DE2131786B2

DE2131786B2 - Anordnung zum peilen einer akustischen quelle

Info

Publication number: DE2131786B2
Application number: DE19712131786
Authority: DE
Inventors: Götz Dr.-Ing 7904 Erbach Schwantke
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1971-06-26
Filing date: 1971-06-26
Publication date: 1977-07-28
Also published as: DE2131786A1; DE2131786C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Peilen einer akustischen Quelle, d.h. zum Bestimmen der Einfallsrichtung einer von dieser Quelle, beispielsweise einer Unterwasserschallquelle, ausgehenden und am Peilort einfallenden akustischen Welle.

Hierzu ist die Verwendung von Richthydrophonen in Verbindung mit ungerichteten Hydrophonen bekannt, die akustische Wellen aus bestimmten Richtungen in bezug auf eine Referenzachse in definierter Weise bevorzugt empfangen. Durch Amplitudenvergleich der Empfangssignale eines Richthydrophons mit denjenigen eines ungerichteten Hydrophons kann — unabhängig von der Intensität der Quelle — auf die Ablage der Quelle in bezug auf die Referenzachse geschlossen werden. Ein bekanntes Beispiel für ein Richthydrophon ist das Druckgradientenmikrophon, in dem die Ausgangssignale zweier räumlich versetzter, ungerichteter Druckempfänger gegeneinander geschaltet werden. Es entsteht eine Dipolcharakteristik mit der Verbindungslinie beider Druckempfänger als Symmetrie- und Referenzachse. Die Symmetrieachse muß definiert ausgerichtet werden, damit bei Peilungen von mehreren Beobachtungsorten aus auf den Ort der Quelle geschlossen werden kann.

In Unterwasseranwendungen dieser Hydrophone wird im allgemeinen eine vertikale Referenzachse gewählt. Hierbei ist die Notwendigkeit, den Peilkopf auf mechanische Weise vertikal auszurichten, häufig nachteilig, z.B. wenn die Beobachtungsstation auf dem Meeresboden liegt, wobei die Ausrichtung in bezug auf die Vertikale nicht definiert ist, beispielsweise bei Anwendung in einer maritimen Grundmine.

Man kann zwar grundsätzlich eine vertikale Ausrichtung dadurch erreichen, daß die Peilanordnung in einen schwenkbaren Schwimmer eingebaut wird (vgl. deutsche Patentanmeldung P 20 09 457.9). Nachteilig ist hierbei die aufwendige und anfällige Konstruktion, Störungen der Vertikalausrichtung durch Grundströmungen oder Schlammablagerungen und die leichte Entdeckungs- bzw. Bekämpfungsmöglichkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Anordnung zum Peilen einer akustischen Quelle die Notwendigkeit deren vertikaler Ausrichtung und die Anbringung von Sensoren außerhalb der Hülle des Beobachtungsgerätes zu vermeiden. Die Merkmale der Erfindung sind dem Patentanspruch 1 entnehmbar; die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

Zweckmäßigerweise sind auf der Hülle des Beobachtungsgerätes mindestens vier Drucksensoren auf dem Umfang so angebracht, daß ihre Verbindungslinien einen Körper mit einer der Anzahl der Sensoren gleichen Anzahl von Eckpunkten, d. h. bei vier Sensoren ein Tetraeder, bilden. Durch lineare Kombination der Sensoren-Ausgangssignale läßt sich hierbei eine dipolartige Richtcharakteristik erzeugen, die in vorgegebe-

ner Weise im Raum orientiert ist. Da eine beliebige räumliche Lage des Erfindungsgegenstandes zugelassen sein soll, muß im Innern eine vertikale Referenz r. B. in Form eines kardanisch aufgehängten Pendeis vorgesehen sein, dessen Ruhelage in bezug auf die beliebig orientierten Sensoren die Kombinationsmatrix der Sensor-Ausgangssignale eindeutig bestimmt. So kann erreicht werden, daß unabhängig von der Lage des Beobachtungsgerätes und damit der Lage der einzelnen Drucksensoren die Symmetrieachse der Richtcharakteristik stets mit der Richtung des Referenzpendels oder einer anderen absolut im Raum meßbaren Richtung (z. B. Richtung des erdmagnetischen Feldes oder daraus abgeleiteter Orientierungen, etwa horizontale Richtungen beliebig vorgebbaren Azimuts od. dgl.) übereinstimmt.

