DE3034953C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Detektionsgenauigkeit einer geschleppten akustischen Unterwasserantenne der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Art, sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach dem jeweiligen Oberbegriff der Patentansprüche 3 und 10.

Zur aktiven und passiven Sonarortung werden mitunter akustische Empfangsantennen verwendet, die von einem Wasserfahrzeug in Abstand von diesem geschleppt werden. Der akustisch relevante Teil einer solchen Antenne besteht im wesentlichen aus einer Vielzahl von in einer sogenannten Schleppkette hintereinander aufgereihten Hydrophonen, die in einem flexiblen Schlauch untergebracht sind. Zur Bildung einer - insbesondere elektrisch schwenkbaren - Richtcharakteristik unterzieht man die von den Hydrophonen empfangenen Schallsignale einer an sich bekannten Laufzeitbewertung, wie sie z. B. in R. J. Urick "Principles of underwater sound for engineers", 1967, S. 41 beschrieben ist - aus der deshalb ein Verfahren der eingangs genannten Art vorausgesetzt wird -, wobei man üblicherweise in die Signalleitungen der einzelnen Hydrophone Zeitverzögerungsglieder mit einstellbarer Zeitverzögerung einschaltet. Für eine große Detektionsgenauigkeit, d. h. große Richtpräzision, ist Voraussetzung, daß die Hydrophone in einer horizontalen geraden Linie ausgerichtet sind. Bei dieser Ausrichtung ergibt sich dann bei gleichen Abständen der Hydrophone voneinander eine konstante Hydrophonanordnung und aus dieser die den einzelnen Hydrophonen zuzuordnende Zeitverzögerung zur Erzielung einer gewünschten Empfangsrichtung. Aus diesem Grund ist die Antenne so beschaffen, daß sie beim Schleppen eine möglichst geradlinige Form annimmt. Bei vom Wasserfahrzeug ausgeführtem Fahrmanöver oder stärkerem Seegang oder infolge von Dünung beim Schleppen in flachen Gewässern sind jedoch mitunter erhebliche Abweichungen von dieser geradlinigen Streckung der akustischen Empfangsantenne möglich. Solche Abweichungen vermindern die Detektionsgenauigkeit eines Schallsignals und erhöhen den Fehler bei der Bestimmung des Einfallswinkels.

Aus der DE-OS 27 51 616 sind sog. "seismische Flöten" großer Länge bekannt, die hinter einem Schiff geschleppt werden und seitlich unter Abstand zueinander gehalten werden. Jede "seismische Flöte" enthält eine Gruppe von elektroakustischen Wandlern, die in regelmäßigen Intervallen angeordnet und parallel an ein auf dem Schiff installiertes elektronisches System angeschlossen sind. Von der einen seismischen Flöte werden akustische Impulse abgestrahlt, die von den Wandlern der anderen seismischen Flöte empfangen werden. Ein Telemetriersystem bestimmt die Laufzeit der akustischen Impulse und daraus den Abstand der beiden seismischen Flöten voneinander.

Bei einer bekannten, von einem Wasserfahrzeug losgelösten Unterwasser-Horchanlage (US-PS 40 04 265) hat man daher zur Erzielung einer gestreckten, geraden Linie der unterhalb der Wasseroberfläche ausgelegten Hydrophonanordnung an dem einen Ende der Hydrophonkette eine Vortriebsvorrichtung und am anderen Ende der Hydrophonkette eine sich der Bewegung der Vortriebsvorrichtung widersetzende Bremsvorrichtung befestigt. Durch diese beiden Vorrichtungen wird in der Hydrophonkette eine mechanische Spannung erzeugt, welche für die Erzielung der Geradlinigkeit der Anordnung erforderlich ist.

Bei einer ebenfalls bekannten Unterwasserantenne (US-PS 35 41 501) sind eine Vielzahl von Hydrophonen im gleichen Abstand an einem vertikal von einem Unterwasserfahrzeug abgesenkten Kabel aufgehängt. Alle Hydrophone werden von ankommender Schallenergie beaufschlagt. Um die Richtung der einfallenden Schallenergie zu bestimmen, werden die Ausgangssignale von allen Hydrophonen um einen geeigneten Betrag verzögert (Laufzeitbewertung) und dann alle Signale kombiniert. Bei Fahrt des Unterwasserfahrzeugs treten Kurven und Krümmungen der Antenne auf, welche die Detektion der Schallrichtung durch die Antenne verfälschen. Diese Krümmungen oder Kurven können durch den Einsatz von Verzögerungsgliedern kompensiert werden. Diese Kompensation wird auf mechanischem Wege durchgeführt, indem die Ausgangssignale aller Hydrophone auf ein Magnetband mittels einer Anzahl von Schreibköpfen, die alle in einer Linie quer zur Transportrichtung des Magnetbandes ausgerichtet sind, aufgezeichnet und durch Leseköpfe wiedergelesen werden, wobei die Leseköpfe quer zur Transportrichtung des Magnetbandes in einer der räumlichen Krümmung der Antenne entsprechenden Konfiguration angeordnet sind.

