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Die vorliegende Erfindung betrifft Empfangsverfahren, die
ermöglichen, die Mehrdeutigkeit zu beseitigen, die gewöhnlich
in den Erfassungssignalen enthalten ist, die aus den von einer
geschleppten linearen akustischen Antenne empfangenen Signalen
erstellt werden. Sie findet genauer auf die Ortung mit einem
aktiven Sonar mit sehr niedriger Frequenz Anwendung.
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Es sind geschleppte lineare akustische Antennen bekannt, die
aus einer Gruppe Hydrophone gebildet sind, die in einem
flexiblen Rohr großer Länge angeordnet sind, dessen Auftrieb
eingestellt wird, um in dem Medium, im allgemeinen das Meer, in das
es eingetaucht ist, im wesentlichen zu schweben. Diese
akustischen Antennen werden hinter einem Zugboot geschleppt, wobei
höchste Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, damit sie so
geradlinig wie möglich bleiben. Die von den Hydrophonen
empfangenen Signale enthalten sowohl das akustische Rauschen, das
von einer Rauschquelle wie etwa den Schrauben eines Bootes
stammt, als auch die Echos, die von der Reflexion eines
akustischen Signals stammen, das von einem am Rumpf des Bootes
befestigten oder mit der Antenne geschleppten akustischen
Sender ausgesendet wird. Im ersten Fall arbeitet die Antenne im
passiven Modus, während sie im zweiten Fall im aktiven Modus
arbeitet. Die Abmessungen, mehrere hundert Meter, ja sogar
mehrere Kilometer, die diese Antennen besitzen können,
ermöglichen einen Betrieb bei sehr niedriger Frequenz,
insbesondere im aktiven Modus, was eine Erfassung über eine große
Entfernung ermöglicht.
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Die von den Hydrophonen empfangenen Signale werden durch diese
in elektrische Signale umgeformt, die anschließend in
geeigneten elektronischen Schaltungen verarbeitet werden. Es ist
bekannt, mit dieser Verarbeitung Empfangswege zu bilden, die
Richtungen entsprechen, die zur Achse der Antenne mehr oder
weniger geneigt sind. Da die verwendeten Hydrophone ihrerseits
im allgemeinen, insbesondere bei niedriger Frequenz, keine
besondere Richtwirkung besitzen, weisen diese Wege eine
Rotationssymmetrie um die Achse der Antenne auf und bilden somit
rotationssymmetrische Kegel, die auf diese Achse zentriert
sind. Da die Schallquelle von einem beliebigen in dem Kegel
befindlichen Punkt stammen kann, ist innerhalb eines Weges eine
große Mehrdeutigkeit vorhanden. In der Praxis und aufgrund
einer bestimmten Anzahl von Asymmetrien, insbesondere der
Oberfläche des Meers, auf der sich die meisten Boote befinden,
ist diese Mehrdeutigkeit im wesentlichen auf eine Links/Rechts-
Mehrdeutigkeit eingeschränkt, die entfernt werden muß.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Mittel für die Lösung
dieses Problems bekannt:
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Es ist beispielsweise im Fall eines aktiven Sonars bekannt,
eine gerichtete Emission zu verwenden, die ermöglicht,
vorzugsweise jeden der beiden Halbräume, die sich rechts und links
von der Antennenachse befinden, schalltot zu machen. Wie
insbesondere in der französischen Patentanmeldung Nr. 91 03853,
eingereicht von der Anmelderin am 29. März 1991 und erteilt am
14. Mai 1993 unter der Nr. 2 674 717, beschrieben ist, werden
dann orthogonale Codes verwendet, die sich meist mit
unterschiedlichen Frequenzen vereinigen. Unter diesen Bedingungen
sind die Signale, die nach der Verarbeitung für die Bildung
eines Weges erhalten werden, unterschiedlich, je nachdem, ob
sich das Objekt am Ausgangspunkt des Echos rechts oder links
befindet. Indessen ist es schwierig, eine doppelte gerichtete
Emission in den beiden Halbräumen zu verwirklichen. Hierzu
müssen vor allem bei sehr niedriger Frequenz Sendeantennen mit
großen Abmessungen verwendet werden, die zahlreiche Meßwandler
enthalten, deren Kompliziertheit im Gegensatz zur Einfachheit
der im allgemeinen verwendeten Rundstrahl-Sendeantenne steht.
Um die beiden Emissionen zu trennen, müssen diese außerdem
nicht verbundenen Frequenzbändern entsprechen, was, da das
verfügbare gesamte Frequenzband nicht sehr groß ist und bereits
in den gewöhnlichen Systemen vollständig verwendet wird, dazu
führt, von jeder Seite in die Hälfte des möglichen Bandes zu
senden, wodurch der Verarbeitungsgewinn entsprechend reduziert
wird.
