NO160748B - Fremgangsm te til drift av et akustisk retningsfinnm og et akustisk retningsfinnersystem. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte til drift av

et akustisk retningsfinnersystem og et akustisk retningsfinnersystem.

I en kjent form for hydrofonsystemer er flere hydrofoner anordnet med jevn avstand i en korsformet oppstilling,

og retningen av bølgene som slår mot hydrofonsettet bestemmes avhengig av periodene mellom bølgenes nullgjennomganger som registreres av forskjellige hydrofonpar.

Fra US-PS 3383690 er det kjent et retningsfinnersystem med ett eller flere transduserpar anordnet i et plan for detektering av nullgjennomgangene til bølger som går mellom transduserne i paret eller i de respektive par. Systemet kan benyttes for bølger med lydfrekvens eller radiofrekvens, overført gjennom luften eller gjennom vannet. Eksempler på arrangementer med to transduserpar anordnet i rett vinkel, innbefatter et tre-transduserarrangement med en felles trans-duser for de to par, og et fire-transduserarrangement med et felles senter for de to par. I samtlige tilfeller hvor det forefinnes mer enn ett transduserpar, er transduserne i hvert par anordnet med like avstander. Videre er denne avstand mindre enn en halv bølgelengde ved den høyeste frekvens som mottas.

GB patent 2 096 854 A viser et radio-retningsfinnersystem med to antennegrupper plassert i samme plan. Begge grupper har to i like avstander plasserte antennepar, anordnet i rette vinkler og med et felles senter. En gruppe har antennene i hvert par avstandsplassert med en avstand som er mindre enn halve bølgelengden til radiosignalet, og gir en tilnærmet verdi for retningsvinkelen. Den andre gruppen har antennene i hvert par avstandsplassert med en avstand som er større enn halve bølgelengden til radiosignalet, og gir en delverdi av retningsvinkelen. Denne delverdi er entydig. De to verdier kombineres, slik at det fremkommer et nøyaktig utvetydig retningsresultat.

US-PS 3633205 vedrører et problem i forbindelse med radio-retningsfinnersystemer av den type som finnes i GB-

2 096 854 A, nemlig at avstanden i den tettpakkede gruppe, den grove kanal, blir meget i bølgelengde for reduserte frekvenser, noe som begrenser systemets båndbredde. Det foreslås derfor bruk av tre antenner som danner to par hver, med en antenneavstand som minst er lik bølgelengden til den høyeste frekvens som mottas, idet avstanden i et par er større enn avstanden i det andre par med en verdi som minst svarer til halvparten av bølgelengden til den høyeste frekvens. Hvert par gir en tvetydig finkanal-retning, og en ikke-tvetydig grovkanal-retning syntesiseres fra de to finkanaler.

Foreliggende oppfinnelse vedrører et problem som oppstår med et hydrofon-retningsfinnersystem i samsvar med US-PS 3383690, hvor samtlige transduserpar har en avstand som er mindre enn en halvpart av en bølgelengde ved den høyeste frekvens som mottas. Det vil si at for hydrofoner med en gitt fysisk størrelse, vil det foreligge en nedre grense med hensyn til avstanden og en øvre grense med hensyn til frekvensen som mottas, når avstanden er mindre enn halvparten av en bølgelengde.

En hensikt med foreliggende oppfinnelse er å tilveie-bringe et bedret hydrofonsystem.

Ifølge oppfinnelsen foreslås det derfor en fremgangsmåte til drift av et akustisk retningsfinnersystem med hydrofoner som omfatter en sats av elektro-akustiske hydrofontransdusere anordnet i et plan for å bestemme retningen av bølger som slår mot satsen, innbefattende måling av periodene mellom på hverandre følgende øyeblikk for bølgenes null-gjennomganger, slik det påvises av forskjellige par transdusere, og det som kjennetegner fremgangsmåten er at det foretas en sammenligning av de nevnte perioder ved i det minste noen av de forskjellige par transdusere, der forholdet mellom avstanden mellom de to transdusere i slike sammenlignende par ikke er heltallig, og men at det foretas en kontroll av hvilke sammenligninger som tilsvarer tiden det tar for en bølgefront å passere mellom de par av transdusere som står i det nevnte avstandsforhold, etterat det er tatt tilbørlig hensyn til det faktum at i det minste noen av periodene kan være bestemt av transdusere som reagerer på null-gjennomganger fra andre bølger.

