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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Sonare mit
synthetischer Antenne, bei denen die physikalische Antenne durch eine
lineare Gruppe von Meßwandlern gebildet wird. Beim Empfang sind
alle Meßwandler aktiv, während beim Senden nur ein Teil von
ihnen verwendet wird.
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Um die Wege einer solchen synthetischen Antenne zu bilden,
werden die von den N Meßwandlern in K sukzessiven Durchläufen
gelieferten K · N Signale kombiniert. Um dies durchzuführen,
muß die Geometrie der synthetischen Antenne, d. h. die Position
der Phasenzentren der Meßwandler beim Senden und Empfangen für
die Dauer von K Durchläufen in einer Ebene Oxy bekannt sein,
wobei Ox die Zielachse in Richtung des Bodens ist (deren
Höhenwinkel sich während des Durchlaufs mit dem Verlauf des
Bodens ändert) und Oy die zu Ox senkrechte und der mittleren
Bahn der Plattform am nächsten liegende Achse ist. Die Abstände
der synthetischen Antenne zur Ebene Oxy sind hinreichend klein,
um in den meisten praktischen Fällen vernachlässigt zu werden.
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Außerdem stehen ausreichend genaue Mittel zur Messung der
Verschiebung des Meßwandler-Trägers längs Oy, also in der
Richtung, in der eine geringere Genauigkeit als für Ox
erforderlich ist, zur Verfügung. Somit läßt sich das Problem der
Kenntnis der Geometrie der synthetischen Antenne in der Ebene
Oxy auf die Kenntnis ihrer Geometrie in Richtung der Zielachse
Ox zurückführen.
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Um dieses Problem zu lösen, hat die Firma Westinghouse in
"Synthetic aperture beamforming with automatic phase
compensation for high frequency sonars", R. W. Sheriff, AUV 92 [1]
vorgeschlagen, das Prinzip der gleichen Phasenzentren
anzuwenden. Dazu wird die Differenz zwischen der Summe der Abszissen
xk des Sende-Phasenzentrums im Durchlauf k und xn,k des
Phasenzentrums des Empfangssensors n im Durchlauf k und der Summe
der Abszissen xk+1 des Sende-Phasenzentrums im Durchlauf k + 1
und des Empfangssensors n' im Durchlauf k + 1 bestimmt, indem
die Interkorrelationsverzögerung der beiden Signale der
gewählten Sensoren (n,k) und (n',k+1) gemessen wird, so daß sich
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yk + yn,k = yk+1 + yn', k+1' (1)
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also die Äquivalenzbedingung für die Phasenzentren, ergibt, die
einer maximalen Korrelation der über den Sensor n im Durchlauf
k und dem Sensor n' im Durchlauf k + 1 empfangenen Signale
entspricht.
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In dem Dokument [1] wird eine Gruppe aus zwei Meßwandlern
betrachtet, wovon der erste beim Senden und beim Empfangen
verwendet wird und der zweite ausschließlich beim Empfangen
verwendet wird. Da die Verschiebung längs Oy zwischen zwei
sukzessiven Durchläufen gleich dem halben Abstand zwischen den
zwei Sensoren ist, ist die Beziehung (1) für n = 2 und n' = 1
erfüllt. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, kann dies auf eine
Gruppe mit N Sensoren bei einer Verschiebung δy kleiner als die
halbe Länge der Gruppe für alle yn,k, für die gilt
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yn,k - 2·δy ≥ y1,k (2)
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verallgemeinert werden.
