DE2439231C2

DE2439231C2 - Sonargerät

Info

Publication number: DE2439231C2
Application number: DE2439231A
Authority: DE
Inventors: Paul Vanves Gourlay; Pierre Le Relecq Kerhuon Maguer
Original assignee: Delegation Generale pour lArmement
Current assignee: Direction General de lArmement DGA
Priority date: 1973-08-16
Filing date: 1974-08-16
Publication date: 1982-06-24
Also published as: IT1015538B; NO140361C; DE2439231A1; DK139400C; AU7242574A; FR2241078B1; BE818926A; DK139400B; NL7410711A; CA1035031A; BR7406706D0; GB1482608A; DK435474A; FR2241078A1; NO140361B; SE7407659L; US3967233A; SE390072B; NO742935L

Description

Die Erfindung betrifft ein Sonargerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sonargeräte sind dazu bestimmt, unter Wasser befindliche Objekte, insbesondere solche, die auf dem Grund des Meeres liegen oder sich in dessen Nähe befinden, festzustellen und aufgrund ihrer Silhouette zu identifizieren.
Es sind bereits Sonargeräte bekannt, die es ermöglichen, die Form der Oberfläche des Meeresgrundes zu erkennen und das Vorhandensein eines auf dem Grund liegenden oder in dessen Nähe schwimmenden Objektes festzustellen. Diese Sonargeräte enthalten eine Sendeantenne für Schallimpulse und eine Empfangsantenne für die vom Boden zurückgeworfenen Echos. Die Sende- und Empfangsantennen bestehen aus Reihen von Hydrophonen, also elektro-akustischen Wandlern. Aus der DE-AS IO 55 251 ist ein Sonargerät bekannt, dessen Sendeantenne aus einer Mehrzahl von nebeneinander reihenförmig transversal zur Bewegung einer. Schiffes angeordneten Hydrophonen gebildet ist. Auf demselben Träger, auf dem die H>drophone der Sendeantenne angeordnet sind, sind auch tue Hydrophone der Empfangsantenne angeordnet.

Zur Auswertung der Empfangssignale der Empfangsantenne kann eine mehrzahl von Empfangswegcn gebildet werden, die jeweils einem gegebenen Seitenwinkel entsprechen. Wenn ein Objekt in der Nähe des Meeresgrundes angetroffen wird, so erzeugt dieses in der Nähe des Grundes einen auf den Meeresgrund geworfenen Schatten, der kein Echo zurückwirft. Die den Bodenechos entsprechenden elektrischen Signale, die in jedem Empfangsweg verarbeitet werden, werden auf dem Bildschirm einer Katodenstrahlröhre sichtbar gemacht, wöbe; der von dem Objekt geworfene Schatten durch seinen Kontrast in Erscheinung tritt.

Mit den bekannten Sonargeräten ist es zwar möglich, das Vorhandensein von Objekten auf dem Meeresgrund zu erkennen, wegen der geringen Bildqualität, die auf einem unzureichenden Entfernungs- und Seitenwinkelauflösungsvermögen beruht, ist es mit bekannten Sonargeräten jedoch nicht möglich, diese Objekte mit ausreichender Genauigkeit zu identifizieren.

Die Entfernungsauflösunj. häng» 'on der Dauer der von der Sendeantenne erzeugten Schallimpulse ab. Zur Verbesserung der Bildqualität muß die Dauer der Impulse verringert werden, wobei diese Impulse durch einen Taktgeber mit sehr hoher Frequenz gesteuert werden. Dadurch wird aber die ausgesandte und wieder aufgefangene Schailenergie und demzufolge auch die Reichweite des Snnargeräts vermindert. Die Verringerung der aufgefangenen F.nergie ist um so schwerwie gender, als sehr kurze Ultraschallwellen verwendet werden müssen, damit die Abmessungen der Antenne reduziert werden. Der Öffnungswinkel der aufgefangenen Schallbundel, der die Seitenwinkelauflösung be .,timmt. hängt nämlich direkt von dem Verhältnis der Abmessung der Antenne /u der verwendeten Schallwel lenlänge ab. Dieser öffnungswinkel ist um so kleiner, je größer das Verhältnis /wischen der Antennenlängc und der Wellenlänge ist.

