DE3420545A1 - Verfahren zum peilen von schallquellen und vorrichtung zum ausueben des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Peilen von Schallquellen der im Oberbegriff des An­ spruchs 1 genannten Art und eine Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens.

Passive Sonaranlagen mit Empfangsbasen geringer Abmessung werden auf kleineren Schiffen und in Torpedos verwendet. Sie gestatten eine nur mäßi­ ge Mehrzieltrennung, wenn neben der Schallener­ gie von einem Schiff Schallenergie mit sehr hohem Pegel einfällt, wenn also ein Ziel zu peilen ist, das sich durch Einsatz von lautstarken Geräusch­ bojen, sog. Störern, gegen Peilungen, insbeson­ dere Peilungen durch einen Torpedo, schützen will. Das Geräusch der Störer ist üblicherweise erheblich größer als das Fahrtgeräusch des Ziels, so daß das Störergeräusch das Fahrtgeräusch vollständig ver­ decken kann und eine Peilung des Ziels nicht mög­ lich ist.

Dieser Nachteil ist bei Verwenden einer Empfangs­ basis geringer Abmessung dadurch bedingt, daß ei­ ne Bildung von Richtcharakteristiken mit genügend großer Nebenkeulendämpfung nicht möglich ist, so daß ein Störergeräusch auch von Nebenkeulen empfan­ gen wird und einen Schalleinfall aus einer ganz an­ deren Richtung vortäuschen kann. Dies gilt insbeson­ dere für den bei diesen Sonaranlagen üblichen Fre­ quenzbereich von etwa 10 kHz bis etwa 80 kHz. Für tiefere Frequenzen reicht die Abmessung der Emp­ fangsbasis nicht aus, um eine brauchbare Richt­ schärfe zu erzeugen, und bei höheren Frequenzen ist die Dämpfung des Schalls im Wasser so hoch, daß die Reichweite zu gering wäre.

Die Geräusche, die von Störern erzeugt werden, sind mannigfaltiger Art und sollen das Fahrtgeräusch ei­ nes Schiffes nachbilden. Diese Geräusche dürfen aber das Sonargerät des Schiffes nicht wirkungslos machen, das üblicherweise den Störer nachschleppt oder aus­ wirft. Deshalb ist das erzeugte Geräusch im allge­ meinen recht schmalbandig. Manche Störer geben ein Rasselgeräusch ab, andere gewobbelte Schmalbandge­ räusche und wieder andere erzeugen ein auf- und ab­ klingendes bandbegrenztes Rauschen. Auch sind Störer bekannt, deren Geräusch vom schleppenden Schiff aus variiert werden kann.

Es sind Verfahren bekannt, die ein Ermitteln der Ein­ fallsrichtungen der von mehreren Schallquellen aus­ gehenden Wellenenergie gestattet. So beschreibt die DE-OS 24 17 080 ein Verfahren, mit dem mehrere Schallquellen zu peilen sind. Es wird ein Gradien­ tensystem zum Bilden und Schwenken von kardioiden­ formigen Richtcharakteristiken verwendet und damit einzelne Schallquellen ausgeblendet. Dies Verfahren ist jedoch sehr aufwendig, da jeder Schallquelle ei­ ne Kardioide zugeordnet sein muß und die Kardioiden nacheinander auf die Schallquellen ausgerichtet wer­ den müssen. Dieses Verfahren ist zum Ausblenden von Störern während eines Torpedoangriffs nicht geeignet, da die Einstellung der Kardioiden fort­ laufend nach der Lage des Torpedos zum Schiff und zu den zur Verteidigung eingesetzten Störern korri­ giert werden müßte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren zum Peilen von Schallquellen der eingangs genann­ ten Art anzugeben, das es gestattet, Schallenergie abstrahlende Schallquellen auch dann zu peilen, wenn die einfallende Schallenergie sehr unterschiedliche Pegel aufweist, so daß z. B. eine Peilung eines Ziels auch dann möglich ist, wenn das Ziel lautstarke Stö­ rer einsetzt.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der im Ober­ begriff des Anspruchs 1 angegebenen Art erfindungs­ gemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des An­ spruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, daß mit einer Sonaranlage mit geringer Abmessung der Empfangsbasis Einfallsrichtungen von Schallenergie mit großem Pegel und von Schallenergie mit kleinem Pegel bestimmt werden können. Damit wird die Peilung eines Ziels, z. B. durch ein Torpedosonar, nicht durch einen lautstarken Störer unmöglich gemacht. Das Ziel kann vielmehr trotz Störer fortlaufend gepeilt wer­ den. Auch ein plötzlich aktiv werdender Störer kann die Zielpeilung nur kurzzeitig unterbrechen. Das er­ findungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine Pei­ lung von zwei bezüglich der Einfallsrichtung zur So­ naranlage dicht benachbarten Schallquellen auch dann, wenn deren Schallenergie mit stark unterschiedli­ chem Pegel einfällt.