Eine solche Vorgehensweise mag im tiefen Wasser in einer von Störungen, wie Seegang o. dgl. unbeeinflußten Wassertiefe, zum Erfolg führen, wo die Krümmung der Unterwasserantenne bei Fahrt des Unterwasserfahrzeugs weitgehend konstant bleibt. Bei einer von einem Schiff mit relativ hoher Geschwindigkeit in Horizontalrichtung geschleppten Unterwasserantenne versagen diese Maßnahmen, z. B. bereits bei Kurvenfahrt des Schiffes, vollständig. Auch kann damit keine Verbesserung der Detektionsgenauigkeit der Unterwasserantenne bei Fahrt in flachen Gewässern erzielt werden, wo Seegang, Dünung o. dgl. selbst bei exakt geradliniger Fahrt des Schiffes eine nicht vorhersehbare Abweichung der einzelnen Hydrophone der Unterwasserantenne von der geraden Schlepplinie hervorrufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbesserung der Detektionsgenauigkeit einer im wesentlichen horizontal geschleppten, akustischen Unterwasserantenne und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens der eingangs genannten Art anzugeben, die auch bei hoher Schleppgeschwindigkeit der Unterwasserantenne und beim Schleppen der Unterwasserantenne in relativ flachen Gewässern zum Ziel führen.

Die Aufgabe ist bei einem Verfahren und bei Vorrichtungen der in den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 3 und 10 definierten Gattungen erfindungsgemäß durch die Merkmale im jeweiligen Kennzeichenteil der Ansprüche 1, 3 und 10 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf eine mechanische Ausrichtung der Hydrophone in einer gestreckten Linie verzichtet und statt dessen bei der Bildung der Richtcharakteristik von der momentanen Hydrophonanordnung ausgegangen. Diese wird fortlaufend durch Ortsbestimmung der einzelnen Hydrophone relativ zu einem Bezugspunkt auf der Unterwasserantenne ermittelt.

Damit ist die Detektionsgenauigkeit oder Richtpräzision der Unterwasserantenne unabhängig von der geradlinigen Ausrichtung der einzelnen Hydrophone. Seegang, Dünung oder Fahrmanöver des Schleppfahrzeugs können diese nicht beeinträchtigen. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch dann anwenden, wenn die Unterwasserantenne von zwei Wasserfahrzeugen quer zu deren Bewegungsrichtung geschleppt wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus Anspruch 2. Dieses wendet man bevorzugt dann an, wenn der Ort eines bestimmten Hydrphons stets bekannt ist. Hierdurch kann der erforderliche Aufwand reduziert werden.

Eine vorteilhafte Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus Anspruch 3. Bei dieser Vorrichtung werden die einzelnen Hydrophone zwischenzeitlich als Peilsender betrieben. Wegen der kurzen Entfernung der Peilantenne zu den einzelnen Hydrophonen braucht die von den Hydrophonen in Betrieb als Peilsender abgestrahlte Leistung nicht sehr groß zu sein. Vorteilhaft ist es dabei, eine relativ hohe Frequenz abzustrahlen, um einmal den Sendewirkungsgrad zu erhöhen und zum anderen die Abmessungen der Peilantenne klein zu halten.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus den Ansprüchen 4 und 5. Im Falle der gleichzeitigen Betätigung aller Umschalter, d. h. des gleichzeitigen Betriebs aller Hydrophone als Peilsender, muß der Quotient aus Schallgeschwindigkeit und Bandbreite des ausgesendeten Signals kleiner sein als der Hydrophonabstand, um eine sichere zeitliche Trennung der von der Peilantenne empfangenen Signale zu gewährleisten.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus Anspruch 6. Das Vorsehen zweier Peilantennen mit rechtwinklig zueinander ausgerichteten Basen ist für den allgemeinen dreidimensionalen Fall erforderlich. Wenn hingegen die aus Antennenachse und Schallquelle gebildete Ebene horizontal oder vertikal ist, genügt eine einzige horizontal bzw. vertikal ausgerichtete Peilantenne. Hierbei ergibt sich auch zusätzlich eine weitgehende Vereinfachung in der Berechnung der Lagekoordinaten der einzelnen Hydrophone.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 7, insbesondere in Verbindung mit Anspruch 8. Der Peilempfänger arbeitet nach dem Korrelatorprinzip. Die Zeitkonstante des Tiefpasses ist etwa gleich der Signaldauer.

Eine weitere vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus Anspruch 10. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Hydrophone in der Schleppkette nicht intervallmäßig auf Sendebetrieb umgeschaltet werden müssen, sondern neben der eigentlichen Sonarmessung gleichzeitig zur fortlaufenden Bestimmung ihrer eigenen Position herangezogen werden können. Dabei ist es zweckmäßig, daß die Sendesignale der akustischen Peilsender in einem Bereich außerhalb des Nutzfrequenzbandes für die Sonarmessung liegen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 13. Die wenig voneinander abweichenden Sendefrequenzen der beiden akustischen Sender lassen sich vorteilhafterweise dadurch realisieren, daß zwei elektroakustische Wandler über je einen Frequenzteiler mit einem Signalgenerator verbunden sind.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 15. Da der von dem Antikoinzidenz-Detektor abgegebene Impuls ein Maß für die Bezugslinie, also für die Normale auf der Basis der Peilsender, und der von dem Minimum-Detektor abgegebene Impuls ein Maß für die Verbindungslinie zwischen der Basis der Peilsender und dem Hydrophon ist, stellt der Zählerinhalt jeweils ein Maß für den Peilwinkel dar, der mittels einer in dem Speicher nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Anspruch 16 enthaltenen Tabelle ermittelt werden kann.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 19. Der Koordinatenrechner ermittelt nach einfachen geometrischen Beziehungen aus dem Inter-Hydrophonabstand und dem ermittelten Peilwinkel die Koordinaten des jeweils angepeilten Hydrophons, die in dem nachgeschalteten Kalman-Filter geglättet werden. Bei der Verwendung des Kalman-Filters geht man von der Überlegung aus, die gemessene Kurvenform der Schleppantenne aufgrund der Lagekoordinaten der Einzelhydrophone als Ausgangssignal eines linearen Filters aus diskreten Bauelementen zu betrachten. Die Struktur des Filters wird als Modellannahme vorgegeben und der mittlere quadratische Fehler minimiert. Da der Meßfehler nicht konstant ist, sondern mit wachsendem Abstand der Hydrophone von dem Bezugspunkt zunimmt, wird dem Kalman-Verfahren der Vorzug gegeben.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer von einem Schiff geschleppten akustischen Unterwasser- Empfangsantenne,

