DE3248459A1

DE3248459A1 - Akustische unterwasserantenne

Info

Publication number: DE3248459A1
Application number: DE19823248459
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Ing Siegel; Guenter Tummoscheit
Original assignee: Krupp Atlas Elektronik GmbH
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 1982-12-29
Filing date: 1982-12-29
Publication date: 1989-11-09
Also published as: DE3248459C2

Description

Die Erfindung betrifft eine akustische Unterwasser antenne der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genann ten Art.

Solche geschleppten Unterwasserantennen oder Hydro phonketten werden - neben seismischer Anwendung - zur Ortung und Klassifizierung von geräuschabstrah lenden Zielen verwendet, da infolge der räumlichen Trennung von geräuscherzeugendem Schleppschiff und des durch die große räumliche Ausdehnung erzielbaren hohen Bündelungsgewinns der Antenne die Auswertung auch tiefer Sonarfrequenzen möglich ist. Voraussetzung für den erzielbaren hohen Bündelungsgewinn ist je doch, daß die Schleppantenne nicht oder nicht nennens wert von der idealen geraden Schlepplinie abweicht. Dies ist jedoch infolge der flexiblen Konstruktion nur bedingt zutreffend und kann in vielen Fällen, so z. B. bei niedrigen Schleppgeschwindigkeiten oder Schleppen der Antenne nahe der Wasseroberfläche bei mittlerem oder starkem Seegang, nicht mehr als ge geben vorausgesetzt werden.

Die Abweichung der Schleppantenne oder Hydrophon kette von der geraden Schlepplinie läßt sich jedoch durch rechnerische Berücksichtigung der Antennen verbiegung mittels eines Computers eliminieren, vor ausgesetzt, die momentane Abweichung der einzelnen Hydrophone von der idealen geraden Schlepplinie ist laufend bekannt.

Bei einer bekannten Einrichtung zur Bestimmung des Ortes eines hinter einem Schiff geschleppten marinen Streamers (DE-OS 31 49 163) sind am Schiffsheck zwei akustische Quellen im Abstand von etwa 20 bis 40 m quer zur Schiffslängsrichtung angeordnet, die hoch frequente Schallimpulse ins Wasser aussenden. Diese Impulse werden von den einzelnen Hydrophonen empfan gen, und aus der Laufzeit der Schallimpulse von den Schallquellen zu den einzelnen Hydrophonen können zusammen mit Tiefenwerten, die von den einzelnen Hydrophonen zugeordneten Tiefensensoren ausgegeben werden, die Lage der Hydrophone im Raum bestimmt werden.

Bei dieser bekannten Einrichtung werfen die beiden im Abstand von 20 bis 40 m quer zur Schiffslängs richtung angeordneten Schallquellen nicht unerheb liche Probleme auf. Zum einen wird der Fahrwider stand des Schiffes beträchtlich erhöht, so daß diese Einrichtung bei Schiffen mit hohen Schleppgeschwin digkeiten nicht eingesetzt werden kann. Auch bei tauchenden Schiffen können solche Schallquellen und die erforderlichen Haltekonstruktionen außenbords nicht akzeptiert werden. Andererseits werden von den Schallquellen nicht unerhebliche Strömungsgeräusche erzeugt, die wiederum den Signalempfang an der An tenne beeinträchtigen. Außerdem sind nocht zusätz liche Tiefensensoren an der Schleppantenne zur Be stimmung der Tauchtiefe der einzelnen Hydrophone er forderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zum Schleppen bestimmte akustische Unterwasserantenne derart zu verbessern, daß mit relativ einfachen Mitteln die Abweichung der einzelnen Hydrophone in der Schleppkette von der idealen geraden Schlepp linie laufend bestimmbar ist ohne daß zusätzliche An- oder Aufbauten am Schleppschiff und/oder an der Schleppantenne selbst erforderlich wären.

