DE3401865C1 - Unterwasser-Schallempfangsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Unterwasser-Schallempfangsanlage gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1. Anlagen dieser Art können beispielsweise zur Überwachung von schmalen Schiffahrtswegen und Hafeneinfahrten oder zur Schiffszählung in Kanälen und vorgegebenen Wasserstraßen eingesetzt werden. Außerdem können sie zum Aktivieren oder Auslösen von Zündsystemen für Ankertau- und Grundminen dienen, welche ansprechen sollen, sobald ein Schiff in einen bestimmten Gewässerbereich oberhalb der Mine eindringt.

Aus US-PS 40 83 031 ist ein akustischer Anwesenheitsdetektor dieser Art bekannt, der zur Erfassung von Schiffsgeräuschen in einem bestimmten Gewässerbereich einen gerichteten Empfangswandler sowie zum Erfassen des Umgebungsgeräusches einen akustischen Rundumempfänger aufweist. Jedem der beiden Empfänger ist ein Signalverarbeitungskanal nachgeschaltet, der unter anderem eine Schaltungsanordnung enthält, welche die während einer bestimmten Zeitspanne auftretenden positiv gerichteten Signaldurchgänge des Empfangssignals durch einen vorgegebenen Schwellwert zählt. Die Ausgangssignale der Zählschaltungen beider Kanäle werden anschließend miteinander verglichen und hieraus ein die Anwesenheit eines Schiffes anzeigendes Meldesignal abgeleitet, sofern der von Richtempfängern gespeiste Kanal wenigstens die doppelte Anzahl von Schwellwertdurchgängen meldet wie der an den Rundfunkempfänger angeschlossene Kanal. Es wird dabei vorausgesetzt, daß das Hintergrundsignal, verursacht durch die Meeresbewegung, etwa eine Gauß'sche Verteilung aufweist, während von einem Schiff ausgehende Geräusche von einer solchen Gauß'schen Verteilung mehr oder weniger abweichen. Der zur Auswertung der empfangenen akustischen Signale erforderliche Schaltungsaufwand der bekannten Anlage ist beträchtlich und läßt gleichwohl den Einfluß der Entfernung des Schiffs vom Empfänger und damit den Einfluß der Wassertiefe unberücksichtigt.

Geht man z. B. von einem rotationssymmetrischen Richtdiagramm des Empfangswandlers aus, so ist bekanntlich der Öffnungswinkel des Diagramms in erster Linie von der geomemtrischen Form und Größe des Empfangswandlers sowie der Empfangsfrequenz abhängig, während die vom Wandler erfaßte Gewässerfläche zusätzlich von der Gewässertiefe abhängt, weil bei einem vorgegebenen Diagrammöffnungswinkel der Durchmesser der erfaßten Wasseroberfläche sich proportional mit der Entfernung und somit der Wassertiefe ändert.

Um zu verhindern, daß eine an den Wandler angeschlossene Zähl- oder Zündvorrichtung auf Störgeräusche anspricht, werden nur solche Empfangssignale ausgewertet, welche oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes liegen. Da jedoch die Signaldämpfung mit zunehmender Entfernung stark zunimmt, kann dies dazu führen, daß schwache Signalquellen nicht erfaßt werden, und zwar unabhängig davon, ob dies durch geringe Schiffsgeräusche oder durch eine große Gewässertiefe und somit einen großen Abstand des Wandlers von der Gewässeroberfläche bedingt ist. Wollte man den letztgenannten Einfluß dadurch ausschalten, daß man die Verstärkung in dem dem Wandler nachgeschalteten Auswertekanal in Abhängigkeit von der Gewässertiefe, beispielsweise in Abhängigkeit vom Ausgangssignal eines Drucksensors, steuert, so würde dies bei größerer Gewässertiefe zugleich eine intensivere Verstärkung von Störsignalen bewirken, so daß diese unter Umständen ebenfalls den Schwellwert überschreiten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage der eingangs genannten Art so auszubilden, daß ihr Ausgangssignal von der Gewässertiefe möglichst unabhängig ist und möglichst wenig störanfällig ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Sie zeichnet sich darüber hinaus dadurch aus, daß der Aufwand sowohl für die Wandler selbst als auch für die nachgeschaltete Signalverarbeitung relativ gering ist und im wesentlichen herkömmliche Bauteile und Baugruppen umfaßt. Der besondere Vorteil liegt darin, daß die Intensität der erfaßten Fahrt- oder Maschinengeräusche des Schiffes für die Erzeugung des Anzeigesignals von untergeordneter Bedeutung ist, so daß auch Schiffe mit geringen Fahrtgeräuschen erfaßt werden können, und zwar auch dann, wenn beispielsweise bei starkem Wellengang beträchtliche Störgeräusche zum Wandler gelangen. Dabei wird davon ausgegangen, daß Schiffsgeräusche im wesentlichen aus einem breitbandigen Rauschspektrum mit einem frequenzabhängigen Pegelabfall von 6 dB/Oktave bestehen.

