DE3221013A1

DE3221013A1 - Verfahren zur unterwasserortung mit schallimpulsen, insbesondere zur detektion und/oder klassifikation auf oder nahe dem gewaessergrund befindlicher objekte und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3221013A1
Application number: DE19823221013
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Ing. 2807 Achim Gritsch
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 1982-06-04
Filing date: 1982-06-04
Publication date: 1983-12-08
Also published as: FR2528185B1; GB2122745A; GB8315244D0; GB2122745B; DE3221013C2; US4561076A; FR2528185A1

Description

BW φ *

FRIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT BESCHRANGTER HAFTUNG in Essen

Verfahren zur Unterwasserortung mit Schallimpulsen, insbesondere zur Detektion und /oder Klassifikation auf oder nahe dem Gewässergrund befindlicher Objekte und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterwasserortung mit Schallimpulsen, insbesondere zur Detektion und/oder Klassifikation auf oder nahe dem Gewässergrund befindlicher Objekte der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Art.

Bei einem nach diesem Verfahren arbeitenden bekannten Sonargerät, einem sog. Seitensichtsonar, sind ein Sendewandler und eine richtungsselektive Empfangsvorrichtung auf einem einzigen Wasserfahrzeug angeordnet und beider Richtcharakteristiken im wesentlichen quer zur Fahrtrichtung des Wasserfahrzeugs ausgerichtet. Der Sendewandler beschallt ein relativ breites Sendegebiet quer zur Fahrtrichtung des Wasserfahrzeugs. Die Empfangsvorrichtung, die einen Empfangswandler aufweist, dessen Länge wesentlich größer ist als die des Sendewandlers, erfaßt gleichzeitig mehrere innerhalb des Sendegebietes nebeneinanderliegende streifenförmige Empfangsgebiete .

Mit diesem Sonargerät läßt sich eine relativ große Vorschubgeschwindigkeit des Wasserfahrzeugs und damit eine hohe Such- und Abtast leistung erzielen.

1- Die Güte der Auflösung ist jedoch abhängig von der azimutalen Breite der Empfangsgebiete, also von dem Öffnungswinkel der von dem Empfangswandler ausgehenden EmpfangsSektoren und ist um so größer, je kleiner letzterer ist. Die Vorschubgeschwindigkeit hingegen hängt von dem Öffnungswinkel des von dem Sendewandler ausgehenden Sendestrahls (Sendebeam) ab und ist diesem direkt proportional. Da das gesamte Sendegebiet von den Empfangssektoren abgedeckt werden muß, ist für eine brauchbare Auflösung eine sehr große Anzahl von extrem schmalen Empfangssektoren erforderlich. Dies stellt sehr hohe Anforderungen sowohl an den Empfangswandler als auch an die für die BiI-dung der Empfangssektoren (Empfangsbeams) erforderliche Signalverarbeitung. Für letztere ist eine nicht unbeträchtliche Rechnerkapazität und ein hoher Hardware-Aufwand notwendig.

Das bekannte Sonargerät läßt sich darüber hinaus nur bedingt zum Zwecke der Minendetektion verwenden, da das dieses Sonargerät tragende Wasserfahrzeug aufgrund der zur Fahrtrichtung ausschließlich seitlichen Detektionsrichtung bei Aufspüren von Minenfeldern unbeabsichtigt in solche hineinfahren kann und dadurch stets sehr gefährdet ist. Für Minendetektion werden daher solche Sonargeräte nur auf unbemannten Suchschiffen installiert, wobei ein zweites, das Suchschiff im Sicherheitsabstand begleitende Führungsschiff erforderlich ist. Dennoch ist wegen des hohen mechanischen und elektronischen Aufwandes im Suchschiff das Verlustrisiko sehr hoch.

" ■" "'·"· 3221U13 -δι Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß der empfangsseitig für Empfangswandler und Richtungsbildung erforderliche technische Aufwand bei gleichzeitiger Erzielung eines großen Auflösungsvermögens und einer ansprechenden Suchleistung wesentlich verringert ist. Zugleich soll das Verfahren die Möglichkeit geben, auf vorhandene Komponenten, wie Empfangsvorrichtung mit Richtungsvorentzerrung, von kompletten, anderweitigen Aufgaben dienenden Sonaranlagen zurückzugreifen und diese durch nur relativ geringe Modifizierung und/oder Ergänzung auch für den erfindungsgemäß angestrebten Zweck brauchbar zu machen.