Da die Zeitabschnitte mit geringem Pegel eine nur sehr kurze Dauer aufweisen, ist es zur Erzielung brauchbarer Peilergebnisse der weiteren Schallquel­ len zweckmäßig, die Bestimmung der relativen Pe­ gelmaxima in einer größeren Anzahl von Zeitabschnit­ ten durchzuführen.

Die Peilung wird bei einer vorteilhaften Ausgestal­ tung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß An­ spruch 2 erheblich erleichtert, da dadurch die Mög­ lichkeit geschaffen wird, in einzelnen Frequenzbän­ dern Zeitabschnitte größerer Dauer zu ermitteln.

Durch eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des er­ findungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 3 ist eine sehr frühzeitige Erkennung weiterer Schallquellen und ihrer angenäherten Einfallsrichtung möglich.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus Anspruch 4. Durch diese Maßnahme ist erkennbar, welche der Pei­ lungen noch ungenau sein können, da die einfallende Schallenergie sehr klein ist. Eine Anordnung, die eine Anzeige der Einfallsrichtung und des Pegels von Schallquellen ermöglicht, ist z. B. in der DE-OS 19 57 203 beschrieben.

Durch die in einer weiteren vorteilhaften Ausgestal­ tung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 5 ergriffenen Maßnahmen erhält man eine Aussage dar­ über, ob der Standort der Sonaranlage für die Ermitt­ lung von Einfallswinkeln mehrerer Schallquellen günstig ist. Sehr geringe Winkelgeschwindigkei­ ten der Schallquellen können durch einen Kurs von oder zur Sonaranlage verursacht sein. Eine Po­ sitionsveränderung der Sonaranlage gibt möglicher­ weise eine besser auswertbare Anzeige.

Mit einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 6 ist eine Zielzuweisung möglich, denn eine Schallquelle, die einen Störer schleppt, ist immer ein lohnen­ des Ziel für einen Angriff.

Vorrichtungen zum Ausüben des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8 sind in den Ansprüchen 7 bis 9 beschrieben.

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

Fig. 1 ein Diagramm von mit einer Vielzahl winkelmäßig gegeneinander versetzter Richtcharakteristiken empfangenen Pe­ gelverläufen einfallender Schall­ energie,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Teilpanoramaanzeige mit Einfallsrich­ tungen von Schallenergie kennzeich­ nenden Peilstrichen,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Realisierung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Sperrstufe in einer Sperrschaltung der Vorrich­ tung gemäß Fig. 3.

Fig. 1 zeigt in einem Diagramm Pegelverläufe ein­ fallender Schallenergie, die von einer Sonaranla­ ge von in einem Winkelbereich von ± 70° mit einer Vielzahl von gegeneinander um einen Winkel ver­ setzten Richtcharakteristiken empfangen werden.

