DE3538436C2

DE3538436C2 - Breitband-Interferometer-Sonargerät mit komprimierter Ausstrahlung

Info

Publication number: DE3538436C2
Application number: DE3538436A
Authority: DE
Inventors: Georges Grall
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1984-10-30
Filing date: 1985-10-29
Publication date: 1994-06-16
Anticipated expiration: 2005-10-30
Also published as: SE8505079L; FR2598229A1; CA1266910A; US4794574A; SE8505079D0; GB2190491A; IT8567897A0; NO854281L; GB2190491B; IT1199912B; BE903546A; DE3538436A1; FR2598229B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Interferometer-Sonargerät, also ein Sonargerät, bei welchem die Ausstrahlung durch zwei gleichzeitig arbeitende Sendewandler geschieht, die um eine Länge L voneinander beabstandet sind, welche gleich der maximalen verfügbaren Länge der Antenne ist. Diese Sendewandler erzeugen durch Interferenz ein Mehrfachbündel, dessen Mehrdeutigkeit empfangsseitig behoben wird.

Ein Antennensystem für ein Interferometer-Sonargerät dieser Art ist in der französischen Patentanmeldung der Anmelderin, veröffentlicht unter Nr. 24 12 177 und mit dem Titel "Antennensystem mit hohem Auflösungsvermögen", beschrieben. Die Sendeantenne enthält wenigstens zwei Sendewandler, die synchron senden und an den Enden einer Empfangsantenne angeordnet sind. Das Strahlungsdiagramm im Sendebetrieb, bei dem die Amplitude sich in Abhängigkeit von der Richtung R nach der Funktion F (R):

ändert, weist dann in seinem Winkelfeld eine Folge von Maxima und Minima in den Abständen p auf, derart, daß:

In diesen Formeln ist R der Winkel einer Beobachtungsrichtung mit einer Achse, die senkrecht zu der durch die Antennen gebildeten Linie ist, während c die Geschwindigkeit der Schallwellen im Wasser, f₀ die Sendefrequenz und

die Schwingungswellenlänge in der Ausbreitungsumgebung, also im Wasser, ist. Die Breite der so durch Interferenz erhaltenen Zipfel beträgt etwa die Hälfte derjenigen, welche mit einer Sendebasis erhalten wird, welche die gesamte Länge L einnimmt, wodurch das Auflösungsvermögen verbessert wird.

Es kann gleichzeitig in den Richtungen der Sendemaxima empfangen werden, indem ebenso viele Empfangskanäle wie Zipfel vorgeformt werden, ausgehend von einer durchgehenden Antenne, die jedoch aus mehreren Quellen zusammengesetzt ist, zwischen denen eine Phasenverschiebung eingeführt ist, dergestalt, daß die Maxima der Empfangskanäle mit den Maxima des Sendebetriebs zusammenfallen. Um alle Richtungen des Winkelfeldes zu überdecken, ist es vorgesehen, weitere Maxima im Sendestrahlungsdiagramm zu erzeugen, die mit den Minima des ersten zusammenfallen, und eine zweite Reihe von vorgeformten Empfangskanälen zu bilden, indem dieselben Sende- und Empfangsquellen verwendet werden; dies geschieht entweder durch zwei sequentiell erfolgende, gegeneinander phasenverschobene Ausstrahlungen bei derselben Frequenz oder durch zwei gleichzeitige Ausstrahlungen bei verschiedenen Frequenzen.

Ausgestrahlt werden periodische Schallsignalimpulse bei der Wellenlänge λ₀ und von der Dauer τ_e. Dieser Dauer entspricht ein Frequenzband

Jede Frequenz, die in dem Band Δf um die Frequenz f₀ liegt, entspricht also einem Diagramm F(R) der Cosinusform gemäß der obigen Formel (1), so daß das resultierende Diagramm nicht korrekt verwirklicht ist, denn es sind mit Ausnahme des zentralen Maximums keine gut ausgeprägten Maxima und Nullstellen vorhanden.