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Durch räumliche Interpolation der Signale des Durchlaufs k + 1
kann ein Sensorsignal, das einer Position yn',k+1 seines
Phasenzentrums auf Oy entspricht, bestimmt werden, so daß sich (1)
ergibt (da yk+1 = yk + δy und yn',k+1 = yn'k + δy ist (1)
gleichbedeutend mit yn,k = yn',k + 2·δy), und anschließend die
Interkorrelationsverzögerung zwischen dem interpolierten Sensor
(n',k+1) und dem Sensor (n,k) geschätzt werden, die mit τn',n,k
bezeichnet wird. Die räumliche Interpolation führt zur
Berücksichtigung von n' Brüchen. Gegeben ist
τn',n,k = τn',n,k,x + τn',n,k,y' wobei τn',n,k,x von den Abszissen
xk, xk+1, xn,k, xn',k+1, die geschätzt werden sollen, abhängt und
τn',n,k,y von den Ordinaten yk, yk+1, yn,k, yn',k+1 abhängt. Da
die Ordinaten bekannt sind, ist τn',n,k,y bekannt. Aus dem
Meßwert von τn',n,k wird der Meßwert von
τn',n,k,x = τn',n,k - τn',n,k,y abgeleitet.
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Es
wird dann eine Gesamtheit von Paaren von Sende-Empfangs-
Phasenzentren ((n,k),(n',k+1)) erhalten, für die eine Schätzung
der Abszissenabstände gegeben ist durch:
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(xk+1 + xn',k+1) - (xk + xn,k) = -C · τn',n,k,x (3)
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Die Ordinaten der Sende-Phasenzentren yk und yk+1 und der
Empfangs-Phasenzentren yn,k und yn',k+1 werden von der Messung
der Verschiebung längs Oy geliefert, der über die oben
angeführten Meßmittel erhalten wird.
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Somit kann die Form der synthetischen Antenne (von Durchlauf zu
Durchlauf) näherungsweise geschätzt werden, was dazu führt, daß
xk + xn,k als bekannt angesehen werden kann und (3) folglich
xk+1 + xn',k+1 ergibt. Da die Gruppe linear ist, reicht eine
Kenntnis von xk+1 + xn',k+1 für wenigstens zwei Werte von n'
aus, um die Abszissen xk+1 + xn,k+1 der N realen (d. h. der
nicht räumlich interpolierten, bei ganzzahligem n) Sende-
Empfangs-Phasenzentren des Durchlaufs k + 1 durch lineare
Regression zu berechnen. Eventuell kann bei der Schätzung von
xk+1 + xn,k zusätzlich ein Meßwert der Rotation der Antenne
berücksichtigt werden.
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Die einfachste Realisierung der Autofokussierungsverarbeitung
besteht darin, die Abstände der synthetischen Antenne bezüglich
Oy zu kompensieren, indem die Sensorsignale Verzögerungen
unterworfen werden, die durch die folgende Formel, wobei c die
Schallgeschwindigkeit im Wasser ist, definiert sind:
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tn,k = xk + xn,k/C (4)
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Anschließend werden wie für eine Antenne, die dieselben yk und
yn,k besäße, deren xk und xn,k beide null wären, Wege gebildet.
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Wenn die Abstände längs Ox entlang der Antenne zu groß sind,
kann diese einfache Korrektur nicht mehr angebracht werden,
weshalb die Fokussierungsverzögerungen in nicht separabler
Weise von der Krümmungslinie, die geschätzt wird, und dem
Brennpunkt abhängen.
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Dieses Verfahren ist um so genauer, je mehr Sensoren zwischen
zwei sukzessiven Durchläufen k und k + 1 gemäß der Beziehung
(1) paarweise zusammengestellt werden können. Diesbezüglich
setzt die Bedingung (2) eine Grenze. Für eine genügend große
Anzahl von Sensoren bedeutet diese Beziehung (2), daß die
Anzahl von Sensoren des Durchlaufs k, die zur Schätzung der
transversalen Verschiebung der Antenne zwischen den Durchläufen
k und k + 1 verwendet werden können, gegeben ist durch:
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Folglich muß die Verschiebung zwischen den Durchläufen deutlich
kleiner als L/2 sein, damit sich ein bezeichnendes Verhältnis
verwendbarer Sensoren ergibt. Zudem ist L/2 der Maximalwert der
Verschiebung zwischen den Durchläufen, über den hinaus sich
eine räumliche Unterabtastung der synthetischen Antenne ergibt,
die deren Leistungen herabsetzt, wie dies in dem Artikel
"Detection and Imaging Performance of a Synthetic Aperture
Sonar", D. Billon, F. Le Clerc, L. Hue, OCEANS 93, [2]
erläutert ist. In der Praxis ist diese Beschränkung einengend:
wenn L = 3 m und die Reichweite Rmax des Sonars 500 m ist,
beträgt die Maximalgeschwindigkeit V = (L/2)/(2Rmax/c) = 4,s
nds. Es kann folglich schwerlich hingenommen werden, daß die
Geschwindigkeitsgrenze noch weiter gesenkt wird.
