DE2439231A1

DE2439231A1 - Sonargeraet

Info

Publication number: DE2439231A1
Application number: DE2439231A
Authority: DE
Inventors: Paul Gourlay; Pierre Maguer
Original assignee: Etat Francais
Current assignee: Etat Francais
Priority date: 1973-08-16
Filing date: 1974-08-16
Publication date: 1975-03-06
Also published as: NO140361B; SE7407659L; DK139400C; GB1482608A; CA1035031A; IT1015538B; BE818926A; DE2439231C2; BR7406706D0; DK435474A; NO140361C; FR2241078B1; AU7242574A; NO742935L; DK139400B; NL7410711A; US3967233A; SE390072B; FR2241078A1

Description

L'Etat Francais represents par Ie Delegue Ministeriel pour l'Armement

14, rue Saint-Dominique Pari s, Frankre ich

Sonargerät

Die Erfindung betrifft ein Sonargerät, das dazu bestimmt ist, unter Wasser befindliche Objekte, insbesondere Objekte, die auf dem Grund des Meeres liegen oder sich in dessen Nähe befinden, festzustellen und auf Grund ihrer Silhouette zu identifizieren.

Das Songargerät nach der Erfindung hat ein sehr großes. Auflösungsvermögen, das es ermöglicht, Objekte, wie Minen oder Taucher zu identifizieren, die eine scheinbare 0ber~

ρ fläche in der Größenordnung von 0,20 m haben.

Es sind bereits Sonargeräte bekannt, die es ermöglichen, die Form der Oberfläche des Meeresgrundes zu erkennen und das Vorhandensein eines auf dem Grund liegenden oder in dessen Nähe schwimmenden Objektes festzustellen.

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Diese Sonargeräte enthalten eine Sendeantenne für Schallimpulse und eine Empfangsantenne für die vom Boden zurückgeworfenen Echos. Die Sende- und Empfangsantennen bestehen aus Reihen von Hydrophonen, also elektro-akustischen Wandlern.

Die Empfangsantenne ist mit einerAnordnung zur Bildung von Empfangswegen, die jeweils einem gegebenen Seitenwinkel entsprechen, gekoppelt.

Das Vorhandensein eines Objektes in der Nähe des Grundes erzeugt einen auf den Meeresgrund geworfenen Schatten, der kein Echo zurückwirft. Die elektrischen Signale, die den Grundechos entsprechen, die in jedem Empfangsweg eingefangen werden, werden auf dem Bildschirm einer Katodenstrahlröhre sichtbar gemacht, und der vom Objekt geworfene Schatten erscheint durch seinen Kontrast.

Die bisher bekannten Sonargeräte für die Untersuchung des Meeresgrundes ermöglichen die Erkennung des Vorhandenseins von Objekten; infolge der geringen Qualität des erhaltenen Bildes, die mit dem Entfernungs- und Seitenwinkelauflösungsv.ermögen verknüpft ist, ist es mit ihnen jedoch nicht möglich, diese Objekte mit ausreichender Genauigkeit zu identifizieren.

Die Entfernungsauflösung hängt von der Dauer der von der Sendeantenne erzeugten Schallimpulse ab. Zur Verbesserung der Bildgüte muß die Dauer dieser Impulse verringert werden, die durch einen Taktgeber mit sehr hoher Frequenz gesteuert werden. Dadurch wird aber die ausgesendete und wieder aufgefangene Schallenergie und demzufolge auch die Reichweite des Sonargerätes verringert.

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Diese Verringerung der aufgefangenen Energie ist umso schwerwiegender, als man sehr kurze Ultraschallwellen verwenden muß, damit die Abmessungen der Antenne verringert werden. Der öffnungswinkel der aufgefangenen SchallbUndel, der die Seitenwinkelauflösung bestimmt, hängt nämlich direkt von dem Verhältnis der Abmessung der Antenne zu der verwendeten Schallwellenlänge ab, und zwar ist dieser öffnungswinkel umso kleiner, je größer das Verhältnis zwischen der Antennenlänge und der Wellenlänge ist.

