DE69022562T2

DE69022562T2 - Verbessertes Sonarsystem für Ozeanboden.

Info

Publication number: DE69022562T2
Application number: DE69022562T
Authority: DE
Inventors: Ronald Lee Earp
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1989-12-21
Filing date: 1990-11-22
Publication date: 1996-02-22
Anticipated expiration: 2010-11-23
Also published as: JPH03195994A; DE69022562D1; US5025423A; EP0434229B1; EP0434229A3; JPH0711576B2; EP0434229A2

Description

Diese Erfindung betrifft Verfahren zum Identifizieren eines unterhalb einer Wassermasse angeordneten Objekts.
Die Reparatur oder das Ersetzen von in Betrieb stehenden Meeresfernmeldekabeln ist teilweise aufgrund der Kosten für das Aufspüren der Kabel in oder auf dem Meeresboden äußerst teuer. Das Aufspüren wird dort erschwert, wo das Kabel in Gebieten, in denen Schleppnetzfischerei usw. betrieben wird, in den Meeresboden gepflügt worden ist. Bei diesen Verhältnissen müssen die Kabelbergungsfahrzeuge über ein Mittel zum Ermitteln der genauen Position des vergrabenen Kabels verfügen, bevor sie mit den Verfahren des Grabens, Einholens und Reparierens beginnen können.
Obwohl normalerweise Lageaufzeichnungen vorliegen, mit Hilfe derer sich das Bergungsfahrzeug zu der ungefähren Position des vergrabenen Kabels bewegen kann, ist das endgültige Aufspüren sehr zeitaufwendig und teuer und war bisher mit vielen Vermutungen verbunden. Ein Verfahren nach dem Stand der Technik zum Auffinden vergrabener Kabel stützt sich auf ein Erkundungsfahrzeug, das das Magnetfeld erfaßt, das entsteht, wenn das Kabel mit einem von der Küstenstation stammenden niederfrequenten Signal bestromt wird. Allerdings unterliegt die Anwendung dieses Verfahren aufgrund gewisser eigener Begrenzungen beim Anlegen und Wiedergewinnen von Signalen Einschränkungen, was Positionsermittlung mit diesem Verfahren ungewiß und bei bestimmten Kabelsystemen unmöglich macht.
In GB-A-2085591 wird ein sich im Wasser befindendes Objekt derart mit einem Chirp-modulierten Sonarsignal beschallt, daß es das Objekt zu Schwingungsresonanzen anregt. Das Objekt wird durch das Auftreten derartiger Resonanzen im Spektrum der zu einem Detektor zurückgeleiteten Schallstrahlung identifiziert.
EP-A-0241737 offenbart ein Verfahren, das dem in D1 ähnlich ist, doch enthält das abgehende Sonarsignal nur solche Frequenzen, von denen bekannt ist, daß sie mit Resonanzen von gesuchten Objekten übereinstimmen.
In US-A 3716823 werden gleichzeitige Bursts von Schallenergie, verteilt über zwei unzusammenhängende Frequenzbänder, auf unbekannte Unterwasserobjekte gerichtet, und die rückgestreute Strahlung wird erfaßt und einer Spektralanalyse unterzogen. Das Objekt wird durch Vergleich des entstandenen Spektrogramms mit gespeicherten Referenzdaten identifiziert.
In DE-A-3710239 wird von einem Sender eine Folge von Ultraschallimpulsen mit verschiedenen Frequenzen abgestrahlt, und die reflektierten Wellen werden erfaßt und einer Spektralanalyse unterzogen. Die resultierenden Reflexionsspektren werden mit gespeicherten Referenzdaten verglichen.
Gemäß dieser Erfindung wird ein Verfahren nach Anspruch 1 vorgesehen.
Die Erfindung ermöglicht es, im Meeresboden vergrabene, auf dem Meeresboden liegende oder in einer Meerwassersäule angeordnete Objekte schnell zu lokalisieren.
Die Erfindung ermöglicht es, den Vorgang des korrekten Identifizierens von im Meeresboden vergrabenen Objekten zuverlässiger zu gestalten und somit die Bergungskosten zu verringern.
Die Erfindung beruht teilweise auf der Erkenntnis, daß viele Arten von auf oder im Meeresboden befindlichen Objekten die Form einer grundlegenden geometrischen Struktur wie zum Beispiel eines Zylinders, einer Kugel oder eines geradliniges Kastens aufweisen oder zumindest einer dieser Formen nahekommen. Es wurde festgestellt, daß diese elementaren Objekte ausgeprägte charakteristische Rückstreu-"Signatur-"signale aussenden, wenn ein geeignetes Sonarsignal auf sie geworfen wird. Die Identität des gesuchten Objekts kann erfolgreich bestimmt werden, indem die wesentlichen charakteristischen Rückstreusignale, die für jedes dieser elementaren Objekte bei derartiger Beschallung typisch sind, vorbestimmt werden und diese Referenzrückstreusignale dann mit den Rückstreusignalen von einem unbekannten Objekt verglichen werden. Auf gleiche Weise kann die Identität angetroffener Objekte, bei denen es sich nicht um das gesuchte Objekt handelt, besser bestimmt werden.
Somit kann ein eindeutiges Sonarsignal von einem ferngesteuerten Unterwasser-Fahrzeug (remotely operated vehicle = "ROV") nach vorne auf den Meeresboden abgestrahlt werden. Der Strahl ist bezüglich Strahlbreite, Angriffswinkel, Querschnitt und Signalbeschaffenheit vorbestimmt. Das Signal setzt sich aus aufeinanderfolgenden Bursts mit verschiedenen Frequenzen zusammen, die durch Signalpausen voneinander getrennt sind. Das ROV bewegt sich unter wiederholtem Abstrahlen des Suchsignals in einer vorbestimmten Richtung über das abzusuchende Gebiet. Jede Burstfolge erzeugt eine resultierende Menge an Rückstreumustern, und zwar sowohl von unbekannten Objekten als auch vom Meeresbodenmedium.
Die durch Kontakt der Strahlenergie mit einem unbekannten Objekt erzeugten Rückstreusignale weisen Komponenten auf, die allgemein eine Funktion von folgendem sind: der Frequenz und Dauer des einfallenden Sonarsignals; dem streifenden Winkel des Signals; dem inneren Aufbau des Kabels; dem Durchmesser des Kabels; und der Länge des beschallten Kabels. Außerdem werden die Rückstreusignale auf ihrem Rückweg auch aufgrund einer komplizierten Wechselwirkung mit dem abgestrahlten Signal moduliert.
Die Rückstreusignale werden von der Sonarvorrichtung empfangen und analysiert. Durch Vergleich des Rückstreusignalmusters mit einer Datenbibliothek bekannter Signalmuster, bei denen schon im voraus bestimmt wurde, daß sie unter gleichen Umständen für die Rückstreuung von verschiedenen bestimmten elementaren Objekten charakteristisch sind, kann zur Bestimmung des "gewinnenden" Musters, d. h. des höchsten Korrelationsgrads für ein bestimmtes Muster aus der Bibliothek, die elementare Geometrie der Rückstreuquelle(n) mittels Korrelationsverfahren abgeleitet werden.
Die Referenzbibliothek enthält vorteilhaf terweise Musterinformationen, die das charakteristische "Signatursignal", das von einer bestimmten beschallten Form wie z.B. von einem Kabel mit einer bestimmten Geometrie stammt, als eine Funktion des Neigungswinkels und der Vergrabungstiefe darstellen. Wenn zum Beispiel das gesuchte Objekt ein Kabel mit bekanntem Durchmesser und bekanntem inneren Aufbau ist, so wird durch die Beschallung eine spiegelnde Reflexion erzeugt, die auf die zylindrische Form und die Länge des Kabels sowie auf Resonanzen zurückzuführen ist, die von Innen- und Oberflächenwellen hervorgerufen werden, die vom Kabel reflektiert werden und es umlaufen. Diese Rückstreuenergie gibt dem Kabel eine akustische "Signatur", die für das betrachtete Kabel typisch ist.
Somit behandelt die Erfindung allgemein das Auskoppeln der unterscheidenden Beschaffenheit von von unbekannten Objekten reflektierten Wellen durch Analysieren ihrer Signalmuster im Vergleich mit bekannten und vorbestimmten Referenzsignalen, die von Rückstreusignalmustern abgeleitet sind, die unter Verwendung von bekannten vergrabenen Objekten erzeugt wurden, wobei diese Objekte von dem bevorzugten Suchsignal unter bekannten streifenden Winkeln beschallt wurden. In der Praxis können die identifizierten Komponenten des Rückstreusignals digital mit bekannten Signaturmustern korreliert werden oder in Form einer grafischen Anzeige, gegebenenfalls mit visuellem Vergleich mit bekannten Signaturmustern, von einem Bediener betrachtet werden. Wenn der Vergleich des rückgestreuten "Signatursignals" mit dem bekannten Signatursignal einer bestimmten beschallten Form günstig ausfällt, besteht die Wahrscheinlichkeit, daß die Quelle des Rückstreusignals vom Typ der bekannten Form ist.
Die Erfindung und ihre weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden in der folgenden Beschreibung erläutert.

