DD240825A3 - Ortungsverfahren mit richtungsbestimmung, insbesondere fuer die panoramadarstellung von durchstrahlten und/oder abgesuchten raeumen, vorzugsweise von unterwasserraeumen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Panoramaortung, zur Messung der Entfernung und der Winkelposition eines reflektierenden Objektes, etwa eines Fischschwarmes im Unterwasserraum. Das Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der Nachteile, die bei der Panoramaortung mittels der bisher verwendeten Verfahren zur elektronischen bzw. mechanischen Strahlschwenkung auftraten. Die Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Ortungsanlage, die es gestattet, ohne Strahlschwenkung einen grossen Winkelbereich gleichzeitig zu durchstrahlen, nach reflektierenden Objekten abzusuchen und deren Position zu bestimmen. Das Wesen der dazu benoetigten Vorrichtung besteht in einer Sende-Empfangs-Antenne mit Bezirken unterschiedlicher, vor allem linear ansteigender Resonanzfrequenz (z. B. keilfoermige piezokeramische Platte), einem frequenzmodulierte Impulse (vor allem mit linear ansteigender Frequenz) erzeugenden Generator sowie einer Serienschaltung von vielen Kompressionsnetzwerken im Empfangskanal. Ein unter einem bestimmten Lagewinkel befindliches Objekt reflektiert den gesendeten Impuls auf den Empfaenger, wo auf Grund der Nr. jenes Kompressionsnetzwerkes, hinter welchem die Maximalamplitude gemessen wird, der Lagewinkel auf Grund von vorher durchgefuehrten Eichungen oder Berechnungen festgestellt werden kann. Denn die Anzahl der zu durchlaufenden Kompressionsnetzwerke bis zur Maximalkompression haengt unmittelbar mit dem Lagevergleich des Objektes zusammen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ortungsverfahren mit Richtungsbestimmung, insbesondere für die Panoramadarstellung von durchstrahlten und/oder abgesuchten Räumen, vorzugsweise von Unterwasserräumen mittels Schall- oder Ultraschall-Sende- und/oder -Empfangswandler.

Eine Panoramadarstellung beinhaltet die Angabe oder Darstellung von Ortskoordinaten der schallreflektierenden, angeloteten Objekte im Raum, d. h. die Angabe oder Darstellung der Entfernung sowie des horizontalen und vertikalen Winkels, unter welchen das Objekt vom Standort der Lotanlage aus erscheint.

Die Ermittlung der Entfernung ist relativ einfach, da sie äquivalent der Laufzeit des Schall- oder Ultraschallimpulses vom Sendewandler zum reflektierenden Objekt und zurück zum Empfangswandler ist. Jedes Echolot oder Radargerät ermittelt auf diese Weise die Entfernung des reflektierenden Objektes.

Wesentlich schwieriger ist es, den horizontalen und vertikalen Winkel zu ermitteln, unter denen das Objekt vom Standort der Lotanlage aus erscheint.

Es ist bereits bekannt, die seitliche bzw. horizontale Winkellage nach dem Radarprinzip dadurch zu ermitteln, daß ein Wandler mit hoher Richtwirkung, der mit relativ hohen Frequenzen betrieben wird, wie eine Radarantenne mechanisch gedreht wird. Die Winkelstellung des Wandlers beim Empfang eines Echosignales ist dann mit der gesuchten Winkelgröße identisch.

Die hohe Richtwirkung des Wandlers ist für eine brauchbare Winkelauflösung unbedingt erforderlich.

Da die Gruppengeschwindigkeit der Schallwellen im Wasser jedoch gegenüber der Gruppengeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen der Radartechnik in Luft etwa 2 · 10⁵fach geringer ist, darf sich der Wandler nur relativ langsam drehen, damit auch die Echos weit entfernter Objekte noch empfangen werden, d. h. noch zu dem Winkelbereich gehören, für den der Wandler auf Grund seiner hohen Richtwirkung empfindlich ist.

So dürfte sich ein Wandler mit einer Hauptkeulenbreite Δα = 1° in dem Zeitschritt At = 4sec nur um 1° weiterdrehen, wenn Echos aus 3km Entfernung empfangen werden sollen. Das Abtasten eines Winkelbereiches von 60° wäre damit erst nach 4min beendet.

Die Anwendung dieses Prinzips ist daher und wegen der mitunter großen Schiffsgeschwindigkeit bzw. Objektgeschwindigkeit schon aus navigatorischen Gründen nicht sinnvoll. Außerdem ist bei diesem relativ hohen Zeitaufwand nur erst einer der beiden gewünschten Winkel bestimmt.

Die weiterhin bekannte elektronische Strahlschwenkung, die die mechanische Drehung jdes Wandlers ersetzen kann, bringt bezüglich der zeitlichen Auflösung keine Vorteile.