Eine weitere wichtige Schwierigkeit ergibt sich daraus, daß die Reichweite der Sonargeräte im allgemeinen so liegt, daß der Sichtbereich der Empfangsantenne im Nahfeld liegt, so daß man sich also in der Fresnel-Zone des Wandlers befindet, d.h. in der Zone, in der die Schallwellen nicht eben sind. Daher haben die von der Empfangsantenne aufgefangenen Schallbündel einen verhältnismäßig großen Öffnungswinkel, wodurch das Seitenwinkelauflösungsvermögen sehr merklich beeinträchtigt wird, was die Erkennung der Silhouette von Objekten mit kleinen Abmessungen verhindert»

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Sonargeräts, dessen Auflösungsvermögen ausreichend genau ist, um auf einem Bildschirm ein Bild der Silhouette eines unter Wasser in der Nähe des Grundes befindlichen Objekts zu liefern, das ausreichend ähnlich und deutlich ist, daß ein Beobachter das Objekt identifizieren kann«

Zur Lösung dieser Aufgabe enthält das Sonargerät nach der Erfindung eine Sendeantenne zur Aussendung von periodischen sehr kurzen Schallimpulsen, die aus sehr kurzen Ultraschallwellenzügen bestehen und eine Empfangsantenne, wobei die beiden Antennen auf einem gemeinsamen Träger montiert sind, der sich um 360 um eine vertikale Achse drehan kann; eine Anordnung zur Bildung von sehr feinen Empfangswegen für die vom Boden zurückgeworfenen Echos; eine Anordnung zur sequentiellen Abtastung

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der Empfangswege; wenigstens eine Anordnung zur Sichtbarmachung der Echos auf dem Bildschirm eines Oszilloskops mit Nachleuchtwirkung; und einen Taktgeber, der die Aussendung der Schallimpulse, die Abtastung der Empfangswege und die horizontale Zeilenablenkung des Oszilloskops synchron steuert.

Zur Verbesserung der Feinheit der Empfangswege enthält die Empfangsantenne Mittel zur Fokussierung der scharf gebündelten Schallwellenbündel an einem Punkt, der im Innern der Fresnel-Zone der Antenne liegt.

Die Empfangsantenne besteht beispielsweise aus vertikalen Reihen von Hydrophonen, die in einer Ebene symmetrisch in Bezug auf eine akustische Achse angeordnet sind, und die von den verschiedenen Reihen abgegebenen elektrischen Signale werden Phasenschieberschaltungen zugeführt, die Phasenverschiebungen zwischen den Signalen einführen, die in Abhängigkeit von dem Abstand der Hydrophonreihen von der akustischen Achse bewertet sind, wobei die Bewertung so bemessen ist, daß die Ultraschallwellenbüridel im Inneren der Fresnel-Zone fokussiert sind.

Zur Bildung der Empfangswege verwendet man im allgemeinen Phasenschieberschaltungen. In diesem FaD. dienen die Phasenschieberschaltungen gleichzeitig als Fokussierungsmittel durch die Einführung von zusätzlichen Phasenverschiebungen, die in Abhängigkeit von dem Abstand jeder Hydroplionreihe von der akustischen Achse bewertet sind.

Die gewählte Fokussierungeentfernung ist annähernd gleich einem Viertel der Länge der Fresnel-Zone, so daß die Ultraschallwellenbündel über die gesamte Tiefe des nutzbaren Feldes schmal bleiben. Beispielsweise haben die

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Empfangswege im Fpkussierungspunkt eine Breite in der Größenordnung von 30 cm und eine Teilung in der Größenordnung von 20 cm.

Am Ausgang jedes Empfangsweges sind Widerstände in Serie angeschlossen. Die Vierte dieser Widerstände sind so bemessen, daß eine Verringerung der Amplitude der Signale erzeugt wird, die in Abhängigkeit von dem Abstand von'der akustischen Achse nach dem Gesetz der Theorie der Tschebyscheff-Polynome bewertet ist, so daß die Differenz zwischen der Intensität der Hauptkeule und derjenigen der Nebenzipfel wenigstens 21 dB beträgt.

Zur Verbesserung der Identifizierungsmöglichkeiten enthält das .Sonargerät nach der Erfindung ferner eine Lupe, die durch ein zweites Oszilloskop gebildet ist, das es ermöglicht, eine begrenzte Zone, die über die ganze Ausdehnung des Feldes des ersten Oszilloskops verschoben v/erden kann,' in größerem Maßstab sichtbar zu machen.