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Um das obenbeschriebene Autofokussierungsverfahren auszuführen,
ohne die Geschwindigkeitsgrenze zu senken, wird vorgeschlagen,
das Sende-Phasenzentrum k + 1 in entgegengesetzter Richtung zur
physikalischen Verschiebung der Antenne in bezug auf das Sende-
Phasenzentrum k elektronisch zu verschieben. Aus der Bedingung
(2) wird dann:
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yn,k ≥ y1,k + 2 · δy - e, (6)
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wobei e die elektronische Verschiebung des Sende-Phasenzentrums
des Durchlaufs k + 1 in Rückwärtsrichtung in bezug auf den
Durchlauf k ist, d. h., daß yk+1 = Yk + δy - e. Für e = 2·δy ist
die Gesamtheit der Antennensensoren für die Autofokussierung
verwendbar, da die Bedingung (6), die dann yn,k ≥ y1,k lautet,
für alle n erfüllt ist.
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Im allgemeinen Fall ist die Anzahl für die Autofokussierung
verwendbarer Sensoren:
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I ∼ N · L - 2 · δy - e /L (7)
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Dieses Verfahren der elektronischen Verschiebung des Sendens in
entgegengesetzter Richtung zur Vorwärtsbewegung der Plattform
im Hinblick auf die Sicherstellung einer starken Korrelation
der Signale zweier sukzessiver Durchläufe ist beim Radar für
andere Anwendungen als die Autofokussierung von synthetischen
Antennen bekannt, wobei der entsprechende Antennentyp DPCA
(Displaced Phase Center Antenna) genannt wird.
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Die Erfindung, wie sie beansprucht ist, besteht darin, ein
solches Verfahren zur Ausführung der Autofokussierung von
synthetischen Sonarantennen anzuwenden.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform werden zwei unterschiedliche
Frequenzen f&sub1; und f&sub2; verwendet, um die Autofokussierung
auszuführen, während eine dritte unterschiedliche Frequenz f&sub0;
verwendet wird, um das Bild zu erzeugen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal dieser ersten Ausführungsform
werden die Frequenzen f&sub1; und f&sub2; abwechselnd an den Enden der
Antenne ausgesendet, während die Frequenz f&sub0; an einem festen
Punkt der Antenne wie beispielsweise dem Zentrum ausgesendet
wird.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform werden zwei verschiedene
Frequenzen f&sub1; und f&sub2; verwendet, werden die Sende-Phasenzentren
dieser Frequenzen in K sukzessiven Durchläufen in
entgegengesetzten Richtungen verschoben, wird dann die
Verschiebungsrichtung umgekehrt, wird die Frequenz, deren Phasenzentrum in
Vorwärtsrichtung der Antenne verschoben ist, verwendet, um eine
synthetische Antenne für diese K Durchläufe zu bilden, und wird
die andere Frequenz verwendet, um die Autofokussierung
auszuführen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal dieser zweiten Ausführungsform
entsprechen K = 2 und K = 3 zwei bevorzugten Fällen der zweiten
Ausführungsform.
