A T L A S E L E K T R O N I K G m b H

Bremen

VERFAHREN ZUR PEILUNG VON SCHALLABSTRAHLENDEN ZIELEN

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Peilung von schallabstrahlenden Zielen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem solchen Verfahren, wie es beispielsweise in der DE 100 27 538 beschrieben ist, wird für eine Sonar-Anlage eine Richtungsbildung mit „preformed beams" oder Richtcharakteristiken im Zeitbereich der Empfangssignale durch Zusammenfassung der auf eine gemeinsame Zeitbezugsebene zeitverzögerten und/oder phasenverschobenen Empfangssignale zu Gruppensignalen bewirkt. Der „preformed beam" mit dem größten Empfangspegel, also die von dem Gruppensignal mit dem größten Empfangspegel gebildete Richtcharakteristik, gibt die Zielpeilung an.

Dieses bekannte Peilverfahren geht davon aus, dass die Empfangsantenne mit ihren Wandlern ohne Einschränkungen im freien Raum und ohne die unvermeidlichen Streuungen der Wandlerempfindlichkeiten oder Wandlerwirkungsgrade in idealer Weise aufgebaut ist. Fertigungstoleranzen beim Einbau der Wandler in die Empfangsantenne und/oder der Empfangsantenne an den Antennenträger, z.B. Schiff oder U-Boot führen jedoch zu Fehlanpassungen der Zeitverzögerungen für die Richtungsbildung. Der Einbau erfolgt z.B. in oder an der Schiffswand eines überwasserschiffes oder der Bootswand eines

U-Boots. In vielen Fallen werden die zu Wandleranordnungen zusammengestellten Wandler durch Hullkorper geschützt. Durch diesen Einbau werden noch zusätzlich die einfallenden Schallwellen an unvermeidlichen Halterungen für den Hullkorper und/oder durch die Formgebung das Schiffsrumpfs oder des Kiels oder durch Unterwasseraufbauten am Tragerfahrzeug m nicht vorhersehbarer Weise verzerrt, was zu systematischen, räumlich veränderlichen Peilfehlern fuhrt. Bei der Funktionsprufung von auch zur Peilung eingesetzten Sonaranlagen im Rahmen von Seeversuchen werden diese Peilfehler ermittelt und nachträglich durch aufwendige Fehlerberechnungen kompensiert. Die korrigierten, von Zielen gewonnenen Peilwerte werden dann an eine nachfolgende Lagedarstellung weitergegeben. Ohne diese Fehlerkompensation wird dem Bediener an Bord außerdem ein Detektionspanorama sichtbar gemacht, das aus den Rohdaten für die Peilung generiert ist und durch die vorstehend genannten Unvollkommenheiten verzerrt ist. Will der Bediener in dem Detektionspanorama ein vermutetes Ziel von Hand emmessen, kann er systematische Peilfehler nicht berücksichtigen, was zu Diskrepanzen bei der Beurteilung der Lage fuhrt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Peilverfahren der eingangs genannten Art dahin zu verbessern, dass systembedingte Fehler bereits in den zur Bildung von Gruppensignalen der Richtcharakteristiken bzw. „preformed beams" verwendeten, verzögerten Empfangssignalen kompensiert werden und sich somit aus den Gruppensignalen ein Detektionspanorama und eine Lagedarstellung ohne systematische Peilfehler ergibt.

Die Aufgabe ist erfmdungsgemaß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelost.

Das erfindungsgemaße Verfahren hat den Vorteil, dass mxt den empirisch bestimmten Zeitverzogerungskoefflzienten eine einbaubedingte, fahrzeugfeste Verzerrung der durch die Gruppensignale gebildeten „preformed beams" oder Richtcharakteristiken berücksichtigt ist und damit letztere gegenüber „preformed beams", die für ungestörten Schallwellenempfang errechnet werden, quasi vorverzerrt sind. Die empirische Bestimmung erfolgt vorzugsweise bei den Seeversuchen zur Funktionsprufung der Peilanlage durch Peilen eines Kunstziels, das mit bekannten Positionen um das Tragerfahrzeug der Peilanlage herumfahrt. Für jede geschwenkte Hauptrichtung der Richtcharakteristik werden vom ortsfesten Tragerfahrzeug die Zeitverzogerungskoeffizienten iterativ optimiert. Im Einsatz sind dadurch die nach Detektion von Zielen ermittelten Zielpeilungen von systematischen Peilfehlern befreit. Das Detektionspanorama wird unverzerrt dargestellt und eine von Hand vorgenommene Zielverfolgung arbeitet grundsatzlich mit zutreffenden, „wahren" Peilwerten, so dass Peildaten auf den Anzeigen, z.B. im Detektionspanorama und in der Lagedarstellung, übereinstimmen und überall mit gleicher Genauigkeit ermittelt werden. Im Falle einer automatischen Zielverfolgung wird diese von einbaubedingten Winkelbeschleunigungen befreit, damit wird nach Zielverlust das automatische Wiedereinsetzen von Zielerfassungen verbessert und der Bediener entlastet. Die mit dem erfindungsgemaßen Verfahren gewonnenen Zieldaten korrespondieren mit über andere Ortungssysteme gewonnenen Zieldaten, so dass sie ohne Korrekturmaßnahmen miteinander verglichen werden können.