Fig. 2 eine Draufsicht von Schiff und Unterwasser- Empfangsantenne gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht der Unterwasser-Empfangsantenne in Fig. 1 und 2 in einem ebenen, horizontalen Koordinatensystem,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Eine von einem Schiff 10 geschleppte akustische Unterwasser- Empfangsantenne 11 ist schematisch in Fig. 1 in Seitenansicht und in Fig. 2 in Draufsicht zu sehen. Die Unterwasser- Empfangsantenne weist eine Anzahl in einer Schleppkette 12 hintereinander aufgereihter Hydrophone 13 auf, die üblicherweise in einem flexiblen Schlauch untergebracht und über elektrische Verbindungskabel mit einem Empfänger 14 (Fig. 4 und 5) verbunden sind. Die Schleppkette 12 ist über ein Zugkabel 15, das auch die Signalübertragungsleitungen enthält, mit dem Schiff 10 verbunden und kann mittels einer schematisch angedeuteten Winde 16 auf dem Schiff 10 eingeholt bzw. ausgelegt werden. Der Empfänger 14 ist üblicherweise an Bord des Schiffes 10 stationiert und mit den einzelnen Hydrophonen 13 über die Signalübertragungsleitungen verbunden. Obwohl die gesamte Unterwasser-Empfangsantenne 11 mechanisch so ausgestaltet ist, daß sie beim Schleppen eine möglichst geradlinige Form annimmt, sind jedoch Abweichungen von der gestreckten Linie, insbesondere bei Manövern des Schiffes 10 (Kurvenfahrt) oder bei stärkerem Seegang (bei relativ geringer Auslegetiefe der Schleppkette 12) nicht zu vermeiden. Solche Abweichungen nur in der Horizontalebene sind in Fig. 2 zu erkennen. Diese Abweichungen verminderten bisher die Detektionsmöglichkeit eines Schallsignals oder erhöhten den Fehler bei der Bestimmung des Einfallswinkels, da dadurch die Voraussetzungen für die bisherige Laufzeitbewertung bei der Einstellung des Empfangswinkels der Unterwasser-Empfangsantenne nur noch annähernd stimmten.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geht man bei der Laufzeitbewertung nunmehr von der jeweils momentanen Hydrophonanordnung aus und ermittelt diese durch fortlaufende Ortsbestimmung der einzelnen Hydrophone 13 relativ zu einem auf der Schleppkette 12, hier an dem vorderen Ende der Schleppkette 12, liegenden Bezugspunkt 17. Eine solche Laufzeitbewertung ist z. B. aus R. J. Urick "Principles of underwater sound for engineers" 1967, S. 40 bekannt, so daß hier nicht näher darauf eingegangen zu werden braucht. Angemerkt sei lediglich, daß die Laufzeitbewertung üblicherweise mit den einzelnen Hydrophonen 13 zugeordneten Zeitverzögerungsgliedern durchgeführt wird, wobei der Quotient aus dem jeweiligen Abstand der Hydrophone 13 von einer quer zur Achse der Richtcharakteristik (Akustik-Achse) ausgerichteten Bezugslinie, die vorzugsweise durch den Bezugspunkt 17 hindurchgeht, und der Schallgeschwindigkeit im Wasser ein Maß für die jeweilige Zeitverzögerung ist.

Zur Ortsbestimmung der einzelnen Hydrophone 13 peilt man diese von oder nahe dem Bezugspunkt 17 aus an und berechnet aus dem ermittelten Peilwinkel ϑ _n und aus dem bekannten Abstand L _n-1,n aufeinanderfolgender Hydrophone H _n-1 und H _n (Fig. 3) deren relative Lage zu dem Bezugspunkt 17. Zur Ermittlung des Peilwinkels ϑ _n kann man die Hydrophone 13 sowohl kurzzeitig als Peilsender als auch als Peilhydrophone betreiben, wie nachstehend noch ausführlich anhand der Fig. 4 und 5 dargelegt werden wird.

Bei Kenntnis der Peilwinkel ϑ _n und der Inter-Hydrophonabstände L _n-1,n der Hydrophone H _n-1 und H _n berechnet man unter der Annahme ausschließlich horizontal einfallender Schallsignale und in Verbindung mit Fig. 3 folgende Koordinaten für die Lage der einzelnen Hydrophone 13:

x _n, y _n sind die Koordinaten des n-ten Hydrophons H _n, wobei der Ursprung des Koordinatensystems im Bezugspunkt 17 liegt. ϑ _n ist der Peilwinkel des n-ten Hydrophons H _n, während mit L _n-1,n der gestreckte Abstand zwischen dem Hydrophon H _n-1 und H _n bezeichnet ist.

Für den allgemeinen dreidimensionalen Fall einfallender Schallsignale berechnet man in gleicher Weise noch eine z-Koordinate zur Lagebestimmung der Hydrophone 13, wobei man durch eine weitere Peilung den zugeordneten Peilwinkel in Elevation ermittelt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, als Bezugspunkt 17 den Ort eines Hydrophons 13 in der Schleppkette 12 zu wählen, wenn nur dessen Lage stets bekannt ist. In diesem Fall bezieht man die relative Lage der einzelnen Hydrophone 13 auf den bekannten Ort dieses Hydrophons.

