DE60020784T2

DE60020784T2 - Eichung am Messort einer Sonargruppenantenne

Info

Publication number: DE60020784T2
Application number: DE60020784T
Authority: DE
Inventors: Colin W. Skinner
Original assignee: L3 Communications Corp
Current assignee: L3 Technologies Inc
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 2000-09-09
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2020-09-10
Also published as: CA2319633A1; EP1085306A3; EP1085306A2; EP1085306B1; DE60020784D1; US6208584B1

Description

Die Erfindung betrifft Sonarempfänger-Arrays. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren der Amplitude, der Position und des Phasenwinkels von von einem Array von Unterwasserhydrophonen empfangenen Signalen relativ zueinander. Das Array ist linear und die Hydrophone sind entlang dessen Länge verteilt. Noch genauer betrifft die Erfindung die in situ Messung und Kalibrierung verschiedener Parameter, welche bestimmt werden müssen, um die Leistung eines geschleppten Arrays von Empfängerhydrophonen zu kalibrieren und zu verbessern, während das Array durch eine Unterwasserumgebung geschleppt wird. Das System arbeitet mittels Überwachen der Antworten von diskreten Hydrophonen auf von einer geschleppten, stationären Schallgeberquelle erzeugte akustische Testsignale.
Beschreibung des technischen Gebietes
Der Artikel „In-Field Calibration of Multi Element Acoustic Antenna Arrays", Volovov et al., November 1997, Acoustical Physics beschreibt ein Verfahren zum Kalibrieren eines Arrays von Unterwasser-Empfängerhydrophonen. Ein absolutes und ein relatives Verfahren für die Amplitudenkalibrierung werden beschrieben, von denen jedes folgende Schritte aufweist:

– Werfen eines akustischen Testsignals bei einer bekannten Frequenz (Signal von 12 kHz, welches von einer Quelle 1 in 1a in Richtung des Antennen-Arrays 2 gesendet wird) von einem geschleppten akustischen Unterwasserschallgeber in Richtung eines Arrays geschleppter untereinander verbundener Unterwasser-Empfängerhydrophone;
– Erfassen und Bestimmen der Antwort der Empfängerhydrophone auf das Testsignal mittels eines Signalverarbeitungsmittels (Ausgangspannungen u_i, die an jedem Empfänger als Antwort anliegen, welche einer Empfindlichkeitsanalyse durch Vergleichen von u_i mit einer Referenzspannung u₀ unterzogen werden);
– Kalibrieren zumindest einer Amplitude für den Betrieb der Empfängerhydrophone resultierend aus der Antwort (der gemessene Empfindlichkeitsquotient ist die Basis für die weitere Kalibrierung).

Das Sammeln von Daten in einer akustischen Umgebung mittels eines Arrays elektrisch untereinander verbundener Hydrophone ist wichtig für kommerzielle und militärische Zwecke. Es ist auf dem Gebiet von Sonarsystemen wohl bekannt, einen Tauchschleppkörper hinter einem Wasserfahrzeug herzuziehen. Der Schleppkörper hat einen oder mehrere damit verbundene(n) akustische(n) Schallgeber. Der Schleppkörper zieht wiederum hinter sich einen oder mehrere flexible, geschleppte Arrays im Wasser befindlicher Signal empfangender Hydrophon-Sensoren. Solche Sensoren sind nützlich zum Detektieren der Position von Kontakten mit einem Unterwasser-Sonartarget.
Geschleppte Arrays von Hydrophonen sind in dem Stand der Technik wohl bekannt. Solche sind lange, durchgehende, Schlauchlinien mit neutralem Auftrieb, oftmals mehrere hundert Meter lang, welche periodisch angeordnet zahlreiche Hydrophon-Empfänger enthalten. Typischerweise haben diese langgestreckten Arrays eine Zahl von Hydrophon-Elementen in Modulen, zusammen mit deren Elektroniken und Steuerleitungen, enthalten in innerhalb der schlauchförmigen Struktur, die sich durch das Wasser erstreckt. Um Daten in einer ozeanischen Umgebung zu sammeln, wird ein Ende eines linearen Hydrophon-Arrays über den zwischengeschalteten Schleppkörper an ein Seefahrzeug angeschlossen. Die einzelnen Hydrophone kooperieren bzw. wirken zusammen, um einen Strahl zu schaffen, der gesteuert werden kann, um die Peilung des Arrays für verschiedene akustische Targets zu bestimmen. Die Hydrophone sind an geeignete Elektroniken auf dem Schleppfahrzeug angeschlossen, welches die Peilung eines erkannten Unterwassertargets anzeigt. Beispielhafte geschleppte Arrays sind in den US-Patenten 4,554,650 und 5,412,621 beschrieben. Beim Orten von unter Wasser befindlichen Körpern wird Sonar entweder passiv über den Empfang von durch das Wasser gesendeten Signalen verwendet oder aktiv, wobei ein Schallpuls von einem Sonar-Schallgeber in das Wasser gesendet wird. Der Schall wird dann von dem Target zurück reflektiert und von den Hydrophon-Arrays als Echo detektiert. Dieses Echo wird von einem akustischen Transducer als mechanische Energie empfangen, in ein elektrisches Signal umgewandelt und von einem Computer auf dem Wasserfahrzeug gelesen, um die Position von Gegenständen in dem Wasser festzumachen. Wie in dem US-Patent 5,844,860 gezeigt, werden langgestreckte, schlauchartige, geschleppte Arrays von Hydrophonen, die an dem hinteren Ende von Schleppkörpern befestigt sind, üblicherweise für das akustische Aufspüren von sich in dem Ozean bewegenden Objekten verwendet.
