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Verfahren zur Verbesserung der Detektionsgenauigkeit
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einer geschleppten akustischen Unterwasser-Empfangsantenne und Vorrichtungen
zur Durchführung dieses Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung
der Detektionsgenauigkeit einer geschleppten akustischen Unter-Wasser Empfangsantenne
der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Art.
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Zur aktiven und passiven Sonarortung werden mitunter akustische Empfangsantennen
verwendet, die von einem Wasserfahrzeug in Abstand von diesem geschleppt werden.
Der akustisch relevante Teil einer solchen Antenne besteht im wesentlichen aus einer
Vielzahl von in einer sogenannten Schleppkette hintereinander aufgereihten Hydrophonen,
die in einem flexiblen Schlauch untergebracht sind. Zur Bildung einer -insbesondere
elektrisch schwenkbaren - Richtcharakteristik unterzieht man die von den Hydrophonen
empfangenen Schallsignale einer an sich bekannten Laufzeitbewertung, wie sie z.
B. in R. J. Urick "Principles of underwater sound for engineers", 1967, S. 41 beschrieben
ist, wobei man üblicherweise in die Signalleitungen der einzelnen Hydrophone Zeitverzögerungsglieder
mit einstellbarer Zeitverzögerung einschaltet. Für eine große Detektionsgenauigkeit,
d.h. große Richtpräzision, ist Voraussetzung, daß die Hydrophone in einer horizontalen
geraden Linie ausgerichtet sind. Bei dieser Ausrichtung ergibt sich dann bei gleichen
Abständen der Hydrophone voneinander eine konstante Hydrophonanordnung und aus dieser
die den einzelnen Hydrophonen zuzuordnende Zeitverzögerung zur Erzielung einer gewünschten
Empfangs-
richtung. Aus diesem Grund ist die Antenne so beschaffen,
daß sie beim Schleppen eine möglichst geradlinie Form annimmt. Bei vom Wasserfahrzeug
ausgeführtem Fahrmanöver oder stärkerem Seegang oder infolge von Dünung beim Schleppen
in flachen Gewässern sind jedoch mitunter erhebliche Abweichungen von dieser geradlinigen
Streckung der akustischen Empfangsantenne möglich. Solche Abweichungen vermindern
die Detektionsmöglichkeit eines Schallsignals und erhöhen den Fehler bei der Bestimmung
des Einfallswinkels.
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Bei einer bekannten, von einem Wasserfahrzeug losgelösten Unterwasser-Horchanlage
hat man daher zur Erzielung einer gestreckten, geraden Linie der unterhalb der Wasseroberfläche
ausgelegten Hydrophonanordnung an dem einen Ende der Hydrophonkette eine Vortriebsvorrichtung
und am anderen Ende der Hydrophonkette eine sich der Bewegung der Vortriebsvorrichtung
widersetzende Bremsvorrichtung befestigt.
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Durch diese beiden Vorrichtungen wird in der Hydrophonkette eine mechanische
Spannung erzeugt, welche für die Erzielung der Geradlinigkeit der Anordnung erforderlich
ist.
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Bei dieser Vorgehensweise läßt sich die Forderung nach der Geradlinigkeit
der Unterwasser-Empfangsantenne nur dann weitgehend erfüllen, wenn diese ausschließlich
im tiefen Wasser ausgelegt wird, und zwar in einer von Störungen, wie Seegang od.
dgl. unbeeinflußten Wassertiefe, und wenn die Vortriebsgeschwindigkeit der Unterwasser-Empfangsantenne
relativ gering ist. Bei einer von einem Schiff mit relativ hoher Geschwindigkeit
geschleppten Unterwasserantenne versagen diese Maßnahmen z. B. bei Kurvenfahrt des
Schiffes vollständig. Auch kann damit keine Verbesserung der Detektionsgenauigkeit
der Unterwasser-Empfangsantenne bei Fahrt in flachen Gewässern erzielt werden, wo
Seegang, Dünung od. dgl. selbst bei exakt geradliniger Fahrt des Schiffes eine Abweichung
der einzelnen Hydrophone der Unterwasser-Empfangsantenne von der geraden Schlepplinie
hervorrufen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbesserung
der Detektionsgenauigkeit einer geschleppten akustischen Unterwasser-Empfangsantenne
der eingangs genannten Art anzugeben, das auch bei hoher Schleppgeschwindigkeit
der Unterwasser-Empfangsantenne und bei Schleppen der Unterwasser-Empfangsantenne
in relativ flachen Gewässern zum Ziel führt.
