DE3833272B3

DE3833272B3 - Entfaltbares zylindrisches Sonar

Info

Publication number: DE3833272B3
Application number: DE3833272A
Authority: DE
Inventors: Guy Ingenieur Riccardi; Alain Lemer
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1987-10-02
Filing date: 1988-09-30
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2008-10-01
Also published as: IT8867861A0; GB2503183B; GB2503183A; GB8822845D0

Abstract

Die Hydrophone (7) auf den entfaltbaren Armen (3, 4) einer Sonarantenne sind zu Dubletts (10) gruppiert. Für jedes Dublett (10) wird mittels Verarbeitungseinrichtungen (11, 12) ein nach unten orientiertes kardioidförmiges Höhenwinkel-Empfangsdiagramm gebildet und die Summe dieser Diagramme erzeugt, um ein Gesamtdiagramm zu gewinnen, dessen Maximum leicht nach unten geneigt ist und nach oben hin eine Nullstelle für den Empfang aufweist. Auf diese Weise wird das von einem Helikopter, an welchem die Boje aufgehängt ist, erzeugte Geräusch unterdrückt, ohne die Länge der Arme gegenüber bekannten Lösungen zu vergrößern.

Description

Die Erfindung betrifft ein entfaltbares zylindrisches Sonar, das beispielsweise von einem Hubschrauber aus eingesetzt werden kann, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein Sonar dieser Gattung ist aus der GB 2 093 996 A bekannt. Es enthält an einem zylindrischen Körper eine Gruppe von entfaltbaren Armen, die mit Hydrophonen ausgestattet sind. Wenn das Gerät ausgesetzt wird, sind die Arme gegen den Aufbau angelegt, wodurch das Eindringen in das Wasser erleichtert und das Abreißen der Arme verhindert wird. Wenn das Gerät im Wasser in der gewünschten Tiefe stabilisiert ist, entfalten sich diese Arme, um eine zylindrische Hörbasis mit einem Durchmesser zu erzeugen, der wesentlich größer ist als der des Aufbaus.
Die elektronische Verarbeitung der durch die Hydrophone jedes Armes empfangenen Signale ermöglicht eine Lokalisierung von Geräuschquellen, beispielsweise Unterseebooten. Es ist bekannt, zur Lokalisierung dieser Geräuschquellen seitenwinkelorientierte Empfangswege elektronisch zu bilden. Im Falle einer Boje oder eines Sonars, das mittels eines Kabels an einem Helikopter aufgehängt ist, der nahe an der Wasseroberfläche schwebt, verursachen das von dem Helikopter erzeugte Geräusch und die vom Rotor ausgehenden Turbulenzen an der Wasseroberfläche eine starke Empfangsstörung. Auf dieses Problem ist bereits in der GB 2 093 996 A hingewiesen, mit dem Vorschlag, ihm durch eine vertikale Apertur zu begegnen.
Die Amplitude der von oben her empfangenen Signale kann auch dadurch reduziert werden, daß Höhenwinkel-Empfangswege aus den Signalen der Hydrophone jedes Armes gebildet werden. Um einen niedrigen Pegel der aus den Nebenzipfeln empfangenen Signale zu erreichen, ist es ferner bekannt, die räumliche Verteilung der elementaren Hydrophone innerhalb der Arme der Boje zu wichsen. In gleichfalls bekannter Weise kann diese räumliche Wichtung durch eine elektronische Wichtung der von den Hydrophonen abgegebenen Signale ersetzt werden, wobei dann die Hydrophone regelmäßig über die Arme verteilt sind. Eine solche Wichtung setzt jedoch voraus, daß die Arme eine relativ große Länge aufweisen, besonders dann, wenn die Breite des Unterdrückungskegels nach oben vergrößert werden soll. Die Arme dürfen im eingezogenen Zustand aber nicht über die äußersten Grenzen des Körpers der Boje hinausragen.
Um diesen Mängeln abzuhelfen, schlägt die Erfindung gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 vor, die elementaren Hydrophone jedes Armes zu Paaren zu gruppieren, deren Signale elektronisch verarbeitet werden, um ein kardioidförmiges Empfangsdiagramm für den Höhenwinkel zu erzielen, welches nach unten gerichtet ist und nach oben hin eine Richtwirkung besitzt, die eine Null ergibt. Durch gemeinsame Auswertung der diese Kardioide bildenden Signale erhält man eine Empfangs-Hauptkeule über den Höhenwinkel, die leicht unter die Horizontale orientiert ist, und einen in Vertikalrichtung der Boje wirksamen, kegelförmigen Unterdrückungsbereich von vergrößerter Breite, ohne jedoch die Höhe der Arme zu vergrößern, welche die Hydrophone tragen. Ferner wird ein breiteres Betriebsfrequenzband erzielt.
Es ist an sich bereits aus der US 4 661 938 bekannt, bei einer von einem Hubschrauber getragenen Antenne eine Nullstelle in vertikaler Richtung vorzusehen, um die an der Wasseroberfläche entstehenden Geräusche zu unterdrücken. Die dort verwendete Antenne ist aber nicht faltbar ausgebildet.
Einzelheiten einer Ausführungsform der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:
1 eine Boje mit entfaltbaren Armen, deren Struktur bekannt ist;
2 ein Zuordnungsschema für die Hydrophone, die ein Arm dieser Boje trägt;
3 ein Blockschaltbild der in 2 als Block 11 gezeigten Einrichtung; und
4 das Empfangsdiagramm der Boje für den Höhenwinkel.
