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Verfahren und Einrichtung zum Lokalisieren von auf dem Gewässerboden
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befindlichen Gegenständen, insbesondere von Grundminen Die Erfindung
betrifft ein Verfahren gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1, sowie zu dessen Durchführung
geeignete Einrichtungen. Während eine Grobortung von Grundminenund anderen Gegenständen
von einem Minensuchschiff oder mittels eines Schlepphydrophonsvorgenommenwerden
kann, ist zum Neutralisieren einer solchen-Mine eine genaue Lokalisierung erforderlich,
damit ein Minenvernichtungsgerät exakt auf die Mine ausgerichtet werden kann. Zu
diesem Zweck wird in der Nähe der Mine, vorzugsweise auf einem am Gewässerboden
abgestellten Gestell, eine ortsfest gehaltene Sucheinrichtung mit einem horizontal
und vertikal schwenkbaren Schallwandler eingesetzt. Wie bei bekannten Sonaranlagen
kann der Schallwandler seine Umgebung schrittweise sowohl in Azimutrichtung als
auch in vertikaler Richtung abtasten und den empfangenen Echosignalen entsprechende
Informationen an eine lokale Auswertungs- und Zieleinrichtung oder über Kabel an
ein Minenräumboot geben. Die Verbindung eines solchen Suchgerätes über Kabel mit
einem Minenräumboot ist angesichts des Vorhandenseins der Minen für das Räumboot
gefährlich. Eine Datenübertragung über eine Unterwasserschallstrecke ist wegen der
Verratsgefahr und des Einflusses von Störungen unerwünscht. Folglich wird angestrebt,
die Daten unmittelbar im Suchgerät auszuwerten und auf Grund des Ergebnisses eine
Ladung aus einem zugehörigen Abschu3gestell auf die Mine abzufeuern. Aufgabe der
Erfindung ist es, eine zuverlässige Lokalisierung des Gegenstandes, also insbesondere
einer ,!inne, zu gewänrleisten und dabei die zu verarbe,tende und zt indest zeitweise
zu speichernde.Datenmenge möglichst gering zu halten. Darüber hinaus soll das Verfahren
soweit wie möglich mit herkömmlichen, bewährten, mechanischen, elektrischen und
elektronischen Bauteilen und Komponenten realisierbar sein.
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Die Lösung dieser aufgabe gelingt durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete
Verfahren. Vorteilhtfte Ausgestaltungen hiervon, sowie Einrichtungen und Schaltungsanordnung
n zu dessen Durchführung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen schematisch
wiedergegebenen Ausführungsbeispiels erläutert, dabei zeigt Fig. 1 die räumliche
Zuordnung von Suchgerät (Schallwandler ) und Mine auf dem Gewässerboden; Fig. 2
das Blockschaltbild eines Ortungsgerätes mit Wandler, Signalverarbeitung und Auswerteschaltung;
Fig. 3 den Verlauf der vertikalen und horizontalen Abtastbewegung des Wandlers bei
Anwendung der Schaltung gemäß Fig. 2 In Fig. 1 trägt ein auf dem Meeresboden 1 abgesetztes
Gestell 2 einen in horizontaler sowie in vertikaler Richtung schrittweise schwenkbaren
Schallwandler 3, sowie ein Gehäuse 4 mit zugehöriger Stromversorgungs- und Auswerteeinrichtung.
Auch eine Abschußvorrichtung für die auf die Mine 5 zu richtende Vernichtungsladung
kann vom Gestell 2 getragen sein. Betrachtet man zunächst nur vom Gewässerboden
1 reflektierte Echos, so ist ersichtlich, daß diese Echos aus immer größerer Entfernung
kommen, je weiter der Wandler 3 nach oben geschwenkt wird. Folgt man dem aus Fig.
