DE69306554T2

DE69306554T2 - Verfahren zur Strahlstabilisierung und Strahlbündelung und Sonar zu dessen Anwendung

Info

Publication number: DE69306554T2
Application number: DE69306554T
Authority: DE
Inventors: Didier F-92402 Courbevoie Cedex Billon; Pierre F-92402 Courbevoie Cedex Guthmann; Francis F-92402 Courbevoie Cedex Viez
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1992-02-28
Filing date: 1993-02-12
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2013-02-13
Also published as: EP0628172A1; CA2129753A1; FR2688070B1; FR2688070A1; DE69306554D1; WO1993017353A1; CA2129753C; EP0628172B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Seitensonargeräte, die im allgemeinen zur Überwachung der Fahrrinne für die Navigation verwendet werden, um die Sicherheit großer Kriegsschiffe zu gewährleisten. Insbesondere hat die Erfindung ein Verfahren zur Stabilisierung und Formung von Kanälen für Sonargeräte und ein Sonargerät zur Durchführung dieses Verfahrens zum Gegenstand.
In einer besonderen Anwendung, in der das Sonargerät auf einer von einem auf der Wasseroberfläche schwimmenden Schiff geschleppten Trägerkapsel montiert ist, erfolgt die Beobachtung des Meeresgrunds seitlich zu beiden Seiten der senkrechten Ebene, die durch die Längsachse der Kapsel verläuft. Die Abtastung des beobachteten Volumens ergibt sich durch die Verschiebung des die Kapsel schleppenden, auf der Oberfläche schwimmenden Schiffes. Die vom Sonargerät gesammelten Informationen ergeben ein Bild des beobachteten Meeresgrunds in Form einer Folge von Videobildern.
Ein Seitensonargerät enthält eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne. Die Länge der Sendeantenne wird so gewählt, daß sich eine etwa konstante Länge des Bildfelds unabhängig von der schrägen Entfernung ergibt, indem im Nahfeld in der Fresnel-Zone ausgesendet wird.
Die Länge der Empfangsantenne muß variabel sein, um über die ganze Länge der von der Sendeantenne beschallten Zone eine konstante Auflösung unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit der Kapsel und der Dauer der Rekurrenzperiode zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sendephasen zu gewinnen. Hierzu enthält die Empfangsantenne Sonden, die so umgeschaltet werden, daß sich eine Antenne mit variabler Öffnungsweite (oder Pupille) ergibt. Die Antenne wird auf jeden aus dem beobachteten Volumen ausgeschnittenen Geländestreifen für aufeinanderfolgende schräge Entfernungen fokussiert. Die Erfassung des beobachteten Meeresbodens ergibt eine Folge von Bildern. Jedes Bild resultiert aus der Aneinanderfügung von aus dem beobachteten Volumen während einer Rekurrenzperiode ausgeschnittenen Streifen des Meeresbodens. Diese Geländestreifen entsprechen den auf der Empfangsseite durch das Sonargerät gebildeten Kanälen und können orthogonal oder bezüglich der Längsachse der Kapsel geneigt sein. Die Gesamtbreite der Bänder beschränkt die Breite des Bildfelds während der Rekurrenzperiode. Damit sich ein möglichst genaues Bild des beobachteten Meeresbodens ergibt, müssen die aufeinanderfolgenden Geländestreifen während der Rekurrenzperiode und von einer Rekurrenzperiode zur nächsten aneinander anschließen, unabhängig von den Bewegungen, denen die Kapsel unterworfen ist.
Während der Fahrt ist die Kapsel im wesentlichen Roll- und Stampfbewegungen unterworfen, die die Qualität der Bilder des beobachteten Meeresbodens beeinträchtigen können. Die Drehbewegung des Kapsels und damit der Sende- und Empfangsantennen zwischen dem Sendezeitpunkt und dem Empfangszeitpunkt können den nahtlosen Anschluß der Geländestreifen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rekurrenzperioden beeinträchtigen, was zu Löchern in der Überdeckung oder zu Überlappungen von Bildern in der Bildfolge des beobachteten Meeresgrunds führt. Um die Wirkungen dieser Bewegungen auszuschließen, besteht eine allgemein angewandte Lösung darin, die Empfangsantenne des Sonargeräts elektronisch zu stabilisieren, um die Drehbewegung der Kapsel zwischen dem Sendeund dem Empfangszeitpunkt zu kompensieren. Hierzu werden die von den Sonden der Empfangsantenne empfangenen Signale Phasenverschiebungen vor der Kanalbildung unterworfen. Phasenkorrekturmethoden aufgrund der Drehbewegungen der Kapsel werden insbesondere in den Patenten FR-A-2 279 287 von WESTINGHOUSE und US-A-4 244 036 von RAVEN beschrieben.
