NO337069B1

NO337069B1 - Avsøkingssonar med automatisk følging

Info

Publication number: NO337069B1
Application number: NO20032265A
Authority: NO
Inventors: Yasushi Nishimori; Kenichi Watanabe
Original assignee: Furuno Electric Co
Priority date: 2002-05-20
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2016-01-11
Also published as: GB2388901A; US6778468B1; JP4164290B2; NO20032265L; NO20032265D0; GB0307455D0; JP2003337171A; GB2425593B; GB2425593A; GB2388901B; GB0601825D0

Description

Oppfinnelsens bakgrunn

Oppfinnelsens tekniske område

Denne oppfinnelse gjelder et apparat for ultralydtransmisjon, nemlig sending og mottaking, for å registrere undervannsobjekter ved deteksjon, for eksempel ved å sende og motta ultralydbølger. Oppfinnelsen kan også brukes for avsøkingssonarer som bruker et slikt ultralydapparat for sending og mottaking.

Bakenforliggende teknikk

Konvensjonelt brukes avsøkingssonarer for å detektere undervannsmål. Typisk har en slik sonar en generelt sylinderformet transduser som kan se ut slik det er vist på fig. 1 i denne beskrivelses tilhørende tegninger, for å detektere undervannsmål i nærheten av et fartøy hvor avsøkingssonaren er installert. Sonaren frembringer en ultralydstrål som sendes ut og dirigeres i samtlige retninger rundt transduseren, ved at det er transduserelementer som bringes til å oscillere. Fig. 1 illustrerer hvordan de enkelte transduserelementer i transduseren drives av signaler som er nøyaktig faseregulerte for å innføre passende tidsforsinkelser ved aktiveringen av elementene i en ringformet horisontal gruppering eller rekke (også kalt array), slik at den utsendte ultralydstråle danner et paraplyliknende mønster rundt hele sirkelen og med en smal horisontal strålebredde skrådd noe nedover ved en gitt helningsvinkel. I hver påfølende mottakingssyklus frembringer avsøkingssonaren en blyantformet mottakingsstråle som dirigeres på skrått nedover i en bestemt asimut (horisontalretningen) ved å drive et bestemt antall vertikale arrayer (heretter kalt krysningspunkter eller staver) av transduserelementer som orienteres mot bestemte retninger. Kombinasjonen av transduserelementstaver blir sekvensielt til-koplet i omkretsretningen av transduseren, slik at mottaking sstrålen etter hvert roteres fra en retning til en annen rundt transduseren.

Transduseren i denne avsøkingssonar er utformet ved "grov" anordning av flere transduserelementer, og ved en slik konstruksjon vil den konvensjonelle transduser frembringe et mønster av lober og motta refleksjoner fra andre retninger enn det som er den aktuelle "lydretning", og eventuelt frembringes også falske avbildninger på en visnings-skjerm som et resultat.

Fig. 6 viser et skjema over en gitterlobedannelse. Transduseren danner en hovedlobe ML med god direktivitet i retningen for en linje som er vist med vekslende lange og korte streker. Transduseren etablerer også gitterlober GL som er rettet generelt normalt på hovedloben ML, så vel som mange sidelober SL på både venstre og høyre side av denne.

Ved avsøking av undervannsformasjoner ved gradvis rotasjon av mottakings-strålen som har slike retningsegenskaper vil avsøkingssonaren kunne fremvise et bilde som for eksempel kan være slik det er vist på fig. 7 og hvor en reell avbildning R av et mål er vist, sammen med falske avbildninger I av samme. Disse falske avbildninger I som på denne måte etableres dersom noen av gitterlobene GL eller sidelobene SL blir orientert mot det aktuelle mål (som eksisterer i retningen av R) og mottar ekkoer fra målet når hovedloben ML sendes ut i retning av en av de falske avbildninger I.

Et mål å dempe gitterlobene GL på er å redusere intervallene mellom de til-støtende transduserelementer ved å øke det totale antall av slike elementer. Selv om denne løsning nok kan være effektiv i en viss utstrekning vil en økning i antallet elementer føre til en tilsvarende økning i antall slike kretser som drivkretsene for å drive de enkelte transduserelementer, styrekretser for å styre og kontrollere drivkretsene, mottakerkretser og signalbehandlingskretser for behandling av mottatte signaler og til sist vil dette føre en økning i maskinvareskalaen og en betydelig kostnadsøkning.

Nærmeste tidligere kjent teknikk synes å være JP-H01185471-A som angir et sonarapparat som muliggjør å hindre interferens mellom stråler ved å fremskaffe en innretning som samtidig sender en rekke signaler med ulike frekvenser i ulike retninger, og fremskaffer en innretning som bare slipper igjennom et frekvensbånd som korresponderer med en mottakskrets i den korresponderende retningen.

Kort gjennomgåelse av oppfinnelsen

På denne bakgrunn er det et mål med oppfinnelsen å komme frem til et apparat for sending og mottaking av ultralydbølger og en avsøkingssone som bruker et slikt apparat, idet dette apparat skal kunne løse problemet med falske avbildninger skissert ovenfor og i stedet gi en meget god vinkeloppløsning uten derved å måtte øke kompo-nentantallet eller fremstillingskostnadene, selv om en transduser blir konstruert slik at den gir relativt store gitterlober og sidelober.

I samsvar med oppfinnelsen er det ut fra dette forsøkt fremskaffet et ultralydapparat for sending og mottaking og omfattende: • en transduser med flere transduserelementer anordnet på en overflate av transduseren og i det minste langs én retning i et horisontalt plan, • en senderstyreenhet for å drive transduserelementene slik at de sender ut ultra-lydbølger, og • en mottakerstyreenhet for å syntetisere ekkosignaler som mottas av de enkelte transduserelementer for derved å frembringe et syntetisert mottatt ekkosignal når ultra-lydbølger mottas etter refleksjon fra et mål,

hvilket apparat er kjennetegnet ved at senderstyreenheten driver transduserelementene i transduseren på slik måte at disse elementer sender ut ultralydbølgene i direksjonalt varierende frekvensbånd, og at mottakerstyreenheten oppnår mottatte signaler ved bestemte vinkelretninger ved å velge frekvens fra den ene vinkelretning til den neste.

Siden senderstyreenheten på denne måte bevirker at transduserelementene sender ut ultralydbølgene ved frekvenser som varierer i avhengighet av retningen, mens mottakerstyreenheten sørger for at de enkelte transduserelementer mottar ekkosignaler som velges ut, ut fra den ulike frekvens i avhengighet av retningen, fra den ene vinkelretning til den neste vil ekkosignaler som mottas fra hver retning i alt vesentlig beskyttes mot interferens fra ekkosignaler som mottas fra andre retninger. Som et resultat av dette vil det være mulig å hindre eller i alle fall undertrykke falske avbildninger fra å oppstå som følge av gitterlober og sidelober og derved oppnå en bedre vinkeloppløsning.

I et særlig trekk ved oppfinnelsen er det slik at senderstyreenheten driver de enkelte transduserelementer på slik måte at de ultralydbølger som sendes ut av elementene blir ekvivalente med de ultralydbølger som sendes ut fra en tenkt bevegelig lydkilde som forflytter seg i en sirkel som omsluttes av transduserelementene anordnet langs denne ene retning i horisontalplanet.

Ved dette trekk ved oppfinnelsen vil frekvensen av en utsendt ultralydstråle jevnt variere fra den ene vinkelretning til den neste. I en slik transmisjonsfremgangsmåte som gjerne kalles en dopplermetode i beskrivelsen nedenfor, gjør det mulig å finregulere midtfrekvensen av passbåndet i et båndpassfilter som de mottatte signaler må passere, for hver vinkelretning og dessuten lett øke vinkeloppløsningen.

Ved et annet trekk ved oppfinnelsen er det slik at senderstyreenheten driver transduserelementene for å danne en spesifikk senderapertur som velges fra transduserelementene anordnet langs den nevnte ene retning i horisontalplanet, ved å styre hvor stor tidsforsinkelse ultralydbølgene som skal sendes ut fra de valgte transduserelementene skal ha,karakterisert vedat senderaperturen fortløpende forflyttes fra en retning til en annen slik at en senderstråle blir styrt fra en bestemt vinkelretning til en annen over hele transduserens vinkelomfang.

Ved en slik transmisjonsfremgangsmåte som gjerne kalles RDT-metoden (rotasjonsdireksjonal transmisjon) i beskrivelsen nedenfor dannes en smal, blyantliknende senderstråle fortløpende fra den ene vinkelretning til den neste. Av denne grunn er det mulig å øke den energi som tilføres den enkelte senderstråle, utvide deteksjonsomfanget og sørge for avsøking over et bredere område.

I et annet trekk av oppfinnelsen er det slik at senderstyreenheten gradvis varierer senderfrekvensen for ultralydbølgene i senderstrålen fra en vinkelretning til en annen.

I følge et annet trekk ved oppfinnelsen er denne slik at senderstyreenheten fort-løpende velger tilstøtende transduserelementer i et spesielt sektorområde, ut fra samtlige slike elementer som ligger i en bestemt retning i horisontal planet, hvorved enheten bevirker at de valgte elementer sender ut frekvensmodulerte ultralydsignaler samtidig med at retningen av sektorområdet endres langs retningen i horisontalplanet.

Denne transmisjonsmåte kalles gjerne metoden for frekvensmodulasjon ved rotasjonsapertur (RA-FM) i beskrivelsen som følger, gjør det mulig å allokere ønskede frekvenser til de enkelte retninger og med en øket frihetsgrad, slik at man letter unngår direksjonale uønskede utstrålinger (falske bilder) som ellers ville kunne opptre ifølge den allerede nevnte dopplertransmisjonsmetoden hvor senderstrålen ved samme frekvens dannes i to ulike retninger.

I henhold til et annet trekk ved oppfinnelsen er denne slik at senderstyreenheten påtrykker de enkelte transduserelementer drivsignaler hvis fase generelt passer til midtpunktet av omhylningen av drivsignalbølgeformene i samtlige vinkelretninger, hvorved styreenheten bevirker at de enkelte transduserelementer sender ut ultralydsignaler hvis senderfrekvens varierer fra den ene vinkelretning til den neste.

Denne transmisjonsmetode kalles gjerne metoden for direksjonalt varierende frekvens for kontinuerlig bølge (CW) i beskrivelsen som følger, gjør det også mulig å allokere ønskede frekvenser til de enkelte retninger og med øket grad av frihet, slik at man også her lettere kan unngå uønskede sendinger (falske bilder) som eller ville kunne forekomme i den allerede nevnte dopplertransmisjonsmetode hvor senderstrålen ved samme frekvens dannes i to ulike retninger.

I henhold til et annet trekk ved oppfinnelsen er denne slik at senderstyreenheten omfatter en pulsekspansjonsenhet for ekspansjon av drivsignalpulser som påtrykkes de enkelte transduserelementer ved omhylningsgruppebølger med et FM-signal, og hvor mottakerstyreenheten omfatter en tilsvarende pulskompresjonsenhet for å komprimere de mottatte signaler for hver vinkelretning før eller etter frekvensen velges for hver slik retning ved omhylning av de mottatte signaler med et FM-signal hvor tidsaksen er reversert.

Denne transmisjonsmetode vil i det følgende gjerne kalles pulsekspansjonsmetoden og muliggjør at man kan forlenge varigheten av hver drivsignalpuls, slik at man kan øke den energi som tilføres transduserelementene pr. transmisjonssyklus og følgelig utvide deteksjonsomfanget.

I henhold til et annet trekk ved oppfinnelsen omfatter videre apparat for ultra-lydsending og -mottaking en sidelobeeliminator for å eliminere sidelober (SL) som opptrer på tidsaksen (x) ved pulsekspansjonsbehandlingen.

