DE3038900A1

DE3038900A1 - "verfahren zum klassifizieren von unterwasserobjekten"

Info

Publication number: DE3038900A1
Application number: DE19803038900
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. 2804 Lilienthal Thiele
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1980-10-15
Filing date: 1980-10-15
Publication date: 1982-05-19
Also published as: GB2085591A; FR2492112A1

Description

FRIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG in Essen

Verfahren zum Klassifizieren von Unterwasserobjekten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Klassifizieren von Unterwasserobjekten der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bei einem bekannten Klassifizierungsverfahren dieser Art beschallt man ein geortetes Unterwasserobjekt mit einer Folge von Wellenzügen mit konstanter Dauer und konstanter Frequenz (z. B. sogenannte CW-Impulse), die von dem Unterwasserobjekt reflektiert und mittels einer Empfangseinrichtung empfangen werden. Zur Bestimmung des Unterwasserobjektes zieht man diese sogenannten Echosignale in der Weise heran, als man aus .der Gesamtstruktur der Echosignale auf die äußere Form des Unterwasserobjektes schließt, die wiederum dessen Klassifizierung ermöglicht. Bei diesem Verfahren sind zur Erzielung einer Echostruktur, die eine einigermaßen bräuchbare Aussage über das geortete Unterwasserobjekt erlaubt, Sende- und/oder Empfangseinrichtungen mit hoher Auflösung erforderlich, was häufig nicht oder nur mit erheblichem Aufwand realisiert werden kann. Außerdem ist ein solches Verfahren aufgrund des nur beschränkten Auflösungsvermögens der Sende- und/oder Empfangseinrichtung nur zur Klassifizierung größerer Objekte, wie Schiffskörper od. dgl., geeignet, nicht jedoch von kleineren Tonnen, Rohrenden od. dgl..

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das mit begrenztem technischen Aufwand eine brauchbare Klassifizierung von

insbesondere kleineren "technischen" Objekten., wie Tonnen, Rohrenden od. dgl., ermöglicht und damit auch das gezielte Aufspüren solcher Objekte erlaubt.

Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 gelöst.

Dei dem erfindungsgetnäßen Verfahren macht man sich die Tatsache zunutze, daß die sogenannten "technischen" Objekte, wie Tonnen, Rohrenden od. dgl., sich gegenüber natürlichen Objekten gleicher Größenordnung, wie Steine, Geröll od. dgl., dadurch unterscheiden, daß sie einfachere Formen, glattere Oberflächen und meist im wesentlichen konstante Wandstärken aufweisen und damit spezielle Eigenfrequenzmuster liefern. Diese "technischen"Objekte regt man erfindungsgemäß von einem fernen Ort aus durch entsprechende Beschallung zu Eigenresonanz an, wobei aus der von den Objekten reflektierten und von der Empfangseinrichtung empfangenen Schallenergie die Eigen- oder ResonanzfreqUenzen der Objekte entsprechend ihrem jeweiligen Eigenfrequenzmuster selektierbar sind. Zum Beispiel hat man festgestellt, daß ein dickwandiger Stahlzylinder mit einer Länge von ^O cm, einem Durchmesser von 40 cm und einer Wandstärke von I₁/ cm 26 Eigenfrequenzen im

2p Bereich zwischen 0,3 bis 8,3 kHz aufweist (Acustica 1979, Band k2, Seite 93)· Ist das Eigenfrequenzmuster des Unterwasserobjektes bekannt, so läßt sich aus den von der Empfangseinrichtung empfangenen Signalen selektierten Resonanzfrequenzen ein Frequenzmuster erstellen und von diesem auf das geortete Objekt schließen. Die Eigenfrequenzmuster der in der Regel begrenzten Anzahl von üblicherweise zu klassifizierenden Objekten lassen sich vorzugsweise empirisch oder auch rechnerisch ermitteln und tabellarisch ablesen, so daß man durch einfachen Ver-

