DE3236209A1

DE3236209A1 - Akustische unterwasserantenne mit synthetischer apertur

Info

Publication number: DE3236209A1
Application number: DE19823236209
Authority: DE
Inventors: Karl-Alwin Dr.-Ing. 2819 Morsum Güdesen; Heinz Dipl.-Ing. 2800 Bremen Urban
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1982-09-30
Filing date: 1982-09-30
Publication date: 1984-04-05
Also published as: GB8325867D0; SE457913B; SE8305101D0; NO160166B; NO833420L; GB2128331B; GB2128331A; SE8305101L; NO160166C

Description

FRIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG in Essen

Akustische Unterwasserantenne mit synthetischer Apertur

Die Erfindung betrifft eine Unterwasserantenne mit synthetischer Apertur der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Seitensichtradare mit synthetischer Apertur sind seit langem bekannt \χ\^ [2J . Sie erzielen eine hohe Auflösung quer zur Sende- und Empfangsrichtung dadurch, daß die Bewegung eines das Radar tragenden Flugzeuges zur Erzeugung einer großen synthetischen Antennenapertur ausgenutzt wird. Solche Seitensichtradare werden vornehmlich zur Erderkundung, Messung von Meereswellen und militärischen Überwachungsaufgaben verwendet.

In (J3j sind bereits Überlegungen angestellt, die "synthetische Apertur-Technik" auf Sonarsysteme zu übertragen, insbesondere auf Seitensichtsonare zur kartographischen Erfassung des Meeresbodens. Ein solches Seitensichtsonar weist eine körperliche Unterwasserantenne auf, die derart auf ein fahrendes Schiff montiert ist, daß sie quer zur Fahrtrichtung sendet und empfängt. Die Positionen der Antennenelemente der sich ergebenden synthetischen Unterwasserantenne mit großer Apertur sind die Orte der körperlichen Antenne zu den Zeitpunkten des Sendens und Empfangens.

Die Vorteile der synthetischen Sonarsysteme gegenüber einem herkömmlichen Seitensichtsonar sind in L31 aufgezeigt. Sie bestehen insbesondere in der um den Faktor 2 verbesserten azimutalen Auflösung der Untervrasserantenne gegenüber einer realen linearen Antenne gleicher Länge oder Apertur, der problemlosen Fokussierung der Antenne auf jeden Empfangsbereich und damit zusammenhängend der Erzielung einer konstanten Auflösung unabhängig von der Entfernung und Sendefrequenz, sowie in einem wesentlich verbesserten Nutz-/Stör-Verhältnis bei ansonsten gleichen Parametern.

Synthetische Apertur-Sonare haben dennoch bislang keinen Eingang in die Praxis gefunden. Dies insbesondere aus folgenden Gründen: Die Trägerplattform, z. B. ein Schiff, für das synthetische Apertur-Sonar darf nicht um mehr als λ/8 (λ = Wellenlänge der Sendefrequenz) von ihrer geradlinigen Bahn abweichen. Da dies bei Schiffen und auch bei getauchten Schleppkörpern nicht eingehalten werden kann, sind Maßnahmen zur rechnerischen Kompensation dieser Abweichung erforderlich. Hierzu müssen die Beschleunigungskräfte, die an der Trägerplattform angreifen und zur Kursabweichung führen, mit ausreichender Genauigkeit erfaßt und hinsichtlich des von ihnen verursachten Phasenfehlers in der Signalverarbeitung berücksichtigt werden. Der hierzu erforderliche meßtechnische und rechnerische Aufwand ist jedoch extrem hoch. Außerdem ist zur Erzielung der gewünschten hohen Auflösung bei großem Abbildungsbereich eine extrem niedrige Geschwindigkeit der Trägerplattform notwendig, was zusätzlich die Probleme der Bahnkonstanz vergrößert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Un-

terwasserantenne mit synthetischer Apertur der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher bei vertretbarem technischen Aufwand und Verwendung serienmäßiger Komponenten die erkennbaren Vorteile eines synthetischen Apertur-Sonars in der Praxis erreicht werden können.