Die obere Kurve zeigt einfallende Schallenergie mit sehr hohem Pegel, wie siedurch das Geräusch eines Störers verursacht wird. Diese Schallenergie wird im gesamten Winkelbereich mit so hohem Pegel empfangen, daß keine weiteren Schallquellen detektierbar sind. Die Peilung der ersten Schallquelle, nämlich des Störers, wird durch die Einfallsrichtung des absolu­ ten Pegelmaximums mit ca. -30° bestimmt.

Die untere Kurve zeigt einfallende Schallenergie mit geringem Pegel mit einem relativen Pegelmaximum. Die Einfallsrichtung des relativen Pegelmaximums wird in Zeitabschnitten geringen Pegels der empfangenen Schallenergie und damit geringen Pegels des Störer­ geräusches bestimmt, sie liegt bei ca. 0°. Zeitab­ schnitte mit geringem Pegel müssen nicht notwendiger­ weise im gesamten Frequenzbereich der Sonaranlage ermittelt werden, es können vielmehr in nur einem oder mehreren Frequenzbereichen auftretende Zeitab­ schnitte geringen Pegels zum Peilen ausgenützt wer­ den (vgl. Fig. 3 und Fig. 4).

Eine in Fig. 1 zusätzlich gezeigte Darstellung von Peilwerten, die zu Beginn der Suche nach weiteren Schallquellen während der allerersten der Zeitab­ schnitte gewonnen wurden, in einem Stufendiagramm über in 3 ¹/₃° quantisierten Einfallswinkeln, er­ möglicht eine sehr frühzeitige Erkennung von wei­ teren Schallquellen, wenn auch die genaue Bestimmung der Einfallsrichtung des relativen Pegelmaximums erst nach einer genügend großen Zahl von Peilungen möglich ist, weil sich Peilfehler dann erst aus­ mitteln.

Fig. 2 zeigt eine Peilanzeige in Form einer Teil­ panoramadarstellung, die auf Nord bezogen ist. Die Einfallsrichtungen von Schallenergie (Peilungen) sind durch Peilstriche P dargestellt. Über die Peil­ striche P ist eine Winkelskala SK zum Ablesen der Peilwinkel in einem Bereich von -70° bis +70° ge­ legt. Auf jeden Peilstrich P ist ein Anzeigeband B gelegt, dessen Länge proportional zu den Pegeln der einfallenden Schallenergie ist, damit ist eine Beurteilung der Schallquellen ermöglicht.

Am äußeren Rand der Teilpanoramadarstellung sind neben den momentanen Peilstrichen P vorangegangene Peilungen, die über eine vorgebbare Zeitspanne ge­ speichert sind, als Punkte dargestellt. Die sich aus der Vielzahl engbenachbarter Punkte ergebenden Strecken S geben eine Anzeige der Bewegung der Schallquelle, die Länge der Strecken S ist propor­ tional zu ihren Winkelgeschwindigkeiten. Aus einem Vergleich der Winkelgeschwindigkeiten der gepeil­ ten Schallquellen ist eine Zielzuweisung möglich. Wenn nämlich zwei Schallquellen etwa die gleiche Winkelgeschwindigkeit aufweisen und eine dieser Schallquellen ist durch das absolute Pegelmaximum als Störer zu identifizieren, so ist eine vor dem Störer herlaufende Schallquelle mit hoher Wahr­ scheinlichkeit ein den Störer schleppendes Ziel.

Im Beispiel der Fig. 2 wird das absolute Pegelmaximum unter -30° festgestellt. Eine gleich große Winkelge­ schwindigkeit ist bei der unter -5° liegenden Pei­ lung angezeigt. Der Peilstrich -5° gibt danach die Zielrichtung an.

Wenn außer einem durch sein Pegelmaximum erkenn­ barer Störer keine weitere Schallquelle zu peilen ist, muß die Sonaranlage ihre Richtung ändern, und zwar muß sie so weit gedreht werden, daß der Störer noch gerade erfaßt werden kann und dann nach weite­ ren Schallquellen suchen. Es ist unwahrscheinlich, daß im gesamten Umkreis keine andere Schallquelle gepeilt werden kann.

