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Die
Erfindung betrifft eine Sonareinrichtung nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Eine
bekannte Sonareinrichtung zum Peilen von im Wasser sich befindlichen
Schallquellen (
EP 1 176
428 B1 ) weist eine flächenhaft ausgedehnte Unterwasserantenne,
eine sog. Flächenantenne oder ein Flächenarray,
auf, in der auf einen Träger eine Vielzahl von voneinander
beabstandeten Wandlerelementen in Reihen und Spalten angeordnet
sind. In der Antenneneinsatzposition verlaufen die Reihen etwa horizontal
und die Spalten rechtwinklig dazu. Die in den Spalten untereinander
angeordneten Wandlerelemente bilden einen elektroakustischen Wandler,
auch Stave genannt, der eine Richtcharakteristik mit einem deutlich
kleineren vertikalen Öffnungswinkel aufweist als ein Wandlerelement.
Dies wird dadurch erreicht, dass die Ausgangssignale von allen in
einer Spalte untereinander angeordneten Wandlerelementen addiert
werden und das gemittelte Summensignal als Ausgangssignal oder Empfangssignal
des Wandlers ausgegeben wird. Durch den verkleinerten vertikalen Öffnungswinkel
der Wandler wird eine deutliche Störbefreiung der Wandler
in Vertikalrichtung erreicht und das Nutz/Störverhältnis
der elektrischen Empfangssignale der Wandler verbessert.
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Zur
Erzielung einer Richtcharakteristik der Unterwasserantenne in Horizontalrichtung
werden mit den Empfangssignalen der Wandler sog. Gruppensignale
gebildet, indem die Empfangssignale so zeitverzögert werden,
dass sie bezogen auf eine Hauptrichtung der Richtcharakteristik
konphas zueinander sind, und anschließend addiert werden
und das Summensignal normiert wird. Die Verzögerungszeit,
um der das jeweilige Empfangssignal verzögert wird, ist
durch die Lage des jeweiligen Wandlers bezüglich der gewünschten
Hauptrichtung der Richtcharakteristik bestimmt. Durch unterschiedlich bemessene
Zeitverzögerungen kann eine Vielzahl von Richtcharakteristiken
gebildet werden, die alle um unterschiedlich große horizontale
Winkel gegen die Normale der Antenne geschwenkt sind. Der Schwenkwinkel
der Richtcharakteristik mit maximalem Schallempfang ist der Peilwinkel
unter dem die Schallquelle von der Unterwasserantenne aus gesehen
wird. Dieser Peilwinkel wird auch Peilung zur Schallquelle genannt.
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Bei
U-Booten, die zur Realisierung von Seiten- oder Seitensichtsonaren
mit einem sog. Flankarray ausgerüstet sind, das ist eine
horizontal an der Bordwand des U-Boots befestigte Linearantenne,
die eine Mehrzahl von nebeneinander gereihten Hydrofonen aufweist,
geht man zunehmend dazu über, die Steuer- und backbordseitige
Linearantenne durch Flächenantennen der eingangs beschriebenen
Art zu ersetzen, um eine verbesserte Störbefreiung in Vertikalrichtung
zu erzielen. Da bei diesen Flächenantennen die Schallhauptempfangsrichtung
in Vertikalrichtung immer rechtwinklig zum Antennenträger
ausgerichtet ist, muss beim Anbau der Flächenantenne darauf
geachtet werden, dass der die Wandlerelemente aufnehmende Träger
im wesentlichen vertikal am U-Boot ausgerichtet ist, um zu vermeiden,
dass über die vertikale Richtcharakteristik mit dem relativ breiten Öffnungswinkel
in Vertikalrichtung Störeinflüsse aus Schallreflexionen
am Meeresboden oder an der Wasseroberfläche sich in den
Empfangssignalen verstärkt bemerkbar machen, die je nach Tauchtiefe
des U-Boots eine beträchtliches Ausmaß annehmen
können. Ein vertikaler Anbau der Flächenantenne
erfordert aber bei der zylinderähnlichen Form des U-Boots
eine relativ aufwendige Trägerkonstruktion des Antennenträgers.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sonareinrichtung der
eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Ausrichtung der
Schallhauptempfangsrichtung der Unterwasserantenne in der Vertikalen
ungeachtet der Anbaulage der Unterwasserantenne an einer Plattform
wunschgemäß eingestellt werden kann.
