DE69305158T2

DE69305158T2 - Verfahren zur Detektion eines Unterwasserzieles unter Verwendung von Frequenzdiversität

Info

Publication number: DE69305158T2
Application number: DE69305158T
Authority: DE
Inventors: Yves Doisy
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1992-02-11
Filing date: 1993-02-09
Publication date: 1997-02-13
Anticipated expiration: 2013-02-10
Also published as: DE69305158D1; EP0626073A1; FR2687226A1; FR2687226B1; WO1993016398A1; EP0626073B1

Description

Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zum Erfassen eines Unterwasserziels mit Hilfe eines aktiven Sonargeräts, das eine aus mehreren Wandlern gebildete Antenne enthält, zum Gegenstand, das den durch die Relativbewegung des Ziels und des Sonargeräts bedingten Doppler-Effekt ausnutzt und eine Stufe zur Bildung von Wegen anhand der Signale der Wandler enthält, wie beispielsweise in der Patentanmeldung EP-A-0 093 059 beschrieben ist.
Es ist bekannt, für die Erfassung eines in Bewegung befindlichen Ziels mittels eines Sonargeräts den Doppler-Effekt zu nutzen, der durch die relative Bewegung des Sonargeräts und des Ziels eingeführt wird. In solchen Verfahren des Standes der Technik wird ein Impuls mit gegenüber der Doppler-Verschiebung schmalem Durchlaßband ausgesendet, anschließend werden beim Empfang die empfangenen Signale gleichzeitig mit mehreren Kopien des ausgesendeten Impulses, die frequenzverschoben sind, korreliert. Jede Korrelationskopie entspricht einer anderen mdglichen Doppler-Verschiebung. Die beste Korrelation wird mit einer Kopie erhalten, die eine Frequenzverschiebung besitzt, die im wesentlichen gleich derjenigen ist, die durch die Bewegung des Ziels hervorgerufen wird. Somit ermöglichen die Korrelation mit mehreren Kopien sowie die Auswertung der empfangenen Signale die Lokalisierung eines Ziels hinsichtlich des Abstandes und des Azimuts und die Berechnung seiner radialen Geschwindigkeit. Dieses Verfahren ist mit den anderen Signalverarbeitungssystemen verträglich, insbesondere mit denen, die die Bildung von gerichteten Empfangswegen umfassen.
Dieses Verfahren des Standes der Technik liefert für das Problem den Nachhall, der ebensogut vom Boden wie von der Meeresoberf läche oder aber von Heterogenitäten des Meeresmilieus stammen kann, eine Teillösung. Für ein festes Sonargerät besitzen nämlich die dem Nachhall entsprechenden Echos keine Doppler-Verschiebung; dagegen werden die von der Reflexion an einem beweglichen Ziel stammenden Echos durch eine Doppler-Verschiebung beeinflußt. Wenn daher das Spektrum des ausgesendeten Impulses schmäler als die durch die Bewegung des Ziels eingeführte Doppler-Verschiebung ist, wird der Nachhall bei der Korrelation mit der der Doppler-Verschiebung des Ziels zugeordneten Kopie stark gedämpft.
Obwohl dieses bekannte Verfahren die Erfassung erheblich verbessert, ist sie nicht vollständig zufriedenstellend. Insbesondere kommt es häufig vor, daß das Sonargerät von einem Schiff getragen oder gezogen wird, das sich seinerseits mit einer Geschwindigkeit in der gleichen Größenordnung wie diejenige des Ziels bewegt. Die Bewegung des Schiffs führt in die an den beweglichen Zielen reflektierten Impulse eine Doppler-Verschiebung ein. Diese Bewegung des Schiffs in bezug auf die Nachhallquellen führt auch in die an den Nachhallquellen reflektierten Impulse eine Doppler-Verschiebung ein, die die Wirksamkeit des obenbeschriebenen bekannten Verfahrens verringert.
Um diese mit einer Bewegung des Sonargeräts verbundenen Probleme zu beseitigen, ist für ein Sonargerät, in dem die Antenne eine Gesamtheit von Wandlern enthält und zu einer Translationsbewegung angetrieben wird, vorgeschlagen worden, die Signale dieser Wandler in der Weise umzuschalten, daß eine Unterantenne gebildet wird, die zu einer fiktiven Bewegung angetrieben wird, die die Kompensation der Doppler-Verschiebung ermöglicht, die den festen Echos durch die Translationsbewegung des Sonargeräts verliehen wird.
Die obenbeschriebenen Verfahren ermöglichen jedoch keine zufriedenstellende Lösung des Nachhallproblems. Dieses stört weiterhin und kann beispielsweise dann, wenn das Meer aufgewühlt ist, zu Erfassungsproblemen führen.
Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zum Erfassen eines beweglichen Ziels mit Hilfe eines aktiven Sonargeräts und unter Ausnutzung des Doppler-Effekts vor, das diese Nachteile bekannter Systeme beseitigt. Es ermöglicht die starke Verringerung des Nachhallpegels. Außerdem werden kraft der vorliegenden Erfindung die anderen Leistungseigenschaften des Sonargeräts, d. h. die Leistungsfähigkeit gegen das Rauschen, die Abstandsauflösung und die Toleranz des Sonargeräts gegenüber Beschleunigungen des Trägerschiffs oder der Ziele, verbessert.