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

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß der Auflösungsgrad unabhängig von dem Öffnungswinkel der Empfangssektoren ist und - abgesehen von der Sendeimpulslänge - nur von der azimutalen Breite des Sendegebietes bestimmt wird. Der Aufwand zur Bündelung und Fokussierung des einzigen Sendestrahls ist aber weitaus geringer als zur Bildung einer Vielzahl extrem schmaler Empfangssektoren. Damit können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren empfangsseitig herkömmliche Kielsonare mit empfangsseitiger Richtungsvorentzerrung eingesetzt werden, deren azimutale Breite der Empfangssektoren mit etwa 2 bis 8 Öffnungswinkel der Empfangsstrahlen (Empfangs-

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beams) bei dem eingangs beschriebenen bekannten Sonargerät zur Erzielung einer brauchbaren Auflösungsgenauigkeit nicht ausreichend ist. Selbst Kielsonare mit wesentlich größerem Öffnungswinkel der Empfangssektoren oder Empfangsbearns können ohne Beeinträchtigung der Auflösungsgenauigkeit verwendet werden. Von dem Öffnungswinkel der Empfangsbeams ist lediglich die maximale Sendeimpulsfolge abhängig, da der zeitliche Abstand aufeinanderfolgender Sendeimpulse nicht kleiner sein darf als die Durchlaufzeit eines Sendeimpulses in Senderichtung durch einen Erapfangssektor. Die Durchlaufzeit nimmt mit sich vergrößerndem Öffnungswinkel zu, wodurch die Sendeimpulsfolgefrequenz abnimmt. Damit muß die Vorschubgeschwindigkeit des nach diesem Verfahren arbeitenden Systems herabgesetzt werden, um das Entstehen nicht erfaßter Zonen zu verhindern. Bei gleicher Auflösungsgenauigkeit wird also mit zunehmender azimutaler Breite der Empfangssektoren die Suchleistung des Systems geringer. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet somit, in Schiffen zu anderen Zwecken installierte komplette Sonargeräte, z. B. Kielsonare mit ebener Basis oder Zylinderbasis, zur Meeresbodenabtastung und/oder Minendetektion bzw. -klassifikation zusätzlich verwendbar zu machen, wobei der hierfür erforderlich technische Aufwand im Vergleich zu einem kompletten Seitensichtsonar der eingangs beschriebenen bekannten Art zur Erzielung des gleichen Zwecks relativ gering ist.

Der Arbeitsbereich eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Sonargerätes liegt in erheblich größerer Entfernung vor dem die Empfangs-

Vorrichtung tragenden Führungsschiff als bei herkömmlichen Kielsonaren, die mitunter zur Minendetektion verwendet werden. Zum Zwecke der Minendetektion bedeutet dies einen wesentlich verbesserten Schutz des Führungsschiffes. Da die auf dem vorauslaufenden Suchschiff installierten Komponenten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie Sendewandler und ggf. Navigationsvorrichtungen, nur einen geringen Teil der gesamten hierfür erforderlichen Sonaranlage ausmachen, ist das Verlustrisiko bei Minendetektion beträchtlich gesenkt.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus Anspruch ^. Durch die Zuordnung der Zeitfenster zu den einzelnen Empfangssektoren läßt sich eine Selektion der empfangenen Echos nach Ursprungszeit und Ursprungsort ohne größeren Rechenaufwand in einfacher Weise erreichen. Ist der dem Echo zugehörige Sendezeitpunkt und Sendeort bekannt, so ergibt sich aus der Senderichtung zum Sendezeitpunkt und der Schallimpulslaufzeit unter Berücksichtigung des gegenseitigen Abstandes von Sende- und Empfangsort nach einfachen geometrischen Beziehungen das Reflexionszentrum des Echos. Der dabei gemachte Fehler ist lediglich abhängig von dem Öffnungswinkel des Sendestrahls und der Länge des Sendeimpulses.