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Eine weitere Technik besteht darin, eine Antenne oder ein
Antennensystem zu verwirklichen, das eine intrinsische
Rechts/Links-Richtwirkung aufweist. Dies führt dazu, daß
Hydrophon-Zuordnungen verwendet werden, die in den
verschiedenen geschleppten linearen Antennen gemäß der sogenannten
Rechentechnik parallel verteilt sein können oder innerhalb
derselben linearen Antenne mit größeren transversalen
Abmessungen kombiniert sein können, beispielsweise gemäß der
Technik, die in der französischen Patentanmeldung Nr. 89 11749,
eingereicht von der Anmelderin am 8. September 1989 und erteilt
am 17. April 1992 unter der Nr. 2 651 950, beschrieben ist. Im
Fall der mehrfachen linearen Antennen ist es schwierig, die
relativen Positionen zwischen ihnen aufrechtzuerhalten oder zu
kennen. Dies führt dann dazu, komplizierte mechanische Systeme
zu verwenden, um sie gut parallel zu halten, oder komplizierte
Telemetrie-Systeme in Echtzeit zu verwenden, um die relativen
Positionen zu bestimmen und entsprechende Korrekturen auf ihre
Änderungen anzuwenden. Sensoren mit intrinsischer Richtwirkung
sind schwer herzustellen, weisen außerdem geringere
Empfindlichkeitseigenschaften auf und besitzen einen höheren
Platzbedarf als ein herkömmliches Hydrophon, wobei sie dennoch
viel teurer sind. Solche Hydrophone sind insbesondere in der
französischen Patentanmeldung Nr. 88 16803, eingereicht am 20.
Dezember 1988 von der Anmelderin und erteilt am 26. Juli 1991
unter der Nr. 2 640 842, sowie in der Patentanmeldung
Nr. 91 16162, eingereicht von der Anmelderin am 26. Dezember
1991 und erteilt am 25. Februar 1994 unter der Nr. 2 185 848,
beschrieben.
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Außerdem ist aus der deutschen Patentanmeldung 3 910 906 ein
System bekannt, in dem die natürliche Krümmung einer linearen
Antenne kompensiert wird, wodurch es in einer bestimmten
Messung möglich ist, die Mehrdeutigkeit zu entfernen. Diese
natürliche Krümmung ist indessen nicht stark genug, um
zufriedenstellende Ergebnisse zu erhalten.
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Um diese Nachteile zu beseitigen, schlägt die Erfindung ein
Verfahren gemäß den beigefügten Ansprüchen vor.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich
durch die folgende Beschreibung, die anhand eines
nichtbeschränkenden Beispiels und der beigefügten Figuren gegeben
wird, worin:
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- Fig. 1 die Form einer Bahn zeigt, die einer Antenne gemäß
der Erfindung verliehen wird;
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- Fig. 2 den Abstand zwischen der wirklichen Form der Antenne
und der Bahn ihres Kopfes zeigt;
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- die Fig. 3 und 4 zwei schematische Darstellungen einer von
einem Boot gezogenen linearen Antenne zeigen;
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- Fig. 5 eine Seitenansicht eines "Fisches" ist, der dazu
dient, eine Antenne gemäß der Erfindung zu schleppen;
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- Fig. 6 den Blockschaltplan eines Systems zur
Wiederherstellung der Geometrie der Antenne zeigt;
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- Fig. 7 das Diagramm eines Empfangsweges zeigt, das die
Hauptkeule und die Nebenkeule zeigt;
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- Fig. 8 einen Blockschaltplan zur Bildung der Wege und der
Erfassung der Echos in diesen Wegen zeigt; und
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- Fig. 9 einen Blockschaltplan einer Ausführungsvariante der
Erfindung zeigt.
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Es ist bekannt, daß für die Bildung eines Empfangsweges in
einer Antenne die verschiedenen Signale, die von den Sensoren
dieser Antenne empfangen werden, mit Verzögerungen versehen
werden, bevor die Aufsummierung dieser Signale erfolgt. Diese
Verzögerungen hängen vom relativen Ort der Sensoren und von der
Richtung des zu erhaltenden Weges ab. Sie bestimmen daher im
allgemeinen nur eine einzige Richtung.
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Im Fall einer linearen Antenne, insbesondere einer akustischen
Antenne, führt die durch die Ausrichtung der Sensoren auf die
Achse der Antenne geschaffene Symmetrie dazu, daß ein
Empfangsweg in Form eines Kegels erhalten wird.
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Wenn die Symmetrie gebrochen wird, beispielsweise infolge einer
zufälligen Krümmung der Antenne, nimmt der Verarbeitungsgewinn
in dem Kegel in den meisten Richtungen schnell ab, so daß nur
eine einzige bevorzugte Richtung übrigbleibt, die einen
eindeutigen Empfangsweg bildet, während die Nebenkeulen, die
mehr oder weniger gedämpft sind, angenähert im anfänglichen
Kegel verteilt sind. Da nicht bekannt ist, wohin dieser Weg
gerichtet ist, und da er insbesondere ohne weiteres zur
Oberfläche oder zum Boden gerichtet sein kann, was im
allgemeinen nutzlos ist, wird mit allen Mitteln versucht, die
Geradlinigkeit der Antenne so vollkommen wie möglich
aufrechtzuerhalten.
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Die Erfindung tut das genaue Gegenteil dieser Gewohnheiten,
indem sie vorschlägt, der linearen Antenne eine gekrümmte und
bekannte Form beispielsweise in der horizontalen Ebene zu
verleihen, derart, daß die Verarbeitung der Signale von den
Hydrophonen ermöglicht, verschiedene Wege rechts und links zu
bilden, und keine Rechts/Links-Mehrdeutigkeit mehr aufweist.
