NO166104B - Fremgangsmaate for passiv bestemmelse av maaldata for et fartoey. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for passiv bestemmelse

av måldata for et fartøy i fra et målested, av den i krav l's innledning nevnte type.

Overalt der hvor fartøy observeres, overvåkes, forfølges eller skal bekjempes, trenger man målemetoder for registrering av posisjon, fartøyhastighet og kurs, hvilke metoder kan arbeide uten egenforråd. Ved f.eks. kystforsvaret skal passerende vann-fartøy ikke ved hjelp av sine egne radar- eller sonaranlegg kunne fastslå at et kystområde overvåkes, for i tilfelle av en invasjon å kunne innlede målrettede forsvarstiltak. Bestemmelsen av måldata i et annet måleområde, eksempelvis i åpen sjø, tjener i et annet militært anvendelsestilfelle til bedømm-else av en kampsituasjon og en vurdering av taktiske tiltaks virkninger.

Innenfor vannlydteknikken kan man her eksempelvis utnytte

den fra fartøyet selv genererte bølgeenergi, nemlig farts-støyen, som mottas på målestedet, for bestemmelse av måldata.

En slik fremgangsmåte er kjent i fra det tyske patentskrift 887,926, hvor kursen til et vannfartøy bestemmes ut i fra tre peilinger. Blir i tillegg eksempelvis vannfartøyets hastighet anslått med utgangspunkt i turtallet til fartøyets propell,

så kan også avstand og kurs beregnes. Hvis ikke kan man an-

slå avstanden og så bestemme den ukjente fartøyhastigheten.

I startfasen til vurderingen av lyttepeilinger vil en slik utledet målbane fremdeles i sterk grad være avhengig av nøy-aktigheten til de opprinnelige anslagsverdier, nemlig avstand eller fartøyhastighet. Først når man etter en egenmanøver har

i kunnet foreta minst tre ytterligere peilinger, kan de ukjente måldata beregnes uavhengig av anslagsverdiene. Alle i tillegg frembragte peilinger bevirker en utligning av målefeil og også en utligning av tegneunøyaktigheter ved en grafisk løs-ning på plottebordet. Ved en automatisk beregning av peilingen

i og en beregning av målbanen ved hjelp av regresjonsmetoden vil riktignok den beregnede målbane stadig komme nærmere den virke-

lige kurs, men regneresultatet kan under hensyntagen til en peiling med målefeil forfalskes i sterkere grad enn når det ikke tas hensyn til den målefeilbelastede peiling.

Fra dette tyske patentskrift er det også kjent å overlagre

en peilevinkel-tidskurve på en gitt kurveskare, for derved å bestemme forholdet mellom fartøyets hastighet og avstand.

En slik vurdering er særlig tidskrevende og i sterk grad

avhengig av vurdererens bedømmelse, slik at det lett frem-

kommer unøyaktige måldata. Dessuten er antall måleverdier som det tas hensyn til sterkt begrenset som følge av den manuelle vurdering.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe

en passiv fremgangsmåte for bestemmelse av måldata for et fartøy som stråler ut en selvgenerert bølgeenergi, hvilken fremgangsmåte muliggjør en angivelse av måldata ut i fra et stasjonært målested på en automatisk måte og uten anslags-bestemmelse av utgangsbetingelser, såsom avstande eller fartøy-hastighet. Måldataangivelsen skal også kunne skje i løpet av meget kort tid.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved bruk av de trekk som er fremhevet i karakteristikken i krav 1.

Oppfinnelsen tar utgangspunkt i de fysikalske lover for utbredelsen av bølgeenergi i et overføringsmedium med dispergeringsegenskaper. Som regel består et slikt overføringsmedium av enkelte sjikt med ulike overføringsegenskaper for den fra fartøyet utstrålte bølgeenergi. I et av sjiktene er det som måleanordning installert minst to omformere som omformer den fra fartøyet utstrålte bølgeenergi til elektriske mottakssignaler.

Skal fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen benyttes innenfor luft-farten, for passiv måling av måledata for fly, eller på land for måling av landfartøy, eksempelvis stridsvogner, så benyttes det som omformere mikrofoner i atmosfæresjikt eller geofoner i jordsjikt, hvilke mottagere omformer den som følge av farts-støyen utstrålte lydenergi i overføringssjiktet til elektriske mottakssignaler på målestedet. Den nye fremgangsmåte kan likeledes benyttes når fartøyet utstråler elektromagnetiske bølger, eksempelvis lys, som trenger inn og brer seg ut i et overfør-ingssjikt med dispergeringsegenskaper, eksempelvis issjikt.

Ved bruk av den nye fremgangsmåte innenfor vannlydteknikken for passiv bestemmelse av måldata for vannfartøy anordnes det som omformere to hydrofoner i et vannsjikt som virker som overføringssjikt. I det enkleste tilfelle er dette over-føringssjikt med dispergeringsegenskaper en gruntvann-lydover-føringskanal, kort betegnet som gruntvannkanal, hvor vann-sjiktet begrenses av parallelle som grensesjikt virkende luft-og jordsjikt og overføringsmediets egenskaper, såsom utbredelseshastigheten, vil være tilnærmet konstante. Oppfinnelsen kan imidlertid også benyttes når det i vannet forefinnes flere sjikt med ulike overføringsegenskaper.

Fra CL. Pekeris "Theory of Propagation of Explosive Sound

in Shallow Water", The Geological Society of America, Memoir 27, 1948, og fra J. Tolstoy og C.S. Clay, "Ocean Acoustrics: Theory and Experiment in Underwater Sound", McGraw-Hill Book Company, New York, 1966, er det kjent at lydutbredelsen fra

en i grunt vann forhåndenværende støykilde ved lave frekvenser kan beskrives ved hjelp av en overlagring av egenbølger eller moder. Man kan forestille seg den fysikalske modell for lydutbredelsen slik at lyden i gruntvannkanalen reflekteres totalt ved vannoverflaten og delvist ved bunnen, slik at det stiller seg inn en sikk-sakk formet utbredelse av rette bølge-fronter over avstanden. Over en kritisk grensefrekvens, som er lik vannlydhastigheten dividert med omtrent fire ganger høyden, danner det seg egenbølger eller såkalte moder. Antall egenbølger er avhengig av frekvensen til den utstrålte lydenergi. Hver gang et ulikt multiplum av den kritiske grense-

frekvens overskrides , kommer det til en ny egenbølge. Den vinkel hvormed bølgefronten reflekteres ved vannoverflaten, henholdsvis ved bunnen, vokser med egenbølgenes ordningstall. Bølgefrontene tilbakelegger da en lengre strekning og vil

støte hyppigere an mot grensesjiktene, slik at de dempes sterkere.

Egenbølgene representerer løsninger av en partiell bølgeligning for gruntvannkanalen. Mer nøyaktig sagt dreier det seg om grunt-vannskanalens egenfunksjoner i horisontal retning. Egenbølgene er sylinder bølger som beveger seg konsentrisk fra lydkilden.

I utbredelsesretningen har de en periode som er desto mindre

jo høyere frekvensen for den utbredende lydbølge er. Egenbølgens fasehastighet er avhengig av frekvensen for den utstrålte lyd og vil ved høyere frekvenser falle mot utbredelseshastigheten i vannet. Lydtrykkforløpet i vertikal retning er avhengig av ordningstallet for egenbølgen. Ved vannoverflaten er lydtrykket lik null. Ved bunnen vil lydtrykket alltid ha en endelig verdi. Antall mellomliggende null-steder er lik ordningstallet minus en.

Ved overlagr ing av flere egenbølger vil det i gruntvannkanalen oppstå et interferensfelt. Dette interferensfelt bygger seg opp rundt lydkilden. I radiell retning i forhold til lydkilden fåes tredimensjonale amplitudevariasjoner. Avstanden mellom like ekstremverdier kaller man for interferensbølgelengden. Denne interferensbølgelengde er utelukkende avhengig av grunt-vannskanalens egenskaper og av frekvensen til den utstrålte lyd. Interferensbølgelengden øker med økende frekvens.

Ved et vannfartøy som beveger seg vil lys stråles ut i et bredt frekvensområde og som følge av de egenbølger som danner seg vil det i gruntvannskanalen oppstå et interferensfelt. Dette interferensfelt er forbundet med vannfartøyet som lydkilde.

I et arbeide av Weston et al., "Interference of Wide-Band

Sound in Shallow Water", Admirality Research Laboratory, Teddington, Middlesex, 1971, reprodusert av National Technical Information Service, beskrives det en fremgangsmåte hvormed man kan undersøke overføringsegenskapene i en gruntvannskanal. Med en stasjonær hydrofon mottas bredbånd-støy fra en lydkilde. Lydkilden beveger seg med rettlinjet kurs mot hydrofonen og deretter fra hydrofonen. Av støyen beregnes spektrogrammer pr. tidsenhet. Disse spektrogrammers intensiteter blir som funksjon av frekvensen vist spaltevist i gråtoneskrift. I

hver spalte, som er tilordnet den respektive avstand mellom hydrofon og lydkilde, innføres det et spektrogram. Det fremkommer da et intensitetsmønster som løper i vifteform mot hydrofonstedet. Denne gråtoneskriften gjenspeiler interferensfeltet, som frembringes av lydbølgene til den utstrålte lyd som følge av utbredelsen av egenbølger.

Også ved fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse for bestemmelse av måldata for et fartøy, tilveiebringes det spektrogrammer fra tidsforløpet for mottaksignalene i hver omformer for frekvensanalyse, og spektrale effekter av mottakssignalene i hvert spektrogram lagres, eksempelvis som intensitetsskrift over frekvensen. Den enkelte intensitetsskrifter tilordnes sitt måletidspunkt. Som intensitetsskrift kan det tilveiebringes et gråtonebilde. De lagrede spektrogrammer danner et todimensjonalt intensitetsmønster innenfor et frekvens-tid-koordinatsystem hvis ene akse er tilordnet frekvensen og hvis andre akse er tilordnet en tidsbasis og eksempelvis er delt i tidsenheter.

Fra dette intensitetsmønster velges det ifølge oppfinnelsen

et utsnitt innenfor et gitt frekvensområde, hvilket utsnitt strekker seg over et tidsintervall bestående av et gitt antall tidsenheter. Innenfor utsnittet oppsøkes hosliggende intensiteter av samme styrke, hvilke intensiteter danner kontinuerlige interferenslinjer i frekvens-tid-koordinatsystemet. Disse interferenslinjer vil ved en kurs for fartøyet gjennom målestedet, altså ved en overkjøring av målestedet, være tilnærmet

linjer som løper i vifteform gjennom utsnittet. Viftens ut-spring tilordnes målestedet. Ved en forbikjøring, hvor far-tøyets kurs har en tverravstand til målestedet, fåes en hyperbel-lignende struktur. Hyperblenes vendepunkter er karakteristiske for den største tilnærmingen til målestedet. Er fartøyet i ro, så vil omformerne for hver frekvens motta en bestemt verdi, og det fremkommer et stripemønster av interferenslinjer langs de enkelte frekvensspor i intensitetsmønster-utsnittet. Stigningen til interferenslinjene er uendelig stor (stigningen måles her i forhold til frekvensaksen) Beveger fartøyet seg, så vil også den for hver frekvens mottatte verdi forandre seg med tiden. Interferenslinjene i intensitetsmønsteret krummer seg og deres stigninger antar endelige verdier. Stigningen til interferenslinjene er avhengig av fartøyets tilnærmelseshastighet til målestedet, henholdsvis den radielle hastighetskomponent for fartøyhastigheten i forhold til målestedet. Nærmer fartøyet seg målestedet med stor tilnærmelseshastighet, så vil stigningene for interferenslinjene være mindre enn dersom fartøyet fra samme avstand beveget seg med lavere tilnærmelseshastighet mot målestedet. Fartøyhastighetens tilhørende tangensielle hastighetskomponent bidrar intet til utformingen av intensitetsmøn-steret. Beveger et fartøy seg i sirkel med konstant fartøy-hastighet om en omformer, så fremkommer det et mønster av lagrede intensiteter uten intensitetsforskjeller langs frekvenssporene. Istedenfor det vifteformede intensitetsmønster oppstpr det et mønster av parallelle striper som forløper langs frekvehssporene, på samme måte som hvis fartøyet var i ro.