— ζ — ^. tu οί-'-j

Zur Lösung dieses Problems wurde vorgeschlagen, eine Vielzahl hochauflösender, leicht gegeneinander geneigter Wandler zu verwenden, die gleichzeitig einen Impuls in die ihnen jeweils zugeordnete Richtung aussenden, wobei sich diese Wandler hinsichtlich ihrer Resonanzfrequenz oder einer anderen Kennung unterscheiden. Die von den einzelnen Wandlern abgestrahlten und im Fall der Existenz reflektierender Objekte auch empfangenen Impulse besitzen unterschiedliche, den Resonanzfrequenzen der Wandler angepaßte Trägerfrequenzen. Aus der Frequenz des empfangenen Impulses läßt sich daher leicht auf den Wandler schließen, der diesen Impuls empfangen hat, und somti auch auf die Richtung, aus der der Impuls empfangen wurde.

Für diese Anordnung zur Erreichung eines Panoramaempfanges wird insbesondere die Menge der erforderlichen Wandler, aber auch der elektronische Aufwand beträchtlich, denn auf der Sendeseite ist für jeden Wandler ein eigener Impulsgenerator zur Erzeugung der spezifischen Trägerfrequenz erforderlich.

Eine wesentliche Verringerung des Aufwandes bringt auch die Verwendung mehrerer Wandler mit gleicher Resonanzfrequenz nicht. Da jeder Wandler zwecks hoher Winkelauflösung eine gute Richtwirkung besitzen muß, ist es zunächst möglich, mehrere gleichartige Wandler so anzuordnen, daß sie nicht unmittelbar benachbart sind, so daß sich ihre Hauptkeulen nicht gegenseitig überlappen. Für die Gruppe dieser Wandler mit der gleichen Resonanzfrequenz genügt ein Impulsgenerator. Damit nun aber die Richtung des einlaufenden Impulses festgestellt werden kann, benötigt jeder Wandler einen separaten Verstärker.

Bei dieser Anordnung ist praktisch der elektronische Aufwand von der Sendeseite auf die Empfangsseite verlagert worden. Die Verringerung der Anzahl unterschiedlicher Wandler muß mit einer Vergrößerung der einzelnen Wandler erkauft werden, da diese jetzt eine bessere Richtwirkung besitzen müssen.

Andere Vorschläge beruhen darauf, diese Wandler mit den gegeneinander geneigten Richtkeulen an die Kontakte einer Schalterebene anzuschließen und diese Wandler mittels des rotierenden Schalters chronologisch abzufragen bzw. an den Impulsgenerator zu legen.

Der Unterschied zu den bereits eingangs diskutierten drehbaren Wandlern bzw. Wandlern mit elektronisch schwenkbarer Richtcharakteristik besteht lediglich darin, daß ein anderes Element, nämlich der Schalter, die Funktion des Schwenkens übernommen hat. Der wesentliche Nachteil der geringen Zeitauflösung wird dadurch jedoch-nicht beseitigt.

Falls der gesamte Winkelbereich innerhalb der Zeitdauer eines Impulses abgetastet wird, beispielsweise durch die Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit des abfragenden Schalters oder dadurch, daß die elektronische Strahlschwenkung mit der erforderlichen Schwenkgeschwindigkeit durchgeführt wird, ist der Nachteil der geringen Zeitauflösung beseitigt. Da aber einerseits der mechanischen Winkelgeschwindigkeit Grenzen gesetzt sind und andererseits für den Nachweis des empfangenen Impulses ein Mindestwirkungsquantum erforderlich ist, wird die Impulslänge in diesem Fall relativ groß gewählt, wodurch die Entfernungsauflösung der Anlage relativ gering wird und somit kein einwandfreies Ergebnis liefert.

Ein anderes bekanntes Verfahren bedient sich nicht mehr einer großen Anzahl hochauflösender, gegeneinander geneigter Wandler mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen, um in die verschiedenen Richtungen Signale mit unterschiedlicher Kennung zu senden bzw. aus diesen Richtungen solche Signale zu empfangen, sondern es werden Breitbandwandler in einer Reihe angeordnet, die an eine Laufzeit-oder Allpaßkette angeschlossen sind. Beim Senden wird ein Breitbandsignal auf den Eingang der Laufzeitkette gegeben. Es erreicht die einzelnen Wandler nach den durch die Laufzeitkette vorgegebenen Laufzeitdifferenzen. Gleiche Laufzeitdifferenzen ergeben für unterschiedliche Frequenzen unterschiedliche Phasendifferenzen.