3 ersichtlichen Abtastschema für eine vorgegebene azimutale Winkelposition, so ist
für alle Bodenechos z.B. Eg" E1, E4,E5 die Entfernungsdifferenz Ei - Ei-1 zwischen
der gerade gemessenen Entfernung und der beim vorhergehenden Vertikalwinkelschritt
gemessenen Entfernung stets größer als O. Trifft hingegen der Schall strahl auf
die Mine 5, so ist ersichtlich, daß diese Entfernungsdifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Vertikal-Winkelpositionen stark abnimmt und zwar im Falle E3 - E2 sogar einen Wert
kleiner als 0 erreicht. Diese negative cr.'fernungsdifferenz im Bereich des angepeilten
Objekts wird als Kennzeichen fijr die Lage des Objekts ausgewertet. Eine hierfür
geeignete Schaltung zeigt Fig. 2.
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Von einer zentralen Steuerung ST wird der Antrieb WA für den Wandler
W in vertikaler und horizontaler Richtung schrittweise gesteuert. Ober Winkelkodierer
WK wird die jeweilige Winkelposition WH bzw. Wv gemessen und je einem Addierer ADH
bzw. ADV zugeleitet. Der Wandler sendet in jeder Vertikal- und Horizontalposition
einen oder mehrere Schall impulse aus, deren Frequenz, Amplitude
und
Kurvenform sich nach den Ausbreitungsverhältnissen und dem Entfernungsmessbereich
richten. Die vom Wandler W aufgenommenen Echosignale gelangen zu einer Signalaufbereitungsschaltung
SA die neben einer Verstärkung gegebenenfalls auch eine Frequenzumsetzung, Filterung
und Hüllkuruenermittlung des Echosignals aufweisen kann. Hieran schließt sich ein
A/D-Umsetzer U an, dessen Ausgangssignal einerseits an dem einen Eingang eines ersten
Vergleichers V1 und andererseits an dem einen Eingang eines Vergleichspeichers VS1
steht.
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Das Echosignal wird im Rhythmus eines Taktzählers TZ abgetastet, der
auch den A/D-Umsetzer U fortschaltet. Mit Hilfe des Vergleichers V1 und des Vergleichspeichers
VS1 wird der entfernungsabhängige maximale Amplitudenwert jeder Lotung bestimmt.
Hierzu vergleicht der Vergleicher V1 den gerade vom Ausgang des Umsetzers U gelieferten
Amplitudenwert mit dem im Speicherteil A abgelegten Amplitudenwert, welcher der
bisher aufgetretenen maximalen Amplitude entspricht.
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Ist der neue Amplitudenwert größer als sein Vorgänger, so wird der
neue Wert zusammen mit dem Zählstand des Taktzählers TZ in den Vergleichsspeicher
VS1 eingegeben. Dieser Zählstand entspricht der Entfernung bei welcher der maximale
Amplitudenwert des Echosignals auftritt. Folglich enthält der Vergleichsspeicher
VSl jeweils für jede Lotung die Maximalamplitude des Echosignals und die zugehörige
Entfernung E.
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Unmittelbar nach Beendigung der letzten Abtastung, bei einer vorgegebenen
Vertikalwinkelposition des Wandlers W, wird der Amplituden-Maximalwert A in einem
zweiten Vergleicher V2 mit einem vorgegebenen Schwellwert S2 verglichen.
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Ist der Amplituden-Maximalwert A größer als S2 so wird eine Torschaltung
G geöffnet, und die der gemessenen Entfernung E entsprechende Taktzahl wird aus
dem unteren Teil des Vergleichspeichers VS1 über die Torschaltung G einem dritten
Vergleicher V3 zugeleitet und dort mit der Entfernung der vorherigen Lotung verglichen.
Diese Lotung erfolgte bei gleichem Horizontalwinkel, jedoch bei einem um eine Winkelschrittweite
verringerten Vertikalwinkel. Ist der neue Entfernungswert E kleiner als sein Vorgänger
E,S, so deutet dies gemäß obiger Erläuterung darauf hin, daß ein Objekt angepeilt
wurde. In diesem Fall liefert der Ve-rgleicher V3 einen Impuls, der über die Leitung
L an die Eingänge zweier Addierer ADH und ADV sowie eines Zählers Z gelangt. Außerdem
wird der zweite Vergleichspeicher V&2 mit der neuen Taktzahl, das heißt mit
einem der neuen Meßentfernung entsprechenden Signal EV geladen, während der Vergleichsspeicher
VSl gelöscht und der faktzähler TZ zurückgesetzt wird.