Über eine Zeitspanne können die Detektionseigenschaften einzelner Hydrophone in einem geschleppten Array unvorhersehbar variieren. In der Folge muß, um die von dem Array bereitgestellte Information genau auszuwerten, eine Kalibrierung durchgeführt werden. Im Stand der Technik sind verschiedene Techniken zum Kalibrieren von Abschnitten eines Hydrophon-Arrays verfügbar. In einem Vorschlag zum Kalibrieren eines akustischen Arrays können die Antworten einzelner Hydrophone überwacht werden, Hydrophon für Hydrophon, um deren jeweilige Empfindlichkeiten auf ein Testsignal zu bestimmen. Wegen der sehr großen Anzahl diskreter Hydrophone in einem Array, welches eine sehr große Länge aufweisen kann, ist eine solche Kalibrierungstechnik jedoch extrem langwierig. Zudem müsste eine solche Kalibrierung in einer Installation im Küstenbereich durchgeführt werden, so daß Veränderungen der Hydrophon-Eigenschaften, die nach dem Auslegen des Array auf See auftreten, nicht möglich wären. In einem anderen Kalibrierungsvorschlag wird die Empfindlichkeit einzelner Hydrophone in einem Array indirekt bestimmt, während das Array entfaltet ist, indem eine akustische Quelle überwacht wird, die an keinem der einzelnen Hydrophone angeordnet oder auf ein solches fokussiert ist. Bei diesem Vorschlag beeinflussen sich Geisterbilder und die Empfindlichkeitsmessungen. Um ein geschlepptes Array anzuwenden, um die Peilung einer akustischen Quelle zu bestimmen, ist es erforderlich, die Positionen der jeweiligen Hydrophone des Arrays relativ zueinander zu kennen. Für eine solche Kalibrierung wird ein Kalibrierungs- bzw. Testsignal von ausgewählter Frequenz auf das Array geworfen, so daß es von allen Hydrophonen des Array-Abschnittes gleichzeitig empfangen wird. In Fällen, in denen mehrere Hydrophone in einen akustischen Kanal eingehen, enthält die Gesamtantwort bzw. die kollektive Antwort der Hydrophone auf das Testsignal die einzelnen Antworten defekter Hydrophone.
Es ist im Stand der Technik übliche Praxis, anzunehmen, daß alle Hydrophone auf derselben Linie in bekannten Abständen entlang des Array liegen. Eine solche Annahme ist jedoch oft unrichtig, wie z.B. wenn das schleppende Wasserfahrzeug nicht auf einer geraden Fahrspur durch den Ozean bleiben kann oder wenn ein Abschnitt des Arrays in eine größere Tiefe absinkt als ein andere Abschnitt desselben. Wenn die obige Annahme ungenau wird, leidet die Strahlbildungseigenschaft, und die Detektion der Peilung eines Targets mittels des Arrays kann nicht hinnehmbar ungenau werden. Es wäre wünschenswert, einzelne Hydrophone eines geschleppten Arrays direkt während der Verwendung des Arrays direkt zu kalibrieren. Das US-Patent 4,205,394 offenbart eine transportable Kalibrierungstechnik. Das US-Patent 4,290,123 offenbart eine Vorrichtung zum Bestimmen des Wertes von Parametern eines Arrays untereinander verschalteter akustischer Sensorelemente, welches einen Wagen zum sukzessiven Bringen eines Schallgebers in eine nah beabstandete Beziehung mit jedem der in einer Länge des Arrays enthaltenen Sensorelemente enthält. Das US-Patent 4,267,585 offenbart eine Vorrichtung zum Bestimmen der Konfiguration langgestreckter Unterwasser-Arrays, wenn diese durch das Wasser gezogen werden, welche einen Kragen enthält, der dazu eingerichtet ist, um einen Abschnitt des Arrays zu passen, und der einen ausreichenden hydrodynamischen Widerstand aufweist, um im Wasser relativ zu der linearen Bewegung des Arrays, wenn dieses durch den Kragen gezogen wird, stationär zu bleiben. Die Verwendung solcher zusätzlicher Strukturen ist von Nachteil.