In Verbindung mit dieser Lupe enthält das Sonargerät vorzugsweise einen AraLog-Digital-Umsetzer, der es ermöglicht, die sequentiell aus der Abtastanordnung der Empfangswege austretenden Signale, die einer bestimmten und begrenzten Beobachtungszone entsprechen, in binärer Form zu codieren, einen Speicher zur Aufzeichnung dieser binären Signale und einen Digital-Analog-Umsetzer zur Decodierung der gespeicherten Signale, bevor diese mit PIiIfe der Lupe sichtbar gemacht werden.

Der Speicher ist vorzugsweise durch in sich . geschlossene magnetostriktive Verzögerungsleitungen gebildet, so daß es möglich ist, die gespeicherte Zone mehrmals sichtbar zu machen.

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Das mit der Erfindung geschaffene Sonargerät ermöglicht die Identifizierung von Objekten geringer Abmessung, die unter Wasser in der Nähe des Grundes befindlich sind

2 und eine scheinbare Oberfläche aufweisen, die bis zu 0,20 m heruntergehen kann, auf Grund ihrer Silhouette. Dieses .Ergebnis wird durch die Feinheit der Empfangswege erzielt, die es ermöglicht, eine gute Seite winkelauflösung zu erzielen, beispielsweise eine Winkelauflösung von 0,16°, die einer Breite von 0,30 m in einer Entfernung von 130 m entspricht. Diese Feinheit der Empfangswege wird durch die Fokussierung der Empfangsantenne im mittleren Teil der Fresnel-Zone erhalten.

Das vorteilhafte Ergebnis beruht auch auf der sehr kurzen Dauer der ausgesendeten Schallimpulse, welche die Entfernungsauflösung bestimmt, die je nach der gewählten Reichweite zwischen 15 cm und 40 cm liegt.

Ein weiterer wichtiger Vorteil des Sonargeräts nach der Erfindung beruht in der zusätzlichen Speicherlupe, die es ermöglicht, das Bild einer Zone, in der ein Objekt festgestellt worden ist, zu vergrößern und mehrmals genau zu prüfen, so daß dieses Objekt besser identifiziert werden kann, als mit einem Bild, das nur einmal in kleinem Maßstab erscheint.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung, deren einzige Abbildung das Blockschema eines Sonargerätes nach der Erfindung zeigt.

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' — 7 ~

Das in der Zeichnung dargestellte Sonargerät enthält einen Taktgeber 1 mit einem Zeitbasisoszillator, der bei der Frequenz 10 MHz schwingt. Auf Grund dieser Zeitbasis koordiniert und synchronisiert der Taktgeber die verschiedenen Operationen. Der Taktgeber steuert insbesondere die Formung der von der Sendeantenne erzeugten Schallimpulse mit der gewünschten Dauer und Form und die Änderung der Skalensignale für die maximalen Reichweiten (275 m, 225 m und 175 m ). Die maximale Reichweite wächst mit dem Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen.

Der Taktgeber steuert auch die Abtastung der Empfangswege mit der Frequenz 2 MHz zur Bildung des breitbandigen Videosignals.

Das Sonargerät enthält ferner eine Sendeantenne (Schallstrahler) 2, und die elektronische Anordnung 3 zur Erzeugung der Schallimpulse.

Die Sendeantenne 2 besteht beispielsweise aus 648 Hydrophonen(Unterwasser-Schallwandlern), die auf 108 Reihen 2a, 2b ....mit jeweils sechs Hydrophonen aufgeteilt sind. Diese Hydrophonreihen sind entlang den Mantellinien eines Zylinderabschnitts mit vertikaler Achse verteilt, der einen Radius in der Größenordnung von 1,6 m hat.

Es sind zwei Betriebsarten vorgesehen.Beim sogenannten "breiten Betrieb" nehmen die ausgesendeten Schallwellen einen Winkelsektor mit einem Öffnungswinkel von 10° ein. Beim sogenannten "schmalen Betrieb" hat der erfaßte Winkelsektor einen Öffnungswinkel von 3°. Ein Umschalter 4 ermöglicht den Übergang von einer Betriebsart zur anderen.

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Die elektronische Anordnung 3 "besteht aus einem Oszillator 3a, der entweder bei einer festen Frequenz von 420 kHz + 500 Hz arbeitet, oder bei einer Frequenz, die durch einen Modulator zwischen 405 kHz und 435 kHz linear frequenzmoduliert ist.

Diese Frequenzmodulation ergibt die Wirkung, daß die Schwankungen des Hintergrund-Nachhalls verringert werden, was eine Glättung des mittleren Pegels verursacht, so daß das Verhältnis zwischen der Intensität desNutzsignals und der Intensität des Rauschens verbessert wird, das den Kontrast zwischen dem mittleren Bildpegel und dem Schatten des Objekts bestimmt.

