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DE2506997C2 - Schiffssonaranordnung - Google Patents

Schiffssonaranordnung

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Publication number
DE2506997C2
DE2506997C2 DE2506997A DE2506997A DE2506997C2 DE 2506997 C2 DE2506997 C2 DE 2506997C2 DE 2506997 A DE2506997 A DE 2506997A DE 2506997 A DE2506997 A DE 2506997A DE 2506997 C2 DE2506997 C2 DE 2506997C2
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DE
Germany
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signal
transducer
delay
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shift register
Prior art date
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Application number
DE2506997A
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English (en)
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Inventor
George A. Severna Park Gilmour, Md.
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CBS Corp
Original Assignee
Westinghouse Electric Corp
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Publication date
Application filed by Westinghouse Electric Corp filed Critical Westinghouse Electric Corp
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Application granted granted Critical
Publication of DE2506997C2 publication Critical patent/DE2506997C2/de
Expired legal-status Critical Current

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    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • GPHYSICS
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    • G01S15/88Sonar systems specially adapted for specific applications
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Description

Die Erfindung betrifft eine Schiffssonaranordnung mit einem Empfängerwandler, der eine Mehrzahl Wandlersegmente aufweist, die angrenzend zueinander längst einer geraden Linie angeordnet und so betreibbar sind, daß sie jeweils ein Ausgangssignal entsprechend dem Empfang akustischer Energie von einem durch impulsweise Abstrahlung von Ultraschallenergie beaufschlagten Zielgebiet abgeben, mit an den Wandlersegmenten angeschlossenen Verstärkerschaltungen, mit den Verstärkerschaltungen nachgeschalteten Verzögerungsschaltungen z. B. zur Verzögerung der verschiedenen Signale der Verstärkerschaltungen um unterschiedliche Verzögerungszeiten, und mit mehreren, den Verzögerungsschaltern nachgeschalteten Signalverarbeitungsschaltkreisen.
Sonaranordnungen mit nachgeschalteten Signalverarbeitungsschaltkreisen sind in verschiedener Form bekannt geworden. So zeigt die DE-OS 15 48 426 ein Echolot, bei dem das reflektierte Echo eine elektronische Regelschaltung für einen Empfangsverstärker freigibt, durch den der Verstärkungsgrad beginnend mit Eintreffen des Bodenechos gemäß einer einstellbaren Funktion bis zu einem einstellbaren Maximalwert am Ende der Echolotperiode ansteigend gemacht wird, wodurch erreicht werden soll, daß Echos aus größerer Entfernung und damit schwächerer Signalintensität stärker angehoben werden als Echos, die aus geringerer Entfernu.ig kommen.
Bei einem in der medizinischen Diagnostik eingesetzten Ultraschallgerät gemäß der DE-OS 19 28 366 werden empfangene Echoimpulse wahlweise unmittelbar oder über eine nur Echoimpulse aus einem konstanten Tiefenbereich hindurchlassende Torschaltung einer Anzeigevorrichtung zugeführt.
Schließlich zeigt die DE-OS 21 13 522 eine Echoloteinrichtung, die mit Laserstrahlen arbeitet und zur schnellen berührungsfreien Messung eines Oberflächenprofils dient, wobei eine Empfangseinrichtung vorgesehen ist, die mit einer elektronischen Vorrichtung zur Verarbeitung der Empfangssignale versehen ist, hier insbesondere zur Ermittlung eines Einfallswinkel zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und einer horizontalen Bezugslinie.
Ergänzend sei auch noch auf die von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung stammenden Dmck-Schriften DE-OS 20 56 170 und DE-OS 22 12 975 verwiesen. Es handelt sich in den letzten beiden Fällen um von einem Schiff getragene Seitensonaranordnungen. Bei derartigen seitenorientierten Sonaranordnungen richtet ein Senderwandler periodisch Impulse ίο akustischer Energie auf ein etwa vom Meeresgrund gebildetes Zielgebiet. Diese abgestrahlte Schallenergie hat in Richtung der Bewegung des Trägerfahrzeugs einen besonders schmalen Strahlverlauf, so daß ein abgestrahlter Impuls akustischer Energie zunächst auf dem Meeresboden auftrifft und dabei über ein verhältnismäßig schmales, langgestrecktes beschalltes Gebiet abgelenkt wird.
Vom dem beschallten Gebiet sowie darauf befindlichen Zielgegenständen reflektierte akustische Energie wird von einem Empfangerwandier aufgefangen, dessen Fokussierung einen ähnlichen Verlauf bzw. eine ähnliche Richtlinie aufweist, wie der Sendewandler, um von dem verhältnismäßig schmalen beschallten Bereich reflektierte akustische Energie zu erfassen. Die Empfangssignale werden dann verarbeitet und mittels einer geeigneten Wiedergabeeinrichtung abgebildet. Mit jedem Impuls und jedem anschließenden Echoempfang wird auf der Wiedergabeeinrichtung eine neue Abtastlinie erzeugt, so daß nach einiger Zeit eine Abbildung des Meeresbodens entsteht, in ähnlicher Weise wie bei einem Fernsehbild eine zeilenweise Abtastung erfolgt.
Beim Überstreichen des beschallten Gebietes an der Seite bzw. an beiden Seiten des Trägerfahrzeugs wird die Auflösung in Richtung der Fahrzeugbewegung durch die Länge des Empfängerwandlers begrenzt. Zur Erhöhung der Auflösung kann man dem Empfängerwandler für ein Seitensonargerät eine gekrümmte Gestalt geben, indem man die den Wandler bildenden Einzelelemente auf einem Kreisbogen anordnet, dessen Radius gleich der Konstruktionshöhe ist, wodurch die akustische Energie dann auf einer Fokuslinie auf dem Meeresboden fokussiert wird. Doch müssen derartige fokussierende Wandler in einer ganz bestimmten genauen Höhe über dem Meeresboden eingesetzt werden, da Abweichungen von dieser Höhe nach oben oder unten zu einer Defokussierung und damit einer Beeinträchtigung der Wiedergabe führen. Um diesen Nachteilen aus dem Wege zu gehen, könnte man mit einer elektronischen Fokussierung auf Basis mehrerer fester Verzögerungen in Reihe mit den Wandlersegmenten arbeiten, wobei die Verzögerungen nach vorgegebenen Zeitintervallen in den Schaltungsaufbau eingeschaltet werden, so daß sich eine schrittweise Fokussierung ergibt. Durch diese Anordnung läßt sich der Wandler auf unterschiedliche Höhen einstellen, jedoch führt das Einschalten der Verzögerungen zu einer Wiedergabe, die ihre Grauskala in störender Weise periodisch ändert.
Die maximale Suchgeschwindigkeit 5 einer seitenorientierten Sonaranordnung mit einer Auflösung r (allgemein die Breite des beschallten Streifens) wird durch die Gleichung S = N rc gegeben. Darin ist N die Anzahl der Strahlen einer Seite und c die Schallgeschwindigkeit in Wasser. Wenn die Suchgeschwindigkeit für eine gegebene Auflösung erhöht werden soll, müssen in der Zeit, die ein Einzelimnuls für das
Erreichen der Maximalentfernung und den Rücklauf benötigt, mehrere Strahlen gebildet werden. Ein Arbeiten mit einer solchen Mehrzahl von Strahlen ermöglicht dann auch die Erhöhung der Auflösung bei Einhaltung einer bestimmten Suchgeschwindigkeit. Ein derartiges seitenorientiertes Sonarsystem mit Mehrfachstrahlen wird beispielsweise in der US-PS 37 42 436 beschrieben, wobei jedoch dieses System an eine bestimmte Einsatzhöhe oberhalb des Zielgebietes, plus oder minus einer gewissen Tiefenschärfe, gebunden ist.