Diese Aufgabe ist bei einer akustischen Unterwasserantenne mit synthetischer Apertur der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Unterwasserantenne hat den Vorteil, trotz geringer Abmessungen eine hochauflösende Abbildung der Umgebung zu realisieren.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Sonaren bleibt die hohe Auflösung auch für die größte Abbildungsentfernung erhalten. Durch die definierte Bahnvorgabe mit absoluter Bahnkonstanz und räumlich fixierten Abtastpositionen werden Probleme und Kosten, wie sie bei geschleppten synthetischen Apertur-Sonaren auftreten, vermieden. Zwar ist die erfindungsgemäße Unterwasserantenne nur für ortsgebundenen Einsatz verwendbar, doch ermöglicht gerade diese Beschränkung eine Realisierung mit vertretbarem technischen Aufwand, der die synthetische Unterwasserantenne mit ihren überlegenen Eigenschaften gegenüber herkömmlichen Sonaren konkurrenzfähig macht. Die erfindungsgemäße Unterwasserantenne kann mit serienmäßigen Komponenten aufgebaut werden und erfordert keinen höheren Rechenaufwand als er bei synthetischen Apertur-Radaren anfällt.

Die erfindungsgemäße Unterwasserantenne eignet sich

besonders zum Einsatz in der Offshore-Technik, z. H. zur Überwachung von Bohrfeldern und für Lagerstättenprospektion auf dem Meeresgrund, aber auch für den Unterwasser-Objektschutz und für die Überwachung . von Häfen und Schiffahrtsstraßen. Der Leistungsbedarf der erfindungsgemäßen Unterwasserantenne ist äußerst gering. Die mittlere Sendeleistung beträgt bei einem Ausführungsbeispiel zur Erfassung einer kreisförmigen Umgebungsfläche von 6,5 ha nur 46 mW.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus Anspruch 3« Durch diese Maßnahme wird mit einer sehr kleinen körperlichen Antennenkonfiguration ein hochauflösendes Panoramäbild der Umgebung gewonnen. Die technische Realisierung der Unterwasserantenne ist extrem einfach. Durch die synthetische Bilderzeugung ist es keinewegs erforderlich, die volle Kreisfläche darzustellen. Die Abbildung von ausgewählten Kreisringen der Umgebung ist ebenso möglich, wobei die inneren und äußeren Radien der Kreisringe nur durch die Zahl der auswertbaren oder darstellbaren Bildpunkte vorgegeben sind.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus Anspruch h. Durch diese Maßnahmen ist eine einfache Realisierung der synthetischen Unterwasserantenne mit geringstem Aufwand möglich. Bei langsamer Rotation des Antennenträgers wird eine sehr hohe Auflösung erzielt. Eine langsame Bahngeschwindigkeit des Antennenträgers wird dann vorgezogen, wenn nur ruhende Objekte in der Umgebung aufgefaßt werden sollen. Bewegte Gegenstände werden dabei nur unscharf abgebildet. Eine scharfe Abbildung wird jedoch durch eine vergrößerte Geschwindigkeit des Antennenträgers und damit er-

-δι zielten kurzen Überlaufzeiten über die sich bewegenden Objekte erreicht. Die sich allerdings dadurch verschlechternde Auflösung kann wiederum durch eine Vergrößerung des Bahnradius ausgeglichen werden. '■

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 10. Die Auflösung der erfindungsgemäßen Unterwasserantenne ist um so höher, je kleiner die Apertur, also je größer der Öffnungswinkel ist. Ein praktisch realisierbarer größtmöglicher Öffnungswinkel beträgt 120 .

Eine vorteilhafte Ausführungsfofm der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 11. Durch die räumliche Trennung des der Signalverarbeitung dienenden Antennenteils von dem Antennenteil zur Signalerfassung minimieren sich die Kosten bei einem evtl. Verlust von Teilkomponenten. Die räumliche Trennung der Antennenteile wird insbesondere durch die geringe Bandbreite der zu übertragenden Signale und durch den niedrigen Leistungsbedarf der Unterwasserantenne ermöglicht.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 jeweils eine teilweise perspektivische und teilweise schematische Ansicht einer Unterwasserantenne gemäß einem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 cine schematische Darstellung der

Antennengeometrie in drei Abtastpositionen.