Das Ausgangssignal aus der Kombinationsmairix wird zweckmäßigerweise normiert, z. B. durch das Summensignal aus allen vier Sensoren; hierdurch wird die Richtungsmessung unabhängig von der Quellenintensität gemacht.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Symmetrieachse der Richtcharakteristik automatisch dem Peilobjekt nachführbar. Hierzu wird durch zyklische Variation der Kombinationsmatrix ein Spinnen der Symmetrieachse erzeugt. Das Ausgangssignal wird mit der Spinnfrequenz moduliert. Diese Modulation verschwindet erst, wenn die mittlere Richtung der Richtsymmetrie in Peilobjektrichtung zeigt. Aus Größe und Phasenlage der Modulation kann man ableiten, wie die Kombinationsmatrix verändert werden muß, damit die Symmetrieachse auf das Peilobjekt zeigt. So kann ein automatisches Einschwenken auf das Peilobjekt erreicht werden. Der gesuchte Peilwert ergibt sich dann aus den Signalen der Kombinationsmatrix im stationären Zustand. Bei der Nachführungspeilung sind höhere Genauigkeiten erzielbar, insbesondere für die Geschwindigkeitsmessung.

Da sich Überwasserschiffe nur zweidimensional bewegen, genügt zur Bestimmung ihrer Entfernung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung bei bekannter Wassertiefe derselben eine Peilung in bezug auf die Vertikale (vgl. deutsche Patentanmeldung P 20 09 457.9). Die Methode versagt jedoch gegenüber Unterseebooten, die drei Freiheitsgrade besitzen. Je ein Peilkopf an beiden Enden eines einige Meter langen zylindrischen Körpers schafft hier Abhilfe. Die Genauigkeit der Entfernungsbestimmung ist zwar querab erheblich größer als in Längsrichtung (dort wäre das Verfahren theoretisch nicht mehr anwendbar, weil die Projektion der Basis auf die Zielrichtungssenkrechte verschwindet; tatsächlich kommt der Fall selten vor, da U-Boote eine Mindesthöhe über Grund einhalten müssen), für kürzere — hier besonders interessierende — Entfernungen bis zu 40... 50 m ist diese Methode in fast allen Sichtrichtungen jedoch ausreichend genau.

Eine ebene Welle der Amplitude 1 und der

Ausbreitungsrichtung K miit | K | = τ (wobei c =

Ausbreitungsgeschwindigkeil, λ = Wellenlänge) wird nach Abspaltung des Zeitgliedes räumlich beschrieben durch

E = e'^KV

mit ν = Koordinaten des Beobachtungspunktes.

Legt man einen Drucksensor in den Koordinatenursnruns. einen zweiten an die Stelle r = >/, so lauten die Gleichungen der Empfangssignale

e° «

, ?).wenn |(Äf ■ ä)|«« I .

Es ergibt sich die erwähnte Pipolcharakteristik des Druckgradientenempfängers.

ίο Befinden sich außer dem Bezugsempfänger im Ursprung noch drei weitere Empfänger an den Stellen ρϊ, ρί, ρϊ und wird ein bewertetes Summensignal von diesen gebildet entsprechend

E₁ — λ, E₁ 4- t\₂E₂ 4· Λ3Ε3, mit α, + Ck₂ + Ol₃ — \, so ergibt sich für das Differenzsignal:

£2 - E₀ = /(Κ,«,,,! + (K₂₁J₁ + Λ303).

Die durch die Linearkombination der Signale entstehende Dipolcharakteristik besitzt also die Symmetrieachse

und die neue Basislänge^'|. Der geometrische Ort aller Endpunkte ρ' ist die Ebene, die durch die Endpunkte ρΐ, ρζ, ρ3 bestimmt wird. Zunächst war oc\, α₂, α₃>0 angenommen worden. Durch Ersatz von ρι und -ρΐ

bzw. αι durch — ai kann man sich einen fiktiven Empfänger an der Stelle — ρΐ schaffen. Durch - αϊ + Ä2+α3 = 1 wird dann ein weiterer Raumquadrant erschlossen, so daß so fortfahrend jede räumliche Orientierung der Dipolcharakteristik erhalten werden kann.

Die Bestimmung der Koeffizienten zu einer vorgegebenen Symmetrierichtung geschieht durch Bestimmung der Parajlelprojektionen auf die Ursprungsrichtungen ρΐ, Q2, φ des Durchstoßpunktes der gewünschten

Symmetrieachse durch die Ebene, die durch die drei Empfangsorte gebildet wird.