Durch Veränderung der Fokussierung läßt sich nun erreichen, daß nicht nur durch Wellenbewegung auftretende Positionsänderungen von 3-5 m kompensiert werden können, es wird auch möglich, ein Ultraschallbild des zu untersuchenden Meeres zu erhalten, das vom Meeresboden bis zur Meeresoberfläche reicht. Bei der Durchführung derartiger mit variabler Fokussierung arbeitender Messungen, die eine ausreichende Meßfeldtiefe besitzen, sollte simultan auch eine genaue Definition der nebeneinander liegenden Zielgebiete entlang der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs erhalten werden, damit eine genaue Zuordnung der einzelnen Echosignale und damit eine genaue Kartographierung möglich wird. Gelingt diese genaue Zuordnung und damit die Erzeugung praktisch einer dreidimensionalen Erfassung, läßt sich die Zeit stark reduzieren, die notwendig ist, um mittels einer derartigen Schiffssonaranordnung durch Hin- und Herfahren die Meeresgrundfläche ausreichend genau kartographisch zu erfassen und dabei sogar Objekte auszumachen, die sich innerhalb des Wasservolumens befinden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schiffssonaranordnung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß ein bestimmtes Meeresbodengebiet wesentlich schneller kartographisch erfaßt werden kann als es bei den bisher bekannten Anordnungen der Fall ist.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß Steuer-Schalteinrichtungen an den Verzögerungsschaltungen angeschlossen sind, um die unterschiedlichen Verzögerungszeiten zu steuern, daß an die Steuerschalteinrichtungen Verzögerungszeitänderungsschalteinrichtungen angeschlossen sind, um die unterschiedlichen Verzögerungen der Verzögerungsschaltungen während der Signalaufnahme zur Fokussierung auf eine Mindestentfernung und dann zur fortlaufenden Änderung der Fokussierung bis zu einer Maximalentfernung zu steuern, und dadurch, daß die Steuerschalteinrichtungen die Verzögerungsschaltungen auch steuern, um eine vorbestimmte gegenseitige Abhängigkeit der von den Wandlersegmenten erzeugten Signale zu erzeugen, um die Entfernung entlang eines gewünschten Aufnahmebandes zu verändern, wobei das Aufnahmeband eine gegebene geometrische Beziehung hinsichtlich des Empfangswandlers aufweist, und daß der Signalvereinigungsschaltkreis an den Verzögerungsschaltungen derart angeschlossen ist, daß von den verschiedenen Verzögerungsschaltungen verschiedene Verzögerungen lieferbar sind und außerdem die Fähigkeit entsteht, unterschiedliche Verzögerungen eines Signals von einem jeden einzelnen Wandlersegment an jedes der Signalverarbeitungsschaltkreise zu liefern, um eine Serie von aufeinander fokussierten Empfangsbändern zu liefern, derart, daß die Bänder angrenzend zueinander angeordnet sind.
Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß auf sehr einfache Weise eine großräumige Erfassung des Ozeanbodens ermöglicht wird, so daß für die Kartierung eines bestimmten Flächenbereichs erheblich weniger Zeit benötigt wird als es bisher der Fall war.
In den Unteransprüchen werden vorteilhafte Weiterbildungen beansprucht, so im Anspruch 2 eine Schaltungsanordnung, mit der eine Kompensation der Ausbreitungsdämpfung möglich wird, wodurch die bei Echos großer Entfernung sehr stark abnehmende Signalamplitude durch entsprechend größere Verstärkungsfaktoren wieder ausgeglichen wird.
Gemäß einer noch anderen Ausführungsform kann auch der Einfluß der Gierbewegung des Trägerschiffs in einfacher Weise ausgeglichen werden (Ansprüche 11 und 12), wie auch durch Vorsehen von Wandleranordnung mit Signalverarbeitungsschaltung auf beiden Seiten eines Trägerfahrzeugs eine Verdopplung der Meßgeschwindigkeit erreichbar ist (Ansprüche 13. 14, 15).
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 schematisch in perspektivischer Darstellung ein seitenorientiertes Sonarsystem im Einsatz über einem Zielgebiet;
Fig. 2 und 3 zwei verschiedene Meßwertwandler-Anordnungen, die aus einer Mehrzahl Meßwertwandler-Abschnitte oder -Segmente aufgebaut sind;
F i g. 4 etwas weiter ins einzelne gehend einige Meßwertwandler-Segmente;
Fig. 5A und 5B eine Drauf- bzw. Seitenansicht eines Meßwertwandlers, die jeweils dessen Fokussierung veranschaulichen;
Fig. 6 schematisch die Zuordnung einer Wellenfront zu einem in Segmente unterteilten Meßwertwandler;
F i g. 7 ein das Funktionsprinzip der Erfindung veranschaulichendes Blockschaltbild einer Signalverarbeitungsanordnung;
F i g. 8 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zur Bildung eines Einzelstrahls;
Fig. 9 weiter ins einzelne gehend einen Teil der Fig. 8;
Fig. 1OA bis 1OE Impulsfolgen an verschiedenen Stellen der Schaltung nach F i g. 9;
Fig. 11 den Signalverlauf für einen Oszillator der Fig. 8;
Fig. 12 einen Meßwertwandler in einem Koordinatensystem;
Fig. 13 Verhältnisse ähnlich Fig. 12, jedoch mit verschobenen Koordinaten;
Fig. 14 ein Diagramm, das die Zuordnung einer Wellenfront zu einem Meßwertwandler-Segment in Verbindung mit einigen dafür maßgeblichen Begriffen erkennen läßt;
Fig. 15 ein Diagramm, das das Prinzip der Bildung von Mehrfach-Empfängerstrahlen erkennen läßt;
Fig. 16 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer Anordnung zur Bildung von Mehrfachstrahlen;
Fig. 17 eine weitere Ausführung der Erfindung zur Kompensation des Gierens;
Fig. 18 ein Diagramm zur Erläuterung der Gierkompensation; und
Fig. 19 eine weitere Ausführung der Erfindung zur back- und steuerbordseitigen Erfassung.
Im einzelnen zeigt F i g. 1 schematisch den allgemei-
nen Aufbau eines seitengerichteten Sonarsystems. An einem Trägerfahrzeug 8 angebrachte seitengerichtete Sonar-Meßwertwandler senden akustische Energieimpulse mit einem bestimmten Strahlenverlauf aus, die etwa entsprechend dem Energieimpuls 9 den Meeresuntergrund 10 zunächst in einem geschwärzten Gebiet 12 treffen, um dann, je nach Erzeugung durch einen Steuerbord- bzw. Backbord-Meßwertwandler über langgestreckte schmale beschallte Streifen 14 bzw. 15 ausgelenkt zu werden. Je nach Trägerfahrzeuggeschwindigkeit und Systemaufbau empfangen dieselben Meßwertwandler oder gleiche Meßwertwandler mit bestimmten zugeordneten Empfänger-Strahlen reflektierte akustische Energie, die Information bezüglich des Meeresuntergrunds bzw. Zielgegenständen auf dem Untergrund enthält, und diese empfangenen Signale werden verarbeitet und wiedergegeben bzw. abgebildet.
Bei der Weiterbewegung des Trägerfahrzeugs 8 längs eines Kurses in Richtung des Pfeils finden mehrere aufeinanderfolgende akustische Aussendungen statt, so daß entsprechend mehrere benachbarte Gebiete auf dem Meeresgrund beschallt werden. Die Streifen 14 und 15 entsprechen den gerade beschallten Gebieten, während die Streifen 14' und 15' zuvor beschallten Streifen entsprechen, von denen Information empfangen worden ist. D. h., jedes Echosignal enthält Information, und gemeinsam bilden die Echosignale ein Schallbild des Zielgebietes.
Allgemein enthalten Echosignale unmittelbar unterhalb des Fahrzeugs keine brauchbare Information, und dementsprechend ist die Anordnung so ausgestaltet, daß die Wiedergabe Zielinformation zwischen einer bestimmten Mindestentfernung Rn, bis zu einer weiter außerhalb davon liegenden bestimmten Höchstentfernung RM zeichnet, abhängig von Faktoren wie Sendeleistung, Frequenz, Dämpfung und Impulsfolgefrequenz der Anordnung.
F i g. 2 zeigt einen typischen Sender-Meßwertwandler oder Empfänger-Meßwertwandler für seitenorientierten Sonar-Belrieb. Wenn /. die Wellenlänge in Wasser für die Arbeitsfrequenz ist, kann die Länge L des Meßwertwandlers 20 typischerweise mehreren Hundert λ entsprechen und die Breite W in der Größenordnung von 3/4 λ liegen. Der Meßwertwandler kann aus einem Meßwertwandler-Material wie Bleizirkonattitanat (PZT) hergestellt und in üblicher Weise aus einer Mehrzahl Meßwertwandler-Segmente 20' zusammengesetzt sein.