Die Richtungen der Maxima des Strahlungsdiagramms, die durch F(R) = 1 gegeben sind, sind nämlich derart, daß

worin k eine ganze Zahl ist. Wenn sich also die Frequenz in dem Frequenzband Δf ändert, ändert sich auch die Richtung der Maxima in folgender Weise:

Wenn die Sendefrequenz f₀ um df verändert wird, hat die entsprechende Abweichung dR der Richtung R den Wert

Damit das Interferenzdiagramm nicht zu sehr beeinträchtigt wird, muß die Größe des Frequenzbandes eingeschränkt werden, woraus sich für das oben beschriebene System eine minimale Dauer des Schallimpulses ergibt. Es wird davon ausgegangen, daß dR maximal ein Viertel der Breite der Zipfel des Strahlungsdiagrammes bei halber Leistung, also 3 dB Dämpfung gegenüber dem Maximum, erreichen darf; diese Breite für die halbe Leistung beträgt

Die Abweichung ist für die Grenzen des Winkelfeldes -R₀ und +R₀ maximal.

Für diese Richtungen gilt

Die Dauer τ_e des Impulses kann also nicht kleiner sein als , damit das Diagramm nicht zu sehr beeinträchtigt wird.

Diese Begrenzung ist mit zweierlei Mängeln behaftet

- Für ein gegebenes Winkelfeld wird die Entfernungsauflösung c/2 Δf begrenzt, da die Impulse zu lang sind;
- für eine gegebene Entfernungsauflösung wird das überdeckte Winkelfeld eingeschränkt.

Beispielsweise ist für L = 250λ₀, ein fest vorgegebenes Winkelfeld von 2 R₀ = 30° und eine Sendefrequenz f₀ = 200 kHz, die Frequenzdifferenz Δf_max gleich 750 Hz. Um die Reichweite von D = 100 Metern zu erreichen, bei einer seitlichen Entfernungsauflösung 2 R₀D gleich 0,2 m, ist aber ein Band von 750 Hz nicht ausreichend. Die Bandbreite müßte wenigstens gleich 3,75 kHz sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Interferometer-Sonargerät zu schaffen, das von den oben beschriebenen Mängeln frei ist und bei dem es sich insbesondere um ein breitbandiges Interferometer-Sonargerät handelt. Die besondere Struktur des erfindungsgemäßen Sonar-Antennensystems gestattet ferner die komprimierte Ausstrahlung.

Diese Aufgabe wird bei einem Interferometer-Sonargerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die in seinem kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 das im dB-Maßstab aufgetragene Strahlungsdiagramm F(R) einer Interferometer-Antenne mit zwei Sendewandlern nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Interferometer-Sonar- Sendeantenne sowie die zugeordneten Steuermittel;

Fig. 3 und 4 Diagramme, welche die Betriebsweise des erfindungsgemäßen Sonargerätes verdeutlichen; und

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer Sendeantenne für ein erfindungsgemäßes Sonargerät.

Das erfindungsgemäße Interferometer-Sonargerät ist derart ausgebildet, daß das Sendestrahlungsdiagramm bei Überdeckung eines Frequenzbandes B ungestört ist. Dieses Frequenzband B ist größer als das bei dem oben kurz beschriebenen bekannten System, bei welchem noch keine übermäßige Störung des Interferenzdiagramms auftritt.

Aus der Formel (1), welche den Amplitudenkoeffizienten des Strahlungsdiagramms F(R) angibt, das in Fig. 1 gezeigt ist, ergibt sich eine Lösung für ein Diagramm F(R), welches durch die Frequenzänderungen in dem Band B noch nicht gestört wird, dahingehend, daß für jede Frequenz f das Produkt Lf konstant ist, d. h. LF = K, worin K eine Konstante ist.

