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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die
Korrektur der von einer Sonarantenne gelieferten Signale, wobei die
Sonarantenne aus auf einer Wand, beispielsweise einem
Schiffsrumpf, montierten Hydrophonen besteht. In der nachfolgenden
Beschreibung wird auf den Schiffsrumpf beispielshalber Bezug
genommen, wobei klar ist, daß er für jede Art Wand steht, die
Schwingungen im Wasser ausgesetzt ist.
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Die Hydrophone sind Akustiksonden, die im Wasser
betrieben werden sollen, und jedes Hydrophon der Antenne liefert
ein Signal in Abhängigkeit von den ankommenden Wellen aus der
Umgebung des Schiffsrumpfs.
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Es sei daran erinnert, daß es bekannt ist, zur
Bestimmung der Richtung einer ankommenden Welle Kanäle zu bilden,
wobei jeder Kanal einer bestimmten Richtung entspricht.
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Mit gleichmäßig in einem Abstand d entlang einer mit
einer gegebenen Richtung einen Winkel a einschließenden Linie
angeordneten Hydrophonen erhält man einen Kanal in der
gegebenen Richtung, indem man die Hydrophonsignale um einen Wert
w.d.sin a/c in der Phase verschiebt, wobei w die Kreisfrequenz
der ankommenden Welle und c die Geschwindigkeit des Schalls in
Wasser ist. Um den Kanal korrekt zu bilden, muß die ankommende
Welle bei der Frequenz w/2π eine ebene Welle sein.
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Die Antenne muß auf einem Träger montiert sein, der im
allgemeinen der Rumpf eines Schiffes ist (normales Schiff oder
Unterseeboot). Der Rumpf ist aber elastisch und bildet somit
nicht einen starren Reflektor. Er vibriert unter der Wirkung
der ankommenden Welle, und die Vibrationen des Rumpfs stören
die ebene Welle. Daraus folgt, daß die Phasenbeziehungen
zwischen den von den Hydrophonen empfangenen Signalen gestört
werden und die Bildung der Kanäle nicht mehr korrekt
sichergestellt ist.
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Es ist nämlich bekannt, daß jedes Hydrophon die
ankommende Welle und die vom Schiffsrumpf reflektierte Welle
empfängt.
Die reflektierte Welle setzt sich aus einer Welle
zusammen, die ein Schiffsrumpf ergeben würde, der vollständig
unbeweglich ist, was die Wirkung eines starren Reflektors
ergibt, und einer Welle aufgrund der von der ankommenden Welle
induzierten Schwingung.
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Die Wirkung des starren Reflektors stört für die
Bildung der Kanäle nicht, da die Amplitude und Phase der
entsprechenden reflektierten Welle kaum von der Lage des Hydrophons
auf dem Rumpf abhängt, ohne Rücksicht auf die Frequenz und den
Einfallswinkel der anregenden Welle. Dagegen stört der
Schwingungseffekt.
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Um diesen Störeffekt zu korrigieren, ist es bekannt,
eine akustische Barriere zwischen den Hydrophonen der Antenne
und dem Rumpf anzuordnen. Diese Barriere bleibt unter der
Wirkung der an ihr reflektierten ankommenden Welle
unbeweglich.
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Aber diese Barriere ist bei Frequenzen unter 1 KHz
unwirksam, da sie dem hydrostatischen Druck widerstehen muß
und hierzu ausreichend starr sein muß, und da ihre Abmessungen
klein gegenüber der Wellenlänge der empfangenen Welle bleibt.
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Weiter ist aus der Druckschrift DE-A 35 20 398
bekannt, das von einem auf einem Schiff montierten Hydrophon
empfangene Signal zu korrigieren, indem Sonden verwendet
werden, die die von Elementen des Schiffs, wie z.B. seinen
Maschinen oder Tanks, erzeugten Störsignale messen. Das mit
Hilfe dieser Sonden erzeugte Korrektursignal korrigiert aber
nicht im von dem Hydrophon gelieferten Signal den Störanteil
aufgrund der Schwingung, die von der ankommenden Nutzwelle bei
ihrer Reflexion am Rumpf des Schiffs induziert wurde.