Eine besonders zweckmäßige Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus Anspruch 7, insbesondere in Verbindung mit einem oder mehrerer der folgenden Ansprüche. Mit den vorgesehenen Kompaßanlagen werden Infor-

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mationen über den momentanen Kurs des ersten Wasserfahrzeugs gewonnen und damit eine exakte Bestimmung der Senderichtung zur Kursrichtung des zweiten Wasserfahrzeugs ermöglicht. Die zusätzlichen Navigationssensoren dienen der Steigerung der Operationsgenauigkeit der Wasserfahrzeuge. Durch die angegebene Anordnung der Wandlerelemente auf einen Kreisbogen läßt sich eine extreme Bündelung der Sendehauptkeule mit einem azimutalen Öffnungswinkel von etwa 0,2 erzielen.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels eines Sonarsystems im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf das Sonarsystem mit

Such- und Führungssctiiff, Fig. 2 einen Längsschnitt des in Fig. 1 am Suchschiff angeordneten Sendewandlers, schematisch dargestellt, Fig- 3 ein Blockschaltbild der Komponenten des

Sonarsystems in Fig. 1,

Fig. k eine schematische Darstellung des von acht Empfangssektoren gebildeten Empfangsbereichs einer auf dem Führungsschiff in Fig. 1 angeordneten Empfangs

vorrichtung ,

Fig. 5 ein Zeitdiagramm von den Empfangssektoren in Fig. ^i zugeordneten Zeitfenstern für vier aufeinanderfolgende Sendezeitpunkte,

> Fig. 6

und Fig. 7 eine Darstellung von zwei Beispielen

der räumlichen Zuordnung von Reflexions· Zentrum und Sende- und Empfangsort zu

, zwei verschiedenen Echoempfangszeit-

punk t en.

In Fig. 1 ist ein Sonarsystem zur Meeresgrundabtastung zwecks Detektion und/oder Klassifikation auf oder nahe dem Meeresgrund befindlicher Objekte, insbesondere von Grundminen, in Draufsicht schematisch dargestellt. Das Sonarsystem weist einen Sendewandler 10 und einen Empfangswandler 11 auf. Der Sendewandler 10 ist auf einem ersten Wasserfahrzeug, dem sog. Suchschiff 12, angeordnet und besteht aus einer Vielzahl von in Längsrichtung des Suchschiffes 12 aneinandergereihten Wandlerelementen 13. Wie Fig. 2 zeigt, sind die Wandlerelemente 13 des Sendewandlers 10 auf einem Kreisbogen angeordnet. Bei üblichem Arbeitsabstand r des Suchschiffes 12 vom Meeresboden 15 liegt der Krünunungsmittelpunkt Ik des Kreisbogens unter dem Sendewandler 10 auf dem Meeresboden 15. Eine durch diesen Krümmungsmittelpunkt l*t hindurchgehende quer zur Längsrichtung des Suchschiffes 12 verlaufende Linie wird als Fokuslinie l6 bezeichnet. Bei richtiger Fokussierung verläuft die Fokuslinie l6 rechtwinklig zu einer von den Wandlerelementen I3 aufgespannten vertikalen Ebene atif dem Meeresboden 15 Jeder Punkt auf der Fokuslinie 16 hat dann von allen Wandlerelementen 13 jeweils den gleichen Abstand. Durch diese Ausbildung des Sendewandlers 10 wird erreicht, daß die in Fig. 1 schematisch dargestellte Sendehauptkeule 17 des Sendewandlers 10 in Hori-

• · a • * ff * · ·

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zontalrichtung unabhängig von der Entfernung extrem scharf gebündelt ist, im Beispiel einen azimutalen Öffnungswinkel 2*1/ =0,2° aufweist. In Vertikalrichtung hingegen ist die Sendehauptkeule 17 nur sehr schwach gebündelt. Vorteilhaft wird das Suchschiff 12 als Unterwasserfahrzeug ausgebildet, so daß der Arbeitsabstand des Suchschiffes 12 vom Meeresboden 15 immer gleich dem vorgegebenen Abstand r des Sendewandlers 10 von der Fokuslinie gewählt werden kann.

Der Empfangswandler 11 ist als Teil einer richtungsselektiven Empfangsvorrichtung 18 auf einem zweiten Wasserfahrzeug, dem Führungsschiff 191 angeordnet. Der Empfangswandler 11, der in Fig. 1 und nur schematisch angedeutet ist, kann eine lineare, eine kreisförmige, ebene oder zylinderförmige Basis mit einer Vielzahl von Wandlerelementen 2k sein. Durch einen sog. Beamformer 20 erhält die Empfangsvorrichtung l8 eine Anzahl von richtungsselektiven Empfangskanälen, so daß der in Fig. 1 schematisch dargestellte Empfangsbereich 21 der Empfangsvorrichtung l8 in eine entsprechende Anzahl fächerartig aufgespannter, sich geringfügig überlappender Empfangssektoren 22 unterteilt ist. Zur Empfangsvorrichtung l8 gehört noch eine dem Beamformer 20 nachgeschaltete Signalverarbeitungsvorrichtung 23, die mit bekannten Methoden von Frequenz- und Zeitfilterung, Amplitudenregelung und/oder Schwellwertdetektion Echos in Empfangssignalen erkennt. Der Empfangswandler 11 ist derart auf dem Führungsschiff 19 angeordnet, daß der Empfangsbereich 21 der Empfangsvorrichtung 18, wie in Fig. 1 schematsich gezeigt, in Vorausrichtung des Führungsschiffes 19 Liegt. Das Führungsschiff 19 fährt in