In der Zeichnung zeigen

FIG. 1 eine schematische Ansicht einer Arbeitsumgebung auf dem Meer;
FIG. 2 eine schematische Seitenansicht des sonaren- Suchstrahls;
FIG. 3 eine schematische Vorderansicht des Suchstrahls;
FIG. 4 eine schematische Draufsicht von Strahlspuren quer über ein vergrabenes Kabel;
FIG. 5-7 drei Verläufe von Kabelsignaturen für unterschiedliche beispielhafte Kabelstrukturen;
FIG. 8-10 drei Verläufe von Signaturdaten für das gleiche Zielkabel in einer schematischen Veranschaulichung aufeinander folgender übertragungsblöcke für drei bei unterschiedlichen streifenden Winkeln erzeugte Sätze von Rückstreusignalen;
FIG. 11 ein Flußdiagramm des Verfahrens zum Erzeugen des sonaren Beschallungssignals und Ableiten der Nutzinformationen aus den Rückstreusignalen;
FIG. 12 ein schematisches Blockschaltbild einer Hardware-Systemarchitektur zur Ausübung der Erfindung; und
FIG. 13 eine Veranschaulichung einer Form von Sonarsenderanordnung zum Strahlformen und eines zugehörigen Empfängers.

Ausführliche Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform

Die Erfindung wird anhand der Auffindung eines im Sedimentboden des Meers vergrabenen Glasfaserfernmeldekabels, wie allgemein in FIG. 1 dargestellt, beschrieben. Ein mit 1 bezeichnetes ferngesteuertes Fahrzeug oder ROV mit Eigenantrieb ist mittels Steuer- und Kommunikationshalteseil 2 mit einem Schiff auf der Wasseroberfläche verbunden. Fahrzeug 1 enthält einen Sonarwandler 3 und einen Sonarempfänger 4. Bei diesem Beispiel ist angenommen, daß das zu lokalisierende, mit 5 bezeichnete Kabel weder unter Strom steht, noch daß in ihm irgendeine Art von Kommunikationssignal oder elektromagnetischem Signal induziert ist. Hierbei handelt es sich um jene Art von Kabel, für die herkömmliche Verfahren zum Lokalisieren vergrabener Kabel nicht gut geeignet sind.

