DE2905898C2

DE2905898C2 -

Info

Publication number: DE2905898C2
Application number: DE2905898A
Authority: DE
Inventors: Michel Cannes Fr Lagier
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1978-02-17
Filing date: 1979-02-16
Publication date: 1989-05-03
Also published as: DE2905898A1; US4712201A; FR2589248A1; FR2589248B1; IT1186524B; IT7948029A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Selbstlenkanordnung für ein ein aktives Sonargerät tragendes Unterwasserfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Selbstlenkanordnung, deren Gattung aus der US-PS 37 23 954 bekannt ist, eignet sich besonders zur Lenkung von mit einem aktiven Sonargerät ausgestatteten Torpedos gegen ein Ziel, wenn sich das Torpedo in Wasser von geringer Tiefe oder in der Nähe einer reflektierenden Fläche bewegt. Sie ermöglicht die Unterscheidung zwischen echten Zielen und künstlichen Zielen, beispielsweise Scheinzielen.

In einer solchen Anordnung wird ein Zielerfassungspegel angestrebt, der sich ausreichend von Reflexionen an der Meeresoberfläche und am Meeresboden abhebt, wobei der Reflexionspegel dem Öffnungswinkel des Schallbündels in der horizontalen Ebene (Seitenwinkel) proportional ist. Die Stirnseitenabmessungen des Torpedos und der am Torpedokopf befestigten Schallantenne liegen in der Größenordnung von 250 mm; wenn mit einem Seitenöffnungswinkel unter 3° gearbeitet wird, muß mit Frequenzen über 100 kHz, also mit Hochfrequenzen, gearbeitet werden, die im Wassermedium stark absorbiert werden, so daß die Reichweite herabgesetzt wird.

Zur Beseitigung dieses Nachteils ist in den französischen Patentschriften 15 79 451 und 14 27 607 vorgeschlagen worden, Schallenergie in Metallstäben mit der Länge L zu übertragen, die an den Seiten des Fahrzeugs mit parallel zur Fortbewegungsachse des Fahrzeugs liegender Achsrichtung angebracht sind, falls die Schallenergie in eine Richtung konzentriert werden soll, die mit dieser Achse einen Winkel ψ bildet.

Die scheinbare Abmessung der Sendeantenne beträgt dabei L sin ψ, und es können Bündelbreiten in der Größenordnung von 10° bei 10 kHz erhalten werden. Aufgrund der Strömungsgeräusche bei der Fortbewegung des Fahrzeugs bleibt jedoch der beste Ort für die Schallantennen die Stirnseite des Fahrzeugs.

Eine Lösung zur Verringerung der Reflexionsstörungen ist in der US-PS 37 23 954 beschrieben; diese Lösung besteht darin, das Nutzsignal um die durch den Dopplereffekt aufgrund der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Torpedo und dem Ziel verschobene Frequenz auszufiltern. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß die Abschwächung der Reflexionsstörungen von der Geschwindigkeit des Ziels abhängt.

Bekanntlich kann die Nebenwirkung eines Sonargeräts, das für einen Empfang im Niederfrequenzbereich (unter 30 kHz) ausgebildet ist, mittels eines parametrischen Effekts mit zwei Richtstrahlenbündeln verbessert werden, die gleichzeitig mit hoher Frequenz ausgesendet werden. Diese Wirkung wird durch die nichtlinearen Eigenschaften des Meerwassers erhalten, wie beispielsweise in der FR-PS 22 14 132 gezeigt ist. Außerdem ist es bekannt, in einem parametrischen Sonargerät mehrere Kanäle zu bilden, die der von der NTIS in den Vereinigten Staaten verteilte Bericht AD-AO22 215 Naval Research zeigt. Jedem räumlichen Sendekanal entsprechen zwei Hochfrequenzstrahlenbündel, bei denen sich die Frequenz von einem Kanal zum anderen ändert, so daß die Kanäle beim Gesamt-NF-Empfang gefiltert werden können. Die auf diese Weise gebildeten Empfangskanäle sind als Frequenzkanäle bezeichnet. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß mit ebenso vielen Frequenzen gesendet werden muß, wie Kanäle zuzüglich einem Kanal vorhanden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Selbstlenkanordnung der eingangs angegebenen Art die Lenksicherheit zu verbessern und mit größerer Sicherheit zwischen Zielen und Scheinzielen unterscheiden zu können.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Selbstlenkanordnung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

In der erfindungsgemäßen Anordnung wird das Prinzip der nichtlinearen Wechselwirkung zwischen zwei Hochfrequenzstrahlenbündeln angewendet, die gleichzeitig mit mehreren Kanälen ausgesendet werden; zur Verringerung der Reflexionsstörung beträgt die Seitenwinkelbreite jedes Kanals einige Grad. Beim Empfang im Niederfrequenzbereich werden Kanäle gebildet, so daß die Anzahl der beim Senden erforderlichen Hochfrequenzkanäle verringert wird, und es erfolgt ein gleichzeitiger Empfang bei hohen und niedrigen Frequenzen, was die Identifizierung der Ziele erleichtert.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Unterwasserfahrzeug und sein Ziel in seinem Fortbewegungsmedium,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch das Fortbewegungsmedium,

Fig. 3 eine Horizontalansicht des Fortbewegungsmediums mit der Reflexionsfläche,

Fig. 4 die Seitenwinkelüberdeckung durch die Niederfrequenzkanäle,

Fig. 5 die Seitenwinkelüberdeckung durch die Hochfrequenzkanäle,

Fig. 6 ein allgemeines Blockschaltbild des Sonargeräts zur Selbstlenkung,

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Wandlergruppen,

Fig. 8 eine schematische Darstellung der Senderseite,

Fig. 9a bis 9d verschiedene zeitabhängige Signale,

Fig. 10 ein Schaltbild zur Veranschaulichung der Bildung der Hochfrequenzkanäle auf der Sendeseite,

Fig. 11 ein Schaltbild zur Veranschaulichung der Bildung der Niederfrequenzkanäle auf der Empfangsseite und

Fig. 12 ein Schaltbild der Vergleichsschaltungen zum Vergleichen der empfangenen Hochfrequenz- und Niederfrequenzsignale, die zum Steuern der Ruder des Torpedos benutzt werden.