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bekanntem Abstand seitlich zurückversetzt hinter dem Suchschiff 12, so daß die Empfangssektoren des Empfangsbereichs 21 der Empfangsvorrichtung die vom Sendewandler 10 abgestrahlte Sendehauptkeule 17 zumindest teilweise erfassen.

Gemäß dem Verfahren zur Detektion und Klassifikation von nahe dem Meeresboden 15 befindlicher Objekte wird ein vorgebbares Sendegebiet mit horizontal scharf und vertikal schwach gebündelten Wasserschallimpulsen beschallt. Hierzu ist auf dem Suchschiff 12 ein Sender 25 vorgesehen, der elektrische Impulse mit vorgegebener Dauer, Trägerfrequenz, Taktrate und Sendeleistung erzeugt und sie dem Sendewandler 10 zuführt. Im Sendegebiet reflektierte Echos werden von dem Führungsschiff aus mit der Empfangsvorrichtung 18 über die Empfangssektoren 22 richtungsselektiv empfangen. Zu jedem empfangenen Echo wird die Schallimpulslaufzeit bestimmt. Zugleich werden der relative Abstand von Suchschiff 12 und Führungsschiff 19 und die Senderichtung bestimmt. Aus diesen drei Größen wird dann mit Hilfe einer Entzerrungsrechnung in einem Echoentzerrer 26 die Reflexionszentren der empfangenen Echos innerhalb der Empfangssektoren lagerichtig bestimmt und mit einer Aufzeichnungsvorrichtung 27 kartographisch dargestellt und festgehalten. Zur Bestimmung der Senderichtung des Sendewandlers 10 wird der Kurs des Suchschiffes 12 mittels eines Kompasses 28 ständig festgestellt und über eine Datenleitung 29 an das Führungsschiff 19 und dort an den Echoentzerrer 26 gegeben. Zur Berücksichtigung der momentanen Lage der einzelnen Empfangssektoren 22 wird ebenfalls der Kurs

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des Führungsschiffes 19 laufend durch einen Kompaß 30 überwacht, dessen Daten ebenfalls an den Echoentzerrer 26 gegeben werden. Zur genauen Positionsbestimmung des Suchschiffes 12 zum Führungsschiff 19, also zur Bestimmung des Abstandes beider Schiffe voneinander, werden die Sendeimpulse vom Sendewandler 10 zusätzlich direkt empfangen und ausgewertet. Zur Steigerung der Operationsgenauigkeit ist sowohl auf dem Suchschiff 12 als auch auf dem Führungsschiff 19 ein Navigationssensor 31 bzw. 32 vorgesehen, deren Daten ebenfalls an den Echoentzerrer 26 - beim Navigationssensor 31 des Suchschiffes 12 über die Datenleitung 29 - zugeführt werden. Die Navigationssensoren 31 und 32, die der genauen Kurs- und Positionsermittlung von Suchschiff 12 und Führungsschiff I9 dienen, können z. B. als bekannte Doppler-Navigationssonare ausgebildet sein. Ein solches Doppler-Navigationssonar ist z. B. in der DE-PS 22 11 O63 beschrieben.

Die Zuordnung der über die Empfangssektoren 22 empfangenen Echos zu Reflexionszentren im Sendegebiet, das von der Sendehauptkeule 17 des Sendewandlers 10 beleuchtet wird, im Echoentzerrer 26 wird nach folgendem Verfahren durchgeführt:

Zur Entzerrung der Echos, d. h. zur Zuordnung der Echos zu den zugehörigen Reflexionszentren, von welchen sie ausgelöst worden sind, werden den einzelnen Empfangssektoren 22, also den Empfangskanälen der Empfangsvorrichtung l8, Zeitfenster 33 mit einer unteren Zeitgrenze t_„ und einer oberen Zeitgrenze

CiI 1

t zugeordnet. In Fig. 5 sind für sieben in Fig. k G2

schematisch dargestellte Empfangssektoren B bis Bq

die Zeitfenster 33 in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt, wobei die einzelnen Sendezeitpunkte T , T +Δt, T + 2Ät usw. die Parameter bilden.