Beschaffenheit des sonaren Suchsignals

Wie schon erwähnt, lautet eine der vorliegenden Erfindung zugrundliegende Annahme, daß alle Objekte eine charakteristische akustische Signatur aufweisen, wenn sie mit Energie eines bestimmten Charakters beschallt werden. Bei dem vom Wandler 3 abgegebenen Sonarstrahl 6 handelt es sich vorteilhafterweise um einen Strahl schmaler Breite, und zwar typisch weniger als 6 Grad. Das Sonarsignal kann mit einer Anordnung von in der Fachwelt bekannten, nicht gezeigten Kolben-Amboß-Wandlerköpfen geformt werden. Eine zur Ausübung der Erfindung geeignete Senderanordnung kann zum Beispiel, wie schematisch in FIG. 13 gezeigt, fünfzehn in einem einzigen Träger angeordnete Köpfe enthalten oder als Alternative dazu fünfundzwanzig solcher Köpfe.
Das Suchsignal wird als eine Serie von Übertragungsblöcken erzeugt, von denen jeder aus aufeinanderfolgenden getrennten Signalbursts besteht, die bei einer vorbestimmten Frequenz von zum Beispiel 6000 Hz beginnen, und wobei sich jeder Burst um einen festen schrittweisen Betrag von zum Beispiel 5 oder 10 Hz vom vorausgehenden unterscheidet. Die "AN"-Dauer jedes Bursts beträgt typischerweise 5 Millisekunden; und der zeitliche Abstand zwischen den Bursts beträgt 50 Millisekunden. Aufeinanderfolgende Übertragungsblöcke werden erzeugt und in Richtung der Umgebung des gesuchten Kabels 5 gesendet. Die Übertragungsblöcke des Suchsignals werden allgemein in einem Bereich von 5000 Hz bis 20.000 Hz geformt. Die genauen Frequenzgrenzen für einen bestimmten Zustand ändern sich in Abhängigkeit von den Parametern des Zielkabels.
Die Erfindung, wie sie beschrieben ist, beruht auf dem Erfassen der Identitätsinformationen des unbekannten Objekts, die in der Rückstreuenergie enthalten sind, die in FIG. 1 als von dem unbekannten Ziel reflektierte zurückkehrende Wellen 7 dargestellt ist. Diese Rückstreuenergie kann durch reflektierte Signale verschlechtert werden, die aufgrund einer übermäßig breiten Strahlbreite Energie erzeugen, die im Verhältnis zu den zuerst auf das Ziel auftreffenden Energiekomponenten phasenverschoben ist. Die Strahlenergie sollte deshalb auf die auf das Ziel und den Meeresboden auftreffende Energie begrenzt sein, die sich innerhalb der ersten Fresnel-Zone befindet (dies schließt die gesamte phasengleiche Energie und die erstmals phasenverschobene Energie ein). Dies wird dadurch erreicht, daß man die Strahlbreite des Strahls 6 auf einem sphärischen Winkel hält, der bei einer Burstfrequenz von 5 kHz ungefähr 14 Grad und bei 20 kHz ungefähr 7 Grad nicht übersteigt. Viele Sonarsenderwandler erzeugen Strahlbreiten, die sich auf die beschriebene Weise in Abhängigkeit von der Frequenz ändern. Es ist wünschenswert, eine Wandlerkonstruktion zu wählen, die bei diesen Endfrequenzen und auch bei den dazwischen liegenden Frequenzen eine Strahlbreite erzeugt, die unterhalb der erwähnten Werte liegt.
Der herkömmliche Stand der Technik bietet mindestens zwei für die vorliegende Erfindung geeignete Konstruktionen von Sonarwandlern. Eine davon ist ein parametrischer Kopf, der einen extrem schmalen Strahl mit einem Winkel von zum Beispiel anderthalb Grad erzeugt und keine Nebenkeulen aufweist. Sein Nachteil liegt darin, daß die elektrisch-mechanische Energieumwandlung äußerst ineffizient ist. Der Kolben-Amboß-Sonarkopf erzeugt Nebenkeulen, die ein falsches Rücksignal hervorrufen können, ist jedoch relativ effizient und wird daher bevorzugt.
Der Strahl 6 kann in der zur Ausbreitungsrichtung senkrechten Ebene einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, kann jedoch vorteilhafterweise mit einem länglichen elliptischen Querschnitt gebildet werden. Der elliptische Querschnitt wird in FIG. 13 gezeigt und unten erläutert.
Vorzugsweise wird die Sendestrahlenergie unter einem derartigen Angriffswinkel oder vertikalen Winkel bezüglich des Meeresbodens auf den Meeresboden gerichtet, daß wenig oder keine von der Bodenfläche abprallende Energie zum Empfänger zurückgesandt wird. Wenn sich der Sonarrückstreuempfänger am Erkundungsfahrzeug befindet, was üblicherweise am günstigsten ist, so folgt daraus, daß ein beträchtlicher positiver Angriffswinkel wunschenswert ist, um sicherzustellen, daß keine Strahlenergie, die von der Oberfläche des Meeresbodens abprallt, in dem Gebiet verbleibt, in dem sich die Interferenzmuster zwischen dem ankommenden Signal und dem die Signatur enthaltenden Rückstreusignal entwickeln.
Beim Bestimmen des spezifischen Angriffswinkels des Strahls des Sonarsenders bestehen jedoch gewisse Beschränkungen. Wie in FIG. 2 dargestellt, kann ein Angriffswinkel relativ hoher Größenordnung für eine gegebene Art von Bodensediment, wie zum Beispiel 73 Grad, dazu führen, daß vom Meeresboden abprallende Energie zum Empfänger 4 zurückgesandt wird. Ein Angriffswinkel von 38 Grad oder weniger kann dazu führen, daß die Beschallungsenergie auf einen im wesentlichen parallel zum Meeresboden verlaufenden Weg umgeleitet wird, wobei nur wenig Energie überhaupt das vergrabene Kabel 5 erreicht. Es gibt allerdings einige optimale Winkel oder einen solchen Winkelbereich, bei denen bzw. bei dem der Annäherungswinkel des Suchstrahls weder durch Ablenkung noch durch Umleitung beeinflußt wird; bei dem in FIG. 2 gezeigten Beispiel beträgt dieser Winkel ungefähr 55 Grad.