In Fig. 1 ist ein mit Eigenantrieb ausgestattetes Unterwasserfahrzeug 1 vom Typ eines Torpedos dargestellt, das sich zwischen der Meeresoberfläche 2 und dem Meeresboden 3 gegen ein Ziel 4 bewegt. Das Strahlungsdiagramm des Sonargeräts ist mit seinen Ausbreitungskanälen 5 in Horizontalrichtung dargestellt.

Bekanntlich muß der Raumöffnungswinkel einer mit Schallwellen arbeitenden Selbstlenkungsanordnung so groß sein, daß die vertikale Öffnung, also der Höhenöffnungswinkel eine Größe hat, bei der ein Teil der abgestrahlten Energie leider die Meeresoberfläche und den Meeresboden erreicht. Die Meeresoberfläche und der Meeresboden reflektieren einen Teil dieser Energie in alle Richtungen, jedoch abhängig vom Zustand der Oberfläche und der Beschaffenheit des Bodens in sehr variabler Weise.

Die sich auf Grund der Reflexion der Meeresoberfläche und des Meeresbodens ergebenden Schwierigkeiten sind an Hand der Fig. 2 und 3 aufgezeigt. Das Sonargerät sendet Impulse mit der Dauer T aus, und auf Grund der Reflexion empfängt die Empfangsantenne an einem gegebenen Zeitpunkt eine Störleistung, die CT R/2 proportional ist, wobei C die Schallausbreitungsgeschwindigkeit in dem Medium ist und R der Seitenöffnungswinkel ist.

Fig. 2 ist eine Ansicht in der Vertikalebene; sie zeigt die Wellenfronten 5 und 6 am Anfang und am Ende eines Impulses, der an einem gegebenen Zeitpunkt auftritt. In Fig. 3 sind diese Wellenfronten in der Horizontalebene dargestellt.

Der Seitenöffnungswinkel R des Strahlungsdiagramms bei 3 dB eines Sonargeräts ist durch die Beziehung R≃λ/d angegeben, in der d die Länge der Antenne in der Horizontalrichtung und λ die Wellenlänge im Ausbreitungsmedium ist. Unter der Annahme, daß d kleiner als 250 mm ist, was die maximale Stirnseitenabmessung eines Torpedos ist, muß mit einer Frequenz in der Größenordnung von 100 kHz (Hochfrequenz) gearbeitet werden, damit der Winkel R in der Größenordnung von 3° liegt. Bei diesen Frequenzen ist die Absorption im Ausbreitungsmedium jedoch sehr groß für die Feststellung von Zielen, die mehr als 1000 m entfernt sind. Zur Lösung dieses Problems sind bei dem hier zu beschreibenden parametrischen Sonargerät auf der Sendeseite Kanäle gebildet. Das Senden erfolgt gleichzeitig in jedem Kanal i mit zwei Primärfrequenzen F und F _i (Hochfrequenz), und der Empfang erfolgt bei der Sekundärfrequenz f _i=F-F _i (Niederfrequenz). Es sind auch Empfangskanäle im Niederfrequenzbereich gebildet. Wenn sich das Unterwasserfahrzeug genügend nahe beim Ziel befindet (Angriffsphase), erfolgt der Empfang ebenfalls bei der hohen Frequenz F _i. Im zuletzt genannten Fall ermöglicht ein Vergleich der hochfrequenten und der niederfrequenten Echos die Unterscheidung des Ziels von einem Scheinziel.

Trotz des geringen Wirkungsgrades der parametrischen Frequenzänderung, die sich in einem Leistungsverlust G₁ in d ausdrückt, ist der ebenfalls in dB ausgedrückte Gewinn G₂, der auftritt, weil die Ausbreitung bei niedrigerer Frequenz stattfindet, so bemessen, daß gilt: G₂+G₁<0.

Auf diese Weise ergibt bei einer Schalleistung von 1 kW, einem Abstand zwischen Fahrzeug und Ziel von 700 m, Primärfrequenzen um 120 kHz und einer Sekundärfrequenz von 30 kHz der Vergleich für den gleichen Seitenöffnungswinkel mit d=250 mm zwischen einem Sonargerät mit linearer Akustik und einem parametrischen Sonargerät Folgendes:

G₁=-31 dB;
G₂=+84 dB;

daraus ergibt sich: G₁+G₂=53 dB. Dies zeigt die große Überlegenheit eines parametrischen Sonargeräts für Reichweiten über 700 m.

Für das Strahlungsdiagramm des Sekundärbündels D _s (β), wobei β der Winkel zur mittleren Richtung ist, gilt:

D _s (β)=(D _p (β))² (1)

D _p (β) ist dabei das Sendediagramm bei der Primärfrequenz.