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Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren zur Verbesserung der Detektionsgenauigkeit
einer geschleppten akustischen Unterwasser-Empfangsantenne gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil des Anspruchs
1 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf eine mechanische Ausrichtung
der Hydrophone in einer gestreckten Linie verzichtet und statt dessen bei der Bildung
der Pvichtcharakteristik von der momentanen Hydrophonanordnung ausgegangen. Diese
wird fortlaufend durch Ortsbestimmung der einzelnen Hydrophone relativ zu einem
Bezugspunkt auf der Unterwasser-Empfangsantenne ermittelt.
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Damit ist die Detektionsgenauigkeit oder Richtpräzision der Unterwasser-Empfangsantenne
unabhängig von der geradlinigen Ausrichtung der Einzelhydrophone. Seegang, Dünung
oder Fahrmanöver des Schleppfahrzeuges können diese nicht beeinträchtigen. Das erfindungsgemäße
Verfahren läßt sich auch dann anwenden, wenn die Unterwasser-Empfangsantenne von
zwei Wasserfahrzeugen quer zu deren Bewegungsrichtung geschleppt wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ergibt sich aus Anspruch
2. Im Gegensatz zu bei seismographischen Unterwasserkabeln angewandten Entfernungsmessungen
zur Bestimmung der Position des Unterwasserkabels ist bei der erfindungsgemäßen
Ortsbestimmung
der Hydrophone mittels Peilung eine nur geringe Bandbreite erforderlich.
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Dabei ist die Ausgestaltung des Verfahrens gemäß Anspruch 3 besonders
vorteilhaft. Durch diese Maßnahme wird eine weitgehende Glättung der berechneten
Koordinaten der Einzelhydrophone erzielt. Dabei geht man von der Überlegung aus,
daß die Form der geschleppten Unterwasser-Empfangsantenne wegen deren Steifigkeit,
der Reibung im Wasser und wegen der Größe der auftretenden Kräfte einen verhältnismäßig
glatten Verlauf annimmt. Dieser Verlauf kann z. B. durch ein Polynom approximiert
werden, wobei die Koeffizienten so bestimmt sind, daß der mittlere quadratische
Fehler ein Minimum wird.
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Eine andere Möglichkeit zur Glättung der gewonnenen Noordinaten besteht
darin, die gemessene Kurvenform als Ausgangssignal eines linearen Filters aus diskreten
Bauelementen zu betrachten. Die Struktur des Filters wird als Modellannahme vorgegeben
und dann ebenfalls der mittlere quadratische Fehler minimisiert. Da der Meßfehler
nicht konstant ist, sondern mit wachsendem Abstand der Hydrophone von dem Bezugspunkt
zunimmt, wird dem Kalmann-Verfahren der Vorzug gegeben.
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Vorteilhaft ist auch die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
gemäß Anspruch 4. Dies wendet man bevorzugt dann an, wenn der Ort eines bestimmten
Hydrophons stets bekannt ist. Hierdurch kann der erforderliche Aufwand reduziert
werden.
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Eine vorteilhafte Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen
Verfahrens ergibt sich aus Anspruch 5. Bei dieser Vorrichtung werden die einzelnen
Hydrophone zwischenzeitlich als Peilsender betrieben. Wegen der kurzen Entfernung
der Peilantenne zu den einzelnen Hydrophonen braucht die von den Hydrophonen in
dem Betrieb als Peilsender abgestrahlte Leistung nicht sehr groß zu sein. Vorteilhaft
ist
dabei, eine relativ hohc Frequenz abzustralllent um einmal
den Sendewirkungsgrad zu erhöhen und zum anderen die Abmessungen der Peilantenne
klein zu halten.
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Vorteilhaft ist dabei die Ausführungsform der Erfindung gemäß Anspruch
6. Das Vorsehen zweier Peilantennen mit rechtwinklig zueinander ausgerichteten Basen
ist für den allgemeinen dreidimensionalen Fall erforderlich. Wenn hingegen die aus
Antennenachse und Schallquelle gebildete Ebene horizontal oder vertikal ist, genügt
eine einzige horizontal bzw. vertikal ausgerichtete Peilantenne. Hierbei ergibt
sich auch zusätzlich eine weitgehende Vereinfachung in der Berechnung der Lagekoordinaten
der Einzelhydrophone.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus Anspruch
8. Im Falle der gleichzeitigen Betätigung aller Umschalter, d. h. des gleichzeitigen
Betriebs aller Hydrophone als Peilsender, muß der Quotient aus Schallgeschwindigkeit
und Bandbreite des ausgesendeten Signals kleiner sein als der Hydrophonabstand,
um eine sichere zeitliche Trennung der von der Peilantenne empfangenen Signale zu
gewährleisten.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus Anspruch
9, insbesondere in Verbindung mit der Ausführungsform gemäß Anspruch 10. Der Peilempfänger
arbeitet nach dem Korrelatorprinzip. Die Zeitkonstante des Tiefpasses ist etwa gleich
der Signaldauer.