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Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, die
Ausgangssignale der Hydrophone einer Antenne zu korrigieren, um die
Störungen aufgrund der Schwingungen des Rumpfs unabhängig von
ihrer Herkunft zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.
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Dieses Ziel wird erreicht, indem die Schwingung des
Rumpfes gemessen wird und ausgehend von den erhaltenen
Meßsignalen
ein Korrektursignal erzeugt wird, das am Ort jedes
Hydrophons dem durch die Schwingung des Rumpfs abgestrahlten
Druck äquivalent ist. Dieses Korrektursignal wird dann vom
Ausgangssignal jedes Hydrophons abgezogen.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Korrektur des
von einem Hydrophon einer akustischen Antenne stammenden
elektrischen Signals, wobei das Hydrophon in der Nähe einer Wand
montiert ist und ein akustisches Signal aufnehmen soll,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Berücksichtigung mindestens der
Schwingungen der Wand, die vom aufzunehmenden akustischen
Signal erzeugt werden, das Verfahren darin besteht, vom
elektrischen Signal des Hydrophons den Anteil abzuziehen, der den
Schwingungen der Wand zuzuordnen ist, aufgrund einer Messung
und modusspezifischen Verarbeitung dieser Schwingungen mit
Hilfe von auf der Wand in der Nähe der Antenne angebrachten
Sonden, wobei das Ausgangssignal jeder Sonde so oft
verarbeitet wird, wie es der Anzahl der Schwingungsmodi entspricht,
die aufgrund ihrer Störeinflüsse auf das Hydrophonsignal
berücksichtigt werden sollten.
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Die nachfolgende Beschreibung mit Hilfe der darauf
Bezug nehmenden Figuren läßt die Erfindung klarer werden und
enthält weitere Merkmale.
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Figur 1 zeigt das allgemeine Schema einer
erfindungsgemäßen Korrekturvorrichtung.
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Figur 2 zeigt ein Teilschema eines einfachen
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Korrekturvorrichtung.
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In den verschiedenen Figuren sind entsprechende
Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die Schwingung eines Schiffsrumpfs setzt sich wie die
jeder Struktur aus Schwingungsmodi zusammen. Ein
Schwingungsmodus entspricht einer gewissen Verteilung der
Vibrationsgeschwindigkeit entlang des Rumpfes. Wenn x die Abszisse ist,
beispielsweise entlang der Achse einer aus fluchtenden
Hydrophonen gebildeten Antenne, dann ergibt sich die
Vibrationsgeschwindigkeit vm(x) für den Modus m aus dem Produkt vm(x) =
Vm.Ym(x).
Hierbei ist Vm die Ursprungsamplitude für den Modus
m und Ym(x) die Wellenfunktion. Diese Wellenfunktion ist aus
der Schwingungstheorie und aus der Messung von vm(x) bekannt.
Die Ursprungsgeschwindigkeit Vm läßt sich für den Modus m
somit aus der Messung der Vibrationsgeschwindigkeit vm(x) an
einem oder mehreren Punkten des Rumpfes ableiten.
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Im übrigen ist es bekannt, daß eine akustische
Transferimpedanz für einen gegebenen Schwingungsmodus sich aus dem
folgenden Verhältnis ergibt Zm(xh) = Pm(xh)/Vm. Hierbei ist
Pm(xh) der akustische Druck für den Modus m, der in einem
Punkt xh empfangen wird, an dem sich ein Hydrophon der Antenne
befindet.
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Der Gesamtdruck aufgrund der Schwingung, der von dem
Hydrophon empfangen wird, ist also
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Die Impedanzen Zm(xh) werden durch Modellrechnungen
oder Eichung bestimmt. Es ergibt sich somit, daß die
Amplituden- und Phasenmessung von vm(x) für eine gewisse Anzahl von
Modi ein repräsentatives Signal für Ph ergibt, das vom Signal
des Hydrophons an der Stelle xh abgezogen wird und so die
Wirkungen der Schwingungen des Rumpfs eliminiert.
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Dies wird in der Vorrichtung gemäß Figur durchgeführt.