Die Zeitgrenzen t„. und t__ werden anhand der Schall

Gl Cä«s

impulslaufzeiten bestimmt, die vom Sendeort S in Senderichtung "}k bis zur Reflexion an den seitlichen Grenzen G und G der Empfangssektoren 22 (B bis B_ft

X (mi til

und von dort bis zum Empfangsort E gemessen werden (Fig. k). Die untere Zeitgrenze ergibt sich dabei aus der Reflexion an der dem Sendeort S zugekehrten, in Senderichtung Jk vorderen Grenze G und die obere Zeitgrenze aus der Reflexion an der vom Sendeort S abgekehrten, in Senderichtung 3^ hinteren Grenze G des jeweiligen Empfangssektors 22. In Fig· ^ ist dies zeichnerisch für den Empfangssektor B dargestellt. Die Strecke SG E dividiert durch die Schallgeschwindigkeit ergibt dabei die untere Zeitgrenze t und die Strecke SG E dividiert durch die Schallgeschwindigkeit die obere Zeitgrenze t„_o für das dem Empfangssektor B₀ zugeordnete Zeitfenster 33· Die übrigen Zeitfenster 33 ergeben sich entsprechend. Die Zeitgrenzen für die einzelnen EmpfangsSektoren 22 nehmen mit zunehmender Entfernung des einzelnen Empfangssektors 22 vom Sendeort S zu, wobei bei unmittelbar aneinanderliegenden Empfangssektoren 22, wie in Fig. k dargestellt ist, die jeweiligen Zeitgrenzen aneinander angrenzender Empfangssektoren 22 sich um die Durchlaufzeit eines Schallimpulses quer durch einen Empfangssektor 22 unterscheiden.

Im Beispiel ist angenommen, daß der Sendewandler Sendeimpulse mit einer Zeitperiode Δt aussendet. Sen-

debeginn ist der Zeitpunkt T . Die Sendeimpulsfolgefrequenz betragt demnach 1/Zit. Die Sendeimpulsperiode ist dabei abhängig von der in Senderichtung "$k gesehenen Breite der Empfangssektoren 22. Sie muß mindestens so groß sein, daß der eine Schallimpuls einen Empfangssektor 22 bereits verlassen hat, bevor der nachfolgende Sendeimpuls in den gleichen Empfangssektor 22 eindringt. Mit Aussenden eines weiteren Sendeimpulses werden die Zeitfenster 33 der einzelnen Empfangssektoren 22 um diese Zeitspanne At zu höheren Zeiten hin verschoben. In Fig. 5 ist ein solches Zeitraster der Zeitfenster 33 für vier verschiedene Sendezeitpunkte, die jeweils um eine Sendeperiode At auseinander liegen, dargestellt. Durch diese Zeitfenster 33 sind die Empfangssektoren 22 nach einem bestimmten Zeitmuster zum Empfang freigegeben. Zu einem Zeitpunkt t„., in welchem ein Echo empfangen wird, sind

E/l

z. B. von den Empfangssektoren 22 der Empfangssektor B , der Empfangssektor B und der Empfangssektor B freigeschaltet. Da das im EmpfangsZeitpunkt X. empfangene Echo über den Empfangs sekt or B empfangen worden ist, läßt sich ohne weiteres feststellen, daß das Echo von einem Schallimpuls herrührt, der zum Zeitpunkt T_ + 2/lt ausgesendet worden ist. Aus der Schallimpulslaufzeit, gerechnet vom Sendebeginn T an und dem Zeitfenster 33 desjenigen Empfangssektors 22, unter welchem das Echo empfangen worden ist, läßt sich mithin der Sende-Zeitpunkt und der Sendeort des Schallimpulses bestimmen, der das Echo ausgelöst hat. Da damit die originäre Schallimpulslaufzeit bekannt ist, d. h. die Zeit vom Aussenden des Schallimpulses bis zum Eintreffen in der Empfangsvorrichtung, im Beispiel

"··' '··'·"· 3221U13

die Zeitspanne zwischen dem Sendezeitpunkt T + 2/lt bis zum Empfangszeitpunkt t„., läßt sich nunmehr das

