NO854281L - Bredbaandsinterferens-sonar med sammentrykket utstraaling - Google Patents

Abstract

System for senderantenner ved en interferens-sonar omfattende en flerhet av par av sendertransduktorer som er innrettet for samtidig utsendelse og dekkende til-sttende frekvensunderbånd av et bånd B. Underbåndene har en bredde som er mindre enn eller i det meste lik bredden som skaffer en aksepterbar forskyvning av de retningsgivende lober for utstrålingsmnsteret for et antennepar. Senderne i et enkelt par er anordnet på en avstand L. og utsender signalpulser ved frekvensen fog med varighet te = ^ , idet produktene L^ er i like for alle senderpar.Utstrålingsmønstrene for de forskjellige senderpar vil følgelig falle nøyaktig sammen, og når senderne tilfø-res fra oscillatorene avgitte signaler som er i fase med senteret av pulsen med varighet Te, vil den puls som er resultatet av overlagringen av de utsendte signaler, bli sammentrykket i tid.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en interferens-sonar,■

dvs. en slik sonar, hvor utsendelsen finner sted ved hjelp av to sendere som sender samtidig og er separert med en avstand L svarende til den maksimale lengde som er tilgjen-

gelig for antennen. Ved hjelp av interferometri fremskaffer disse sendere en multippel stråle, hvis tvetydighet elimine-

res i mottakertrinnet.

Et antennesystem for en interferens-sonar av denne type er

omtalt i US-patent nr. 4.234.939 med tittelen "Antenna sy-

stem håving a high resolving power". S derantennen omfat-

ter minst to sendertransduktorer som sender i synkronisme,

og som er plassert ved ytterpunktene for mottakerantennen. Senderutstrålningsmønstret som har en amplitude som varierer

som en funksjon av retningen 9 i henhold til F( G):

vil da fremskaffe i sitt vinkelfelt en rekkefølge av maksi-

ma og minima ved et interval p slik at:

I disse formler utgjør 6 den vinkel som dannes av en obser-vasjonsretning i forhold til en akse som står vinkelrett på den linje som dannes av antennene, c er hastigheten for lydbølger i vann, f er sendefrekvensen, og & = ^ bølge-

lengden for vibrasjoner i utspredelsesmediet, dvs. vann.

Bredden av de lober som man derved oppnår ved interferome-

tri, er tilnærmet en halvdel av det som man oppnår med en senderbase som dekker hele lengden L, noe som forbedrer oppløsningskraften.

Det er mulig å motta samtidig i retninger av sendemaksima ved forhåndsbestemmelse av så mange mottakerkanaler som det finnes lober, basert på en antenne med full mottagelse, som

Viktig informasjon

Av arkivmessige grunner har Patentstyret for denne allment tilgjengelige patentsøknad kun tilgjengelig dokumenter som inneholder håndskrevne anmerkninger, kommentarer eller overstrykninger, eller som kan være stemplet "Utgår" eller lignende. Vi har derfor måtte benytte disse dokumentene til skanning for å lage en elektronisk utgave.

Håndskrevne anmerkninger eller kommentarer har vært en del av saksbehandlingen, og skal ikke benyttes til å tolke innholdet i dokumentet.

Overstrykninger og stemplinger med "Utgår" e.l. indikerer at det under saksbehandlingen er kommet inn nyere dokumenter til erstatning for det tidligere dokumentet. Slik overstrykning eller stempling må ikke forstås slik at den aktuelle delen av dokumentet ikke gjelder.

Vennligst se bort fira håndskrevne anmerkninger, kommentarer eller overstrykninger, samt eventuelle stemplinger med "Utgår" e.l. som har samme betydning. imidlertid er sammensatt av en flerhet av kilder, hvorimel-lom det introduseres en faseforskyvning på en slik måte at der bevirkes sammenfalling av maksima av mottakerkanalene med sendermaksima. I den hensikt å dekke alle retningene for vinkelområdet er det gjort foranstaltninger for frem-skaffelse av ytterligere maksima i sendeutbredelsesmønste-ret, sammenfallende med minima av den første, og en annen serie av forhåndsbestemte mottakerkanaler, idet der gjøres bruk av de samme sender- og mottakerkilder, enten ved hjelp av to sekvensielle utsendinger som fremskaffer en faseforskyvning ved den samme frekvens,eller ved hjelp av to sam-tidige sendinger ved forskjellige frekvenser.

