NO304625B1 - System for akustisk posisjonering av trÕl - Google Patents

Description

Oppfinnelsens område

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en akustisk posi-sjonerings teknikk og innretning for tauede eller selvdrevne undervannsgjenstander, og til anvendelsen av denne teknikk for posisjonering av en trål relatert til en tråler og relatert til sjøbunnen.

Det er spesielt viktig å ha nøyaktig kunnskap om posisjonen av en undersjøisk gjenstand. Spesielt når gjenstanden er en slik som blir tauet av en båt, vil denne kunnskap muliggjøre forbedret føring av gjenstanden og forbedret navigasjon av den enhet som er sammensatt av båten og gjenstanden, for derved å redusere risikoen for å miste gjenstanden, som ofte er meget kostbar, og å øke mann-skapets sikkerhet for å unngå skjær som har ord på seg for å være farlige. I tilfelle av en tråler som tauer en trål, vil dessuten føringen av trålen til kjente fiskebanker, som ofte befinner seg i områder med rev, nødvendigvis utføres med presisjon for å oppnå rikelige fangster og oppnå nøyaktig innstilling av symmetrien av fiskeredskapet, (for den horisontale åpning) for derved å oppnå maksimal avkast-ning på fangstene fordi en liten forskyvning av halelinene (de liner som brukes til å taue trålen) i stor grad vil redusere trålens fyllingsgrad.

Omtale av kjent teknikk

For nærværende foreligger det forskjellige systemer som benyttes for styring av posisjonen av en undersjøisk gjenstand, men disse systemer mangler presisjon. Gjen-standens posisjon relatert til et overflatefartøy og i relasjon til sjøbunnen blir bestemt bare tilnærmet, og når denne er en tauet gjenstand, vil disse systemer kreve referansepunkter som må fremskaffes på forhånd på repene som brukes for å taue gjenstanden, idet dette beskjeftiger hele mannskapet for minst to hele dager og således inne-

bærer et vesentlig tidstap.

Fra FR 2.102.493 er det også kjent et system for overføring av parametre vedrørende en trål, men heller ikke denne teknikk løser de ovenfor omtalte problemer.

Sammenfatning av oppfinnelsen

I henhold til oppfinnelsen er det foreslått et system av den art som er angitt i den innledende del av det vedføyde patentkrav, og som er kjennetegnet ved de trekk som er angitt i den karakteriserende del derav.

Kort omtale av tegningsfigurene

Andre spesielle trekk og fordeler ved den foreliggende oppfinnelse vil fremkomme tydeligere ved den følgende beskrivelse hvor det gis et ikke-begrensende eksempel på den foreliggende oppfinnelse under henvisning til de vedføyde tegningsfigurer.Figurene 1a og 1b viser hendholdsvis et vertikalsnitt og et grunnriss av en tråler som tauer en trål, idet trålen er utstyrt med et posisjoneringssystem. Figur 2 viser et eksempel på fremviseren for informasjon. Figur 3 er et blokkdiagram over senderinnretningen i henhold til oppfinnelsen. Figur 4 viser et tidsdiagram over sender- og mottagersig-nalene mellom et akustisk sjømerke og hydrofonene for en målesyklus svarende til et forløp, i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Figur 5 er et blokkdiagram over mottagerinnretningen ifølge oppfinnelsen. Figur 6 er en tegning som anskueliggjør de relative posisjoner av de akustiske sjømerker og hydrofonene i henhold til oppfinnelsen.

Detaljert omtale av oppfinnelsen

Fordi det er spesielt viktig å vite posisjonen av en trål i forhold til tråleren og i forhold til sjøbunnen, vil resten av beskrivelsen være knyttet til et slik spesielt eksempel. Imidlertid skal det helt klart forstås at oppfinnelsen kan benyttes for andre undervanns-applika-sjoner.

Figurene 1a og 1b viser henholdsvis et vertikalsnitt og et grunnriss av en tråler som tauer en trål og som er utstyrt med et system for posisjonering av trålen, utført i henhold til oppfinnelsen.Tråleren 1 tauer trålen 2 ved hjelp av to liner, betegnet varpetrosser 3, fiksert ved deres to ender, henholdsvis A1 ogA2 til tråleren og ved deres andre ender, henholdsvis B1 og B2 til vingetuppene 4 av trålen. Den enhet som utgjøres av trålen 2 og varpetrossene 3 er betegnet fiskeutstyret.

