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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren, die ermöglichen, die
Wirkungen von Störbewegungen der Antenne in einem Sonar-Gerät mit
synthetischer Antenne zu korrigieren., wenn die Bahn der körperlichen Antenne dieses
Sonar-Geräts keine ideale Gerade bildet
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Es ist bekannt, daß in einem Sonar die Auflösung von den Abmessungen der
Antenne im Verhältnis zur verwendeten Wellenlänge abhängt. Dies ermöglicht im
Fall eines Echolots, das dazu vorgesehen ist, eine Abbildung des Meeresbodens
vorzunehmen, und in welchem sich die Antenne, die sich an den Seitenwänden
des Trägerschiffs befindet, im wesentlichen entlang einer Geraden parallel zur
Bahn des Schiffs und senkrecht zur Beobachtungsrichtung des Sonars fortbewegt,
ein System mit einer sogenannten synthetischen Antenne zu verwenden, bei dem
die Signale verwendet werden, die von der Antenne zu aufeinanderfolgenden
Zeitpunkten und folglich an aufeinanderfolgenden Standorten empfangen werden, um
eine Auflösung zu erzielen, die im wesentlichen derjenigen einer entsprechenden
virtuellen Antenne mit der Länge, die von der physischen Antenne während dieser
verschiedenen aufeinanderfolgenden Zeitpunkte durchlaufen wird, entspricht.
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Um die verschiedenen Kanäle eines derartigen Sonars zu bilden, werden die
empfangenen Signale addiert, wobei die Verzögerungen verarbeitet werden, die
der Richtung des gebildeten Kanals und den verschiedenen Standorten der
Aufnehmer der Antenne in Abhängigkeit von ihrer Position auf der körperlichen
Antenne und von der Bewegung dieser entsprechen.
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In dem einfachen Fall, in dem diese Bewegung vollkommen linear und
gleichförmig ist, sind diese Verzögerungen bekannt. Tatsächlich führt das Trägerschiff
starke Bewegungen in einer sehr zufälligen Weise aus. Folglich ist die Position
der Aufnehmer während der Messungen nicht genau bekannt.
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Die Auflösung δy herkömmlicher (nicht synthetischer) Echolote zur
Abbildung des Meeresbodens über die Längsachse parallel zur Fahrtrichtung ist durch
die Länge L ihrer körperlichen Empfangsantenne bestimmt. Sie ist durch folgende
Formel gegebenen:
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wobei δ die Wellenlänge und R die Reichweite des Sonars ist.
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Die entsprechende Auflösung eines synthetischen Sonars, dessen synthetische
Antenne aus N aufeinanderfolgenden Wiederholungen gebildet ist, ist durch die
folgende Formel gegeben:
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wobei V die mittlere Geschwindigkeit in Längsrichtung während der N
Wiederholungen und Tr die Dauer einer Wiederholung ist.
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Die Hauptschwierigkeit der Anwendung des Prinzips der synthetischen
Antenne auf das Sonar besteht in der Bestimmung der Verzögerungen der Bildung
der Kanäle. Während für eine herkömmliche Antenne diese Verzögerungen nur
vom Abstand und von der Richtung des anvisierten Punktes abhängen, sind
diejenigen einer synthetischen Antenne von der Bewegung des Trägers während
ihrer Ausbildungszeit abhängig. Die Bestimmung der Verzögerungen ist um so
schwieriger, als diese Ausbildungszeit, d. h. die Anzahl der Wiederholungen N,
groß ist, was mit der Suche nach einer besseren Auflösung einhergeht.
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Um diese Verzögerungen der Ausbildung der Kanäle der synthetischen
Antenne zu bestimmen, kann versucht werden, die Bewegung der körperlichen
Antenne zu messen. Die größte Genauigkeit einer solchen Messung wird mit Hilfe
einer Trägheitsplattform erreicht. Aus einem Artikel von L. J. Cutrona mit dem
Titel "Comparison of sonar system performance achievable using
synthetic-aperture sonar techniques with the performance achievable by more conventional
means", Journal of Acoustical Society of America, Bd. 58, Nr. 2, August 1975, ist
jedoch bekannt, daß ein Problem in der Genauigkeit der Beschleunigungsmessung
besteht.
