NO160477B - Interferometrisk sonar for ulineaer akustisk anvendelse. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en interferometrisk sonar som anvender de ulineære egenskaper i havvannsmil-jøet. I forbindelse med undervannsakustikk medfører søk-ingen etter objekter slik som miner på havbunnen bruken av en sonar med høy oppløsning for å identifisere slike objekter. Videre utføres søking etter miner med fordel på frekvenser av noen titalls kHz (betegnet som lave frekvenser for å bevirke deteksjon og lokalisering av nedgravde miner). Akustisk energi trenger i en betydelig grad inn i sand og sedimenter kun ved frekvenser som ikke overskrider 30 kHz. Videre kan miner dekkes med såkalte refleksjonsfrie materialer for absorbering av lyd-bølger, men disse materialer er meget effektive kun ved høye frekvenser.

Bruken av lave frekvenser med god oppløsning medfører antenner av vesentlig størrelse eller syntetiske antenner som medfører komplisert teknologi.

Som omhandlet i særdeleshet i EP-A-0002642 (US 4234939) ,

er det kjent å konstruere en aktiv sonar som har høy opp-løsning og med en mottagningsantenne som omfatter en rek-

ke av hydrofoner og senderantenne som omfatter to transdusere som er plassert ved mottagerantennens ender. For å sikre god dekning av en vinkelsektor, finner transmisjon ved hjelp av de to endetransduserne sted vekselvis i fase eller i fasemotsetning.

Det er også en kjent praksis å sende på to høye frekvenser og å motta på differansefrekvensen som en følge av ulineæri-teter i forplantningsmediet, se US 3 786 405.

Den sonar som er omtalt i nevnte patentpublikasjon, leverer imidlertid bare en knippe med enhetlige lydbølger, hvor retningen er konstant. Søkingen langs havbunnen finner sted ved forflytning av fartøyet som bærer sonaren.

Videre er der fra FR 2 214 132 (US 3 823 531) kjent en

sonar som benytter et system med utsending av to høye frekvenser og med mottagning på den lavfrekvens som svarer til den aritmetiske forskjell eller kombinasjon av først-nevnte frekvenser. Selve stråledannelsen blir utført ved hjelp av grupper av strålingselementer som er anordnet på en senderantenne, og man fremskaffer en styring av strål-ene ved hjelp av variable forsinkelseslinjer som er kob-let mellom en kilde for signaler og de enkelte strålingselementer. Mottagertransduseren virker i alle retninger og har et passbånd som ligger i det lave frekvensområde.

Sonaren ifølge oppfinnelsen tar sikte på å gi god oppløs-ning som følge av interferometrisk sending på to frekvenser og mottagning på differansefrekvensen. Således gis der ifølge oppfinnelsen anvisning på å motta både på høy frekvens (HF) og på lav frekvens (LF) og således å oppnå samtidig informasjonsstykker som leveres både av LF sonaren og av HF sonaren. Det er således f.eks. mulig å fremvise disse to bilder på samme skjerm. Ved visuell korrelasjon oppnår dette forbedret detekteringsevne og et redusert falsk alarm forhold.

Med andre ord foreslår oppfinnelsen et interferometrisk sonar-apparat for ulineær akustisk anvendelse, omfattende en mottagerantenne med en første sammenstilling av transdusere, en senderantenne med to transdusere plassert ved mottagerantennens ytterender, en første kanalformede innretning som er forbundet med mottagerantennen, en første detekteringsinnretning som er forbundet med den første kanalformede innretning, en visningsinnretning som er forbundet med den første detekteringsinnretning, et faseskifteorgan som bevirker at sendertransduserne sender alternerende i fase eller i antifase, idet de dannede kanaler blir sentrert på toppverdiene av de interferometriske diagrammer, og det kjennetegnede trekk ved oppfinnelsen ligger i det faktum at apparatet omfatter organer som bevirker at sendertransduserne sender samtidig via to høyfrekvenser F-^ og F21 at faseskifteorganene opererer bare via en av de to frekvenser, at den første mottager-transdusersammenstilling er innrettet til å motta høyfre-kvenssignalene F^ og F2 og de lavfrekvenssignaler F^ -