Referenzsignale

Referenzsignatursignale sind vorbestimmt, um als Grundlage zur positiven Identifizierung zu dienen. Referenzsignale sind von tatsächlichen oder zuverlässig simulierten Einsatzbedingungen abgeleitet. Referenzsignaturen können für spezifische Annäherungswinkel oder Zielpeilungen aufgetragene Frequenz-/Amplituden-Verläufe sein, wie zum Beispiel in FIG. 5-7 dargestellt. Diese werden in Kürze beschrieben.

Erzeugen von Rückstreusignalen

Es ist allgemein bekannt, daß Reflexions- und Streuenergie von einem Sonarziel in vielen Formen auftreten kann. Dazu zählen Kriechwelle, Umlaufwellen, Umfangswellenzug und Spiegelwellenzug. Bei der Ausübung der vorliegenden Erfindung ist es allerdings nur nötig, die Resonanzen zu ermitteln, wie zum Beispiel die in FIG. 5-7 dargestellten, die von den Interferenzmustern erzeugt werden. Somit ist es nicht nötig, zu wissen, ob die Primärresonanz in einem gegebenen Fall Umlaufwellen zuzuschreiben ist oder das Ergebnis direkter Oberflächenreflexionen ist (obwohl bei Kabelresonanzen diese beiden Formen typischerweise vorherrschen). Weiterhin wurde allgemein festgestellt, daß, wenn die zurückgesandten Informationen von einer Suchwelle mit nur einer Frequenz oder nur einem streifenden Winkel erzeugt werden, die Daten häufig nicht ausreichen, ein angetroffenes unbekanntes Objekt zuverlässig zu identifizieren. Wenn allerdings die Frequenz und der streifende Winkel geändert werden und wenn Daten über Frequenz, streifenden Winkel und Signalstärke erzeugt werden, können genügend Informationen, mit denen das Objekt identifiziert werden kann, dargestellt werden.