Die vorliegende Erfindung weist einen ganz besonderen Nutzen auf, wenn sie mit dem Verfahren verwendet wird, in dem eine Unterantenne zu einer fiktiven Bewegung angetrieben wird, um die Doppler-Verschiebung, die den festen Echos durch die Bewegung des Sonargeräts verliehen wird, zu kompensieren.
Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zum Erfassen eines beweglichen Unterwasserziels mit Hilfe eines aktiven Sonargeräts, das eine aus mehreren Wandlern gebildete Antenne enthält, zum Gegenstand, wobei das Verfahren gemäß der Erfindung den durch die Relativbewegung des Ziels und des Sonargeräts bedingten Doppler-Effekt ausnutzt und eine Stufe zur Bildung von Wegen anhand der Signale der Wandler enthält, wobei das Sonargerät gemäß der Erfindung mehrere Impulse mit unterschiedlichen Frequenzen aussendet und die Verarbeitung des Signals außer der Stufe der Bildung von Wegen Stufen zur kohärenten Erfassung für jeden Impuls und der Umgruppierung der in der Stufe der kohärenten Erfassung enthaltenen Ergebnisse in inkohärenter Weise enthält.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Frequenzen der Impulse in der Weise gewählt, daß jeder Impuls, der von einem mit einer extremen Geschwindigkeit bewegten Ziel reflektiert wird, außerhalb des Frequenzbereichs liegt, der der von jedem anderen Impuls ausgehenden Reflexion entspricht.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Verfahrens werden die Frequenzen f0, f1, ..., fi, fi+1, ..., fN der Impulse in der Weise gewählt, daß die folgenden Formeln erfüllt werden: wobei:
b/2 die Spektralbreite der Impulse ist,
VA die Verschiebungsgeschwindigkeit des Sonargeräts ist,
c die Schallgeschwindigkeit in Wasser ist,
-Vmin die minimale radiale Geschwindigkeit (in bezug auf den Boden) der erfaßbaren Ziele ist (Vmin > 0);
Vmax die maximale radiale Geschwindigkeit der Ziele ist, die erfaßt werden sollen (Vmax ) 0).
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung werden die Impulse der mehreren Impulse gleichzeitig ausgesendet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung werden die Impulse der mehreren Impulse nacheinander ausgesendet.
Gemäß einer nochmals weiteren Ausführungsform des Verfahrens besteht die Stufe der kohärenten Erfassung darin, daß eine Korrelation der im Sonargerät empfangenen Signale durch die Doppler-Kopien der verschiedenen ausgesendeten Impulse ausgeführt wird, wobei jede der Doppler-Kopien einen Frequenzkanal definiert.
Gemäß einer nochmals weiteren Ausführungsform des Verfahrens enthält die Stufe der inkohärenten Umgruppierung der in der Stufe der kohärenten Erfassung erhaltenen Ergebnisse eine Hüllkurvenerfassung, eine eventuelle Kompensation der Verzögerung zwischen den ausgesendeten Impulsen sowie eine Summierung der auf diese Weise verarbeiteten und derselben radialen Geschwindigkeit des Ziels entsprechenden Signale der Frequenzkanäle. Die Erfassung der Hüllkurve kann vorteilhaft eine quadratische Erfassung sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung umfaßt die Stufe der Bildung der Wege das Umschalten der Signale der Wandler der Antenne, um wenigstens eine Unterantenne zu erhalten, die zu einer fiktiven Bewegung angetrieben wird, die die Kompensation der Doppler-Verschiebung ermöglicht, welche den festen Echos durch eine Bewegung des Sonargeräts verliehen wird.
Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen besser aus der folgenden Beschreibung hervor, die ausschließlich beispielhaft und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, in denen:
- Fig. 1 ein Schema des Empfangs eines Ziels und einer Nachhallzelle zeigt;
- Fig. 2 ein Prinzipschema des Nachhalls zeigt;
- Fig. 3 die Wahl der Frequenzen gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert;
- Fig. 4 ein Blockschaltbild der Verarbeitung des Signals in der Vorrichtung ist, mit der die vorliegende Erfindung ausgeführt wird;
- Fig. 5 ein Schema ist, das die Kombination der Erfindung mit dem bekannten Verfahren der gleitenden Unterantenne erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Schema eines Ziels und einer Nachhallzelle. Ein Sonargerät 101 verschiebt sich in bezug auf das Meer mit einer Geschwindigkeit VA. Das Sonargerät empfängt das Echo eines ausgesendeten Impulses, der am Ziel 102 reflektiert wird, das sich in einem Seitenwinkel θ befindet, der der Richtung der Hauptkeule 104 eines Empfangskanals entspricht.
