DE3221013C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterwas­ serortung mit Schallimpulsen, der im Oberbe­ griff des Anspruchs 1 definierten Art.

Bei einem nach diesem Verfahren arbeitenden bekann­ ten Sonargerät, einem sog. Seitensichtsonar, für die topographische Meeresbodenvermessung (DE-OS 22 12 975 oder US-PS 42 07 620) sind ein Sendewandler und eine richtungsselektive Emp­ fangsvorrichtung auf einem einzigen Wasserfahrzeug angeordnet und beider Richtcharakteristiken im wesentlichen quer zur Fahrtrichtung des Wasserfahr­ zeugs ausgerichtet. Der Sendewandler beschallt ein relativ breites Sendegebiet quer zur Fahrtrichtung des Wasserfahrzeugs. Die Empfangsvorrichtung, die einen Empfangswandler aufweist, dessen Länge we­ sentlich größer ist als die des Sendewandlers, er­ faßt gleichzeitig mehrere innerhalb des Sendege­ bietes nebeneinanderliegende streifenförmige Emp­ fangsgebiete.

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

Die Güte der Auflösung ist jedoch abhängig von der azimutalen Breite der Empfangsgebiete, also von dem Öffnungswinkel der von dem Empfangswand­ ler ausgehenden Empfangssektoren und ist um so größer, je kleiner letzterer ist. Die Vorschub­ geschwindigkeit hingegen hängt von dem Öffnungs­ winkel des von dem Sendewandler ausgehenden Sende­ strahls (Sendebeam) ab und ist diesem direkt propor­ tional. Da das gesamte Sendegebiet von den Emp­ fangssektoren 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 Bil­ dung der Empfangssektoren (Empfangsbeams) erfor­ derliche 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 verwen­ den, da das dieses Sonargerät tragende Wasserfahr­ zeug aufgrund der zur Fahrtrichtung ausschließ­ lich seitlichen Detektionsrichtung bei Aufspüren von Minenfeldern unbeabsichtigt in solche hinein­ fahren kann und dadurch stets sehr gefährdet ist. Für Minendetektion werden daher solche Sonargerä­ te nur auf unbemannten Suchschiffen installiert, wobei ein zweites, das Suchschiff im Sicherheits­ abstand begleitende Führungsschiff erforderlich ist. Dennoch ist wegen des hohen mechanischen und elektronischen Aufwandes im Suchschiff das Verlust­ risiko sehr hoch.

Aus den US-PS 42 47 923 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion eines auf dem Meeresboden verlegten Kabels oder Rohres bekannt, bei welchem von einem Wasserfahrzeug aus mittels eines Unterwasser­ senders akustische Impulse ausgesendet werden. Die von den Impulsen am Meeresboden ausgelösten Echos werden von zwei getrennten Empfängern aufgenommen, die auf seitlich zurückversetzten Schleppkörpern an­ geordnet sind. Die Schleppkörper werden im vorbe­ stimmten Abstand vom Wasserfahrzeug gezogen. Die von den Empfängern aufgenommenen Signale werden kombi­ niert und aufgezeichnet. Aus der Darstellung dieser kombinierten Empfangssignale läßt sich die Lage des Kabels oder des Rohres erkennen.

Aus der US-PS 35 04 333 (DE-PS 15 66 852) ist ein Echolot bekannt, bei dem zur Unterscheidung zwischen Bodenechos und Echos von über dem Boden befindlichen Schwimmkörpern, z. B. Fischen, ein kombiniertes Am­ plituden- und Pulslängenfilter verwendet wird, dessen Ansprechschwelle wesentlich höher liegt als dessen Abfallschwelle.

