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Verfahren zum Schätzen der relativen Tiefe eines Unterwasserobjekts
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schätzen der relativen Tiefe eines Unterwasserobjekts
zu einer dieses aktiv ortenden Sonaranlage der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen
Art.
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Mit herkömmlichen Zylinder- oder Flachbasen, die eine sehr hohe azimutale
Auflösung aufweisen und damit die Zielrichtung im Azimut sehr genau bestimmen können,
wird aufgrund der vorgegebenen vertikalen Maximalhöhe, die aus schiffstechnischen
Gründen möglichst klein sein soll, eine nur sehr schlechte Vertikalwinkelauflösung
erzielt. Der erreichbare Öffnungswinkel der Richtcharakteristik einer Zylinderbasis
mit ca. 1 m Höhe beträgt bei einer Sendefrequenz von ca. 7,5 kHz nur etwa 10°. In
einer Entfernung von z. B. 2 km wird damit eine vertikale Wegauslösung von ca. 350
m erzielt D. h., daß die relative Tiefenlage eines in 2 km erfaßten Unterwasserobjekts
oder oder -ziels nur mit einer Meßunsicherheit von - 350 m genau bestimmt werden
kann. Eine solche Meßunsicherheit ist jedoch für eine in vielen Fällen erforderliche
genaue Detektion von Unterwasserzielen nicht ausreichend. Hinzu kommen - insbesondere
im Flachwasserkanal - Ziellagenverfälschungen durch Mehrwegeausbreitung der Zielechos.
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Naheliegende Lösungen zur Vergrößerung der Vertikal-
winkelauflösung
durch Verkleinerung des vertikalen Öffnungswinkels der Richtcharakteristik erfordern
einerseits einen erhöhten technischen Mehraufwand in der Empfangsbasis und andererseits
eine solche große Höhe der Empfangsbasis, daß diese nicht mehr akzeptiert werden
kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Schätzung
der relativen Tiefe eines Unterwasserobjekts der eingangs genannten Art anzugeben,
mit welchem eine sehr hohe Vertikalauflösung erreicht wird, und zwar unter Verwendung
von üblichen Empfangsbasen mit gebräuchlicher, relativ geringer Vertikalabmessung,
deren Vertikalauflösung konstruktiv bedingt ansonsten nur sehr gering ist.
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Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Schätzen der relativen Tiefe
eines Unterwasserobjekts der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art erfindungsgemäß
durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, mit in Vertikalrichtung
sehr flachen Empfangsbasen eine wesentlich verbesserte Vertikalwinkelauflösung zu
erhalten. Es ist damit in allen Sonaranlagen anwendbar, die herkömmliche Zylinderbasen
mit Staves von mindestens drei vertikal übereinander angeordneten Wandlern aufweisen.
Eine konstruktive Abänderung der Empfangsbasis zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist nicht erforderlich. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare
Vertikalauflösung ist ausschließlich von der gewählten Stufung
der
Nullstellen-Vertikalwinkellagen - und diese wiederum bei der Ausbildung des Verfahrens
gemäß den Ansprüchen 7 oder 8 von dem Änderüngsbetrag der Verzögerungszeiten - abhängig.
Bei einer Vielzahl von Schwenkungen der Nullstellen über dem vorgegebenen vertikalen
Schwenkwinkelbereich läßt sich die Lage der Minima und/oder Maxima hinreichend genau
bestimmen.
