NL9201060A

NL9201060A - Volumetrische en terreinbeeldsonar.

Info

Publication number: NL9201060A
Application number: NL9201060A
Authority: NL
Original assignee: Alliant Techsystems Inc
Priority date: 1991-06-18
Filing date: 1992-06-15
Publication date: 1993-01-18
Also published as: AU1701992A; US5200931A; JPH05249239A; NO922343L; CA2069552A1; NO922343D0; TW208741B

Description

Volumetrische en terreinbeeldsonar.

De uitvinding betreft in het algemeen werkwijzen voor het vormen van drie-dimensionale beelden onder gebruikmaking van sonar. In het bijzonder verschaft de onderhavige uitvinding een werkwijze en inrichting voor het ontwikkelen van een statistisch model van een volume of ruimte voor gebruik in toepassingen zoals het in kaart brengen van terreinen, terrein volgen en het vermijden van obstakels.

Nauwkeurige driedimensionale representaties van het milieu onder water zijn essentieel voor toepassingen zoals automatische voertuiggeleiding, identificatie van onderwaterobjecten en het weergeven van terrein-profielen. Het generen van zo'n representatie is echter vaak een moeilijk en tijdrovend proces.

Bestaande systemen gebruiken een variëteit aan werkwijzen om verschillende benaderingsniveaus met betrekking tot het milieu onder water te bereiken. Eén zo’n systeem is het zijaftast-sonarsysteem ("sidescan sonar system"). In zijaftast-sonarsystemen worden arrays van elementen gebruikt om een bundel te genereren, die smal is in de horizontale richting (bij benadering 1,5 graden), maar relatief breed (in de ordegrootte van 50 graden) in de vertikale richting. Deze smalle waaiervormige bundel bestraalt een terreinbaan loodrecht op de richting waarin het sonarsys-teem zich voortbeweegt. Teruggekaatste signalen uit de met de bundel bestraalde onderwaterstructuren worden geregistreerd in de tijd en in kaart gebracht in een rij van pixels, die het met die geluidsgolven bestraalde terrein representeert.

De originele zijaftast-sonars maten de teruggekaatste intensiteit ten opzichte van de tijd van aankomst. De teruggekaatste intensiteit gemeten als functie van de tijd werd vervolgens op een rooster van pixels in kaart gebracht. Dit in kaart brengen werd uitgevoerd onder de aanname dat het terrein vlak was. De aanname van een vlakke bodem kan leiden tot de vorming van artifacten in de terreinkaart tengevolge van akoestische schaduw.

Een artikel getiteld: "Three-Dimensional Modeling of Seafloor Backscatter van Sidescan Sonar for Autonomous Classification and Navigation" door W. Kenneth Stewart, gepubliceerd in: The Proceeedings of the 6th International Symposium on Unmanned Untethered Submersible Technology, juni 1989, bediscussieerd problemen zoals akoestische schaduw. Stewart stelde het gebruik van bathymetrische gegevens voor om terreinkaarten die met zijaftast-sonarsystemen zijn gegenereerd te verbeteren. Re cente zijaftast-sonars omvatten een tweede array van sonarelementen parallel aan de originele arrayelementen. De toevoeging van deze tweede arrayelementen maakt de berekening van de hoek van aankomst van een teruggekaatst signaal mogelijk. Deze gegevens met betrekking tot de hoek van aankomst worden gebruikt om een bathymetrisch model van het door de geluidsgolven bestraalde terrein te construeren. Het bathymetrische model wordt dan gebruikt om de terreinkaart te corrigeren.

Een bathymetrisch gecorrigeerde zijaftast-sonar verschaft een redelijk nauwkeurige representatie van het terrein. Deze methode is echter tamelijk tijdsintensief en vereist ten minste één aftasting over het gehele terrein voordat de gegevens kunnen worden gebruikt voor automatische voertuiggeleiding.

Andere benaderingen tot drie-dimensionele beeldgeneratie onder gebruikmaking van actieve sonarsystemen worden besproken in een artikel getiteld: "Three-dimensional Map Generation From Side-Scan Images" door J.M. Cuschieri en M. Hebert, gepubliceerd in: Transaction of the ASME, vol. 112, juni 1990. Cuschieri en Hebert beschrijven het gebruik van voorwaarts waarnemende systemen soortgelijk als zijaftast-systemen, die in staat zijn het gebied voor een automatisch voertuig in kaart te brengen. Deze systemen genereren een bundel, die soortgelijk is aan de zij-aftast-bundel (smal in de horizontale richting en breed in de vertikale richting). Voorts zijn zij in staat om de bundel ofwel mechanisch ofwel elektronisch te sturen om meer dan één vertikale baan van het volume voor het voertuig te bestralen.

Voorwaarts waarnemende sonars van dit type nemen toe in complexiteit met toenemende horizontale resolutie. De horizontale resolutie van zulke systemen is een functie van de horizontale bundelbreedte en het aantal discrete in de horizontale richting bestraalde hoeken. Een voorwaarts waarnemend systeem met hogere resolutie in zowel de horizontale als de vertikale richting zou belemmerend duur zijn.

Tenslotte zijn systemen voorgesteld die een drie-dimensioneel beeld uit een enkele actieve sonartransmissie vormen. Kenmerkend vereist zo'n systeem dat het systeem het gehele van belang zijnde volume met geluidsgolven bestraalt en vervolgens complexe bundelvormende technieken gebruikt om de amplitude van het teruggekaatste signaal uit elk van de punten binnen dat volume te detecteren. De resolutie van zo'n systeem is direct afhankelijk van het aantal gevormde bundels en van hoe smal elke bundel kan worden geproduceerd.

Systemen die een drie-dimensioneel beeld uit een enkele actieve sonartransmissie kunnen vormen zijn slechts beperkt door de snelheid van beeldverwerking en het aantal gevormde bundels. Omdat huidige systemen beperkt zijn in het aantal bundels vanwege de kosten van het systeem en de complexiteit van de elektronica, is het resultaat kenmerkend een vervaagd beeld waarbij het contrast wordt beperkt door de zijlusniveaus die door de array/bundelvormer worden bereikt.

Zoals uit de bovenstaande bespreking kan worden afgeleid, variëren werkwijzen voor het genereren van een representatie van een drie-dimen-sioneel beeld in snelheid, effectiviteit en bruikbaarheid. Het is duidelijk dat er een lange en onvervulde behoefte in de stand van de techniek was aan een eenvoudige, effectieve werkwijze voor het genereren van een drie-dimensioneel beeld van een watervolume, dat kan worden gebruikt voor zulke toepassingen als het geleiden van een automatisch voertuig. De onderhavige uitvinding voldoet aan deze behoefte, terwijl deze de genoemde en andere tekortkomingen van de uit de stand van de techniek bekende technieken vermijdt.

Om de beperkingen van de stand van de techniek, zoals boven besproken , te overkomen en de andere eenvoudig door deskundigen herkenbare beperkingen te overkomen, verschaft deze uitvinding een werkwijze en een inrichting voor het genereren van een drie-dimensioneel beeld dat de binnen een volume gedetecteerde structuren representeert. Twee-dimensio-nele faseverschilmetingen worden uitgevoerd op teruggekaatste signalen. Azimuth, hoogte en afstand worden berekend over een statistisch groot aantal ruimtelijk verschillende teruggekaatste terugkeersignalen en gebruikt om een histogram van teruggekaatste gegevens te construeren. Het histogram van teruggekaatste gegevens kan worden bewerkt met standaard beeldverwerkingstechnieken om terreinenkaarten of volumetrische modellen van een volumetrisch gebied te produceren. Een in overeenstemming met de werkwijzen van deze uitvinding geconstrueerd systeem is in staat om een drie-dimensionele kaart van het bestraalde volume te produceren, zonder mechanische arrayaftasting of elektronische bundelaftasting.

