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Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Bildung
von Strahlbündeln für Sonar, insbesondere für sogenannte
Relokalisierungssonare, die es insbesondere ermöglichen,
ein vorher von einem Sonar grob geortetes Objekt genau zu
orten.
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Sitzt der Relokalisierungssonar dann in einem zu
verbrauchenden Material, d.h. einem Material, das nach der
Verwendung entweder zerstört oder aufgegeben wird, dann wird der
Sonar selbst zerstört oder aufgegeben. In diesem Fall
müssen die Kosten reduziert werden, was insbesondere möglich
wird, wenn man sich mit Eigenschaften zufriedengibt, die
schlechter als bei den Lokalisierungs und
Identifizierungssonaren sind, da bereits wichtige Informationen zur
Lokalisierung und den Eigenschaften der Ziele vorliegen.
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Ein Relokalisierungssonar arbeitet typischerweise mit einer
Frequenz in der Größenordnung von einigen hundert kHz, z.B.
500 kHz, bei einer Reichweite von einigen zehn Metern, z.B.
zwischen 50 und 100 m.
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Die gesuchten Leistungsmerkmale bestehen beispielsweise in
einem Beobachtungssektor von etwa 60º, einer
Winkelauflösung zwischen 1º und 2º sowie einer Abstandsauflösung in
der Größenordnung von 10 cm. Darüberhinaus soll der
Bildtakt relativ hoch bleiben, also mindestens 1 Bild/s.
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Die verschiedenen bekannten Lösungen ermöglichen es nicht,
diese Bedingungen zufriedenstellend zu erfüllen.
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So ist die Bildung von Strahlbündeln zum Empfang auf
elektronische Weise bekannt, aber dieser macht es erforderlich,
daß in allen Richtungen im gesamten Beobachtungssektor
gesendet wird, womit eine höhere elektrische Leistung
erforderlich wird. Darüberhinaus muß eine hohe Zahl (einige
zehn) von Strahlbündeln gebildet werden, um die gewünschte
Auflösung zu erreichen, womit eine Vermehrung des Materials
und in Abhängigkeit von den hohen Werten der zu erhaltenden
Winkelablagen die Verwendung einer Technik der Verzögerung
und nicht der Phasenverschiebung erforderlich wird. Damit
ist diese Lösung sehr kostspielig.
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Ebenso ist die Herstellung einer Richtsendeantenne bekannt,
die der gewünschten Winkelauflösung genügt und demnach
wenig Energie im Verhältnis zum Antennengewinn verbraucht.
Diese Antenne dreht sich mit der Empfangsantenne;
allerdings läßt sich dann nicht mehr der gewünschte Bildtakt
erreichen, da die Impulsrückkehr abgewartet werden muß, ehe
die Antenne um das der Auflösung entsprechende Inkrement
gedreht werden kann.
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Schließlich ist aus der französischen Patentschrift
2 553 395 (Erfinder Georges GRALL), die von der Anmelderin
am 25. Oktober 1983 eingereicht wurde, die Realisierung
eines Sonars bekannt, der eine Übereinanderlagerung von
winkelversetzten Antennen aufweist, die jeweils einen
Subsektor bestimmen. Damit wird es möglich, diese Antenne mit
einer ausreichenden Geschwindigkeit drehen zu lassen, um
den gewünschten Bildtakt zu erhalten. Allerdings ist das
Volumen des Materials in einem solchen System hoch und läßt
sich nur für höhere Frequenzen als Mhz auf einen
vernünftigen Wert reduzieren.
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Um einen Relokalisierungssonar zu erhalten, dessen
Leistungen den Anforderungen gerecht werden, schlägt die Erfindung
ein Verfahren zur Bildung von Strahlbündeln für Sonar nach
Anspruch 1 vor.
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Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung ergeben
sich deutlich aus der folgenden, beispielhaften und nicht
einschränkenden Beschreibung unter Bezug auf die
beigefügten Figuren; darin zeigen
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- Fig. 1 das vereinfachte Schema einer Antenne nach der
Erfindung;
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- Fig. 2 das Sendediagramm der Antenne von Fig. 1;
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- Fig. 3 ein Diagramm zur Abtastung nach Subsektoren für
eine Antenne nach der Erfindung;
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- Fig. 4 ein Diagramm der Frequenz ebene eines Sonars nach
der Erfindung;
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- Fig. 5 und 6 eine Drauf- bzw. Vorderansicht der Sende-
und Empfangsantennen eines Sonars nach der Erfindung; und
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- Fig. 7 das vereinfachte Schema der Empfangsstufe eines
Sonars nach der Erfindung.
