NO891600L - Avstandsmaalende apparat. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et avstandsmålende apparat og kan særlig utnyttes ved sonaranlegg med syntetisk apertur, som i sin tur f.eks. kan utnyttes for å kartlegge havbunnen.

Sonaranlegg med syntetisk apertur har potensielt meget bedre oppløsningsevne enn sonaranlegg med sann apertur, men når radarteknikk for å opprette syntetisk apertur anvendes direkte på sonar, vil den resulterende syntetiske sonarapertur lide av visse mangler som skriver seg fra den lave forplantningshas-tighet av den avstandsbestemmende bølge. I det tilfelle sonarapparatet vandrer i forhold til et område som skal kartlegges, vil kravet til entydighet for retursignalene påføre ikke godtagbare begrensninger av sonaranleggets fremføringshas-tighet og vil, sammen med den begrensede effekt som kan sendes ut og mottas, i betraktelig grad begrense den oppnåelige oppløsningsevne på tvers av fremføringsbanen. I et forsøk på å løse disse problemer, som er nærmere omtalt i den samtidig løpende britiske patentansøkning 8.719.799 innlevert 21. august 1987, utnyttes i henhold til foreliggende oppfinnelse tidsfor-vrengningen og Doppler-forskyvningen i retursignalene når sonarapparatet passerer målet, for å bestemme målets posisjon enten på tvers av bevegelsebanen eller langs denne, eventuelt i begge retninger. En kontinuerlig bølge sendes ut og tidsforvrengte signaler med Doppler-forskyvninger returneres, og disse signaler har da flanker som er avhengig av tverravstanden til det reflekterende mål som retursignalene skriver seg fra. I den foretrukne utførelse av den foreliggende oppfinnelse, korreleres de tidsforvrengte signaler med referansebølger for å fastlegge posisjoner på tvers av bevegelsebanen, mens posi-sjonsbestemmelse langs bevegelsebanen finner sted entydig ut i fra tidsstyring av de pulsede utgangssignaler fra korrelatoren ved å kompensere for varigheten av signalet og referansebølgen for vedkommende avstandsområde på tvers av banen for en gitt sonarstrålebredde. Posisjonen langs banen fastlegges da faktisk ved å utlede det tidspunkt (samt ut i fra kjennskap til sonarapparatets hastighet langs banen, også tilsvarende posisjon) hvor sonarapparatet befant seg nærmest vedkommende målområde, og i denne nærmestliggende posisjon er ikke retursignalet gjenstand for noen Doppler-forskyvning og tilsvarer midtpunktet av Doppler-pipet i referansebølgen.

For å oppnå en god oppløsning på tvers av bevegelsebanen, foreslås det i nevnte samtidig løpende britiske patentansøkning 8.719.799 å modulere den utsendte bølge ved bruk av f.eks. en halvvilkårlig kode. Korrelatoren komprimerer da i tillegg retursignalene og gjør tjeneste som et tilpasset filter. På denne bakgrunn er da formålet for foreliggende oppfinnelse å ytterligere forbedre funksjonsevnen for avstandsmålende apparater av den art som er angitt i ovenfor nevnte samtidig løpende patentansøkning, med hensyn på å bestemme mål i retning på tvers av bevegelsebanen.

Foreliggende oppfinnelse gjelder således et avstandsmålende apparat for relativ bevegelse langs en bane for å fastlegge mål innenfor et hvilket som helst av N avstandsområder, hvor N er et helt tall større enn 1, idet apparatet i henhold til oppfinnelsen omfatter utstyr for å sende ut et signal som har visse signalpartier som kan skjelnes fra andre signalpartier, mottagerutstyr innrettet for å gjenkjenne avstandsdata som omfatter retursignaler med N særegne signalformer tilsvarende hvert sitt forskjellige avstandsområde, og en korrelator i baneretningen og innrettet for å utføre en koherent intergra-sjon av nevnte avstandsdata ved å korrelere alle sådanne data med et antall referansebølgeformer som hver representerer et retursignal tilsvarende et bestemt avstandsområde på tvers av banen, for derved å frembringe utgangsavstandsdata som angir de tidspunkter hvorved de forskjellige målepunkter som returnerte disse avstandsdata, var nærmest bevegelsebanen. Dette apparat, som kan være et radarapparat, men fortrinnsvis er et sonarapparat, deler således området, som særlig er ment å være avstanden på tvers av bevegelsebanen ved sonar med syntetisk apertur, i flere avstandsområder, og er da umiddelbart i stand til å fastslå fra hvilket avstandsområde et sett av retursignaler skriver seg.