Die elektronische Anordnung 3 enthält ferner eine Impulsformerschaltung 6 für die Formung der Schallimpulse, die eine Cos -Form haben. Die Impulsformerschaltung 6 empfängt die vom Taktgeber 1 stammenden Synchronisiersignale, welche die Dauer der von der Sendeantenne 2 während der Dauer des Synchronisiersignals ausgesendeten Schallimpulse und das Zeitintervall zwischen diesen Impulsen steuern. Die Dauer der Impulse bestimmt das Entfernungsauflösungsvermögen, und sie müssen deshalb sehr kurz sein. Das beschriebene Sonargerät ermöglicht die Wahl zwischen Impulsen, deren Dauer 500 us beträgt, wenn bei der maximalen Reichweite gearbeitet wird, oder 200 us , wenn bei der kleinsten Reichweite gearbeitet wird.

Bekanntlich ist die Entfernungsauflösung durch die Formel t»c/2 bestimmt, in welcher t die Dauer der Impulse ist, während c die Schallgeschwindigkeit ü, die 1500 m/s im Wasser beträgt.

Das Entfernungsauflösungsvermögen liegt somit bei kleinen Reichweiten in der Größenordnung von 15 cm und bei den maximalen Reichweiten in der Größenordnung von 40 cm. Die Dauer des Zeitintervalls zwischen den aufeinanderfolgenden Impulsen ändert sich mit der maximalen Reichweite;

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sie beträgt 250 ms bei einer maximalen Reichweite von 200 m.

Die Schaltungen 3 enthalten ferner Vorverstärker 7 und Leistungsverstärker 8.

Das Sonargerät enthält ferner eine ebene Empfangsantenne 9. Diese besteht aus 100 vertikalen Reihen 9a, 9b .... aus jeweils sechs Hydrophonen. Die wirksame Empfangsfläche hat eine Länge von 1,5 m, also etwa 400 λ .

Die von jeder Hydrophonreihe aufgefangenen Signale werden 100 Vorverstärkern 10 zugeführt, die von zwei Spannungsrege !schaltungen 11 mit Spannungen von + 15 V versorgt werden.

Die Vorverstärker 10 haben einen Verstärkungsfaktor von 80+1 dB. Sie sind mit einem automatischen Verstärkungsregelungssystem ausgestattet.

Die Gesamtheit der beiden Sende- und Empfahgsantennen ist an einem stabilisierten und orientierten Turm montiert, der durch einen Schacht ins Meer herabgelassen werden kann.

Die Gesamtheit der beiden Antennen kann dem Höhenwinkel nach in einem Winkel eingestellt werden, der zwischen - 7° und -28 in Bezug auf die Horizontale liegt.

Die beiden Antennen können gleichzeitig um eine vertikale Achse derart verschwenkt werden, daß sie bei ihrer Drehung den gesamten Bereich von 36O° erfassen. Die Steuerung der Höhenwinkel- und Seitenv/inkeleinstellung erfolgt von einem Steuerpult aus. Die akustischen Achsen der beiden Antennen fallen vorzugsweise zusammen.

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Das Sonargerät enthält schließlich eine Anordnung 12 zur gleichzeitigen Bildung von 100 Empfangswegen, die jeweils einen solchen Winkelsektor umfassen, daß sie insgesamt einen Seitenwinkel von 10° einnehmen.

Die Empfangswege werden dadurch gebildet, daß die von den verschiedenen Hydrophonen abgegebenen Signale summiert werden, nachdem sie zur Berücksichtigung der Phasenverschiebungen, die sich in Abhängigkeit von der Richtung jedes Empfangswegs ändern, zeitlich versetzt worden sind.

Die Schaltung 12 enthält 100 Schaltungszweige zur Bildung der Empfangswege, wobei für jede Hydrophonreihe ein Schaltungszweig vorgesehen ist.