Die Gleichung (1) entspricht einer vernachlässigbaren Richtwirkung beim Empfang und einer ausreichend starken Absorption für die Primärfrequenzen, weil die fiktive sekundäre Sendeantenne, die in der englischsprachigen Terminologie mit "end fire" bezeichnet wird, praktisch mit der primären Sendeantenne zusammenfällt. Daraus folgt, daß die 3-dB-Breite R _s entsprechend D _s, (β) so bemessen ist, daß gilt: R _s=0,64 λ/d, wobei λ die mittlere Primärwellenlänge ist.

Nach der Erfindung entspricht der überwachte Raum in zeitlicher Richtung einem Winkel R _m. Der Winkelsektor ist in r Untersektoren unterteilt, von denen jeder q vorgeformte Kanäle enthält. In jedem dieser Sendekanäle wird gleichzeitig mit zwei Frequenzen, nämlich der Frequenz F und der Frequenz F _i gearbeitet. In einem Untersektor sind alle vorkommenden Frequenzen F _i voneinander verschieden. Es sind somit eine gemeinsame Frequenz F und q weitere Frequenzen für die q Kanäle jedes Untersektors vorhanden.

Beim Empfang des sekundären oder niederfrequenten Signals werden r Kanäle gebildet und am Ausgang jedes Kanals werden q Filter angebracht, die auf die Sekundärfrequenzen f _i abgestimmt sind. Auf diese Weise entstehen niederfrequente Frequenzkanäle. Die Bandbreite der Filter berücksichtigt den auf Grund der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Torpedo und dem Ziel auftretenden Dopplereffekt.

In einer bevorzugten Ausführungsform gilt: R _m=60°, r=3 und q=10.

Fig. 4 zeigt die Strahlungsdiagramme für drei räumliche Empfangskanäle R₁, R₂, R₃ (r=3) sowie die Kanäle V₁₁, V₁₂ . . . V _1q des dem Empfangsdiagramm R₁ entsprechenden Sektors, die Frequenzkanäle V₂₁, V₂₂ . . . V _2q entsprechend dem Empfangsdiagramm R₂ und schließlich die Frequenzkanäle V₂₁, V₃₂ . . . V _3q entsprechend dem Empfangsdiagramm R₃.

In dieser bevorzugten Ausführungsform umfaßt der überwachte Raum einen Seitenwinkel von 60°. Der Öffnungswinkel dieses Raums setzt sich aus 30 Kanälen in 30 verschiedenen Richtungen in drei Untersektoren zusammen. In jedem Kanal wird gleichzeitig mit zwei Frequenzen F und F _i gesendet, wobei i von 1 bis 10 reicht. Für F wird der Wert 140 kHz genommen, und die Frequenzwerte F _i liegen um 110 kHz. Der Höhenöffnungswinkel beträgt 50°.

Nach der Erfindung liegt nicht nur eine Beschränkung auf die Bildung von empfangsseitigen Frequenzkanälen durch Filterung mit den Sekundärfrequenzen F _i vor, sondern es werden auch empfangsseitig Frequenzkanäle durch Filtern mit den Primärfrequenzen F _i gebildet; die Primärfrequenzinformationen und die Sekundärfrequenzinformationen werden gleichzeitig ausgewertet.

Die mit hohen und niedrigen Frequenzen empfangenen Informationen kommen in jedem der entsprechenden Kanäle aus der gleichen Raumzone, doch werden sie mit stark unterschiedlicher Schwankungsbreite reflektiert, da ihre Wellenlängen sehr unterschiedlich sind. Wenn die mit der Primärfrequenz F _i empfangenen Informationen einen für die Auswertung ausreichend großen Wert haben, liegt der Abstand zwischen dem Fahrzeug und dem Ziel weit unter dem bei Beginn des Suchvorgangs vorhandenen Abstand, da die Reichweite dieser Frequenzen auf Grund der Absorption herabgesetzt ist. Mit anderen Worten heißt das, daß das Unterwasserfahrzeug das Ziel seit langem erfaßt hat und daß das Wirkungsfeld nicht mehr sehr groß sein muß. Aus diesem Grund wird in der Annäherungsphase nur mehr ein räumlicher, hochfrequenter Empfangs-Kanal in Richtung der Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs gebildet. Die Auswahl der Richtungen erfolgt wie für die Empfangskanäle mit den Sekundärfrequenzen f _i durch N′ Filter, die auf die Frequenzen F _i abgestimmt sind; i ändert sich dabei zwischen 1 und N′. Die globale Sende- und Empfangsrichtwirkung D _p, (β) dieser Hochfrequenzkanäle ist praktisch die gleiche wie für die Niederfrequenzkanäle, da gilt:

D _p′ (β)=(D _p (β))²,

woraus gemäß der Gleichung (1) folgt:

D _p′ (β)=D _r (β).

Ein Ausführungsbeispiel für empfangsseitig gebildete Hochfrequenzkanäle weist folgende Werte auf:

- Öffnungswinkel des Raumkanals: 20°;
- Anzahl der Kanäle für die Frequenz F _i: N′=10;
- Öffnungswinkel der Kanäle für die Frequenz f _i: 3°.

In Fig. 5 sind die Sendediagramme der Kanäle W₁, W₂ . . . für die Primärfrequenzen F₁, F₂ . . . sowie das Empfangsdiagramm R₄ dargestellt.