Demgemäß schafft die Erfindung ein System, welches die kostengünstige, schnelle und genaue Bestimmung der charakteristischen Unterwasserkonfiguration eines geschleppten akustischen Arrays ermöglicht und die Kalibrierung und Leistungstests an jedem Hydrophon in solchen gezogenen Unterwasser-Arrays erlaubt.
Diese Erfindung schafft ein verbessertes System, mit dem die Detektionsfähigkeiten jeweiliger Hydrophone, die entlang eines geschleppten Arrays liegen, kalibriert werden können, während das Array in einem Betrieb zum Sammeln akustischer Daten in tiefem Wasser verwendet wird, indem sowohl die Amplitude, als auch die Position als auch der Phasenwinkel von von den Hydrophonen empfangenen Daten relativ zueinander kalibriert werden. Das System verwendet einen bereits vorhandenen Schallgeber eines aktiven Sonarsystems und erfordert so keine zusätzliche Ausrüstung.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Arrays von Unterwasser-Empfängerhydrophonen, welches folgende Schritte enthält:

(a) Schicken eines akustischen Testsignals bei einer bekannten Frequenz von einem geschleppten, akustischen Unterwasser-Schallgeber in Richtung eines Arrays untereinander verbundener, geschleppter Unterwasser-Empfängerhydrophone;
(b) Detektieren und Bestimmen der Antwort der Empfängerhydrophone auf das Testsignal mittels eines Signalverarbeitungsmittels;
(c) Kalibrieren zumindest eines Parameters für den Betrieb der Empfängerhydrophone als Ergebnis der Antwort.

Die Erfindung schafft zudem ein System zum Kalibrieren eines Arrays von Unterwasser Empfängerhydrophonen, welches folgendes umfasst:

(a) Mittel zum Schicken eines akustischen Signals bei einer bekannten Frequenz von einem akustischen, geschleppten Unterwasser-Schallgeber in Richtung eines Arrays untereinander verbundener, geschleppter, Unterwasser-Empfängerhydrophone;
(b) Signalverarbeitungsmittel zum Detektieren und Bestimmen der Antwort der Empfängerhydrophone auf das Testsignal;
(c) Mittel zum Kalibrieren wenigstens eines Parameters zum Betrieb der Empfängerhydrophone als Ergebnis der Antwort.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Seitenansicht einer Anordnung eines Schleppkörpers.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht von Peil-Schallgebern eines Schleppkörpers und geschleppten Arrays von Hydrophonen.
3 zeigt ein Verfahrensablaufdiagramm des Kalibrierungsprozesses.
Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Es wird auf 1 Bezug genommen. Dort ist eine Schleppkörper-Anordnung gemäß der Erfindung gezeigt. Die Anordnung enthält einen Schlepp-Tauchkörper 2, welcher auf eine kontrollierbare Tiefe abgetaucht werden kann und hinter einem Schlepp-Wasserfahrzeug 6 über ein Schleppkabel bzw. Speisekabel 8, welches geeignete Elektroniken auf dem Wasserfahrzeug 6 mit dem Schleppkörper 2 physikalisch und elektrisch verbindet, entfaltet ist. Innerhalb des Schleppkörpers 2 oder sich von diesem ausgehend erstreckend sind eine oder mehrere Sonar-Schallgeber 4 angeordnet, welche akustische Signale einer bekannten Frequenz und Amplitude abstrahlen. Der Schleppkörper 2 zieht ein oder mehrere geschleppte Arrays von Hydrophonen 14, optional über ein Speisekabel 12, welches sowohl die Arrays zieht als auch die Arrays mit geeigneten Elektroniken auf dem Wasserfahrzeug 6 verbindet. Vorzugsweise ist der Sonar-Schallgeber auf dem Körper 2 angeordnet, oder er kann auf dem Schlepp-Wasserfahrzeug 6 befindlich sein. Es ist jedoch ein wichtiges Merkmal der Erfindung, daß die Schallgeber sich in einer festen Position relativ zu einem Ende des Arrays befinden. Vorzugsweise enthalten die geschleppten Arrays 14 im Auftrieb neutral ausbalancierte, flexible, schlauchbewandete Vorrichtungen, die sich mit dem Wasserstrom ausrichten. Derartige Arrays 14 werden seit langer Zeit für das Erfassen akustischer Drücke verwendet, und es gibt derer viele Konfigurationen, die variieren, um eine gewünschte Wahrnehmung und Frequenzantwort zu bieten.