F2 som er et resultat av interferensen mellom to høyfre-kvenser, at den første kanalformingsinnretning er forbundet med den første mottager-transdusersammenstilling for dannelse av lavfrekvens-mottagelseskanalene med utgangs-punkt i lavfrekvens-mottagelsessignalene, at den første kanalformingsinnretning for detektering av den informasjon som inneholdes i lavfrekvens-mottagelseskanalene,

at apparatet ytterligere omfatter en annen mottager-transdusersammenstilling som er plassert mellom transduserne i den første sammenstilling, og innrettet til å motta høyfrekvenssignalene F^ og F2, en annen kanalformingsinnretning forbundet med alle mottager-transdusere for fremskaffelse av høyfrekvens-mottagerkanalene, og én annen detekteringsinnretning som er forbundet med den annen kanalformingsinnretning for detektering av den informasjon som inneholdes i høyfrekvens-mottagelseskanalene, og at visningsinnretningen er forbundet med den før-, ste og annen detekteringsinnretning og tillater visning samtidig av den informasjon som inneholdes i høy- og lavfrekvens-mottagelseskanalene.

Fig. 1, 2 og 3 viser diagrammer for en interferometrisk sonar for henholdsvis sending, mottagning og sending-mottagning. Fig. 4 er et skjema over en interferometrisk senderantenne. Fig. 5 er et forklarende diagram i tilfellet av ulineær sending. Fig. 6 illustrerer en sending-mottagningsenhet ifølge oppfinnelsen. Fig. 7 viser diagrammer for sending og sending-mottagning i tilfellet av ulikt dannede kaneler, ifølge oppfinnelsen. Fig. 8 er et skjema over en lavfrekvent og høyfrekvent sende- og mottagningsenhet. Det er kjent at, dersom to kilder utstråler synkront, er strålingsdiagrammet TQ (0) i tilfellet av de to punktkildene gitt av: <1>

hvor L er avstanden mellom de to kildene, G er vinkelen dannet av en retning med normalen på den rette linjen som forbinder nevnte to kilder, og X er bølgelengden i for-

i plantningsmediet.

I tilfellet av utvidede kilder er diagrammet T (0) (fig. 1)

i

gitt av:

hvor T0 O) er gitt av forholdet (1) og D (9) er elémentær-diagrammet for hver av de to kildene.

I tilfellet av en mottagningsantenne som også har lengde L og er forsynt med transdusere som anses kontinuerlig å opp-ta nevnte lengde L eller, praktisk uttrykt, med en avstand d mellom transduserene slik at d^ A/2, er mottagnings-diagrammet R ( 9) slik at:

med en bredde av 0,88 /{/!• ved 3 dB som vist i fig. 2, hvor sidelobene ikke er blitt tatt i betraktning.

Ifølge de foregående forhold blir sendings-mottagnings-diagrammet T (9) x R (0) som følger:

Uttrykket 3 viser at det fullstendige diagram har en halvpart av verdien ved 3dB, dvs. 0,44 /(/L, hvilket svarer i henhold til forholdet (2) til et diagram for en antenne-lengde av 2L.

Det er allerede kjent å behandle signaler som mottas av transduserene for å danne m kanaler ved å kompensere for de geometriske etterslep som svarer til de m retninger bestemt av vinkler slik at 8^ med Km. Hvis vinkelene 9± er slik at sin 9± = K^L, hvor K. er en konstant som er et helt tall, vil toppverdiene for de dannede kanaler svare til de hos funksjonen TQ(8) i forholdet (1).

Fig. 3 viser den sentrale kanalen Vg og de seks kanalene V_^, V_2» <v>_i» vi' V2 °^ V3 som er sentrert På verdier av (L sinO)/^ = -3, -2, -1, 1, 2 og 3.

Ettersom nevnte dannede kanaler etterlater gap mellom seg, utfylles disse gap ved å utføre vekselvise sendinger i hvilke de to transduserene er i fase og så i fasemotsetning. I sistnevnte tilfelle oppnås med hensyn til T0 (0):

og m andre kanaler dannes i m retninger bestemt av vinkelene 8^ slik at sin 9^ = (Ki + 1/2) ^/L. Disse kanaler er innskutt mellom kanalene vist i fig. 3.

En sendeantenne ifølge oppfinnelsen er vist i fig. 4. De

to sendetransduserene SA og Sg mates samtidig med signaler som har de høye frekvenser (HF) og F£ gitt av generatorer

og G2• Utenfor Fresnelsonen sender de to transduserene i form av kjegler CA og CQ (som vist i fig. 5) som har en vinkelmessig åpning X/ t i figurens plan, hvor \

er den bølgelengde som er tilknyttet middelfrekvensen (F^ + F^)/ 2 og X er lengden av de to transduserene SAj og S„ som er i en avstand L fra hverandre.