Aus der US-PS 38 10 082 (DE-PS 21 36 780) ist eine Empfangsanlage für Unterwasserortung bekannt, die eine Vielzahl von auf einem Zylinder angeordnete elektroakustische Wandler (Zylinderbasis) aufweist, deren Empfangssignale zum Bilden einer in einer vor­ bestimmten Empfangsrichtung weisenden Richtcharakte­ ristik gruppenweise einer Signalverarbeitung mit zeitlicher Verzögerung der Empfangssignale unterworfen werden. Eine solche Empfangsanlage wird als Unterwas­ serhorchanlage, und, da ihre Zylinderbasis bei Ober­ flächenschiffen am Schiffskiel angeordnet ist, auch als Kielsonar bezeichnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß der empfangsseitig für Empfangs­ wandler und Richtungsbildung erforderliche tech­ nische Aufwand bei gleichzeitiger Erzielung eines großen Auflösungsvermögens und einer ansprechen­ den Suchleistung wesentlich verringert ist. Zu­ gleich soll das Verfahren die Möglichkeit geben, auf vorhandene Komponenten, wie Empfangsvorrich­ tung mit Richtungsvorentzerrung, von kompletten, anderweitigen Aufgaben dienenden Sonaranlagen zu­ rückzugreifen und diese durch nur relativ gerin­ ge Modifizierung und/oder Ergänzung auch für den erfindungsgemäß angestrebten Zweck brauchbar zu machen.

Die Aufgabe ist bei einem Verfahren der im Ober­ begriff des Anspruchs 1 definierten Gattung er­ findungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichnungs­ teil des Anspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß der Auflösungsgrad unabhängig von dem Öffnungswin­ kel der Empfangssektoren ist und - abgesehen von der Sendeimpulslänge - nur von der azimutalen Brei­ te 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 empfangs­ seitig herkömmliche Kielsonare mit empfangsseiti­ ger Richtungsvorentzerrung eingesetzt werden, deren azimutale Breite der Empfangssektoren mit etwa 2° bis 80° Öffnungswinkel der Empfangsstrahlen (Empfangs­ beams) bei dem eingangs beschriebenen bekannten Sonargerät zur Erzielung einer brauchbaren Auf­ lösungsgenauigkeit nicht ausreichend ist. Selbst Kielsonare mit wesentlich größerem Öffnungswin­ kel der Empfangssektoren oder Empfangsbeams können ohne Beeinträchtigung der Auflösungsgenauigkeit verwendet werden. Von dem Öffnungswinkel der Emp­ fangsbeams ist lediglich die maximale Sendeimpuls­ folge abhängig, da der zeitliche Abstand aufein­ anderfolgender Sendeimpulse nicht kleiner sein darf als die Durchlaufzeit eines Sendeimpulses in Sen­ derichtung durch einen Empfangssektor. Die Durch­ laufzeit nimmt mit sich vergrößerndem Öffnungswin­ kel zu, wodurch die Sendeimpulsfolgefrequenz ab­ nimmt. Damit muß die Vorschubgeschwindigkeit des nach diesem Verfahren arbeitenden Systems herab­ gesetzt werden, um das Entstehen nicht erfaßter Zonen zu verhindern. Bei gleicher Auflösungsge­ nauigkeit 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. Kielso­ nare mit ebener Basis oder Zylinderbasis, zur Mee­ resbodenabtastung 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 Er­ zielung des gleichen Zwecks relativ gering ist. Der Arbeitsbereich eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Sonargerätes liegt in er­ heblich größerer Entfernung vor dem die Empfangs­ vorrichtung tragenden Führungsschiff als bei her­ kömmlichen Kielsonaren, die mitunter zur Minende­ tektion verwendet werden. Zum Zwecke der Minende­ tektion bedeutet dies einen wesentlich verbesser­ ten Schutz des Führungsschiffes. Da die auf dem vorauslaufenden Suchschiff installierten Komponen­ ten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens, wie Sendewandler und ggf. Navigationsvor­ richtungen, nur einen geringen Teil der gesamten hierfür erforderlichen Sonaranlage ausmachen, ist das Verlustrisiko bei Minendetektion beträchtlich gesenkt.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des er­ findungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus Anspruch 4. Durch die Zuordnung der Zeitfenster zu den ein­ zelnen Empfangssektoren läßt sich eine Selektion der empfangenen Echos nach Ursprungszeit und Ur­ sprungsort ohne größeren Rechenaufwand in einfacher Weise erreichen. Ist der dem Echo zugehörige Sen­ dezeitpunkt und Sendeort bekannt, so ergibt sich aus der Senderichtung zum Sendezeitpunkt und der Schallimpulslaufzeit unter Berücksichtigung des ge­ genseitigen Abstandes von Sende- und Empfangsort nach einfachen geometrischen Beziehungen das Re­ flexionszentrum des Echos. Der dabei gemachte Feh­ ler ist lediglich abhängig von dem Öffnungswinkel des Sendestrahls und der Länge des Sendeimpulses.