In overeenstemming met de onderhavige uitvinding omvat een volumetrisch aftastsonarsysteem een projector voor het genereren van akoestische signalen die worden gebruikt om een volumetrisch gebied met geluidsgolven te bestralen, een ontvanger voor het ontvangen van teruggekaatste signalen die door structuren binnen het volumetrische gebied zijn gereflecteerd en een signaalverwerker voor het bepalen van de afstand en de hoek van aankomst van het teruggekaatste signaal. De gegevens met betrekking tot de hoek van aankomst worden vermengd met de afstand en de amplitudegegevens om een drie-dimensioneel terugkaats-histogram te construeren.

In overeenstemming met een ander aspect van de onderhavige uitvinding kan de combinatie van twee of meer volumetrische aftastsystemen worden gebruikt om de bij het moduleren van het volumetrische gebied bereikbare resolutie te vergroten.

In overeenstemming met nog een ander aspect van de onderhavige uitvinding wordt een werkwijze voor het verzamelen van teruggekaatste gegevens geopenbaard, die het verdelen van een volume in een aantal gebieden, het opvangen van door structuren binnen elk gebied gereflecteerde terug-kaatssignalen, het meten van de ontvangen terugkaatssignalen en opslaan van deze parameters voor verdere signaalverwerking omvat.

In overeenstemming met nog een ander aspect van de onderhavige uitvinding wordt een werkwijze voor het in kaart brengen van een terrein geopenbaard, die het verdelen van een volume in een aantal kubussen van gelijke afmeting omvat, het registreren van terugkaatsgegevens waarvan is vastgesteld dat zij door structuren binnen elke kubus zijn gereflecteerd en gebruikmaken van de geregistreerde terugkaatsgegevens om het oppervlak van structuren binnen het volume te bepalen.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van een aantal tekeningen, waarin dezelfde verwijzingscijfers verwijzen naar dezelfde elementen bij alle verschillende aanzichten.

Fig. 1 illustreert de hoofdcomponenten van een volumetrisch aftast-sonarsysteem dat hoort bij de onderhavige uitvinding;

Fig. 2a-2b tonen een functioneel blokschema van een volumetrisch aftast-sonarsysteem dat hoort bij de onderhavige uitvinding;

Fig. 3 toont een schema op printplaatniveau van een voorkeursuitvoeringsvorm van een signaalverwerker die bij de onderhavige uitvinding hoort;

Fig. 4a-4c tonen grafische representaties van omzetterarrays die bij de onderhavige uitvinding horen;

Fig. 5 is een stroomdiagram dat representatief is voor kenmerkende stappen die in een ontvanger worden gezet gedurende het vergaren van terugkaatssignalen;

Fig. 6a is een kenmerkende grafische representatie van een terug-kaatssignaal dat bij twee van de elementen van een ontvangstarray aankomt;

Fig. 6b is een kenmerkende grafische representatie van de fase-verschuiving in een terugkaatssignaal tussen diens aankomst bij één ele- ment en diens aankomst bij een naburig element;

Fig. 7 is een kenmerkende grafische representatie van een bolcoördi-natensysteem dat bij de onderhavige uitvinding behoort;

Fig. 8 is een kenmerkende grafische representatie van een coördinatensysteem dat wordt gebruikt om terugkaatssignalen in een terugkaats-histogram te plaatsen;

Fig. 9 is een kenmerkende grafische representatie van een verdeling van terugkaatssignalen in een kolom pixels;

Fig. 10 is een kenmerkende grafische representatie van een volume-trisch gebied dat de pixels toont die zijn aangewezen als de bodem van een waterlichaam, zoals bepaald uit een proces van het omzetten van te-rugkaatsstatistieken in een terreinkaart;

Fig. 11 toont een functioneel blokschema van een alternatieve uitvoeringsvorm van een omzetterarray en ontvanger die bij de onderhavige uitvinding behoren;

Fig. 12 toont een functioneel blokschema van een alternatieve uitvoeringsvorm van een zender, omzetterarray en ontvanger die bij de onderhavige uitvinding behoren;

Fig. 13 illustreert een volumetrisch afbeeld-sonarsysteem waaraan de voorkeur wordt gegeven, dat een aantal volumetrische aftastsonarsystemen omvat;

Fig. 14 illustreert het volumetrische aftast-sonarsysteem dat wordt gebruikt voor voorwaarts waarnemende volumeafbeelding in het systeem van fig.13 en

Fig. 15 illustreert één van de volumetrische aftastsonarsystemen die worden gebruikt voor zijwaarts waarnemende volumeafbeelding in het systeem in fig.13.

In de nu volgende gedetailleerde beschrijving van de voorkeursuitvoeringsvorm wordt verwezen naar bijgevoegde tekeningen, die hier een onderdeel van uit maken en waarin bij wijze van voorbeeld specifieke uitvoeringsvormen, waardoor de uitvinding kan worden belichaamd, worden getoond. Het dient echter te worden begrepen dat andere uitvoeringsvormen kunnen worden toegepast en structurele veranderingen kunnen worden uitgevoerd zonder de omvang van de onderhavige uitvinding te verlaten.

Fig. 1 is een functioneel blokschema dat de voorkeurshoofdcomponenten van een volumetrisch aftast-sonarsysteem 10 illustreert, dat bij de onderhavige uitvinding hoort. Omzetterarray 14 wordt getoond in verbinding met zender 12 en ontvanger 16. Array 14 ontvangt pulsvormige signalen uit zender 12 en genereert akoestische signalen van dezelfde puls- breedte en hetzelfde pulsinterval. Array 14 luistert eveneens naar akoestische terugkeersignalen en zet deze om in elektrische signalen die naar ontvanger 16 worden gezonden.

Zender 12 is eveneens getoond in verbinding met ontvanger 16. Ontvanger 16 genereert een synchronisatiesignaal TO met een pulsherhaalsnel-heid die door de signaalverwerker 18 wordt geselecteerd. Signaal TO kan worden gebruikt door zender 12 om een akoestische signaaltransmissie of sonarpuls te initiëren. Ontvanger 16 gebruikt een passief beschermings-netwerk om diens hoge versterkingsontvangstschakelingen te beschermen.

In de getoonde uitvoeringsvorm is ontvanger 16 verbonden met signaal verwerker 18 en zendt gegevensverwerker 18 terugkaatsgegevens, andere sensorgegevens (zoals helling en slingering) en de notificatie dat een TO-signaal is opgetreden. De gegevensverwerker 18 kan op zijn beurt de amplitude, herhalingssnelheid en pulsbreedte die door de zender 12 worden gegenereerd besturen.

Door zender 12 gegenereerde pulsen worden door omzetterarray 14 ontvangen en omgezet in akoestische signalen op een in de techniek wel bekende wijze. De akoestische signalen planten zich door het water voort en worden door structuren in het water gereflecteerd. Een gedeelte van de gereflecteerde akoestische signalen keert terug en treft de array 14, waar deze in elektrische signalen worden omgezet. Ontvanger 16 ontvangt de elektrische signalen, versterkt deze en zet de versterkte signalen om in bemonsterde terugkaatsgegevens. In de voorkeursuitvoeringsvorm ontvangt de gegevensverwerker 18 deze digitale representaties van de gereflecteerde akoestische signalen en bewerkt hen om een histogram van terugkaatsgegevens te vormen.

Een meer gedetailleerd functioneel blokschema van de voorkeursuitvoeringsvorm is geïllustreerd in fig.2a en 2b. Fig. 2a toont omzetterarray 14 als een array van drie omzetterelementen 20, geconstrueerd met elementen 20 die in een gelijkzijdige driehoekopstelling zijn geplaatst waarbij het vlak van de driehoek parallel is met het arrayvlak. De centra van de drie omzetelementen 20 zijn gescheiden met bij benadering een halve golflengte.

Zender 12 wordt geïllustreerd als zendgeneratorschakeling 22 verbonden via een vermogensversterker 24 met breedband-aanpassingsnetwerk 26. In de voorkeursuitvoeringsvorm wordt één van de elementen 20 gebruikt als een akoestische signaalprojector. Dit is getoond in fig.2a, waarin het zendsignaal dat afkomstig is van netwerk 26 eindigt op omzetelement 20.1.