Der Schallgeber wird normalerweise verwendet, um akustische Wellen auszusenden, die an einem Target im Meer reflektiert werden, und rücklaufende Echos werden von den geschleppten Arrays 14 empfangen. Das Array von Hydrophonen enthält typischerweise eine Vielzahl von Hydrophonen, die entlang eines geschleppten Arrays, welches im wesentlichen ein langgestrecktes, ölgefülltes Rohr mit einer entlang seiner Länge in regelmäßigen Abständen verteilten Reihe von Hydrophonen, die das Vorhandensein und den Ort unter Wasser befindlicher Objekte detektieren, indem sie akustische Schallwellen empfangen und ein Signal zurück an das Wasserfahrzeug, welches das Array schleppt, geben, in gleichmäßigen Abständen verteilt sind. Die von den Hydrophonen empfangenen Wahrnehmungsinformationen werden über das Kabel 8 an geeignete Elektroniken auf dem Wasserfahrzeug gegeben. Eine geeignete Strahlbildungsvorrichtung empfängt Peil- und Positionsinformationen von den Hydrophonen, wonach diese in elektrische Signale umgewandelt und an einen Computer auf dem Schlepp-Wasserfahrzeug 6 übertragen werden. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Schleppkörpers 2, der Peil-Schallgeber 4 und der geschleppten Arrays 14 von Hydrophonen. Die Hydrophone selbst sind im Stand der Technik wohl bekannt. Es soll angemerkt werden, daß andere Konfigurationen von Schallgebern verwendet werden können, um Signale an die Hydrophone des Arrays zu schicken.
Solche Arrays jedoch, die sich über gut mehr als tausend Fuß in der Länge erstrecken können, nehmen charakteristischerweise keine lineare Form an, wenn sie von einem Wasserfahrzeug geschleppt werden, sondern erstrecken sich vielmehr in einer solchen Weise, daß die Tiefe und die horizontale Verschiebung entlang des geschleppten Arrays spürbar variiert. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die beiden Arrays, die jeweils 48 Hydrophone in einem Abstand von ungefähr je 21 Zoll haben, angewendet. Die Ausgaben aller 96 Hydrophone werden kombiniert und verwendet, um Target-Echos zu detektieren und zu lokalisieren. Bei der Verwendung zeigen die Hydrophone Daten, die von einer, wenn eine Anfangswelle von dem Schallgeber von einem Unterwassertarget zurück reflektiert wird, empfangenen akustischen Welle abgeleitete Informationen hinsichtlich einer Amplitude, einer Position und eines Phasenwinkels betreffen. Um eine akkurate Interpretation eines jeden von Hydrophonen entlang des Arrays empfangenen Signals, welches die Anwesenheit eines unter Wasser befindlichen Objektes anzeigt, sicherzustellen, ist es erforderlich, solche geschleppten Arrays zu kalibrieren, so daß das Niveau eines akustischen Signals bekannt ist und die charakteristische Unterwasser-Konfiguration eines jeden geschleppten Arrays bekannt und beim Bestimmen der Position und der Eigenschaften des detektierten, unter Wasser befindlichen Objektes berücksichtigt wird. Um aus den kombinierten Signalen eine Targetpeilung zu extrahieren, ist es wichtig, die Sensorposition, die für einen bekannten Eingangsdruck ausgegebene Sensoramplitude und den Phasenwinkel des ausgegebenen Signals in Abhängigkeit von dem Eingansdruck zu kennen. Gemäß der Erfindung werden die Schallgeber auf dem Schleppkörper verwendet, um einen akustischen Kalibrierungston zu erzeugen und anschließend die Ausgabe eines jeden Hydrophons zu überwachen. Das Kalibrierungssignal breitet sich mit einer bekannten Geschwindigkeit entlang der Länge der Empfängerarrays aus und kann so genutzt werden, um die Position der Hydrophone zu bestimmen. Das Kalibrierungssignal nimmt in der Amplitude ab, während es sich entlang der Länge des Arrays ausbreitet, allerdings folgt es einer theoretischen sich kugelförmig ausbreitenden Breitenausdehnungsverlustkurve, so daß die Amplitude an jedem Sensorort bekannt ist. Dies erlaubt eine Vor-Ort-Kalibrierung und eine Echtzeitauffrischung der erforderlichen Informationen, so daß das System den Peilwinkel eines Targets akkurat berechnen kann. Wenn die Informationen hinsichtlich der Amplitude, der Position und des Phasenwinkels von jedem Hydrophon durch geeignete Elektroniken an Bord des Zug-Wasserfahrzeuges integriert werden, kann die Peilung des Targets bestimmt werden. Daher ist es, um die Peilung eines Targets zu bestimmen, erforderlich, die Positionen der jeweiligen Hydrophone des Arrays relativ zueinander zu kennen. Gemäß der Erfindung wird ein bekanntes Kalibrierungs- bzw. Testsignal bei einer ausgewählten Frequenz zu dem Array ausgestrahlt, so daß das Testsignal von jedem Hydrophon des Arrays empfangen wird. Durch Kalibrieren der Daten in Bezug auf die Amplitude, die Position und den Phasenwinkel von den Empfängerhydrophonen relativ zueinander, kann ein mathematischer Fehlerkorrekturfaktor für jedes Hydrophon berechnet werden. Dieser Fehlerkorrekturfaktor kann dann auf nachfolgende, reflektierte Targetdaten angewandt werden, um angepasste Target-Peildaten zu erhalten.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung emittiert die Kalibrierung kontinuierliche akustische Signale, welche mit den die vertikale und horizontale Verschiebung des Arrays repräsentierenden Signalen kodiert sind, und diese gemultiplexten Signale werden von jedem Hydrophon in dem Array zu dem Wasserfahrzeug gesendet. Die zusammengesetzten akustischen Signale werden von jedem Hydrophon empfangen und in elektrische Signale umgewandelt, welche entlang des Arrays zu dem Zug-Wasserfahrzeug übertragen werden, welches die elektrischen Signale verarbeitet. Es wird verstanden werden, daß das langgestreckte, geschleppte Array im Wasser nicht die Konfiguration einer geraden Linie annimmt, sondern vielmehr eine Konfiguration annimmt, die sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung an verschiedenen Punkten variiert. Wenn die Signale von jedem Hydrophon empfangen worden sind, erlaubt dessen jeweilige vertikale und horizontale Position eine akkurate Bestimmung des charakteristischen Profils des Arrays, wie es durch das Wasser geschleppt wird.