Der in der Annäherungsphase erfolgende Empfang von Echos mit Primärfrequenzen und mit Sekundärfrequenzen ist ein charakteristisches Merkmal der hier beschriebenen Anordnung. Dadurch kann das Ziel von einem Scheinziel des Typs eines Antwortgebers unterschieden werden, da die Scheinziele wesentlich kleinere Abmessungen als Unterseeboote haben und da die Eigenschaften des Antwortgebers von der Frequenz abhängen.

Zur Bestimmung der Abmessungen des Ziels wird die Tatsache ausgenutzt, daß bei verringertem Abstand mehrere Echos gleichzeitig in mehreren Kanälen vorhanden sein müssen, wenn sie von einem Ziel kommen.

Ein in mehreren Folgeperioden durchgeführter einfacher Vergleich der Anwesenheit oder der Abwesenheit von Echos in den zwei Arten von Kanälen ermöglicht die Beseitigung von Zweifeln.

Wenn im Verlauf mehrerer Folgeperioden nur ein Echo in allen primären und sekundären Empfangskanälen vorhanden ist, ist dieses Echo daher nicht auf ein Ziel wie ein Unterseeboot zurückzuführen, das bei näherem Abstand Echos in mehreren Kanälen gleichzeitig ergibt. Nach der Erfindung liefert eine logische Schaltung für diesen Fall an die Steuerschaltung für die Ruder des Torpedos ein Signal zur Wiederaufnahme des Suchvorgangs nach dem verfolgten Ziel.

Nach der Erfindung wird angestrebt, die Anzahl und den Umfang der zur Bildung der räumlichen Sende- und Empfangskanäle benutzten elektronischen Bauteile beträchtlich herabzusetzen. Zu diesem Zweck werden Ladungsübertragungs-Bauelemente (CCD-Bauelemente) benutzt.

Die Eigenschaften dieser Bauelemente und ihre Anwendung bei der Bildung räumlicher Kanäle sind in dem Bericht von White und Webb mit dem Titel "Etude de l'utilisation des dispositifs à transfert de charges dans les systèmes de traitement analogique des signaux" (Westinghouse defense and Electronic Systems Center, Baltimore) vom Mai 1974 (Veröffentlichung NTIS AD-783 703) angegeben.

Dieses Verfahren der analogen Abtastung und mehrfachen Verzögerung hat gegenüber der herkömmlichen digitalen Verarbeitung den Vorteil, daß weniger Bauelemente benötigt werden. Es ermöglicht insbesondere das Weglassen von Digital-Analog-Wandlern und von Analog-Digital-Wandlern sowie der n Schieberegister für die n Amplituden-Quantisierungs-Bits.

In Fig. 6 ist ein allgemeines Schaltbild eines parametrischen Sonargeräts sowie der Signalverarbeitungsanordnung für die Steuerung der Ruder des Torpedos gemäß der Erfindung dargestellt.

Die Sende-Empfangs-Antenne 20 enthält die Sendewandlergruppe 21, die Empfangswandlergruppe 22 für die Primärfrequenzen und die Empfangswandlergruppe 23 für die Sekundärfrequenzen. Ein Taktgeber 80 liefert Taktsignale H₁, H₂, H₃ und H₄. Die Sendewandler 21 empfangen vom Generator 30 Signale mit den Primärfrequenzen. Die von den Wandlern 21 und 22 empfangenen Signale werden von den Empfangsschaltungen 40 und 50 verarbeitet. Eine Entscheidungsschaltung 60 empfängt Signale mit der Primärfrequenz und mit der Sekundärfrequenz, und eine Steuereinheit 70 dient der Steuerung der Ruder für die Richtung und die Tauchtiefe des Torpedos.

Die von den Empfangsschaltungen 40 und 50 gelieferten Informationen werden dazu benutzt, den Seitenwinkel des Ziels abzuschätzen. In herkömmlichen Systemen ist die Öffnung des Diagramms so ausgebildet, daß im allgemeinen nur eine kleine Anzahl von Kanälen, beispielsweise 2 oder 3, gebildet sind. Daraus ergibt sich, daß die Aufteilung des Raums nur die Durchführung einer kleinen Anzahl von Entscheidungen bezüglich der an die Steuereinheit 70 anzulegenden Amplitude ermöglicht.

Auf Grund der gemäß der Erfindung durchgeführten Aufteilung des Raums in eine große Anzahl, beispielsweise 30 Sektoren, ist es möglich, jedem der Kanäle ein Gewicht zu verleihen, so daß für jeden dieser Kanäle ein von seiner Raumordnung abhängiger Richtungssteuerbefehl festgelegt wird. Die Seitenwinkellenkung des Fahrzeugs erfolgt in herkömmlicher Weise durch Vergleich der Phasen der Signale, die von den zur Erzielung der Primärfrequenz-Empfangskanäle verwendeten Wandlern und von anderen, zu diesem Zweck in einem vertikalen Abstand von λ/2 angebrachten Wandlern empfangen werden.

Die die Sende-Empfangs-Antenne 20 bildenden Wandler sind in Fig. 7 dargestellt. Die Wandler 10.1 . . . 10.m sind die Hochfrequenzwandler, die ausschließlich im Sendebetrieb arbeiten. Sie sind mit Hilfe der Verbindungen L₁ am Generator 30 angeschlossen. Die Wandler 11.1 . . . 11.n sind Wandler zur Bildung der hochfrequenten Primär-Empfangskanäle; sie sind über die Verbindungen L₂ an die Empfangsschaltung 40 angeschlossen. Die über die Verbindungen L₃ an die Empfangsschaltung 40 angeschlossenen Wandler 12.1 ... 12.n haben genau die gleiche Funktion wie die Wandler 11.1 bis 11.n. Sie sind unter den ersten Wandlern so eingebaut, daß ein Phasenvergleich von Kanal zu Kanal durchgeführt werden kann, damit das Fahrzeug in der letzten Annäherungsphase in Höhenrichtung gelenkt wird.

