DE3034953A1

DE3034953A1 - Verfahren zur verbesserung der detektionsgenauigkeit einer geschleppten akustischen unterwasser-empfangsantenne und vorrichtungen zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE3034953A1
Application number: DE19803034953
Authority: DE
Inventors: Reiner Dr.-Ing. 2800 Bremen Diehl
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1980-09-17
Filing date: 1980-09-17
Publication date: 1986-08-14
Also published as: DE3034953C2

Description

Verfahren zur Verbesserung der Detektionsgenauigkeit
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.
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.
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.
Durch diese beiden Vorrichtungen wird in der Hydrophonkette eine mechanische Spannung erzeugt, welche für die Erzielung der Geradlinigkeit der Anordnung erforderlich ist.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Eine weitere vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus Anspruch 13.
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.
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.
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.
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.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung zur vorteilhaften Weiterbildung und Ausgestaltung ergeben sich aus weiteren, hier nicht explizit aufgeführten Ansprüchen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
#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.
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.
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.
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.
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.
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.
Der Peilempfänger 21 weist einen Phasenmesser 28 und eine damit verbundene Multiplikationsstufe 29 mit einer dem Sinus des Peilwinkels t n proportionalen Ausgangsgröße auf.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Bei einer Schwenkung der Akustik-Achse muß zuvor eine entsprechende Umrechnung der y-Roordinate entsprechend. dem 5 chwenkwinkel durchgeführt werden.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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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Claims