Das Kalibrierungsverfahren beinhaltet ein Entfalten des Hydrophon-Arrays in einer Unterwasserumgebung aus der akustische Daten gesammelt werden sollen; das Entsenden eines akustischen Testsignals mit einer bekannten Frequenz von einem geschleppten akustischen Unterwasserschallgeber in Richtung des Array von Hydrophonen; das Erfassen und Bestimmen der Antwort der Hydrophone auf das Testsignal mittels Signalverarbeitung; und das Kalibrieren von Daten hinsichtlich der Amplitude, der Position und des Phasenwinkels von den Empfängerhydrophonen relativ zueinander mittels Bestimmen und Anwenden eines mathematischen Fehlerkorrekturfaktors für jedes Hydrophon. Um die akustische Empfindlichkeit eines jeden Hydrophons zu kalibrieren bzw. zu bestimmen, sendet ein Schallgeber 4 ein Testsignal mit einer bekannten Frequenz. Die Antworten der jeweiligen Hydrophone auf ein solches Testsignal werden auf eine Überwachungsvorrichtung gekoppelt und mittels herkömmlicher Signalverarbeitungstechniken bestimmt. Diese akustischen Signale, in denen die Daten kodiert sind, zeigen die Position der Hydrophone im Wasser und werden konvertiert zu elektrischen Signalen zu einem geeigneten Empfänger gegeben. Es wird selbstverständlich verstanden werden, daß die zum Durchführen dieser Kommunikation der Signale erforderliche aktuelle Ausrüstung unter Verwendung herkömmlicher Ausrüstungsteile erstellt wird.
Die Kalibrierung wird unter Verwendung des Schallgebers und in Kenntnis des Abstandes einer Schallgeber-Stufe zu jedem Hydrophon, der Schallgeschwindigkeit in Wasser und der in dem Wasser übertragenen Frequenz durchgeführt.
Kalibrierungsverfahren:
Wird angenommen, daß die Durchschnittsgeschwindigkeit in dem Wasser korrigiert wird, wenn sie durch Mittelwertbildung über alle aus dem Senden und Empfangen an aufeinander folgenden Hydrophonen, wobei Hydrophon #2 als Referenz verwendet wird (Hydrophon 1 ignoriert wird), des Signals, ermittelten Geschwindigkeiten, dann wird die Gleichung (1) verwendet, um C zu bestimmen
wobei
C = durchschnittliche Schallgeschwindigkeit für das Array
n = Nummer des Hydrophons
D_n = Abstand zwischen dem Referenzhydrophon #2 und dem Hydrophon #n
f = übertragene Frequenz
N_n = Phasenwinkel zwischen Hydrophon #2 und Hydrophon #n
Unter Verwendung dieser Durchschnittsgeschwindigkeit wird
N für jedes Hydrophon in Relation zu Hydrophon 2 für zwei Frequenzen bestimmt, z.B. für 1200 Hz und 1600 Hz. Es werden alle
N verwendet, um unter Verwendung der obigen Gleichung
D zu berechnen. Dies wird auf das Hydrophon bei der Frequenz F1 angewandt und der Phasenversatz für jedes Hydrophon berechnet. Diese beiden Korrekturen dienen dem absoluten Versatz und dem Fehler in der Position des Hydrophons im Verhältnis zu seiner theoretischen bzw. Idealposition. Der nächste Schritt besteht darin, die Amplitude aller Hydrophone zu messen und alle auf 20logR einzustellen, wobei R der Abstand zwischen den Hydrophonen ist. Dies sollte in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bei einer mittleren Frequenz von 1400 Hz erfolgen.