Das Logarithmieren und die anschließende Differenzbildung von Empfangssignalen ist an sich bekannt. So zeigt DE-PS 20 27 940 eine Vorrichtung zur Richtungsbestimmung einfallender Schallwellen unter Verwendung einer Empfängerbasis und zweier Empfängergruppen mit nachgeschaltetem Kompensator zum Bilden zweier sich überlappender Richtcharakteristiken sowie mit einem Zielauswertegerät zur Richtungsanzeige. Sie weist einen Kompensator am Eingang einer Zweikanalstufe für einander überdeckende Richtcharakteristiken der Empfängergruppen auf sowie Verzögerungseinrichtungen mit nachgeschalteten Multiplikatoren zur Bildung von zwei schielenden Korrelations-Funktions-Gleichspannungen als Maximum-Funktionen am Ausgang der Zweikanalstufe. Dieser ist ein Differenzbildner nachgeschaltet, dessen Ausgangssignal eine Nulldurchgangsfunktion zur Ansteuerung des Zielauswertegeräts ist. Zum Stand der Technik bemerkt die DE-PS 20 27 940, daß ein Radargerät zur Richtungsbestimmung reflektierter Wellenenergie mit zwei sich überlappenden Richtcharakteristiken bekannt ist, wobei die Signale in logarithmischen Verstärkern verstärkt, gleichgerichtet und voneinander abgezogen werden. Als akustischer Überlaufmelder sind diese bekannten zudem als aktive Anlagen ausgebildeten Einrichtungen zur Richtungsbestimmung nicht geeignet. Insbesondere lassen auch sie den Einfluß der Entfernung zwischen Wandleranlage und Signalquelle unberücksichtigt. Gerade die Möglichkeit, eine Unterwasser-Schallempfangsanlage ohne aufwendige Justierung in Gewässern unterschiedlicher Tiefe, beispielsweise durch Absetzen am Gewässerboden, einsetzen zu können, stellt einen wesentlichen Vorteil der erfindungsgemäßen Anlage dar.

Zur Erzeugung unterschiedlicher Richtdiagramme bieten sich im Prinzip zwei unterschiedliche Wege an. Zum einen kann die geomtrische Form und Ausdehnung der Wandler verändert werden, und zum anderen kann man mit unterschiedlichen Empfangsfrequenzbereichen arbeiten, denn das Richtdiagramm ist im allgemeinen sowohl von der Form und Ausdehnung als auch von der angewandten Empfangs- bzw. Sendefrequenz abhägig. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Sie wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 zwei scheibenförmige Wandler H1 und H2 unterschiedlichen Durchmessers sowie den Schalleinfallswinkel ϕ;

Fig. 2 den Verlauf des normierten Empfangspegels R sowie der Pegeldifferenz in Abhängigkeit vom Winkel ϕ;

Fig. 3 das Blockschaltbild einer ersten in Analogtechnik aufgebauten Ausführungsform der Empfangsanlage und

Fig. 4 eine zweite im Bereich der Signalauswertung in Digitaltechnik aufgebaute Empfangsanlage.