Beispiel 1

Beispiele für informationshaltige Rückstreusignale, die die charakteristische "Signatur" bestimmter Kabelgeometrien enthalten, sind in FIG. 5-7 dargestellt. Die bei diesem Beispiel verwendeten Frequenzen reichen von 7000 Hz bis 10.500 Hz. Die Amplitudenskala ist lediglich relativ. Die Skala der Zielpeilung reicht von -45 Grad bis +45 Grad; anderswo in dieser Beschreibung wird dieser Winkel als der "streifende Winkel" bezeichnet.
Die in FIG. 5 als Ziel A gezeigte Signatur stellt das akustische Signal für ein (nicht gezeigtes) einfaches Kabel dar, das aus einem Innenleiter aus Kupfer mit einem Durchmesser von 0,84 cm (33 Zoll) besteht, der von einer isolierenden Schicht aus Polyethylen mit einem Außendurchmesser von 2,59 cm (1,02 Zoll), von einer äußeren leitenden Schicht mit einer Wandstärke von 0,1 cm (0,04 Zoll) und einem Außendurchmesser von 2,8 cm (1,10 Zoll), von einem äußeren isolierenden Mantel aus Polypropylen mit einem Außendurchmesser von 3,3 cm (1,30 Zoll) und fünfzehn um den äußeren Mantel herum angeordneten Stahl- Druckschutzgliedern mit einem Durchmesser von 0,05 cm (0,02 Zoll), von denen jedes mit einer Gummibeschichtung mit einem Außendurchmesser von 0,81 cm (0,32 Zoll) überzogen ist, umgeben ist.
Die Größenordnung der akustischen Signatur ist sowohl eine Funktion der Frequenz als auch des Zielpeilwinkels zwischen der Sichtlinie des Sonarempfängers 4 und dem Zielkabel. Der Null-Grad-Zielpeilwinkel für Ziel A weist einen positiven Frequenzkoeffizienten auf, d. h. die Rückstreuung für dieses spezielle Ziel steigt über den Bereich der beschallenden Frequenzen leicht an. Die Graphen der andern Zielpeilungen sind hinsichtlich der Null-Grad-Zielpeillinie ungefähr symmetrisch; und die Häufigkeit der charakteristischen "V"-Kerben nimmt mit ansteigendem Absolutwert des Zielpeilungswinkels zu. Die von Null verschiedenen Zielpeillinien weisen zwischen den Kerben eine abgerundete Form auf.
Die in FIG. 6 als Ziel B gezeigte Signatur ist die einer Kabel struktur, die aus einem Innenleiter aus Kupfer mit einem Durchmesser von 0,086 cm (0,034 Zoll) besteht und eine Vielzahl von signaltragenden Drähten, eine Schicht aus Polyethylen mit einem Außendurchmesser von 2,54 cm (1,0 Zoll), einen Außenleiter mit einer Wandstärke von 0,05 cm (0,02 Zoll) und einen aus Kunststoff bestehenden isolierenden Außenmantel mit einem Außendurchmesser von 3,17 cm (1,25 Zoll) umfaßt. Wie erwähnt, ist die Größenordnung der akustischen Signatur sowohl eine Funktion der Frequenz als auch der Zielpeilung zwischen der Sichtlinie des Empfängers und der Ausrichtung des Kabels. Der Null-Grad-Zielpeilwinkel weist wiederum einen positiven Frequenzkoeffizienten auf; und die Graphen der anderen Zielpeilungen sind hinsichtlich der Null-Grad-Zielpeillinie symmetrisch. Die Häufigkeit der Kerben nimmt mit ansteigendem Absolutwert des Zielpeilungswinkels zu. Allerdings weisen die von Null verschiedenen Zielpeillinien eine abgerundete Form mit etwas abgeflachten Dächern zwischen den Kerben auf, und zwar besonders für die Linien bei fünf Grad.
Die in FIG. 7 gezeigte Signatur ist die einer komplizierteren Kabelstruktur, die aus einem Innenleiter aus Kupfer mit einem Durchmesser von 1,09 cm (0,43 Zoll), einer aus Kunststoff bestehenden isolierenden Schicht, die von einem aus verseilten Kupferdrähten bestehenden Außenleiter mit einem Außendurchmesser von insgesamt 2,4 cm (0,95 Zoll), einer Schicht aus verseilten äußeren Leiterdrähten mit jeweils einem Außendurchmesser von ungefähr 0,1 cm (0,04 Zoll), dann einer Schicht aus zwanzig Stahl-Druckschutzdrähten mit einem Durchmesser von jeweils 0,41 cm (0,16 Zoll), wobei der Außendurchmesser dieser Schicht 3,3 cm (1,30 Zoll) beträgt, und schließlich einem äußeren Fasermantel umgeben ist besteht, wobei der Gesamtaußendurchmesser des Zielkabels C 3,81 cm (1,50 Zoll) beträgt. Die von Null verschiedenen Zielpeillinien weisen zwischen den Kerben eine rechteckige Form auf. Die Peillinien bei fünf Grad weisen in ihrem Graph einen Wendepunkt auf. Diese Wendepunkte sind im wesentlichen auf durch akustische Impedanzfehlanpassungen hervorgerufene innere Reflexionen bei Ausbreitung der Schallenergie im Kabel zurückzuführen.
Im vorangegangenen Beispiel stellt jeder volle Linienzug einen Übertragungsblock von Meßpunkten dar, die jeweils aus der Energie des Rückstreusignals eines Bursts bekannter Frequenz erzeugt wurden. Jeder Übertragungsblock setzt sich somit aus einer Vielzahl von Meßpunkten, zum Beispiel 128, bei bestimmten Frequenzen und Zielpeil- bzw. streifenden Winkeln zusammen. Nach Beendigung der Sammlung der 128 Probenpunkte ergibt sich einer der Linienzüge oder Übertragungsblöcke, wie in FIG. 5-7 veranschaulicht.