Hierzu bildet eine erste Verarbeitung einen linken Weg, während
eine zweite Verarbeitung einen rechten Weg bildet. Jede dieser
Verarbeitungen hat nämlich sowohl die Bildung einer Hauptkeule
auf einer dem gebildeten Weg entsprechenden Seite als auch
einer Nebenkeule auf der der anfänglichen Mehrdeutigkeit
entsprechenden anderen Seite zur Folge, der Pegel der
Nebenkeule ist jedoch ausreichend gering, um die Mehrdeutigkeit
im Vergleich zu dem Empfangspegel der beiden Seiten entfernen
zu können.
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Die Erfindung schlägt außerdem vor, dem Kopf der Antenne eine
Pendelbewegung mit geringer Amplitude in der horizontalen Ebene
zu verleihen, derart, daß die Form der Antenne zu jedem
Zeitpunkt anhand der Bewegung dieses Kopfes bekannt ist, so daß
die Verarbeitung der Signale von den Hydrophonen ständig
angepaßt werden kann, um die gewünschten Wege zu bilden.
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Die herkömmlichen linearen Antennen, deren Durchmesser
gegenüber ihrer Länge gering ist und die korrekt im Gleichgewicht
sind, d. h. deren Dichte an jedem Punkt sehr nahe bei
demjenigen von Wasser liegt, weisen nämlich die Besonderheit auf, daß
bei einem geringen Ausschlag der Antenne, der einem geringen
Einfallswinkel an allen Punkten der Antenne entspricht (der
Geschwindigkeitsvektor jedes Punkts der Antenne bleibt zur
mittleren longitudinalen Achse der Antenne an diesem Punkt im
wesentlichen parallel), die Bahn der Antenne derart ist, daß
jeder aufeinanderfolgende Punkt auf ihrer Länge und nach
Maßgabe der Vorwärtsbewegung sehr genau der Bahn des Kopfes
folgt. Somit verhält sich die Antenne nahezu wie ein
Eisenbahnzug, der nicht geradlinigen Schienen folgt, oder wie ein
Regenwurm, der sich in dem Loch, das er zunehmend aushöhlt,
vorwärtsbewegt.
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Um somit eine gegebene Antennenform zu erhalten, ist es dann
ausreichend, daß der Kopf der gewünschten Bahn folgt, wobei
sich die Form der Antenne zu jedem Zeitpunkt anschließend sehr
genau an diese Bahn anschmiegt.
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Selbstverständlich sind alle Arten von Bahnen vorstellbar, die
diesen Bedingungen genügen, wesentlich ist jedoch, daß die
Antennenform nicht geradlinig ist, wobei die einfachsten zu
erhaltenden Bahnen ebensogut wie die anderen sind und daher
zunächst die besten sind, weil sie zugleich die Verwendung
einfacher Mittel, um sie zu erhalten, und einfacher Mittel für
die Ausführung der Berechnungen für die Bildung der Wege
ermöglichen.
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Unter den verschiedenen einfachen Formen schlägt die Erfindung
vor, insbesondere eine sinusförmige Bahn wie etwa jene nach
Fig. 1 zu wählen, die bei unterschiedlichen Maßstäben für die
Strecke, die auf der Abszisse aufgetragen ist, und die
Verformung, die auf der Ordinate aufgetragen ist, eine im
wesentlichen sinusförmige Bahn 101 zeigt. Die Antenne, die dieser Bahn
folgt, ist zu zwei verschiedenen Zeitpunkten gezeigt, die zwei
unterschiedlichen Formen 102 und 103 entsprechen.
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Für eine lineare Antenne mit einer Länge von 100 m, die mit
einer Geschwindigkeit von 10 Knoten/Stunde, also 5 m pro
Sekunde, mit Hilfe eines hydrodynamischen Körpers geschleppt
wird, der sich am Kopf dieser Antenne befindet und dessen
Bewegung durch Steuerflächen gesteuert wird, um eine Bahn zu
erhalten, deren horizontale Ebene eine Sinusform mit einer
Periode von ebenfalls 100 m und einer Amplitude von 2 m
aufweist, beträgt beispielsweise die zeitliche Periode der
Bewegung 20 Sekunden, während der maximale Winkel zwischen der
Achse der Antenne und ihrer mittleren geradlinigen Bahn in der
Größenordung von 4º liegt. Es wird somit festgestellt, daß der
Welleneinfallswinkel durchweg sehr gering bleibt und daß somit
die Bahn des hydrodynamischen Körpers, der sich am Kopf der
Antenne befindet, und die Form der Antenne sehr eng beieinander
bleiben.
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Es sind außerdem äußerst genaue hydrodynamische Modelle eines
sehr langgestreckten Körpers wie etwa einer solchen Antenne
bekannt, die ermöglichen, die Form dieses Körpers in
Abhängigkeit von der Bahn, der der Kopf unter den Bedingungen einer
schwachen Krümmung wie oben definiert folgt, mit einer
Präzision von einigen Zentimetern zu berechnen. Das Ergebnis der
Modellierungsberechnungen, das auf die Antenne angewendet wird,
die den obigen numerischen Werten entspricht, ist in Fig. 2
durch die Kurve 202 gezeigt, die somit die wirkliche Form der
Antenne in bezug auf die Bahn ihres Kopfes, die durch die Kurve
201 angegeben ist, darstellt. Es wird festgestellt, daß der
Abstand, der übrigens vollkommen vorhersagbar und stabil ist,
zwischen diesen beiden Kurven äußerst klein ist.