Die Aufgabe ist bei einer akustischen Unterwasser antenne der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angege benen Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Antenne hat den Vorteil, ohne zusätzliche Schallquellen und Tiefensensoren auszu kommen. Die räumliche Abweichung der Hydrophone von der idealen Schlepplinie kann in einem dreidimensio nalen Koordinatensystem fortlaufend gemessen und da raus die erforderlichen Kompensationszeiten für die Hydrophonsignale bezüglich einer idealen Schlepp linie berechnet werden. Dir erfindungsgemäße Antenne kann ohne Einschränkung sowohl mit schnellaufenden Oberflächenschiffen als auch mit Unterwasserschiffen geschleppt werden. Zusätzliche konstruktive Maß nahmen am Schleppschiff hierzu sind nicht erforder lich.

Bei der erfindungsgemäßen Antenne wird jeweils für einen Antennenabschnitt die Abweichung einer geraden Referenzlinie von der ggf. gekrümmten Schleppketten achse bestimmt. Da diese Abweichung in allen An tennenabschnitten erfaßt wird, kann die Ablage der einzelnen Hydrophone von der idealen Schlepplinie, auf welcher zumindest das am Schleppkettenanfang be findliche Hydrophon liegt, iterativ durch Zusammen setzen der einzelnen gemessenen und berechneten Ab weichungen ermittelt werden. Dies ist eine von einem Computer durchführbare Rechenoperation, die sich aus der Antennenkonfiguration unter Berücksich tigung einfacher geometrischer Beziehungen ergibt.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Er findung ergibt sich aus Anspruch 3. Durch die opti sche Meßvorrichtung ist mit relativ einfachen Mitteln die Erzeugung einer genauen Referenzlinie und die exakte Erfassung der Abweichung der Schleppketten achse davon möglich.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dabei aus Anspruch 5. Die mit Lichtsender und Fotosensoren besetzten Trägerscheiben lassen sich einfach in die üblicherweise hohlzylindrischen Hy drophone einsetzen und dort halten.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung darge stellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher be schrieben. Es zeigen jeweils in schematischer Dar stellung:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer im Seebe trieb von einem Schiff geschleppten Unterwasserantenne,

Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Darstellung eines von zwei Hydro phonen begrenzten Schleppkettenab schnittes der Unterwasserantenne gemäß Fig. 1, teilweise geschnitten,

Fig. 3 einen Längsschnitt des Schlepp kettenabschnittes in Fig. 2,

Fig. 4 einen Längsschnitt des gebogenen Schleppkettenabschnittes in Fig. 2,

Fig. 5 einen Längsschnitt eines gebogenen Schleppkettenabschnittes einer Un terwasserantenne gemäß einem weite ren Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 eine Draufsicht dreier benachbarter Schleppkettenabschnitte bei Abwei chung der Schleppkette von der ide alen Schlepplinie in Horizontalebe ne zur Verdeutlichung der geometri schen Beziehungen.

Wie in Fig. 1 schematisch skizziert, wird die Unter wasserantenne 10 von einem Trägerschiff 11 geschleppt. Eine Aufwickeltrommel 12 gestattet das Einziehen und Auslegen der Unterwasserantenne 10. Die Unterwasser antenne 10 weist eine Vielzahl von in einer Schlepp kette 13 hintereinander angeordneten Hydrophonen 14 auf, deren Abstand l _i voneinander unveränderlich und bekannt ist. Die Schleppkette 13 wird von einem flexi blen Schlauch 15 gebildet, der die Hydrophone 14 und die elektrischen Verbindungsleitungen, hier nicht ge zeichnet, von den Hydrophonen 14 zu einem auf dem Schiff installierten Empfänger 16 aufnimmt. lm Emp fänger 16 werden die von den Hydrophonen 14 aufge faßten Signale einer Signalverarbeitung und Signal auswertung unterzogen. Die Schleppkette 13 bzw. der Schlauch 15 kann mit Hilfe eines Schwimmkörpers 32 am freien Schlauchende und einer Füllung des Schlauchs 15 mit Auftriebsflüssigkeit in geeigneter Tiefe aus gelegt und etwa in dieser Ebene horizontal gehalten werden.