3 zeigt ein Verfahrensablaufdiagramm des Kalibrierungsverfahrens. Es wird eine Stufe eines akustischen Schallgebers verwendet und eine Rechteckwelle bei jeder von drei Frequenzen gesendet, nämlich an den Endpunkten F1 und F2 und an dem Mittelpunkt Fm der erwünschten Spanne. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird F1 auf 1200 Hz festgelegt, Fm wird auf 1400 Hz festgelegt und F2 wird bei 1600 Hz gesetzt. Die Wellenamplitude sollte für jede Frequenz die gleiche sein. Die Amplitude bei einer jeden Frequenz sollte zwischen etwa –10 dB bis etwa –40 dB unterhalb der Sättigung des nächstgelegenen Hydrophons liegen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Amplitude für jede der Frequenzen F1, F2 und Fm –40 dB in Bezug auf die volle Leistung des Systems. Diese Signale werden auf jedes der Hydrophone in dem linearen Array gegeben. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat jedes Array 48 Hydrophone, die mit n = 1 bis n = 48 durchnummeriert sind. Als nächstes nimmt man eine Reihe von Amplitudendatenmessungen an jedem Hydrophon. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Anzahl der Messungen Fs 512 Messungen, die Anzahl, die für die Anwendung einer Fast Fourier Transformation auf von jedem Hydrophon empfangene Daten benötigt wird. Es wird angenommen, daß, wenn der Abstand von dem Schallgeber verdoppelt wird, die Amplitude der akustischen Energie auf die Hälfte absinkt. Daher kann man annehmen, daß die Amplitude des Signals einer –20log(R)-Verlustkurve für jedes Hydrophon in dem Array folgt. Es wird die Hydrophon-Amplituden-Kurve –20log(R) für jedes Hydrophon in den Arrays bestimmt. Es wird dann die mittlere Variation gefunden und dann die Amplitude der mittleren Variation für jedes Hydrophon bestimmt. Dies ist die Amplitudenkorrektur (dB), die jedem Hydrophon zugegeben werden muß.
Unter Verwendung von F1 bei Amp1 und F2 bei Amp2 wird die Schallgeschwindigkeit berechnet, indem der ideale Abstand der Hydrophone verwendet wird. Es wird der Phasenfehler für den idealen Abstand der Hydrophone 2–48 unter Verwendung der Gleichung (1) berechnet. Es wird der Positionsfehler eines jeden Hydrophons berechnet. Dies ist die jedem Hydrophon hinzuzuziehende Positionskorrektur.
Unter Verwendung von F1 bei Amp1 und F2 bei Amp2 sowie des Positionsfehlers für jedes Hydrophon wird der mittlere Phasenfehler eines jeden Hydrophons berechnet, indem der positionskorrigierte Abstand zwischen den Hydrophonen in Bezug auf das erste Hydrophon verwendet wird. Es wird die Phasenversatzkorrektur gegenüber der theoretischen Phase berechnet. Dies ist die jedem Hydrophon zuzurechnende Phasenversatzkorrektur.
Das nachfolgende, nicht beschränkende Beispiel dient der Erläuterung der Erfindung:
Beispiel
Der Schleppkörper mit dem akustischen Schallgeber und zwei Empfänger-Arrays mit je 48 Hydrophonen, wie sie jeweils in 2 dargestellt sind, wird von einem mit einer Geschwindigkeit von 4 bis 8 Knoten fahrenden Schiff an einer Stelle im Ozean mit einer Tiefe von mindestens 600 Metern abrollen gelassen. Das Ausmaß des Kabels beträgt 300 Meter, um Reflektionen und das Schiffsgeräusch zu minimieren. Es wird nur auf einer vorwärts gerichteten Schallgeber-Stufe gesendet. Das Senden erfolgt auf einem Niveau von 3 dB unterhalb der bei Hydrophon Nr. 48 bzw. Nr. 96, d.h. den nächsten Hydrophonen, gemessenen Sättigung. Alle Hydrophondaten werden dezimiert. Die Abtastrate in diesem Beispiel beträgt 512 Messungen pro Sekunde.
Physikalische Bedingungen des Schallgebers und der Arrays:
Der Abstand des vorwärts gerichteten Schallgebers zu dem ersten Hydrophon beträgt 7,85 Fuß = 8,35 dB Breitenausdehnungsverlust.
Das akustische Zentrum aller Schallgeber zum vorwärts gerichteten Hydrophon = 7,49 Fuß = 7,9576 dB Breitenausbreitungsverlust.
Der Abstand des vorwärts gerichteten Schallgebers zum hintersten Hydrophon = 74,85 Fuß = 27,49 dB Breitenausdehnungsverlust.
Der gesamte Breitenausdehnungsverlust von einem Ende des Arrays zum anderen beträgt 19,59 dB.
Der Abstand zum Hydrophon Nr. 24 (Mitte des Arrays) = 42,054 Fuß = 22,93 dB.