Die Trennung der Funktionen der Stabilisierung und der Kanalbildung hat den Vorteil, die Anzahl von in Echtzeit zu berechnenden komplexen Koeffizienten auf die Anzahl der
Sonden für die Stabilisierung des Bilds zu begrenzen. Außer den Drehbewegungen der Kapsel führen auch die Geschwindigkeitsveränderungen des Schiffes zu einer Veränderung der Breite des Bildfelds. Diese Veränderung kann größer als der vorbestimmte Abstand zwischen Kanälen sein, so daß sich ein Loch im Bild des Meeresbodens ergibt.
Um dieses Loch zu vermeiden, muß man die Anzahl von Kanälen der Breite des Bildfelds zwischen einem Maximalwert, der durch den ungünstigsten Fall mit den ungünstigsten Navigationsbedingungen definiert ist, d.h. für das Bildfeld mit der größten Breite, und einem Mindestwert angepaßt werden, der das Feld betrifft, das notwendig ist, wenn die Kapsel keinerlei Drehbewegungen unterworfen ist.
Um einen einfachen Verarbeitungsprozeß beizubehalten, besteht eine bekannte Lösung darin, systematisch die maximale Anzahl von Kanälen entsprechend der Hypothese des ungünstigsten Falls zu berechnen, in dem das Feld am breitesten ist, und in den Bildspeicher nur die Kanäle einzutragen, die für die Überdeckung des Feldes erforderlich sind. Daraus ergibt sich eine Überlappung der Bänder, die in aufeinanderfolgenden Rekurrenzperioden gebildet werden.
Diese Lösung besitzt einige Nachteile:
- Die Anzahl von in den Speicher eingetragenen Kanälen am Ausgang des Verarbeitungsprozessors kann nicht nur von einer Rekurrenzperiode zur nächsten, sondern auch innerhalb der gleichen Rekurrenzperiode aufgrund der schrägen Entfernung variieren. Dies ist sehr lästig hinsichtlich der Verwaltung dieses Speichers.
- Damit zwei aufeinanderfolgende Bilder korrekt aneinander anschließen, liegt die Stabilisationsachse in einem auf die Sendeachse zentrierten Bereich, dessen Breite dem Abstand zwischen Kanälen gleicht. In den Neuaktualisierungszeitpunkten für die Stabilisierung kann die Verschiebung der Stabilisierungsachse den Abstand zwischen Kanälen erreichen, was in den Ausgangssignalen der Sonden Phasensprünge nach sich zieht, die für die spätere kohärente Verarbeitung störend sind.
- Diese Stabilisierung beruht auf einem absoluten Bezugswert, der die Senderichtung der ersten Rekurrenzperiode ist. Je weiter sich die Achse der Antenne von dieser Richtung entfernt aufgrund der Drehung der Kapsel, umso stärker werden die Bildverzerrungen in den Neuaktualisierungsentfernungen der Stabilisierung.
Ziel der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Stabilisierung und zur Bildung der Kanäle eines Mehrkanal-Seitensonargeräts, bei dem die Nachteile der obigen Lösungen vermieden werden.
Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Stabilisierung und zur Formung von Kanälen in einem Mehrkanal-Seitensonargerät, in dem jeder Kanal unabhängig von den anderen stabilisiert wird, wobei das Feld eines Bilds mit einer konstanten Anzahl N von Kanälen und ggf. mit einem variablen Abstand von einem Bild zum anderen überdeckt wird, indem alle vom Verarbeitungsprozessor gebildeten und von einer räumlichen Übertastung kommenden Kanäle für eine bessere Abtastung des Geländes verwendet werden, so daß die nahtlose Folge der aufeinanderfolgenden Bilder gewährleistet wird und doch Bewegungen der Kapsel berücksichtigt werden. Ziel der Erfindung ist auch ein Seitensonargerät für den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Gegenstand der Erfindung ist also ein Verfahren zur Stabilisierung und Kanalbildung eines Mehrkanalsonargeräts mit mindestens einem an einer Trägerkapsel befestigten System zur Überwachung des Meeresbodens, das außerdem eine ein Volumen über dem Meeresboden beschallende Sendeantenne, die im Nahfeld in der Fresnel-Zone verwendet wird, und eine Empfangsantenne enthält, deren Öffnungswinkel variabel ist und die aneinander angrenzende Kanäle i bildet, dadurch gekennzeichnet, daß es für eine praktisch nahtlose Überdeckung des Meeresbodens durch eine Folge von Beobachtungszonen beim Empfang eine vorgegebene konstante Anzahl N von Kanälen i mit einem variablen Abstand δ von einer Rekurrenzperiode zur anderen abhängig von Navigationsparametern der Kapsel bildet und für jede Rekurrenzperiode folgende Schrit te beinhaltet:
- in einem ersten Schritt die Ermittlung der Verschiebung L(n) der Beobachtungszone am Meeresboden für eine laufende Rekurrenzperiode (n) abhängig von der Verschiebung und der Lage der Kapsel bezüglich der Beobachtungszone zwischen der vorhergehenden Sendeachse E(n-1) und der laufenden Sendeachse E(n),
- in einem zweiten Schritt die Bestimmung des Abstands δ(n) zwischen Kanälen für die laufende Rekurrenzperiode (n) ausgehend von der vorgegebenen Anzahl N von Kanälen i, von der im ersten Schritt ermittelten Verschiebung L(n) und vom Abstand δ(n-1) zwischen Kanälen i der vorhergehenden Rekurrenzperiode (n-1), und
- in einem dritten Schritt eine Nachstellung der Richtung der Empfangsachse in Echtzeit auf die Richtung der Sendeachse der laufenden Rekurrenzperiode (n) und ausgehend von dieser Richtung die Bildung der aufeinanderfolgenden N nachgestellten Empfangskanäle i einer Breite δ(n), um das Bildfeld der laufenden Rekurrenzperiode (n) zu überdecken.