In Fig. 2 bis 4 ist jeweils ein von zwei Hydrophonen 14 begrenzter Schleppkettenabschnitt 17 oder Schlauch abschnitt dargestellt. Die Hydrophone 14 sind ring förmig ausgebildet und an der Schlauchhülle 18 des Schlauchs 15 gehalten. Die hier nicht dargestellten elektrischen Verbindungsleitungen sind in der Schlauch hülle 18 selbst geführt.

In jedem Schleppkettenabschnitt 17 ist eine Meßvor richtung 19 angeordnet. Die Meßvorrichtung 19 weist ein am Anfang des Schleppkettenabschnitts 17 ange ordnetes Referenzglied 20 auf, das eine geradlinige gestreckte Referenzlinie 21 erzeugt, die bei gerad linig sich erstreckendem Schleppkettenabschnitt 17 in der Schleppkettenachse 22 liegt (Fig. 3) und bei Krümmung des Schleppkettenabschnitts 17 mehr oder weniger von dieser abweicht (Fig. 4). Am Ende des Schleppkettenabschnittes 17 ist als Teil der Meßvor richtung 19 ein Meßglied 23 angeordnet, mit welchem bei Schlauchkrümmung im Schleppkettenabschnitt 17, hervorgerufen durch die Abweichung der Schleppkette 13 von der idealen Schlepplinie, die Auslenkung der Schleppkettenachse 22 von der geraden Referenzlinie 21 gemessen werden kann (Fig. 4). Die Referenzlinie 21 ist dabei rechtwinklig zur Querabmessung der Schlepp kette 13 bzw. des Schlauchs 15 am Anfang des Schlepp kettenabschnitts 17 ausgerichtet.

Das Referenzglied 20 weist eine Lichtquelle 24 auf, die einen gebündelten Lichtstrahl aussendet. Der ge bündelte Lichtstrahl bildet die Referenzlinie 21. In dem in Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Lichtquelle 24 als Laserdiode mit vorgesetztem Projektionsobjektiv ausgeführt, wobei beide Bauele mente zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind. Das Meßglied 23 ist als Fotoempfänger 25 ausgebildet. Mittels des Fotoempfängers 25 kann die Ablage des auf dem Fotoempfänger 25 von dem Lichtstrahl der Lichtquelle 24 abgebildeten Lichtpunkts bezüglich eines in der Schleppkettenachse 22 liegenden Koor dinatenursprungs detektiert werden. Wie insbesondere in Fig. 2 zu sehen ist, weist hierzu der Fotoempfän ger 25 eine Vielzahl matrixartig angeordneter Foto sensoren 26 auf, deren räumliche Lage bezüglich des Koordinatenursprungs eindeutig bestimmbar ist. Licht quelle 24 und Fotoempfänger 25 sind jeweils auf einer Trägerscheibe 27 angeordnet, wobei immer die Licht quelle 24 der einen Meßvorrichtung 19 und der Foto empfänger 25 der benachbarten Meßvorrichtung 19 im benachbarten Schleppkettenabschnitt 17 auf der glei chen Trägerscheibe 27, und zwar jeweils auf einer der beiden gegenüberliegenden Scheibenflächen 28, 29, gehalten sind. Die Trägerscheiben 27 sind im Innern der hohlzylindrischen Hydrophone 14 befestigt und konzentrisch zu diesen angeordnet.