I en utførelse av oppfinnelsen utgjøres nevnte signal av en rekke pulssignaler som kan skjelnes fra hverandre, mens mottagerutstyret er i stand til å gjenkjenne avstandsdata i hvert av flere forskjellige avsnitt innenfor et totalt pulsgj entagelseintervall.

De pulssignalformer som kan skjelnes fra hverandre er fortrinnsvis ortogonale.

Ved en foretrukket utf©reiseform av oppfinnelsen er de innbyrdes skjelnbare signaler knepplyder med forskjellige flankehelninger.

Mottagerutstyret omfatter fortrinnsvis en korrelator for hvert avstandsområde og som er innrettes for å korrelere nevnte retursignaler med N referansebølgeformer tilsvarende de N særegne pulssignalformer som er tilordnet vedkommende avstandsområde .

I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er signalet en kontinuerlig lydbølge med et særtrekk som varierer med tiden, og signalet kan da hensiktsmessig være en støylignende bølgeform. Dette gjør det mulig å skjelne visse partier av signalet fra andre signalpartier, og gjør det derved mulig å bestemme avstanden til et mål som returnerer signalet.

Avstandsområdene er fortrinnsvis sammenhengende og av forskjellig lengdeutstrekning.

Visse måter å utøve oppfinnelsen på vil nå blir beskrevet ved hjelp av utførelseeksempler og under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser skjematisk et blokkskjema av et sonarapparat

utført i samsvar med foreliggende oppfinnelse,

Fig. 2A og 2B er frekvens/tidskurver som angir to mulige sett av 16 innbyrdes forskjellige pulssignaler i form av knepplyder, Fig. 3 er et amplityde/tidsskjerna av pulspakker som representerer avstandsretursignaler og utgjør inngangssignaler P og Q til korrelatoren i lengderet-ningen for sonarapparatet i fig. 1, Fig. 4A er en skjematisk planskisse av et område av havbunnen som passeres av sonarapparatet i fig. 1, langs den viste bane og med sonarstrålen rettet sideveis, Fig. 4B er en avstands/tidskurve for to mål, nemlig X og Y, på skjemaet i fig. 4A, og med samme posisjon i baneretningen, men med forskjellig plassering på tvers av banen, og som anskueliggjør hvorledes avstanden forandres når sonarapparatet beveger seg med konstant hastighet, Fig. 4C er et skjema over større tidsskala enn i fig. 3, og som anskueliggjør virkningen av den avstandsvariasjon som er angitt i fig. 4B på inngangen ved Q til baneretningskorrelatoren i fig. 1, som en funksjon av tiden innenfor et gjentagelseintervall av den foreliggende sekvens av innbyrdes forskjellige signaler, Fig. 5 viser skjematisk et blokkskjema av et annet sonarapparat i henhold til oppfinnelsen.

Det skal først henvises til fig. 1, som viser et siderettet sonaraparat med syntetisk apertur og som omfatter en omformer 1 for å sende ut og og motta sonarsignaler, idet apparatet bæres av et slepefartøy som f.eks. trekkes av en undervannsbåt. Sonarapparatet er således innrettet for å trekkes langs en rettlinjet bevegelsebane, slik som vist i fig. 4A, med en viss hastighet v i forhold til det sjøbunnsområde som skal kartlegges. Som vist i fig. 4A sender omformeren 1 bare ut sonarsignaler innenfor en veldefinert stråle med en åpningsvin-kel 9, således at målgjenstander, slik som X og Y, vil befinne seg innenfor strålen et varierende tidsintervall avhengig av deres avstand på tvers av fremføringsbanen.