Die Erfindung und weitere Merkmale werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
Figur 1 zeigt schematisch die Beobachtung des Meeresbodens durch ein Seitensonargerät gemäß der Erfindung.
Figur 2 zeigt von oben die Beobachtung des Meeresgrunds, wie sie in Figur 1 gezeigt ist, für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur 3 zeigt ein Blockdiagramm der drei Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 4 zeigt die beiden ersten Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Figuren 5 und 5 zeigen die Reaktionen auf Sprünge in der Breite des Felds eines Bildes.
Figur 7 ist eine Tabelle, die sich auf die Figuren 5 und 6 bezieht.
Figur 8 zeigt den dritten und letzten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 1 zeigt eine besondere Ausführungsform der Erfindung, in der das Schiff 1 eine Kapsel 2 zylindrischer Form schleppt, in der ein Beobachtungssystem 3, 4 auf der Steuerbordseite installiert ist. Dieses Beobachtungssystem 3 und 4 enthält eine lineare Sendeantenne 3 und eine lineare Empfangsantenne 4 mit gleicher Länge. In dieser Ausführungsform sind beide Antennen entlang der gleichen Mantellinie der zylindrischen Kapsel 2 angeordnet. H ist die Höhe der Kapsel über Grund.
Die Sendeantenne 3 beschallt ein Meeresvolumen 5 in einem orthogonalen Bezugssystem (x, y, z), während die Empfangsantenne 4, die K Schallsonden k besitzt, N Kanäle i bildet, die durch ihre Symmetrieachse und ihre Breite δ definiert sind und Geländestreifen in Querrichtung bezüglich der Längsachse 6 und der y-Achse der Kapsel 2 in einer Beobachtungszone des Meeresbodens 7 mit durch das beschallte Volumen 5 und den beobachteten Meeresboden begrenzter Breite begrenzen.
Die Kapsel 2 enthält auf der Backbordseite ein symmetrisches Beobachtungssystem zu dem System 3 und 4 auf der Steuerbordseite und beschallt ein symmetrisches Volumen zum Volumen 5 bezüglich einer senkrechten Ebene, die durch die Längsachse 6 der Kapsel 2 verläuft. Da dieses andere Beobachtungssystem sowohl hinsichtlich seiner Struktur als auch hinsichtlich seines Betriebs dem Steuerbordsystem 3 und 4 gleicht, wird es hier nicht weiter beschrieben.
Die potentielle Breite L' des Bildfelds, d.h. die Breite der Beobachtungszone 7, wenn die Kapsel 2 keine Drehbewegungen ausführt, hängt zum Teil von den Abmessungen der Sende- und Empfangsantennen 3, 4 sowie von der Anzahl K von Sonden k der Empfangsantenne 4 ab. Die Anzahl N von gebildeten Kanälen i hängt von der gewünschten Auflösung und dem ungünstigsten Fall ab, der in der bekannten Lösung definiert wurde. Im Gegensatz zur Lösung nach dem Stand der Technik, bei der die Anzahl N von gebildeten und verwendeten Kanälen variabel war und die Funktionen der Stabilisierung und Bildung der i Kanäle voneinander getrennt waren, bildet das erfindungsgemäße Verfahren eine konstante Anzahl N von Kanälen i und paßt die Richtungen der Kanäle i an die Bewegungen der Antennen 3 und 4 an. Daher werden alle komplexen Koeffizienten, d.h. eine Anzahl entsprechend dem Produkt aus der Zahl K von Sonden k mit der Anzahl N von Kanälen i, von einem Stabilisierungsrechner 8 geliefert, der an Bord des Schiffes 1 liegt.