Durch die beschriebene Darstellung sind Kurse der Schallquellen nicht zu erkennen, wohl aber ist eine Bestimmung der Lageverschiebung der Schallquellen gegeneinander aus der auf Nord bezogenen Darstellung möglich. Jeder Peilstrahl P teilt die Teilpanorama­ darstellung und in seinen Verlängerungen die gesam­ te Umgebung in zwei Halbräume. Aus den durch Wan­ dern der Peilstriche P erzeugten Strecken S ist zu erkennen, welche Winkelbewegung jede Schallquelle macht, welchen Halbraum sie verläßt und in welchen Halbraum sie hineinläuft. Es ist zu erkennen, daß das bei -5° gepeilte Ziel in den östlichen Halb­ raum hineinläuft, wogegen die mit +40° gepeilte Schallquelle in einen nordwestlichen Halbraum läuft. Diese Schallquelle kann zwar sowohl einen Kurs nach Norden wie nach Westen, aber nicht nach Süden oder Osten laufen. Damit ist die Lageverschiebung der Schallquellen gegeneinander erkennbar.

Fig. 3 zeigt eine Empfangsbasis 1 einer Sonaran­ lage mit nachgeschaltetem Richtungsbildner 2. Der Richtungsbildner 2 bildet eine Anzahl von in un­ terschiedliche Richtungen weisende Richtcharakteri­ stiken und weist je Richtcharakteristik einen Aus­ gang auf. Diese Ausgänge sind mit Eingängen einer Sperrschaltung 5 verbunden. Jedem dieser Eingänge ist eine Sperrstufe 6 nachgeschaltet. Ausgangssei­ tig sind die Sperrstufen 6 zu einem Ausgang der Sperrschaltung 5 zusammengefaßt, der mit einer nach­ geschalteten Peilanzeige 7, einem Peilwertespeicher 8 und einem Winkelgeschwindigkeitsrechner 9 verbunden ist. Der Winkelgeschwindigkeitsrechner 9 weist ein Anzeigefeld 10 auf, auf dem die Winkelgeschwindig­ keit der von der Sonaranlage gepeilten Schallquel­ len angezeigt werden. Dem Peilwertespeicher 8 ist eine Anordnung 11 zum Bilden von Vergangenheitsmerk­ malen nachgeschaltet, deren Ausgang mit der Peilan­ zeigeanordnung 7 verbunden ist. Im Beispiel der Fig. 2 bestehen die Vergangenheitsmerkmale darin, daß Pei­ lungen über eine vorgebbare Zeit gespeichert und dargestellt werden, bei jeder neuen Peilung wird die älteste Peilung gelöscht.

Die Sonaranlage enthält ferner einen Schallempfän­ ger 12, der auch ein einzelner Empfänger in der Emp­ fangsbasis 1 sein kann. Dem Schallempfänger 12 ist ein Pegelanalysator 13 sowie eine Filterschaltung 14 nachgeschaltet, die ausgangsseitig mit einer Schwel­ lenschaltung 15 verbunden ist. Der Pegelanalysa­ tor 13 ist ausgangsseitig mit einem Steuereingang der Schwellenschaltung 15 verbunden. Im Pegelanaly­ sator 13 wird ein absolutes Pegelmaximum empfangener Schallenergie und der größte Pegel auftretender relativer Pegelmaxima bestimmt. Die Filterschal­ tung 14 enthält eine Filterbank mit einer Anzahl von Bandfiltern 16, denen in der Schwellenschal­ tung 15 je ein Komparator 17 nachgeschaltet ist. Ausgangssignale der Komparatoren 17 sind Sperr­ signale S ₁ bis S₅ für die Torschaltungen 20 in den Sperrstufen 6. Jeder Komparator 17 weist zwei Schwellen auf, eine obere Schwelle oberhalb des absoluten Pegelmaximums und eine untere Schwelle oberhalb des größten Pegels der relativen Pegel­ maxima im Frequenzbereich des betreffenden vor­ geschalteten Bandfilters 16. Die Schwellen­ schaltung 15 enthält einen Zeitschalter 19, der wechselweise die eine oder andere der beiden Schwel­ len in den Komparatoren 17 wirksam werden läßt.