gleich des aus den Empfangssignalen ermittelten Eigenfrequenzmusters mit bekannten und abgelegten Eigenfrequenzmustern das geortete Unterwasserobjekt bestimmen kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet insbesondere das Klassifizieren von kleineren Unterwasserobjekten, die auf dem Fluß- oder Meeresboden zwischen Gestein oder z. B. in Korallenriffen eingebettet sind. Das Auflösungsvermögen der Sende- und/oder Empfangseinrichtung braucht nicht größer als wie bei herkömmlichen Sonaranlagen zu sein. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet nicht nur die Klassifizierung eines georteten Unterwasserobjektes sondern auch das Aufspüren eines bekannten Unterwasserobjektes zwischen anderen Objekten, wie z. D. Gesteinen od. dgl..

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus Anspruch 2. Durch die Breitbandigkeit der Schallstrahlung wird sichergestellt, daß der Bereich der Eigenfrequenz eines zu klassifizierenden Unterwasserobjektes vollständig erfaßt wird und damit zuverlässige Meßergebnisse erzielt werden. Ist man nur an dem Aufspüren ganz bestimmter Unterwasserobjekte, ζ. Β. von Rohrenden bestimmter Abmessungen, interessiert, so genügt es, die Bandbreite auf den Bereich der Resonanzfrequenzen des zu suchenden Objektes abzustellen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 6. Durch diese Maßnahme kann man ein zuverlässiges Selektieren von selbst relativ dicht beieinanderliegenden Objekten erzielen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus Anspruch 7· Durch die Verwendung einer nach dem an sich bekannten parametrischen Prinzip arbeitenden Sonaranlage, läßt sich eine große Breitbandigkeit. der Schallstrahlung bei hoher Strahlungs-

bündelung erreichen.Die Schallstrahlung kann dabei aus einer Pulsfolge bestehen (icw: interrupted carrier wave; oftmals auch CW-Impulse genannt), wobei die einzelnen Pulse mit unterschiedlichen Frequenzen moduliert sind, vorzugsweise in der Pulsfolge monoton ansteigend oder abfallend. In den Pausen zwischen den einzelnen Pulsen werden dann die von den georteten Unterwasserobjekten abgegebenen Echosignale empfangen. Ea ist aber auch möglich, die Schallstrahlung kontinuierlich auszusenden (oftmals Dauerstrich genannt), wobei man diese entweder als ein frequenzmoduliertes Sinussignal mit monoton veränderlicher Frequenz oder als Rauschen oder Pseudorauschen ausbildet.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Durchführen des" Verfahrens im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Überwasserschiffes mit einer Vorrichtung zum 2.0 Klassifizieren von Unterwasserobjekten,

Fig. 2 ein schematisch dargestelltes Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Vie in Fig. 1 schematisch angedeutet ist, ist am Boden (Kiel) eines Unterwasserschiffes 10 ein Sendewandler· 11 und ein Empfangswandler 12 angeordnet. Über elektrische Verbindungsleitungen 15, l6 ist der Sendewandler 11 mit .einer Sendeeinrichtung 13 und der Empfangswandler 12 mit einer Empfangseinrichtung l'i verbunden, die jeweils im. Schiffsinnern angeordnet sind. In Fig. 1 ist mit 17 der Meeresboden oder ein Flußbett bezeichnet, auf welchem zwischen Geröll oder Gestein l8 eingebettet ein "technisches"Objekt 19, zum Beispiel eine Tonne, ein Rohrende od. dgl.,

