DE2927790C2

DE2927790C2 - Vorrichtung zur Richtungsbildung empfangener Signale im Nahbereich einer Sonaranlage

Info

Publication number: DE2927790C2
Application number: DE19792927790
Authority: DE
Inventors: Reiner Dr.-Ing. 2800 Bremen Diehl; geb.Hohmann Margitta Dipl.-Ing. Lütkemeyer-Hohmann
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 1978-08-14
Filing date: 1979-07-10
Publication date: 1986-12-11
Also published as: FR2433761A1; GB2027885A; AU4988379A; DE2927790A1; FR2433761B1; AU525129B2; GB2027885B

Description

ein einziger Abtaster (301) für jede Komponente (v,, V₂) mit den N Empfangswandlern verbunden ist und der

Zeitabstand Δ t kleiner als einstellbar ist.

K-B

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abtaster

N

Eingänge und Schaltelemente aufweist, die mit den N Empfangswandlern jeweils um eine Zahl M versetzt mit M Empfangswandlern verbunden sind, wobei der erste Eingang des ersten Abtasters mit dem ersten Empfangswandler und der M. Eingang des ersf m Abtasters mit dem A/. Empfangswandler, der erste Eingang des zweiten Abtasters mit dem (M + 1). Empfangswandler und der M. Eingang des zweiten Abtasters mit dem (2 · M). Empfangswandler und der K. Abtaster mit dem (K ■ M + 1). Empfangswandler und der letzte Eingang des K. Abtasters mit dem N. Empfangswandler verbunden ist, daß jeder Abtaster mit einem Taktgeber verbunden ist, der im Zeitabstand At axe. Schaltelemente jedes Abtasters nacheinander schließt, wobei der Beginn eines Abtastzyklusses jedes Taktgebers um den K. Teil des Zeitabstands Δ t versetzt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Multiplexer durch den Vorwähler über

eine Torschaltung um eine Zeit -^- verzögert gegenüber dem Abtastbeginn des ersten Empfangswand-

B
lers durch den ersten Abtaster ansteuerbar ist und mit einem Zeitgeber für Schaltzeiten

Ai =

NB

zum zyklischen Abfragen der Speicherelemente an den Ausgängen des ersten Abtasters, des zweiten AbUssters und zuletzt des K. Abtasters verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abtaster N Eingänge und Schaltelemente aufweist, die parallel mit den N Empfangswandlern verbunden sind, daß jeder Abtaster mit einem Taktgeber verbunden ist, der im Zeitabstand A t die Schaltelemente jedes Abtasters nacheinander schließt, wobei der Beginn eines jeden Abtastzyklusses jedes Taktgebers um eine Zeit

versetzt erfolgt, daß der Multiplexer durch den Vorwähler über eine Torschaltung um den /V-fachen Zeitabstand N-At verzögert gegenüber dem Abtastbeginn des ersten Empfangswandlers durch den ersten Abtaster anstcuerbar ist und mit einem Zeitgeber für Schaltzeiten

A '

NB

zum zyklischen Abfragen der Speicherelemente an den Ausgängen des ersten Abtasters, des zweiten Abtasters und zuletzt des K. Abtasters verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastreihenfolge der Momenlanwcrtc und die Abtastreihenfolge der Multiplexer umkehrbar sind.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Richtungsbildung empfangener Signale im Nahbereich einer Sonaranlugc, die impulsförmige Signale mit einer Mittenfrequenz und bekannter Bandbreite aussendet und mit

einer Anzahl von Empfangswandlern einer Empfangsanordnung empfängt, wobei die Empfangswandler auf einer Basislänge in äquidistantem Abstand angeordnet sind, unter Verwendung der komplexen Fourier-Transformation. ,» Für eine Sonaranlage, mit der auch Objekte im Nahbereich vor der Empfangsanordnung nach Entfernung und '■!'-' Richtung darstellbar sein sollen, besteht die Forderung, daß eine gute Entfernungsauflösung innerhalb eines ;,i großen Winkelbereichs und über den gesamten Winkelbereich eine feine Winkelauflösung gewährleistet sein !;■! sollte. Dazu werden impulsförmige Signale mit einer Mittenfrequenz ausgesendet, deren Pulslänge möglichst i;_;; klein gewählt wird, da die Entfernungsauflösung proportional mit der Pulslänge abnimmt, d. h. der unterscheid- H bare Abstand hintereinanderliegender Objekte um so kleiner ist, je kürzer die Pulslänge ist. Ein solches ausgesendetes Signal weist eine große Bandbreite um die Mittenfrequenz auf.

Zum Bestimmen der Entfernung zwischen der Empfangsanordnung und einem reflektierenden Objekt wird ₍

die Zeit zwischen Aussenden der impulsförmigen Signale und Empfangen ihrer reflektierten Anteile gemessen. ,

Eine Darstellung des Objekts ist aber erst möglich, wenn eine Einfallsrichtung der reflektierten Anteile bekannt ist. In aller Regel wird das impulsförmige Signal ungerichtet ausgesendet und die reflektierten Anteile einer '

Richtungsbildung unterworfen, die den Winkel des Objekts bezogen auf eine Basisnormale der Empfangsanord- i

nung angibt. '!

Der Winkelbereich, innerhalb dessen eine Richtungsbestimmung der empfangenen Signale vorgenommen werden kann, ist um so kleiner, je höher die Mittenfrequenz des ausgesendeten Signals ist. Die Winkclauflösung innerhalb dieses Winkelbereichs ist um so feiner je höher die Mittenfrequenz und je größer die Basislänge gewählt wird.

Zur Darstellung eines Objekts ist bereits aus der GB-PS 13 39 093 ein holographisches Verfahren bekannt, bei dem kohärente Wellen ausgesendet, vom darzustellenden Objekt reflektiert und von einer Basis empfangen werden, auf der Wandler in Form einer Matrix angeordnet sind. Es wird der Zeitpunkt der Reflexion /ur Entfernungsbestimmung ermittelt. Um auch Objekte im Nahbereich darstellen zu können, in dem die reflektierte ΐ

Wellenfront bei Empfang eine nicht vernachlässigbare Krümmung aufweist, werden die Emplangssignale der ;

Wandler zeitlich so gegeneinander verzögert, daß die Krümmung aufgehoben wird. Die Zeitverzögerung ist pro- i

portional dem Quadrat der Entfernung zwischen Wandler und einem Referenzpunkt - beispielsweise in der Mitte der Basis - geteilt durch den Abstand zum Objekt. Sie wird durch zeitlich aufeinanderfolgende Abtastung ,·

benachbarter Wandler, beginnend mit dem Wandler am Referenzpunkt, durch ein Paar von Abtastern realisiert. ;

Der Zeitabstand zwischen dem Abtasten benachbarter Wandler bildet die Zeitverzögerung. Die Abtaster sind |,

zweifach als Paar vorgesehen, um zwei Komponenten eines komplexen Signals für die nachfolgende Fast-Fou- ; ¹J

rier-Transformation zu erzeugen. Das Paar arbeitet synchron, jedoch eine Viertelperiode der Wellenlänge des :,