In F i g. 3 sind zur Strahlbildung im Nahbereich die Meßwert\var.d!er-Segrner.te 20' entsprechend einem Kreisbogen 2 Γ angeordnet, dessen Radius die Konstruktionshöhe ist, um einen längs einem besonders schmalen beschallten Bodengebiet fokussierten Meßwertwandler zu erhalten, wobei die Breite des beschallten Gebiets in Fortbewegungsrichtung in diesem Fall geringer als die Länge des Meßwertwandlers ist.
Fig. 4 zeigt drei Meßwertwandler-Segmente 20-1, 20-2 und 20-3, die einen Teil eines linearen Meßwertwandlers bilden. Jedes der Meßwertwandler-Segmente hat eine Aktivfläche 21-1, 21-2 und 21-3 für die Aussendung und/oder den Empfang akustischer Energie. Die Aktivflächen haben geeignete Elektroden, die alle auf demselben Referenzpotential liegen können. Weitere Elektroden sind auf den entsprechenden Gegenflächen 22-1 bis 22-3 angeordnet und mit zugehörigen Ausgangsleitern 23-1 bis 23-3 gekoppelt, die bei Empfangsbetrieb Ausgangssignale in ■ Abhängigkeit vom Auftreffen akustischer Energie auf die Aktivflächen liefern.
Fig. 5A und 5B veranschaulichen das Prinzip der elektronischen Bildung von Kreisbögen durch Verzögerung des Signals von Empfänger-Meßwertwandler-Segmenten, die sich in einer geraden Linie befinden. Fig. 5 A ist eine Draufsicht auf den Meßwertwandler 28, und F i g. 5 B ist eine Seitenansicht, die zugleich
ίο ein Zielgebiet wie den Meeresboden 30 zeigt.
Es sei angenommen, daß zu einem bestimmten Zeitpunkt Il die Ausgangssignale von den Segmenten des Meßwertwandlers 28 so verzögert werden, daß der Meßwertwandler 28 elektronisch gesehen die Gestalt
!5 des Kreisbogens 32 annimmt. Zu diesem Zeitpunkt ist der Meßwertwandler auf die Entfernung Rl fokussiert, jedoch nicht nur auf einen Punkt Pl des Meeresbodens 30, sondern auch auf alle Punkte längs eines durch den Kreisabschnitt 33 angedeuteten vertikalen Kreises. Zum Zeitpunkt ti wird ein Kreisbogen 35 gebildet, so daß der Meßwertwandler auf eine Entfernung Rl fokussiert ist, die nicht nur den Punkt Pl, sondern alle Punkte längs eines durch einen Kreisabschnitt 36 repräsentierten vertikalen Kreises umfaßt.
Dieser Vorgang setzt sich fort, und der Kreisbogen 38 veranschaulicht die Situation zum Zeitpunkt ti, zu dem der Meßwertwandler auf eine Entfernung Rl fokussiert ist, die sowohl einen Punkt Pl auf dem Meeresboden 30 als auch alle Punkte umfaßt, die auf einem weiteren, mit einem Kreisabschnitt 39 angedeuteten vertikalen Kreis liegen.
Der elektronisch gebildete Kreisbogen soll mit einer starken Krümmung beginnen, um gleich nach der Aussendung auf eine kurze Entfernung zu fokussieren, dann mit der Zeit in seiner Krümmung abnehmen, wenn das Echosignal zu größeren Entfernungen fortschreitet. Der Kreisbogen ändert sich entsprechend der Beziehung
R = Ctß, (D
worin R die Entfernung (und der Krümmungsradius ' des Kreisbogens), c die Schallgeschwindigkeit im Wasser und t die Zeit nach der Aussendung sind. Die Anordnung ist automatisch für jedes Signal fokus-
siert, das über die Entfernung R eintreffen kann, unabhängig von der Tiefe des Meeresgrundes im Verhältnis zum Trägerfahrzeug. Bei der bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung werden die Ausgangssignale von den Meßwertwandler-Segmen-
ten verarbeitet, um so elektronisch den Kreisbogen mit dem Radius R zu bilden, der fortlaufend in Abhängigkeit von der Zeit nach einer Aussendung anwächst. Die Signalverarbeitungseinrichtung, mit deren Hilfe der Meßwertwandler fokussiert wird, fokussiert den Meßwertwandler auf eine vorgegebene Anfangsentfernung und ändert diese Fokussierung auf elektronischem Wege ständig nach jedem Aussendevorgang. Ein Fokussieren ist notwendig zur Strahlbildung im Nahbereich, wobei der Nahbereich sich etwa zwischen dem Meßwertwandler selbst und einer Entfernung L1JX erstreckt, mit L = Meßwertwandler-Länge und λ = Arbeits-Wellenlänge in Wasser.
Zur besseren Veranschaulichung der Arbeitsweise und des noch zu erläuternden Schaltungsaufbaus wird auf Fi g. 6 Bezug genommen, die einige Grundprinzipien veranschaulicht. F i g. 6 zeigt einen Meßwertwandler 4, dessen Mittelsegment mit 42 bezeichnet ist. Ein Segment i, das in einem Abstand yi vom Mittel-
segment 42 angeordnet ist, ist für ein beliebiges Segment des Meßwertwandlers repräsentativ. Es sind zwei von einem Punkt P ausgehende Wellenfronten 45 und 46 dargestellt. Es sei angenommen, daß die Phase im Mittelsegment 42 richtig ist. Das der Wellenfront 45 entsprechende akustische Signal, das am Meßwertwandler-Segment / eintrifft, geht auf einen früheren Zeitpunkt als die Wellenfront 46 zurück, die gleichzeitig am Mittelsegment 42 eintrifft. Die Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal des Segments / und dem Segment 42 ist ßi (in rad) und von der Entfernung di sowie der Wellenlänge des akustischen Signals in Wasser entsprechend der Beziehung abhängig:
ßi =
(2)
Jede beschallende akustische Impulsaussendung enthält eine Reihe Perioden der Arbeitsfrequenz. Der Impuls wird von allen im Weg des Impulses liegenden Gegenständen zum Empfänger-Meßwertwandler reflektiert, und jedes Meßwertwandler-Segment liefert ein Ausgangssignal, dessen Amplitude und Phase von einer Reihe Faktoren wie Entfernung des Gegenstands und Winkellage im Verhältnis zu einem bestimmten Segment sowie Stärke des reflektierten Signals abhängen, und unter Vernachlässigung der Amplitudenbezeichnung kann das Sonarsignal vom i-ten Meßwertwandler-Segment wiedergegeben werden als
worin ω, = 2nf„ mit/, = Sonarfrequenz. ßi in der Beziehung (3) ist eine Funktion der Zeit, d. h. ßi ändert sich mit der Zeit, da die Krümmung der Wellenfront mit der Zeit nach dem Sendeimpuls abnimmt.