Jeder Schaltungszweig enthält:

- einen Phasen- und Dämpfungsausgleichsverstärker 13 mit einem Verstärkungsfaktor von 20+4 dB, der den Zweck hat, zu gewährleisten, daß die Signale in allen 100 Schaltungszweigen vor der Eingabe in die Phasenschieberschaltungen gleiche Dämpfungen und Phasenverschiebungen haben;

- eine Phasenschieberschaltung 14, beispielsweise in Form einer Verzögerungsleitung, die einen an den Ausgang des entsprechenden Verstärkers 13 angeschlossenen Eingang und 24 Ausgänge hat, an denen für jedes Elementarsignal 24 Signale abgegeben werden, die gegeneinander zwischen 0° und 345 jeweils um 15 phasenverschoben sind;

- einen Rechenverstärker 15, der 100 Signale addiert, die jeweils von einem der Ausgänge einer der Phasenschieberschaltungen 14 stammen.

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Diese 100 Signale werden mit vorbestimmten Phasenlagen addiert, die davon abhängen, von welchem Ausgang der Phasenschieberschaltung 14 sie .abgenommen werden. Ferner werden die 100 Signale mit Hilfe von Widerständen amplitudenbewertet.Das Bewertungsgesetz ist durch die Theorie der Tschebyscheff-Polynome bestimmt, wodurch es möglich ist, ein Verhältnis von 21 dB zwischen der Intensität der Hauptkeule und derjenigen der Nebenzipfel zu erhalten.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die den Hauptkeulen der Empfangswege entsprechenden scharf gebündelten Schallbündel in einem Abstand von etwa 130 ni von der Empfangsantenne fokussiert sind, so daß sich der Pokussierungspunkt im wesentlichen in der Mitten des Beobachtungsfeldes befindet.

Diese Fokussierung kann auf irgendeine an sich bekannte Weise erhalten werden, beispielsweise durch eine Krümmung der Sendeantenne. Sie kann auch durch eine Phasenbewertung erhalten werden, die einer Krümmung der Antenne gleichwertig ist.

Bei dem dargestellten Arasführungsbeispiel erzielt man die Fokussierung durch eine Phasenbewertung, die zu den Phasenverschiebungen addiert wird, die normalerweise für die Bildung der Empfangswege notwendig sind. Diese zusätzliche Phasenbewertung wird durch die Wahl der Ausgänge der Phasenschieberschaltungen 14 erhalten, die mit jedem Summierverstärker 15 verbunden sind.

Auf Grund dieser Fokussierung erhält man Empfangswege, deren Seitenwinkelöffnung im Fokussierungspunkt eine Halbwertsbreite (-3 dB gegenüber der maximalen Amplitude) von 1/400 Bogengrad hat, was einer vom Grund abgegriffenen Breite

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und somit einem breiten Auflösungsvermögen in der Größenordnung von 30 cm entspricht.

Die Winkelteilung zwischen den Empfangswegen beträgt beim "breiten Betrieb" 0,1°, da die 100 Empfangswege einen Winkelsektor von 10° erfassen. Dieser Winkelabstand entspricht in der Fokussierungsentfernung einem Abstand von 20 cm zwischen den Empfangswegen.

Die Winkelöffnung jedes Empfangswegs beträgt in der Fokussierungsentfernung etwa 0,16°. Man erhält also eine beträchtliche gegenseitige Überdeckung nebeneinanderliegender Empfangs· wege.

Zu beiden Seiten des Fokussierungspunktes verbreitern sich die Schallbündel, wobei aber die Breite so klein bleibt, daß das Breitenauflösnmgsvermögen in einem Tiefenbereich, der zwischen etwa 50 m und der maximalen Grenze der Fresnel-Zone brauchbar bleibt.

Zwisehen einer Entfernung von 50 m und der Antenne verbreitern sich die Schallbündel so weit, daß sie in der Nähe der Empfangsantenne deren Längenausdehnung erreichen. Jenseits der Fresnel-Zone divergieren die Schallbündel so, als ob sie aus dem Fokussierungspunkt kämen, und ihre Breite wird immer größer. Die Grenze der Fresnel-Zone befindet sich ^lin einer Entfernung D von der Antenne, die im wesentlichen durch die Formel L /\ gegeben ist, worin L die Länge der Empfangsantenne und λ die Wellenlänge der Schallwellen ist. Die Länge L beträgt etwa 400 λ _f so daß bei einer Frequenz von 420 kHz die Fresnel-Zone bei etwa 500 m beginnt. Es ist zu erkennen, daß diese Entfernung Jenseits der gewünschten maximalen Reichweite liegt.