Die so berechneten Koordinaten der einzelnen Hydrophone 13 weisen durch Meßfehler verursachte statistische Fehler auf, wobei der Meßfehler nicht konstant ist sondern mit wachsendem Abstand von dem Bezugspunkt 17 zunimmt. Mittels Filterung oder Regression minimisiert man daher diese statistischen Fehler und gewinnt so geglättete Koordinaten, die man bei der Bewertung der von den einzelnen Hydrophonen aufgenommenen Schallsignale entsprechend berücksichtigt.

Fig. 4 zeigt den Schaltplan einer Vorrichtung zum Durchführen des vorstehend beschriebenen Verfahrens zur Verbesserung der Detektionsgenauigkeit der akustischen Unterwasser- Empfangsantenne 11. Bei dieser Vorrichtung ist im Bezugspunkt 17 auf der Schleppkette 12 eine akustische Peilantenne 18 mit zwei in Querabstand zur Schleppkette 12 und beidseitig von dieser liegenden Peilhydrophone 19, 20 angeordnet (Fig. 2). Diese beiden Peilhydrophone 19, 20 sind an einem Peilempfänger 21 (Fig. 4) angeschlossen. Eine solche akustische Peilantenne 18 genügt für den einfachen zweidimensionalen Fall unter der Annahme, daß Schallsignale nur in einer etwa horizontalen Ebene einfallen. Für den allgemeinen dreidimensionalen räumlichen Fall ist - wie in Fig. 1 und 2 gestrichelt angedeutet - eine weitere gleichartig ausgestaltete akustische Peilantenne 22 mit zwei Peilhydrophonen 23, 24 so anzuordnen, daß die beiden Basen der Peilantenne 18, 22 rechtwinklig zueinander ausgerichtet sind, die Basis der akustischen Peilantenne 18 also etwa in Horizontalebene und die Basis der akustischen Peilantenne 22 etwa in Vertikalebene liegt. Auch die Peilhydrophone 23, 24 sind an einen weiteren, hier nicht dargestellten Peilempfänger in gleicher Ausbildung anzuschließen.

Mit den Hydrophonen 13 ist ein Hilfssender 25 intervallmäßig verbindbar, der ein Sinussignal erzeugt. Hierzu sind zwischen den einzelnen Hydrophonen 13 und dem Empfänger 14 jeweils ein Umschalter 26 angeordnet, der die Hydrophone 13 wechselweise mit dem Hilfssender 25 und dem Empfänger 14 verbindet. Eine Umschalter-Steuervorrichtung 27 kann nunmehr die Umschalter 26 zeitlich nacheinander oder gleichzeitig betätigen, wobei die Hydrophone kurzzeitig an den Hilfssender 25 - entweder zeitlich nacheinander oder gleichzeitig - angeschlossen sind, im übrigen aber mit dem Empfänger 14 bekannten Aufbaus verbunden sind. Im Empfänger 14 werden die von den Hydrophonen 13 aufgenommenen Signale verarbeitet und in bekannter Weise das sogenannte Sonar- Signal als Maß für die Richtungsbestimmung der georteten Schallquelle ausgegeben. Bei gleichzeitiger Betätigung aller Umschalter 26 muß dafür gesorgt werden, daß der Quotient aus Schallgeschwindigkeit und Bandbreite des ausgesendeten Signals nicht größer ist als der Abstand der einzelnen Hydrophone 13, um eine sichere zeitliche Trennung der von der Peilantenne 18 bzw. 22 empfangenen Signale zu gewährleisten.

Der Peilempfänger 21 weist einen Phasenmesser 28 und eine damit verbundene Multiplikationsstufe 29 mit einer dem Sinus des Peilwinkels ϑ _n proportionalen Ausgangsgröße auf. Der Phasenmesser 28 hat zwei jeweils mit einem Peilhydrophon 19 bzw. 20 verbundene Empfangskanäle 30, 31. Beide Empfangskanäle 30, 31 sind mit einer Multiplizierschaltung 32 verbunden, wobei in dem Empfangskanal 31 noch ein 90°-Phasenschieber 33 eingeschaltet ist. Der Multiplizierschaltung 32 ist ein Tiefpaß 34 nachgeschaltet, an dessen Ausgang wiederum ein A/D-Wandler 35 angeschlossen ist. Mit dem A/D-Wandler 35 ist ein Phasenwinkel-Rechner 36 verbunden, dessen Ausgang den Ausgang des Phasenmessers 28 bildet. Der Phasenwinkel-Rechner 36 ermittelt aus dem Sinus des Phasenwinkels ϕ _n den Phasenwinkel ϕ _n , der der Multiplikationsstufe 29, ebenso wie eine konstante Größe , zugeführt wird. Gemäß der bekannten Beziehung

entspricht das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 32 dem Wert sin ϑ _n . Mit der Multiplikationsstufe 29 ist ein Peilwinkel-Rechner 37 verbunden, an dessen den Ausgang des Peilempfängers 21 bildenden Ausgang ein dem jeweiligen Peilwinkel ϑ _n entsprechendes Signal abnehmbar ist.

Die Aktivierung des A/D-Wandlers 35 (Analog-Digital-Wandler 35) geschieht mittels der Umschalter-Steuervorrichtung 27. Neben den mit den einzelnen Umschaltern 26 verbundenen Steuerimpulsausgängen 38 weist die Umschalter- Steuervorrichtung 27 einen weiteren Impulsausgang 39 auf, der mit dem A/D-Wandler 35 verbunden ist. Die Ausgangsimpulse des Impulsausgangs 39 sind um ein Zeitintervall gegenüber den Ausgangsimpulsen des jeweiligen Steuerimpulsausgangs 38 verzögert, wobei das Zeitintervall gleich oder größer ist als die Summe aus der Laufzeit des Sendesignals vom sendenden Hydrophon 13 zur Peilantenne 18 bzw. 22 und der Einschwingzeit des Tiefpasses 34.