In den nachfolgenden Figuren werden entsprechende Elemente wie in Figur 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 2 zeigt von oben ein Ausführungsbeispiel des Beobachtungssystems 3 und 4 in Betrieb, wobei dieses System auf einer Kapsel 2 einer Länge von 5 Metern angeordnet ist. Die Sende- und Empfangsantennen 3 und 4 sind beide 3,20 Meter lang. Die Sendeantenne 3 beschallt einen breiten Sektor des Volumens 5 über dem Meeresboden. Im Nahfeld, d.h. in der Fresnel-Zone, in Richtung der x-Achse, also in diesem Beispiel bis zu einer Entfernung von 200 Metern, ist die potentielle Breite L' des Felds nahezu konstant und beträgt 2,4 Meter. Die Empfangsantenne 4 mit variablem Öffnungswinkel enthält K Sonden k, z.B. K = 50, die alle bei der gleichen Frequenz von 400 kHz arbeiten und nacheinander beispielsweise N Kanäle i (N = 12) in der Fahrtrichtung der Kapsel 2 bilden, wobei der ungünstigste Fall berücksichtigt wird, so daß für die Breite L' von 2,4 m eine Breite δ(n) eines Kanals i von 0,20 m erhalten werden kann. Dies ist die Auflösung in Richtung der y-Achse. Die Anzahl von in diesem Beispiel vom Stabilisierungsrechner 8 zu berechnenden komplexen Koeffizienten beträgt 50 12 = 600.
Figur 3 zeigt die drei Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Anzahl N von Kanälen i zur Überdeckung des Bildfelds ist vorgegeben. Dann besteht für jede Rekurrenzperiode der Ordnung n das Verfahren:
- in einem ersten Verfahrensschritt 9, in dem die Verschiebung L(n) der Beobachtungszone 7 des Meeresbodens in einer laufenden Rekurrenzperiode (n) abhängig von der Verschiebung und der Lage der Kapsel 2 bezüglich der Beobachtungszone 7 zwischen der vorhergehenden Sendeperiode E(n-1) und der laufenden Sendeperiode E(n) bestimmt wird,
- in einem zweiten Verfahrensschritt 10, in dem der Abstand δ(n) zwischen Empfangskanälen i bestimmt wird, um eine praktisch nahtlose Folge von Bildern des Meeresbodens ausgehend von der vorgegebenen Anzahl N von Kanälen i, der im ersten Verfahrensschritt ermittelten Verschiebung L(n) und dem Abstand δ(n-1) zwischen Kanälen i der vorhergehenden Rekurrenzperiode (n-1) zu erzielen,
- und in einem dritten Verfahrensschritt 11, in dem in Echtzeit die Richtung der Empfangsachse auf die Richtung der Sendeachse der laufenden Rekurrenzperiode (n) nachgestellt wird und ausgehend von dieser Richtung die N nachgestellten Empfangskanäle einer Breite δ(n) gebildet werden, um das Bildfeld der laufenden Rekurrenzperiode (n) zu überdecken.
Figur 4 zeigt den ersten Verfahrensschritt 9 des erfindungsgemäßen Verfahrens, in dem die Verschiebung L(n) bezüglich des Meeresbodens zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Sendeachsen E(n-1) und E(n) unter Berücksichtigung der verschiedenen Navigationsparameter der Kapsel 2 ermittelt wird.
Die Verschiebung L(n) ergibt sich aus einer Summe von drei Größen, die mit der Bewegung der Kapsel 2 während einer Rekurrenzperiode TR verknüpft sind. Die erste Größe entspricht der mittleren Längsgeschwindigkeit VR der Kapsel 2 bezüglich der Beobachtungszone am Meeresboden 7. Die zweite Größe entspricht der Schlingerbewegung der Kapsel 2 und läßt sich abhängig von der mittleren Schlingergeschwindigkeit λR im mittleren Abstand o von der Beobachtungszone am Meeresboden 7 und in einer Höhe H der Kapsel 2 über dem Meeresboden mit einem bestimmten Vorzeichen S je nach Backbord oder Steuerbdrd ausdrücken (-1 bzw. +1). Die dritte Größe entspricht der Rollbewegung der Kapsel 2 und läßt sich abhängig von der mittleren Rollgeschwindigkeit τR für eine Höhe H der Kapsel 2 über dem Boden ausdrücken. Die beiden letztgenannten Größen verändern nämlich die Verschiebung, die nur von der mittleren Längsgeschwindigkeit der Kapsel 2 abhängt, durch die Abweichungen aufgrund der Drehbewegung der Kapsel in Schlinger- und Rollrichtung. Die Geschwindigkeitsund Lageparameter der Kapsel 2 werden durch ein Dopplersonargerät, ein Lot und ein Gyrometer bestimmt, die sich in der Kapsel 2 befinden.