Das Ziel 102 verschiebt sich in bezug auf das Meer mit einer Geschwindigkeit VC, die mit der Achse der Hauptkeule 104 des Empfangsweges einen Winkel θC bildet.
In Fig. 1 ist außerdem eine Nachhallzelle 103 in einem Seitenwinkel θR in bezug auf das Sonargerät gezeigt. Die von dieser Nachhallquelle reflektierten Impulse kommen am Sonargerät in einer Sekundärkeule des gezeigten Empf angsweges an.
Ein zu einer radialen Geschwindigkeit VR in bezug auf das Sonargerät angetriebenes Ziel reflektiert einen vom Sonargerät mit der Frequenz f&sub0; ausgesendeten Impuls mit einer durch den Doppler-Effekt verschobenen Frequenz, die lautet:
(1+ 2VR/x)f0,
wobei c die Schallgeschwindigkeit in Wasser darstellt.
Daher wird, wie in Fig. 2 gezeigt, ein vom Sonargerät 101 mit einer Frequenz f&sub0; ausgesendeter Impuls durch die Nachhallzelle 103 mit einer Frequenz reflektiert, die lautet:
(1 + 2 VA cos θR/c)f&sub0;,
wobei derselbe Impuls vom Ziel 102 mit einer Frequenz reflektiert wird, die lautet:
Fig. 2 zeigt ein Prinzipschema des Nachhalls. Es wird angenommen, daß das Sonargerät einen auf die Frequenz f&sub0; zentrierten Impuls aussendet, der amplitudenmoduliert ist.und eine Dauer T besitzt. Dieser Impuls besitzt eine Spektralbreite, die in der Größenordnung von 1/T liegt und von der verwendeten Amplitudenmodulation abhängt. Beispielsweise liegt bei einer cos²- Modulation die Spektralbreite in der Größenordnung von 2/T. Allgemeiner lautet die Spektralbreite alt, wobei a zwischen 1 und 2 liegt.
Fig. 2 ist ein Diagramm, in dem auf der Abszisse die Frequenz f und auf der Ordinate die Cosinuswerte des Seitenwinkels aufgetragen sind. In Fig. 2 ist der Nachhall 201, der von einem Impuls der Frequenz f&sub0; und der Spektralbreite α/T stammt, aufgetragen. Wie weiter oben gesehen worden ist, wird der Nachhall im Seitenwinkel θR der Frequenz f&sub0; in eine Frequenz
(1 + 2 VA cos θR/c)f&sub0;
überführt, was das lineare Verhalten des Nachhallspektrums 201 erklärt.
Es wird der Fall betrachtet, in dem wie im Verfahren des Standes der Technik bei der Ankunft eine Korrelation mit den dem Doppler-Effekt unterliegenden Impulsen vorgenommen wird. In einem solchen Fall werden die empfangenen Signale mit einem Impuls korreliert, der eine Kopie des ausgesendeten Impulses f&sub0; ist, die gleiche Spektralbreite alt besitzt und auf die Frequenz fc zentriert ist. Somit werden die Signale wiederhergestellt, die in einem Frequenzband reflektiert werden, der Frequenzkanal 202 genannt wird und zwischen fc - α/T und Fc + α/T liegt. Die schraffierte Zone 203, die den Durchschnitt des Nachhallspektrums 201 und des Frequenzkanals 202 bildet, zeigt den Nachhall im Frequenzkanal 202 aufgrund der Bewegung des Sonargeräts.
Wenn wie im Verfahren des Standes der Technik Wege gebildet werden, kann der Nachhall selbstverständlich in gewissem Maß begrenzt werden. In Fig. 2 ist ein Empfangsweg 204 eingetragen, der auf den Seitenwinkel θ&sub0; zentriert ist und dessen erste Nulldurchgänge der Hauptkeule sich in den Seitenwinkeln θ&sub1; und θ&sub2; befinden. In dem in Fig. 2 gezeigten Fall empfangen die auf dem auf θ&sub0; zentrierten Weg und in dem auf fc zentnerten Frequenzkanal wiederhergestellten Signale den Nachhall des mit der Frequenz f&sub0; ausgesendeten Impulses, der durch die sekundären Keulen des Wegediagramms gedämpft ist.
Somit ist es möglich, in bestimmten Kanälen den Nachhall des ausgesendeten Impulses zu begrenzen. Diese Dämpfung erweist sich jedoch wegen der verwirklichbaren Pegel der sekundären Keulen in der Praxis als unzureichend. Kraft des oben beschriebenen Verfahrens der gleitenden Antenne ist es möglich, die Geschwindigkeit VA des Trägers in bezug auf den Doppler- Effekt fiktiv zu beseitigen, indem die Signale der Wandler einer aus mehreren Wandlern gebildeten Antenne umgeschaltet werden. In diesem Fall ist das in Fig. 2 gezeigte Diagramm modifiziert, außerdem unterliegt das Nachhallspektrum aufgrund der Relativbewegung des Sonargeräts und der Nachhallzellen keiner Doppler-Phasenverschiebung mehr. Es hat daher den durch Strichlinien 205 in Fig. 2 gezeigten vertikalen Verlauf. Dann ist im gesamten Seitenwinkel θ ein Nachhall vorhanden, falls der Frequenzkanal auf eine Frequenz fc zentriert ist, derart,
fC - f&sub0; < 2α/T