An dem Ausgang des Peilempfängers 21 ist ein Koordinatenrechner 40 angeschlossen, der entsprechend den eingangs angegebenen geometrischen Beziehungen aus dem angegebenen Peilwinkel ϑ _n und den bekannten Abständen L _n-1,n zwischen den einzelnen Hydrophonen H _n-1, H _n die Koordinaten y _n, x _n und gegebenenfalls z _n ermittelt. Um die Zuordnung der jeweils sendenden Hydrophone 13 zu den im Koordinatenrechner 40 ermittelten Koordinaten sicherzustellen, weist die Umschalter-Steuervorrichtung 27 noch einen Hydrophon-Kennungsausgang 41 auf, der mit dem Koordinatenrechner 40 verbunden ist und an dem ein für das jeweils an den Hilfssender 25 angeschlossene Hydrophon 13 charakteristisches Kennungssignal anliegt. Dem Koordinatenrechner 40 ist ein Glättungsfilter 42 nachgeschaltet, dessen Ausgang mit dem Empfänger 14 verbunden ist. Das Glättungsfilter 42 ist hier als Kalmann-Filter ausgeführt. Als Modell-System wird für den einfachen zweidimensionalen Fall ein digitaler Tiefpaß zweiter Ordnung angenommen. Die y-Koordinaten stellen das verrauschte Ausgangssignal dar, die x-Koordinaten entsprechen der Zeit.

Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist wie folgt:

Über die Umschalter 26 sind die Hydrophone 13 normalerweise mit dem Empfänger 14 verbunden (Stellung I der Umschalter 26). Zur Bestimmung der relativen Koordinaten werden die Umschalter 26 nacheinander kurzzeitig in die Stellung II geschaltet (in Fig. 4 ist dies für das Hydrophon H₁ dargestellt). Dadurch wird das jeweilige Hydrophon 13 mit einem vom Hilfssender 25 ausgehenden Sinussignal gespeist. Die Umschalter-Steuervorrichtung 27 sorgt für die Betätigung der Umschalter 26 in der richtigen Reihenfolge. Die Peilantenne 18 mit den beiden Peilhydrophonen 19, 20 empfangen das von dem jeweilig sendenden Hydrophon 13 ausgehende Sendesignal. Die beiden Empfangssignale der Peilhydrophone 19, 20 gelangen zu dem Peilempfänger 21, der nach dem Korrelatorprinzip arbeitet. Das über den Empfangskanal 30 zu der Multiplizierschaltung 32 gelangende Empfangssignal wird in seiner Phase um 90° gedreht und dann in der Multiplizierschaltung 32 mit dem anderen Empfangssignal multipliziert. Das Produkt wird im Tiefpaß 34 gefiltert, dessen Zeitkonstante etwa gleich der Signaldauer ist. Das Ausgangssignal des Tiefpasses 34 wird im A/D-Wandler 35 digitalisiert. Die Aktivierung des A/D-Wandlers 35 erfolgt durch die Umschalter-Steuervorrichtung 27 mit einem Impuls, der relativ zum jeweiligen Umschaltimpuls für die Umschaltung eines bestimmten Hydrophons 13 auf "Senden" um ein Zeitintervall verzögert ist.

Im Phasenwinkel-Rechner 36 wird dann der Phasenwinkel ϑ _n ermittelt, der in der Multiplikationsstufe 29 mit der Konstanten multipliziert wird, wobei D der Abstand der Peilhydrophone 19, 20 und λ die Wellenlänge des Sendesignals ist. Das dem Sinus des Peilwinkels ϑ _n entsprechende Produkt wird dem Peilwinkel-Rechner 37 zugeführt, der den Peilwinkel j _n aus der Beziehung

ermittelt. Dieser Peilwinkel j _n wird dem Koordinatenrechner 40 zugeführt, in welchem zusätzlich die Abstände der einzelnen Hydrophone 13 voneinander abgespeichert sind. Die vom Glättungsfilter 42 berechneten Schätzwerte der y-Koordinaten gelangen schließlich zu dem Empfänger 14, wo eine der Lage der einzelnen Hydrophone 13 entsprechende Laufzeit- oder Phasenkompensation in an sich bekannter Weise durchgeführt wird. Die Größe der Laufzeit-Kompensation ergibt sich dabei beispielsweise bei in y-Richtung weisender Achse der Richtcharakteristik (Akustik-Achse) aus dem Quotienten der y-Koordinate und der Schallgeschwindigkeit. Bei einer Schwenkung der Akustik-Achse muß zuvor eine entsprechende Umrechnung der y-Koordinate entsprechend dem Schwenkwinkel durchgeführt werden.

Die Vorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 5 unterscheidet sich von der soeben beschriebenen Vorrichtung im wesentlichen dadurch, daß hier die Hydrophone 113 zu ihrer Ortsbestimmung zusätzlich als Peilhydrophone herangezogen werden. Der Vorteil dieser Vorrichtung liegt darin, daß die mit dem Empfänger 114 verbundenen Hydrophone 113 bei der Peilung nicht umgeschaltet werden müssen. Soweit Bauelemente der Fig. 5 mit Bauelementen in Fig. 4 übereinstimmen, sind sie mit den gleichen Bezugszeichen, jedoch um die Zahl 100 erhöht, versehen.