Die in Fig. 1 zu sehende Unterwasserantenne weist eine Wandleranordnung 10 aus mehreren Schallwandlern 11 auf, die auf einem in einer Horizontalebene mit konstanter Bahngeschwindigkeit sich bewegenden Antennenträger 12 befestigt ist. Der Antennenträger 12, der etwa halbkugelförmig ausgebildet ist, ist an einem Rotationsarm 13 befestigt, der über eine vertikal ausgerichtete Antriebswelle l*l· von einem Elektromotor 15 mit konstanter Winkelgeschwindigkeit angetrieben wird. Der Elektromotor 15 ist in einem auf den Meeresboden 25 aufgesetzten Gestell 16 gehalten. Tellerfüße 17 verhindern das Einsinken des Gestells in Schlammschichten und sichern dessen Standfestigkeit. Der rotierende Antennenträger 12 mit Wandleranordnung 10 kann zusammen mit dem Rotationsarm 13 von einem strichliniert angedeuteten Hüllkörper 18 umgeben sein.

Die Wandleranordnung 10 weist eine kleine Apertur und damit einen großen Offnungs- oder Beleuchtungswinkel 9_O (Fig. 3) auf, der im Beispiel 120° ist und bis zu l80 betragen kann. Durch die Rotation des Rotationsarms 13 mit Antennenträger 12 bewegt sich die Wandleranordnung 10 mit der Winkelgeschwindigkeit uJ auf einer definierten räumlich fixierten Kreisbahn 19 um den ortsfesten Kreisbahnmittelpunkt 20. Die in einer im wesentlichen horizontalen Ebene liegende Kreisbahn 19 weist damit eine vorgegebene unveränderliche Spur auf und kann von der Wandleranordnung 10 mit absoluter Konstanz vielfach durchlaufen werden. Die Wandleranordnung 10 arbeitet wechselweise als Sende- und Empfangswandler,

-ΙΟΙ wobei sie in dor Sendephase kurze CW-Impulse mit konstanter Sendefrequenz oder FM-Sweeps mit linear ansteigender,Sendefrequenz aussendet. Die Abstrahlung der Sendeimpulse erfolgt in einem festen Phasenraster, das sich auf ein hochkonstantes Referenzsignal stützt.

An aufeinanderfolgenden Positionen der Kreisbahn wird nunmehr von der Wandleranordnung 10 das in der Umgebung durch Reflexion der Sendeenergie erzeugte Schallfeld abgetastet, wobei sich der Antennenträger 12 in der Zeitspanne zwischen dem Aussenden eines Sendeimpulses und dem Empfang eines daraus resultierenden Echos nur so weit bewegt, daß der dadurch hervorgerufene Wegunterschied zwischen einem Zielpunkt und der Wandleranordnung 10 maximal λ/'t beträgt, wobei λ die Wellenlänge der Sendefrequenz ist.

In Fig. 3 ist der Antennenträger 12 in drei verschiedenen Abtastpositionen I, II und III dargestellt. In der Abtastposition I des Antennenträgers 12 wird ein Punktziel 26 gerade von der Wandleranordnung 10 mit dem Öffnungswinkel Θ_ erfaßt. Dieses Punktziel 26 wird in jeder Abtastposition des Antennentragers 12 zwischen den Abtastpositionen I und HI aufgefaßt. In der Abtastposition III verläßt das Punktziel 26 den Beleuchtungsbereich der Wandleranordnung 10. Die synthetische Apertur Le der Unterwasserantenne läßt sich bezüglich des Punktzieles 26 über den Winkelbereich cp„ aufbauen, der sich aus dem Verweilbereich des Punktziels 26 innerhalb des Öffnungswinkels Θ der Wandleranordnung 10 orgibt, indem cille über den Winkelbereich φ_ς aus den verschiedenen Abtastpositionen

erhaltenen Abtastwerte kohärent verarbeitet werden. Hierzu v/erden in e Ln or Signalverarbei tungseinheit (Fig. 1) - r: on.au. wie beim synthetischen Apertur-Radar - die empfangenen Echos bezüglich eines Referenzsignals mittels eines Quadraturdetektors nach Phase und Betrag detektiert und gespeichert. Zur azimutalen Signalkompression werden die zu einer Auflösungszolle gehörenden gespeicherten Werte nach evtl. Phasenkorrektur zwecks Fokussieren der Antenne auf ein Bildelement mittels Fourier-Transformation und nachfolgender Matched-Filter-Operation oder mittels Filterbank verarbeitet. Bezüglich des Aufbaus der Signalverarbeitungseinheit 22 und der darin erfolgenden Signalverarbeitung wird im einzelnen auf

Ip [2} verwiesen. Als Ergebnis erhält man am Ausgang der Signalverarbeitungseinheit 22 für jeden rückstrahlenden Zielpunkt einen scharfen Impuls, der auf einem Bildschirm winkel- und entfernungsrichtig dargestellt wird.