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Für die Ausführung der Erfindung ist das einfachste System in
Fig. 3 gezeigt. In dieser Figur schleppt ein auf der Oberfläche
fahrendes Boot 301 in einer verhältnismäßig geringen und
konstanten Eintauchtiefe eine lineare akustische Antenne 302,
die vom Boot mit Hilfe eines Schleppkabels 303 gezogen wird.
Dieses Schleppkabel ist am Boot mit Hilfe einer Vorrichtung 304
eingehakt, die ermöglicht, den Einhakpunkt am Boot beiderseits
seiner Achse entsprechend einer periodischen und symmetrischen
Bewegung zu ändern. Diese Vorrichtung kann beispielsweise aus
einem an einer vertikalen Achse befestigten Arm aufgebaut sein,
an dessen Ende das Kabel 303 eingehakt ist. Dieser Arm wird
durch Mittel wie etwa beispielsweise einen Nocken angetrieben,
der ermöglicht, daß das Ende des Arms, an dem das Kabel
eingehakt ist, die fragliche Wechselbewegung beschreibt. Das
Profil des Nockens wird dann so eingestellt, daß der Kopf des
Arms eine Bewegung beschreibt, die wegen der Vorwärtsbewegung
des Bootes der gewünschten Verformung des Kabels entspricht,
beispielsweise einer Sinuswelle. Das Kabel folgt dann dieser
Bewegung und überträgt sie an den Kopf der geschleppten Antenne
302, deren Körper seinerseits ebenfalls der Bewegung folgt.
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Diese Vorrichtung ist einfach, sie besitzt jedoch den Nachteil,
daß die Beziehung zwischen der Bewegung des Endes des Arms und
jener des Kopfes der Antenne weniger streng als in dem Fall, in
dem die Bewegung des Kopfes dieser Antenne in der weiter unten
beschriebenen Weise direkt angeregt wird. Außerdem wird die
Bewegung des Kopfes des Arms durch die Bewegungen des Bootes,
die insbesondere durch die Wellen bedingt sind, gestört. Diese
Bewegungen können selbstverständlich durch geeignete
mechanische Korrekturmittel kompensiert werden, dies läuft
jedoch der Einfachheit des Systems zuwider. Wenn hingegen diese
Bewegungen kompensiert werden oder aber wenn das Meer
ausreichend ruhig ist, ist die Beziehung zwischen der Bewegung
des Kopfes des Arms und jener des Kopfes der Antenne
ausreichend konstant, damit notfalls durch eine vorhergehende
Eichung die Bewegung der Antenne als stabil und wohlbekannt
angesehen werden kann.
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Es wird insbesondere angemerkt, daß diese Ausführungsform
speziell an den Fall einer akustischen linearen Antenne
ange
paßt ist, die passiv arbeitet und dann nicht den Einsatz eines
untergetauchten akustischen Senders wie in der bevorzugten
Ausführungsform, die nun beschrieben wird, erfordert, weil es
dann nicht mehr notwendig ist, einen Körper zu verwenden, der
dazu vorgesehen ist, die Sendeantenne aufzunehmen.
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Diese bevorzugte Ausführungsform ist schematisch in Fig. 4
gezeigt: Ein Boot 401 schleppt eine akustische lineare Antenne
402 mittels eines Schleppkabels 403, wobei die Verbindung
zwischen der Antenne und dem Kabel mit Hilfe eines geschleppten
Körpers 404 erfolgt, der hier schematisch in Form einer Kugel
gezeigt ist. In bekannter Weise weist dieser geschleppte Körper
sowohl eine große Masse als auch einen großen hydrodynamischen
Widerstand auf, was ermöglicht, die Bewegung der Antenne
ungeachtet der vom Schleppen stammenden Stöße zu stabilisieren.
Außerdem und in ebenfalls bekannter Weise wird die Profilgebung
dieses Körpers untersucht, damit er einen Abtrieb aufweist, der
ermöglicht, die Antenne auf einer stabilen und bestimmten Tiefe
unter der Wasseroberfläche zu halten. Wegen der Abmessungen und
der Masse dieses Körpers, der auch "Fisch" genannt wird, werden
im allgemeinen in seinem Inneren akustische Sendemittel
angeordnet, die notwendig sind, wenn die lineare Antenne in
einer aktiven Betriebsart verwendet werden soll.
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Die Erfindung schlägt ebenfalls dann vor, diesen Fisch zu
verwenden, um den Kopf der Antenne mit der notwendigen Bewegung
zu beaufschlagen, die dazu bestimmt ist, die Verformung zu
erhalten, die ermöglicht, die Mehrdeutigkeit zu beseitigen.
Eines der Mittel für die Erhaltung dieser Wirkung besteht
darin, den Fisch mit hydrodynamischen Steuerflächen zu
versehen, die so betätigt werden, daß der Fisch eine Wellenbewegung
in der horizontalen Ebene durchläuft, die an die Antenne
übertragen wird.