Siden sidelobenivåene hos drivsignalspekteret reduseres får man virkningen av undertrykking av uheldige påvirkninger av gitterlober og sidelober og bedring av vinkel-oppløsningen.

I nok et trekk ved oppfinnelsen er denne slik at senderstyreenheten forhåndsberegner bølgeformen av ultralydsignalene som skal sendes ut i hvert av sektorområdene som horisontalplantet er oppdelt i, beregner en vinkelretning og størrelsen av den tidsforsinkelse bølgeformen av ultralydsignalene skal ha i samsvar med transduserens bevegelse, for å danne en senderstråle TB som er rettet mot en bestemt retning, og fastlegger drivsignaler som skal mates inn i de enkelte transduserelementer.

Dette gjør det mulig å generere drivsignalene slik at de ledes inn i de enkelte transduserelementer med liten beregningskompleksitet og lett stabilisere senderstrålen i samsvar med transduserens bevegelse.

I nok et trekk ved oppfinnelsen har transduseren en flat, sylindrisk eller sfærisk overflate som de enkelte transduserelementer er anordnet på.

I henhold til dette trekk ved oppfinnelsen vil det ikke være nødvendig å bruke transduserelementer med spesiell konstruksjon eller bruke spesielle anordninger av dem på transduseren. Av denne grunn vil kontroll og styring for å aktivere elementene bli enkel, hvilket fører til en reduksjon av de totale fremstillingskostnader.

I samsvar med oppfinnelsen er denne også slik at en avsøkingssonar som omfatter ultralydapparatet i henhold til det ovenstående, og kjennetegnet ved midler for styring og kontroll av senderstyreenheten og mottakerstyreenheten for dette apparat for fortløpende avsøking i bestemte vinkelretninger, for å frembringe data for en detektert ekkoavbildning ut fra de mottatte ekkosignaler og visning av denne ekkoavbildning.

Kort beskrivelse av tegningene

Disse og andre mål, trekk og fordeler for/med oppfinnelsen vil fremgå bedre ved gjennomlesing av detaljbeskrivelsen nedenfor, idet denne støtter seg til de tilhørende tegninger, hvor:

fig. 1 i perspektiv viser en typisk transduser som brukes i en avsøkingssonar,

fig. 2A og 2B viser diagrammer over hvordan en ultralydsenderstråle dannes,

fig. 3A-3F viser diagrammer over hvordan en mottakerstråle dannes,

fig. 4 viser et diagram over et søkeområde som dekkes av en kombinasjon av

senderstrålen og mottakerstrålen i horisontal avsøkingsmodus,

fig. 5A-5C viser tilsvarende områder som dekkes ved en kombinasjon av en senderstråle

og en mottakerstråle i vertikal avsøkingsmodus,

fig. 6 viser et diagram over et eksempel på en hovedlobe, gitterlober og sidelober,

fig. 7 viser et eksempel på falske bilder som dannes av gitterlobene og sidelobene, fig. 8 viser et blokkskjema over konfigurasjonen av avsøkingssonaren for en

sender/mottakerkanal,

fig. 9 viser et blokkskjema over en styre/kontrollseksjon for styring og kontroll av

sender/mottakerkanaler for denne avsøkingssonar,

fig. 10 viser et skjema over dopplervirkningen som forårsakes av en tenkt lydkilde som

forflytter seg,

fig. 11 viser et skjema over det geometriske forhold mellom to transduserelementer når

hverandre og denne lydkilde som forflytter seg,

fig. 12 viser et skjema over midtfrekvensene for de enkelte vinkelretninger i henhold til

en dopplertransmisjonsmetode,

fig. 13 viser et skjema over tidsbølgeformer for transduserelementdrivsignaler og deres

spektra, for de enkelte vinkelretninger,

fig. 14 viser et skjema over tidsbølgef ormene for ultralydsignaler og deres spektra,

observert i fjernpunkter i de enkelte vinkelretninger,

fig. 15 viser et skjema over forholdet mellom posisjonen av den tenkte lydkilde i bevegelse og et transduserelement,

fig. 16 viser et skjema over eksempler på tidsbølgef ormer for utsendte ultralydsignaler

og deres spektra for en 90° retning,

fig. 17 viser et skjema over pulslengder og grenser for båndbredden ved ulike intervaller

mellom tilstøtende transduserelementer,

fig. 18 viser et skjema over forholdet mellom frekvensbåndbredden for mottatte

ekkosignaler og samme for sendte signaler,

fig. 19 viser et skjema over den syntetiserte sender- og mottakerretningskarakteristikk som oppnås ved dopplertransmisjonsmetoden henholdsvis en konvensjonell

metode,

fig. 20 viser et skjema over forholdet mellom et lydfelt som frembringes av en tenkt lydkilde i et horisontalt plan som inneholder midtpunktet i en sfærisk transduser og

et lydfelt som frembringes av aktuelle transduserelementer,

fig. 21 viser et skjema over den totale sender- og mottakerkarakteristikk i form av et retningsdiagram og oppnådd ved henholdsvis dopplermetoden og den konvensjonelle metode,

fig. 22 viser et skjema over spekteret for et lineært frekvensmodulert (LFM) signal, fig. 23 viser et skjema over teoretiske verdier for direksjonale midtfrekvenser for drivsignaler og observert i et fjernpunkt, og teoretiske verdier for direksjonale forsinkelsestider observert i fjernpunktet og introdusert ved omhylning med LFM-signalet.

fig. 24A-24C viser diagrammer over tidsbølgef ormer og spektra over signaler som oppnås ved omhylning av LFM-signalet til signaler som sendes ved hjelp av

dopplertransmisjonmetoden slik de blir observert i fjernpunktet,

fig. 25A-25C viser diagrammer over tidsbølgeformer og spektra for signaler som frembringes ved tidligere omhylningsdrivsignaler som mates inn i de enkelte

transduserelementer,

fig. 26A-26C viser diagrammer over tidsbølgeformer og spektra for ultralydsignaler som observeres i fjernpunkter når de enkelte transduserelementer drives ved hjelp av

drivsignalene vist på fig. 25A-25C,

fig. 27A-27C viser diagrammer over tidsbølgeformer og spektra for transduserelementdrivsignaler som oppnås når deres sidelober langs tidsaksen elimineres, fig. 28A-28C viser diagrammer over tidsbølgeformer og spektra for ultralydsignaler som observeres i fjernpunktet når de enkelte transduserelementer drives av

drivsignalene vist på fig. 27A-27C,

fig. 29A og 29B viser diagrammer over midtfrekvensene i senderfrekvensbånd og forsinkelsestider som beregnes for de enkelte vinkelretninger i samsvar med modulasjonstypen (RA-FM), nemlig frekvensmodulasjon ved roterende apertur, i en første transmisjonsmetode (1),

fig. 30A-30C viser diagrammer over transduserelementdrivsignalbølgeformer og deres

spektra,

fig. 31A-31C viser diagrammer over tidsbølgeformer og spektra for ultralydsignaler som

observeres i fjernpunktene,

fig. 32A-32C viser diagrammer over pulsresponser for tilpassede filtre og deres spektra, fig. 33A-33C viser diagrammer over detekterte bølgeformer som føres ut fra filtrene, og

bølgeformenes spektra,

fig. 34A og 34B viser diagrammer over midtfrekvensene for senderfrekvensbånd og forsinkelsestider som beregnes for de enkelte vinkelretninger i samsvar med

modulasjonstypen (RA-FM) i en transmisjonsmetode (2),

fig. 35 viser et skjema over drivsignalbølgeformene og deres spektra for transduserelementer,

fig. 36 viser et skjema over tidsbølgeformer og spektra for ultralydsignaler, observert i

fjernpunktene,

fig. 37 viser et skjema over pulsresponsene for tilpassede filtre og deres spektra,

fig. 38 viser et diagram over detekterte bølgeformutganger fra de tilpassede filtre og

deres spektra,

fig. 39 viser et diagram over et eksempel på bølgefronter for ultralydsignaler som sendes

ut ved hjelp av RA-FM-transmisjon,

fig. 40A-40C viser diagrammer over omhylningen for drivsignalbølgeformer for transduserelementer og disse bølgeformers spektra, tilført transduserelementer i de

enkelte vinkelretninger,

fig. 41A-41C viser diagrammer over omhylninger av drivsignalbølgeformer av denne type

og deres spektra ved ulike pulslengder,

fig. 42A-42C viser diagrammer over omhylninger av ultralydsignaler og deres spektra,

observert i fjernpunktene, for enkelte vinkelretninger,

fig. 43A-43C viser diagrammer over omhylninger av ultralydsignaler og deres spektra,

observert i fjernpunktet og ved ulike pulslengder,

fig. 44 viser et skjema over et eksempel på bølgefronter for ultralydsignaler som sendes av en direksjonal varierende bærebølge (CW) med varierende frekvens som en

transmisjonsmetode, og

fig. 45A-45C viser diagrammer over alternative typer av transdusere.

Detalj beskrivelse av de foretrukne utførelser av oppfinnelsen

Denne oppfinnelse skal nå beskrives i detalj, og det vises til tegningene.

Fig. 1 viser et perspektivriss over oppbyggingen av en sylinderformet transduser 1 som brukes i en avsøkings sonar og er i samsvar med en foretrukket utførelse av oppfinnelsen. Som vist på fig. 1 omfatter transduseren 1 et større antall transduserelementer, i dette tilfelle antallet 320, og elementene er angitt generelt med Aij (idet i = 1 til 64, mens j = 1 til 5) og anordnet i rekker og spalter i en slags omsluttende matrise på transduseren. Nærmere bestemt er altså disse transduserelementer Aij anordnet på den sylindriske ytterflate på transduseren, i 5 rekker og 64 spalter. Transduseren 1 er anordnet i bunnen av et fartøy på slik måte at dens sentrale midtakse kommer vertikalt.

Fig. 2A og 2B viser diagrammer over hvordan en senderstråle med ultralydbølger fremstilles, og særlig viser fig. 2A direktiviteten av strålen når den dannes ved å legge ("sounding") alle retninger rundt fartøyet i et horisontalt plan (helningsvinkel 0 = 0°), mens fig. 2B viser særlig hvordan strålen dannes når alle retninger legges rundt fartøyet med en bestemt helningsvinkel som er ulik null. Senderstrålen på fig. 2B rettes skrått nedover slik at et strålingsdiagram dannes som kan likne en paraply over hele sirkelen. Dette strålemønster etableres ved å legge inn gradvis økende tidsforsinkelser i de drivsignaler som påtrykkes transduserelementer i rekkene ovenfra og nedover, som vist med pilene. Fig. 3A-3F viser diagrammer over hvordan en mottakerstråle frembringes. Denne stråle dannes ved å bruke en gruppe påfølgende spalter på den sylindriske overflate av transduseren, på slik måte at signaler som mottas av de enkelte transduserelementer i det bestemte antall påfølgende spalter blir syntetisert ved hjelp av en fasegrupperingsteknikk hvor fasen av de motsatte signaler forsinkes ved å legge inn tidsforsinkelser som gradvis økes mot midten av gruppen av de påfølgende spalter som vist på fig. 3A, i den hensikt at mottakerstrålen får øket horisontal direktivitet som vist på fig. 3B. Gradvis økende tidsforsinkelse innføres også vertikalt langs de enkelte spalter av transduserelementer som brukes for å frembringe mottakerstrålen, for å styre helningsvinkelen av mottakerstrålen og øke dens vertikale direktivitet. Som et resultat av disse varierende tidsforsinkelser som innføres langs omkrets- og vertikalretningen får mottakerstrålen et såkalt blyantstrålings-diagram. Fig. 3C viser et eksempel hvor samme tidsforsinkelse innføres for de mottatte signaler slik at mottakerstrålen blir orientert i en horisontal retning (helningsvinkelen 0 = 0°) som vist på fig. 3D. Til sammenlikning viser fig. 3E et eksempel hvor tidsforsinkelsen som innføres i transduserelementene gradvis økes fra den øvre rekke og ned til den nederste, slik at mottakerstrålen blir orientert på skrått nedover.