En plate 6 er plassert på hver varpetrosse. Denne plate 6 er tildannet av tre eller plast som et eksempel. Den spiller rollen som et avdriftsstyrende åreblad eller oterbrett, og er konstruert til å bevege varpetrossene 3 fra hverandre, slik at trålen 3 åpner seg.

To akustiske sjømerker 7 for overføring av lydbølger er festet til de punkter som man med presisjon skal vite posisjonen av. Disse punkter er f.eks. ved det fremre parti av vingetuppen 4 av trålen. Disse sjømerker 7 har form av små pakker som motstår gjentatte slag og bevegelser av de blokker som er fiksert til det bakre parti av tråleren 1 og blir benyttet for føring av varpetrossene når fiskeredskapen slippes ut i sjøen eller når den trekkes ombord på tråleren. Flyteevnen hos de akustiske sjømerker er negativ, slik at sjømerket opptar en passende posisjon når trålen blir sjøsatt.

To hydrofoner 8 for mottagelse av lydbølger er montert på en stang 9 som er fast forbundet med tråleren 1 . Denne stang er posisjonert enten på trålersiden eller i et skroghus. De to hydrofoner er posisjonert horisontalt for dannelse av et goniometer. De mottar lydsignaler som kommer fra de akustiske sjømerker og omformer dem til elektriske signaler som blir utsendt på nytt ved hjelp av kabler opp til en elektronikkboks som befinner seg ombord på tråleren. Hydrofonene muliggjør måling av den relative vinkelposisjon for de akustiske sjømerker, nemlig vinkelen G, opp til en avviksvinkel på 45° for sjømerkene relatert til bevegelsesaksen for tråleren 1 , og den projeksjon i horisontalplanet som representerer fiskeutstyrets retning. Neddykningen I utgjør avstanden mellom de akustiske sjømer-ker 7 og overflaten av sjøen. Høyden A er avstanden mellom de akustiske sjømerker og sjøbunnen. For utførelse av disse målinger og disse beregninger er hvert akustisk sjømerke utstyrt med en klokke som er synkronisert i forhold til en masterklokke som befinner seg i den elektroniske boks. Figur 2 viser et eksempel på hvordan informasjon blir fremvist. Fremvisning av informasjon kan utføres ved den elektroniske boks. Ved nevnte figur er det vist to bokser C1 og C2, som gir permanent indikasjon av avstandene mellom de akustiske sjømerker og tråleren. En spesiell kommando gir følgende informasjon til en tredje boks C3: informasjon vedrørende vinkelstilling, neddykningsdybde og høyde-posisjon for de to akustiske sjømerker i forhold til sjøbunnen. Figur 3 er et blokkdiagram over senderinnretningen i henhold til oppfinnelsen.

Ved sending vil hver av de akustiske sjømerker 7 ha en sonde 21 forbundet ved hjelp av én to-veis link til en innretning 22 for måling av høyde AtA, en trykkføler 23 forbundet med en innretning 24 for omforming Atl for henholdsvis beregning av deres høyde i forhold til sjøbunnen og neddykningsdybden, samt en senderenhet 25 for utsendelse av informasjon vedrørende høyde og neddykning i form av akustiske signaler mot hydrofonene 8. Sonden 21 og trykk-føleren 23 er valgt som en funksjon av de ønskede karak-teristikker som f.eks. vil være som følger: for sonden 21, en maksimal høyde lik 50 m, presisjon på ± 0.5 m og en oppløsning på ± 0.1 m, mens for trykksensoren vil man ha en maksimal neddykning lik 500 m og presisjon på ± 1.5 m. For senderenheten bør avstanden f.eks. nå opp til 1500 m.

Det akustiske sjømerke kan ha andre følere, f.eks. en temperaturføler, en spenningsføler, en åpningsføler og en føler for fylling av trålen.