Da die vektorielle Addition der Signale aller Wandler das resultierende, abgestrahlte akustische Signal ergibt, entsteht das Maximum dieser Summe für jede Frequenz in einer anderen Richtung. Auf dem gleichen Wege wird aus jeder Richtung eine andere Frequenz empfangen. Für jede Frequenz wird ein selektiver Empfangsverstärker verwendet. Ein Frequenzanalysator läßt bei geeigneter Eichskala unmittelbar die Herkunftsrichtung des eintreffenden Impulses erkennen.

Der Aufwand hat sich gegenüber den zuvor beschriebenen Verfahren wegen der Verwendung einer großen Zahl von selektiven Empfangsverstärkern nicht verringert. Entscheidende Schwierigkeiten aberergeben sich bei der Realisierung dersendeseitigen Laufzeitkette, die für große Leistungen ausgelegt werden muß.

Moderne Verfahren bedienen sich vorwiegend des Prinzips der ungerichteten Energieabstrahlung und der Richtungsselektion bzw. Richtungserkennung der empfangenen.Echos durch die Empfangsanordnung. Dabei werden also die Sendewandler mit einer Frequenz betrieben und sind so ausgebildet, daß der gesamte Suchsektor durchschallt wird. Der Empfangswandler besteht aus einem System von in einer Ebene angeordneten Elementen, die nach dem Prinzip der elektronischen Strahlschwenkung zusammengeschaltet werden. Das Eintreffen einer Wellenfront aus der Normalrichtung der Ebene führt dazu, daß alle Wandlerelemente gleichzeitig diese akustische Welle in elektrische Signale umwandeln. In einem Addierglied, das die vektorielle Summe bildet, werden wegen der Gleichphasigkeit aller Signale die Amplituden zu einer Gesamtamplitude addiert.

Beim Eintreffen der Wellenfronten aus einer anderen Richtung treten dagegen Laufzeitdifferenzen auf, die dazu führen, daß jedes Element ein Signal mit anderer Phase abgibt. Die vektorielle Summe ergibt nur dann eine Amplitude, die der Summe der Einzelamplituden entspricht, wenn die durch die Laufzeitdifferenzen entstandenen Phasendifferenzen durch Phasenschieber kompensiert werden.

Variable Phasenschieber gestatten somit eine Schwenkung der Richtkeule, wobei je nach Einstellung der Phasenschieber das Maximum der Empfindlichkeit an eine andere Einfallsrichtung der akustischen Welle gekoppelt ist.

Aus den bereits dargelegten Gründen hat sich eine elektronische Strahlschwenkung zur Panoramaanzeige in der Praxis jedoch nicht durchgesetzt. Im allgemeinen wird deshalb eine ganze Gruppe unterschiedlich eingestellter Phasenschieber parallel an jedes Wandlerelement angeschlossen und ebenso die Anzahl der Summierglieder erhöht. Die Anzahl der pro Wandlerelement benötigten Phasenschieber sowie die dazugehörige Anzahl der Summierglieder richtet sich nach der erforderlichen Winkelauflösung sowie dem Gesamtwinkelbereich, d. h. nach der Anzahl der gleichzeitig erfragten Winkel.

Der Aufwand für diese Art der Panoramaanzeige wird also erheblich, insbesondere dann, wenn größere Winkelbereiche abgesucht werden sollen.

Zweck der Erfindung ist es, die aufgeführten Nachteile zu beseitigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydroakustische Anlage zur Richtungsbestimmung georteter Objekte, vorzugsweise eine Panoramaanlage, zu schaffen, bei der die geschilderten Nachteile beseitigt sind und der bisher übliche Aufwand wesentlich verringert ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in der Weise gelöst, daß die durch ausgedehnte Sende- und/oder Empfangsantennen verursachten winkelabhängigen Verzerrungen der ausgesendeten udn empfangenen modulierten Impulse durch zusätzliche in den Empfangskanal eingebrachte Signalwandler, vorzugsweise angepaßte Filter zu optimalen Impulsverzerrungen ergänzbar sind, wobei die Größe der ergänzten Verzerrungen kennzeichnend für die Winkel ist, aus denen das empfangene Signal erscheint.

Im einzelnen ist die Sende- und/oder Empfangsantenne derart ausgebildet, daß sie gestattet, von einzelnen Orten auf dieser Antennenbelegung zeitlich nacheinander Signale bestimmter Kennung auszusenden, diese Signale nach dem Empfang auf Grund ihrer unterschiedlichen Kennung in einem Kompressionsnetzwerk zu einem unter-, optimal oder überkomprimierten Signal zu verzerren und aus den zur optimalen Kompression führenden Netzwerkparametern den Ortungswinkel abzulesen.

Als Kennung der von den unterschiedlichen Orten der Antenne ausgehenden Signale findet die Frequenz Verwendung, die als Funktion des Ortes diskret oder stetig, linear oder nichtlinear, monoton oder nichtmonoton variabel ist.