Empfangssignals gegeneinander verzögert. Die Anzahl der Abtaster ist bedingt durch die vielen Wandler auf der ;:

Matrix. Die durch Abtastung zeitlich verzögerten, abgespeicherten Empfangssignale werden zur Erstellung des

Hologramms mit Hilfe der Fast-Fourier-Transformation benutzt. Dieses Verfahren ist aber nur anwendbar, wenn ^!

kohärente Wellen ausgesendet werden. )

Zum Bestimmen der Einfallsrichtung von empfangenen sinusförmigen Signalen ist es bekannt, den Algorithmus der Fourier-Transformation anzuwenden. Eine solche Signalverarbeitung ist bereits in einem Aulsatz»Fasl Beam-Forming Algorithmen« in der Zeitschrift »The Journal of the Acoustical Society of America«, Vol. 44, No. 5,1968, beschrieben. Die gleichzeitig von N Empfangswandlern empfangenen Signale werden gemäß Gleichung (1) aufsummiert und einer Fourier-Transformation unterworfen. Für eine Einfallsrichtung der empfangenen Signale, die gleich der Basisnormalen ist, wird eine Gleichspannung analysiert, für davon abweichende Einfalisrichtungen ergibt die Fourier-Transformation Frequenzen ungleich Null. Mit dieser mathematischen Operation erhält man ein elegantes Mitte! zur Richtungsbiidung, das mit einem entsprechend programmierten Rechner realisiert werden kann. Der Rechneraufwand ist jedoch sehr hoch, wenn das ausgesendete Signal brcilbandig ist, da für jede Frequenz im Spektrum des ausgesendeten Signals eine Fourier-Transformation vorgenommen werden muß.

Da der Rechneraufwand bei der Richtungsbildung empfangener Signale im Nahbereich einer Sonaranlage sehr hoch ist, könnte man statt dessen auch eine sogenannte Laufzeitkompensation der empfangenen Signale durchführen, indem man hinter jeden Empfangswandler unterschiedlich lange Verzögerungsketten schaltet. Je nach eingestellter Verzögerungszeit wird ein Effekt erzielt, als wenn die gesamte Empfangsanordnung in eine bestimmte Richtung mechanisch geschwenkt würde. Die empfangenen Signale an allen Empfangswandlem weisen den gleichen Momentanwert auf, wenn ihre Einfallsrichtung durch die Verzögerungszeiten eingestellt wurde. Eine Anordnung, die nach diesem Prinzip arbeitet, ist aus der französischen Patentschrift 22 43 447 bereits bekannt Zum Bilden von Richtcharakteristiken unter unterschiedlichen Einfallsrichtungen werden Wandler einer Wandleranordnung abgetastet und die jeweilige Abtastprobe zu Abtastproben hinzuaddiert, die zu vorher abgetasteten, anderen Wandlern :"; gehören. Einer mit den Wandlern verbundenen Abtasteinrichtung ist ein Addierer mit einer Verzögerungsleitung nachgeordnet. Das Ende der Verzögerungsleitung ist mit dem zweiten Eingang des Addierers verbunden. Um das Gruppensignal einer Richtcharakteristik unter einer vorgegebenen Einfallsrichtung zu erzeugen, werden die Wandler nicht ihrer örtlichen Reihenfolge auf der Wandleranordnung folgend abgetastet, sondern jeweils Wandler überspringend in einer Abtastreihenfolge abgetastet, die mit der wirksamen Länge der Verzögerungsleitung am Ausgang des Addierers in Einklang steht und die Einfallsrichtung angibt Durch die Abtastreihenfolge wird dafür gesorgt daß jeweils richtig verzögerte Abtastproben eines weiteren in der Reihenfolge benachbarten Wandlers zum Gruppensignal hinzuaddiert wird, bis sämtliche Wandler der Wandleranordnung konphase Abtastproben zum Gruppensignal dazugeliefert haben Der Nachteil einer solchen Signalauswertung besteht insbesondere darin, daß für jede Einfallsrichtung ein Addierer mit spezieller Verzögerungsleitung vorgesehen werden muß, so daß die technische Realisierung ausgesprochen aufwendig und wesentlich größer als bei einer Auswertung der empfangenen Signale in einem Rechner unter Anwendung der komplexen Fourier-Transformation ist

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es gestattet, für sämtliche Frequenzen innerhalb der Bandbreite des ausgesendeten Signals nur eine einzige komplexe Fourier-Transformation durchzuführen und dadurch eine Richtungsbestimmung empfangener Signale in einem Winkelbereich zu ermöglichen, der allein durch den Abstand der Empfangswandler und die Mittenfrequenz der ausgesendeten impulsförmigen Signale bestimmt ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den im PA1 angegebenen Merkmalen gelöst.

In einem Winkelbereich ± a_max bezogen auf die Basisnormale, der - abhängig von der Ausbreitungsgeschwindigkeit c im Wasser - durch

Sina_m„,

2f_o-d

bestimmt ist, wird pro Sendeperiode eine von K_max Empfangsrichtungen mit einem Vorwähler gewählt, deren Winkel p_A sich bestimmt zu

ist. Mit dem Sample-Abstand A T wird ein Winkelgrenzwert ±ß_max um den eingestellten Winkel φ_κ für die Fourier-Transformation eingestellt, wobei

c- At

2AT-f_od
ist. A τ ist durch das Zeitintervall

N-A,<±

bestimmt.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird die Empfangsanordnung elektronisch um einen Winkel φ_κ geschwenkt. Innerhalb eines Sektors <p_K ±ß_max wird mit Hilfe der komplexen Fourier-Transformation die Ein-, fallsrichtung eines in dem Sektor empfangenen Signals bestimmt.

Innerhalb von K_max Sendeperioden ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, reflektierte Signale im Winkelbereich + a_may richtungsmäßig zu erfassen, wobei in jeder Sendeperiode ein Sektor mit der Sektorbreite 2β,,,,,, analysiert wird. Ein Winkelbereich - a_max bezogen auf die Basisnormaie wird erfindungsgemäß dadurch überstrichen, daß die Abtastreihenfolge der Empfangswandler jedes Abtasters in umgekehrter Reihenfolge erfolgt. Wird

= Sl ^AS

fimax ·}

gewählt, so ist eine lückenlose Erfassung des Winkelbereichs von - a_max bis + a_max möglich. Oft ist es auch gewünscht, daß sich benachbarte Sektoren überlappen. Dies wird durch entsprechende Verkleinerung des Sample-Abstands A T und Einstellung der Grenzfrequenz

·"* ~ 2AT

erreicht.

Bei der Wahl des Winkelgrenzwertsß_max ist zu berücksichtigen, daß der durch den Winkel φ_{κ max} eingestellte Sektor mit seiner oberen Grenze φ_{κ max} + ß_max innerhalb des Winkelbereichs a_max liegt, da nur innerhalb des Winkelbercichs ± a_max eine eindeutige Richtungsbestimmung der empfangenen Signale möglich ist.