Der Breitenausdehnungsverlust zum Hydrophon Nr. 24 beträgt 14,97 dB.
Amplitudenkalibrierung:
Es wird mit folgenden Einstellungen gesendet
Frequenz: Fm = 1400 Hz
Wellenform: Rechteck
Dauer: 1 Sekunde
Amplitude: Ampm = –40 dB
Es werden Daten von 10 jeweils einsekündigen Pulsen gesammelt.
Es werden 10 Fast Fourier Transformationen über jeweils 512 Punkte mit von jedem der Hydrophone beider Arrays empfangenen Daten durchgeführt. Es wird ein 20logR – Verlust bei der Amplitude der Hydrophone in jedem Array angenommen. Es wird die –20logR – Kurve des Hydrophons für jedes Hydrophon in beiden Arrays bestimmt. Es wird die mittlere Variation gefunden. Es wird die Amplitude der mittleren Variation für jedes Hydrophon bestimmt. Dies ist die dem Hydrophon zuzurechnende Amplitudenkorrektur (dB).
Daten der Frequenz F1:
Es wird mit folgenden Einstellungen gesendet
Frequenz: F1 = 1200 Hz
Wellenform: Rechteck
Dauer: 1 Sekunde
Amplitude: Ampm = –40 dB
Es werden Daten von 10 jeweils einsekündigen Pulsen gesammelt.
Es werden 10 Fast Fourier Transformationen über jeweils 512 Punkte mit von jedem der Hydrophone beider Arrays empfangenen Daten durchgeführt. Es wird ein idealer Abstand zwischen den Hydrophonen angenommen. Es wird die Schallgeschwindigkeit eines jeden Paares von Hydrophonen von Nr. 3 bis Nr. 48 unter Verwendung des Hydrophons 2 als Referenz berechnet. Es wird die mittlere Geschwindigkeit genommen und in den nachfolgenden Berechnungen mit diesem Datensatz als Schallgeschwindigkeit eingesetzt. Die Temperatur des Wassers kann sich verändern, während sich der Schleppkörper durch das Wasser bewegt, daher wird dies für jeden Datensatz durchgeführt. Es wird der durchschnittliche Phasenfehler gegenüber der theoretischen Phase eines jeden Hydrophons in beiden Arrays bestimmt, wobei Nr. 2 und Nr. 50 als Referenz verwendet werden. Die mittleren Phasendaten für 1200 Hz werden gespeichert. Die Phase zwischen Nr. 2 und Nr. 50 sollte Null sein. Der Korrekturfaktor zwischen den beiden wird auf alle Hydrophone des zweiten Array angewendet.
Daten der Frequenz F2:
Es wird mit folgenden Einstellungen gesendet
Frequenz: F1 = 1600 Hz
Wellenform: Rechteck
Dauer: 1 Sekunde
Amplitude: Ampm = –40 dB
Es werden Daten von 10 jeweils einsekündigen Pulsen gesammelt.
Es werden 10 Fast Fourier Transformationen über jeweils 256 Punkte mit von jedem der Hydrophone beider Arrays empfangenen Daten durchgeführt. Es wird die Schallgeschwindigkeit für jedes Paar von Hydrophonen von Nr. 3 bis Nr. 48 unter Verwendung von Nr. 2 als Referenz berechnet. Diese mittlere Geschwindigkeit wird hergenommen und in den nachfolgenden Berechnungen für diesen Datensatz als Schallgeschwindigkeit verwendet. Es wird der durchschnittliche Phasenfehler gegenüber der theoretischen Phase eines jeden Hydrophons in beiden Arrays bestimmt, wobei Nr. 2 und Nr. 50 als Referenz verwendet werden. Die mittleren Phasendaten für 1600 Hz werden gespeichert. Es wird die Phasendifferenz bei F2 und F2 für jedes Paar von Hydrophonen bestimmt, und die Daten werden verwendet, um den Verschiebungsfehler der Hydrophone zu errechnen unter Verwendung des folgenden:

DE:: Verschiebungsfehler
C:: Schallgeschwindigkeit in Wasser
PHE:: Phasendifferenz F1 & F2
F:: F2-F1

Der Positionsfehler wird auf die Hydrophonpositionen eines jeden Arrays angewendet, und die Phase eines jeden Paares von Hydrophonen bei F1 und F2 berechnet. Dieser Wert minus den Mittelwert der Phase bei 1200 Hz und 1600 Hz ist der Phasenversatz für jedes der Hydrophone.