I horisontal avsøkingsmodus sender transduseren 1 ut senderstrålen med det paraplyliknende strålingsdiagram og danner mottakerstrålen med blyantstrålemønster som angitt ovenfor. Når mottakerstrålen roteres eller styres for å motta ekkoer av mål innenfor senderstrålens paraplyliknende strålingsdiagram, avsøker avsøkingssonaren over et paraplyliknende søkeområde.

Fig. 4 viser et diagram over dette allerede nevnte paraplyliknende søkeområde, dekket av en kombinasjon av senderstrålen TB og mottakerstrålen RB, idet senderstrålen altså er skrådd noe nedover enn helningsvinkel 0, mens mottakerstrålen har blyantstråle-mønsteret. Som allerede nevnt er transduserelementene Aij anordnet i 64 spalter på den sylindriske ytterflate. Transduseren 1 kan frembringe mottakerstrålen RB med en vinkel- oppløsning som oppnås av disse 64 spalter med transduserelementer, ved å utnytte fase-grupperingsteknikken. I radiale retninger vil imidlertid avsøkingssonaren plukke opp de mottatte signaler fra hvert påfølgende segment R i det paraplyliknende strålingsmønster for senderstrålen TB og med en områdeoppløsning som tilsvarer et samplingsintervall som er fastlagt på tidsaksen for sekvensielt å generere detekterte ekkodata.

Senderstrålen TB sendes i horisontalplanet hvor helningsvinkelen 0 = 0 eller rettes skrått nedover med en bestemt helningsvinkel, i den horisontale avsøkingsmodus for å avsøke rundt transduseren 1 som vist på fig. 4.

Selv om oppfinnelsens avsøkingssonar som bruker en transduser 1 med sine transduserelementer anordnet på den sylindriske ytterflate behøver naturligvis transduseren ikke nødvendigvis ha sylindrisk form, og eksempelvis kan avsøkingssonaren bruke en kuleformet transduser med transduserelementene anordnet over hele ytterflaten eller over en del av denne.

Fig. 5A-5C viser diagrammer over eksempler hvor avsøkingssonaren avsøker undervannssituasjoner i et vertikalplan, og den bruker da en vertikal avsøkingsmodus. I disse eksempler dannes søkeområder i et vertikalplan som er orientert i en bestemt vinkelretning (bæring) a i forhold til fartøyets bæring eller geografiske retning, vist med en pil. Fig. 5A viser et par vifteformede senderstråler PB og en blyantformet mottakerstråle RB dannet av den allerede nevnte sylindriske transduser 1, mens fig. 5B og 5C viser en tilsvarende vifteformet senderstråle TB og en blyantformet mottakerstråle RB dannet av en sfærisk transduser 1'.

Det fremgår av beskrivelsen ovenfor at avsøkingssonaren avsøker undervannssituasjoner innenfor ett eller to vifteformede søkeområder i vertikalplanet. Det skal imidlertid bemerkes at avsøkingssonaren bruker en sylindrisk transduser 1 og da ikke kan av-søke noe sektorareal for en bestemt vinkel som strekker seg direkte nedover, siden denne transduser 1 da ikke kan rette senderstrålen TB eller mottakerstrålen RB rett nedover.

I eksempelet på fig. 5C har det vifteformede søkeområde som er dannet av den sfærisk transduser 1' en sektorvinkel på 90° som strekker seg fra horisontalretningen og helt til vertikalretningen.

Som angitt ovenfor danner transduseren 1 (<V>) en eller to senderstråler TB med en vifteformet strålingskarakteristikk som sprer seg nedover i et vertikalplan, orientert i vinkelretningen a (bæringen), mens den blyantliknende mottakerstråle RB styres i vertikalplanet ved gradvis å variere dens helningsvinkel 0 ved stor hastighet og i vertikal avsøkingsmodus.

Den allerede nevnte sfæriske transduser 1' har flere transduserelementer anordnet over hele dens sfæriske overflate eller en del av denne sfæriske overflate, slik det er vist på fig. 5B og 5C, er i virkeligheten konstruert ved hjelp av et polyeder med 720 flater og modifisert fra et regulært ikosahedron, for eksempel med transduserelementene anordnet i separate krysningspunkter (knutepunkter). Sammenlikner man en slik mangesidet poly- ederkonstruksjon for transduseren 1' med et himmellegeme med sfærisk form kan 3 eller 6 transduserelementer anordnet på samme breddegrad. Flere transduserelementer behøver nødvendigvis ikke være på samme meridian, det er en annen sak. I den horisontale avsøkingsmodus drives transduserelementene på samme parallelle breddegrad ved samme fase, mens tids- eller faseforsinkelsene styres kontrollert i samsvar med posisjonene langs breddegraden og settes inn i drivsignalene som påtrykkes transduserelementene. Når tidsforsinkelsene som innføres varieres på denne måte danner transduseren 1' en senderstråle TB med et paraplyliknende stråling smønster eller -diagram og rettet på skrått nedover ved en bestemt helningsvinkel 0. Når de syntetiserte ekkosignaler som mottas fra denne sfæriske transduser 1' i hver påfølgende mottakingssyklus vil transduserelementene som er lokalisert i bestemte rekker tilsvarende breddegrad og lengdegrad på en klode, på den sfæriske overflate fasestyres nøyaktig for å danne en blyantliknende mottakerstråle.

Fig. 8 viser et blokkskjema over oppbyggingen av en sender/mottakerkanal for avsøkingssonaren, og som vist vil hver slik kanal 100 ha en drivenhet 12 som dekoder binære drivkoder som tilføres fra en senere beskrevet programmerbar senderstråledanner 26 via grensesnitt 20, 11 til fire typer drivsignaler som brukes for å aktivere en felteffekt-transistor (FET) av fullbrotypen for en senderkrets som bruker pulsbreddemodulasjon (PDM) idet bokstavene står for pulsvarighetsmodulasjon).

En senderforsterkerkrets 13 (TX) sender ut et tretilstandssignal som er pulsbredde modulert av senderkretsen for PDM nevnt ovenfor og driver et transduserelement 10 via en sender/mottakerkrets 14 (TR). Denne krets 14 overfører utgangssignalet fra TX-forsterkerkretsen 13 til transduserelementet 10 under hver påfølgende sendersyklus og overfører et ekkosignal som mottas av transduserelementet 10 til en forforsterker 15 under hver påfølgende mottakingssyklus. Forforsterkeren 15 sørger for forsterkning av de mottatte ekkosignaler, mens et båndpassfilter 16 i et etterfølgende trinn fjerner de støykomponenter som inneholdes i det mottatte ekkosignal og som ligger utenfor båndpassfilterets 16 passbånd. En omvandler 17 fra analog til digital (A/D) sampler de ekkosignaler som filtreres i båndpassfilteret 16, ved nærmere bestemte samplingsinter-valler og omvandler disse samplede signaler til en strøm av digitale ekkodata.

Avsøkingssonaren har flere slike sender/mottakerkanaler som er angitt med 100a, 100b,..., lOOn, på tilsvarende måte som transduserelementene 10. Fig. 9 viser et blokkskjema over en styreseksjon for å danne senderstrålen TB og mottakerstrålen RB ved hjelp av sender/mottakerkanalene 100 vist på fig. 8 og for å frembringe en detektert ekkoavbildning som utledes fra et særskilt søkeområde. Et grensesnitt 20 vist på fig. 9 er det samme som det som er vist på fig. 8. Fig. 9 viser hvordan den programmerbare senderstråledanner 26 omfatter den sendersignalgenereringskrets 21, et bølgeformlager 24 og en digital sendersignalprosessor (DSP) 25. Kretsen 21 omfatter en tidsgenerator 22 og en koeffisienttabell 23. Kretsen 21 er utformet ved hjelp av et feltprogrammerbart portarray (FPGA). Tidsgeneratoren 22 frembringer et referansetidssignal som brukes for genereringen av sendersignaler. Kretsen DSP 25 er en digital signalprosessorkrets for å frembringe sendersignaler.

Kretsen DSP 25 sørger for beregning av binære referansedrivkoder for generering av PDM bølgeformer for i alt 32 vinkelretninger og med 8 typer ulike vekttillegginger, og den skriver inn visse koder i bølgeformlageret 24. Kretsen DSP 25 beregner videre hvor store tidsforsinkelsene skal være, kalkulerer veieverdiene og vinkelretningene som skal innføres i de enkelte sender/mottakerkanaler 100 for å danne senderstrålen, og den leser videre disse parametere inn i koeffisienttabellen 23.

Sendersignalgenereringskretsen 21 genererer drivkoder som tilsvarer veieverdiene og tidsforsinkelsesverdiene for de enkelte kanaler 100 ut fra referansedrivkodene for de enkelte vinkelretninger tilhørende de enkelte kanaler 100.

Bufferlager 27 er et lager for temporær lagring av mottatte ekkodata som tilføres fra de enkelte kanaler 100 via grensesnittet 20. Henvisningstallet 28 viser til en programmerbar mottakerstråledanner som er lagt inn i en mottaker-DSP-krets 29, en koeffisienttabell 30 og en mottakerstråledannende prosessor 31. Kretsen DSP 29 sørger for beregning av faser for de ekkosignaler som mottas av de enkelte transduserelementer 10 og de vektfaktorer som skal tilordnes disse, for hver retning av mottakerstrålen RB og leser disse parametere inn i koeffisienttabellen 30. Prosessoren 31 utfører en syntetisering av de ekkosignaler som mottas fra de enkelte transduserelementer 10 ved å legge inn verdiene for fase- og vektfaktorer som er lest inn i koeffisienttabellen 3, for derved å komme frem til et syntetisert mottakingsekkosignal. Prosessoren 31 genererer dette ekkosignal som tidsseriedata for hver retning av mottakerstrålen RB og leser disse data inn i et bufferlager 32. Prosessoren 31 er utformet ved hjelp av et array FPGA som på sendersiden.

Henvisningstallet 33 på fig. 9 viser til et programmerbart filter som omfatter en filtreringskrets DSP 34, en koeffisienttabell 35 og en filtreringsprosessor 36. Det programmerbare filter 33 tjener til å utføre båndbegrensning og pulskompresjon for hver retning av mottakerstrålen RB. I et tilfelle hvor pulsekspansjon utføres ved omhylning med et senere beskrevet frekvensmodulert signal (FM) under sendersyklusen utføres både båndbegrensningen og pulskompresjonen samtidig i løpet av mottakersyklusen. Nærmere bestemt vil de båndbegrensede signaler for hver retning omhylles ved reversjon av tidsaksen for FM signalet som brukes for omhylningen i sendersyklusen. Dette gjelder tilsvarende en senere beskrevet rotasjonsapertur (RA) for FM-transmisjonsmetoder hvor både båndbegrensningen og pulskompresjonen utføres samtidig under mottakingssyklusen på tilsvarende måte. I et tilfelle hvor pulsekspansjonen ikke utføres ved omhylning med FM signalet i løpet av sendersyklusen utføres bare båndbegrensningen i løpet av mottakingssyklusen. Filtreringsprosessoren 36 er utformet av et array som tidligere, nemlig et FPGA. Filtreringskretsen DSP 34 beregner en filterkoeffisient for å komme frem til en særskilt båndpassfilterkarakteristikk for hver retning av mottakerstrålen og leser filterkoeffisientene som oppnås på denne måte inn i en koeffisienttabell 35. Filtrerings- prosessen 36 utfører matematiske beregninger som er tilordnet et filter med endelig puls-respons (FIR), basert på filterkoeffisientene som ligger lagret i koeffisienttabellen 35 og frembringer passbåndbehandlede ekkosignaler.