Durch die Verwendung von K Abtastern wird dafür gesorgt, daß jeder Empfangswandler innerhalb einer Zeit, die gleich dem Reziprokwert der Bandbreite des ausgesendeten Signals entspricht, einmal abgetastet wird. Dadurch ist gewährleistet, daß das Abtasttheorem nach Nyquist erfüllt ist, das besagt, daß ein zeitlich veränderbarer Vorgang dann mit Sicherheit rekonstruierbar ist, wenn der Zeitabstand aufeinanderfolgender Probenentnahmen kleiner gleich dem Reziprokwert der doppelten Bandbreite bzw. für komplexe Signalverarbeitung kleiner gleich dem Reziprokwert der Bandbreite gewählt wird.

Um mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine elektronische Schwenkung der Empfangsanordnung um einen Winkel φ_κ = φ_> herbeizuführen, werden die Eingänge eines einzigen Abtasters mit den Ausgängen der W Empfangswandler verbunden, da für K = 1 gerade M = N und

B-N-d

ist. Jeweils in einem Zeitabstand
S

At =

NB

werden die Momentanwerte der empfangenen Signale der N Empfangswandler kurzzeitig abgefragt und durch ίο den Multiplexer zu einer Komponente des komplexen Signals aneinandergereiht. Zeitlich um ein Viertel des Reziprokwerts der Mittenfrequenz verschoben wird für die andere Komponente ebenfalls ein Abtaster und M ultiplexer angesteuert.

Für beide Komponenten könnten Abtaster und Multiplexer jeweils durch einen einzigen Schalter ersetzt werden, der nacheinander die Empfangswandler wiederholt im Zeitabstand

'-lh

abfragt.

Innerhalb des Zeitintervalls — werden die Komponenten des komplexen Signals an den Ausgängen der

Multiplexer nach Tiefpaßfilterung und Analog-/Digitalwandlung in einem Rechner einer Frequenzanalyse unterworfen, die vorzugsweise in der Form der komplexen Fast-Fourier-Transformation durchgeführt wird. Die Grenzfrequenz/,, des Tiefpasses und der Sample-Abstand Δ T des Analog-/Digitalwandlers werden entsprechend Winkelgrenzwerten ±ß_max um den eingestellten Winkel p, gewählt. Der Winkelgrenzwert/,,,,,, ist um so größer, je kleiner der Sample-Abstand Δ T für die Analog-/Digitalwandlung ist. Die Grenzfrequenz./;,, des Tiefpasses ist gleich dem halben Reziprokwert des Sample-Abstands Δ T oder kleiner zu wählen.

Das komplexe Signal am Ausgang der Multiplexer weist eine Gleichspannung auf, wenn die empfangenen Signale aus einer Einfallsrichtung auf die Empfangsanordnung einfallen, die einen Winkel zur Basisnormalen von <p_x einschließt.

In der nächsten Sendeperiode wird durch den Vorwähler beispielsweise ein Winkel ^₂ = 2 φ_ί eingestellt, der sich bestimmt zu

c TV

„ sm q>2 = wobei M = - ist.

■" B- M- a 2

Zwei Abtaster mit N Schaltelementen und nachgeschalteten Speicherelementen und ein Multiplexer werden zum Erstellen jeder Komponente benötigt. Der erste Abtaster wird mit den N Empfangswandlern verbunden. Die Eingänge des zweiten Abtasters werden um M Empfangswandler versetzt mit den N Empfangswandlern zusammengeschaltet, indem der (M + 1). Empfangswandler mit dem ersten Eingang, der (M + 2). Empfangswandler mit dem zweiten Eingang usw. verbunden werden. Im Zeitabstand

N-B

werden die Schaltelemente in den Abtastern jeweils kurzzeitig geschlossen.

Jedem Schaltelement des ersten und zweiten Abtasters ist zur Übernahme des Momentanwerts des empfangenen Signals jeweils ein Speicherelement nachgeschaltet. Nach einer Speicherzeit

K-\ ₌ J_

B B

fragt der anschließende Multiplexer die abgespeicherten Momentanwerte der Etnpfangswandler aus den Speicherelementen ab, indem er im Abstand
55

N-B
von einem Speicherelement auf das benachbarte schaltet. Nach dem Zeitintervall

N-A=-

hat er sämtliche Speicherelemente des ersten Abtasters abgefragt und beginnt mit dem ersten Speicherelement des zweiten Abtasters. Nach der Zeit — ist er wieder am ersten Speicherelement des ersten Abtasters ange-

kommen und wiederholt seinen Abtastzyklus. Die Speicherelemente werden durch Überschreiben des nächsten Momentanwerts gelöscht.

Zum Einstellen einer Einfallsrichtung unter einem Winkel φ_κ werden K Abtaster benötigt, wobei die im Zeitabstand

At ^K

N-B

■■; abgespeicherten Momentanwerte der empfangenen Signale durch den Multiplexer nach der Speicherzeit

■' K-1

U, zuerst aus den Speicherelementen an den Ausgängen des ersten Abtasters, dann aus den Speicherele-

p, menten an den Ausgängen des K. Abtasters, anschließend aus den Speicherelementen an den Ausgängen des

e (Ai-I). Abtasters und zuletzt aus den Speicherelementen an den Ausgängen des zweiten Abtasters aneinander-

y gereiht werden, um dann wieder beim ersten Abtaster zu beginnen.

j! Zur verzögerten Ansteuerung des Multiplexers gegenüber dem Abtastbeginn des ersten Empfangswandlers

β durch den ersten Abtaster ist nach einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Vorwähler mit

^ K—\

|i einer Torschaltung verbunden, in der die Speicherzeit als Verzögerungszeil einstellbar ist. Ein Zeiige-

ti "

p> ber für die Schaltzeiten A ι des Multiplexers ist mit einem anderen Eingang der Torschaltung verbunden. Der

;';' Vorwähler ist ebenfalls mit einem Taktgeber verbunden, der die K Abtaster ansteuert. Im Taktgeber wird der

|v Zeitabstand A t durch den Vorwähler eingestellt.

Ij:! Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, alle ^Eingänge der K Abtaster parallel mit den

% N Empfangswandlern zu verbinden und den Taktgeber so anzusteuern, daß der Wandlerversatz um

durch eine zeitlich versetzte Ansteuerung um jeweils eine Zeit M-At zwischen benachbarten Abtastern ersetzt wird.