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Gemäß einer dritten Ausführungsform werden M unterschiedliche
Frequenzen f&sub1;, ..., fM verwendet, deren Sende-Phasenzentren mit
konstanter Schrittweite längs der physikalischen
Empfangsantenne verteilt sind und bei jedem neuen Durchlauf gemäß einer
zyklischen Permutation verschoben werden. Diese zyklische
Permutation verschiebt die Phasenzentren von M - 1 Frequenzen
unter den M Phasenzentren um einen Schritt nach vorn und das
Phasenzentrum der verbleibenden Frequenz als einzige, die zur
Anwendung des Prinzips der gleichen Phasenzentren zwischen dem
neuen Durchlauf und dem vorhergehenden Durchlauf verwendet
wird, um gemäß dem allgemeinen Verfahren der Erfindung die
Verschiebung längs Ox zu schätzen, um M - 1 Schritte nach
hinten. Die M Frequenzen werden zur Bildung des Bildes durch
Öffnungswinkelsynthese verwendet.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich
beim Lesen der folgenden Beschreibung, die anhand eines
nichtbeschränkenden Beispiels und in Gegenüberstellung der
beigefügten Figuren gegeben wird, worin:
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- Fig. 1 eine erläuternde graphische Darstellung des aus der
Referenz [1] bekannten Verfahrens ist, das auf eine lineare
Gruppe aus N Sensoren verallgemeinert ist,
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- Fig. 2 eine erläuternde graphische Darstellung einer ersten
Ausführungsform der Erfindung ist,
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- Fig. 3 eine erläuternde graphische Darstellung eines ersten
Beispiels einer zweiten Ausführungsform ist,
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- Fig. 4 eine erläuternde graphische Darstellung eines
zweiten Beispiels dieser zweiten Ausführungsform ist und
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- Fig. 5 eine erläuternde graphische Darstellung einer
dritten Ausführungsform der Erfindung ist.
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In einer ersten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße
Verfahren verwendet, um ein seitliches Sonar zu verwirklichen,
das bei einer relativ "hohen" Geschwindigkeit arbeitet.
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Dieses Sonar arbeitet in drei auf f&sub0;, f&sub1; und f&sub2; zentrierten
Frequenzbändern. Das Sende-Phasenzentrum bei f&sub0; ist fest,
wodurch in diesem Frequenzband das Bild erzeugt werden kann.
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Die Frequenzen f&sub1; und f&sub2; werden gemäß dem obenbeschriebenen
Verfahren zur Schätzung der Geometrie der synthetischen Antenne
verwendet. Die Sende-Phasenzentren f&sub1; und f&sub2; liegen in einem
Abstand von 2·δy auf einer zur Antenne parallelen Achse, was
dadurch verwirklicht werden kann, daß bestimmte Meßwandler der
Empfangsantenne für das Senden verwendet werden. Von Durchlauf
zu Durchlauf wird die Zuweisung von f&sub1; und f&sub2; zu den zwei
Phasenzentren vertauscht. Für ein gegebenes Paar von
sukzessiven Durchläufen wird diejenige der zwei Frequenzen f&sub1;
und f&sub2; verwendet, die an dem Punkt vor dem Durchlauf k und an
dem Punkt nach dem Durchlauf k + 1 ausgesendet wurde, um die
Autofokussierung zu erzielen (wie oben erläutert wurde, die
Bestimmung der Verzögerung der Korrektur der Abstände bezüglich
Oy oder der Geometrie der Antenne in Oxy). Für das folgende'
Paar, das aus den Durchläufen k + 1 und k + 2 besteht, wird die
zuvor im Durchlauf k + 1 und in dem um 2·δy nacheilenden Punkt
im Durchlauf k + 2 ausgesendete andere Frequenz verwendet und
so weiter.