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Eine weitere vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ergibt sich aus Anspruch 13.
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Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Hydrophone in der Schleppkette
nicht intervallmäßig auf Sendebetrieb umgeschaltet werden müssen, sondern neben
der eigentlichen Sonarmessung gleichzeitig zur fortlaufenden Bestimmung ihrer eigenen
Position herangezogen werden können. Dabei ist es zweckmäßig, daß die Sendesignale
der akustischen Peilsender
in einem Bereich außerhalb des Nutzfrequenzbandes
für die Sonarmessung liegen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus
Anspruch 15. Die wenig voneinander abweichenden Sendefrequenzen der beiden akustischen
Sender lassen sich vorteilhafterweise dadurch realisieren, daß zwei elektroakustische
Wandler über je einen Frequenzteiler mit einem Signalgenerator verbunden sind.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus
Anspruch 17. Da der von dem Antikoinzidenz-Detektor abgegebene Impuls ein Maß für
die Bezugslinie, also für die Normale auf der Basis der Peilsender, und der von
dem Minimum-Detektor abgegebene Impuls ein Maß für die Verbindungslinie zwischen
der Basis der Peilsender und dem Hydrophon ist, stellt der Zählerinhalt jeweils
ein Maß für den Peilwinkel dar, der mittels einer in dem Speicher nach dem Ausführungsbeispiel
gemäß Anspruch 18 enthaltenen Tabelle ermittelt werden kann.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus
Anspruch 21. Der Koordinatenrechner ermittelt nach einfachen geometrischen Beziehungen
aus dem Inter-Hydrophonabstand und dem ermittelten Peilwinkel die Koordinaten des
jeweils angepeilten Hydrophons, die in dem nachgeschalteten Kalmann-Filter geglättet
werden. Diese Lagekoordinaten der einzelnen Hydrophone werden dem Empfänger für
die Sonarmessung zugeführt und bei der Sonarmessung in eine entsprechende Bewertung
der empfangenen Signale umgesetzt.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung zur vorteilhaften Weiterbildung
und Ausgestaltung ergeben sich aus weiteren, hier nicht explizit aufgeführten Ansprüchen.
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Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
im folgenden näher beschrieben. Es
zeigen: Fig. 1 eine schematische
Seitenansicht einer von einem Schiff geschleppten akustischen Unterwasser-Empfangsantenne,
Fig. 2 eine Draufsicht von Schiff und Unterwasser-Empfangsantenne gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine Draufsicht der Unterwasser-Empfangsantenne in Fig. 1 und 2 in einem
ebenen,horizontalen Koordinatensystem, Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung
zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 5 ein Blockschaltbild einer
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel.
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Eine von einem Schiff 10 geschleppte akustische Unterwasser-Empfangsantenne
11 ist schematisch in Fig. 1 in Seitenansicht und in Fig. 2 in Draufsicht zu sehen.
Die Unterwasser-Empfangsantenne weist eine Anzahl in einer Schleppkette 12 hintereinander
aufgereihter Hydrophone 13 auf, die üblicherweise in einem flexiblen Schlauch untergebracht
und über elektrische Verbindungskabel mit einem Empfänger 14 (Fig. 4 und 5) verbunden
sind. Die Schleppkette 12 ist über ein Zugkabel 15, das auch die Signalübertragungsleitungen
enthält, mit dem Schiff 10 verbunden und kann mittels einer schematisch angedeuteten
Winde 16 auf dem Schiff 10 eingeholt bzw.
