DE2020566C3 - Verfahren zur Erzeugung hochaufgelöster Sonarbilder - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren /ur Erzeugung hochaufgclöster Bilder ilurch Aussenden kohärenter Ultraschallwellen, wie im Oberbegriff des Patentanspruches I angegeben ist.

Aus der deutschen Auslegeschrift 12 50 137 ist eine

γ, registrierende Scholleinrichtung 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

so Gewässers erfaßt. Dabei weist der Empfänger eine relativ scharf gebündelte F.mpfangscharakteristik auf. und um ihn herum sind mehrere relativ ungerichlete Sender so angeordnet, daß ihre Strahlung von verschiedenen Seiten auf die vom Empfänger erfaßte

v, Bodciifläche des Gewässers einfällt. Die Sender werden dabei gleichzeitig ausgelöst.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 14 41 997 ist eine Hcholoteinnchliing auf Schiffen bekannt, in welcher in Vorausrichtung des Schiffes in einem

ho größeren Winkel gelotet wird, der aus einer Mehrzahl von aneinander angrenzenden oder sich geringfügig überlappenden Teilsekliunen besteht, denen jeweils ein Schwinger öder eine Kombination von Schwingern schärf gebündelter Charakteristik zugeordnet ist, itiil 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 Regismerorgani.· synchron angetrieben werden.

Uni Unterwasserobjekte in Kntfernungen bis /u einigen Kilometern sichtbar /u machen, werden Uliraschallfrequenzen im Bereich von 100 kl Iz verwendet. Höhere LJItraschallfrequcn/en sind wegen ihrer Absorption auf weite Entfernung unbrauchbar. An dererseits ist das Auflösungsvermögen der Ultraschall wellenlange proportional, so daß im Hinblick auf die relativ hohe Wellenlänge des verwendeten Ultraschalls große Empfängeraperturen benötigt werden, um ein hohes Auflösungsvermögen zu erzielen. LJm ein ausreichendes Auflösungsvermögen zu erreichen, muß le 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 gehl hierbei aus von dem bekannten Prinzip des Seitensichtradars. Hierbei wird von einer im Flugzeug mitgeführten Antenne eine Serie vmi Radar impulsen 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 Oszillographen schirm 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 leiser gewonnen werden, jedoch sind dabei die Zielentfernung und die azimutalen Zielkoordinaten in verschiedenen F.benen 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. Aug1%b. Seite 102b bis 1032 ist em Verfahren beschrieben worden, bei dem durch Verwendung von asphärischen Linsen beide Ebenen Überlager! werden. Dabei werden mit Hilfe einer konischen Linse alle Rekonstruktionsebenen der eindimensionalen Hologramme im Unendlichen abgebildet, während die Zielcntfernung durch eine Zylinderlinse ebenfalls im Unendlichen abgehildet 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 synthetist hen Antenne insgesamt erfaßten Zielbereichs.

Line 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 L B, eine Schiffsgeschwindigkeit von etwa 30 km/Std an, so bewegt sich das Schiff etwa 20 ni. bevor ein Sdnafecho aus einer Zidentlernung ion 1500 m L-mpfangen wini. Lladurch wurde die Aziniutinformatinn nur alle 20 m abgetastet, was eine brauchbare Rekonstruktion der Ziele aus schließen »vürde.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung hochaufgelostcr Sunarbilder anzugeben, das auch die Aufnahme solcher Bilder von einem fahrenden Schiff aus gestaltet. Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß die Merkmale des Kennzeichens des Patenianspru ches 1 aufweist.

Die Länge der Schallwandlerreihe soll mindestens

4 ^Vsc'"ff Vschail

betragen, wobei Vschiff und Vschail die Schiffs- und Schallgeschwindigkeiten und R die Zielemfernung sind.

Beträgt beispielsweise die Schiffsgeschwindigkeit 15 km/h ur,d die Zielemfernung 1.5 km. so beträgt die Lange der Zeile von Wandlern 20 m.

Die Schailwandler einer Zeile kotin* η in gleichen Abständen voneinander oder derart statistisch verteilt angeordnet werden, daß die Anzahl der notwendigen Strahler vermindert wird.