Im Bezugspunkt 17 auf der Schleppkette 12 (Fig. 1 und 2) sind nunmehr keine Peilantennen 18 bzw. 22 sondern zwei akustische Peilsender 150, 151 in gleicher Weise wie die Peilhydrophone in Fig. 1 und 2 angeordnet. Die beiden Peilsender 150, 151 liegen in Querabstand und symmetrisch zur Schleppkette 12. Zwei Peilsender 150, 151 sind ausreichend für den einfachen zweidimensionalen Fall, bei welchem nur horizontal einfallende Schallsignale empfangen werden. Für den allgemeinen dreidimensionalen Fall sind zwei weitere Peilsender, also insgesamt vier Peilsender, vorzusehen, wobei jeweils zwei Peilsender auf einer gemeinsamen quer zur Schleppkette 12 ausgerichteten Basis angeordnet sind. Die beiden Basen der Peilsender stehen dann rechtwinklig zueinander in der Horizontal- bzw. Vertikalebene.

Die beiden akustischen Peilsender 150, 151 bilden eine periodisch schwenkbare Richtcharakteristik, was dadurch realisiert wird, daß beide Peilsender 150, 151 wenig voneinander abweichende Sendefrequenzen aufweisen und die Sendesignale gleichphasig abgestrahlt werden. Hierzu sind die elektroakustischen Wandler 152, 153 der beiden Peilsender 150, 151 über je einen Verstärker 154 bzw. 155 und einen Frequenzteiler 156 bzw. 157 mit einem Signalgenerator 158 mit der Frequenz f _o verbunden. Am Ausgang des Frequenzteilers 156 mit dem Teilerverhältnis 1 : k₁ erscheint die Frequenz f₁ und am Ausgang des Frequenzteilers 157 mit dem Teilerverhältnis 1 : k₂ die Frequenz f₂.

Die Hydrophone 113 in der Schleppkette 12 sind über eine Schaltvorrichtung mit Steuerteil 159 mit dem Peilempfänger 121 verbunden. Diese Schaltvorrichtung mit Steuerteil 159 ist vorzugsweise als Multiplexer ausgebildet. Auch diese Schaltvorrichtung mit Steuerteil 159 weist ebenso wie die Umschalter-Steuervorrichtung 27 in Fig. 4 einen Hydrophon- Kennungsausgang 141 auf, der mit dem an dem Ausgang des Peilempfängers 121 in gleicher Weise angeschlossenen Koordinatenrechner 140 verbunden ist. Der Hydrophon-Kennungsausgang 141 führt jeweils ein Kennungssignal, das für dasjenige Hydrophon 113 charakteristisch ist, das jeweils an den Peilempfänger 121 angeschlossen ist. Wie in Fig. 4 ist auch hier dem Koordinatenrechner 140 ein Glättungsfilter 142 zur Berechnung der Schätzwerte der y-Koordinaten der einzelnen Hydrophone 113 nachgeschaltet, das wiederum mit dem Empfänger 114 verbunden ist.

Der Peilempfänger 121 unterscheidet sich hier wesentlich von dem gemäß Fig. 4. Der als Minimumpeiler ausgebildete Peilempfänger 121 weist einen mit einem Impulsgenerator 160 verbundenen Impulszähler 161 und einen Minimumdetektor 162 auf. Der Impulszähler 161 hat einen Stopp- und einen Starteingang, wobei der Stoppeingang mit einem Antikoinzidenz- Detektor 163, der Bestandteil des Peilempfängers 121 sein kann, und der Minimumdetektor 162 mit dem Starteingang verbunden ist. Ein Vertauschen der Anschlüsse ist ebenfalls möglich. Der Antikoinzidenz-Detektor 163 ist elektrisch an jedem Peilsender 150, 151 angekoppelt und gibt ein Signal aus, wenn die beiden Sendesignale mit der Frequenz f₁ und f₂ exakt gegenphasig sind. Ein solcher Antikoinzidenz- Detektor 163 kann z. B. aus einem auf die Differenzfrequenz f₁-f₂ der Sendesignale abgestimmten Tiefpaß und einem diesem nachgeschalteten Minimumdetektor bestehen.

Der Minimumdetektor 162 ist über ein schmalbandiges Filter 164, eine Gleichrichtschaltung 165 und einen der Glättung dienenden Tiefpaß 166 mit dem Empfangskanal des Peilempfängers 121 verbunden, an dem der Ausgang der Schaltvorrichtung mit Steuerteil 159 angeschlossen ist. Am Ausgang des Impulszählers 161 ist noch ein Speicher 167 angeschlossen, der dem jeweiligen Zählerinhalt des Impulszählers 161 zugeordnete Peilwinkelwerte ϑ _n enthält und dessen Ausgang den Ausgang des Peilempfängers 121 bildet.

Die Wirkungsweise dieser vorstehend beschriebenen Vorrichtung gemäß Fig. 5 ist wie folgt:

Die beiden Peilsender 150, 151 bilden eine Richtcharakteristik, die mit der Differenzfrequenz f₁-f₂ in einer Ebene hin- und hergeschwenkt wird. Das von dem jeweils mit dem Peilempfänger 121 verbundene Hydrophon 113 (in Fig. 5 das Hydrophon H₁) empfangene Signal wird gegebenenfalls verstärkt über das auf die Differenzfrequenz f₁-f₂ abgestimmte schmalbandige Filter 164 der Gleichrichtschaltung 165 zugeführt. Das gleichgerichtete Signal wird anschließend in dem Tiefpaß 166 geglättet und an den Minimumdetektor 162 gelegt. Sobald der Minimumdetektor 162 ein Minimum detektiert, tritt an dessen Ausgang ein Ausgangssignal auf, das an dem Starteingang des Impulszählers 161 liegt. Das Signal am Starteingang des Impulszählers 161 setzt diesen auf Null, und die Taktimpulse des Impulsgenerators 160 schalten den Impulszähler 161 fort. Sobald der Antikoinzidenz- Detektor exakte Gegenphasigkeit der beiden Sendesignale der Sender 150, 151 feststellt, liegt an dessen Ausgang ebenfalls ein Ausgangssignal, das über den Stoppeingang des Impulszählers 161 diesen anhält. Der nunmehr im Impulszähler 161 vorhandene Zählerinhalt ist ein direktes Maß für den Peilwinkel ϑ _n, hier ϑ₁, und wird dem Speicher 167 zugeführt. In dem Speicher 167 sind tabellarisch die tatsächlichen Winkelwerte ϑ _n in Zuordnung zu einem bestimmten Zählerinhalt abgespeichert. Der am Ausgang des Speichers 167 und damit am Ausgang des Peilempfängers 121 zur Verfügung stehende Wert ist der Peilwinkel ϑ _n , der dem Koordinatenrechner 140 zugeführt wird und dort in der gleichen Weise, wie in dem Ausführungsbeispiel zur Fig. 4 beschrieben, zur Berechnung der Lagekoordinaten des jeweils angepeilten Hydrophons 113 (hier des Hydrophons H₁) herangezogen wird.

Anzumerken bleibt, daß die von den akustischen Sendern 150, 151 ausgesendeten Sendesignale in einem Bereich außerhalb des bei der eigentlichen Sonarmessung mit der akustischen Unterwasser-Empfangsantenne verwendeten Nutzfrequenzbandes liegen.

Claims (20)