Fig. 4 zeigt eine der Sperrstufen 6 in der Sperr­ schaltung 5 der Fig. 3. Jede Sperrstufe 6 ent­ hält Torschaltungen 20, denen Bandpässe 22 einer Filterbank nachgeschaltet sind, deren Anzahl und Ausbildung identisch sind mit dem Bandfiltern 16 in der Filterschaltung 14 der Fig. 3. Sperrsigna­ le S ₁ bis S₅ der Torschaltungen 20 sind Ausgangs­ signale der dem korrespondierenden Bandfilter 16 nachgeschalteten Komparatoren 17. Die obere Schwel­ le liegt so hoch, daß sie von den vom Schallemp­ fänger 12 empfangenen Schallenergien nicht über­ schritten werden kann. Wenn diese Schwelle wirksam ist, werden demnach keine Sperrsignale S ₁ bis S₅ generiert, die Torschaltungen 20 bleiben geöffnet und die Sonaranlage peilt das absolute Pegelmaxi­ mum. Ist die untere Schwelle wirksam, so erscheint ein Sperrsignal S ₁ bis S₅ sofort, sobald im Fre­ quenzbereich eines der Bandfilter 16 die untere Schwelle überschritten wird. Durch das Sperrsig­ nal S ₁ bis S₅ werden diejenigen Torschaltungen 20 gesperrt, die dem Bandpaß 22 mit entsprechendem Frequenzbereich vorgeschaltet sind. Der betreffen­ de Frequenzbereich ist für die Peilung der Sonar­ anlage gesperrt, die Sonaranlage kann in diesem Frequenzbereich nicht peilen. Es besteht aber die Mög­ lichkeit, daß die Sonaranlage auf einem oder meh­ reren anderen Frequenzbereichen weiter die relati­ ven Pegelmaxima peilt, falls deren zugeordnete Torschaltungen 20 nicht gesperrt sind. Die unteren Schwellen bestimmen somit die Zeitabschnitte ge­ ringen Pegels, die bei Unterschreiten der Schwelle beginnen und bei Überschreiten beendet sind.

Sind die oberen Schwellen in den Komparatoren 17 wirksam, so wird von der Sonaranlage die Einfalls­ richtung der Schallquelle mit dem Pegelmaximum be­ stimmt, sind die unteren Schwellen wirksam, so wer­ den diejenigen Frequenzbänder zum Peilen relativer Pegelmaxima benutzt, bei denen die Schwellen nicht überschritten werden.

Claims (9)