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Der Wandler W wird nunmehr von der Steuerung ST Uber den Antrieb WA
auf den nächst höheren Vertikalwinkel geschwenkt (vgl. Fig. 3) wonach die Abtastung
des in dieser Position einlaufenden Echosignals in der gleichen Weise wie zuvor
beschrieben durchgeführt wird. Vor jeder neuen Lotung werden die Vergleichsspeicher
VS1 und VS2 sowie der Taktzähler TZ zurückgesetzt. In dieser Weise werden bei einer
vorgegebenen horizontalen Winkelposition WH alle vertikalen inkelpositionen nacheinander
abgetastet. Diejenigen vertikalen Winkel positionen, bei denen eine negative Entfernungsdifferenz
festgestellt wird, können angezeigt und aufgezeichnet werden. Hierzu werden diese
Winkelpositionen durch den über die Leitung L ankommenden Impuls markiert. Man ernält
eine matrixförmige Darstellung der Vertikalwinkeiwerte mit negativer Entfernungsdifferenz
für jede horizontale Winkelposition, welche dann in beliebiger Weise ausgewertet
werden kann.
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Zur selbsttätigen Bestimmung der Koordinaten des Zentrums des georteten
Objekts dient die im unteren Teil von Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung, mit
den beiden Addierern ADH, ADV, dem Zähler Z und den beiden Teilerschaltungen DIH
und DIV. Mit jedem über die Leitung L empfangenen Impuls wird der Zählstand des
Zählers Z um 1 erhöht, und die Addierer summieren die am Winkelkodierer anstehenden
Winkel größen WH bzw. WV auf. Nach Beendigung der gesamten Abtastung werden die
Winkel summen in den beiden Addierern durch den Zählerstand des Zählers Z dividiert
und liefern damit die Koordinaten H und V des Flächenschwerpunkts des georteten
Objekts. Die genannten Operationen können auch während der Abtastung fortlaufend
durchgeführt werden.
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Als Beispiel sei auf die matrixartige Wiedergabe der vertikalen und
horizontalen Winkel positionen mit negativer Entfernungsdifferenz gemäß Fig. 3a
hingewiesen.
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Hier ergeben sich fortlaufend folgende Zähler- und Addiererstände:
V H Zähler Addierer H Addierer V 1° 10° 0 0 0 0 2° 10° 0 0 0 30 100 0 0 0 10 200
0 0 0 20 200 1 20 2 3° 20° 2 40 5 10 300 2 40 5 20 300 3 70 7 3° 30° 4 100 10 Damit
ergeben sich folgende Schwerpunktkoordinaten: 100° 10° H = = 25° ; V = = 2,5° 4
4 Damit stehen die erforderlichen Richtungsgrößen zur Verfügung, mit deren Hilfe
eine Vernichtungsladung auf das Objekt gerichtet werden kann. Sie können beispielsweise
einem selbsttätigen Schußgerät zugeführt werden.
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Die Verarbeitung der Echosignale könnte an sich bis zur Zählimpuiserzeugung
statt digital auch analog erfolgen. An Stelle des in Fig. 3 wiedergegebenen Abtastverlaufs
könnte dieser mäanderförmig gestaltet sein, wobei bei den vertikalen Abwärtszyklen
dann die Erzeugung eines Impulses durch den Vergleicher V3 erfolgt, sobald der neue
Entfernungswert größer ist als sein Vorgänger. Hierdurch läßt sich der Zeitaufwand
für das Schwenken des Wandlers verringern. Vorteilhaft ist, daß die dargestellte
Einrichtung unmittelbar nach der letzten Abtastung mit den beiden Divisionsoperationen
der Teiler DIH und DIV die Koordinaten des Flächenschwerpunktes liefert.
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Bislang war davon ausgegingen, daß der Vergleichsspeicher VS2 jeweils
mit dem Entfernungswert EV der vorangehenden Lotung geladen ist und nach erfolgtem
Vergleich den Entfernungswert der gerade verarbeiteten Lotung aufnimmt. Abweichend
hiervon kann man Zählimpulse auch in den Winkelpositionen erzeugen, in denen die
zugeordnete Entfernung nicht mit derjenigen des vorangehenden Meßschrittes sondern
mit einer beliebigen, einem niedrigeren Vertikalwinkel zugeordneten Entfernung eine
negative Differenz bildet.
