NO337034B1 - Anordning for å unngå hindringer for hurtige flerkskrogs fartøy - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse er rettet mot en anordning for å unngå hindringer, særlig hindringer neddykket på lavt dyp, særlig beregnet for flerskrogsskip og særlig for høyhastighetsflerskrogsskip. Ved å utføre tidlig deteksjon av ekkoene som stammer fra objektet plassert på skipets kurs, tillater anordningen særlig at mannskapet på skipet utfører foranstaltninger for å endre kursen for å unngå disse objekter.

Den stadige økningen i hastigheten til skip og trafikken på visse maritime ruter gjør det enda mer åpenbart med problemet som oppstår ved drift i sjøen av flytende objekter som kan være lokalisert i skipsruten. For å være av noe effektivitet, må deteksjonen av disse objekter og deres plassering være tidlig nok til å mulig å tillatte mannskapet på skipet å endre kursen for å unngå disse objekter. Så lenge skipet beveger seg er den viktige parameter her den relative posisjon av objektet detektert med i forhold til skipet. Det kan også være nyttig å vite på en relativt presis måte om det detekterte objekt flyter på overflaten eller om det er neddykket, dets neddykningsdybde.

For å utføre deteksjonen av flytende objekter eksisterer det flere typer anordninger som bruker hovedsakelig elektromagnetiske sensorer slik som radarer, optiske sensorer som brukes synlig eller infrarøde bølgelengder eller ellers lasersensorer. Disse anordninger er effektive for å detektere flytende eller meget lett neddykkete objekter, særlig når sjøen er nokså rolig. På den annen side hvis det flytende objekt er av relativt liten størrelse, og hvis sjøen er tung vil effektiviteten til de elektromagnetiske sensorer minske meget vesentlig. Likeledes vil deres effektivitet minske hurtig hvis neddykningsdybden av objektet øker, som i illustrasjonen i figur 1. Effektiviteten av de elektromagnetiske sensorer 10 blir videre påvirket av innfallsvinkelen til emisjonsretningen med henblikk på overflaten av vannet. Nærmere bestemt, når vi søker å øke deteksjonsområdet for å tilpasse det til kravene for høy-hastighetsskip, blir den elektromagnetiske bølge 11 ofte sendt på en streifende må-te med en liten innfallsvinkel i forhold til overflaten av sjøen, idet innfallsvinkelen da kommer nær til grensevinkelen korresponderende til tota I refleksjonen av den sendte bølge på overflaten av sjøen. I grov sjø blir i tillegg ytelsen til disse anordninger svekket av bølgen.

For å overvinne problemene relatert til elektromagnetiske sensorer er det kjent å bruke akustiske sensorer 12, slik som aktiv sonar, som gjøre det mulig å detektere hindringer, inkludert neddykkede objekter 13. Imidlertid er utnyttelse av egenskapene til de akustiske bølger slik som det utføres i de kjente anordninger uegnet for høyhastighetsskip. Nærmere bestemt utviser disse skip spesielle strukturelle karak- teristikker slik som særlig eksistensen av et skrog laget av flere meget smale flyte-legemer. Videre vil midlene for å detektere disse høyhastighetsskip ikke-neglisjerbart påvirkes av Doppler-effekten forårsaket av deres egen hastighet.

For høyhastighetsskip må deteksjonen og lokaliseringen av objekter derfor involve-re flere parametere slik som utsendelsesfrekvensen av de akustiske bølger, formen av de utsendte bølger, dimensjonene til antennen, og Doppler-effekten som følge av hastigheten til skipet. Disse forskjellige parametere brukes ikke systematisk av de eksisterende anordninger.

Det er for eksempel kjent at for en lineær antenne er den vinkelmessige oppløsning for den utførte måling gitt ved en formel av typen:

hvor:

03er apparaturen til hovedloben til antennen ved -3dB,

A er bølgelengden til den akustiske bølge gitt ved A = c/f, hvor c representerer forplantningshastigheten til bølgen i det aktuelle medium (for eksempel sjøvann eller ferskvann) og f er frekvensen til den akustiske bølge,

L er lengden av antennen,

K er en koeffisient særlig relatert til formen av antennen og til vekt-funksjonen benyttet for loben. K kan særlig ta en verdi som ligger mellom 0,9 og 1,5.

Forhold [1] demonstrerer at 03er avhengig av frekvensen til den utsendte bølge, så vel som lengden av antennen.

For en hurtigbåt er det ønskelig samtidig å ha en nokså lang rekkevidde, og en tilstrekkelig vinkelmessig nøyaktighet slik at man er i stand til å bestemme på en tidlig og nøyaktig måte posisjonen av objektene tilstede i skipets rute.