Zusammen mit der Frequenz oder auch unabhängig von ihr werden Amplituden als Kennungen benutzt, die analog oder nach entsprechender Wandlung digital verarbeitbar sind.

Als Schall- oder Ultraschallwandler kommen alle Materialien in Frage, die es gestatten, auf Grund stetig oder diskret in Abhängigkeit vom Ort veränderlicher Konstruktionsparameter dem Signal bestimmte Kennungen aufzuprägen, wie beispielsweise Wandler mit diskreter oder stetiger Resonanzfrequenzverteilung.

Dazu gehören insbesondere keilförmige piezoelektrische oder magnetische Keramikwandler, aber auch Nickelwandler mit ortsabhängigen Konstruktionsparametem. Die Anordnung ist auch für passive Ortungsanlagen anwendbar, wenn die vom Sender abgestrahlte Kennung bekannt ist.

In die zu bestimmten Winkeln gehörenden Auskopplungsleitungen können Verstärker oder andere signalverändernde elektronische Schaltungen eingefügt sein.

Die Wandler selbst können aus Einzelelementen mitteilweise separaten Anschlüssen bestehen oder aber auch aus ungeteilten

Wandlern mit nur einer Speiseleitung. .

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: einen piezoelektrischen Wandler mitx-abhängiger Resonanzfrequenz;

Fig.2a: dieAbstrahlungeineslmpulsesinNormalenrichtung;

Fig. 2 b: die Abstrahlung der gleichen Erregung in Richtung γ <0; '

Fig.2c: dieAbstrahlungdergleichenErregunginRichtungY>O;

Fig. 3 a: die Zweiweg-Richtwirkung bei Raum-Zeit-Verkopplung der Erregungs- und Empfindlichkeitsverteilung mit nachträglicher Kompression für die Wandlerlänge χ = 0,5 mund den Frequenzhub 2 βτ = 4π· 13,61 kHz zwecks Panoramadarstellung (Parameter ist die Laufzeitsteilheit δ in der Einheit-10"¹¹s²; Impulslänge τ = 2,1 ms; spezielle Resonanzf requenz ω₀ = 2 π · 40 kHz);

Fig. 3 b die Zweiweg-Richtwirkung mit der veränderten Impulslänge τ = 20 ms Fig. 4 relative Amplitude als Funktion der Laufzeitsteilheit, dargestelltfür Signale aus zwei unterschiedlichen Winkeln

(Parameter: Frequenzhub 2 βτ = 4π · 13,61 kHz und Impulslänge τ = 20 ms).

In dem Ausführungsbeispiel vertritt die Trägerfrequenz die unterschiedlichen Kennungen der von den einzelnen Orten der Sende- und/oder Empfangsantenne ausgehenden Signale.

In Fig. 1 ist ein piezoelektrischer Wandler dargestellt, der so ausgebildet ist, daß die Resonanzfrequenz des Wandlers nicht mehr eine einzelne, den gesamten Wandler kennzeichnende Größe ist, sondern daß sie je nach dem gerade zu betrachtenden Ort auf der Wandlerfläche einen bestimmten und somit ortsabhängigen Wert besitzt.

Auf der Seite mit der größten Wandlerplattendicke 1 der Wandlerstrahlfläche 2 betrage die Resonanzfrequenz ω = ω_ο mit ω₀ als eine spezielle Resonanzfrequenz, während sie sich auf der Seite mit der geringsten Wandlerplattendicke 3 auf die Resonanzfrequenz ω = ω₀ + 2βτ> ω_ο erhöht.

Solche Wandler sind zwar an sich bekannt und hinreichend erprobt, aber ihr Einsatz zur Richtungsbestimmung, insbesondere zur Panoramadarstellung auf dem erfindungsgemäßen Wege, ist noch nicht angegeben worden.

Statt dieses piezoelektrischen Wandlers können auch piezomagnetische Keramik- oder Nickelwandler, bestehend aus Blechen mit ab- oder zunehmender Resonanzfrequenz, sowie Wandler aus anderen Materialien mit stetiger oder diskreter Resonanzfrequenzverteilung eingesetzt werden.

Dieser Wandler wird mit einem frequenzmodulierten Impuls gespeist, der zweckmäßigerweise als Trägerfrequenzen die speziellen Resonanzfrequenzen ω₀ bis ω_ο + βτ enthält. Dadurch werden zeitlich nacheinander die einzelnen Abschnitte auf der Wandlerstrahlfläche 2 zum Schwingen angeregt, so daß ein wellenartiger Erregungsimpuls über die gesamte Wandlerstrahlfläche 2 läuft. Die Laufrichtung ist je nach Art der Frequenzmodulation und der örtlichen Verteilung der Resonanzfrequenzen auf dem Wandler die Richtung der positiven oder negativen x-Achse, ggf. auch in alternierender Reihenfolge.