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Die gemessenen Phasendifferenzwerte f sind mit dem Richtungswinkel
9 in bekannter Weise durch die Beziehung
verknüpft, wobei X die durch die Sendefrequenz bestimmte Wellenlänge und d der Abstand
zweier übereinanderliegender Wandlergruppen ist. Die über die Phasendifferenzwerte
aufgetragenen Häufigkeitsverteilungskurven mit den Nullstellen-Schwenkstellungen
als Parameter entsprechen damit exakt der Häufigkeitsverteilung von Echos oder Empfangssignalen,
die bei den jeweils vorgegebenen Vertikalwinkellagen oder Schwenkstellungen #N der
Nullstellen aus verschiedenen Richtungswinkeln # einfallen. Liegt z. B. das Ziel
unter einem Tiefenwinkel oder Vertikalwinkel gemessen von der Horizontalen, so werden
beispielsweise bei allen Vertikalwinkellagen #Nder Nullstellen#N > #Z und #N
< #Z mehr oder weniger scharfe Maxima in etwa immer an der Stelle # = #Z auftreten.
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Außerdem wird an der gleichen Stelle # = #Z in der Vertikalwinkellage
der Nullstellen #N = #Z ein mehr unter weniger ausgeprägtes Minimum erscheinen,
da hier die direkte Zielrichtung durch die Nullstellen
ausgeblendet
wird. Durch Vergleich der lagen der Minima und Maxima läßt sich der Tiefenwinkel
Z des Ziels unter Wasser abschätzen.
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Die Ausprägung der Minima und Maxima hängt von der Ausbildung des
jeweiligen Schallkanals ab. Treten in ihm sehr viele Schallwege auf, so sind die
Extremwerte weniger scharf bzw. ausgeprägt. Der wirkliche Tiefenwinkel des Ziels
läßt sich dann weit weniger genau bestimmen als bei wenigen Schallwegen, wo dann
sehr scharfe Extremwerte in einzelnen Schwenkstellungen erhalten werden. Die Häufigkeitsverteilungskurven
mit den Schwenkstellungen bzw. Vertikalwinkellagen der Nullstellen als Parameter
ermöglichen somit gleichzeitig eine Aussage über die Zuverlässigkeit der Ziellagenschätzung.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt
sich aus Anspruch 2. Durch diese Maßnahmen können von Oberflächenreflexionen des
Sendesignals herrührende Echos und Nachhall aufgrund der kürzeren Laufzeiten gegenüber
den vom Ziel direkt kommenden Echos bereits beim Empfang ausgeblendet werden und
gehen nicht verfälschend in das Meßergebnis ein.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt
sich auch aus Anspruch 3.
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Die relativ große Impulslänge des Sendeimpulses sichert einen Echoempfang
über einen ausreichend großen Zeitabschnitt, so daß die Null- oder Unempfindlichkeitsstellen
wiederholt über den Schwenkbereich schnell geschwenkt werden können. Ein breitbandiger
Kurzimpuls könnte dann verwendet werden,
wenn das Ziel eine größere
Ausdehnung in Senderichtung aufweist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich auch aus
Anspruch 4. Durch die Wichtung der Empfangs signale lassen sich ausgeprägtere Extremwerte
in den Häufigkeitsverteilungskurven gewinnen und damit eine bessere Schätzung der
Ziellage erreichen. Gemäß Anspruch 6 wird dabei die Wichtung vorteilhaft mit der
Signalenergie durchgeführt. Dadurch wird Mehrwegeausbreitung des Zielechos stärker
unterdrückt und der Direktempfang des Zielechos stärker herausgehoben; denn die
resultierende Signalenergie ist bei großen Phasendifferenzen der Empfangs signale
sehr viel kleiner und wird Null, wenn die Phasendifferenz 180° beträgt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu dessen
praktischen Realisierung ergeben sich aus Anspruch 7 und Anspruch 8. Vorteilhafte
Vorrichtungen, mit welchen diese Verfahren ausgeübt werden können, sind in den Ansprüchen
9 und 11 mit vorteilhaften Ausführungsformen gemäß Anspruch 10 und 12 bis 14 angegeben.
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Die Erfindung ist anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Schätzen der relativen Tiefe
eines Unterwasserobjekts im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig.