For å tilfredsstille kravene til nøyaktighet tvinges man til å velge, i samsvar med forhold [1] en relativt høy emisjonsfrekvens assosiert med en antenne av stor stør-relse. Imidlertid er det kjent at absorpsjonskoeffisienten for akustiske bølger er avhengig av frekvensen til den utsendte bølge eller nærmere bestemt på den inver-se av kvadratet av frekvensen. Sagt på annen måte vil høyere emisjonsfrekvens bety begrenset rekkevidde, når den utsendte effekt holdes konstant. Kravene til rekkevidde fører derfor til et valg av emisjon ved en relativt lav frekvens. Dobbelt-heten til disse to krav kulminerer endelig i søket etter et kompromiss.

I det bestemte tilfellet av et flerskrogsskip viser kompromisset seg å være vanske-ligere å finne enn for et konvensjonelt skip. De hydrodynamiske begrensninger for et slikt fartøy gjør det særlig vesentlig å redusere alt som kan påvirke bremsingen av skroget og særlig størrelsen av antennene. Den smale formen av flytelegemene gjør det ikke mulig å ha tilgjengelig en antenne av tilfredsstillende størrelse for å sikre den ønskede direktivitet. Det er imidlertid mulig å omgå dette handikap ved å bruke et system av antenner med lave dimensjoner omfattende for eksempel to eller flere antenner ved sending eller ved mottakning. Hver antenne kan plasseres på et bestemt skrog. En rekkeantenne (array antenne) blir derfor frembrakt. Det er imidlertid nødvendig i dette tilfellet å ta hensyn til opptredenen av spuriøse sidelo-ber (image lobes) i tillegg til hovedloben. Disse spuriøse lober, også kalt gitterlober (array lobes), induseres av avstanden som separerer flytelegemene på hvilke antennene er plassert. Denne avstand, som er meget stor sammenlignet med bølge-lengden til det akustiske signal, fører til en rommelig undersampling av det mottatte signal som induserer opptredenen av gitterlobene. Resultatet er eksistensen av en tvetydighet når det gjelder ankomstretningen for signalet tilbakespredt av et flytende objekt.

Deteksjonen av flytende objekter med hurtigbåter påvirkes videre av Doppler-effekten som intervenerer på en ikke-neglisjerbar måte i forplantningen av signalene og mottakelsen av ekkoene. Doppler-effekten må taes hensyn til hvis man ønsker å foreta korrekt bestemmelse av posisjonen av flytende objekter.

For et skip som bærer en sender og en mottaker, hvor senderen sender en bølge som reflekteres på et flytende objekt, og som er underkastet en enkel driftbevegel-se på grunn av strømmen eller en relativt svak vind, er Doppler-effekten simpelt-hen særlig relatert til forflytningen av skipet. I dette tilfellet er det mulig som en første tilnærming å skrive:

hvor g representerer retningen som objektet ligger i med henblikk på kursen til skipet. Retningen bestemmes med henblikk på retningen av hastighetsvektoren til skipet som taes som referanse. Det er også vinkelen i forhold til aksen av antennen.

I utrykk [2] er Doppleren representert ved uttrykket (2/c).vship.cosg. Denne kvanti-tet karakteriserer frekvensforskyvingen (frequences slip) observert ved mottakelse med henblikk på den sendte frekvens, forskyvning på grunn av Doppler effekten. Koeffisienten 2 resulterer fra det faktum at bølgen sendt av sonaren plassert på skipet og reflektert av det neddykkede objekt undergår Doppler-effekten på tur-retur banen.

For et skip omfattende en sender og en mottaker plassert på samme posisjon på skipet, viser effekten av bevegelsen av skipet seg med en forskjell i varighet mellom banen tilbakelagt av den akustiske bølge sendt mellom senderen og det flytende objekt, og banen tilbakelagt av den akustiske bølge reflektert mellom det flytende objekt og mottakeren. Denne forskjell i varighet er hovedsakelig på grunn av forflytningen av skipet under forplantningen av bølgen. Hvis skipet nærmer seg vil returbanen vise seg å være kortere. Motsatt, hvis skipet fjerner seg vil denne bane være lengre.

Doppler-effekten viser seg på signalet, i følge hvert tilfelle, ved en kompresjon eller en dilatering av tiden, i det identiske forhold v/c på utveien og på returveien av bølgen. Med aktiv sonar blir Dopplerestimeringen generelt utført ved å foreta interkorrelasjon av det mottatte signal med modeller av det sendte signal som påvirkes av en Dopplereffekt. Denne estimering av kan også utføres ved en interspektral analyse, ved å betrakte at for visse signaler, som det ble nevnt ovenfor, vil målingen av et frekvensskift være tilstrekkelig alene. Det er også mulig å måle kompre-sjonen av tiden mellom to pulser mottatt med henblikk på intervallet mellom de to korresponderende sendinger.