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In Fig. 5 ist eine Seitenansicht einer besonderen
Ausführungsform eines solchen Fisches gezeigt. Dieser umfaßt einen
Profilkörper 501, der die Form einer vertikal orientierten,
symmetrischen Flugzeugtragfläche hat und als Tragstruktur für
die anderen Elemente des Fisches dient und in seinem Innenraum
eine Rundstrahl-Sendeantenne für sehr niedrige Frequenz
aufweist, die die Form eines Zylinders 502 mit elliptischem
Querschnitt besitzt, um den freien Raum im Körper 501 optimal
zu füllen.
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Einhakmittel 503 ermöglichen die Befestigung des Schleppkabels
403 am Körper des Fisches in angelenkter Weise mit zwei
Schwenkachsen. Eine dieser Achsen ermöglicht dem
Verankerungspunkt des Kabels, sich zur Oberfläche zu neigen, indem sich der
Fisch frei horizontal bewegen kann, während die andere Achse
dem Fisch ermöglicht, sich unter der Wirkung später
beschriebener Steuerflächen um die Vertikale in der Weise zu
orientieren, daß die für die Erfindung notwendige
Wellenbewegung eingeleitet wird.
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Einhakmittel 504, die sich am hinteren Ende des Körpers 501
befinden, ermöglichen die Befestigung der Antenne 402 am
Körper, um sie zu schleppen. Diese Einhakmittel ermöglichen den
Durchgang von elektrischen Verbindungen von der Antenne, die
durch den Körper laufen und mit dem Schleppkabel 403 über
Befestigungsmittel 503 verbunden werden.
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Das obere Ende des Körpers 501 ist mit einem
Stabilisierungszweiflach 505 in Form eines umgedrehten Flügels bedeckt. Es
ermöglicht gleichzeitig das Halten des Körpers in seiner
vertikalen Position und die Ausübung einer Form von Abtrieb,
die bestrebt ist, den gesamten Fisch zum Gewässerboden zu
treiben. Diese Niederdrückwirkung ermöglicht, die Antenne 402
auf dem gewünschten Eintauchgrad zu halten.
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Erfindungsgemäß enthält der Fisch außerdem eine vertikale
Steuerfläche, die aus einem Ruderblatt 506 gebildet ist, das
durch eine Hinterkantenklappe 507 vervollständigt ist. Diese
Steuerfläche wird durch einen im Körper 501 befindlichen Motor,
der Steuersignalen gehorcht, die vom Zugboot über das
Schleppkabel 403 laufen, betätigt. Unter der Wirkung dieser
Signale dreht der Motor das Ruderblatt 506 entweder direkt oder
indirekt über die Klappe 507, derart, daß der Fisch von der vom
Boot verfolgten Bahn entweder nach links oder nach rechts
abweicht. Die eingegebenen Signale ermöglichen somit, eine
wellige, vorzugsweise sinusförmige Bewegung des Fisches in der
horizontalen Ebene zu erhalten. Wie weiter oben gesehen worden
ist, wird diese Bewegung dem Kopf der Antenne übermittelt,
wobei der restliche Körper der Antenne der Bewegung folgt, um
die gewünschte Wirkung der Erfindung zu erhalten.
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Diese eben beschriebene Ausführungsform bildet lediglich ein
besonderes Beispiel, wobei andere ebenfalls denkbar sind.
Insbesondere wäre ein Körper denkbar, dessen hydrodynamische
Form eine Instabilität in horizontaler Richtung zur Folge hat,
die zu einer Oszillation führt, die in natürlicher Weise eine
sinusförmige Bewegung ergibt.
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Es ist nämlich für die Bildung der Wege mit einer ausreichenden
Genauigkeit notwendig, die Form der Antenne mit einer
Genauigkeit in der Größenordnung von 1/10 der Länge der
akustischen Welle wiederherzustellen. Dies erfordert die Messung
der Verschiebung des Kopfes der Antenne und somit jener des
Fisches in direkter Weise, wobei es unwichtig ist, ob der Fisch
den Steuerungen der Steuerflächen mit großer Genauigkeit folgt
oder eine intrinsische Wellenbewegung zeigt.
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In Fig. 6 ist beispielhaft der Blockschaltplan eines Systems
zum Steuern und Messen der Bahn der Antenne gezeigt.
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Die Parameter der Bahn, d. h. im wesentlichen die Amplitude und
die Frequenz im Fall einer sinusförmigen Bewegung, werden in
einen Steuerblock 601 für die Steuerfläche eingegeben, der
Signale ausgibt, die ermöglichen, die Steuerflächen 506/507
unter Winkeln zu orientieren, die den zu erhaltenden Bewegungen
unter Berücksichtigung der bekannten Parameter des Fisches
entsprechen. Wie weiter oben erläutert worden ist, erfolgt
diese Steuerung in einer offenen Schleife, weil es illusorisch
wäre, eine Regelung im strengen Sinn ausführen zu wollen.