Der besondere Vorteil dieser Weiterbildung besteht darin, daß unterschiedliche Werte von K ohne Verdrahtungsänderungen zwischen Empfangswandlern und Abtastern realisiert werden können.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist jeder der A' Abtaster nur M = —

Eingänge und Schaltelemente auf, die derart mit den N Empfangswandlern verbunden werden, daß die M Eingänge des ersten Abtasters mit den ersten M Empfangswandlern, die M Eingänge des zweiten Abtasters mit den darauffolgenden M Empfangswandlern und die M Eingänge des letzten Abtasters mit den letzten M Empfangswandlern beginnend beim (N-M). Empfangswandler verbunden werden. Für jeden Abtaster ist ein Taktgeber vorgesehen, der die Schaltelemente der Abtaster im Zeitabstand

ν Al

N-B

ansteuert. Zeitlich versetzt um den K. Teil dieses Zeitabstands A l werden nach dem Abtasten des ersten Empfangswandlcrs durch Schließen des ersten Schaltelements im ersten Abtaster nacheinander die ersten Schaltelemente im zweiten, dritten bis K. Abtaster zum Abtasten des (M + 1). Empfangswandlers, des (2 ■ M + 1). Empfangswandlers und schließlich des (N-M). Empfangswandlers angesteuert. Dadurch ist gewährleistet, daß jeder

1

Abtaster nach der Zeit — wieder in der Ausgangsposition steht, die N Empfangs wandler in der Zeit B

NAt--

einmal sämtlich abgetastet wurden und jeder Empfangswandler in der Zeit — seinerseits abgetastet wurde.

K—l

Der nachgeschaltete Multiplexer wird um die Speicherzeit —-— verzögert angesteuert und tastet hinter-

einander die N Speicherelemente an den Ausgängen der K Abtaster in der Reihenfolge der Abtaster ab. Die

J^-I maximale Speicherzeit für die Speicherelemente ist gerade gleich —-—.

.⁴ B

Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Weiterbildung liegt insbesondere darin, daß die Anzahl der Schaltelemente und Speicherelemente stark reduziert ist

; Die besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen darin, daß durch die Anwendung der

Fast-Fouricr-Transformation mit geringem technischen Aufwand auch bei großer Bandbreite des ausgesendeten

, Signals der Winkelbereich allein vom geometrischen Aufbau der Empfangsanordnung und von der Mittenfrequenz bestimmt ist, da die Empfangsanordnung innerhalb dieses Winkelbereichs durch Einstellen des Zeitab-

'J stands A t elektronisch in eine Empfangsrichtung geschwenkt wird.

τ, ' Vorteilhaft ist weiterhin, daß innerhalb eines Sektors um die eingestellte Empfangsrichtung - unabhängig von

;!·; ihrer Lage im gesamten Winkelbereich - stets die gleiche Winkelauflösung erreicht wird, die ebenfalls allein

;| durch die Geometrie der Empfangsanordnung vorgegeben ist, wobei der Sektor durch den Sample-Abstand A T

bei der Analog-/Digitalwandlung für die komplexe Fourier-Transformation einstellbar ist.

In der Zeichnung ist ein Aasführungsbeispiel des Erfindungsgegenstands dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 ein Wellenfeld,

Fig. 2 ein Blockschaltbild,

Fig. 3 Diagramme zum Blockschaltbild gemäß Fig. 1,
Fig. 4 eine Übersichtsskizze eines Winkelbereichs.

Fi g. 1 zeigt ein Wellenfeld sinusförmiger Signale mit einer Frequenz f₀ und Wellenlänge ^₁. Im Abstand i/sind auf einer Empfangsanordnung 100 mit einer Basislänge N ■ deine Anzahl von N Empfangswandlern angeordnet, die zum Zeitpunkt / = 0 das Maximum der Welle empfangen. Wenig später würden die N Empfangswandler einen kleineren Momentanweit und nach der halben Periodendauer das Minimum der Welle empfangen. Bei einer Frequenzanalyse der hintereinander aufgereihten Momentanwerte der Welle würde sich fürjede Momentaufnahme eine Gleichspannung ergeben. Fällt die Wellenfront schräg zur Empfangsanordnung 100 mit den N Empfangswandlern ein, so unterscheiden sich die Momentanwerte an den einzelnen Empfangswandlern für jede Momentaufnahme voneinander und eine Aneinanderreihung ihrer Momentanwerte und anschließende Frequenzanalyse würde einen Zusammenhang zwischen Einfallsrichtung δ der Welle und einer sogenannten Raumfrequenz ergeben. Eine eindeutige Zuordnung ist innerhalb eines Winkelbereichs ±ff,,,_ovzur Basisnormalen Bn möglich, der sich wie folgt ergibt:

sin

2f_o-d la

wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle ist. Die maximal zulässige Phasenverschiebung zwischen den Momentanwerten benachbarter Empfangswandler beträgt hier 180°, was einer halben Wellenlänge —

entspricht. Fällt die Wellenfront unter den Winkel a_max bezogen auf die liasisnormale Bn ein, so ergibt eine Momentaufnahme der Momentanwerte an benachbarten Empfangswandlern abwechselnd Maximum und Minimum der Welle. Diese Momentanwerte sind in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet.

Es ist auch schon bekannt, die Momentanwerte sämtlicher Empfangswandler nicht gleichzeitig, sondern nacheinander mit einer Abtastfrequenz abzutasten.
Die Abtastfrequenz muß sehr hoch gewählt werden, da nach dem Shannon'schen Abtasttheorem jeder Empfangswandler mit der doppelten maximalen Frequenz des empfangenen Signals abgefragt werden muß. Durch die Abtastung wird eine zusätzliche Zeitverzögerung zwischen den Momentanwerten benachbarter Empfangswandler eingeführt, wodurch die Raumfrequenz des Signals, das aus den aneinandergereihten Momentanwerten der W Empfangswandler gebildet wird, um einen konstanten Fehlwinkel verfälscht wird. Eine solche Anordnung ist bereits in der amerikanischen Patentschrift 36 57 693 beschrieben, bei der ein Signal gemäß G leichung (1-14) in Spalte 6 zur Frequenzanalyse hinzugezogen wird. Der Nachteil einer solchen Anordnung liegt darin, daß die Abtastfrequenz für die einzelnen Empfangswandler enorm hoch gewählt werden muß, wenn die Sonaranlage auch im Nahbereich verwendet werden soll, da der Zeitabstand zwischen dem Abtasten benachbarter Empfangswandler gleich dem Reziprokwert der doppelten maximalen Frequenz geteilt durch die Anzahl der Empfangswandler in Abtastrichtung beträgt, so daß eine technische Realisierung für die Richtungsbildung im Nahbereich einer Sonaranlage unter Verwendung der Fourier-Transformation schwierig wird.

F i g. 2 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit der eine komplexe Fouriertransformation, vorzugsweise Fast-Fourier-Transformation, zur Richtungsbildung auch für impulsförmige Signale hoher Mittenfrequenz f_n und Bandbreite B möglich ist.
Auf der Empfangsanordnung 100 sind Empfangswandler 1, 2, 3, ..., N in einem Abstand d zueinander angeordnet. Die N Empfangswandler sind mit K Abtastern 301,302,..., 30 K derart verbunden, daß der erste Abtaster 301 mit seinen N Eingängen mit den Empfangswandlern 1 bis N, der zweite Abtaster 302 um M Empfangswandler versetzt mit seinem ersten Eingang mit dem (M + 1). Empfangswandler, wobei

M- ^N

so ^M - r

seinem zweiten Eingang mit dem (M + 2). Empfangswandler und mit seinem letzten Eingang mit dem (M). Empfangswandler verbunden ist.