Fine weitere Schwierigkeit ergibt sich daraus, daß die Reichweite der Sonargeräte im allgemeinen so hegt, daß der Sichtbereich der F.mpfangsantenne im Nahfeld liegt: man befindet sich also in der Fresnel-Zone des Wandlers, d. h. in der Zone, in der die Schallwellen nicht eben sind. Daher haben die von der Empfangsantenne aufgefangenen Schallbündel einen verhältnismäßig

großen Öffnungswinkel, wodurch das Seitenwinkelauf lösungsvermögen merklich beeinträchtigt wird, was die Erkennung der Silhouette von Objekten mit kleinen Abmessungen verhindert.

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Aus der DE-OS 22 02 989 ibt ein fokussierender Ultraschallwandler bekannt, der besonders für medizinische Zwecke bestimmt ist. Die einzelnen Wandler sind kalottenförmig und auf der Oberfläche der Kalotte konzentrisch und ringförmig angeordnet. Durch geeignet bemessene Verzögerung der Ausgangssignale dieser Wandlerelemente kdnn der Fokusabstand eingestellt werden. Durch kontinuierliche oder stufenweise Veränderung der Verzögerung kann auch eine Bewegung des Fv kusses während des Empfangs erreicht werden. Durch Anwendung der Fokussierung kann das Auflösungsvermögen beträchtlich gesteigert werden. Gleichwohl ist diese bekannte Anordnung als Sonargerät zur Erforschung des Meeresgrundes ungeeignet, weil seine Reichweite völlig unzureichend ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Sonargerätes zur Erforschung des Meeresgrundes, dessen Auflösungsvermögen ausreicht, um auf einem Bildschirm ein Bild der Silhouette eines unter Wasser in der Nähe des Grundes befindlichen Objektes zu liefern, das deutlich und diesem ausreichend ähnlich ist, um es identifizieren zu können.

Diese Aufgabe wird durch die Merxmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zur Bildung der Empfangswege verwendet man im allgemeinen Phasenschieberschaltungen. In diesem Fall dienen die Phasenschieberschaltungen gleichzeitig als Fokussierungsmittel durch die Einführung von zusätzlichen Phasenverschiebungen, die in Abhängigkeit von dem Abstand jeder Hydrophonreihe von der akustischen Achse bewertet sind.

Die gewählte Fokussierungsentfernung ist annähernd gleich einem Viertel der Länge der Fresnel-Zone, so daß die Ultraschallwellenbündel über die gesamte Tiefe des nutzbaren Feldes schmal bleiben. Beispielsweise haben die Empfangswege im Fokussierungspunkt eine Breite in der Größenordnung von 30 cm und eine Teilung in der Größenordnung von 20 cm.

Am Ausgang jedes Empfangsweges sind Widerstände in Serie angeschlossen. Die Werte dieser Widerstände sind so bemessen, daß eine Verringerung der Amplitude der Signale erzeugt wird, die in Abhängigkeit von dem Abstand von der akustischen Achse nach dem Gesetz der Theorie der Tschebyscheff-Po'ynome bewertet ist. so daß die Differenz zwischen der Intensität der Hauptkeule und derjenigen der Nebenzipfel wenigstens 21 dB beträgt.

Zur Verbesserung der Identifizierungsmöglichkeiten enthält das Sonargerät nach der Erfindung ferner eine Lupe, die durch ein zweites Oszilloskop gebildet ist. das es ermöglicht, eine begrenzte Zone, die über die ganze Ausdehnung des Feldes des ersten Oszilloskops verschoben werden kann, in größerem Maßstab sichtbar zu machen.

In Verbindung mit dieser Lupe enthält das Sonargerät vorzugsweise einen Analog-Digital-Umsetzer, der es ermöglicht, die sequentiell aus der Abta stanordnung der Empfangswege austretenden Signale, die einer bestimmten und begrenzten Beobachtungszone entspre= chen, in binärer Form zu codieren, einen Speicher zur Aufzeichnung dieser binären Signale und einen Digital-Analog-Umsetzer zur Decodierung der gespeicherten Signale, bevor diese mit Hilfe der Lupe sichtbar gemacht werden.

Der Speicher ist vorzugsweise durch in sich geschlossene magnelostriktive Verzögerungsleitungen gebildet, so daß es möglich ist, die gespeicherte Zone mehrmals sichtbar zu machen.