Die Wirkungsweise der Meßvorrichtung 19 läßt sich anhand der Fig. 3 und 4 verdeutlichen. Ist der Schlepp kettenabschnitt 17 geradlinig gestreckt, so fällt der von der Lichtquelle 24 erzeugte Lichtstrahl 21 mit der Schleppkettenachse 22 zusammen. Im Fotoempfänger 25 wird der im Koordinatenursprung liegende Fotosen sor 26′ beleuchtet und der Fotoempfänger 25 detektiert die Abweichung r=0 der Schleppkettenachse 22 von der von dem Lichtstrahl gebildeten Referenzlinie 21. Ist jedoch, wie in Fig. 4 dargestellt, der Schlauch 15 gekrümmt, was dann auftritt, wenn die Schleppkette 13 von der idealen Schlepplinie abweicht, so wird von der Lichtquelle 24 ein beliebiger Fotosensor 26 auf dem Fotoempfänger 25 beleuchtet. Da die Fotosensoren 26 in einer räumlichen Matrix eingebettet sind, ist jeder Fotosensor 26 eindeutig adressierbar. Die Ab lage r des Lichtstrahls oder der Referenzlinie 21 von dem Koordinatenursprung ist damit feststellbar. Diese Abweichung r wird über entsprechende Signal leitungen dem Empfänger 16 zugeführt und dort bei der Signalverarbeitung entsprechend berücksichtigt.

In Fig. 6 ist ein Ausschnitt einer Schleppkette 13 mit drei Schleppkettenabschnitten 17 dargestellt, der von der idealen Schlepplinie, die in Fig. 6 durch die x-Achse repräsentiert ist, abweicht. Das in Fig. 6 dargestellte Beispiel ist zweidimensional, d. h. die Schleppkette 17 weicht lediglich in der Horizontalebene von der idealen Schlepplinie ab. Das Beispiel ist jedoch ohne weiteres auch auf die ver tikale Abweichung der Schleppkette 13 von der idealen Schlepplinie auszudehnen.

Der Anfang des in Fig. 6 ersten Schleppkettenab schnittes 17 und das dort befindliche, in Fig. 6 nicht dargestellte Hydrophon 14 befinden sich noch auf der idealen Schlepplinie. Die nachfolgenden An fänge bzw. Enden der Schleppkettenabschnitte 17 und die nachfolgenden drei Hydrophone 14 haben jedoch eine größere Abweichung von der idealen Schlepplinie, die in Fig. 6 mit w ₁, w ₂ und w′ ₃ bezeichnet sind. Mit Hilfe der Meßvorrichtungen 19 lassen sich die Abweichungen r der Referenzlinie 21 und der Schlepp kettenachse 22 voneinander in jedem Schleppketten abschnitt 17 messen. Diese Abweichungen sind in den einzelnen Schleppkettenabschnitten 17 der Fig. 6 mit r ₁ und r ₃ bezeichnet. Da der mittlere Schleppketten abschnitt 17 nicht gekrümmt ist, ist hier die Ablage der Referenzlinie 21 von dem Koordinatenursprung Null und damit r ₂=0. Mit den aus Fig. 6 ersicht lichen geometrischen Beziehungen lassen sich die Abweichungen w ₁, w ₂ und w′ ₃ der einzelnen Hydrophone von der idealen Schlepplinie x ohne weiteres berech nen sowie die Kompensationszeiten τ _i bestimmen, um welche die jeweiligen Hydrophonsignale verzögert werden müssen, um die jeweils aktuelle Deformation der Schleppantenne zu kompensieren. Dabei gelten folgende Beziehungen:

Die einzelnen Bezeichnungen lassen sich aus Fig. 6 entnehmen so daß hier weitere Erläuterungen nicht erforderlich sind.

