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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Neueinstellen von
Bildern eines Sonars mit einer synthetischen Antenne, die durch die Verschiebung
einer linearen Antenne der Länge L aus Meßwandlern gebildet ist. Beim Empfang
sind alle Meßwandler aktiv, und ein Teil von ihnen ist auch beim Senden aktiv.
Die Sender müssen auch nicht Teil der Antenne sein.
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Es sind bereits synthetische Antennen bekannt, bei denen ausgehend von
verschiedenen räumlichen Positionen einer physischen Antenne eine virtuelle
Antenne gebildet wird.
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Wenn die Nennverschiebung des Trägers (ohne Bewegungsfehler) und die
physische Antenne kollinear sind, erhält man eine lineare synthetische Antenne.
Ein bekanntes Ausführungsbeispiel betrifft seitlich angebrachte Sonare zur
Abbildung des Meeresbodens, bei denen die seitliche Auflösung der Bilder durch die
synthetische Antenne wesentlich verbessert werden kann.
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Wenn die Nennverschiebung des Trägers senkrecht zur physischen Antenne
ist, erhält man eine zweidimensionale synthetische Antenne, die häufig Lücken
aufweist. Ein Ausführungsbeispiel betrifft frontmontierte Sonare zur Minensuche.
Für die physische Antenne bedeutet die synthetische Antenne den Gewinn einer
zusätzlichen Antenne, um dadurch bessere Ortungs- und
Identifizierungsergebnisse zu erzielen. Diese Verbesserung führt dazu, daß zwischen einer Rekursion und
der folgenden die Kohärenz des Echos einer Mine im allgemeinen besser als jene
eines Bodenechos ist, die wiederum besser als jene des Rauschens ist.
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Zur Fokussierung einer synthetischen Antenne auf einen gegebenen Punkt F
müssen jedoch die Laufzeitdifferenzen für den Hinweg und Rückweg zwischen F
und dem physischen Sonar für alle K aufeinanderfolgenden Rekursionen, die
integriert werden sollen, kompensiert werden. Nun reicht bereits ein
Bewegungsfehler des Trägers von λ/4 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rekursionen,
d. h. weniger als ein Millimeter bei den üblichen Wellenlängen (λ = 3,75 mm bei
f&sub0; = 400 kHz) eines Sonars zur Identifizierung von Minen, aus, um mehr
gegenphasige als gleichphasige, von F stammende Echos zu summieren und somit die
synthetische Antenne zunichte zu machen. Die instnmentelle Ausrüstung, die
zudem umfangreich und teuer ist, besitzt nicht die erforderliche Genauigkeit. Wenn
Bewegungsfehler vorliegen, hängen die Korrekturen, denen die Wegdifferenzen
zu unterziehen sind, außerdem von der Projektion dieser Fehler in radialer
Richtung von F ab, die vom Bodenrelief abhängt. Nun bleibt diese unbekannt, wenn
die physische Antenne, wie hier angenommen, eine lineare Antenne ist, die eine
konische Unbestimmtheit aufweist. Die Autofokussierung ist dann eine besonders
verlockende Lösung. Sie ermöglicht das Umgehen der mit der getrennten
Messung der Trägerverschiebung, des Bodenreliefs und des momentanen
Ultraschallverlaufs verbundenen Schwierigkeiten. Statt dessen werden die Kombinationen
dieser für das gestellte Problem erforderlichen Größen, d. h. die Wegedifferenzen,
direkt geschätzt.
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Es ist das durch ICPI de Lyon eingereichte französische Patent Nr. 94 1164 [1]
mit J. Chatillon und J. Magand als Erfinder bekannt, das auf die Definition eines
solchen Autofokussierungsverfahren gerichtet ist. Im Gegensatz zur vorliegenden
Erfindung zieht dieses Verfahren keinen Nutzen aus der Mehrfachsensor-Struktur
der physischen Antenne. Es setzt zudem voraus, daß die abgebildete Szene in
Zonen mit einem eindeutigen Diffusor zerlegt werden kann. Es ist folglich in dem
bei der Minensuche wichtigen Fall nicht anwendbar, in dem die abgebildete Szene
nur eine reflexionsfreie Mine auf einem gleichmäßig reflektierenden Untergrund
wie beispielsweise einem homogenen Untergrund aus Schlick und feinem Sand
zeigt (wobei in diesem Fall die Mine durch ihren Schlagschatten erfaßt wird).
Tatsächlich enthält selbst die kleinste Zone, in die sich die abgebildete Szene
unterteilen läßt und die der Auflösungszelle des Sonars entspricht, nach dem
herkömmlich zur Beschreibung eines gleichmäßig reflektierenden Untergrunds
angewandten Modell noch immer unendlich viele Diffusoren.