Ontvanger 16 is verbonden met zender 12, omzetterarray 14 en gege- vensverwerker 18. Elk element 20 van omzetterarray 14 wordt bewerkt met een apart ontvangstkanaal 27. Signalen uit element 20 leiden door schakeling 28 voor bescherming van de verzonden energie naar voorversterker 30. Energiebeschermingsschakeling 28 is een passief beschermingsnetwerk, dat het signaal naar de voorversterker beperkt om oversturing te voorkomen. Voorversterker 30 versterkt het ontvangen terugkaatssignaal en leidt dit door naar een tijdvariante versterker 32. De tijdvariante versterker 32 versterkt het terugkaatssignaal als functie van de tijd om verzwakking door het water te compenseren. Het resulterende signaal wordt door een laagdoorlaatfilter 34 naar een bemonster- en houdschakeling 36 (S+H) geleid. Het bemonsterde signaal wordt omgezet in een digitale representatie in een analoog/digitaalomzetter(A/D)-schakeling 38 en via communica-tie-interface 40 naar gegevensverwerker 18 geleid via een seriële gege-venslijn 35* In de voorkeursuitvoeringsvorm moet A/D 38 in staat zijn om ten minste 12 bits te quantiseren om de gewenste nauwkeurigheid te bereiken.

Fig. 2a toont een timerschakeling 39 verbonden met zendgenerator-schakeling 22 en communicatie-interface 40. Timerschakeling 39 functioneert los van de systeemklok om een synchronisatie signaal naar zender 12 en gegevensverwerker 18 toe te voeren. In het geval van zender 12 verschaft signaallijn TO, die de uitgang van timerschakeling 39 vormt, het synchronisatiesignaal op elk moment dat van de zender wordt verwacht dat deze een akoestisch signaal vrijgeeft. In het geval van gegevensverwerker l8 voegt timerschakeling 39 een TO-gegevenswoort in juist achter de stroom van terugkaatsbemonsteringsgegevens die via communicatie-interface 40 naar gegevensverwerker 18 worden gezonden. Dit maakt de gegevensverwerker 18 attent op de aankomst van terugkaatsgegevens. Communicatie-interface 40 is eveneens de geleider waarmee gevensverwerker 18 de puls-herhaalsnelheid, zoals gegenereerd door timerschakeling 39. kan besturen,

Fig. 2a toont een sensoreenheid 37 die met communicatie-interface 40 is verbonden. Sensoreenheid 37 meet zulke zaken als omzetterarrayhoek en -hoogte. Deze gegevens worden naar gegevensverwerker 18 verzonden om te worden gebruikt bij de correctie van de azimuth, de hoogte en de afstand zoals berekend uit de verschillende fasemetingen.

Voorts is in de voorkeursuitvoeringsvorm communicatie-interface 40 verbonden met zendgeneratorschakeling 22 teneinde het mogelijk te maken dat de gegevensverwerker 18 de sonarpuls-amplitude en -pulsbreedte bestuurt.

Fig. 2b toont een communicatie-interface 70 die met berekenings- sectie 72 en bolactualiseringssectie 'jk is verbonden met carthesische-kaartvervaardigingssectie 76. Carthesische-kaartvervaardigingssectie 76 is verbonden met autoregressieve roosteractualiseringssectie 78. Beeld-verwerkingssectie 80 is verbonden met de autoregressieve roosteractualiseringssectie 78 en systeembesturingsinrichting 82. Systeembesturings-inrichting 82 is verbonden met communicatie-interface 70· niet-vluchtig geheugen 84 en bedieningsinterface 86.

Communicatie-interface 70 communiceert met ontvanger 16 over seriële gegevenslijn 35· Berekeningssectie 72 ontvangt bemonsterde terugkaats-gegevens uit communicatie-interface 70 en berekent de grootte en de hoek van aankomst voor elk monster. Bolactualiseringssectie 74 ontvangt gegevens met betrekking tot de grootte en de hoek van aankomst uit berekeningssectie 72 en corrigeert de gegevens met betrekking tot de hoek van aankomst met sensorparameters die uit ontvanger 16 worden ontvangen via communicatie-interface 70. Carthesische-kaartsectie 76 ontvangt gegevens met betrekking tot de afstand en gecorrigeerde hoek van aankomst uit de bolactualiseringssectie 74 en berekent de met dat punt in het volume verbonden geheugenplaats als functie van de beweging van omzetterarray 14. Autoregressieve roosteractualiseringssectie 78 voegt de met een monster verbonden grootte toe aan de inhöud van de geheugenplaats die door het carthesische-kaartvervaardigingssysteem 76 is berekend.

Nadat een statistisch significant aantal terugkaatsmonsters is afgenomen, komt een histogram van terugkaatsgegevens naar voren. Punten binnen het volume die consistent gereflecteerde akoestische signalen hebben, hebben hogere getallen in hun desbetreffende geheugenplaatsen. Deze verdeling van reflectieintensiteit kan dan worden gebruikt om de aard van het met geluidsgolven bestraalde volume vast te stellen. Beeldverwer-kingssectie 80 verwerkt het terugkaatshistogram en zendt het gegenereerde beeld naar systeembesturingsinrichting 82, waar deze op een bedienings-console 86 kan worden weergegeven of in niet-vluchtig geheugen 84 kan worden opgeslagen. Eveneens, als omzetterarray 14 door een watervolume beweegt worden teruggekaatste histogramgegevens gekoppeld aan het reeds gepasseerde volume bewaard ten behoeve van toekomstige referentie en verwerking.

Systeembesturingsinrichting 82 bestuurt eveneens de sonarpuls-herha-lingssnelheid, de pulsbreedte en -amplitude door besturingsopdrachten via communicatie-interface 70 naar ontvanger 16 over te dragen, zoals hiervoor vermeld.

De voorkeursuitvoeringsvorm van signaalverwerker 18 is in fig.3 geïllustreerd. Fig. 3 toont een VME-gebaseerd systeem van vier printpla-ten. Communicatie-interface 70 is een VME-aansluitbare kaart, die met ontvanger 16 communiceert over seriële gegevenslijn 35 en met DSP-kaart 92 over een 32-bits parallelle terugkaatsgegevenspoort 90. DSP-kaart 92 is verbonden met DSP-kaart 96 over een 32-bits parallelle terugkaats-histogrampoort 94.

Systeembesturingsinrichting 82 is verbonden met communicatie-interface 70, DSP 92 en DSP 96 via VME-bus 97· Systeembesturingsinrichting 82 is eveneens verbonden met niet-vluchtig geheugen 84 via een SCSI-gege-venslijn en met een bedieningsinterface 86, die ëen video-display 98 en een toetsenbord 98 omvat.

DSP-kaart 92 voert de berekeningen uit van de berekeningssectie 72, bolactualiseringssectie 74, carthesische-kaart-vervaardigingssectie 76 en autoregressieve roosteractualiseringssectie 78. DSP-kaart 96 ontvangt geactualiseerde terugkaatshistogrammen via histogrampoort 9^» slaat deze op in een geheugen en zet deze om in op het video-display 98 weer te geven beelden en in het niet-vluchtige geheugen 84 op te slane gegevens.

In de voorkeursuitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding zijn DSP-kaarten 92 en 96 VME-aansluitbare printplaten met twee TMS320C30 Digital Signal Processors (DSP), vervaardigd door Texas Instruments, Dallas, TX. Het gebruik van een DSP-chip, zoals de TMS320C30, voor digitale signaalverwerking is wel bekend in de techniek. Systeembesturingsinrichting 82 is een VME-aansluitbare 68030-kaart, met geïntegreerde SCSI, video- en seriële gegevensinterfaces.