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Ein Sonar nach der Erfindung weist eine Sendeantenne auf,
die in Fig. 1 sehr schematisch dargestellt ist. Sie weist
eine Einheit aus Elementsendewandlern 100 mit einer Länge a
auf, die mit einem Schritt d über eine Gerade verteilt
sind.
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Bekanntlich ist die Richtwirkung D(sinθ) einer solchen
Sendung als Funktion von sinθ durch die folgende Formel
gegeben:
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In Fig. 2 ist das Richtwirkungsdiagramm für diese Antenne
für den speziellen Fall dargestellt, wo die Länge a des
Elementwandlers gleich 2/3 des Schritts p ist und die
nebeneinanderliegenden Sensoren mit um π phasenverschobenen
Signalen versorgt werden, d.h. indem die Polarität von
einem zum anderen umgekehrt wird.
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In dieser Figur stellt die gestrichelte Linie das
Richtwirkungsdiagramm eines Elementsensors und die durchgezogene
Linie das Richtwirkungsdiagramm der gesamten Sendeantenne
dar.
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Es ist festzustellen, daß auf diese Weise die Hauptkeule
sowie die Keulen der Ordnung ±2 unterdrückt sind und
praktisch nur noch die beiden Keulen der Ordnung ±1 bleiben,
dies unabhängig von der verwendeten Frequenz.
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Erfindungsgemäß wird dann im Laufe ein und der selben
Folgeperiode des Sonars eine Abfolge von Impulsen mit
unterschiedlichen Frequenzen ausgesendet, die für jeden Impuls
einer bestimmten Richtung der beiden Bildkeulen der Ordnung
±1 entspricht. Damit wird eine Abfolge von
Sendestrahlbündeln gebildet, die das gesamte abzutastende Feld abdecken,
wobei eine geeignete Frequenzebene verwendet wird.
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Beim Empfang werden zwei Antennen mit einer Keule mit
weiter Öffnung verwendet, so daß die eine den Sektor links von
der zentralen Achse der Antenne und die andere rechts von
dieser Achse abdeckt. Die Peilwinkelauflösung geschieht
durch Frequenzauflösung an den empfangenen Echos.
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Die Position der beiden Sendekeulen ist für eine Frequenz
fi durch die folgende Beziehung gegeben:
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Wird die niedrigste Sendefrequenz mit f&sub1; bezeichnet, die
höchste Frequenz mit fn, mit θ&sub1; der größte Ablagewinkel und
mit θn kleinste Ablagewinkel, dann ist die Amplitude der
Winkelabtastung durch die folgende Beziehung gegeben:
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Setzt man dann θ&sub1; = θn + Δ&sub1;, dann wird diese Beziehung zu:
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sin(θn + Δθ)f&sub1;/fn = sin θn (4)
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Die Sendeantenne deckt demnach zwei Winkelfelder ab, die
bezüglich der zentralen Achse der Antenne symmetrisch sind.
Diese beiden Felder entsprechen demnach einerseits der
Winkelabtastung der Bildkeulen von θ&sub1; bis θn und andererseits
-θ1 bis -θn, also einer Breite gleich Δθ.
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Offensichtlich bleibt zwischen diesen beiden Sektoren ein
Loch, da die Bildkeulen nicht zur Achse der Antenne geführt
werden können, was einer unendlichen Frequenz entsprechen
würde.
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Dieser Nachteil läßt sich durch verschiedene Vorkehrungen
beheben. Dabei besteht eine bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung darin, eine mechanische Drehung der Antenne zu
verwenden, um einen Beobachtungssektor mit einer
Winkelbreite α abzudecken.
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Um dann eine korrekte Überlappung der Winkelfelder zu
erhalten, die durch elektronische Abtastung nach der
Erfindung erhalten wurden, müssen die Paramter den Beziehungen 5
genügen, in denen k eine ganze Zahl ist.