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Außerdem ist das am 6. Januar 1981 an Westinghouse Electric Corp. erteilte
US-Patent Nr. 4.224.036 mit R. S. Raven als dem Erfinder bekannt, in dem ein
Autofokussierungsverfahren für ein seitlich angebrachtes Sonar mit synthetischer
Antenne beschrieben ist, das selbst auf einem gleichmäßig reflektierenden
Untergrund operieren kann. Dieses Verfahren ermöglicht die Integration zweier
aufeinanderfolgender Rekursionen, wobei die Ertveiterung auf den Fall von K
Rekursionen schrittweise erfolgt. Es verwendet wenigstens einen Nleßwandler, der beim
Empfangen zwischen zwei Rekursionen verschoben wird. Der Meßwandler läßt
sich relativ zur physischen Antenne verschieben, derart, daß sein als geometrische
Mitte des Mittelpunkts der Sendeantenne und des Meßwandlers definierter
Phasenmittelpunkt in bezug auf die Wasseroberfläche nominell fest bleibt. Aus Fig. 1
ist ersichtlich, daß der Meßwandler um ΔR = 2vT in der zur Bewegung des Sonars
entgegengesetzten Richtung verschoben werden muß, wobei vT die
Nennverschiebung des Trägers zwischen zwei Rekursionen ist. Eine solche Verschiebung
ist unter der Bedingung L > 2vT möglich, was bedeutet, daß die synthetische
Antenne räumlich überabgetastet wird.
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Unter den Nennbedingungen sind die Signale des verschobenen Meßwandlers
bei den Rekursionen Nr. I und Nr. 2 völlig gleich. Wenn Fehlervorkommen, wird
nach dem Verfahren dieses Patents [2] eine Phasenverschiebung ungleich null
zwischen den beiden komplexen Abtastwerten, die sich auf die Echos desselben
Abstandsfelds des Untergrunds beziehen, beobachtet. Diese Phasenverschiebung
liefert dann die Phasenkorrektur, der die Signale sämtlicher Meßwandler der
Rekursion Nr. 2, Abstandsfeld um Abstandsfeld, zu unterziehen sind, um diese auf
die Signale der Rekursion Nr. 1 zu integrieren. Es muß jedoch angemerkt werden,
daß die Anwendung des Verfahrens durch ein weiteres Verfahren, das durch das
Patent [2] nicht spezifiziert ist, ein vorhergehendes Neueinstellen der gepaarten
komplexen Abtastwertpaare mit der Genauigkeit von 1/B erfordert, wobei B der
Durchlaßbereich des Sonars ist.
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Dieses Verfahren [2] beschreibt außerdem eine Erweiterung auf den Fall der
gleichzeitigen Verwendung mehrerer verschobener Meßwandler. Tatsächlich
können dann, wenn die synthetische Antenne räumlich ausreichend überabgetastet
wird, beim Empfangen wenigstens zwei Meßwandler verschoben, wenigstens
zwei Phasenverschiebungen nach dem obigen Verfahren geschätzt und diese
mehrfachen Schätzwerte durch lineares Variieren längs der physischen Antenne
zu einer Phasenverschiebungsvorschrifl extrapoliert werden. Diese
Kompensationsvorschrift wird dann bei der Rekursion Nr. 2 auf die Signale der Meßwandler
angewandt, derart, daß bei der Rekursion Nr. 2 neben einer konstanten
Phasenkorrektur eine elektronische Störimpulsbeseitigung der physischen Antenne
ausgeführt wird.
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Schließlich erwähnt das Verfahren [2] noch die Möglichkeit, den Sender um
2vT zu verschieben, was die gleichzeitige Verwendung aller Meßwandler der
physischen Antenne ermöglicht, wodurch sich eine erhöhte Genauigkeit ergibt.
Jedoch stellt sich beim Versuch, aufeinanderfolgende Rekursionen kontinuierlich
neu einzustellen, ein durch den Erfinder von [2] beschriebenes Problem. So
ermöglicht das Rücksetzen des Senders um 2vT zwischen den Rekursionen Nr. 1
und Nr. 2 ein Neueinstellen dieses Paars von Rekursionen, jedoch nicht der
Rekursionen Nr. 2 und Nr. 3, da der Sender am Anschlag der physischen Antenne
angekommen ist. Es läßt sich tatsächlich nur eines von zwei Paaren von
Rekursionen neu einstellen.
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Ein weiteres, nicht vom Erfinder von [2] beschriebenes Problem ist, daß die
Verschiebung beim Senden die Nennverschiebung des Phasenmittelpunkts des
physischen Sonars annulliert, so daß es keine Raum-Diversity und folglich keinen
Auflösungsgewinn zur kohärenten Integration der beiden, in dieser Weise neu
eingestellten Rekursionen gibt. Die Autofokussierung wird folglich auf Kosten
der Leistung der synthetischen Antenne erzielt, was natürlich nicht erwünscht ist.
Die in der am 19. September 1995 von Thomson-CSF eingereichten
Patentanmeldung Nr. 95 10953 [3] vorgeschlagenen Verschiebungsmodi beim
Senden ermöglichen das Überwinden dieser beiden Einschränkungen. Einer dieser
Modi verwendet ein zweimaliges, zusätzliches und wechselweises (d. h. mit jeder
Rekursion wechselndes) Senden, das paarweise mit Codes ausgeführt wird, die
sich untereinander und vom Hauptsendecode, der von einem festen Sender
ausgeführt wird, unterscheiden. Die drei Codes liegen beispielsweise in
unterschiedlichen Unterbändern, weshalb sie beim Empfang durch Filtern getrennt werden
können. Dann existiert für jedes Paar von Rekursionen einer kontinuierlichen
Folge stets eines von zwei Hilfsunterbändern, in das beim Senden in einer Richtung
verschoben werden kann, die zur Trägerbewegung entgegengesetzt ist. Diese
Verschiebungen, die in mit dem Band der Hauptemission nicht zusammenhängenden
Unterbändern erfolgen, haben zudem keine Auswirkung auf die Bilderstellung.