Das mit der Erfindung geschaffene Sonargerät ermöglicht die Identifizierung von Objekten geringer Abmessung, die unter Wasser in der Nähe des Grundes befindlich sind und eine scheinbare Oberfläche aufweisen, die bis zu 0,20 m² heruntergehen kann, auf Grund ihrer Silhouette. Dieses Ergebnis wird durch die Feinheit der Empfangswege erzielt, die es ermöglicht, eine gute Seite Winkelauflösung zu erzielen, beispielsweise eine Winkelauflösung von 0,16°, die eine^r Breite von 0,30 m in einer Entfernung von 130 m entspricht. Diese Feinheit der Empfangswege wird durch die Fokussierung der Empfangsantenne im mittleren Teil der Fresnel-Zone erhalten.

Das vorteilhafte Ergebnis beruht auch auf der sehr kurzen Dauer der ausgesendeten Schallimpulse, welche die Entfernungsauflösung bestim.nt, die je nach der gewählten Reichweite zwischen 15 cm und 40 cm liegt.

Ein witerer wichtiger Vorteil des Sonargeräts nach der Erfindung beruht in der zusä' lichen Speicherlupe, die es ermöglicht, das Bild einer Zc:.e. in der ein Objekt festgestellt worden ist, zu vergrößern und mehrmals genau zu prüfen, so daß dieses Objekt besser identifiziert werden kann, als mit einem Bild, das nur einmd in kleinem Maßstab erscheint

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus de^p folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung, deren einzige Abbildung das Blockschema jines Sonargerätes nach der Erfindung zeigt.

Das in der Zeichnung dargestellte Sonargerät enthält einen Taktgeber 1 mit einem Zeitbasisoszillator, der bei der Frequenz 10 MHz schwingt. Auf Grund dieser Zeitbasis koordiniert und synchronisiert der Taktgeber die verschiedenen Operationen. Der Taktgeber steuert insbesondere die Formung der von der Sendeantenne erzeugten Schailimpulse mit der gewünschten Dauer und Form und die Änderung der Skaler.signa'e für die maximalen Reichweiten (275 m. 225 m und 175 m). Die maximale Reichweite wächst mit dem Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen.

Der Taktgeber steuert auch die Abtastung der Empfangswege mit der Frequenz 2MHz zur Bildung desbreitbandigen Videosignals.

Das Sonargerät enthält terner eine Sendeantenne (Schallstrahler) 2. und die elektronische Anordnung 3 zur Erzeugung der Schallimpulse

Die Sendeantenne 2 besteht beispielsweise aus 648 Hydrophonen (Unterwasser-Schallwandlern), die auf 108 Reihen 2a. 2b ... mit jeweils sechs Hydrophonen auf^ ieilt sind. Die«.e Hydrophonreihen sind entlang den Maniellinien eines 7ylinderabschnitts mit vertikaler Ar¹.«· verteilt, der einen Radius in der Größenordnung von 1.6 m hat.

ts sind zw ·ι Betriebsarten vorgesehen. Beim sogenannten »breiten Betrieb« nehmtn die ausgesendeten Schallwe'len einen Winkelsektor mit einem Öffnungswink:l von 10° ein. Beim sogenannten »schmalen Betrieb« hat der erfaßte Winkelsek'or einen Öffnungswinkel Yon i\ Em Umschalter 4 ermöglicht den Obergang von einer Betriebsart zur anderen.

Die elektronische Anordnung 3 besteht aus einem Oszillator 3a, der entweder bei einer festen Frequenz von 420 kHz ± 500 Hz arbeitet, oder bei einer Frequenz, die durch einen Modulator 5 zwischen 405 kHz und 435 kHz linear frequenzmoduliert ist

Diese Frequenzmodulation ergibt die Wirkung, daß

die Schwankungen des Hintergrund-Nachhalls verringert werden, was eine Glättung des mittleren Pegels verursacht, so daß das Verhältnis zwischen der intensität des Nutzsignals und der Intensität des Rauschens verbessert wird, das den Kontrast zwischen dem mittleren Bildpegel und dem Schatten des Objekts bestimmt.

Die elektronische Anordnung 3 enthält ferner eine Impulsformerschaltung 6 für die Formung der Schallim-Dulse, die eine Cos²-Form haben. Die Impulsformerschaltung 6 empfangt die vom Taktgeber 1 stammenden Synchronisiersignale, welche die Dauer der von der Sendeantenne 2 während der Dauer des Synchronisiersignals ausgesendeten Schallimpulse und das Zeitintervall zwischen diesen Impulsen steuern. Die Dauer der Impulse bestimmt das Entfernungsauflösungsvermögen, und sie müssen deshalb sehr kurz sein. Das beschriebene Sonargerät ermöglicht die Wahl zwischen Impulsen.

rio

Reichweite gearbeitet wird, oder 200 μ5, wenn bei der kleinsten Reichweite gearbeitet wird.