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2 θn = k Δ θ
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und 2 (k + 1) Δ θ = α (5)
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In Fig. 3 ist ein Diagramm zur Erläuterung dieser
Gleichungen 5 für den Fall dargestellt, bei dem k = 3; d.h. 3
Drehungen mit jeweils Δθ die Abdeckung eines Winkelsektors mit
einer Öffnung α ermdglichen. In der ersten Zeile ist die
neutrale Position der Antenne bezüglich der zentralen Achse
0 des Sektors zu sehen, wo die elektronische Abtastung die
Abdeckung eines Subsektors zwischen -θn und -θ&sub1; zur Linken
und eines Subsektors zwischen θn und θ&sub1; zur Rechten
ermöglichen. Drei mechanische Drehungen nach rechts ermöglichen
die Abtastung bis zum rechten Ende des Sektors α. Die
Drehungen greifen von links nach rechts und dann von rechts
nach links ineinander, ohne daß vor dem Ende des Sektors
eine Unterbrechung oder eine Umkehr stattfindet.
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Im übrigen ist bekannt, daß die Breite einer
Keule mit einer Dämpfung von -3dB, entweder der Hauptkeule
oder einer Bildkeule einer Antenne mit einer Länge L, die
mit einer Frequenz fi arbeitet, wie folgt ist, wobei c die
Geschwindigkeit des Schalls im Wasser ist:
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Die gewünschte Winkelauflösung entspricht einer maximalen
Breite δ (sin θ), womit sich die Länge L der Antenne wie
folgt definieren läßt:
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Die Formeln 2, 4, 5 und 7 ermöglichen damit die
vollständige Definition der Geometrie der Sendeantenne aus den
durch die folgenden Daten bestimmten Parametern:
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- die Reichweite D, die die maximale Frequenz fn festlegt;
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- den Gütefaktor der Wandler Q, der die minimale Frequenz
f&sub1; ausgehend von der folgenden Beziehung festlegt:
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- den gewünschten Beobachtungssektor, der a festlegt; sowie
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- die Peilwinkelauflösung, die δsin(θ) festlegt.
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Da k eine ganze Zahl sein muß, ist angezeigt, daß ein
Kompromiß zwischen den Werten von α, f&sub1; und fn gefunden wird.
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In der Praxis wird allgemein von dem Wert für α
ausgegangen, davon werden θn und Δθ abgeleitet, und dann wird der
Wert von f&sub1;/fn eingestellt, wobei der minimale Wert von Q
beachtet wird.
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Bei einem numerischen Ausführungsbeispiel soll ein
Öffnungssektor α = 60º mit einer maximalen Reichweite von 70 m
und einer Auflösung δ(sinθ) überwacht werden, die im
wesentlichen gleich 1,2º ist, wobei Wandler verwendet werden,
die den Erhalt eines Gütefaktors Q = 2 ermöglichen. Unter
diesen Bedingungen erhält man:
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fn = 825kHz, f&sub1; = 500kHz, f&sub1;/fn = 0,607
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θn = 11,25º, θ&sub1; = 18,75º, θ = 7,5º und k = 3.
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Die Länge L der Antenne ist dann gleich 14 cm und der
Schritt d gleich 4,67 mm, was N = 31 Wandlern entspricht.
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Die Sendeantenne ist demnach aus 31 Wandlern mit einer
Länge von 3, 11 mm in einem Abstand von 4,67 mm gebildet.
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Die Höhe der Wandler ist ihrerseits durch die gewünschte
Standortsrichtwirkung bei der Bandmittenfrequenz des
verwendeten Bereichs bestimmt (662,5 kHz). So erhält man
beispielsweise für eine vertikale Keulenbreite von 1 Radianten
eine Höhe von 2 mm für die Wandler.
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Der Auffrischtakt für die Bilder wird ausgehend von der
Folgeperiodenfrequenz der Sendungen und der Drehdauer der
Antenne bestimmt. Dieser Folgeperiodentakt ist gleich 2D/C
und der Bildtakt ist durch die folgende Formel angegeben,
wenn Tr die Dauer der Drehung um Δθ ist:
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(k + 1) 2D/C + kTr (9)
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Die Drehzeit hängt von dem Trägheitsmoment der beweglichen
Einheit, die durch die Antennen und den diese antreibenden
Motor gebildet ist, sowie von der Leistung dieses Motors
ab. Mit einem Trägheitsmoment von nicht mehr als 1 kg/cm²
und einem Motor mit einer Leistung von etwa 4 Watt läßt
sich leicht ein Takt von 50 ms pro Drehung erreichen, wobei
dieser Motor verwendet wird, der beispielsweise ein
Schrittschaltmotor in der Start-Stop-Betriebsart sein kann.