Dieser Nachhall, der eigentlicher Nachhall genannt wird, ergibt sich aus der Tatsache, daß der ausgesendete Impuls eine von Null verschiedene Spektralbreite α/T besitzt. Daher wird der eigentliche Nachhall in einem auf die Frequenz fc zentrierten Frequenzkanal vermieden, falls der Frequenzkanal und das Sendespektrum verschieden sind. Dies führt zu einer Bedingung für die radiale Absolutgeschwindigkeit des Ziels, die lautet:
(1) VC ≥ αλ&sub0;/T, wobei: die zur Frequenz f&sub0; gehörende Wellenlänge ist.
Die Größe αλ&sub0;/T wird Doppler-Auflösung genannt, sie ist die minimale radiale Geschwindigkeit des Ziels, für die eine gute Erfassung erhalten wird. In der Praxis ist eine Doppler- Auflösung von einigen Knoten ausreichend. Nichtsdestoweniger führt in den Systemen des Standes der Technik die Wahl von T, die von den wegen des Rauschens auferlegten Zwangsbedingungen vorgeschrieben wird, zu einer Doppler-Auflösung, die weit darunter liegt. Die vorliegende Erfindung nutzt diese Überdimensionierung des Standes der Technik aus, was ermöglicht, den Nachhallpegel zu verringern und dennoch die Rauscheigenschaften und die räumliche Auflösung des Sonargeräts zu verbessern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sendet das Sonargerät mehrere, d. h. N, Impulse mit verschiedenen Frequenzen f&sub1;, ..., fN aus. Beispielsweise wird festgelegt, Impulse mit übereinstimmender Spektralbreite auszusenden. Wegen des Ausbreitungsmilieus wird die minimale Frequenz f&sub1; des ersten Impulses gewählt. Die Wahl der Spektralbreite b/2 der ausgesendeten Impulse wird in Abhängigkeit von der gewünschten Doppler- Auf lösung verwirklicht, derart, daß die Beziehung
(1) λ&sub1;b/2 ≤ VC
erfüllt ist, wobei:
λ&sub1; die zur Frequenz f&sub1; gehörende Wellenlänge ist.
Sobald b/2 in dieser Weise festgelegt ist, werden die Frequenzen f&sub2;, ..., fN bestimmt, wie weiter unten mit Bezug auf Fig. 3 im Fall eines mit einer Geschwindigkeit VA angetriebenen Sonargeräts erläutert wird.
In Fig. 3 ist das Spektrum von zwei ausgesendeten Impulsen i und i+1 gezeigt, die auf die Frequenzen fi und fi+1 (1 ≤ i ≤ N-1), die die Spektralbreite b/2 besitzen. Die Frequenzen der vom Sonargerät ausgesendeten Impulse werden gemäß der Erfindung in der Weise gewählt, daß jeder an einem mit einer extremen Geschwindigkeit angetriebenen Ziel reflektierte Impuls außerhalb des Bereichs des eigentlichen Nachhalls jedes anderen Impulses liegt. Die Wahl der Frequenzen gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht somit, den Nachhall in den Frequenzkanälen zu vermeiden, die einer radialen Geschwindigkeit des Ziels entsprechen, die zwischen einem minimalen Wert -Vmin (sich entfernendes Ziel) und einem maximalen Wert +Vmax (sich annäherndes Ziel) liegt.
Genauer kann der auf die Frequenz f&sub1; zentrierte Impuls i mit der Bandbreite b/2 an festen Nachhallquellen reflektiert werden und kann somit zu einem Nachhall zwischen den Frequenzen (1 - 2VA/c) (fi - b/2) und (1 + 2VA/c) (fi + b/2) führen. Diese zwei letzteren Frequenzen entsprechen der Reflexion der minimalen Frequenz des Impulses fi - b/2 an einer Nachhallquelle in einem Seitenwinkel θ = π bzw. der Reflexion der maximalen Frequenz des Impulses fi + b/2 an einer Quelle im Seitenwinkel θ = 0. Auf diese Weise ist für den Impuls i ein Nachhallband bestimmt worden, innerhalb dessen der Nachhall liegt, der von sämtlichen Nachhallzellen erzeugt wird. Dieses Nachhallband ist in Fig. 3 durch die Schraffuren dargestellt. In der gleichen Weise wird für jeden Impuls 1, 2, .,., N ein Nachhallband bestimmt.
Wenn ein Ziel betrachtet wird, das mit einer radialen Geschwindigkeit angetrieben wird, die zwischen Vmin und +Vmax liegt, wird festgestellt, daß dieses Ziel den Impuls i+1 mit einer Frequenz reflektiert, die größer als die Frequenz f&supmin;i+1 ist, die lautet:
Diese Frequenz f&supmin;i+1 entspricht der Frequenz, die im Seitenwinkel 0 = it durch ein sich mit der radialen Geschwindigkeit -Vmin entfernendes Ziel reflektiert wird.
Wenn ein Ziel betrachtet wird, das mit einer radialen Geschwindigkeit angetrieben wird, die zwischen -Vmin und +Vmax liegt, wird ebenso festgestellt, daß dieses Ziel den Impuls i+1 mit einer Frequenz reflektiert, der kleiner als die Frequenz f&spplus;i+1 ist, die lautet:
Diese Frequenz f&spplus;i+1 entspricht der Frequenz, die im Seitenwinkel θ = 0 durch ein sich mit der radialen Geschwindigkeit Vmax annäherndes Ziel reflektiert wird.