Alle Arten spektralen Multiplexings sind möglich, beispielsweise jene, mit denen
durch Überlagerung zwei Hilfscodes erzeugt werden können, die spektral nicht
zusammenhängen, jedoch dieselbe Mittenfrequenz wie die Hauptemission
besitzen.
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Jedoch bleiben beim Verfahren [2] grundlegende Einschränkungen bestehen.
Die Tatsache, daß die Verschiebung beim Empfangen oder beim Senden durch die
Nennbewegung vT des Trägers bestimmt wird, ohne Bewegungsfehler zu
berücksichtigen, ist eine Quelle der Ungenauigkeit. Zudem setzt das Verfahren [2]
voraus, daß für alle Diffusoren F eines selben Abstandsfelds dieselben
Phasenkorrekturen vorgenommen werden können. Diese Bedingung der Isotropie von
Phasenfehlern ist in der Optik unter dem Namen "Isoplanetismus" bekannt. Das
Verfahren ist nur in dem Fall anwendbar, in dem der gesamte Emissionssektor als
isoplanetischer Sektor betrachtet werden kann, was in der Praxis eine
Einschränkung darstellt, wie das folgende Beispiel zeigt.
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In einem Bezugssystem Oxyz wie in Fig. 2 liegt der Meeresboden über der
Ebene Oxy, wobei das Sonar nominell in Ox-Richtung verschoben wird. Es wird
angenommen, daß die einzige Störwirkung eine Stampfschwingung zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Rekursionen mit der Amplitude P in Oz-Richtung ist.
Diese Stampfschwingung bewirkt, daß die Positionen C&sub1; und C&sub2; der
Phasenmittelpunkte eines verschobenen Meßwandlers nicht mehr übereinstimmen. Die
Koordinaten auf Ox und Oy sind konstruktionsbedingt gleich, jedoch gilt dies nicht
für Oz, in der die parasitäre Bewegung zu einer vertikalen Trennung der zwei in
Fig. 2 gezeigten Punkte von P führt. Es läßt sich somit aus der Figur unmittelbar
entnehmen, daß der Phasenfehler für die Diffusoren F&sub1; und F&sub2; des Abstandsfelds
nicht gleich ist. Tatsächlich kann C&sub1;C&sub2; als synthetische interferometrische Basis
in Oz-Richtung mit einer Auflösung von λ/2P angesehen werden, derart, daß der
Phasenfehler nur als konstant angenommen werden kann, wenn die Änderung der
Echos des Abstandsfelds bezüglich des Peilwinkels in bezug auf die Achse der
interferometrischen Basis im Bereich von λ/16P bleibt. Für P = 10 cm und
λ = 3,75 mm beträgt die maximal zulässige Änderung etwa 0,1º. Bei einer
Reichweite von 200 m und streifendem Einfall, wie er bei der Minensuche üblich
ist, reichen folglich Höhenänderungen im Abstandsfeld von etwa 50 cm aus, um
an die Grenzen des Verfahrens zu stoßen. Bei einem Emissionssektor von 5º
erstreckt sich das in 200 m Reichweite sich befindende Abstandsfeld in Ox-
Richtung über mehr als 20 m. Ein ebener, jedoch um 10% in bezug auf Oxy
geneigter Untergrund reicht somit aus, um Höhenänderungen von mehr als 2 m
hervorzurufen. Weite Dünen oder Furchen, deren Amplitude zwischen 40 cm und
1 m liegen, kommen auf dem Meeresgrund ebenfalls häufig vor. Diese Analyse ist
selbstverständlich nicht auf den Fall der vereinzelten Stampfschwingung und der
Abstandsfelder an der Grenze der Reichweite beschränkt. In der Mitte oder am
Beginn des überstrichenen Bereichs rufen störende Kombinationen aus Gieren
und Stampfen gleiche Effekte hervor. Dasselbe gilt für Fehler durch das Nicken.
So ergibt sich für L = 4 m und einem Nickwinkel von nur 1,5º bereits P = 10 cm.
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Wenn solche Winkeländerungen auftreten, verliert die durch das Verfahren [2]
als geschätzte konstante Phasenverschiebung ihren Wert.
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Um die Stabilität des Verfahrens [2] zu verbessern, schlägt die
Patentanmeldung [3] vor, zusätzliche Aussendungen mit feineren Strahlenbündeln als jene der
Hauptemission auszuführen. In einem Ausführungsbeispiel weisen die
Hilfsstrahlen einen Winkel von 2º auf, während der Hauptstrahl 8º aufweist. Um
jedoch den gesamten Auflösungsgewinn der synthetischen Antenne zu erzielen,
müssen die Phasenfehler über den gesamten Hauptemissionssektor von 8º und
nicht nur über eine Untersektor von 2º geschätzt werden. Wenigstens der Hauptemissionssektor
muß durch mehrere Hilfsemissionen mit Strahlenbündeln, die so
fein wie möglich sind, überdeckt werden, wobei gemäß der herkömmlichen
Technik der Bildung von Wegen beim Senden die Emissionen in nicht
zusammenhängenden Unterbändern liegen.
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Diese Analyse offenbart die prinzipielle Einschränkung des Systems der
verschobenen Meßwandler. Diese besitzen keine ausreichende Winkelauflösung, um
die Winkeländerungen der gesuchten Phasenfehler zu schätzen.