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ausgelegt werden. Der Empfänger 14 ist üblicherweise an Bord des Schiffes
10 stationiert und mit den einzelnen Hydrophonen 13 über die Signalübertragungsleitungen
verbunden. Obwohl die gesamte Unterwasser-Empfangsantenne 11 mechanisch so ausgestaltet
ist, daß sie beim Schleppen eine möglichst geradlinige Form annimmt, sind jedoch
Abweichungen von der
gestreckten Linie, insbesondere bei Manöver
des Schiffes 10 (Kurvenfahrt) oder bei stärkerem Seegang (bei relativ geringer Auslegetiefe
der Schleppkette 12) nicht zu vermeiden. Solche Abweichungen nur in der Horizontalebene
sind in Fig. 2 zu erkennen. Diese Abweichungen verminderten bisher die Detektionsmöglichkeit
eines Schallsignals oder erhöhten den Fehler bei der Bestimmung des Einfallswinkels,dadadurch
die Voraussetzungen für die bisherige Laufzeitbewertung bei der Einstellung des
Empfangswinkels der Unterwasser-Empfangsantenne nur noch annähernd stimmten.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geht man bei der Laufzeitbewertung
nunmehr von der jeweils momentanen Hydrophonanordnung aus und ermittelt diese durch
fortlaufende Ortsbestimmung der einzelnen Hydrophone 13 relativ zu einem auf der
Schleppkette 12, hier an dem vorderen Ende der Schleppen kette 12, liegenden Bezugspunkt
17. Eine solche Laufzeitbewertung ist z. B. aus R. J. Urick 'tPrinciples of underwater
sound for engineers" 1967, S. 40 bekannt, so daß hier nicht näher darauf eingegangen
zu werden braucht. Angemerkt sei lediglich, daß die Laufzeitbewertung üblicherweise
mit den einzelnen Hydrophonen 13 zugeordneten Zeitverzögerungsgliedern durchgeführt
wird, wobei der Quotient aus dem jewelligen Abstand der Hydrophone 13 von einer
quer zur Achse der Richtcharakteristik (Akustik-Achse) ausgerichteten Bezugslinie,
die vorzugsweise durch den Bezugspunkt 17 hindurchgeht, und der Schallgeschwindigkeit
im Wasser ein Maß für die jeweilige Zeitverzögerung ist.
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Zur Ortsbestimmung der einzelnen IIydrophone 13 peilt man diese von
oder nahe dem Bezugspunkt 17 aus an und berechnet aus dem ermittelten Peilwinkel
#n und aus dem bekannten Abstand Ln 1 n aufeinanderfolgender Ilydrophone Hin 1 und
Hn (Fig. 3 deren relative Lage zu dem Bezugspunkt 17. Zur Ermittlung des Peilwinkels
#n kann man die flydrophone 13 sowohl kurzzeitig als Peilsender als auch als Peilhydrophone
betreiben,
wie nachstehend noch ausführlich anhand der Figuren 4 und 5 dargelegt werden wird.
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Bei Kenntnis der Peilwinkel #n und der Inter-Hydrophonabstände Ln-1,n
der Hydrophone Hn-1 und Hn berechnet man unter der Annahme ausschließlich horizontal
einfallender Schallsignale und in Verbindung mit Fig. 3 folgende Roordinaten für
die Lage der einzelnen Hydrophone 13:
sind sind die Koordinaten des n-ten Hydrophons Hn, wobei n der Ursprung des Koordinatensystems
im Bezugspunkt 17 liegt.
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#n ist der Peilwinkel des n-ten Hydrophons H , während mit Ln-1,n
der gestreckte Abstand zwischen dem Hydrophon Hin 1 und Hn bezeichnet ist.
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Für den allgemeinen dreidimensionalen Fall einfallender Schallsignale
berechnet man in gleicher Weise noch eine z-E,oordinate zur Lagebestimmung der Hydrophone
13, wobei man durch eine weitere Peilung den zugeordneten Peilwinkel in Elevation
ermittelt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, als Bezugspunkt
17 den Ort eines Hydrophons 13 in der Schleppkette 12 zu wählen, wenn nur dessen
Lage stets bekannt ist. In diesem Fall bezieht man die relative Lage der einzelnen
Hydrophone 13 auf den bekannten Ort dieses Hydro-
phons.
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Die so berechneten Koordinaten der einzelnen Hydrophone 13 weisen
durch Meßfehler verursachte statistische Fehler auf, wobei der Meßfehler nicht konstant
ist sondern mit wachsendem Abstand von dem Bezugspunkt 17 zunimmt. Mittels Filterung
oder Regression minimisiert man daher diese statistischen Fehler und gewinnt so
geglättete Koordinaten, die man bei der Bewertung der von den einzelnen Hydrophonen
aufgenommenen Schallsignale entsprechend berücksichtigt.