En reguleringsenhet 2 styrer en vender Sl som kobler omformeren enten for sending (TX) eller mottagelse (RX). En senderenhet 3, som styres av regulatorenheten 2, frembringer sendersignaler til omformeren 1, og disse signaler moduleres av en modulator 12.

Fire signaler Al, A2, Bl og B2 som kan skjelnes fra hverandre, frembringes av hver sin referansebølgegenerator 5, 6, 9 og 10 under styring fra regulatorenheten 2. I dette utførelseeksem-pel er de fire referansebølgeformer knepplyder med samme båndbredde, idet lydbildene Al og A2 er like med motsatt flankehelning med større verdi enn de to bølgeformer Bl og B2 som også er like og motsatt.

Som vist i tabell 1 nedenfor sendes lydpulsene Al og Bl ut sammen, hvoretter og etter en mottagelseforsinkelse, lydpulsene A2 og B2 avgis sammen før en ytterligere mottagelseforsinkelse. Denne sekvens utgjør et gjentagelseintervall for sending, tilsvarende et fullstendig pulsgjentagelseintervall (PRI). Denne utsendelse oppnås ved å tilføre modulatoren 12, over en vender S4, signaler alternativt fra blandere 7 og 8 som sammenblander henholdsvis lydpulsene Al og Bl og lydpulsene A2 og B2.

I tidsintervallene mellom signalutsendelsene mottas signalene samtidig av mottagere RX.A 4 og RX.B 11, som er korrelatorer på tvers av bevegelseretningen, henholdsvis for kortere avstander og lengre avstander. PRI er valgt av tilstrekkelig lengde til å tillate signalene fra de mest fjerntliggende målpunkter å mottas før begynnelsen av den neste PRI. Det totale avstandsområde er oppdelt i to områder, fortrinnsvis av samme lengde. Som vist i tabell 1 innstilles under den annen fjerdedel av en PRI kortavstandsmottageren 4 til å korrelere signaler med referansebølgeformen Al som tilføres av referansebølgegenera-toren 5 over venderen S2 under styring fra regulatorenheten 2. Samtidig korrelerer fjernavstandsmottageren 11 signaler med referansebølgeformen B2 over omkobleren S3. I det fjerde kvarter av PRI, veksles venderne S2 og S3 samtidig, således at næravstands- og fjernavstandsmottagerne 4, 11 korrelerer signaler henholdsvis med bølgeformene A2 og Bl.

Næravstands- og fjernavstandsmottagerne bringes således til å' diskriminere de signaler som skriver seg fra sine respektive avstandsområder, samt til å avgi avstandsdata på tvers av bevegelsebanen i det format som er vist skjematisk i fig. 3, henholdsvis til inngangene P og Q for en baneretningskorrelator 13.

Formålet og arbeidsfunksjonen for baneretningskorrelatoren 13 er fremstilt i fig. 4A, 4B og 4C, som gjelder to målgjenstander X og Y, som begge befinner seg i fjernavstandsområdet. Disse signaler kommer frem til inngangen Q, slik som vist i fig. 3 og 4C, i form av korte pakker av avstandsdata i form av pulser. Fasen for hver sådan datapakke i forhold til det utsendte PRI forandres med posisjonen av sonarapparatet langs sin bevegelsebane, og dette er anskueliggjort med hensyn til inngangen ved Q i fig. 4 for de to målgjenstander X og Y, idet hver prikk i prikkurven representerer en pakke avstandsdata. Baneretningskorrelatoren 13 integrerer datapakkesekvensen for hvert mål X, Y, etc, idet det tas hensyn til de tids- og fasevaria-sjoner som fremkommer ved sonarapparatets bevegelse.