Cj 1

Reflexionszentrum R dieses Echos bestimmen. Hierzu wird der geometrische Ort aller derjenigen Punkte bestimmt, für die die Summe ihrer Abstände von dem Sendeort S im ermittelten Sendezeitpunkt (im Beispiel T + 2Δί) und dem Empfangsort E im Empfangszeitpunkt (im Beispiel t ) konstant und gleich der

Vj 1

zugehörigen Schallimpulslaufzeit multipliziert mit der Schallgeschwindigkeit ist. Die sich ergebende Ortskurve 35 für alle diese geometrischen Orte ist eine Ellipse und für das erwähnte Beispiel in Fig. dargestellt. Da laufend der Kurs des Suchschiffes verfolgt wird, ist auch die Senderichtung "}k zu jedem Zeitpunkt, also im Sendezeitpunkt, im Beispiel T + 2£t, bekannt. Der Schnittpunkt der Senderichtung 3k mit der Ortskurve 35 gibt das Reflexionszentrum R des zum Zeitpunkt t„ empfangenen Echos an.

In Fig. 7 ist noch ein weiteres Beispiel für ein zum Zeitpunkt t__o empfangenes Echo dargestellt. Wie man ohne weiteres erkennen kann, muß aufgrund des vorgegebenen Zeitrasters das im Empfangssektor B_ empfangene Echo von einem Schallimpuls herrühren, der zum Zeitpunkt T am Sendeort S ausgesendet worden ist. Das Reflexionszentrum R ergibt sich in gleicher Weise wie beschrieben und wie ohne weiteres aus Fig. 7 ersichtlich ist.

Die Genauigkeit der Bestimmung des Reflexionszentrums R ist lediglich von der azimutalen Breite der Sendehauptkeule 17 abhängig. In Fig. *t , 6 und 7 ist

der Einfachheit halber die Senderichtung 3k als Mittellinie der Sendehauptkeule 17 angegeben. Bei einem Öffnungswinkel der Sendehauptkeule ²I^ von

0,2 ist der mögliche Fehler dabei jedoch relativ gering.

Wie bei den bekannten Seitensichtsonaren liefert das vorstehend beschriebene Sonarsystem bzw. das vorstehend beschriebene Verfahren ebenfalls ein Abbild der Struktur des Meeresbodens 15 und der Gegenstände auf diesem oder nahe von diesem. In gleicher Weise bildet sich auch ein sog. Schattenwurf des Gegenstandes auf dem Meeresboden 15 - wie bei Seitensichtsonaren bekannt -, mit Hilfe dessen der geortete Gegenstand klassifiziert werden kann.

Die Leistungsfähigkeit des beschriebenen Suchsystems ist allein von der azimutalen Breite der Empfangssektoren 22 abhängig. Je kleiner der azimutale Öffnungswinkel der EmpfangsSektoren 22 ist, desto größer kann die Sendeimpulsfolgefrequenz gewählt werden und damit die Vorschubgeschwxndxgkext des Sonarsystems. Die Anzahl der vorhandenen nebeneinanderliegenden Empfangssektoren bestimmt die Breite des bei Fahrt des Suchsystems erfaßten Suchgebietes .

Um den Rechenaufwand für den Echoentzerrer 26 möglichst gering zu halten, ist es vorteilhaft, Führungsschiff 19 und Suchschiff 12 parallel zueinander mit gleichem Kurs und gleicher Geschwindigkeit fahren zu lassen, so daß der Abstand zwischen Führungsschiff 19 und Suchschiff 12 stets konstant ist. Kursänderungen des Suehschiffes 12 wirken sich

auf die Senderichtung, Kursänderungen des Führungsschiffes 19 auf die Lage des Empfangsbereiches 21 der Empfangsvorrichtung l8 und beide auf die relative Position von Führungsschiff 19 und Suchschiff 12 zueinander und damit auf den Abstand beider voneinander aus. Können die Großen.Senderichtung und relativer Abstand nicht konstant gehalten werden, so sind sie in der Entzerrungsrechnung zu berücksichtigen.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist zur Echoentzerrung auch möglich, auf die den Empfangssektoren 22 zugeordneten Zeitfenster zu verzichten und statt dessen die Schallimpulslaufzeiten eines zu einem Empfangszeitpunkt empfangenen Echos zu allen möglichen Sendezeitpunkten zu bestimmen. Dabei sind solche Sendezeitpunkte auszuschließen, zu denen die ermittelte Signallaufzeit kleiner ist, als der zeitliche Abstand des Empfangsorts zu dem Sendeort zu dem jeweiligen Sendezeitpunkt. Ebenso können solche Sendezeitpunkte ausgeschlossen werden, bei welchen sich Signallaufzeiten ergeben, die größer sind als die Laufzeit, die ein Schallimpuls vom Sendeort in Senderichtung quer durch den Empfangsbereich 21 bis zur Reflexion am Ende des Empfangsbereichs 21 und von dort zum Empfangsort benötigt. Die verbleibenden Laufzeitdifferenzen werden als Schallimpulslaufzeiten ausgegeben. Zu jeder Paarung des Empfangsorts mit einem der Sendeorte, für die eine Schallimpulslaufzeit ausgegeben worden, ist, wird der geometrische Ort aller derjenigen Punkte bestimmt, für die die Summe der