Hvert akustisk sjømerke er utstyrt med en klokke 26, som går synkront med en masterklokke som er plassert i den elektroniske boks, og som bestemmer hastigheten av målingen og sendingen av de akustiske signaler.

Klokkene hos sjømerkene blir forsinket i forhold til hverandre, slik at de kan skilles fra hverandre.

Figur 4 viser tidsdiagrammet for sending og mottagning av signaler mellom et akustisk sjømerke og hydrofonene for en målesyklus svarende til en hendelse.

For overføring av de forskjellige parametre som måles ved hjelp av følerne ved det respektive akustiske sjømerke, nemlig i form av akustiske signaler, til mottagerhydrofon-ene, må disse parametre kodes. Den kode som velges, er en temporær kode, slik at et tidsintervall svarer til verdien av hver målt parameter. En teknikk som benyttes for å overføre en kode av denne art, omfatter det å overføre et antall av akustiske pulser som er tilstrekkelig til å overfør alle de parametre som er målt av følerne, idet tidsintervallene mellom disse pulser er kjennetegnende for de målte parametre. Tidsdiagrammet ifølge figur 4 relaterer seg ene og alene til sending og mottagning av de signaler som er nødvendige for beregning av trålens posisjon i forhold til tråleren, og de parametre som blir målt er høyden A for posisjonen for sjømerket og neddykningen I for nevnte merke. Imidlertid, andre parametre kan kodes og sendes på samme måte. Disse parametre kan f.eks. omfatte målinger av temperatur og spenning, og målinger av trålens åpning eller fangstraten.

Ved hver gjentatt måling vil senderenheten for hvert akustisk sjømerke sende ut tre pulser ved forskjellige tidspunkter mot hydrofonene. Disse pulser er: en av-standspuls ved en frekvens f1 ved tidspunktet tO (f.eks. f1 =18 kHz); en høydepuls med en frekvens f2 ved tidspunktet t = + AtA (f.eks. f2 = 20 kHz); en neddykningspuls med en frekvens f2 ved tidspunktet tO + Atl.

Tidsintervallet AtA relaterer seg til en måling av høyden av posisjonen for det akustiske sjømerke 7. Denne måling utføres på en standard måte ved hjelp av sonden 21 , idet sonden 21 overfører et signal ved en frekvens fs (fs forskjellig fra f1 og f2, f.eks. er fs lik 300 kHz) mot sjøbunnen ved tidspunktet tO og mottar ekkoet av samme signal fs ved slutten av et tidsintervall AtA som er avhengig av distansen som sonden har fra sjøbunnen. Ved dette tidsintervall AtA målt ved hjelp av innretningen 24 for måling av høyde AtA, ligger innenfor et temporært vindu FA mellom tidspunktene tO og t1, slik at tidspunktet t1 svarer til maksimal avstand som kan måles av sonden.

Neddykningsdybden for det akustiske sjømerke ble målt ved hjelp av trykkføleren 23 ved et tidspunkt t2, slik at t2>t1. Denne måling blir deretter omformet til et tidsintervall At2 ved hjelp av omformeirinnretningen 24. Tidsintervallet At2 er derfor et mål for neddykningen for det akustiske sjømerke 7 som oppnås ved tidsintervallet =ftl, ved fratrekk av (t2-t0).

Tidsintervallet At2 er innlemmet i et temporært vindu Fl mellom tidspunktene t2 og t3, slik at tidspunket t3 svarer til maksimal neddykning som kan måles ved trykkføleren 23.

Sondringen mellom avstands- og høydepulser gjøres ved hjelp av frekvensen. Diskrimineringen mellom høyde- og ned-dykningspulsene er en temporær diskriminering oppnådd ved valget t2>t1.

De pulser som utsendes fra en av de akustiske sjømerker 7, blir mottatt ved de to hydrofoner 8 ved slutten av tidsintervallet AtD. Dette tidsintervall er et mål av den skrå avstand D mellom det akustiske sjømerke 7 og hydrofonene 8.

En målesyklus svarende til sending, mottagning og behandling av signalene har å gjøre med et eneste sjømerke. Det andre akustiske sjømerke sender ut signaler når den første målesyklus er avsluttet. En gjentagelse omfatter to målesykler svarende henholdsvis til de to akustiske sjømer-ker .

