NO162835B - Fremgangsmaate for visualisering av sonarsignaler. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for visuell katode-strålerør-fremvisning av gjenstander som befinner seg på en dybde H på sjøbunnen.

I forbindelse med den foreliggende oppfinnelse benyttes der en klassifiserende sonar som er i stand til å identifisere og erkjenne gjenstander på havbunnen etter deres form og den lydskyggen de kaster. Denne type sonar sender ut akustiske bølgepulser i hellende retning i forhold til havbunnen. Ved mottagningen danner man peilevinkelbaner. På grunn av skygge-virkningen bevirker en gjenstand på havbunnen at det signalet som blir kastet tilbake fra bunnen, blir undertrykt. Ved hjelp av skyggen identifiserer man gjenstandens form og dimensjoner.

I tidligere kjente visualiseringsanordninger foregår indikeringen hovedsakelig i polarkoordinater p, 9, der p er gjenstandens avstand og 9 peilevinkelen. Skanderingen eller avsøkningen av katodestrålerøret langs horisontalaksen er hovedsakelig proporsjonal med 9 og langs vertikalaksen hovedsakelig proporsjonal med p.

Denne indikeringen ved hjelp av p og 9 blir deformert i forhold til det som sees av en iakttager plassert i sonarens område, hvilket vanskeliggjør klassifiseringen.

Visualiseringsanordningen ifølge oppfinnelsen har den fordel fremfor den tidligere teknikk, basert på indikasjon ved p og 9, at den tillater en indikasjon som er mer vanlig for det menneskelige øye.

Oppfinnelsen tar derfor sikte på en fremgangsmåte av den inn-ledningsvis angitte art, som er karakterisert ved de trekk som er angitt i de vedføyde patentkrav.

Andre trekk og fordeler med oppfinnelsen vil fremgå av nedenstående beskrivelse i forbindelse med figurene, der

- fig. 1 viser en skisse for forklaring av en klassifiserende sonar, - fig. 2 viser hvordan gjenstander indikeres ved hjelp av skyggen, i polarkoordinater p og Q , - fig. 3 viser en visualiseringsskjerm med skanderings-signaler,

- fig. 4 er et skjema som forklarer bestemmelsen av

skyggens dimensjon ifølge kjent teknikk,

- fig. 5 er skjemaer som viser prinsippet for perspektiv-indikasjonen, - fig. 6 viser en perspektivisk visualisering av gjenstander ifølge oppfinnelsen. - fig. 7 viser visualisering av gjenstander i normaliserte dimensjoner ifølge oppfinnelsen, - fig. 8, 9 og 10 er diagrammer som representerer forskjellige former av skanderingsloven,

- fig. 11 viser en analog realisering av oppfinnelsen,

- fig. 12 viser en digital realisering av oppfinnelsen,

-fig. 13 er et eksempel på en algoritme iverksatt i oppfinnelsen.

Fig. 1 viser skjematisk og i vertikalplanet konfigura-sjonen av en klassifiserende sonar. Sonaren 10 (som kan være neddykket, bli slept eller være montert på et over-flatefartøy) omfatter på kjent måte en senderantenne og en mottagerantenne for å sende og motta akustiske bølger langs en skråstillet stråle 11 som er avgrenset av skrå avstander P og p max. Denne strålen heller lite i for-

r mm 3 r max

hold til horisontalen, slik at den bestråler bunnen 13

som bestrykning. Ved mottagningen blir det ifølge denne hellingen dannet peilevinkelbaner.

Når det ligger en gjenstand 12 på bunnen, oppviser de banesignaler som svarer til objektets peiling et ekko-signal fulgt av et skyggesignal, eller forkortet skyggesignal bestemt av avstanden f> , som skyldes at det signal som kastes tilbake fra den del av bunnen 14 som er skjult av gjenstanden blir undertrykt. I en klassifiserende sonar blir denne skyggen brukt til å identifisere gjenstandene .

Det er kjent at sonarer sender ut korte pulser i suksessive øyeblikk t . Til hver sending svarer mottagninger i øye-blikkene t, som lineært avhengige av den skrå avstand p ifølge:

der c er lydens hastighet i vann. Dersom d er den peilevinkelen som er gitt av banenes retninger, blir visuali-seringen av banesignalene vanligvis gjort ved hjelp av P og slik fig. 2 viser.