Durch Einsetzen der quadrierten Gl. (4) in Gl. (5) läßt sich mit der gemessenen Größe r _i die Unbekannte w _i berechnen, wobei i die Zahl des fortlaufenden Schleppkettenabschnittes 17 ist. Bei dem ungekrümm ten Abschnitt 2 ergibt sich aus r ₂=0, daß w′ ₂=w ₂ und w ₂=1₂×sin 2α ₁ ist. dy/dx in Gl. (6) kann aus den für die gebogenen Schleppkettenabschnitte 17 auf zustellenden Kreisgleichungen gewonnen werden, wo bei für die einzelnen Schleppkettenabschnitte 17 zu wählende verschiedene Koordinatenursprünge durch Koordinatentransformation in das in Fig. 6 darge stellte y-x-Koordinatensystem überführt werden müs sen. Diese Koordinatentransformationen und Berech nung der Ablagen der einzelnen Hydrophone 14 von der idealen Schlepplinie x gemäß den vorstehenden Glei chungen (1) bis (5) werden mittels eines Computers in dem Empfänger 16 durchgeführt.

Fig. 5 zeigt eine Modifikation der Meßvorrichtung 19. Hier werden die einzelnen Lichtquellen 24 in den Schleppkettenabschnitten 17 von dem freien Ende eines Lichtleiters 30 gebildet. Die Lichtleiter 30 sind zu einem Lichtleiterbündel 31 zusammengefaßt und bis hin zum Schleppkettenanfang geführt. Die Lichtleiter 30 sind dort an einem gemeinsamen Be lichtungselement, hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, angeschlossen.

Claims

1. Akustische Unterwasserantenne mit einer Anzahl von in einer Schleppkette hintereinander angeordneten Hydrophonen, dadurch gekennzeichnet, daß in Schlepp kettenabschnitten (17), die vorzugsweise von jeweils zwei Hydrophonen (14) begrenzt sind, jeweils eine Meßvorrichtung (19) mit einer vom Anfang des Schlepp kettenabschnittes (17) etwa im Durchstoßpunkt der Schleppkettenachse (22) ausgehenden gestreckten Re ferenzlinie (21) und einem am Ende des Schleppketten abschnitts (17) die Abweichung der Schleppketten achse (22) von der Referenzlinie (21) messenden Meßglied (23) angeordnet ist.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzlinie (21) rechtwinklig zur Querabmessung der Schleppkette (13) am Anfang der Schleppketten abschnitte (17) ausgerichtet ist.

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Referenzlinie (21) von einem gebündelten Lichtstrahl einer zentrisch in der Schleppketten achse (22) angeordneten Lichtquelle (24) gebildet wird und daß das Meßglied (23) als Fotoempfänger (25) ausgebildet ist, der die Ablage des auf ihm von dem Lichtstrahl abgebildeten Lichtpunktes bezüglich eines auf der Schleppkettenachse (22) liegenden Koordina tenursprungs (26′) detektiert.

4. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Fotoempfänger (25) eine Vielzahl matrixartig an geordneter Fotosensoren (26) aufweist, deren räum liche Lage bezüglich des Koordinatenursprungs (26′) eindeutig bestimmbar ist.

5. Antenne nach Anspruch 4 mit einem flexiblen Schlauch zur Aufnahme von Hydrophonen und elektrischen Ver bindungsleitungen, dadurch gekennzeichnet, daß beid seitig eines Schleppkettenabschnitts (17) eine im Schlauch (15) gehaltene quer zur Schlaucherstreckung ausgerichtete Trägerscheibe (27) angeordnet ist, deren eine Scheibenfläche (28) die Fotosensoren (26) der einen Meßvorrichtung (19) und deren andere Schei benfläche (29) die etwa mittig angeordnete Licht quelle (24) der jeweils benachbarten Meßvorrichtung (19) trägt.

6. Antenne nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Lichtquelle (24) aus einer Laserdiode mit vorgesetztem Projektionsobjektiv be steht.

7. Antenne nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Lichtquelle (24) vom freien Ende eines Lichtleiters (30) gebildet wird und daß die Lichtleiter (30) bis hin zum Schleppkettenanfang geführt und dort an einem gemeinsamen Belichtungs element angeschlossen sind.