Det er bare en ekstra radiell hastighetskomponent som fører

til at struktureringen av intensitetsmønsteret blir vifteformet. Man kan også forestille seg det hele slik at interferensfeltet er kjennetegnet ved konsentriske sirkler rundt fartøyet, hvilke sirkler kjennetegner interferensbølgenes minima henholdsvis maksima i interferensbølgelengdeavstanden. Ved en sirkelbevegelse vil omformeren registrere én og samme intensitet av interferensfeltet. Bare ved en radiell hastighetskomponent kan man registrere vekslende minimums- og

maksimumsverdier for intensitetene i omformeren.

Man kan si at interferensfeltet er koplet med fartøyet og trekkes over hver omformer med tilnærmelseshastigheten henholdsvis fartøyhastighetens radielle hastighetskomponent.

Når fartøyet har en kurs langs forlengelsen av forbindelseslinjen mellom de to omformere, vil hver momentanverdi av interferensfeltet først mottas av en omformer og litt senere av den andre omformer. Tidsforskyvningen mellom de avfølte interferensfelt er direkte avhengig av tilnærmelseshastigheten og er omvendt proporsjonal med denne . Tidsforskyvelsen blir altså desto større jo mindre tilnærmelseshastigheten henholdsvis fartøyhastighetens radielle hastighetskomponent er. Denne tidsforskyvning bestemmes for den nye fremgangsmåte ved hjelp av intensitetsmønsteret. Intensitetsmønsterne til de to utsnittene forskyves herunder så lenge innbyrdes i tidsretningen til de dekker hverandre. Den for dette nødvendige tidsforskyvning representerer den søkte verdi.

For bestemmelse av måldataene måles dessuten i et av utsnittene stigningen til minst en av interferenslinjene, fortrinnsvis den interferenslinje som går gjennom midten av utsnittet.

Av disse måledata - stigningen for interferenslinjene og tidsforskyvningen mellom intensitetsmønsterne fra begge utsnitt - beregnes fartøyets måldata ifølge krav 1 og 2, under hensyntagen til peilevinkelen og dens tidsendring. Ved anvendelse innenfor vannlydteknikken kan peilevinkelen fastslås ved hjelp av et vilkårlig annet sonaranlegg, men særlig fordelaktig er imidlertid som angitt i krav 3 å benytte de to omformerne som peileanlegg for bestemmelse av peilevinkelen. Det måles en løpetidsforskjell mellom mottakssignalene i omformerne, og denne forskjell multipliseres med bølgeenergiens utbredelseshastighet, hvoretter det divideres med omformer avstanden og arcus sinus dannes, slik at man får peilevinkelen.

Skal man fra målestedet bare observere fartøy på en bestemt trafikkstrekning, så anordnes de to omformerne enten i farts-retningen eller parallelt med denne. En peiling vil da være overflødig, fordi fartsstrekningen eller fartøyets kurs jo er kjent. Den radielle hastighetskomponent blir da hver gang riktig utregnet fra koeffisienten av omformeravstanden og tidsforskyvningen. Avstanden fremkommer av den utledede stigning multiplisert med den radielle hastighetskomponent.

Ved en vilkårlig fartøykurs i forhold til målestedet blir ved

en bestemmelse av peilevinkelen ifølge krav 3 den radielle hastighetskomponent bestemt med koeffisienten av løpetid-forskjellen og tidsforskyvningen multiplisert med utbredelseshastigheten til bølgeenergien i mediet. Avstanden mellom fartøy og målested bestemmes ved at stigningen multipliseres med løpe-tidsforskjellen og bølgeenergiens utbredelseshastighet og divideres med tidsforskyvningen. Den tangensielle hastighetskomponent får man ved å multiplisere avstanden med peilevinkelens tidsendring.

Fordelene ved den nye fremgangsmåte består i at man direkte etter detekteringen av den av fartøyet genererte og utstrålte bølgeenergi kan foreta en kontinuerlig bestemmelse av måldata. Av intensitetsmønsteret vil det gå frem om man bare mottar omgivelsesstøy fra omformerne eller om et fartøy beveger seg i måleområdet. I sistnevnte tilfelle vil det nemlig umiddel-bart finne sted en strukturering av det vilkårlig utseende intensitetsmønster, og det danner seg interferenslinjer.

Så snart man kan erkjenne interferenslinjer, vil det være

mulig å måle stigning og tidsforskyvning. Enklest kan stigningen til en interferenslinje bestemmes ved approksimering av en linje og av tidsforskjellen mellom de to utsnitts inter-ferensmønster ved hjelp av korrelasjonsteknikken. En ytterligere forskjell består i at under en bevegelse av fartøyet er det mulig å foreta en bestemmelse av måldata fra det stasjonære målested uten egenforråd, altså uten utstråling av egen sendeenergi eller uten egen manøvrering, slik at fartøyet ikke ved hjelp av sine egne måleanlegg kan oppdage

at det overvåkes. Innmålingsarbeider i forbindelse med in-stallasjonen av måleanlegget vil være overflødige når det er fartøyets måldata i forhold til målestedet som er av interesse. Dimensjonene til måleanordningen i målestedet er fordelaktig vesentlig mindre enn det måleområde som kan overvåkes med den nye fremgangsmåte. Ved anvendelse av den nye fremgangsmåte innenfor vannlydteknikken er måleanordningen med sine hydrofoner eksempelvist installert som observasjonsstasjon på et stasjonært skip eller en undervannsbåt, eller på flere bøyer henholdsvis stanganordninger som er lagt ut på havbunnen.

En særlig fordel er at nøyaktigheten i bestemmelsen av avstand

og fartøyhastighet er uavhengig av avstanden mellom målested og fartøy, og at man samtidig med detekterbarheten også kan foreta den første måling. Dessuten er måldatabestemmelsen uavhengig av fartøyets kurs. Måldataene kan bestemmes på samme måte ved en overkjøring, hvor altså kursen går gjennom målestedet, som ved en forbikjøring, hvor kursen går i en tverravstand forbi målestedet. Det er videre fordelaktig at fartøysmanøvrer ikke påvirker måldatabestemmelsen når den radielle hastighetskomponent bare endrer seg uvesentlig innenfor tidsintervallet. Bestemmelsen av avstand og fartøyhastighet er dessuten fordelaktig helt uavhengig av fartøyets bevegelser i de forangående tidsintervaller og i de etterfølgende tidsintervaller. Forhistorien eller frem-tidige fartsforhold inngår altså ikke i målingen. Ved en anvendelse av den nye fremgangsmåte er man istand til alltid å kunne fastslå et fartøys momentane måldata, også når fartøyet går i vilkårlige kurser med vekslende fartøyshastigheter. Far-tøyshastigheten kan naturligvis bare angis dersom den er tilnærmet konstant innenfor tidsintervallet.

Ifølge en fordelaktig videreutvikling av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, som angitt i krav 4 og 5, oppstilles det en tredje omformer på målestedet, for oppnåelse av entydige peileresultater. Omformerne anvendes parvist for bestemmelse av løpetidsfor-skjeller. Ut fra løpetidsforskjellene beregnes vinkelen i for-

hold til midtvertikalen på avstanden mellom hvert omformerpar,

og denne vinkel omregnes i vinkelverdier mot en felles refe-ranser etning . Peilevinkelen bestemmes av de løpetidsfor skjeller som hører til like store vinkelverdier. En såkalt speil-

peiling utelukkes derfor.

Ifølge en fordelaktig videreutvikling av fremgangsmåten, som angitt i krav 6, sammenligner de bestemte løpetidsforskjeller med hverandre og man søker ut det omformerpar hvis mottakssignaler oppviser den største løpetidsforskjell. Mottakssignalene til dette omformerparet frekvensanalyseres for bestemmelse av tidsforskyvningen. Den av intensitetsmønsterne til dette omvandlerpars mottakssignaler bestemte tidsforskyvning og løpetidsforskjellen mellom mottakssignalene kombineres for bestemmelse av den radielle hastighetskomponent og avstanden. Av disse mottakssignalers intensitetsmønstre utledes enten interferenslinjestigningen midt i et av de to utsnittene, eller man bestemmer den aritmetiske middelverdi for stigningene til de i de to utsnitt gjennom midten av de respektive utsnitt forløpende interferenslinjer.

Det er også mulig istedenfor løpetidsforskjellene mellom mottakssignalene i hvert omformerpar å sammenligne intensitetsmønsternes tidsforskyvning og for peilevinkel- og tidsforskyvningsberegningen benytte mottakssignalene i de omformerpar hvis intensitetsmønstre har den største innbyrdes tidsforskyvning.

Ved hjelp av utvelgningsmetoden ifølge krav 6 benytter man intensitetsmønsteret for mottakssignalene i det omformerpar hvis forbindelseslinje stemmer best overens med forbindelsen mellom målested og fartøy. I den samme retning fra fartøyet til målestedet vil også den radielle hastighetskomponent for den fartøyhastighet ligge som forårsaker interferens-linjedannelsen og tidsforskyvningen mellom intensitetsmønsterne i utsnittene. Fordelen med fremgangsmåten ifølge krav 6 er at man benytter mottakssignalene i det omformerpar som sikrer den største nøyaktighet for bestemmelsen av avstand og far-tøyshastighet, fordi den tidsforskyvning som måles vil være den største. Denne tidsforskyvning vil ved en rasting av frekvens-tid-koordinatsystemets tidsakse i tidsenheter innbe-fatte det største antall tidsenheter og sikre at den relative feil er minst mulig. Videre er det enfordel at det også er mulig å bestemme måldata når fartøyet rettes på en kurs langs en midtvertikal på forbindelseslinjen mellom et av omformer-parene. Ved en slik kurs vil mottakssignalene i dette omformerpar riktignok gi et strukturert intensitetsmønster, men en sammenligning mellom de to intensitetsmønstre for bestemmelse av tidsforskyvningen vil vise at intensitetsmønsterne er identisk ut-formet og ikke har noen innbyrdes tidsforskyvning, fordi begge omformere avføler samme interferensfelt samtidig. Ved å benytte tre omformere og å foreta den parvise vurdering av deres mottakssignaler vil man alltid være sikret en entydig bestemmelse av samtlige måldata, fordi et av de tre omformerpar alltid vil ha en slik innretting at man er sikret en entydig måldata-bestemmelse.

Ifølge en videreutvikling av fremgangsmåten, som angitt i krav

7, bestemmes peilevinkelen ut fra mottakssignalene .i det omformerpar som har den minste løpetidsforskjell. Dette omformerpar vil levere den største målenøyaktighet sammenlignet med de andre.

Med den nye fremgangsmåte er det på en fordelaktig måte mulig

å bestemme fartøyets kurs, idet kursen for det første bestemmes ved hjelp av peilevinkelen mellom målestedet og fartøyet og for det andre bestemmes med utgangspunkt i en hastighetsvinkel, slik det er angitt i krav 8. Hastighetsvinkelen ligger mellom den radielle hastighetskomponent, hvis retning i forhold til referanseretningen bestemmer peilevinkelen, og fartøyshastigheten som er rettet i kursretningen. Kursen bestemmes ut fra summen av peilevinkel og hastighetsvinkel. Hastighetsvinkelen beregnes enten ut fra forholdet mellom fartøyshastighetens tangensielle og radielle hastighetskomponenter, eller ifølge en fordelaktig

videreutvikling av oppfinnelsen som angitt i krav 9, ved hjelp av arcus tangens av produktet av stigning og peilevinkelens tidsendring, under hensyntagen til en faktor. Fordelen med fremgangsmåten som angitt i krav 9 er at man ikke først behøver å bestemme selve hastighetskomponenten, men kan beregne kursen direkte av de målte størrelser, nemlig stigningen til en interferenslinje i intensitetsmøhsterets utsnitt og peilevinkelens

tidsendring.