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Das gestellte Problem kann wie folgt formuliert werden. F sei ein Punkt des
Untergrunds, der bezüglich der Rekursion I durch das Sonarkoordinatenpaar (u,
τ) definiert ist. Es wird wie in Fig. 3 u = cos θ gesetzt, wobei θ der Peilwinkel von
F in bezug auf die physische Antenne und t die Laufzeitverzögerung für den Hin-
und Rückweg ist. Zur Verwirklichung der synthetischen Antenne sind die
Koordinaten von F für die Rekursion θ gesucht. Diese lassen sich als Funktion der
Koordinaten (u, τ) für die Rekursion 1 in der Form angeben:
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u + Δu(u, τ), τ + Δτ(u, τ) (I)
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Das gestellte Problem besteht in der Schätzung der Verschiebungen Δu und Δτ
von (1) für alle (u, τ) des physischen Bildes Nr. I anhand der einzelnen
Sonarsignale. Es stellt sich in gleicher Weise für alle mit einer linearen Antenne (seitlich
angebrachtes Sonar, frontmontiertes Sonar...) ausgeführten, synthetischen Modi
und insbesondere für die oben beschriebenen Modi.
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Es stellt sich in gleicher Weise für alle Anwendungen, die darauf abzielen, zur
Navigationsneueinstellung oder zur Bezeichnung des Ziels genau zwei Bilder
derselben Zone des Untergrunds paarweise zusammenfassen. Für diesen Zweck sind
zahlreiche Bildverarbeitungstechniken bekannt, die für Radarbilder oder optische
Bilder verwendet werden und auf der Auswertung von besonderen Punkten der
Bilder Nr. 1 und Nr. 2 und ihrer Paarung basieren. Jedoch funktionieren diese
Techniken nicht auf einem ebenen, gleichmäßig reflektierenden Untergrund, was
eine Einschränkung für das Sonar bedeutet, bei dem die Dichte besonderer (häufig
durch den Menschen herausgesuchter) Punkte nicht so wichtig wie beim Radar ist.
Die Bildverarbeitungstechniken, die darauf abzielen, die Korrelation zweier
Bilder zu erfassen, besitzen diese Einschränkung nicht, jedoch führen sie zu anderen
Schwierigkeiten. Zum einen sind die Verschiebungen Δu und Δt nicht über das
gesamte Bild konstant, und zum anderen ist der Korrelationskoeffizient dieser
Bilder klein und liegt für ein seitlich angebrachtes Sonar vor einem gleichmäßig
reflektierendem Untergrund etwa bei 1-2vT/L.
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Aus dem am 6. Januar 1987 an die Firma Westinghouse erteilten US-Patent
Nr. 4.635.240 [4] mit G. Geohegan und C. W. Allen als Erfinder ist außerdem ein
Navigationssystem bekannt, das ein frontmontiertes Sonar verwendet, um die
Amplitude und die Richtung der Horizontalverschiebung des Trägers zwischen
zwei Rekursionen zu schätzen. Dieses Verfahren wertet die mit der physischen
Antenne gebildete Korrelation der Wege aus, wobei angenommen wird, daß sich
die Antenne im Winkel stabil verhält und die Vertikalbewegung des Trägers
sowie die Wassertiefe bekannt sind. Außerdem wird ein ebener Untergrund
angenommen. Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren erfordert dieses
Verfahren die Unterstützung durch Navigationssensoren und erstellt Hypothesen über
das Relief, wodurch dieses für die hier ins Auge gefaßten Anwendungen zu
ungenau ist. Zudem behandelt es nicht den Fall des seitlich angebrachten Sonars.
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Zur Lösung des gestellten Problem schlägt die Erfindung ein Verfahren zum
Neueinstellen von Sonarbildern mittels Unterantennen vor, das insbesondere
dadurch gekennzeichnet ist, daß für zwei aufeinanderfolgende Rekursionen Nr. 1
und Nr. 2 für einen Punkt F, der durch seine Koordinaten im Sonarbild mit der
Rekursion Nr. 1 bestimmt ist, zwei gleiche Abschnitte der physischen Antenne,
die sich an ihren gegenüberliegenden Enden befinden und zwei Unterantennen
bilden, gewählt werden, daß mit der ersten Unterantenne ein erster Weg, der auf F
gerichtet ist, gebildet wird und mit der zweiten Unterantenne mehrere zweite
Wege, die in einem ausreichend breiten Sektor, der F enthält, verteilt sind, gebildet
werden und daß derjenige der zweiten Wege gewählt wird, der die
Korrelationsspitze zwischen dem ersten Weg und jedem der zweiten Wege maximal macht,
wodurch mit den beiden Unterantennen zusammen die Koordinaten von F im
Sonarbild der Rekursion Nr. 2 bestimmt werden.
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Gemäß einem weiteren Merkmal werden diese Operationen für beide
Verschiebungsrichtungen und für mehrere Abmessungen der Unterantenne
wiederholt, um die Richtung und die Abmessung zu wählen, die die genannten Maxima
der Korrelationsspitzen maximal macht.
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Gemäß einem weiteren Merkmal werden diese Operationen für ein Gitter von
Punkten F des Sonarbildes mit der Rekursion Nr. 1 wiederholt, so daß die
geschätzten Größen für einen benachbarten Punkt von F als Anfangsbedingungen
verwendet werden können und die Gesamtheit der zwei Bilder zwischen den
aufeinanderfolgenden Rekursionen neu eingestellt werden kann.
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Gemäß einem weiteren Merkmal erfolgt eine gemeinsame Schätzung für eine
gesamte Untereinheit von Punkten des Gitters, indem ein parametrisches Modell
der Änderungen der Größen, die in der Untereinheit gesucht werden, eingeführt
wird.