Wie Fig. 2a zeigt, hat der in Fig. 1 links dargestellte scheibenförmige Wandler H1 eine schärfer, also stärker gebündelte Hauptkeule seines Richtdiagramms R1, an die sich in bekannter Weise die Nebenzipfel anschließen. Der kleinere Wandler H2 weist ein weniger scharf gebündeltes Richtdiagramm R2 auf, welches in Fig. 2b schematisch wiedergegeben ist. Bildet man die Differenz der normierten Empfangspegel R2-R1, so erhält man den in Fig. 2c wiedergegebenen Kurvenverlauf, welcher erkennen läßt, daß die Winkelabhängigkeit der Pegeldifferenz von einem bestimmten Winkel ab wegen der Einbeziehung der Nebenzipfel mehrdeutig wird. Die Steilheit der Differenzpegelkurve ΔR= R2-R1 in Abhängigkeit vom Winkel ϕ ist von der Auslegung der absoluten und relativen Breite der Einzelrichtdiagramme R1 und R2 abhängig. Die Pegeldifferenz ist jedoch unabhängig von der Signalstärke des den Schall aussendenden Schiffes und dessen Entfernung und damit auch unabhängig von der Wassertiefe. Diese Unabhängigkeit von der absoluten Empfangsfeldstärke ergibt sich dadurch, daß die Differenz zweier logarithmierter Signale gebildet wird, welche bekanntlich dem Quotienten der Signale entspricht. Da die Signaldämpfung in gleicher Weise auf beide Signalanteile einwirkt bzw. die geringe Signalquellenintensität für beide Signalanteile gleichermaßen gegeben ist, führt die Quotientenbildung der Signale bzw. Differenzbildung der logarithmierten Signale zu einem von der absoluten Signalstärke unabhängigen Ausgangssignal. Sobald das Differenzsignal ΔR den Schwellwert R₀ unterschreitet, befindet sich die Geräuschquelle innerhalb des Erfassungs-Winkelbereichs ϕ₀.

In der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 gelangen die Empfangsignale der beiden Empfangswandler oder Hydrofone H1 und H2 jeweils zu einem Vorverstärker V1 bzw. V2, der durch eingebaute Bandfilter ein geeignetes Frequenzband auswählt. Sofern die Unterschiedlichkeit der Richtdiagramme R1 und R2 durch die Form und Abmessung der Wandler H1 und H2 bestimmt ist, haben beide Bandfilter den gleichen Durchlaßbereich. Wird hingegen die Unterschiedlichkeit der Richtdiagramme durch die Auswertung unterschiedlicher Empfangsfrequenzen erzeugt, so sorgen die in die Verstärker V1 und V2 eingebauten Bandfilter für die Auswahl dieser beiden unterschiedlichen Frequenzbereiche. Durch Verwendung der Bandfilter wird zugleich die erforderliche große Dynamik der Vorverstärker gewährleistet. Der eine Vorverstärker V2 ist darüber hinaus in seiner Verstärkung einstellbar, um unterschiedliche Empfangsempfindlichkeiten der beiden Hydrofongruppen auszugleichen. Ansonsten sind die beiden Signalverarbeitungskanäle gleich aufgebaut und bestehen jeweils aus einem Gleichrichter G1 bzs. G2, einem nachfolgenden Tiefpaß T1 bzw. T2 und einer sich hieran anschließenden Logarithmierschaltung L1 bzw. L2. An die beiden Logarithmierschaltungen L1 und L2 ist ein Differenzverstärker DV angeschlossen, welcher das Differenzsignal ΔR erzeugt und einem anschließenden Tiefpaß TP zuleitet, wo dieses Differenzsignal von überlagerten Störungen befreit wird. Am Ausgang des Tiefpaßfilters TP steht somit ein Anzeigesignal ΔR, welches gemäß der Kurvendarstellung in Fig. 2c innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereichs in eindeutiger Abhängigkeit vom Winkel ϕ steht.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 erfolgt die Signalverarbeitung zumindest teilweise digital. Hierzu schließt sich an die beiden Gleichrichter G1 und G2 ein Multiplexer MX an, dem ein Analog/Digital-Umsetzer U nachgeschaltet ist. Das Logarithmieren sowie die anschließende Differenzbildung erfolgt in einem mit einem Mikroprozessor ausgestatteten Rechner C, welcher zugleich den Multiplexer MX steuert. Die digitale Signalverarbeitung hat den Vorteil, daß die Signale beider Kanäle unabhängig von etwaigen Alterungserscheinungen, Spannungs- oder Temperaturschwankungen in der gleichen Weise verarbeitet und ausgewertet werden, und daß durch zusätzliche dem Mikroprozessor vorgegebene Grenz- oder Korrekturwerte in einfacher Weise eine Anpassung an die jeweiligen Gegebenheiten am Einsatzort leicht durchzuführen ist und sich die Störanfälligkeit noch weiter verringern läßt. Die Abtastfrequenz des Multiplexers kann dabei relativ niedrig sein, weil nur Gleichstromsignale verarbeitet werden.