Ovenfor skal uttrykket "tilbørlig hensyn" tolkes der-hen at den minste fysiske avstand mellom transduserne i hvert par er større enn halvparten av en bølgelengde ved den høyeste bølgefrekvens som mottas i systemet.

Ifølge et annet aspekt av oppfinnelsen er det tilveiebragt et akustisk retningsfinnersystem med hydrofoner omfattende en sats av elektro-akustiske hydrofontransdusere, anbragt langs to linjer i rett vinkel på hverandre i et plan og med måleanordninger som detekterer periodene mellom på hverandre følgende øyeblikk med null-gjennomganger for bølgene, påvist av forskjellige par av transdusere i satsen, idet satsen innbefatter minst fem transdusere anbragt i to grupper med minst tre transdusere, hvorav en kan være felles for begge grupper, og det som kjennetegner retningsfinner-systemet er at en gruppe befinner seg langs hver av de ortogonale linjer der forholdet mellom avstandene mellom forskjellige par transdusere i hver av de to grupper ikke er heltallig, og at måleanordningene reagerer på periodene mellom på hverandre følgende øyeblikk med null-gjennomganger for bølgene, påvist av de nevnte forskjellige par av transdusere i hver av de to grupper, for sammenligning av disse perioder ved de forskjellige par for kontroll med hvilke sammenligninger som tilsvarer tidene for passering av en bølgefront mellom de par av transdusere det gjelder i det nevnte ikke-heltallige forhold etterat tilbørlig hensyn er tatt til det faktum at den nevnte periode kan være bestemt av transdusere som reagerer på null-gjennomganger for forskjellige bølger, og for kontroll med resultatene av kontrollen i en ortogonal linje mot resultatene av kontrollen i den annen ortogonale linje, for bestemmelse av den kvadrant i det nevnte plan som går ut fra satsen, hvori kilden til de bølger som slår mot satsen er beliggende.

Ovenfor vil uttrykket "tilbørlig hensyn" nødvendigvis bety at den minste fysiske avstand mellom transduserne i hvert par er større enn halvparten av en bølgelengde ved den høyeste bølgefrekvens som mottas i systemet. Imidlertid behøver i dette system denne minste fysiske avstand ikke være større enn en bølgelengde ved denne høyeste frekvens. Fordelaktig er forholdet for avstandene mellom de nevnte forskjellige transduserpar i hver gruppe lik 1,5.

Ifølge et annet inventivt aspekt er det tilveiebragt et akustisk retningsfinnersystem med hydrofoner, omfattende en sats på minst tre elektroakustiske hydrofontransdusere som er anbragt i et plan slik at ikke tre av transduserne befinner seg i rett linje, og måleanordninger for sammenligning av periodene mellom øyeblikk med null-gjennomganger for bølger som påvises av forskjellige par av transdusere, kjennetegnet ved at forholdet mellom avstandene mellom transdusere i et slikt sammenlignet par, ikke er heltallig og at måleanordningene er innrettet til undersøkelse av hvilke sammenligninger som tilsvarer de tider det tar for en bølgefront å passere mellom de par transdusere det gjelder der disse står i det nevnte ikke heltallige forhold, etterat at tilbørlig hensyn er tatt til det faktum at minst en av de nevnte perioder kan bestemmes av transdusere som reagerer på null-gjennomganger for andre bølger, for på grunnlag av kontrollen å verifisere hvilke perioder gjelder null-gjennomganger i samme bølge og for bestemmelse av de verifiserte perioder i retningen i det nevnte plan for kilden til bølger som treffer satsen.

I det her definerte system impliserer uttrykket "tilbørlig hensyn" at den minste fysiske avstand mellom transduserne i hvert par er større enn halvparten av en bølgelengde med den høyeste bølgefrekvens som mottas i systemet. Videre kan i dette system denne minste fysiske avstand være større enn en bølgelengde ved denne høyeste frekvens. I en foretrukken utførelse av systemet er satsen utført med fem transdusere anbragt i hjørnene i en regelmessig femkant.