En omhylningsdetektor 40 detekterer en omhylning for de passbåndkorrigerte ekkosignaler som utledes fra hver av mottakerstrålens RB retninger. Særskilt detekterer omhylningsdetektoren 40 omhylningen ved beregning av kvadratroten av summen av kvadratene av en reell komponent av tidbølgeformen og kvadratet av en imaginær komponent av tidsbølgeformen.

En avbildningsprosessor 41 omvandler intensiteten av motsatte ekkosignaler ved særskilte avstander i hver retning av mottakerstrålen RB til avbildningsinformasjon og sender denne informasjon ut til en visningsenhet (et display) 42. Som en følge av dette kan denne enhet 42 frembringe de registrerte ekkoavbildninger for den bestemte søking i det aktuelle området, på skjermen som et skjermbilde. Et operativpanel 39 tjener som en inngangsterminal for å legge inn kommandoer for å fastlegge søkeområdet, helningsvinkelen og andre parametere etter behov. En vertssentralprosessenhet (CPU) 37 leser de kommandoer som legges inn via panelet 39 via et grensesnitt 38 og styrer de enkelte kretselementer som er beskrevet ovenfor, på tilordnet måte.

Selv om det ikke er vist på fig. 9 mottar senderkretsen DSP 25 informasjon ved-rørende fartøyets duve- og rullebevegelse fra en bevegelsessensor som er installert om-bord og beregner de koeffisienter som skal leses inn i koeffisienttabellen 23 på slik måte at senderstrålen TB hele tiden holdes rettet mot det aktuelle søkeområde, uansett fartøyets bevegelser. Likeledes beregner kretsen DSP 29 de koeffisienter som skal leses inn i koeffisienttabellen 30 på slik måte at mottakerstrålen RB orienteres imot den ønskede vinkelretning uansett fartøyets bevegelser.

Variasjon av frekvensene med vinkelretningen ut fra dopplertransmisjonsmetoden.

En fremgangsmåte for å sende ut et dopplerforskjøvet ultralydsignal fra transduseren 1 skal nå gjennomgås: Fig. 10 viser et skjema over den dopplerfrekvensforskyvning som fremkommer når en tenkt lydkilde beveger seg ved konstant hastighet. Anta nå at denne tenkte lydkilde under sin bevegelse sender ved en frekvens fo når den forflytter seg fra et punkt S til et punkt S' i positiv retning langs x-aksen og ved konstant hastighet V i tidsperioden fra tiden 0 til t. Den frekvens f(0) som da registreres i en mottaker når ultralydbølger sendes ut ved tidspunktet 0 og mottas ved tidspunktet t i et mottakerpunkt R i en vinkelretning som er gitt ved helningsvinkelen eller elevasjonen 0, vil avstanden l'R når punktet R er tilstrekkelig langt fra punktet S kunne betraktes som tilnærmet lik avstanden S'R fra punktet S' til et punkt R som er vist på fig. 10. Følgelig gis avstanden S'R tilnærmet mellom punktet S' for den tenkte lydkilde under bevegelse ved tidspunktet t, og observasjonspunktet R av likningen (1) nedenfor: hvor c er lydhastigheten. Siden antallet ultralydbølger innenfor avstanden S'R' vil være f0t kan bølgelengden Å,(0) og frekvensen f(0) i retningen SR for vinkelen 0 kunne uttrykkes ved følgende likninger: Fig. 11 viser et skjema over det geometriske forhold for et transduserelement RI ved koordinatene (r, 0), et transduserelement R2 anordnet nær det første element RI, og den tenkte lydkilde i punktet S. Som angitt ovenfor antas at denne lydkilde eksisterer i punktet S (utgangspunktet) ved tidspunktet (t = 0) og forflytter seg langs x-aksen ved konstant hastighet V. Tiden to når ultralydbølger mottas i tidspunktet t av det første transduserelement RI i koordinatene (r, 0) fremkommer slik: Det vises nå til fig. 11 hvor følgende likning fremkommer fra cosinusregelen for triangelet SS'R1:

Omordner vi denne likning 4 med hensyn på to, som en andregrads likning får vi:

Løser vi denne andregradslikning for to innenfor området to < t kommer vi frem til:

Avstanden rr mellom punktet S' for lydkilden ved tidspunktet to og en vinkel ^ som en tilsynelatende utbedredelsesretning for ultralydbølgene som mottas i transduserelementet RI ved tidspunktet t, i forhold til x-aksen, fremkommer på følgende måte når størrelsene V, r, 0 og to inngår:

Videre dannes vinkel d^ for transduserelementet RI betraktet fra punktet S' fra hvilket ultralydbølgene som mottas i transduserelementet RI ved tidspunktet t ble sendt ut fra, slik det vises nedenfor, idet størrelsene rr og ^ inngår. Siden lengden av en bue R1R2 kan betraktes som tilnærmet lik lengden av et linjesegment R1R2' og tg(d^) « d^ når vinkelintervaller Pvj/mellom tilstøtende transduserelementer kan regnes å være små, får vi følgende likning:

Følgelig gis vinkelen d^ av likning 10 slik:

Deretter får man størrelsen av lydtrykket av ultralydbølgene som sendes ut fra transduserelementet RI ved tidspunktet t. En ultralydeffekt Wosom registreres i transduserelementet RI når dette element mottar sylindriske bølger som sendes ut fra lydkilden ved punktet S ved tidspunktet t = 0 kan uttrykkes på følgende måte ved hjelp av en konstant A:

Effekten W som registreres i transduserelementet RI når dette element mottar disse sylindriske bølger som sendes ut fra lydkilden som da befinner seg i punktet S' ved tidspunktet t = to blir:

Normaliserer vi amplituden av det lydtrykk som dannes ved utstrålingen fra transduserelementet RI ved tidspunktet t = to i forhold til amplituden av lydtrykket som stråles ut ved tidspunktet t = 0 får vi:

Innføres nå en transmisjonsveiefunksjon w(t) uttrykkes i aktuelle ultralydbølger som stråles ut av transduserelementet RI i posisjonen (r, 0) ved tidspunktet t på følgende måte ut fra det foregående: hvor Tmax må være mindre enn r/V.

Spektra for ultralydbølgene fremkom fra tidsbølgef ormene for transduserelementdrivsignalene ved forsert Fouriertransformasjon (FFT) i de enkelte vinkelretninger under de betingelser som er stilt opp i listen ovenfor. Deretter kunne man komme frem til et spektrum over ultralydbølgene ut fra tidsbølgeformen for et signal som ble observert ved et tilstrekkelig fjerntliggende punkt (ved 100 m avstand) i hver vinkelretning, ved hjelp av denne Fouriertransformasjonsmetode.

Fig. 12 viser teoretiske og beregnede verdier fra simuleringen av midtfrekvenser for ultralydsignaler som observeres i fjernpunkter i retningene 0 til 180°. Fig. 13 viser tidsbølgeformene for transduserelementdrivsignalene og deres spektra tilført de enkelte vinkelretninger, mens fig. 14 viser tidsbølgeformene for ultralydsignalene og deres spektra observerte i fjernpunkter i de enkelte vinkelretninger. Til venstre på fig. 13 og 14 vises tidsbølgeformene, mens spektrene vises til høyre. På disse tegninger vises også tidsbølgeformene og spektra for vinkelretningene 0°, 30°, 60°, 90°, 120°, 150° og 180°, hvor horisontalaksen for tidsbølgeformene representerer en periodetid mellom 0 og 9 ms, mens horisontalaksen for spektrene representerer frekvensområdet fra 23 til 25 kHz.

Fra fig. 13 fremgår at båndbredden av transduserelementets drivsignalspektrum gradvis utvides når retningen varierer lenger ut fra retningene mellom 0 og 180°. Motsatt vil spektrene for ultralydsignalene som observeres i fjernpunktene ha en bestemt frekvensbåndbredde uavhengig av vinkelretningene, slik det fremgår av fig. 14.

Denne fremgangsmåte for transmisjon og hvor en punktformet lydkilde ser ut til å bevege seg vil altså kalles dopplertransmisjonsfremgangsmåten.

For å aktivere eller drive de enkelte transduserelementer ved den tidsbølgeform som er vist på fig. 13 kan senderkretsen DSP 25 vist på fig. 9 beregne referansedrivkoder ut fra likning 14.

Forholdet mellom størrelsen av dopplerforskyvningen og pulsbredden eller -lengden

Virkningen av variasjon i forflyttingshastigheten av den tenkte lydkilde, som funksjon av dopplerforskyvningen, og virkningen av variasjon i varighet av korte bølger (heretter angitt pulslengde eller -bredde) i forhold til sendertidsbølgeformen og -spekteret skal gjennomgås nedenfor:

I tabell 1 er resultatene av simuleringen vist.

Som det fremgår av tabell 1 finner det ikke sted noen bølgeformdistorsjon når hastigheten av lydkilden varieres innenfor et område mellom 10 og 90 m/s og den maksimale verdi av undernivåene og BT-produktet (det vil si produktet av frekvensbåndbredden og lengden i tid) inntar tilnærmet konstante verdier. Av denne grunn vil det foretrekkes en så stor hastighet V som mulig av den tenkte lydkilde, særlig innenfor et område hvor dopplerfrekvensene faller innenfor transduserelementenes frekvensbåndbredde. Dersom nå hastigheten skal bestemmes vil frekvensendringshastigheten for de sendte og mottatte signal i forhold til retningsendringene øke, mens virkningen av frekvensvalget via et filter også øker. Dette er uheldig for langnivådeteksjon, av den grunn at pulsbredden er begrenset.

Korreksjon av amplituden av lydtrykket for de sendte ultralydsignaler

Nedenfor er en fremgangsmåte for å redusere forvrengning eller distorsjon av tidsbølgeformen og spekteret av et transduserelementdrivsignal beskrevet, for den allerede nevnte 90° retning ved å korrigere amplituden av lydtrykket av ultralydbølgene som sendes ut fra de enkelte transduserelementer i transduseren.

Amplituden av lydtrykket ved posisjonen hvor hvert transduserelement er anordnet og forårsaket av den tenkte lydkilde som er i bevegelse er uttrykt ved lilaiing 13, og av denne grunn vil amplituden av lydtrykket for ultralydbølgene som sendes ut fra hvert transduserelement i transduseren også kunne uttrykkes ved denne likning 13. Korreksjon av amplituden av dette lydtrykk vil heretter kalles korreksjon (1).

Når bevegelsesområdet for den tenkte lydkilde utvides vil transmisjonsvekt-funksjonen w(t) for tidsbølgeformen ha tendens til å bli større enn de gaussiske 40 % som fastlegger den ønskede egenskap. Således brukes en fremgangsmåte for korreksjon av amplituden av lydtrykket av ultralydbølgene som sendes ut fra hvert transduserelement, bare for spredningstap og i samsvar med avstanden fra den tenkte lydkilde under bevegelse, for å sentrere koordinatene av det relevante transduserelement. Denne korreksjon vil heretter kalles korreksjon (2).

Fig. 15 viser forholdet mellom posisjonene av den tenkte lydkilde S og et transduserelement R. En simulering ble utført under følgende betingelser:

Fig. 16 viser et skjema over eksempler på tidsbølgeformer og deres spektra, fremkommet som et resultat av korreksjon 2, og til venstre vises tidsbølgeformene, til høyre spektrene. På tegningen fremgår også hvordan tidsbølgene og spektra for pulslengder 4,8 ms, 8,0 ms, 11,2 ms og 14,4 ms fra topp til bunn arter seg, hvor horisontalaksen for tidsbølgeformene representerer en tidsperiode på fra 0 til 15 ms, mens horisontalaksen for spektrene representerer frekvensområdet 23-25 kHz.

Som det fremgår av tabell 2 øker BT-produktet og sidelobenivåene for spektrene reduseres når bevegelsesområdet for den tenkte lydkilde utvides, når det gjelder korreksjon (1). En mulig årsak til dette er at en endring i vekten av tidsbølgeformen er blitt større enn den gaussiske 40 % som fastlegger en ønsket egenskap.