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Das beschriebene Sonargerät ermöglicht also die Bildung von Empfangswegen, die bei etwa 130 m fokussiert sind, und eine sehr scharfe Bündelung in einem Tiefenbereich zwischen 50 m und 200 m beibehalten. Es ist dadurch möglich, mit sehr feinen und eng gedrängten Empfangswegen einen trapezförmigen Winkelsektor mit einem Öffnungswinkel von 10° zwischen einem Kreis mit dem Radius 50 m und einem Kreis mit einem wählbaren Radius von 175 m, 225 m oder 275 m vollständig zu erfassen und ein Bild dieses Sektors auf dem Bildschirm einer Katodenstrahlröhre zu erhalten; auf diesem Bild kann man infolge der scharfen Bündelung der Empfangswege deutlich die Silhouette der auf dem Grund oder in dessen Nähe befindlichen Obgekte unterscheiden und diese Objekte identifizieren.

Die Höhenwinkelöffnung jedes Empfangswegs liegt in der Größenordnung von 10° bei der Halbwertsbreite. Eine zeitliche Analyse, welche die Zeit berücksichtigt, die zwischen der Sendung jedes Impulses und dem Empfang der Echos in jedem Empfangsweg verstreicht, ermöglicht die Bestimmung der Entfernungen, so daß ein Bild erhalten werden kann, das den Grund so darstellt, wie ihn ein Beobachter sehen würde, der sich vertikal darüber befindet.

Das Sonargerät enthält ferner in jedem Schaltungszweig Signal Verarbeitungsschaltungen für die Ausgangssignale jedes der 100 Summierverstärker 15. Diese Signalverarbeitungsschaltungen enthalten jeweils :

- ein schmalbandiges Quarzfilter 16 zur Ausfilterung des Signals des Empfangswegs bei der Sendefrequenz von 420 kHz, wobei dieses Filter natürlich nur bei der Sendebetriebsart mit fester Frequenz und nicht bei der Sendebotriebsart mit Frequenzmodulation verwendet wird;

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-einen nachgeregelten Verstärker 17, an dessen Ausgang ein Empfangswegsignal verfügbar ist, das einen konstanten land hohen mittleren Pegel in der Größenordnung von 120 na aufweist; der Verstärkungsfaktor dieses Verstärkers beträgt für das mittlere Signal etwa 12 dB;

- einen Verstärker 18 mit dem Verstärkungsfaktor 20 dB, der den Signalpegel auf 1,2 V_eff bringt;

- eine . Detektorschaltung, die im nutzbaren Dynamikbereich von 60 dB zwischen 6 mV und 6 V linear ist.

Die Signale der 100 Empfangswege werden anschließend durch eine Abtastschaltung 20 geschickt, die beispielsweise eine Multiplexierschaltung mit 100 Eingängen und einem Ausgang ist, die ein Impulsadressenregister aufweist, mit dem die 100 Eingänge der Reihe nach mit dem einzigen Ausgang verbunden werden können.

Das Adressenregister besteht in an sich bekannter V/eise aus Kippschaltungen, und die Steuerimpulse für diese Kippschaltungen werden von dem Taktgeber, je nach der Dauer der Schallimpulse, wahlweise mit der Frequenz 2 MHz oder mit der Frequenz 1 MHz erzeugt.

Die der Reihe nach aus der Abtastschaltung 20 austretenden Signale werden anschließend auf Oszillographen sichtbar gemacht. Das abgetastete Signal erfährt zunächst eine Dynamikkompression von 40 dB auf etwa 26 dB. Es wird anschließend dem Wehnelt-Verstärker 21 der Katodenstrahlröhre 22 zugeführt.

Diese Röhre hat beispielsweise einen Rechteckschirm von 24 χ 12 cm. Die kleinere Abmessung liegt horizontal und die vertikale Achse des Bildschirms entspricht der akustischen Achse der Empfangsantenne, d.h. dem .mittleren Empfangsweg.

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Die horizontale Zeilenablenkung hat eine Dauer von 60 oder 120 us, je nach der für die Steuerimpulse der Abtastschaltung 20 gewählten Frequenz.

Die Zeilenablenkung ist mit der Abtastung der Empfangs- . wege durch den Taktgeber 1 synchronisiert. Jede horizontale Zeile liefert somit eine Darstellung der Echos, die auf allen Empfangswegen in einem gegebenen Zeitpunkt aufgefangen wrarden sind, und somit von einer gegebenen Entfernung stammen. Die zeitlich gestaffelten aufeinanderfolgenden Zeilen ermöglichen die Darstellung der Fortpflanzung der Schallimpulse und somit des Höhenwinkels oder der Entfernung, wenn ein sehr flacher Einfallswinkel vorliegt, wie es der Fall ist, wenn man Grundminen mit Nahwirkungszünder sucht, die in verhältnismäßig geriigen Tiefen bis zu 60 m gelegt werden.