Eine besonders zweckmäßige Vorrichtung zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus Anspruch 7, insbesondere in Verbindung mit einem oder mehrerer der folgenden Ansprüche. Mit den vorgesehenen Kompaßanlagen werden Infor­ mationen über den momentanen Kurs des ersten Wasserfahrzeugs gewonnen und damit eine exakte Bestimmung der Senderichtung zur Kursrichtung des zweiten Wasserfahrzeugs ermöglicht. Die zu­ sätzlichen Navigationssensoren dienen der Stei­ gerung der Operationsgenauigkeit der Wasserfahr­ zeuge. Durch die angegebene Anordnung der Wandler­ elemente auf einen Kreisbogen läßt sich eine ex­ treme Bündelung der Sendehauptkeule mit einem azi­ mutalen Öffnungswinkel von etwa 0,2° erzielen.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels eines Sonar­ systems im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf das Sonarsystem mit Such- und Führungsschiff,

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. 4 eine schematische Darstellung des von acht Empfangssektoren gebildeten Emp­ fangsbereichs einer auf dem Führungs­ schiff in Fig. 1 angeordneten Empfangs­ vorrichtung,

Fig. 5 ein Zeitdiagramm von den Empfangssek­ toren in Fig. 4 zugeordneten Zeitfen­ stern für vier aufeinanderfolgende Sen­ dezeitpunkte,

Fig. 6 und Fig. 7 eine Darstellung von zwei Beispielen der räumlichen Zuordnung von Reflexions­ zentrum und Sende- und Empfangsort zu zwei verschiedenen Echoempfangszeit­ punkten.

In Fig. 1 ist ein Sonarsystem zur Meeresgrundab­ tastung zwecks Detektion und/oder Klassifikation auf oder nahe dem Meeresgrund befindlicher Objekte, insbesondere von Grundminen, in Draufsicht sche­ matisch dargestellt. Das Sonarsystem weist einen Sendewandler 10 und einen Empfangswandler 11 auf. Der Sendewandler 10 ist auf einem ersten Wasser­ fahrzeug, dem sog. Suchschiff 12, angeordnet und besteht aus einer Vielzahl von in Längsrichtung des Suchschiffes 12 aneinandergereihten Wandler­ elementen 13. Wie Fig. 2 zeigt, sind die Wandler­ elemente 13 des Sendewandlers 10 auf einem Kreis­ bogen angeordnet. Bei üblichem Arbeitsabstand r des Suchschiffes 12 vom Meeresboden 15 liegt der Krümmungsmittelpunkt 14 des Kreisbogens unter dem Sendewandler 10 auf dem Meeresboden 15. Eine durch diesen Krümmungsmittelpunkt 14 hindurchgehende quer zur Längsrichtung des Suchschiffes 12 verlaufende Linie wird als Fokuslinie 16 bezeichnet. Bei rich­ tiger Fokussierung verläuft die Fokuslinie 16 recht­ winklig zu einer von den Wandlerelementen 13 auf­ gespannten vertikalen Ebene auf 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 dargestell­ te Sendehauptkeule 17 des Sendewandlers 10 in Hori­ zontalrichtung unabhängig von der Entfernung extrem scharf gebündelt ist, im Beispiel einen azimutalen Öffnungswinkel 2ϑ _-3 = 0,2° aufweist. In Vertikal­ richtung hingegen ist die Sendehauptkeule 17 nur sehr schwach gebündelt. Vorteilhaft wird das Such­ schiff 12 als Unterwasserfahrzeug ausgebildet, so daß der Arbeitsabstand des Suchschiffes 12 vom Meeresboden 15 immer gleich dem vorgegebenen Ab­ stand r des Sendewandlers 10 von der Fokuslinie 16 gewählt werden kann.