Når det gjelder korreksjon (2) vil både BT-produktet og maksimalverdien av undernivåene derimot være tilnærmet konstante.

På basis av resultatene ovenfor betraktes altså korreksjon (2) å være nærmere enn i ideelle fremgangsmåte for en korreksjon.

Bevegelsesområdet for den tenkte lydkilde i bevegelse

Nedenfor beskrives hvordan intervaller mellom tilstøtende transduserelementer og bevegelsesomfanget for den tenkte lydkilde påvirker de utsendte ultralydsignaler.

Det ble utført en simulering for følgende situasjon:

Her antas at hvert transduserelement sender ut et ultralydsignal i løpet av en periode når den tenkte lydkilde forflytter seg fra et punkt (-ar, 0) til et punkt (ar, 0) slik pulslengden eller -bredden T blir lik 2ar/V. I denne simulering undersøkes tidsbølgene for ultralydsignalene og deres spektra observerte i fjernpunkter i de enkelte vinkelretninger når koeffisienten a varieres i 5 ulike verdier: 0.1, 0.3, 0.5, 0.7 og 0.9,

Tabell 1 viser karakteristikken for de utsendte ultralydsignaler, mens fig. 17 viser pulsbreddene og båndbreddebegrensningene ved de ulike intervaller mellom tilstøtende transduserelementer, idet det med intervaller her menes fysisk avstand.

Som det er åpenbart fra resultatene vist ovenfor er det en tendens at bølgeformen av det utsendte ultralydsignal blir deformert og til at sidelobenivåene for spektrene øker når bevegelsesomfanget for den tenkte lydkilde utvides. Det kan imidlertid ses at signalene blir mindre deformerte når avstanden mellom de enkelte nabotransduserelementer reduseres. Ut fra mengden forvrengning av tidsbølgeformen for ultralydsignalene og sidelobenivåene vil det ikke bli noe alvorlig problem dersom man holder a<0.3 ved en innbyrdes avstand mellom elementene på 0,67A,, a<0,5 ved avstanden 0,6A, og a< 0,9 ved avstanden 0,5 A,.

Bæringsdiskriminering mot pulsbredde

Nå skal det gjennomgås en fremgangsmåte for å øke bæringsdiskrimineringen og en maksimal oppnåelig pulsbredde beskrives, for å danne forholdet mellom denne diskriminering og pulsbredden.

Når den tenkte lydkilde som kan forflytte seg sender ved frekvensen f0og forflytter seg med hastigheten V som er tilstrekkelig liten i forhold til lyshastigheten c er frekvensen f(0) observert i vinkelretningen 0 gitt likning (16) nedenfor:

Uttrykker her retoingsfrekvensendringen som skyldes dopplervirkningen, som Af vil det se slik ut:

Ved å uttrykke båndbredden av det mottatte ekkosignal som B0vil bæringsdiskrimineringen M (den resiproke av en Q-faktor) bli definert slik:

Fig. 18 viser forholdet mellom frekvensbåndbredden av mottatte ekkosignaler og den samme båndbredde for sendesignaler. Vist på denne figur er den øvre grense av båndbredden av det mottatte ekkosignal, den øvre grense av båndbredden av det sendte signal, midtfrekvensen av det sendte signal, den nedre grense av båndbredden av det sendte signal og den nedre grense av båndbredden av det mottatte ekkosignal, regnet øverst fra og nedover.

Som vist på fig. 18 får man frem vinkeloppløsningen AØ fra forholdet mellom frekvensbåndbredden på det mottatte ekkosignal og frekvensbåndbredden for sendte signal, og av denne grunn kan vinkeloppløsningen reduseres ved å redusere bæringsdiskrimineringen M.

Kaller man den maksimale verdi av målhastigheten for Vmax og dopplerfrekvensen for fd, får man den mottatte ekkosignalbåndbredde B0på følgende måte:

Bæringsdiskrimineringen M kan uttrykkes fra likning (20) nedenfor:

Det fremgår av denne liloiing at bevegelseshastigheten av en lydkilde må være høyere i forhold til målhastigheten for å øke størrelsen M. For å oppnå en diskriminering på 0,1 når målehastigheten er 5 m/s som et eksempel må bevegelseshastigheten av lydkilden være lik 100 m/s.

Kaller man transduserens radius r får man den maksimale pulsbredde Tmax som likning 21 nedenfor:

Ved å innføre likning (18) blir likning (21) ovenfor slik ved omskrivning: Fra likning (22) fremgår at den maksimale pulsbredde Tmax kan bestemmes ved forholdet mellom bølgelengden og radius av transduseren, hvorved man får størrelsen M og det mottatte ekkosignals båndbredde B0. Setter man likning (19) inn i likning (22) får man

Det fremgår av likning (23) at den maksimalt oppnåelige pulsbredde vil bli bestemt av tre faktorer, nemlig størrelsene M, r og maksimalverdien Vmaxav målhastigheten, mens senderfrekvensen ikke inngår. Siden forvrengningen av tidsbølgeformen øker med avstanden mellom nabotransduserelementer vil imidlertid radius r av transduseren måtte økes innenfor et omfang hvor vkkningene av bølgeformforvrengning ikke forårsaker noe problem.

Effekten av å redusere gitterlobenivåene

Nå skal effekten av å redusere gitterlobenivåene gjennomgås, ved å føre ekkosignalet som mottas fra ulike retninger via sine separate båndpassfiltere.

En simulering ble utført ved følgende forhold:

Fig. 19 viser syntetiserte sender- og mottakerretnmgskarakteristikker som er fremkommet ved henholdsvis dopplertransmisjonsmetoden og en konvensjonell metode som ikke bruker denne dopplertransmisjonsmetode.

Gitterlobenivået reduseres med tilnærmet 16,5 dB ved å bruke dopplertransmisjonsmetoden, beskrevet ovenfor, sammenliknet med den konvensjonelle metode.

Sfærisk tranduser

Foregående eksemplene gjelder en transduser med sylindrisk form og flere transduserelementer anordnet på sin sylindriske ytterflate. Eksempelet som gis nedenfor bruker imidlertid en kuleformet transduser med flere transduserelementer anordnet på overflaten.

Fig. 20 viser forholdet mellom et lydfelt frembrakt av en imaginær eller tenkt lydkilde som forflytter seg og som ligger i et horisontalplan som inneholder midten av den sfæriske transduser, og et lydfelt som skal frembringes ved hjelp av aktuelle transduserelementer. Bokstaven S på tegningen er lydkilden, og de eksentriske sirkler som er inntegnet er ekvifasekurver for det lydfelt som frembringes av lydkilden S. De heltrukne sirkler i en sirkel indikerer posisjonene av de aktuelle transduserelementer. Posisjoner mellom de tilstøtende eksentriske sirkler for posisjonen av hvert transduserelement representerer fasene av ultralydbølgene. Disse bølger skal sendes ut av de enkelte transduserelementer. Avstanden mellom tilstøtende eksentriske sirkler representerer bølgelengden (frekvensen) av de ultralydbølger som skal sendes ut fra hvert enkelt transduserelement.

Her antas at den imaginære lydkilde S forflytter seg med konstant hastighet og i rett linje langs x-aksen i horisontalplanet som inneholder midtpunktet av dens sfæriske transduser, slik som vist på fig. 20. I denne situasjon frembringes et dopplerforskjøvet lydfelt inne i transduseren. Det antas videre at det enkelte transduserelement ligger i horisontalplanet som inneholder samme midtpunkt for transduseren og at de sender ut ultra-lydbølger som er ekvivalente med ultralydbølgene som sendes ut fra lydkilden S. Signaler som fremkommer ut fra denne antakelse kan betraktes som referanse signaler i de enkelte retninger. Signaler som på styrt måte er forsinket i forhold til disse referanse signaler, ut fra hvilken helningsvinkel de har føres inn i transduserelementene i hver aperturvinkel for å danne en senderstråle hvor senderfrekvensen varierer med vinkelretningen.

I løpet av en mottakingssyklus båndbegrenses ekkosignaler som mottas av de enkelte transduserelementer i aperturvinkelen, ved å utføre filtrering for dopplerfrekvensene i de enkelte retninger og styrbar forsinkelse i samsvar med den aktuelle helningsvinkel og vinkelretningene, for å danne en mottakerstråle.

En simulering ble utført under følgende betingelser:

Korreksjonskoeffisienten nevnt ovenfor for direktiviteten av hvert enkelt transduserelement er en koeffisient (0,7 i dette eksempel) som påtrykkes vinkelretningen 0 direktiviteten av et enkelt transduserelement kan uttrykkes som Jincxcos0,70, hvor Jinc er en funksjon som kommer fra en Besselfunksjon som indikerer den teoretiske direktivitet av en transduser utformet som en sirkulær skive.

Fig. 21 viser resultatet av sammenlikningen mellom den totale sender- og mottakmgsdireksjonalkarakteristikken i henholdsvis 0° og 90° vinkelretninger. Den øvre grad indikerer karakteristikken i 0° retning, mens den nedre grad indikerer karakteristikken i retningen 90°. Uttrykket "dopplertransmisjonsmetode" brukes her for å innbe-fatte båndpassfiltrering som påtrykkes de mottatte ekkosignaler også.

Noe som er åpenbart fra resultatene nevnt ovenfor er muligheten av å redusere gitterlobenivået tilnærmet 20 dB ved bruk av dopplertransmisjonsmetoden. Det innses også at denne metode tjener til å redusere de totale sidelobenivåer, særlig i 90° retning hvor hastigheten av frekvensendringer er stor.

Pulsekspansjonsmetoden

En pulsekspansjonsmetode som utføres ved omhylning av bølger som kommer i støt, med et FM-signal, skal nå beskrives. I denne metode eller fremgangsmåte behøver signalet som skal omhyldes ved hjelp av FM-signalet ikke nødvendigvis være signaler som frembringes ved hjelp av dopplertransmisjonsmetoden.

Ifølge denne allerede nevnte metode kan lydkilden tenkes å bevege seg bare inne i den sirkel som er innskrevet av transduserens elementer, og bevegelseshastigheten av lydkilden bestemmes da ut fra størrelsen av en nødvendig dopplerforskyvning. Som et resultat av dette er den øvre grense for varigheten av pulsformede bølgestøt eller drivsignaler begrenset. Følgelig vil den energi som føres av drivsignalene for en bestemt transmisjonssyklus også være begrenset, hvilket er kritisk når det er ønsket å ha energi som er tilstrekkelig for å kunne detektere fjerntliggende mål. For å kunne håndtere dette problem er det ifølge oppfinnelsen foreslått å bruke en fremgangsmåte for å ekspandere pulsene slik at de får større lengde (bredde) ved å omhylle drivsignalene med lineært frekvensmodulerte bølger (heretter kalt LFM-signaler), også benevnt "chirpbølger".

Først skal nå beskrives et tilfelle hvor pulsbredden ekspanderes ved konvolutebehandling eller omhylning av LFM-signalene til observasjonssignaler for lang rekkevidde, ut fra drivsignalene som sendes ut ifølge dopplertransmisjonsmetoden.

En simulering ble utført under følgende betingelser:

Fig. 22 viser spekteret for det LFM-signal som brukes i pulsekspansjonsmetoden. Selv om amplituden av dette signal er konstant varierer dets frekvens fra 23,25 til 26,75 kHz med utløpet av tiden. Fig. 23 viser teoretiske verdier for direksjonalmidtfrekvensene for drivsignalene, observerte ved et fjernpunkt, og teoretiske verdier for retningsforsinkel-sestidene, likeledes observert ved et fjernpunkt som innføres ved orrmylning ved hjelp av LFM-signalet.