Die betrachteten Parameter für die Bestimmung der Verschiebung L(n) werden über TR, die Dauer der Rekurrenzperiode (280 ms) gemittelt.
Die Verschiebung ergibt sich also durch folgende Formel:
L(n) = VRTR + (SλR o²-H² + τ R H)TR (1)
In der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform werden 12 Kanäle i zur Überdeckung des Bildfelds gebildet. Die Kanäle i werden von 1 bis 12 in Fahrtrichtung der Kapsel 2 numeriert. Kurze senkrechte Striche mit den Zahlenangaben 1 bis 12 entsprechen den zentralen Achsen der Kanäle i. Zwei aufeinanderfolgende, aneinander anschließende Bilder sind dargestellt, nämlich das Bild (n-1) und das Bild (n). Die Sendeachse E(n-1) ist die Symmetrieachse des Bilds (n-1) und liegt zwischen dem sechsten und dem siebten Kanal i. In gleicher Weise ist die Sendeachse E(n) die Symmetrieachse des Bilds (n).
Damit die beobachteten Zonen nahtlos aneinander anschließen, muß die Verschiebung, d.h. der Abstand zwischen zwei Sendeachsen (E(n-1) und E(n) der Summe aus der Breite der Hälfte der N Kanäle i aus der vorhergehenden Rekurrenzperiode (n-1) und der Breite der Hälfte der N Kanäle i aus der laufenden Rekurrenzperiode (n) gleichen. Also:
L(n) = N/2 δ(n-1) + N/2 δ(n) (2)
In dem in Figur 4 gezeigten Beispiel überdeckt also der Abstand zwischen den Sendeachsen E(n-1) und E(n) die sechs Kanäle mit den Nummern 7 bis 12 aus dem Bild der vorhergehenden Rekurrenzperiode (n-1) und die sechs Kanäle mit den Nummern 1 bis 6 der laufenden Rekurrenzperiode (n). In dieser Formel bedeutet δ(n) den Abstand zwischen Kanälen i in einer Entfernung o in der laufenden Rekurrenzperiode (n) und δ(n-1) denselben Abstand in der vorhergehenden Rekurrenzperiode (n-1).
Im zweiten Verfahrensschritt wird also der Abstand δ(n) der laufenden Rekurrenzperiode aus der Verschiebung L(n) zwischen der vorhergehenden Rekurrenzperiode (n-1) und der laufenden Rekurrenzperiode (n) und aus dem vorhergehenden Rekurrenzabstand δ(n-1) abgeleitet.
Würde die Formel (2) so verwendet, dann könnte sie zu Instabilitäten bei einer plötzlichen Geschwindigkeitsveränderung führen, die sehr unterschiedliche Verschiebungen von einer Periode zur nächsten ergeben würde. Die aus der Formel (2) abgeleitete Beziehung δ(n) = 2L(n)/N - δ(n-1) kann als ein diskretes rekursives Filter betrachtet werden.
Im Bereich der Transformierten nach Z besitzt die Transferfunktion, die das Filter beschreibt, eine Instabilität mit einem Pol bei Z = -1 am Einheitskreis.
Um diese Instabilität zu vermeiden, muß der Koeffizient von δ(n-1) kleiner als 1 sein. Der Abstand δ(n) entspricht dann folgender Beziehung:
δ(n) = 2K/N L(n) - Aδ(n-1)
Hierbei sind A und K Koeffizienten, die folgende Bedingungen erfüllen:
K = (1+A)/2 und A < 1.
Diese Bedingung gewährleistet, daß der Abstand δ(n) der laufenden Rekurrenzperiode sich dem entsprechenden Abstand δ(n-1) der vorhergehenden Rekurrenzperiode angleicht, wenn die Anzahl von Perioden nach Unendlich geht und die Verschiebung L(n) sich nicht verändert. Die Veränderungen aufgrund der plötzlichen Änderungen der Verschiebung (Stöße am Zugkabel usw.) werden damit abgeschwächt und der Abstand zwischen Kanälen i stabilisiert sich nach einer beschränkten Anzahl von Rekurrenzperioden.
In einer Ausführungsform gilt K = 0,75 und A = 0,5.
Im Fall einer Veränderung der Verschiebung liegen die überdeckten Zonen daher nicht mehr nahtlos nebeneinander, und die Fehler können entweder zu einer geringfügigen Überlappung zweier aufeinanderfolgend beobachteter Zonen oder durch eine kleine Überdeckungslücke auswirken, die für den Betrieb nicht störend sind.