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Die Verfälschung εγ über die Visierachse sollte der folgenden Relation
genügen:
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Es sollte demnach beispielsweise εγ < 2·10&supmin;&sup4; m/s² sein, um eine Auflösung von
5 cm bei einer Reichweite von 350 m und einer Geschwindigkeit von 8 Knoten
mit einem Sonar zu erzielen, dessen Frequenz in der Nähe von 100 kHz liegt. Ein
derartiger Wert ist mit der intrinsischen Genauigkeit der besten
Beschleunigungsmesser vereinbar, jedoch nicht mit einer Messung auf einem sich in
Bewegung befindenden Körper, dessen Orientierung im Gravitationsfeld der Erde
unbekannt ist. Um in diesem Fall eine solche Auflösung zu erzielen, müßte die
Richtung der Vertikalen genauer als 2·10&supmin;&sup5; rd gemessen werden können, wobei
dies eine Genauigkeit darstellt, die für ein derartiges bordgestütztes Sonar nicht
realistisch ist.
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Um diese Schwierigkeit zu beseitigen, sind verschiedene Verfahren
vorgeschlagen worden, die Autofokussierungsverfahren genannt werden, weil die
Bestimmung der Koeffizienten anhand der Messungen des Signals erfolgt. Unter
diesen sind insbesondere Verfahren bekannt, die die Interkorrelation des
Schallfeldes über der Antenne über zwei aufeinanderfolgende Wiederholungen
auswerten. Wenn zwischen zwei Wiederholungen die Lageveränderung in Längsrichtung
die Hälfte der Länge der Empfangsantenne nicht erreicht, ist das Feld am vorderen
Ende der ersten Wiederholung mit dem Feld am hinteren Ende stark korreliert.
Die Länge Lc der beiden korrelierten Enden des Feldes der Antenne ist demnach
durch die folgende Formel gegeben:
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Lc = L - 2·V·Tr (4)
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Diese Korrelation wird ausgewertet, um die Lageveränderung in der
Längsrichtung 1, die Abweichung der Ausbreitungszeit τ für den Hin- und Rückweg des
Schallimpulses für denselben Reflexionspunkt auf dem Boden und die Drehung β
der Beobachtungsrichtung zwischen den beiden Wiederholungen zu ermitteln. Ein
Beispiel für ein derartiges Verfahren ist in dem amerikanischen Patent
US-A-4 244 036 (Raven) beschrieben.
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Fig. 1 ermöglicht, die Bezeichnungen der verwendeten Parameter zu
definieren. Es sind zwei aufeinanderfolgende Positionen 101 und 102 der körperlichen
Antenne dargestellt, die zwei Wiederholungen n-1 und n entsprechen. Die Achse
103 ist die mittlere Längsrichtung, d. h. die zur Antenne parallele Richtung für die
beiden Wiederholungen. Sie ist im allgemeinen aufgrund der Drift nicht mit der
Bewegungsrichtung des Schiffs identisch.
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Da die Abweichung der Ausbreitungszeiten τ auf zwei Empfangspunkte
bezogen ist, die sich in der Mitte zwischen den beiden korrelierten Enden 104 und 105
befinden, sind die Schätzfehler der drei Parameter voneinander unabhängig. Da
die drei Parameter In, τn und βn anhand der Wiederholungen n-1 und n geschätzt
werden und da θn die Beobachtungsrichtung in der Mitte der Empfangsantenne
der körperlichen Antenne bei der Wiederholung n (Position 102) für einen
festgelegten Punkt mit dem Abstand R ist, ergibt sich die
Kanalausbildungsverzögerung τS,n(ξ) der synthetischen Antenne für das bei der Wiederholung n in einem
Abszissenpunkt ξ im Bezugspunkt der körperlichen Antenne empfangene Signal
mit Hilfe der Rekursions-Relationen:
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θn = θn-1 - βn - 1n/R (5)
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τS,n(ξ) = τS,n-1(ξ&sbplus;) + τn - τP,n(ξ&submin;) + τP,n(ξ) (6)
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wobei τP,n(ξ) die Kanalausbildungsverzögerung der körperlichen Antenne im
Abszissenpunkt ξ ist und wobei ξ&submin; und ξ&sbplus; von n abhängen können, denn, da die
Geschwindigkeit
im allgemeinen nicht gleichförmig ist, kann die Länge der beiden
korrelierten Enden schwanken.