Ontwerpaspecten van de componenten van het volumetrische aftast-systeem 10 zullen nu worden besproken. In de voorkeursuitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding zijn omzetterarray 14, zender 12 en ontvanger 16 standaard sonarcomponenten. Het gebruik van zenders, ontvangers en omzetarrays in actieve sonartoepassingen is bekend in de techniek en zal niet verder in detail worden beschreven. Er zijn echter enkele aspecten van het onderhavige systeem dat nadere aandacht verdient. De voor omzetterarray 14 gekozen geometrie is een functie van de karakteristieken van de gewenste akoestische bundel. De karakteristieken van de bundel hangen in hoge mate af van de dimensies van de akoestische array en de scheiding van de akoestische centra. De akoestische centra zijn ofwel gevormd door individuele omzetelementen ofwel door groepen van elementen te sommeren. Hoe dit wordt gedaan hangt af van de bedieningsfrequentie en de vaste gewenste dekkingshoek.

De scheiding tussen akoestische centra moet minder zijn dan een halve golflengte bij de werkingsfrequentie, indien hemisferische dekking (tot op 90 graden vanaf de loodlijn op het vlak van de array in elke richting) is gewenst. Dit verzekert dat alleen één offset-hoek een gegeven elektrische faseverschil tussen sensoren kan produceren. Indien de ruimte groter is dan een halve golflengte, dan wordt als de offset-hoek toeneemt en het elektrische faseverschil toeneemt eventueel een hoek bereikt, waarbij het elektrische faseverschil l80 graden overschrijdt en een dubbelzinnigheid wordt geïntroduceerd (+l8l graden is b.v. niet onderscheidbaar van -I79 graden). Men kan deze regel met betrekking tot de halve golflengte overtreden, indien het bundelpatroon van de elementen of elementengroepen beperkt is (smalle bundel), zodat deze voldoende ongevoelig is in de richting van dubbelzinnigheid. Het systeem kan dan correct aannemen, dat de werkelijke richting binnen de grenzen van de mechanische offset-hoek is, die met ±180 graden in elektrisch opzicht correspondeert .

Fig. 4a-4c verschaffen voorbeelden van de wijzen waarop akoestische centra zijn gevormd. Ιή fig. 4a zijn de akoestische centra gevormd door de individuele elementen 20 met individuele bundelpatronen, die hemisferische dekking benaderen. Dit is onderdeel van een obstakel-vermijdings-sonarsysteem, dat bij benadering 90 graden dekking over een groot conisch gebied verschaft. Daarom zijn de elementscheidingen minder dan een halve golflengte.

Fig. 4b is een voorbeeld van een omzetterarray l4, waarin vele individuele horizontaal geplaatste omzetelementen 20 worden gesommeerd onder gebruikmaking van analoge sommeerinrichtingen 58 om een zeer smal horizontaal bundelpatroon van bij benadering 1 graden dekking te vormen, gecentreerd op ieder van twee akoestische centra 60 en 62. De twee horizontaal verplaatste akoestische centra 60 en 62 zijn vijf golflengten vanaf elkaar geplaatst en delen vele van dezelfde omzetelementen 20. De smalle breedte van de horizontale bundels maken het voor het systeem mogelijk om aan te nemen, dat alle terugkeersignalen uit een richting komen, die binnen de bundel ligt en niet uit één van de dubbelzinnige richtingen.

Fig. 4c is een aanzicht dat een kijk geeft op een voorbeeld van een omzetterarray 14, waarin twee van de in fig.4b getoonde arrays van omzetelementen 20 zijn gescheiden met ongeveer één golflengte in de ver-tikale richting. Omdat de vertikale opening (dimensie van het vlak) die is van een enkel element, is het vertikale bundelpatroon tamelijk breed. Bijgevolg is de scheiding van de vertikaal geplaatste centra overeenkom stig minder. Opnieuw wordt de scheiding van de akoestische centra en de bundelpatronen gecoördineerd om tegen dubbelzinnigheden te discrimineren.

In de voorkeursuitvoeringsvorm zijn omzetelementen 20 longitudinale vibrators. Vanwege hm kosten en complexiteit worden longitudinale vibrators gebruikt in toepassingen, waar het aantal elementen gering is. In deze toepassing worden de kosten en complexiteit echter door hm extra rendement gecompenseerd.

In een alternatieve uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding is omzetarray 14 een rij van vier longitudinale vibrators, die in een vierkante configuratie zijn opgesteld waarvan de zijden van het vierkant in de horizontale en vertikale vlakken liggen.

In nog een andere uitvoeringsvorm is omzetarray 14 een array van M x N longitudinale vibrators opgesteld in een matrix waarvan de zijden van de matrix in de horizontale en vertikale vlakken liggen. In dit geval kunnen de vibrators worden beschouwd als aparte elementen 20 of gesommeerd, zoals hierboven beschreven, om een kleinere ondergroep van akoestische centra te vormen. Dit is een uitruil van nauwkeurigheid tegen verwerkingscomplexiteit en -kosten.

De voorkeurswerking van de ontvanger 16 is getoond in fig.5· In de voorkeursuitvoeringsvorm is ontvanger 16 verbonden met gegevensverwerker 18 via de seriële gegevenslijn 35· Zoals kenmerkend is voor vele zij-aftast-sonartoepassingen, wordt frequentiedelings-multiplexing toegepast om volledig tweezijdige communicaties tussen ontvanger 16 en signaal-verwerker 18 te verschaffen onder gebruikmaking van verschillende draag-golfrequenties over een enkele gegevenslijn. Om dit te bewerkstelligen worden van ontvanger 16 naar gegevensverwerker 18 over te dragen gegevens gecodeerd op Manchester-wijze om de klok en de gegevens te combineren. Het resulterende signaal wordt gebruikt om een draaggolffrequentie te moduleren voor verzending naar de gegevensverwerker 18. Aan de andere kant, vanwege de lage gegevenssnelheid van opdrachten die uit de gegevensverwerker 18 naar de ontvanger 16 worden gezonden, worden opdrachten op een relatief lage snelheid gezonden onder gebruikmaking van frequen-tieverschuivingsversleuteling.

Zoals getoond in fig.5 begint commmicatie-interface 40 na ontvangst van vermogen communicatie met gegevensverbruiker 18 in te stellen. Deze begint dan een regelmatige stroom van terugkaats- en andere sensorgege-vens naar de gegevensverwerker 18 te zenden. Bij 102 wordt een gegevens-woord dat met het TO-signaal is gekoppeld naar gegevensverwerker 18 gezonden. Bij 104 wordt een met het bemonsterde terugkaatssignaal gekoppeld woord verzonden naar ontvanger 16. Bij 106 wordt een controle uitgeoefend om te zien of het N-de terugkaatssignaalwoord is verzonden. Zo niet dan gaat de besturing over naar 104 en wordt een ander terugkaatssignaalwoord verzonden. Indien wel, dan wordt bij 108 een sensorgegevenswoord met parameters zoals helling en slingering verzonden. In de voorkeursuitvoeringsvorm worden tien terugkaatswoorden gevolgd door één sensorgegevenswoord .

Bij 110 wordt een controle uitgevoerd om te zien of een TO-signaal is gedetecteerd. Indien dat het geval is gaat de besturing over naar 102, waar een nieuw TO-signaalwoord wordt verzonden. Indien niet, dan gaat de besturing over naar 104 en wordt een nieuwe reeks van terugkaats- en sensorwoorden verzonden.

In de voorkeursuitvoeringsvorm zijn zender 12, omzetterarray l4 en ontvanger 18 ontworpen om met 35 kHz-akoestische signalen te opereren. In die uitvoeringsvorm is laagdoorlaatfilter 3^ ontworpen met een kantelfre-quentie van 70 kHz en zijn bemonsterings- en vasthoudschakeling 36 en A/D-schakeling 38 ontworpen om de terugkaatssignalen met 280 kHz te bemonsteren. De resulterende bemonsterde terugkaatsgegevens worden naar gegevensverwerker 18 verzonden voor signaalverwerking en histogramver-vaardiging.