Somit reflektiert jedes Ziel, das mit einer radialen Geschwindigkeit im Bereich von -Vmin und +Vmax angetrieben wird, den Impuls i+1 in einem Frequenzband Bi+1, das in Fig. 3 dargestellt ist und durch die Frequenzen f&supmin;i+1 und f&spplus;i+1 begrenzt ist.
Da das Nachhallband des Impulses i zwischen (1 - 2VA/c) (fi - b/2) und (1 + 2VA/c) (fi + b/2) liegt, wird deutlich, daß die Frequenzen der Signale des Impulses i+1, die durch ein Ziel reflektiert werden, außerhalb des Nachhallbandes des Impulses i liegen, falls:
Umgekehrt wird durch eine analoge Berechnung festgestellt, daß die Frequenzen der Signale des Impulses i, die durch ein Ziel reflektiert werden, außerhalb des Nachhallbandes des Impulses i+1 liegen, falls:
wobei:
f&spplus;idie maximale Frequenz ist, die von der Reflexion des Impulses i an einem Ziel mit der radialen Geschwindigkeit, die zwischen -Vmin und +Vmax liegt, stammt und die lautet: Die Beziehungen (2) und (3) ermöglichen die Bestimmung von fi und fi+1 derart, daß der Impuls i, sobald er von einem Ziel reflektiert wird, das mit einer absoluten radialen Geschwindigkeit angetrieben wird, die zwischen -Vmin und +Vmax liegt, außerhalb des Nachhallbandes des Impulses i+1 liegt und umgekehrt.
Mit anderen Worten, das Empfangsband Bi+1 des Impulses i+1 liegt, wie in Fig. 3 gezeigt, außerhalb des Nachhallbandes des Impulses i, das schraffiert ist; umgekehrt liegt das Empfangsband Bi des Impulses i außerhalb des Nachhallbandes des Impulses i+1, das ebenfalls schraffiert ist.
Mit Hilfe der Beziehungen (2) und (3) und wegen des Gesamtbandes des Sonargeräts werden die mögliche Zahl N von Impulsen sowie deren Frequenzen f&sub2;, f&sub3;, ..., fN bestimmt. Wenn daher ein beliebiger Frequenzkanal betrachtet wird, kann der Nachhall nur von einem einzigen Impuls stammen.
Auf diese Weise werden anhand der Beschränkungen, welche das Durchlaßband des Sonargeräts und die Doppler-Auflösung zeigen, die Frequenzen der verschiedenen vom Sonargerät ausgesendeten Impulse bestimmt. Die verschiedenen Impulse können erfindungsgemäß gleichzeitig oder nacheinander ausgesendet werden, je nach den Beschränkungen des Sendesystems des Sonargeräts. Sie besitzen typischerweise jeweils eine Dauer von T/N, wobei T die Dauer ist, die für die Erfüllung der wegen des Rauschens auferlegten Zwangsbedingungen erforderlich ist und die wie im Stand der Technik berechnet wird.
Die Sendedauer jedes Impulses kann vorteilhaft größer als 1/b gewählt werden, was die Optimierung des Rauschabstandes ermöglicht. In diesem Fall werden die Impulse frequenzmoduliert.
Fig. 4 ist ein Blockschaltbild für die Verarbeitung des Signals in einer Vorrichtung, die das Verfahren gemäß der Erfindung ausführt. Die Verarbeitung von Fig. 4 wird an den reflektierten Signalen nach dem Senden mehrerer Impulse 1, 2, ..., N mit den wie oben erläutert bestimmten Frequenzen ausgeführt. Die Verarbeitung des Signals gemäß der Erfindung enthält außer der Bildung von Wegen Stufen der kohärenten Erfassung für jeden Impuls und der Umgruppierung der in der Stufe der kohärenten Erfassung erhaltenen Ergebnisse in inkohärenter Weise.
Wie in Fig. 4 gezeigt, enthält die Verarbeitung somit eine erste Stufe 401 zur Bildung von Wegen gemäß den bekannten Verfahren des Standes der Technik. Nach dieser Stufe 401 der Bildung von Wegen wird eine Stufe 402.1, ..., 402.N der kohärenten Erfassung für jeden Impuls 1, ..., N ausgeführt.
Die Stufe der kohärenten Erfassung 402.i (1 ≤ i ≤ N) besteht darin, eine Korrelation von Doppler-Kopien des Impulses i mit den im Frequenzband Bi vorzunehmen, das den Frequenzen der Reflexion der Signale des Impulses i durch die Ziele und/oder die Nachhallzellen entspricht. Genauer ist mit Bezug auf Fig. 3 gesehen worden, daß die Signale des Impulses i mit Frequenzen, die im Bereich von f&supmin;i und f&spplus;i liegen, reflektiert wurden; es wird die Korrelation der in diesem Frequenzband Bi empfangenen Signale mit Kopien des Impulses i, die frequenzverschoben sind, ausgeführt, wobei die Verschiebungen den absoluten radialen Geschwindigkeiten entsprechen, die im Bereich von -Vmin und +Vmax liegen.
Jede dieser Korrelationsstufen 402.i erfolgt auf im Stand der Technik bekannte Weise. Somit werden für jeden Impuls i Signale in den Frequenzkanälen enthalten, die den verschiedenen möglichen radialen Geschwindigkeiten des Ziels zugeordnet sind. In jedem Frequenzkanal eines Bandes Bi kann der Nachhall nur vom eventuellen Nachhall des Impulses i stammen, wovon eine Kopie für die Korrelation verwendet worden ist.