Eksempler på hydrofonsystemer og fremgangsmåter for drift av disse ifølge oppfinnelsen vil nå bli omtalt under

henvisning til vedlagte tegning, hvor

fig. 1 er en skjematisk gjengivelse av et første hydrof onsystem,

fig. 2 og 3 er gjengivelser i perspektiv av to alternative hydrofonsett til bruk i forbindelse med første system,

fig. 4 er en skjematisk gjengivelse av et andre system,

fig. 5 er en gjengivelse i perspektiv av hydrofonsettet for det andre systemet.

Under henvisning til tegningenes fig. 1, omfatter det første hydrof onsystem et sett på fem hydrofoner Hq, H-^, <H>2, <H>3, H^, som hver består av en piezo-elektrisk transduktor, f.eks. av Bruel og Kjaer type 8103. De to sett av hydrofoner HQ, H-^ og H2 hhv. <H>q, <H>3 og H4 er anordnet i to ortogonale linjer, som hensiktsmessig kan betraktes som Y- hhv. X-aksen i et kartesisk referansesystem med utgangspunkt i Hydrofonens HQ beliggenhet. De to hydrofoner H-^ og H3 har avstanden d fra hvdrofonen Hq , mens hydrofon-parene H^ H2 og H3, H4 har en avstand på 3d/2. fra hverandre.

Hver av de fem hydrofoner Hq og H4 har tilordnede elek-troniske kretser 2 (av kjent form) for bestemmelse av tilfellene av null-gjennomganger av akustiske bølger som slår mot hydrofonen, og hver slik bestemmelse blir signalisert til en digital datamaskin 1 via en bane 3. Det skal bemerkes her at hydrofonsystemet kan drives for oppnåelse av retningen (fra hydrofonsettet) av en slik bølge-kilde opp til en maksi-mal frekvens hvor disse bølgers bølgelengde ikke er mindre enn d.

Ved bruk av hydrofonsystemet, reagerer de enkelte hydrofoner Hq - H4 på akustiske bølger fra en fjern kilde etter tur og datamaskinen 1 er innrettet for å måle forsinkelsen mellom etter hverandre følgende null-gjennomganger på følgen-de måte:

Datamaskinen 1 er også innrettet for å måle perioden x mellom etter hverandre følgende null-gjennomganger av bølger som slår mot hydrofonsettet. Denne måling kan hensiktsmessig gjennomføres med henblikk på en hydrofon, f.eks. hydrofon Hq. Skjønt denne periode skulle være den samme for alle hydrofoner i settet, kan det imidlertid foretrekkes å utlede en verdi for x som middel-tiden mellom null-gjennomgangene for hver av hydrof onene Hq til H4.

Hydrofonene Hq til H^ blir i realiteten båret av et massivt organ (ikke vist, men dets overflate ligger generelt i X-Y planet i fig. 1), slik at bølgene bare kan nå hydrofonsettet fra retninger ovenfor figurens X-Y plan.

Ut fra målingene av t-^ til t^ og x, kan datamaskinen 1 bestemme i hvilken av oktantene A, B, C eller D kilden til de bølger som slår mot hydrofonsettet ligger, slik det nå skal beskrives. For hver av disse oktanter foreligger et forhåndsbestemt forhold mellom de målte tider t-^ og t^ og et annet forhåndsbestemt forhold mellom tidene t2 og t^, som følge av anordningens geometri. I alle disse tilfelle er det imidlertid to mulige relasjoner, avhengig av om det er en mellomliggende null-gjennomgang eller ikke av de innkommende bølger mellom hydrofonene H-^ og H2 eller mellom hydrofonene H3 og H4. Det kan vises at disse forhold er som følger:

Det skal bemerkes at disse forhold er forskjellige for hver av de fire oktanter. Hvis t^ således er lik enten 3^/2 eller 3^/2 - x,følger det derav at bølge-kilden må ligge i enten oktant A eller D. Hvis t^ er lik 3t2/2 eller 3t2/2 - x , må kilden ligge enten i oktant A eller B. Det er derfor egentlig bare nødvendig for datamaskinen 1 å utføre de beregninger og sammenligninger som er nevnt ovenfor for å slå fast den korrekte oktant. I praksis kan det dog være mer til-fredsstillende at datamaskinen 1 utfører alle ovenfor angitte beregninger og sammenligninger og deretter bestemmer oktanten der bølge-kilden ligger på basis av "best tilpasning".