Zweckmäßige Ausfuhrungsformen des erfindungsgemaßen Verfahrens mit vorteilhaften Weiterbildungen und

Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen :

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines einen

Antennenträger darstellenden U-Boots mit einer Seitenantenne,

Fig. 2 eine schematisierte Darstellung des

Schalleinfalls an der Seitenantenne zur Illustrierung von Zeitverzögerungskoeffizienten,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Illustrierung des Verfahrens,

Fig. 4 jeweils die Peilung von zwei Zielen Z und Z* und 5 mit Zuordnung der Peilwinkel bei unterschiedlichem Heading des Antennenträgers.

Bei dem nachfolgend beschriebenen Verfahren zur Peilung von schallabstrahlenden, d.h. schallerzeugenden oder schallreflektierenden, Zielen wird eine Unterwasser- Empfangsantenne 11 verwendet, die an einem Antennenträger 12 festgelegt ist. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Antennenträger 12 ein U-Boot, das steuerbord- und backbordseitig je eine Empfangsantenne 11 trägt, die als Flankarray oder Seitenantenne bezeichnet wird. In Fig. 1 ist von den beiden Empfangsantennen 11 lediglich die steuerbordseitige Empfangsantenne 11 zu sehen. Wie

schematisiert in Fig. 2 und 3 angedeutet ist, weist die Empfangsantenne 11 eine Vielzahl n von elektroakustischen Wandlern 13 auf, die äquidistant, im Abstand d (Fig. 2) voneinander hintereinander gereiht sind. Wie hier nicht weiter dargestellt ist, ist die aus den elektroakustischen Wandlern 13 sich zusammensetzende Wandleranordnung komplett von einem schalltransparenten Hüllkörper 14 überdeckt, der mittels einer hier nicht dargestellten Trägerstruktur an der Bordwand des U-Boots befestigt ist. Die Empfangsantenne 11 spannt einen Empfangssektor auf, innerhalb dessen einfallender Schall, der von Ziele bildenden Schallquellen abgestrahlt wird und sich im Wasser ausbreitet, von den Wandlern 11 empfangen wird. Die Wandler 11 sind in herkömmlicher Weise mit einer Peilanlage 15 verbunden, in welcher anhand der elektrischen Ausgangssignale der Wandler 13, im folgenden Empfangssignale genannt, die Einfallsrichtung des Schalls und damit die Peilrichtung zu den Zielen bestimmt wird.

Die Peilanlage 15 umfasst in bekannter Weise einen Richtungsbildner 16, auch Beamformer genannt, einen Signalverarbeitungsblock 17 und einen Maximumdetektor 18. Im Richtungsbildner 16 werden in bekannter Weise die Empfangssignale der Wandler 11 durch Anwendung von Zeitverzögerungskoeffizienten derart zeitverzögert, dass sie in einer zur Einfallsrichtung des Schalls rechtwinkligen Zeitbezugsebene 21 konphas sind. In Fig. 2 ist als Beispiel eine unter dem Winkel α einfallende, ebene Schallwellenfront 20 dargestellt. Der Einfallswinkel α ist dabei gegen die Normale 19 der Empfangsantenne 11 gemessen, die bei der im Beispiel der Fig. 1 dargestellten Seitenantenne rechtwinklig zur Längsachse des Antennenträgers 12 ausgerichtet ist.

ändert sich die Ausrichtung des Antennenträgers 12 im Seegebiet, so ändert sich bei unveränderter Schallausbreitungsrichtung der Schallwellenfront 20 auch der

Einfallswinkel α der Schallwellenfront 20 an der Empfangsantenne 11.