Ifølge en fordelaktig videreutvikling av fremgangsmåten, som angitt i krav 10, blir det for frekvensanalysen bare foretatt en vurdering av bølgeenergi i et frekvensområde som en midtfrekvens som utbrer seg i form av moder og fremkaller inter-ferenser innenfor overføringssjiktet. Dette frekvensområde bestemmes ved at det langs hvert frekvensspor fastslås en type modulasjon av intensitetene over tiden, med tilhørende utledning av et modulasjonsmål. Dette modulasjonsmål ville ved sinusformede og ikke stokastiske hendelser være den fra litteraturen kjente modulasjonsgrad. Modulasjonsmålet angir hvor utpreget egenbølgene utbrer seg i overføringssjiktet og hvordan deres interferens skal detekteres. Frekvensområdet ligger i den nedre delen av mottakssignalenes frekvensspektrum, fordi dempingen i overføringssjiktet bare muliggjør måling av egenbølger med lavere frekvenser over større avstander, og fordi de små interferensbølgelengdene i dette frekvensområde gir et finstrukturert intensitetsmønster.

Modulasjonsmålet bestemmes eksempelvis ved at intensitets-variansen i hvert frekvensspor fastslås og denne varians stilles opp med hensyn til den kvadrerte middelverdi av samtlige der lagrede intensiteter og reduseres med tallet en. Den rottrukne differanse gir da modulasjonsmålet.

Modulasjonsmålet langs et frekvensspor er bare stort når mottakssignalet, overført ved hjelp av egenbølger, ligger over omgivelsesstøynivået. Frekvenssporene vil da få intens-itetsekstrema i halve interferensbølgelengde-avstanden i frekvenssporet. Forstyrrelser under utbredelsen av egenbølgene kan imidlertid ved noen frekvenser bevirke at modulasjonsmålet går sterkt tilbake, slik at man ikke kan finne noen gjennomgående interferenslinje eller et likestrukturert intensitetsmønster for mottakssignalene i de to omformere. Som frekvensområde velges derfor fordelaktig et sammenhengende område av hosliggende frekvensspor, i hvilket område det bestemte, fortrinnsvis over frekvensen glattede modulasjonsmål-forløp ligger over en gitt terskelverdi, slik at man således med størst mulig sikkerhet kan bestemme stigningen til interferenslinjene og tidsforskyvningen mellom intensitetsmønsterne i de to utsnitt.

Ifølge en fordelaktig videreutvikling av fremgangsmåten, som angitt ikrav 11, vurderes mottakssignalene i et høyereliggende frekvensintervall som frekvensområde med hensyn til løpetids-forskjellen, for derav å kunne bestemme peilevinkelen. Egen-bølger i dette frekvensintervall kan ikke forfalske peilingen, fordi deres fasehastigheter tilnærmet er lik utbredelseshastigheten.

Som man ser virker de for bestemmelsen av stigningen og tidsforskyvningen ønskede overføringsegenskaper i overførings-sjiktet, hvilke egenskaper sørger for en utbredelse av egen-bølger og deres interferens, forstyrrende for peilingen. Ved hjelp av utvalget av frekvensområde og frekvensintervall ifølge oppfinnelsen oppnås en optimal tilpassing av målingen til over-føringsegenskapene.

De beregningsforskrifter som benyttes for å få frem avstand

og fartøyhastighet fra målestørrelsene, er angitt i kravene 12, 13 og 14. Den der anførte faktor beregnes enten som angitt i krav 15 med utgangspunkt i interferensbølgelengden for to egenbølger som innstiller seg ut fra den utstrålte bølgenergi ved frekvensområdets midtfrekvens, og av den frekvensmessige avledning, eller faktoren finnes som angitt i krav 16, idet den

settes lik 1,1 ganger frekvensområdets midtfrekvens. Denne faktor er typisk for utbredelsesegenskapene i overførings-sjiktet og kan bestemmes eller fastlegges før målingen begynner. Tallrike forsøk har vist at det slett ikke er nødvendig med nøyaktig kjennskap til mekanismen i overføringssjiktet for å bestemme denne faktor. Tvert i mot, en tilnærming til

1,1 ganger midtfrekvensen vil gi gode måleresultater.

Kan en vifteformet intensitetsmønster-struktur observeres, så

er dette et sikkert tegn på at en detekterbar lydkilde har kommet inn i måleområdet. Selvfølgelig er en omgående måling av måldataene frem mot en tilnæring av fartøyet mot målestedet

av interesse. Stigningen tii en erkjennbar interferenslinje i et punkt i frekvens-tid-koordinatsystemet for interferens-mønsteret kan imidlertid bare bestemmes når en del av interferenslinjen er tydelig utpreget. Det tidligste tidspunkt for bestemmelse av interferenslinjens stigning har man når tidsintervallet velges slik ifølge krav 17 at det forefinnes to intensitetsmaksima på midtfrekvensens frekvensspor. Med en slik dimensjonering oppnås at man i et av frekvensområdet og tidsintervallet definert utsnitt vil få et utpreget intensitets-mønster, som er tilstrekkelig godt strukturert også for en sammenligning av utsnittene med hensyn på deres tidsforskyvning. Selvfølgelig kan man også tilstrebe måleresultater med mindre eller større tidsintervaller. Ved et for lite tidsintervall er det imidlertid en fare for at man ikke får et tilstrekkelig finstrukturert intensitetsmønster i frekvensområdets øvre område, fordi man der ikke kan bestemme et intensitetsmaksimum og-minimum. Ved et for stort valgt tidsintervall kan man eventuelt ikke lenger gå ut fra at fartøyet i løpet av måletiden går med tilnærmet konstant fartøyhastighet, slik at man ikke lenger kan angit fartøyshastighetens momentane verdi.

Omformeravstanden velges på samme måte som tidsintervallet avhengig av overføringsegenskapene i overføringssjiktet og tilpasses som angitt i krav 18 til det forventede interferensfelt. Den i krav 18 angitte dimensjonering av en omformeravstand i avhengighet av interferensbølgelengden til to interfererende egenbølger sikrer at intensitetsmønsterne i de to utsnitt over-lapper hverandre delvist og at man kan fastslå en korrelasjon mellom intensitetsmønsterne. Ved en anvendelse innenfor vannlydteknikken fremkommer eksempelvis en avstand på ca. 100 m i en gruntvannkanal med en dybde på ca. 40 m og en midtfrekvens på 300 Hz, for å oppnå fornuftige måleresultater. Av dette ser man at omformerne på målestedet kan være anordnet tett hosliggende i forhold til det måleområde som skal overvåkes, hvilket måleområde kan ha en utstrekning på mer enn 10 km. Forsøk innenfor vannlydteknikken har vist at et tidsintervall på mindre enn 200 sekunder er tilstrekkelig for å kunne foreta den første måling av en stigning av en interferenslinje. Som frekvensområde har det vist seg fordelaktig med en båndbredde på 2 00 Hz rundt midtfrekvensen på 300 Hz. De første måldata for et fartøy som nærmer seg målestedet, kan man altså få frem etter ca. 3 minutter etter at fartøyet er detektert. Disse måledata relaterer seg til avstand, fartøyhastighet og kurs. Ytterligere angivelser om fartøyets bevegelser kan man så få frem kontinuerlig i løpet av hele tilnærmelsesfasen for fartøyet, ved overfjøringen eller passeringen av målestedet og helt til fartøyet har forlatt måleområdet og altså ikke lenger er detekterbart.

Som følge av dimensjoneringen av omformeravstanden og tidsintervallet i avhengighet av overføringsegenskapene i måleområdet tilpasses målemetoden til den mekanisme som gjelder for oppstå-elsen av intensitetsmønsteret, og derved oppnås en optimering av måleresultatene.

Særlig fordelaktig for bestemmelsen av måldataene er det dersom intensitetmønsteret er å findelt som mulig, fordi man da særskilt godt kan oppdage tidsforskyvningen for intensitetsmønsterne i de to utsnitt. Ved en fordelaktig videreutvikling av fremgangsmåten, som angitt i krav 19, kan man oppnå en forbedring ved, innenfor overføringssjiktet, og plassere omformerne i en slik avstand parallelt med grenseplanet at egenfunksjonene ikke oppviser noen null-steder i vertikal retning og interferensfeltet bygges opp av flest mulige egenbølger, også av høyere orden. Denne avstand kan fastslås ved at en omformer inntar for-skjellige posisjoner innefor overføringssjiktet, under grenseplanet i overføringssjiktet, og ved at hver gang interferens-mønsteret til en støykilde opptegnes. Den optimale avstand har man funnet når de fleste interferenslinjer ligger i utsnittet. Egenfunksjonene til overføringssjiktet kan også lett beregnes tilnærmelsesvis. Herav kan man likeledes anslå avstanden for omformeranordningen.

For bestemmelse av måldataene blir den fra fartøyet utstrålte bølgeenergi underkastet en frekvensanalyse og det avledes herav et støyspektrum, eksempelvis i form av et korttid-effekttetthet-spektrum som angitt i krav 20. Fortrinnsvis vurderes fartøyets støyspektrum slik at det over frekvensen ville ha en konstant verdi dersom det ikke hadde dannet seg noen egenbølger under utbredelsen av bølgeenergien. En slik regnemetode for tilsvarende normalisering av et støyspektrum er eksempelvis beskrevet i en rapport BL 4556, Krupp Atlas-Elektronik "Detektion von mehreren Grundfrekquenzen periodischer Signale in farbigem Rauschen" av G. Hermstriiwer, 1976. Anvender man denne metode eksempelvis på skipsstøy, hvis støyspektrum over frekvensen har et bukkelformet forløp, så glattes bukkelen og det innstiller seg enover frekvensen konstant spektrumverdi. Først i det øye-blikkhvor utbredelsen av bølgeenergien skjer med egenbølger,

vil det over frekvensen danne seg minima og maksima i spektrumet.

Ifølge en fordelaktig videreutvikling av fremgangsmåten som angitt i krav 21, utledes interferenslinjen derved at en rett linje approksimeres og linjens stigning angir interferenslinjens stigning. Approksimeringen er ferdig når den rette linje ikke lenger skjærer interferenslinjen i utsnittet, dvs.

at man ikke kan fastslå intensitetsmaksima eller- minima på

den rette linje og denne således tangerer interferenslinjen, eller når avstanden mellom denrette linje og interferenslinjen

i frekvens-tid-koordinatsystemet er et minimum. Denne metode kan realiseres på særlig enkel måte ved hjelp av en regnemaskin under utnyttelse av regresjonsregning.