Det skal bemerkes at hvis hydrofonsettet hadde reagert på bølger fra begge sider av X-Y planet, kunne de nettopp omtalte relasjoner brukes til å bestemme kvadranten om Z aksen (i realiteten to oktanter, en på hver side av X-Y planet) der bølge-kilden ligger.

Med henblikk på fire oktant tilfellet, kan det vises at hvis retningen fra bølge-kilden, målt fra hydrofonsettet, danner vinkler Øa og 6^ med X og Y aksene i X-Z hhv Y-Z planene, fremkommer disse vinkler ved følgende ligninger: hvor td er den tid det tok en bølgefront å tilbakelegge avstanden d i sin utbredelsesretning.

Når datamaskinen 1 har fastslått den oktant i hvilken bølge-kilden ligger (som beskrevet ovenfor), fortsetter den med å beregne verdien av hver hvinkel ©a og 6^ ved bruk av den av de alternative formler som sannsynligvis vil gi det mest nøyaktige svar, og en verdi av t^ som er lik den tid det tar en bølgefront å tilbakelegge avstanden d i vann, hvor det korrigeres for vannets temperatur, trykk og saltholdighet når det gjelder lydens hastighet i vannet.

I praksis kan det være hensiktsmessig at settet omfatter ytterligere fire hydrofoner, hvor alle ni hydrofoner er anordnet i en symmetrisk korsform, sentrert i hydrofonen HQ. En slik anordning fil gi en del overflødig informasjon, men samtidig vil hele systemets yteevne bedres. Videre kan avstanden av de tre hydrofoner i hver arm av settet endres uten at det ovenfor beskrevne grunnlag for beregningene og bestem-melsene blir påvirket, slik at avstanden mellom den sentrale hydrofon (svarer til HQ) og nabohydrofonen (svarer til H, eller H^) i hver arm er 1,5 ganger avstanden mellom de to ytre hydrofoner i hver arm. En slik hydrofonanordning er vist i fig. 2.

I det korsformede hydrofon-sett kan enkelte hydrofoner bli utsatt for akustisk skygging av nabohydrofoner. Dette kan reduseres ved en anordning med "T"-form, som for øvrig benyttes på samme måte som tidligere omtalt. Et slikt sett er vist i fig. 3 og omfatter to like moduler 4 og 5, som hver omfatter fem sub-miniatyr-hydrofoner 6, som er montert på en stålplate 7, hvor avstanden D mellom midtpunktene i de to moduler 4 og 5 ikke er mer enn noen få bølgelengder ved den anvendte frekvens.

Det vises nå til fig. 4 og 5 i tegningene. Det andre tførelseseksempel av hydrofonsystemet som skal beskrives, omfatter fem hydrofoner H,. - Hg, som er beliggende i hjørnene av en regelmessig femkant. Hydrofonene H,- til Hg er montert på en stålplate 8. Også her blir tilfellene av null-gjennomganger av bølger som slår mot hydrofonene H^ til Hg registrert av kretser 9 og signalisert til en digital datamaskin 10.

I dette utførelseseksempel av oppfinnelsen er datamaskinen 10 innrettet for å lagre informasjon som identifiserer antallet tilfeller (i forhold til en tilfeldig referanseverdi) av i det minste første, andre og tredje null-gjennomgang som er registrert av hver av de fem hydrofoner H^ til Hg etter starten av en beregnings-sekvens for å finne frem til retningen av en kilde til bølger som slår mot settet. På grunnlag av denne informasjon beregner og lagrer datamaskinen 10 periodene mellom hver av de første null-gjennomganger som er registrert av hver av hydrofonene H5 til Hg og hver av de første, andre og tredje null-gjennomganger registrert av hver av hydrofonene. Ett eksempel på periodene som beregnes slik er den som ligger mellom første null-gjennomgang registrert av hydrofon H,. og første null-gjennomgang registrert av hydrofon H^, mens et annet eksempel er perioden mellom første null-gjennomgang registrert av hydrofon Hg og tredje null-gjennomgang registrert av hydrofon Hg.