Bekanntlich ist die F.ntfernungsauflösung durch die Formel ι ■ ^cli bestimmt, in welcher / die Dauer der Impulse ist. während edie Schallgeschwindigkeit ist, die 1500 m/s im Wasser beträgt.

Das Entfernungsauflösungsvermögen liegt somit bei kleinen Reichweiten in der Größenordnung von 15 cm und bei den maximalen Reichweiten in der Größenordnung von 40 cm. Die Dauer des Zeitintervalls zwischen den aufeinanderfolgenden Impulsen ändert sich mit der maximalen Reichweite; sie beträgt 250 ms bei einer maximaten Reichweite von 200 m.

Die Schaltungen 3 enthalten ferner Vorverstärker 7 und Leistungsverstärker 8.

Das Sonargerät enthält ferner eine ebene Empfangsantenne 9. Diese besteht aus 100 vertikalen Reihen 9a. 9b ... aus jeweils sechs Hydrophonen. Die wirksame Empfangsfläche hat eine Länge von 1,5 m, also etwa 400A.

Die von jeder Hydrophonreihe aufgefangenen Signale werden 100 Vorverstärkern 10 zugeführt, die von zwei Spannungsregelschaltungen 11 mit Spannungen von ± 15 V versorgt werden.

Die Vorverstärker 10 haben einen Verstärkungsfaktor von 80 ± 1 dB. Sie sind mit einem automatischen Verstärkungsregelungssystem ausgestattet

Die Gesamtheit der beiden Sende- und Empfangsantennen ist an einem stabilisierten und orientierten Turm montiert, der durch einen Schacht ins Meer herabgelassen werden kann.

Die Gesamthe·*. der beiden Antennen kann dem Höhenwinkel nach in einem Winkel eingestellt werden, der zwischen —T und —28° in bezug auf die Horizontale liegt

Die beiden Antennen können gleichzeitig um eine vertikale Achse derart verschwenkt werden, daß sie bei ihrer Drehung den gesamten Bereich von 360° erfassen. Die Steuerung der Höhenwinkel- und Seitenwinkeleinstellung erfolgt von einem Steuerpult aus. Die akustischen Achsen der beiden Antennen fallen vorzugsweise zusammen.

Das Sonargerät enthält schließlich eine Anordnung 12 zur gleichzeitigen Bildung von 100 Empfangswegen, die jeweils einen solchen Winkelsektor umfassen, daß sie insgesamt einen Seitenwinkel von 10° einnehmen.

Die Empfangswege werden dadurch gebildet, daß die von den verschiedenen Hydrophonen abgegebenen Signale summiert werden, nachdem sie zur Berücksichtigung der Phasenverschiebungen, die sich in Abhängigkeit von der Richtung jedes Empfangswegs ändern, zeitlich versetzt worden sind.

Die Schaltung 12 enthält 100 Schaltungszweige zur Bildung der Empfangswege, wobei für jede Hydrophonreihe ein Schaltungszweig vorgesehen ist.
jeder Schaltungszweig enthält:

nc Hfaträat u/«»nn Kai /liar mavimalpn .- _·.. __ο., ..*.... _«. —_.

einen Phasen- und Dämpfungsausgleichsverstärker 13 mit einem Verstärkungsfaktor von 20 ± 4 dB, der den Zweck hat. zu gewährleisten, daß die Signale in allen 100 Schaltungszweigen vor der Eingabe in die Phasenschieberschaltungen gleiche Dämpfungen und Phasenverschiebungen haben;
eine Phasenschieberschaltung 14. beispielsweise in Form einer Verzögerungsleitung, die einen an den Ausgang des entsprechenden Verstärkers 13 angeschlosenen Eingang und 24 Ausgänge hat. an ft^n^n für *££i£^ Ε!£ΓΠ**Γΐί°Γ^ε!^ϊτΠ^!3! ^4 Si⁰!***!*⁵ abgegeben werden, die gegeneinander zwischen 0° und 345" jeweils um 15" phasenverschoben sind:
einen Rechenverstärker 15. der 100 Signale addiert, die jeweils von einem der Ausgänge einer der Phasenschieberschaltungen 14 stammen.