For bestemmelse av interferenslinjens stigning i frekvens-tid-koordinatsystemet for intensitetsmønsteret i et av utsnittene kan man ifølge oppfinnelsen, som angitt i krav 22, anordne en rett linje vilkårlig i utsnittet og måle intensitetene langs denne rette linje. For approksimering dreies den rette linje og forskyves så lenge i tids- eller frekvensretningen, til samtlige målte intensiteter er like. Da vil den rette linje approksimere en interferenslinje. Dersom den rette linje skal approksimere en av intensitetsmaksima dannet interferenslinje,

så må den rette linje dreies og/eller forskyves helt til samtlige intensiteter er like store og eksempelvis oppviser hosliggende maksimalverdier innenfor utsnittet. Man er da sikret at de langs den rette linje målte intensiteter også virkelig hører til en og samme interferenslinje, da de nemlig samtlige er hos-liggendehverandre og danner en kontinuerlig linje. Man kan her forestille seg et tredimensjonalt koordinatsystem med en frekvens-akse, en tidsakse og en intensitetsakse loddrett på frekvens-tidsplanet. Intensitetene vil da fremkomme som relieffer ut fra frekvens-tidsplanet. Interferenslinjer vil være høydelinjer i relieffet. Gjennom den rette linje legges et snitt gjennom høydeprofilen. Når samtlige intensiteter langs denrette linje er like vil denrette linje ligge på en høydelinje og approksimere en interferenslinje. Når samtlige intensiteter langs den rette linje er maksimalverdier, ligger den rette linje på en høyderygg. Interferenslinjene er ved en overkjøring frem til målestedet tilnærmede rette linjer. Ved en forbikjøring, hvor altså fartøyets kurs har en tverravstand til målestedet, vil interferenslinjene være hyperbler hvis vendepunkter er karakteristiske for fartøyets kraftigste tLlnæring til målestedet. Inter-ferenslin jene vil ved derpå følgende fjerning av kjøretøyet fra målestedet ha omvendt stigning og et speilsymmetrisk forløp i forhold til frekvensaksen.

En fordelaktig mulighet for beregning av approksimeringen er

angitt i krav 23. Langs en vilkårlig i frekvens-tid-koordinatsystemet anordnet rett linje måles intensitetene og man danner middelverdien. Dessuten kvadreres disse enkelte intensiteter.

Man danner summen av de kvadrerte intensiteter og deler den med antall langs den rette linje i utsnittet målte intensiteter.

Så finner man differansen av dette resultatet og den kvadrerte middelverdi, foretar rotuttrekking og deler med middelverdien.

Denne regneoperasjon vil gi det relative standardavvik for intensitetene langs denrette linje i- forhold til middelverdien.

Den rette linje approksimerer interferenslinjen nøyaktigere

jo mindre det relative standardavvik er. Den rette linje dreies og forskyves så lenge i frekvens-tid-koordinatssystemet at det relative standardavvik blir et minimum.

For å øke målesikkerheten kan man som angitt i krav 24 danne

ét mønster av en bunt av rette linjer i frekvens-tid-koordinatsystemet, idet samtlige av de rette linjer skjærer hverandre ved 0,1 ganger midtfrekvensen. Disse rette linjer har like

avstander i midtfrekvensens frekvensspor. Bunten forskyves ' med sitt skjæringspunkt i tidsretningen helt til bunten er

best approksimert til interferenslinjene i utsnittet og ikke lenger skjærer disse, men tangerer dem. Deretter tilveiebringes det en forbindelse mellom midten av utsnittet og de rette linjers skjæringspunktog stigningen til denne forbindelsen måles. Denne stigning gir stigningen til interferenslinjen for bestemm-

else av måldataene. Anvendelsen av en bunt av rette linjer gir en gjennomsnittsverdi av interferenslinjestigningene, og dette gir en statistisk sikrere måleverdi for den søkte interferenslinjestigning.

For bestemmelse av tidsforskyvningen mellom intensitetsmønsterne

i de to utsnitt gjennomføres det, som angitt i krav 25, en sammenligning av intensitetsmønsterne for mottakssignalene i begge omformere ved hjelp av korrelasjonsteknikk. Den særlige fordel ligger i at en slik signal bearbeidelse muliggjør en

automatisering på en enkel måte.

Som tidligere nevnt bygger den nye fremgangsmåte på mekanismen for utbredelse av egenbølger i et overføringssjikt med dispergeringsegenskaper, eksempelvis en gruntvann-kanal, og bølgenes interferens. Som allerede nevnt er antall egenbølger som danner seg ikke bare avhengig av den utstrålte frekvens, men også av dybden igrunvann-kanalen, henholdsvis den loddrette utstrekning av overføringssjiktet mellom grenseplanene. Ved et fall innenfor måleområdet, dvs. at dybden ikke er konstant, kan det forekomme feil ved bestemmelsen av tidsforskyvningen mellom intensitetsmønsterne og ved bestemmelsen av interferenslinjestigningen, når fartøyet befinner seg på et sted hvor dybden adskiller seg fra målested-dybden.

Ved en fordelaktig videreutvikling av fremgangsmåten, som angitt i krav 26, blir den bestemte radielle hastighetskomponent av fartøyhastigheten korrigert med den dobbelte verdi av den relative dybdeenedring i måleområdet. Da det her bare dreier seg om relative størrelser behøver selve dybden ikke å være kjent. Man trenger bare å kjenne bunnfalletog benytte dette for korreksjonen. Bunnfallet kan lett bestemmes ved utmåling av grunvann-kanalens parametre.

Hva som skjer kan belyses på følgende måte: det av interferens-felte omgitte vannfartøy vil med fartøyhastigheten i løpet av en bestemt tid tilbakelegge en strekning som nettopp svarer til en interferensbølgelengde. Interferensbølgelengdene vil imidlertid variere avhengig av dybden i gruntvann-kanalen.

Jo grunnere gruntvann-kanalen er desto kortere vil avstanden mellom to interferensmaksima være. Befinner vannfartøyet seg i et grunnere område enn ved målestedet, så vil over samme tid interferensmaksimumet ved målestedet tilbakelegge en større strekning enn ved skipsstedet, fordi det ikke kan oppstå noen luker i oppbyggingen av interferensfeltet og interferensfeltet bare bestemmes av kanalparameterne og ikke av vannfartøyet.

Den målte tidsforskyvning blir derfor mindre og den herav utledede fartøyhastighet blir for stor.

Interferenslinjestigningen påvirkes på samme måte av dybde-endringer i måleområdet. Da forholdet mellom stigning og tidsforskyvning inngår i avstandsbestemmelsen vil avstanden alltid bestemmes riktig også ved dybdeenedringer, og den behøver ikke korrigeres. Hastighetsvinkelen beregnes med hjelp av den som angitt i krav 27 korrigerte stigningsverdi.

Virkemåten til den nye fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen er

her fortrinnsvis beskrevet i forbindelse med anvendelse innenfor vannlydteknikken. Det er imidlertid på samme måte mulig å foreta passive målinger av måldata for et fartøy ved overvåking av veier på land og strekninger i luften i områder hvor fartstøyens lydbølger trenger inn i jord- eller luftsjikt med dispergeringsegenskaper og det danner seg egenbølger.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere under henvisning til tegningene og de der viste utførelseseksempeler. På

tegningene viser:

Fig. 1 en målesituasjon. for fremgangsmåten, for bestemmelse

av måldata fra et målested,

fig. 2 viser et blokkskjerna, hvor fremgangsmåten realiseres,

fig. 3 viser en skisse for forklaring av fremgangsmåten ved

en overkjøring og ved forbikjøring av målestedet,

figl 4 viser et utsnitt av fig. 1,

fig. 5 viser et blokkskjerna for en i fig. 2 vist intensitets-mønsterenhet,

fig. 6.1 og 6.2

viser en målesituasjon og tilhørende frekvens-tidsdiagram med interferenslinjer ved en overkjøring av målestedet av et med konstant fartøyhastighet beveget fartøy,

fig. 7 viser et frekvens-tidsdiagram hvor fartøyet nærmer

seg målestedet under en overkjøring med vekslende

fartøyhastighet,

fig. 8 viser en geometrisk oversikt for forklaring av fremgangsmåten, ved en fartøykurs på tvers av målestedet,

fig. 9 viser et blokkskjema av en i fig. 2 vist interferenslinje-beregner, og

fig.10 viser et overføringssjikt med dybdeendring.

Fig. 1 tjener til forklaring av fremgangsmåten for bestemmelse av måldata for et fartøy 1 som med en kurs 2 beveger seg fordi et målested 3 med en fartøyhastighet V. Kursen går med en kursvinkel y i forhold til geografisk nord. Geografisk nord betegnes heretter som referanseretning N. Fartøyet 1 befinner seg i forhold til målestedet 3 i en peilevinkel <)>. Denne er innført som en rettvisende peiling i forhold til nord. Fartøyhastigheten V og dens to loddrett på hverandre stående hastighetskomponenter, nemlig den radielle hastighetskomponent V"r og den tangensielle hastighetskomponent V g er inntegnet. Den radielle hastighetskomponent V ligger i retningen til forbindelseslinjen mellom fartøyet 1 og målestedet 3. På målestedet 3 er det tre omformere 4, 5 og 6, anordnet i en likesidet trekant hvis sidelehgde er betegnet med d. For oversiktens skyld er størrelsesfor-holdet mellom avstanden d og avstanden mellom målested 3 og fartøy 1 vist helt urealistisk. Avstanden mellom fartøyet 1

og målestedet 3 vil som regel være flere ordninger større enn avstanden d mellom omformerne 4, 5, 6. Omformerne 4, 5, 6 mottar den fra fartøyet 1 utstrålte fartsstøy og omformer den mottakssignaler. Løpetidsforskjeller T.|f x2, t3 mellom mottakssignalene i hver gang to omformere 4, 5; 5, 6 eller 4, 6 bestemmes.

Ut fra løpetidsforskjellene x^, x^, x^ beregnes vinklene 0^,

(i= 1, 2, 3) i forhold til midtnormalen på forbindelsen mellom omformerne i det aktuelle par. Disse vinkler 6^, e^

er lik arcus sinus for løpetidsforskjellen x. delt med en maksimal løpetidsforskjell Tmax= c"' nvor d er avstanden og c er utbredelseshastigheten i mediet. For hver løpetidsforskjell

t^, x2, t^, fremkonuner det to vinkler 6^ og e^, som inntegnet i fig. 1. Vinkel 5. er vinkelen mellom midtnormalen og en forbindelse til fartøyet 1, som vist i fig. 1, og vinkel

er den såkalte speilpeiling og illuderer en målpeiling hvor det antatte mål er det på forbindelseslinjen mellom omformerne avspeilede sanne mål. Vinklene 6^, e 1 beregnes ut fra løpe-tidforskjellene t 1 for mottakssignalene i omformerne 4 og 5. Vinklene 62, e2 beregnes ut fra løpetidsforskjellene t2

mellom mottakssignalene i omformerne 5 og 6, og vinklene 6^ og beregnes ut fra løpetidsforskjellene t 3 mellom mottakssignalene i omformerne 4 og 6. For at man fra vinkelene ^i °^ £i s^ a^- k-unne skille ut den vinkel som går i retning av speilbilled-målet, omregnes vinkel <S^ og i vinkelverdier relativt referanseretningen N. Dertil tas dethensyn til en vinkel 3-^ med tilsvarende indeksering. Denne vinkel er inntegnet mellom midtnormalen og referanseretningen N. De utledede vinkelverdier (6^-3^) henholdsvis (e^-3^) sammenlignes med hverandre. Ut fra like vinkelverdier (6^-3^)»/ (62~32)^3~^3^ bestemmes peilevinkelen $ i forhold til referanseretningen,

<(> = 360°-(6^-3^) • Vinklene 6^, og 3^ er inntegnet i den matematisk positive retning. Peilevinkelen <}> og kursvinkelen Y er angitt på den vanlige høyrerettede måte, dvs. i matematisk sett negativ retning. Følgende tabell viser bestemmelsen av peilevinkelen:

Fig. 2 viser en blokkskjerna for en innretning for utførelse av fremgangsmåten. For bestemmelse av peilevinkelen <|> er det etter omformerne 4, 5 og 6 anordnet høypasskretser 7, 8 og 9 hvor mottakssignalene i omformerne 4, 5 og 6 overføres til løpetid-beregningstrinn 10, 11 og 12. I disse beregnings-trinn 10, 11, 12 bestemmes løpetidsforskjellene x^, t^, x^

mellom mottakssignalene i de to respektive omformere .4, 5; 5, 6 eller 4, 6. Ut fra disse løpetidsforskjeller x ^ , x^, i"3 bestemmes vinkel 6^ og i forhold til midtnormalen på forbindelsen mellom omformerne i det respektive par. Dette skjer i de etterkoplede vinkelberegningstrinn 13, 14, 15. I differansetrinnene 16, 17 og 18 bestemmes vinkelverdiene og, , (e^-3^) for hvert omformerpar. Differansetrinnene 16, 17, 18

er forbundne med en referansevinkelgiver 19 for klarstiller de tre vinklene 3^ , 32, £3 mellom referanseretningen.N og . midtnormalen i hvert omformerpar. I et etterfølgende sammen— ligningstrinn 20 blir de bestemte vinkelverdier (6^-3^) og (e^-3^) sammenlignet, og den vinkelverdi som opptrer som diffe-ranseverdi tre ganger i samme størrelse, utgis. Denne vinkelverdi (6^-8^) trengerman for beregningen av peilevinkelen <j>.