In einem durch die Gleichung (3) gegebenen Frequenzband Δf ≦ Δf_max wird das Sendediagramm F(R) als ungestört angenommen. Es kann also eine Gruppe von diskreten Entfernungen L_i in Betracht gezogen werden, also mehrere Paare von Wandlern, wobei jedes Paar einer Sendefrequenz f_i entspricht, um welche ein Frequenzband Δf, das kleiner als der Maximalwert Δf_max oder gleich diesem Wert ist, die Wahrung der Unabhängigkeit von F(R) in bezug auf die Frequenz gestattet. Die Sendefrequenzen, die jeweils einem Paar von Wandlern zugeordnet sind, haben die Abstände Δf, und das Band B kann auf diese Weise durch N Paare von Wandlern überdeckt werden, worin N die größere ganze Zahl ist, welche dem Quotienten B/Δf entspricht. Die Mittenfrequenz f₀ des Bandes B entspricht der Sendefrequenz des zentralen Paares, wenn N ungeradzahlig ist. Wenn N hingegen geradzahlig ist, sind die Sendefrequenzen der zwei zentralen Paare f₀ - Δf/2 und f₀ + Δf/2.

Die Sendewandler E₁ und E₂ des bekannten Systems werden also jeweils durch eine Reihe von N Wandlern ersetzt, um so N Paare von Wandlern zu bilden. Die zwei Wandler jedes der N Paare sind folgendermaßen mit Indizes bezeichnet:

- für N ungeradzahlig ist i eine ganze Zahl derart, daß
- für N geradzahlig ist i eine ganze Zahl derart, daß und i verschieden von 0.

Die entsprechenden Sendefrequenzen sind:

f_i = iΔf, für N ungeradzahlig

für N geradzahlig.

Die Entfernungen zwischen den Wandlern eines Paares mit dem Index i sind:

Fig. 2 zeigt schematisch die Sendesteuerkreise und das zugeordnete Antennensystem für das erfindungsgemäße Interferometer-Sonargerät bei einer Ausführungsform mit N = 5. Jeder Wandler E₁, E₂ enthält N elementare Wandler (E₁)_i und (E₂)_i; die elementaren Wandler, welche das Paar mit dem Index i bilden, haben den Abstand L_i und werden durch Impulssignale der Frequenz f_i gespeist, die wiederholt auftreten und die Dauer τ_e = 1/f haben. Die Sendesteuerkreise enthalten N Leistungsverstärker A_i, also A_-2, A_-1, A₀, A₁ und A₂, welche die Signale von N Oszillatoren O₁ mit i = -2 bis +2 bei den Frequenzen f_i empfangen. Diese Oszillatoren O_i, die in der Mitte der Impulsdauer τ_e in Phase sind, empfangen Synchronisationssignale von einem Referenzoszillator O_r. Der Ausgang eines Verstärkers A_i ist mit den zwei elementaren Wandlern des entsprechenden Paares verbunden. Die Strahlungsdiagramme jedes elementaren Interferometers, welche durch die Beziehung (1) gegeben sind, sind einander völlig gleich, und insbesondere fallen die Maxima zusammen, da alle Produkte L_if_i gleich sind.

Der Empfang erfolgt in herkömmlicher Weise mittels einer durchgehenden Empfangsantenne, die nicht dargestellt ist und beispielsweise aus einer Folge von Empfangswandlern gebildet ist, die in gleichen Abständen angeordnet sind und deren Ausgangssignale verzögert und aufsummiert werden, um die Empfangswege in den Richtungen zu bilden, welche denen der Maxima des Sendestrahlungsdiagrammes entsprechen. Die Empfangswandler sind zwischen den zwei Sendergruppen angeordnet, um ein Antennensystem zu bilden, dessen Raumbedarf und Länge minimal sind.

Wie im Falle des Interferometer-Sonargerätes mit zwei Sendewandlern kann die vollständige Überdeckung des Winkelfeldes entweder nacheinander mittels Ausstrahlungen erfolgen, die abwechselnd gleichphasig und gegenphasig an allen elementaren Wandlern sind und bei denselben Frequenzen geschehen, oder gleichzeitig, unter Verwendung von zwei verschiedenen Frequenzen, die gleichzeitig von jedem der Wandler-Paare ausgestrahlt werden, die das Interferometer bilden.