Das ufzeichnen der eindimensionalen akustischen Hologramme erfolgt bei einer Ausfuhrungsform der Erfindung in der Weise, daß das mit dem Bezugssignal

jo überlagerte Ausgangssignal jeder der Schallwandler einer steuerbaren Lichtquelle./. B. einei 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 Geschwin digkeit in Azimutrichtung der Schiffsgeschwindigkeit proportional ist. während die Geschwindigkeit in Richtung senkrecht zur Azimutrichtung während des Empfangs der Echos eines I 'llraschallimpulses 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 zurückgehol. wird.

Anstelle dieser parallelen Abtastung der einzelnen Ultraschallwandler kann man auch eine serielle Abtastung in der Weise vornehmen, daß die einzelnen Ultras*.hallwandler nacheinander abgetastet und au) dem Bildschirm eines Oszillographen Azimut- und Entfernungsinformation für jeden Sonarimpuls aufge

-,o zeichnet werden und auf lichtempfindlichen Material abgebildet werden, das proportional zur Schiffsgeschwindigkeit am Oszillographenschirm parallel zur A/imutrichtung vorbeigezogen wird. Wird die Abtasi frequenz größer als die 'Jltraschallfrequenz gewählt, so

y-, wird hierbei gleichzeitig Phase und Amplitude des Signals aufgezeichnet. Auf die Liberlagerung eines kohärenten Bezugisignals kann dann verzicntjt werden Als lichtempfindliches Material kann übliches fotografisches Filmmater.al verwendet werden oder ein revcrsibles Fotochrommaterial. das eine Echt/eitrekonstruk lion ermöglicht.

£ur 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-

licit der Hologramme die Vergrößerung bzw. Verkleinerung jedes I lologrnmms in der Azimutriehtung für jede Entfernung Ii umgekehrt proportional zu VR gewählt wird. In diesem fall entstehen bei der Beleuchtung der Hologramme mit einem laserstrahl die Rekonstruklionscbenen 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 Hologrammvcrkleincrung gewählt werden, die als Funktion der Zielentfernung linear variiert.

Während das durch du· kleinste noch auflösbare Größe noch bestimmte Auflösungsvermögen beim normalen Sonar bestimmt ist durch die (ileichung

,dv = 1.2 · R ■ Ml).

worin R die Entfernung des Objektes, Δ die akustische Wellenlänge und D die Empfängcrapcrtur sind, tritt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren an die Stelle der Apertur der maximal mögliche effektive Durchmesser der eindimensionalen I lologrammc, der wiederum etwa gleich ist dem doppelten der angestrahlten Zielflächc. d.h. Da2A\R/a. worin a der Durchmesser des Schallsenders ist. Δχ ist hier also ungefähr gleich dem halben Durchmesser des Schallsendcrs und damn unabhängig von der Zielcntfernung.

Im Gegensatz, zum Scitensichtradar. wo die A/imii- !information in Form von eindimensionalen Hologrammen Punkt für Punkt gewonnen wird, wird jedes Hologramm im hier vorliegenden Fall aus mehreren Untcrhologranimen. deren Apertur gleich der Länge der Wandlcrserie ist. zusammengefügt. Da die Aufnahmezeit jedes einzelnen Unterhologramms sehr kurz, ist, kann man bei dem vorgeschlagenen System auch bewegte Objekte aufnehmen. |edoch ist dann das Az.iinutauflösungsvermögen 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 Sonarcchos;

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

F i g. 4 /eigt eine Darstellung der aufgezeichneten Sonarechos:

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

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

Das in Fig.! dargestellte Schiff 1 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 Rj vom Schiff 1 aufweist, reflektiert werden.

F i 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 χ entspricht, proportional der Schiffsgeschwindigkeit bewegt wird und gleichzeitig in Richtung des Pfeils 10 während der Ausscndung eines Ultraschallimpulses mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird, um dann s wieder in die ursprüngliche Lage in dieser Richtung zurückgeholt zu werden. I licrbei werden die dargestellten Bildspuren Il der Lichtquellen 5 auf dem Film 8 aufgezeichnet. Die mit der Klammer 12 umfaßte Gruppe von Bildspuren stammt von den Echosignalen

ίο des vorhergehenden Ultraschallimpulses.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung zum seriellen Abtasten der Schallwandlcr 4. Die Signale jedes Schallwandlcrs 4 werden nach Empfangsverstärkung in Verstärkern 19 mit einem Schieberegister 20 seriell abgetastet und

id modulieren die Helligkeit eines Oszillographen HiId schirms 21. Das Schieberegister 20 wird mn einer Serie Von Rcchtcckimpulscn angesteuert, die aus dem Referenzsignal von Frequenz w durch den Frequenz vervielfacher 22 und Pulsformcr 23 gewonnen werden.

wobei ic gleich der Ultraschallfrcquenz ist.