Det vil gå frem av hydrofonsettets geometri at den tid det tar en hvilken som helst gitt bølgefront å passere fra hydrofon H5 til hydrofon Hg til enhver tid vil ligge i et fast forhold på sin 54° (tilnærmet 1,618) til den tid det tar samme bølgefront å passere fra hydrofon Hfi til hydrofon H^. Det foreligger i realiteten en sum på ti slike forhold for forskjellige hydrofonpar og datamaskinen 10 sammenligner etterhverandre følgende par av slike perioder for å bestemme hvilken av dem (etter at det er tatt tilbørlig hensyn til enhver mellomliggende null-gjennomgang på grunnlag av kjenn-skapet til bølgeperioden x) som er i overensstemmelse med et av de faste relasjoner. Dette innebærer tilsammen nitti beregninger.

Under ideelle forhold, skulle ti av de nettopp omtalte beregninger gi det korrekte, faste forhold og dermed verifisere at de involverte tids-forskjell-målinger gjelder samme bølgefront, skjønt det i praksis ikke er uvanlig at et lavere antall slike verifikasjoner blir utført.

Når tids-forskjell-målingen med henblikk på et par av hydrofonene H 5 til Hg er fastslått, blir kildens retning be-regnet av datamaskinen ut fra den verifiserte måling. Anta f. eks. at tidsdifferansen t mellom første null-gjennomgang registrert av hydrofonen Hg og første null-gjennomgang registrert av hydrofonen Hg er verifisert når det gjelder bølger som ankommer i pilens A retning. Når avstanden mellom hydrofonene Hg og Hg er l,618d, hvor d er avstanden mellom nabohydrofoner, følger av dette at retningen av kilden er i en vinkel a med en datumlinje 12 gjennom hydrofonsettet, som fremkommer ved følgende ligning:

sin a = ct/1,62d

hvor c er lydens hastighet i vannet (etter korrigering som i første eksempel som er omtalt ovenfor).

Det vil forstås at bølger som kommer fra retningen 180-a vil gi samme tidsforskjells-måling. For å fjerne denne tvetydighet og gi en unik løsning, er det nødvendig å gjen-nomføre en tilsvarende beregning med henblikk på en annen verifisert tidsforskjells-måling.

Den konstruksjon av hydrofonsettet som er omtalt ovenfor i forbindelse med fig. 4 og 5 har den fordel at den, i motsetning til et lineært sett, gjør det mulig for hydrofon-synsternet å arbeide ved bølgelengder som er merkbart mindre enn den minste fysiske avstand av hydrofonen. Dette er et viktig hensyn, hvis avstanden kan sammenlignes med den fak-tiske størrelse av hver hydrofon, slik at avstanden ikke kan reduseres ytterligere for utvidelse av båndbredden.

Når et av de ovenfor omtalte hydrofonsystemer drives i omgivelser med et dårlig signal-støy-forhold, er det nødven-dig først å verifisere at det foreligger et "godt".signal. Et antall terskelprøver for å oppnå dette er tidligere foreslått. Datamaskinen kan f.eks. innrettes slik at den som respons på null-gjennomganger registrert av en av hydrofonene i settet, bestemmer størrelsen av verdien t-t,hvor x har den betydning som er nevnt ovenfor og t er middel-verdien av t tatt over et stort antall null-gjennomganger (fortrinnsvis vektlagt for å foretrekke nærliggende målinger i tid), hvor datamaskinen er innrettet for bare å utføre de retnings-finnende beregninger hvis denne størrelse har mindre enn en forhåndsbestemt verdi.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte til drift av et akustisk retningsfinnersystem med hydrofoner som omfatter en sats av elektroakustiske hydrofon-transdusere (Hq-H^, H^<-Hg>) anordnet i et plan for å bestemme retningen av bølger som slår mot satsen, innbefattende måling av periodene mellom på hverandre følgende øyeblikk for bølgenes null-gjennomganger slik det påvises av forskjellige par transdusere, karakterisert ved sammenligning av de nevnte perioder ved i det minste noen av de forskjellige par transdusere der forholdet mellom avstandene mellom de to transdusere i slike sammenlignede par (H-l-I^/Hq-Hi , H5-H2//H6~H7^ ikke er heltallig, og ved kontroll av hvilke sammenligninger som tilsvarer tiden det tar for en bølgefront å passere mellom de par av transdusere som står i det nevnte avstandsforhold, etterat det er tatt tilbørlig hensyn til det faktum at i det minste noen av periodene kan være bestemt av transdusere som reagerer på null-gjennomganger fra andre bølger.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, der satsen med transdusere omfatter minst fem trandusere (Hg-H^) anbragt i minst to grupper som hver har minst tre transdusere, hvorav en Hq) kan være felles for begge grupper, langs to linjer i rett vinkel på hverandre i planet, karakterisert ved at minst et av de sammenlignende forskjellige par av transdusere finnes i hver av de to rettvinklede linjer, og ved at resultatene av kontrollen i en rettvinklet linje kontrolleres mot resultatene av kontrollen i den annen rettvinklede linje for bestemmelse av den kvadrant i det nevnte plan som går ut fra satsen, hvori kilden til bølgene som slår mot satsen ligger.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, der satsen av transdusere omfatter minst tre transdusere (H^-Hg) som er anordnet slik at ikke tre av transduserne ligger på en rett linje, karakterisert ved at det på grunnlag av en målt periode som er blitt verifisert ved kontroll.som nevnt ovenfor, bestemmes i hvilken retning i det nevnte plan kilden til de bølger som slår mot satsen ligger.

