signalkodierer (2) zur Modulation breitbandig ausgesandter Wasserschallimpulse (1) und empfangsseitig eine Dekodierstufe (8) mit Datenreduktionsstufe (9) zur spezifizierten Darstellung einer in Echoimpulsen (6) enthaltenen Struktur interessierender Objekte (5) als hier sogenanntes Mehr-Zonenmuster in Amplitudenschrift nach Art eines Echogrammes vorgesehen sind.

2. Sonaranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Klassifizierung eines interessierenden Objekts (5) an Hand des Mehr-Zonenmusters ein Verfolgungs- und Klassifizierungsrechner (13) mit in einem Speicher (12) vorhandenen Mehr-Zonenmustern schon bekannter Objekte und gegebenenfalls zur Abspeicherung des Mehr-Zonenmusters von einem bisher unbekannten Objekt (5) vorgesehen sind.

3. Sonaranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dekodierstufe (8) nach Art eines Korrelator^ oder Optimalfilters aufgebaut ist, wenn die Sonaranlage auf weite Entfernungsbereiche arbeitet, nach Art eines Hüllkurvengleichrichters, wenn die Sonaranlage auf kurze Entfernungsbereiche umgeschaltet ist.