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schallgeschwindigkeitsbezogenen zeitlichen Abstände von dem Empfangsort einerseits und dem Sendeort andererseits konstant und gleich der zugeordneten Schallimpulslaufzeit ist. Als Ortskurve dieser Punkte ergibt sich wiederum eine Ellipse. Für jede Paarung des Empfangsorts mit einem der möglichen Sendeort ergibt sich somit eine Ellipse. Diese Ellipsen schneiden die von den möglichen Sendeorten ausgehenden Senderichtungen. Dabei sind nur diejenigen Schnittpunkte relevante Reflexionszentren, die in den Empfangssektoren liegen, in denen zum Empfangszeitpunkt Echos empfangen wurden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

[ 1J Verfahren zur Unterwasserortung mit Schallimpulsen, -—' insbesondere zur Detektion und/oder Klassifikation auf oder nahe dem Gewässergrund befindlicher Objekte, bei welchem von einem Wasserfahrzeug aus ein vorgebbares Sendegebiet beschallt wird und aus dem Sendegebiet reflektierte Echos über eine Mehrzahl von fächerartig aufgespannten EmpfangsSektoren richtungsselektiv empfangen und anhand der zugehörigen Schallirapulslaufzeit ihren Reflexionszentren innerhalb des jeweiligen EmpfangsSektors zugeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Echoempfang von einem zweiten Wasserfahrzeug (19) durchgeführt wird, das zu dem ersten Wasserfahrzeug (12) zurückversetzt in einem solchen Abstand fährt, daß die Empfangssektoren (22) das Sendegebiet zumindest

teilweise erfassen, daß die azimutale Breite (2U ) des jeweils beschallten Sendegebietes (17) sehr klein gewählt wird und daß zur Zuordnung der Reflexionszentren (R) zu den Echos neben der Schallimpulslaufzeit der relative Abstand beider Wasserfahrzeuge (12, 19) und die Senderichtung (3^) zumindest im Sendezeitpunkt bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die azimutale Breite (2ΐΓ ) des Sendegebietes (17) um ein Vielfaches kleiner, vorzugsweise um

mindestens eine Zehnerpotenz kleiner, als die azimutale Breite (2U ) der EmpfangsSektoren (22) gewählt und vorzugsweise konstant gehalten wird.

KAE 6-8Ο
12.5.82
GAP Sh/sa

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wasserfahrzeuge (12, 19) im wesentlichen parallel zueinander und vorzugsweise im konstanten Abstand voneinander fahren, daß vom ersten Wasserfahrzeug (12) aus das Sendegebiet (17) im wesentlichen quer zur Fahrtrichtung beschallt wird und daß der von den Empfangssektoren (22) überdeckte Empfangsbereich (21) in Vorausrichtung des zweiten Wasserfahrzeugs (19) gelegt wird.

k. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3₅ dadurch gekennzeichnet, daß den Empfangssektoren (22) jeweils ein Zeitfenster (33) mit einer oberen und unteren Zeitgrenze (t„_o, t ) zugeordnet wird, daß

(iid Gl

die Zeitgrenzen {t„., t_₂) anhand der Schallimpulslaufzeiten, gemessen vom Sendeort (S) in Senderichtung (3^) bis zur Reflexion an den seitlichen Grenzen (G., G) des jeweiligen Empfangssektors (22) und von dort zum Empfangsort (E), bestimmt werden, wobei die untere Zeitgrenze (t ) aus der Reflexion an der dem Sendeort (S) zugekehrten, in Senderichtung (3*i) vorderen Grenze (G ) und die obere Zeitgrenze (t ) aus der Reflexion an der vom Sendeort