Deteksjonen av objekter og den nøyaktige bestemmelse av deres posisjoner blir

ofte komplisert ved reverbasjonen eller gjenlyden som stammer fra skattere fordelt i rommet og som vil påvirke det nyttige signal til gjenlydsforhold. Denne gjenlyd vil være mer plagsom dess hurtigere skipet beveger seg og dess større den rommelige undersampling, og forårsaker derved spuriøse lober.

US 2003/0222778 Al beskriver et apparat bestående av en transduser for deteksjon av objekter i et overvåket område, for eksempel et havområde. Apparatet de-tekterer, sporer og identifiserer objekter, og består av to adskilte akustiske sendere, med mottakere som kan motta reflekterte signaler fra enten den ene senderen eller begge.

Carof, A.H.: «Acoustic differential delay and Doppler tracking for long range AUV

positioning and guidance», OCEANS '94. Oceans engineering for today's technology and tomorrow's preservation. Proceedings, Brest, Frankrike 13-16 sept. 1994, side III-389-III-394, viser et akustisk posisjonerings- og styringssystem basert på differensiell forsinkelse og Doppler-effekten brukt til navigasjon for selvstyrte under-vannsfartøy. Posisjoneringen brukeren lavkost rundstrålende hydrofon montert på fartøyet, som sammen med et eksternt system brukes til posisjonering og styring av fartøyet.

Chestnut, P.C.: «Emitter Location Accuracy Using TDOA and Differential Doppler, IEEE Inc., New York, US, Vol. AES-18, no. 2, mars 1982, side 214-218 viser to me-toder for lokalisering av en radio- eller sonar-sender ved bruk av differensiell Doppler.

En hensikt med oppfinnelsen presentert i dette dokument er særlig å overvinne vanskene som påtreffes under bestemmelsen av posisjonen av objekter med henblikk på hurtigbåter. En annen hensikt består i å omgå tvetydigheten på grunn av de spuriøse loberog gjenlyden.

Dette oppnås med en unngåelsesanordning, anvendelse av denne anordningen og en akustisk anordning ifølge de etterfølgende patentkrav.

Den akustiske anordningen er en anordning for unngåelse av neddykkede hindringer for flerskrogsskip, omfattende en sender for akustiske bølger plassert på ett av skrogene, og to akustiske mottakere plassert på forskjellige skrog, idet anordningen videre omfatter organer for å prosessere de mottatte signaler, for å utføre, gjennom de mottatte ekkoene, en måling av forskjellen i forplantningstiden til bøl-gene utsendt av hver av senderne, en måling av Doppler-frekvensene som påvirker de mottatte bølger og beregningen av den korresponderende differensielle Doppler-frekvensen, idet disse målinger gjør det mulig å bestemme posisjonen av objektet som har returnert et ekko.

Disse organer utnytter Doppler-forskjeller som eksisterer mellom de reflekterte signaler korresponderende til et og samme ekko og følgende på sendingen for hver av senderne. I den fortrukne utførelse er de utsendte akustiske frekvenser eller bølgeformer distinkte. I den foretrukne utførelse, når skipet fremdeles er på avstand og Doppler-differensialet ikke er betydelig for nøyaktigheten av målingene, kan posisjonen først bestemmes på en grov måte på basis av den enkle måling av tidsavviket T som atskiller ankomstøyeblikkene på mottakeren av bølgene sendt av hver av senderne og reflektert av objektet. Den slik utførte prosessering utviser fordelen av å tillatte en første bestemmelse, grov men tidlig, av posisjonen av objektet som har returnert et ekko. Denne preliminære prosessering gjør det også mulig med fordel å forenkle prosesseringen ved analyse av Dopplerfrekvensavviket. På bakgrunn av resiprositeten til forplantingen, utviser anordningen i følge oppfinnelsen fordelen av å være i stand til å virkeliggjøres på en dobbelt måte ved for eksempel å benytte en struktur omfattende en enkelt sender og to mottakere, I en foretrukket utførelse velger vi også for denne konfigurasjon å sende to forskjellige signaler.

Andre særtrekk og fordeler vil fremgå gjennom beskrivelsen og figurene 2 til 6 som representerer: Figur 2, en diagrammessig representasjon av anordningen i følge oppfinnelsen in-stallert i baugen av et skip med to skrog, Figur 3, et diagram som illustrerer operasjonsprinsippet til anordningen i følge oppfinnelsen. Figur 4, et diagram som illustrerer trinnene i en eksempelvis fremgangmåte som kan implementeres ved anordningen i følge oppfinnelsen for å bestemme posisjonen av et objekt. Figur 5, en illustrasjon av en særlig eksempelvis bruk av anordningen i følge oppfinnelsen. Figur 2 presenterer på en diagrammessig måte en form for mulig utlegg av en foretrukket utførelse av anordningen i følge oppfinnelsen. I eksempler illustrert ved figur 2 utstyrer anordningen et skip med to skrog 21. Figuren presenterer bare baugdelen av skipet og særlig baugdelen av de to skrog. Pilen 22 materialiserer