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Dies bedeutet, daß in diesem Fall der Vergleichsspeicher VS2 nur dann
mit dem neuen Entfernungswert geladen wird, wenn dieser größer ist als sein Vor-.
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gänger, das heißt wenn kein Zählimpuls abgegeben wird.
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Im Folgenden wird eine Erweiterung der bislang beschriebenen Schaltungsanordnung
erläutert, mit deren Hilfe die Schwerpunktkoordinaten mehrere Objekte bestimmt werden
können. Hierzu werden die an den Winkelkodierern anstehenden Informationen WV und
WH bei jedem Zählimpuls auf der Leitung L zunächst in einen Speicher, vorzugsweise
einen Speicher PSM mit wahl freiem Zugriff, eingeschrieben. Nach Beendigung der
Abtastung kann unter der Voraussetzung, daß sich die Objekte horizontal nicht überlappen,
durch die entstehenden horizontalen Lücken eine Trennung der horizontalen Bereiche
der einzelnen Objekte erfolgen. Hierzu wird der Speicherinhalt seriell ausgelesen
und die Differenz zwischen benachbarten Horizontal positionen gebildet, bei denen
eine negative Entfernungsdifferenz aufgetreten ist. Oberschreitet die Differenz
dieser Horizontal positionen eine vorgegebene Anzahl von horizontalen Winkelschritten,
so wird der zuletzt ausgelesene Horizontalwinkel als Markierung eines neuen Objekts
in einen Speicher geladen. Dieser Vorgang wird so lange fortgesetzt, bis der gesamte
Horizontalbereich abgearbeitet ist. Anschließend werden die Flächenschwerpunkte
der Objekte einzeln bestimmt, in dem der Speicherinhalt zwischen je zwei Horizontalmarken
auf die in Fig. 2 links unten wiedergegebenen und oben erläuterten Zähl- und Addierschaltungen
übertragen wird.
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Durch die Abspeicherung der Vertikal- und Horizontal-Informationen
kann neben der Schwerpunktbestimmung auch die horizontale Begrenzung der Objekte
festgestellt werden. Ferner kann man durch Bewertung der Anzahl der Nachbarn von
Positionen mit negativer Entfernungsdifferenz etwaige Ausreißer, das heißt Fehlmessungen,
eliminieren.
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Eine andere .Ycglichkeit zur Schwerpunktsbestimmung mehrerer Objekte,
und zwar ozone abspeicherung aller inkelkoordinaten bei denen negative Entfernungsdifferellzen
aufgetreten sind, zeigt Fig. 2. Die bisher beschriebene Schaltung wird Hierzu ergänzt
durch einen Speicher SP, einen Subtrahierer SUB sowie einen vierten Vergleicher
J4.
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Bei jedem vom Vergleicher V3 abgegebenen Zählimpuls wird in den Speicher
SP der gerade anstehende Horizontalwinkelwert WH als Wert HN eingeschrieben.
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Jeweils am Ende einer Vertikalabtastung bildet der Subtrahierer SUB
die
Differenz aus dem aktuellen Horizontalwinkel H und dem im Speicher
SP abgelegten, zur zuletzt aufgetretenen negativen Entfernungsdifferenz zugehörigen
Horizontalwinkel HN, das heißt die Differenz bH = H - HN. Dieser Abstand » H entspricht
der Größe der aufgetretenen horizontalen Lücken. Im nachfolgenden Vergleicher V
4 wird geprüft, ob die LUckeflH größer ist als ein vorgegebener Wert HM. Trifft
dies zu, was gleichbedeutend ist mit dem Ende des ersten Objekts, so gibt der Vergleicher
V4 einen Auslese- und Rückstellimpuls ab, der folgendes bewirkt: Die beiden Teiler
DIH und DIV dividieren die Addierstände der Addierer ADH und ADV durch den Zählstand
des Zählers Z. Die sich ergebenden Schwerpunktkoordinaten H und V sowie der Wert
H:N aus dem Speicher SP als Endpunkt des Objekts werden zusammen mit dem Zählerstand
des Zählers Z ausgegeben bzw.