Außerdem sind die p Niederfrequenz-Empfangswandler 13.1, 13.2, 13.3 . . . 13.p dargestellt, die an die Empfangsschaltung 50 über die Verbindungen L₄ angeschlossen sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit der Zeichnung nehmen diese Wandler nicht die gesamte Breite der Antenne ein.

In Fig. 8 ist dargestellt, wie die räumlichen Sendekanäle im Generator 30 gebildet sind, der gemäß der Darstellung an die Sendewandler 21 angeschlossen ist. Das Taktsignal H₁ (Fig. 9a), das vom Taktgeber 80 geliefert wird, gibt einen mit der Frequenz H₂ (Fig. 9b) arbeitenden Oszillator 210 frei, und es löst einen mit einer veränderlichen Frequenz arbeitenden Oszillator 220 aus, der r mal hintereinander eine Folge von Frequenzen F₁ . . . F _q aussendet, wobei r die Anzahl der zu bildenden Niederfrequenz-Raumkanäle ist. Beispielsweise sendet der Oszillator 220 zehn Frequenzen dreimal hintereinander aus. Der Grund für diese sequentielle Aussendung ist die Tatsache, daß die Leistungsfähigkeit der Hochfrequenzwandler begrenzt ist und kein gleichzeitiges Aussenden mit allen diesen Frequenzen in allen Richtungen mit dem Schalleistungspegel ermöglicht, der für einen guten parametrischen Wirkungsgrad erforderlich ist.

Die an den Ausgängen 211 und 221 abgegebenen Ausgangssignale der Oszillatoren 210 bzw. 220 sind in den Fig. 9c und 9d dargestellt. Sie werden in dem Summierglied 230 linear gemischt und mit der Folgefrequenz H₃ in der Abtastschaltung 240 abgetastet. Anschließend werden sie in ein Schieberegister 250 übertragen, dessen Stufenzahl von der Richtungsgenauigkeit der gebildeten Kanäle und von der maximal zu verwirklichenden Verzögerung, d. h., von der Richtung des Kanals mit der größten Ablage abhängt.

Die die verzögerten Informationen abgebenden Ausgangsanschlüsse sind sorgfältig so gelegt, daß sie die m Sendewandler über die Verbindung L₁₀ mit N aufeinanderfolgenden unterschiedlichen Verzögerungen über eine Analogumschalteinheit 260 speisen. Die Umschaltungen erfolgen im Takt des Taktsignals H₂ (Fig. 9b). Die Signale werden in Filterschaltungen 27.1 . . . 27.m im gesamten Band der Frequenzen F₁ . . . F _q und F gefiltert. Die gefilterten Signale werden in Leistungsverstärkern 28.1 . . . 28.m verstärkt und über die Verbindungen L₁ zu den Wandlern 10.1 . . . 10.m übertragen.

In Fig. 10 sind die Einzelheiten der Empfängerschaltung 40 dargestellt, die die zwei Ketten von Hochfrequenzkanälen F₁ . . . F _N′ enthält, die innerhalb des mittleren hochfrequenten Raumkanals gebildet sind, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 6 angegeben wurde.

Zwei Ketten sind gleich aufgebaut. In der ersten Kette werden die von den Hochfrequenz-Empfangswandlern 11.1 . . . 11.n kommenden Signale von den Verstärkern 30.1 . . . 30.n verstärkt, deren Verstärkungsfaktor zyklisch vom Signalgenerator 310 eingestellt wird, damit die Echos in Abhängigkeit von ihrer Entfernung bewertet werden; der Signalgenerator wird dabei von dem vom Taktgeber 80 gelieferten Taktsignal H₁ gesteuert. Die Signale werden von dem n Eingänge aufweisenden Summierglied 320 summiert. Sie werden dann von den schmalbandigen Tiefpaßfiltern 33.1 . . . 33. N′ gefiltert, die bis auf die Dopplerfrequenz auf die Folge von beispielsweise 10 Primärfrequenzen abgestimmt sind, die den 10 Richtungen des Mittelraums entsprechen.

Wie bereits gesagt wurde, befinden sich in der zweiten Kette nach den Hochfrequenz-Empfangswandlern 12.1 bis 12.n die gleichen Schaltungen, die oben angegeben wurden, nämlich Verstärker 300.1 bis 300.n, ein Summierglied 320 und schmalbandige Tiefpaßfilter 340.1 bis 340.N′.

In Fig. 11 ist dargestellt, wie die Niederfrequenzkanäle in der Empfangsschaltung 50 gebildet werden. Die Signale werden von den Wandlern 13.1 . . . 13.p empfangen und von den Verstärkern 40.1 . . . 40.p verstärkt, deren Verstärkungsfaktor vom Signalgenerator 410 zyklisch eingestellt wird. Der Signalgenerator wird von dem vom Taktgeber 80 gelieferten Taktsignal H₁ gesteuert. Die Signale werden im Bereich der Sekundärfrequenz f₁=F-F₁ bis f _q=F-F _q mit Hilfe der Bandfilter 42.1 . . . 42.p gefiltert; anschließend werden sie im Takt des Taktsignals H₄ aus dem Taktgeber 80 in den Abtastschaltungen 43.1 . . . 43.p abgetastet. Die entstehenden Abtastwerte werden in Schieberegister 44.1 . . . 44.p eingegeben. Sorgfältig verteilte Abgriffe, nämlich r Abgriffe an jedem Register, ermöglichen das Summieren der p Abtastwerte in jedem der r Summierglieder 45.1 . . . 45.r. Das Ausgangssignal jedes Summierglieds wird an q schmalbandige Tiefpaßfilter 46.1 . . . 46.q angelegt, deren Mittenfrequenzen bis auf die Dopplerfrequenz bei den Frequenzwerten f₁ . . . f _q liegen. Am Ausgang dieser Filter sind daher die in den r · q Richtungen gebildeten r · q Niederfrequenzkanäle vorhanden.