1 Diagramme der Häufigkeit von bei vier verschiedenen Vertikalwinkellagen #N der
Nullstellen erhaltenen Phasendifferenzen tf bzw. Einfallswinkeln hj- von Empfangssignalen,
Fig. 2 und Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Schätzen der relativen
Tiefe eines Unterwasserobjekts gemäß einem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Phasenmessers in der Vorrichtung gemäß Fig. 2.
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Das mit den Vorrichtungen gemäß Fig. 2 und 3 durchführbare Verfahren
zum Schätzen der relativen Tiefe eines Unterwasserobjekts zu einer das Unterwasserobjekt
aktiv ortenden Sonaranlage setzt einen Sender zum Aussenden von Schallimpulses ins
Wasser und eine Empfangsbasis 10 mit zumindest drei vertikal übereinander angeordneten
Wandlergruppen 11 aus einem oder mehreren Wandlern 12 voraus. Die Wandler 12 der
Wandlergruppen 11 können dabei horizontal (Fig. 2) und/oder vertikal (Fig. 3) nebeneinander
angeordnet sein. Durch entsprechende Richtungsbildung wird dann ein horizontal und/oder
vertikal mehr oder weniger stark gebündelte Empfangsbeam erzeugt, dessen Horizontal-
und/oder Vertikalrichtung durch entsprechende zeitlich Verzögerung der Wandlersignale
bestimmt ist.
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Die nach Aussenden eines Sendeimpulses und Empfangen
der
vom Unterwasserobjekt oder Ziel ausgelösten Echos erhaltenen Wandlersignale, die
am Ausgang der Wandlergruppen bzw. diesen nachgeschalteter Richtungsbildnern als
Empfangssignale abnehmbar sind, werden derart verarbeitet, daß mindestens zwei in
Vertikalrichtung nebeneinanderliegende, im wesentlichen gleiche Richtcharakteristiken
entstehen, deren Hauptkeulen jeweils eine ausgeprägte Null- oder Empfindlichkeitsstelle
aufweisen. Die beiden Hauptkeulen mit den Nullstellen werden über einen vorgebbaren
Vertikalwinkelbereich parallel zueinander geschwenkt. In vorgebbaren Schwenkstellungen
werden momentane Phasendifferenzen zwischen den über die beiden Hauptkeulen erhaltenen
Empfangssignalen bestimmt. Für jede Schwenkstellung J N wird aus einer Vielzahl
von Phasendifferenzbestimmungen eine Häufigkeitsverteilung der Phasendifferenzwerte
+ ermittelt. Wegen des bekannten Zusammenhangs zwischen Phasendifferenz + und Richtungswinkel
J ge mäß vorstehend genannter G1. (1) kann anstelle der Phasendifferenz t auch unmittelbar
der Richtungswinkel angeschrieben werden.
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In Fig. 1 sind solche Häufigkeitsverteilungskurven für vier verschiedene
Vertikalwinkellagen #N der beiden Nullstellen beispielhaft dargestellt. Dabei ist
die gewichtete Häufigkeit der aufgrund der ermittelten Phasendifferenzwerte angegebenen
Richtungswinkel# ß aufgetragen, wobei die Vertikalwinkellage #N der Nullstellen
den Parameter bildet. In Fig. 1 sind deutlich Maxima bei # = #Z = 15° zu erkennen,
und zwar bei Vertikalwinkellagen oder Schwenkstellungen der Nullstellen von -45°,
-15° und +45°. Bei der Vertikalwinkellage der beiden Nullstellen
von
~5LN = 150 erscheint bei 2 z = 15 ein Miniein mum, da das unter einem Tiefenwinkel
von iYZ = 150 angenommene Ziel bei dieser Nullstellen-Schwenkstellung weitgehend
ausgeblendet wird. Bei einer Vertikalwinkellage der Nullstellen von #N = 45° (oberes
Bild in Fig. 1) ist gegenüber den anderen Vertikalwinkellagen der Nullstellen bei
dem Richtungswinkel # # 45° eine geringere Häufigkeit festzustellen. Die Ursache
hierfür liegt darin, daß z. B. unter # # 45° einfallende Oberflächenreflexionen
in dieser Schwenkstellung der Nullstellen weitgehend ausgeblendet werden. Mittels
der Maxima und Minima der Häufigkeitsverteilungskurven und deren Lage bei den einzelnen
Nullstellen- Vertikalwinkellagen läßt sich der vertikale Richtungswinkel oder Tiefenwinkel
#Z des georteten Unterwasserobjekts zu #Z = 15° bestimmen.