liegt. Sendewandler 11, Empfangswandler 12 sowie Sendeeinrichtung 13 und Empfangseinrichtung 14 bilden die Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Klassifizieren von Unterwasserobjekten, im folgenden Klassif izierungsvorrichtung genannt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Klassifizieren eines Unterwasserobjektes, wie z. B. des "technischen"Objektes 19, in Form einer Tonne oder eines Rohrendes, beschallt man mittels der Klassifizierungsvorrichtung das Objekt 19. Hierzu benutzt man eine sehr breitbandige gerichtete Schallstrahlung. Diese erzeugt man mit zwei gerichteten Schallstrahlen unterschiedlicher Frequenzen, aus denen infolge der nichtlinearen Übertragungseigenschaften des Wassers die Schallstrahlung mit einer der Differenzfrequenz der beiden Schallstrahlen entsprechenden Frequenz hervorgeht. Hierzu weist die Sendeeinrichtung 13 einen Signalgenerator 20, der elektrische Energie der Frequenz f, liefert, und einen Signalgenera- . tor 21 auf, der eine elektrische Energie der Frequenz f_ liefert, wobei die Frequenz f₂ stetig veränderbar ist. Die beiden Frequenzen f, und f„ werden in einer Summationsschaltung 22 summiert und über eine Torschaltung 23 und in einem Verstärker 2'i verstärkt dem Sendewandler 11 zugeführt. Die Torschaltung 23 wird von einer Zeitsteuerschaltung 25 beaufschlagt, die für eine bestimmte Zeitdauer durchschaltet, so daß der Sendewandler 11 eine Folge von Wellenzüge vorgegebener Dauer, auch Pulsfolge genannt, abgibt und somit Schallenergie mit den Frequenzen f_ und f„ in das nichtlineare Medium Wasser aussendet.

Infolge der nichtlinearen Übertragungseigenschaften des Wassers entsteht in bekannter Weise eine gerichtete Schallstrahlung mit einer Frequenz f.-f_o, die der Differenzfrequenz der beiden Schall» trnhl on- cntspri cht.. Durch cn 1 sprechende Bündelung der Schallstrahlen kann man die

BAD ORiGSNAL

-δι daraus resultierende Schallstrahlung so bündeln, daß die am Ort des Objektes 19 beschallte Fläche nicht wesentlich größer ist als das Objekt 19 selbst.

Mittels dieser Beschallung wird das Objekt 19 zur Eigenresonanz angeregt. Dadurch, daß man. die Frequenz f bei jedem Puls der Pulsfolge monoton ändert, kann man die das Objekt 19 treffende Schall strahlung in. einem sehr großen Frequenzbereich variieren, so daß man bei geeigneter Bemessung mit Sicherheit den Frequenzbereich über-■ streicht, in welchem das Objekt 19 Resonanz zeigt.

Das in Resonanz geratene Objekt 19 zeigt ein bestimmtes charakteristisches Eigenfrequenzmuster, das bestimmt ist durch die Art des Materials, die Abmessungen und die Wandstärke des Objektes 19· Ist das Eigenfrequenzmuster 15' des Objektes 19 bekannt, so kann man aufgrund der charakteristischen Resonanzfrequenzen die Klassifizierung des Objektes 19 vornehmen.

Hierzu weist die Empfangseinrichtung I^ einen Spektrumsanalysator 26 auf. Ein solcher Spektrumsanalysator, der mit einem Fast Fourier Transformation-Algorithmus arbeitet, ist in "IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement",Xr. 4, November 1971, Seite 198-201 beschrieben.

Die von de.m beschallten Objekt I9 ausgehenden Schallsignale werden mittels des Empfangswandlers 12 empfangen, in elektrische Signale umgesetzt und über die Verbindungsleitung l6 der Empfangseinrichtung Ik zugeführt. Nach Durchlaufen eines Verstärkers 27 gelangen die elektrischen Signale in den Spektrumsanalysator 26. Dieser erzeugt ein Spektrum der empfangenen Frequenzen, in welchem die Resonanzfrequenzen des Objekts I9 deutlich erkennbar sind. Dieses Spektrum macht man auf einem Dis-