Fig. 2 viser skyggene 20 og 21 av to identiske gjenstander liggende på bunnen i samme peiling og i ulike avstander. Bildets dimensjJ oner svarer til de skrå avstandene r p mi. n og

P og peilingene Q . og" 9 „ • Som figuren viser, er gjen-' max mm 3 max 3 3J standenes høyder-Afy og-Ap2 på skjerman vesentlig forskjellige.

Ettersom den totale åpning av peilevinkelén:

vanligvis er liten, av størrelsesorden 10°, foregår skanderingen kartesisk langs X og Y. Fig. 3 viser, som funksjon av tiden, de skanderingsspen-ninger som ifølge den tidligere kjente teknikk påtrykkes platene X og Y i et katodestrålerør 30, som brukes som visualiseringsmiddel. Skanderingsspenningen 31 på X-platen følger en sagtannlov med konstant periode og lineært stigende amplitude, mens skanderingsspenningen 3 2 på platen Y følger en lineær lov i løpet av skanderingen . Maksima av sagtannsignalene for X-skanderingen er proporsjonale med p og for Y-skanderingen proporsjonale med <1> r min Fig. 4 viser hvordan skyggenes dimensjoner blir bestemt ifølge den tidligere teknikk. Denne figuren viser to identiske gjenstander 20 og 21 med høyde h anbragt på havbunnen. En iakttager representert av et øye ser gjenstanden 20 langs den skrå avstand og under en vinkel og gjenstanden 21 langs den skrå avstand p2 og under en vinkel c£2. På rørets skjerm blir skyggenes høyder tilnærmet proporsjonale med Ap^ og ^p2« Disse høydene, som også er vist på fig. 2, øker med p slik at den gjenstanden som er lengst fra sonaren viser seg større på skjermen enn den nærmeste gjenstanden. Dette fenomen er motsatt det visuelle inntrykk som en iakttager får dersom han betrakter havbunnen fra fartøyet.

Oppfinnelsen tillater tilpasning av den visuelle indikasjon til et normalt bilde. Oppfinnelsen tar spesielt sikte på å bøte på den her beskrevne mangel. Den tillater to identifikasjonsmåter, som oppnås ved å modifisere skan-deringslovene langs X og Y: Den første måten er en perspektivisk visning av havbunnen som opprettholder forholdet mellom skyggenes høyde og bredde. Den andre måten er en visning i normaliserte dimensjoner. For den andre visningsmåten blir identiske gjenstander representert av skygger med like dimensjoner.

Før vi beskriver de forskjellige mulige utformninger av systemet, skal vi gi formler for å transportere metoden med indikasjon i koordinater p og 6 til de to andre fore-slåtte metodene.

Fig. 5 viser for det første de plan med peilevinkelene

- 0^/ 2 og +9t/2 som går gjennom antennesenteret 0 og i rett vinkel på bunnens plan F, og for det annet et peile-plan 0. Vinkelenes toppunkt ligger i skjæringslinjen for den vinkel som peileplanene danner.

Transponeringen fra metoden - til den perspektiviske metode får vi ved å projisere en linje fra bildepunktene 50 i avstanden p, og som ligger mellom planene for peilingene -Øt/2 og +#t/2, på en sylinderflate <f som danner en rett vinkel med bunnen og ligger en i minimums skrå avstand fm^n» som utgjør referanseavstanden. Til et punkt A beliggende i en avstand p svarer avstanden CC = Z målt på sylinderen. Ved enkle geometriske betraktninger på fig.

5 finner vi:

der H er bunnens dybde.

Skyggen AA<1> fra en gjenstand, avstandene p(Z) og p(Z + AZ) bestemmer avstanden 4z målt på flaten <^'.

Ifølge oppfinnelsen følger Y-skanderingen i den perspektiviske metode en lov Y = k'Z, der k er proporsjonalitets-faktoren. Hver bildelinje 51 har konstant bredde, og X-skanderingen er derfor slik at maksimumsutslaget holder seg konstant på en verdi Xq. På den måten blir skyggenes høyde/bredde-forhold opprettholdt.

Fig. 6 viser den indikasjon som man oppnår med denne første, perspektiviske metode når det foreligger flere identiske gjenstander med samme orientering, plassert i samme peilevinkel og i samme innbyrdes avstander. På skjermen 6 0

ser man den perspektivéffekten som gis av de nevnte gjenstanders bilder 61, 62, 63, 64 og 65.