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Die Einstellrichtung eines Kanals ist definiert durch den Bezugspunkt der
körperlichen Antenne bei einer gegebenen Wiederholung, beispielsweise der in der
Mitte gelegenen Wiederholung der synthetischen Antenne. Für diese
Wiederholung mit Referenzcharakter sind die Kanalausbildungsverzögerungen der
synthetischen Antenne diejenigen der körperlichen Antenne. Mit Hilfe der vorangehenden
Rekursions-Relationen werden dann nach und nach die
Kanalausbildungsverzögerungen aller übrigen Schallimpulswiederholungen ermittelt, die für die Bildung
der synthetischen Antenne verwendet werden. Der Einfluß des Schätzfehlers von 1
ist im allgemeinen im Vergleich zu demjenigen der Schätzfehler der beiden
übrigen Parameter unerheblich. Jedes erneute Einfügen der Rekursions-Relationen zur
Schätzung ruft einen Fehler der Kanalausbildungsverzögerung hervor, der zu
demjenigen der vorhergehenden Iterationen hinzukommt. Folglich ist der
Schätzfehler der Kanalausbildungsverzögerung im Abszissenpunkt ξ am Ende einer
vorgegebenen Anzahl von Iterationen die Summe ebensovieler voneinander
unabhängiger Fehler, wovon jeder die Summe aus zwei voneinander unabhängigen
Komponenten ist:
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- dem Schätzfehler von τn,
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- dem Schätzfehler von τP,n(ξ&submin;) - τP,n(ξ&sbplus;), der durch den Fehler von βn
hervorgerufen wird
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Die mit φτ und φβ bezeichneten Standardabweichungen der Fehler der
entsprechenden Phasen werden mit Hilfe der folgenden Näherungsformeln erhalten:
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wobei K die Anzahl der unabhängigen Abtastungen der Antennensignale ein und
derselben in der Autofokussierung auftretenden Impulswiederholung und ρ gleich
u/(1 - u) ist, wobei u der Interkorrelationskoefflzient ist.
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Da in der Praxis eine möglichst große Fortbewegungsgeschwindigkeit des
Trägers angestrebt wird, muß zudem die Länge der korrelierten Enden Lc so klein
wie möglich und die Fortbewegung zwischen aufeinanderfolgenden
Wiederholungen VTr etwas geringer als der obere Grenzwert von L/2 sein, der durch die
räumliche Abtastbedingung der synthetischen Antenne geboten ist. Unter diesen
Bedingungen folgt aus den Ausdrücken für φτ und φβ, daß der Schätzfehler für die
Drehung bei weitem kritischer ist.
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Der Einfluß dieses Fehlers auf den Richtfaktor g des mit diesen geschätzten
Verzögerungen gebildeten Kanals ist durch die folgende Relation gegeben:
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wobei φ² = φτ² + φβ².
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Wenn sich auf das weiter obenbeschriebene praktische Beispiel bezogen wird,
muß die Länge der körperlichen Antenne ungefähr 4 m betragen und die Anzahl
der Wiederholungen, die die synthetische Antenne bilden, muß in der Nähe von
30 sein. Damit die Abnahme des Richtfaktors kleiner als der üblicherweise
angestrebte Wert von 1 dB ist, muß φ unter 0,2 rd sein. Bei Vernachlässigung von φτ
ist die Relation zwischen φ und dem Meßfehler σ der Drehung durch folgende
Formel gegeben:
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Für eine Reichweite von 350 m beträgt die Dauer Tr der Impulswiederholung
in etwa 470 ms. Die Gleichung (4) ergibt dann lc = 0,3 m für L = 4 m und V = 8
Knoten. Folglich muß in dem beschriebenen Beispiel die Standardabweichung für
die Schätzung der Drehung, die anhand der Antennensignale an den beiden Enden
der Länge Lc vorgenommen wird, kleiner als 10&supmin;&sup4; rd sein.