For å få en mest mulig nøyaktig bestemmelse av peilevinkelen følger det etter løpetid-beregningstrinnet 10, 11 ,pg 12

en minimumdetektor 21. Her fastslås det hvilken av de tre løpetidsforskjeller x^, x2, x3 som har den minste verdi., Når fartøyet 1 befinner seg nøyaktig på midtnormalen på forbindelsen mellom omformerne i paret, vil løpetidsforskjellen være lik null. Da sinus til peilevinkel <J> er avhengig av løpetid-forskjellen, vil beregningen av peilevinkelen <{> bli mer nøyaktig jo mindre peilevinkelens <j> avvik fra midtnormalen er, da sinus har de største funksjonsverdiendringer i området rundt null-punktet. Ut fra den minimale løpetidsforskjell x3 blir så

i nok et vinkelberegningstrinn 22 vinklene 63 og e3bestemt.

I et derpå følgende differansetrinn 23, som er forbundet med referansevinkelgiveren 19, blir vinkelverdiene (63~33) og

(e3~33) mellom referanseretningen N og midrnormalen beregnet under hensyntagen til vinkelen 33, og det foretas en sammenligning med utgangssignalet fra sammenligningstrinnet 20 i en sammenligner 24. Vinkelverdien (63~B3) fremkommer ved utgangen i sammenligneren 24 og trekkes fra 360 i et etterkoplet subtraksjonstrinn 25, hvorved peilevinkelen = 360°-(63-33) fremkommer.

For bestemmelse av peilevinkelen $ blir mottakssignalene

til omformerne 4, 5, 6 først filtrert i høypassfliterne 7,

8., 9. For å sikre en mest mulig nøyaktig bestemmelse av peilevinkelen <J>, bør mottakssignalet bare vurderes i et frek vensintervall hvori egenbølgenes fasehastigheter er tilnærmet like. Dette er bare tilfelle ved høyere frekvenser. Her er fasehastighetene dessuten omtrent lik utbredelseshastigheten c i mediet. Skillingen mellom det ønskede øvre frekvensintervall og det uønskede nedre frekvensområde foretas i høypass-filterne 7, 8 og 9. Den nedre grensefrekvens i høypassfilt-erne 7, 8, 9 er tilpasset de foran beskrevne krav. Istedenfor filterne 7, 8, 9 kan man også benytte båndpassfiltre. Nytte-/ støyforholdet kan forbedres gjennom den øvre båndbegrensning.

Omformerne 4, 5 og 6 er hver forbundet med en intensitetsmønster-enhet 30, 31, 32. Mottakssignalene underkastes der en frekvensanalyse og tidsforløpet til de for hver frekvens bestemte intensiteter for mottakssignalene lagres i et frekvens-tid-koordinatsystem. Det fremkommer et intensitetsmønster i avhengighet av frekvensen og tiden, hvilket mønster ved utbredelsen av den fra fartøyet 1 utstrålte bølgeenergi i form av egenbølger og bevegelse av fartøyet vil oppvise et vifteformet eller hyperbelformet forløp av like intensiteter. I hver intensitetmønsterenhet 30, 31, 32 blir det samtidig tilveiebragt et utsnitt av intensitetsmønsteret over et gitt frekvensområde og et valgbart tidsintervall. Disse utsnitt vil ha tidsforskjøvne like mønstre. Tidsforskyvningen forårsakes bl.a. av fartøyhastighetens V radielle hastighetskomponent

V

Bestemmelsen av fartøyhastigheten V skal forklares nærmere under henvisning til fig. 3, for det spesielle tilfelle at man har en overkjøring eller en passering av målestedet 3,

idet kursen går parallelt med forbindelseslinjen mellom et omformerpar. Ved en overkjøring vil fartøyet 1 nærme seg målestedet 3 langs en kurs som ligger på en forlengelse av

forbindelseslinjen mellom omformerne 5 og 6, og fartøyet går med en konstant fartøyhastighet V = V , nemlig med tilnærmelseshastigheten V a, som er lik den radielle hastighetskomponent Vr> Den tangensielle hastighetskomponent V, er lik nulli. Interferensfeltet rundt fartøyet 1 mottas først av omformeren 6 og etter en tid, som er avhengig av avstanden d og den,radielle hastighetskomponent V cl = V"r = V, også av omformeren 5. Denne tid er lik en tidsforskyvelse t i intensitetsmønsteret for mottakssignalene fra omformerne 5 og 6. Da avstand_e.n-.-p mellom omformerne 5 og 6 er kjent, har man alle størrelser- som er nødvendig for bestemmelse av f artøyhastigheten V: .v,-,

V fremkommer av — ;>r

<T>IK

. 'j i -i

I fig. 3 er det vist nok et fartøy 1 1 som går på en kur-s.:- ', parallelt med forbindelseslinjen mellom omformerne 5 og .6,.

Her blir interf erensf eltet ! skjøvet forbi" omformerne 5;.. 6-

med den radiélle hastighetskomponenten Vr til fartøyhastigheten V. Det fremkommer en tidsforskyvelse t i intensitetsmønsteret, som om omformerne 5, 6 skulle ligge i avstanden a = d-sinus<5

og forbindelsen mellom målestedet 3 og fartøyet 1<1>. Denne forbindelsen og midtnormalen på avstanden d mellom omformerne'

5, 6 danner en vinkel 6 med hverandre. Tidsforskyvningen,rblir da r*-

Fartøyhastigheten V gir seg av de geometriske forhold og V"r er kjent fra tidsforskyvningsmålingensom og fartøyhastigheten kan regnes ut med ligningen

Avstanden d og tidsforskyvningen tIK er målte størrelser, fra hvilke man således kan bestemme fartøyhastigheten V uten å kjenne løpetidforskjellen x^ eller vinkelen S.

Fig. 4 tjener til å forklare fartøyhastighetsbestemmelsen under den antagelse at kursen 2 har et vilkårlig forløp i forhold til målestedet 3. I fig. 4 er det vist et utsnitt av målesituasjonen i fig. 1. Utsnittet viser omformerne 5 og 6 og fartøyet 1, som går på kursen 2. Som vist i

fig. 1 og beskrevet foran, vil forbindelseslinjen mellom fartøyet 1 og midten av omformeravstanden d danne en vinkel' & 2' hvis kompletteringsvinkel i forhold til 180° er betegnet med 6. Denne vinkel <5 er likeledes inntegnet i en trekant på målestedet 3. Trekantens grunnlinje danner avstanden d mellom omformerne 5, 6, og den ene kateten er lik d*sinus6. Dette utsnittsbilde tjener til å forklare bestemmingen av

den radielle hastighetskomponent V"r for fartøyets 1 fartøys-hastighet V. Den målte tidsforskyvning tir i intensitets-mønsteret forårsakes av den radielle hastighetskomponent vr og kunne vært målt med en fiktiv måleanordning hvis forbindelseslinje går i retning av den radielle hastighetskomponent V"r og har avstanden d'sinus6. Den radielle hastighetskomponent Vr vil altså kunne beregnes ut fra kvotienten av avstanden til en fiktiv måleanordning 5', 6' og tidsforskyvningen xTV. Tifsforskyvningen x -Li\ måles. Avstanden til den fiktive måleanordning 5', 6' bestemmes ved hjelp av den i tillegg målte løpetidsforskjell t2. Ved hjelp av denne løpetidsforskjell x2 kan sinus6 bestemmes:

Avstanden til den fiktive måleanordning 5', 6', som er lik

d-sinusS, vil da bli

Formelen for den radielle hastighetskomponent V vil da bli:

Tidsforskyvningen x i intensitetsmønsterne til to mottakssignaler fastslås ved hjelp av en korrelatorkrets 33 som vist i fig. 2. Korrelatorkretsens 33 to innganger er ved hjelp av en styrbar omsjalter 34 forbundet med to av de tre interisitets-mønsterenhetene 30, 31 henholdsvis 31, 32 henholdsvis 30,,32. Omsjalteren 34 er med sin styreinngang koplet til utgangen

fra en maksimumdetektor 35 som er innkoplet etter de tre løpe-tidsregnetrinn 10, 11 og 12.1 maksimumdetektoren 3 5 blir den største løpetid x~ bestemt og det fastslås at løpetiden

ligger mellom mottakssignalene i omformerne 5 og 6. ■ Fra omsjalteren 34 blir utsnittene av intensitetsmønsterne for mottakssignalene i samme omformerpar ved utgangen til•intensi-tetsmønsterenheten 31 og 32 gitt videre til korrelatorkretsen 33. Man benytter intensitetsmønsterne for mottakssignalene til disse to omformerne 5 og 6 for bestemmelse av tidsforskyvningen xTX-, fordi denne tidsforskyvning xT_, er større enn tidsforskyvningen mellom intensitetsmænsterne til mottaks-' signalene i de to andre omformerpar. Man har derved sikret at den relative nøyaktighet for bestemmelsen av tidsforskyvningen xJ- -K er så stor som mulig.

I korrelatorkretsen 33 blir tidsintensitetsfordelingen langs

et frekvensspor for det ene intensitetsmønster innenfor tidsintervallet At korrelert med tidsintensitetsfordelingen for samme frekvensspor i det andre intensitetsmønster, dvs. at det foretas en multiplisering og integrering for hver tidsenhet. Denne korrelering foretas i korrelasjonstrinnet 36. Denne signal-

bearbeidelsen gjennomføres for samtlige frekvensspor i frekvensområdet A^. De derved utledede korrelasjonsfunksjoner blir lagret i et mellomlager 37 i korrelatorkretsen 33. For alle korrela-sjons funksjoner dannes det en gjennomsnitt-korrelasjonsfunk-sjon i en etterkoplet middelverdidanner 38, og ut fra stillingen til gjennomsnitt-korrelasjonsfunksjonens maksimum bestemmes tidsforskyvningen iTV mellom intensitetsmønsterne.

Korrelatorkretsen 33 og en ytterligere utgang i maksimumdetektoren 35 for den maksimale løpetidsforskjelle t2 er forbundet med en regnekrets 40, hvor den radielle hastighets-

<T>2

komponent V"r = c- -— beregnes. I regnekretsen 40 blir kvotienten av løpetiSsforskyvningen t2 og tidsforskyvningen t__, for intensitetsmønsterne til mottakssignalene i samme omformerpar multiplisert med utbredelseshastigheten c.