Der dargestellte Sektor erscheint auf dem Bildschirm in Form eines gleichschenkligen Trapezes mit horizontalen Grundlinien, dessen vertikale Achse der akustischen Achse der Sende- und Empfangsantennen entspricht.

Der dargestellte Sektor entspricht in geometrisch ähnlicher Darstellung dem vom Sender beschallten Sektor, d.h. einem Sektor mit einem Öffnungswinkel von 20° beim "breiten Betrieb" oder von 3° beim "schmalen Betrieb".

Dieses Trapez bleibt auf dem Bildschirm feststehend, wenn man die Antennen um eine vertikale Achse schwenkt. Eine Leuchtanzeige liefert in jedem Zeitpunkt den Azimut des dargestellten Sektors. Der Kurs des Schiffes, auf dem eich das Sonargerät befindet, wird vom Bordkreiselkompaß geliefert; Das den ersten 50 m entsprechende Bild, das schlecht ist, wird automatisch unterdrückt. Auf dem Bildschirm des Oszillographen 'erscheinen ein horizontaler

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Zeiger, mit welchem der Schatten eines Objektes markiert werden kann, zwei Markierungen, die eine Zone von 25 m Tiefe zu beiden Seiten des ersten Markierers einrahmen, und eine Entfernungsskala, die durch in gleichmässigen Abständen liegende Marken gebildet ist, die beispielsweise jeweils 25 m entsprechen.

Das Sonargerät enthält ferner eine Speicherlupe 23, die es ermöglicht, eine Zone von 25 m Tiefe in größerem Maßstab darzustellen, wobei diese Zone kontinuierlich über die ganze Bildfeldtiefe, d.h.zwischen 50 m und 275 m, verschoben werden kann. Diese Speicherlupe ist durch eine zweite Katodenstrahlröhre gebildet, auf der das Bild der untersuchten Zone eine Breite von 9cm und eine Höhe von 12 cm hat.

Die nacheinander vorn Abtaster 20 abgegebenen und vom Verstärker 21 verstärkten Signale werden in einem natürlichen Binärcode codiert und dann in einem Speicher aufgezeichnet, der aus in sich geschlossenen magnetostriktjven Verzögerungsleitungen besteht.

Das Bild einer bestimmten Zone kann auf diese Weise gespeichert v/erden, damit es mehrmals betrachtet werden kann. Es kann gelöscht v/erden, damit es im Speicher durch das Bild einer neuen Zone ersetzt werden kann.

Zur Darstellung des gespeicherten Bildes werden die Signale am Ausgang des Speichers derart decodiert, daß das analoge Videosignal sowie die Synchronisationssignale wieder hergestellt werden, die dann der Lupenkatodenstrahlröhre zugeführt v/erden.

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Eine besondere Decodierung ermöglicht es, aus einem Signal X ein inverses Videosignal 1/X zu liefern, so daß die Bilder negativ erscheinen, d.h. die Schatten weiß und der Hintergrund schwarz, was in bestimmten Fällen die Beobachtung erleichtert.

Die Speicherlupe bildet eine wichtige Verbesserung des Sonargeräts.

Sie ermöglicht es, einem zweiten Beobachter, in größerem Maßstab eine Zone zu betrachten,die von einem ersten Beobachter gewählt v/orden ist, der den Bildschirm des ersten Oszillographen beobachtet. Infolge der Speicherung verfügt der zweite Beobachter über die für eine detailierte Untersuchung des Bildes erforderliche Zeit.

Das beschriebene Sonargerät arbeitet in folgender Weise:

Man bildet mit Hilfe der Sendeantenne ein Schallwellenbündel, dessen Öffnungswinkel bei derHalbwertsbreite (-3 dB) für eine allgemeine Erforschung auf 10° und für eine genauere Aufklärung auf 3° eingestellt werden kann.

Dieses Schallwellenbündel wird durch Impulse erzeugt, deren Dauer wahlweise, je nach der gewählten maximalen Reichweite, 200 us oder 500 us beträgt.