Figur 5 er et blokkdiagram over mottagerinnretningen i henhold til oppfinnelsen. De to hydrofoner 8 mottar de akustiske signaler utsendt av et akustisk sjømerke 7, og omformer dem til elektriske signaler. Disse elektriske signaler blir forhåndsforsterket i en forhåndsforsterker 10 og overført ved hjelp av en kabel til en elektrisk boks 11. I den elektriske boks 11 blir signalene behandlet i to kanaler: - i en første kanal hvor avstandspulsene ved frekvensen f1 som blir mottatt av hver hydrofon, blir selektert ved

filtrering og forsterket i et filter og forsterkerinnret-ningen 30, hvoretter de blir sendt til en behandlings- og faseindikeringsinnretning 31 som utfører en spesiell behandlingsoperasjon og måler forskjellen A* mellom de to pulser f1 som kommer fra samme sjømerke. Denne faseforskjell blir oversendt til en teller- og beregningsinnret-ning 34 som trekker fra avviksvinkelen a for det akustiske sjømerke i hydrofon/sjømerke-planet.

I en andre kanal blir de tre pulser, nemlig pulser relatert til avstand, høyde og neddykning mottatt av en eneste hydrofon, f.eks. en styrbordhydrofon, hvoretter signalene blir filtrert og forsterket i en filter- og forsterkerinnretning 32, hvoretter de blir behandlet og detektert i en behandlings- og detekteringsinnretning 33, og oversendt til teller- og beregningsinnretningen 34.

Operasjonene utføres i teller- og beregningsinnretningen 34, og blir styrt ved hjelp av en masterklokke 35. Tidsintervallene AtD, AtA og Atl svarende henholdsvis til avstand, høydeposisjon og neddykning av det akustiske sjømerke, blir bestemt i denne innretning 34. Disse tidsintervaller oppnår man ved telling av den tid som er medgått mellom tidspunktet tO da pulsene ble overført fra det akustiske sjømerke og de tidspunkter som svarer til de stigende kanter av de mottatte pulser. Skråavstanden D og høyden A for det akustiske sjømerkes posisjon blir deretter oppnådd ved multiplikasjon av AtD og AtA med hastigheten av lyd, c. Graden av neddykning for det akustiske sjømerke oppnår man ved omforming av Atl til vanndybde. Den horisontale avstand Dh og vinkelen for relativ vinkelstilling G for the akustiske sjømerke oppnår man ved hjelp av beregninger, idet parametrene som inngår her er vist på figur 6, og representerer de relative posisjoner for det akustiske sjømerke relatert til hydrofonene.

Innretningen 34 oppnår man beregningen av vinkelavviket a ved hjelp av måling av faseforskjellen Aa mellom de to pulser med en frekvens f1 som blir mottatt ved hver hydrofon. For to hydrofoner som har en relativ avstand svarende til en kjent distanse d (f.eks. mellom 5 og 20 cm) vil denne faseforskjell være lik:

hvor c betegner lydhastigheten.

Den horisontale avstand Dh og vinkelen for den relative skråposisjon G for det akustiske sjømerke oppnår man fra den følgende formel hvor Z utgjør neddykningen, som er kjent, av hydrofonene (f.eks. lik 1 m under skipets skrog): for den horisontale avstand Dh: hvor S er høydevinkelen for det akustiske sjømerke bestemt ved følgende formel:

For den relative kursvinkel G:

(4) sin G = (D/Dh)sin a er vinkelen for geografisk avvik for det akustiske sjømerke oppnådd tidligere fra målingen av faseforskjellen A* og fra forholdet (1).

Resultatene av beregningene som utføres ved hjelp av teller- og beregningsinnretningen 34 blir deretter fremvist på en fremviserinnretning 36.

Forskjellige varianter kan benyttes for behandlingen av signalene som utføres ved hjelp av innretningene 31, 35 i den elektroniske boks 11. Spesielt vil man kunne benytte kjente behandlingsteknikker for å forbedre avstands- og

presisjonsvinkelmåling utover en grad.

