DE2020566A1

DE2020566A1 - Verfahren zur Erzeugung hochaufgeloester Sonarbilder

Info

Publication number: DE2020566A1
Application number: DE19702020566
Authority: DE
Inventors: Dietlind Pekau
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-04-27
Filing date: 1970-04-27
Publication date: 1972-11-30
Also published as: US3805222A; DE2020566C3; DE2020566B2

Description

Verfahren zur Erzeugung von hochaufgelöster Sonarbilder

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Er-· zeugung hüchaufgelöster Bilder durch Aussenden kohärenter Ultraschallwellen und Empfang der zurückkommenden Echosignale auf einem, vorzugsweise in Fahrt befindlichen Schiff, mit Hilfe von Schallwandlern.

Um Unterwasserobjekte in Entfernungen bis zu einigen Kilomet ern sichtbar zu machen, werden Ultraschallfrequenzen im Bereich von 1OC kHz verwendet. Höhere Ultraechallfx'equenzen sind wegen ihrer Absorption auf weite Entfernung unbrauchbar. Andererseits ist das Auflösungsvermögen der Ultraschallwellenlänge proportional, so daß im Hinblick auf die relativ hohe Wellenlänge des verwendeten Ultraschalls große Empfängeraperturen benötigt werden, um ein hohes Auflösungsvermögen zu erzielen. Um ein ausreichendes Auflösungsvermögen zu erreichen, müßte unter Verwendung einer Matrix aus einer großen Anzahl von Schallwandlern eine entsprechend große Apertur erzeugt werden. Eine solche Apertur ersheint im Hinblick auf die sehr große Anzahl benötigter Schallwandler nicht realisierbar.

Durch die vorliegende Erfindung soll ein Verfahren angegeben werden, das es gestattet, synthetisch eine große Apertur und mit deren Hilfe ein hohes Auflösungsvermögen zu erzielen. Die vorliegende Erfindungfeeht hierbei aus von dem bekannten Prinzip des Seitensichtradars. Hierbei wird von einer im Flugzeug mitgeführten Antenne eine Serie von Radarimpulsen seitlich aus-,gestrahlt und den von dieser Antenne empfangenen Echos ein vom Sender entnommenes kohärentes Bezugssignal überlagert. Das dadurch entstehende Interferenzsignal wird nach Umwandlung in ein Videosignal auf einem Oszillographenschirm abgebildet, wo

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bei jedem Radarimpuls eine vertikale Strahlspur zugeordnet wird. Diese Strahlspur wird auf einem Film, der am Oszillographenbildschirm in horizontaler Richtung vorbeigezogen wird, aufgenommen. Die Zielentfernung ist auf dem "Film in vertikaler Richtung durch Verwendung von Pulsradar in konventioneller" Weise aufgezeichnet, während azimutalen Zielkoordinaten für jedem Entfernungsbereich in E'orm von eindimensionalen Hologrammen in der horizontalen Filmdiinension registriert sind. Die azimutale Zielinformation kann durch Beleuchtung des Hologramms mit einem Laser gewonnen werden, jedoch sind dabei die Zielentfernung und die azimutalen Zielkoordinaten in verschie™ nen Ebenen fokussiert, nämlich die Zielentfernuxig" in der Filmebene und die azimutalen Zielkoordinaten in der Rekonstruktions ebene jedes eindimenisonalen Hologramms. In der Zeitschrift "Proceedings of the IEEE VoI 54 Hr.8, Aug.1966, Seite 1026 bis 1032 ist von Cutrona, Leith„ Porcello und Vivien ein Verfahren beschrieben worden, bei dem durch Verwendung von asphärischen linsen beide Ebenen überlagert werden. Dabei werden mit Hilfe einer konischen Linse alle RekonstruktionBebenen dex* eindimensionalen Hologramme im Unendlichen abgebildet, während die Zielentfernung durch eine Zylinderlinse ebenfalls im Unendlichen abgebildet wird. Anschließend werden alle Zielpunkte mit einer spärischen Linse aus dem Unendlichen in die Brennebene dieser Linse gebracht. In dieser Brennebene entsteht die hochaufgelöste Radarkarte des von der synthetischen Antenne inagesamt erfaßten Zielbereichs.