Erfindungsgemäß ist eine Einrichtung vorgesehen, um die Ausgangssignale von den Meßwertwandler-Segmenten zu verarbeiten, die eine Schaltungsanordnung zur Modifizierung der Phase ausgewählter Ausgangssignale in Abhängigkeit von der Zeit und zur anschließenden Erfassung des Informationsgehalts sowie zur Wiedergabe der verarbeiteten Signale aufweist. Wie grundlegend mit F i g. 7 gezeigt, erzeugt ein Signalgenerator 50 eine bestimmte Zeit nach jeder akustischen Aussendung durch den Sender 48 ein Mischsignal für das /-te Meßwertwandler-Segment in der Form
sin (<omt - Vi (Jt))
worin m = 2fm und f„ eine Mischfrequenz ist. Das Ausgangssignal des Signalgenerators 50 wird mit dem Ausgangssignal des /-ten Meßwertwandler-Segments in einer Signalvereinigungsschaltung in Form einer Mischstufe 52/ zusammengefaßt, wobei die Mischstufe 52; ein Ausgangssignal der Form abgibt:
Sin [(ω, - ωJt - {ßi (0 - φ, (O)]
Grundsätzlich hat der Signalgenerator 50 zwei Funktionen. Es sei daran erinnert, daß jedes Meßwertwandler-Segment ein Ausgangssignal bestimmter Phasenlage liefert, und der Signalgenerator liefert dann zu jedem Zeitpunkt Signale, um die Phasendifferenz im Verhältnis zu einem Referenz-Segment-Ausgangssignal aufzuheben. Mit anderen Worten, es wird entsprechend der Beziehung (5) zu jedem Zeitpunkt ?>,, d. h. der Phase des Signalgenerator-Ausgangssignals für das /-te Meßwertwandler-Segment, Im wesentlichen gleich β/, d. h. der Phase des Meßwertwandler-Segment-Ausgangssignals, gemacht. Da die Meßwertwandler-Krümmung sich in Abhängigkeit von der Zeit ändern soll, um eine Fokussierung über den gesamten Entfernungsbereich zu gewährleisten, ändert sich auch φί mit der Zeit, so daß für jedes Meßwertwandler-Segment-Ausgangssignal φ,(ί) dazu gebracht wird, den einzelnen /?,(7J-Werten zu folgen, und somit Phasendifferenzen für alle Meßwertwandler-Segmente für jeden Zeitpunkt, zu dem akustische Echosignale von der Mindestentfernung bis zur
ίο Höchstentfernung eintreffen, im wesentlichen aufgehoben werden. Eine solche Schaltungsanordnung zur Durchführung dieser Funktion ist mit F i g. 8 gezeigt, auf die nachstehend Bezug genommen wird.
Ein Meßwertwandler 56 ist entsprechend der Darstellung beispielsweise in neun Segmente 56-1 bis 56-9 unterteilt. Eine entsprechende Anzahl Vorverstärker 58-1 bis 58-9 ist an die einzelnen Meßwertwandler-Segmente angeschlossen, um die Schall- oder Sonarsignale an entsprechende Signalvereinigungsschaltungen zu liefern, wie sie hier von Mischstufen 60-1 bis 60-9 gebildet sind. Für seitenorientierten Sonarbetrieb soll die typische Echoverteilung bei Abwesenheit besonderer Zielobjekte eine gewisse gleichförmige Ausgestaltung haben. Ein typisches seitenorientiertes Sonarsystem weist dementsprechend für die Kompensation abnehmender akustischer Signalstärke infolge Ausbreitung, Absorption und Einfallswinkel gegenüber dem Untergrund eine Schaltung mit sich zeitlich ändernder Verstärkung auf, durch die der Verstärkungsfaktor des Verstärkers während der Zeit der Anwesenheit eines Echosignals entsprechend einer vorgegebenen Kurve von einem niedrigen Wert auf einen hohen Wert geändert wird. Es ist somit eine Schaltung 62 zur zeitlichen Änderung des Verstärkungsfaktors (TVG) vorgesehen, die ihr Ausgangssignal an alle Vorverstärker abgibt.
Der Signalgenerator 50, der die zur Phasenkorrektur erforderlichen Signale liefert, kann von einer Schaltung mit einem digitalen Schieberegister mit
mehreren angezapften Stufen 67 bis 70 gebildet sein. Ein Oszillator 72 erzeugt das bereits in Verbindung mit Fig. 7 erläuterte Mischsignal com. Das Mischsignal wird durch das Schieberegister 65 übertragen, indem es schrittweise durch dessen Stufen mit einer Geschwindigkeit oder Frequenz verschoben wird, die ein gleichzeitig die Stufen 67 bis 70 taktender Taktgene-,-, rator 74 bestimmt.
^ ' Die gewünschten Phasenverschiebungen für die
Meßwertwandler-Segment-Ausgangssignale werden über Anzapfleitungen 77 bis 81 festgelegt, wobei der Ausgang des Oszillators 72 die Mischstufe 60-5 unmittelbar über die Anzapfleitung 77 beaufschlagt. Ein gegenüber dem Signal der Anzapfleitung 77 phasenverschobenes Signal beaufschlagt die beiden Misch-
stufen 60-4 und 60-6 über die Anzapfleitung 78, und weitere phasenverschobene Signale werden über die Anzapfleitungen 79, 80 und 81 an entsprechende Mischstufen 60-3 und 60-7, 60-2 und 60-8 bzw. 60-1 und 60-9 beliefert.
Die erforderlichen Phasenverschiebungen können zwar durch Änderung der Frequenz des Oszillators 72 erzeugt werden, jedoch wird im vorliegenden Beispiel die Phasenverschiebung durch zeitliche Änderung der Frequenz des Taktgenerators 74 bewirkt.
Bei Betrieb liefert somit jede Mischstufe ein Ausgangssignal, dessen Phasendifferenz im Verhältnis zum Mittelsegment 56-5 aufgehoben worden ist. Diese Signale werden weiter dadurch bearbeitet, daß
sie gemeinsam durch ein Addierglied 85 zusammengefaßt und über dieses an ein Bandpaßfilter 87 abgegeben werden, das unerwünschte Seitenbänder und Oberwellen aussiebt, so daß sein Ausgangssignal für einen Detektor 89/, — Jn, ist, wobei/ die Sonar- oder Schallfrequenz und Jn, die Mischfrequenz ist. Der Informationsgehalt des Signals wird dann durch den Detektor 89 als ein Wiedergabesignal an eine Aufzeichnungs- oder Wiedergabestufe 90 in bekannter Weise geliefert.
Das digitale Schieberegister 65 ist weiter ins einzelne gehend in F i g. 9 dargestellt. Es sind die vier Stufen 67, 68, 69 und 70 gezeigt, wobei die Stufe 67 ein Flipflop mit einer Verzögerungseinheit für das Signal/m enthält. Die Stufe 68 weist drei Flipflops auf, die drei Verzögerungseinheiten liefern, die Stufe weist fünf Flipflops auf, die entsprechend fünf Verzögerungseinheiten für das an der Anzapfleitung 69 erscheinende Signal liefern, und schließlich enthält die Stufe 70 sieben Flipflops, die sieben Verzögerungseinheiten für das an der Anzapfleitung 80 erscheinende Signal bilden. Insgesamt wird daher gegenüber dem Signal Jn, das Signal der Anzapfleitung 78 um eine Verzögerungseinheit, das Signal der Anzapfleitung 79 um vier Verzögerungseinheiten, das Signal der Anzapfleitung 80 um neun Verzögerungseinheiten und das Signal der Anzapfleitung 81 um sechzehn Verzögerungseinheiten verzögert. Betrachtet man die Stufe 67 als Stufe eins, 68 als Stufe zwei, 69 als Stufe drei und 70 als Stufe vier, so ist die Verzögerung gleich dem Quadrat der Stufenzahl. Die einzelnen Flipflops sind jeweils so aufgebaut, daß bei jedem Taktimpuls ein Eingangssignal an ihren Ausgang übertragen wird.
Die Impulsdiagramme der Fig. 1OA bis 1OE zeigen die relativen Ausgangssignale der Anzapfleitungen 77 bis 81. Die Impulsfolge der F i g. 10 A stellt das Ausgangssignal des Oszillators 72 dar und kann beispielsweise eine Rechteckwelle mit einer Frequenz/m von 75 kHz sein.
Die Flipflops werden durch die Steuerfrequenz / getaktet, die im vorliegenden Beispiel sich zeitlich ändert, wie das mit Fig. 11 gezeigt ist. Jedesmal, wenn zum Zeitpunkt TR ein akustischer Impuls ausgesandt wird, beginnt der Taktgenerator 74 damit, einen Taktimpuls zu liefern, dessen Frequenz sich linear mit der Zeit ändert, bis Echosignale aus der Höchstentfernung eingetroffen sind, wonach der Vorgang wiederholt wird. Da für die ersten 10% der Entfernung keine Information abgebildet wird, liefert der Taktgenerator 74 tatsächlich ein Ausgangssignal an die Flipflops, das mit einer Frequenz/l beginnt und mit einer Höchstfrequenz Jl für die Höchstentfernung RM endet. Die Frequenz Jl kann beispielsweise 1,2 MHz sein, während die Frequenz Jl den zehnfachen Wert von 12 MHz hat.