Wie in Fig. 1 schematisch angedetitet ist, Ist die Signalverarbeitungseinheit 22 getrennt von der rotierenden Wandleranordnung 10 oberhalb der Wasseroberfläche 21, z. B. auf einem Schiff, angeordnet und mit der Wandleranordnung durch ein Koaxialkabei 23 zur Informationsübertragung und Zuführung der Sendeenergie verbunden. Die Energieversorgung für den Elektromotor I5 kann ebenfalls über ein Kabel erfolgen oder aber durch eine, am Gestell l6 befestigte Batterie 2k sichergestellt werden.

Die Umlaufzeit T des Antennenträgers 12 mit Wandleranordnung 10 auf der Kreisbahn I9 mit dem Radius r (Fig. 3) ergibt sich aus der oben angeführten y./'i-Bedingung bei einer maximalen Reichweite

R der Unterwasserantenne zu
max

BAD ORtGSNAL

l6 Ίί ·1Ί τ (£u , ,„ _ max , · ΰ

χ ⁱ - - C . Λ ' ^sin ~2~ '

wobei in guter Näherung C_q «6„ gesetzt werden kaiin. Für einen Öffnungswinkel Θ,. von im Beispiel 120° ergibt sich somit die Umlaufzeit T des Antennenträgers 12 zu

8 I?-Jt-R τ

,_ _ ' max

¹ - c . λ '
wobei c die Schallgeschwindigkeit im Wasser ist.

Die azimutale Auflösung beträgt dann

λ-R

5 ₌ E££

az ' „

und die radiale Auflösung - v/in bei allen Sonarä:itennen -

δ = ^-^
r 2

bei Aussenden eines CW-Impulses der Dauer τ und

δ = -Ξ-r 2· B

bei Aussenden eines FM-Sweeps der Bandbreite B.

Bin Realisierungsbeispiel der Unterwasserantenne mit synthetischer Apertur weist folgende Daten auf:

UITiiung.-swinkol der Wandleranordnung 10 Θ_Γ) - 120°

1.J

Radius dor Kreisbahn l^l) r = 1 m

BAD. ORIGiNAL

CV/-S on de impuls

mit der Impulslänge T ^ 0,1 ms und der Sendefrequenz f = 2't2 kHz

Umlaufzeit des Antennen-

trägers 12 T= 677 s/Umdrehung

Maximale Reichweite R = 1'tO m

max

Azimutale und radiale Auflösung 5 = δ = 0,25 π,

Bei der Darstellung der mit dieser Unterwasserantenne erfaßten Umgebung auf einem Bildschirm stehen nach heutiger Technik ca. 10 Bildpunkte zur Verfügung, so daß die abgebildete Fläche der Umgebung 6,25 ha beträgt.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Unterwasserantenne mit synthetischer Apertur dargestellt. Hier ist in jeder Abtastposition längs der Kreisbahn 19 ein Schallwandler 30 angeordnet. Alle Schallwandler 30 sind am Umfang eines scheibenförmigen Trägers 31 gehalten. Träger 31 und Schallwandler 30 sind von einem Hüllkörper 32 umschlossen. Der Träger 31 ist auf einem Gestell 33 in horizontaler Ausrichtung befestigt. Das Gestell 33 ruht wiederum über Tellerfüße 3k auf dem Meeresboden 35· In gleicher Weise ist eine Signalverarbei-2p tungseinheit 36 oberhalb der Wasseroberfläche 37 angeordnet und über ein Koaxialkabel 38 zur Informationsübertragung und Übertragung der Sendeenergie mit den Schallwandlern 30 verbunden.