Eine Anwendung des Prinzips des Seitensicht-Radars zur Erzielung hoch aufgelöster Sonarbilder, die von einem fahrenden Schiff aufgenommen werden, ist jedoch im Hinblick auf die geringe Schallgeschwindigkeit nicht möglich. Nimmt man z.B. eine Schiffsgeschwindigkeit von etwa 30 km/Std. an, so bewegt air'r das Schiff etwa 20 m bevor ein Sonarecho aus einer Zielentfernung von 1500 m empfangen wird. Dadurch wü rde die Azimut information nur alle 20 m abgetastet, was eine brauchbare Rekonstruktion der ZMe ausschließen würde.

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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung hoch aufgelöster Sonarbilder anzugeben, das auch die Aufnahme solcher Bilder von einem fahrenden Schiff aus gestattet. Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, wobei erfindungsgemäß die Echosignale durch eine Reihe von Schallwandlern empfangen werden, die parallel zur Azimutrichtung aufgereiht sind und die von den Schallwandlern empfangenen mit einem kohärenten vom Schallsender ausgehenden Signal überlagerten Signale als Punktion der Empfangszeit auf parallelen in Ab» här@.gkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit zu der Zielentfernungskoordinatenachse geneigten Geraden aufgezeichnet werden und aus dem so gewonnenen Hologramm durch Beleuchtung mit einem kohärenten Lichtstrahl die Sonarkarte rekonstruiert wird.

Die Länge der Schallwandlerreihe soll mindestens 4x betragen, wobei "Vschiff und Vschall die Schiff3- und Schallgeschwindigkeiten und R die Zielentfernung sind. Beträgt beispielsweise die Schiffsgeschwindigkeit 15 km/h und die Zielentfernung 1,5 km, so beträgt die Länge der Zeile von Wandlern ZO m.

Die Schallwandler einer Zeile können in gleichen Abständen voneinander oder derart statistisch verteilt angeordnet werden, daß die Anzahl der notwendigen Strahler verminfert wird.

Das Aufzeichnen der eindimensionalen akustischen Hologramme erfolgt bei einer Ausführungsform der Erfindung in der Weise, daß das mit dem Bezugssignal überlagerte Ausgangssignal jeder der Schallwandler einer steuerbaren Lichtquelle, z.B. einer Glühbirne oder einer Lumineszenzdiode zugeführt wird, die auf einem 1 iohtein^ländlichen Material abgebildet werden, das in bei den Koordinatenrichtungen an der Reihe von Lichtquellen vorbei-· .gezogen wird, wobei die Geschwindigkeit in Azimutrichtung der Schiffsgeschwindigkeit proportional ist, während die Geschwin-

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digkeit in Richtung senkrecht zur Azimutrichtung während des Empfangs der Echos eines Ultraschallirapulses konstant Ist und das lichtempfindliche Material in der Pauae bis zum Eingang des ersten Echos des nächsten Impulses in seine ursprüngliche Lage in dieser Richtung zurückgeholt wird.

Anstelle dieser paialleleu Abtastung der einzelnen Ultraschallwandler kann man auch eine serielle Abtastung in der Weise vornehmen, daß die einzelnen Ultraschallwandler nachein-. ander abgetastet und auf dem Bildschirm eines Oszillographen ™ Azimut- und iintfernungsinformation für ,-jeden Sonarimpuls aufgezeichnet werden und auf lichtempfindlichen Material abgebildet werden, das proportional zur Schiffsgeschwindigkeit am Oszillographenschirm parallel zur Azimutrichtung vorbeigecgen wird. Wird die Abtastfrequenz größer als die Ultraschallfrequenz gewählt, so wird hierbei gleichzeitig Phase und Amplitude des Signals aufgezeichnet„ Auf die Überlagerung eines kohärenten Beaugasignals kann dann verzichtet werden. Als lichtempffed liches Material kann übliches fotografisches Filmmaterial verwendet werden oder ein reversibles Fotochrommaterial, das eine Echtzeitrekonstruktion ermöglicht.