Når en akustisk bølge utsendes i vann, er de ulineære egenskaper for mediet slik at bølgehastigheten avhenger av den øyeblikkelige amplitude av lydtrykket og sinusformen av nevnte trykk gjennomgår deformasjon, og får således en tendens mot en sagtannform. Som følge av dette, hvis to lydbølger på de såkalte primære frekvenser F^ og F2 utsendes innenfor det samme volum, samvirker de således at de tilveiebringer samtlige intermodulasjonsprodukter, innbefattende i særdeleshet signalet på frekvensen F2 + F-^ som hurtig absorberes, og det signal som oppnås på frekvensen F_ - F..

Antennen som utstråler denne, lavfrekvens er derfor ikke antennen, men hele volumet i hvilket lyd utsendes påj de to primærfrekvensene. Denne antenne av langstrakt form og bestående av vann utstråler sin lavfrekvens i for-plantningsretningen for primærbølgene.

Det er kjent at Fresnelsonen i praksis strekker seg til avstanden d =Z /X (5)- Skjæringspunktet for de to kjeglene CA og Cg ved punktet P er ved avstanden D = (6) og ifølge forholdene (5) og (6), er D/d = L/X, nar D/d^l ettersom L>?£og sonen Z hvor interferensen finner sted på høyfrekvens er piassert godt utenfor Fresnelsonen. Følgelig genererer den ulineære samvirk-ningen i vann, ved nivået for de to utsendingskjeglene CA og Cg, to lavfrekvente kilder F^ - F2 adskilte me'd

en avstand av L, idet samvirkningssonen Z c er tilstrekkelig fjerntliggende til å ha en helt ubetydelig innflytelse.

En konvensjonell beregning innenfor ulineær akustikk;

viser i realiteten at lengden av vannvolumet som av-skjæres av de to sendingskjeglene er tilstrekkelig til å

generere de to lavfrekvente kildene. Et lavfrekvent inter-ferometer i sendingsmodus oppnås således.

Et antall m av LF (lavfrekvens) kanaler dannes i mottagnings-modusen på antennen av lengde L og sendings-mottagnings-produktet har et lavfrekvent strålingsdiagram som er dobbelt så retningsvirkende som det for en konvensjonell antenne. På tilsvarende måte må det være mulig i tilfellet av HF (høyfrekvens) interferometeret å faseforskyve send-ingen med JV for å danne 2m-l kanaler gjennom det hele av en vinkelsektor. I fig. 4 er vist en faseforskyver 40 for signalet på frekvensen F^ og sending finner sted veksel-

vis med og uten en faseforskyvning av JT på signalet med frekvensen F^. Det bør bemerkes at 7T faseforskyvningen kan påføres likegyldig til signalet av frekvensen F^

som angitt i eksempels form eller til signalet av frekvensen F2 •

I en eksemplifisert utførelsesform av oppfinnelsen ved-rørende en sonar med høy oppløsning for deteksjon og lokalisering av nedsenkede objekter med interferometrisk transmisjon, har sonaren de følgende kjennetegn:

- første høyfrekvens F1= 160 kHz,

- andre høyfrekvens F2= 190 kHz,

- middel høyfrekvens (E1 + F2)/2 = 175 kHz,

- middel HF transmisjonsbølgelengde X= 8,57 mm,

- avstand mellom sendingstransduserene = 171 Xcl,5 m,

- dimensjoner for sendingstransduserene:

lengde = 7X,e:60 mm, høyde = 434 mm,

- LF mottagningsfrekvens F2 Fi = ^0 ^Hz,

- mottagningsbølgelengde = 50 mm.

Mottagningsantennen er en flat hydrofonbasis som er føl-

som for lavf rekvensen F2 - F^ De mottatte signaler behandles på den konvensjonelle måten for å danne kanaler.

Fig. 6 viser denne utførelsesform på en skjematisk måte. Sending finner sted samtidig fra de to endetransduserene

SA og Sg på frekvensene F^ og F2. På frekvensen F2 utsendes signalene av de to transduserene kontinuerlig i fase. På frekvensen F^ er imidlertid de utsendte signaler vekselvis i fase og i fasemotsetning for å sikre at det samme skjer for de signaler som genereres på differansefrekvensen F^ - F2' Under hver av disse sekvenser dannes m-l kanaler, hvilket tillater overvåkning av en vinkelsektor uten gap.