Der Empfangswandler 11 ist als Teil einer richtungs­ selektiven Empfangsvorrichtung 18 auf einem zwei­ ten Wasserfahrzeug, dem Führungsschiff 19, ange­ ordnet. Der Empfangswandler 11, der in Fig. 1 und 3 nur schematisch angedeutet ist, kann eine lineare, eine kreisförmige, ebene oder zylinderförmige Basis mit einer Vielzahl von Wandlerelementen 24 sein. Durch einen sog. Beamformer 20 erhält die Empfangs­ vorrichtung 18 eine Anzahl von richtungsselektiven Empfangskanälen, so daß der in Fig. 1 schematisch dargestellte Empfangsbereich 21 der Empfangsvor­ richtung 18 in eine entsprechende Anzahl fächerar­ tig aufgespannter, sich geringfügig überlappender Empfangssektoren 22 unterteilt ist. Zur Empfangs­ vorrichtung 18 gehört noch eine dem Beamformer 20 nachgeschaltete Signalverarbeitungsvorrichtung 23, die mit bekannten Methoden von Frequenz- und Zeit­ filterung, Amplitudenregelung und/oder Schwellwert­ detektion Echos in Empfangssignalen erkennt. Der Empfangswandler 11 ist derart auf dem Führungs­ schiff 19 angeordnet, daß der Empfangsbereich 21 der Empfangsvorrichtung 18, wie in Fig. 1 schema­ tisch gezeigt, in Vorausrichtung des Führungs­ schiffes 19 liegt. Das Führungsschiff 19 fährt in bekanntem Abstand seitlich zurückversetzt hinter dem Suchschiff 12, so daß die Empfangssektoren 22 des Empfangsbereichs 21 der Empfangsvorrichtung 18 die vom Sendewandler 10 abgestrahlte Sendehaupt­ keule 17 zumindest teilweise erfassen.

Gemäß dem Verfahren zur Detektion und Klassifika­ tion von nahe dem Meeresboden 15 befindlicher Ob­ jekte wird ein vorgebbares Sendegebiet mit hori­ zontal scharf und vertikal schwach gebündelten Wasserschallimpulsen beschallt. Hierzu ist auf dem Suchschiff 12 ein Sender 25 vorgesehen, der elek­ trische Impulse mit vorgegebener Dauer, Träger­ frequenz, Taktrate und Sendeleistung erzeugt und sie dem Sendewandler 10 zuführt. Im Sendegebiet reflektierte Echos werden von dem Führungsschiff 19 aus mit der Empfangsvorrichtung 18 über die Emp­ fangssektoren 22 richtungsselektiv empfangen. Zu jedem empfangenen Echo wird die Schallimpulslauf­ zeit bestimmt. Zugleich werden der relative Ab­ stand 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 12 lagerichtig bestimmt und mit einer Aufzeichnungs­ vorrichtung 27 kartographisch dargestellt und fest­ gehalten. Zur Bestimmung der Senderichtung des Sen­ dewandlers 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 einzel­ nen Empfangssektoren 22 wird ebenfalls der Kurs des Führungsschiffes 19 laufend durch einen Kom­ paß 30 überwacht, dessen Daten ebenfalls an den Echoentzerrer 26 gegeben werden. Zur genauen Po­ sitionsbestimmung des Suchschiffes 12 zum Führungs­ schiff 19, also zur Bestimmung des Abstandes beider Schiffe voneinander, werden die Sendeimpulse vom Sendewandler 10 zusätzlich direkt empfangen und ausgewertet. Zur Steigerung der Operationsgenauig­ keit ist sowohl auf dem Suchschiff 12 als auch auf dem Führungsschiff 19 ein Navigationssensor 31 bzw. 32 vorgesehen, deren Daten ebenfalls an den Echoent­ zerrer 26 - beim Navigationssensor 31 des Such­ schiffes 12 über die Datenleitung 29 - zugeführt werden. Die Navigationssensoren 31 und 32, die der genauen Kurs- und Positionsermittlung von Such­ schiff 12 und Führungsschiff 19 dienen, können z. B. als bekannte Doppler-Navigationssonare ausgebildet sein. Ein solches Doppler-Navigationssonar ist z. B. in der DE-PS 22 11 063 beschrieben.