Wie in Fig. 2 schematisiert illustriert ist, müssen die Empfangssignale der einzelnen Wandler 13 unterschiedlich zeitverzögert werden, damit sie in der Zeitbezugsebene 21 zueinander konphas sind. Die erforderlichen

Zeitverzögerungskoeffizienten τ* _ltJ für die i Wandler 13 mit i=l,2...n ergeben sich aus den Schalllaufzeiten vom überstreichen des ersten Wandlers 13 (i=n) durch die Schallwellenfront 20 bis zum überstreichen des letzten Wandlers 13 (i=l) durch die Schallwellenfront 20. üblicherweise werden die erforderlichen Zeitkoeffizienten τ*i, ₃ für jeden i-ten Wandler 13 und jede j-te Einfallsrichtung der Schallwelle mit den Einfallswinkeln α-, berechnet gemäß τ* _tJ =(n-\)d-sma _l (1) mit i = 1,2 ... n und j = 1,2... k

und abgespeichert. Diese Berechnung der

Zeitverzögerungskoeffizienten τ* _lfJ geht von der Annahme aus, dass die elektroakustischen Wandler 13 der Empfangsantenne 11 im freien Raum und ohne die unvermeidlichen Streuungen der Wandlerempfindlichkeiten und/oder der Einbauort der Wandler in idealer Weise aufgebaut sind. Solche idealen Bedingungen liegen jedoch bei auf einem Antennenträger 12 festgelegter Empfangsantenne 11 nicht vor. Zusätzlich erfahren die an der

Empfangsantenne 11 einfallenden Schallwellenfronten 20 durch die Form des den Antennenträger 12 darstellenden U-Boots, den die Wandler 13 abdeckenden Hüllkörper 14 und den unvermeidlichen Hüllkörperhalterungen nicht unbeträchtliche Verzerrungen, so dass auch die ideale Annahme der ebenen Wellenfront 20 nicht mehr zutrifft. Dies führt am Ende der Signalverarbeitung zu unvermeidlichen Peilfehlern, die nachträglich korrigiert werden müssen.

Um solche Peilfehler zu eliminieren, werden bei dem hier vorgestellten Verfahren die Zeitverzögerungskoeffizienten T ₁ , ₃ empirisch durch trägerbezogenes Peilen von Zielen im Seegebiet bestimmt, wobei die Ziele in bekannten, um äquidistante Winkelschritte, z.B. 1°, geschwenkten Peilrichtungen gegenüber dem ortsfesten Antennenträger 12 liegen. Die hier bei erhaltenen, trägerbezogenen Peilwinkel α _D sind die in Fig. 2 angegebenen Einfallswinkel α der Schallwellenfronten 20 und gegen die Normale 19 der Empfangsantenne 11 gemessen. Für jeden trägerbezogenen Peilwinkel α-,, also jeden gegen die Normale 19 gemessenen Einfallwinkel einer Schallwellenfront 20, wird ein Satz von den Wandlern 13 jeweils zugeordneten

Zeitverzögerungskoeffizienten T ₁ ,-, bestimmt und in einem Speicher 22 (Fig. 3) abgelegt.

Bei der Bestimmung der Zeitverzögerungskoeffizienten T ₁ ,-, wird vorteilhaft in der Weise verfahren, dass in der Peilanlage 15 die für ungestörten Schalleinfall gemäß Gl. (1) für ideale Einbaubedingungen theoretischen Zeitkoeffizienten τ* _1(D auf die Empfangssignale der Wandler 13 angewendet und die entsprechend zeitverzögerten Empfangssignale im Signalverarbeitungsblock 17 zu Gruppensignalen addiert

werden. Die Pegel der Gruppensignale werden über die Peilwinkel α-, aufgetragen. Die theoretischen

Zeitverzögerungskoeffizienten τ* _1#:) werden solange verändert, bis unter den bekannten Peilrichtungen Maxima im Pegelverlauf auftreten. Der dabei für jedes erhaltene Maximum eingestellte Satz von „kalibrierten" Zeitverzögerungskoeffizienten τ _1#3 wird unter dem dem Pegelmaximum zugehörigen, trägerbezogenen Peilwinkel a _lι3 im Speicher 22 abgelegt. Die bekannten Peilrichtungen werden z.B. dadurch erhalten, dass ein eine Schallquelle darstellendes Schiff im konstanten, radialen Abstand den Antennenträger 12 umfährt und aus den jeweiligen Schiffspositionen und der unveränderten Position des Antennenträgers 12 die Peilrichtungen berechnet werden.

Zur Detektion und Peilung von Zielen wird über den Empfangsektor ein Fächer von „preformed beams" oder Richtcharakteristiken in Zuordnung zu einer Vielzahl von nordbezogenen Peilwinkel θ-, aufgespannt, die gegeneinander um eine konstante Peilwinkeldifferenz, z.B. 1°, verschwenkt sind. Die Vielzahl der nordbezogenen Peilwinkel S-, werden in einer Recheneinheit 23 (Fig. 3) in einer gleichen Vielzahl von trägerbezogenen Peilwinkeln α-, umgerechnet gemäß

a _J =90° + 3 _J -φ (2),

wobei φ der Winkel der Längsachse des Antennenträgers 12 (in Fig. 1 des U-Boots) gegen die geographische Nordrichtung, das sog. Heading, ist. Der Zusammenhang von Heading φ, nordbezogenem Peilwinkel θ und trägerbezogenem Peilwinkel α ist aus Fig. 4 und 5 ersichtlich. Der fahrzeugbezogene Peilwinkel α entspricht dabei dem eingangs erwähnten, gegen