Die Stufe der Umgruppierung der erhaltenen Ergebnisse auf inkohärente Weise beginnt durch eine Erfassung der Hüllkurve in den verschiedenen Frequenzkanälen, die den Doppler-Kopien zugeordnet sind. Die durch die Korrelation der verschiedenen Doppler-Kopien für jeden Impuls erhaltenen Signale werden einer Hüllkurvenerfassung unterworfen, die vorteilhaft eine quadratische Erfassung sein kann, wie in Fig. 4 durch 403.1, ..., 403.N schematisch dargestellt ist.
Es ist dann wichtig, die eventuelle zeitliche Verschiebung der verschiedenen Impulse zu kompensieren. Wie nämlich gesehen worden ist, können die verschiedenen Impulse 1, 2, ..., N gleichzeitig oder nacheinander ausgesendet werden. In dem Fall, in dem sie nacheinander ausgesendet werden, wird die Verzögerung der Impulse 2, 3, ..., N in bezug auf den Impuls 1 kompensiert, wie durch 404.2, ..., 404.N schematisch gezeigt ist.
Sobald die Signale jedes Frequenzkanals der quadratischen Erfassung unterworfen und eventuell verzögert worden sind, werden diejenigen, die derselben absoluten radialen Geschwindigkeit des Ziels entsprechen, summiert. Hierzu werden für eine gegebene Geschwindigkeit VR des Ziels nach der quadratischen Erfassung und einer eventuellen Kompensation der Verzögerung die Signale der Frequenzkanäle summiert, die den Frequenzen
für i = 1, ..., N entsprechen.
Dies ist äquivalent damit, für jeden Impuls i den Frequenzkanal des Bandes Bi zu wählen, der der Doppler-Phasenverschiebung entspricht, die mit der radialen Geschwindigkeit VR des Ziels in Verbindung steht.
Dieser Stufe der inkohärenten Summation 405 der derselben Geschwindigkeit des Ziels entsprechenden Signale folgen die bekannten Verarbeitungen der Erfassung, der Lokalisierung und der Messung der Geschwindigkeit der Ziele.
Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf Fig. 5 für den Fall beschrieben, in dem sie in Kombination mit dem bekannten Verfahren von gleitenden Unterantennen verwendet wird. Fig. 5 zeigt ein Schiff 501, das sich in bezug auf das Meer bewegt und mittels eines Kabels 504 eine geradlinige Antenne 503 schleppt, die aus mehreren Wandlern 505 gebildet ist, die durch einen Abstand d getrennt sind. Das Schiff 501 enthält außerdem eine Allrichtungs-Sendeantenne 502, die unter dem Kiel des Schiffs angeordnet ist. Das Schiff 501 bewegt sich in bezug auf das Meer mit einer Geschwindigkeit VA.
In bekannter Weise werden die Signale der Wandler so umgeschaltet, daß eine Unterantenne 506 gebildet wird, die mit einer Geschwindigkeit 2VA in bezug auf die physikalische Antenne 503 in Rückwärtsrichtung derselben angetrieben wird.
Somit werden beim Empfang die Signale einer gleitenden Unterantenne 506 erhalten, welche sich in bezug auf das Meer mit einer Geschwindigkeit -VA bewegt. Die Doppler-Phasenverschiebung, die bei der Reflexion an festen Zielen durch die Bewegung mit der Geschwindigkeit VA des Senders 502 bedingt ist, wird durch die Bewegung der gleitenden Unterantenne 506 mit der Geschwindigkeit -VA kompensiert.
In Fig. 5 ist der Fall gezeigt, in dem die gleitende Unterantenne aus einer Untereinheit 506 von Wandlern 505 gebildet ist. Das bekannte Verfahren besteht darin, diese Untereinheit 506 in bezug auf die physikalische Antenne nach hinten zu verschieben, was inkrementierend erfolgen kann. Es ist auch möglich, die Signale der Wandler 505 zu interpolieren, um fiktive Wandler zwischen den wirklichen Wandlern 505 zu erhalten. Mit Bezug auf Fig. 5 ist der Fall beschrieben worden, in dem eine einzige Untereinheit 506 von Wandlern gewählt worden ist, um eine gleitende Unterantenne zu bilden. Selbstverständlich ist es möglich, gleichzeitig mehrere gleitende Unterantennen zu bilden, die nacheinander vom Anfang der Antenne 503 in zeitlich gestufter Weise ausgehen. Alle diese Varianten des bekannten Verfahrens werden hier als mögliche Beispiele angegeben, die mit dem Verfahren der Erfindung kombiniert werden können.
Dieses Verfahren der Bildung einer gleitenden Unterantenne 506 wird mit dem Verfahren der Erfindung, wie es beispielsweise mit Bezug auf die Fig. 3 bis 4 beschrieben worden ist, kombiniert.
Die Stufe der Bildung von gleitenden Wegen kann im Verfahren gemäß der Erfindung vorteilhaft vor der Korrelation mit dem Doppler-Effekt unterliegenden Kopien der Impulse 1, ..., N, d. h. mit Bezug auf Fig. 4 vor den Stufen 402.1, ..., 402.N, verwirklicht werden. Somit tritt, wie gesehen worden ist, ausschließlich der eigentliche Nachhall auf, ferner lautet die Doppler-Auflösung