progresjonen av skipet som styrer mot objektet 27. Dette objektet er for eksempel med et objekt neddykket på lavt dyp og som slik unngår radardeteksjon. Ved baugen av et av skrogene 211 er det plassert en sonarsender 23 som sender en akustisk bølge 24. Likeledes ved baugen av det annet skrog 22 er det plassert en andre

sonarsender 25 som sender en akustisk bølge. 26. Pa bakgrunn av plasseringen av senderne på forskjellige skrog er transpirasjonskildene plassert atskilt med en avstand A hvis verdi er vesentlig større enn bølgelengden utsendt av hver av senderne. Nå er det kjent at operasjonen av en slik sammensetning er liknende den til en sender hvis radiasjonsmønster omfatter en nyttig lobe orientert i transmisjons retningen og spuriøse lober som utviser rommelig periodisitet. Denne periodisitet er avhengig av forholdet mellom avstanden som atskiller de to sendere og den utsendte bølgelengde. Deteksjonen av et objekt skades da ved en tvetydighet i posisjonen av dette objekt. For å unngå problemene vedrørende tilstedeværelsen av spuriøse lober omfatter anordningen i følge oppfinnelsen, i den foretrukne utførelse, sender 23 og 25 som sender på akustiske bølger av forskjellige former eller frekvenser. Signalene som stammer fra hver av senderne blir derfor lett atskilt ved mottak.

På en av de to skrog, for eksempel skroget 211, er det også plassert en sonarmot-taker 29 hvis mottaksbånd dekker de som okkuperes av bølgene 24 og 26.

Operasjonsprinsippet for sammensetningen dannet av senderne og mottakeren kan enkelt beskrives som følger. Hver gang et objekt befinner seg i sonen dekket av de to sonarsendere returnerer det et ekko som avfølges av mottakeren. Dette ekko avmerkes av en reflektert bølge 28 som resulterer fra refleksjonen av innfallende bølger 24 og 26 på objektet. Etter mottakelse blir de reflekterte signaler som oppstår fra den innfallende bølge 24 og de som oppstår fra den innfallende bølge 26 prosessert for å bestemme nøyaktig og hurtig posisjonen i forhold til skipet av objektet som har returnert et ekko. Figur 2 illustrerer det spesielle tilfellet hvor anordningen i følge oppfinnelsen brukes på et skip omfattende to skrog. Det er selvfølgelig mulig å ekstrapolere dette eksempel til et skip som for eksempel omfatter tre skrog. I dette tilfellet kan mottakeren bæres av et av skrogene som allerede bærer en sender eller ellers av skroget som ikke bærer noen sender. Det generelle operasjonsprinsipp blir uforandret. Figur 3 gjør det mulig å illustrere operasjonsprinsippet for anordningen i følge oppfinnelsen. I følge oppfinnelsen kan bestemmelsen av posisjonen av et flytende eller lett neddykket objekt som befinner seg på ruten som følges av skipet, utføres i to trinn. I det første trinn, når objektet fremdeles er tilstrekkelig langt fra skipet, blir posisjonen av objektet som danner subjektet for en grov bestemmelse utført ved analyse av forskjellen mellom de respektive ankomsttider for bølgene mottatt ved refleksjon på objektet av bølgene utsendt av hver av senderne. Deretter, i et andre trinn, blir posisjonen av objektet bestemt på mer presis måte ved å analysere forskjellen til Dopplerne som påvirker de motsatte bølger.

Disse to måter for å bestemme posisjonen av objektet blir fremsatt i dokumentet i det følgende.

I figur 3 er skipet 21 symbolsk representert ved tre skiver 23, 25 og 29, ved forskjellige øyeblikk T0, Ti og T2av sin progresjon langs en retning 22. Figur 3 fremvi-ser også et objekt 27 som befinner seg i ruten til skipet. La Di og D2være de radiale avstander som respektivt separerer objektet fra senderne 23 og 25 som skipet er utstyrt ved, ved øyeblikket T0. For å klargjøre forutsettes forplantningsmediet å være isotropisk og isohastighet. Hvis vi kaller C forplantningshastigheten til lydbøl-gene i det aktuelle medium taes det hensyn til forskyvningen av skipet er det mulig å skrive:

hvor Ti og T2representerer ankomsttidspunktene på nivået av mottakeren av ekkoene 31 og 32 reflektert av objektet 27. Disse ekko følger av den synkrone transmi-sjon ved tidspunktet T0av bølgene 24 og 26 av de to sendere 23 og 25. D0og D'0representerer for deres del de radiale avstander som separerer objektet fra skipet ved tidspunktene Ti og T2. Vinklene 33 og 35 representerer vinklene laget av retningen til bølgene utsendt av senderne med for eksempel forflytningsaksen til skipet tatt som referanse. Likeledes representerer vinklene 34 og 36 laget av ret-ningene for bølgene mottatt av mottakeren med samme referanseakse. Avstandene Di og D2som atskiller ved et tidspunkt T0objektet som returnerer et ekko fra hver sender, er distinkt. De er avhengig av de relative posisjoner av objektet og av skipet ved T0. To bølger sendt samtidig ved T0av hver av senderne vil derfor ikke nå objektet ved samme tidspunkt og mottas av mottakeren etter refleksjonen på objektet ved forskjellige tidspunkt. Videre, på bakgrunn av forflytningshastigheten til skipet, vil de relative posisjoner av objektet i forhold til mottakere variere mellom tidspunktene Ti og T2for mottakelse av bølgende reflektert av objektet. Banene D0og D'0tilbakelagt av de reflekterte bølger er derfor også forskjellige. Differansen T2

+ Ti er derfor på ett og samme tidspunkt avhengig av posisjonen av objektet i forhold til skipet og bevegelseshastigheten til skipet.

Hvis vi videre betrakter at avstanden mellom skip og objekt ikke varierer vesentlig under målingen, kan banene D0og D'0slåes sammen. Kjennskap til verdiene Ti og T2eller ellers verdien av avviket (T2+ TJ, er deretter tilstrekkelig til å bestemme posisjonen av objektet i forhold til skipet, med kjente midler som ikke er beskrevet i dette dokument. På den annen side, i tilfelle av en hurtigbåt kan banene D0og D0 strengt tatt ikke slåes sammen. Selv om avstanden som atskiller objektet 27 fra skipet 21 er stor, for eksempel større enn 1 kilometer, kan ikke forflytningen av skipet under gangen av lydbølgene i vannet ikke kan neglisjeres og det er mulig å skrive:

Avviket (T2- Ti) avhenger av da i en stor utstrekning på avviket (D2- Di) og i mindre utstrekning på avviket (D0- D'0). Hvis vi setter T0= 0 er det derfor mulig å skrive:

Hvis vi betrakter at objektet er plassert på en stor avstand fra skipet, er det mulig å betrakte av T2- Ti # (D2- Di) / C, V forblir liten i forhold til C selv for hurtigbåter som for eksempel beveger seg i hastighet på 50 knop. Det er da mulig å forenkle de foregående forhold som følger:

Målingene av verdiene Ti og T2eller differansen (T2- Ti) er da tilstrekkelig til tilfredsstillende med koordinatorene X og Y av objektet. På en grafisk måte bestemmer disse koordinater X og Y skjæringen av to ellipser. En av ellipsene korresponderer til posisjonen med henblikk på mottakeren av punktene på hvilke forplantningstiden til en bølge sendt av senderen 1 korresponderer til Ti. Den annen ellipse korresponderer til posisjonen med henblikk på mottakeren punktene for hvilke forplantningstiden til en bølge sendt av senderne 2 korresponderer til T2. For å gjøre målingene av verdiene Ti og T2enklere bruker anordningen i følge oppfinnelsen med fordel i den foretrukne utførelse, to distinkte akustiske utsendelser som utviser forskjellige frekvenser Fl og F2 eller ellers har forskjellig form. Når sendestarttids-punktet T0er identisk kan mottakeren enkelt, for eksempel ved filtrering, separere de mottatte signaler korresponderende til det samme ekko ved hjelp av deres frekvens å bestemme mottakstidspunktene Ti og T2av signalene som respektivt oppstår fra senderne 23 og 25.

Når objektet befinner seg på en relativt stor avstand fra skipet vil prinsippet for bestemmelse basert på målingen av avviket (T2- Ti) gjør det mulig å bestemme på en relativt enkel måte posisjonen av objektet i forhold til skipet. Under hensyntagen til avstanden som separerer skipet, blir posisjonen av objektet bestemt med tilstrekkelig nøyaktighet.

På den annen side, så snart deteksjonen av objektet utføres i nærfeltet viser dette prinsipp for bestemmelse bare på målingen av differansen (T2- Ti) seg å være for unøyaktig til å tillatte sikker navigasjon. Tilnærmelsen bestående i å identifisere D'0med D0er ikke lenger akseptabel. Denne unøyaktighet vil videre straffe seg enda mer ettersom objektene da er passert ved en avstand nær skipet. Det tilgjengelige tidsspenn for å operere en unngåelsesmanøver er da meget kort. Husk i denne sammenheng at operasjonen i nærfeltet her må forståes å bety et tilfelle av operasjon hvor avstanden D mellom objektet og skipet er liten og forholdet A/y er stor. A og y representerer respektivt avstanden som atskiller de to sendere og y lengden av signalet.