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

Zur Entzerrung der Echos, d. h. zur Zuordnung der Echos zu den zugehörigen Reflexionszentren, von welchen sie ausgelöst worden sind, werden den ein­ zelnen Empfangssektoren 22, also den Empfangskanälen der Empfangsvorrichtung 18, Zeitfenster 33 mit einer unteren Zeitgrenze t _G1 und einer oberen Zeitgrenze t _G2 zugeordnet. In Fig. 5 sind für sieben in Fig. 4 schematisch dargestellte Empfangssektoren B₂ bis B₈ die Zeitfenster 33 in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt, wobei die einzelnen Sendezeitpunkte T₀, T₀ + Δ t, T₀ + 2Δ t usw. die Parameter bilden. Die Zeitgrenzen t _G1 und t _G2 werden anhand der Schall­ impulslaufzeiten bestimmt, die vom Sendeort S in Senderichtung 34 bis zur Reflexion an den seitlichen Grenzen G₁ und G₂ der Empfangssektoren 22 (B₂ bis B₈) und von dort bis zum Empfangsort E gemessen werden (Fig. 4). Die untere Zeitgrenze ergibt sich dabei aus der Reflexion an der dem Sendeort S zugekehrten, in Senderichtung 34 vorderen Grenze G₁ und die obe­ re Zeitgrenze aus der Reflexion an der vom Sende­ ort S abgekehrten, in Senderichtung 34 hinteren Grenze G₂ des jeweiligen Empfangssektors 22. In Fig. 4 ist dies zeichnerisch für den Empfangssek­ tor B₂ dargestellt. Die Strecke SG₁E dividiert durch die Schallgeschwindigkeit ergibt dabei die untere Zeitgrenze t _G₁ und die Strecke SG₂E divi­ diert durch die Schallgeschwindigkeit die obere Zeit­ grenze t _G₂ für das dem Empfangssektor B₂ zugeord­ nete Zeitfenster 33. Die übrigen Zeitfenster 33 ergeben sich entsprechend. Die Zeitgrenzen für die einzelnen Empfangssektoren 22 nehmen mit zunehmen­ der Entfernung des einzelnen Empfangssektors 22 vom Sendeort S zu, wobei bei unmittelbar aneinan­ derliegenden Empfangssektoren 22, wie in Fig. 4 dargestellt ist, die jeweiligen Zeitgrenzen anein­ ander angrenzender Empfangssektoren 22 sich um die Durchlaufzeit eines Schallimpulses quer durch einen Empfangssektor 22 unterscheiden.