VC = λb/2,
wobei:
λ die zur Frequenz des Impulses mit kleinster Frequenz gehörende Wellenlänge ist.
Außerdem vereinfachen sich die Formeln für die Wahl der Frequenzen der Impulse f&sub1;, ..., fN, ferner lauten die obigen Formel (2) und (3) einfacher wie folgt:
was bedeutet, daß jeder Impuls, der an einem mit einer Extremgeschwindigkeit angetriebenen Ziel reflektiert wird, außerhalb des Frequenzbereichs liegt, der dem eigentlichen Nachhall jedes anderen Impulses entspricht.
Die Kombination des Verfahrens gemäß der Erfindung mit diesem bekannten Verfahren der gleitenden Unterantenne vereinfacht das Verfahren gemäß der Erfindung noch weiter. Außerdem ermöglicht diese Kombination die Beseitigung von Beschränkungen des Verfahrens des Standes der Technik.
Im Stand der Technik wird nämlich ein Impuls mit der Dauer T ausgesendet. Deswegen muß die gleitende Unterantenne Signale während einer Dauer empfangen, die wenigstens gleich T ist; da sich die gleitende Unterantenne 506 in bezug auf die wirkliche Antenne 503 mit einer Geschwindigkeit 2VA verschiebt, darf sie die wirkliche Antenne 503 während der Empfangsdauer T nicht "verlassen". Mit anderen Worten, die Längen L der wirklichen Antenne 503 bzw. Lu der gleitenden Unterantenne 506 sind durch die folgende Formel miteinander verbunden:
Lu + 2VA τ ≤ L.
Diese Zwangsbedingung wird kraft der Kombination mit dem Verfahren gemäß der Erfindung zu:
Lu + 2VA τ ≤ L,
wobei: die Dauer des längsten Impulses der mehreren ausgesendeten Impulse ist.
Falls nacheinander N Impulse der Dauer T/N ausgesendet werden, werden gleitende Unterantennen gebildet, deren Länge Lu die Beziehung
Lu + 2VA T/N ≤ L
erfüllen muß.
Beispielsweise wird eine geschleppte geradlinige Antenne 503 betrachtet, die aus 128 Wandlern 505 gebildet ist, die um d = 0,10 m beabstandet sind. Es wird versucht, Ziele mit einer radialen Geschwindigkeit, die zwischen -Vmin = -20 m/s und Vmax = +30 m/s liegt, zu erfassen. Für eine Geschwindigkeit des Sonargeräts von 10 m/s wird eine aus 64 Wandlern gebildete gleitende Unterantenne gebildet. In bekannter Weise knnen gleichzeitig vier Unterantennen gebildet werden, die zueinander verschoben sind.
Gemäß der Erfindung werden nacheinander vier Impulse mit Mittenfrequenzen f&sub1; = 5800 Hz, f&sub2; = 6250 Hz, f&sub3; = 6700 Hz, f&sub4; = 7200 Hz, mit Durchlaßband b = 13,33 Hz und einer Dauer τ = 0,3 s ausgesendet. Das Produkt bτ ist 4, wobei eine Amplitudengewichtung von cos² verwendet wird. Die Doppler-Auflösung bλ&sub1;/2 beträgt 3,5 Knoten.
Um die Vorteile der vorliegenden Erfindung, wie sie oben erwähnt worden sind, noch besser darzustellen, kann sie mit den Verfahren des Standes der Technik verglichen werden. Beispielsweise wird ein System des Standes der Technik betrachtet, das einen einzigen Impuls der Dauer T aussendet, das mit einem System verglichen wird, das das Verfahren gemäß der Erfindung ausführt und mehrere, N, Impulse der Dauer T/N, die aufeinanderfolgen aussendet. Es werden Impulse mit der Spektraibreite b/2 betrachtet.
Der Nachhall wird erfindungsgemäß verbessert, weil im Empfangsband Bi, das dem Impuls i zugeordnet ist, der Nachhall nur vom Impuls i selbst stammen kann; die mittlere Intensität des Nachhalls ist um einen Faktor bT gegenüber dem den Stand der Technik reduziert.
Was die Abstandsauflösung anbelangt, führt das Verfahren gemäß der Erfindung wegen der Beschränkung durch die Doppler-Auflösung:
zur Wahl einer Spektralbreite b/2.
Deswegen ist die räumliche Auflösung c/2b wegen der anfänglichen Wahl von Vc minimal. Dagegen ist im Stand der Technik T überdimensioniert, während die Spektralbreite alt unterdimensioniert ist, was zu einer hzheren räumlichen Auflsung führt. Die durch die Erfindung geschaffene Verbesserung liegt in der Größenordnung von bT.
Die Leistungseigenschaften gegenüber dem Rauschen sind gemäß der Erfindungkraft der inkohärenten Kombination der kohärenten Erfassungen, die mit jedem Impuls in Verbindung stehen, ebenfalls verbessert.
Schließlich ermöglicht die Verwendung von Impulsen der Dauer T/N gemäß der Erfindung die Erhöhung der Toleranz der Korrelation gegenüber Beschleunigungen des Sonargeräts oder des Ziels.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf beschriebene und dargestellte Ausführungsformen eingeschränkt, sondern ist für zahlreiche Abwandlungen geeignet, auf die der Fachmann zugreifen kann, ohne sich vom Geist der Erfindung zu entfernen.