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Im allgemeineren Fall ist es möglich, den Ort des nacheilenden
Phasenzentrum bis auf einen Meßwandlerschritt durch räumliche
Kommutation der Sendeschaltungen in einer Meßwandlergruppe,
welche das gleiche wie jenes für den Empfang sein kann, zu
wählen, damit e für δy ≤ L/2 so nahe wie möglich bei 2·δy
liegt. In der Praxis wird versucht, die höchstmögliche
Geschwindigkeit zu erzielen und folglich δy bestmöglich L/2
anzunähern. Dieser Fall entspricht einer besonderen Ausführung,
in der die Sender, die auf den Frequenzen f&sub1; und f&sub2; arbeiten
und zur Autofokussierung dienen, an den beiden Enden der
Antenne liegen. Für die Position des Senders, der mit der
Frequenz f&sub0; arbeitet und zur Bilderzeugung dient, ist
unverändert vorgesehen, daß diese fest ist. In einer besonderen
Ausführung ist diese das Zentrum der Antenne, während die zwei
äußeren Sender abwechselnd auf den Frequenzen f&sub1; und f&sub2;
arbeiten. Diese Konfiguration, bei der das Senden an den beiden
Enden der Antenne abwechselnd auf zwei Frequenzen erfolgt, ist
in dem am 18.02.93 angemeldeten und am 15.03.94
veröffentlichten US-Patent Nr. 5.295.118 beschrieben. Jedoch hat in diesem
Patent die Sendeeinrichtung eine Verdoppelung der
Geschwindigkeit der Plattform zum Ziel, wobei die Empfangssignale nicht
ausgewertet werden, um, wie es in der vorliegenden Erfindung
vorgeschlagen wird, die Autofokussierung auszuführen, was auch
nicht möglich wäre, da sich in diesem Fall L = e = δy ergibt
und die Beziehung (7) zeigt, daß die Anzahl zur
Autofokussierung der Antenne verwendbarer Sensoren gleich null ist. Ferner
sind die Sendeeinrichtungen verschieden, da die Erfindung in
einer ersten Ausführungsform drei Frequenzen verwendet, eine
Sonar-Bilderzeugungsfrequenz und zwei
Autofokussierungshilfsfrequenzen, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, und in einer
zweiten Ausführungsform zwei Frequenzen verwendet, deren Sende-
Phasenzentren nicht notwendigerweise an den beiden Enden der
Antenne liegen und im Verlauf der Durchläufe an mehr als 2
Punkten liegen können.
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In einem konkreten Beispiel dieser ersten Ausführungsform
wurden die folgenden Parameter verwendet:
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- Reichweite, Durchlauf: Rmax = 500 m, Tr = 670 ms
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- Antennenlänge, Geschwindigkeit: L = 4 m, Vmax = 6 Knoten
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- Frequenzen: f&sub0; = 100 kHz, f&sub1; = 90 kHz, f&sub2; = 80 kHz
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- Bandbreite: B&sub0; = 20 kHz, B&sub1; = 10 kHz, B&sub2; = 10 kHz
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- Impulsdauer: T&sub0; = T&sub1; = T&sub2; = 5 ms (in Form eines
"Zwitscherns")
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- Anzahl der Sensoren: N = 80, K = 30 bei einer maximalen
Reichweite von 500 m
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- Länge der Sendepupillen: l&sub0; = 0,1 m, l&sub1; = l&sub2; = 0,4 m
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- Apertur der Sendediagramme: 2θ-3,0 = 8º, 2θ-3,1 2θ-3,2
2º (der Index n in θ-3,n gibt die entsprechende Frequenz fn
an)
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- Auflösung längs Ox: c/2B&sub0; = 4 cm, längs Oy: l&sub0;/2 = 5 cm
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Es werden feinere Autofokussierungsstrahlen als jene für die
Bilderzeugung verwendet, da das Autofokussierungsverfahren um
so besser funktioniert, je feiner die Strahlen sind, während
die Auflösung der synthetischen Antenne umgekehrt proportional
zur Weite des Sendestrahls ist. Die drei Sendestrahlen werden
im Azimut in einer zur Mittenlage der Antenne senkrechten
Richtung Ox mit Hilfe einer Lagezentrale, deren Ausgangssignal
mit dem über die Autofokussierung gelieferten Schätzwert der
Rotation der Antenne in der Ebene Oxy kombiniert wird,
stabilisiert. Die elektronische Peilung wird durch Verwendung der
zwei zentralen Meßwandler bei f&sub0; und der 8 Meßwandler jedes
Endes bei f&sub1; und f&sub2; realisiert. Die räumliche Überabtastung der
realen Antenne ermöglicht die für das
Autofokussierungsverfahren erforderliche räumliche Interpolation.