In 1 ist die mechanische Struktur einer Boje mit entfaltbaren Armen gezeigt. Diese Boje umfaßt einen Körper 1, der in senkrechter Stellung am Ende eines Kabels 8 gehalten wird, mittels welchem die Boje beispielsweise von einem Helikopter aus ins Wasser abgesenkt werden kann. Um diesen Körper 1 herum ist eine Gruppe von einziehbaren oder faltbaren Armen 2 angeordnet, die in eingezogener Stellung in Aufnahmen 9 eintauchen, welche sich in Längsrichtung und entlang den Mantellinien des Körpers 1 erstrecken. Jeder Arm 2 umfaßt eine Gruppe aus zwei an einem Ende durch zwei Gelenke 5 am Körper 1 befestigten Stangen 3 und einen vertikalen Stab 4, der an dem anderen Ende der Stangen 3 durch zwei Gelenke 6 befestigt ist, so daß mit den Stangen 3 ein deformierbares Parallelogramm gebildet wird, welches in der senkrechten Ebene liegt, die durch die Symmetrieachse der Boje verläuft; diese Struktur kann gegen den Körper eingezogen und bis in eine solche Stellung gebracht werden, daß die Stangen 3 horizontal und der Stab 4 vertikal ausgerichtet sind. Wenn die Arme 2 entfaltet sind, sind die Stäbe 4 der Arme auf einem zylindrischen vertikalen Kranz angeordnet, der koaxial zum Körper 1 ist. Diese senkrechten Stäbe sind mit Wandlern, nämlich Hydrophonen, ausgestattet, deren Signale durch Elektronikschaltungen verarbeitet werden, welche in dem Körper 1 enthalten sind, um in der waagerechten Ebene bevorzugte Empfangsrichtungen zu bilden, die als Empfangswege bezeichnet werden.
In 2 ist eine dieser Säulen 4 gezeigt, welche Hydrophone 7 trägt, die über die Höhe der Säule verteilt sind.
Gemäß der Erfindung sind diese Hydrophone zu Paaren oder Dubletts 10 angeordnet, deren Signale in elektronischen Verarbeitungsschaltungen 11 zusammengefaßt werden, mittels welchen ein Empfangsdiagramm über den Höhenwinkel gebildet wird, das kardioidförmig ist und ein Maximum aufweist, welches nach unten gerichtet ist, während es nach oben eine Nullstelle aufweist.
Die angewendeten elektronischen Verarbeitungen zur Gewinnung dieses kardioidförmigen Diagramms werden beispielsweise mittels der in 3 gezeigten Schaltung erzielt.
Die zwei Hydrophone desselben Paares 10 haben einen Abstand d voneinander. Das in der Richtung θ gegenüber der Vertikalen empfangene Signal ist s_c(t) für das obere Hydrophon und s_i(t) für das untere Hydrophon.
Diese beiden Signale werden in einem ersten Addierer 30 addiert und in einem zweiten Addierer 60 voneinander subtrahiert. Das Signal aus dem Addierer 60 wird in einem Phasenschieber 50 um π/2 phasenverschoben und mit einem Koeffizienten β = –cotg(πd/λ) in einem Mukltiplizierer 70 multipliziert (λ = Empfangswellenlänge), und dann wird das erhaltene Signal in einem Addierer 80 zu dem Signal auf dem Addierer 30 addiert.
Wenn A cosω t das Empfangssignal ist, so ist das resultierende, vom Addierer 80 ausgegebene Signal:
Wenn d klein gegenüber λ ist, so vereinfacht sich die Formel zu: x(t) = 2A cosω t(1 + cos θ)
Dies entspricht einer Kardioiden, der man sich um so mehr annähert, je kleiner d ist. Bei der Verminderung des Abstandes zwischen den Hydrophonen ist man jedoch durch die Empfindlichkeit gegenüber Streuungen in den Kenndaten dieser Hydrophone eingeschränkt, welche mit der Größe des Koeffizienten β zunimmt.
Die Signale aus den verschiedenen Verarbeitungsschaltungen 11 (drei bei der gezeigten Ausführungsform) werden anschließend in einem Summierer 12 addiert, um das Ausgangssignal S zu gewinnen, welches der Säule 4 entspricht und anschließend in bekannter Weise verarbeitet wird, um die Seitenwinkel-Empfangswege zu erhalten.
Für ein aktives Sonar, das bei 4 kHz arbeitet, ist der Abstand d beispielsweise gleich 7 cm, was etwa 0,18 λ entspricht. Jeder Stab umfaßt drei Paare in Abständen von λ/2, was eine Gesamthöhe des Stabes in der Größenordnung von 45 cm ergibt.
In 5 ist das Höhenwinkel-Gesamtdiagramm für das am Ausgang des Summierers 12 erhaltene Signal gezeigt. Dieses Diagramm hängt von der Anzahl von Dubletts oder Paaren von Hydrophonen ab, ebenso wie vom Abstand zwischen den Paaren und dem Abstand zwischen den Wandlern jedes Paares. In dieser 4 sind auf der Ordinate die Pegel in Dezibel gegenüber dem Maximum des Signals S aufgetragen, während die Abszisse den Winkel θ in Grad zwischen der nach oben gerichteten Vertikalen, für die θ = 0°, und der nach unten gerichteten Vertikalen, für die θ = –90°, zeigt. Man stellt in diesem Diagramm fest, daß zwischen 0° und –10° eine sehr starke Dämpfung von –50 Dezibel vorliegt, was zur Unterdrückung der beispielsweise von einem Helikopter, der die Boje trägt, ausgehenden Geräusche durchaus ausreicht. Es ist auch ersichtlich, daß der Maximalpegel des Signals bei –10° unter der Horizontalen liegt, was für die Erfassung von Unterwasserzielen durchaus zweckmäßig ist.
Bei der gezeigten Ausführungsform der Erfindung kann die Gesamthöhe der Säule 4 um etwa 25% vermindert werden.
Durch die Erfindung wird es nicht nur ermöglicht, die von oben eindringenden Störgeräusche zu unterdrücken und die Länge der Arme zu vermindern, eventuell also auch die Länge des Körpers des Sonargerätes zu vermindern, sondern sie ermöglicht auch einen Betrieb über einen breiteren Frequenzbereich aufgrund der durch den Koeffizienten β eingeführten Korrektur sowie die Verwendung einer geringeren Anzahl von Hydrophonen für jede Säule.
Die Erfindung ist auch bei Ausführungen anwendbar, bei welchen mehrere Stäbe 4 an den Enden der Stangen 3 in einer radialen Ebene befestigt sind, um eine Volumenantenne zu bilden.