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Figur 1 zeigt im Schnitt einen Teil des Rumpfs 1 eines
Schiffs, das eine erfindungsgemäße Korrekturvorrichtung
enthält. In dieser Ausführungsform, die für Versuchszwecke
verwendet wurde, war das Schiff ein normales Schiff, aber die
erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch auf Unterseeboote und
auf die Wand irgendeines elastischen getauchten Körpers
anwendbar, der ein Lauschsystem mit Hydrophonen enthält.
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In üblicher Weise sind Hydrophone H1 bis HN einige
Zentimeter von dem Rumpf 1 entfernt befestigt. Diese
Hydrophone sind in eine viskoelastische Gießform eingehüllt, die den
Pegel der ihnen von dem Wasserkörper übertragenen Schwingungen
kaum verringert.
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Die Hydrophone H1 bis HN liefern Signale S&sub1; bis SN,
die an Subtrahierglieder B1 bis BN angelegt werden. Diese
Subtrahierglieder ziehen vom Signal, das ihnen von einem
Hydrophon zugeführt wird, ein Korrektursignal ab, das dazu
bestimmt ist, soweit wie möglich das Hydrophonsignal von seinen
Komponenten zu befreien, die auf Schwingungen des Rumpfs
beruhen.
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Schwingungssonden K1 bis KQ, die im beschriebenen
Beispiel von Beschleunigungsmessern gebildet werden, sind über
die Innenwand des Rumpfes in der Nähe der von den Hydrophonen
gebildeten Antenne verteilt.
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Die von den Schwingungssonden gelieferten Signale
geben die an den Meßpunkten der Sonden getastete
Vibrationsgeschwindigkeit v(x) wieder. Die Gesamtheit dieser Signale
wird an Modusfilter F1 bis FM angelegt, die jeweils einem von
M Schwingungsmodi des Rumpfs zugeordnet sind, die aufgrund
ihres Störeinflusses auf die Hydrophonsignale berücksichtigt
werden sollen. Es ist festzustellen, daß die Zahl Q der
Schwingungssonden größer oder gleich der Zahl M der
berücksichtigten Schwingungsmodi sein muß.
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Jedes der M Modusfilter führt für den ihm
entsprechenden Modus m eine Verarbeitung durch, die die
Ursprungsamplitude und die Ursprungsphase ergibt:
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Vm = vm(x)/Ym(x)
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unter Berücksichtigung der folgenden Beziehung
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Für diese Filterung werden die von den Sonden
gelieferten Signale v(x) mit bekannten Koeffizienten multipliziert,
die von der Frequenz abhängen und für den betrachteten Modus
bestimmt sind; die so erhaltenen Signale werden miteinander
addiert; ein Beispiel für die Durchführung einer solchen
Modusfilterung wird weiter unten anhand der Figur 2 beschrieben.
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Jedes der M Signale V1 bis VM wird dann mit der
Transferimpedanz Zm(Hi) betreffend den betrachteten Modus m und das
betrachteten Hydrophon i multipliziert; da Zm(Hi) von der
Frequenz abhängt, erfolgt in den Kreisen, die diese Operation
durchführen, also eine Filterung, so daß diese Kreise in Figur
1 Transferfilter genannt werden. So entsprechen dem Hydrophon
H1 für die Modi 1 bis M die Transferfilter G11 bis G1M, deren
Impedanzen mit Z&sub1;(H&sub1;) bis ZM(H&sub1;) bezeichnet werden. Dem
Hydrophon HN schließlich entsprechen für die Modi 1 bis M die
Transferfilter GN1 bis GNM. Sie erhalten jeweils dieselben
Eingangssignale V&sub1; bis VM zugeführt. Die Transferfunktionen
dieser Filter sind mit Z&sub1;(HN) bis ZM(HN) bezeichnet.
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Die Ausgangssignale der Transferfilter sind ein Maß
für die relativen Drücke Pm(Hi) für ein gegebenes Hydrophon i
in einem betrachteten Modus m. Für ein gegebenes Hydrophon i
bildet ein Addierer Ai die Summe der Drucksignale betreffend
dieses Hydrophon in den betrachteten Modi 1 bis M. So bildet
der Addierer A1 die Summe der Drucksignale P&sub1;(H&sub1;) bis PM(H&sub1;).