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In einer zweiten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße
Verfahren angewandt, um ein Schiffsrumpfsonar zu verwirklichen,
das zur Minensuche für einen Betrieb bei "geringer"
Geschwindigkeit bestimmt ist.
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Um in herkömmlicher Weise ein durch Detektorsonarschall
erfaßtes Objekt zu klassifizieren, nähert sich das Minensuchschiff
dem erfaßten verdächtigen Objekt bis auf einen
Sicherheitsabstand in der Größenordnung von 150 Metern und verwendet sein
Schatten-Klassiersonar, mit der Absicht, ein klassifizierendes
Bild des Objekts zu erhalten. Zu diesem Zweck kreist es um das
Objekt, wobei es seinen Sicherheitsabstand einhält, und
analysiert die Verformung des akustischen Schattens, der bei dieser
Bewegung auf den Boden geworfen wird, um die Form des Objekt zu
erhalten. Die Qualität des Schattenbildes ist prinzipiell durch
die Auflösung im Azimut des Sonars begrenzt, die im Bereich von
0,1 bis 0,2º liegt und von derselben Größenordnung wie die
Größe des zu klassifizierenden Objekt ist. Die Erfindung
schlägt vor, im Hinblick auf eine Verbesserung dieser Auflösung
bei dem Kreisen des Schiffs um das Objekt eine Verarbeitung mit
synthetischer Antenne durchzuführen, was einen großen
operativen Vorteil darstellt. Diese Bewegung kann bei geringer
Geschwindigkeit in der Größenordnung von 2 Knoten längs einer
zur Antenne parallelen Achse erfolgen. Für eine Durchlaufdauer
von 250 ms, was einer maximalen Reichweite von 180 m
entspricht, beträgt die Verschiebung 25 cm, was auf einer
Antenne von 1,5 m eine Weite von 1 m (= 1,5 m - 2 · 0,25 m)
läßt, um mit einer Sendung, deren Phasenzentrum auf der Antenne
fest ist, eine Autofokussierung auszuführen. Zur Erzeugung des
Bildes und zur Ausführung der Autofokussierung kann dann
dieselbe Frequenz verwendet werden.
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Die Winkelauflösung der synthetischen Antenne in einer
unverschallten Bodenzone bei K sukzessiven Durchläufen beträgt:
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im Vergleich zur Auflösung der realen Antenne:
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2Θ3,r ∼ λ/L (9)
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Im obigen Beispiel (L = 1,5 m, δy = 0,25 m) muß folglich K = 4
sein, um die Winkelauflösung durch zwei zu teilen und K = 7
sein, um diese durch drei zu teilen. Obwohl diese Zahlen im
Vergleich zu dem Beispiel der ersten Ausführungsform (K = 30)
klein sind, sind sie hier schwer anzuwenden, da im Gegensatz
zur ersten Ausführungsform, die hauptsächlich auf Sonare
angewandt wird, die seitlich an geschleppten Trägern befestigt
sind, die in Bodennähe navigieren, der im folgenden
beschriebene zweite Modus im wesentlichen Schiffsrumpfsonare betrifft,
deren Antenne sich lediglich einige Meter unter der Oberfläche
befindet, wo die räumlich-zeitliche Kohärenz des Mediums
wesentlich geringer ist, als in Bodennähe. Folglich ist es
wichtig, für ein gegebenes Objektiv mit der Auflösung der
synthetischen Antenne die physikalische Verschiebung der realen
Antenne und die Zeit für die Bildung der synthetischen Antenne
zu minimieren, was darauf hinausläuft, K zu minimieren. Ein
weiterer Vorteil der Minimierung von K liegt in der
Vereinfachung der Autofokussierungsverarbeitungen und der
Bildung der synthetischen Antenne. Dies ist der Gegenstand der
zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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In diesem Modus gibt es nur zwei Frequenzen f&sub1; und f&sub2;. Während