Im Beispiel ist angenommen, daß der Sendewandler 10 Sendeimpulse mit einer Zeitperiode Δ t aussendet. Sen­ debeginn ist der Zeitpunkt T₀. Die Sendeimpulsfol­ gefrequenz beträgt demnach 1/Δ t. Die Sendeimpuls­ periode ist dabei abhängig von der in Senderichtung 34 gesehenen Breite der Empfangssektoren 22. Sie muß mindestens so groß sein, daß der eine Schall­ impuls einen Empfangssektor 22 bereits verlassen hat, bevor der nachfolgende Sendeimpuls in den gleichen Empfangssektor 22 eindringt. Mit Aussen­ den eines weiteren Sendeimpulses werden die Zeit­ fenster 33 der einzelnen Empfangssektoren 22 um diese Zeitspanne Δ t zu höheren Zeiten hin verscho­ ben. In Fig. 5 ist ein solches Zeitraster der Zeit­ fenster 33 für vier verschiedene Sendezeitpunkte, die jeweils um eine Sendeperiode Δ t auseinander liegen, dargestellt. Durch diese Zeitfenster 33 sind die Empfangssektoren 22 nach einem bestimmten Zeitmuster zum Empfang freigegeben. Zu einem Zeit­ punkt t _E₁, in welchem ein Echo empfangen wird, sind z. B. von den Empfangssektoren 22 der Empfangssek­ tor B₅, der Empfangssektor B₃ und der Empfangssek­ tor B₂ freigeschaltet. Da das im Empfangszeitpunkt t _E₁ empfangene Echo über den Empfangssektor B₂ emp­ fangen worden ist, läßt sich ohne weiteres fest­ stellen, daß das Echo von einem Schallimpuls her­ rührt, der zum Zeitpunkt T₀ + 2Δ t ausgesendet wor­ den ist. Aus der Schallimpulslaufzeit, gerechnet vom Sendebeginn T₀ an und dem Zeitfenster 33 des­ jenigen Empfangssektors 22, unter welchem das Echo empfangen worden ist, läßt sich mithin der Sende­ zeitpunkt und der Sendeort des Schallimpulses be­ stimmen, 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 die Zeitspanne zwischen dem Sendezeitpunkt T₀ + 2Δ t bis zum Empfangszeitpunkt t _E₁, läßt sich nunmehr das 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 Bei­ spiel T₀ + 2Δ t) und dem Empfangsort E im Empfangs­ zeitpunkt (im Beispiel t _E₁) konstant und gleich der 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. 6 dargestellt. Da laufend der Kurs des Suchschiffes 12 verfolgt wird, ist auch die Senderichtung 34 zu je­ dem Zeitpunkt, also im Sendezeitpunkt, im Beispiel T₀ + 2Δ t, bekannt. Der Schnittpunkt der Senderich­ tung 34 mit der Ortskurve 35 gibt das Reflexions­ zentrum R des zum Zeitpunkt t _E₁ empfangenen Echos an.

In Fig. 7 ist noch ein weiteres Beispiel für ein zum Zeitpunkt t _E₂ empfangenes Echo dargestellt. Wie man ohne weiteres erkennen kann, muß aufgrund des vor­ gegebenen Zeitrasters das im Empfangssektor B₇ emp­ fangene Echo von einem Schallimpuls herrühren, der zum Zeitpunkt T₀ 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 Reflexionszen­ trums R ist lediglich von der azimutalen Breite der Sendehauptkeule 17 abhängig. In Fig. 4, 6 und 7 ist der Einfachheit halber die Senderichtung 34 als Mittellinie der Sendehauptkeule 17 angegeben. Bei einem Öffnungswinkel der Sendehauptkeule 2 ϑ _-3 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 Gegenständen auf diesem oder nahe von diesem. In gleicher Weise bildet sich auch ein sog. Schatten­ wurf des Gegenstandes auf dem Meeresboden 15 - wie bei Seitensichtsonaren bekannt -, mit Hilfe dessen der geortete Gegenstand klassifiziert werden kann. Die Leistungsfähigkeit des beschriebenen Suchsy­ stems ist allein von der azimutalen Breite der Empfangssektoren 22 abhängig. Je kleiner der azi­ mutale Öffnungswinkel der Empfangssektoren 22 ist, desto größer kann die Sendeimpulsfolgefrequenz ge­ wählt werden und damit die Vorschubgeschwindigkeit des Sonarsystems. Die Anzahl der vorhandenen ne­ beneinanderliegenden Empfangssektoren bestimmt die Breite des bei Fahrt des Suchsystems erfaßten Such­ gebietes.