In Fig. 12 sind die Entscheidungsschaltung 60 und die Steuereinheit 70 für die Ruder des Unterwasserfahrzeugs dargestellt.

Die Hochfrequenzantenne enthält zwei Wandlerreihen, die in vertikaler Richtung übereinander im Abstand von λ/2 verlaufen; die entsprechenden Signale eines gleichen Seitenwinkelkanals sind gegeneinander phasenverschoben. Das Vorzeichen der Phasenverschiebung hängt vom Vorzeichen des Winkels der Normalen zur Antenne bezüglich der Richtung des Ziels ab, was einem oben oder unten liegenden Ziel entspricht.

Die zwei Signalgruppen 61.1 . . . 61. N′ und 62.1 . . . 62.N′ der Hochfrequenzkanäle, die aus der Empfangsschaltung 40 (Fig. 10) kommen, werden paarweise in N′ Phasendiskriminator- und Integratorschaltungen 61 übertragen und in N′ demodulierte Signale 64.1 . . . 64.N′ aufgetrennt, die die Hoch-Tief-Information des Ziels enthalten.

Die Steuerschaltung 62 erzeugt aus der Anwesenheit von Echos in einem oder in mehreren der N′ Hochfrequenzkanäle einen Sink- oder Steig-Steuerbefehl. Die Entscheidungssignale aus der Steuerschaltung 62 werden an die Tiefenruder 71 angelegt.

Die Schaltungseinheit 63 empfängt die Signale 63.1 . . . 63.N′ aus den Niederfrequenzkanälen sowie die Signale einer der Gruppen der Hochfrequenzkanäle 62.1 . . . 62.N′. Diese Signale werden nacheinander in mehreren Folgeperioden demoduliert und integriert.

Von den N demodulierten und integrierten Niederfrequenzsignalen 66.1 . . . 66.N kommt ein Teil 66.i . . . 62.(N′+i-1) genau aus den gleichen Seitenrichtungen wie die demodulierten und integrierten Signale 65.1 . . . 65.N′. Wie aus den obigen Ausführungen erkennbar ist, wird die Zielfeststellung verbessert, wenn die Niederfrequenzsignale und die Hochfrequenzsignale mit unterschiedlicher Schwankungsbreite, die aus der gleichen Richtung kommen, gemischt werden.

In der Schaltungseinheit 64 werden die einer gleichen Richtung entsprechenden Hochfrequenz- und Niederfrequenzsignale, also die Signale 65.1 bis 66.1, . . . 65.N′ bis 66.(N′+i-1), miteinander addiert.

Die Schaltungseinheit 64 bewirkt eine Mittelung durch einen Additionsvorgang, auf den eine Amplitudeneinstellung in jedem der N′ Hochfrequenz- und Niederfrequenzkanäle 65.1 und 66.1, 65.N′ und 66.(N′+i-1) folgt.

Zur Erzeugung der Richtungssteuerbefehle stehen also N Niederfrequenzsignale zur Verfügung, die den gesamten Seitenwinkelsektor überdecken; außerdem stehen N′ Signale zur Verfügung, die den Mittelwert der Signale aus den Hochfrequenzkanälen und den Niederfrequenzkanälen entsprechen. Diese Signale werden von der Steuerschaltung 65 empfangen, die die Aufgabe hat, die Seitensteuerbefehle zu erzeugen, die an die Richtungssteuerorgane 72 angelegt werden.

Bei großer Entfernung, bei der die Suchphase durchgeführt wird, stellen nur die Niederfrequenzkanäle 62.1 . . . 62.N die Echos des Ziels fest. Die Steuerschaltung 65, an die die Niederfrequenzkanäle angeschlossen sind, bewirkt einen Vergleich zwischen den Pegeln der verschiedenen empfangenen Echos. Das Zielecho ist das Echo, dessen Pegel allgemein höher ist. Die Kenntnis des Raumkanals und des Frequenzkanals, in dem sich dieses Echo befindet, ermöglicht die Erzeugung der Steuerbefehle für die Seitenruder.

Unter diesen Bedingungen bewegt sich das Fahrzeug in eine solche Richtung, daß seine Achse mit der Richtung des Ziels in einer Linie liegt. Die Niederfrequenzsignale treten daher immer mehr in den nahe der Achse liegenden Kanälen auf.

In einem relativ geringen Abstand, in dem die Angriffsphase durchgeführt wird, hat sich das Fahrzeug ausreichend an das Ziel angenähert, so daß die Echos in den Hochfrequenzkanälen erscheinen. Es kann nun ein besserer Vergleich der Echopegel durchgeführt werden, da die Schwankungsbreite abnimmt.