Dette oppnås ved å korrelere inngangssignalene ved P og Q med hver sin referansebølge, som i form tilsvarer en rekke kurver av den art som er angitt i fig. 4B, samt frembragt av en referansebølgegenerator 15 som er forsynt med et signal 17 som representerer hastigheten v av sonarapparatet langs sin bane, samt styres fra reguleringsenheten 2. Utgangssignalet fra baneretningskorrelatoren 13 avgis til et stort antall paral- lelle porter som representerer hvert sitt forskjellige avstandsområde på tvers av bevegelsebanen. Halvparten av avstandsportene forsynes med utgangssignaler utledet fra inngangssignalet P, og den annen halvdel fra signalet Q.

Referansebølgene for denne korrelasjonsprosess strekker seg over en rekke overlappende avstandsspalter og tilføres samtidig for å ta hensyn til målgjenstander i forskjellig avstand.

For å komme frem til en nøyaktig bestemmelse av posisjonen i baneretningen for hver målgjenstand som er representert ved en puls på en utgangsavstandsport for baneretningskorrelatoren 13, vil en forsinkelseenhet 14 forsinke signalene ved hver avstandsport i forskjellig grad i samsvar med forsinkelseverdier som er innført i et forsinkelselager 16, hvis verdier i sin tur avhenger av kjøretøyhastigheten v avgitt som has-tighetssignal 17. Som beskrevet i den ovenfor nevnte samtidig løpende patentansøkning, vil utgangssignalet på en hvilken som helst gitt avstandsport fra et bestemt målpunkt opphøre ved et tidspunkt som er en funksjon av avstanden på tvers av bevegelsebanen. I fig. 4C opphører således signalet tilsvarende målgjenstanden X senere enn det signal som tilsvarer målgjenstanden Y, da målpunktet X befinner seg i strålesonen en lengre tidsperiode. Forsinkelseverdier avgis fra forsinkelseenheten 14 for å kompensere for denne virkning, således at de resulterende signalutganger fra forsinkelseenheten 14 finner sted ved tidspunkter som tilsvarer det tidspunkt hvor vedkommende målpunkter befant seg nærmest sonarapparatet, således at tidsangivelsene for utgangssignalene representerer posisjonene av de tilsvarende målpunkter langs bevegelsebanen. Informa-sjonsutgangen fra forsinkelseenheten 14 multiplekses og sendes digitalt til en datafremviser 18 og/eller et lager 19.

Fremviseren 18 kan f.eks. bestå av en visuell fremvisningsenhet utstyrt med passende bufferlager, og innrettet for å frembringe et todimensjonalt kart over målpunktene.

Det vil forstås at avstanden på tvers av bevegelsebanen kan oppdeles i hvilket som helst antall N avstandsområder, hvor N er 2 eller mer. I tilfellet tre avstandsområder, vil det være påkrevet med 3<2>(eller 9) signaler som kan skjelnes fra hverandre, nemlig tre for hvert avstandsområde. En sende- og mottagersekvens tilsvarende tabell 1 er vist i tabell 2, hvor

næravstandssignaler, midtavstandssignaler og fjernavstandssig-naler er angitt som henholdsvis Al, A2, A3, Bl, B2, B3, Cl, C2, C3. Det vil forstås at gjentagelsesyklen eller PRI er oppdelt i N avsnitt, og det signal som angir kortest avstand mottas i det første avsnitt, signalet for det nest korteste område mottas i det neste avsnitt, o.s.v.

Som et ytterligere eksempel kan det angis at når N = 4, vil det være påkrevet med 4<2>= 16 signaler som kan skjelnes fra hverandre. Som angitt i fig. 2A kan dette oppnås ved å opprette to separate frekvensbånd som hver har åtte knepplyder med fire forskjellige gradienter og to forskjellige hel-ningsretinger. I fig. 2B ligger imidlertid alle knepplyder innenfor samme frekvensbånd og omfatter åtte forskjellige gradienter og to forskjellige flankehelningsretninger.

Skjønt de innbyrdes forskjellige signaler er blitt beskrevet i foreliggende utførelseeksempel som lineære knepplyder, kan mange andre signalformer også være egnet. Et alternativ kan f.eks. være et kontinuerlig bølgesignal som er modulert med N<2>forskjellige koder, f.eks. halvtilfeldige koder.