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play 28 sichtbar. Kennt man die Eigenfrequenzmuster einer großen Anzahl von möglichen Unterwasserobjekten, so kann man durch Vergleich des auf dem Display angezeigton Eisenfrequenzmusters mit den zur Verfügung stehenden bekannten Eigenfrequenzmustern das Objekt 19 klassifizieren, als Tonne oder Rohrende bestimmter Abmessungen. Da in der Praxis üblicherweise nur eine beschränkte Anzahl von interessierenden Objekten klassifiziert werden sollen, ist es ohne weiteres möglich, die Eigenfrequenzmuster der interessierenden Objekte empirisch, mitunter auch rechnerisch zu ermitteln und tabellarisch abzulegen. Durch sukzessiven Vergleich des auf dem Display zu sehenden Eisenfrequenzmusters des georteten Objektes 19 mit allen abgelegten bekannten Eigenfrequenzmustern kann das.Objekt 19 spezifiziert werden.

Anstelle des unmittelbaren Vergleichs des erhaltenen Eigenfrequenzmusters mit bekannten durch eine Person, kann man in der Empfangseinrichtung l4 auch einen Rechner 29 und einen Speicher 30 vorsehen, in dem alle Eigenfrequenzmuster von interessierenden Objekten abgespeichert sind. Das im Spektrumsanalysator 26 gewonnene Spektrum der empfangenen Signale wird dem Rechner 29 zugeführt, der seinerseits ein Eigenfrequenzmuster nach dem anderen aus dem Speicher 30 abruft und mit dem Eigcnfroquenzrnuster aus dem Spektrumsanalysator 26 vergleicht. Bei Übereinstimmung wird eine entsprechende Anzeige ausgegeben.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Klassifizieren von Unterwasserobjekten beschränkt. So kann die Schallstrahlung auch frequenzmoduliert sein, wobei die Frequenz monoton verändert wird. Die Schallstrahlung kann auch als Rauschen oder Pseudorauschen ausgebildet werden.

Auch ist es nicht zwingend notwendig, bei der Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens einen scparatnii S end ο -

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und Empfangswandler vorzusehen. Sende- und Empfangswandler können in einem einzigen Schallvrandler zusammengefaßt werden., wobei, die Verbindungsleitungen 15 Und 16 über eine elektrische Weiche mit dem Schallwandler verbunden werden.

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zum Klassifizieren von Unterwasserobjekten, bei welchem man ein Unterwasserobjekt beschallt und aus den dadurch von dem Unterwasserobjekt ausgehenden und empfangenen Schallsignalen das Unterwasserobjekt bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß man die Beschallung des Unterwasserobjektes (19) derart durchführt, daß dieses zur Eigenresonanz angeregt wird, und daß man die Bestimmung des Unterwasserobjektes (19) aufgrund seiner charakteristischen Resonanzfrequenzen vornimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Beschallung des Unterwasserobjektes (19) eine sehr breitbandige, vorzugsweise gerichtete Schallstrahlung benutzt.
3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schallstrahlung aus Pulsfolgen zusammensetzt, deren aufeinanderfolgende Pulse mit unterschiedlicher Frequenz, vorzugsweise monoton veränderter Frequenz, moduliert sind.
k. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schallstrahlung frequenzmoduliert und vorzugsweise die Frequenz monoton und kontinuierlich, verändert.
5· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schallstrahlung als Rauschen oder Pseudorauschen ausbildet.

GAP Sh/jο
2.IO.I98O
KAE 5-79
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Bündelung der Schallstrahlung so vornimmt, daß die am Oft des georteten Unterwasserobjektes (19) beschallte Fläche nicht wesentlich größer ist als das Unterwasserobjekt (19)
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7. Vorfalirori nach oinem dor Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Erzeugung der Schallstrahlung zwei gerichtete Schallstrahlen mit unterschiedlichen Frequenzen benutzt, aus denen in Folge der nichtlinearen Übertragungseigenschaften des Wassers die Schallstrahlung mit einer der Differenzfrequenz der beiden Schallstrahlen entsprechenden Frequenz hervorgeht, und daß man mindestens einen Schallstrahl frequenzwobbelt.