Unter diesen Bedingungen kehrt sich die Drehrichtung der
beweglichen Gruppe am Taktende problemlos um.
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Bei dem oben beschriebenen Zahlenbeispiel läßt sich demnach
für k = 3 und D = 70 m ein Bildtakt von 570 ms erhalten,
der deutlich unter dem Takt von 1 Sekunde liegt, der
allgemein
für notwendig gehalten wird, um ein leicht vom
Bediener auszuwertendes Bild zu erhalten.
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In Fig. 4 ist das Zeitdiagramm der Frequenzebenen der
Sendungen eines Sonars nach der Erfindung dargestellt.
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Zu Beginn jeder Folgeperiode sendet jeder Wandler eine
Impulsreihe aus, deren Bandmittenfrequenzen fi zwischen f&sub1;
und fn gestaffelt sind und jeweils über eine Dauer τ
anhalten. Diese Dauer ist durch die gewünschte Abstandsauflösung
δr ausgehend von der folgenden Formel bestimmt:
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1/τ = c/2δr (10)
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Diese Bandmittenfrequenzen fi werden erhalten, indem der
Abstand zwischen den Sendekeulen so bstimmt wird, daß sich
diese auf einer bestimmten Höhe schneiden, beispielsweise
mit einer Dämpfung von höchstens 3dB.
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Wird die Breite einer Keule mit einer Dämpfung von x
Dezibel mit δ xi (sinθ) bezeichnet, dann wird die
Schnittbedingung für zwei nebeneinanderliegende Sendekeulen auf
diesem Dämpfungsniveau wie folgt geschrieben:
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1/2 = [δ xl (sinθ) + δ xi+1 (sinθ)] = sinθi - sinθi+1 (11)
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Da sinθi = c/2dfi und
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δix (sinθ) = mc/Lfi, wo m für x = -3dB gleich 0,9 ist, erhält
man die Beziehung:
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Diese Beziehung entspricht einer geometrischen Reihe fi+1 =
rfi mit einem Verhältnis von:
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Unter diesen Bedingungen gilt fn = rn-1f&sub1;, und man erhält
demnach die Anzahl n von Frequenzen zwischen f&sub1; und fn,
indem man von dem Wert m ausgeht, der der Dämpfung der
Überlappung zwischen Keulen entspricht. Um einen Schnitt zu
erhalten, der wenigstens gleich - 3dB ist, wird der für m =
0,9 erhaltene Wert von n auf die höhere ganze Zahl
gerundet.
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Bei dem oben beschriebenen zahlenmäßigen
Ausführungsbeispiel erhält man n = 10. Führt man dann die Rechnung
umgekehrt durch, dann ergibt sich wieder in = 0,838 und ein
Schnitt der Keulen bei - 2,67 dB. Die so erhaltene
Frequenzebene ist in der folgenden Tabelle angegeben:
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Bleiben wir noch im Rahmen dieses zahlenmäßigen
Ausführungsbeispiels, dann ist die Dauer τ jedes Impulses gleich
0,13 ms für eine Auflösung von 10 cm und die Sendung τ
dauert damit insgesamt 1,33 ms. Unter diesen Bedingungen ist
das Produkt fiτ immer groß und mindestens gleich 67, was
bedeutet, daß der Impuls eine ausreichende Zahl von
Sinuswellenwölbungen aufweist, damit die Frequenz als im
wesentlichen rein gelten kann.
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Man wird sicherlich bemerken, daß die hier gegebene
Frequenzebene nur eine Ausführungsform der Erfindung darstellt
und andere Werte für fi verwendet werden können, ohne ihren
Rahmen zu verlassen, wobei die Werte beispielsweise eine
variable Schnitthöhe zwischen den Keulen mit dem Index i
aufweisen.
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In Fig. 5 und 6 sind eine Vorder- bzw. Draufsicht der
Gesamtheit der Sende- und Empfangsantennen eines Sonars nach
der Erfindung dargestellt.
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Diese Antennen sind an einer Drehachse 501 befestigt, wobei
die Wandler der Sendeantenne 500 entlang einer Längsachse
ausgerichtet sind. Die Empfangsantennen 511 und 512, die
zum Empfang von Bildkeulen der Ordnung -1 bzw. +1
vorgesehen sind, die sich rechts und links eon der Sendeachse der
Antenne 500 befinden, sind jewils um einen Winkel θp
bezüglich der Längsachse der Sendeantenne versetzt, die
ihrerseits senkrecht zur Sendeachse liegt.