Beispiel 2

FIG. 8-10 stellen eine weitere Darlegung der Erfindung durch Veranschaulichung des "Signatur-"Gehalts von bei mehreren verschiedenen streifenden Winkeln auftretenden Rückstreusignalen dar, während das ROV ein Kabel mit einer bestimmten Geometrie überquert. Man wird sich erinnern, daß die Rückstreusignale Modulationen des abgegebenen Signals sind, wobei die Höhe der Sonarvorrichtung 3 über dem Meeresboden, die Tiefe, in der das unbekannte Objekt vergraben ist, die relative Geschwindigkeit des Wassers bezüglich des Fahrzeugs, der streifende Winkel und die Abmessungen bzw. grundlegenden Formen und der innere Aufbau des unbekannten bzw. gesuchten Objekts allesamt zur Modulation beitragen. Das Rückstreusignal weist somit eine komplexe Wellenform, mit Beiträgen von während der Beschallung erzeugten Kriechwellen, Umlaufwellen vom Rayleigh-Typ, vom Flüstergallerie-Typ und Stoneley-Franz-Wellen, die mit der herannahenden Welle ein Interferenzmuster erzeugen, auf. Größe und innerer Kabelaufbau beeinflussen die Beiträge jedes Wellen-Typus sowohl in bezug auf Amplitude als auch Frequenz. In Beispiel 2 bewegt sich das Suchfahrzeug ungefähr 6 m (20 Fuß) über dem Meeresboden und verwendet für das sonare Suchsignal einen Frequenzbereich von 7 kHz bis 10,5 kHz. Signaturergebnisse von streifenden Winkeln bei 5, 10 und 15 Grad sind in FIG. 8, 9 und 10 gezeigt.
Das ROV 1 gibt eine Reihe von Übertragungsblöcken mit einem oben beschriebenen Chirp-modulierten Suchsignalformat ab. Die Flachheit der mit a und b bezeichneten Linienzüge zeigt, daß sich das Fahrzeug gerade außerhalb der Reichweite des Ziels befindet. Die folgenden drei mit c, d und e bezeichneten Linienzüge lassen den Beginn einer Signatur in Form von mit "V" bezeichneten Amplitudentälern erkennen. Die mit f, g, h, i, j, k bezeichneten Linienzüge enthalten ausgeprägte Amplitudentäler "V", die bei bestimmten Frequenzen während der Bildung jedes Übertragungsblocks auftreten; diese Linienzüge werden als die charakteristische Signatur der bestimmten Kabelstruktur des unter den beschriebenen Bedingungen beschallten Ziels angesehen.
Es sei erwähnt, daß die Beschallung desselben Kabels durch dasselbe sonare Chirpsignal unter verschiedenen streifenden Winkeln von 10 Grad und 15 Grad, wie in FIG. 9 und 10 gezeigt, zusätzliche Kabel-Frequenz-Amplitudengraphen ergibt. Diese zusätzlichen Signaturen ähneln denen, die in FIG. 8 mit einem streifenden Winkel von 5 Grad gebildet werden, dadurch, daß zum Beispiel die inneren Übertragungsblöcke f, g, h, i, j, k jeweils zwei unterschiedliche, mit "V" bezeichnete Leistungstäler aufweisen, die allerdings bei unterschiedlichen Abtastfrequenzen und mit von der Amplitude-Frequenz-Kurve verschiedenen Gesamt formen auftreten.
Die Identifizierung erfolgt durch Vergleichen des/der in FIG. 8 gezeigten Rückstreusignals bzw. Rückstreusignale mit Signaturen, die in einer Signaturbibliothek enthalten sind, die aus den Rückstreusignalmustersignaturen einer beliebigen Anzahl von Referenzsituationen für unter bekannten Umständen beschallte Kabel verschiedener Geometrien, natürlich einschließlich den in bezug auf FIG. 8-10 beschriebenen Umständen, besteht.
Der Vergleich mit den während des Durchlaufs erhaltenen Rückstreusignalen kann von einem geübten Bediener unter Verwendung von Sichtdarstellungen bekannter auf einem Monitor angezeigter "Referenzsignatursignale" vorgenommen werden. Als Alternative oder zusätzlich dazu kann auf eine noch zu beschreibende Weise der Vergleich unter Verwendung digitaler Signalverarbeitungstechniken durchgeführt werden.
Wie aus der vorangegangenen Beschreibung ersichtlich, kann es für ein Kabel mit gegebener Größe und gegebenem inneren Aufbau wünschenswert sein, eine Anzahl von Übertragungsmeßblöcken bei drei oder vier verschiedenen streifenden Winkeln zu erzeugen, da auf diese Weise mehr Rückstreusignalmuster zwecks Vergleich mit der Referenzsignalmusterbibliothek erzeugt werden. Wenn die Bibliotheksreferenzmuster unter Verwendung bekannter Kabelkonfigurationen erzeugt werden, sollte darauf geachtet werden, daß für jeden Frequenzburst der optimale Frequenzbereich, die optimale Schrittweite und die optimale "AN"-Dauer gewählt werden. Es hat sich allgemein herausgestellt, daß der beschallende Strahl um so länger "AN" sein sollte, je größer das Ziel ist. Natürlich muß jede bestimmte Frequenz so lange auf "AN" gehalten werden, daß sich die Interferenzmuster entwickeln können. Ziel ist es, eine gegebene Frequenz so lange zu senden, daß das gewünschte Interferenzmuster zwischen dem rückgestreuten Signal und der ankommenden Energie erzeugt werden kann, während gleichzeitig, wenn möglich, eine Kriechwelle um den Umfang des Kabels herum erzeugt werden kann. Hier allerdings muß ein Kompromiß zwischen der Impulsdauer und der resultierenden Bandbreite des Rücksignals gefunden werden: Im allgemeinen sollte diese Bandbreite auf ein Minimum reduziert werden, um Konzentration und eine ausreichende Stärke der Interferenzsignalmuster sicherzustellen. Es kann auch wunschenswert sein, die optimale Ellipsenform der Ausleuchtzone des Strahls für ein Kabel mit einer bestimmten Größe und Struktur zu bestimmen.
Je mehr Schrittbeträge in einem Betriebsdurchlauf erzeugt werden, desto länger dauert es, einen Übertragungsblock für einen Linienzug zu vervollständigen, und desto langsamer muß sich das Suchfahrzeug dementsprechend bewegen. Andererseits wird es mit mehr Übertragungsblöcken pro Durchlauf und mit mehr Schrittbeträgen in jedem Übertragungsblock umso wahrscheinlicher, daß die Analyse der Übertragungsblöcke im Vergleich mit Übertragungsblöcken in der Referenzbibliothek zu einer positiven Identifizierung führt.
Die im Linienzug der Signatur vorhandenen Frequenzkerben sind die am leichtesten zu verwendenden Indikatoren für die Identität des vergrabenen Objekts. So zum Beispiel sind die beiden in FIG. 8-10 mit den "V"- förmigen Kerben gezeigten Linienzüge der Übertragungsblöcke allgemein charakteristisch für Signaturen, die von länglichen vergrabenen zylindrischen Objekten mit kleinem Durchmesser ausgehen. Andererseits wird ein Fels oder ein Verstärker oder eine Mine, besonders über mehrere unterschiedliche streifende Winkel, eine erkennbar unterschiedliche Menge von Signaturkerben aufweisen. Diese Referenzsignale können jedoch brauchbar in die zur Lokalisierung vergrabener Kabel zusammengestellte Referenzbibliothek aufgenommen werden, da sie es ermöglichen, verschiedene angetroffene Objekte, die nicht von Interesse sind, auszuschließen.