Fig. 1OB zeigt das/„-Signal nach einer Verzögerung um eine Verzögerungseinheit durch die angezapfte Stufe 67 und bei einer bestimmten Steuer- oder Taktfrequenz/ im sägezahnartigen Anstieg von beispielsweise 2,4MHz. Nach drei Verzögerungseinheiten wird die /,-Kurve gegenüber der Kurve A durch die mit Fig. IOC wiedergegebene Kurve phasenverschoben, nach fünf Verzögerungseinheiten nach der Stufe 69 ist die Kurve bzw. das Signal entsprechend Fig. IOD phasenverschoben, und nach sieben weiteren, von der Stufe 70 gelieferten Verzögerungseinheiten hat das Signal den mit Fig. 1OE gezeigten Verlauf.
Da die Taktfrequenz/ im MHz-Bereich viel größer als die Frequenz des im kHz-Bereich liegenden Mischsignals/n ist, würden die Kurven oder Impulsfolgen der Fig. 10A-E an sich mit der Taktfrequenz ein- und ausgeschaltet, jedoch ist der Einfachheit halber nur die Hüllkurve des Mischsignals/, dargestellt. Es sei bemerkt, daß die Impulsfolgen 10,4 bis 10£ einen statischen Zustand innerhalb eines an sich dynamisehen Betriebsablaufs darstellen. Die Impulsfolgen \0A bis 10£ entsprechen somit im wesentlichen einer Momentaufnahme der einander zugeordneten Impulsfolgen an einer einzigen Stelle im /-Sägezahnanstieg, wogegen eine kinematographische Aufnahme erforderlich wäre, um den tatsächlichen Betriebsablauf zwischen/Ϊ und Jl zu zeigen, während dessen die Impulsfolgen sich um φί (t) der Beziehung (5) proportionale Beträge im Verhältnis zur Bezugslinie R verschieben würden.
Die Taktfrequenz ändert sich somit nach jedem ausgesandten Sonarimpuls und während des Eintreffens der Echosignale von dem beschallten Gebiet linear mit der Zeit, und die mit Fig. 10B, IOC, IOD und 1OE gezeigten Impulsfolgen ändern ihre Phasenlage in bezug auf die Impulsfolge A im Hinblick auf eine Aufhebung der Werte /?,■ (t) der Sonarsignale durch zeitliche Änderung der Phasenlage. Die Phasendifferenzen zwischen den Impulsfolgen sind im Hinblick auf die Bezugslinie R am rechten Ende der Impulsfolgen wiedergegeben, da an sich die Impulsfolge E das Ausgangssignal des Oszillators 72 zu einem Zeitpunkt wiedergibt, der früher als alle Impulsfolgen darüber liegt, ebenso wie die übrigen Impulsfolgen.
Sehr kurz nach der akustischen Aussendung und wenn Echosignale verarbeitet werden müssen, ist die Taktfrequenz verhältnismäßig niedrig, so daß die Maximalkrümmung des Meßwertwandlers 56 (F i g. 8) simuliert wird, um das Signal auf einen Teil des interessierenden Gebiets zu fokussieren, der eine verhältnismäßig geringe Entfernung hat. Mit zunehmender Taktfrequenz wird die Krümmung des Meßwertwandlers geringer, so daß die Anordnung automatisch für jedes Signal fokussiert ist, das aus dem beschallten Gebiet bis zur Maximalentfernung eintreffen könnte. Die Maximalverzögerung liefert die Anzapfleitung 81, so daß die Mischstufen 60-1 und 60-9 mit der größten Phasenverschiebung beaufschlagt werden, die dann für die vorangehenden Anzapfleitungen progressiv abfällt.
Das Maß, um das das Signal fm bei seinem Durchlauf durch das Schieberegister 65 verzögert werden soll, und dementsprechend das Maß der für die einzelnen Meßwertwandler-Segmente erzeugten Phasenver-Schiebungen ist eine Funktion des Abstands des speziellen Segments vom Referenz-Segment. Dieses Prinzip wird anhand Fig. 12 und 13, die einen Meßwertwandler in einem Z/T-Koordinatensystem zeigen, sowie Fig. 14 erläutert, die eine Wellenfront und ein Meßwertwandler-Segment entsprechend F i g. 6 zeigt. Im Idealfall würden alle Segmente des segmentierten geradlinigen Meßwertwandlers 95 auf einem Kreis mit dem Radius R liegen, wobei R die Entfernung ist. Der geradlinige Meßwertwandler bildet eine Tangente an diesen Kreis mit dem Radius R und liegt mit seinem Mittelpunkt im Ausgangspunkt (0, 0) eines Z/y-Koordinatensystems. Die Beziehung für den Kreis lautet:
2 = χ1 + r-
(6)
Zur weiteren Untersuchung empfiehlt es sich, die Koordinaten so umzuwandeln, daß der Mittelpunkt des Meßwertwandlers 95 festliegt, während sich die Entfernung demgegenüber verschiebt, so daß Fig. 13 den Meßwertwandler 95 als auf der Ordinate liegend und bezüglich des Ausgangspunktes (0, 0) des Koordinatensystems zentriert zeigt. Setzt man
Xx = X+ R
(7)
und setzt diesen Ausdruck in die Beziehung (6) ein, so erhält man:
0 = X2, - 2 XxR + Γ- (8).
Löst man die Beziehung (8) nach Xx auf, so ergibt sich:
xx = R- : - r- (9).
Dies läßt sich als Reihe ausdrücken, und es läßt sich zeigen, daß mit guter Näherung gilt:
Da R = ctl2, gilt
v Y2
(10).
(Hi-
Die Beziehung (11) zeigt, daß der Verzögerungswert Xx sich umgekehrt mit der Zeit ändert, und daß die Größe der Verzögerung Xx proportional dem Quadrat des Abstandes Y vom fraglichen Element bis zu der Stelle ist, an der der Kreisbogen den Meßwertwandler-Punkt (0, 0) berührt.
Fig. 14 zeigt das /-te Meßwertwandler-Segment, wie in Fig. 6, in einer Entfernung Y1 vom mittleren Meßwertwandler-Segment. Die Wellenfront 46 hat einen Abstand d, vom /-ten Meßwertwandler-Segment längs einer Radiallinie, und für die verhältnismäßig kleinen auftretenden Winkel ist rf, annähernd gleich X1, Q. h. dem Abstand des /-ten Meßwertwandler-Segments von der Wellenfront 46 längs der J-Achse. Der Wert X1 der Fig. 14, der im wesentlichen gleich rf, ist, entspricht dem A>Wert der Beziehung (11). Da A", im wesentlichen gleich rf,, kann es in der Beziehung (2) für rf, eingesetzt werden, so daß man als Funktion der Zeit erhält
ß, (t) = InYrIλ et (12)
Die Fortbewegungsgeschwindigkeit des Trägerfahrzeugs muß für ein seitenorientiertes Sonarsystem mit Einzelstrahl gleich der Breite eines beschallten Gebiets je akustischer Aussendung sein. Dieser Wert entspricht für ein seitenorientiertes Sonarsystem hoher Auflösung typischerweise einer Größenordnung von 2-3 Knoten. Die Trägerfahrzeuggeschwindigkeit kann um einen Faktor N erhöht werden, wenn je Seite N Empfängerstrahlen gebildet werden. Das in Verbindung mit F i g. 8 erläuterte Prinzip kann eingesetzt werden, um zusätzliche Strahlen parallel zu dem zentrischen Strahl des Meßwertwandlers zu bilden. So zeigt beispielsweise Fig. 15 einen Meßwertwandler 98, der aus einer Mehrzahl Meßwertwandler-Segmente 98-1 bis 98-9 zusammengesetzt ist. Der als durchgehende Linie wiedergegebene Kreisbogen, der gegenüber dem Segment 98-5 zentriert ist, dient zur Bildung des Empfängerstrahls 5 und wird in der zuvor beschriebenen Weise gebildet. Weitere Empfängerstrahlen können in bezug auf weitere Segment! zentriert werden, und der mit der gestrichelten Linii wiedergegebene, gegenüber dem Segment 98-4 zen trierte Kreisbogen ist dem Empfänger-Strahl F züge 5 ordnet, der als Parallele zum Empfänger-Strahl B ge zeigt ist. Der Einfachheit halber sind die Strahlei durch gerade Linien wiedergegeben, die die Strahl richtung angeben. Der mit einer strichpunktierten Li nie wiedergegebene Kreisbogen bildet den Strahl B
ίο und ist in bezug auf das Meßwertwandler-Segmen 98-8 zentriert. Eine Vielzahl der zur Bildung eine: Strahls erforderlichen Phasenverschiebungen sind mi zur Bildung weiterer Strahlen erforderlichen Phasen verschiebungen identisch, werden jedoch nur an di< Ausgänge unterschiedlicher Meßwertwandler-Seg mente angelegt. Die zur Bildung eines speziell« Strahls erforderliche Phasenverschiebung läßt siel aus der Beziehung (12) erhalten, in der Y1 als der Ab stand des speziellen Meßwertwandler-Segments vor
dem Referenz-Segment für den speziellen Strahl ange nommen wird.