In anderen Fällen können auch monoton oder alternierend andere Ausbreitungsrichtungen der Erregung auf der Wandlerfläche bzw. im Wandlerraum verwendet werden, beispielsweise die y-und/oder z-Richtung. Für die folgenden Erläuterungen sei angenommen, daß die Frequenzmodulation von den geringeren zu den höheren Frequenzen erfolgt, so daß die Laufrichtung der Erregungswelle gemäß der in-Fig. 1 dargestellten Lage des Wandlers mit der x-Richtung übereinstimmt. Die von den einzelnen Orten auf der Wandlerfläche χ herrührenden Schwingungen unterschiedlicher Frequenz werden in das Ausbreitungsmedium übertragen und setzen sich in Richtung des Ausbreitungswinkels γ = Oim Fernfeld, wo die zum Auf punkt führenden Wellennormalen von jedem Punkt des Wandlers als parallel zu betrachten sind, wieder zu dem frequenzmodulierten Impuls zusammen. In Richtung des Ausbreitungswinkels γ > 0 allerdings folgen die höheren Frequenzen schneller auf die niedrigeren, dagegen liegen in Richtung des Ausbreitungswinkels γ < 0 zwischen den von den einzelnen Orten auf der Wandlerfläche χ herrührenden Schwingungen größere zeitliche Abstände. Diese Sachverhalte werden durch die laufzeitbedingten Impulsverzerrungen hervorgerufen und in Fig. 2 näher erläutert.

Fig. 2a zeigt die mit der geringsten speziellen Resonanzfrequenz ω₀ an der Wandlerseite mit der größten Wandlerplattendicke 1 der Wandlerstrahlfläche 2 beginnende Erregung 4. Sie bewegt sich je nach dem Verhältnis der Resonanzfrequenzänderung Δω im Wandler pro Ortsabschnitt Δχ und entsprechend der mit dieser Resonanzfrequenzänderung Δω übereinstimmenden Frequenzänderung im Erregungsimpuls pro Zeitschritt Δι mit einer gewissen Ausbreitungsgeschwindigkeit

(D ν = χ/τ

in Richtung der positiven x-Achse, wenn χ die Wandlerlänge bedeutet, die alle speziellen Resonanzfrequenzen ω₀ bis ω₀ + 2 βτ linear verteilt enthält und wenn die Impulslänge τ die Länge des linear in den gleichen Frequenzgrenzen modulierten Impulses bedeutet. Im Ausbreitungsmedium dagegen setzt sich die Erregung längs der Wellennormalen in Richtung des Ausbreitungswinkels γ mit der Gruppengeschwindigkeit c fort.

Die in Fig. 2 a dargestellten Verhältnisse c > ν werden in den meisten praktischen Fällen Anwendung finden. Auf die dargestellten Fälle selbst ist aber die Erfindung nicht beschränkt. Da zwei benachbarte Wandlerelemente nicht gleichzeitig, sondern nacheinander erregt werden, ergibt sich aus Fig.2a, daß die Abstrahlung in Normalenrichtung ti keine besonderen Effekte hervorbringt. Vielmehr ist es im Fernpunkt v> belanglos, ob die Erregungswelle über die Wandlerfläche läuft oder nicht. Wenn der gesamte Impuls einschließlich aller Frequenzen von der Wandlerseite mit der größten Wandlerplattendicke 1 abgestrahlt werden könnte, so würde der Empfänger im Fernpunkt u> den gleichen frequenzmodulierten Impuls empfangen wie im tatsächlich vorliegenden Fall, der durch die Erregungswanderung gekennzeichnet ist.

Dagegen ist es für Ausbreitungswinkel γ Φ 0 nicht gleichgültig, ob der gesamte frequenzmodulierte Impuls nur von der Wandlerseite mit der größten Wandlerplattendicke 1 oder wie im tatsächlich vorliegenden Fall, nacheinander von den verschiedenen Orten auf der Wandlerfläche χ des Wandlers ausgestrahlt wird.

Fig. 2 b veranschaulicht, daß die von der Wandlerseite mit der geringsten Wandlerplattendicke 3 ausgestrahlten hohen Frequenzen gegenüber den von der Wandlerseite mit der größten Wandlerplattendicke 1 abgestrahlten nicht nur eine Impulslänge τ später am Empfänger ankommen, sondern zusätzlich noch ein Laufzeitintervall

(ID

I ATI =|/ sin fI

benötigen. Der gesamte Impuls wird also von τ auf

(III)

T+/ ΔΠ-Τ-ΔΤ

gedehnt.