Die v-Ablenkung des Oszillographen 21 wird der mit Abtaslansteucrung synchronisiert, indem gleichzeitig aus dem Referenzsignal mit einem Schmitt-Trigger 24 und dem Differcnzicrglicd 25 ein Sägezahn als Trigger zur Steuerung der v-Ablcnkung 29 des Oszillographen 21 erzeugt wird. Zur >--Ablenkung (Entfernungskoordinate) clcs Oszillographen 21 wird der Sendeimpuls 31 durch e'ii Verzögerungsglied 26 um eine Zeit r seil Senden des Sonariinpulscs verzögert und durch das Differcnzicrglicd 27 ein Trigger zur Steuerung der j'-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 F i g. 2 oder auf andere Weise, z. B. durch serielle Abtastung gemäß

4ό Fig. 3 der Schallwandler 4, erzeugte Aufnahme ist in F i g. 4 nochmals im einzelnen dargestellt. Die slrichliertcn 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 = κ ■ l

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 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 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.sphärisehen Linse (7 ims dem Unendlichen in die ßrcnnebenc 18 der Linse gebracht, in der die hochaufgelöste Sonarkarte erzeugt wird.

Bild 6 zeigt eine Anordnung /ur Abbildung der Sonarkarie bei variierender Hologranimvcrklcincrung, die /. 15. durch Beeinflussung der Oszillographenablenkling '? v-Kiehiiing nls Funk I ion der Zeil oder durch Verwendung einer konischen Linse bei der Aufzeichnung auf den Film erfolgen kann. Die Hologramme, die

sf> aufgezeichnet werden. daß die Verkleinerung jedes eindimensionalen Hologramms umgekehrt proportional /ur entsprechenden Ziclcnlfernung Ii ist, werden mil kohärentem Lieht beleuchtet. Die Eiilfcnuingskocii-di· ϊ inite der Filmebenc wird mit der Kombination von Zylinderlinse 16 und sphärischer Linse 17 in die Bildebene 18 der Sonarkaile abgebildet, während die sphiH'ische Linse 17 die Rekonstriikiionsebene 8 der eindimensionalen Hologramme in die Bildebene in abbildet.

Mierzü 5 Blaff Zeiclinuhuen

Claims (13)

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 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 gekennzeichnet, daß die Länge der Schallwandlerreihe mindestens

Vschiff

Vschall ■ R

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 ode" in einer anderen Verteilung, die es erlaub' die Anzahl der notwendigen Wandler auf der Zeile zu red fieren.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen IJItraschallwandler nacheinander abgetaslei und auf dem Bildschirm eines Oszillographen Azimut- und Entfcrnungsinformation für jeden Sonarimpuls aufgezeichnet werden und auf lichtempfindlichem Material abgebildet werden, das proportional /ur Schiffsgeschwindigkeit am Os/ilk. graphenschirm 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 Abtastfrequcn/, die größer als die I Jltraschallfrequen/ ist. aufgezeichnet wird.

7 Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß sov/ohl die Phase als auch die Amplitude des Signals durch ein kohärentes Be/ugssignal. das dem Signal jedes llltraschallwandlcrs eniweder vor oder nach dem Abtasten in einer Mischsiufe beigefügt wird, aufge/cichnci wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß das mil dem Bezugssignal überlagerte Ausgangssignal jeder der Schallwandler einer steuerbaren Lichtquelle, L B, eiflef Glühbirne' öder Lumineszenzdiode Zugeführt wird, die auf einem lichtempfindlichen Material abgebildet werden, das in beiden Koordinatenfichtungen art der Reihe von Lichtquellen vorbeigezogen wird, wobei die Geschwindigkeit in Aziinutrichtung der Schiffsgeschwindigkeit propor-

tional ist, die Geschwindigkeit in Richtung senkrecht zur Azimutrichtung während des Empfanges der Echos eines Uliraschallimpulses 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 I 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 Azimutrichtungjur jede Entfernung R umgekehrt proportional zu VK 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 gebrach; werden und mit einer Zylinderlinse und einer sphärischen Linse Filmebene und Rekonstruktionsebene überlagert werden.