Diese 100 Signale werden mit vorbestimmten Phasenlagen addiert, die davon abhängen, von welchem Ausgar·,, der Phasenschieberschaltung 14 sie abgenommen werden. Ferner werden die 100 Signale mit Hilfe von Widerständen amplitudenbewertet. Das Bewertungsgesetz ist durch die Theorie der Tschebyscheff-Polynome bestimmt, wodurch es möglich ist, ein Verhältnis von 21 dB zwischen der Intensität der Hauptkeule und derjenigen der Nebenzipfel zu erhalten.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die den Hauptkeulen der Empfangswege entsprechenden scharf gebündelten Schallbündel in einem Abstand von etwa 130 m von der Empfangsantenne fokussiert sind, so daß sich der Fokussierungspunkt im wesentlichen in der Mitte des Beobachtungsfeldes befindet

Diese Fokussierung kann auf irgendeine an sich bekannte Weise erhalten werden, beispielsweise durch eine Krümmung der Sendeantenne. Sie kann auch durch eine Phasenbewertung erhalten werden, die einer Krümmung der Antenne gleichwertig ist.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erzielt man die Fokussierung durch eine Phasenbewertung, die zu den Phasenverschiebungen addiert wird, die normalerweise für die Bildung der Empfangswege notwendig sind. Diese zusätzliche Phasenbewertung wird .!urch die Wahl der Ausgänge der Phasenschieberschaltungen 14 erhalten, die mit jedem Summierverstärker 15 verbunden sind.

Auf Grund dieser Fokussierung erhält man Empfangswege, deren Seitenwinkelöffnung im Fokussierungspunkt eine Halbwertsbreite (—3 dB gegenüber der maximalen Amplitude) von V₄₀O Bogengrad hat was einer vom Grund abgegriffenen Breite und somit einem Breitenauflösungsvermögen in der Größenordnung von 30 cm entspricht

Die Winkelteilung zwischen den Empfangswegen beträgt beim »breiten Betrieb« 0,1°, da die 100 Empfangswege einen Winkelsektor von 10° erfassen.

Dieser Winkelabstand entspricht in der Fokussierungsentfernung einem Abstand von 20 cm zwischen den Empfangswegen.

Die Winkelöffnung jedes Empfangswegs beträgt in

der Fokussierungsentfernung etwa 0,16^a. Man erhält also eine beträchtliche gegenseitige Oberdeckung nebeneinanderliegender Empfangswege.

Zu beiden Seiten des Fokussierungspunkles verbreitern sich die Schallbündel, wobei aber die Breite so klein bleibt, daß das Breitenauflösungsvermögen in einem Tiefenbereich zwischen etwa 50 m und der maximalen Grenze der Fresnel-Zone brauchbar bleibt.

fischen einer Entfernung von 50 m und der Anteiine verbreitern sich die Schallbündel so weit, daß sie in der Nähe der Empfangsantenne deren Längenausdehnung erreichen. Jenseits der Fresnel· Zone divergieren die Schallbündel so. als ob sie aus dem Fokussierungspunkt kämen, und ihre Breite wird immer gröOer. Die Grenze der Fresnel-Zonc befindet sich in einer Entfernung D von der Antenne, die im wesentlichen durch die Formel L ²/λ gegeben ist, worin L die Länge der F.mpfangsantenne und λ die Wellenlänge der Schallwellen ist. Die Länge L beträgt etwa 400 λ. so daß bei einer Frequenz von 420 kHz die Fresnel-Zone bei etwa 500 m beginnt. Es ist zu erkennen, daß diese Entfernung jenseits der gewünschten maximalen Reichweite liegt

Das beschriebene Sonargerät ermöglicht also die Bildung von Empfangswegen, die bei etwa 130 m fokussiert sind, und eine sehr scharfe Bündelung in einem Tiefenbereich zwischen 50 m und 200 m beibehalten. Es ist dadurch möglich, mit sehr feinen und eng gedrängten Empfangswegen einen trapezförmigen Winkelsektor mit einem öffnungswinkel von 10° zwischen einem Kreis mit dem Radius 50 m und einem Kr°is mit einem wählbaren Radius von 175 m. 225 ni oder 275 m vollständig zu erfassen und ein Bild dieses Sektors auf dem Bildschirm einer Katodenstrahlröhre zu erhalten: auf diesem Bild kann man infolge der scharfen Bündelung der Empfangswege deutlich die Silhouette der auf dem Grund oder in dessen Nähe befindlichen Objekte unterscheiden und diese Objekte identifizieren.