Der K. Abtaster 30 K ist mit seinem ersten Eingang mit dem (N-M). Empfangswandler zusammengeschaltet, der zweite, dritte vierte Eingang mit den benachbarten Empfangswandlern fortlaufend bis zum N. Empfangswandler, der darauffolgende Eingang ist mit dem ersten Empfangswandler und der letzte Eingang mit dem (N-M-I). Empfangswandler verbunden.

Jeder Abtaster 301,..., 30 K weist N Schaltelemente auf, die von einem Taktgeber 40 angesteuert werden, der Taktgeber 40 liefert Schaltimpulse in einem Zeitabstand

^At ⁼ ~N~B-

In diesem Zeitabstand A /werden nacheinander die Schaltelemente im ersten Abtaster301 kurzzeitig zur Übcrnähme eines Momentanwerts des empfangenen Signals am ersten Empfangswandler und nach dem /citabstiind

am zweiten Empfangswandler usw. geschlossen. Durch den ersten Abtaster 301 werden sämtliche Empfangswandler 1, 2,..., N innerhalb der Zeit

einmal abgefragt. Anschließend beginnt der erste Abtaster 301 mit einem neuen Abfragezyklus.

Der zweite Abtaster 302 beginnt mit dem Abfragen am (M + 1). Empfangswandler und schließt seine einzelnen Schaltelemente wieder jeweils im Zeitabstand

NB

zur Übernahme des Momentanwerts hintereinanderliegender Empfangswandler (M + 1), ..., N, 1, ..., (M - 1), M.

Der K. Abtaster 30 K, dessen erster Eingang mit dem (N-M). Empfangswandler verbunden ist, fragt nach einem

1 K

Zeitintervall — den ersten Empfangswandler ab und ist nach der Zeit — beim (N-M-I). Empfangswand-

B B

ler angelangt. Danach beginnt ein neuer Abfragezyklus der N Empfangswandler durch den K. Abtaster 30 K.

Jeweils nach dem Zeitintervall — wird jeder einzelne Empfangswandler von einem der K Abtaster 301,302,

...,30 K abgefragt.
Dieser Vorgang ist im Diagramm 3.1 der Fig. 3 für den Fall K = 4 dargestellt. Innerhalb der Zeit

tastet der Abtaster 301 die N Empfangswandler mit einem Zeitabstand

30

NB

ab. Dieser Vorgang ist durch die Gerade G 301 dargestellt. Zur Zeit t = 0 fragt der erste Abtaster 301 den ersten

IN 2

Empfangswandler ab. Nach der Zeit — ist der Abtaster 301 beim —. Empfangswandler, nach der Zeit —

B 4 B *^5

beim — . Empfangswandler, nach der Zeit — beim — N. Empfangswandler und nach der Zeit — beim N. Empfangswandler angekommen, um dann wieder mit dem ersten Empfangswandler zu beginnen.

Der vierte Abtaster 304 ist nach dem Zeitintervall — beim ersten Empfangswandler angekommen und

B

fragt dort den Momentanwert des empfangenen Signals ab. Dieser Sachverhalt ist durch die Gerade G 304 angedeutet. Wiederum um das Zeitintervall — versetzt gelangt der dritte Abtaster 303 zum ersten Empfangswand-

ler und um das Zeitintervall — versetzt gelangt der zweite Abtaster 302 zum ersten Empfangswandler.

B

Durch den Vorgang des Abfragens der einzelnen Empfangswandler durch die vier Abtaster 301,302,303,304 wird eine elektronische Schwenkung der Empfangsanordnung um einen Winkel q>₄ bewirkt, da die von einem der K Abtaster abgefragten Momentanwerte der empfangenen Signale der N Empfangswandler stets untereinander gleich sind, wenn die Welle unter einem Winkel ^₄ bezogen auf eine Basisnormale Bn einfallt. Fig. 4 zeigt die Empfangsanordnung 100 mit den N Empfangswandlern. Der Zeitabstand A t zwischen der Befragung so

zweier benachbarter Empfangswandler beträgt , d.h., eine einfallende Wellenfront hat einen Weg

N' B

x=cAt

NB

zurückgelegt, wenn die abgefragten Momentanwerte benachbarter Empfangswandler gleich groß sind. Die zugehörige Einfallsrichtung der Wellenfront entspricht einem Winkel j>₄:

Innerhalb eines Winkelbereichs ±a_max gezählt von der Basisnormalen Bn ist eine elektronische Schwenkung der Empfangsanordnung 100 um einen Winkel φ_κ möglich. Der Winkelbereich a_max ergibt sich entsprechend Fig. 1 zu

65

sina„„„ = — =-^7,

2 -f_max -d Id

wobei >!„,„, die Wellenlänge des gesendeten Signals der Frequenz/™« ist. Je kleiner der Abstand d der Kmpfangswandler ist, desto größer ist der Winkelbereich a_max. Der Winkelbereich a_max beträgt beispielsweise für

_d =

gerade 90°.

Innerhalb des Winkelbereichs ±a_max kann die Einfallsrichtungder empfangenen Signale mit einer Winkelauflösung bestimmt werden, die um so größer ist, je größer die Basislänge W - rf der Empfangsanordnung 100 ist Ein elektronisches Schwenken der Empfangsanordnung 100 durch Abtasten der einzelnen Empfangswandler 1,2,3, ..., ist bis zu einem Winkel q>_max < a_max entsprechend

sin <p_max

BMd

möglich, wobei
¹ -A,

MB

der Zeitabstand für das Abtasten und M eine Zahl von Empfangswandlern auf der Empfangsanordnung 100 ist. Wenn das gesendete Signal eine Mittenfrequenz f₀ <=*f_max und eine Bandbreite B <f₀ aufweist, muß

B ·Λ/>/₀ bzw. Μ>ή-

sein, da _9max < a_max ist, wobei _9m„ « K_max · φ ist.

Da die Winkelauflösung abhängig ist von der Anzahl N der Empfangswandler, muß für eine gleiche Winkelauflösung im gesamten Winkelbereich ±a_max stets die gleiche Anzahl N von Empfangswandlern abgetastet werden, wobei die Anzahl N der Empfangswandler sich bestimmt zu:

N = KM.

Für K = 1 ist N = M. Der Winkel <p_K, um den die Empfangsanordnung 100 elektronisch durch das Abtasten geschwenkt wird, ist damit festgelegt zu:

c
sin <p_K = sinpi =

BNd

Gemäß F i g. 2 wird zum Einstellen eines Winkels ?>, nur ein einziger Abtaster 301 benötigt, dessen Eingänge mit allen M = N Empfangswandlern verbunden sind. Es stellt sich dann ein Winkel

sin j)| = ^c

BNd

ein, wenn fortlaufend sämtliche N Empfangswandler im Zeitabstand

At-

N-B

abgefragt werden. Diesen Sachverhalt zeigt das Diagramm 3.4 in Fig. 3.