Um den Rechenaufwand für den Echoentzerrer 26 mög­ lichst gering zu halten, ist es vorteilhaft, Füh­ rungsschiff 19 und Suchschiff 12 parallel zuein­ ander mit gleichem Kurs und gleicher Geschwindig­ keit fahren zu lassen, so daß der Abstand zwischen Führungsschiff 19 und Suchschiff 12 stets konstant ist. Kursänderungen des Suchschiffes 12 wirken sich auf die Senderichtung, Kursänderungen des Führungs­ schiffes 19 auf die Lage des Empfangsbereiches 21 der Empfangsvorrichtung 18 und beide auf die rela­ tive Position von Führungsschiff 19 und Suchschiff 12 zueinander und damit auf den Abstand beider von­ einander aus. Können die Größen Senderichtung und relativer Abstand nicht konstant gehalten werden, so sind sie in der Entzerrungsrechnung zu berück­ sichtigen.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschrie­ bene Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist zur Echoentzerrung auch möglich, auf die den Empfangs­ sektoren 22 zugeordneten Zeitfenster zu verzichten und statt dessen die Schallimpulslaufzeiten eines zu einem Empfangszeitpunkt empfangenen Echos zu allen möglichen Sendezeitpunkten zu bestimmen. Da­ bei 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 grö­ ßer sind als die Laufzeit, die ein Schallimpuls vom Sendeort in Senderichtung quer durch den Emp­ fangsbereich 21 bis zur Reflexion am Ende des Emp­ fangsbereichs 21 und von dort zum Empfangsort be­ nötigt. Die verbleibenden Laufzeitdifferenzen wer­ den als Schallimpulslaufzeiten ausgegeben. Zu je­ der Paarung des Empfangsorts mit einem der Sende­ orte, für die eine Schallimpulslaufzeit ausgegeben worden, ist, wird der geometrische Ort aller derjenigen Punkte bestimmt, für die die Summe der schallgeschwindigkeitsbezogenen zeitlichen Ab­ stände von dem Empfangort einerseits und dem Sendeort andererseits konstant und gleich der zugeordneten Schallimpulslaufzeit ist. Als Orts­ kurve 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 Senderichtun­ gen. Dabei sind nur diejenigen Schnittpunkte re­ levante Reflexionszentren, die in den Empfangs­ sektoren liegen, in denen zum Empfangszeitpunkt Echos empfangen wurden.

Claims (12)

1. Verfahren zur Unterwasserortung mit Schallimpulsen, bei welchem von einem Wasserfahrzeug aus ein vorgebbares Sendegebiet beschallt wird und aus dem Sendegebiet reflektierte Echos über eine Mehrzahl von fächerartig aufgespannten Empfangssektoren rich­ tungsselektiv empfangen und anhand der zugehörigen Schallimpulslaufzeit ihren Reflexionzentren inner­ halb des jeweiligen Empfangssektors zugeordnet wer­ den, dadurch gekennzeichnet, daß der Echoempfang von einem zweiten Wasserfahrzeug (19) durchgeführt wird, das zu dem ersten Wasserfahrzeug (12) zurück­ versetzt in einem solchen Abstand fährt, daß die Empfangssektoren (22) das Sendegebiet zumindest teilweise erfassen, daß die azimutale Breite (2ϑ _-3) des jeweils beschallten Sendegebietes (17) sehr klein gewählt wird und daß zur Zuordnung der Re­ flexionszentren (R) zu den Echos neben der Schall­ impulslaufzeit der relative Abstand beider Wasser­ fahrzeuge (12, 19) und die Senderichtung (34) zu­ mindest im Sendezeitpunkt bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die azimutale Breite (2ϑ _-₃) des Sendegebietes (17) um ein Vielfaches kleiner als die azi­ mutale Breite (2ϑ _-₃) der Empfangssektoren (22) ge­ wählt wird.