De vorming van een kenmerkend terugkaatshistogram zal nu worden besproken. De eerste stap in de vorming van het terugkaatshistogram is kenmerkend de berekening de hoek van aankomst van het bemonsterde terug-kaatssignaal. De hoek van aankomst wordt gemeten ten opzichte van de normaal, waarin de normaal kenmerkend een lijn is die loodrecht staat op het vlak van aanzicht van omzetterarray 14. Het gebruik van differentiële fasemetingen om de hoek van aankomst van een terugkaatssignaal te meten wordt in twee dimensies in fig.6a geïllustreerd. Fig. 6a toont een terugkaatssignaal dat bij de elementen 20.1 en 20.2 van een omzetterarray 14 aankomt. Een bij elementen 20.1 en 20.2 aankomend signaal uit een hoek anders , dan de normaal zal een faseverschuiving ondergaan, als dit zich over de extra afstand naar het verder verwijderde element 20.2 voortplant. Deze faseverschuiving is geïllustreerd in fig.6b, waarin een faseverschuiving is getoond tussen het door element 20.1 gegenereerde elektrische signaal en het door element 20.2 gegenereerde elektrische signaal. De hoek van aankomst van het terugkaatssignaal kan worden berekend via:

met C = akoestische snelheid D = ruimte tussen de elementen en F = signaalfreguentie

De faseverschuivingshoek wordt berekend door de band-beperkte terug-kaatsgegevens in hun In-fase (I) en kwadratuur(Q)componenten te vertalen. Deze componenten worden dan omgezet naar grootte en fase onder gebruikmaking van de volgende vergelijkingen:

Grootte = vierkantswortel(I2 + Q2)

Fase = tan-1 (Q/I)

Deze omzetting wordt apart op gegevens uit elk van de ontvangstkana-len 27 uitgevoerd. De grootten voor elk van de kanalen 27 worden vervolgens gesommeerd en opgeslagen voor later gebruik. De berekende fasehoeken worden afgetrokken om de bovenstaande faseverschuiving te vormen. In het bovenstaande geval wordt de met 20.2 verbonden fase afgetrokken van de met 20.1 verbonden fase.

In de voorkeursuitvoeringsvorm worden de drie elementen 20.1 tot 2Ο.3 gebruikt om de hoek van aankomst in drie dimensies als een azimuth en een elevatiehoek te berekenen. De azimuth-hoek wordt berekend als hierboven waarbij de faseverschuivingshoek wordt berekend door de faseverschuiving tussen elementen 20.2 en 20.3 te detecteren. De elevatiehoek wordt berekend door elementen 20.2 en 20.3 te sommeren teneinde een akoestisch centrum direct beneden 20.1 te vormen. Vervolgens wordt de faseverschuiving zoals hierboven berekend. Deze bewerkingen worden in berekeningssectie 72 uitgevoerd.

In een alternatieve uitvoeringsvorm kunnen de afstand tot een doel, de hoek van aankomst en de grootte worden bepaald met behulp van analoge schakelingen op een wijze die bekend is in de techniek.

Fig. 7 illustreert een kenmerkend bolcoördinatenstelsel, dat resulteert uit de bovenstaande berekeningen. Daaruit kan worden gezien, dat de afstand zeer belangrijk is bij het definiëren van de resolutie van volu-metrisch bemonsteringssysteem 10. Het pad van het akoestische signaal kan worden gezien als een golf die door een reeks overlappende bolschillen 120 passeert. Indien een erroot aantal monsters wordt eenomen als de eolf door elke oneindig dunne schil passeert, zal het resulterende histogram het beeld met de hoogste resolutie verschaffen. Dit kan worden benaderd in een reëel systeem door de sonarpuls-pulsbreedte klein te houden of door impulsequivalente correlatiefuncties die hoge tijd/bandbreedte-produktsignalen gebruiken zoals gepiep ("chirps").

De azimuth- en elevatiehoeken die uit de terugkaatssignalen worden berekend worden vervolgens in bol-actualiseringssectie 7^ gecorrigeerd om een hoek van aankomst te benaderen die op een oneindig stabiel omzetter-array platform zou zijn gemeten.

De gecorrigeerde hoek van azimuth en elevatiehoeken worden vervolgens gecombineerd met de afstand en omgezet in Carthesische coördinaten in Carthesische kaart-vervaardigingssectie 76. Het resultaat wordt gebruikt om een tabel van roosterhistogrampixels zoals getoond in fig.8 te adresseren. Van terugkaatssignalen, die tot enig punt in roosterpixel 130 zijn getraceerd, wordt aangenomen dat zij uit het centrum van pixel 130 komen. Omdat de bepaling van·een punt in het volume uit de differentiële faseverschuivingen, zoals hierboven berekend, echter een veel hogere ruimtelijke resolutie verschaft dan de bundelbreedte die worden gebruikt om het punt met geluidsgolven te bestralen, heeft deze aanname verwaarloosbare gevolgen.

Zodra een terugkaatsmonster is gedetecteerd, als zijnde ontstaan uit roosterpixel 130, moet diens effect in het terugkaatshistogram worden genoteerd. Een verdeling van terugkaatssignalen die ontstaan uit rooster-pixels 130 is getoond in fig.9. Fig. 9 toont roosterpixels 130.1 tot I3O.6. De verdeling van terugkaatssignalen wordt geïllustreerd door middel van het arceren waarbij roosterpixel 130.3 de bron met het grootste aantal terugkaatsignalen is. In een terreinkaartvervaardigingssysteem zou roosterpixel 130.3 de hoogste kans hebben om de bodem van de oceaan te zijn. Een werkwijze voor het vervaardigen van een histogram van terugkaatssignalen is om elke gebeurtenis te noteren door de inhoud van een met diens roosterpixel 130 verbonden geheugenplaats te verhogen. Een meer efficiënte benadering en dat is ook de voorkeursuitvoeringsvorm, is om de door berekeningssectie 72 berekende grootte aan die geheugenplaats toe te voegen. Het resultaat is een met terugkaatssignaalintensiteit gewogen histogram. Deze functie wordt uitgevoerd door de autoregressieve rooster-actualiseringssectie 78.

Om te voorkomen dat de intensiteit zich onbeperkt opbouwt, wordt een vervalalgoritme toegepast door roosteractualiseringssectie 78 op de inhoud van de geheugenplaatsen die met het terugkaatshistogram zijn verbon- -Ό den. Het vervalalgoritme is het proces van middelen van de historie van gegevens die in elk roosterpixel 130 liggen. Een afzonderlijk middelings-proces wordt op elke pixel 130 uitgevoerd. De gegevens uit verschillende pixels worden nooit gedurende dit proces tezamen vermengd. Bij voorkeur kent het proces het grootste gewicht toe aan het meest recente ingangssignaal. De voorkeursverschilvergelijking die he proces definieert is als volgt:

Df(n) - (1-A) x Df(n-l) + A x Du(n), met

Df(n) = n-de (meest recente) monster van gefilterde gegevens,

Df(n-l)= (n-l)de (voorafgaande) monster van gefilterde gege vens,

Du(n) = (meest recente) monster van ongefilterde ingangsgege vens naar de pixel, A = met de nieuwe ongefilterde ingangsgegevens verbonden gewichtscoëfficiënt (0 < A < 1).

Een nieuwe Df(n) wordt kenmerkend na elke sonarpuls berekend. Indien geen gegevens ongelijk aan nul binnen de pixel liggen gedurende een so-narpuls-cyclus dan is Du(n) = 0 en begint de Df(n) langzaam te verdwijnen. Indien verscheidene opeenvolgende "pings" optreden waarvoor Du(n) = 0, dan zal Df(n) asymptotisch de waarde nul benaderen. Omgekeerd, indien verscheidene opeenvolgende "pings" optreden waarvoor Du(n) = L (een willekeurig niveau), dan zal Df(n) asymptotisch de waarde L benaderen. In de voorkeursuitvoeringsvorm ligt de waarde van A in het gebied van 0,1 tot 0,3.

In de voorkeursuitvoeringsvorm wordt het actuele terugkaatshistogram in lokaal geheugen gehouden op de DSP-kaart 92. Als de omzetterarray 14 door het volume beweegt dat deze met geluidsgolven heeft bestraald, worden roosterpixels 130 uit het volume achter array 14 opgeslagen in niet-vluchtig geheugen 84. De met deze roosterpixels 130 verbonden plaatsen komen dan beschikbaar om als nieuwe roosterpixels 130 aan de voorkant van omzetterarray 14 te worden gebruikt.