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Die
Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale
im Anspruch 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Sonareinrichtung hat den Vorteil,
dass entsprechend der Anzahl der vorgehaltenen Sätze an
wandlerspezifischen Verzögerungszeiten in den Zeitverzögerungsgliedern
die Ausrichtung der Winkelhalbierenden des vertikalen Öffnungswinkels
oder der Achse der Vertikalkomponente der Richtcharakteristik der
Unterwasserantenne variabel ausgerichtet werden kann. Bei einem
gegenüber der Vertikalen geneigten Einbau der Unterwasserantenne
wird dann die Achse der Richtcharakteristik durch die in den Wandlern
eingestellten wandlerelementspezifischen Verzögerungszeiten vertikal
in die Horizontale geschwenkt. Die einzustellenden Verzögerungszeiten
in den Zeitverzögerungsgliedern sind nach Anbau der Unterwasserantenne an
die Plattform, z. B. an die Bordwand eines U-Boots, vorzugsweise
von außen aufrufbar. Zudem wird die Möglichkeit
eröffnet, die Ausrichtung der Richtcharakteristik auch
während des Einsatzes zu ändern, wenn z. B. das
U-Boot sehr nah am Meeresboden oder nahe an der Wasseroberfläche
operiert. Im ersten Fall würde dann die Richtcharakteristik leicht
nach oben und im anderen Fall verstärkt nach unten geschwenkt
werden, um störende Rückstreuungen von dem Meeresboden
bzw. der Wasseroberfläche auszublenden. Die Einstellung
der vertikalen Ausrichtung der Richtcharakteristik der Unterwasserantenne
nach Anbau oder während des Einsatzes lässt zudem
den Richtungsbildner für die horizontale Richtcharakteristik
der Unterwasserantenne unverändert. Selbst die vorhandene
Verkabelung zwischen der Unterwasserantenne und dem Richtungsbildner braucht
nicht geändert zu werden, da die Signalverarbeitungskomponenten
für die Wandlerelemente jedem Wandler als elektronische
Baueinheit zugeordnet oder in die Wandler integriert werden können
und die Ausgänge der elektronischen Baueinheiten dann mittels
der vorhandenen Verkabelung an dem Richtungsbildner anzuschließen
sind.
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Zweckmäßige
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Sonareinrichtung mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind dem elektrischen
Ausgang eines jeden der untereinander angeordneten Wandlerelemente
eines Wandlers ein Verstärker, ein A/D-Wandler und ein
Zeitverzögerungsglied in der genannten Reihenfolge nachgeschaltet
und die Ausgänge aller Zeitverzögerungsglieder
an einem Summierverstärker mit nachgeschaltetem Mittelwertbildner
angeschlossen, an dessen Ausgang das elektrische Empfangsignal des
Wandlers abnehmbar ist.
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Um
ohne größeren technischen Aufwand eine sehr genaue
Einstellung der Zeitverzögerungen mittels der Verzögerungszeiten
zu erreichen, die immer nur ein ganzzahliges Vielfaches eines Abtastintervalls
eines A/D-Wandlers sein können, werden gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die A/D-Wandler
mit einer Abtastrate getaktet, die deutlich höher ist als
die nach dem Abtasttheorem erforderliche Abtastrate der Wandler.
Mit Hilfe eines dem Summierverstärker mit Mittelwertbildner
nachgeschalteten Dezimierungsfilters wird dann die gewünschte
Abtastrate für die Empfangssignale wieder hergestellt.
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Die
Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispiels
im folgenden näher beschrieben. Es zeigen in schematischer
Darstellung:
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1 eine
Seitenansicht einer flächenhaft ausgebildeten Unterwasserantenne
für eine Sonareinrichtung,
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2 eine
Unteransicht der Unterwasserantenne in Richtung Pfeil II in 1,
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3 eine
Stirnansicht der Unterwasserantenne in Richtung Pfeil III in 2,
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4 ein
Blockschaltbild der Sonareinrichtung,
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5 ein
Blockschaltbild einer Elektronikeinheit zur Bildung der elektrischen
Empfangssignale der Unterwasserantenne in 4,
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6 eine
gleiche Darstellung wie in 3 der Unterwasserantenne
in Anbaulage an der Bordwand eines U-Boots.