1. Verfahren zum Peilen von Schallquellen unter Verwendung einer Passiv-Sonaranlage mit einer insbesondere kleinen Empfangsbasis, bei wel­ chem als Peilungen Einfallsrichtungen rich­ tungsabhängiger Pegelmaxima der empfangenen Schallenergie bestimmt werden, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Peilung einer ersten Schallquelle das absolute Pegelmaximum ermit­ telt wird, daß der Pegel der empfangenen Schall­ energie auf zeitliche Schwankungen hin über­ wacht wird und daß zur Peilung weiterer Schall­ quellen in Zeitabschnitten mit geringem Pegel Einfallsrichtungen relativer Pegelmaxima er­ mittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die empfangene Schallenergie einer Frequenzanalyse unterzogen wird, daß die Zeit­ abschnitte geringen Pegels frequenzselektiv für einzelne Frequenzen oder Frequenzbänder bestimmt werden und daß die Ermittlung der Einfallsrich­ tungen der relativen Pegelmaxima in der auf die einzelnen Frequenzen oder Frequenzbänder be­ grenzten Schallenergie durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die in den Zeitabschnitten bestimmten Peilungen weiterer Schallquellen gespeichert und die Zahl der Peilungen in Zuordnung zu dem jeweiligen Peilwinkel nach Art eines Stufendia­ gramms dargestellt werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Peilungen in einer Peilanzeige durch Peilstriche sichtbar gemacht werden, deren Lage durch die in Winkelgeraden angegebenen Einfallsrichtungen bestimmt ist, und daß auf den Peilstrichen Anzeigebänder dar­ gestellt werden, deren Länge in Peilrichtung durch die Größe der Pegelmaxima bestimmt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß aus zeitlichen Peilungsänderungen Win­ kelgeschwindigkeiten der Schallquellen berech­ net und in Zuordnung zu den Peilstrichen ange­ zeigt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Winkelgeschwindigkeiten miteinan­ der verglichen werden und daß aufgrund der Gleichheit von zwei verschiedenen Peilungen zu­ gehörigen Winkelgeschwindigkeiten die eine Pei­ lung als Zielrichtung ausgegeben und/oder dar­ gestellt wird, wenn die andere Peilung durch die Einfallsrichtung für das absolute Pegelma­ xima bestimmt ist und in bezug auf die zeit­ liche Änderung der Einfallsrichtung dieser hin­ terherläuft.

7. Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Richtungsbildner (2) für Sonarsig­ nale vorgesehen ist, der je einen Ausgang für jede vorgesehene Peilrichtung enthält, daß dem Richtungsbildner (2) eine Sperrschaltung (5) nachgeschaltet ist, die ihrerseits ausgangs­ seitig mit einer Peilanzeige (7) verbunden ist, daß ein Schallempfänger (12) vorgesehen ist, dem eine voreinstellbare Schwellenschaltung (15) nachgeschaltet ist, an deren Ausgang ein Sperr­ signal (S ₁ bis S₄) für die Sperrschaltung (5) bei Überschreiten der Schwelle ansteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Schallempfänger (12) ein Pe­ gelanalysator (13) nachgeschaltet ist, dessen Ausgang mit einem Steuereingang der Schwellen­ schaltung (15) verbunden ist, daß der Pegelana­ lysator (13) zum Bestimmen eines absoluten Pe­ gelmaximums in der empfangenen Schallenergie und zum Bestimmen des größten Pegels der rela­ tiven Pegelmaxima ausgebildet ist, daß die Schwellenschaltung (15) zwei Schwellen aufweist - eine obere Schwelle oberhalb des Pegelmaximums und eine untere Schwelle oberhalb des größten Pegels der relativen Pegelmaxima - und daß in der Schwellenschaltung (15) ein Zeitschalter (19) vorgesehen ist, durch den wechselweise eine der beiden Schwellen als wirksame Schwelle der Schwellenschaltung (15) eingeschaltet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschaltung (5) eine der Anzahl der Ausgänge des Richtungs­ bildners (2) entsprechende Zahl von Sperrstu­ fen (6) enthält, wobei jedem Ausgang des Rich­ tungsbildners (2) eine Sperrstufe (6) nachge­ schaltet ist, daß jede Sperrstufe (6) eine An­ zahl von Torschaltungen (20) enthält, denen jeweils ein Bandpaß (22) nachgeschaltet ist, daß zwischen Schallempfänger (12) und Schwel­ lenschaltung (15) eine Filterschaltung (14) geschaltet ist, die eine Anzahl von Bandfil­ tern (16) enthält, deren Anzahl und Ausbildung denen der Bandpässe (22) in den Sperrstufen (6) entspricht, daß die Schwellenschaltung (15) eine Anzahl von Komparatoren (17) enthält, von denen jede eine untere und eine obere Schwelle aufweist, daß die Komparatoren (17) den Band­ filtern (16) nachgeschaltet sind und an ihren Ausgängen Sperrsignale (S ₁ bis S₄) für die Sperrstufen (6) anstehen.