Transponering fra p/Ø-metoden til den andre indikasjons-metoden tillater opprettholdelse av skyggenes dimensjon uansett avstanden fra sonaren til de forskjellige gjenstander. For å oppnå dette, blir den X-skanderingen som realiseres i forrige transponering modifisert slik -at den innsnevring som skyldes avstanden mellom de forskjellige gjenstander blir kompensert. Bildets bredde blir da korrigert for hver avstand p til avstanden projisert på

bunnen, det vil si

Ettersom bredden av en bildelinje for Z = 0 er lik XQ, er X-skanderingen-ifølge oppfinnelsen slik at maksimumsutslaget følger loven:

Den tilsvarende Y-skanderingen oppnås ved å integrere korreksjonskoeffisienten for X langs Z. Men får da følgende lov:

Fig. 7 viser resultatet av en slik indikasjon der de viste gjenstanders dimensjoner, for samme orientering, ikke varierer som funksjon av avstanden. På skjermen 7 0 ser man at flekkene 71, 72, 73, 74 og 75, som svarer til identiske gjenstander, også er identiske.

I denne utformning tillater visualiseringsanordningen ifølge oppfinnelsen at man kan velge mellom tre visuali-seringsmetoder: den klassiske, den perspektiviske eller den normalisert perspektiviske. Fig. 8, 9 og 10 viser, som funksjon av tiden, formene av de skanderingsfunk-sjoner langs X og Y som tillater oppnåelse av en av de tre ønskede indikasjonsmetoder.

Fig. 8 viser skanderingsfunksjonene langs X og Y for den klassiske metoden. Man ser at toppverdiene av sagtann-sigJ nalene (X) maxfor X-skanderingen (kurve 91) øker lineært med p. De er gitt av ligningen:

På samme måte øker Y-skanderingen lineært med p (kurve 92). Verdien av Y er gitt av ligningen Y = k(p- p m^n)•

Fig. 9 viser skanderingen i den perspektiviske metoden. Toppverdiene av sagtannsignalene 93 for X-skanderingen er konstante. Y-skanderingen er proporsjonal med Z. Figuren viser forskjellige signaler 94.1, 94.2 og 94.3 som varierer med dybden H.

Endelig viser fig. 10 skanderingene i den normaliserte perspektiviske metode. Toppverdiene av sagtannsignalene 95 følger den ovenfor nevnte lov så vel som den skanderings-lov langs Y som er vist for flere verdier av dybden,

96.1, 96.2 og 96.3.

Fig. 11 viser et synoptisk skjema av en utformning av an-ordningen ifølge oppfinnelsen. Katodestrålerøret 90 mottar for det første slgnalbanenes videosignal S, og for det andre styresignalene for skanderingene langs X og Y. Disse spennings-styresignaler behandles av kretsene 91

og 92 som genererer X- og Y-funksjonene slik fig. 8, 9

og 10 viser. På vanlig måte oppnås de lineære funksjonene ved integrasjon av firkantsignaler. De ikke-lineære funksjonene oppnås ved hjelp av kretser som er kjent fra den tidligere teknikk, for eksempel ved hjelp av diode-kretser. Skanderingskretsene 91 og 92 kan være digitale regnekretser som gir lovene for X- og Y-skanderingene i form av digitale verdier som omformes til analoge verdier ved inngangen til katodestrålerøret. Valg av paret X og Y styres av kretsen 93. En ikke vist klokke påtrykker tidsbasis til kretsene 91 og 92, som mottar den dybde H som blir avgitt fra en sonde 94.

i

Mens bildehøyden langs Y i den vanlige p/^-indikasjon holder seg konstant, varierer den for de to andre indika-sjonsmetodene med høyden H.

Fig. 12 viser en digital utformning der det brukes en fjernsynsmottager 110 som mottar videoinformasjonene fra en bildehukommelse 111 ifølge kjent teknikk. Ifølge denne

teknikken blir bildepunktene lagret i hukommelsen 111 under hensyntagen til den valgte indikasjonsmetode. Til en linje av bildepunkter i hukommelsen svarer en fjernsynslinje. En busslinje 112 forbinder hukommelsen 111 til en mikropro-sessor 113 og en inngang/utgang-grensesjiktkrets 114. Kretsen 114 påtrykker mikroprosessoren 113 dataene fra sonaren i digital form, nemlig avstanden P , den skrå

^ .is r max minimumsavstand p ■ mi. n , vinkelsektorens bredde 9t , og 3 vann-høyden H. Den sender også, i digital form, videosignalet S behandlet med de N banesignaler. Dette signal S består av en rekkefølge av videolinjer dannet av N samplinger svarende til peilingene til 9^, idet hver linje svarer til en skrå avstand p ..For å oppnå en av indikasjonsmeto-dene ifølge oppfinnelsen må man integrere et visst antall videolinjer, idet dette antallet avhenger av linjens rang.