Så lenge objektet er nærmere skipet vil veksten i påvirkningen av Doppler-effekten relatert til betydningen av variasjoner mellom vinklene for utsendelse 33, 35 og for mottakelse 34, 36 hindre enhver forenklende tilnærming som gjør det mulig p bestemme posisjonen av objektet ved enkelt å bruke målingene av Ti og T2eller differansen (T2- TJ. Videre er implementering av ikke- koherent prosessering som for eksempel bruker målinger av den mottatte energi ikke gjennomførbar. Denne type prosessering ville føre til generering av mange falske alarmer som særlig oppstår fra betraktning avvolum eller overflate gjenlyd fenomener. For å håndtere problemet skapt ved deteksjon av objekter i nærfeltet, implementerer anordningen i følge oppfinnelsen en annen prosesseringsform enn tidligere beskrevet og som as-sosierer utnyttelsen av målingen av forsinkelsen (T2-Ti) med en utnyttelse av Doppler-effekten som påvirker de mottatte signaler. Nærmere bestemt, som en funksjon av den relative posisjon av det detekterte objekt i forhold til begge senderne blir signalene utsendt av de to senderne 23, 35 og reflektert av objektet blir påvirket med forskjellig frekvensskift. Den implementerte prosessering består derfor i å bestemme på basis av en frekvensanalyse av de mottatte signaler posisjonen til objektet ved å bruke den differensielle Dopplerfrekvens. Denne bestemmelse kan utføre ved forskjellige kjente midler. Bestemmelsen av den differensielle Doppler-frekvens gjør det med fordel mulig å kjenne variasjonen i posisjonen av skipet mellom tidspunktene Ti og T2. Assosiert med kjennskapen til V, som vist ved relasjo-nene 6 til 9, tillatter det nøyaktig bestemmelse av koordinatorene X og Y av objektet. V kan videre kjennes eller estimeres konvensjonelt ved hjelp av Doppler-effekten. Prinsippet for bestemmelse av den differensielle Doppler-frekvens i følge oppfinnelsen er beskrevet i de følgende avsnitt.

Hvis vi betrakter for klarhets skyld, på bakgrunnen av at objektet som returnerer et ekko er ikke mobilt eller i det minste har en meget lav iboende hastighet, relasjo-nen som linker den differensielle Doppler-frekvens til posisjonen av objektet har returnert et ekko kan etableres på en enkel måte. De to sendere er synkronisert og sender for eksempel signaler av respektive frekvenser Fi og F2, vil signalene avfølt av mottakeren og som stammer fra refleksjonen av objektet av de sendte signaler, bli mottatt ved frekvenser Fri og Fr2slik at:

Hvor Gi, 02, 00og 0'0respektivt korresponderer til innfallende og reflekterte vinkler 33, 35, 34 og 36 i figur 3. Disse vinkler er avhengig av koordinatene X og Y til objektet.

Frekvensskiftene mellom utsendte og mottatte signaler er relatert til hastigheten av skipet som forårsaker at den relative posisjon av skipet i forhold til objektet varierer.

Hvis den differensielle forsinkelse (T2-T1) korresponderer til tidsavviket som separerer tidspunktene for mottagelse av ekkoene som stammer fra objektet blir kom-pensert og hvis interkorrelasjonen av de mottatte signaler korresponderende til det samme utsendelsestidspunkt blir utført, oppnår vi et signal av form:

Det oppnådde signal omfatter med fordel de to frekvenskomponenter:

Det er deretter mulig ved å benytte en "lavpass"-typefiltrering og en filtrering av høypasstype, å isolere frekvenskomponentene AFr og ZFr.

Hvis vi på den annen side kaller Vri og Vr2projeksjonene av hastigheten til skipet langs Di og D2, på basis av relasjoner [13] og [14], er det mulig å skrive

fra hvilken vi utleder: vi oppnår derfor:

Relasjoner [22] og [23] gjør det derfor mulig, hvis vi kjenner transmisjonsfrekvensene Fi og F2, å bestemme verdiene av den differensielle Doppler-frekvens gitt ved uttrykket:

Den differensielle Doppler-frekvens, speiler av hastigheten V, fremstår som å være avhengig av vinklene 00, 9'0, Øi og 92. Det er derfor mulig ved å bestemme verdien av den differensielle Doppler-frekvens Afd, å bestemme 00, 0'0, Øi og 02, og slik bestemmer koordinatene X og Y av objektet 27 som har returnert et ekko. Denne bestemmelse kan utføres ved enhver kjent prosedyre.

I tilfellet av anordningen for oppfinnelsen, ifølge den foretrukne utførelse, blir im-plementeringen av frekvensanalysen av det mottatte signal med fordel forenklet ved bruk av to forskjellige akustiske transmisjonsfrekvenser Fi og F2. Ved mottagelse er det da enkelt å separere ved filtrering signalet som oppstår fra senderen 23 fra det som oppstår fra senderen 25 og å separat utføre frekvensanalyse av hvert av signalene. Denne frekvensanalysen gjør det mulig å bestemme Doppler-frekvensen til hvert signal og å beregne den differensielle Doppler-frekvens.