der K sukzessiven Durchläufe, die zur Bildung der synthetischen
Antenne dienen, wird das Sende-Phasenzentrum, beispielsweise
f&sub1;, bei jedem neuen Durchlauf längs der Antenne in die
Bewegungsrichtung der Antenne verschoben, während das Sende-
Phasenzentrum der anderen Frequenz, beispielsweise f&sub2;, in
entgegengesetzter Richtung verschoben wird. Die Frequenz f&sub1;
wird zur Bildung der synthetischen Antenne verwendet, während
die Frequenz f&sub2; zur Autofokussierung nach dem oben dargelegten
Prinzip verwendet wird. Bei den K - 1 folgenden Durchläufen
wird die Richtung der Verschiebung der Sende-Phasenzentren von
f&sub1; und f&sub2; umgekehrt, wobei mit dem letzten der K vorhergehenden
Durchläufen und diesen K - 1 neuen Durchläufen bei der Frequenz
f&sub2; eine synthetische Antenne gebildet wird. Und so weiter. Wenn
Tr die Durchlaufdauer des Sonars ist, beträgt die Periode der
auf diese Weise gebildeten Bilder (K - 1) · Tr.
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Wenn E die Gesamtauslenkung des Sende-Phasenzentrums während
der K Durchläufe bei der zur Bildung der synthetischen Antenne
dienenden Frequenz ist, beträgt die erhaltene Winkelauflösung:
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e&sbplus; und e&submin; seien die Verschiebungen des Sende-Phasenzentrums bei
der Frequenz zur Bildung der synthetischen Antenne bzw. des
Sende-Phasenzentrums bei der Frequenz zur Autofokussierung der
synthetischen Antenne zwischen zwei Durchläufen. Dann muß die
folgende Bedingung erfüllt sein:
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e&sbplus; + 2 · δy ≤ L (11)
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Dieser Ausdruck stellt die Bedingung für die korrekte räumliche
Abtastung der synthetischen Antenne dar. Die Anzahl I von
Sensoren, auf die das Prinzip der gleichen Phasenzentren
angewandt werden kann, bei der Frequenz, deren
Sende-Phasenzentrum nacheilt, ist durch den Ausdruck (7) gegeben, wobei
e = e&submin;.
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In einem in Fig. 3 gezeigten ersten konkreten Beispiel dieser
zweiten Ausführungsform lauten die Parameter wie folgt:
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L = 1,5 m, N = 100, f&sub1; = kHz, f&sub2; = 430 kHz
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B&sub1; = B&sub2; = 15 kHz, T&sub1; = T&sub2; = 7 ms
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Länge der 2 Sendepupillen = 10,5 cm
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Breite des Feldes bei 150 m und -3 dB Dämpfung des
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Schallpegels = 4,5 m
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K = 2, E = e&sbplus; = e&submin; ≤ 1,4 m
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Bilddurchlauf = Sonardurchlauf = 250 ms
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Auflösung bei 150 m und bei der Geschwindigkeit von 2
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Knoten = 0,05 m · 0,18 m
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Die zwei Meßwandler sind aus 7 Elementen als Elemente der
Empfangsgruppe zusammengesetzt. Der Abstand E der zwei
Phasenzentren ist an die Transversalgeschwindigkeit V in bezug auf
die Zielachse nach der folgenden Beziehung gebunden:
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E = 2V · Tr, (12)
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wobei Tr = 250 ms. Dieser variable Abstand wird durch
elektronische Kommutation der Elemente des Meßwandlers unter den 100
Elementen der Empfangsgruppe verwirklicht.