Sendingene utgjøres av akustiske signalpulser med bølge-lengde A , som gjentar seg og som har en varighet f . Et1e frekvensbånd Af= svarer til denne varighet. Følgelig foreligger der, svarende til hver frenkvens som er inbe-fattet i båndet ^f om frekvensen f , et mønster F(9) av kosinusformen i henhold til ovennevnte ligning (1) på en slik måte at det resulterende mønster ikke blir korrekt realisert, fordi der ikke foreligger noen veldefinerte maksima eller null-verdier, med unntagelse for det sentrale maksimum.

I virkeligheten er retningene for de maksima for sender-2c mønsteret som er gitt ved F(9) = 1, slik at f O sin 9 =zJ-— j k, hvor k er et helt tall. Når frekvensen varierer innenfor frekvensbåndets j& f vil følgelig retningene for maksima likeledes variere på følgende måte:

blir underkastet en variasjon df, vil variasjonen d9 svarende til retningen 9 ha verdiene tallverdien av

d f

d 9 = — .tan 9. For at interferensmønsteret ikke skal degraderes i alt for stor grad, er det nødvendig å begrense verdiene av frekvensbåndet, og dette krever i det ovenfor

omtalte system en minimal varighet av den akustiske puls. Det er akseptert at d6 kan nå et maksimum på en fjerdedel av bredden av lobene av sendermønsteret med halv effekt,

dvs. ved 3 desibel dempning av maksimum, idet denne bredde

ved halv effekt er

dvs. <

Variasjonene har sitt maksimum for grensene for vinkelfel-tet, dvs. - 0 og + 9 .

o ^ o

For disse retninger vil man ha

dvs. Varighetene T for pulsen kan derfor ikke være mindre enn

for at mønsteret ikke skal degraderes i all for

stor grad.

Denne begrensning representerer en dobbelt vanskelighet:

- I tilfelle av et gitt vinkelfelt begrenser det oppløsnin- gen med hensyn til avstand,

da pulsene er alt for lange; - I tilfelle av en gitt oppløsning med hensyn til avstand, begrenser den det dekkete vinkelfelt.

Som et eksempel på L = 250 A , et fast vinkelområde 29Q= 30°, og r en senderfrekvens f o = 200KHz, vil ^f mak, s.være lik 750 Hz. I den hensikt å oppnå et stort område D = 100 meter, dvs. en sideveis oppløsning med hensyn til avstanden 29^D

lik 0,2 m, vil en båndbredde på 750 Hz ikke være tilstrek-kelig. En båndbredde på minst 3,75 KHz vil være nødvendig.

Hensikten med oppfinnelsen er en interferens-sonar som ikke omfatter de ovenfor angitte vanskeligheter, og som mere spesielt utgjør en bredbåndsinterferens-sonar. Den spesiel-le oppbygning av antennesystemet med sonaren i henhold til den foreliggende oppfinnelse, tillater også at det oppnås sammentrykket utstråling.

I henhold til oppfinnelsen er det fremskaffet en bredbåndsinterferens-sonar med sammentrykket utstråling, omfattende et sende- eller utstrålingsantennesystem med to på avstand anordnete sendere tilknyttet sendestyrekretser, og et mottakerantennesystem knyttet til mottakerkretser,karakterisert vedat hver sender utgjøres av en gruppe av N elementærsendere, (E^) ^ og (E2)j_'idet i utgjør et helt tall mellom - N- l og N- l for ulike tall N og i befinner seg mel-2 2

N N

, lom - og + og er forskjellig fra 0 for like tall N,

en elementærsender (E^)^som er anordnet på avstand fra den tilsvarende elementærsender (E9). med en lengde L.,idet disse to elementærsendere tilføres et felles signal med frekvens f^, ved at produktene L^fj_ for de N par av elementærsendere som er definert på denne måte er like, og at alle

sendere får tilført samtidig, under de gjentatte pulser, signaler med frekvenser f^ i fase ved senteret av pulsene.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli beskrevet nærmere under henvisning til tegningsfigurene. Figur 1 viser et utstrålningsmønster F(8) i desibel for en interferensantenne omfattende to utstrålningstransduk-torer i henhold til kjent teknikk. Figur 2 viser interferensutstrålingsantennene for sonaren i henhold til oppfinnelsen og tilhørende styreorganer. Figurene 3 og 4 er diagrammer som forklarer virkemåten for sonaren i henhold til oppfinnelsen. Figur 5 viser et annet eksempel på utstrålingsantenne for en sonar i henhold til oppfinnelsen.