Es ist nicht erforderlich, daß ρί, ρί, ρΐ ein rechtwinkliges System bilden. Ebenso war ein Sensor als Bezugspunkt im Koordinatensprung nur zur Vereinfa-

4S chung der Betrachtung willkürlich bevorzugt worden. Auch das zweite Signal kann durch Linearkombination der Signale von drei der vier erforderlichen Sensoren gebildet werden, wodurch ein weiterer fiktiver Empfänger auf der entsprechenden Ebene des durch die

Hydrophone gebildeten Tetraeders entsteht.

Dies allgemeinere Verfahren hat den Vorteil, daß die resultierende Basislänge geringeren Schwankungen in Abhängigkeit von der Symmetrierichtung unterworfen ist.

Aus Symmetriegründen ist die Gestaltung des Sensorsystems als gleichseitiges Tetraeder anzustreben, die Funktion hängt jedoch davon nicht ab. Bei einer zylindrischen Gehäuseform werden zweckmäßig drei Sensoren auf dem Zylindermantel symmetrisch zur Zylinderachse angebracht und der vierte im Mittelpunkt einer Stirnfläche.

Wenn das Gehäuse nicht den gleichen Wellenwiderstand besitzt wie das umgebende Medium, können gewisse Peilfehler durch Beugung der Welle um das

ds Gefäß auftreten. Diese sind jedoch systematischer Natur und können bis zu einem gewissen Grade durch kleine Korrekturen der Kombinationsmatrix ausgeglichen werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Peilen einer akustischen Quelle, dadurch gekennzeichnet, daß s mindestens vier akustische Sensoren jeweils mit Kugelcharakteristik in einer vorgegebenen gegenseitigen räumlichen Beziehung vorgesehen sind und daß eine Kombinationsmatrix die Empfangssignale aller Sensoren linear kombiniert und ein Ausgangs- |_O signal erzeugt, dessen Größe von der Peilrichtung in bezug auf eine räumlich in vorgegebener Richtung orientierte Symmetrieachse einer Dipolcharakteristik abhängt

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Maßgabe der Wahl der Koeffizienten der Kombinationsmatrix die räumliche Symmetrieachse der Dipolcharakteristik im Raum schwenkbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal mit Hilfe eines Referenzsignals normiert ist, das aus dem Summensignal aller Sensoren gebildet ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Referenzsystem vorgesehen ist, das unabhängig von der räumlichen Lage der Anordnung eine raumfeste Orientierung besitzt und daß das Referenzsystem die Koeffizienten der Kombinationsmatrix derart steuert, daß die Symmetrieachse der Dipolcharakteristik ebenfalls eine raumfeste Orientierung einnimmt.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzrichtung die Vertikale dient.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Sensoren auf oder in der Wandung eines Peilgerätes einfacher geometrischer Form — z. B. Kreiszylinder — angeordnet sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieachse der Richtcharakteristik elektronisch in die Richtung der akustischen Quelle drehbar ist und daß die Werte der Koeffizienten der Kombinationsmatrix bei der Bestimmung der Peilung in bezug auf das Referenzsystem verwendet werden.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführung der Symmetrieachse der Richtcharakteristik auf die akustische Quelle automatisch erfolgt

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch periodische Variation der Koeffizienten der Kombinationsmatrix ein Spinnen der Symmetrieachse erzeugt wird und daß aus Phase und Größe der daraus entstehenden Modulation des Ausgangssignals die Kontrollgrößen zum Einschwenken der Symmetrieachse auf die Quellrichtung gewonnen werden.

10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe zweier komplementä- no rer Kombinationsmatrizen zwei Hilfssignale erzeugt werden, die zu zwei untereinander und zur Hauptsymmetrie senkrechten Dipolcharakteristiken führen, daß diese Signale mit Hilfe des normierenden Summensignals phasenrichtig demoduliert werden und daß die so entstehenden Spannungen zur Steuerung der Hauptachse des Peilsystems in die Richtung der akustischen Quelle verwendet werden.

11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführregelung so ausgeführt wird, daß die Regelabweichung proportional zur Nachführgeschwindigkeit des Peilstrahls und damit ein Maß der Tangentialkomponente der Geschwindigkeit der akustischen Quelle wird.