Zur Rekonstruktion der Sonarbilder wird das Hologramm mit einem kohärenten Lichtstrahl beleuchtet, so daß das Sonarbild mit einer konischen -, eines Zylinder - und einer sphärischen Linse abgebildet werden kann. Die Verwendung einer konischen Linse, die bei der Abbildung Aberrationen und Verzerrungen ejji· führt, kann vermieden werden, wenn beim Aufzeichnen der Hologramme die Vergrößerung bzw. Verkleinerung jedes Hologramms in der Azimutrichtung für jede EntfeAng R umgekehrt proportional zu VjR gewählt wird. In diesem Fall entstehen bei der Beleuch tung der Hologr^üjin« mit einem Laserstrahl, die hekonstruktion;' ebenen jedes der eindimensionalen Hologramme in einer einzii ' Ebene statt in verschiedenen Ebenen, wie im vorhergehenden FaI^;

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SO daß diese Ebene durch Verwendung einer Zylinderlinse mit der Filmebene überlagert werden kann. Ist die Variation der Objektentfernung verglichen mit der Objektentfernung gering, dann kann eine Hologrammverkleinerung gewählt werden, die als Punktion der Zielentfernung linear variiert.

Während das durch die kleinste noch auflösbare Größe noch bestimmte Auflösungsvermögen beim normalen Sonar bestimmt ist durch die Gleichung A x=1,2xRxA-/D, worin R die Entfernung des Objektes,Λ die akustische Wellenlänge und D die Empfängerapertur sind, tritt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren an die Stelle der Apertur der^aaximal möglfche effektive Durchmesser der eindimensionalen Hologramme, der wiederum etwa gleich ist dem doppelten der angestrahlten Zielfläche, d.h. D--v 2 ./\ ar R / a, worin a der Durchmesser des Schallsenders ist. A χ ist hier also ungefähr gleich dem halben Durchmesser des Schallsenders und damit unabhängig von der Zielentfernung.

Im Gegensatz zum Seitensichtradar, wo die Azimutinformation in Form von eindimensionalen Hologrammen Punkt für Punkt gewonnen wird, wird jedes Hologramm im hier vorliegenden Fall aus mehreren Unterhologrammen, deren Apertur gleich der Länge der Wandlerserie ist, zusammengefügt. Da die Aufnahmezeit jedes einzelnen Unterhologramms sehr kurz ist, kann man bei dem vorgeschlagenen System auch bewegte Objekte aufnehmen. Jedoch ist dann das Azimutauflösungsvermögen begrenzt durch die Apertur der einzelnen UnterhoIogramme.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sei auf die nun folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren verwiesen.

Fig.1 zeigt eine Prinzipskizze zur Erläuterung des Sonarsystems, Fig.2 zeigt eine Anordnung zum Aufzeichnen der Sonarechos, Fig.3 zeigt eine andere Anordnung zum Aufzeichnen der Sonarechos,
Fig.4 zeigt t;ine Darstellung der aufgezeichneten Sonarechos,

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Fig.5 zeigt eine Anordnung zur kohärent optischen Erzeugung

von Sonarbildern aus dem aufgenommenen Hologramm, Fig.6 zeigt eine Variante der Anordnung nach Fig.5.

Das in Fig.1 dargestellte Schiff 1 trägt einen Ultraschallsender, der Ultraschallwellen unter einem Aperturwinkel^ aussendet, die vom Meeresgrund 2 im Bereich der angestrahlten Zielfläche 3, die einen Abstand von R₁bis R₂ vom Schiff 1 aufweist, reflektiert werden.

Fig.2 zeigt eine Reihe von Schallwadlern 4, deren Ausgangssignale über Mischstufen 5» denen vom Sender 9 ein kohärentes k Bezugssignal zugeführt wird, Lichtquellen 6 steuern. Die Lichtquellen 6 werden über eine Linse 7 auf einen fotografischen Film 8 abgebildet, der in Richtung des Pfeiles 9, die der Azimutrichtung χ entspricht, proportional der Schiffsgeschwindigkeit bewegt wird und gleichzeitig in Richtung des Pfeils 10 während der Aussendung eines Ultraschallimpulses mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird, um dann wieder in die Ursprung-· liehe Lage in dieser Richtung zurückgeholt zu wex'den. Hierbei werden die dargestellten Bildspuren 11 der Lichtquellen 5 auf dem Film 8 aufgezeichnet. Die mit der Klammer 12 umfaßte Gruppe von Bildspuren stammt von den Echosignalen des vorhergehenden Ultraschallimpulses.