* ■ 1 ■- ■ , ■ , „ ' Interferens-sonarene i henhold til oppfinnelsen er slik at de utsendte strålingsmønstre ikke blir forstyrret når sonaren dekker en båndbredde med frekvens B. Dette bånd B er større enn det frekvensbånd innenfor hvilket det er mulig å ta betraktning, ved det kjente system som er kort omtalt ovenfor, at interferensmønsteret ikke blir degradert i en nevneverdig stor grad. ;I henhold til ligning (1), som gir uttrykket for amplitude-koeffisienten for strålingsmønsteret, F (6), vist på figur 1, utgjør en løsning for å oppnå et mønster F (0), som ikke blir forstyrret ved variasjonene i frekvensene innenfor båndet B, at for hver frekvens f, så er produktene Lf konstant, dvs. Lf = K, hvor K er en konstant. ;Imidlertid, i et frekvensbånd hvor^f ^A^g» gitt av ligning (3) vil strålingsmønsteret F (6) være å betrakte som uforstyrret. Det vil følgelig være mulig å forestille seg et diskret sett avstander, , dvs. flere par av sendere, idet hver par svarer til en sendefrekvens f^, omkring hvilken et frekvensbånd A f mindre enn eller lik maksimal-verdien Af maK v sutgjør vedlikeholdelse av uavhengigheten av F(8) i forhold til frekvensen. Sendefrekvensene tilknyttet hvert av parrene av sendere ligger .Af fra hverandre, og båndet B kan således dekkes av et antall N av senderpar, idet N er et høyere helt tall svarende til kvosienten ^- f . Den sentrale frekvens for båndet B, nemlig f^, svarer til senderfrekvensene for det sentrale par dersom N er et ulike tall. På den andre side, dersom N er et liketall, vil sen- ;der f rekvensene for de to sentrale par være ; Følgelig vil senderne E^0g E2ved systemet i henhold til kjent teknikk hver bli erstattet av en serie av N sendere som således danner N par av sendere. De to sendere i hvert av de N par er betegnet med indeksene i, slik at . for ulike tall N, er i et heltall, slik at: N-l/.A N-l ;. for like tall N, er i et heltall, slik at ;N /. / N ;~ 2 A1 V 2 ;og i er forskjellig fra 0.;De tilsvarende senderfrekvenser er: ; Avstanden mellom senderne i et par angitt ved indeksen i er: ; Figur 2 viser skjematisk senderkretsene og det tilhørende antennesystem ved interferens-sonaren i henhold til den foreliggende oppfinnelse og realisert med N=5. Hver sender E-^, E2omfatter N elementærsendere (E-^) ^ og ^ 2^ ±' i^et elemen-tærsenderne som danner det paret som er angitt ved indeksen i er separert med en avstand på og tilføres signalpulser med frekvensen f., som gjentar seg og har en varighet på ; Senderkretsene omfatter N kraftforsterkede A1 ., dvs. A -2„, A_^, AQ, A^ og A^, som mottar signaler fra N oscillatorer 0., i - - 2 til +2 med frekvensene f.. Disse oscillatorer 0. ;x 1 1 som er i fase ved sentret av pulsen T mottar synkronise-ringssignaler fra en referanseoscillator 0 . Utgangssignalet fra en forsterker A^blir overført til de to elementærsendere for det tilsvarende par. Således vil strålingsmønstrene for hvert elementærinterferometer, som er definert ved lig-ningen (1), være like, og spesielt vil maksima falle sammen fordi alle produktene Lj_f^ er like. ;Mottagelse finner sted på kjent måte ved hjelp av en kjent antenne med full mottagning, som ikke er vist,og som er dan-net f.eks. av en rekkefølge av på jevn avstand anordnete mottagertransduktorer, hvis signaler er forsinket og adde-res for å danne mottagerkanaler i retninger som svarer til dem for det utsendte strålingsmønster. Mottakertransduktorene er plassert mellom de to grupper av sendere, i den hen sikt å danne et antennesystem, hvis plassbehov med hensyn til lengde utgjør et minimum. ;Som ved tilfellet av interferens-sonarene med to sendere,;kan den fulle dekning av vinkelområdet finne sted enten suk-sessivt ved hjelp av utsendinger som alternativt er i fase og i mot-fase på alle elementærsendere som danner