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Der Fisch umfaßt außerdem eine Gruppe Sensoren, die in Fig. 6
im Block 602 zusammengefaßt sind und deren Angaben ermöglichen,
die Bahn des Fisches wiederherzustellen. Diese Sensoren können
unterschiedlicher Natur sein, wobei die einfachste
Verwirklichung wegen der zu erhaltenden Genauigkeit
beispielsweise aus einer dreiachsigen Kombination von
Beschleunigungsmessern, die vorzugsweise eine sehr niedrige Eigenfrequenz
besitzen, besteht, um diese Bahn durch doppelte Integration in
einer Weise, die jener ähnlich ist, die in Trägheitsplattformen
verwendet wird, wiederherzustellen. Wegen der Größenordnungen
der betreffenden Größen, die weiter oben erwähnt worden sind,
liegt die Genauigkeit, die für diese Beschleunigungsmesser
erforderlich ist, um die für die Bahn notwendige Genauigkeit zu
erhalten, in der Größenordnung von Milli-g, was mit
gewöhnlichen Beschleunigungsmessern ohne weiteres erzielbar
ist. Die Angaben dieser Beschleunigungsmesser könnten durch
Stellungssensoren vervollständigt werden, die ermöglichen, eine
Korrektur zweiter Ordnung der Berechnungen auszuführen, die die
Wiederherstellung der Bahn anhand der von den
Beschleunigungsmessern stammenden Signale ermöglichen. Diese Signale werden in
einen Rechenblock 603 eingegeben, der die Wiederherstellung der
Bahn des Fisches anhand der Übertragungsfunktionen ermöglicht,
die durch vorherige Eichung zwischen den Bewegungen der
Plattform und den von den Sensoren gelieferten Signalen erstellt
werden. Diese Bahn wird unter Verwendung einer vorzugsweise
digitalen Filterung über eine Dauer, die zur Durchlaufzeit der
linearen Antenne äquivalent ist, berechnet. Diese Durchlaufzeit
ist durch L/v gegeben, wobei L die Länge der Flöte ist und v
die Geschwindigkeit des Zugbootes ist. Die erhaltene
Genauigkeit für die Bahn ergibt eine relative Genauigkeit für die
Positionen während dieser Dauer, jedoch keine langfristige
Genauigkeit, was normal ist, wenn als Sensor
Beschleunigungsmesser verwendet werden. In jedem Fall ist die langfristige
Genauigkeit im wesentlichen durch die Tatsache gegeben, daß bei
geschlepptem Fisch seine mittlere Bahn im wesentlichen
diejenige des Zugbootes ist, weil er, da er mit diesem durch
ein Kabel verbunden ist, keine Drift besitzen kann, die ihn
dauerhaft vom Boot entfernt.
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Anhand der im Block 603 bestimmten Bahn des Fisches wird die
Form der Antenne zu jedem Zeitpunkt im Block 604
wiederhergestellt. Hierzu werden Rechenverfahren verwendet, die die Bahn
des Kopfes der Antenne mit der Bahn jedes ihrer Teile,
insbesondere der die Hydrophone enthaltenden Teile, verbinden. Diese
Rechenverfahren, die weiter oben erwähnt worden sind, sind im
Stand der Technik wohlbekannt und ermöglichen, eine bessere
Genauigkeit als einige Zentimeter über die gesamte Länge der
Antenne zu erhalten, wobei die Hauptstörungen durch die
gemessene Bahn des Fisches berücksichtigt werden. Es wird die
dreidimensionale Form wiederhergestellt, obwohl die Erfindung
nur eine Krümmung in der horizontalen Ebene benötigt, weil es
insbesondere wegen der vom Zugboot stammenden Stöße
unvermeidlich ist, daß der Fisch eine geringfügige parasitäre
Bewegung in vertikaler Richtung zeigt, die an die Antenne
übermittelt wird. Diese parasitäre Bewegung wird an die Form
der Antenne und daher an die Genauigkeit der Erfassungswege
zurückgegeben. Da bekannt ist, sie zu berücksichtigen, um diese
Wege in der Weise zu formen, daß die gewünschten Richtungen
erhalten werden, und da diese Berücksichtigung der vertikalen
Bewegung im wesentlichen keine Hardware, sondern lediglich
etwas Rechenzeit erfordert, ist es effektiv vorzuziehen, sie zu
berücksichtigen.
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Außerdem können im Block 604 Signale verwendet werden, die von
den Stellungssensoren der Antenne stammen, wenn diese damit
ausgerüstet ist. Im allgemeinen ermöglichen diese Sensoren, den
Kurs und die Eintauchtiefe der Antenne zu bestimmen, wobei ihre
Verwendung ermöglicht, die Parameter des Modells zu
kalibrieren, was die Wiederherstellung der Form der Antenne
anhand der Bahn des Fisches und eventuell die Korrektur dieser
Parameter in Echtzeit ermöglicht. Somit wird am Ausgang dieses
Blocks 604 mit der erforderlichen Rekursion bei der numerischen
Bildung der Empfangswege der Antenne eine Tabelle erhalten, die
die relativen räumlichen Positionen der verschiedenen
Hydrophone dieser Antenne bestimmt.
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Gegebenenfalls können im Block 603 außerdem die Werte der
Winkel der Steuerflächen, die vom Block 601 geliefert werden,
verwendet werden, um die Wiederherstellung der Bahn des Fisches
zu verfeinern. Außerdem können die im Block 604 erhaltenen
Ergebnisse der Wiederherstellung der Antennenform durch
Rückkopplung zum Steuerflächen-Steuerblock 601 zurückgeschickt
werden, um die Bahnparameter zu korrigieren, um eventuelle
langsame zeitliche Änderungen der globalen Übertragungsfunktion
des Systems zu korrigieren, die beispielsweise zu einer Drift
nach links oder nach rechts der Gesamtheit aus Fisch und
Antenne führen würden, die einem von null verschiedenen
mittleren Ruderausschlag der Steuerflächen des Fisches entsprechen.