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Gemäß einem weiteren Merkmal werden außerdem wenigstens ein
zusätzlicher Sender und wenigstens ein zusätzlicher Sendecode verwendet.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden deutlich in der
folgenden Beschreibung, die anhand eines nicht einschränkenden Beispiels mit Bezug
auf die beigefügten Figuren gegeben wird, wobei unter den Figuren:
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Fig. 1 eine Darstellung eines im Stand der Technik verwendeten, beim
Empfangen verschobenen Meßwandlers ist;
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Fig. 2 eine mit Hilfe eines Sonars erhaltene Ansicht des Meeresbodens ist, die
eine vertikale Stampfschwingung zeigt, die eine Verdeutlichung der
Einschränkungen des Standes der Technik ermöglicht;
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Fig. 3 eine Ansicht einer physischen Antenne beim Senden und beim
Empfangen ist, die eine Definition der verwendeten Parameter ermöglicht;
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Fig. 4 zwei mit der physischen Antenne erhaltene aufeinanderfolgende
Sonarbilder zeigt, die eine Veranschaulichung der Verschiebung im Bild eines
Bodenechos ermöglichen;
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Fig. 5 eine Darstellung der Zeitabschnitte ist, in denen die Korrelationen
erfolgen, die eine Schätzung der Verschiebungen ermöglichen;
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Fig. 6 eine Darstellung einer beim Empfangen zwischen den Rekursionen
Nr. 1 und Nr. 2 verschobenen Unterantenne des ersten, auf ein Bodenecho F
gerichteten Wegs und mehrerer zweiter Wege, die das Auffinden von F mit der
Rekursion Nr. 2 ermöglichen, ist;
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Fig. 7 eine schematische Darstellung ist, die eine Veranschaulichung der
Änderungen der Sonarkoordinaten zwischen der Antenne und der Unterantenne
ermöglicht;
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Fig. 8 eine Darstellung der Positionen der verschobenen Phasenmittelpunkte
gemäß der Erfindung und dem Stand der Technik ist;
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Fig. 9 eine Darstellung der Verschiebung der Unterantenne für ein
frontmontiertes Sonar und für ein Backbord-Bodenecho ist; und
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Fig. 10 eine Darstellung der Unterantenne für den Fall ist, in dem die
Verschiebung gleichzeitig beim Senden und beim Empfangen erfolgt und die
physische Antenne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rekursionen um mehr als L/2
verschoben wird.
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Die Innovation besteht in der Bildung von Wegen, die mit einer beim
Empfangen verschobenen Unterantenne gebildet werden. Die Bildung von Wegen gibt
eine unmittelbare Antwort auf die oben aufgezeigten, mit der schlechten
Winkelauflösung zusammenhängenden Probleme, da sie die Richtwirkung der
Unterantenne ausnutzt, um die gesuchten Winkeländerungen zu schätzen. Vor einem
ungleichmäßigen Untergrund (strukturierte Böden, die zu einer Modulation des
Echos führen, Übergänge zwischen verschiedenen Bodenformationen, Schatten
oder Echos von Zielen usw.) kann durch die Bildung von Wegen der Gewinn an
Unterantennen genutzt werden, um den Rauschabstand zu erhöhen, wodurch sich
ein Gewinn an Schätzgenauigkeit ergibt, der zum vorhergehenden Gewinn an
Winkelauflösung hinzukommt.
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Eine erste Ausführungsform betrifft lineare synthetische Antennen. Um die
Verschiebungen Δu und Δr in bezug auf einen gegebenen Punkt F, der durch seine
Sonarkoordinaten (u, τ) mit der Rekursion Nr. 1 definiert ist, zu schätzen, wird
zuerst eine beim Empfangen verschobene Unterantenne konstruiert. Mit den
Rekursionen Nr. 1 und Nr. 2 ist die Unterantenne am Anschlag des Netzes an ihren
beiden gegenüberliegenden Enden, so daß ihre Verschiebung zwischen den
Beobachtungen Nr. 1 und Nr. 2 in einer Richtung erfolgt, die wie in Fig. 6 der
seitlichen Verschiebung des Sonars entgegengesetzt ist. Der einzige Parameter, der für
die vollständige Definition der Linterantenne übrigbleibt, ist somit seine
Abmessung. Zuerst wird willkürlich eine anfängliche Abmessung, beispielsweise
L - 2vT, gewählt. Anschließend wird mit der Unterantenne durch die Rekursion
Nr. 1 in einem ersten, auf F zentrierten kurzen Zeitabschnitt ein erster, auf F
gerichteter Weg gebildet. Diese in Fig. 5 gezeigten Abschnitte enthalten ausreichend
viele unabhängige Abtastwerte, um die Korrelationsverzögerung mit der
erforderlichen Genauigkeit zu schätzen, wobei sie dennoch so kurz bleiben, daß die
Änderung der radialen Richtung innerhalb eines Abschnitts vernachlässigbar ist. Ihre
Größe ändert sich somit ebenfalls mit x, wobei die Abschnitte am Ende des
überstrichenen Bereichs (502) länger als am Beginn des überstrichenen Bereichs (SOI)
sein können.