Nimmt man nämlich einen Extremfall, bei dem die Verschiebung plötzlich von einer Rekurrenzperiode zur anderen von L = 1,4 m auf L = 2,4 m und dann nach einigen Perioden wieder von 2,4 m auf L = 1,4 m überwechselt, wobei für die Anzahl N von gebildeten Kanälen i der Wert 12 genommen wird, dann geht der Kanalabstand von δ = 0,117 m auf δ = 0,2 m und dann wieder auf 0,117 m über. Die Figuren 5 und 6 zeigen die Werte des Abstands δ(n) zwischen Kanälen i, die bei den aufeinanderfolgenden Rekurrenzperioden n = 1, 2, 3 für die beiden oben erwähnten plötzlichen Sprünge berechnet wurden. Diese Werte sind auch in die Tabelle der Figur 7 eingetragen, die weiter enthält:
- die Breite entsprechend der halben Summe der beiden aufeinanderfolgenden Verschiebungen
(A) = L(n) + L(n - 1)/2
- die Breite, die tatsächlich von zwei aufeinanderfolgenden Halbbildern überdeckt wird, nämlich
(B) = 6δ(n) und 6δ(n-1)
- und den Unterschied &epsi;, nämlich die Differenz zwischen der tatsächlich überdeckten Breite (B) und der Breite (A), die angesichts der Verschiebungen überdeckt worden wäre.
Diese Differenz führt zu einer Überlappung von aufeinanderfolgenden Bildern, wenn &epsi; positiv ist, und zu einer Überdeckungslücke, wenn &epsi; negativ ist. Diese Tabelle zeigt eine Überlappung, die im Höchstfall 0,254 m beim Übergang von L = 1,4 m auf L 2,4 m betragen kann, und eine Überdeckungslücke, die im Höchstfall 0,25 m beim Übergang von L 2,4 m auf L = 1,4 m betragen kann, d.h. etwa die Breite eines Kanals von 0,2 m, wenn die Halbsumme der beiden aufeinanderfolgenden Verschiebungen auf den Zwischenwert von 1,9 m übergeht. Dieses (wenig realistische) Beispiel zeigt, daß selbst in dem Extremfall, bei dem die Verschiebung plötzlich den doppelten Wert annimmt, die Überdeckungslücke entsprechend etwa 1/12 der gesamten Überdeckung des Bildfelds, d.h. etwa der Breite eines Kanals, gering bleibt. Die Bilder passen wieder vollkommen nahtlos nach einer begrenzten Anzahl von Rekurrenzperioden aneinander, im Beispiel der Tabelle nach acht Rekurrenzperioden.
Figur 8 zeigt schematisch den dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich die Nachstellung der Empfangsachse und die Bildung der Empfangskanäle i.
In dieser Figur ist β(0) der Winkel zwischen der Achse der Sendeantenne 3 und dem Kurs 12 der Kapsel 2 in einem Sendezeitpunkt E in einem mittleren Abstand &sub0;.
β( &sub0;) ist der Winkel mit der Achse der Empfangsantenne 4 im Empfangszeitpunkt R, der auf den Sendezeitpunkt E folgt und eine Drehung der Kapsel 2 zwischen Sende- und Empfangszeitpunkt impliziert. Die von der Kapsel 2 zwischen den Sende- und Empfangszeitpunkten E und R durchfahrene Strecke ergibt sich aus dem Produkt aus der mittleren Längsgeschwindigkeit Vo der Kapsel 2 bezogen auf die Beobachtungszone 7 am Meeresgrund zwischen dem Sende- und dem Empfangszeitpunkt mit der Ausbreitungsdauer des akustischen Signals für den Abstand &sub0; in beiden Richtungen.
Es gelte (2 &sub0;/C) V&sub0;, wobei C die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit ist.
Der Verfahrensschritt 11 der Bildung der Kanäle i, die das Bildfeld überdecken, besteht darin, in Echtzeit die Empfangsachse auf die Sendeachse innerhalb der gleichen Rekurrenzperiode (n) nachzustellen und dann die Empfangskanäle i ausgehend von dieser als Symmetrieachse, d.h. als zentrale Bildachse genommenen Achse zu bilden.
Der Nachstellwinkel, der die Richtung der zentralen Achse ΘZA ergibt, wird aus der Summe von drei Größen gebildet, die wie die Verschiebung L(n) mit der Längsgeschwindigkeit VR, der Schlingergeschwindigkeit λR und der Rollgeschwindigkeit τR der Kapsel 2 zwischen dem Sende- und dem Empfangszeitpunkt verknüpft sind. Genauer betrachtet bestehen diese Größen aus einer ersten Größe, die die Längsgeschwindigkeit V&sub0; berücksichtigt, einer zweiten Größe, die die mittlere Schlingergeschwindigkeit λ&sub0; in einem Abstand &sub0; für die Höhe H berücksichtigt, und einer dritten Größe, die die mittlere Rollgeschwindigkeit τ&sub0; in einem Abstand &sub0; berück sichtigt. Diese drei Größen werden durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit C des akustischen Signals geteilt.