Fig. 24A-24C viser tidsbølgeformer og spektra for signaler som fremkommer ved omhylning av LFM-signalet til signaler som sendes ved hjelp av dopplertransmisjonsmetoden mens de observeres ved 100 m fjernpunkter i henholdsvis retningen 0°, 90° og 180°. I disse tegninger og vist til venstre er tidsbølgeformene, mens spektrene er vist på høyre side, hvor den horisontale akse for tidsbølgeformene representerer en tidsperiode på 0 ms til 35,0 ms, mens den horisontale akse for spektrene representerer et frekvensområde på 22-28 kHz (på samme måte som på fig. 25A-25C, 26A-26C, 27A-27C og 28A-28C i det følgende).

Som det fremgår av disse figurer er det mulig å ekspandere pulsbredden (eller lengden) opp til omkring 10 ms ved omhylning av LFM-signalet med en pulslengde på 30 ms til drivsignalet hvis pulsbredde for tidsbølgeformens hovedlobe tilnærmet er 2,4 ms. Båndbredden av drivsignalspekteret etter omhylningen er den samme som båndbredden av drivsignalspekteret før omhylningen.

Siden det foreligger linearitet i omhylningsoperasjonen er et tilfelle undersøkt hvor de enkelte transduserelementer ble drevet av signaler som fremkom ved tidligere omhylning av drivsignaler matet inn i transduserelementene og oppnådd ved hjelp av den allerede nevnte dopplertransmisjonsmetode over LFM-signalet. Fig. 25A-25C viser tidsbølgeformene og spektrene for signaler som fremkom ved omhylning av LFM-signalet til drivsignaler som fremkom ved hjelp av dopplertransmisjonsmetoden. Det fremgår av disse tegninger at pulsbredden av drivsignalene ekspanderes til omkring 10 ms, mens tidsforsinkelser innføres i samsvar med midtfrekvensen, som forventet ut fra teorien. Båndbredden av drivsingalspekteret etter ornhylningen med LFM-signalet er den samme som for dette signalspektrum før omhylningen. Fig. 26A-26C viser tidsbølgeformer og spektra for ultralydbølger som observeres 1 100 m fjernpunktet når de enkelte transduserelementer drives av signaler som ble frembrakt ved tidligere omhylning av LFM-signalet til drivsignalene. Slik det fremgår av disse tegninger vil tidsbølgeformene og de spektra som observeres i fjernpunktet være de samme som dem for signalene som ble oppnådd ved omhylning av LFM-signalet til signalene som ble observert i fjernpunktet.

Det fremgår av resultatene som her vises at det er mulig å oppnå at drivsignalene får en pulsbredde som tilnærmet er 10 ms og en midtfrekvens som varierer med vinkelretningene, helt i samsvar med teorien, ved å sende ut ultralydbølger hvor LFM-signalet tidligere er omhyllet ut fra de enkelte transduserelementer.

Signaler som mottas av disse enkelte transduserelementer og som er ekkosignaler av de pulsbreddeekspanderte sendte signaler omhylles ved hjelp av et LFM-signal med konstant amplitude og hvis frekvens varierer fra 26,75 til 23,25 kHz, og med den tidsforsinkelse som fremkommer ved reversjon av tidsaksen for FM-signalet som ble brukt til omhylningen i sendersyklusen. Som et resultat komprimeres pulsbredden av de mottatt ekkosignaler til den opprinnelige pulsbredde, mens oppløsningen langs tidsaksen, eller områdediskrimineringen økes.

Selv om pulsbredden ekspanderes ved omhylning av drivsignalene med LFM-signalet i eksempelet ovenfor, kan et trinnfrekvensmodulert signal hvis frekvens varierer trinnvis med forsinkelsestiden brukes til omhylningen, i stedet for LFM-signalet.

Fjerning av tidsbølgeformsidelober

Nå skal et tilfelle gjennomgås hvor pulsbredden av drivsignalene begrenses til bredden av hovedloben, ved hjelp av en spesiell omhylningsmetode.

Når ultralydsignalene sendes ut ved hjelp av den allerede gjennomgåtte omhylningsmetode blir tidsbølgeformene for signalene og signalene selv slik de observeres i fjernpunktet, slik det er illustrert på fig. 26A-26C, idet de kommer til å inneholde sidelober. (Omhylningsmetoden som er beskrevet ovenfor vil heretter kalles omhyllings-metoden (1)). Disse sidelober arbeider som en forstyrrelse<*>overfor måldeteksjon. Nedenfor skal en fremgangsmåte gjennomgås for hvordan man kan eliminere sidelobene i tidsbølgeformene for drivsignalene. (Denne fremgangsmåte for omhylning vil heretter kalles omhyllingsmetode (2)). Fig. 27A-27C viser tidsbølgeformer og spektra for signaler som fremkommer ved å begrense pulsbredden av drivsignalene til omkring 10 ms, hvilket er bredden av deres hovedlobe. Slik det fremgår av tegningene faller da sidelobenivåene for spektrene av drivsignalene til -36 dB eller lavere. Fig. 28A-28C viser tidsbølgeformene og spektra for ultralydsignaler som registreres i fjernpunktet når de enkelte transduserelementer drives drivsignalene som er vist på fig.27A-27C. Som det fremgår av tegningene reduseres både sidelobenivåene, tidsbølgeformene og de observerte spektra i fjernpunktet, i forhold til tilfellet med den allerede nevnte omhylningsmetode (1). Båndbreddene av disse spektra vil være den samme som den vist i forhold til omhylningsmetoden (1).

Det innses ut fra resultatene ovenfor at omhylningsmetode (2) altså er mer fordel-aktig for måldeteksjon enn metode (1).

For å kunne drive ut de enkelte transduserelementer ved hjelp av de tidsbølge-former som er vist på fig. 25A-25C eller fig. 27A-27C bør senderkretsen DSP 25 vist på fig. 9 utføre omhylningen av transduserelementdrivsignalene som beregnet fra likning 14 og beregning av referansedrivkodene.

Fremgangsmåten for rotasjonsdireksjonal transmisjon (RDT)

Selv om gjennomgåelsen ovenfor har tatt for seg eksempler hvor avsøkings-sonaren samtidig sender i alle retninger for å danne en paraplyliknende sendestråle og mottar ekkoer fra mål via en blyantliknende mottakerstråle som roteres rundt transduseren kan senderstrålen også naturligvis være blyantformet. For å lage en slik blyantformet senderstråle med stor direktivitet i både horisontal og vertikal retning bør drivsignalene for å frembringe denne stråle forsinkes på styrt måte som i tilfellet for dannelsen av mottakerstrålen som vist på fig. 3A og 3B. Særlig blir fasene for drivsignalene for å drive transduserelementene som er anordnet i gruppe påfølgende spalter forsinket ved å innføre tidsforsinkelser som gradvis økes mot midten av gruppen av slike spalter, slik det er vist på fig. 3A, slik at den resulterende enkle senderstråle får stor horisontal direktivitet, som vist på fig. 3B.

Vertikalretningen av senderstrålen, eller dens elevasjon eller helningsvinkel styres ved innsetting av gradvis økende tidsforsinkelser i drivsignalet som påtrykkes transduserelementene, fra øverst til nederst over rekkene, som vist på fig. 2A og 2B.

I denne form av oppfinnelsen styres den blyantliknende senderstråle som dannes på denne måte rundt transduseren i løpet av hver sendersyklus. I en bestemt alternativ form av oppfinnelsen kan i alt tre blyantliknende senderstråler dannes samtidig, hver i sin retning som skiller seg fra de øvrige ved vinkelavstander på 120°, og dette gjøres ved å bruke en gruppe påfølgende spalter av transduserelementer i 320° sektorer av transduseren sammen. I dette alternativ kompletteres en helsirkulær transmisjon (360°) ved å dreie hver av de tre senderstråler over totalt 120°. Under en påfølgende mottakersyklus dreies en blyantliknende mottakerstråle over hele sirkelen 360° rundt transduseren for fortløpende å motta ekkoer fra mål på samme måte som tidligere forklart. I dette tilfelle vil imidlertid timingen eller tidsbestemmelsen for transmisjonen av de roterende blyantliknende senderstråler måtte bli forsinket fra den ene retning til den neste, slik at avsøkingssonaren må kompensere for den resulterende direksjonale tidsforsinkelse av de mottatte ekkosignaler når det genereres et detektert ekkobilde fra dem.

Selv om den allerede gjennomgåtte fremgangsmåte for tidssekvensiell avsøking ved hjelp av smale blyantliknende senderstråler fører til en forlenget sendersyklus og utvidede intervaller fra den ene avsøking til den neste kan mengden energi som mates inn i en enkelt senderstråle lett økes. Følgelig muliggjøres ved å bruke blyantliknende stråler for transmisjonen at man kan øke deteksjonsomfanget (målrekkevidden) og avsøke over et bredere område. I tillegg muliggjør denne transmisjonsmetode som altså er kjent som RDT at man kan variere senderbærefrekvensen fra den ene vinkelretning til den neste for å kunne sende ut ultralydbølger i direksjonalt varierende frekvensbånd.

Senderstrålestabilisering

Når den allerede gjennomgåtte dopplertransmisjonsmetode brukes for en sfærisk transduser vil det være nødvendig å beregne referansedrivkoder ut fra vinkelretningen

(den longitudinale posisjon) av de enkelte transduserelementer. Hvis denne beregning ut-føres nøyaktig for vinkeketningene for samtlige transduserelementer, kan man imidlertid få en situasjon hvor beregningen av referansedrivkodene ikke kan utføres ved en passende oppdateringshastighet som stor nok for normal stabilisering av senderstrålen overfor duve- og rullebevegelser av et fartøy. I et slikt tilfelle forhåndsberegnes referansedrivkoder for bestemte vinkelretninger, og ultralydbølger genereres ved bruk av referanse-drivkoden for den vinkelretning som ligger nærmest den som passer til de enkelte transduserelementer etter kompensasjon av fartøyets bevegelse.

Nedenfor skal gjennomgås en maksimal tillatt vinkeloppløsning for de forhånds-beregnede referansedrivkoder.

Ved å bruke en modell av en sfæriske transduser med 313 transduserelementer anordnet på en sfærisk overflate på 240 mm radius kunne man utføre en simulering under følgende betingelser for to ulike tilfeller:

(1) vinkelretningene for transduserelementene ble ikke tilnærmet, og

(2) vinkelretningene for transduserelementene ble tilnærmet med varierende oppløsning, i området fra 27C/128 til 2%/ l6:

Transmisjonsvektfaktorer og -forsinkelser som skal innføres for de enkelte transduserelementer i aperturen beregnes under de her nevnte betingelser for senderstråle- dannelse. Det er dessuten slik at drivsignalene som skal mates inn i transduserelementene og som antatt foreligger i samme vinkelretninger (de longitudinale posisjoner) i horisontalplanet (0° breddegrad) som de transduserelementer som er beregnet ut fra likningene (24) og (25) under, etter de nevnte betingelser for dopplersignalene som sendes ut av den imaginære lydkilde i bevegelse, og de aktuelle drivsignaler for de enkelte transduserelementer som oppnås basert på drivsignalene, blir beregnet på denne måte. Videre får man frem tilbølgeformene og de spektra som hører til ultralydsignalene som observeres ved 100 m fjernpunktene i retningene 0°, 90° og 180°. Ved denne simulering er antallet sampler 2048 og samplingsintervallet 10 us.

I tabell 4 og 5 nedenfor vises sammenlikninger mellom maksimalverdiene av de undernivåer som ligger i bølgeformspektrene og spissfrekvensene for disse spektra, observert i 100 m fjernpunktene i retningene 0°, 90° og 180° i de allerede nevnte to ulike tilfeller, det vil si tilfellet hvor vinkelretningene for transduserelementene ikke er tilnærmet, og det tilfelle hvor disse retninger for transduserelementene er tilnærmet med varierende oppløsning på 27C/128 til 27t/16.