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Anschließend werden wie in Fig. 6 mit der Unterantenne mit der Rekursion
Nr. 2 mehrere zweite Wege in der Nähe eines ersten Schätzwerts des Peilwinkels
von F mit der Rekursion Nr. 2 gebildet (bei fehlendem Schätzwert werden die
Wege über den gesamten Emissionssektor gebildet). Anschließend werden diese
zweiten Wege mit dem ersten Weg korreliert und derjenige zweite Weg gewählt,
der die Korrelationsspitze maximal macht. Die Korrelation wird gemäß den in der
Interferometrie bei breitem Durchlaßbereich B üblichen Techniken durchgeführt,
die ferner beim Sonar für die akustische Ortung verwendet werden und in der
Auswertung sowohl der bis auf I/B gemessenen Korrelationsverzögerung als auch
der Phase der Korrelationsspitze bestehen, um einen genaueren Schätzwert dieser
Verzögerung zu erhalten. Die obigen Operationen werden anschließend beliebig
oft wiederholt, wobei die Abmessung der Unterantenne variiert wird und
diejenige gewählt wird, die das Maximum der Korrelationsspitze darstellt. Durch
räumliche Überabtastung und Interpolation kann die Schätzung der optimalen
Abmessung auf einen Bruchteil der Abmessung eines Meßwandlers verfeinert werden.
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Die Verschiebungen bezüglich des Peilwinkels Δu' und die
Korrelationsverzögerung Δu' zwischen den ersten und den zweiten gewählten Wegen, die der
optimalen Unterantenne entsprechen, lassen sich als Verschiebungen von F in einem
an der Unterantenne festgemachten Sonarkoordinatensystem interpretieren. Um
zu den Verschiebungen Δu und Δτ in bezug auf das an der Gesamtantenne
festgemachte Koordinatensystem überzugehen, müssen diejenigen
Koordinatenänderungen ausgeführt werden, die den Ubergang von der Antenne zur Unterantenne
mit der Beobachtung Nr. 1 und den umgekehrten Übergang mit der Beobachtung
Nr. 2 ermöglichen. Diese Koordinatenänderungen sind vollständig bekannt und in
Fig. 7 zusammengefaßt.
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Die obigen Operationen werden anschließend für ein Gitter von Punkten F,
das das physische Bild Nr. I überdeckt, wiederholt. Die Verschiebungen Δu und
Δt sowie die Abmessung der verschobenen Unterantenne, die für einen Punkt in
der Nähe von F geschätzt werden, liefern dann ausgezeichnete
Anfangsbedingungen für die Schätzung derselben Größen in bezug auf F.
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Die Winkelauflösung der Schätzung wird durch die Abmessung der
Unterantenne festgelegt, während die zeitliche Auflösung durch die Größe der
Zeitabschnitte festgelegt wird. Diese Auflösungen legen auch die maximalen
Abmessungen der Maschen des Schätzgitters fest, wobei die geschätzten Verschiebungen
geglättet und interpoliert werden können, derart, daß eine Schätzung des
synthetischen Bilds bei einer im allgemeinen sehr viel kleineren Schrittweite rekonstruiert
wird.
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In einer Erweiterung des Verfahrens wird für eine Teilmenge U von Punkten
des Gitters eine gemeinsame Schätzung der zuvor für jeden Punkt F einzeln
geschätzten Größen (nämlich die größte Unterantenne, die Verschiebung bezüglich
des Peilwinkels und die Korrelationsverzögerung zwischen dem ersten und dem
besten zweiten Weg) ausgeführt. Zu diesem Zweck wird ein parametrisches
Modell der Änderungen dieser Größen in U eingeführt (beispielsweise sind diese
Größen konstant, oder einige Größen ändern sich in U linear mit u und T).
Anschließend werden unter Berücksichtigung der Änderungen des Modells für alle
Punkte von U die Korrelationen zwischen den ersten und den zweiten Wegen
summiert und diejenigen Parameter des Modells gesucht, die diese Summe
maximieren. Diese Erweiterung ermöglicht das Erhöhen der Anzahl von unabhängigen
Punkten in den Korrelationen und somit eine Verbesserung der Schätzgenauigkeit,
wobei die mit den Änderungen der radialen Richtung in U verbundenen
Veränderlichen begrenzt werden.
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Wenn der Emissionssektor ausreichend schmal ist, so daß die geschätzten
Größen über den gesamten Sektor als konstant angenommen werden können, oder
wenn diesbezüglich auf eine vorherige räumliche Filterung zurückgegriffen wird,
kann somit eine gemeinsame Schätzung für alle Punkte des Gitters im selben
Zeitabschnitt ausgeführt werden. Ein besonderer Fall der obigen Erweiterung
stellt das Zerlegen des physischen Bildes Nr. 1 in Zeitabschnitte und das Bilden
von zwei Sonarbildern für jeden Zeitabschnitt mit den Unterantennen Nr. 1 und
Nr. 2 und deren Korrelation dar. Anschließend werden die zwei Sonarkoordinaten
der Spitze dieser zweidimensionalen Korrelation gesucht und die Abmessung der
Unterantenne verändert, um diejenige zu wählen, die das Maximum der
Korrelationsspitzen darstellt. Abschließend werden die Beziehungen aus Fig. 7 verwendet,
wobei Δu' und Δt durch die Sonarkoordinaten der Korrelationsspitze gegeben
sind.