Bruk av andre signalklasser er mulig og kan vise seg å være fordelaktig for visse bruksområder, idet disse signaler da kan velges som en funksjon av egenskapene til deres tvetydighetsfunksjon (ambiguity function) som karakteriserer deres evne til å tillate en diskriminering i form av forsinkelse og Doppler.

Det er nyttig å legge merke at bruk av den differensielle Doppler-frekvens Afdfor å bestemme posisjonen av et objekt som befinner seg i en nær sone i forhold til skipet, også kan brukes når objektet befinner seg på en mer betydelig avstand.

Illustrasjonen i figur 3 viser anordningen ifølge oppfinnelsen i en konfigurasjon omfattende to senderer avskilt fra hverandre og en mottaker. Selvfølgelig, på bakgrunn av resiprositeten til egenskapene som brukes, er det mulig å implementere prinsippet for å bestemme posisjonen av et flytende objekt som fremsatt ovenfor ved å bruke en anordning omfattende en enkel sender som samtidig sender to bøl-ger av forskjellige frekvenser og to mottakere med avstand fra hverandre, idet hver mottaker har et passband egnet for en av transmisjonsfrekvensene.

Figur 4 presenterer som et eksempel grunndiagrammet som beskriver trinnene for en fremgangsmåte som gjør det mulig å bestemme posisjonen av et flytende objekt i forhold til et skip utstyrt med anordningen ifølge oppfinnelsen. Denne fremgangsmåte omfatter forskjellige trinn.

Ved utgangen av mottakeren 29 blir det mottatte signalet distribuert over to paral-lelle prosesseringsspor 41 og 42. Prosesseringssporet 41 omfatter et prefiltrerings-trinn 43 beregnet til å beholde bare komponenten av det mottatte signal hvis spektrum er sentrert på transmisjonsfrekvensen Fel av den første sender 23. Signalet prosessert ved det sporet 41 korresponderer derfor til signalet som oppstår fra senderen 23 reflektert av objektet 27.

I parallell, i prosesseringssporet 42, undergår det mottatte signal en prefiltrerings-operasjon 44 beregnet til å preservere bare komponenten av det mottatte signal hvis spektrum er sentrert på transmisjonsfrekvensen Fe2 av den andre sender 25. Signalet prosessert av sporet 42 korresponderer derfor til signalet som oppstår fra senderen 25 reflektert av objektet 27. Det filtrerte signal undergår deretter en for-sterkningskorreksjonsoperasjon 46 så vel som en operasjon 48 for sampling og digitalisering.

De slik oppnådde signaler dannet subjektet for en operasjon 49 med temporal rejustering fulgt av en interkorrelasjon 411. Den temporale rejustering er rettet mot å resynkronisere signalene mottatt av mottakeren, å reharmonisere signalene reflektert av det detekterte objekt som stammer fra signalene utsendt ved samme tidspunkt av de to sendere 23 og 25. Denne temporale rejustering utføres først for eksempel ved å påføre signalet i en av prosesseringssporene 41 eller 42 et sett forsinkelser, idet hver forsinkelse korresponderer til en verdi for forskjellen i bane-lengde av de akustiske bølger utsendt av de to sendere og reflektert av objektet. Operasjonen av temporal rejustering kan være opphav til en operasjon 410 for grov bestemmelse av koordinatene X og Y av objektet, på bakgrunn av den bestemte verdi T2-Ti. Denne første bestemmelse tar ikke hensyn til hastigheten V av skipet.

Operasjonen 411 utfører deretter interkorrelasjonen av signalene fra hver av spo-rene for hver av de påførte forsinkelser. Vi oppnår slike signaler C(t) hvis generelle form kan uttrykkes ved forhold [15].

De oppnådde signaler dannet deretter subjektet for operasjoner 412 av frekvensanalyse hvis hensikt særlig er å bestemme for hvert interkorrelasjonsresultat verdiene AFr for hvilket et signal blir detektert. Nivået av spektral komponenten som oppstår fra hver analyse kan danne subjektet, som nevnte i figuren, av en sammenligning 413 med en deteksjonsterskel. De korresponderende verdier Afr er opphav til operasjon 414 for å bestemme posisjonen av det detekterte objekt. Denne operasjon består for eksempel av å beregne koordinatene X og Y av objektet å ta hensyn til hastigheten V av skipet, idet V bestemmes på bakgrunn av AFr ifølge en kjent prosedyre. Disse koordinater er opphav til en utnyttelse 415. Den senere kan bestå av en fremvisning på en konsoll for en operatør som slik er i stand til å bestemme trusselen som objektet representerer eller for bruk av en anordning for overvåkning og automatisk unngåelse.