1. Verfahren zur Verbesserung der Detektionsgenauigkeit einer geschleppten akustischen Unterwasserantenne mit einer Anzahl von in einer Schleppkette in festem Abstand voneinander aufgereihten Hydrophonen, bei welchem die momentane Richtcharakteristik der Antenne durch Zeitverzögerung der Hydrophon-Ausgangssignale und durch Verknüpfung der zeitverzögerten Hydrophon-Ausgangssignale gebildet wird, wobei die Größe der Zeitverzögerung für die einzelnen Hydrophon-Ausgangssignale dadurch ermittelt wird, daß die Lotentfernung des dem jeweiligen Hydrophon-Ausgangssignal zugehörigen Hydrophons zu seinem Lotpunkt auf einer quer zur Achse der Richtcharakteristik (Akustik-Achse) verlaufenden Bezugslinie durch die Schallgeschwindigkeit im Wasser dividiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Lotentfernungen von einem auf der Schleppkette (12) liegenden Bezugspunkt (17) aus, die einzelnen Hydrophone (13; 113) der Schleppkette (12) gepeilt werden, und daß aus den Peilwinkeln ( ϑ _n ) und den bekannten Hydrophonabständen (L _n-1,n ) in der Schleppkette (12) die relative Lage der Hydrophone (13; 113) bezüglich des Bezugspunkts (17) in kartesischen Koordinaten (x _n, y_n) berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bezugspunkt (17) der Ort des in der Schleppkette in Schlepprichtung vordersten Hydrophons (13; 113) gewählt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen ein Sinussignal erzeugenden Hilfssender (25), der mit jedem der Hydrophone (13) in der Schleppkette (12) zum Aussenden eines Schallsignals durch das jeweilige Hydrophon (13) verbindbar ist, durch eine am Bezugspunkt (17) angeordnete akustische Peilantenne (18) mit zwei im Abstand voneinander beidseitig der Schleppkette (12) liegenden Peilhydrophonen (19, 20) zum Empfang des von dem jeweiligen Hydrophon (13) ausgesendeten Schallsignals, durch einen an den Peilhydrophonen (19, 20) angeschlossenen Peilempfänger (21), der aus den Ausgangssignalen der Peilhydrophone (19, 20) den Peilwinkel ( ϑ _n ) vom Bezugspunkt (17) zu dem jeweiligen das Schallsignal aussendenden Hydrophon (13) bestimmt, durch einen mit dem Peilempfänger (21) verbundenen Koordinatenrechner (40), der aus dem Peilwinkel ( ϑ _n ) und den festen Hydrophonabständen (L _n-1,n ) in der Schleppkette (12) die relative Lage des jeweils das Schallsignal abstrahlenden Hydrophons (13) bezüglich des Bezugspunktes (17) in kartesischen Koordinaten berechnet, und durch einen mit den Hydrophonen (13) in der Schleppkette (12) und dem Koordinatenrechner (40) verbundenen Empfänger (14), der die zur Bildung der Richtcharakteristik der Antenne erforderlichen Zeitverzögerung der Hydrophon-Ausgangssignale entsprechend der relativen Lage der Hydrophone (13) durchführt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung zwischen den Hydrophonen (13) und dem Empfänger (14) Umschalter (26) vorgesehen sind, die wahlweise die Hydrophonausgänge mit den Empfängereingängen oder mit dem Ausgang des Hilfssenders (25) verbinden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine die Umschalter (26) gleichzeitig oder zeitlich nacheinander betätigende Umschalter-Steuervorrichtung (27).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite gleich ausgebildete Peilantenne (22) im Bezugspunkt (17) rechtwinklig zu der ersten Peilantenne (18) angeordnet ist, wobei die eine Peilantenne (18) im wesentlichen in einer Horizontalebene und die andere Peilantenne (22) im wesentlichen in einer Vertikalebene liegt, und daß die Peilhydrophone (22, 23) der zweiten Peilantenne an einem gleich ausgebildeten weiteren Peilempfänger angeschlossen sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Peilempfänger (21) einen Phasenmesser (28) und eine diesem nachgeschaltete Multiplikationsstufe (29) aufweist, welche die Ausgangsgröße des Phasenmessers (28) mit der Konstanten λ/2π D multipliziert, wobei λ die Wellenlänge des Sendesignals des Hilfssenders (25) und D der konstant gehaltene Abstand der Hydrophone (13) in der Schleppkette (12) ist, und daß der Multiplikationsstufe (29) ein Peilwinkel-Rechner (37) nachgeschaltet ist, dessen Ausgang den Ausgang des Peilempfängers (21) bildet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenmesser (28) zwei jeweils mit einem Peilhydrophon (19, 20) verbundene Empfangskanäle (30, 31) aufweist, daß dem einen Empfangskanal (30) ein 90°-Phasenschieber (33) nachgeschaltet ist, daß der Ausgang des Phasenschiebers (33) und der andere Empfangskanal (31) mit einer Multiplizierschaltung (32) verbunden sind, der ein Tiefpaß (34) nachgeschaltet ist, und daß mit dem Ausgang des Tiefpasses (34) ein Analog-Digital-Wandler (35) und mit diesem ein Phasenwinkel-Rechner (36) verbunden ist, dessen Ausgang den Ausgang des Phasenmessers (28) bildet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalter-Steuervorrichtung (27) mit den Umschaltern (26) verbundene Steuerimpulsausgänge (38) und mindestens einen weiteren mit dem Analog-Digital-Wandler (35) verbundenen Impulsausgang (41) aufweist, dessen Ausgangsimpulse um ein Zeitintervall gegenüber den Ausgangsimpulsen des jeweiligen Steuerimpulsausganges (38) verzögert sind, wobei das Zeitintervall gleich oder größer als die Summe aus der Laufzeit des Sendesignals vom sendenden Hydrophon (13) zur Peilantenne (18) und der Einschwingzeit des Tiefpasses (34) ist.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens zwei im Bezugspunkt (17) und im Querabstand zur Schleppkette (12) beidseitig dieser angeordnete akustische Peilsender (150, 151) und durch einen mit jeweils einem der Hydrophone (113) in der Schleppkette (12) verbindbaren Peilempfänger (121), der aus dem Ausgangssignal des jeweiligen Hydrophons den Peilwinkel ( j _n ) vom Bezugspunkt (17) zu dem jeweils empfangenden Hydrophon (113) bestimmt, durch einen mit dem Peilempfänger (121) verbundenen Koordinatenrechner (40), der aus dem Peilwinkel ( ϑ _n ) und den festen Hydrophonabständen (L _n-1,n ) in der Schleppkette 12 die relative Lage des jeweils das Schallsignal empfangenden Hydrophons (113) bezüglich des Bezugspunktes (17) in kartesischen Koordinaten berechnet, und durch einen mit den Hydrophonen (113) in der Schleppkette (12) und dem Koordinatenrechner (140) verbundenen Empfänger (114), der die zur Bildung der Richtcharakteristik erforderliche Zeitverzögerung der Hydrophon-Ausgangssignale entsprechend der relativen Lage der Hydrophone (113) durchführt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwei weitere Peilsender im Querabstand zur Schleppkette (12) und beidseitig dieser angeordnet sind, deren Basis senkrecht auf der Basis der ersten beiden Peilsender (150, 151) stehen, wobei die einen einer Basis zugehörenden Peilsender (150, 151) im wesentlichen in der Horizontalebene und die beiden anderen einer Basis zugehörigen Peilsender im wesentlichen in der Vertikalebene liegen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die einer gemeinsamen Basis zugeordneten Peilsender (150, 151) eine periodisch schwenkbare Richtcharakteristik bilden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die einer gemeinsamen Basis zugehörenden Peilsender (150, 151) wenig voneinander abweichende Sendefrequenzen (f₁, f₂) aufweisen.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Peilempfänger (121) als Minimumpeiler ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Peilempfänger (121) einen mit einem Impulsgenerator (160) verbundenen Impulszähler (161) mit Start- und Stoppeingang und einen Minimumdetektor (162) aufweist, daß ein Antikoinzidenz prüfender Antikoinzidenz-Detektor (163) an jedem Sender (150, 151) elektrisch angekoppelt ist und daß der Ausgang des Minimumdetektors (162) mit dem Starteingang und der Ausgang des Antikoinzidenz-Detektors (163) mit dem Stoppeingang des Impulszählers (161) oder umgekehrt verbunden ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß dem Impulszähler (161) ein Speicher (167) nachgeordnet ist, der möglichen Zählerinhalten zugeordnete Peilwinkelwerte ( ϑ _n ) enthält und dessen Ausgang den Ausgang des Peilempfängers (121) bildet.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß dem Minimumdetektor (162) eine Gleichrichtschaltung (165) mit nachgeschaltetem Tiefpaß (166) vorgeordnet ist, die über ein schmalbandiges Filter (164) an dem Eingang des Peilempfängers (121) angeschlossen ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, gekennzeichnet durch eine die Hydrophone (113) wahlweise an den Eingang des Peilempfängers (121) anschließende Schaltvorrichtung mit Steuerteil (159).

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Koordinatenrechners (40; 140) und dem Eingang des Empfängers (14; 114) ein Glättungsfilter (42; 142) eingeschaltet ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalter-Steuervorrichtung (27) bzw. die Schaltvorrichtung mit Steuerteil (159) einen mit dem Koordinatenrechner (40; 140) verbundenen Hydrophon-Kennungsausgang (41; 141) aufweist, an dem ein für das jeweils an dem Hilfssender (25) bzw. an dem Peilempfänger (121) angeschlossene Hydrophon (13; 113) charakteristisches Kennungssignal liegt.