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Fig. 4 zeigt den Schaltplan einer Vorrichtung zum Durchführen des
vorstehend beschriebenen Verfahrens zur Verbesserung der Detektionsgenauigkeit der
akustischen Unterwasser-Empfangsantenne 11. Bei dieser Vorrichtung ist im Bezugspunkt
17 auf der Schleppkette 12 eine akustische Peilantenne 18 mit zwei in Querabstand
zur Schleppkette, 12 und beidseitig von dieser liegenden Peilhydrophone 19, 20 angeordnet
(Fig. 2). Diese beiden Peilhydrophone 19, 20 sind an einem Peilempfänger 21 (Fig.
4) angeschlossen. Eine solche akustische Peilantenne 18 genügt für den einfachen
zweidimensionalen Fall unter der Annahme, daß Schallsignale nur in einer etwa horizontalen
Ebene einfallen. Für den allgemeinen dreidimensionalen räumlichen Fall ist - wie
in Fig. 1 und 2 gestrichelt angedeutet - eine weitere gleichartig ausgestaltete
akustische Peilantenne 22 mit zwei Peilhydrophonen 23, 24 so anzuordnen, daß die
beiden Basen der Peilantenne 18, 22 rechtwinklig zueinander ausgerichtet sind, die
Basis der akustischen Peilantenne 18 also etwa in Horizontalebene und die Basis
der akustischen Peilantenne 22 etwa in Vertikalebene liegt. Auch die Peilhydrophone
23, 24 sind an einen weiteren, hier nicht dargestellten Peilempfänger in gleicher
Ausbildung anzuschließen.
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Mit den Hydrophonen 13 ist ein Hilfssender 25 intervallmäßig verbindbar,
der ein Sinussignal erzeugt. Hierzu sind zwischen den einzelnen Hydrophonen 13 und
dem Empfänger 14
jeweils ein Umschalter 26 angeordnet, der die
Hydrophone 13 wechselweise mit dem Hilfssender 25 und dem Empfänger 14 verbindet.
Eine Umschalter-Steuervorrichtung 27 kann nunmehr die Umschalter 26 zeitlich nacheinander
oder gleichzeitig betätigen, wobei die Hydrophone kurzzeitig an den Hilfssender
25 - entweder zeitlich nacheinander oder gleichzeitig - angeschlossen sind, im ükrigen
aber mit dem Empfänger 14 bekannten Aufbaus verbunden sind. Im Empfänger 14 werden
die von den Hydrophonen 13 aufgenommenen Signaleverarbeitet und in bekannter Weise
das sogenannte Sonar-Signal als Maß für die Richtungsbestimmung der georteten Schallquelle
ausgegeben. Bei gleichzeitiger Betätigung aller Umschalter 26 muß dafür gesorgt
werden, daß der Quotient aus Schallgeschwindigkeit und Bandbreite des ausgesendeten
Signals nicht größer ist als der Abstand der einzelnen Hydrophone 13, um eine sichere
zeitliche Trennung der von der Peilantenne 18 bzw. 22 empfangenen Signale zu gewährleisten.
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Der Peilempfänger 21 weist einen Phasenmesser 28 und eine damit verbundene
Multiplikationsstufe 29 mit einer dem Sinus des Peilwinkels t n proportionalen Ausgangsgröße
auf.
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Der Phasenmesser 28 hat zwei jeweils mit einem Peilhydrophon 19 bzw.
20 verbundene Empfangskanäle 30, 31. Beide Empfangskanäle 30, 31 sind mit einer
Multiplizierschaltung39 verbunden, wobei in dem Empfangskanal 31 noch ein 900 -Phasenschieber
33 eingeschaltet ist. Der Multiplizierschaltung 32 ist ein Tiefpaß 34 nachgeschaltet,
an dessen Ausgang wiederum ein A/D-Wandler 35 angeschlossen ist. Mit dem A/D-Wandler
35 ist ein Phasenwinkel-Rechner 36 verbunden, dessen Ausgang den Ausgang des Phasenmessers
28 bildet. Der Phasenwinkel-Rechner 36 ermittelt aus dem Sinus des Phasenwinkels
sn den Phasenwinkel #n, der der Multiplikationsstufe 29, ebenso wie eine konstante
Größe #/2#D, zugeführt wird. Gemäß der bekannten Beziehung #-#n sin #n = 2# D
entspricht
das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 32 dem Wert sin Zu . Mit der Multiplikationsstufe
29 ist ein Peilwinkel-Rechner 37 verbunden, an dessen den Ausgang des Peilempfängers
21 bildenden Ausgang ein dem jeweiligen Peilwinkel n entsprechendes Signal abnehmbar
ist.