Fig. 13 viser et forenklet flytskjema av den algoritmen som iverksettes i mikroprosessoren 113 for å oppnå perspektivisk indikasjon. Foruten dataene "sonar" H, p . ,

c J r min P og 0L disponerer man i blokk 130 den visualiserte

r max 3 t c

bildebredde LI og intervallet mellom linjene INT. Man beregner skalafaktoren ECH, som er forholdet mellom bredden LI og den tilsvarende bunnbredde, nemlig:

Denne faktor tillater beregning i trinnet 131 av verdien av beregningsavstanden langs den nye vertikale koordinat Z. Algoritmen iverksetter så en sløyfe, der to verdier av p svarende til to suksessive bildelinjer i trinnet 132 blir beregnet etter ligning 1, som man inverterer. Disse to verdiene gir det antall videolinjer som må integreres for å gi en enkelt bildelinje. Integrasjonen foretas i trinnet 13 3 ved å addere de punkter som svarer til samme 9 . Der-på normaliserer man ved å dividere med antallet adderte punkter.

De på denne måten integrerte punkter blir så påtrykt bildehukommelsen for å bli visualisert. I den perspektiviske metoden, for eksempel, lagrer man en videolinje i en hukommelseslinje nede på bildet (Z = 0), og øverst på bildet avslutter man med 50 videolinjer i én hukommelseslinje.

Det er således blitt beskrevet et nytt visualiserings-system for banesignaler fra en klassifiserende sonar av gjenstander på havbunnen. Systemet tillater visning av bildet på bunnen ifølge flere metoder, idet operatøren kan velge metode. Man oppnår bedre effektivitet i klassifiseringen ved hjelp av metoder som er mer vanlige for det menneskelige øye enn den vanlige p/$ -indikasjon, som likevel også er mulig.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte for visuell katodestrålerør-fremvisning av gjenstander som befinner seg på en dybde H på sjøbunnen, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter følgende trinn: å bruke en klassifiserende sonar (10) for detektering av gjenstandene, idet hver gjenstand har en skrå avstand p og en peilevinkel 9 i forhold til sonaren (10), samtidig som sonaren (10) fremskaffer videosignaler og en minimal skrå avstand p min for hver gjenstand, å bruke en lydgiver for å bestemme dybden H, idet man først avsøker katodestrålrøret langs en hori-sontal retning X med en flerhet av suksessive sagtann-formede avsøkningssignaler med konstant bredde og konstant amplitude, samtidig som avsøkningssignalene skaffer en konstant bredde med hensyn til visuell fremvisning definert ved den minimale skrå avstand p min, og samtidig som den hori-sontale retning X representerer peilevinkelen G for gjenstanden, å samtidig utføre en annen avsøking av katodestråle-røret langs en vertikal retning Y med relasjonen der k er proporsjonalitetsfaktor.

2. Fremgangsmåte for visuell katodestrålerør-fremvisning av gjenstander ved en dybde H på sjøbunnen, karakter isert ved at fremgangsmåten omfatter følgende trinn: å benytte en klassifiserende sonar (10) for detektering av gjenstandene, idet hver gjenstand har en skrå avstand p og en peilevinkel 0 i forhold til sonaren (10), idet sonaren (10) fremskaffer videosignaler og en minimal skrå avstand pmin for hver gjenstand, å bruke en lydgiver for å bestemme dybden H, idet man først avsøker katodestrålerøret langs, en hori-sontal retning X med en flerhet av suksessive sagtann-formede avsøkningssignaler med konstant bredde og maksimal amplitude som øker i henhold til relasjonen idet Xø er verdien definert ved den minimale skrå avstand pmin, samtidig som X-retningen representerer peilevinkelen 0 for gjenstanden, og samtidig å utføre en annen avsøkning av katodestråle-røret langs en vertikal retning Y, idet denne representerer den skrå avstand p, i henhold til relasjonen der k er en proporsjonalitetsfaktor.