Interessiert von dem in Fig. 2c wiedergegebenen Verlauf der Differenzspannung in Abhängigkeit vom Winkel nur der Zeitpunkt der sicheren Unterschreitung des Mindestwinkels ϕ₀, so wird die Ausgangsspannung ΔR in einem nachgeschalteten Vergleicher mit einer Schwellwertspannung ΔR₀ verglichen, um den Zeitpunkt der Unterschreitung des Grenzwinkels ϕ₀ zu ermitteln. Soll anstelle des Eindringens eines Schiffes in einen bestimmten Winkelbereich das Einfahren in eine bestimmte Fläche oberhalb des Wandlers festgestellt werden, so läßt sich der zugehörige Winkel ϕ₀ in Abhängigkeit vom Durchmesser der Fläche D und der Gewässertiefe aus der bekannten Beziehung ϕ₀=arc tg ermitteln. Die Gewässertiefe T kann mit einem Drucksensor gemessen werden, dessen Ausgangssignal unter Anwendung der vorgenannten Gleichung dann zur Bestimmung des Grenzwinkels ϕ₀ dient. Die zugehörige Signalspannung ergibt sich aus der Kurve gemäß Fig. 2c. Es bereitet keine Schwierigkeiten, das Ausgangssignal des Drucksensors ebenfalls zu digitalisieren und in den Rechner C einzugeben.

In Fig. 1 sind die beiden Hydrofone H1 und H2 als getrennte Wandler dargestellt. Statt dessen kann ein einziger Wandler Verwendung finden, beispielsweise ein Wandler H2, der von einem ringförmigen Wandler H1 umgeben ist und wobei das Richtdiagramm R2 vom Wandler H2 und das Richtdiagramm R1 von beiden Wandlern gemeinsam erzeugt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, außer einem scheinförmigen Wandler einen zweiten zylinderförmigen oder anders gestalteten Wandler zu verwenden.

Die aus den Fig. 2a-2c ersichtliche Mehrdeutigkeit des Signalverlaufs außerhalb des Grenzwinkels ϕ₀ ist durch die nicht vollständige Unterdrückung der Seitenkeulen der Richtcharakteristik der Hydrofonanordnung bedingt. Es sind jedoch aus einer Vielzahl von Einzelwandlern zusammengesetzte Wandleranordnungen bekannt, deren Einzelwandler amplituden- und phasengestaffelt erregt werden und auf diese Weise eine nebenkeulenarme Richtcharakteristik erzeugen. Das gleiche ist bei Empfangswandleranordnungen möglich, wenn man eine entsprechende phasen- und amplitudenbewertete Signalabtastung der einzelnen Wandlerelemente vorsieht. Der Grad der Nebenpegelunterdrückung ist in erster Linie eine Frage des Aufwands.

Eine weitere demgegenüber weniger aufwendige Möglichkeit zum Ausschließen von Mehrdeutigkeiten besteht in der zusätzlichen Berücksichtigung der Absolutpegel der empfangenen Signale. Da großen Winkeln ϕ größere Zielentfernungen und damit kleinere Signalpegel entsprechen, kann man durch geeignete Schwellwerte für den Absolutpegel der beiden Hydrofonsignale eine wirksame Unterdrückung der aus Bereichen großer Winkel ϕ kommenden Signale erreichen und damit Mehrdeutigkeiten unterdrücken. Diese Art der Nebenpegelunterdrückung läßt sich noch dadurch verbessern, daß man die Arbeitsfrequenz relativ hoch wählt, so daß infolge der mit der Frequenz zunehmenden Dämpfung der Schallausbreitung die Abhängigkeit der Absolutpegel von der Entfernung und damit auch vom Einfallswinkel noch erhöht wird.