Die Höhenwinkelöffnung jedes Empfangswegs liegt in der Größenordnung von 10" bei der Halbwertsbreite. Eine zeitliche Analyse, welche die Zeit berücksichtigt, die zwischen der Sendung jedes Impulses und dem Empfang der Echos in jedem Empfangsweg verstreicht, ermöglicht die Bestimmung der Entfernungen, so daß ein Bild erhalten werden kann, das den Grund so darstellt, wie ihn ein Beobachter sehen würde, der sich vertikal darüber befindet.

Das Sonargerät enthält ferner in jedem Schaltungszweig Signalverarbeitungsschaltungen für die Ausgangssignale jedes der i 00 Summierverstärker 15. Diese Signalverarbeitungsschaltungen enthalten jeweils:

— ein schmaibandiges Quarzfilter 16 zur Ausfilterung des Signals des Empfangswegs bei der Sendefrequenz von 420 kHz. wobei dieses Filter natürlich nur bei der Sendebetriebsart mit fester Frequenz und nicht bei der Sendebetriebsart mit Frequenzmodulation verwendet wird:

— einen nachgeregelten Verstärker 17. an dessen Ausgang ein Empfangswechselsignal verfügbar ist. das einen konstanten und hohen mittleren Pegel in der Größenordnung von 120mV_tn aufweist; der Verstärkungsfaktor dieses Verstärkers beträgt für das mittlere Signal etwa 12 dB;

— einen Verstärker 18 mit dem Verstärkungsfaktor 20 dB. der den Si^crn3!ⁿe^crc! 3uf 1,2 V^ bringt;

— eine Detektorschaltung 19. die im nutzbaren

Dynamikbercich von 60 dB zwischen 6 mV und 6 V linear ist.

Die Signale der 100 Empfangswege werden anschlie· Bend durch eine Abtastschaltung 20 geschickt, die beispielsweise eine Mulliplexierschaltung mit 100 Eingängen und einem Ausgang ist, die ein Impulsadressenregister aufweist, mit dem die 100 Eingänge der Reihe nach mit dem einzigen Ausgang verbunden

ίο werden können.

Das Adressenregisler besteht in an sich bekannter Weise aus Kippschaltungen, und die Steuerimpulse für diese Kippschaltungen werden von dem Taktgeber, je nach der Dauer der Schallimpulse, wahlweise mit der Frequenz 2 MHz oder mit der Frequenz I MHz erzeugt. Die der Reihe nach aus der Abtastschaltung 20 austretenden Signale werden anschließend auf Oszillographen sichtbar gemacht. Das abgetastete Signal erfährt zunächst eine Dynamikkompression von 4OdB auf etwa 26 dB. Es wird anschließend dem Wehnelt-Verstärker 21 der Katodenstrahlröhre 22 zugeführt.

Diese Röhre hat beispielsweise einen Rechteckschirm von 24 · 12 cm. Die kleinere Abmessung liegt horizontal und die vertikale Achse des Bildschirms entspricht der akustischen Achse der Empfangsantenne, d. h. dem mittleren Empfangsweg.

Die horizontale Zeilenablenkung hat eine Dauer von 60 oder 120μ5. je nach der für die Steuerimpulse der Abtastschaltung 20 gewählten Frequenz.

Die Zeilenablenkung ist mit der Abtastung der Empfangswege durch den Taktgeber 1 synchronisiert. Jede horizontale Zeile liefert somit eine Darstellung der Echos, die auf allen Empfangswegen in einem gegebenen Zeitpunkt aufgefangen worden sind, und somit von einer gegebenen Entfernung stammen. Die zeitlich gestaffelten aufeinanderfolgenden Zeilen ermöglichen die Darstellung der Fortpflanzung der Schallimpulse und somit des Höhenwinkels oder der Entfernung, wenn ein sehr flacher Einfallswinkel vorliegt, wie es der Fall ist, wenn man Grundminen mit Nahwirkungszünder sucht, die in verhältnismäßig geringen Tiefen bis zu 60 m gelegt werden.

Der dargestellte Sektor erscheint auf dem Bildschirm in Form eines gleichschenkligen Trapezes mit horizontalen Grundlinien, dessen vertikale Achse der akustischen Achse der Sende- und Empfangsantennen entspricht.