Det fremgår av tabell 4 at variasjoner i maksimalverdiene av undernivåene som inneholdes i bølgeformspektrene, sammenliknet med tilfellet hvor vinkelretningene av transduserelementene ikke er tilnærmet, er 1,4 dB eller mindre når tilnærmelses-oppløsningen for vinkelretningen av transduserelementene er 2% I32 (11.3°) eller mindre. Når oppløsningen for tilnærmingen av vinkelretningen for transduserelementene imidlertid er 27i/16 (22,5°) øker maksimalverdiene av undernivåene som inneholdes i disse bølgeformspektra med tilnærmet 7 dB til 9 dB. Det fremgår av tabell 5 at det ikke er noen endring i spissfrekvensene for spektrene når oppløsningen for tilnærmelsen av vinkelretningen for transduserelementene er 27c/32 (11,3°) eller mindre, mens det er mindre endringer i spissfrekvensene av spektrene når oppløsningen for tilnærmingen av vinkelretningen for transduserelementene er 27t/16 (22,5°). Det fremgår av disse observasjons-resultater nevnt ovenfor at det ikke blir noe vesentlig problem dersom oppløsningen for tilnærmingen av vinkelretningen for transduserelementene er 27i/32 (11.3°) eller mindre.

Avsøkingssonaren styrer retningen av senderstrålen for å stabilisere denne mot bevegelser av fartøyet på følgende måte: For det første utfører senderkretsen DSP 25 vist på fig. 9 en beregning av de koeffisienter som skal leses inn i koeffisienttabellen 23 på slik måte at senderstrålen alltid blir rettet mot et bestemt søkeområde, uavhengig av fartøyets bevegelser av typen duving og rulling, det vil si om en akse som går på tvers henholdsvis på langs. Likeledes beregner mottakerkretsen DSP 29 koeffisientene som skal leses inn i koeffisienttabellen 30 på slik måte at mottakerstrålen blir orientert til den spesifikke vinkelretning uavhengig av fartøyets bevegelser.

Nærmere bestemt forhåndsberegner senderkretsen DSP 25 referansedrivkodene for i alt 32 vinkelretninger og leser disse koder inn i bølgeformlageret 24. Kretsen 25 beregner videre vinkelretningene for transduserelementene for kompensasjon av fartøyets bevegelser og vektfaktorer over tidsforsinkelser som skal innføres for stråledannelsen hver sendersyklus. Deretter genererer genereringskretsen 21 for sendersignalet drivkoder for de enkelte kanaler 100 fra disse parametere og referansedrivkodene som tilsvarer vinkelretningene som skal korrigeres for fartøyets bevegelse.

Rotasjonsapertur-FM (RA-FM) som transmisjonsmetode (1)

Nå skal det beskrives en fremgangsmåte for å sende ut FM-signaler mens aperturen roteres, eller en fremgangsmåte for å sende ut FM-signaler som er båndbegrensede i de enkelte senderretninger og med sine faser forsinket i samsvar med midtfrekvensen av de FM-signaler som dirigeres i de enkelte retninger. Denne transmisjonsfremgangsmåte (heretter kalt RA-FM-transmisjonsmetoden) gjør det mulig å sende ut signaler som tilsvarer de ultralydsignaler som sendes ut av den allerede nevnte omhylningsmetode (2). RA-FM-transmisjonsmetoden gjør det også mulig å allokere ønskede frekvenser til de enkelte retninger uten noen begrensninger i pulsbredden. Under mottakingssyklusen utføres båndbegrensning og pulskompresjon for de mottatte

ekkosignaler ved hjelp av tilpassede filtre som er avsatt for de enkelte retninger.

Fig. 39 viser et eksempel på bølgefronger for ultralydsignaler som sendes ut ved hjelp RA-FM-transmisjonsmetoden (1) og hvor transdusere er inntegnet med en sirkel og hvor aperturvinkelen for transmisjonen er vist med en sektor inne i den. Avsøkings-sonaren varierer i dette tilfelle senderfrekvensen samtidig med dreining av senderapper-turen, slik det fremgår av tegningen.

Hvis den tenkte lydkilde sender ved frekvensen fc og forflytter seg med hastigheten V fra retningen 180° til 0° vil den tilsynelatende, registrerte frekvens f(0) for de ultralydsignaler som mottas i et fjernpunkt og i retningsvinkelen 0 være gitt ved lilcning (26) nedenfor:

hvor c som før er lydhastigheten.

I dette eksempel er senderfrekvensen 25 kHz, hastigheten V 60 m/s og lydhastigheten 1500 m/s.

Fig. 29A viser midtfrekvensene for de senderfrekvensbånd som fremkommer av beregningene for de enkelte retningsvinkler 0 fra likning (26).

Er pulsbredden T og frekvenssveipeområdet B for de LFM-signaler som sendes ut fra de enkelte transduserelementer finnes den transmisjonsforsinkelse d(0) som skal innføres for et transduserelement som er lokalisert i retningsvinkelen 0 fra liloiing (27) nedenfor, i forhold til transmisjonstiden for et transduserelement som sender ved senderfrekvensen fc:

I dette eksempel er pulsbredden T 10 ms. Frekvenssveipeområdet B er 1 kHz.

Fig. 29B viser de transmisjonsforsinkelser som er beregnet for de enkelte retningsvinkler, ut fra likningen.

Den signalbølgeform s(0, t) for transduserelementaktiveringen og som skal innføres i transduserelementet i retningsvinkelen 0 er gitt ved likningen nedenfor, hvor omhylningen w(0, t) er en gausfordelingsfunksjon som er uttrykt ved den nederste av de to likninger, mens den såkalte kantverdi Ev er 0,1.

Fig. 30A-30C viser drivsignalbølgeformene for transduserelementet og disse bølgeformers spektra når de mates inn ved retningsvinklene 0°, 90° og 180°.

Ved bruk av en modell for en sfærisk transduser med totalt 313 transduserelementer anordnet på transduserens sfæriske overflate med 240 mm radius kunne man utføre en simulering under følgende betingelser, for å få undersøkt bølgeformene ved mottaking i fjernpunkter og komme frem til deres spektra:

I denne simulering vil de transduserelementdrivsignalbølgeformer som skal mates inn i transduserelementene og som antatt foreligger i samme vinkelretninger (de longitudinale posisjoner) i horisontalplanet (0° breddegrad) som de transduserelementer som er beregnet ut fra likningen (28), og de aktuelle drivsignaler for de enkelte transduserelementer ble oppnådd ved å innføre transmisjonsvektfaktorer og forsinkelser basert på de beregnede drivsignaler.

Fig. 31A-31C viser tidsbølgeformer og spektra for ultralydsignaler som observeres i fjernpunktene i retningene 0°, 90° og 180°. Det fremgår av disse tegninger at signalene der har pulsbredde på tilnærmet 10 ms, spektralbåndbredder på omkring 500 Hz og sidelobenivået på -30 dB eller mindre.

Pulsresponsen h(0, t) for tilpassede filtre for å utføre båndbegrensning og pulskompresjon og som påvirker ultralydsignalene som observeres i fjernpunktene i de enkelte retninger, er gitt ved den øverste likningen nedenfor, hvor omhylningen wf(0, t) er en gausfordelingsfunksjon som uttrykkes av likning nr. 2 nedenfor, sirkellengden Tf er 10 ms, og kantverdien Evf er 0,1.

Fig. 32A-32C viser pulsresponsene og amplitudekarakteristikken for disse tilpassede filtre i retningene 0°, 90° og 180°. Fig. 33A-33C viser detekterte bølgeformutganger fra disse tilpassede filtre og disse filtres spektra. Som vist på tegningene komprimeres pulsbredden til omkring 5 ms (-20 dB full vinkel), og transmisjonsforsinkelsene korrigeres for de enkelte retningsvinkler. Det fremgår også at begge nivåer "områdesidelobenivået" og "spektralsidelobenivået" reduseres til -35 dB eller mindre.

Transmisjonsmetode (2) for rotasjonsapertur-FM (RA-FM)

Nå er det slik at den første metode (1) kan videreføres slik at midtfrekvensen for sendingene i hver enkelt retning varieres i henhold til dopplerfrekvensen i den allerede nevnte metode (1) for RA-FM-transmisjon kan midtfrekvensen også varieres lineært med senderretningen.

Dette gjøres i den nå gjennomgåtte metode (2) som overskriften tilsier og hvor altså midtfrekvensen varierer lineært med senderretningen. Denne midtfrekvens f(0) for ultralydsignalene som sendes i en bestemt retningsvinkel 0 er gitt ved likningen (32) nedenfor:

hvor f0er midtfrekvensen for sendingene i retningen 0, u. er et frekvenssveipeområde i hver retning og 0 som før er retningsvinkelen angitt i grader. I eksempelet gjelder f0=24 kHz og u=2 kHz.

Er pulsbredden T og frekvenssveipeområdet B for de LFM-signaler som sendes ut fra de enkelte transduserelementer finnes den transmisjonsforsinkelse d(0) som skal innføres for et transduserelement som er lokalisert i retningsvinkelen 0 fra likning (33) nedenfor, i forhold til transmisjonstiden for et transduserelement som sender ved senderfrekvensen fc:

I dette eksempel er pulsbredden T 10 ms. Frekvenssveipeområdet B er 1 kHz og fcerlik 25 kHz.

Fig. 34B viser de transmisjonsforsinkelser som er beregnet for de enkelte retningsvinkler, ut fra likningen (33).

Fig. 35 viser bølgeformene for transduserelementdrivsignalene og disse bølge-formers spektra tilført i retningsvinklene 180°, 270° og 359°.

Ved bruk av en modell for en sfærisk transduser som har 313 transduserelementer anordnet på en sfærisk overflate på 240 mm radius kunne man utføre en simulering under samme betingelser som vist for metode (1) for transmisjonen, for å få undersøkt bølge-former som ble mottatt og observert i fjernpunkter, for å komme frem til deres spektra.

I denne simulering vil de transduserelementdrivsignalbølgeformer som skal mates inn i transduserelementene og som antatt foreligger i samme vinkelretninger (de longitudinale posisjoner) i horisontalplanet (0° breddegrad) som de transduserelementer som er beregnet ut fra likningen (34), og de aktuelle drivsignaler for de enkelte transduserelementer ble oppnådd ved å innføre transmisjonsvektfaktorer og forsinkelser basert på de beregnede drivsignaler.

Fig. 36 viser tidsbølgeformene og spektrene for ultralydsignaler observert i fjernpunktene i disse fem retninger, og det fremgår av tegningene at disse signaler har pulsbredde på tilnærmet 10 ms og spektralbåndbredder på omkring 500 Hz. Selv om 24 kHz og 26 kHz pulser observeres i retningene 0° og 359° er nivåene for de uønskede frekvens-komponenter i spektrene som observeres i retningene 90° og 270° -30 dB eller mindre.

Pulsresponsen h(0, t) for tilpassede filtre for å utføre båndbegrensning og pulskompresjon og som påvirker ultralydsignalene som observeres i fjernpunktene i de enkelte retninger, er gitt ved den øverste likningen (36) nedenfor, hvor omhylningen wf(0, t) er en gausfordelingsfunksjon som uttrykkes av likning (37) nedenfor, sirkellengden Tf er 10 ms, og kantverdien Evf er 0,1.

Fig. 37 viser pulsresponsene og amplitudekarakteristikken for disse tilpassede filtre i retningene 0°, 90°, 180°, 270° og 359°. Fig. 38 viser detekterte bølgeformutganger fra disse tilpassede filtre og disse filtres spektra. Som vist på tegningene komprimeres pulsbredden til omkring 5 ms (-20 dB full vinkel), og transmisjonsforsinkelsene korrigeres for de enkelte retningsvinkler. Det fremgår også at begge nivåer "områdesidelobenivået" og "spektralsidelobenivået" reduseres til -35 dB eller mindre. Dette indikerer at den aktuelle metode (2) for RA-FM-transmisjon ikke forårsaker noen retningsproblemer med uønskede utstrålinger eller lober, hvilket kan være et problem i den allerede nevnte første metode.