Sendingssignalene på frekvensen F^ og F2 leveres av generatorer 11. Disse signaler forsterkes av forsterkeren 10.A og påtrykkes transduseren SA. Signalet som svarer til frekvensen F^ mates til en 0 eller -2T faseforskyver 20 som er styrt av et klokkesignal H. Det signalet som leveres av den styrbare faseforskyveren 20 påtrykkes en forsterker 10.B likesom signalet med frekvensen F2- De forsterkede signaler mates til transduseren Sg.

J[T fasefbrskyvning på signalet som utsettes av transduseren Sg på frekvensen F-^ frembringer nevnte faseforskyvning på det lavfrekvente signalet som er til stede blåndt-.iriter-modulasjonsproduktene dannet av det ulineære mediet i i vannkjeglen plassert foran transduseren Sg. j

i Effektforsterkerene 10.A og 10.B hos nevnte transdusere gjør det mulig å levere en effektutmatning som er større enn en kilowatt pr. transduser. Nevnte ef f ektutmatnijng medfører et høyfrekvent lydnivå av 125 dB pr. element (ref. IV/l y£>) . Standardberegninger innenfor ulineær akustikk viser at det resulterende lavfrekvente lydnivået ved 30 kHz vil være av størrelsesorden 95 dB. Kildene SA og Sg oppfører seg derfor som to LF projektører ved

30 kHz og leverer et lydnivå av 95 dB (ref. IV/ljxB). Mottagningsantennen omfatter de N hydrofoner 3.1, 3.i, 3.N. De mottatte signaler på frekvensen F2 - F-^ forsterkes av forsterkerene 30.1, 30. i,....:.. 30.N og de forsterkede signaler påtrykkes kanaldannelseskretsene 31.

Dannelse av kanaler finner sted på en kjent måte ved faseforskyvning eller tidsforsinkelse av signalene og gjør det mulig å danne et flertall kanaler parallelt i ulike lytteretninger.

0 eller JJ^faseforskyvningen som er gitt av kretsen 20 styres av en klokke H som også. styrer de lavfrekvente kanaldannelseskretsene. Kanalene B^, B^ dannes således under en sekvens og kanalene B2, B^ dannes under den andre sekvensen som svarer til Jf faseforskyvningen.

Disse kanaler blir så detektert og multiplekset av kretsen 32 på en kjent måte og de leverte signaler mates til en visuell fremviserenhet 33.

En betraktning er gitt i eksempels form hvor N = 7 hydrofoner som har en avstand av 3,5 A, hvor A- er den bølge-lengde som svarer til den lave frekvensen 30 kHz.

Fig. 7 viser de diagrammer som derved oppnås. På linje a er der visti lavfrekvenstransmisjonsdiagrammet (Eg) som svarer til lavfrekvens interferometri som gir cosinus lober ifølge forholdet (1) som har en bredde av 1,25°

ved 3 dB (L = 171%) modulert av transmisjonsdiagrammet for en transduser ( Z = 7 Å.) ved høy frekvens. På linje b er der vist transmisjonsdiagrammet med en faseforskyvning av^T ved lav frekvens og EJF mellom de to transmi-sjoner. I dette tilfellet oppnås sinuslober ifølge forholdet (4) .

På linje c er der vist sendings-rnottagningsdiagrammet

(EQR) (null faseforskyvning) hvor de like-tall nummererte kanaler B2, B^, Bg er vist.

På linje d er vist diagrammet (E#R) med de odde-tall nummererte kanaler B^, B^, B5, B^ (^Tfaseforskyvning).

Til sist er både de odde-tall nummererte og like-tall nummererte kanaler vist på linje e, hvorav fremgår at sektoren av 8,75° som svarer til HF diagrammet for transmi-

sjonen hos en enkelt transduser D (0) derfor dekkes.

i

Det er mulig ifølge oppfinnelsen å oppnå et HF interfero-meter som kombineres med LF interferometeret beskrevet i det foregående, men HF mottagningsantennen må forsynes med et tilstrekkelig antall av hydrofoner for å avvise bilde-lober utenfor lyttesektoren som svarer til en utsending.