Die Richtung der zentralen Achse ergibt sich aus der folgenden Formel
ΘZA = -2/C(Vo + Sλ&sub0; o²-H² + τ&sub0;H)
Die betrachteten Parameter sind Mittelwerte über die Zeit [0,(2 &sub0;/C)], die dem Hin- und Rückweg des akustischen Signals entspricht.
Die nachgestellten Kanäle i werden ausgehend von dem Ausdruck für den Winkel ΘZA gebildet.
Ausgehend vom Winkel ΘZA, der Anzahl N von Kanälen i, die das Feld eines Bildes überdecken, und vom Abstand δ(n) zwischen Kanälen i für die Entfernung zwischen der Sendeantenne 3 und der Beobachtungszone 7 für eine gleiche Rekurrenzperiode wie Θi wird der Nachstellwinkel jedes Kanals i bestimmt.
Für N Kanäle i (N = 12), die das Feld eines Bilds überdecken, liegt die Bildsymmetrieachse am Übergang zwi schen dem δten und dem 7ten Kanal. Da für eine gegebene Rekurrenzperiode der Abstand den Wert δ(n) für eine Entfernung &sub0; besitzt, liegt die zentrale Achse bei i = 6,5.
Die Nachstellung eines Kanals i ergibt sich aus folgender Formel
θi = (i = 6,5)δ(n)/ &sub0;+ΘZA
i wird inkrementiert von 1 bis 12 in der Kursrichtung der Kapsel 2. Das Beispiel aus Figur 5 zeigt schematisch die Nachstellung eines Kanals i, wobei gewählt ist i = 10.
αi,k bedeutet die an die Sonde k zur Bildung des Kanals i anzulegende Phasenverschiebung und ergibt sich aus folgender Formel:
Hierbei gilt:
λ = Wellenlänge
ak = Abszisse der Sonde k
Θi = Nachstellwinkel des Kanals i im Abstand &sub0;
nk = im Prüfbecken gemessene Phasenkorrektur der Sonde k.
Die 600 (=50 12) komplexen Koeffizienten Yi,k, die für die Bildung der Kanäle i erforderlich sind, werden in den Entfernungen n aktualisiert und optimiert für die Entfernungen
&sub0; = n + n+1/2
Die Koeffizienten lassen sich folgendermaßen formulieren:
γi,k = pkukejα(i.k)
Hierbei ist pk der Amplitudengewichtungskoeffizient der Sonde k. Er ist Null für die im betrachteten Zeitintervall inaktiven Sonden k
[ n, n+1]
d.h. für die Sonden k der Empfangsantenne 4, die nicht für die Bildung der Empfangskanäle i verwendet werden. Die Werte uk, die in einem Prüfbecken an der Antenne 4 bestimmt werden, korrigieren die akustische Amplitudenstreuung der Sonden.
Wenn Sk die Signale der Sonden k sind und Si die Signale der Kanäle i, dann besteht die räumliche Bearbeitung durch einen Stabilisierungsrechner 8 in der folgenden Transformation:
Die translatorische Querbewegung der Kapsel 2 kommt in den Gleichungen für die Definition der Richtungen Θi nicht vor. Es handelt sich hier um eine ausreichende Annäherung, wenn diese translatorische Bewegung während der Rekurrenzperiode deutlich geringer als die Länge ( n-1- n) des Entfernungsintervalls ist, in dem die Richtungen der Kanäle konstant sind, d.h. etwa 2,5 m. Die Transversalkomponente der Geschwindigkeit muß also folgende Bedingung erfüllen:
Vt « 2,5/0,28 9 mis.
Die translatorische Querbewegung führt zu einer Versetzung zwischen den Zeilen der gebildeten Bilder während zweier aufeinanderfolgender Rekurrenzperioden.
Diese Versetzung beeinträchtigt nicht die Bildqualität, solange sie geringer als die Auflösung in Richtung der schrägen Entfernung ist, also
Vt ≤ C/2BTR = 0,13 m/s für B = 20 kHz
Hierbei ist Vt der Absolutwert der Projektion des Geschwindigkeitsvektors auf die zur Längsachse 6 der Kapsel 2 senkrechte Ebene und B das verwendete Durchlaßband.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Anzahl N = 12 von gebildeten Kanälen i, auf die Anzahl K 50 von Sonden k oder auf die geometrischen Abmessungen der in den besonderen Ausführungsbeispielen beschriebenen Antennen 3 und 4 beschränkt. Der Abstand δ(n) kann auch durch eine andere Gleichung bestimmt werden, die die plötzlichen Veränderungen der Verschiebung L(n) absorbiert.