Mit Hilfe der Schaltungseinheit 66 können Scheinechos erkannt werden. Zu diesem Zweck vergleicht diese Schaltungseinheit entsprechend vorprogrammierten Kriterien der Schaltungseinheit 67 die Anzahl und die Amplitude der in den N mittleren Hochfrequenz- und Niederfrequenzkanälen vorhandenen Echos.

Die üblicherweise verwendeten Scheinziele sprechen in einem beschränkten Frequenzband an, das üblicherweise zur Fernlenkung von Fahrzeugen benutzt wird. Sie sprechen daher nicht gleichzeitig auf die in der hier beschriebenen Ausführungsform gewählten hohen und niedrigen Frequenzen an.

Das Hauptmerkmal eines Scheinechos besteht jedoch darin, daß es bis auf die allerletzten Meter praktisch wie ein Punktziel aussieht.

Eine typische Antischeinziel-Programmierung dieser Schaltungseinheit 67 besteht beispielsweise darin, daß mittels der Schaltungseinheit 66 die Anzahl der in den Hochfrequenz- und Niederfrequenzkanälen vorhandenen Echos festgestellt wird, und daß entschieden wird, daß ein Scheinziel vorhanden ist, wenn in der Angriffsphase während mehrerer Folgeperioden nur in einem Kanal ein Echo vorhanden ist.

Der Antischeinzielbefehl wird zur Lenkprogrammiereinheit 68 des Unterseeboots übertragen, damit dieses seine Bahn ändert, und den Suchvorgang wieder aufnimmt. Die Schaltungseinheit 69 erzeugt aus dem Taktsignal H₁ und aus der Verzögerung der Echos in den Kanälen 67.1 . . . 67.N′ ein Entfernungsmeßsignal, das zum Sperren des Antischeinzielsignals in der Suchphase benutzt wird, in der ein Ziel mit großen Abmessungen ebenfalls wie ein Punktziel wahrgenommen wird.

Ein weiterer Vorteil der hier beschriebenen Anordnung besteht darin, daß die niederfrequenten Störechos, die von der Reflexion an der freien Fläche hervorgerufen werden, sehr schwach sind, wenn sich das Torpedo in der Nähe dieser freien Fläche bewegt.

Die Amplitude des vor der Reflexion an der Oberfläche erzeugten Sekundärfrequenzbündels ändert das Vorzeichen nach der Reflexion. Die Amplituden der zwei Primärfrequenzbündel, die an der Oberfläche reflektiert werden, ändern nach der Reflexion ebenfalls ihre Vorzeichen. Diese zwei Bündel sind die Ursache für ein zweites Sekundärfrequenzbündel, dessen Amplitude gegenphasig zum ersten reflektierten Sekundärfrequenzbündel liegt. Daraus ergibt sich eine starke Dämpfung der resultierenden Niederfrequenzechos.

Die Ausnutzung der nichtlinearen Akustik beim Lenken eines Unterwasserfahrzeugs in Seitenrichtung gegen ein Fernziel ermöglicht es, den gesamten Höhenöffnungswinkel des Strahlungsdiagramms aufrechtzuerhalten, der erforderlich ist, um die Winkelüberdeckung in vertikaler Richtung zu gewährleisten.

Es ist hier also einen für Unterwasserfahrzeuge einsetzbare Selbstlenkanordnung beschrieben worden, die bei der Erfassung eines Ziels eine größere Reichweite und eine größere Winkellenkgenauigkeit als bekannte Anordnungen aufweist.

Claims

1. Selbstlenkanordnung für ein ein aktives Sonargerät tragendes Unterwasserfahrzeug mit wenigstens einer Sende- und Empfangsantenne sowie mit Einrichtungen zum Formen mehrerer räumlicher Sendekanäle in einem Seitenwinkelsektor, dadurch gekennzeichnet, daß das Sonargerät ein parametrisches Sonargerät ist, bei welchem:

- die Sendeeinrichtung (20, 31, 30) die q+1 hochfrequenten Primärfrequenzen F, F₁, . . . F _q auf Sendekanälen aussendet, die über einen Seitenwinkelsektor verteilt sind, welcher in r Untersektoren (R₁, R₂, R₃) unterteilt ist, die jeweils q Kanäle (V₁₁-V₁₃, V₂₁-V₂₃, V₃₁-V₃₃) enthalten, welche innerhalb jedes Untersektors (R₁, R₂, R₃) in gleicher Weise über den Seitenwinkel verteilt sind und jeweils die Primärfrequenz F und eine der Primärfrequenzen F₁ bis F _q enthalten,
- die Empfangseinrichtung (20, 23, 50) die dem parametrischen Effekt zwischen den Hochfrequenzen entsprechenden niederfrequenten Sekundärfrequenzen F-F₁ bis F-F _q in r räumlichen Empfangskanälen, welcher die r Untersektoren (R₁, R₂, R₃) überdecken und in denen jeweils die q Sekundärfrequenzen empfangen werden, empfängt und
- die Empfangseinrichtung (20, 23, 50) eine Filtereinrichtung (50) enthält, die in jedem der r räumlichen Empfangskanäle die darin empfangenen q Sekundärfrequenzen ausfiltert und q Sekundärfrequenz-Empfangskanäle bildet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung (40) N′ parallelgeschaltete Filter (27.1, 27.2, . . .) aufweist, deren Mittenfrequenzen bei den Primärfrequenzen F₁, F₂, . . . F _i liegen, und daß die N′ gefilterten Signale N′ Empfangs-Frequenzkanäle bilden.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hochfrequenz-Empfangsantenne mit zwei Reihen aus n Wandlern (11.1, 11.2 . . . 11.n; 12.1, 12.2 . . . 12.n) vorgesehen ist, die im Abstand λ/2 übereinander angeordnet sind, wobei λ die Wellenlänge im Ausbreitungsmedium ist, und daß für jede der zwei Reihen Hochfrequenzkanäle gebildet sind.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Signale der den zwei Wandlerreihen entsprechenden Hochfrequenzkanäle an eine Schaltungseinheit (61) angelegt sind, die die Amplituden und die Phasen eines gleichen Echos entsprechend den zwei Wandlerreihen feststellt, und daß diese Signale verglichen werden, wobei die Steuerschaltung (62) für die Tiefenruder (71) des Trägers der Anordnung das Vergleichssignal der Echophasen des Ziels empfängt.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der Raumkanäle und der Niederfrequenzkanäle sowie der Hochfrequenzkanäle an eine Echodetektorschaltung (63) angelegt sind und daß die aus einer gleichen Richtung mit hoher und mit niedriger Frequenz kommenden Echos in einer Schaltungseinheit (64) addiert werden, die an die Steuerschaltung (65) für die Seitenruder (72) des Trägers der Anordnung Angaben über den Seitenwinkel des Ziels liefern.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenruder-Steuerschaltung (65) auch Echosignale mit niedriger Frequenz empfängt, die in der Echodetektorschaltung (63) festgestellt werden, und daß diese Echosignale zur Steuerung der Seitenruder benutzt werden, wenn sich der als Unterwasserfahrzeug ausgebildete Träger der Anordnung in großem Abstand vom Ziel befindet.