interferometeret ved de samme frekvenser, eller samtidig ved bruk av to forskjellige frekvenser som sendes ut samtidig med enhver av parene av sendere som danner interferometeret. ;Apparatet som er omtalt ovenfor her med hensyn til figur 2, muliggjør også at det oppnås en sammentrykning av pulser. I virkeligheten vil omhyllingen av den puls som resulterer fra den algebraiske sum av N signaler av forskjellige rene frekvenser separert ved / X f = i et bånd B = NAf, og utsendt samtidig, være presist likt et kort signal som er en funksjon av s"j"n hvor X er lik TT^f.t. Maksimumsverdien opp-J sxn Xrtrnår man når disse signaler alle foreligger i fase. Følgelig oppnår man sammentrykning av pulser ved utsending i fase på ;de forskjellige sentere med sentrum av pulsen, dvs. for;Te ;r = ^— etter begynnelsen av pulsen.;Figur 3 er en vektorrepresentasjon av sammentrykningen av pulser for et eksempel hvor N = 3. Fordi referansevibrasjons-planet passerer gjennom senteret 0 for antennen, vil vibra-sjonene svarende til hvert par av elementærsendere, for en gitt retning, addere seg symmetrisk i forhold til dette plan. I tilfellet av retningene 9 som svarer til maksima for funksjonen F(6), vil resultatvektoren ha en maksimal amplitude svarende til V"M. For en hvilken som helt annen retning 9, er amplituden lik Vp og mindre enn V^. Figur 4 viser skjematisk de pulser sam er overført på de forskjellige senderpar, og resultatpulsene sammentrykket som en funksjon av tid. På denne figur er N = 3 valgt, som ved figur 3, for enkelthets skyld. Dersom man lar Ct/^, og (jJq og UJ+ 1 være vinkelfrekvensene forTde utsendte signaler, har man ;Produktene U^. er avhengige bare av retningen på obser-vasjonen 9 og ikke av i, fordi I^f^= K. Ved tre desibel dempning vil bredden av omhyllingen på den sammentrykte puls ;Te 1 1;være —^ ==b " Den tilhørende behandlingsforsterkning i desibel er lik 10 log. B. T; , dvs. 10 log. N. Følge-lig vil senderutstyret i henhold til oppfinnelsen fremskaffe en pulssammentrykning ved utsending i vann, og dette gjør seg gjeldende for alle retninger 0 på vinkelområdet.-Formen for den midlertidige puls vil følgelig ikke være en funksjon av retningen 9, og forblir identisk med seg selv i alle retninger, med en amplitudefaktor F(6) svarende til utbestrå-lingsmønsteret. ;Ved det numeriske eksempel som er vist ovenfor,hvor vinkel-feltet ligger mellom -15° og +15°, og hvor midtfrenkvensen er f = 200 KHz, for en sonar som er ment å skaffe en visuell fremvisning av sjøbunnen, er den ønskete oppløsning med hensyn til avstand beregnet til 0,2 m, dvs. et frekvensbånd som angitt ovenfor som B = 3,75 KHz. Når det maksimale frekvensbånd Af mak, s ' som vedrører et eneste interferometer/, er lik tilnærmet 750 Hz, vil senderantennen for sonaren i henhold til oppfinnelsen omfatte fem interferometere, dvs. fem par av elementærsendere som danner disse fem interferometere. Disse fem par av sendere får samtidig tilført pulser med varigheter X 1,33 milliskunder, ved frenkvenser F_2= 198,5 KHz, F_1= 199,25 KHz, FQ- 200 KHz, F1= 200,75 KHz og F2= 201,5 KHz. ;Lydutsendelsesnivået som man oppnår ved hjelp av et slikt system med antenner forblir av samme orden som den man oppnår ved hjelp av et system med to sendere. I virkeligheten vil en kilde med lengden 1 ha en retningspreget lobe med en bredde som er ^ i radianere ved en 3 desibels dempning. I den hensikt å oppnå et vinkelområde som minst er lik 26^, vil den maksimale lengr de<1>mak, sfor en eneste kilde være L = \ r Videre vil avstanden e. mellom fasesentrene for maks 20 i ;to tilstøtende sendere i antennesystemet i henhold til opp- ;finnelse være gitt ved følgende sammenheng: ;2e. = L. - L.,-, hvilket er tett opp under — K .Af;i ;(4^er liten).;r. i ;i ;I lys av det forhold at f i det