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Die zwei Strahlen werden zu Beginn durch Bezeichnung durch die
Bedienungsperson und anschließend durch Regelung in
Abhängigkeit von den Kurs- und Geschwindigkeitsmeßwerten des Schiffs
auf das Zentrum des zu klassifizierenden Objekts gerichtet.
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In einem in Fig. 4 gezeigten zweiten konkreten Beispiel sind
die Parameter dieselben, mit Ausnahme von:
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K = 3, E = 1,4 m, e&sbplus; = e&submin; = 0,75 m oder 0,65 m
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Bilddurchlauf = 2 · Sonardurchlauf = 500 ms
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Auflösung bei 150 m und bei der Geschwindigkeit V = 2
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Knoten = 0,05 m · 0,14 m
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Wie in Fig. 4 gezeigt ist, gibt es vier Sende-Phasenzentren in
einem Abstand vom Zentrum von ±5 cm und ±0,7 m.
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Die Erfindung schlägt außerdem eine dritte Ausführungsform vor,
die komplexer ist und wie beim ersten Modus, gegenüber dem sie
den Vorteil besitzt, daß für die Bilderzeugung durch
Öffnungswinkelsynthese alle Sendefrequenzen verfügbar sind, im
wesentlichen auf seitliche Sonare bei großer Geschwindigkeit
angewandt wird. Der gewünschte Schallimpuls ist spektral in M
Impulse mit den Mittenfrequenzen f&sub1;, f&sub2;, ..., fM unterteilt,
die eine Bandbreite besitzen, die gleich der durch M geteilten
gewünschten Bandbreite ist. Die Sende-Phasenzentren sind mit
konstanter Schrittweite p längs der physikalischen
Empfangsantenne verteilt, wobei die Zuweisung zu den M Frequenzen bei
jedem neuen Durchlauf gemäß einer zyklischen Permutation
modifiziert wird, so daß alle Frequenzen bis auf eine, deren
Phasenzentrum um M - 1 Schritte in bezug auf die
Vorwärtsrichtung des Trägers nacheilt, um einen Schritt voreilende
Phasenzentren besitzen. Die Schrittweite p muß der Beziehung (11)
genügen, wobei e&sbplus; = p. Die Anzahl I von Sensoren, auf die bei
derjenigen Frequenz, deren Sende-Phasenzentrum im Vergleich zum
vorhergehenden Durchlauf nacheilt, das Prinzip der gleichen
Phasenzentren angewandt wird, um die Bewegung längs Ox gemäß
dem Verfahren der Erfindung zu schätzen, ist durch den Ausdruck
(7) gegeben, wobei e = (M - 1)p. Ein besonderer wichtiger Fall
ist der, bei dem M und p so gewählt werden, daß alle Sensoren
zur Ausführung der Autofokussierung verwendet werden können.
Dann ergibt sich:
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(M - 1)p = 2 · δy, (13)
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wobei unter Berücksichtigung von (11), wobei e&sbplus; = p gesetzt
wird, gelten muß:
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Diese dritte Ausführungsform entspricht dem in Fig. 5 gezeigten
Beispiel mit den folgenden Parametern:
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Rmax 500 m, L = 4 m
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Tr = 700 ms, Vmax = 5 Knoten ( δy = 3,5 m)
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M = 8, p = 0,5 m
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f&sub1; = 91,25 kHz, fm+1 = fm + 2,5 kHz
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B&sub1; = B&sub2; = ... = B&sub8; = 2,5 kHz
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T&sub1; = T&sub2; = ... = T&sub8; = 30 ms
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N = 80, K = 30 bei 500 m
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l&sub1; = l&sub2; = ... = l&sub8; = 0,1 m
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2Θ-3,1 = 2Θ-3,2 = ... = 2Θ-3,8 = 8º
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Auflösung längs Ox: c/2B = 4 cm
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Auflösung längs Oy: lm/2 = 5 cm