7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die festgestellten Echos mit hoher Frequenz und mit niedriger Frequenz, die aus einer gleichen Raumrichtung kommen, an eine Scheinziel-Erkennungsschaltung (66) angelegt werden, die mit einem vorprogrammierten Speicher (67) verbunden ist, daß das Scheinziel-Erkennungssignal an eine Lenk-Programmiereinheit (68) angelegt wird und daß eine Schaltungseinheit (69) aus Entfernungsmeßsignalen ein Sperrsignal für die Scheinziel-Erkennungsschaltung (66) erzeugt, wenn der Abstand zwischen dem die Anordnung mitführenden Unterwasserfahrzeug und dem Ziel einen vorbestimmten Wert überschreitet.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sendeseitige Bildung der r · q Hochfrequenzkanäle und die empfangsseitige Bildung der N′ Niederfrequenzkanäle mit Hilfe von Ladungsübertragungs-Schieberegistern erfolgt.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Sendeantenne aus m Wandlern (10.1), 10.2 . . . 10.m), eine Niederfrequenz-Empfangsantenne aus p Wandlern (13.1, 13.2 . . . 13.p), eine Hochfrequenz-Empfangsantenne aus zwei Reihen mit n Wandlern (12.1, 12.2 . . . 12.n; 13.1, 13.2 . . . 13.n), wobei der vertikale Abstand zwischen den zwei Reihen λ/2 beträgt, einen Taktgeber H₁, der Signale mit der Periodendauer T₁ liefert, einen Generator (210), der unter der Steuerung durch den Taktgeber H₁ Sinussignale mit der Frequenz F liefert, eine vom Taktgeber H₁ und einen Taktgeber H₂ mit der Periodendauer T₁/2q gesteuerte Frequenzsyntheseschaltung (220), die nacheinander die Frequenzen F₁, F₂, . . . F _i . . . F _q liefert, wobei die Signale mit den Frequenzen F und F _i an eine Addierschaltung (230) und eine im Takt eines Taktgebers H₃ arbeitende Abtastschaltung (240) angelegt werden, und ein analoges Ladungskopplungs-Schieberegister mit Mehrfachanschlüssen, das die abgetasteten Signale empfängt und über breitbandige Hochfrequenzfilter an m Sendewandler abgibt.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenz-Empfangsvorrichtung 2 n Verstärker (30.1, 30.2 . . . 30.n; 31.1, 31.2 . . . 31.n) entsprechend den Wandlern (11.1, 11.2 . . . 11.n; 12.1, 12.2 . . . 12.n) enthält, daß der Verstärkungsfaktor dieser Verstärker im Takt des Taktgebers H₁ zyklisch eingestellt wird, und daß die verstärkten Signale an 2N′ parallelgeschaltete Filter (33.1, 33.2 . . . 33.N′; 34.1, 34.2 . . . 34.N′) angelegt werden, deren Mittenfrequenzen bei den Frequenzen F₁, F₂ . . . F _N′, liegen.

11. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsvorrichtung p Verstärker (40.1, 40.2 . . . 40.p) für p von den Wandlern (13.1, 13.2 . . . 13.p) empfangene Signale enthält, daß der Verstärkungsfaktor der Verstärker im Takt des Taktgebers H₁ zyklisch eingestellt wird, daß die verstärkten Signale von den p breitbandigen Niederfrequenzfiltern (42.1, 42.2 . . . 42.p) gefiltert, abgetastet und an p analoge, mit Mehrfachanschlüssen ausgestattete Schieberegister (44.1, 44.2 . . . 44.p) angelegt werden, daß die von den Mehrfachanschlüssen abgenommenen Signale an Summierglieder (45.1, 45.2 . . . 45.r) angelegt werden, und daß in jedem der Raumkanäle q parallelgeschaltete Filter (46.1, 46.2 . . . 46.p) angebracht werden, so daß r · q Frequenzkanäle und insgesamt r · q Kanäle (63.1, 63.2 . . . 63.r · q) gebildet werden.