Een beeldverwerkingstoepassing, waarin de onderhavige volumetrische bemonsteringstechniek wordt toegepast op terreinkaart-vervaardiging wordt vervolgens beschreven. Beeldverwerking wordt uitgevoerd door beeldverwer-kingssectie 80. In de voorkeursuitvoeringsvorm worden deze berekeningen op DSP-kaart 96 uitgevoerd. Histogramgegevens worden onttrokken aan DSP-kaart 92 indien nodig en een reeks van berekeningen wordt uitgevoerd. Het resulterende beeld wordt naar de systeembesturingsinrichting 82 overgedragen, waar het beschikbaar is om op het display te worden getoond of voor opslag, naar wens van de bediening.

Het pixelrooster bestaat uit talrijke kolommen van drie-dimensionele roosterpixels 130, waarin groottesommen zich opzamelen in verhouding tot het niveau van ontvangen signalen uit het met die pixel 130 verbonden volume. Deze sommen worden continu bijgevuld via het constante bemonste-ringsproces. De sommen vervallen via het boven beschreven vervalalgorit-me. Het doel van de terreinkaartvervaardigingsalgoritme is om de correcte terreinniveau-indicatie te herkennen, indien gepresenteerd met een enkele kolom volumepixels en om niet doorslaggevende gegevens te weigeren. De groottesommen van een kolom pixels 130 in het terugkaatshistogram worden op elk gegeven moment in de tijd, van boven tot onderen, gerepresenteerd door een reeks discrete gehele getallen, die reeks A wordt genoemd. De lengte van reeks A is N. In de voorkeursuitvoeringsvorm wordt een aantal proeven op elke discrete kolomreeks uitgevoerd:

Test 1. Monotone piek: Indien de waarde van de getallen in reeks A monotoon afneemt dan elke kant van het enkele hoogste getal in de reeks, dan wordt het door de enkele hoogste pixel gerepresenteerde volumepixel aangewezen als het terreinniveau. Indien deze voorwaarde niet bestaat, dan wordt de onverstoorde reeks A onderworpen aan de volgende test.

Test 2. Geschaalde monotone piek volgens lopend gemiddelde: K is het grootste even getal, dat minder is dan of gelijk is aan (0,5)N. Een nieuwe reeks B wordt gevormd door een lopende middeling uit te voeren onder gebruikmaking van K getallen om elke gemiddelde som te vormen. Daartoe zal het eerste getal in de nieuwe reeks B gelijk zijn aan het gemiddelde van de eerste K getallen in reeks A. Het tweede getal zal gelijk zijn aan het gemiddelde van de getallen in de posities 2 tot en met K+l van reeks A, enz. Het laatste geval zal gelijk zijn aan het gemiddelde van de laatste K getallen in reeks A. De nieuwe reeks B zal K-l getallen minder hebben dan de A-reeks. Dit is niet bevredigend omdat elk getal in de reeks samenvalt met een specifiek volumepixel 130 in de kolom. Om deze situatie te corrigeren voegt verwerkingssectie 80 (K-l)/2 nullen aan elk einde van reeks B toe. Dit verschaft een één-op-één-relatie tussen de getallen in reeks A en de getallen in reeks B. Beeldverwerkingssectie 80 keert vervolgens terug naar de monotone piektest zoals is uitgelegd bij test 1 hierboven teneinde het terreinniveau te bepalen. Indien een monotone voorwaarde niet bestaat, worden vervolgens de kolom-gegevens als niet doorslaggegevend geweigerd en gaat verwerkingssec-tie 80 naar de volgende kolom om de signaalverwerking voort te zetten.

Het terrein kan nu worden bepaald door de matrix van waarden te onderzoeken, die elk de posities van de monotone pieken in elke kolom in het volumetrische rooster representeren. Lege roosterposities (tengevolge van niet-doorslaggevende kolomgegevens) worden gevuld met tussen de twee meest nabije buren geïnterpoleerde waarden.

De algoritme-uitvoer van de terreinkaartvervaardiging is kenmerkend een matrix van waarden, die de terreinhoogte boven de theoretische roos-terbodem op het van belang zijde gebied representeren. Voorts wordt normaal een terreinbetrouwbaarheidsniveau uitgevoerd, waarvan de waarde gelijk is aan de verhouding van het aantal kolommen, dat geldige terrein-niveaus omvat (voorafgaand aan interpolatie), ten opzichte van het totale aantal kolommen in het rooster.

Een representatieve terreinkaart die door middel van beeldverwer-kingssectie 80 is berekend, is getoond in fig.10. Fig. 10 is een grafische representatie van het volumetrische gebied die de terreinniveau-pixels 132 toont zoals deze zijn bepaald uit het proces van het omzetten van terugkaatsstatistieken in een hierboven beschreven terreinkaart. De resulterende terreinkaart kan worden gebruikt om automatische voertuigen te geleiden of ook als hulp bij het bepalen van de plaats van het voertuig.

In een alternatieve uitvoeringsvorm worden afvlak- of middelings-algoritmes toegepast op de pixels 130, hetgeen het terugkaatshistogram vormt voorafgaand aan de implementatie van de terreinkaartalgoritme. De afvlakalgoritmes bestaan uit "volumetrische middeling over de meest nabije buren", waarbij de nieuwe waarde van een somgrootte bijvoorbeeld gelijk wordt aan het gemiddelde van diens meest nabije zes omringende buren (alleen zijkanten) of zesentwintig omliggende buren (zijkanten en hoeken).

Alternatieve uitvoeringsvormen met betrekking tot het volumetrische bemonsteringssysteem zullen nu worden beschreven. Een alternatieve uitvoeringsvorm van zender 12, reeks l4 en ontvanger 16 is getoond in fig.11. In deze uitvoeringsvorm zijn negen omzetelementen 20 opgesteld in een 3*3 matrixconfiguratie. Elementen 50*1*. 50.2, 50.4 en 50.5 2ijn zodanig verbonden dat zij een eerste akoestisch centrum 52.1 vormen, elementen 50*2, 50-3* 50.5 en 50.6 zijn zodanig verbonden dat zij een tweede akoestisch centrum 52.4 vormen, elementen 50.4, 50.5» 50.7 en 50.8 zijn zodanig verbonden dat zij een derde akoestisch centrum 52.3 vormen en elementen 50.5» 50.6, 50.8 en 50.9 zijn zodanig verbonden dat zij een vierde akoestisch centrum 52.2 vormen. Vier ontvangerkanalen 27 zijn voorzien om terugkaatssignalen om te zetten in digitale representaties voordat zij naar gegevensverwerker 18 worden geleid.

In deze uitvoeringsvorm zijn elementen 50 keramische elementen, die volgens piëzo-elektrische principes werken. Dit maakt de constructie van compacte omzetterarrays met meervoudige elementen mogelijk.

De vier akoestische centra 52.1 tot 52.4 van de omzetterarray 14 van fig.ll verschaft een overbepaald systeem. Dit komt omdat elk drietal van de akoestische centra 52 kan worden gebruikt om de hoek van aankomst te berekenen. Daarom is het mogelijk om te verschijnen met vier mogelijke hoeken van aankomst. Een compromisoplossing kan worden verkregen door een kleinste kwadratenalgoritme toe te passen om de hoek van aankomst te benaderen. Zo’n systeem zou zich krachtiger moeten gedragen in de aanwezigheid van ruis dan een omzetterarray met drie akoestische centra. Het is echter meer complex.