fe Fig.3 zeigt eine Anordnung zum seriellen Abtasten der Schallwandler 4. Die Signale jedes Schallwandlers 4 werden nach Empfangsverstärkung in Verstärkern 19 mit einem Schieberegister 20 seriell abgetastet und modulieren die Helligkeit eines Oszillographen-Bildschirms 21. Das Schieberegister 20 wird mit einer Serie von Rechteckimpulsen angesteuert, die aus dem Referenzsignal von Frequenz w durch den Frequenzvervielfacher 22 und Pulsformer 23 gewonnen werden, wobei w gleich der Ultraschall frequenz ist.

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Die x-Ablenkung des Oszillographen 21 wird der mit Abtastansteuerung synchronisiert, indem gleichzeitig aus dem Referenzsignal mit einem Schmittrigger 24 und dem Differenzierglied 25 ein Sägezahn als Trigger zur Steuerung der x-Ablenkung 29 des Oszillographen 21 erzeugt wird. Zur y-Ablenkung (Entfernungskoordinate) des Oszillographen 21 wird der Sendeimpuls 31 durch ein Verzögerungsglied 26 um eine Zeit i. seit Senden des Sonarimpulses verzögert und durch das Differenzierglied 27 ein Trigger zur Steuerung der zur y-Ablenkung 28 gewonnen. Die Serie von eindimensionalen Hologrammen, die so auf dem Oszillographenbildschirm 21 aufgezeichnet werden, werden auf einen Film 30 abgebildet, der parallel zur x-Koordinate mit einer Geschwindigkeit proportional zur Schiffsgeschwindigkeit am Oszillographen 21 vorbägezogen wird.

Die mit Hilfe der Anordnung nach Fig.2 oder auf andere Weise, z.B. durch serielle Abtastung gemäi#?ig.3 der Schallwandler 4 erzeugte Aufnahme ist in Fig.4 nochmals im einzelnen dargestellt. Die strichlierten Linien 13 quer zur Bandrichtung entsprechen der Aufzeichnung der Echos, die von je einem Schallwandler aufgenommen werden. Das Signal eines Wandlers entspricht damit bei konstanter Schiffsgeschwindigkeit einer Geraden, die unter einem Winkel φ zur Zielentfernungskoordinatenachse R verläuft, wobei φ = K χ » worin K eine

vscnaj-JL ι η -ι μ

Konstante darstellt. In dem dargestellten Beispielfeine Gruppe von fünf solchen Geraden jeweils die Signale einer Reihe von Schallwandlern dar, während die folgenden Gruppen von je fünf Signalen von den jeweils vorhergehenden ausgesandten Ultraschallimpulsen stammen. Die Koordinate quer zur Bandrichtung entspricht der Entfernung R. In Richtung des Bandes sind für jede Entfernung R eindimensionale Hologramme 14 der Echosignale aufgezeichnet.

Die in Fig.5 dargestellte, bereits auf dem Gebiet des Seitensichtradars bekannte optische Anordnung kann zur Rekonstruktion für Sonarbilder aus dem Hologramm dienen. Die Rekonstruktionoebenen der auf dem Filmband 8 aufgezeichneten Hologramme werden mit Hilfe der konischen Linse Vj im Unendlichen abgebildet, VPA 9/712/0032 209849/0128 _H

während die Filmebene durch die Zylinderlinse 16 ebenfalls um Unendlichen abgebildet wird. Anschließend werden die Zielpunkte mit der sphärischen Linse 17 au3 dem Unendlichen in die Brennebene 18 der Linse gebracht, in der die hochaufgelöste Sonarkarte erzeugt wird.

Bild 6 zeigt eine Anordnung zur Abbildung der Sonarkarte bei variierender Hologrammverkleinerung, die z.B. durch Beeinflussung der Oszillographenablenkung in x-Richtung als Punktion der Zeit oder durch Verwendung einer konischen Linse bei der Aufzeichnung auf den Film erfolgen kann. Die Hologramme, die so aufgezeichnet werden, daß die Verkleinerung jedes eindimensionalen Hologramms umgekehrt proportional zur entsprechenden Zielentfernung R iet, werden mit kohärentem Licht beleuchtet. Die Entfernungskoordinate der Filmebene wird mit der Kombination von Zylinderlinse 16 und sphärischer Linse 17 in die Bildebene 18 der Sonarkarte abgebildet, während die sphärische Linse 17 die Rekonstruktionsebene 8 der eindimensionalen Hologramme in die Bildebene 18 abbildet.