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Die
in 4 und 5 in ihrer Gesamtheit im Blockschaltbild
dargestellte Sonareinrichtung, die beispielsweise zum Peilen von
Schallquellen im Wasser verwendet wird, weist eine als Flächenantenne
ausgebildete akustische Unterwasserantenne 11 und eine
Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung der von der Unterwasserantenne 11 gelieferten elektrischen
Signale auf. Die in 1 bis 3 in verschiedenen
Ansichten schematisch skizzierte Unterwasserantenne 11 besitzt
eine Wandleranordnung 12 aus einer Vielzahl von Wandlerelementen 13,
die auf einem Träger 14 voneinander, vorzugsweise gleichmäßig,
beabstandet angeordnet sind. Die Wandlerelemente 13 sind
in Spalten und Reihen angeordnet, wobei in Antenneneinsatzposition
die Wandlerelemente 13 in den Reihen horizontal nebeneinander
und die Wandlerelemente 13 in den Spalten untereinander
angeordnet sind. Der Antennenträger 14 kann dabei
vertikal oder gegenüber der Vertikalen geneigt ausgerichtet
sein, wie dies in 6 illustriert ist. Mittels einer
in der nachfolgend noch beschriebenen Schaltungsanordnung vorgenommenen
Signalverarbeitung der elektrischen Ausgangssignale der Wandlerelemente 13 bilden
alle in einer Spalte untereinander angeordnete Wandlerelemente 13 einen elektroakustischen
Wandler 15, auch Staue genannt, (4 und 5),
so dass eine der Anzahl der Spalten entsprechende Zahl von Wandlern 15 horizontal nebeneinander
im gleichen Abstand voneinander angeordnet sind und jeweils ein
aus den elektrischen Ausgangssignalen der Wandlerelemente 13 zusammengesetztes
elektrisches Empfangssignal liefern. Im Ausführungsbeispiel
der 1 bilden jeweils sechs Wandlerelemente 13 einen
Wandler 15, wobei die Anzahl der Wandlerelemente 13,
in 5 mit N bezeichnet, beliebig sein kann. Je größer
N ist, desto kleiner ist der sich ergebende vertikale Öffnungswinkel φ der
Richtcharakteristik der Unterwasserantenne 11 (6).
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Wie
im Blockschaltbild der 5 dargestellt ist, ist am elektrischen
Ausgang eines jeden Wandlerelements 13 die Reihenschaltung
aus einem Verstärker 16, einem A/D-Wandler 17 und
einem Zeitverzögerungsglied 18 angeschlossen.
Alle Ausgänge der Zeitverzögerungsglieder 18,
die zu einem Wandler 15, also zu der Anzahl N der untereinander
angeordneten Wandlerelemente 13 gehören, sind
an einem Summierverstärker 19 angeschlossen, dessen Summensignal
einem Dividieren 20 zugeführt ist, in dem das
Summensignal durch Division durch die Zahl N der vorhandenen Wandlerelemente 13 normiert
wird. Dem Dividierer 20 ist ein Dezimierungsfilter 21 nachgeschaltet,
dessen Ausgang 22 den elektrischen Signalausgang eines
Wandlers 15 bildet, an dem das elektrische Empfangssignal
des Wandlers 15 abgenommen wird.
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In
dem Summierverstärker
19 werden die verstärkten
und analog/digital gewandelten elektrischen Ausgangssignale der
einem Wandler
15 zugehörigen, untereinander angeordneten
Wandlerelementen
13 konphas addiert. Hierzu werden die
digitalisierten Ausgangssignale in geeigneter Weise zeitverzögert.