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Eine Variante besteht in der Bildung fiktiver Meßwandler, deren Signale die
Korrelationen der paarweise zusammengefaßten Meßwandler der Unterantennen
Nr. 1 und Nr. 2 in den vorangegangenen Zeitabschnitten sind. So wird der Meßwandler
am Ende 611 der Unterantenne Nr. 1 mit dem Meßwandler am Ende 621
der Unterantenne Nr. 2 zusammengefaßt und Schritt für Schritt bis zu den
Meßwandlern an den Enden 612 und 622 fortgefahren. Anschließend wird die
Gesamtheit dieser fiktiven Meßwandler als fiktive Unterantenne betrachtet, mit der
ein Sonarbild gebildet wird, in dem der Punkt mit der maximalen Amplitude
gesucht wird. Anschließend wird die Abmessung der Unterantenne variiert, um
diejenige zu wählen, der das höchste Maximum darstellt. Abschließend werden die
Beziehungen aus Fig. 7 verwendet, wobei Δu' und Δt durch die Sonarkoordinaten
dieses Maximums gegeben sind. Diese Variante ist der obigen Variante vor
gleichmäßig reflektierendem Untergrund gleichwertig, jedoch im allgemeinen Fall
weniger genau, da der Gewinn an Unterantennen zur Erhöhung des
Rauschabstands nicht genutzt wird.
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Es ist außerdem möglich, die Abmessung der Unterantenne einzeln zu
schätzen, obwohl dies weniger genau ist, indem die physische Antenne als Log mit
räumlicher Korrelation verwendet wird. Diese Logs, die darin bestehen, mit den
Rekursionen Nr. 1 und Nr. 2 zwei Meßwandler paarweise zu korrelieren, um ein
Paar zu wählen, das das Korrelationsmaximum darstellt, sind bereits bekannt. Die
Abmessung der Unterantenne ist dann I - ΔR, wobei ΔR der längs der physischen
Antenne gemessene Abstand zwischen den zwei Meßwandlern eines solchen Paar
ist. Diese Vorgehensweise kann auch in allen Varianten des Verfahrens zur
Bestimmung einer anfänglichen Abmessung der Unterantenne erfolgen.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik berücksichtigt in der Erfindung die
Verschiebung ΔR beim Empfangen Verschiebungsfehler und das Relief des Bodens.
Um dies zu verdeutlichen, werden die Bedingungen der obigen Abhandlung im
Zusammenhang mit Fig. 2 vorausgesetzt, wobei zusätzlich angenommen wird,
daß die Auflösung der Unterantenne ausreicht, um wie in Fig. 8 eine Zone des
nahezu ebenen, jedoch in einem Winkel α zur horizontalen Ebene Oxy geneigten
Bodens zu unterteilen. C&sub2; ist wie in Fig. 2 die durch den Stand der Technik
vorgeschlagene zweite Position des Phasenmittelpunkts, während C&sub2;' die durch die
Erfindung vorgeschlagene zweite Position des Phasenmittelpunkts ist, die das Korrelationsmaximum
darstellt. Tatsächlich befinden sich F&sub1; und F&sub2; nicht im selben
Peilwinkel in bezug auf die interferometrische Basis C&sub1;C&sub2;, so daß sie aufgelöst
werden können, wenn die Amplitude der Stampfschwingung und die Neigung des
Bodens ausreichend groß sind. Anders ausgedrückt, der Phasenfehler ist nicht für
alle Punkte der Auflösungszelle gleich, insbesondere nicht für F&sub1; und für F&sub2;, was
zu einer teilweisen Dekorrelation der Echosignale in C&sub1; und C&sub2; führt. Dies gilt
nicht für die interferometrische Basis C&sub1;C&sub2;, deren Achse zum Boden senkrecht
ist, so daß F&sub1; und F&sub2; und alle Punkte der Auflösungszelle auf denselben
Peilwinkel in bezug auf C&sub1;C&sub2;' gebracht werden. Der Phasenfehler ist dann für alle
Diffusoren gleich, wodurch die Korrelation wiederhergestellt wird.
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Das Verfahren erstreckt sich auf alle, mit einer linearen Antenne
verwirklichten synthetischen Modi und insbesondere auf das frontmontierte Sonar. Der
einzige Unterschied besteht in der Richtung der Verschiebung beim Empfangen. Für
ein seitlich angebrachtes Sonar ist diese für alle Punkte F stets die gleiche und der
Verschiebung des Trägers entgegengesetzt. Für ein frontmontiertes Sonar zielt die
Verschiebung auf eine Annullierung der Bewegungskomponente ab, die in der
Ebene, die in F eine Tangente des Bodens bildet, zur durch F gehenden Hyperbel
gleicher Peilwinkel senkrecht ist. Aus Fig. 9 ist ersichtlich, daß für ein Backbord-
Bodenecho F von steuerbord nach backbord verschoben werden muß und
umgekehrt. Für eine Punkt F in der Nähe der Mittelachse bewirken die
Bewegungsfehler, daß die Richtung der Verschiebung nicht a priori bestimmt werden kann. In
diesem Fall wird das obige Verfahren gleichzeitig auf zwei, in entgegengesetzter
Richtung verschobene Unterantennen angewandt und diejenige Richtung gewählt,
für die die Korrelationsspitze maximal ist.
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Eine grundlegende Einschränkung der Anwendung des Verfahrens bleibt die
Abmessung L - ΔR der Unterantenne, die so groß wie möglich sein muß, um die
Richtwirkung und folglich die Qualität der Schätzung zu verbessern. Die genaue
Abmessung hängt von F und den Bewegungsfehlern ab, jedoch bleibt diese, wenn
die Fehler klein sind, in der Nähe der Abmessung bei nicht vorhandenen Fehlern.