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Die Aktivierung des A/D-Wandlers 35 (Analog-Digital-Wandler 35) geschieht
mittels der Umschalter-Steuervorrichtung 27. Neben den mit den einzelnen Umschaltern
26 verbundenen Steuerimpulsausgängen 38 weist die Umschalter-Steuervorrichtung 27
einen weiteren Impulsausgang 39 auf, der mit dem A/D-Wandler 35 verbunden ist. Die
Ausgangsimpulse des Impulsausgangs 39 sind um ein Zeitintervall gegenüber den Ausgangsimpulsen
des jeweiligen Steuerimpulsausgangs 38 verzögert, wobei das Zeitintervall gleich
oder größer ist als die Summe aus der Laufzeit des Sendesignals vom sendenden Hydrophon
13 zur Peilantenne 18 bzw. 22 und der Einschwingzeit des Tiefpasses 34.
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An dem Ausgang des Peilempfängers 21 ist ein Koordinatenrechner 40
angeschlossen, der entsprechend den eingangs angegebenen geometrischen Beziehungen
aus dem angegebenen Peilwinkel n und den bekannten Abständen Ln >n zwischen n
den einzelnen Hydrophonen Hn 1' H die Koordinaten y , x n n n und gegebenenfalls
z ermittelt. Um die Zuordnung der jen weils sendenden Hydrophone 13 zu den im Koordinatenrechner
40 ermittelten Koordinaten sicherzustellen, weist die Umschalter-Steuervorrichtung
27 noch einen Hydrophon-Kennungsausgang 41 auf, der mit dem Koordinatenrechner 40
verbunden ist und an dem ein für das jeweils an den Hilfssender 25 angeschlossene
Hydrophon 13 charakteristisches Kennungssignal anliegt. Dem Koordinatenrechner 40
ist ein Glättungsfilter 42 nachgeschaltet, dessen Ausgang mit dem Empfänger 14 verbunden
ist. Das Glättungsfilter 42 ist hier als Kalmann-Filter ausgeführt. Als Modell-System
wird für den einfachen zweidimensionalen Fall ein digitaler Tiefpaß zweiter Ordnung
angenommen. Die y-Koordinaten stellen das
verrauschte Ausgangssignal
dar, die x-Roordinaten entsprechen der Zeit.
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Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist wie folgt: Über die Umschalter
26 sind die Hydrophone 13 normalerweise mit dem Empfänger 14 verbunden (Stellung
I der Emschalter 26). Zur Bestimmung der relativen Koordinaten werden die Umschalter
26 nacheinander kurzzeitig in die Stellung II geschaltet (in Fig. 4 ist dies für
das Hydrophon H1 dargestellt).Dadurch wird das jeweilige Hydrophon 13 mit einem
vom Hilfssender 25 ausgehenden Sinussignal gespeist. Die Umschalter-Steuervorrichtung
27 sorgt für die Betätigung der Umschalter 26 in der richtigen Reihenfolge. Die
Peilantenne 18 mit den beiden Peilhydrophonen 19, 20 empfangen das von dem jeweilig
sendenden Hydrophon 13 ausgehende Sendesignal. Die beiden Empfangssignale der Peilhydrophone
19, 20 gelangen zu dem Peilempfånger 21, der nach dem Korrelatorprinzip arbeitet.
Das über den Empfangskanal 30 zu der Multiplizierschaltung 32 gelangende Empfangs
signal wird in seiner Phase um 90° gedreht und dann in der Multiplizierschaltung
32 mit dem anderen Empfangssignal multipliziert. Das Produkt wird im Tiefpaß 34
gefiltert, dessen Zeitkonstante etwa gleich der Signaldauer ist. Das Ausgangssignal
des Tiefpasses 34 wird im A/D-Wandler 35 digitalisiert. Die Aktivierung des A/D-Wandlers
35 erfolgt durch die Umschalter-Steuervorrichtung 27 mit einem Impuls, der relativ
zum jeweiligen Umschaltimpuls für die Umschaltung eines bestimmten Hydrophons 13
auf "Senden" um ein Zeitintervall verzögert ist.
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Im Phasenwinkel-Rechner 36 wird dann der Phasenwinkel «n ermittelt,
der in der Multiplikationsstufe 29 mit der Lonx stanten 2T>D multipliziert wrird,-wobei
D der Abstand der Peilhydrophone 19, 20 und k die Wellenlänge des Sendesignals ist.
Das dem Sinus des Peilwinkels2+n entsprechende Produkt wird dem Peilwinkel-Rechner
37 zugeführt, der den
Peilwinkel 2 aus der Beziehung ###n #n =
arc sin 2 # D ermittelt. Dieser Peilwinkel vn wird dem Woordinatenrechner 40 zugeführt,
in welchem zusätzlich die Abstände der einzelnen Hydrophone 13 voneinander abgespeichert
sind.