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Bei der Vorrichtung zum Schätzen der relativen Tiefe eines Unterwasserobjekts
gemäß Fig. 2 weist die aktiv ortende Sonaranlage einen nicht dargestellten Sender
und eine zylinderförmige Empfangsbasis 10 auf. Am Umfang trägt die Empfangsbasis
10 in bekannter Weise drei in übereinander angeordneten Ebenen liegende Wandlergruppen
11. Jede Wandlergruppe 11 besteht aus einer Vielzahl von gleichmäßig über den Umfang
verteilten Wandlern 12. Die Wandler 12 einer Wandlergruppe 11 sind über einen Multiplexer
131 bzw. 132 bzw. 133 und ein Zeittor 141 bzw. 142 bzw. 143 mit einem an sich bekannten
Richtungsbildner 151 bzw. 152 bzw. 153 verbunden.
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Die Zeittore 141 bis 143 sind so gesteuert, daß sie nur für einen
vorgegebenen Zeitbereich geöffnet werden. Der Beginn dieses Zeitbereichs ist durch
die
Entfernung Sonaranlage-Unterwasserobjekt festgelegt und wird von Aussenden des Sendeimpulses
an gerechnet. Die Objektentfernung wird mit der in bekannter Weise arbeitenden Sonaranlage
durch einfache Messung der Laufzeit des Sendeimpulses zum Unterwasserobjekt und
zurück bestimmt. Der vom Sender ausgesendete Sendeimpuls ist ein breitbandiger Langimpuls,
der dem üblicherweise von der Sonaranlage ausgesandten Standard-FM-Impuls entspricht.
Aufgrund der bekannten Zeitverzögerung der einzelnen Wandlersignale erhält jede
der Wandlergruppen 11 mit der ausgewählten Anzahl von hier fünf Wandlern 12 eine
Richtcharakteristik mit in Horizontalrichtung schmaler Hauptkeule, die in Vertikalrichtung
einen sehr großen Öffnungswinkel aufweist.
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Ein erster Differenzbildner oder Subtrahierer 16 ist mit seinem einen
Eingang über ein erstes Zeitverzögerungsglied 17 an dem Ausgang des Richtungsbildners
151 und mit seinem anderen Eingang an dem Ausgang des unmittelbar benachbarten Richtungsbildners
151 angeschlossen. Ein zweiter Differenzbildner oder Subtrahierer 18 ist mit seinem
einen Eingang über ein zweites Zeitverzögerungsglied 19 an dem Ausgang des zuvor
erwähnten Richtungsbildners 152 und mit seinem anderen Eingang unmittelbar an dem
Ausgang des diesem wiederum unmittelbar benachbarten Richtungsbildner 153 angeschlossen.
In den beiden Zeitverzögerungsgliedern 17, 19 ist immer die gleiche variierbare
Zeitverzögerung TN eingestellt. Durch die Zeitverzögerung und Subtraktion der die
Empfangssignale
bildenden Ausgangssignale der Richtungsbildner
i51 bis 153 werden sozusagen aus den drei in Vertikalrichtung übereinanderliegenden
Preformed Beams oder Hauptkeulen der dreiRichtcharakteristiken der drei Wandlergruppen
11 zwei Beams oder Hauptkeulen von zwei parallelen Richtcharakteristiken erzeugt,
die je eine Null- oder Unempfindlichkeitsstelle aufweisen. Die Vertikalwinkellage
rgN der Null- oder Unempfindlichkeits stellen ist festgelegt zu
wobei c die Schallgeschwindigkeit im Wasser und d der vertikale Abstand der Wandlergruppen
voneinander ist. Durch Verändern der Verzögerungszeit tN kann die Vertikalwinkellage
#N der Nullstellen geändert werden und sozusagen die Nullstellen über einen vertikalen
Schwenkwinkelbereich geschwenkt werden.