Dagegen ist aus Fig. 2c ersichtlich, daß zwar der Wandlerrandpunkt mit der geringsten Wandlerplattendicke 3 die hohen Frequenzen eine Impulslänge τ später abstrahlt, aber diese Abstrahlung erfolgt an einem Ort, der gegenüber dem Wandlerrandpunkt mit der größten Wandlerplattendicke 1 ein Laufzeitintervall

(IV) Δ Χ

näher dem Fernpunkt io liegt, bei dem der Impuls zusammengesetzt gedacht werden kann. Der gesamte Impuls wird also bezüglich seiner Länge von τ auf τ — Δτ gestaucht. Damit erhält man eine winkelabhängige Frequenzmodulation des sich ausbreitenden Impulses.

Der Wandler wirkt somit allein auf Grund seiner räumlichen Ausdehnung und der besonderen Anordnung der Resonanzfrequenzen ω wie ein winkelabhängiges Laufzeitverzerrungsfilter.

Man kann errechnen, daß ein elektrischer Sendeimpuls von der Form

(V) U₅=U₅₀ sin (LOot +Pt²) [9U) ~

am Empfangsort als

(VI)

wahrgenommen wird, wobei

(VII)

cos

LDo

*2i

=Jl sin*·

Hierin bedeuten U_s die Sendespannung, U_so die Amplitude der Sendespannung, t die Zeitkoordinate, β den Frequenzmodulationsfaktor, θ die Sprungfunktion, U_e die Empfangsspannung, U_eo die Amplitude der Empfangsspannung, η die relative Impulslängenänderung und t* die retardierte Zeit.

Von wesentlicher Bedeutung sind hierin die Argumente der trigonometrischen Funktionen, die die besprochene Frequenzänderung, aber insbesondere auch dieÄnderung des Frequenzmodulationsfaktors von β auf ß/(1 - η) anzeigen, sowie die Argumente der Sprungfunktionen, aus denen die Impulskompression bzw. Impulsdilatation für den Ausbreitungswinkel γ > O bzw. γ < O ablesbar ist.

Ein ähnlicher Effekt tritt beim Empfang des durch das Ortungsobjekt reflektierten Impulses bei einem monostatisch arbeitenden Wandlerauf. Derwinkelabhängige Laufzeitverzerrungseffekt wird dabei noch einmal verstärkt, wenn auch nicht verdoppelt, wie es auf den ersten Blick erwartet werden könnte. Der Frequenzmodulationsfaktor β hat sich nunmehr auf den durch die Laufzeitverzerrung geänderten Frequenzmodulationsfaktor

Geändert, der nach Gleichung (VII) stark winkelabhängig ist.

Man kann die auf diese Weise erzeugte winkelabhängige Frequenzmodulation durch ein Laufzeitverzerrungsfilter im Empfangskanal analysieren und damit den Winkel ermitteln, aus dem das Ortungssignal am Empfänger eintrifft. Laufzeitverzerrungsfilter in der bekannten Form von Kreuzgliedern lassen bekanntlich die höheren Frequenzen schneller passieren als die geringeren. Der Unterschied der Laufzeitgeschwindigkeit benachbarter Frequenzen wird durch die sogenannte Laufzeitsteilheit δ charakterisiert.

Impulse, die eine linear ansteigende Frequenz besitzen, können durch eine entsprechende Wahl der Laufzeitsteilheit överdichtet werden. Je mehr Frequenzen mit der gleichen Phase am Ausgang auftreten, desto größer wird die Amplitude des Impulses am Ausgang. Es gibt eine optimale Laufzeitsteilheit δ₀, die eine maximale Amplitudenüberhöhung erzeugt. Geringere Beträge der Laufzeitsteilheit δ haben zur Folge, daß die hohen Frequenzen noch nicht schnell genug laufen, um die vorangegangenen geringeren Frequenzen „einzuholen". Zu große Beträge der Laufzeitsteilheit δ bewirken, daß die höheren Frequenzen die geringeren „überholen", so daß auch in diesem Fall der Impuls auseinanderläuft.

Es läßt sich angeben, wie die optimale Laufzeitsteilheit δ_ο des Filters beschaffen sein muß, der auf den durch den erfindungsgemäß verwendeten Wandler ortsveränderlicher Resonanzfrequenz erzeugten Impuls wirken soll. Man errechnet:

1+

^:a^-n-Tz

für den Ausbreitungswinkel γ > 0 und

(X) O₀ =

für den Ausbreitungswinkel γ < 0.

Die optimale Laufzeitsteilheit δ₀ ist über die relative Impulslängenänderung η gemäß Gleichung (VII) ebenfalls stark winkelabhängig.