die Normale 19 der Empfangsantenne 11 gemessenen Einfallswinkel der ebenen Schallwellenfront 20 in Fig. 2. Ausgehend von der Normalen 19 wird dabei ein positiver tragerbezogener Peilwmkel α im Uhrzeigersinn und ein negativer tragerbezogener Peilwmkel α entgegen Uhrzeigersinn abgetragen. In gleicher Weise wird ausgehend von der geographischen Nordrichtung ein positiver nordbezogener Peilwinkel θ im Uhrzeigersinn und ein negativer nordbezogener Peilwmkel θ entgegen Uhrzeigersinn gemessen. Auch das Headmg φ wird im Uhrzeigersinn ausgehend von der Nordrichtung gemessen.

Mit dem zu dem jeweiligen nordbezogenen Peilwinkel θ-, berechneten, tragerbezogenen Peilwmkel α-, wird der diesem tragerbezogenen Peilwinkel α-, zugehörige Satz von „kalibrierten" Zeitverzogerungskoefflzienten T ₁ ,-, aus dem Speicher 22 (Fig. 3) ausgelesen und dem Richtungsbildner 16 zugeführt. Im Richtungsbildner 16 werden auf die Empfangssignale der Wandler 13 die jeweiligen Satze von „kalibrierten" Zeitverzogerungskoeffizienten T ₁ ,-, angewendet und die entsprechend zeitverzogerten Empfangssignale im Signalverarbeitungsblock 17 zu Gruppensignalen addiert. Die Pegel der Gruppensignale werden in Zuordnung zu den nordbezogenen Peilwinkeln θ-, abgelegt. Aus der Vielzahl der abgelegten Pegel ergibt sich ein Pegelverlauf P(θ-,) über die nordbezogenen Peilwinkel θ-,, der auf einem Display 24 dargestellt wird. Mittels des Maximumdetektors 18 werden im Pegelverlauf P(S ₁ ,) Pegelmaxima bestimmt und die den Pegelmaxima zugehörigen Peilwmkel θ _z als Zielpeilung zur Anzeige gebracht.

In Fig. 4 und 5 sind zwei Beispiele für Zielpeilungen von zwei Zielen Z und Z* bei verschiedener Ausrichtung des Antennenträgers 12 dargestellt. In jedem Ausführungsbeispiel wird ein Ziel Z unter einem nordbezogenen Peilwinkel θ=30° und ein Ziel Z* unter einem nordbezogenen Peilwinkel θ=-30° detektiert. Das Heading φ des Antennenträgers 12 beträgt in Fig. 4 φ=98° und in Fig. 5 φ=143°.

Bei der Peilung des Ziels Z in Fig. 4 wurde der Satz der „kalibrierten" Zeitverzögerungskoeffizienten θ _{1# 3} auf die Empfangssignale der Wandler 13 angewendet, der für einen trägerbezogenen Peilwinkel α=-22° abgespeichert ist. Diese Zeitverzögerungskoeffizienten T ₁ ,-, kompensieren bereits einen trägerfesten Peilfehler unter dem trägerbezogenen Peilwinkel α=-22°, so dass der nordbezogene Peilwinkel θ=30° keinen Peilfehler enthält und der wahren Peilung entspricht. Bei der Peilung des Ziels Z* unter dem nordbezogenen Peilwinkel θ*=-30° wurde auf die Empfangssignale der Wandler 13 der Satz von „kalibrierten" Zeitverzögerungskoeffizienten T ₁ ,-, angewendet, der unter dem trägerbezogenen Peilwinkel α*=-38° im Speicher 22 abgelegt ist. Dieser Satz von

Zeitverzögerungskoeffizienten T ₁ ,-, kompensiert wiederum einen Peilfehler, der sich einbaubedingt bei einem trägerbezogenen Peilwinkel von α=-38° ergibt, so dass die nordbezogene Peilung des Ziels Z* keinen Peilfehler aufweist.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 hat sich das Heading φ des Antennenträgers 12 geändert. Demzufolge wurden bei der Peilung der räumlich unveränderten Ziele Z und Z* nunmehr die „kalibrierten" Zeitverzögerungskoeffizienten T ₁ , ₃ auf die Empfangssignale der Wandler 13 angewendet, die im Speicher 22

unter dem tragerbezogenen Peilwinkel α=-23° bzw. α=-83° abgespeichert sind. Die unter diesem tragerbezogenen Peilwinkeln auftretenden, einbaubedingten Peilfehler sind in den „kalibrierten" Zeitverzogerungskoefflzienten T _1, -, berücksichtigt, so dass die nordbezogenen Peilwinkel θ und θ* für die Ziele Z und Z* wiederum peilfehlerfrei sind.