Eine Schaltung zur Bildung von Mehrfachstrahler unter Anwendu-.g der in Verbindung mit Fig. 8 un tersuchten Prinzipien zeigt Fig. 16, wo die Anord nung zur Veranschaulichung sieben Strahlen Bl b'v, Bl bildet. Der Meßwertwandler 100 ist aus neui Meßwertwandler-Segmenten 56'-l bis 56'-9 zusam mengesetzt; die jeweils aufgrund akustischer Energi« von dem beschallten Gebiet ein Ausgangssignal be stimmter Amplitude und Phase liefern. Der Sender Meßwertwandler (nicht dargestellt) wird dann in die sem Zusammenhang so ausgelegt, daß er ein Gebie beschallt, das mindestens gleich dem von allen dieser Empfängerstrahlen »betrachteten« Gebiet ist.
Da durch die Anordnung nach Fig. 16 sieben ver schiedene Strahlen gebildet werden, werden die Aus gangssignale der einzelnen Meßwertwandler-Seg mente nach entsprechender Vorverstärkung paralle an sieben verschiedene Gruppen von neun Mischstu fen geliefert, die das Mischsignal von einem Signalge nerator 102 erhalten. Der Übersichtlichkeit halbe sind jedoch nur drei solche parallele Linien gezeigt und zwar jeweils nur von den Meßwertwandler-Seg menten 56-1, 56'-2, 56'-5 und 56'-7.
Zur Bildung des Strahls Bl ist eine Mehrzah Mischstufen vorgesehen, von denen die Mischstufei 104-1, 104-2,104-5 und 104-7 gezeigt sind. Die Aus gänge dieser Mischstufen, ebenso wie weiterer nich dargestellter Mischstufen zur Bildung des Strahls B] haben die mit F i g. 7 gezeigte Form und werden ge meinsam einem Addierglied 106 zugeführt, dessei Ausgang in der bereits erläuterten Weise verarbeite werden kann, um vom Strahl 51 empfangene Infor mation abzubilden.
Der in bezug auf das Meßwertwandler-Segmen 56'-5 zentrierte Strahl 54 wird durch die an eim Mehrzahl Mischstufen, von denen vier, nämlicl 108-1, 108-2, 108-5 und 108-7, gezeigt sind, geliefer ten Ausgänge der Segmente gebildet. Die Ausgang«
aller dieser dem Strahl 54 zugeordneten Mischstufer werden einem Addierglied 110 zugeführt, dessen Aus gangssignal verarbeitet wird, um vom Strahl 54 emp fangene Information abzubilden. In ähnlicher Weisi empfangen für den Strahl 56 Mischstufen 112-1 unc
folgende Mischstufen 112 die Ausgangssignale voi den Meßwertwandler-Segmenten, die dann, bei Verei nigung mit dem Mischsignal vom Signalgenerato 102, eine Mehrzahl Ausgangssignale ergeben, die den
Addierglied 114 zur weiteren Verarbeitung und Wiedergabe zugeführt werden.
Der Signalgenerator 102 kann ähnlich wie in Fig. 8 ausgebildet sein und dementsprechend ein digitales Schieberegister 116 nut einer Mehrzahl Stufen 117 bis 123 aufweisen. Das Mischsignal fm wird vom Oszillator 125 geliefert, während das Taktsignal fc von einem Taktgenerator 126 geliefert wird.
Bei der Überprüfung nur der ersten Leitung von den einzelnen Meßwertwandler-Segmenten, d. h. der Leitungen mit den Mischstufen der Gruppe 104, erkennt man, daß der Aufbau allgemein der gleiche wie bei F i g. 8 ist, abgesehen von der Zentrierung des Strahls in bezug auf das Segment 56'-2. Das gleiche gilt für die Anordnung mit den Mischstufen der Gruppe 108, wobei der Strahl BA in bezug auf das Segment 56'-5 zentriert ist, sowie den Mischstufen der Gruppe 112, wobei der Strahl B6 in bezug auf das Segment 56'-7 zentriert ist. Grundsätzlich werden die Leitungen mit den Mischstufen und den Addiergliedern der Fig. 8 in der Anordnung nach Fig. 16 siebenmal verdoppelt, wobei jedoch die am weitesten linke Mischstufe auf gegenüberliegende verschiedene Meßwertwandler-Segmente zentriert ist. Beispielsweise empfangen Mischstufen 104-2, 108-5 und 112-7 gegenüber entsprechenden Strahlen Bl, B4 bzw. B6 das Referenzsignal fm vom Oszillator 125. Nachfolgende Mischstufen erhalten das /„-Signal phasenverschoben über die Ausgänge der Stufen 117 bis 123 des digitalen Schieberegisters 116, und zwar jeweils in Übereinstimmung mit der Steuerung durch die Taktfrequenz/,., die in der zuvor erläuterten Weise sich linear mit der Zeit ändert.
Die Mischstufen erhalten daher die Ausgangssignale von den Meßwertwandler-Segmenten und dem Signalgenerator und liefern mehrere Gruppen von Signalen, wobei die einer Gruppe angehörenden Signale im wesentlichen keine Phasenabweichung haben und jede Signalgruppe einen bestimmten Strahl repräsentiert. Die Signalgruppen werden weiter durch die Addierglieder, Filter und Detektoren verarbeitet, um so eine Mehrzahl Wiedergabesignale zu erhalten.
In ruhigen Gewässern kann das Trägerfahrzeug sich längs einen geradlinigen Kurses fortbewegen. In der Regel wird es jedoch, je nach Größe, durch die Wasserbewegung beeinflußt, so daß es auch eine horizontale Drehbewegung um eine vertikale Achse ausführt, wobei dieser Vorgang als Gieren bezeichnet wird. Wenn das Fahrzeug mit einer bestimmten Giergeschwindigkeit giert und während dieser Bewegung eine akustische Aussendung stattfindet, ist der Empfängerstrahl möglicherweise infolge des Gierens nicht auf das vom Senderstrahl beschallte Gebiet gerichtet. Es kann daher eine Einrichtung vorgesehen sein, um den Empfängerstrahl bzw. die Empfängerstrahlen wirksam so zu lenken, daß die Gierwirkung kompensiert wird. Eine solche Anordnung ist mit Fig. 17 für einen Einzelstrahl wiedergegeben, wobei dieses Prinzip sich jedoch auch anwenden läßt, wenn mit Mehrfachstrahlen gearbeitet wird. Die Elemente der Fig. 17 entsprechen Elementen in der Anordnung nach F i g. 8 und tragen daher die gleichen Bezugszeichen. Während in Fig. 8 die Mischstufen 60-1 bis 60-9 in Form einer Pfeilspitze angeordnet waren, die zu dem Meßwertwandler-Segment zeigte, bezüglich dessen der Strahl zentriert werden sollte, sind bei der Anordnung nach Fig. 17 die gleichen Mischstufen längs einer geraden Linie angeordnet, jedoch jeweils
so angeschlossen, daß sie die entsprechenden Ausgangssignale der Meßwertwandler-Segmente 56-1 bis 56-9 wie in F i g. 8 empfangen.
Um den Meßwertwandler in Abhängigkeit von der Zeit unterschiedlich zu fokussieren, liefert der Oszillator 72 das Mischsignal fm und der Taktgenerator 74 das veränderliche Taktsignal/. Auch hier ist ein digitales Schieberegister 137 vorgesehen, das sich jedoch von dem Schieberegister der Fig. 8 unterscheidet. Das digitale Schieberegister hat eine Mehrzahl Stufen 140 bis 143 und deren identische Gegenstücke in Form der Stufen 140' bis 143', die jeweils die in diese Stufen eingetragene Anzahl Verzögerungseinheiten haben.