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Die vom Glättungsfilter 42 berechneten Schätzwerte der y-Koordinaten
gelangen schließlich zu dem Empfänger 14, wo eine der Lage der einzelnen Hydrophone
13 entsprechende Laufzeit- oder Phasenkompensation in an sich bekannter Weise durchgeführt
wird. Die Größe der Laufzeit-Kompensation ergibt sich dabei beispielsweise bei in
y-Richtung weisender Achse der Richtcharakteristik (Akustik-Achse) aus dem Quotienten
der y-Koordinate und der Schallgeschwindigkeit.
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Bei einer Schwenkung der Akustik-Achse muß zuvor eine entsprechende
Umrechnung der y-Roordinate entsprechend. dem 5 chwenkwinkel durchgeführt werden.
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Die Vorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 5 unterscheidet
sich von der soeben beschriebenen Vorrichtung im wesentlichen dadurch, daß hier
die Hydrophone 113 zu ihrer Ortsbestimmung zusätzlich als Peilhydrophone herangezogen
werden. Der Vorteil dieser Vorrichtung liegt darin, daß die mit dem Empfänger 114
verbundenen Hydrophone 113 bei der Peilung nicht umgeschaltet werden müssen. Soweit
Bauelemente der Fig. 5 mit Bauelementen in Fig. 4 übereinstimmen, sind sie mit den
gleichen Bezugszeichen, jedoch um die Zahl 100 erhöht, versehen.
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Im Bezugspunkt 17 auf der Schleppkette 12 (Fig. 1 und 2) sind nunmehr
keine Peilantennen 18 bzw. 22 sondern zwei akustische Peilsender 150, 151 in gleicher
Weise wie die Peilhydrophone in Fig. 1 und 2 angeordnet. Die beiden Peilsender 150,
151 liegen in Querabstand und symmetrisch zur Schleppkette 12. Zwei Peilsender 150,
151 sind ausreichend für den einfachen zweidimensionalen Fall, bei welchem nur
horizontal
einfallende Schallsignale empfangen werden. Für den allgemeinen dreidimensionalen
Fall sind, zwei weitere Peilsender, also insgesamt vier Peilsender, vorzusehen,
wobei jeweils zwei Peilsender auf einer gemeinsamen quer zur Schleppkette 12 ausgerichteten
Basis- angeordnet sind. Die beiden Basen der Peilsender stehen dann rechtwinklig
zu einander in der Horizontal- bzw. Vertikalebene.
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Die beiden akustischen Peilsender 150, 151 bilden eine periodisch
schwenkbare Richtcharakteristik, was dadurch realisiert wird, daß beide Peilsender
150, 151 wenig voneinander abweichende Sendefrequenzen aufweisen und die Sendesignale
gleichphasig abgestrahlt werden. Hierzu sind die elektroakustischen Wandler 152,
153 der beiden Peilsender 150, 151 über je einen Verstärker 154 bzw. 155 und einen
Frequenzteiler 156 bzw. 15-7 mit einem Signalgenerator 158 mit der Frequenz f0 verbunden.
Am Ausgang des Frequenzteilers 156 mit dem Teilerverhältnis l:kl erscheint die Frequenz
fl und am Ausgang des Frequenzteilers 157 mit dem Teilerverhältnis l:k2 die Frequenz
f2.
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Die Hydrophone 113 in der Schleppkette 12 sind über eine Schaltvorrichtung
mit Steuerteil 159 mit dem Peilempfänger 21 verbunden. Diese Schaltvorrichtung mit
Steuerteil 159 ist vorzugsweise als Multiplexer ausgebildet. Auch diese Schaltvorrichtung
mit Steuerteil 15-9 weist ebenso wie die Umschalter-Steuervorrichtung 27 in Fig.
4 einen Hydrophon-Kennungsausgang 141 auf, der mit dem an dem Ausgang des Peilempfängers
121 in gleicher Weise angeschlossenen Koordinatenrechner 140 verbunden ist. Der
Hydrophon-Kennungsausgang 141 führt jeweils ein Kennungssignal, das für dasjenige
Hydrophon 113 charakteristisch ist, das jeweils an den Peilempfänger 121 angeschlossen
ist. Wie in Fig. 4 ist auch hier dem Koordinatenrechner 140 ein Glättungsfilter
142 zur Berechnung der Schätzwerte der y-Koordinaten der einzelnen Hydrophone 113
nachgeschaltet, das wiederum mit dem Empfänger 114 verbunden ist.