Der Addierer Ai liefert ein Drucksignal, das den von den
Schwingungen des Rumpfs auf das Hydrophon Hi einwirkenden
Totaldruck angibt. Dieses Signal bildet das Korrektursignal,
das vom Signal des Hydrophons Hi abgezogen wird. So zeigt
Figur 1, daß vom Signal S&sub1; des Hydrophons H1 im
Subtrahierglied B1 das Gesamtdrucksignal abgezogen wird, das vom
Addierer A1 geliefert wird, was dazu führt, daß das Subtrahierglied
B1 das korrigierte Signal S&sub1;' liefert.
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Figur 2 zeigt eine Platte 1 von der Schnittkante her
gesehen, die zwei Hauptschwingungsmodi unterworfen ist, von
denen der eine ein Translationsmodus ist, der Verschiebungen
der Platte bewirkt, die sie durch eine Position 1t schwingen
läßt, die in kurzen unterbrochenen Strichen angedeutet ist,
während der andere Modus ein Biegemodus erster Ordnung ist,
der die Platte durch eine Position 1f schwingen läßt, die mit
längeren unterbrochenen Strichen angedeutet ist.
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Zwei Schwingungssonden K1, K2 sind vorgesehen, und
zwar eine an einem der Enden und die andere in der Mitte der
Platte 1.
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Das Filter des Translationsmodus, das ein für die
Translationsgeschwindigkeit der Platte 1 repräsentatives
Signal Vt liefert, ergibt sich durch Multiplizieren der von den
Sonden K1 und K2 gelieferten Signale mit 1 in zwei
Multiplizierkreisen 2 und 3. Diesen Multiplizierkreisen ist ein
Addierer 4 nachgeschaltet, der das Ausgangssignal Vt liefert.
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Das Filter des Biegemodus erster Ordnung, das ein
Signal Vf repräsentativ für die Geschwindigkeit der Biegung
der Platte 1 liefern soll, wird durch Multiplizieren des von
der Sonde K2 gelieferten Signals in einem Multiplizierkreis 5
mit 1 und durch Multiplizieren des von der Sonde K2
gelieferten Signals in einem Multiplizierkreis 6 mit -1 sowie durch
Addieren der von den beiden Multiplizierkreisen 5 und 6
gelieferten Signale in einem Addierer 7 gebildet. Diese
Multiplikationsfaktoren gleich 1 bzw. -1 beruhen auf der Tatsache, daß
für den betrachteten Biegemodus und an den Stellen, an denen
sich die Sonden K1 und K2 befinden, die für die
Biegegeschwindigkeit charakteristischen Signale in Phasenopposition liegen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die
Durchführung des Verfahrens zur Korrektur der von den
Hydrophonen gelieferten Signale in digitaler Form. Hierzu werden
die Ausgangssignale der Schwingungssonden digitalisiert. Die
Modusfilteroperationen und Transferoperationen erfolgen in
einem Rechner. Die Multiplikationsfaktoren für die Signale
v(x) und die Werte der Transferimpedanzen werden gespeichert.
Die Bestimmung dieser Werte ergibt sich durch Eichung während
der Vorversuche. Das "theoretischen" Ausgangssignal der
Hydrophone aufgrund eines gegebenen Signals in Abwesenheit von
Schwingungen ist bekannt und wird gespeichert. Die Werte der
Modusfilterkoeffizienten und der Transferfilterimpedanzen
ergeben sich durch Minimisierung der Abweichung zwischen dem
theoretischen Ausgangssignal jedes Hydrophons und seinem
tatsächlichen Ausgangssignal. Die Minimisierung dieser Abweichung
erfolgt in einer Software, die auf der bekannten Methode von
Newton beruht und mehrere Iterationen erfordert.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung die
Korrektur sowohl von Störungen aufgrund von Schwingungen des
Schiffsrumpfs zu korrigieren imstande ist, die von Quellen
außerhalb des Rumpfs stammen, als auch von solchen Störungen,
5 die von inneren Quellen stammen.