In jedem Zeitverzögerungsglied
18 ist dabei mindestens
eine Verzögerungszeit T
n(α
1) (n = 1, 2, ... N) abgespeichert, wobei
die abgespeicherte Verzögerungszeit durch die gewünschte
Ausrichtung der Schallhauptempfangsrichtung der Unterwasserantenne,
auch als Hauptachse der Richtcharakteristik der Unterwasserantenne
11 bezeichnet,
in der Vertikalen und durch die Lage des Wandlerelements
13 bezüglich
dieser Ausrichtung bestimmt ist. Beispielhaft ist in
3 die
gewünschte Vertikalkomponente der Schallhauptempfangsrichtung
mit
23 bezeichnet. Diese ist gegenüber der Antennennormalen
24 um
den Vertikalwinkel α
1 geschwenkt.
Die in jedem Zeitverzögerungsglied
18 eines Wandlers
15 einzustellende
Zeitverzögerung T
n(α
1) berechnet sich gemäß
wobei n = 1, 2, ... N, c
die Schallgeschwindigkeit im Wasser und d der Abstand zwischen zwei
untereinander angeordneten Wandlerelementen
13 ist.
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Diese
Verzögerungszeiten Tn(α1) für N Wandlerelemente 13 werden
in den N Zeitverzögerungsgliedern 18 abgespeichert
und sind von außen aufrufbar. Soll die Schallhauptempfangsrichtung
der Wandler 15 in der Vertikalen mehrfach unterschiedlich
ausgerichtet werden können, so sind in jedem der N Zeitverzögerungsglieder 18 mehrere
Verzögerungszeiten Tn(αi) mit i = 1, 2, ... k abgespeichert, die getrennt
aufgerufen und in den Zeitverzögerungsgliedern 18 eingestellt
werden können. Die Sätze der in den Zeitverzögerungsgliedern 18 eines
Wandlers 15 abgespeicherten und jeweils aufgerufenen Verzögerungszeiten
Tn(αi)
mit n = 1, 2, ... N und i = 1, 2, ... k sind bei allen Wandlern 15 identisch.
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Um
die in den Zeitverzögerungsgliedern 18 eines Wandlers 15 für
die einzelnen Wandlerelemente 13 erforderlichen Verzögerungszeiten
Tn(αi)
möglichst genau einstellen zu können, die immer
nur ein ganzzahliges Vielfaches eines Abtastintervalls der A/D-Wandler 17 sein
können, werden die A/D-Wandler 17 mit einer wesentlich
höheren Abtastrate abgetastet, als dies nach dem Abtasttheorem
erforderlich wäre. Durch das Dezimierungsfilter 21 wird
von der hohen Abtastrate dann wieder auf eine niedrige Abtastfolge
gewechselt.
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Um
die Nebenzipfel in der Vertikalkomponente der Richtcharakteristik
zu dämpfen, werden die Ausgangssignale aller (im Ausführungsbeispiel sechs)
jeweils einem Wandler 15 zugehörigen Wandlerelemente 13 einer
Amplitudenstaffelung unterzogen, wobei die in jedem Wandler 15 erfolgende
Amplitudenstaffelung gleich ist. Hierzu ist zwischen den Zeitverzögerungsgliedern 18 und
den Eingängen des Summierverstärkers 19 noch
jeweils ein Multiplizierer 31 angeordnet, der das digitale
Signal mit einem Faktor multipliziert, der durch die Lage des Wandlerelements 13 in
der Vertikalrichtung bestimmt ist, wobei der Faktor, ausgehend von
den mittleren Wandlerelementen 13 zu den äußeren
Wandlerelementen 13 hin abnimmt. Bei sechs Wandlerelementen 13 pro
Wandler 15 und einer z. B. binominalen Amplitudenstaffelung
sind dann die in den Multiplizierern 31 eingestellten Multiplikationsfaktoren,
ausgehend von dem dem obersten ersten Wandlerelement 13 zugeordneten Multiplizierer 31 bis
zu dem dem untersten sechsten Wandlerelement 13 zugeordneten
Multiplizierer 31,: 0,1; 0,5; 1; 1; 0,5; 0,1.