Während die vorliegende Erfindung speziell anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben worden ist, wird von einem Fachmann ohne weiteres verstanden werden, daß verschiedene Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung, die nur durch die Formulierung der Ansprüche beschränkt ist, abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Kalibrieren eines Arrays von Unterwasser-Empfängerhydrophonen mit folgenden Schritten: (a) Ausstrahlen eines akustischen Testsignals mit einer bekannten Frequenz von einem geschleppten, akustischen Unterwasser-Schallgeber zeitgleich in Richtung einer Vielzahl von gezogenen, miteinander verbundenen, in einem Array angeordneten, Unterwasser-Empfängerhydrophonen, wobei der Schallgeber sich in Bezug auf ein Ende des Arrays in einer festen Position befindet; (b) Erfassen und Bestimmen der Antwort der Vielzahl von Empfängerhydrophonen auf das Testsignal mittels signalverarbeitenden Mitteln; (c) Kalibrieren zumindest eines der Parameter für den Betrieb der Vielzahl von Empfängerhydrophonen basierend auf der Antwort.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (c) ein Kalibrieren von zumindest einem der folgenden Parameter enthält: Amplitude, Position und Phasenwinkel der Empfängerhydrophone relativ zueinander.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (c) ein Kalibrieren von sowohl der Amplitude, als auch der Position als auch des Phasenwinkels der Empfängerhydrophone relativ zueinander enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Schallgeber an einem Körper befestigt ist, der von einem Wasserfahrzeug geschleppt wird, und daß die Empfängerhydrophone in einem linearen Array angeordnet sind, welches an dem geschleppten Körper befestigt ist und von diesem geschleppt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Schallgeber an einem Körper befestigt ist, der von einem Wasserfahrzeug geschleppt wird, und daß die Empfängerhydrophone in einem Paar linearer an dem geschleppten Körper befestigter und von diesem geschleppter Arrays angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Erfassen und Bestimmen der Antwort eines ersten Empfängerhydrophons auf das Testsignal mittels signalverarbeitender Mittel enthält; ein Erfassen und Bestimmen der Antwort anderer Empfängerhydrophone auf das Testsignal mittels signalverarbeitender Mittel; Kalibrieren zumindest eines Parameters für den Betrieb der anderen Empfängerhydrophone in Relation zu der Antwort des ersten Empfängerhydrophons.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Array von Empfängerhydrophonen in einer Tiefe von etwa 600 Metern oder mehr unter Wasser geschleppt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Erfassen und Bestimmen der Antwort eines ersten Empfängerhydrophons auf zumindest zwei Testsignale mit unterschiedlichen Frequenzen mittels signalverarbeitenden Mitteln enthält; das Erfassen und Bestimmen der Antwort der anderen Empfängerhydrophone auf die zumindest zwei Testsignale mit unterschiedlichen Frequenzen mittels signalverarbeitender Mittel; und das Kalibrieren zumindest eines Parameters für den Betrieb der anderen Empfängerhydrophone in Relation zu der Antwort des ersten Empfängerhydrophons auf die zumindest zwei Testsignale mit unterschiedlichen Frequenzen.
System zum Kalibrieren eines Arrays von Unterwasser-Empfängerhydrophonen mit: (a) einem Mittel zum Aussenden eines akustischen Testsignals bei einer bekannten Frequenz von einem geschleppten, akustischen Unterwasser-Schallgeber gleichzeitig in Richtung einer Vielzahl von geschleppten, miteinander verbundenen, in einem Array angeordneten Unterwasser-Empfängerhydrophonen, welcher Schallgeber sich in einer festen Position in Relation zu einem Ende des Arrays befindet; (b) Signalverarbeitungsmitteln zum Erfassen und Bestimmen der Antwort der Vielzahl von Empfängerhydrophonen auf das Testsignal; (c) Mitteln zum Kalibrieren zumindest eines Parameters für den Betrieb der Vielzahl von Empfängerhydrophonen basierend auf der Antwort.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß (c) Mittel zum Kalibrieren von zumindest einem der folgenden Parameter enthält: Amplitude, Position und Phasenwinkel der Empfängerhydrophone relativ zueinander.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Schallgeber an einem Körper befestigt ist, der an einem Wasserfahrzeug befestigt ist, und daß die Empfängerhydrophone in zumindest einem an dem geschleppten Körper befestigten, linearen Array angeordnet sind.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Schallgeber an einem Körper befestigt ist, der an einem Wasserfahrzeug befestigt ist, und daß die Empfängerhydrophone in einem Paar an dem geschleppten Körper befestigter, linearer Arrays angeordnet sind.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß es enthält: Mittel zum Erfassen und Bestimmen der Antwort eines ersten Empfängerhydrophons auf zumindest zwei Testsignale mit unterschiedlichen Frequenzen mittels signalverarbeitender Mittel; zum Erfassen und Bestimmen der Antwort der anderen Empfängerhydrophone auf die zumindest zwei Testsignale mit unterschiedlichen Frequenzen mittels signalverarbeitender Mittel; und Mittel zum Kalibrieren zumindest eines Parameters für den Betrieb der anderen Empfängerhydrophone in Relation zu der Antwort des ersten Empfängerhydrophons bei den zumindest zwei Testsignalen mit unterschiedlichen Frequenzen.