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Die Winkelauflösung λ/Lc jedes Endes beträgt 5·10&supmin;² rd, d. h. das
Fünfhundertfache der für die Schätzung der Drehung geforderten Genauigkeit. Es ist
folglich unrealistisch zu hoffen, daß eine derartige Genauigkeit durch Schätzung
anhand der Antennensignale erreicht werden kann.
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Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, schlägt die Erfindung ein Verfahren
zur Korrektur der Wirkungen der Störbewegungen der Antenne in einem Sonar-
Gerät mit künstlicher Antenne vor, bei dem eine künstliche Antenne über N
Wiederholungen des Sonar-Geräts gebildet wird und die Bewegungsänderungen der
körperlichen Antenne korrigiert werden, indem eine Autofokussierung durch
Interkorrelation der aufeinanderfolgenden Wiederholungen durchgeführt wird, im
wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß zum Korrigieren dieser Änderungen
außerdem der mit Hilfe eines Gyrometers erhaltene Meßwert der Drehungen der
Antenne benutzt wird und daß der Azimutwinkel des Empfangssignals mit einer
Hilfsantenne senkrecht zur körperlichen Antenne gemessen wird, um die
Genauigkeit des Meßwertes der Drehung mittels der Meßwerte des Gyrometers zu
erhöhen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal wird die körperliche Antenne von einem
Unterwasserfahrzeug getragen, dessen Rumpf einen im wesentlichen
kreisförmigen Querschnitt hat, wobei die Hilfsantenne zur Anpassung an diesen Rumpf
gekrümmt ist.
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Gemäß einem weiteren Merkmal ist die Hilfsantenne auf zwei Endwandler
und einen Zwischenwandler reduziert.
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Gemäß einem weiteren Merkmal ist der Zwischenwandler einer der Wandler
der körperlichen Antenne.
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Gemäß einem weiteren Merkmal ist das Sonar-Gerät vom Typ mit
synthetischer interferometrischer Antenne, bei dem von zwei übereinander angeordneten
körperlichen Antennen Gebrauch gemacht wird und zum Messen des
Azimutwinkels die von diesen zwei körperlichen Antennen empfangenen Signale benutzt
werden.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen deutlich aus der
nachfolgenden Beschreibung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel mit
Bezug auf die beigefügte Zeichnung gegeben ist, worin
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- Fig. 1 eine schematische Ansicht einer körperlichen Antenne in zwei
Positionen, die zwei aufeinanderfolgenden Wiederholungen entsprechen, zeigt;
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- Fig. 2 eine Perspektivansicht eines mit einem Sonar gemäß der Erfindung
ausgerüsteten Unterwasserfahrzeugs zeigt;
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- Fig. 3 eine schematische Ansicht der Antennen eines derartigen Sonars
gemäß einer Ausführungsvariante zeigt.
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Die Erfindung schlägt folglich vor, die Drehungen der Antenne mit Hilfe von
Gyrometern zu messen. Die angestrebte Größenordnung der Genauigkeit der
Messung der Rotationsgeschwindigkeit ist näherungsweise durch das Verhältnis
zwischen dem für σ angestrebten Wert und der Dauer der Wiederholung gegeben.
In dem beschriebenen Beispiel beträgt dieses Verhältnis 2·10&supmin;&sup4; rd/s. Dieser Wert
überschreitet offensichtlich die Genauigkeit existierender Gyrometer, die in auf
dem Markt erhältlichen und aufgrund ihres Preises und ihres Raumbedarfs für
eine derartige Anwendung geeigneten Trägheitsplattformen integriert sind, um
mehrere Größenordnungen.
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Jedoch wird die Messung im Vergleich zu einem auf der Plattform liegenden
Bezugspunkt ausgeführt, so daß dann nur der Wert der Drehung in der Beobachtungsebene,
die durch die mittlere Position der Antenne zu zwei
Empfangszeitpunkten und den anvisierten Punkt bestimmt ist, benötigt wird.
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Die Erfindung schlägt folglich vor, um die gewünschte Genauigkeit zu
erzielen, der Hauptantenne eine senkrechte Hilfsnetzantenne zuzuordnen, die
vorzugsweise nur zum Empfangen bei einer gemeinsamen Abstrahlung der beiden
Antennen verwendet wird, um den Azimutwinkel der Beobachtungsebene zu messen
und auf diese Ebene den mittels der Gyrometer erhaltenen Meßwert für die
Drehung zu projizieren, wobei die Parameter 1 und τ wie zuvor durch
Autofokussierung bestimmt werden.