Wenn ein Impuls ein Filter mit einem fest eingestellten Wert der optimalen Laufzeitsteilheit δ₀ passiert, so ist für einen bestimmten optimalen Ausbreitungswinkel γ₀ dieser Wert optimal, für benachbarte Winkel jedoch nicht. Die Impulse, die nicht aus dem zur optimalen Laufzeitsteilheit δ₀ gehörenden optimalen Ausbreitungswinkel γ₀ stammen, werden also nicht optimal verdichtet. Es entsteht eine Richtwirkung, deren Maximum bei einem optimalen Ausbreitungswinkel γ_ο liegt. Ein benachbarter Wert der optimalen Laufzeitsteilheit δ₀ ist optimal für einen benachbarten Ausbreitungswinkel.

Auf diese Weise können durch Laufzeitverzerrungsfilter unterschiedlicher Laufzeitsteilheit Richtwirkungen erzeugt werden, die ihre Hauptkeule bei einem jeweils anderen optimalen Ausbreitungswinkel γ_ο besitzen.

Die Richtwirkungen sind bei geeignet gewählter Wandlerlänge χ. Impulslänge τ und Frequenzmodulationsfaktor β in bestimmten Sektoren recht schmal.

Fig. 3 a zeigt eine Serie solcher Richtwirkungen für einen Wandler mit einer Wandlerlänge χ von 0,5 m bei einem Frequenzhub 2 βτ des Sendeimpulses von 2 · 13,61 kHz und einer Impulslänge τ = 2,1 ms. Es wird eine Kette von Laufzeitverzerrungsgliedern benutzt und nach jedem Glied die Amplitude U des Impulses untersucht. Der relativ größte unter den Impulsen benachbarter Laufzeitglieder gibt jenes Glied der Kette an, nach dessen Wirkung die optimale Laufzeitsteilheit δ₀ erreicht wird und somit den Winkel, aus dem der Impuls eingetroffen ist.

Fig. 3 b zeigt ebenso wie Fig. 3 a die Zweiweg-Richtwirkung. Geändert wurde hierbei jedoch die Impulslänge τ auf 20 ms.

Hier wird beispielsweise hinter jenem Glied, das einschließlich aller vorangegangenen Glieder eine optimale Laufzeitsteilheit δ_ο = —5653 · 10~¹¹s² bewirkt, eine Maximalamplitude fürSignalemiteinem optimalen Ausbreitungswinkel γ₀ = 30°festgestellt, wie aus der Richtwirkungskurve 5 ablesbar ist. Signale aus benachbarten Winkeln werden stark gedämpft.

Fig.4 veranschaulicht noch einmal die Verfahrensweise auf der Empfangsseite. Es wird eine Laufzeitkette 6 verwendet, die ausschnittsweise dargestellt ist. Nach jedem der vorzugsweise in Form von Kreuzgliedern dargestellten Kettenglieder kann das durchlaufende Signal über die Abgriffe a, b,..., g ausgekoppelt werden. Jedes zusätzliche Glied bewirkt ein weiteres Ansteigen des Betrages der Laufzeitsteilheit δ des Kettenabschnittes, an den dieses Kreuzglied angekoppelt ist. Damit entspricht jeder Abgriff einem bestimmten Wert der Laufzeitsteilheit δ, der in bezug auf einen bestimmten Winkel optimal ist, in bezug auf benachbarte Winkel jedoch nicht. Betrachtet manbeispielsweise ein aus einem optimalen Ausbreitungswinkel γ_ο von 30° von einem Ortungsobjekt reflektiertes und vom Wandler empfangenes Signal hinter jedem Kettenglied der Laufzeitkette 6, so erhält man unterschiedliche Amplituden. Für die gewählten Signalparameter ergibt sich die Amplitudenverteilung 7, deren Maximum beim Abgriff b liegt, also etwa bei einer optimalen Laufzeitsteilheit δ₀ = 5653· 10"¹¹s².

Benachbarte Ausgänge liefern dagegen nur noch sehr stark gedämpfte Amplituden. Desgleichen erhält man das Maximum für Signale aus einem optimalen Ausbreitungswinkel γ_ο von -30° hinter dem Kettenglied der Laufzeitkette 6 mit dem Abgriff f. Es liegt also bei den jetzt betrachteten Signalparametern die Amplitudenverteilung 8 vor mit dem Maximum bei einer optimalen Laufzeitsteilheit δ₀ = -6043 · 10"¹¹S². Andere Abgriffe liefern für ein solches Signal nur sehr geringe Amplituden.