Transmisjonsmetode for direkte varierende frekvens, men kontinuerlig bølgeut-bredelse (CW).

En slik transmisjonsmetode som angitt i overskriften skal nå gjennomgås, hvor ultralydsignaler sendes ut samtidig i alle retninger rundt transduseren, samtidig med at senderfrekvensene varieres med retningen.

Signalbølgeformen s(0, t) for transduserelementdrivsignalene som skal innføres eller -mates i transduserelementene i retningsvinkelen 0 er gitt av likning (38) og omhyl ningen w(t) er gitt av likning (39) nedenfor, hvor T angir pulsbredden og Ev kantverdiene for omhylningen (signalintensiteten ved begge kanter av omhylningen). Dersom midtfrekvensen i hvert frekvensbånd varierer lineært med senderretningen vil midtfrekvens f(0) for ultralydsignalene som sendes i retningsvinkelen 0 være gitt av likning (40) nedenfor, hvor f0er midtfrekvensen i retningen 0, mens u. er et frekvenssveipeområde i hver retning. Når signalfasen i midten av en puls er den samme i samtlige retninger vil imidlertid fase-forskj eller i forhold til omgivende transduserelementer øke med avstanden fra pulsmidten.

Fig. 44 viser et eksempel på bølgefronter for ultralydsignaler sendt ut fra transduseren, hvor det med en sirkel i midten er vist hvor transduseren er, og med konsentriske sirkler rundt denne sentrale sirkel illustreres hvordan bølgefrontene arter seg 10 ms etter sendingen. I det viste eksempel økes frekvensen av de utsendte ultralydsignaler gradvis ettersom retningsvinkelen 0 varierer oppover fra 0°. I dette eksempel sammenfaller fasen i midten av omhylningene for drivsignalbølgeformene som mates inn i transduserelementene i alle retninger, ved tidspunktet 10 ms etter sendingen. Ultralydsignalene sendes ut samtidig i alle retninger (360°vinkelomfang) ved direksjonalt varierende senderfrekvenser på denne måte. Fig. 40A-40C viser omhylninger for transduserelementdrivsignalbølgeformer og deres spektra, der disse bølgeformer mates inn i transduserelementene i retningsvinkelen 0°, 90° og 180° når pulsbredden er 10 ms. Fig. 41A-41C viser samme bølgeformer og deres spektra når pulsbredden er 10, 15 og 20 ms. Følgende forhold for transduserelementdrivsignalbølgeformene ble brukt:

Når pulsbredden er 10 ms som angitt ovenfor er båndbredden av spekteret tilnærmet 150 Hz. Er plulsbredden 15 ms eller 20 ms vil båndbredden av spekteret være 100 Hz eller mindre.

Ved å bruke en modell av en sfærisk transduser med 313 transduserelementer og anordnet på en sfærisk overflate på 240 mm radius kunne man utføre en simulering under følgende betingelser for å undersøke bølgeformer som stammet fra bølger som ble mottatt i fjernpunkter, slik at disse bølgers eller bølgeformers spektra kunne oppnås.

Drivsignalbølgeformene for transduserelementretningene tilnærmet 32 retningsvinkler innenfor et område på 360° horisontale retninger ble beregnet fra likningen (38) idet drivsignalene som skulle mates inn i de enkelte transduserelementer ble oppnådd ved å gi vektverdier og tidsforsinkelser for stråledannelsen til de beregnede drivsignalbølge-former. Hvis ultralydsignaler sendes samtidig i samtlige 360° horisontale retninger ville imidlertid interferens oppstå i retningen 0° pga frekvensdiskontinuiteten i denne retning. Av denne grunn ble simuleringen utført for et tilfelle hvor trapesformede veiesignaler ble sendt ut med en horisontal apertur i et 0°-180° halvsirkelområde. Interferensen kan unngås ved å forsinke sendingen i det tilsvarende halvsirkelområdet 180°-360°. Fig. 42A-42C viser omhylninger for ultralydsignaler og deres spektra, slik signalene observeres i fjernpunkter i retningene 0°, 90° og 180° når pulsbredden er 10 ms. Fig. 43A-43C viser omhylninger av ultrasignaler og deres spektra når signalene observeres i et fjernpunkt i retningen 90° når pulsbredden er 10 ms, 15 ms og 20 ms.

Når pulsbredden er 10 ms er forvrengningen av omhylningen av de observerte ultralydsignaler liten, og spekterets sidelobenivåer vil være -25 dB eller mindre. Båndbredden av spekteret er også tilnærmet 150 Hz når pulsbredden er 10 ms, hvilket generelt er det samme som de spektrale båndbredder av transduserelementdrivsignalbølgeformen. Når pulsbredden er 15 ms eller 20 ms vil imidlertid forvrengningen av omhylningen av de observerte ultralydsignal være større, og det maksimale spektrale sidelobenivå vil da overskride -20 dB, mens båndbredden av spekteret tilnærmet er 200 Hz, hvilket er omtrent dobbelt så mye som drivsignalbølgeformen for transduserelementet.

Den horisontale retningskarakteristikk som fremkommer ved pulsbredden på 10 ms ved denne metode for direksjonalt varierende frekvens ved kontinuerlig bærebølge, ble sammenliknet med den samme karakteristikk som kunne oppnås ved en senderfrekvens på 25 kHz og konvensjonell CW-transmisjon. Sammerdikningen indikerer at retningsawik og kildenivåer for de to tilfeller generelt vil være like.

Plane transdusere

Fig. 45A-45C viser andre eksempler på transdusere, hvor fig. 45A viser et plan-riss og fig. 45B og 45C viser oppriss av to typer transdusere. Gjennomgåelsen så langt har konsentrert seg om sylindriske og sfæriske transdusere med flere transduserelementer anordnet på overflaten, mens eksempelet nå gjelder fig. 45A-45C og en plan og generelt oppdelt flateliknende transduser med flere lineært anordnede transduserelementer Ai. De allerede gjennomgåtte metoder for sending og mottaking for den sylindriske henholdsvis sfæriske transduser kan imidlertid også anvendes for slike plateformede transdusere. Fig. 45B og 45C viser eksempler på direktivitetene for mottakerstrålen. Sender-strålene brukt ved sendingen fra transduserne er imidlertid ikke direksjonale innenfor deres sektorformede avsøkningsområder. Strålevinklene og retningene for disse trans-duserstråler bestemmes ved å regulere fasen av drivsignalene som mates inn i enkelte transduserelementer Ai.

Oppfinnelsen er ikke bare anvendelig for transdusere av denne plane type eller den sylindriske og sfæriske type som er gjennomgått ovenfor, men vil også kunne passe til transdusere hvis transduserelementer er anordnet på en rotasjonsellipsoide eller andre krumme flater. Oppfinnelsen gjelder også transdusere hvis ytterflate frembringes ved å kombinere flere krumme flater, så som kombinasjon av en sylindrisk flate og en annen krum flate. Endelig vil oppfinnelsen også kunne brukes for transdusere hvis transduserelementer er anordnet ikke bare todimensjonalt, men også lineært på deres overflater.

Claims

1 Ultralydapparat for sending og mottaking og omfattende: o en transduser (1) med flere transduserelementer anordnet på en overflate av transduseren og i det minste langs én retning i et horisontalt plan, o en senderstyreenhet for å drive transduserelementene slik at de sender ut ultralyd-bølger, og o en mottakerstyreenhet for å syntetisere ekkosignaler som mottas av de enkelte transduserelementer for derved å frembringe et syntetisert mottatt ekkosignal når ultralyd-bølger mottas etter refleksjon fra et mål, karakterisert vedat senderstyreenheten driver transduserelementene i transduseren på slik måte at disse elementer sender ut ultralydbølgene i direksjonalt varierende frekvensbånd, og at mottakerstyreenheten oppnår mottatte signaler ved bestemte vinkelretninger ved å velge frekvens fra den ene vinkelretning til den neste.

2 Apparat ifølge krav 1,karakterisert ved at senderstyreenheten driver de enkelte transduserelementer på slik måte at de ultralyd-bølger som sendes ut av elementene blir ekvivalente med de ultralydbølger som sendes ut fra en tenkt bevegelig lydkilde som forflytter seg i en sirkel som omsluttes av transduserelementene anordnet langs denne ene retning i horisontalplanet.

3 Apparat ifølge krav 1,karakterisert ved at senderstyreenheten driver transduserelementene for å danne en spesifikk senderapertur som velges fra transduserelementene anordnet langs den nevnte ene retning i horisontalplanet, ved å styre hvor stor tidsforsinkelse ultralydbølgene som skal sendes ut fra de valgte transduserelementene skal ha, kjennetegnet ved at senderaperturen fortløpende forflyttes fra en retning til en annen slik at en senderstråle blir styrt fra en bestemt vinkelretning til en annen over hele transduserens vinkelomfang.

4 Apparat ifølge krav 3,karakterisert ved at senderstyreenheten gradvis varierer senderfrekvensen for ultralydbølgene i senderstrålen fra en vinkelretning til en annen.

5 Apparat ifølge krav 1,karakterisert ved at senderstyreenheten fortløpende velger tilstøtende transduserelementer i et spesielt sektorområde, ut fra samtlige slike elementer som ligger i en bestemt retning i horisontal planet, hvorved enheten bevirker at de valgte elementer sender ut frekvensmodulerte ultralydsignaler samtidig med at retningen av sektorområdet endres langs retningen i horisontalplanet.

6 Apparat ifølge krav 1,karakterisert ved at senderstyreenheten påtrykker de enkelte transduserelementer drivsignaler hvis fase generelt passer til midtpunktet av omhylningen av drivsignalbølgeformene i samtlige vinkelretninger, hvorved styreenheten bevirker at de enkelte transduserelementer sender ut ultralydsignaler hvis senderfrekvens varierer fra den ene vinkelretning til den neste.

7 Apparat ifølge krav 2 eller 6,karakterisert ved at senderstyreenheten omfatter en pulsekspansjonsenhet for ekspansjon av drivsignalpulser som påtrykkes de enkelte transduserelementer ved omhylningsgruppebølger med et FM-signal, og hvor mottakerstyreenheten omfatter en tilsvarende pulskompresjonsenhet for å komprimere de mottatte signaler for hver vinkelretning før eller etter frekvensen velges for hver slik retning ved omhylning av de mottatte signaler med et FM-signal hvor tidsaksen er reversert.

8 Apparat ifølge krav 7 og ytterligerekarakterisert ved at en sidelobeeliminator for å eliminere sidelober (SL) som opptrer på tidsaksen (x) ved pulsekspansj onsbehandlingen.

9 Apparat ifølge ett av kravene 1-8,karakterisert ved at senderstyreenheten forhåndsberegner bølgeformen av ultralydsignalene som skal sendes ut i hvert av sektorområdene som horisontalplantet er oppdelt i, beregner en vinkelretning og størrelsen av den tidsforsinkelse bølgeformen av ultralydsignalene skal ha i samsvar med transduserens bevegelse, for å danne en senderstråle TB som er rettet mot en bestemt retning, og fastlegger drivsignaler som skal mates inn i de enkelte transduserelementer.

10 Apparat ifølge ett av kravene 1-9,karakterisert ved at transduseren (1, 1') har en plan, sylindrisk eller sfærisk overflate på hvilken transduserelementene (10, Aj) er anordnet.

11 Avsøkingssonar som omfatter ultralydapparatet i henhold til ett av kravene 1 til 10,karakterisert ved midler for styring og kontroll av senderstyreenheten og mottakerstyreenheten for dette apparat for fortløpende avsøking i bestemte vinkelretninger, for å frembringe data for en detektert ekkoavbildning ut fra de mottatte ekkosignaler og visning av denne ekkoavbildning.