Beispiel 3

FIG. 3 und 4 veranschaulichen einen weiteren Weg, den Suchstrahl auf Zielgebiete zu werfen; sie veranschaulichen ebenfalls, daß sich aus Beschallen eines vergrabenen länglichen Objekts unter zunehmenden streifenden Winkeln u.a. eine Bestrahlung eines längeren Abschnitts des Objekts sowohl mit positiven als auch negativen Ergebnissen ergibt.
FIG. 2 zeigt das zuerst seitlich des vergrabenen Kabels an einem ortsfesten Punkt befindliche ROV 1, das ein Ziel mit einem unbekannten Objekt erfaßt hat. Es besteht nun die Absicht zu überprüfen, ob ein gesuchtes vergrabenes Kabel vorhanden ist. Zu diesem Zweck wird das ROV in der horizontalen Ebene gedreht, während es in der vertikalen Ebene und der Steigungsebene stillsteht, um den Suchstrahl 6 auf das Ziel zu werfen, um so, wie beschrieben, für jeden von mehreren vorbestimmten, durch Fahrzeugdrehung entwickelten streifenden Winkeln eine Reihe von Übertragungsblöcken von mehreren Frequenzbursts über eine in FIG. 4 gezeigten "Ausleuchtzone" des das Kabel kreuzenden Meeresbodens zu erzeugen. So liefern die vier streifenden Winkel, die in FIG. 3 als 15 Grad Steuerbord, 0 Grad Mittellinie, 5 Grad Backbord und 10 Grad Backbord gezeigt sind, zum Beispiel nützliche Informationen, die mit der Systembibliothek korreliert werden.
Bei dem streifenden Winkel von 15 Grad findet eine Ablenkung des Strahls statt; und ein relativ langer Abschnitt wird beschallt, wie in FIG. 4 zu sehen ist. Allerdings darf der streifende Winkel nicht so groß sein, daß übermäßig phasenverschobene Energie erzeugt wird. Dieser Strahl erzeugt eine für 15 Grad charakteristische Signatur. Auf gleiche Weise werden drei weitere Kabelsignaturen erzeugt, und zwar jeweils eine für jeden der verbleibenden streifenden Winkel. Es sei erwähnt, daß der an der 0 Grad-Mittellinie orientierte Strahl das kürzeste Stück Kabel beschallt und daher eine relativ kleinere Menge von phasenverschobenen Komponenten verursacht.
Die durch das Verfahren von Beispiel 3 erzeugten Kabelsignaturen sind vom Informationsgehalt her zum Beispiel den in FIG. 5-7 dargestellten ähnlich; und die Informationen können im wesentlichen auf gleiche Weise analysiert werden, wie unter Bezugnahme auf obiges Beispiel 2 erläutert wurde.
Es wurde weiter oben erwähnt, daß ein Suchstrahl mit einem elliptisch konfigurierten Querschnitt wunschenswert sein kann. Die Gründe dafür werden nun angeführt. Unter Bezugnahme auf FIG. 8, 9, 10 und 13 streicht bei langsamer Annäherung des Suchstrahls an das Kabel ein Strahl mit einer ellipsenförmigen Ausleuchtzone mit dem entfernten Ende seiner Hauptachse über die Kabelzone und erzeugt dadurch den ersten Beschallungskontakt mit dem Ziel. Bei diesem Verfahren überträgt die ellipsenförmige Ausleuchtzone des Strahls zunächst eine relativ geringfügige Beschallungsenergie, die nur einen kleinen Teil der ersten Fresnel-Zone beschallt. Während die Strahlausleuchtzone mit einem gleichbleibenden Winkel zum Meeresboden weiter über das Kabel fährt, wird mehr und mehr von der ersten Fresnel-Zone beschallt. Die Beschallung und die resultierende Rückstreuenergie nehmen zu, wenn sich die ellipsenförmige Nebenachse [sic] dem Kabel nähert. Das in FIG. 13 zu sehende dunkle Gebiet des Kabels stellt das maximale Beschallungsgebiet der Ellipse auf eine maximale Kabellänge dar. Dabei sind die auf die erzeugten Interferenzmuster zurückzuführenden Signaturinformationen am ausgeprägtesten, wenn die Beschallung auf die erste Fresnel-Zone beschränkt wird. Weitere Informationen über Fresnel-Zonen in der Akustik können dem Werk "Acoustical Oceanography Principles and Applications" (Akustische Prinzipien und deren Anwendungen in der Ozeanographie) von C. S. Clay und H. Medwin, 1977, entnommen werden, das hiermit, soweit relevant, durch Bezugnahme in die Erfindung miteinbezogen wird.

Betrachten oder Verarbeiten von Signatursignalen

Die Referenzsignaturinformationen können auf einem Monitor in Gegenüberstellung mit dem Rückstreusignal von der unbekannten oder unbestätigten Quelle visuell dargestellt werden. Alternativ dazu können die Charakteristika des unbekannten Signalmusters analysiert werden, indem in einem digitalen Signalprozessor die beste Übereinstimmung zwischen den Parametern des unbekannten Signals und mehreren in einer Datenbibliothek enthaltenen bekannten individuellen Referenzsignalen berechnet wird. Die Signalverarbeitungs- und Systemarchitektur, die die Berechnung dieser Korrelation ermöglicht, wird weiter unten beschrieben.