Fig. 5 viser en prinsippiell oppbygging av intensitetsmønster-enheten 30. Intensitetsmønsterenhetene 31 og 32 kan utføres på samme måte. Etter omformeren 4 er en analog-digital-omformer med etterkoplet lager 41 anordnet, gjennom lavpass-kretsen 39. Lavpasskretsens grensefrekvens er tilpasset slik at den ligger under grensefrekvensen i høypasskretsene 7, 8, 9. Tidsforløpet til de filtrerte, digitaliserte mottakssignaler lagres i tidsenhetene T. En taktgiver 42 innstyrer analog-digital-omformeren og lageret 41 tilsvarende. I en etterkoplet FFT-regnekrets 4 3 tilveiebringes det spektrogrammer som lagres. Spektrogrammene tilveiebringes med utgangspunkt i de lagrede mottakssignaler etter nødvendig filtrering (Alias-filter) i samsvar med algoritmen til Fast-Fourier-transforma-sjonen og etterfølgende kvadratdannelse og normalisering. FFT-regnekretsen 43 etterfølges av en lagerkrets 44 som er forbundet med en frekvensstyrekrets 45 og en tidsstyrekrets 480 for dannelse av utsnittet. I lagerkretsen 44 blir sprekto— grammene lagret linjevist via en tidsbasis som er rastet i tidsenheter T, idet intensitetene over frekvensen F legges i hver linje. Lagerkretsen 44 er forbundet med taktgivere 42. Det fremkommer et med gråtoneskrift vist intensitetsmønster med tiden t som ordinat og frekvensen f som absisse.

I frekvensstyrekretsen 4 5 fastlegges et frekvensområde Af

slik om en midtfrekvens f at et modulasjonsmål for intensitetene langs samtlige frekvensspor innenfor frekvensområdet Afvil ligge over en gitt terskel. Frekvensstyrekretsen 45 inneholder en middelverdikrets 46, en differansedanner 47,

en modulasjonsregner 48 og en terskelverdiregner 49. Frekvensstyrekretsen 45 er.forbundet med FFT-regnekretsen 43. I middel-verdikretsen 56 summeres intensitetene 1^ langs hvert frekvensspor og deles med antallet N. Man får da middelverdien I av intensitetene for hvert frekvensspor. I den etterkoplede differansedanner 47 beregnes variansen a for hvert frekvensspor, idet differansen mellom intensitetene 1^ på frekvenssporet og middelverdien I for intensitetene på samme frekvensspor dannes, kvadreres og summeres. I den etterordnede modulasjonsregner 48 bestemmes modulasjonsmålet for intensitetene i hvert frekvensspor. Modulasjonsmålet M beregner seg som følger:

Etter modulasjonsmålregneren 48 følger terskelverdiregneren 49. Her fastslås det i hvilke hosliggende frekvensspor det eventuelt glattede modulasjonsmål ligger over en gitt terskel. Ved utgangen i terskelverdiregneren 49 angis midtfrekvensen f og frekvensområdet Af, innenfor hvilket modulasjonsmålet for hvert frekvensspor ligger over terskelen, eksempelvis et frekvensområde Af = 200 Hz om en midtfrekvens f = 300 Hz. Lagerkretsen 44 anstyres av frekvensstyrekretsen 45 for dannelse av utsnittet. Dessuten er lagerkretsen 4 4 sammenkoplet med tidsstyrekretsen 480.

I tidsstyrekretsen 480, som anstyres av taktgiveren 42, legges det inn et tidsintervall At på eksempelvis 200 sekunder. Tidsintervallet At innbefatter flere tidsenheter T og er valgt slik at minst en interferensbølgelengde registreres og eksempelvis to intensitetsmaksima opptrer i midtfrekvensens f frekvensspor.

Frekvensstyrekretsen 45 og tidsstyrekretsen 480 anstyrer lagerkretsen 4 4 og definerer intensitetsmønsterets utsnitt. Intensitetsmønsteret i dette utsnittet blir dessuten via omsjalteren 34 i fig. 2 vurdert i en interferenslinjeregner 50. Interferenslinjeregneren 50 i fig. 2 består av en approksi-masjonsregner 51, som mates fra den med omsjalteren 34 forbundne intensitetsmønsterenhet 31, og av en simuleringsregner 52"og en stigningsregner 53. I approksimasjonsregneren 51 oppsøkes innenfor utsnittet hosliggende intensiteter med lik styrke, som danner interferenslinjer. I simuleringsregneren 52, som er sammenkoplet med approksimasjonsregneren 51, simu-leres en rett linje i et frekvens-tid-koordinatsystem. Denne linjen blir i approksimasjonsregneren 51 sammenlignet med den gjennom midten av utsnittet forløpende interferenslinje. Den rette linje i simuleringsregneren 52 dreies så lenge

og forskyves så lenge i tidsretningen til avvikelsene mellom interferenslinjen og den rette linje når et minimum. Dreie-punktet til den rette linje forskyves fortrinnsvis i et frekvensspor på -0,1 f i tidsretningen. Disse avvik kan være tids- og frekvensavvik mellom koordinatene til interferenslinjen og den rette linje. Denne rette linje representerer den søkte regresjonslinje. Det er imidlertid likeledes

mulig ikke å foreta en approksimering ved regresjon i regneren 51, men isteden sammenligne intensiteter som i interferens-mønsteret opptrer langs den rette linje. Den rette linje approksimerer interferenslinjen når samtlige langs den rette

linje målte intensiteter er like store og fortrinnsvis oppviser maksimalverdier eller minimalverdier.

Er den rette linje og interferenslinjen bragt til dekning,

så vil approksimasjonsregneren 51 gi et frigjøringssignal til stigningsregneren 53, som er forbundet med simuleringsregneren 52. Stigningsregneren 53 vil fra simuleringsregneren 52 overta den rette linje i frekvens-tids-koordinatsystemet og vil bestemme linjens stigning -r^ = f, hvilken stigning angir den søkte,stigning for interferenslinjen.

Interferenslinjeregnere 50 etterfølges av en avstandsregner

55 som bestemmer avstanden r mellom fartøyet 1 og målestedet

3 ut fra stigningen 3', tidsforskyvningen x og løpetids-forskjellen t2< Korrelatorkretsens 33 utgang og maksimum-detektorens 35 andre utgang er likeledes forbundet med innganger i avstandsregneren 55.

I det etterfølgende skal avstandsbestemmelsen forklares nærmede under henvisning til fig. 6.1, 6.2 og 7.

Fig. 6.1 viser en målesituasjon for en overkjøring, hvor fartøyet 1 på en direkte eller radiell kurs nærmer seg målestedet 3 med konstant fartøyhastighet V henholdsvis tilnærmelseshastigheten V"a = V~r = V. På tidspunktet tQ befinner fartøyet 1 seg i en avstand r fra målestedet 3, når det bibeholder sin kurs og går med konstant fartøyhastighet V.

På tidspunktet tCpA vil fartøyet ha nådd målestedet 3.

Med fremgangsmåten for bestemmelse av måldata skal avstanden

r, fartøyhastighetn V, peilevinkelen $ og kursvinkelen y bestemmes. I dette bevegelsestilfelle er interferenslinjene tilnærmet rette linjer som har et vifteformet forløp i frekvens-tid-koordinatsystemet. Fig. 6.2 viser en prinsippskisse av forløpet til slike interferenslinjer i frekvens-tid-koordinatsystemet for startfasen. Interferenslinjene er i virkeligheten

svakt krummet, men er i den skjematiske figur vist som rette linjer Gl, G2 Gn. Beveger man seg på frekvenssporet til midtfrekvensen f , så vil avstandene mellom linjene Gl, G2 Gn være bestemt av interferensbølgelengden X(fQ) og vil være avhengig av tilnærmelseshastigheten V =V =V. Av-X (f ) ar

standen 1 Q'— er om som mindre jo større tilnærmelseshastigheten^ = V er. Betrakter man en intensitetsmaksimum på en av interferenslinjene, f.eks. punktet på den rette linje Gl på tidspunktet t ved midtfrekvensn f , så kan man si at

o °

i et tidsrom At = t -t_,Da vil k intensitetsmaksima opptre i avstanden vv Ql. I frekvenssporet f bestemmes likeledes k intensitetlmaksima frem til den rette linje Gl. Det k-

te intensitetsmaksimum vil for frekvensen f ligge på linjen G1 på et tidspunkt t, og avstandene mellom disse intensitets-X (f)

maksima vil her utgjøre —'- . Tidsrommet frem til måle-vr

stedet 3 nås vil være:

Ligningen for ^"t^pA <opp>løses etter k og settes inn i ligningen for t-tCpA. Man får da for t:

Dividerer man denne ligningen etter frekvensen f, så får man stningene for linjen G1 Løser man denne ligning opp etter t0-tQpA' s^ ^ ar man f°r midtfrekvensen f o Dette tidsrom t "t^-p^ er nettopp den tid som går med .til:;.,.,, fartøyet 1 har nådd frem til målestedet 3 med tilnærmelseshastigheten V . Man får altså: -j i ■ ■I dette spesielle bevegelsestilfelle vil tilnærmelses.haj&tji-g-heten V a =V_r_ være lik fartøyhastigheten V i retningen a- y^ Æpr-bindelseslinjen mellom fartøyet 1 og målestedet 3. I det generelle bevegelsestilf elle er det den radielle hastighetjs-komponent Vr som går i retningen av forbindelseslinjen;, p-a

■ 3:3 . Hj

I blokkskjemaet i fig. 2 er imidlertid den radielle hastighetskomponent Vr allerede beregnet i regnetrinnet .4 0, og denne.. ; radielle hastighetskomponent er her lik tilnærmelses.haiStigheten

V =V :

I dette spesialtilfelle for tilnærmingen gjelder '" ■'•'Jin"' og dermed ' 1 '' Avstanden r beregnes i avstandsregneren 55 ved hjelp av■:\ ligningene (A) og (B): . : l

Interferensbølgelengden X(fQ) bestemmes på forhånd ut i fra den kjennskap man har til overføringssjiktet hvor målestedet 3 befinner seg. Likeledes kan avledningen av interferens-bølgelengden X (f) beregnes for frekvensen f, og på forhånd bestemmes interferensbølgelengden for midtfrekvensen f . Således ville ligning (C) bare inneholde målbare størrelser. Tallrike forsøk har vist at kvotienten jfrjf ) alltid vil være tilnærmet, lik 1,1 ganger fQ, uavhengig av overføringssjiktets dybde, selv om interferensbølgelengden X(f) selv påvirkes meget sterkt av dybden, idet dybden her angir overføringssjiktets utstrekning mellom sjiktets grenseplan.

Fig;. 1 viser et frekvens-tid-diagram hvor fartøyet 1 nærmer

seg målestedet 3 med overkjøring som i fig. 6.1, og med to ulike fartøyhastigheter. Ved hjelp av dette prinsippdiagrammet skal fremgangsmåten og dens funksjonsdyktighet også ved vari-erende tilnærmelseshastighet V SL beskrives nærmere. Interferens-lirijene er approksimert med rette linjer. I diagrammets

nedre område ser man rette linjer hvis stigning er større enn i det øvre område. Etter en tid på 600 sekunder fra målingens begynnelse har fartøyet 1 øket sin fartøyshastighet vesentlig, da de rette linjers stigning har avtatt. Avstanden mellom de enkelte interferenslinjer er i dette område bare halvparten så stort som i det nedre område av diagrammet. Av dette kan man slutte at fartøyhastigheten V er fordoblet. Den første måling begynner eksempelvis etter en tid på 100 sekunder. Man betrakter et frekvensområde på Af=200 Hz, anordnet om en midtfrekvens f o = 300 Hz. Tidsintervallet At = 200 sekunder, Utsnittet til interferensmønsteret er i det første måletilfelle betegnet med Y. Et slikt utsnitt av intensitetsmønsteret er tilveiebragt i hver av de tidligere nevnte intensitetsmønster-enheter 30, 31 eller 32. Man antar nå at man ved hjelp av korrelatorkretsen 33 måler en tidsforskyvning t = 2 0 sek. mellom to intensitetsmønstre. Løpetidsforskjellen mellom mottakssignalene i samme omformerpar eksempelvis omformerne 4 og 5, måles til t. = 0,067 sekunder, idet

t. = - nn 7— = 0, 067 sekunder

.. 1 c 1 500 m/s

som følge av overkjøringen ifølge fig. 6.1, idet omformer-

avstanden d = 100 m og lydhastighet C = 1500 m/sekund. I interferenslinjeregneren 50 bestemmes stigningen t<1> for interferenslinjen som går gjennom midten av utsnittet Y. Man får f = 6,36 sekund/Hz. Kvotienten bestemmes til:

Av disse målestørrelser bestemmes så avstanden r etter ligning (C):

Tilnærmelseshastigheten v henholdsvis fartøyhastigheten V beregnes etter ligning (B):

Peilevinkelen <|> fremkommer av løpetidsf orskjellen t^:

♦ = 90°. •Kursvinkelen y er likeledes lik 90°, fordi det ikke foreligger

• noen.tangensiell hastighetskomponent.