Zum Einstellen einer Einfallsrichtung unter einem Winkel φ_κ = 0>₃ werden drei Abtaster 301,302,303 benötigt, deren N Eingänge um einen Wandlerabstand

versetzt mit Empfangswandlern angeordnet sind.
Der Zeitabstand zwischen der Befragung zweier benachbarter Empfangswandler beträgt hier

Nach der Zeit — beginnt der erste Abtaster stets erneut mit dem ersten Empfangswandler. Die Abtastzyklen

sind im Diagramm 3.2 in F i g. 3 durch die Geraden G 301, G 302, G 303 angedeutet. Um das Nyqist-Kriterium einzuhalten brauchen nur drei Abtaster 301, 302, 303 vorgesehen zu werden.
F i g. 3 zeigt in seinem Diagramm 3.3 die Abtastzyklen für K = 2, wodurch eine elektronische Schwenkung der

ίο

Empfangsanordnung 100 um den Winkel q^ bewirkt wird. Hier brauchen nur zwei Abtaster 301,302 benutzt zu werden. Der Wandlerabstand beträgt M = — zwischen dem ersten Eingang des ersten Abtasters 301 und dem

ersten Eingang des zweiten Abtasters 302.

Für Winkel q\, < φ_χ kann die erfindungsgemäße Vorrichtung ebenfalls angewendet werden, indem ein Abtaster 301 durch ein Schalterfeld mit sämtlichen N Empfangswandlem verbunden wird und der Zeitabstand im Taktgeber 40 zu

At- '

NB

gewählt wird. Der Verlauf des Abtastzyklus ist im Diagramm 3 J in Fig. 3 gezeigt.

Durch einen Vorwähler 41 gemäß F i g. 2 ist eine von K möglichen Empfangsrichtungen einstellbar, indem der Vorwähler beispielsweise ein Schalterfeld zum Verbinden von K Abtastern 301,302,..., 30 K mit den N Empfangswandlcrn ansteuert und den Zeitabstand Δ t im Taktgeber 40 einstellt. Die vom Vorwähler 41 eingestellte Einfallsrichtung weist einen Winkel φ_κ gegenüber der Basisnormalen Bn auf, der sich wie folgt bestimmt:

20 wobei der Wandlerabstand

25 ist.

Den gleichen Effekt des elektronischen Schwenkens der Empfangsanordnung 100 um verschiedene Winkel φ_κ könnte man auch erzielen, indem jeweils nur ein Abtaster vorgesehen wird, der nur immer mit einer beschränkten Anzahl

von Empfangswandlern verbunden wird, wobei der Zeitabstand

35 K 1

MB MB

ist. Diese Anordnung hätte jedoch den entscheidenden Nachteil, daß die Winkelauflösung fürjede Einfallsrichtung unterschiedlich wäre, da die Winkelauflösung abhängig von der sich mit M ändernden Basislänge M ■ dist. Jedem Schaltelement der K Abtaster 301,302,..., 30 K ist ein Speicherelement 50 nachgeschaltet, das nach K~ 1

einer Speicherzeit durch einen neu abzuspeichernden Momentanwert gelöscht und neu beschrieben

wird. Für A' = 4 beträgt die Speicherzeit —, d. h. der Momentanwert des ersten Empfangswandlers, der vom

ersten Abiaster 301 abgefragt wurde, wird für eine Speicherzeit — im Speicherelement 50 aufbewahrt. Der im Zeitabstand

Ai --■

NB

abgefragte Momenlanwert des zweiten Empfangswandlers wird für die gleiche Speicherzeit — im Speicher-

element 50 abgespeichert, usw. Der gleiche Vorgang wiederholt sich für die Momentanwerte, die durch den zweiten, den dritten und den vierten Abtaster 302,303,304 an den jeweiligen Empfangswandlem abgefragt wurden.

Den Abtastern 301,304, 303, 302 schließt sich ein Multiplexer 60 an, der von einem Zeitgeber 70 gesteuert wird und um eine vom Vorwähler 41 gesteuerte Speicherzeit

K-\ 3 B B

verzögert gegenüber dem Beginn des Abtastens des ersten Euipfangswandlers durch den ersten Abtaster 301 über eine Torschaltung 61 in Schaltzeiten

^Δι" ih

zyklisch die einzelnen Speicherelemente 50 an den Ausgängen des ersten Abtasters 301, anschließend des K. Abtasters 30Af, des (Af-I). Abtasters 30 (K-\), und schließlich des zweiten Abtasters 302 nacheinander abfragt. Das Auslesen des Multiplexers 60 ist im Diagramm 3.1 der Fig. 3 durch die gestrichelten Geraden 601, 604, 603, 602, 601 gekennzeichnet. Jeweils nach dem Zeitintervall

hat der Multiplexer 60 die zu einem Abtaster301 bzw. 302,..., bzw. 30 K gehörigen Speicherelemente 50abgcfragt. Nach der Zeit

β β

hat der Multiplexer 60 sämtliche Speicherelemente 50 einmal abgefragt und beginnt wieder mit dem Speicherelement 50 am ersten Ausgang des ersten Abtasters 301.

Bei Verwendung von drei Abtastern 301,302,303 zum Einstellen eines Winkels <p_} beträgt die durch den Vorwähler 41 eingestellte Speicherzeit

K-I 1

₌ _ B B'

um die der Multiplexer 60 verzögert, die Speicherelemente 50 am Ausgang des ersten Abtasters301 abfragt, wie im Diagramm 3.2 durch die gestrichelte Gerade 601 angedeutet. Nachdem das Zeitintervall — verstrichen

ist, hat der Multiplexer 60 sämtliche Speicherelemente 50 an den Ausgängen des ersten Abtasters 301 abgefragt und beginnt mit dem ersten Speicherelement 50 am ersten Ausgang des dritten Abtasters 303. Entsprechend den Geraden 603 und 602 werden die abgespeicherten Momentanwerte der empfangenen Signale in ein serielles

Signal am Ausgang des Multiplexers 60 umgewandelt. Nach drei Zeitintervallen — hat der Multiplexer 60

sämtliche abgespeicherten Momentanwerte der Abtaster 301,303,302 durchlaufen und beginnt wieder mit dem ersten Speicherelement 50 am ersten Ausgang des ersten Abtasters 301.
Für K = 2, entsprechend dem Winkel φ₂ «* 2_φ, ist der Abfragevorgang des Multiplexers 60 im Diagramm 3.3

K~ 1

gemäß Fig. 3 durch die Geraden 601 und 602 gekennzeichnet. Die Speicherzeit für die verzögerte

■" B

Ansteuerung des Multiplexers 60 beträgt hier — .