So bleibt ΔR beim seitlich angebrachten Sonar bei etwa 2vT, so daß es, wie sich
gezeigt hat, erforderlich ist, die synthetische Antenne überabzutasten, um eine
ausreichende Winkelauflösung zu erzielen. Beim frontmontierten Sonar liegt ΔR
bei 2vT/tgθ, wie aus Fig. 9 ersichtlich ist. Die Abmessung der Unterantenne liegt
somit in der Sendemittelachse in der Nähe von L, jedoch nimmt sie zu den Enden
des Sektors hin ab, wodurch dessen Öffnung begrenzt wird.
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Diese Einschränkungen können überwunden werden, indem wie im Stand der
Technik zusätzliche Emissionen eingesetzt werden, wobei insbesondere der in [3]
eingeführte alternierende Zweifrequenz-Sendemodus verwerndet wird. Sowohl
beim seitlich angebrachten Sonar als auch beim frontmontierten Sonar ermöglicht
jede Verschiebung beim Senden um ΔE in der geeigneten Richtung, wobei ΔE der
Abstand zwischen den Sendern ist, ebenso eine Verkleinerung der Amplitude der
beim Empfangen vorzunehmenden zusätzlichen Verschiebung. Somit wird die
Abmessung der Unterantenne im Gegensatz zum Fall, in dem die Verschiebung
lediglich beim Empfangen vorgenommen wird, um ΔE verlängert.
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Somit kann beim herkömmlichen seitlich angebrachten Sonar, bei dem
zwischen zwei Rekursionen um D = L/2 verschoben wird, eine
Unterantennenabmessung von etwa ΔE verwendet werden. Es ist folglich nicht notwendig, die Öffnung
des Sendesektors zu verringern. In dem oben angeführten Ausführungsbeispiel
von [3] wird somit in dem gesamten Sektor von 8º gesendet, wobei dieser Sektor
beim Empfangen durch mehrere Wege überzogen wird, deren Auflösung für die
in [3] gewählten Werte etwa 0,2º beträgt, was der Bildung von Wegen beim
Senden vorzuziehen ist.
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Das Verfahren bleibt auch auf ein seitlich angebrachtes Sonar, das um D > L/2
verschoben wird anwendbar, d. h., bei dem die synthetische Antenne in
herkömmlicher Weise unterabgetastet wird, mit einer Unterantennenabmessung von
etwa L - 2D + ΔE wie in Fig. 10. Die am 10.12.96 eingereichte Patentanmeldung
Nr. 96 15157 beschreibt eine·synthetische Antenne, für die eine solche
Verschiebung beabsichtigt ist.
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In dieser Fig. 10 sind lediglich zwei zusätzliche Frequenzen f&sub1; und f&sub2;, die zur
Autofokussierung dienen (f&sub2; für das Paar von Rekursionen in der Figur), und
keine Frequenz, die zur Bilderstellung dient, gezeigt.
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Dieser Zweifrequenz-Sendehilfsmodus ist auch auf ein frontmontiertes Sonar
anwendbar. Der Sendsektor kann beispielsweise in drei gleich Untersektoren
unterteilt werden. In dem Untersektor in der Nähe der Mittelachse erfolgt die
Autofokussierung in dem Hauptunterband mit einer Unterantenne einer Abmessung
nahe bei L. In jedem der beiden anderen Untersektoren wird eines der zwei
Hilfsunterbänder 1 und 2 verwendet: wenn der Phasenmittelpunkt des
Hilfssenders, der den Code 1 sendet, von backbord nach steuerbord verschoben wird, wird
das Unterband 1 in dem Steuerbord-Untersektor verwendet, und umgekehrt.
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Die Erweiterung des gesamten Verfahrens auf eine beliebige Anzahl von K
Rekursionen geschieht schrittweise: um 1 und K neu einzustellen, wird 1 und 2
neueingestellt, danach 2 und 3, ..., bis K-1 und K. Wenn der Durchlaßbereich von
Verschiebungsfehlern und Schwankungen des Mediums kleiner als die
Rekursionsfrequenz ist, können die Schätzwerte zur Erhöhung der Genauigkeit durch
einen Tiefpaß gefiltert werden.
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In einem Ausführungsbeispiel wird ein synthetischer Nlodus eines seitlich
angebrachten Überwachungssonars betrachtet. Das Sonar arbeitet im 400-kHz-
Bereich mit einer Antenne mit L = 1,60 m. Im physischen Modus kann dieses
Sonar mit einer Höchstgeschwindigkeit von etwa 10 Knoten bei einer Auflösung
von etwa 20 cm und einer maximalen Reichweite von 100 m betrieben werden.
Der lineare synthetische Modus ermöglicht eine Auflösung von 5 cm bis 100 m
bei derselben Geschwindigkeit von 10 Knoten unter der Bedingung, daß der
Sendesektor beispielsweise um 5º verbreitert wird, um jede Stabilisierung beim
Senden zu vermeiden und über zwei Sender, deren Zentren um etwa ΔE = 1,3 m
seitlich beabstandet sind, zu verfügen. Einer der beiden Sender sendet den
Hauptcode, während beide Sender abwechselnd die beiden Hilfscodes senden.
Der Durchlaßbereich der drei Emissionen liegt im Bereich von 10 kHZ Die
minimale
Größe der isoplanetischen Zonen liegt dann im Bereich von 20 cm bis
100 m.