Der dargestellte Sektor entspricht in geometrisch ähnlicher Darstellung dem vom Sender beschallten

Sektor, d. h. einem Sektor mit einem öffnungswinkel von 20" beim »breiten Betrieb« oder von 3" beim »schmalen Betrieb«.

Dieses Trapez bleibt auf dem Bildschirm feststehend, wenn man die Antennen um eine vertikale Achse schwenkt- Eine Leuchtanzeige liefert in jedem Zeitpunkt den Azimut des dargestellten Sektors. Der Kurs des Schiffes, auf dem sich das Sonargerät befindet, wird vom Bordkreiselkompaß geliefert Das den ersten 50 m entsprechende Bild, das schlecht ist. wird automatisch unterdrückt Auf dem Bildschirm des Oszillographen erscheinen ein horizontaler Zeiger, mit welchem der Schatten eines Objektes markiert werden kann, zwei Markierungen, die eine Zone von 25 m Tiefe zu beiden Seiten des ersten Markierers einrahmen, und eine Entfernungsskala, die durch in gleichmäßigen Abständen liegende Marken gebildet ist die beispielsweise jeweils 25 m entsprechen

Das Sonargerät enthält ferner eine Speicherlupe 23.

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IO

die es ermöglicht, eine Zone von 25 m Tiefe in größerem Maßstab darzustellen, wobei diese Zone kontinuierlich über die ganze Bildfeldtiefe, d. h. zwischen 50 m und 275 m, verschoben werden kann. Diese Speicherlupe ist durch eine zweite Katodenstrahlröhre gebildet, auf der das Bild der untersuchten Zone eine Breite von 9 cm und eine Höhe von 12 cm hat.

Die nacheinander vom Abtaster 20 abgegebenen und vom Verstärker 21 verstärkten Signale werden in einem natürlichen Binärcode codiert und dann in einem Speicher aufgezeichnet, der aus in sich geschlossenen magnetostriktiven Verzögerungsleitungen besteht.

Das Bild einer bestimmten Zone kann auf diese Weise gespeichert werden, damit es mehrmals betrachtet werden kann. Es kann gelöscht werden, damit es im Speicher durch das Bild einer neuen Zone ersetzt werden kann.

Zur Darstellung des gespeicherten Bildes werden die

Signale am Ausgang dps Sneirher«: rjprarf dccodi?·*·. daß das analoge Videosignal sowie die Synchronisationssignale wieder hergestellt werden, die dann der Lupenkatodenstrahlröhre zugeführt werden.

Eine besondere Decodierung ermöglicht es, aus einem Signal X ein inverses Videosignal '/.γ zu liefern, so daß die Bilder negativ erscheinen, d. h. die Schatten weiß und der Hintergrund schwarz, was in bestimmten Fällen die Beobachtung erleichtert.

Die Speicherlupe bildet eine wichtige Verbesserung des Sonargeräts.

Sie ermöglicht es, einem zweiten Beobachter, in größerem Maßstab eine Zone zu betrachten, die von einem ersten Beobachter gewählt worden ist, der den Bildschirm des ersten Oszillographen beobachtet. Infolge der Speicherung verfügt der zweite Beobachter über die für eine detaillierte Untersuchung des Bildes erforderliche Zeit.

Das beschriebene Sonargerät arbeitet in folgender Weise:

Man bildet mit Hilfe der Sendeantenne ein Schallwellenbündel, dessen öffnungswinkel bei der Halbwertsbreite (—3 dB) für eine allgemeine Erforschung auf 10° und für eine genauere Aufklärung auf 3 eingestellt werden kann.

Dieses Schallwellenbündel wird durch Impuls erzeugt, deren Dauer wahlweise, je nach der gewählten maximalen Reichweite. 200 [is oder 500 fis beträgt.

Die Pause zwischen den Impulsen ist gegen die Dauer der Impulse sehr groß, und zwar um so größer, je größer die maximale Reichweite ist. damit das Signal den der maximalen Reichweite entsprechenden Hin- und Rückweg zwischen zwei Impulsen zurücklegen kann. Man wählt beispielsweise eine Impulspause von 370 ms für eine maximale Reichweite von 275 m.