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abgespeichert. Dabei gibt der Zählerstand Z die Anzahl der bei dem
abgetasteten Objekt aufgetretenen negativen Entfernungsdifferenzen an. Sehr kleine
Zählerstände deuten auf sehr kleine Objekte bzw. Ausreißer hin, sodaß diese Objekte
nachträglich eliminiert werden können, beispielsweise durch Vorgabe eines Mindeszähistandes
Zmin -Nach dem Auslesen der genannten Größen werden die beiden Addierer und der
Zähler zurückgesetzt.
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Anschließend wird dieser Abtastzyklus beim nächsten Horizontalwinkel
fortgesetzt. Beim ersten auftretenden Zählimpuls wird wieder der aktuelle Horizontalwinkel
WH in den Speicher SP eingegeben und zusätzlich als horizontaler Anfangspunkt HA
des nächsten Objekts ausgegeben.
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Statt des Subtrahierers SUB kann auch ein Zähler verwendet werden,
der bei jeder vertikalen Abtastung, bei der kein Zählimpuls auftritt, seinen Zählstand
um 1 erhöht. Erreicht der Zähistand den Wert HM, so gibt der Vergleicher V4 wie
zuvor den Auslese- und Rückstellimpuls ab. Beim Erscheinen eines Zählimpulses wird
dieser Zähler zurückgesetzt.
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Verfahren und Einrichtung gemäß der Erfindung können nicht nur zum
Lokalisieren von Grundminen sondern auch zum Lokalisieren, Vermessen und zur Konturerkennung
beliebiger anderer auf einem Gewässerboden abgestellter oder zum Gewässerboden gesunkener
Gegenstände vorteilhaft eingesetzt werden. Dies gilt beispielsweise für Wrackteile,
gesunkene Boote und Schiffslasten, Grundbojen oder dergleichen.
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Bei der Lokalisierung solcher Gegenstände stört im allgemeinen eine
Kabelververbindung
zwischen Sucheinrichtung und Suchschiff bzw.
eine aktive Schallübertragungsstrecke nicht. Außerdem wird bei solchen Anwendungen
eine selbsttätige Ermittlung der Schwerpunktkoordinaten des Gegenstandes kaum erforderlich
sein. Folglich können hier die bei der Abtastung des Umfelds der Sucheinrichtung
ermittelten und gegebenenfalls zwischengespeicherten Daten über eine geeignete Datenübertragungsstrecke
oder ein Kabel auf ein auf dem Suchschiff befindliches Anzeige- und Ausdertegerät
übertragen werden, wo die gewonnenen Daten von einer Bedienungsperson beispielsweise
anhand einer Bildschirmdarstellung ausgewertet werden Die erfindungsgemäße Sucheinrichtung
kann insbesondere zum Auffinden und Lokalisieren gesunkener Gegenstände in trüben
Gewässern eingesetzt werden, wo eine optische Abtastung des Gewässerbodens, beispielsweise
mit Hilfe einer Fernsehkamera wenig aussichtsreich ist.
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Zur Bestimmung des im Ausführungsbeispiel angegebenen Schwellwertes
S2 wird nach dem Absetzen des Gestells 2 auf dem Meeresboden unter einem geeignet
hohen Vertikalwinkels eine Horizontalabtastung durchgeführt.
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Mittels einer an sich bekannten Zeitbegrenzungsschaltung wird gewährleistet,
daß nur Echos aus einem bestimmten Entfernungsbereich ausgewertet werden.
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Der Vertikalwinkel ist so gewählt, daß der Wandler in diesem Entfernungsbereich
nur Echos aus dem umgebenden Wasser empfängt. Aus jeder Lotung wird der maximale
Echoamplitudenwert ermittelt und laufend summiert.
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Der Mittelwert aller Echomaxima, die bei diesem Vertikalwinkel dem
Raumnachhall zuzuordnen sind, dient als Schwellengrundwert. Ein vorgegebenes Vielfaches
dieses Wertes bildet den Schwellwert S2.
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