Uw

(S) abgekehrten, in Senderichtung (3^) hinteren Grenze (G ) des jeweiligen Empfangssektors (22) resultiert, daß der einem Echo jeweils zugehörige Sendezeitpunkt dos Schallimpulses aus der zugehörigen Schallimpuls Laufzeit und dem Zeitfenster (33) des Empfangssektors (22), in welchem das Echos empfangen wurde, ermittelt wird, daß jeweils der geometrische Ort aller derjenigen Punkte bestimmt wird, für die die Summe ihrer Abstände von dem Sendeort (S) im ermittelten Sendezeitpunkt einerseits und

dem Empfangsort (E) im Empfangszeitpunkt andererseits konstant und gleich der zugehörigen Schallimpulslaufzeit multipliziert mit der Schallgeschwindigkeit ist, und daß jeweils der Schnittpunkt der Ortskurve (35) mit der vom Sendeort (S) im Sendezeitpunkt ausgehenden Senderichtung (3k) als Reflexionszentrum (R) des Echos ausgegeben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitfenster (33) mit jedem neuen Sendeimpuls um einen dem Kehrwert der Sendeimpulsfolgefrequenz entsprechenden Betrag (At) zu größeren Zeiten hin verschoben wird und daß die Laufzeit aller Schallimpulse vom Sendebeginn (T ) an mit Aussenden des ersten Schallimpulses gemessen wird.

6. Verfahren nach Anspruch k oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitfenster (33) lückenlos aneinanderliegen, vorzugsweise sich geringfügig überlappen.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem auf einem Wasserfahrzeug angeordneten Sendewandler mit vorzugsweise im wesentlichen quer zur Fahrtrichtung weisender Senderichtung, mit einer einen Empfangswandler aufweisenden richtungsselektiven Empfangsvorrichtung, deren Empfangsbereich zur Richtungsselektion in eine Anzahl fächerartig aufgespannter, sich vorzugsweise überlappender Empfangssektoren unterteil ist, und mit einer Vorrichtung zur entfernungs- und richtungsabhängigen Darstellung der empfangenen Echos, dadurch gekennzeichnet, daß der

Sendewandler (10) eine Sendehauptkeule (17) mit gegenüber dem Öffnungswinkel (2y ) der Empfangssektoren (22) sehr kleinem, vorzugsweise um mindestens eine Zehnerpotenz kleinerem,azimutalen Öffnungswinkel (2Tf ) aufweist, daß der Empfangswandler (11) auf einem zweiten, in einem bekannten Abstand zu dem ersten Wasserfahrzeug (12) seitlich zurückversetzt fahrenden Wasserfahrzeug (19) derart angeordnet ist, daß sein vorzugsweise in Vorausrichtung des zweiten Wasserfahrzeugs (19) liegender Empfangsbereich (21) die Sendehauptkeule (17) zumindest teilweise erfaßt, und daß die Vorrichtung zur entfernungs- und richtungsabhangigen Darstellung der Echos einen Echoentzerrer (26) aufweist, der mit der Empfangsvorrichtung (l8) verbunden ist und der zu einem Empfangszeitpunkt aus Empfangssektoren (22) empfangene Echos anhand der zugehörigen Schallimpulslaufzeit, des Abstandes der beiden Wasserfahrzeuge (12, 19) voneinander und der Senderichtung (3^) im Sendezeitpunkt einem Reflexionszentrum (R) in dem jeweiligen Empfangssektor (22) zuordnet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Echoentzerrer (26) mit je einem auf den Wasserfahrzeugen (12, 19) angeordneten Navigationssensor (28, 32) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Echoentzerrer (26) mit je einem auf den Wasserfahrzeugen (12, I9) angeordneten Kompaß (28, 30) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9_? dadurch gekennzeichnet, daß der Sendewandler (10) eine Vielzahl von im wesentlichen in Längsrichtung des ersten Wasserfahrzeugs (12) angeordnete

τ Wand 1 ere leinen te (13) aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendehauptkeule (17) derart fokussiert ist, daß bei üblichem Arbeitsabstand des ersten Wasserfahrzeugs (12) vom Gewässergrund (15) eine Fokuslinie (l6) in wesentlichen rechtwinklig zu einer von den Wandlerelementen (13) aufgespannten Ebene auf dem Gewässergrund (15) verläuft.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (13) auf einem Kreisbogen angeordnet sind, dessen Krümmungsmittelpunkt (I^) unter dem Sendewandler (10) auf der Fokuslinie (Ιό) liegt.