Een andere alternatieve uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding is geïllustreerd in fig.12. In deze uitvoeringsvorm is een projector l40 toegevoegd aan zender 12 voor onafhankelijke transmissie van akoestische signalen. Ingangsschakeling 142 omvat beschermingsschakeling 28, voorversterker 30 en tijdvariante versterker 32. Laagdoorlaatfilter 34 van de voorkeursuitvoeringsvorm is vervangen door een 16 kHz bandfilter 144 gecentreerd rondom 35 mHz. Bemonsterings- en houdschakeling 36 is vervangen door twee bemonsterings- en houdschakelingen 146 en 148. Bemonsterings- en houdschakelingen 146 en 148 worden 90 graden uit fase bemonsterd bij 35 kHz om analoge I- en Q-signalen te verschaffen. A/D-schakeling 38 is vervangen door A/D-schakelingen 150 en 152, die de I en Q voor elk kanaal naar digitale signalen omzetten met dezelfde 35 kHz-frequentie. In deze uitvoeringsvorm behoeft gegevensverwerker 18 geen complexe demodulatiefunctie uit te voeren, omdat dit in het analoge domein wordt gedaan als een inherent onderdeel van het synchrone bemonste-ringsproces.

De benadering van fig.12 reduceert de gegevensverwerkingsvereisten op gegevensverwerker 18, onder vergroting van de complexiteit van het bemonsteringsproces.

Het gebruik van meer dan één volumetrisch aftastsysteem 10 zal nu worden besproken. Fig. 13 illustreert een volumetrisch beeldsonarsysteem I58, dat een aantal volumetrische aftastsonarsystemen omvat. Een voorwaarts waarnemende volumetrische aftastinrichting l60 bestraalt een volume aan diens voorkant met geluidsgolven met een conische bundel van tamelijk brede hoek. Twee zijwaarts waarnemende aftastinrichtingen 162 bestralen met geluidsgolven met een smallere bundel op grotere afstand. Een groot terugkaatshologram wordt getekend over een, het systeem 158 omhullend volume.

In de voorkeursuitvoeringsvorm van een meervoudig aftastbeeld-systeem ontvangt een gegevensverwerker terugkaatsgegevens, zoals grootte en hoek van aankomst uit de ontvangers van de aftastinrichtingen l60 en I62, zoals beschreven in het enkelvoudige ontvangersysteem van fig.2a en 2b. De gegevensverwerker vormt een terugkaatshistogram door uit elk van de ontvangers ontvangen gegevens aan een enkelvoudig terugkaatshistogram toe te voeren. Dubbelzinnigheden worden opgelost door toepassing van optimalisatietechnieken voor overbepaalde systemen, zoals een kleinste kwadraatpassing.

In deze uitvoeringsvorm kan de oplossing van dubbelzinnigheden in terugkaatsgegevens worden gebruikt om de resolutie in die secties van het volume te vergroten die de systemen overlappen. Dit kan worden gedaan door het toepassen van optimalisatietechnieken voor overbepaalde systemen, zoals een kleinste kwadraataanpassing.

Fig. 14 en 15 illustreren de met het volumetrische aftastsonarsys-teem 158 mogelijke aftasting. Fig. lb toont de met de voorwaartse waarne-mingssonar l60 mogelijke terreinkaartvervaardiging. Fig. 15 toont de met één van de zijwaarts waarnemende sonars 162 mogelijke terreinkaartvervaardiging. Bundelbreedte en bundeloverlap van door sonar l60 en sonars I62 gegenereerde bundels kunnen zo worden gekozen dat de resolutie wordt vergroot door vergroting van de overlap of dat de afstand wordt vergroot door de bundel smaller te maken om op een grotere afstand met geluidsgolven te bestralen.

In een alternatieve uitvoeringsvorm van het systeem volgens fig.13 wordt een drie-dimensioneel model van het volumetrische gebied gevormd door elk van de aftastinrichtingen 160 en 162. Deze modellen worden vervolgens samengevoegd om een enkelvoudig drie-dimensioneel model van het volume dat het sonarvoertuig omringt te creëren.

In een andere alternatieve uitvoeringsvorm van het systeem van fig.13 is betere resolutie en zulke zaken als identificatie van terrein- materialen mogelijk indien aftastinrichting l60 bij een frequentie opereert die verschillend is van diegene van systemen 162.

De voorgaande beschrijving van de voorkeursuitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding zijn gepresenteerd bij wijze van illustratie. Deze is niet uitputtend bedoeld of als beperking van de uitvinding tot de exact beschreven uitvoeringsvorm. Verscheidene wijzigingen en variaties zijn mogelijk binnen het kader van de onderhavige uitvinding. De omvang van de uitvinding wordt alleen beperkt door de bijgevoegde conclusies en niet door de bovenstaande beschrijving.

Claims

1. Sonarsysteem voor het afbeelden van een volumetrisch gebied omvattend: transmissiemiddelen voor het bestralen met geluidsgolven van het volumetrische gebied; ontvangstmiddelen die een aantal elementen omvatten voor het ontvangen van een akoestisch terugkaatssignaal, dat door een structuur binnen het volumetrische gebied wordt gereflecteerd en voor het genereren van een elektrisch signaal in overeenstemming met het terugkaatssignaal, waarbij de elementen zodanig zijn opgesteld, dat ten minste twee van de elementen zijn gescheiden in een eerste richting ten opzichte van de normaal ten opzichte van de ontvangstmiddelen en ten minste twee elementen zijn gescheiden in een tweede richting ten opzichte van de normaal; middelen voor het genereren van timinggegevens die een indicatie vormen van de tijdvertraging tussen transmissie van een akoestisch signaal uit de zendmiddelen en de ontvangst van het gereflecteerde terugkaatssignaal door de ontvangstmiddelen en signaalverwerkingsmiddelen voor het filteren van het gereflecteerde terugkaatssignaal, waarbij de gegevensverwerkingsmiddelen omvatten: middelen voor het genereren van eerste hoekgegevens als functie van een differentiële fasemeting van het elektrische signaal in overeenstemming met het terugkaatssignaal dat door de twee in de eerste richting gescheiden elementen is ontvangen, waarbij de eerste hoekgegevens een indicatie vormen voor de hoek tussen de hoek van aankomst van het terugkaatssignaal en een eerste referentievlak dat transversaal is georiënteerd ten opzichte van de in de eerste richting geplaatste elementen en middelen voor het genereren van tweede hoekgegevens als functie van een differentiële fasemeting van de elektrische signalen in overeenstemming met het terugkaatssignaal dat door de twee in de tweede richting gescheiden elementen wordt ontvangen, waarbij de tweede hoekgegevens een indicatie vormen voor de hoek tussen de hoek van aankomst van het terugkaatssignaal en een tweede referentievlak dat transversaal is georiënteerd ten opzichte van de in de tweede richting geplaatste elementen.

2. Sonarsysteem volgens conclusie 1, waarin de zendmiddelen zender-bundelvormende middelen omvatten voor het genereren van smalle bundels, zodanig dat slechts één gedeelte van het volumetrische gebied met ge luidsgolven wordt bestraald op een bepaald tijdstip en waarin de ont-vangstmiddelen ontvangerbundelvormende middelen omvatten die met de zen-derbundelvormende middelen zijn gekoppeld, zodanig dat de ontvangstmidde-len alleen terugkaatsgegevens uit dat specifieke gedeelte van het volume-trische gebied zullen verwerken.

3. Sonarsysteem volgens conclusie 1, waarin de gegevensverwerkings-middelen verder middelen voor het genereren van gegevens met betrekking tot de grootte omvatten als functie van de amplitude van het gereflecteerde terugkaatssignaal.

4. Sonarsysteem volgens conclusie 1, waarin de gegevensverwerkings-middelen verder pixellocaliseringsmiddelen omvatten voor het bepalen van de plaats van een pixel als functie van de timinggegevens, de eerste hoek en de tweede hoek verbonden met het gereflecteerde terugkaatssignaal, waarbij de pixel representatief is voor een met de structuur binnen het volumetrische gebied verbonden punt.

5- Sonarsysteem volgens conclusie 4, waarin de gegevensverwerkings-middelen verder middelen omvatten voor het genereren van gegevens met betrekking tot de grootte als functie van de amplitude van het gereflecteerde terugkaatssignaal en pixelafstemmiddelen voor het berekenen van een afstemming van de pixel als functie van de gegevens met betrekking tot de grootte.