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Wenn, wie weiter oben dargelegt worden ist, die lineare Antenne
eine ausreichend gekrümmte Geometrie besitzt, weist die
Richtwirkungsfunktion der Wege, die unter exakter
Berücksichtigung dieser Geometrie gebildet werden können, keine
Rotationssymmetrie um die Achse der Antenne mehr auf, weshalb diese
Richtwirkungsfunktion eine Hauptkeule, deren Maximum in der
Richtung, in der der Weg gebildet wird, eindeutig ist, sowie
Nebenkeulen in unterschiedlicher Anzahl und in
unterschiedlichen Richtungen, deren Pegel niedriger als jener der Hauptkeule
sind, aufweist. Wenn ein Echo empfangen wird, das von einer
akustisch reflektierenden Quelle stammt, wird dieses an den
verschiedenen Keulen empfangen, wobei die Erfahrung zeigt, daß
bei einem Abstand von einigen dB zwischen dem Pegel dieses
Echos in der Hauptkeule und den Pegeln desselben Echos in den
Nebenkeulen der anderen Wege mit einer ausreichend geringen
Fehlerwahrscheinlichkeit bestimmt werden kann, daß sich dieses
Echo in der Hauptkeule des fraglichen Weges befindet. Diese
Unterscheidungsprüfungen sind in der Technik der Sonare bekannt
und stützen sich auf eine implizite Hypothese, gemäß der das
Echo in den Sektoren, in denen die Gefahr besteht, daß für
einen gegebenen Abstand eine Mehrdeutigkeit vorliegt, mehr oder
weniger eindeutig ist.
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In Fig. 7 ist beispielsweise der Ausschnitt für einen Ort null
der Richtwirkungsfunktion einer verformten Antenne gezeigt, die
eine Pseudosinusform mit einer Wellenlänge von 75 m und einer
Amplitude von 0,75 m aufweist. Die Antenne selbst mißt 75 m,
wobei die Abtastung der Signale der Hydrophone einer
akustischen Wellenlänge von 1,50 m entspricht. Für dieses
Diagramm ist festzustellen, daß der Abstand der Pegel zwischen
der Hauptkeule 701 und der Nebenkeule 702 mit dem höchsten
Pegel größer als 9 dE ist und somit die Unterscheidung zwischen
den beiden Richtungen, die diesen Keulen entsprechen, bei einer
einzigen Rekursion ermöglicht.
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In Fig. 8 ist ein Blockschaltplan der Verarbeitung der Signale
gezeigt, die von den Hydrophonen einer verformten Antenne gemäß
der Erfindung stammen.
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Die Daten bezüglich der Form der Antenne, die beispielsweise
vom Block 604 von Fig. 6 stammen, werden in einen Block 701
eingegeben. Diese Daten entsprechen nämlich den relativen
Positionen der Hydrophone im Raum zum Zeitpunkt t der Abtastung
der von den Hydrophonen stammenden Signale. Der Block
ermöglicht somit die Berechnung der Zeit- oder
Phasenverzögerungen, die auf die Signale der Hydrophone anzuwenden sind, um
die Wege in den gewünschten Richtungen zu bilden, anhand dieser
Positionen. Diese Berechnung erfolgt wiederholt entsprechend
der Folge der Abtastwerte, die von den Hydrophonen stammen, und
unter Berücksichtigung der Position der Hydrophone zu jedem
dieser Zeitpunkte. Die Berechnung ermöglicht außerdem, die
Gewichtungskoeffizienten für die Amplitude der Signale der
Hydrophone zu erhalten, die gemäß einer bekannten Technik
ermöglichen, den Pegel der Nebenkeulen zu verringern.
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Die Signale, die von den Hydrophonen stammen, werden
anschließend in einem Wegebildungsblock 702 verzögert und eventuell
gewichtet, um somit eine Gesamtheit von n Empfangswegen zu
erhalten.
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Die Signale, die diesen n Wegen entsprechen, werden
anschließend entsprechend einem an den Sendecode angepaßten Code im
Block 703 gemäß einer bekannten Technik verarbeitet. Am Ausgang
dieses Blocks ist für jeden Weg das Energieniveau vorhanden,
das in jedem Abstandssektor nach einer eventuellen Integration
empfangen wird.
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Schließlich wird im Block 704 eine ebenfalls herkömmliche
letzte Verarbeitung ausgeführt, die nach einer Normierung und
Erfassung ermöglicht, für jeden Abstandssektor die n stärksten
Erfassungen beizubehalten und anschließend eine Prüfung
auszuführen, die ermöglicht, in Abhängigkeit vom Echopegel und vom
Rauschabstand, der für jeden Weg geschätzt wird, festzustellen,
welches der wahrscheinlichste Weg ist, in dem sich die
Echoquelle befindet.
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Anschließend können an diesen elementaren Erfassungen und ihren
zugeordneten Meßwerten Berechnungen für feine Meßwerte
bezüglich der Seitenpeilung und des Abstandes durch jedes
bekannte Verfahren, beispielsweise durch Interpolation,
ausgeführt werden.