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Die
in 5 dargestellten elektronischen Komponenten aller
einen Wandler 15 bildenden Wandlerelemente 13 sind
baulich in einer Elektronikeinheit 25 zusammengefasst,
an deren Eingänge die untereinander angeordneten Wandlerelemente 13 einer
Spalte angeschlossen sind und an deren Signalausgang 22 die
Empfangssignale des Wandlers 15 abnehmbar sind. Alle Elektronikeinheiten 25 sind, wie
dies in 4 dargestellt ist, mit ihren
Signalausgängen 22 an einem an sich bekannten
Richtungsbildner 26 angeschlossen. Wird in einer Sonareinrichtung,
die mit einer Linearantenne als an der Bordwand befestigtes Flankarray
ausgerüstet ist, die Linearantenne gegen eine Flächenantenne,
wie sie in 1 bis 3 dargestellt
ist, ausgetauscht, so kann die zum Richtungsbildner 26 bestehende
Verkabelung der Unterwasserantenne 11 ohne Änderungen
beibehalten werden, da lediglich die Ausgänge 22 der
Elektronikeinheit 25 mit der bestehenden Verkabelung belegt
werden müssen.
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Zur
Detektion und Peilung von Schallquellen werden in bekannter Weise
aus den digitalen Samples Sj der Empfangssignale
der j Wandler 15 (mit j = 1, 2, ... M) zeitlich aufeinanderfolgende
Gruppensignale gebildet, indem die Empfangssignale entsprechend
den unterschiedlichen Richtungen ϑ der Gruppencharakteristiken
nach unterschiedlichen Zeitverzögerungen konphas aufaddiert
werden gemäß
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Die
Verzögerungszeiten t
j(ϑ)
sind in einem Speicher
29 für eine beliebige Anzahl
von Richtungen ϑ abgelegt und sind wiederum abhängig
von der Lage des Wandlers
15 zur Richtung ϑ gemäß
berechnet, wobei j = 1, 2,
... M, d der horizontale Abstand der Wandler
15 voneinander
und c die Schallgeschwindigkeit ist.
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In 2 ist
schematisch die Horizontalkomponente 27 der Hauptachse
einer Richtcharakteristik dargestellt, die um den horizontalen Schwenkwinkel ϑ gegenüber
der Antennennormalen 24 geschwenkt ist. Die Vertikalkomponente 23 der
Hauptachse der Richtcharakteristik ist um den Vertikalwinkel α1 geneigt (3).
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Alle
Pegel der Gruppensignale, die für die verschiedenen Empfangrichtungen ϑ gebildet
worden sind, werden im Block 28 abgespeichert. Die Empfangrichtung ϑ mit
dem größten Pegel wird als Peilung zum Ziel definiert.
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In 6 ist
schematisiert der Anbau der beschriebenen Unterwasserantenne 11 an
einer im Schnitt dargestellten Bordwand 30 eines U-Boots skizziert.
Die Antennenormale 24 der plan an der Bordwand 30 anliegenden
Unterwasserantenne 11 ist anbaubedingt schräg
nach unten gerichtet. Bei dem relativ großen vertikalen Öffnungswinkel φ der Unterwasserantenne 11 würden über
ihre Richtcharakteristiken in verstärktem Maße
Bodenechos empfangen, was zu einem schlechten Nutz/Stör-Verhältnis
der Empfangssignale der Wandler 15 führen würde.
Um dies zu vermeiden, müssen die Richtcharakteristiken
der Unterwasserantenne 11 in der Vertikalen so ausgerichtet
werden, dass die Winkelhalbierende des Öffnungswinkels φ etwa
horizontal ausgerichtet ist. Im dargestellten Beispiel müssen die Richtcharakteristiken
um den Winkel α gegenüber der Antennennormalen 24 nach
oben geschwenkt werden. In den Zeitverzögerungsgliedern 18 aller Wandler 15 wird
hierzu der gleiche Satz an wandlerelementspezifischen Verzögerungszeiten
Tn(α) aufgerufen und in den Zeitverzögerungsgliedern 18 eingestellt.
Damit sind die Richtcharakteristiken der Unterwasserantenne 11 um
den Vertikalwinkel α, wie in 6 dargestellt,
geschwenkt. Die jetzt in den Zeitverzögerungsgliedern 18 eingestellten
Verzögerungszeiten werden unverändert beibehalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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