13 Patentansprüche Figuren

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Claims

Patentansprüche

M.JVerfahren zur Erzeugung hochaufgelöster Bilder durch Aussenden kohärenter Ultraschallwellen und Empfeng der zurückkommenden Echosignale auf einem, vorzugsweise in Fahrt befindlichen, Schiff mit Hilfe von Schallwandlern, dadurch gekennzeichnet , daß die Echosignale durch eine Reihe von Schallwandlern empfangen werden, die parallel zur Azimutrichtung aufgereiht sind, daß durch Verwendung eines Bezugsaignals sowohl die Phaseninformation als auch die Amplitudeninformatfon der von den Schallwandlern empfangenen Signalen als Funktion der Empfangszeit auf parallelen in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit zu der Zielentfernungskoordinatenachse geneigten Geraden aufgezeichnet werden und daß aus den so gewonnenen Hologrammen durch Beleuchtung mit einem kohärenten Lichtstrahl die Sonarkarte rekonstruiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net , daß die Länge der Schallwandlerreihe mindestens
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Schallwandler in gleichen Abständen voneinander angeordnet sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß Schallwandler auf einer Zeile statistisch verteilt sind, oder in einer anderen Verteilung, die es erlaubt die Anzahl der notwendigen Wandler auf der Zeile zu reduzieren.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die einzelnen Ultraschallwandler nacheinander abgetastet und auf dem BiId-

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schirm eines Oszillographen Azimut- und Entfernungsinformation für jeden Sonarimpuls aufgezeichnet werden und auf lichtempfindlichem Material abgebildet werden, das proportional zur Schiffsgeschwindigkeit am Oszillographenschirm parallel zur Azimutrichtung vorbeigezogen wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß sowohl die Phase als auch die Amplitude des Signals durch Verwendung einer Abtastfrequenz, die größer als die Ultraschallfrequenz ist, aufgezeichnet wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet , daß sowohl die Phase als auch die Amplitude des Signals durch ein kohärentes Bezugssignal, das dem Signal jedes Ultraschallwandlers entweder vor oder nach dem Abtasten in einer Miechstufe beigefügt wird, aufgezeichnet wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das mit dem Bezugssignal überlagerte Ausgangssignal jeder der Schallwandler einer steuerbaren Lichtquelle, z.B. einer Glühbirne oder Lumineszenzdiode zugeführt wird, die auf einem lichtempfindlichen Material abgebildet werden, das in beiden Koordinatenrichtungen an der Reihe von Lichtquellen vorbeigezogen wird, wobei die Geschwindigkeit in Azimutrichtung der Schiffsgeschwindigkeit proportional ist, die Geschwindigkeit in Richtung senkrecht zur Azimutrichtung während des Empfanges der Echos eines Ultraschallimpulses konstant ist und das lichtempfindliche Material in der Pause bis zum Eingang des ersten Echos des nächsten Impulses in seine ursprüngliche Lage in dieser Richtung zurückgeholt wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß zur Aufzeichnung ein Fotochrommaterial verwendet wird.

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10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß zur Auf zeichnung ein fotografisches Filmmaterial verwendet Wird»
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Hologramme so abgebildet werden, daß die Vergrößerung der Hologramme in der Azimutrichtung für jede Entfernung R umgekehrt proportional zu VlT ist.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß bei der Rekonstruktion der Hologramme die Pilmebene und die Rekonstruktionsebene der Hologramme durch Verwendung einer Zylinderlinse und einer spnriechen Linse in einer Ebene überlagert werden.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß alle Rekonstruktionsebenen der eindimensionalen Hologramme mit einer konischen Linse in eine Ebene gebracht werden und mit einer Zylinderlinse und einer sphärischen Linse Filmebene und Rekonstruktionsebene überlagert werden.

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