PATENTANSPRÜCHE 1 t Verfahren zur Verbesserung der Detektionsgenauigkeit einer geschleppten akustischen Unterwasser-Empfangsantenne mit einem Empfänger und einer Anzahl in einer Schleppkette hintereinander aufgereihter Hydrophone, bei welcher man eine Richtcharakteristik durch Laufzeitbewertung der von den Hydrophonen empfangenen Schallsignale erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Laufzeitbewertung von der jeweils momentanen Hydrophonanordnung ausgeht und diese durch fortlaufende Ortsbestimmung der einzelnen Hydrophone (13; 113) relativ zu einem1 vorzugsweise auf der Schleppkette (12) liegenden, Bezugspunkt (17) ermittelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Ortsbestimmung die einzelnen Hydrophone (13; 113), vorzugsweise von oder nahe dem Bezugspunkt (17) aus, anpeilt und aus dem Peilwinkel (4 ) und aus dem bekannten Abstand (Ln-1,n) aufeinanderfolgender Hydrophone (13; 113), deren relative Lage,vorzugsweise in kartesischen Soordinaten (xn, Yn), zu dem Bezugspunkt (17) berechnet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Lagebestimmung der Hydrophone (13; 113) auftretende statistische Fehler mittels Filterung minimisiert.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als Bezugspunkt (17) den Ort eines Hydrophons (13; 113) in der Schleppkette (12), vorzugsweise den Ort des in der Schleppkette (12) zuvordersten Hydrophons (EI1), wählt.
5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch mindestens eine, vorzugsweise in oder nahe dem Bezugspunkt (17) angeordnete alcustische Peilantenne (18) mit zwei in Abstand voneinander, vorzugsweise in Querabstand zur Schleppkette (12), und beidseitig dieser liegenden Peilhydrophonen (19, 20), die an einem Peilempfänger (21) angeschlossen sind, und durch einen vorzugsweise ein Sinussignal erzeugenden Hilfssender (25), der mit den Hydrophonen (13) intervallmäßig verbindbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Peilantennen (18, 22) mit~rechtwinklig zueinander ausgerichteten Basen Vorgesehen sind und daß die eine Basis im wesentlichen in einer Horizontalebene und die andere Basis im wesent-lichen in einer Vertikalebene liegt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Hydrophonen (13) und dem Empfänger (14) jeweils ein die Hydrophone (13) mit dem Empfänger (14) oder mit dem Hilfssender (25) verbindender Umschalter (26) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine die Umschalter (26) gleichzeitig oder zeitlich nacheinander betätigende Umschalter-Steuervorrichtuns (27).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Peilempfänger (21) einen Phasenmesser (28) und eine damit verbundene Multiplikationsstufe (29) mit einer dem Sinus des Peilwinkels (4in) proportionalen Ausgangsgröße aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9-, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenmesser (28) zwei jeweils mit einem Peil- hydrophon (19,20) verbundene Empfangskanäle (30, 31) aufweist, daß dem einen Kanal (30) ein 900-Phasenschieber (33) nachgeschaltet ist, daß der Ausgang des Phasenschiebers (33) und der andere Empfangskanal (31) mit einer Multiplizierschaltung (32) verbunden sind, der ein Tiefpaß (34) nachgeschaltet ist, und daß mit dem Ausgang des Tiefpasses (34) ein Analog-Digital-Wandler (35) und mit diesem ein Phasenwinkel-Rechner (36) verbunden ist, dessen Ausgang den Phasenmesser-Ausgang bildet.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Multiplikationsstufe (29) ein Peilwinkel-Rechner (37) verbunden ist, dessen Ausgang den Ausgang des Peilempfängers (21) bildet.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalter-Steuervorrichtung (27) mit den Umschaltern (26) verbundene Steuerimpulsausgänge (38) und mindestens einen weiteren mit dem Analog-Digital-Wandler (35) verbundenen Impulsausgang (41) aufweist, dessen Ausgangsimpulse um ein Zeitintervall gegenüber den Ausgangsimpulsen des jeweiligen Steuerimpulsausganges (38) verzögert sind, wobei das Zeitintervall gleich oder größer als die Summe aus der Laufzeit des Sendesignals vom sendenden Hydrophon (13) zur Peilantenne (18) und der Einschwingzeit des Tiefpasses (34) ist.
13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch mindestens zwei, vorzugsweise im Bezugspunkt (17) und im Querabstand zur Schleppkette (12) beidseitig dieser angeordnete, akustische Peilsender (150, 151) und durch mindestens einen mit den Hydrophonen (113) verbundenen Peilempfänger (121).
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß vier Peilsender (150, 151) vorgesehen sind, von denen jeweils zwei auf einer gemeinsamen, vorzugsweise quer zur Schleppkette (12) ausgerichteten Basis angeordnet sind, und daß die Basen der Peilsender (15cm 151) rechtwinklig zueinander stehen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die einer gemeinsamen Basis zugeordneten Peilsender (150, 151) eine periodisch schwenkbare Richtcharakteristik bilden und vorzugsweise daß diese Peilsender (150, 151) wenig voneinander abweichende Sendefrequenzen (fl, 2) aufweisen.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Peilempfänger (121) als Minimumpeiler ausgebildet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Peilempfänger (121) eine mit einem Impulsgenerator (160) verbundenen Impulszähler (161) mit Start-und Stoppeingang und einen Minimumdetektor (162) aufweist, daß ein Antikoinzidenz zwischen den Sendesignalen prüfender Antikoinzidenz-Detektor (163) an jedem Sender (150, 151) elektrisch angekoppelt ist und daß der Ausgang des Minimumdetektors (162) mit dem Starteingang und der Ausgang des Antikoinzidenz-Detektors (163) mit dem Stoppeingang des Impulszählers (161) oder umgekehrt verbunden ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß dem Impulszähler (161) ein Speicher (167) nachgeordnet ist, der möglichen Zählerinhalten zugeordnete Peilwinkelwerte () enthält und dessen Ausgang den Ausgang des Peilempfängers (121) bildet.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß dem Minimumdetektor (162) eine Gleichrichtschaltung (165), vorzugsweise mit nachgescilaltetem Tiefpaß (166), vorgeordnet ist, die über ein schmalbandiges Filter (164) an den Eingang des Peilempfängers (121) angeschlossen ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, gekennzeichnet durch eine die Hydrophone (113) wahlweise, vorzugsweise aufeinanderfolgend, an den Eingang des Peilempfängers (121) anschließende Schaltvorrichtung mit Steuerteil (159), die vorzugsweise als Multiplexer ausgebildet ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ausgang des Peilempfängers (21. 121) ein Koordinatenrechner (40. 140) angeschlossen ist und vorzugsweise daß dem Koordinatenrechner (40; 140) ein Glättungsfilter (42; 142), vorzugsweise Kalmann-Filter, nachgeschaltet ist, dessen Ausgang mit dem Empfänger (14; 114) verbunden ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalter-Steuervorrichtung (27) bzw. die Schaltvorrichtung mit Steuerteil (159) einen mit dem Koordinatenrechner (40; 140) verbundenen Hydrophon-Kennungsausgang (41; 141) aufweist, an dem ein für das jeweils an dem Hilfssender (25) bzw. an dem Peilempfänger (121) angeschlossene Hydrophon (13; 113) charakteristisches Kennungssignal liegt.