Claims

1. Verfahren zum Erfassen eines beweglichen Unterwasserziels mit Hilfe eines aktiven Sonargeräts, das eine aus mehreren Wandlern gebildete Antenne enthält, wobei das Verfahren den durch die Relativbewegung des Ziels und des Sonargeräts bedingten Doppler-Effekt ausnutzt und eine Stufe zur Bildung von Wegen anhand der Signale der Wandler enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Sonargerät mehrere Impulse mit unterschiedlichen Frequenzen aussendet und daß die Verarbeitung des Signals außer der Stufe der Bildung von Wegen Stufen zur kohärenten Erfassung für jeden Impuls, wovon jede darin besteht, eine Korrelation von Doppler-Kopien jedes ausgesendeten Impulses mit den Signalen auszuführen, die in dem den Reflexionsfrequenzen der Signale dieses Impulses entsprechenden Frequenzband empfangen werden, um Frequenzkanäle zu bilden, die den möglichen verschiedenen radialen Geschwindigkeiten des Ziels zugeordnet sind, sowie eine Stufe der inkohärenten Umgruppierung der in der Stufe der kohärenten Erfassung erhaltenen Ergebnisse enthält, die darin besteht, nach der quadratischen Erfassung die in jedem der verschiedenen Frequenzkanäle während der Stufe der kohärenten Erfassung erhaltenen Signale zu summieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen der Impulse in der Weise gewählt werden, daß jeder Impuls, der von einem mit einer extremen Geschwindigkeit bewegten Ziel reflektiert wird, außerhalb des Frequenzbereichs liegt, der der von jedem anderen Impuls ausgehenden Reflexion entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen f&sub0;, f&sub1;, ..., fi, fi+ 1, ..., fN der Impulse in der Weise gewählt werden, daß die folgenden Formeln erfüllt werden:

wobei:

b/2 die Spektralbreite der Impulse ist,

VA die Verschiebungsgeschwindigkeit des Sonargerätes ist,

c die Schallgeschwindigkeit in Wasser ist,

Vmin der Absolutwert der erfaßbaren absoluten minimalen radialen Geschwindigkeit eines Ziels ist,

Vmax die erfaßbare absolute maximale radiale Geschwindigkeit eines Ziels ist.

4. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse der mehreren Impulse gleichzeitig ausgesendet werden.

5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse der mehreren Impulse nacheinander ausgesendet werden.

6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe der kohärenten Erfassung darin besteht, eine Korrelation der im Sonargerät empfangenen Signale durch die Doppler-Kopien der verschiedenen ausgesendeten Impulse auszuführen, wobei jede der Doppler-Kopien einen Frequenzkanal definiert.

7. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe der inkohärenten Umgruppierung der in der Stufe der kohärenten Erfassung erhaltenen Ergebnisse eine Hüllkurvenerfassung, eine eventuelle Kompensation der Verzögerung zwischen den ausgesendeten Impulsen sowie eine Summierung der auf diese Weise verarbeiteten und derselben radialen Geschwindigkeit des Ziels entsprechenden Signale der Frequenzkanäle umfaßt.

8. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Hüllkurve eine quadratische Erfassung ist.

9. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe der Bildung der Wege das Umschalten der Signale der Wandler der Antenne umfaßt, um wenigstens eine Unterantenne zu erhalten, die zu einer fiktiven Bewegung angetrieben wird, die die Kompensation der Doppler-Verschiebung ermöglicht, welche den festen Echos durch eine Bewegung des Sonargeräts verliehen wird.