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Zur Bestimmung der Phasendifferenzen iP zwischen den Ausgangssignalen
der beiden Subtrahierer 16, 18 sind deren Ausgänge mit einem Phasenmesser 20 verbunden.
Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Phasenmessers ist in Fig. 4 dargestellt. Der
eine Eingang des Phasenmessers 20 ist über einen 900 -Phasenschieber 21 -und der
andere Eingang des Phasenmessers. 20 unmittelbar mit einem Multiplizierer 22 verbunden.
Dem Multiplizierer 22 ist ein Tiefpaß 23 nachgeschaltet, an dessen Ausgang ein Arcus-Sinus-Netzwerk
24 angeschlossen ist. Am Ausgang des Netzwerkes 24, der den Ausgang des Phasenmessers
20 bildet, ist die Phasendifferenz Y zwischen den bei-
den Ausgangssignalen
unmittelbar abnehmbar.
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Am Ausgang des Phasenmessers 20 ist eine erste Umrechnungseinheit
25 angeschlossen, welche die Phasenwinkel oder Phasendifferenzwerte CP in Richtungswinkelwerte
J gemäß Gleichung
| e ar sln C LP |
| arc arc Sial 2f ad |
| 2f0 .d (3) |
umrechnet, wobei c die Schallgeschwindigkeit in Wasser und f0 die Sendefrequenz
ist. Hierzu ist ein Multiplizierer 26 und ein Arcus-Sinus-Netzwerk 27 in Reihe an
dem Ausgang des Phasenmessers 20 angeschlossen.
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Die am Ausgang der Umrechnungseinheit 25 anstehenden RichtungswinkelwerteJ
werden als x-Adresse über einen Multiplexer 28 dem x-Adresseingang eines Schreib-Lese-Speichers
29 zugeführt. Als y-Einschreibadresse wird über den Multiplexer 28 dem y-Adresseingang
des Schreib-Lese-Speichers 29 die Vertikalwinkellage ßN zugeführt, die gemäß Gl.
(2) aus der in den Zeitgliedern 17, 19 eingestellten Zeitverzögerung rN mittels
einer zweiten Umrechnungseinheit 30 gewonnen wird, die wiederum aus einem Multiplizierer
31 und einem Arcus-Sinus-Netzwerk 32 besteht. An die beiden anderen Eingänge des
Multiplexers 28 sind die Ausleseadressen einer Auslesevorrichtung 33 gelegt, die
außerdem ein Display 34 zur Darstellung der Häufigkeitsverteilungskurve steuern.
Der Multiplexer 28, der gewöhnlich die Adresseingänge des Schreib-Lese-Speichers
29 mit der Auslesevorrichtung 33 verbindet, wird umgeschaltet, wenn eine Steuereinheit
35 einen Steuerimpuls SI abgibt. Dieser Steuer-
impuls SI bildet
gleichzeitig einen Einschreibbefehl für den Schreib-Lese-Speicher 29. Die Steuereinheit
35 erzeugt weiterhin einen Leseimpuls LI, der einerseits als Lesebefehl an dem Schreib-Lese-Speicher
29 und andererseits als Umschaltimpuls an dem Steuereingang eines Umschalters 36
anliegt. Der Umschalter 36 verbindet üblicherweise den Ausgang des Schreib-Lese-Speichers
29 mit dem Eingang des Displays 34. In der Umschaltstellung verbindet der Umschalter
36 den Ausgang des Schreib-Lese-Speichers 29 mit einem Addierer 37, an dessen anderen
Ausgang ein Impulsgenerator 38 angeschlossen ist. Der Ausgang des Addierers 37 ist
mit dem Dateneingang des Schreib-Lese-Speichers 29 verbunden. Der Impulsgenerator
38 erzeugt immer dann einen Impuls, wenn ein neuer Vertikalwinkelwert J als Einschreibadresse
an den Multiplexer 28 gelegt wird.