Ist beispielsweise in Küstennähe oder bei Schlechtwetter ein hoher isotroper Störpegel von Schallsignalen vorhanden, so besteht die Gefahr, daß insbesondere relativ leise Schiffe nicht erfaßt werden. Dies gilt in erster Linie von der wenig stark bündelnden Hydrofonanordnung. Dann geht die Differenzpegelkurve gemäß Fig. 2c nicht mehr durch den Ursprung des Koordinatensystems, sondern durch einen festen störpegelabhängigen positiven Wert für den Winkel ϕ und verläuft weniger steil. Um hierdurch bedingte Fehlmessungen zu vermeiden, kann man vor der Logarithmierung der Signale von diesen einen gemessenen Langzeitmittelwert entsprechend dem isotropen Störpegel abziehen und damit im interessierenden Winkelbereich die Form der Richtcharakteristik regenerieren. Gleiches gilt auch für etwaige gerichtet einfallende Störsignale, weil das Einzelhydrofon zwischen aus verschiedenen Richtungen kommenden Störsignalen nicht unterscheiden kann.

Für die Zwecke der Erfindung lassen sich beliebige Wandleranordnungen verwenden. Voraussetzung ist lediglich, daß sie zwei unterschiedliche, sich überschneidende Richtdiagramme bilden. Diese beiden Richtdiagramme können gleichzeitig oder abwechselnd zeitlich nacheinander erzeugt werden, beispielsweise dadurch, daß man abwechselnd unterschiedliche Wandlergruppen einer aus einer Vielzahl von Einzelwandlern bestehenden Wandleranordnung abtastet.

Claims (9)

1. Unterwasser-Schallempfangsanlage mit nach oben gerichteten Empfangswandlern zum Erfassen den Empfangsbereich des Wandlers durchfahrender Schiffe, gekennzeichnet durch die Verwendung von zwei gleichachsig ausgerichteten Richtempfangswandlern (H1, H2) mit rotationssymmetrischen aber einen unterschiedlichen Öffnungswinkel (ϕ) aufweisenden Empfangsdiagrammen (R1, R2), aus deren verstärkten Ausgangssignalen durch Logarithmieren und Differenzbildung ein dem Quotienten der Empfangssignale entsprechendes Signal gebildet wird, das beim Überschreiten oder Unterschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes eine Anzeige auslöst.
2. 2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Empfangswandler (H1, H2) durch unterschiedliche Gruppen einer gemeinsamen, aus einer Vielzahl von Einzelwandlern bestehenden Wandleranordnung gebildet sind.
3. 3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Empfangswandler (H1, H2) durch konzentrische Kreisflächen unterschiedlichen Durchmessers bildende Wandlergruppen gebildet sind.
4. 4. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Empfangswandler durch eine kreisförmige Wandlerfläche und einen konzentrischen zylindrischen Wandler gebildet sind.
5. 5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Empfangsdiagramme dadurch gebildet sind, daß die beiden Empfangswandler und/oder die ihnen nachgeschalteten Empfangskanäle auf unterschiedliche Frequenzbereiche angsprechen.
6. 6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der Empfangswandler (H1, H2) ein mit einem Bandfilter auusgestatteter Vorverstärker (V1, V2), ein Gleichrichter (G1, G2), ein Tiefpaß (T1, T2) und ein Logarithmierer (L1, L2) nachgeschaltet ist und die Ausgangssignale beider Logarithmierer einem Differenzverstärker (DV) zugeführt sind.
7. 7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Differenzverstärker (DV) ein Tiefpaßfilter (TP) nachgeschaltet ist.
8. 8. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Empfangswandler (H1, H2) über einen mit einem Bandfilter ausgestatteten Vorverstärker (V1, V2) und einen Gleichrichter (G1, G2) an einen Multiplexer (MX) angeschlossen ist, der durch einen Rechner (C) gesteuert, die gleichgerichteten Empfangssignale über einen Analog/- Digital-Umsetzer (U) dem Rechner zur Logarithmierung und Differenzbildung zuleitet.
9. 9. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine in jedem der beiden Signalverarbeitungskanäle (V1-T1; V2-T2) vorgesehene Integrationsschaltung zur Bildung eines Langzeitmittelwertes der Empfangssignale sowie eine dem Logarithmierer (L1; L2) vorgeschaltete Subtrahierstufe, in welcher der Langzeitmittelwert vom Augenblickwert des Empfangssingals subtrahiert wird.