For å unngå opptreden av et stort antall falske alarmer, kan fremgangsmåten videre omfatte en operasjon 416 bestående av en test av verdiene AFdberegnet på basis av verdiene AFr som fører til avvisning av punktene for hvilket AFd ikke korresponderer til en differensiel Doppler-frekvens som anses plausibel. Denne test kan for eksempel bestå av en sammenligning av verdien AFdberegnet med verdiene holdt i en tabell.

Anordningen ifølge oppfinnelsen frembyr slik en løsning på problemet med deteksjon av flytende eller lett neddyrkede objekter, som befinner seg i ruten for skip og særlig hurtigbåter av katamarantype. Disse objekter kan hindre forflyttingen av et skip eller til og med skade det. Imidlertid, som illustrert i figur 5, kan det benyttes av sakte gående skip, som har betydelig treghet. I denne sammenheng er det mulig å detektere på en tidlig måte alt hurtige objekter 54 nærmer seg, for å være i stand til å unngå dem. For en slik bruk kan en anordning ifølge oppfinnelsen, for eksempel omfattende to sendere 52 plassert ved endene og en mottaker 53 plassert ved senteren, installeres på hver av kantene av skipet 51.

Anordningen ifølge oppfinnelsen slik som beskrevet her, er et element om bord i et skip og beregnet til å bestemme posisjonen av et objekt som befinner seg i dens rute. Imidlertid kan den på en analog måte settes opp på en fast installasjon slik som for eksempel en avgangsvei for tilgang til en havn, for å kontrollere den beste posisjonering av et skip som nærmer seg og ønsker å gå inn i denne avgangsvei.

Claims (8)

1. Unngåelsesanordning for skip, som tillater nevnte skip å unngå flytende eller lett neddykkede objekter (13) som befinner seg i skipets rute eller i en sone nær denne rute, idet nevnte anordning omfatter to sendere av akustiske bølger (23, 25) adskilt fra hverandre, og en akustisk mottaker (29), hvis mottaksbånd er egnet for emisjonsfrekvensene til senderne, karakterisert vedat den videre omfatter organer for å prosessere de mottatte signalene for å utføre, gjennom de mottatte ekko: en måling av forskjellen i forplantningstid for bølgene utsendt av hver av senderne, en måling av Doppler-effekten som påvirker hver av de utsendte bølger og beregning av den korresponderende differensielle Doppler-frekvensen, idet disse målinger gjør det mulig å bestemme posisjonen til objektet (13) som har returnert et ekko.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert vedat de to sendere (23, 25) sender bølger med distinkte frekvenser eller med forskjellige bølgeform.

3. Anordning ifølge ett av kravene 1 eller 2, karakterisert vedat prosesseringsorganene bestemmer posisjonen av et objekt på bakgrunn av beregning av den temporale deviasjon AT og av Doppler-frekvens deviasjonen AFdsom eksisterer mellom de to bølger reflektert av nevnte objekt, idet en reflektert bølge som stammer fra den første senderen, og den annen reflekterte bølge oppstår fra den andre senderen.

4. Anvendelse av anordningen ifølge ett av kravene 1 til 3 på et flerskrogsskip, idet de to sendere av akustiske bølger (23, 25) er plassert på forskjellige skrog og den akustiske mottakeren (29) er plassert på ethvert ett av skrogene.

5. Anvendelse av anordningen ifølge ett av kravene 1 til 3, for deteksjon og unngåelsen av et objekt som nærmer seg et skip (51) med høy hastighet, idet skipet er utstyrt med en anordning ifølge oppfinnelsen på hver av sine kanter.

6. Anvendelse av anordningen ifølge ett av kravene 1 til 3, for å kontrollere posisjonen av skip ved inngangen til en havn, idet inngangen til havnen er utstyrt med minst en anordning ifølge oppfinnelsen.

7. Akustisk anordning for unngåelse av neddykkede hindringer for flerskrogsskip, omfattende en sender for akustiske bølger plassert på ett av skrogene, og to akustiske mottakere plassert på forskjellige skrog, karakterisert vedat den videre omfatter organer for å prosessere de mottatte signaler, for å utføre, gjennom de mottatte ekkoene, en måling av forskjellen i forplantningstiden til bølgene utsendt av hver av senderne, en måling av Doppler-frekvensene som påvirker de mottatte bølger og beregningen av den korresponderende differensielle Doppler-frekvensen, idet disse målinger gjør det mulig å bestemme posisjonen av objektet (13) som har returnert et ekko.

8. Anordning ifølge krav 7,karakterisert vedat senderen samtidig sender to bølger på forskjellige frekvenser, idet hver mottaker har et mottaksbånd egnet for en av senderfrekvensene.