Mit Hilfe der Empfangsantenne tastet man dauernd den gesamten Bereich des Sendebündels durch Bildung von 100 sehr feinen Empfangswegen ab. Der Abstand zwischen den Empfangswegen ist so eingestellt, daß die gewünschte räumliche Abtastung unter Berücksichtigung der zu beobachtenden Einzelheiten eingehalten ist.

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damit der Pegel der Nebenzipfel auf mindestens — 21 dB abgesenkt wird.

Ferner wird eine zusätzliche Phasenbewertung angewendet, damit die Empfangswege im Innern der Fresnel-Zone fokussiert werden. Man erhält dadurch einen Ausschnitt aus dem Grund, der eine gewünschte Breitenauslösung über die gesamte Tiefe des Beobachtungsfeldes des Systems ergibt.

Die Empfangswegsignale werden in einem sehr schnellen Takt von 2MHz sequentiell umgeschaltet, damit infolge der Netzhautträgkeit eine analoge oder semi-analoge Gesamtdarstellung in Realzeit erhalten wird.

Nach Wahl des Beobachters kann ein Teil des Bildes gespeichert und dann im Fernsehtakt, d. h. nimmerfrei erneut dargestellt werden.

Man erhält dadurch ein genaues Bild des Grundes, auf dem die Schatten, die von auf dem Grund liegenden oder in dessen Nähe befindlichen Objekten geworfen werden, deutlich erscheinen und die Umrisse dieser

«to Schatten die Silhouette der Objekte mit einer Auflösung darstellen, die zu deren Identifizierung ausreichend ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Sonargerät zur Identifizierung der Silhouette von unter Wasser in der Nähe des Grundes befindlichen Objekten, mit einer aus einer Mehrzahl von reihenförmig angeordneten Hydrophonen gebildeten Sendeantenne zur Aussendung von Ultraschallimpulsen, deren Dauer in Abhängigkeit von der angestrebten Entfemungsauflösung bemessen ist, und mit einer auf demselben Träger wie die Sendeantenne angeordneten Empfangsantenne, die eine Mehrzahl von reihenförmig angeordneten Hydrophonen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsantenne (9) vertikale Hydrophonreihen (9a, 90, ...), die in einer Ebene angeordnet sind, aufweist, daß der Träger um eine vertikale Achse schwenkbar ist, daß eine elektronische Anordnung (12) zur gleichzeitigen Bildung einer Mehrzahl von Empfangswegen für die Echos durch Phasenverschiebung der von den verschiedenen Hydrophonen der Empfangsantenne (9) aufgefangenen Signale und Kombination dieser Signale in jedem Empfangsweg, eine Abtastanordnung (20) zur sequentiellen Abtastung der Empfangswege, wenigstens eine Anordnung (22) zur Sichtbarmachung der Echos auf dem Bildschirm eines Osziiloskops mit Nachleuchtwirkung, und ei.. Taktgeber (1). der synchron die Au;>^cer.dung der Schallimpulse, die Abtastung der Empfangswege und die Horizontalab lenkung des Osziiloskops steuert, vorgesehen sind, und daß die Phasenverschiebungen der Signale so bemessen s.id, daß die scharf gebündelten Schallbündel im Inneren d:r Frei el-Zone der Antenne fokussiert sind.

2. Sonargerät nach Anspruc" 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Anordnung (12) /ur Bildung der Fmpfangswege für jeden Empfangsweg eine Phasenschieberschaltung (14) zur Phasenver Schiebung der von den verschiedenen Hydrophon reihen (9a. 9Λ. ...) der Empfangsantenne (9) stammenden elektrischen Signale enthält, und daß die Phasenschieberschaltung (14) zugleich /wischen den Signalen zusätzliche Phasenverschiebungen derart einfuhrt, daß die von der Empfangsantenne (9) aufgefangenen Schallbündel in deren Fresnel-Zone fokussiert sind.

5 Sonargerät nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungsentfernung annähernd gleich einem Viertel der Länge der F'resnel Zone ist.

4 Sonargerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß in der Fokussierungs entfernung die Empfangswege eme Breite in der Größenordnung von 50cm und eine Teilung in der Größenordnung von 20 cm haben.

Ί Sonargerät nach einem der Ansprüche I bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß ein /weites Os/illo skop (23) vorhanden ist. das eine Speicherwirkung aufweist und somit eine begrenzte /one. die über die ganze Ausdehnung des Gesichtsfeldes des ersten Osiilloskups (22) verschieblieh ist, in gröberem Maßstab darstellbar ist.