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Dieser Winkel θp ist in Verbindung mit der Länge Lr dieser
Antenne so bestimmt, daß die Empfangskeule der Antenne
einen Empfang mit einer Dämpfung von mehr als -3dB zwischen
allen Frequenzechos f&sub1; bis fn ermöglicht, die in dem
Empfangssubsektor enthalten sind, der durch sinθ&sub1; und sinθn
bestimmt ist.
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Die Länge Lr ist durch die folgende Formel bestimmt:
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Dann ist die Richtung θ gegeben durch:
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Bei dem in diesem Text beschriebenen numerischen
Ausführungsbeispiel erhält man eine Länge Lr = 1,61 cm und einen
Richtwinkel θp gleich 14,23º.
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Diese Empfangsantennen können aus einem einzigen Stück aus
piezoelektrischer Keramik mit einer Länge Lr und einer Höhe
gebildet sein, die mit derjenigen der Wandler der
Sendeantenne identisch ist.
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Sie können auch aus mehreren nebeneinanderliegenden
Wandlern gebildet sein, womit an diese Wandler Gewichtungen
angelegt werden können, die es ermöglichen, das Niveau der
sekundären Empfangskeulen abzusenken.
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In Fig. 7 ist ein sehr vereinfachtes Schema einer der
beiden Einpfangsstufen eines Sonars nach der Erfindung
dargestellt, das der Empfangsantenne 511 entspricht.
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Hinter dieser Antenne ermöglicht ein Breitbandvorverstärker
701 die Verstärkung der Empfangssignale, wobei sie auf das
Intervall mit der Frequenz fn - f1 begrenzt sind. In der
Figur nicht dargestellte Mittel ermöglichen die Sperrung
des Verstärkers, wenn die Sendung stattfindet. Diese
Sperrzeit ist sehr kurz gegenüber der Gesamtdauer der
Folgeperiode, womit es möglich wird, nur eine reduzierte blinde
Zone vor dem Sonar zu erhalten. Bei dem oben beschriebenen
Zahlenbeispiel ist die Sperrzeit gleich 1,33 ms, während
die Folgeperiode 93 ms dauert.
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Der Ausgang des Vorverstärkers 701 ist mit einer Batterie
aus n Filtern wie 702 verbunden, die kammförmig angeordnet
sind. Die Bandbreite jedes dieser Filter ist gleich 1 und
auf eine der Sendebandmittenfrequenzen fi zentriert. Der
Abstand zwischen diesen Sendefrequenzen ist ausreichend, um
sich von den Unvollkommenheiten der Filter sowie einer
eventuellen Doppler-Verschiebung zu befreien, die für eine
Sendung mit 825 kHz und einer Relativgeschwindigkeit von 3
Knoten beispielsweise gleich 1,65 kHz ist.
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Die Ausgänge dieser Filter 702 sind dann an
Auswertungsorgane 703 angelegt, die beispielsweise auf einem
Kathodenstrahlschirm die Sichtbarmachung der empfangenen Echos in
Abhängigkeit von dein Strahlenbündel ermöglichen, in dem sie
empfangen werden.
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Als Variante könnte die Sendung der Frequenzen codiert sein
und die Batterie der Filter durch eine Batterie von
Korrelatoren ersetzt sein, die mit dein Sendecode funktionieren.
Dieser Sendecode kann beispielsweise eine
Frequenzmodulation um fi im folgenden Band sein:
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B = c/2δr mit τ » 1/B
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Dies läuft auf die Durchführung einer kohärenten
Verarbeitung nach einer bekannten Technik hinaus.
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In bestimmten Fällen ist es nicht nützlich, einen sehr
weiten Sektor zu überwachen, und man kann sich beispielsweise
mit einem Sektor mit einer Öffnung von gleich Δθ
zufriedengeben. In diesem Fall kann man nur eine einzige Sendekeule
mit einer einzigen Sendeantenne verwenden, die in Richtung
θp gerichtet ist, und keine mechanische Abtastung dieser
Gruppe verwenden. Dagegen ist es nützlich, eine Gewichtung
der Empfangsantenne zu verwenden, um das Niveau der
Sekundärempfangskeulen abzusenken, damit eine Störung durch die
zweite Sendebildkeule vermieden wird, die immer anwesend
ist.