DE2020566B2 - Verfahren zur Erzeugung hochaufgelöster Sonarbilder - Google Patents

Description

Vschiff Vschall ■ R

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beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandler in gleichen Abständen voneinander angeordnet sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, 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 Bildschirm 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 Mischstufe 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.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufzeichnung 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 VR ist.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Rekonstruktion der Hologramme die Filmebene und die Rekonstruktionsebene der Hologramme durch Verwendung einer Zylinderlinse und einer sphärischen 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.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung hochaufgelöster Bilder durch Aussenden kohärenter Ultraschallwellen, wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.

Aus der deutschen Auslegeschrift 12 50 "137 ist eine registrierende Echoloteinrichtung bekannt, bei der einem Empfänger mehrere mit diesem örtlich nicht zusammenfallende Sender zugeordnet sind und der Empfänger jeweils nur einen eingegrenzten Teil jeder von einem Sender bestrahlten Fläche des Bodens eines Gewässers erfaßt. Dabei weist der Empfänger eine relativ scharf gebündelte Empfangscharakteristik auf, und um ihn herum sind mehrere relativ ungerichtete Sender so angeordnet, daß ihre Strahlung von verschiedenen Seiten auf die vom Empfänger erfaßte Bodenfläche des Gewässers einfällt. Die Sender werden dabei gleichzeitig ausgelöst.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 14 41 997 ist eine Echoloteinrichtung auf Schiffen bekannt, in welcher in Vorausrichtung des Schiffes in einem größeren Winkel gelotet wird, der aus einer Mehrzahl von aneinander angrenzenden oder sich geringfügig überlappenden Teilsektionen besteht, denen jeweils ein Schwinger oder eine Kombination von Schwingern scharf gebündelter Charakteristik zugeordnet ist, mit denen gleichzeitig gelotet wird. Jedem Teilsektor ist ein getrenntes Registriergerät mit einer eigenen Papierrolle und einem eigenen umlaufenden Registrierorgan zugeordnet, wobei die Registriergeräte nebeneinander

angeordnet sind und ihre umlaufenden Registrierorgane synchron angetrieben werden.

Um Unterwasserobjekte in Entfernungen bis zu einigen Kilometern sichtbar zu machen, werden Ultraschallfrequenzen im Bereich von 100 kHz verwendeL Höhere Ultraschallfrequenzen 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 erscheint 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 Erfindung geht hierbei aus von dem bekannten Prinzip des Seitensichtradars. Hierbei wird von einer im Flugzeug mitgeführten Antenne eine Serie von Radarimpulsen seitlich ausgestrahlt 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 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 die azimutalen Zielkoordinaten für jeden Entfernungsbereich in Form von eindimensionalen Hologrammen in der horizontalen Filmdimension 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 verschiedenen Ebenen fokussiert, nämlich die Zielentfernung in der Filmebene und die azimutalen Zielkoordinaten in der Rekonstruktionsebene jedes eindimensionalen Hologramms. In der Zeitschrift »Proceedings of the IEEE Vol. 54 Nr. 8, Aug.1966, Seite 1026 bis 1032 ist ein Verfahren beschrieben worden, bei dem durch Verwendung von asphärischen Linsen beide Ebenen überlagert werden. Dabei werden mit Hilfe einer konischen Linse alle Rekonstruktionsebenen der 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 insgesamt 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 gennge Schallgeschwindigkeit nicht möglich. Nimmt man z. B. eine Schiffsgeschwindigkeit von etwa 30 km/Std. an, so bewegt sich das Schiff etwa 20 m, bevor ein Sonarecho aus einer Zielentfernung von 1500 m empfangen wird. Dadurch würde die Azimutinformation nur alle 20 m abgetastet, was eine brauchbare Rekonstruktion der Ziele ausschließen würde.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung hochaufgelöster 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, welches erfindungsgemäß die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1 aufweist.

Die Länge der Schallwandlerreihe soll mindestens

Vschiff Vschall

betragen, wobei Vschiff und Vschall die Schiffs- 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 20 m.

Die Schallwandler einer Zeile können in gleichen Abständen voneinander oder derart statistisch verteilt angeordnet werden, daß die Anzahl der notwendigen Strahler vermindert 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 lichtempfindlichen Material abgebildet werden, das in beiden Koordinatenrichtungen an der Reihe von Lichtquellen vorbeigezogen wird, wobei die Geschwindigkeit in Azimutrichtung der Schiffsgeschwindigkeit proportional ist, während die Geschwindigkeit in Richtung senkrecht zur Azimutrichtung während des Empfangs 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.