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Die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zum Schätzen
der relativen Tiefe eines Unterwasserobjekts ist wie folgt: Um eine Zeitspanne nach
Aussenden des Sendeimpulses verzögert, die bestimmt ist durch die doppelte Laufzeit
des Sendeimpulses zum Ziel, werden die Zeittore 141 bis 143 für eine vorgegebene
Zeitdauer geöffnet. Aus den in dieser Zeitdauer von den Wandlern 12 der Wandlergruppen
11 empfangenen Signale wird in den Richtungsbildnern 151 bis 153 durch entsprechende
Zeitverzögerungen, ggf. Amplitudenstaffelung und Zusammenfassung, für jede Wandlergruppe
11 ein Ausgangssignal gebildet. Von den Ausgangssignalen von jeweils zwei unmittelbar
be-
nachbarten Wandlergruppen 11 wird das eine um eine Zeit TN
verzögert und anschließend das zeitverzögerte Ausgangs signal von dem anderen, unverzögerten
Ausgangssignal subtrahiert. Zwischen den beiden jeweils an einem der Subtrahierer
16 bzw.
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18 anstehenden Differenzsignalen wird die Phasendifferenz Y gemessen
und daraus ein Tiefenwinkel oder Richtungswinkel J zum Ziel bestimmt. Aus der Verzögerungszeit
TN wird durch die zweite Umrechnungseinheit 30 ein entsprechender Vertikalwinkelwert
JN gebildet, welcher die Richtung der ausgeprägten Unempfindlichkeit bzw. Nullstellen
der beiden durch die vorstehend beschriebene Signalverarbeitung erhaltenen Richtcharakteristiken
der Empfangsbasis 10 angibt.
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Die Steuereinheit 35 erzeugt einen Schreibimpuls SI, der unmittelbar
an den Multiplexer 28 und an den Impulsgenerator 38 und zeitverzögert an den Steuerbefehleingang
des Speichers 29 gelangt. Der Multiplexer 28 wird derart umgeschaltet, daß der Tiefenwinkel
ß und der Vertikalwinkel jN der Nullstellen-N als x- bzw. y-Einschreibadressen an
dem Speicher 29 liegen. Der Impulsgenerator 38 wird gestartet und gibt einen Impuls
definierter Länge än den Addierer 37. Die Steuereinheit 35 erzeugt gleichzeitig
einen Leseimpuls LI, der als Leseimpuls an dem Steuerbefehleingang des Speichers
29 und als Umschaltimpuls an dem Umschalter 36 liegt. Der unter den angelegten Einschreibadressen
ausgelesene Speicherwert gelangt über den Umschalter 36 an den Addierer 37 und wird
dort zu dem von dem Impulsgenerator 38 angelegten Betrag hinzuaddiert. Der nunmehr
nach Zeitverzögerung an den Steuerbefehl-
eingang des Speichers
29 gelangende Schreibimpuls bewirkt ein Einschreiben der vom Addierer 37 an den
Dateneingang des Speichers 29 gelegten Speicherinformation unter den von dem Richtungswinkel
J und dem Vertikalwinkel J N der Nullstelder len bestimmten Einschreibadressen.
Durch diesen Vorgang wird bewirkt, daß unter gleichen Adressen einzuschreibende
Speicherinformationen aufsummiert werden. Da zu jedem aufgrund der Phasendifferenzmessung
bestimmten Richtungswinkel ß vom Impulsgenerator 38 ein einziger Impuls abgegeben
wird, wird im Speicher zu jedem Richtungswinkel 4 die Häufigkeit des Auftretens
erfaßt.