BAD ORIGINAL

Durch Zuordnen entsprechender Zeitverzögerungsglieder werden benachbarte Schallwandler 30, z.B. drei Schallwandler 30, in bekannter Weise jeweils zu einer Wandleranordnung mit großem Öffnungswinkel θ elektronisch zusammengefaßt. Durch Zu- und Abschalten benachbarter Schallwandler 30 läßt sich in gleicher Weise eine Rotation der Wandleranordnung erreichen, wie dies durch mechanische Drehung der Wandleranordnung 10 in Fig. 1 erzielt wird.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispie.le beschränkt. So können anstelle eines einzigen Antennenträgers 12 mit darauf gehaltener Wandleranordnung 10 mehrere gleichartige Antennenträger mit jeweils einer Wandleranordnung gleichzeitig mit konstantem Abstand voneinander auf der Kreisbahn 19 umlaufen. Auch kann die geschlossene Umlaufbahn jedwede andere Form, z.B. eine elliptische, aufweisen. Anstelle einer geschlossenen Umlaufbahn kann auch eine geradlinige Bewegungsbahn des Antcnncnträgers 12 gewählt werden, die dann durch Rückholen des Antennenträgers 12 mehrmals von diesem durchlaufen wird. Unbestreitbar bringt jedoch die Rotation des Antennenträger 12 auf einer Kreisbahn die größten Vorteile sowohl hinsichtlich.des mechanischen als auch des elektronischen Aufwandes in der Signalverarbeitung.

Bei dem in der vorliegenden Beschreibung mit in Klammern gestellte Ziffern gekennzeichneten Stand der Technik handelt es sich um die folgenden Literaturstellen:

Skolnik, M.I.: Introduction to RADAR-System, McGraw Hill, 2. Auflage 1980,

J 2J Söndergaard, F.: A dual mode digital processor for mediun resolution synthetic aperture radars, RADAR 77, IEEE publication, No. 155,

[3] Cutrona, L. J.: Comparision of Sonar system performance achievable using synthetic aperture techniques with the performance achievable by more conventional means, JASA, VoI 58.No. 2, pp. 336.

Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Akustische Unterwasserantenne mit synthetischer Apertur, welche durch zeitlich aufeinanderfolgendes Abtasten eines Schallfeldes von räumlich längs einer Bahn aufgereihten Positionen aus ;und kohärente Verarbeitung der Abtastwerte erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn (19) der Abtastpositionen räumlich fixiert ist und eine vorgegebene unveränderliche Spur aufweist und daß die Bahn (19) zum wiederholten Abtasten des Schallfeldes vielfach durchlaufbar ist.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn (19) in einer im wesentlichen horizontalen Ebene liegt.

3· Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn als in sich geschlossene Umlaufbahn, vorzugsweise als Kreisbahn (19) mit relativ zum Gewässergrund (25; 35) fixiertem Kreisbahnmittelpunkt (20), ausgebildet ist.

4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein längs der Bahn (19) sich vorzugsweise mit konstanter Bahngeschwindigkeit bewegender Antennenträger (12) vorgesehen ist, der eine aus elektroakustischen Wandlern (11) bestehende Wandleranordnung (10) mit einem Öffnungswinkel (θ_β) kleiner als l80° trägt.

5. Antenne nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Antennenträger (12) mit konstanter Winkelgeschwindigkeit (^ω) auf der Kreis-

KAE I6-82 bahn (I9) rotiert.

GAP Sh/jo

2Λ.09.1982 .

6. Antenne nach Anspruch 5 t dadurch gekennzeichnet, daß der Antennenträger (12) an einem mit einer vertikalen Antriebswelle (Ik) verbundenen Rotationsarm (.13) befestigt ist.

7· Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationsarm (13) mit Antennenträger (12) und Wandleranordnung (10) und die Kreisbahn (19) in einem Hüllkörper (l8) eingeschlossen sind.

8. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3₅ dadurch gekennzeichnet, daß jede Abtastposition mit einem elektroakustischen Wandler (30) besetzt ist und daß jeweils zeitlich nacheinander mit vorzugsweise gleicher Zeitdifferenz eine gleiche Anzahl benachbarter elektroakustir· seher Wandler (30) zu einer Wandleranordnung mit kleiner Apertur zusammengeschaltet sind.

9. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Abtastposition eine aus elektroakustischen Wandlern bestehende Wandleranordnung mit einem Öffnungswinkel kleiner als l80 angeordnet ist und daß die Wandleranordnung zeitlich aufeinanderfolgend, vorzugsweise mit konstanter Zeitdifferenz,

aktivierbar sind. .

10. Antenne nach einem der Ansprüche k bis 9j dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel (Θ ) der Wandleranordnung (10) nicht viel kleiner als l80°, z. B. 12O⁰JiSt.

11. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Aufnahme der

Abtastwerte dienende Antennentexl (10 bis 15)
räumlich getrennt von dem zur Verarbeitung der Abtast-werte dienenden Antennentexl (22; 36) im Wasser angeordnet, vorzugsweise auf den Gewässergrund (25; 35) abgesenkt,ist.