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In einer Abwandlung der Erfindung wird die Amplitude der
Verformung begrenzt, indem auf die Steuerungen der
Steuerflächen eventuell mit Hilfe einer Regelung eingewirkt wird,
derart, daß:
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- sie ausreichend gering ist, um einen vernachlässigbaren
Erfassungsverlust zu bewirken, falls dieser bei der Bildung der
Wege nicht kompensiert wird;
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- sie dennoch ausreicht, um die Rechts/Links-Mehrdeutigkeit
in den Echos entfernen zu können, wenn sie bei der Bildung der
Wege berücksichtigt wird.
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Der rechte und der linke Weg, die bei der Kompensation der
Verformung erhalten werden, weisen nämlich am Ausgang ein stark
korreliertes Rauschen auf, so daß ein geringer
Zurückweisungswert ausreicht, um die Mehrdeutigkeit mit einer
ausreichenden Wahrscheinlichkeit zu entfernen. Die Amplitude der
entsprechenden Verformung ist dann gering (typischerweise λ/10
bis λ/20), ferner sind die Signalverluste der Wege, die unter
Vernachlässigung der Verformung gebildet werden, dann kleiner
als 1 dB.
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Dann wird eine Verarbeitung in zwei Schritten ausgeführt, die
ermöglicht, die Mehrdeutigkeit ohne Kenntnis aller Parameter
(insbesondere der Amplitude) der Verformung zu beseitigen.
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Der erste Schritt besteht in der Bildung mehrdeutiger Wege ohne
Berücksichtigung der Verformung, gefolgt von einer an den
ausgesendeten Code angepaßten Filterung (oder jeder anderen
zeitlichen Verarbeitung), dann von Normierungs-, Erfassungs-
und Meßschritten.
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Der zweite Schritt, der in Fig. 9 schematisch dargestellt ist,
erfordert eine vorherige Speicherung (901) der Hydrophon-
Signale der momentanen Rekursion sowie Beschleunigungs-
und/oder Stellungssensoren (902). Für jedes der erfaßten Echos
wird eine beschränkte Anzahl von Paaren von Links/Rechts-Wegen
in der Nähe der mittleren Seitenpeilung des zum Zeitpunkt des
mehrdeutigen Empfangs (905) gemessenen Echos gebildet. Diese
Wegepaare berücksiehtlgen die Stellung jedes Sensors der
Antenne, die anhand der Beschleunigungs- und/oder
Stellungssensoren des Fisches und/oder der Antenne wiederhergestellt
wird. Die Amplitude der Verformung bildet einen Parameter, der
in Abhängigkeit vom Ausgang der gebildeten Wegepaare in bezug
auf das Kriterium des maximalen Echopegels am Ausgang optimiert
ist.
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Das Lesen der Koeffizienten der Bildung der Wege für den Weg,
bei dem das Echo maximal ist, ermöglicht die Bestimmung (906)
der Richtung (rechts oder links) des Ziels.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht grundsätzlich die
Beseitigung der Links/Rechts-Mehrdeutigkeit im Empfang einer
geschleppten linearen Antenne. Es bietet außerdem eine
bestimmte Anzahl abgeleiteter Vorteile: Wie gesehen worden ist,
wird die genaue Form der Antenne anhand der Navigationsdaten
des geschleppten Körpers und sogar bestimmter Daten bezüglich
der Stellung der Antenne ständig bewertet, wobei diese
Bewer
tung tatsächlich nicht von der Bewegung des Zugschiffes
abhängt. Somit werden eventuelle Bewegungen dieses Schiffes,
entweder aufgrund der Meeresströmungen oder aufgrund von
Manövern dieses Bootes, beispielsweise einer Kursänderung,
automatisch kompensiert. Dieser Vorteil ist besonders wichtig,
weil in dem bis jetzt verwendeten System, in dem versucht wird,
die Antenne so geradlinig wie möglich zu halten, der Empfang
vollkommen inkohärent wurde, wenn das Zugboot die Richtung
änderte.
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Außerdem weist die Hauptkeule der so gebildeten Wege, wie
gesehen worden ist, auch eine Höhenwinkel-Richtwirkung auf.
Dadurch ist es möglich, das Echo/Nachhall-Verhältnis erheblich
zu verbessern, was besonders wertvoll ist, wenn im seichten
Gewässer, in dem der Nachhall auf dem Boden einen großen
Rauschpegel darstellt, gefahren wird.
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Da sich schließlich die Form der Antenne ständig ändert, wie in
Fig. 1 ersichtlich ist, ändert sich der Empfangspegel der
Nebenkeulon periodisch in Abhängigkeit von den Änderungen der
Form, die ihrerseits mit der Vorwärtsbewegung der Antenne in
Verbindung stehen. Wenn daher ein Ziel bereits erfaßt worden
ist oder als erfaßt angenommen wird, können die Erfassungs- und
Meßleistungen der Antenne optimiert werden, indem die Emission
eines Schalldämpfers im Fall eines aktiven Sonars
synchronisiert wird, derart, daß die Antenne zum vorgesehen
Empfangszeitpunkt die optimale Form hat, die die Dämpfung der
Bildkeulen in bezug auf die Hauptkeule maximal macht. Somit
kann das Vorhandensein der Echoquelle bestätigt werden und kann
eine spezifische Verfolgung dieser Quelle ausgeführt werden,
die ermöglicht, die Grenzen der Reichweite und des
Rauschabstandes, die allgemein erhalten werden, zu
überschreiten.