Claims

1. Verfahren zur Stabilisierung und Kanalbildung eines Mehrkanalsonargeräts mit mindestens einem an einer Trägerkapsel (2) befestigten System (3, 4) zur Überwachung des Meeresbodens; das außerdem eine ein Volumen (5) über dem Meeresboden beschallende Sendeantenne (3), die im Nahfeld in der Fresnel-Zone verwendet wird, und eine Empfangsantenne (4) enthält, deren Öffnungswinkel variabel ist und die aneinander angrenzende Kanäle i bildet, dadurch gekennzeichnet, daß es für eine praktisch nahtlose Überdeckung des Meeresbodens durch eine Folge von Beobachtungszonen (7) beim Empfang eine vorgegebene konstante Anzahl N von Kanälen i mit einem variablen Abstand δ von einer Rekurrenzperiode zur anderen abhängig von Navigationsparametern der Kapsel (2) bildet und für jede Rekurrenzperiode folgende Schritte beinhaltet:

- in einem ersten Schritt (9) die Ermittlung der Verschiebung L(n) der Beobachtungszone (7) am Meeresboden für eine laufende Rekurrenzperiode (n) abhängig von der Verschiebung und der Lage der Kapsel (2) bezüglich der Beobachtungszone (7) zwischen der vorhergehenden Sendeachse (E(n-1)) und der laufenden Sendeachse (E(n)),

- in einem zweiten Schritt (10) die Bestimmung des Abstands δ(n) zwischen Kanälen i für die laufende Rekurrenzperiode (n) ausgehend von der vorgegebenen Anzahl N von Kanälen i, von der im ersten Schritt (9) ermittelten Verschiebung L(n) und vom Abstand δ(n-1) zwischen Kanälen i der vorhergehenden Rekurrenzperiode (n-1), und

- in einem dritten Schritt (11) eine Nachstellung der Richtung der Empfangsachse in Echtzeit auf die Richtung der Sendeachse der laufenden Rekurrenzperiode (n) und ausgehend von dieser Richtung die Bildung der aufeinanderfolgenden N nachgestellten Empfangskanäle i einer Breite δ(n), um das Bildfeld der laufenden Rekurrenzperiode (n) zu überdecken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Anzahl N von gebildeten Kanälen i zur Überdeckung des Bildfelds abhängig von der gewünschten Auflösung und von einem ungünstigsten Fall gewählt wird, der durch die ungünstigsten Navigationsbedingungen der Kapsel während einer Rekurrenzperiode definiert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, den Abstand δ(n) zwischen Kanälen i der laufenden Rekurrenzperiode (n) abhängig von der Anzahl N von Kanälen i und der Verschiebung L(n) durch die folgende Formel ausgedrückt wird:

δ(n) = 2K/N L(n) - Aδ(n-1)

wobei K und A Konstante sind, für die gilt K = (1+A)/2, um die stoßartigen Bewegungen zu absorbieren, so daß, wenn die Verschiebung L(n) in aufeinanderfolgenden Rekurrenzperioden konstant bleibt, der Abstand δ(n) seinen ursprünglichen Wert nach einer beschränkten Anzahl von Rekurrenzperioden wieder erreicht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, nacheinander zum Winkel ΘZA der zentralen Achse der Richtung der Sendeachse E(n) die Winkel Θi der Richtungen der nachgestellten Kanäle i von 1 bis N gemäß der Navigationsrichtung der Kapsel (2) hinzuzufügen, um die Kanäle i zu bilden, die das Bildfeld der laufenden Rekurrenzperiode (n) überdecken.

5. Sonargerät für die Durchführung des Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei Systeme (3, 4) zur Beobachtung des Meeresgrunds besitzt, die identisch und symmetrisch bezüglich der Längsachse der Trägerkapsel (2) angeordnet sind und je eine lineare Sendeantenne (3) und eine lineare Empfangsantenne (4) gleicher Länge besitzen, die auf einer gemeinsamen Mantellinie der Kapsel (2) sitzen, und daß das Sonargerät mit einem Stabilisierungsrechner (8) gekoppelt ist, der sich auf einem die Kapsel (2) hinter sich her schleppenden Schiff (1) befindet; wobei der Stabilisierungsrechner (8) beim Empfang die N Kanäle i bildet, die Verschiebung L(n) der Beobachtungszone (7) am Meeresgrund für eine laufende Rekurrenzperiode (n) abhängig von der Verschiebung der Lage der Kapsel (2) bezüglich der vorhergehenden Sendeachse E(n-1) und der laufenden Sendeachse E(n) ermittelt, sowie den Abstand δ(n) zwischen Kanälen i bestimmt und in Echtzeit die Richtung der Empfangsachse auf die Richtung der Sendeachse nachstellt und nacheinander die N nachgestellten Empfangskanäle i einer Breite δ(n) bildet.