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Die Zeitverzögerung tN wird während der Öffnungszeit der Zeittore
141 und 143 in schneller Folge um einen festen Betrag geändert. Dies bedeutet, daß
die Nullstellen oder Unempfindlichkeitsrichtungen der beiden parallelen Richtcharakteristiken
der Empfangsbasis über einen Vertikalwinkelbereich schnell geschwenkt werden. In
jeder Schwenkstellung werden entsprechende Phasendifferenzen 9 gemessen und Richtungswinkel
9 bestimmt, Das Auftreten gleicher Richtungswinkelf bei gleichen Schwenkstellungen
#N der Nullstellen wird in dem jeweilig zugeordneten Speicherplatz aufintegriert.
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Nach Wegfall der von der Steuereinheit 35 ausgegebenen Impulse werden
die Adresseingänge des Speicher 29 über den Multiplexer 28 mit denjenigen Ausgängen
der an sich bekannten Auslesevorrichtung 33 verbunden, an denen generierte x-, y-Leseadressen
anstehen. Diese Leseadressen werden auch an das Display 34 gegeben. Der Umschalter
36 fällt in
seine in Fig. 2 dargestellte Grundstellung zurück.
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Der Speicher 29 wird zeilenweise ausgelesen, wobei jeweils der Speicherinhalt
einer Zeile im Display als Diagramm sichtbar wird, in welchem die Häufigkeit der
ermittelten Richtungswinkel J über die jeweiligen Richtungswinkel n} aufgetragen
ist.
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Die Inhalte der verschiedene Speicherzeilen werden im Display untereinander
angeordnet dargestellt, wobei jeweils die y-Adresse der Zeile als die Vertikalwinkellage
J N der Nullstellen charakte-N risierender Parameter angegeben wird.
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Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung wird in einer aktiven Sonaranlage
verwendet, deren Empfangsbasis 10' als Flachbasis ausgebildet ist. Die in drei vertikal
übereinanderliegend angeordneten Wandlergruppen 11' bestehen jeweils aus zwei vertikal
übereinander angeordneten Reihen von Wandlern 12'. So daß die Richtcharakteristiken
der drei Wandlergruppen gegenüber den in Fig. 2 auch eine gewisse vertikaleBündelung
aufweisen. Die der Empfangsbasis 10' nachgeschalteten Bauelemente einschließlich
der Richtungsbildner sind in Fig. 3 identisch zu Fig. 2 ausgebildet, so daß gleiche
Bauteile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind, die jedoch zur Unterscheidung
mit einem Beistrich versehen sind. Das gleiche gilt für den Speicher 29' mit Umschalter
36' und Addierer 37', für den Multiplexer 28', die Ausleseeinheit 33' und die Steuereinheit
35' sowie für das Display 34'.
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An die Richtungsbildner 151', 152' und 153' ist jeweils ein Fast-Fourier-Transformator
401 bzw.
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402 bzw. 403 angeschlossen, der den zeitlichen
Verlauf
des Ausgangssignals des zugeordneten Richtungsbildners 151' bzw. 152' bzw. 153'
in einem vorgegebenen Zeitintervall in ein komplexes Frequenzspektrum umwandelt.
Von den drei komplexen -Frequenzspektren werden jeweils zwei unmittelbar benachbarten
Wandlergruppen 11' zugehörige getrennt verarbeitet. Von zwei Frequenzspektren, die
unmittelbar benachbarten Wandlergruppen 11' zugehörig sind, wird jeweils ein Frequenzspektrum,
und zwar für jede Frequenz, mit einem Faktor ei2tfrN (4) multipliziert, wobei f
die jeweilige Frequenz und tun wiederum die die Vertikalwinkellage der Null-N stellen
bestimmende Verzögerungszeit ist. Das so multiplizierte Frequenzspektrum wird negiert
an den Eingang eines Summierers 41 bzw. 42 gelegt, während das jeweils andere Frequenzspektrum
unmittelbar dem Summierer 41 bzw. 42 zugeführt wird.