Det er ikke nødvendig at den utsendte effekt er den samme i hver signalform. De signaler som bare utnyttes for de nærmeste områder kan ha lavere midlere effekt enn dem som anvendes for fjernere områder. Dette oppnås ved hjelp av de viste knepp- bølgeformer i fig. 2A, f.eks. ved å sørge for at lydkneppene av større varighet, og således større midlere effekt, anvendes for de fjernere avstandsområder.

Det skal så henvises til fig. 5, som viser et annet siderettet sonarapparat med syntetisk apertur og som omfatter en bølge-formgenerator 20 som er innrettet for å frembringe en kontinuerlig støylignende bølgeform som er kjent å være følsom for Doppler-forskyvning. Denne påtrykkes over en modulator og en sender 22 en omformer 23 som er omformet til sonarbruk og innrettet for å stråle ut sonarlyd over det sjøbunnområde hvor sonarapparatet trekkes frem. Sonarapparatet omfatter også en annen omformer 24 som er anordnet for å motta signaler som kastes tilbake fra mål fordelt over sjøbunnen. Utgangssignalet fra omformeren 24 forsterkes ved 25 og påtrykkes en kor-relatorenhet 26.

Korrelatorenheten 26 omfatter flere korrelatorer, hvorav imidlertid bare tre er vist med betegnelsene 27, 28 og 29. Hver korrelator omfatter to kanaler, som hver er utført som et skiftregister og den ene utgjør en signalkanal 27A, 28A og 29A, og den annen er en referansekanal 27B, 28B og 29B. Hver korrelator omfatter også en multiplikator 27C, 28C og 29C samt en addisjonsenhet 27D, 28D og 29D.

Den mottatte bølgeform påtrykkes i parallell signalkanalen 27A, 28A og 29A i korrelatorene 27, 28 og 29. Utgangssignalet fra bølgeformgeneratoren 20 er en bølgeform som også tilføres en regneenhet 30 som modifiserer den til å frembringe en rekke bølgeformer som tilsvarer dem som ville bli mottatt fra mål i forskjellige avstander. Hver gang det tas prøve av det mottatte signal beregner regneenheten 30 den korrekte prøve-verdi som skal anvendes i hver referansebølgeform for å ta hensyn til sonarapparatets bevegelse innenfor forplantnings-tidsforsinkelsen, saiuc ved å beregne forplantningsbanefor-sinkelsen som finner sted mellom signalutsendelse, refleksjon fra målet og forplantning tilbake til den mottagende omformer 24. Øyeblikksverdien av utsendelsen ved vedkommende tidspunkt kan således bestemmes og en rekke referansebølger frembringes. De frembragte referansebølger påtrykkes hver sin forskjellige referansekanal 27B, 28B og 29B.

Det samplede mottatte signal og rekken av sampelverdier for hvert referansesignal påtrykkes korrelatorene 27, 28 og 29, samt krysskorreleres ved hjelp av multiplikatorer og addisjons-enheter. Utgangen fra hver korrelator angir da nivået av ethvert målreturnert signal innenfor det tilordnede avstandsområde .

Ved en alternativ utførelse (ikke vist) kreves bare ett mottagerskiftregister, idet referansebølgen tidsmultiplekses for forskjellige avstandsområder. På denne måte kan det oppnås en sekvens av utgangssignaler som tilsvarer en sekvens av forskjellige avstandsområder.

Claims (15)

1. Avstandsmålende apparat for relativ bevegelse langs en bane for å fastlegge mål innenfor et hvilket som helst av N avstandsområder, hvor N er et helt tall større enn 1, karakterisert ved at apparatet omfatter utstyr for å sende ut et signal som har visse signalpartier som kan skjelnes fra andre signalpartier, mottagerutstyr innrettet for å gjenkjenne avstandsdata som omfatter retursignaler med N særegne signalformer tilsvarende hvert sitt forskjellige avstandsområde, og en baneretningskorrelator innrettet for å utføre en koherent integrasjon av nevnte avstandsdata ved å korrelere alle sådanne data med et antall referansebølgeformer, som hver representerer et retursignal tilsvarende et bestemt avstandsområde på tvers av banen, for derved å frembringe utgangsavstandsdata som angir de tidspunkter hvorved de forskjellige målpunkter som returnerte disse avstandsdata, var nærmest bevegelsebanen.