En fornyet måling etter en tid på 900 sekunder gjennomføres. I,intensitetsmønsterenheten 30 dannes det et utsnitt Z ifølge fig. 7. Følgende måleverdier fremkommer:

Tidsforskyvning xT1, = 10 s,

d

Løpetidsforskjell T1 = c = 0,067 s Interferenselinje-

stigning f = 1,36 s/hz

kvotienten

Med disse måledata bestemmes avstanden til • 1 'jr..'" og tilnærmelseshastigheten til ' <>> ' j. nrijr.!' Peilevinkel og kursvinkel vil være: 1

. !' ~ T

Av dette eksempel vil man se at uavhengig av de forangående

og etterfølgende bevegelsesforhold for fartøyet vil. man kunne^ foreta en riktig bestemmelse av måldataene.

Det neste spørsmål som fremkommer er om fremgangsmåten for<1>' bestemmelse av måldata også kan anvendesnår fartøyets kurs 1 ikke går over målestedet 3,men går forbi målestedet 3,. med en tverravstand til dette, og interferenslinjene således vil ha et hyperbelformet forløp. At dette er mulig skal vises nedenfor under henvisning til den i fig. 8 viste prinsipp-' skisse.

Fartøyet 1 befinner seg på tidspunktet t^ i en avstand r fra målestedet 3, med en peilevinkel <}> i forhold til ref eranse-retningen N. Fartøyets 1 kurs har én kursvinkel y i forhold til referanseretningen N og har entverravstand q i forhold til målestedet 3. Fartøyet 1 går med en fartøyhastighet iV"

og vil ha passert stedet R på tidspunktet tCpA. Mellom-.far-tøyhastigheten V og den radielle hastighetskomponent. 'V . 'foreligger det en hastighetsvinkel a.

På tidspunktet At = t^-TCpA vil fartøyet 1 med fartøyhastig-heten V ha tilbakelagt strekningen s:

Etter pythagoras følger da:

2 2 (V -At) dannes og man deler med V • At:

For hastighetstrekanten bestående av V, Vr og får man:

For trekanten med målestedet 3, fartøyet 1 og stedet R som hjørnepunkter gjelder:

Dermed gjelder: iog man får for ligning I:

Det første ledd At på ligning II's høyre side er nettopp den tid som går med når fartøyet 1 med fartøyhastigheten V skal

CT2

tilbakelegge strekningen s. Det andre ledd —3 vil være

V -At

det tidsrom AT som går med dersom fartøyet skulle tilbakelegge strekningen q fra målestedet 3 til stedet R med en fiktiv hastighet V<*> i tverravstandens retning, slik følgende omregning viser:

Med

får man Dessuten følger etter fig. 8 som settes inn i ligningen III og etter fig. 8 får man: som oppløses etter tan a og settes inn i ligning.IV. Man får da: Man kan nå forestille seg at fartøyet 1 med utgangspunkt i målestedet 3 har nådd sin nuværende posisjon med den radielle hastighetskomponent Vr og langs strekningen r etter en tid IS = ^— . Fartøyet kan imidlertid også ha nådd denne posisjon ved at ået med utgangspunkt i målestedet 3 har tilbakelagt tverravstanden q med den fiktive hastighet V<*> i løpet av' tiden 2.^ = /_ip Qg deretter har gått strekningen s med fartøy-hastigheten V i tiden At = t1~tCpA. Da imidlertid fartøyet 1 på tidspunktet t1 har nådd den interne posisjon uavhengig av veivalget gjelder

Kvotienten ^ vil imidlertid ifølge ligning (A) nettopp være lik produktet av stigningen t<1> for en av interferenslinjene i utsnittet ved midtfrekvensen f o og 3 faktoren

For en vilkårlig fartøykurs gjelder altså at man ut i fra stigningen f til interferenslinjen og den radielle hastighetskomponent V"r for et hvilket som helst tidspunkt kan bestemme avstanden r mellom målestedet 3 og fartøyet 1 ved hjelp av ligning (A) på side 33.

I avstandsberegneren 55 i fig. 2 beregnes avstanden r. Den radielle hastighetskomponent V\_. for fartøyhastigheten V ligger på utgangen i regnekretsen 40. Fartøyhastigheten V beregnes i en fartøyhastighetsregner 60 ved hjelp av pythagoras, med utgangspunkt i den radielle hastighetskomponent V__ og den tangensielle hastighetskomponent V^. Regneren 60 er på inn-gangssiden forbundet med regnekretsen 40 og er ved hjelp av en multipliseringskrets 61 forbundetmed avstandsregneren 55:

I multipliseringskoplingen 61 beregnes produktet av avstanden r og tidsendringen for vinkelen 6. Denne vinkelendringen betegnes ofte som vinkelhastigheten "6. De geometriske rela-sjoner mellom fartøyhastighetens V hastighetskomponenter V , med hensyn på målestedet 3, er vist i fig. 4. Vinkelen 6 bestemmes av løpetidsforskjellen t2 i et etter maksimums-detektoren 35 koplet regneverk 62, ved hjelp av ligningen

c T2

6 = arcsin ^ . Regneverket 6 2 etterfølges av en differ-ensieringskrets 63 hvor vinkel 6's endring pr. tidsenhet t bestemmes. Multipliseringskretsen 61 er med sin andre inn-gang forbundet med kretsen 63 og beregner produktet av avstanden r og vinkel 6's tidsendring. Dette produktet er lik den tangensiale hastighetskomponent V^ = r-<*>6. For beregning av den i forhold til nord satte kursvinkel y følger etter

interferenslinjeregneren 50 og differensieringskretsen 63

et vinkelregnetrinn 64 hvor en hastighetsvinkel a, se fig. 4, beregnes. Hastighetsvinkelen a ligger mellom den radielle hastighetskomponent V og fartøyhastigheten V og er:

Dette .uttrykk kan man utlede fra den geometri som..ert.wist i fig. 4, og under anvendelse av ligning (C) : yr,

Altså er d.

Oppløst etter a får man ut av denne ligning ligningen .JD).

Fartøyhastigheten V kan beregnes ut fra hastighetsvinkelen a og den radielle hastighetskomponent V , ved hjelp av ut-

trykket

Etter vinkelregnetrinnet 64 følger en summeringskrets 65. Som den andre inngangsverdi brukes her den i forhold til nord refer-erte peilevinkel cj), idet man kan beregne kursvihkelén y ved hjelp av uttrykket y = <j)-a-180° (fig. 1).

Fig. 9 viser en modifikasjon av interferenslinjeregneren 50. Approksimasjonsregneren 51 inneholder her en utvalgskrets 69 for bestemmelse av approksimasjonen til en interferenslinje i intensitetsmønsterets utsnitt og en i simuleringsregneren 52 tilveiebragt rett linje. Kretsen 69 søker ut de intensiteter i utsnittet som ligger på den rette linje. Videre inneholder regneren 51 en middelverdidanner 7 0 hvor intensitetene 1^ langs de rette linjer summeres og deles med antallet N:

I en kvadrering-anordning 71 blir de enkelte intensiteter 1^ langs de rette linjer kvadrert. I en etter-følgende summeringsanordning 72 blir de addert og delt med antallet N. Man får da middelverdien av de kvadrerte intensiteter: Middelverdidanneren 70 og summeringsanordningen 72 etterfølges av en regnekrets 73 hvor det relative standardavvik a får intensitetene 1^ langs de rette linjer i forhold til<1> middelverdien I beregnes ved hjelp av formelen

Kretsens 73 utgang er forbundet med en kontrollkrets 74 for approksimasjonsregnerens 51 frigjøringssignal. Xontroll-kretsen 74 vil gi et frigjøringssignal når det relative standardavvik er så liten som mulig og mindre enn en på forhånd gitt verdi. Da vil intensitetene 1^ langs de rette linjer være nesten like og den rette linje vil ha sin beste approksimasjon til interferenslinjen. Frigjøringssignalet tilføres stigningsregneren 53, hvor den i simuleringsregneren 52 simulerte rette linje t(f) divideres etter frekvensen f. Når det ikke tilveiebringes noe frigjøringssignal blir den rette linje dreiet og/eller forskjøvet så lenge i tidsret-' ningen i simuleringsregneren 52 til det relative standardavvik er minst.

I

Likeledes er det mulig i simuleringsregneren 52 å simulere

en bunt eller et knippe av rette linjer istedenfor en rett linje. Samtlige rette linjer i bunten skjærer hverandre

ved frekvensen -0,1 •£ og har like avstander midtfrekvensens f frekvensspor. Utvalgskretsen 69 søker da ut de tilsvarende intensiteter, dvs. de som hører til koordinatene til de simul-

erte rette linjer. Denne utsøkingen skjer fra utsnittet av intensitetsmønsteret, og de utsøkte intensiteter viderebe-arbeides i middelverdidanneren 70 og i kvadreringsanordningen 71, idet dette skjer for hver rett linje. For samtlige rette linjer beregnes det relative standardavvik , og de rette linjene approksimeres til interferenslinjene i utsnittet. Kontrollkretsen 74 gir et frigjøringssignal når det relative standardavvik er mindt mulig for samtlige rette linj.e,r.. Fra simuleringsregneren 52 blir den gjennom midten, av utsnittet,,, forløpende rette linje overført til stigningsregneren 53.

Nedenfor skal et tilfelle med en dybdeendring i overførings-sjiktet beskrives nærmere: Befinner målestedet med omformerne seg eksempelvis i et gruntvannsområde som ikke har konstant vanndybde, så vil bestemmelsen av den radielle hastighetskomponent V__ ut fra tidsforskyvningen x IK ikke lenger være uavhengig av skipsstedet og vanndybden på skipsstédet<1>.'<*>

Fig. 10 viser en prinsippskisse av en gruntvannskånål', hvor-for enkelt hets skyld en kontinuerlig dybdevariasjon ér vist i form av en trinnvis dybdeendring, mellom de tb vanndypene H 1 og H2. Ved hjelp av denne modellen skal en korrektur av hastighetsmålingen beskrives nærmere. I den viste modell-gruntvannskanal interfereres to egenbølger med hvérandre..;• Disse egenbølgene har en interferensbølgelengde X i området med vanndybden H 1 og har en interferensbølgelengde X'2 i området med vanndybden H2. Målestedet 3 befinner seg i området med vanndybden . Når fartøyet 1 befinner seg her så vil det på målestedet 3 måles en tidsforskyvning x^K^, som sammen med avstanden d mellom omformerne 4 og 5 gir faftøys-hastigheten Vr = V, ifølge ligning (B) på side 33."