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Die Mulitplikation mit dem genannten Mulitplikator erfolgt in einem
Multiplizierer 43 bzw. 44. Die Ausgänge der beiden Summierer 41, 42, die infolge
ihres negierten Eingangs als Subtrahierer wirken, sind mit einer Multiplikationsschaltung
45 verbunden. In dieser Multiplikationsschaltung 45 wird das Differenz-Frequenzspektrum
am Ausgang des einen Summierers 41 mit dem konjugiert komplexen anderen Differenz-Frequenzspektrum
am Ausgang des zweiten Summierers 42 multipliziert. Der Real- und Imaginärteil des
Produktes wird an den Ausgängen der Multiplikationsschaltung 45 getrennt ausgegeben.
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Die Ausgänge der Multiplikationsschaltung 45 sind einerseits mit einem
Phasenrechner 46 und anderer-
seits mit einem Betragsbildner 47
verbunden. Der Phasenrechner 46 berechnet mittels eines im einzelnen nicht dargestellten
Quotientenbildners und Arcus-Tangens-Netzwerks als Phase des konjugiert komplexen
Produktes P die Phasenwinkel # je Frequenz gemäß # = arc tan Im P Re P (5).
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Der Betragsbildner 47 bildet in bekannter Weise aus den Quadraten
von Imaginär- und Realteil den Betrag des konjugiert komplexen Produktes, dessen
Quadrat der Signalenergie proportional ist. Die Phasendifferenzwerte oder Phasenwinkel
Y und die jeweils in den Multiplizierern 43, 44 eingestellten Zeitverzögerungen
N bilden hier unmittelbar die Einschreibadressen für den Einschreibvorgang.
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Auf einer Umrechnung der Phasenwinkel Y in Richtungswinkel # und der
Zeitverzögerung <£N in Vertikalwinkellagen der Nullstellen #N ist hier verzichtet,
da - wie bereits erwähnt - ein unmittelbarer Zusammenhang gemäß G1. (1) und (2)
besteht.
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Der Vorgang des Einschreibens der Häufigkeit der auftretenden Phasenwinkel
9 bei sukzessive geänderter Zeitverzögerungszeit #N in den Speicher 29' und die
Darstellung des Speicherinhalts im Display 34' erfolgt in gleicher Weise wie zu
Fig. 2 beschrieben. Der einzige Unterschied besteht darin, daß im Speicher 29 nicht
nur die Zahl der auftretenden gleichen Phasendifferenzwerte oder Phasenwinkel f
aufintegriert werden, sondern diese zuvor gewichtet werden. Diese Wichtung erfolgt
da-
durch, daß nicht für alle Phasenwinkel die gleiche Speicherinformation
eingeschrieben wird, wie in Fig. 2, sondern jeweils die Amplitude oder das Amplitudenquadrat
(Signalenergie) des diesem Phasenwinkel zugeordneten konjugiert komplexen Produktes
P.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt. So können z. B. mehr als drei in vertikal parallelen Ebenen angeordnete
Wandlergruppen 11 bzw. 11' vorhanden sien. Damit nimmt die Zahl der Richtungsbildner
und der Fast-Fourier-Transformatören in gleicher Weise zu. Jeweils die Empfangssignale
von zwei unmittelbar benachbarten Wandlergruppen werden in der beschriebenen Weise
miteinander verknüpft. Durch die beschriebene Signalverarbeitung wird dann eine
Anzahl von parallelen gleichartigen Richtcharakteristiken erhalten, die der um eins
reduzierten Zahl parallel übereinanderliegender Wandlergruppen entspricht. Alle
Richtcharakteristiken weisen parallel zueinander ausgerichtete vertikale übereinanderliegende
Beams mit einer ausgeprägten Null- oder Unempfindlichkeitsstelle auf.