meste er lik -r— ,;I J X i •4Lta<nO>;vil e^tilnærmet være3tanQFølgelig vil lengden L. for senderne som er begrenset til deres avstandsforhold e^ for en antenne, med hensyn til hvilken det er ønsket at alle sendere kan være kolliniære, tilnærmet fire ganger mindre enn lengden LmaJ<:s. Som et resultat av dette vil, med et interferometer som omfatter minst fire emitterpar, det utsendte lydnivå være tilnærmet likt det for et interferometer som omfatter bare ett emitterpar, fordi senderflåtene er like. ;Ved det numeriske eksempel som er angitt ovenfor, vil avstanden e^mellom to tilstøtende sendere være lik 0,47 'V , dvs. tilnærmet 3,5 mm. Den maksimale lengde L maK, s er av størrel-sesordenen 15 mm. I den hensikt å oppnå et sendenivå som svarer til det for et interferometer med to sendere som hver er 15 mm lange, blir lengden av hver sender fiksert ved 3 mm. Avstanden mellom de to sendere er på det sentrale par lik 1,875 m. Tallene som er angitt ovenfor viser at i forhold til det tradisjonelle interferometer med to sendere, ;er oppløsningen med hensyn til avstand øket for et fiksert vinkelområde, samtidig som sendernivået forblir det samme. ;Det er likeledes mulig ikke å gjøre de elementære sendere kolliniære og å tillegge lengden for hver sender maksimums-lengden Lma]<s• Ved dette arrangement blir senderne forskjø-vet og overlagret, slik det fremgår av figur 5 i oppriss. I dette tilfelle blir senderflaten multiplisert med fem i forhold til senderflaten for et tradisjonelt interferometer med to sendere. ;I henhold til en annen utførelsesform blir oppløsningen med hensyn til avstanden for sonaren fiksert ved 1 m og vinkel området 200ved 90°, dvs. mellom -45° og ^ +45°. Dersom sen-derbasisen for interferometeret L er lik 250 A , og dersom den sentrale senderfrekvens f oer lik 200 KHz, som ved det foregående eksempel, vil ^ ma] <iS i dette tilfelle være lik 200 Hz. Den minimale båndbredde som er nødvendig for en sonar er lik 800 Hz, noe som krever fire interferometere, hvis senderpar får tilført pulser av varighet % e = 5 milli-sekunder, ved frekvenser F_2= 199,7 KHz, F_1= 199,9 KHz, F1= 200,1 KHz, F2= 200,3 KHz. I dette tilfelle foreligger der ikke noen sender som sender nøyaktig ved frekvensen ;f<=>200 KHz.;o ;Oppfinnelsen er ikke begrenset til de utførelsesformer som er omtalt og vist i detalj. Spesielt er det mulig å veie den utsendte puls, på en slik måte at dens bredde ved tre ;desibel har formenrr-rp, hvor k, som er større enn 1, er av-NAf ;hengig av det vektsystem som er valgt.;For å redusere nivået for de sekundære lober for den ret-ningsangivelse som er et resultat av produktet for sender-og mottakerdirektivene, kan dessuten avstanden mellom de to grupper N av sendere velges mindre enn lengden av mottakerantennen, idet signalene som mottas av mottakertransduktorene i denne sammenheng blir veiet, som omtalt i US-patent-skrift nr. 4.510.586. ;Sluttelig vil et ytterligere behandlingstrinn som innbefat-ter pulskompresjon ved mottagelse og som i og for seg kjent realiseres ved interferens-sonaren i den hensikt ytterligere å øke behandlingsforsterkningen. I den forbindelse blir varigheten T" efor de utsendte pulser valgt til å være stør-re enn ^ —, og kodet, f.eks. ved hjelp av liniær fre-maks ;kvensmodulasjon. Signalet som utgår fra en mottakerkanal blir behandlet parallelt i N underkanaler sentrert på de forskjellige senderfrekvenser f^. Følgelig omfatter hver subkanal et båndpassfilter som er sentrert på frekvensen f^, ;og har bredden Af KISL ri S, fulgt av et filter som er avstemt på denne koden, f.eks. den liniære frekvensmodulasjon. Signalene som utgår fra de N parallelle subkanaler blir deretter tilføyet. Den supplementære behandlingsforsterkning som man derved oppnår er lik A. f.t . ;! ■ .*« 5 4 /TS. S "1 J /