Fartøyet 1 vil eksempelvis med en fartøyhastighét V over en tid t^ tilbakelegge en strekning som nettopp er lik interferens-bølgelengden X^. Da fartøyet 1 er omgitt av sitt interferensfelt vil et intensitetsmaksimum i området med vanndybden H2

tilveiebringe en strekning S2 i løpet av tiden t^. Denne strekning S2 er mindre enn strekningen og er lik inter-ferensbølgelengden X2. Befinner fartøyet 1 seg i området med vanndybden H2, så vil ved fartøyhastigheten V et interferensmaksimum i løpet av en tid t2 tilbakelegge en strekning som svarer til interferensbølgelengden X2. Målingen foretas på målestedet 3, men her> har i det samme tidsrom t2 et interferensmaksimum tilbakelagt en strekning svarende til interferensbølgelengden X^ med en målt hastighet V<**>:

X = v<**->t_. Tiden t~ bestemmer seg ut fra interferensbølge-lengden X2 og fartøyhastigheten V og det gjelder t2 X y ?• Setter man t~ inn i ligningen for X-, så får man

Løser man denne ligningen opp etter den målte hastighet V<**>,

så får man V<**> = V «^<1>. Av tidsforskyvningen TIK**f som er målt på målestedet 3,<2>når fartøyet 1 befinner seg i området med vanndybden H2, vil den målte hastighet V<**> være kjent.

Denne målte hastighet V<**> er større enn fartøyhastigheten V, idet man nemlig har V<**> = —^—-, hvor X^ er mindre enn X2.

Fra det foran nevnte arbeide av Weston et al. er det kjent at interferensbølgelengdene X^, X2 forholder seg som kvadratene av vanndybdene , H2: Anslagsfeilen for hastigheten V blir da

I de fleste anvendelsestilfeller vil den relative dybdeendring

AH

tz— være liten. Derfor kan man se bort fra det andre leddet 1

i denne ligningen. Man far en fortegnsriktig korrekturfaktor som bare er avhengig av bunnfallet og er lik den dobbelte relative dybdeendring.

Som følge av endringen av interferensbølgelengdene endres

både interf erenslin jestigningen t' og tidsforskyvningen; ttx, med samme faktor. Da disse to verdier ifølge ligningji(C)

går inn i formelen for avstandsbestemmelsen med sitt - innbyrdes forhold, og da de øvrige størrelser i denne formel ikkei påvirkes av dybdevariasjonen, krever avstanden ingen korrektur.

For beregningen av hastighetsvinkelen a må verdien for interf erenslin jestigningen korrigeres. Hvis f<*> er den målte inter-ferenslinjestigningsverdi og t' er den korrigerte interferens-lin jestigningsverdi får man følgende korrektur: S- I. LW.

Hastighetsvinkelen a kan da under utnyttelse av den korrigerte stigning for interferenslinjen beregnes ved hjelp av iligning

(D) på følgende måte:

Claims (27)

1. Fremgangsmåte for passiv bestemmelse av måldata, såsom hastighet, avstand og kurs, for et fartøy som stråler ut selvgenerert bølgeenergi, særlig et vannfartøy, fra et målested, ved hvilken bølgeenergien mottas av omformere på målestedet, omformes til elektriske mottakssignaler og en bølgeenergi-innfallsretning registreres som peilevinkel i forhold til en referanseretning, karakterisert ved at målestedet innenfor et måleområde legges i et overførings-sjikt med dispergeringsegenskaper for den fra fartøyet utstrålte bølgeenergi, at det på målestedet anordnes minst to omformere i innbyrdes avstand, at mottakssignalene i hver omformer kontinuerlig underkastes en frekvensanalyse og intensitetene lagres i avhengighet av såvel frekvensen som tiden, at det fra hver av de lagrede mottakssignal-intensiteter i hver omformer velges et av et gitt frekvensområde og et gitt tidsintervall bestemt utsnitt, at en innbyrdes tidsforskyvning i intensitetsmønsterne i de to utsnitt bestemmes, og ved at for bestemmelse av fartøyhastigheten en radiell hastighetskomponent av fartøyhastigheten utledes av den med omformeravstanden multipliserte kvotient av peilevinkelens sinus og tidsforskyvningen og/eller ved at for bestemmelse av avstanden mellom målested og fartøy tilveiebringes innenfor et av utsnittene frekvensavhengige interferenslinjer fra hosliggende intensiteter av lik styrke, bestemmes den frekvensmessige endring eller stigning for minst en av de i utsnittet forhåndenværende interferenslinjer og utledes avstanden ut fra produktet av stigningen og den med omformeravstanden multipliserte kvotient av peilevinkelens sinus og tidsforskyvning.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at en tangensiell hastighetskomponent av fartøy-hastigheten utledes av produktet av avstanden og peilevinkelens tidsendring.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at mottakssignalene i de to omformere anvendes for bestemmelse av peilevinkelen og dens tidsendring, at en løpe-tidsf orskjell for mottakssignalene måles i et frekvensintervall som ligger høyere enn frekvensområdet, og ved at herav peilevinkelen og dens tidsendring beregnes under hensyntagen til omformeravstanden.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at en tredje omformer stilles slik opp på målestedet at de tre omformerne i overføringssjiktet vil danne en fortrinnsvis likesidet trekant parallelt med overføringssjiktets grenseplan og ved at omformerne anvendes parvist fori bestemmelse av tidsforskyvning og løpetidforskjell.

5. Fremgangsmåte ifølgekrav 4, karakterisert ved at vinklene mot midtnormalen på avstanden mellom hvert omformerpar beregnes ved hjelp av løpetidsforskjellene, at disse vinkler omregnes i vinkelverdier mot en felles referanseretning og sammenlignes med hverandre, og ved at peilevinkelen bestemmes ut fra de løpetidsforskjeller som hører til de like store vinkelverdier.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 4 eller 5,karakterisert ved at de bestemte løpetidsforskjeller og hele tidsforskyvninger sammenlignes med hverandre, og ved at for beregning av avstanden og fartøyhastigheten kombineres den største løpetidsforskjell med den av mottakssignalene i samme omformerpar bestemte tidsforskyvning, eller kombineres den maksimale tidsforskyvning med den av mottakssignalene i samme omformerpar utledede løpetidsforskjell.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at de til like vinkelverdier hørende løpetidsforskjeller sammenlignes med hverandre, og ved at peilevinkelen og dens tidsendring bestemmes ut fra minste løpetidsforskjell.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at kursen bestemmes ut fra peilevinkelen i tillegg til en hastighetsvinkel som ligger mellom den radielle hastighetskomponent og fartøyshastigheten.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at hastighetsvinkelen beregnes ved hjelp av arcus tangens av produktet av stigning, en faktor og peilevinkelens tidsendring.

10. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-9, karakterisert ved at frekvensområdet med sin midtfrekvens bestemmes derved at det langs hvert frekvensspor bestemmes et modulasjonsmål for de lagrede intensiteter innenfor tidsintervallet og det som frekvensområde velges et område for hosliggende frekvensspor, for hvilke modulasjonsmålets frekvensmessige forløp ligger over en terskel.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert v e d at frekvensintervallet for peilingen velges i en slik frekvensavstand fra frekvensområdet og dets midtfrekvens at fasehastigheten til bølger innenfor dette frekvensintervall er tilnærmet konstant i avhengighet av frekvensen og er lik bølgeenergiens utbredelseshastighet i mediet i måleområdet.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at avstanden beregnes ved hjelp av produktet av stigning, løpetidsforskjell, utbredelseshastighet og faktor delt med tidsforskyvningen for mottakssignal-intensitetsmønsterne i samme omformerpar.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at den radielle hastighetskomponent angis ved hjelp av den med utbredelseshastigheten multipliserte løpetidsforskjell delt med den tilhørende tidsforskyvning.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 13, karakterisert ved at fartøyshastigheten beregnes ved anvendelse av pythagoras-satsen, ut fra den radielle og den tangensielle hastighetskomponent, ved kvadrering, summering og rotuttrekking.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at interferensbølgelengden til to i overføringssjiktet med hverandre interfererende egenbølger bestemmes i avhengighet av frekvensen og deres frekvensmessige avledning ved midtfrekvensen dannes, og ved at faktoren dannes av kvotienten av interferensbølgelengden ved midtfrekvensen og dens avledning.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at faktoren velges lik 1,1 ganger frekvensområdets midtfrekvens.

17. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-16, karakterisert ved at tidsintervallet velges proporsjonalt med interferensbølgelengden til to i overføringssjiktet med hverandre interfererende egenbølger, som danner seg på grunn av den valgte midtfrekvens, og innbefatter minst to interferens-lin jer på frekvenssporet til midtfrekvensen.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 17, karakterisert ved at omformeravstanden velges mindre enn den halve interferensbølgelengde for to i overføringssjiktet med hverandre interfererende egenbølger som danner seg på grunn av den valgte midtfrekvens.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 18, karakterisert ved at omformerne innenfor overføringssjiktet anordnes i en slik avstand parallelt med sjiktets grenseplan at som følge av egenbølger av høyere orden innenfor utsnittet mer enn to interferenslinjer finnes i midtfrekvensens frekvensspor.

20. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-19, k a r a k t e r- .isert ved at fra mottakssignalene i hver omformer dannes det for frekvensanalyse korttid-effekttetthet-spektra i gitte tidsenheter, hvilke spektra ned referanse til en tidsbasis lagres som intensiteter i avhengighet av frekvensen, at tidsbasisen er rastet i tidsenheter og at tidsintervallet innbefatter et gitt antall tidsenheter.

21. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-2 0, karakterisert ved at stigningen utledes ved en approksimering av en rett linje til interferenslinjen.

22. Fremgangsmåte ifølge krav 21, karakterisert ved at innenfor et av frekvens- og tidsenheter dannet frekvens-tid-koordinatsystem for intensitetsmønsteret måles .intensiteter langs en vilkårlig i utsnittet anordnet rett linje, og ved at for approksimering av den rette linje til interferenslinjen dreies den rette linje og forskyves så lenge i tids- og/eller frekvensretningen til de langs den rette linje målte intensiteter har det minste innbyrdes avvik.

23. Fremgangsmåte ifølge krav 22, karakterisert ved at innenfor frekvens-tid-koordinatsystemet for intensi-tetmønsteret måles intensiteter langs en vilkårlig i utsnittet anordnet rett linje, at for approksimering av den rette linje til interferenslinjen dannes middelverdien av de intensiteter som måles langs den rette linje, at videre de enkelte intensiteter kvadreres og addéres og denne sum deles med antall målte intensiteter, at herav det relative standardavvik for intensitetene fra middelverdien dannes og at den rette linjes minste avvik fra interferenslinjen er nådd når det relative standardavvik er minst.

24. Fremgangsmåte ifølge krav 22 eller 23, karakterisert ved at det i frekvens-tids-koordinatsystemet dannes et mønster av en bunt av rette linjer som skjærer hverandre ved -0,1 ganger midtfrekvensen og har like avstander på midtfrekvensens frekvensspor, at i overensstemmelse med midtfrekvensens frekvensspor utsnittet og linjebunt-mønsteret forskyves i forhold til hverandre langs tidsbasisen helt til de enkelte rette linjer i bunten tangerer interferenslinjene og ikke lenger skjærer dem, og ved at stigningen til forbindelseslinjen mellom skjæringspunktet mellom den rette linje og utsnittets midtpunkt angir interferenslinjens stigning.

25. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-24, karakterisert ved at den tidsmessige intensitetsfordeling i utsnittet til det til den ene omformer tilordnede intensitets-mønster langs hvert frekvensspor i det gitte frekvensområde korreleres med den tidsmessige intensitetsfordeling til det til den andre omformer tilordnede intensitetsmønster langs det samme frekvensspor over hele tidsintervallet, at korre-lasjonsfunksjonene til samtlige frekvensspor midles og at tidsforskyvningen bestemmes ut fra stillingen til den midlede korrelasjonsfunksjons maksimum.

26. Fremgangsmåte ifølge krav 25,karakterisert ved at ved et måleområde med dybdeendring mellom grenseplanene blir den bestemte radielle hastighetskomponent korrigert avhengig av den relative dybdeendring med hensyn på dybden på målestedet med den dobbelte verdi av den relative dybdeendring.

27. Fremgangsmåte ifølge krav 26, karakterisert ved at stigningen multipliseres med en kvadrert kvotient av dybden på fartøystedet og dybden på målestedet.