Zum Einstellen des Winkels φ_λ wird nur ein Abtaster 301 benötigt und der Multiplexer 60 und erster Abtaster 301 laufen entsprechend dem Diagramm 3.4 synchron. Speicherelemente 50 sind hier nicht nötig, da der Zeitabstand

ist und während des Abfragens der N Empfangswandler das Zeitintervall — abgelaufen ist, das auch der

Multiplexer 60 benötigt, um die Momentanwerte der N Empfangswandler abzutasten.
Für Winkel

B-N-d
werden innerhalb einer Zeit

die Momentanwerte des empfangenen Signals vom ersten Abtaster 301 abgefragt und in die Speicherelemente 50 eingegeben. Hier macht der erste Abtaster 301, nachdem er sämtliche N Empfangswandler einmal abge-1

tastet hat, eine Pause und beginnt wiederum nach dem Zeitintervall — mit dem Abtasten des Momentan-

werts am ersten Empfangswandler. Dieser Vorgang ist dem Diagramm 3.5 der Fig. 3 zu entnehmen. Die Wahl des Zeitabstands

At < ^l

NB
bestimmt die Größe des Winkels p₀.

Am Ausgang des Multiplexers 60 erscheint eine der Komponenten v, eines komplexen Signals v, das den Realteil oder die Inphase-Komponente des komplexen Signals ν für die sich anschließende Fourier-Transformation bildet. Für die Quadraturkomponente bzw. den Imaginärteil des komplexen Signals ν werden wiederum K Abtaster mit nachgeschalteten Speicherelementen benötigt. Die Abtaster werden vom Taktgeber 40 angesteuert, wobei der Zeitabstand ⁵

At- *

NB

beträgt, jedoch die Abtastzeiten gegenüber denen der erste K Abtaster um ein Viertel des Reziprokwerts der io Mittenfrequenz/| verschoben erfolgt. Den K Abtastern mit ihren Speicherelementen ist ebenfalls ein Multiple-

xer nachgeschaltet, der vom Zeitgeber 70 um die Speicherzeit —— verzögert mit Schaltzeiten J r angesteuert wird. Am Ausgang des Multiplexers erscheint die Komponente v₂ des komplexen Signals v. Dieses komplexe Signal ν lautet: '5

v(0 = v(n · At) = «_oexp ./2/T_-A" f—sin<5 + JfJ .
Dabei ist δ der Einfallswinkel des Signals, der von der Basisnormalen Bn aus entsprechend F i g. 4 gezählt wird, 20

ist eine laufende Zahl, wobei / die Zeitvariable des komplexen Signals ist, U₀ ist die Amplitude der Welle mit der 25 Frequenz/^. J / ist der Zeitabstand, mit dem die Abtaster die einzelnen Empfangswandler abtasten. Gemäß Fig. 4 ist

sin <p_h = — und χ = At · c. 30

Daraus ergibt sich

Al = — · sin<p_K. 35

Setzt man A t in die Formel für das komplexe Signal ν ein, so erhält man für

" - —r~ '■ 40

A r

= v(/7 · Af) = «_oexp \j2n (sinö + sin<p_K) \.
L c-At J

Für kleine Winkel ist

sin δ » δ und sin ψκ°" Φκ" ^ ' 9

Γ/2π (tf+gfrU

Die Frequenz

c-A, ₅₅

wird mit der nun folgenden Fourier-Transformation zur Ermittlung des Einfallswinkels δ analysiert. Dazu werden die Komponenten v, und V₂ des komplexen Signals ν jeweils einem Tiefpaß 80,81 mit nachgeschaltetem Analog-Digital-Wandler 90,91 zugeführt, deren Sample-Abstand J Γ in einem Intervallgeber 92 einstellbar ist. Durch den Sample-Abstand

^ATiW.

im Intervallgeber 92 ist der durch die Fourier-Transformation überdeckbare Frequenzbereich wählbar:

· ^fo'^d

₂._AT

ß_max ist der Winkelgrenzwert für die Fourier-Transformation und in Fig. 4 rechts und links vom Winkel ^eingetragen. ß_max ergibt sich zu:

C-At

2ATf₀-Ci'
Nach Festlegen des Sample-Abstands A T ergibt sich die Grenzfrequenz der Tiefpässe 80, 81 zu

f = ' - sin Z? .JkA
Ό ^Jv* 2 AT ^blßmax c-At'

Wegen der Übersichtlichkeit der Darstellung wurde die Schaltzeit A τ des Multiplexers 60 zu
A τ =

NB

gewählt. Ebenfalls ist es aber auch möglich, innerhalb einer kleineren Schaltzeit A f* <A ι die einzelnen Speicherelemente 50 abzufragen. Die Schaltzeit A rbestimmt aber ebenfalls den Winkelgrenzwertß_max, der bei festgelegtem Sample-Abstand A T kleiner wird, je kleiner Δ τ* gewählt wird.
Durch die Einstellung des Zeitintervalls

Al-

NB

wird eine elektronische Schwenkung der Empfangsanordnung 100 in die Einfallsrichtung unter dem Winkel φ_κ bewirkt. Durch Festlegen des Sample-Abstands A T und die Schaltzeit A τ werden die Winkelgrenzwcrte ±ß_milx für die Fourier-Transformation bestimmt, wobei immer erfüllt sein muß, daß <p_max +ß_max < a„_wx ist. Der Winkelgrenzwert ß_max kann so bestimmt werden, daß beim Durchlaufen sämtlicher Winkel φ_κ der Winkelbereich + a_max in K Sendeperioden lückenlos überdeckt wird.

Falls pro Sendeperiode eine Überschneidung der Sektoren, die durch den Winkel <p_K ±ß_mttX definiert sind, erwünscht ist, kann der Winkelgrenzwertß_max durch Verkleinern des Sample-Abstands A T entsprechend vergrößert werden. Gleichzeitig muß dann auch die Grenzfrequenz f_vg der Tiefpässe 80 und 81 verstellt werden. Der Winkelbereich - a_max wird überstrichen, wenn die Abtastreihenfolge der N Empfangswandlcr in umgekehrter Reihenfolge beginnend beim N. Empfangswandler durchgeführt wird.

Im Blockschaltbild der Fi g. 2 ist den Analog-Digital-Wandlern 90,91 ein Rechner 93 nachgeschallet, der von einer Zeitschaltung 71 angesteuert wird. Der Aufbau des Rechners 93 ist dem Aufsatz »Holographie Processing of Acoustic Data Obtained by a Linear Array«, von R. Diehl aus SIGNAL PROCESSING, Edited by J. W. R. Griffiths, P. L. Stocklin and C. van Schoonefeld zu entnehmen. Der Rechner93 besteht aus einer Multiplikationseinrichtung 94, die die digitalisierten Komponenten v_b v₂ jeweils innerhalb des Zeitintervall

mit einem Fokussierungsfaktor für den Nahbercich multipliziert, einer nachfolgenden Stufe 95 zum Berechnen der Fourier-Transformation und einem Betragsbildner 96. Die Zeitschaltung 71 ist mit dem Vorwühler 41 und dem Zeitgeber 70 eingangsseitig zusammengeschaltet und sorgt dafür, daß der Rechner 93 jeweils im Zeitintervall

so 1

_Ί-Ν·Ατ

die digitalisierten Komponenten V₁ und V₁ für die Fourier-Transformation erhält. Am Ausgang des Rechners 93 erscheint ein Ausgangssignal Null, wenn die Einfallsrichtung δ gerade gleich φ_κ ist. Wenn das Ausgangssignal des Rechners eine negative Frequenz angibt, so handelt es sich um eine Einfallsrichtung δ, die kleiner als φ_κ ist, aber im Bereich φ_κ ~ß_max liegt Einfallsrichtungen aus dem Bereich φ_κ +ß_max sind durch Ausgangssignale bei positiven Frequenzen am Ausgang des Rechners 93 gekennzeichnet.