En av disse teknikker kan f.eks. være den såkalte "ultra-kort base"-teknikk- som har tilknytning til en koherent behandlingsoperasjon. Ved denne teknikk er de akustiske pulser som utsendes av de akustiske sjømerker frekvens-modulerte pulser. Ved mottagning blir de signaler som mottas av hydrofonene forsterket, og overført til den elektroniske boks hvor de digitaliseres og behandles i en signalbehandlingskjede som utfører operasjoner innbefattet adaptiv filtrering of pulskomprimering.

Hver av signalene som oppnås på denne måte, har en maksimal veksling, og den ønskede faseforskyvning A* oppnås i den første forhandlingskanal av den elektroniske boks 11 ved måling av tidsforskjellen mellom toppene av disse vekslinger. Vinkelen for geografisk avvik a blir avledet derfra ved hjelp av formelen sinus a = cA*/2nf1d, i henhold til ligning (1).

Denne teknikk som gjelder søking etter maksimal toppverdi gjør det også mulig å øke avstanden d mellom de to hydrofoner utover \/ 2 (A. er bølgelengden svarende til frekvensen f1) ved fjerning av uoverensstemmelsen utover valget av de vekslinger som skal sammenlignes.

En annan såkalt "kortbase"-teknikk som har tilknytning til koherent behandling, kan også benyttes.

Ved denne teknikk vil behandlingen av de signaler som ble mottatt ved hydrofonene, innbefatte alle de forutgående trinn og ytterligere innbefatte en demodulasjon. Vinkelen for geografisk avvik a vil da bli utledet direkte ved tidsdifferansen At mellom maksimalverdiene av de to omhyl-ninger av de signaler som er behandlet på denne måte, nemlig i henhold til formelen:

Den foreliggende oppfinnelse er ikke begrenset til spesielle beskrevne utførelseseksempler. Det skal forstås at lokaliseringssystemet kan benyttes for en flerhet av undervannsapplikasjoner, f.eks. posisjonering av mine-sveiper innretninger , posisjonering av forskjellige tauete systemer (målesystemer, sonarer, gravesystemer), posisjonering mellom ubåter, mellom ubåter og dykkere, mellom dykkere etc..

I hvert tilfelle vil prinsippene vedrørende essensielle moduler av systemet (akustiske sjømerker, hydrofoner og elektronikkboks) ikke endre seg. Bare organene for fiks-ering av disse forskjellige undersammenstillinger kan være gjenstand for spesielle tilpasninger. Visse parametre som f.eks. vedrører gjentagelse, områder og måleskalaer kan også modifiseres alt avhengig av anvendelse, uten at man derved går ut over anvendelsesomfanget.

På lignende måte, fordi den undersjøiske gjenstand er en trål, vil det i henhold til beskrivelsen bli brukt to akustiske sjømerker. For andre anvendelser kan et annet antall av akustiske sjømerker kunne benyttes, uten at man derved går ut over oppfinnelsens ramme.

Det akustiske sjømerke kan også utstyres med et varierende antall av følere for overføring av et variabelt antall av informasjonsgrupper, forutsatt at tilsvarende antall av pulser blir sendt ut. Den kode som brukes for overføring av informasjon fra det akustiske sjømerke til hydrofonene kan være forskjellig, uten at dette går ut over oppfinnelsen ramme.

Claims (1)

1. System for akustisk posisjonering av en trål (2) som taues av et fartøy (1) ved hjelp av to varpetrosser (3) som er festet ved vingetuppene (4) av trålen, hvilket system er av den type som omfatter en første sender som er festet ved trålen for å tillate akustisk sending til en mottaker som er anordnet på båten, av parametre som er kjennetegnene for trålen og dennes posisjon i forhold til sjøbunnen,karakterisert vedat systemet omfatter en andre sender, idet hver av de to sendere (7) er fiksert henholdsvis ved en av vingetuppene (4) på trålen for individuell sending til mottakeren (8) i det minste av måleverdier for høyden for og neddykningsgrad for den vingetupp som den er festet ved, og ved at mottakeren omfatter i det minste to hydrofoner (8) som danner et goniometer for bestemmelse av vinkler (G) mellom fartøyets fremdriftskurs og projeksjonene, i et horisontalt plan, for vingetuppenes retning.