4. Akustisk retningsfinnersystem med hydrofoner omfattende en sats av elektroakustiske hydrofon-transdusere anbragt langs to linjer i rett vinkel på hverandre i et plan og med måleanordninger som detekterer periodene mellom på hverandre følgende øyeblikk med nullgjennomganger for bølgene påvist av forskjellige par av transdusere i satsen, idet satsen innbefatter minst fem transdusere (Hq-H4) anbragt i to grupper med minst tre transdusere, hvorav en (Hq) kan være felles for begge grupper, karakterisert ved at en gruppe befinner seg langs hver av de ortogonale linjer der forholdet mellom avstandene mellom forskjellige par transdusere i hver av de to grupper (H1-H2/Hq-H1, H3<-H4/Hq-H>3) ikke er heltallig, og ved at måleanordningene (1, 2, 3) reagerer på periodene mellom på hverandre følgende øyeblikk med nullgjennomganger for bølgene påvist av de nevnte forskjellige par av transdusere i hver av de to grupper, for sammenligning av disse perioder ved de forskjellige par for kontroll med hvilke sammenligninger som tilsvarer tidene for passering av en bølgefront mellom de par av transdusere det gjelder i det nevnte ikke heltallige forhold etter at tilbørlig hensyn er tatt til det faktum at den nevnte periode kan være bestemt av transdusere som reagerer på null-gjennomganger for forskjellige bølger, og for kontroll med resultatene av kontrollen i enortogonsi linje mot resultatene av kontrollen i den annen ortogonale linje for bestemmelse av den kvadrant i det nevnte plan som går ut fra satsen, hvori kilden til de bølger som slår mot satsen er beliggende.

5. Retningsfinnersystem som angitt i krav 4, karakterisert ved at forholdet for avstanden mellom de nevnte forskjellige transduserpar er 1,5.

6. Akustiske retningsfinnersystem med hydrofoner omfattende en sats på minst tre elektro-akustiske hydrofon-transdusere (H^-Hg) som er anbragt i et plan slik at ikke tre av transduserne befinner seg i rett linje og måleanordninger for sammenligning av periodene mellom øyeblikk på null-gjennomganger for bølger som påvises av forskjellige par av transdusere, karakterisert ved at forholdet mellom avstandene mellom to transdusere i et slikt sammenlignet par (H^-Hg/<H>g<H>y) ikke er heltallig og at måleanordningene (9, 10) er innrettet til undersøkelse av hvilke sammenligninger som tilsvarer de tider det tar for en bølgefront å passere mellom de par transdusere det gjelder der disse står i det nevnte ikke heltallige forhold, etterat tilbørlig hensyn er tatt til det faktum at minst en av de nevnte perioder kan bestemmes av transdusere som reagerer på null-gjennomganger for andre bølger, for på grunnlag av kontrollen å verifisere hvilke perioder i retningen i det nevnte plan for kilden til bølger som treffer satsen.

7. Retningsfinnersystem som angitt i krav 6, karakterisert ved at satsen har fem transdusere anbragt i hjørnene av en regelmessig femkant.