Die Pause zwischen den Impulsen ist gegen die Dauer der Impulse sehr groß, und zwar umso größer, je größer die maximale Reichweite ist, damit das Signal den der maximalen Reichweite entsprechenden Hin» und Rückweg zwischen zwei Impulsen zurücklegen kann. Man wählt beispielsweise eine Impulspause von 370 ms für eine maximale Reichweite von 275 ra«

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Mit Hilfe der Empfangsantenne tastet man dauernd den gesamten Bereich des Sendebündels durch Bildung von 100 sehr feinen Empfangswegen ab. Der Abstand zwischen den Empfangswegen ist so eingestellt, daß die gewünschte räumliche Abtastung unter Berücksichtigung der zu beobachtenden Einzelheiten eingehalten ist.

Die Empfangswege werden amplitudenbewertet, damit der Pegel der Nebenzipfel auf mindestens -21 dB abgesenkt wird.

Ferner wird eine zusätzliche Phasenbewertung angewendet, damit die Empfangswege im Innern der Fresnel-Zone fokussiert v/erden. Man erhält dadurch einen Ausschnitt aus dem Grund, der eine gewünschte Breitenauslösung über die gesamte Tiefe des Beobachtungsfeldes des Systems ergibt.

Die Empfangswegsignale werden in einem sehr schnellen Takt von 2 MHz sequentiell umgeschaltet, damit infolge der Netzhautträgheit eine analoge oder semi-analoge Gesamtdarstellung in Realzeit erhalten wird.

Nach Wahl des Beobachters kann ein Teil des Bildes gespeichert und dann im Fernsehtakt, d.h. flimmerfrei erneut dargestellt v/erden.

Man erhält dadurch ein genaues Bild des Grundes, auf dem die Schatten, die von auf dem Grund aufliegenden oder in dessen Nähe befindlichen Objekten geworfen v/erden, deutlich erscheinen und die Umrisse dieser Schatten die Silhouette der Objekte mit einer Auflösung darstellen, die zu deren Identifizierung ausreichend ist.

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Claims

Patentansprüche

Sonargerät zur Identifizierung der Silhouette von unter Wasser in der Nähe des Grundes befindlichen Objekten, gekennzeichnet durch eine Sendeantenne zur Aussendung von sehr kurzen Schallimpulsen, die aus sehr kurzen Ultraschallwellenzügen bestehen, eine Empfangsantenne mit vertikalen Hydrophonreihen, die in einer Ebene angeordnet sind, wobei die beiden Antennen auf dem gleichen Träger montiert sind, der um eine im wesentlichen vertikale Achse schwenkbar ist, eine Anordnung zur gleichzeitigen Bildung von Empfangswegen für die Echos, eine Abtastanordnung zuc sequentiellen Abtastung der Empfangswege, wenigstens eine Anordnung zur Sichtbarmachung der Echos auf dem Bildschirm eines Oszilloakops mit Nachleuchtwirkung, einen Taktgeber, der synchron die Aussendung der Schallimpulse, die Abtastung der Empfangswege und die Horizontalablenkung des Oszilloskops steuert, und durch elektronische Anordnungen zur Phasenverschiebung der elektrischen Signale, die von den verschiedenen Hydrophonreihen der Empfangsantenne aufgefangen werden, wobei die Phasenverschiebungen so bemessen sind, daß die scharf gebündelten Schallbündel im Innern der Fresnel-Zone der Antenne fokussiert sind.
2. S_onargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Bildung der Empfangswege für jeden Empfangsweg eine Phasenschieberschaltung zur Phasenverschiebung der von den verschiedenen Hydrophonreihen der Empfangsantenne stammenden elektrischen Signale enthält, und daß die gleichen Phasenschieberschaltungen zugleich

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dazu dienen, zwischen den Signalen zusätzliche Phasenverschiebungen einzuführen, damit die von der Empfangsantenne aufgefangenen Schallbündel in deren Fresnel-Zone fokussiert werden.
3. Sonargerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungsentfernung annähernd gleich einem Viertel der Länge der Fresnel-Zone ist.
4. Sonargerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Fokussierungsentfernung die Empfangswege eine Breite in der Größenordnung von 30 cm und eine Teilung in der Größenordnung von 20 cm haben.
5. Sonargerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Oszilloskop vorhanden ist, das eine Speicherwirkung aufweist und es ermöglicht, eine begrenzte Zone, die über die ganze Ausdehnung des Gesichtsfeldes des ersten Oszilloskops verschoben werden kann, in größerem Maßstab sichtbar zu machen.

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