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Wenn mit α die Komponente des Vektors der Drehung senkrecht zur Antenne
und parallel zur Beobachtungsebene, die im wesentlichen dem Stampfen bei
größter Reichweite, wenn der Strahl den Meeresboden überstreicht, entspricht,
mit der Meßfehler des Azimutwinkels und mit εθ der Fehler der Drehung der
Antenne in der Beobachtungsebene, der durch den Fehler in der Azimutmessung
hervorgerufen wird, bezeichnet wird, ergibt sich folgende Gleichung:
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εθ = α·εψ (12)
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Beispielsweise für einen Wert von α = 1º erfordert die in dem beschriebenen
Beispiel angestrebte Genauigkeit von θ eine Genauigkeit des Wertes von ψ in der
Größenordnung von 6 mrd. Es ist bekannt, daß leicht eine Genauigkeit des
Empfangswinkels erzielt werden kann, die wenigstens zehnmal größer als die von der
Antenne gelieferte Winkelauflösung ist, indem aus der elektronischen
Abstandsmessung bekannte Verarbeitungen verwendet werden.
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Um in dem beschriebenen Beispiel die geforderte Genauigkeit zu erreichen,
wird folglich eine Hilfsantenne verwendet, deren vertikale Ausdehnung in der
Größenordnung von 20 Wellenlängen liegt, d. h. daß sie in diesem Beispiel etwa
30 cm beträgt. Diese Abmessungen stellen auf den Plattformen, die üblicherweise
verwendet werden, um diesen Typ von Sonar tragen, kein größeres
Installationsproblem dar.
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In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Sonars gemäß der Erfindung
gezeigt, das von einem Unterwasserfahrzeug getragen wird, das entweder
ferngesteuert oder von einem Zielsucher gelenkt sein kann. Es enthält im Inneren
wenigstens ein Gyrometer, das die Messung seiner Drehung in der horizontalen Ebene
erlaubt. Vorzugsweise sollte dieses Gyrometer Bestandteil einer
Trägheitsplattform sein.
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Dieses Fahrzeug umfaßt über seinem Körper 201 seitliche Antennen in
Längsrichtung, wovon in der Figur nur die Backbord-Antenne 202 zu sehen ist, während
sich die Steuerbord-Antenne auf der nicht sichtbaren Seite der Figur befindet.
Diese seitlichen Antennen sind vom üblichen Typ für Sonar-Geräte mit
synthetischer Antenne. Gemäß der Erfindung sind auf der Backbord- und der
Steuerbordseite des Körpers 201 zwei vertikale Hilfsantennen 203 und 204 hinzugefügt
worden, die ermöglichen, den Azimutwinkel des vom Grund reflektierten Signals zu
messen. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Antennen linear, sie könnten
jedoch zur Anpassung an den zylindrischen Rumpf 201 gekrümmt sein. Diese
vertikalen Antennen sind aus einem Stapel von Aufnehmern gebildet, deren Breite, die
die Öffnung des Richtungswinkels der Empfangskeule der Antenne bestimmt,
vorzugsweise derart ist, daß diese Öffnung im wesentlichen der Öffnung des
Richtungswinkels beim Senden des seitlichen Sonars gleich ist.
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In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist diese Öffnung in der
Größenordnung von 10º, was bei einer Sendefrequenz von 100 kHz einer Breite der
Wandler in der Größenordnung von 8 cm entspricht.
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Da die Gesamthöhe der vertikalen Antenne dann deutlich größer als die Höhe
der einzelnen Aufnehmer der horizontalen Antenne 202 ist, ist das Signal-Rausch-
Verhältnis am Kanalausgang bei dieser vertikalen Antenne (aufgrund des
Antennengewinns) deutlich höher als dasjenige, das über die horizontale Antenne
erhalten wird.
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In der Praxis werden für diese horizontale Antenne Aufnehmer verwendet,
deren Höhe im wesentlichen gleich der benutzten Wellenlänge ist, um einen
hinreichend großen Azimutwinkel abdecken zu können.