Anstelle dieser parallelen Abtastung der einzelnen Ultraschallwandler kann man auch eine serielle Abtastung in der Weise vornehmen, daß die einzelnen Ultraschallwandler nacheinander abgetastet und auf dem Bildschirm eines Oszillographen Azimut- und Entfernungsinformation für jeden Sonarimpuls aufgezeichnet werden und auf lichtempfindlichen Material abgebildet werden, das proportional zur Schiffsgeschwindigkeit am Oszillographenschirm parallel zur Azimutrichtung vorbeigezogen wird. Wird die Abtastfrequenz größer als die Ultraschallfrequenz gewählt, so wird hierbei gleichzeitig Phase und Amplitude des Signals aufgezeichnet. Auf die Überlagerung eines kohärenten Bezugssignals kann dann verzichtet werden. Als lichtempfindliches 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, einer Zylinder- und einer sphärischen Linse abgebildet werden kann. Die Verwendung einer konischen Linse, die bei der Abbildung Aberrationen und Verzerrungen einführt, kann vermieden werden, wenn beim Aufzeich-

nen der Hologramme die Vergrößerung bzw. Verkleinerung jedes Hologramms in der Azimutrichtung für jede Entfernung R umgekehrt proportional zu VT? gewählt wird. In diesem Fall entstehen bei der Beleuchtung der Hologramme mit einem Laserstrahl die Rekonstruktionsebenen jedes der eindimensionalen Hologramme in einer einzigen Ebene statt in verschiedenen Ebenen, wie im vorhergehenden Fall, 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 Funktion der Zielentfernung linear variiert.

Während das durch die kleinste noch auflösbare Größe noch bestimmte Auflösungsvermögen beim normalen Sonar bestimmt ist durch die Gleichung

Ax = 1,2 · R- AlD,

worin R die Entfernung des Objektes, Δ die akustische Wellenlänge und D die Empfängerapertur sind, tritt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren an die Stelle der Apertur der maximal mögliche effektive Durchmesser der eindimensionalen Hologramme, der wiederum etwa gleich ist dem doppelten der angestrahlten Zielfläche, d.h. Dt=2AxR/a, worin a der Durchmesser des Schallsenders ist. Ax ist hier also ungefähr gleich dem halben Durchmesser des Schalisenders 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 Unterhologramme.

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

F i g. 1 zeigt eine Prinzipskizze zur Erläuterung des Sonarsystems;

F i g. 2 zeigt eine Anordnung zum Aufzeichnen der Sonarechos;

F i g. 3 zeigt eine andere Anordnung zum Aufzeichnen der Sonarechos;

Fig.4 zeigt eine Darstellung der aufgezeichneten Sonarechos;

F i g. 5 zeigt eine Anordnung zur kohärent optischen Erzeugung von Sonarbildern aus dem aufgenommenen Hologramm;

Fig. 6 zeigt eine Variante der Anordnung nach F i g. 5.

Das in Fig. 1 dargestellte Schiff I trägt einen Ultraschallsender, der Ultraschallwellen unter einem Aperturwinkel β aussendet, die vom Meeresgrund 2 im Bereich der angestrahlten Zielfläche 3, die einen Abstand von R\ bis #2 vom Schiff 1 aufweist, reflektiert werden.

Fi g. 2 zeigt eine Reihe von Schallwandlern 4, deren Ausgangssignale über Mischstufen 5, denen vom Sender 9 ein kohärentes 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 .v 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 ursprüngliche Lage in dieser Richtung zurückgeholt zu werden. 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.

F i g. 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 Pulsfcrmer 23 gewonnen werden, wobei w gleich der Ultraschallfrequenz ist.

Die x-Ablenkting des Oszillographen 21 wird der mit Abtastansteuerung synchronisiert, indem gleichzeitig aus dem Referenzsignal mit einem Schmitt-Trigger 24 und dem Differenzierglied 25 ein Sägezahn als Trigger zur Steuerung der x-Ablenkung 29 des Oszillographen 21 erzeugt wird. Zur /-Ablenkung (Entfernungskoordinate) des Oszillographen 21 wird der Sendeimpuls 31 durch ein Verzögerungsglied 26 um eine Zeit τ seit Senden des Sonarimpulses verzögert und durch das Differenzierglied 27 ein Trigger zur Steuerung der /-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 .v-Koordinate mit einer Geschwindigkeit proportional zur Schiffsgeschwindigkeit am Oszillographen 21 vorbeigezogen wird.

Die mit Hilfe der Anordnung nach Fig.2 oder auf andere Weise, z. B. durch serielle Abtastung gemäß F i g. 3 der Schallwandler 4, erzeugte Aufnahme ist in F i g. 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 ■ -

Vschiff Vschall

worin K eine Konstante darstellt. In dem dargestellten Beispiel stellt eine 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 ausgesar>.dten 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 F i g. 5 dargestellte, bereits auf dem Gebiet des Seitensichtradars bekannte optische Anordnung kann zur Rekonstruktion für Sonarbilder aus dem Hologramm dienen. Die Rekonstruktionsebenen der auf dem Filmband 8 aufgezeichneten Hologramme werden mit Hilfe der konischen Linse 15 im Unendlichen abgebildet, während die Filmebene durch die Zylinderlinse 16 ebenfalls im Unendlichen abgebildet wird. Anschließend

werden die Zielpunkte mit der sphärischen Linse 17 aus 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 Funktion 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 ist, 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.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen 809 609/97

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung hochaufgelöster Bilder durch Aussenden kohärenter Ultraschallwellen und Empfang der zurückkommenden Echosignale auf einem vorzugsweise in Fahrt befindlichen Schiff mit Hilfe von Schallwandlern, wobei die Echosignale durch eine Reihe von Schallwandlern empfangen werden, die parallel zur Azimutrichtung aufgereiht sind, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verwendung eines Bezugssignals sowohl die Phaseninformation als auch die Amplitudeninformation der von den Schallwandlern empfangenen Signale als Funktion der Empfangszeit auf parallelen in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit zu der Zieientfernungskoordinatenachse 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 I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Schallwandlerreihe mindestens