Claims

Entfaltbares zylindrisches Sonar vom Typ mit einem zylindrischen Körper (1), einer Gruppe von an den Körper angelenkten Armen (3), die jeweils eine Säule (4) von Wandlern umfassen, welche am Ende von Stangen (3) befestigt ist, wobei die Arme gegen den Körper zusammengelegt werden können und entfaltet werden können, so daß die Säulen eine zylindrische Antenne bilden, mit Einrichtungen zur Verarbeitung der von den Wandlern erzeugten Signale, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (7) zu Dubletts (10) gruppiert sind und daß die Verarbeitungsmittel Einrichtungen (11) enthalten, um ausgehend von den Signalen jedes Dubletts (10) ein im wesentlichen kardioidförmiges Höhenwinkel-Empfangsdiagramm zu erzielen, das nach unten orientiert ist und nach oben hin eine Nullstelle für den Empfang aufweist, wobei ein Summierer (12) vorgesehen ist, welcher die Ausgangssignale der Verarbeitungsmittel (11) für die von den Dubletts abgegebenen Signale addiert.
Sonar nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl von Dubletts, die Abstände zwischen den Dubletts und die Abstände zwischen den zwei Wandlern jedes Dubletts so festgelegt sind, daß das Ausgangssignal des Summierers (12) ein Maximum seines Höhenwinkel-Richtdiagramms aufweist, das geringfügig nach unten geneigt ist.