2. Avstandsmålende apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte signal utgjøres av en rekke pulssignaler som kan skilles fra hverandre, og mottagerutstyret er innrettet for å gjenkjenne avstandsdata i hver av forskjellige avsnitt av et samlet pulsgjentagelseintervall .

3. Avstandsmålende apparat som angitt i krav 2, karakterisert ved at pulssignalene sendes ut i N <2> former som kan skjelnes fra hverandre, hvorav N forskjellige former sendes ut i hver av N avsnitt av et samlet pulsgjentagelseintervall .

4. Avstandsmålende apparat som angitt i krav 2 eller 3, karakterisert ved at alle pulssignaler som kan skjelnes fra hverandre er ortogonale.

5. Avstandsmålende apparat som angitt i krav 2, 3 eller 4, karakterisert ved at nevnte pulssignaler som kan skjelnes fra hverandre utgjøres av knepplyder med forskjellig flankehelning.

6. Avstandsmålende apparat som angitt i ett av kravene 2-5, karakterisert ved at mottagerutstyret omfatter en korrelator for hvert avstandsområde og som er innrettet for å korrelere nevnte retursignaler med N forskjellige bølgeformer tilsvarende de N særegne pulssignalformer som er tilordnet vedkommende avstandsområde.

7. Avstandsmålende apparat som angitt i krav 6, karakterisert ved at det omfatter regulatorut-styr for å bringe hver korrelator til å korrelere nevnte returpulser med N referansebølgeformer i en forut fastlagt rekkefølge, idet referansebølgeformen er forskjellig for hvert avsnitt av pulsgjentagelseintervallet.

8. Avstandsmålende apparat som angitt i ett av kravene 2-7, karakterisert ved at de signaler som sendes ut innenfor hvert avsnitt av pulsgjentagelseintervallet utsendes samtidig av samme sender.

9. Avstandsmålende apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at signalet er en kontinuerlig bølge med et særtrekk som varierer med tiden.

10. Avstandsmålende apparat som angitt i krav 9, karakterisert ved at signalet utgjøres av en støylignende bølgeform.

11. Avstandsmålende apparat som angitt i ett av de tidligere krav, karakterisert ved at avstandsområdene er fortløpende.

12. Avstandsmålende apparat som angitt i ett av de forutgående krav, karakterisert ved at apparatet er innrettet for å bestemme ut i fra nevnte utgangsavstandsdata og en fastleggelse av sonarapparatets hastighet langs bevegelse banen, målpunktenes posisjoner i baneretningen.

13. Avstandsmålende apparat som angitt i ett av de forutgående krav, karakterisert ved at nevnte utgangsavstandsdata frembringes ved et antall avstandsporter som hver tilsvarer et forskjellig avstandsområde på tvers av bevegelsebanen.

14. Avstandsmålende apparat som angitt i krav 13, karakterisert ved at det omfatter en forsinkelseenhet innrettet for å forsinke signalene ved avstandsportene i forskjellig grad som en funksjon av deres avstandsområde på tvers av bevegelsebanen, for derved å kompensere for variasjonene i målenes lydbestrålingstid med deres avstand på tvers av bevegelsebanen, således at de forsinkede signaler vil opptre ved tidspunkter som representerer de tilsvarende målpunkters posisjon langs bevegelsebanen.

15. Avstandsmålende apparat som angitt i krav 14, karakterisert ved at nevnte forsinkelseenhet er innrettet for å reagere på hastigheten av det avstandsmålende apparat langs sin bevegelsebane ved å innføre forsinkelseverdier som er proporsjonale med denne hastighet.