Durch die anhand von Fig. 2 beschriebene Vorrichtung kann ferner eine Impulskompression erhalten werden. Die Hüllkurve des Impulses, der aus der algebraischen Summe von N gleichzeitig gesendeten Signalen mit reinen Frequenzen im Frequenzabstand Δf = 1/τ_e in einem Band F = N f resultiert, ist nämlich genau gleich einem kurzen Signal, welches eine Funktion von ist, worin X gleich πΔft ist. Das Maximum wird erhalten, wenn diese Signale alle gleichphasig sind. Die Impulskompression wird also erhalten, indem an den verschiedenen Sendern in der Mitte des Impulses, also für t = τ_e/2 nach Impulsbeginn, gleichphasig gesendet wird.

Fig. 3 ist eine vektorielle Darstellung der Impulskompression für das Beispiel N = 3. Wenn die Referenz- Schwingungsebene durch den Mittelpunkt O der Antenne geht, so werden die jedem Paar von elementaren Wandlern entsprechenden Schwingungen für eine gegebene Richtung symmetrisch in bezug auf diese Ebene hinzuaddiert. Für die Richtung R, die den Maxima der Funktion F(R) entsprechen, hat der resultierende Vektor eine maximale Amplitude, die gleich V_M ist. Für eine beliebige Richtung R ist die Amplitude gleich V_P kleiner als V_M.

Fig. 4 zeigt schematisch die Impulse, die an den verschiedenen Paaren von Wandlern übertragen werden, und den resultierenden zeitlich komprimierten Impuls; in dieser Figur ist N = 3 wie in Fig. 3, um die Beschreibung zu vereinfachen. Es seien ω₁, ω₀ und ω₊₁ die Kreisfrequenzen der gesendeten Signale:

ω₁ = 2 πf_i und

Die Produkte ω_i · τ_i hängen nur von der Beobachtungsrichtung R und nicht von i ab, da L_if_i = K. Die Breite der Hüllkurve des komprimierten Impulses bei drei Dezibel Dämpfung ist

τ_e/N = 1/NΔf = 1/B.

Der zugehörige Verarbeitungsgewinn in Dezibel ist gleich 10 log B τ_e, d h. 10 log N. Durch die erfindungsgemäße Sendevorrichtung wird also eine Impulskompression beim Sendebetrieb im Wasser erreicht, und zwar über alle Richtungen R des Winkelfeldes. Die Form des Zeitimpulses ist also keine Funktion der Richtung R und bleibt für alle Richtungen dieselbe, mit einem Amplitudenfaktor F(R), welcher dem Sendediagramm entspricht.

Bei dem oben angegebenen Zahlenbeispiel, worin das Winkelfeld zwischen -15° und +15° liegt und die Mittenfrequenz gleich f₀ = 200 kHz ist, wird für ein zur Betrachtung des Meeresgrundes bestimmtes Sonargerät eine Entfernungsauflösung von 0,2 m angestrebt, woraus sich wie oben angegeben, ein Frequenzband B = 3,75 kHz ergibt. Das maximale Frequenzband Δf_max für ein einziges Interferometer ist etwa gleich 750 Hz; die erfindungsgemäße Sonar-Sendeantenne enthält fünf Interferometer, also fünf Paare von elementaren Wandlern, welche diese fünf Interferometer bilden. Diese fünf Paare von Wandlern werden gleichzeitig durch Impulse der Dauer τ_e = 1,33 Millisekunden bei den Frequenzen F_-2 = 198,5 kHz, F_-1 = 199,25 kHz, F₀ = 200 kHz, F₁ = 200,75 kHz und F₂ = 201,5 kHz gespeist.

Der gesendete Schallpegel, welcher bei einem derartigen Antennensystem erhalten wird, bleibt in derselben Größenordnung wie derjenige, der bei einem System mit zwei Sendewandlern erhalten wird. Eine Quelle der Länge l besitzt nämlich eine Richtungswirkung, für welche die Breite der Keule bei 3 Dezibel Dämpfung λ/l Radian beträgt. Um ein Winkelfeld von wenigstens gleich 2 R₀ zu erhalten, ist die maximale Länge l_max einer einzigen Quelle gleich l_max = λ/2 R₀. Ferner ist der Abstand e_i zwischen den Phasenzentren der zwei benachbarten Wandler in einem erfindungsgemäßen Antennensystem durch folgende Beziehung gegeben:

2 e_i = L_i - L_{i +1}, nahe bei

Da Δf höchstens gleich ist e_i etwa . Folglich beträgt die Länge l_i der Wandler, welche auf ihren Abstand e_i begrenzt ist, wenn alle Wandler der Antennen auf einer Linie liegen, etwa viermal weniger als die Länge l_max. Mit einem Interferometer, welches wenigstens vier Paare von Wandlern enthält, ist also der gesendete Schallpegel etwa gleich demjenigen eines Interferometers, das nur ein Paar von Wandlern enthält, da die Sendeoberflächen äquivalent sind.

Bei dem oben angegebenen Zahlenbeispiel beträgt der Abstand e_i zwischen zwei benachbarten Wandlern 0,47 λ_i, also etwa 3,5 mm. Die maximale Länge l_max liegt in der Größenordnung von 15 mm. Um einen Sendepegel zu erhalten, der gleich demjenigen eines Interferometers mit zwei Wandlern von jeweils 15 mm Länge ist, wird die Länge jedes Wandlers auf 3 mm festgelegt. Der Abstand zwischen den zwei Wandlern des zentralen Paares ist gleich 1,875 m. Die oben angegebenen Zahlen zeigen, daß gegenüber einem herkömmlichen Interferometer mit zwei Sendewandlern die Entfernungsauflösung für ein fest vorgegebenes Winkelfeld gesteigert wurde, während der Sendepegel gleich bleibt.

Es ist auch möglich, die elementaren Wandler nicht auf einer Linie auszurichten und als Länge jedes Wandlers die maximale Länge l_max anzunehmen. Bei dieser Lösung sind die Wandler versetzt und übereinander angeordnet, wie in Fig. 5 in Stirnansicht gezeigt ist. Bei einer solchen Ausführungsform der Erfindung ist die Sendeoberfläche gegenüber der eines herkömmlichen Interferometers mit zwei Sendewandlern mit dem Faktor fünf multipliziert.

Bei einer zweiten Ausführungsform ist die Entfernungsauflösung des Sonargerätes auf 1 m festgelegt, und das Winkelfeld 2 R₀ liegt bei 90°, also zwischen -45° und +45°. Wenn die Sendebasis des Interferometers L gleich 250 λ ist und die Mittenfrequenz f₀ der Austrahlung gleich 200 kHz beträgt, wie bei dem zuvor beschriebenen Beispiel, so ist Δf_max in diesem Falle gleich 200 Hz. Die minimale für ein Sonargerät benötigte Bandbreite ist gleich 800 Hz, so daß vier Interferometer benötigt werden, deren Wandler-Paare durch Impulse der Dauer τ_e = 5 Millisekunden gespeist werden, mit den Frequenzen F_-2 = 199,7 kHz, F_-1 = 199,9 kHz, F₁ = 200,1 kHz, F₂ = 200,3 kHz. Bei dieser Ausführungsform ist kein Wandler vorhanden, der genau die Frequenz f₀ = 200 kHz ausstrahlt.

Bei einer anderen Ausführungsform wird der Sendeimpuls gewichtet, dergestalt, daß seine Breite bei drei Dezibel die Form k/NΔf hat, worin k größer als 1 ist und von dem gewählten Wichtungsgesetz abhängt.

Um den Pegel der Nebenzipfel des Diagramms zu vermindern, welche aus dem Produkt der Richtwirkungen im Sendebetrieb und im Empfangsbetrieb resultieren, kann die Entfernung zwischen den zwei Gruppen von N Wandlern kleiner als die Länge der Empfangsantenne gewählt werden, wobei die von den Empfangswandlern empfangenen Signale dann gewichtet werden, wie in der französischen Patentanmeldung der Anmelderin, die unter der Nr. 25 19 770 veröffentlicht wurde, beschrieben ist.