I tilfellet av det nettopp gitte eksempel, har lyttesektoren en vinkel ved midten av 8,75°, dvs. en avstand mellom mottagerene lik høyst 6,57 X ved frekvensen F^ eller F2. For å oppnå en enkelt HF og LF antenne, velges en avstand lik 5,83 X mellom hydrofoner, hvorved frem-bringes en antenne som omfatter 31 hydrofoner, hvorav 7 anvendes både for LF mottagning og for HF mottagning.

Systemet i hvilket de to LF og HF interferometerene kombineres er vist i fig. 8. Der er påny vist LF intér-ferometerelementene, dvs. hovedsakelig de to kildene!

I

SA og sn og mottagerantennen, i hvilken kun hydrofoner

A o I slik som hydrofonen 3 (dvs. en av fem) er tatt i betraktning i LF kanaldannelseskretsen 31.

HF interferometeret omfatter to kilder SA og SB og mottagerantennen i hvilke alle hydrofonene, slik som,

de som er betegnet méd henvisningstallene 3 og 4, er' tatt i betraktning i HF kanaldannelsesenheten 41. j

Etter deteksjon og multipleksing i kretsene 32 og 42

blir de to sett av dannede HF og LF kanaler samtidig sendt til en visuell fremviserenhet 50 for den vinkel-messige lyttesektoren (asimut-distanse representasjon). En spesiell farge er tilegnet hvert sett for å skillé mellom HF og LF informasjonen for sammenligningsformålet. I denne forbindelse innføres en liten vinkelmessig for-skyvning mellom de to settene i den visuelle fremviseren. Det vil imidlertid lett forstås at HF og LF signalene

kan vises separat.

i j

I en alternativ utførelsesform av oppfinnelsen er to separate og distinkte interferometersonarer tilknyttet, nemlig en LF sonar som vist i fig. 6 og en HF sonar som vist i fransk patent nr. 77 38092.

I en annen alternativ utførelsesform av oppfinnelsen er nevnte LF interferometersonar tilknyttet en vanlig HF sonar som ikke medfører bruk av interferometri.

Claims (2)

1. Interferometrisk sonar-apparat for ulineær akustisk anvendelse, omfattende en mottagerantenne med en første sammenstilling av transdusere (3), en senderantenne med to transdusere (S^, gB) plassert ved mottagerantenriens ytterender, en første kanalformende innretning (31) som er forbundet med mottagerantennen, en første detekteringsinnretning (32) som er forbundet med den første kanalformende innretning, en visningsinnretning (50)!som er forbundet med den første detekteringsinnretning et faseskifteorgan (20) som bevirker at sendertransduserne sender alternerende i fase eller antifase,'i-det de dannede kanaler blir sentrert på toppverdiene av de interferometriske diagrammer, karakterisert ved at apparatet omfatter organer (11) som bevirker at sendertransduserne (SA, SB) sender samtidig via to høyfrekvenser F-^ og F2» at faseskifteorganene (20) opererer bare via en av de to frekvenser, at den første mottager-transdusersammenstilling (3) er innrettet til å motta høyfrekvenssignalene F^ og F2 og de lavfrekvenssignaler F^ - F2 som er et resultat av interferensen mellom to høyfrekvenser, at den første kanalformingsinnretning (31) er forbundet med den første mottager-transdusersammenstilling (3) for dannelse av lavfrekvens-mottagelseskanalene med utf gangspunkt i lavfrekvens-mottagelsessignalene, at den første detekteringsinnretning (31) er forbundet med den første kanalformings-innretning (31) for detektering av den informasjon som inneholdes i lavfrekvens-mottagelseskanalene, at apparatet ytterligere omfatter en annen mottager-transdusersammenstilling (4). som er plassert mellom transduserne i den første sammenstilling, og innrettet til å motta høyfrekvenssig-nalene Fi og F2, en annen kanalformings-innretning (41) forbundet med alle mottager-transdusere for fremskaffelse av høyfrekvens-mottagerkanalene, og en annen detekteringsinnretning (42) som er forbundet med den annen kanalformings-innretning for detektering av den informasjon som inneholdes i høyfrekvens-mottagelseskanalene, og at visningsinnretningen (50) er forbundet med den første og annen detekeringsinnretning og tillater visning samtidig av den informasjon som inneholdes i høy- og lavfrekvens-mottagelseskanalene.

2. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at den samtidige visning av høy- og lavfrekvens oppnåes ved hjelp av to krominanser og en svak vinkelforskyvning.