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Unter diesen Bedingungen ist die Höhe der Aufnehmer der vertikalen Antenne
im wesentlichen gleich derjenigen der Aufnehmer der horizontalen Antenne, da es
erforderlich ist, den gleichen Sektor abzudecken. Um diese vertikale Antenne zu
bilden, werden dann etwa zwanzig Aufnehmer verwendet. Deshalb ist das Signal-
Rausch-Verhältnis der vertikalen Antenne am Kanalausgang größer als ungefähr
13 Dezibel bei gleichem Signal-Rausch-Verhältnis der horizontalen Antenne.
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Dieses Ergebnis kann in der Tat als überdimensioniert angesehen werden. Die
Erfindung schlägt deshalb eine zweite Ausführungsform vor, die in Fig. 3
schematisch dargestellt ist und in der die verwendete Einrichtung auf drastische Art
vereinfacht wird, wobei jedoch vollkommen zufriedenstellende
Leistungsparameter beibehalten werden.
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Dazu wird die vertikale Hilfsantenne unter Verwendung von nur drei
Aufnehmern 212, 213 und 223 verwirklicht. Die Aufnehmer 213 und 223 sind in
Wirklichkeit die äußersten Aufnehmer, die in einer Antenne des Typs der Antenne
203 von Fig. 2 verwendet worden wären, und der Aufnehmer 212 ist der mittige
Aufnehmer der Antenne 202, der sowohl in der Antenne 202 als auch in der
vertikalen Hilfsantenne verwendet wird. Die für die Erfindung erforderliche
zusätzliche Einrichtung reduziert sich folglich auf die beiden Aufnehmer 213 und 223.
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Die so erhaltene Antenne ist lückenhaft und ähnelt eher einem einfachen
Goniometer. Es ist jedoch bekannt, daß in einer derartigen Antenne
Mehrdeutigkeiten der Winkel erhalten werden, die aufgehoben werden müssen.
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Dazu werden die beiden Aufnehmer 213 und 223 vorteilhaft mit voneinander
geringfügig verschiedenen Abständen in bezug auf den mittigen Aufnehmer
plaziert, was ermöglicht, diese Aufhebung der Mehrdeutigkeit in bekannter Weise zu
erzielen. Eine derartig vereinfachte Hilfsantenne bewahrt dennoch einen Gewinn
im Signal-Rausch-Verhältnis, verglichen mit demjenigen der horizontalen
Antenne, von 5 Dezibel, was noch völlig zufriedenstellend ist.
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Die Erfindung erstreckt sich außerdem auf den Fall von synthetischen
interferometrischen Antennen, wie sie beispielsweise in dem Patent US-A-4 400 803,
erteilt am 23. August 1983 auf den Namen Fred N. SPIESS, beschrieben sind. In
der in diesem Patent beschriebenen Ausführung wird eine synthetische
Doppelantenne verwendet, die aus zwei übereinander angeordneten körperlichen
Antennen gebildet ist. In einem solchen Fall wird der Azimutwinkel der
Beobachtungsebene anhand der Signale der beiden übereinander angeordneten, völlig gleichen
Antennen gemessen, wobei der so gemessene Azimutwinkel verwendet wird, um
die hybride Autofokussierung gemäß der Erfindung, wie sie weiter oben
beschrieben ist, auszuführen.
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Folglich verwirklicht das Sonar zur Abbildung des Meeresbodens gemäß der
Erfindung, das in der vorliegenden Patentanmeldung beschrieben ist, die
Verbindung einer synthetischen Antenne mit einer Vorrichtung zur Autofokussierung
durch Interkorrelation von Impulswiederholungen, eine Messung der Drehung der
Antenne zwischen den verschiedenen aufeinanderfolgenden Wiederholungen, die
für die Synthese der Antenne mit Hilfe einer Trägheitsplattform verwendet
werden, und eine Messung des Azimutwinkels des vom Boden reflektierten Signals
mittels einer Hilfsnetzantenne, die eine vertikale Richtwirkung besitzt. Diese
letztere Messung ermöglicht, eine ausreichende Präzision der Messungen der
Drehungen zu erhalten, so daß die Autofokussierung mit einer Auflösung erfolgen
kann, die weit besser als diejenige ist, die bisher in existierenden Sonar-Geräten
erzielt worden ist.