Eine Einrichtung steuert bzw. lenkt automatisch den Empfängerstrahl, so daß dieser beim Gieren stets auf das beschallte Gebiet gerichtet ist. Um dies zu verwirklichen, ist ein digitales Schieberegister 147 mit einer Mehrzahl identischer Stufen 150 vorgesehen, die jeweils das gleiche, in die Stufen eingetragene Verzögerungsmaß gegenüber dem Mischsignal fm haben. Die Stufen 150 erhalten Taktimpulse der Frequenz/, von einem Taktgeber 154, wobei /. von der Giergeschwindigkeit oder -frequenz abhängt. Ein Gierfrequenzfühler 156 tastet die Gierfrequenz ab, um dann die Taktfrequenz entsprechend zu steuern.
Das Mischsignal fm beaufschlagt alle Mischstufen außer den Mischstufen 60-9 und 60-5 erst nach zweifacher Verzögerung, einmal zur Strahllenkung und einmal zur Fokussierung über den ganzen Entfernungsbereich. Jede der beiden Verzögerungen kann zuerst erfolgen, jedoch zeigt Fig. 17 das Schieberegister 147 für die Strahlsteuerung als erste Verzögerungseinrichtung, da mit dieser Anordnung alle -Stufen 150 identisch sein können.
Vernachlässigt man vorübergehend die Stufen 150 der Strahllenkungsschaltung, so beaufschlagt das Mischsignal fm die Stufen des digitalen Schieberegisters 137. In der Anordnung nach Fig. 8 erhält die Mischstufe 60-5 das Ausgangssignal vom Oszillator 72 unmittelbar als Referenzsignal, d. h. ohne eine Phasenverschiebung. Das gleiche gilt für die Mischstufe 60-5 der Fig. 17. Die Mischstufen 60-4 und 60-6 der F i g. 8 erhalten das Mischsignal nach einer Verzögerungseinheit durch die Stufe 67. Entsprechend beaufschlagen die Stufen 140 und 140' der Fig. 17 die Mischstufen 60-4 und 60-6 mit einer Verzögerungseinheit. Die Mischstufen 60-3 und 60-7 erhalten insgesamt die Verzögerungseinheiten, wie" sie durch die Stufen 67 und 68 vorgegeben werden. Die kumulative Verzögerung, wie sie in F i g. 9 dargestellt ist, entspricht vier Einheiten, und somit liefern die Stufen 141 und 141' den Mischstufen 60-3 und 60-7 vier Einheiten. Die Summe der Verzögerungseinheiten nimmt mit dem Quadrat der Stufenzahl zu; so daß die dritte Stufe 142 und 142' neun und die vierte Stufe 143 und 143' sechzehn Verzögerungseinheiten ergibt und, beim Fehlen der Lenkungsanordnung, die Anordnung genau wie in Verbindung mit F i g. 8 beschrieben arbeitet.
Eine Möglichkeit der Gierkompensation besteht darin, den Empfänger-Meßwertwandler unter einem bestimmten Winkel θ im Verhältnis zur Fortbewegungsrichtung zu befestigen, wie das mit Fig. 18 angedeutet ist, wo die Fortbewegungsrichtung der Y-Achse entspricht und der Meßwertwandler im Verhältnis zur Fortbewegungsrichtung unter einem Winkel θ angeordnet ist, wobei θ beispielsweise die Hälfte
des maximal erwarteten Gierwinkels sein kann. Wenn kein Gieren auftritt und man davon ausgeht, daß der Sender-Meßwertwandler so schräggestellt ist, daß er etwas vor der seitlichen Richtung ausstrahlt, so müßte die richtige Lage für den Meßwertwandler der gestrichelten Linie 56' entsprechen, um Energie von dem beschallten Gebiet zu empfangen. Für diesen Fall kann der Taktgeber 154 eine richtige Nennfrequenz /J71 gleichzeitig an alle Stufen 150 liefern. Die von diesen Stufen hervorgerufenen Verschiebungen oder Verzögerungen bewirken eine Steuerung oder Lenkung des gebildeten Strahls um einen der Frequenz/J, proportionalen Betrag. Die Mischstufe 60-9 erhält keine Lenk- oder Steuerverzögerung, so daß das Meßwertwandler-Segment 56-9 praktisch stationär bleibt, während eine maximale Verzögerung nach der letzten Stufe an die Mischstufe 60-1 abgegeben wird. Die Ausrichtung des Meßwertwandlers nach Fig. 17 im Vergleich zu dem nach Fig. 18 wäre so, daß das Meßwertwandler-Segment 56-9 im Schwenkpunkt 160 angeordnet wäre.
Beginnt das Fahrzeug mit einer bestimmten Frequenz oder Geschwindigkeit zu gieren, so besteht die Gefahr, daß der Empfängerstrahl infolge dieser Bewegung nicht auf das beschallte Gebiet gerichtet ist. Es wird daher die Gierfrequenz erfaßt und die Taktfrequenz gegenüber ihrer Nennfrequenz/v„ so moduliert, daß der Strahl zu dem beschallten Gebiet hingelenkt wird. Durch Verringerung der Frequenz gegenüber ihrer Nenneinstellung wird der Strahl zu der mit der gestrichelten Linie 56" wiedergegebenen Lage hin gelenkt, während eine Erhöhung der Frequenz dazu führt, den Strahl zu der mit der durchgehenden Linie 56 wiedergegebenen räumlichen Lage hin zu lenken. Die Stufen 150 bewirken eine Verzögerung oder Phasenverschiebung der Mischfrequenz/^, die bei der Beaufschlagung der Ausgänge der einzelnen Meßwertwandler-Segmente allmählich zunimmt. Das Ausmaß der Strahlsteuerung oder -lenkung wird durch die Frequenz des Taktgebers 154 bestimmt, die ihrerseits vom Gierwert des Fahrzeugs abhängt.
Die Suchgeschwindigkeit kann verdoppelt werden, indem Meßwertwandler sowohl auf der Back- als auch auf der Steuerbordseiie des Trägerfahrzeugs angeordnet werden, die mit unterschiedlichen Frequenzen arbeiten können. Die Signalverarbeitungsanordnung nach der Erfindung kann sowohl für die Backais auch für die Steuerbordanordnung eingesetzt werden, und Fig, 19 zeigt eine Verdopplung der Anordnung nach Fig. 8 mit einem zusätzlichen zweiten Meßwertwandler 56' für den Einsatz auf der gegenüberliegenden Seite des Fahrzeugs. Außer unerwünschten Seitenbändern und Oberwellen enthalten die Ausgangssignale der einzelnen Mischstufen nicht nur das gewünschte Signal fs-fm von dem Meßwertwandler 56, sondern außerdem auch ein /,'-/„,-Signal vom Meßwertwandler 56'. Um dieses letztgenannte Signal aus dem Ausgangssignal des Addierglieds 85 auszuscheiden, ist ein zusätzliches Bandpaßfilter 87' vorgesehen, dessen Ausgangssignal von einem Detektor 89' aufgenommen wird, der seinerseits das Signal für die Wiedergabe liefert.
Beim Betrieb von Sonaranlagen mit einer Mehrzahl Meßviertwandler oder einen Meßwertwandler bildenden Meßwertwandler-Segmenten wird von einem als »Abschattung« bekannten Vorgang Gebrauch gemacht, um das Ansprechen der Elemente zu verändern und damit in erster Linie unerwünschte Seitenkeulen oder -lappen des Sende- oder Empfangsstrahls zu verringern. Bei der hier beschriebenen Anordnung werden die Kreisbogen der Fig. 5A schrittweise entsprechend der Länge der Meßwertwandler-Segmente angenähert. Diese Annäherung kann Seitenlappen hervorrufen, die als Gitter-Seitenlappen bekannt sind und für kurze Entfernungen unerwünscht sein können. Um diese Seitenlappen zu verringern, kann der gezeigte Meßwertwandler in kleinere Segmente unterteilt werden, es können für kurze Entfernungen Segmente aus der Schaltung herausgenommen werden, oder die verschiedenen Ausgangssignale der Meßwertwandler-Segmente können in geeigneter Weise als Funktion der Zeit be- bzw. abgeschattet werden.
Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

Patentansprüche:
1. SchifTssonaranordnung mit einem Empfangerwandler, der eine Mehrzahl Wandlersegmente aufweist, die angrenzend zueinander längs einer geraden Linie angeordnet und so betreibbar sind, daß sie jeweils ein Ausgangssignal entsprechend dem Empfang akustischer Energie von einem durch impulsweise Abstrahlung von Ultraschallenergie beaufschlagten Zielgebiet abgeben, mit an den Wandlersegmenten angeschlossenen Verstärkerschaltungen, mit den Verstärkerschaltungen nachgeschalteten Verzögerungsschaltungen zur Verzögerung der verschiedenen Signale der Verstärkcrschaltungen um unterschiedliche Verzögerungszeiten, und mit mehreren, den Verzögerungsschaltungen nachgeschalteten Signalvereinigungsschaltkreisen, dadurch gekennzeichnet, daß Steuerschalteinrichtungen (67 bis 70, Fig. 8; 117 bis 132, Fig. 16) an den Verzögerungsschaltungen (60-1 bis 60-9, Fig. 8; 104-1 bis 112-7, Fig. 16) angeschlossen sind, um die unterschiedlichen Verzögerungszeiten zu steuern, daß an die Steuerschalteinrichtungen (67 bis 70, Fig. 8; 117 bis 123, Fig. 16) Verzögerungszeitänderungsschalteinrichtungen (74, Fig. 8; 126, Fig. 16) angeschlossen sind, um die unterschiedlichen Verzögerungen der Verzögerungsschaltungen (60-1 bis 60-9, Fig. 8; 104-1 bis 112-7, Fig. 16) während der Signalaufnahme zur Fokussierung auf eine Mindestentfernung und dann zur fortlaufenden Änderung der Fokussierung bis zu einer Maximalentfernung zu steuern, und daß die Steuerschalteinrichtungen (67 bis 70, Fig. 8; 117 bis 123, Fig. 16) die Verzögerungsschaltungen (60-1 bis 60-9, Fig. 8; 104-1 bis 112-7. Fig. 16) auch steuern, um eine vorbestimmte gegenseitige Abhängigkeit der von den Wandlersegmente» (56-1 bis 56-9, Fig. 8; 56-1 bis 56-9) erzeugten Signale zu erzeugen, um die Entfernung entlang eines gewünschten Aufnahmebandes zu verändern, wobei das Aufnahmeband eine gegebene geometrische Beziehung hinsichtlich des Empfangswandlers (56-1 bis 56-9) aufweist, und daß der Signalvereinigungsschaltkreis (85, Fig. 8; 106, 110, 114, Fig. 16) an. den Verzögerungsschaltungen (60-1 bis 60-9, Fig. 8; 104-1 bis 112-7, Fig. 16) derart angeschlossen ist, daß von den verschiedenen Verzögerungsschaltungen (60-1 bis 60-9, Fig. 8; 104-1 bis 112-7, Fig. 16) verschiedene Verzögerungen lieferbar sind, und außerdem die Fähigkeit entsteht, unterschiedliche Verzögerungen eines Signals von einem jedem einzelnen Wandlersegment (56-i bis 56-9) an jedes der Signalvereinigungsschaltkreise (85, Fig. 8; 106, 110, 114, Fig. 16) zu liefern, um eine Serie von aufeinander fokussierten Empfangsbändern zu liefern, derart, daß die Bänder angrenzend zueinander angeordnet sind.
2. SchifTssonaranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Wandlersegmenten (56-1, 56-2...) angeschlossenen Verstärkerschaltungen (58-1,58-2...) mit. einer Schaltung (62) zur zeitlichen Änderung des Verstärkungsfaktors (TVG) verbunden sind, die eine Kompensation abnehmender akustischer Signalstärke infolge Ausbreitungsdämpfung ermög
licht.
3. Schiffssonaranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschalteinrichtungen für die Verzögerungsschaltungen (60-1, 60-2,...) ein digitales Schieberegiscer mit mehreren angezapften Stufen (67, 68, 69, 70) umfassen, wobei am Eingang des Schieberegisters (65) ein von einem Oszillator (50, Fig. 7) erzeugtes Mischsignal (FM) anliegt, so daß das Mischsignal (FM) die Schieberregieterstufen (67, 68, 69, 70) unter Taktsteuerung eines Taktgenerators (74, Fig. 17) mit einer Taktfrequenz (fc) durch das Schieberegister (65, F i g. 8) und damit zu den Anzapfpunkten (77, 79, 80, 81, Fig. 9) verschiebbar ist.
4. Schiffssonarariordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung durch die Frequenz des das Mischsignal (fm) erzeugenden Oszillators (72) festgelegt ist.
5. Schiffssonaranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung durch zeitliche Änderungen der Frequenz des das Taktsignal (fc) erzeugenden Oszillators (74) festgelegt ist, insbesondere durch periodisch linearen Anstieg von einem Anfangswert bis zu einem Endwert.
6. Scniffssonaranordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalvereinigungsschaltkreis ein Addierglied (85) mit Eingangsanschlüssen für die Ausgänge der einzelnen Verzögerungsschaltungen (60-1, 60-2...) umfaßt, dem ein Bandpaßfilter (87) zur Aushebung nicht gewünschter Seitenbänder und Oberwellen nachgeschaltet ist.
7. Schiffssonaranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bandpaßfilter (87) ein Detektor (89) zur Aufnahme und Gleichrichtung des dem Mischsignal (fm) und dem Ultraschallsignal (fs) bestehenden, vom Bandpaßfilter durchgelassenen Signals (fs-fm) und zur Lieferung eines Ansteuersignals für die Darstellungseinrichtung (90) (Fig. 8) nachgeschaltet ist.
8. Schiffssonarnordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Schieberegister (65) aus mehreren, insbesondere vier (67, 68, 69, 70) Stufen mit jeweils steigender Anzahl von Flip-Flops (nämlich 1, 3, 5,1) besteht, die jeweils eine bestimmte Zeitverzögerung liefern, derart, daß sich die Zeitverzögerung gemäß einer quadratischen Funktion von Stufe zu Stufe vergrößert (nämlich um 1, 4, 9, 16 usw. Verzögerungseinheiten) (Fig. 9).
9. Scniffssonaranordnung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mehrere zusätzliche (N) Empfangsstrahlen bildbar sind, die parallel zu einem zentrischem Strahl (B) des Wandlers (98) liegen (F i g. 15).
10. Schiffssonaranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden zusätzlichen Empfangsstrahl eine eigene Gruppe von Mischstufen (z. B 104-1, 104-2...) mit nachgeschaltetem eigenen Addierglied (z. B. 106) vorgesehen ist (Fig. 16).
11. Schiffssonaranordnung nach einem der Ansprüche 1-10, gekennzeichnet durch ein zweites Schieberegister (147) zur Gierkorrektur, bestehend aus mehreren identischen Stufen (150) mit jeweils gleichem Verzögerungsmaß für das am Ein-
gang des Schieberregisters (147) anliegende Mischsignal (72, fm), die mit Taktimpulsen eines Taktgebers (154) ansteuerbar sind, dessen Taktfrequenz (fyj von einem Gierfrequenzfühler (156) gesteuert ist.
12. Schiffssonaranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die vom zweiten Schieberegister (147) abgegebenen Mischsignale den Flip-Flop-Gruppen (140 bis 143) des eisten Schieberegisters (137) als Mischsignal (fm) zuführbar sind (F i g. 17).
13. Schiffssonaranordnung nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Seiten des Trägerfahrzeugs jeweils eine Wandleranordnung mit Signalverarbeitungsschaltung angeordnet ist, um die Meßgeschwindigkeit zu verdoppeln.
14. Schiffssonaranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß beide Selten mit unterschiedlicher Meßfrequenz arbeiten.
15. Schiffssonaranordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Addierglied (85) ein zusätzliches Bandpaßfilter (87') angeordnet ist, um durch den anderen Wandler erzeugte Störsignale auszufiltern.
DE2506997A 1974-02-21 1975-02-19 Schiffssonaranordnung Expired DE2506997C2 (de)

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DE2506997A1 DE2506997A1 (de) 1976-01-15
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