Eine weitere Impuls-Kompressionsverarbeitung kann empfangsseitig in an sich bekannter Weise bei dem Interferometer-Sonargerät angewendet werden, um den Verarbeitungsgewinn weiter zu steigern. Zu diesem Zweck wird die Dauer τ_e der gesendeten Impulse größer als gewählt, mit Codierung beispielsweise durch eine lineare Frequenzmodulation. Das aus einem Empfangskanal erhaltene Signal wird parallel in N Kanälen verarbeitet, welche auf die verschiedenen Sendefrequenzen f_i zentriert sind. Jeder Kanal enthält also ein Bandpaßfilter, welches auf die Frequenz f_i zentriert ist und dessen Breite Δf_max beträgt, gefolgt von einem Filter, welches an den sendeseitig verwendeten Code angepaßt ist, beispielsweise an die lineare Frequenzmodulation. Die aus den N parallelen Kanälen abgeleiteten Signale werden anschließend aufaddiert. Der weitere, so erhaltene Verarbeitungsgewinn ist gleich Δf · τ_e.

Claims

1. Breitbandiges Interferometer-Sonargerät, das mit komprimierter Ausstrahlung arbeitet, versehen mit einem Sendeantennensystem, welches zwei voneinander beabstandete, Sendesteuerkreisen zugeordnete Sendewandler enthält, und mit einem Empfangsantennensystem, welches Empfangseinrichtungen zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sendewandler gebildet ist aus einer Gruppe von N elementaren Wandlern (E₁)_i und (E₂)_i, worin i ganzzahlig ist und enthalten ist zwischen für N ungeradzahlig und für N geradzahlig enthalten ist zwischen sowie von 0 verschieden ist, wobei ein elementarer Wandler (E₁)_i von dem entsprechenden elementaren Wandler (E₂)_i durch eine Länge L_i beabstandet ist und diese zwei elementaren Wandler durch dasselbe Signal der Frequenz f_i gespeist werden, daß die Produkte L_if_i der N so definierten Paare von elementaren Wandlern gleich sind und daß alle Sendewandler gleichzeitig mit periodischen Impulsen durch Signale der Frequenz f_i gespeist werden, die in der Mitte der Impulse gleichphasig sind.

2. Interferometer-Sonargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für ein maximales Frequenzband, welches mittels eines einzigen Paares von Wandlern, die den Abstand L voneinander haben, überdeckt werden kann und den Wert aufweist, für ein gegebenes Winkelfeld zwischen -R₀ und +R₀ und für ein zu überdeckendes Frequenzband B, welches auf die Frequenz f₀ zentriert ist, N die ganze Zahl ist, welche größer ist als der Quotient B/Δf_max.

3. Interferometer-Sonargerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Paare von elementaren Wandlern jeweils ein Band Δf = B/N = 1/τ_e überdecken, indem gleichzeitig die Signale der Frequenz f_i während der Impulse der Dauer τ_e ausgestrahlt werden, wobei f_i gleich f₀ + iΔf für N ungeradzahlig und gleich für N geradzahlig ist.

4. Interferometer-Sonargerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalimpulse der Frequenzen f_i, welche den Paaren von Wandlern (E₁)_i, (E₂)_i zugeführt werden, mit demselben vorbestimmten Wichtungsgesetz gewichtet werden.

5. Interferometer-Sonargerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elementaren Wandler auf einer Linie ausgerichtet sind und ihre Länge kleiner ist als die Hälfte der Differenz zwischen den Abständen L_i von zwei Paaren von benachbarten elementaren Wandlern.

6. Interferometer-Sonargerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elementaren Wandler auf mehreren gegeneinander versetzten Linien verteilt sind und ihre Länge gleich der maximalen Länge ist, welche erforderlich ist, um ein gegebenes Winkelfeld zu überdecken.

7. Interferometer-Sonargerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Gruppen von elementaren Wandlern an den Enden der Empfangsantenne angeordnet sind.

8. Interferometer-Sonargerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Gruppen von elementaren Wandlern durch eine Länge beabstandet sind, die kleiner ist als die Länge der Empfangsantenne, wobei die Empfangseinrichtungen Mittel zur Wichtung der durch Empfangswandler empfangenen Signale umfassen.