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Der Peilempfänger 121 unterscheidet sich hier wesentlich von dem gemäß
Fig. er Der als Minimumpeiler ausgebildete Peilempfänger 121 weist einen mit einem
Impulsgenerator 160 verbundenen Impulszähler 161 und einen Minimumdetektor 162 auf.
Der Impulszähler 161 hat einen Stopp- und einen Starteingang, wobei der Stoppeingang
mit einem Antikoinzidenz-Detektor 163, der Bestandteil des Peilempfängers 121 sein
kann, und der Minimumdetektor 162 mit dem Starteingang verbunden ist. Ein Vertauschen
der Anschlüsse ist ebenfalls möglich. Der Antikoinzidenz-Detektor 163 ist elektrisch
an jedem Peilsender 150, 151 angekoppelt und gibt ein Signal aus, wenn die beiden
Sendesignale mit der Frequenz f1 und f2 exakt gegenphasig sind. Ein solcher Antikoinzidenz-Detektor
163 kann z. B. aus einem auf die Differenzfrequenz fl-f2 der Sendesignale abgestimmten
Tiefpaß und einem diesem nachgeschalteten Minimumdetektor bestehen.
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Der Minimumdetektor 162 ist über ein schmalbandiges Filter 164, eine
Gleichrichtschaltung 165 und einen der Glättung dienenden Tiefpaß 166 mit dem Empfangskanal
des Peilempfängers 121 verbunden, an dem der Ausgang der Schaltvorrichtung mit Steuerteil
159 angeschlossen ist. Am Ausgang des Impulszählers 161 ist noch ein Speicher 167
angeschlossen7 der dem jeweiligen Zählerinhalt des Impulszählers 161 zugeordnete
Peilwinkelwerte 2»n enthält und dessen Ausgang den Ausgang des Peilempfängers 121
bildet.
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Die Wirkungsweise dieser vorstehend beschriebenen Vorrichtung gemäß
Fig. 5 ist wie folgt: Die beiden Peilsender 150, 151 bilden eine RichtcharalSteristik,
die mit der Differenzfrequenz f1-f2 in einer Ebene hin- und hergeschwenkt wird.
Das von dem -jeweils mit dem Peilempfänger 121 verbundene Hydrophon 113 (in Fig.
5 das Hydrophon H1) empfangene Signal wird gegebenenfalls verstärkt über das auf
die Differenzfrequenz fl-f2 abgestimm-
te schmalbandige Filter
164 der Gleichrichtschaltung 165 zugeführt. Das gleichgerichtete Signal wird anschließend
in dem Tiefpaß 166 geglättet und an den Minimumdetektor 162 gelegt. Sobald der Minimumdetektor
162 ein Minimum detektiert, tritt an dessen Ausgang ein Ausgangssignal auf, das
an dem Starteingang des Impulszählers 161 liegt. Das Signal aln Starteingang des
Impulszählers 161 setzt diesen auf Null, und die Taktimpulse des Impulsgenerators
160 schalten den Impulszähler 161 fort. Sobald der Antikoinzidenz-Detektor exakte
Gegenphasigkeit der beiden Sendesignale der Sender 150, 151 feststellt, liegt an
dessen Ausgang ebenfalls ein Ausgangssignal, das über denStoppeingang des Impulszählers
161 diesen anhält. Der nunmehr im Impulszähler 161 vorhandene Zählerinhalt ist ein
direktes Maß für den Peilwinkel Sns hier 11 und wird dem Speicher 167 zugeführt.
In dem Speicher 167 sind tabellarisch die tatsächlichen Winkeltferte Sn in Zuordnung
zu einem bestimmten Zählerinhalt abgespeichert. Der am Ausgang des Speichers 167
und damit am Ausgang des Peilempfängers 121 zur Verfügung stehende Wert ist der
Peilwinkel Sn der dem Koordinatenrechner 140 zugeführt wird und dort in der gleichen
Weise, wie in dem Ausführungsbeispiel zur Fig. 4 beschrieben, zur Berechnung der
Lagekoordinaten des jeweils angepeilten Hydrophons 113 (hier des Hydrophons H1)
herangezogen wird.
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Anzumerken bleibt, daß die von den akustischen Sendern 150, 151 ausgesendeten
Sendesignale in einem Bereich außerhalb des bei der eigentlichen Sonarmessung mit
der akustischen Untervasser-Empfangsantenne verwendeten Nutzfrequenzbandes liegen.
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