Claims (8)

1. Bredbåndsinterferens-sonar med sammentrykket utstråling omfattende et sende- eller utstrålingsantennesystem med to på avstand anordnete sendere tilknyttet sendestyrekretser, og et mottakerantennesystem knyttet til mottakerkretser, karakterisert ved at hver sender utgjø res av en gruppe av N elementærsendere (E-,) . N—1 -Li og (E„) . , idet i utgjør et helt tall mellom ;— og N-l —2~ for ulike tall N og i befinner seg mellom NN ' - <2>°9 +2°9 er forskjellig fra 0 for like tall N, en elementærsender (E^ )^ som er anordnet på avstand fra den tilsvarende elementærsender (E„). med en lengde L. , idet 2 x ^ i disse to elementærsendere tilføres et felles signal med frekvens f., ved at produktene L.f. for de N par av elemen- x ^ xx c tærsendere som er definert på denne måte er like, og at alle sendere får tilført samtidig, under de gjentatte pulser, signaler med frekvenser f. i fase ved senteret av pulsene .

2. Sonar som angitt i krav 1, karakterisert ved at det maksimale frekvensbånd som muliggjør dekning ved hjelp av et eneste par sendere separert med en avstand L er Af i <=> 777 <p> r— for et gitt vinkelfelt i området maks 4Ltan©Q ^ mellom - 6 og + 9 , og at frekvensbåndet som skal dekkes er B sentrert på frekvensen f^ , og at N er et helt tall større enn kvosienten B/ ^f^^g

3. Sonar som angitt i krav 2, karakterisert ved at paret av elementære sendere hver dekker B 1 et bånd ^-f=N = ~ fr samtidig som det utsendes signaler ved e frekvenser f. under pulser med varighet X , idet f. er lik f o + i^f for ulike tall N og f o +(sign i) |:L z' " 1 Af for like tall N.

4. Sonar ifølge krav 1, karakterisert ved at pulsene fra signaler ved frekvenser fi utsendt til par av sendere (E^)^ ^E2 ^i blir veiet 1 henhold til det samme forhåndsbestemte veiesystem.

5. Sonar som angitt i krav 1, karakterisert ved at de elementære sendere er kolliniære, idet deres lengde er mindre enn halvparten av forskjellen mellom avstandene L. for to par av tilstøtende elementære sendere.

6. Sonar som angitt i krav 1, karakterisert ved at de elementære sendere er fordelt over flere forskjøvne linjer, idet deres lengde er lik den mak-simallengde som er nødvendig for dekning av et gitt vinkelfelt.

7. - Sonar som angitt i krav 1, karakterisert ved at de to grupper av elementærsendere er plassert ved ekstremitetene for mottakerantennen.

8. Sonar som angitt i krav 1, karakterisert ved at de to grupper av elementærsendere er anordnet på avstand fra hverandre svarende til en lengde som er mindre enn lengden av mottakerantennen, idet motta-kerkretsene omfatter organer for veiing av de signaler som blir mottatt av mottakertransduktorene.