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

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß den Empfangssektoren (22) je­ weils ein Zeitfenster (33) mit einer oberen und unteren Zeitgrenze (t _G₂, t _G₁) zugeordnet wird, daß die Zeitgrenzen (t _G₁, t _G₂) anhand der Schallimpuls­ laufzeiten, gemessen vom Sendeort (S) in Sende­ richtung (34) bis zur Reflexion an den seitlichen Grenzen (G₁, G₂) des jeweiligen Empfangssektors (22) und von dort zum Empfangsort (E), bestimmt werden, wobei die untere Zeitgrenze (t _G₁) aus der Reflexion an der dem Sendeort (S) zugekehrten, in Senderich­ tung (34) vorderen Grenze (G₁) und die obere Zeit­ grenze (t _G₂) aus der Reflexion an der vom Sendeort (S) abgekehrten, in Senderichtung (34) hinteren Grenze (G₂) des jeweiligen Empfangssektors (22) re­ sultiert, daß der einem Echo jeweils zugehörige Sendezeitpunkt des Schallimpulses aus der zugehöri­ gen Schallimpulslaufzeit und dem Zeitfenster (33) des Empfangssektors (22), in welchem das Echo emp­ fangen wurde, ermittelt wird, daß jeweils der geo­ metrische 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 anderer­ seits konstant und gleich der zugehörigen Schall­ impulslaufzeit multipliziert mit der Schallge­ schwindigkeit ist, und daß jeweils der Schnitt­ punkt der Ortskurve (35) mit der vom Sendeort (S) im Sendezeitpunkt ausgehenden Senderichtung (34) 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 Sendeimpulsfolge­ frequenz entsprechenden Betrag (Δ t) zu größeren Zeiten hin verschoben wird und daß die Laufzeit aller Schallimpulse vom Sendebeginn (T₀) an mit Aussenden des ersten Schallimpulses gemessen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zeitfenster (33) lückenlos an­ einanderliegen.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem auf einem Wasserfahrzeug angeordneten Sendewandler mit im wesentlichen quer zur Fahrtrichtung weisender Senderichtung, mit einer einen Empfangs­ wandler aufweisenden richtungsselektiven Empfangs­ vorrichtung, deren Empfangsbereich zur Richtungs­ selektion in eine Anzahl fächerartig aufgespannter, sich überlappender Empfangssektoren unterteilt ist, und mit einer Vorrichtung zur ent­ fernungs- und richtungsabhängigen Darstellung der empfangenen Echos, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendewandler (10) eine Sendehauptkeule (17) mit gegenüber dem Öffnungswinkel (2ϑ _-₃) der Empfangs­ sektoren (22) sehr kleinem azimutalen Öffnungswinkel (2ϑ _-₃) aufweist, daß der Empfangs­ wandler (11) auf einem zweiten, in einem bekannten Abstand zu dem ersten Wasserfahrzeug (12) seitlich zurückversetzt fahrenden Wasserfahrzeug (19) der­ art angeordnet ist, daß sein in Voraus­ richtung des zweiten Wasserfahrzeugs (19) liegender Empfangsbereich (21) die Sendehauptkeule (17) zu­ mindest teilweise erfaßt, und daß die Vorrichtung zur entfernungs- und richtungsabhängigen Darstel­ lung der Echos einen Echoentzerrer (26) aufweist, der mit der Empfangsvorrichtung (18) verbunden ist und der zu einem Empfangszeitpunkt aus Empfangs­ sektoren (22) empfangene Echos anhand der zugehöri­ gen Schallimpulslaufzeit, des Abstandes der beiden Wasserfahrzeuge (12,19) voneinander und der Sende­ richtung (34) im Sendezeitpunkt einem Reflexions­ zentrum (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 gekenn­ zeichnet, daß der Echoentzerrer (26) mit je einem auf den Wasserfahrzeugen (12, 19) angeordneten Kom­ (28, 30) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß der Sendewandler (10) eine Vielzahl von im wesentlichen in Längsrich­ tung des ersten Wasserfahrzeugs (12) angeordnete Wandlerelemente (13) aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sendehauptkeule (17) derart fokussiert ist, daß bei üblichem Arbeitsabstand des ersten Wasserfahrzeugs (12) vom Gewässergrund (15) eine Fokuslinie (16) im wesentlichen rechtwinklig zu einer von den Wandlerelementen (13) aufgespannten Ebene auf dem Gewässergrund (15) verläuft.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wandlerelemente (13) auf einem Kreis­ bogen angeordnet sind, dessen Krümmungsmittelpunkt (14) unter dem Sendewandler (10) auf der Fokuslinie (16) liegt.