Mit steigender Gliederzahl und dementsprechend geringeren Sprüngen der Laufzeitsteilheit δ pro Glied steigt das Auflösungsvermögen. Im allgemeinen wird ein hohes Auflösungsvermögen nurfüreinen bestimmten Winkelbereich gefordert, beispielsweise zwischen -30° und +30°. Dann werden gemäß Fig.4 die vier Kettenglieder mit den Abgriffen c, d, e, f und einer

Gesamtlaufzeitsteilheitszunahme von 0,004(ms)², die pro Glied also eine Zunahme von 0,001 (ms)² erfordern, durch eine höhere Zahl Kettenglieder, beispielsweise 40 Stück, ersetzt, wobei dann jedes Glied nur eine Zunahme von 0,0001 (ms)² der Laufzeitsteilheit δ besitzt. Das ergibt eine Auflösung von 1,5°.

Die erfindungsgemäße Lösung ist nicht nur auf Unterwasserräume beschränkt, sondern sie kann für alle modulierte Wellenzüge aussendenden Antennen angewendet werden.

Sie ist ferner nicht beschränkt auf die aktive Ortung, sondern kann auch bei passiven Ortungsanlagen Verwendung finden.

Wenn beispielsweise hinsichtlich seiner Lage ein ständig zu kontrollierendes Objekt mit einem Sender ausgerüstet ist, der ein Signal mit beispielsweise linear ansteigender Frequenz aussendet, wobei der Frequenzmodulationsfaktor β bekannt ist, wird ein Wandler ähnlich Fig. 1 als Empfangswandler benutzt und die dadurch empfangenen richtungsabhängigen frequenzmodulierten Ausgangssignale auf eine Laufzeitkette gegeben, wobei die Anzapfung mit maximaler Amplitude die Bestimmung des Einfallswinkels gestattet.

Besondere Vorteile ergeben sich bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung zur Panoramadarstellung, wenn außer der Lage des Objektes auch die Form des Objektes näher bestimmt werden soll.

Claims (9)

1. Patentansprüche:

   1. Ortungsverfahren mit Richtungsbestimmung, insbesondere für die Panoramadarstellung von durchstrahlten und/oder abgesuchten Räumen, vorzugsweise Unterwasserräumen mittels Schall- oder Ultraschall-Sende- und/oder -Empfangswandler, dadurch gekennzeichnet, daß die durch ausgedehnte Sende- und/oder Empfangsantennen verursachten winkelabhängigen Verzerrungen der ausgesendeten und empfangenen modulierten Impulse durch zusätzliche in den Empfangskanal eingebrachte Signalwandler, vorzugsweise angepaßte Filter, zu optimalen Impulsverzerrungen ergänzbar sind, wobei die Größe der ergänzten Verzerrungen kennzeichnend für die Winkel ist, aus denen das empfangene Signal erscheint.
2. 2. Ortungsverfahren mit Richtungsbestimmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- und/oder Empfangsantenne derart ausgebildet ist, daß sie gestattet, von einzelnen Orten auf dieser Antennenbelegung zeitlich nacheinander Signale bestimmter Kennung auszusenden, diese Signale nach dem Empfang auf Grund ihrer unterschiedlichen Kennung in einem Kompressionsnetzwerk zu einem unter-, optimal oder überkomprimierten Signal zu verzerren und aus den zur optimalen Kompression führenden Netzwerkparametern den Ortungswinkel abzulesen.
3. 3. Ortungsverfahren mit Richtungsbestimmung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kennung der von den unterschiedlichen Orten der Antenne ausgehenden Signale die Frequenz Verwendung findet, die als Funktion des Ortes beliebig variabel ist.
4. 4. Ortungsverfahren mit Richtungsbestimmung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusammen mit der Frequenz oder auch unabhängig von ihr die Amplitude als Kennung einstellbar ist, die dann analog oder nach entsprechender Wandlung digital verarbeitbar ist.
5. 5. Ortungsverfahren mit Richtungsbestimmung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Schall- oder Ultraschallwandler derartige Materialien Verwendung finden, die es gestatten, auf Grund stetig oder diskret in Abhängigkeit vom Ort veränderlicher Konstruktionsparameter dem Signal bestimmte Kennungen aufzuprägen.
6. 6. Ortungsverfahren mit Richtungsbestimmung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung für passive Ortungsanlagen anwendbar ist, wenn die vom Sender abgestrahlte Kennung bekannt ist.
7. 7. Ortungsverfahren mit Richtungsbestimmung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zu bestimmten Winkeln gehörenden Auskopplungsleitungen Verstärker oder auch andere signalverändernde elektronische Schaltungen enthalten.
8. 8. Ortungsverfahren mit Richtungsbestimmung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler mit nur einer Speiseleitung versehen sind.
9. 9. Ortungsverfahren mit Richtungsbestimmung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler aus Einzelelementen mitteilweise separaten Anschlüssen bestehen.

   Hierzu 3 Seiten Zeichnungen