Dem Rechner 93 ist eine Anzeigevorrichtung 97 nachgeschaltet, auf der reflektierende Objektpunkte nach Entfernung und Richtung in Form einer PPI-Darstellung dargestellt werden. Die Anzeigevorrichtung 97 wird in ihrer Helligkeit vom Ausgangssignal des Rechners 93 bestimmt. Die Lage des jeweils hellzutastenden Punktes auf dieser Anzeigevorrichtung wird durch eine Ansteuerschaltung 98 bestimmt. Diese Ansteuerschaltung liefert Ablenksignale an die Anzeigevorrichtung, die bewirken, daß nacheinander K Sektoren überstrichen werden. Die Ansteuerschaltung 98 ist daher mit dem Vorwähler 41 verbunden. Der Vorwähler 41 stellt in der Anzeigevorrichtung 97 den Sektor ein, innerhalb dessen das Ausgangssignal des Rechners 93 die Richtung der empfangenen

Signale kennzeichnet.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

B 14

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Richtungsbildung empfangener Signale im Nahbereich einer Sonaranlage, die impulsform ige Signale mit einer Mittenfrequenz und bekannter Bandbreite aussendet und mit einer Anzahl von Empfangswandlern einer Empfangsanordnung empfangt, wobei die Empfangswandler auf einer Basislänge in äquidistantem Abstand in einer Reihenfolge angeordnet sind, unter Verwendung der komplexen Fourier-Transformation, dadurchgekennzeichnet, daß pro Sendeperiode eine Empfangsrichtung K(K = 1,2, ..., K max) von K max Empfangsrichtungen unter einem Winkel φ_κ bezogen auf die Basisnormale (Bn) mit einem Vorwähler (41) einstellbar ist, indem K eingangsseitig parallelgeschaltete Paare von ersten und zweiten Abtastern (301,302,..., 30 K), die um ein Viertel des Reziprokwertes der Mittenfrequenz (/;,) versetzt angesteuert werden, mit ihren Eingängen mit allen N Empfangswandlern verbunden sind, wobei aufeinanderfolgende Eingänge in gleicher Reihenfolge mit nebeneinanderliegenden Empfangswandlern verbunden sind und der erste Empfangswandler der Empfangsanordnung (100) auf den letzten Empfangswandler folgt,

und erste Eingänge der Abtaster (301, 302, ...,30 K) jeweils in einem Wandlerabstand — den Empfangs-

wandlern zugeordnet sind, daß jeder Abtaster (301,302,..., 30 K) in einem vom Vorwähler (41) eingestellten .Zeitabstand

At =

NB

nacheinander Momentanwerte der empfangenen Signale der benachbarten Empfangswandler Speicherelementen (50) zuführt, daß zwei Multiplexer mit je K ■ N Eingängen für die K parallelgeschalteten Paare von ersten und zweiten Abtastern vorgesehen sind zum Aneinanderreihen der in den Speicherelementen (50) enthaltenen Momentanwerte innerhalb eines Zeitintervalls, das kleiner ais der Reziprokwerl der Bandbreite (B) ist, und daß an ihren Ausgängen nacheinander wiederholt die abgespeicherten Momentanwerte in der Reihenfolge der /V Empfangswandler als zwei Komponenten (V] und v₂) eines komplexen Signals (v) für die Fourier-Transformation bereitstehen, daß jedem Multiplexer (60) ein Tiefpaß (80,81) mit einer Grenzfrcquenz (Z₁₁₁) und ein Analog-Digital-Wandler (90,91) mit einem vorgebbaren Sample-Abstand (A T) nachgcschaltet sind, wobei mit dem Sample-Abstand (A T) eine obere Grenze der Grenzfrequenz (/^) bestimmt ist, daß den Analog-Digital-Wandlern (90,91) ein Rechner (93) zum Berechnen der komplexen Fourier-Transformation je Zeitintervall nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal die Intensität der empfangenen Signale lur einen Einfallswinkel (δ) angibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abtaster (301,302, ...,30 K) N Ringänge und Schaltelemente aufweist, die mit den N Empfangswandlern verbunden sind, wobei der erste Hingang des ersten Abtasters (301) mit dem ersten Empfangswandler, der zweite Eingang des ersten Abtasters (301) mit dem zweiten Empfangswandler und der N. Eingang des ersten Abtasters (301) mit dem N. Empfangswandler verbunden sind und der erste Eingang des zweiten Abtasters (302) mit dem

f— + 1 J. Empfangswandler,

der zweite Eingang des zweiten Abtasters (302) mit dem
(— + 2 ). Empfangswandler

und der N. Eingang des zweiten Abtasters (302) mit dem — . Empfangswandler verbunden sind und fort-

laufend um — Empfangswandler versetzt die N Eingänge der übrigen Abtaster (303,..., 30 K), wobei der

K
erste Eingang des K. Abtasters (30 K) mit dem

[N ). Empfangswandler,

V KJ

der zweite Eingang des K. Abtasters (30 K) mit dem

(//-—+11. EmDfanßswandler
^ou \ K /

verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die K Abtaster (301, 302,..., 30 K) mit einem Taktgeber (40) verbunden sind, der benachbarte Schaltelemente jedes Abtasters (301,302,..., 30 K) nacheinander im Zeitabstand At kurzzeitig schließt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Multiplexer (60) durch den Vorwiih-

Ä'— 1
ler (41) über eine Torschaltung (61) um eine Zeit —„—verzögert gegenüber dem Abtastbeginn des ersten

Empfangswandlers durch den ersten Abtaster (301) ansteuerbar ist und mit einem Zeitgeber (70) fur Schaltzeiten

Ai =

NB

zum zyklischen Abfragen der Speicherelemente (50) an den Ausgängen des ersten Abtasters (301), des K. Abtasters (30 K), des (K- Y). Abtasters und zuletzt des zweiten Abtasters (302) verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Multiplexer (60) durch den Vorwähler (41) über eine Torschaltung (61) um den Machen Zeitabstand N-At verzögert gegenüber dem Abtastbeginn des ersten Empfangswandlers durch den ersten Abtaster (301) ansteuerbar ist und mit einem Zeitgeber (70) für Schaltzeiten A r zum zyklischen Abfragen der Speicherelemente (50) an den Ausgängen des K. Abtasters (30 K), des (K-\). Abtasters und zuletzt des ersten Abtasters (301) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für Empfangsrichtungen, deren Winkel φ₀ sich bestimmt zu