6. Sonarsysteem volgens conclusie 1, waarin alle elementen in de ontvanger in hetzelfde vlak liggen.

7. Sonarsysteem volgens conclusie 6, waarin het eerste referentie-vlak loodrecht staat op het vlak van de ontvangerelementen en het tweede referentievlak loodrecht staat op zowel het vlak van de ontvangerelementen als op het eerste referentievlak.

8. Sonarsysteem volgens conclusie 6, waarin het aantal elementen drie elementen omvat waarbij twee van de elementen vertikaal ten opzichte van elkaar zijn verplaatst en twee van de elementen horizontaal ten opzichte van elkaar zijn verplaatst.

9· Sonarsysteem volgens conclusie 6, waarin het aantal elementen drie bij de hoeken van een driehoek geplaatste elementen omvat.

10. Sonarsysteem volgens conclusie 6, waarin het aantal elementen in een N X M matrix is opgesteld en zodanig is verbonden dat vier akoestische centra worden gevormd.

11, Sonarsysteem volgens conclusie 1, waarin het aantal elementen in de ontvangerarray ten minste vier bedraagt en waarin de gegevensverwer-kingsmiddelen verder middelen voor het verwijderen van onzekerheden bij de bepaling van de hoek van aankomst van de gereflecteerde terugkaatssig-nalen omvatten.

12. Sonarsysteem voor terreinkaartvervaardiging voor het afbeelden van een volumetrisch gebied, omvattend: eerste en tweede volumetrische aftastsystemen, waarin elk aftast-systeem omvat: zendermiddelen voor het bestralen van een volumetrisch gebied met akoestische signalen; ontvangermiddelen omvattend een aantal elementen voor het ontvangen van een akoestisch terugkaatssignaal dat door een structuur binnen het volumetrische gebied wordt gereflecteerd en voor het genereren van een elektrisch signaal in overeenstemming met het gereflecteerde terugkaatssignaal en terugkaatssignaalverwerkingsmiddelen omvattend: middelen voor het genereren van timinggegevens die een indicatie vormen voor de tijdvertraging tussen het verzenden van een akoestisch signaal uit de zendermiddelen en de ontvangst van het daarmee gekoppelde gereflecteerde terugkaatssignaal bij de ontvangermiddelen; directionele middelen voor het bepalen met behulp van differentiële fasemetingen, van een eerste en een tweede hoek die de hoek van aankomst van het terugkaatssignaal definiëren en afstandsbepalende middelen voor het berekenen van de afstand tot de structuur en systeemgegevensverwerkingsmiddelen verbonden met de eerste en tweede volumetrische aftastsystemen voor verwerking van de informatie die uit de aftastsystemen wordt ontvangen en voor het verwerken van die informatie teneinde een drie-dimensioneel model van het volumetrische gebied te vormen.

13- Sonarsysteem volgens conclusie 12, waarin elk van de terugkaatssignaal verwerkingsmiddelen verder pixellocaliseringsmiddelen om, als functie van de afstand en de hoek van aankomst van elk terugkaatssignaal, de plaats in het geheugen te bepalen die is verbonden met een pixelrepre-sentatie van het punt in het volumetrische gebied waaruit het terugkaatssignaal werd gereflecteerd. lA. Sonarsysteem volgens conclusie 13, waarin elk van de terugkaatssignaal verwerkingsmiddelen verder terreinkaartvervaardigingsmiddelen omvatten voor het omzetten van een histogram van terugkaatssignaalgege-vens in een terreinkaart.

15. Sonarsysteem volgens conclusie 14, waarin de systeemgegevensver- werkingsmiddelen dubbelzinnigheidsoplosmiddelen voor het oplossen van dubbelzinnigheden tussen een door de eerste volumetrische aftastinrich-ting gegenereerde terreinkaart en een door de tweede volumetrische aftas tinrichting gegenereerde terreinkaart.

16. Sonarsysteem volgens conclusie 12, waarin de systeemgegevensver-werkingsmiddelen communicatie-interfacemiddelen omvatten voor ontvangst van afstand- en hoek-van-aankomstgegevens verbonden met terugkaatssigna-len uit de eerste en tweede volumetrische aftastsystemen en pixellocatie-middelen om, als functie van de afstand, de hoek van aankomst te bepalen en het aftastsysteem, de plaats in het geheugen te bepalen die is verbonden met een pixelrepresentatie van het punt in het volumetrische gebied waaruit het terugkaatssignaal werd gereflecteerd.

17. Werkwijze voor het in kaart brengen van een terrein met behulp van een volumetrische afbeeldsonar, omvattend: het verdelen van een volumetrisch gebied in een aantal kubussen van gelijke afmeting; het ontwikkelen van een histogram van terugkaatsgegevens door middel van registratie in een afzonderlijke, met elk van de kubussen verbonden geheugenplaats, elke keer dat een akoestisch terugkaatssignaal wordt gedetecteerd, dat uit het door die kubus begrensde volume afkomstig is; het bepalen van de kubus in elke rij en kolom die de grootste kans heeft om de terreinbodem te zijn en het verbinden van de kubussen met de hoogste kans om een terreinbodem te zijn teneinde een terreinkaart te vormen.

18. Werkwijze volgens conclusie 17. waarin de stap van het ontwikkelen van een histogram van terugkaatsgegevens het toevoegen van een eerste waarde aan de met één van de kubussen verbonden geheugenplaats omvat, waarbij de eerste waarde een functie is van de amplitude van het uit die kubus ontvangen terugkaatssignaal is.

19. Werkwijze volgens conclusie 17» waarin de stap van het ontwikkelen van een histogram van terugkaatsgegevens het reduceren van de grootte van de in elk van de geheugenplaatsen opgeslagen gegevens met een vooraf bepaalde snelheid omvat, teneinde de invloed van meer recente terugkaatsgegevens te vergroten.

20. Werkwijze volgens conclusie 17» waarin de stap van het bepalen van de kubus in elke rij en kolom die de grootste kans heeft om de terreinbodem te zijn het zoeken van de met een rij en kolom verbonden geheugenplaatsen omvat teneinde de plaats met de grootste grootte te vinden.

21. Werkwijze volgens conclusie 17. waarin de stap van het verbinden van de kubussen het berekenen van een betrouwbaarheidsniveau omvat dat is gekoppeld aan de kubus die is aangewezen als zijnde de kubus met de hoogste kans om de terreinbodem te zijn om een terreinkaart te vormen, waarbij kubussen buiten beschouwing worden gelaten die niet aan een betrouw-baarheidsdrempelwaarde voldoen en het vormen van een curve met betrekking tot die kubussen die aan de betrouwbaarheidsdrempelwaarde voldoen teneinde de terreinkaart te vormen.

22. Werkwijze voor het- verzamelen van terugkaatsgegevens teneinde een terreinkaart van een volumetrisch gebied te vormen, welke methode omvat: het verdelen van een volumetrisch gebied in een aantal gebieden; het bestralen van het volumetrische gebied met geluidsgolven; het opvangen van terugkaatssignalen resulterend uit het bestralen van het volumetrische gebied met geluidsgolven; het bepalen van de grootte, de afstand en de hoek van aankomst van het terugkaatssignaal met de grootste amplitude voor elk bepaalde gebied; het verdelen van het volumetrische gebied in een aantal kubussen van gelijke afmeting; het bepalen van de plaats van een puntkubus die is verbonden met de hoek van aankomst van het terugkaatssignaal met de grootste amplitude binnen elk gebied; het toevoegen van een waarde aan de inhoud van een met de puntkubus verbonden geheugenplaats en waardoor een histogram van terugkaatsgegevens, die bruikbaar zijn voor het ontwikkelen van een terreinkaart van het volumetrische gebied, kan worden gevormd door opeenvolgende bestralingen van het volumetrische gebied met geluidsgolven.

23. Werkwijze volgens conclusie 22, waarin de werkwijze van het verzamelen van terugkaatsgegevens verder het vermenigvuldigen van de inhoud van de met elke kubus verbonden geheugenplaats met een vervalfac-tor omvat tussen elke bestraling met geluidsgolven teneinde de invloed van meer recente terugkaatsgegevens te vergroten.