Signalverarbeitung

FIG. 11 ist ein Flußdiagramm, das die bei der Ausübung dieser Erfindung verwendete Folge von grundlegenden Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschritten darstellt. Die verschiedenen Schritte werden als in Blöcken des Flußdiagramms ausgeführte Schritte beschrieben. Die zur Ausführung der Schritte verwendete allgemeine Hardware wird im folgenden beschrieben, wobei bei der Festlegung der Schritte des Flußdiagramms gelegentlich auch auf die Hardwareelemente Bezug genommen wird.
Bei den nachfolgenden Funktionsbeschreibungen verarbeiten Schritte A bis F einzelne Meßpunkte. Schritte G bis O verarbeiten Übertragungsblöcke, nachdem Meßdaten an einem vollständigen Übertragungsblock durch wiederholtes Ausführen der Schritte A-F erfaßt worden sind. Jeder Meßpunkt enthält eine große Vielzahl von Datenproben, zum Beispiel 584. Jede dieser 584 Datenproben wird mit jedem Koeffizienten, zum Beispiel 128, des unten erwähnten Filterschritts C multipliziert und dann summiert, um einen Meßpunkt zu erzeugen. Die Puffer, auf die hiernach Bezug genommen wird, sind einfach herkömmliche Plätze im Speicher des Prozessors 26 oder in dem dem Prozessor 26 zugeordneten RAM 27. Bei allen unten in Schritten A-F beschriebenen datenverarbeitenden Vorgängen werden diese Speicher benutzt. Ein Datenwort wird solange in einem Puffer (RAM) gespeichert, bis auf die Datenworte vom Prozessor zu geeigneter Zeit, wie vom Algorithmus bestimmt, zugegriffen wird, wonach es arithmetisch behandelt und zur Verwendung durch die darauffolgende Stufe des Algorithmus wieder im Speicher gespeichert wird.
Schritt A - Diese Funktion erzeugt eine Folge von Tonfrequenzbursts, wobei jeder Burst zeitlich und mit einer unterschiedlichen Frequenz von seinem Vorgänger getrennt wird solange, bis eine vorbestimmte Anzahl von Schritten, zum Beispiel 128, erzeugt worden ist. Danach wird die Folge unter Steuerung von Schritt F wiederholt. Es wurden Maßnahmen zur Einstellung der Abtastgeschwindigkeit des in FIG. 12 gezeigten Digital-Analog-Wandlers 28 und des Analog-Digital-Wandlers 32 des Empfängers 23 getroffen. Die Werte müssen für die zu analysierenden Signale und die zu erzeugenden Signale oberhalb der Nyquist-Geschwindigkeit liegen. Im allgemeinen wird die Abtastgeschwindigkeit auf den fünffachen Wert der höchsten zu analysierenden Frequenz eingestellt. Zum Ansteuern von Sender 3 stellt Schritt A auch die Spitzenamplitude der analogen Ausgangsspannung eines Digital- Analog-Wandlers 28 ein. Die Schrittfrequenz und die Anzahl der Schritte werden ebenfalls eingestellt.
Schritt B - Diese Funktion steuert die Ausgangsimpulslänge von Sender 3, die Länge eines Empfängereingangspuffers und die Zeitverzögerung des Empfängers 4. Diese Funktion ist nützlich, um eine Überlastung des Empfängers 4 während des Sendeimpulses zu verhindern und die empfangenen Nebengeräusche zu reduzieren. Immer wenn der Sender auf "AN" geschaltet wird, um einen Ausgangsimpuls zu erzeugen, wird der Empfänger auf "AUS" gesteuert. Der Zeitraum, währenddessen der Empfänger 4 auf "AN" gesteuert ist, ist steuerbar, weil dem Bediener möglicherweise nicht genau bekannt ist, zu welchem Zeitpunkt die Rückstreuenergie vom Ziel zum Empfänger zurückkehrt; er wird deshalb den Empfänger 4 zunächst für eine relativ lange Zeitdauer auf "AN" stellen. Ist die Laufzeit zum Ziel und zurück erst einmal bestimmt, kann der Bediener den Empfänger nachregeln, damit nur das gewünschte Rücksignal vom Ziel ausgeblendet und die im Signalprozessor 21 empfangene Rauschhöhe reduziert wird.
Schritt C - Diese Funktion stellt ein Digitalfilter dar, das ein Bandpaßfilter 30 mit endlicher Impulsantwort zum Beseitigen von außerhalb des Bandes liegendem Rauschen umfaßt. Vorteilhafterweise wird ein im wesentlichen linearer Phasenverlauf erzielt, um Rückstreusignale vom Zielkabel ohne Phasenverzerrung zu rekonstruieren. Um ein schmales Übergangsband und einen Nebenkeulenpegel von mehr als 90 dB unterhalb des Durchlaßbandes vorzusehen, werden 127 Filterglieder eingesetzt. Der gesamte Übergangsbereich sollte weniger als 3000 Hz betragen. Der Filterungsschritt wird ausschließlich mit Nullen (keine Pole) realisiert, damit es Eigenstabilität erhält, was eine notwendige Voraussetzung für ein System darstellt, das gepulste Energie verarbeitet.
Schritt D - Diese Funktion nimmt sich als ihr Eingangssignal die Ausgangsdaten von Schritt C und sieht für den Bediener eine Möglichkeit vor, das gewünschte Signal vollständiger aus dem Hintergrundrauschen herauszuziehen. Die Funktion überträgt in der Abtast- und Haltefunktion 31 einen Datenabschnitt, wie vom Bediener festgelegt, von einem Eingangspuffer zu einem Ausgangspuffer (keiner von beiden ist gezeigt). Da die Eingangsdaten gefilterte Abtastwerte der empfangenen Zieldaten im Zeitbereich darstellen, stellt diese Funktion ein Zeitbereichstor dar.
Schritt E - Die Funktion berechnet den Effektivwert der Leistung der in Schritt D gesammelten Daten. Der Ausgang der Funktion ist ein einzelner Meßpunkt, der an Schritt F weitergegeben wird. Dieser Meßpunkt ist daraus entstanden, daß der Sender einen Energieimpuls mit einer einzigen eingestellten Frequenz in den Verstärker erzeugt hat.
Schritt F - Diese Funktion nimmt die vom Bediener festgelegte Anzahl von Eingangsmeßpunkten und hängt sie an die vorausgegangenen Meßpunkte in einem Ausgangsübertragungsblockpuffer im Prozessor 26. Dann überprüft die Funktion, ob die Anzahl angehängter Meßpunkte gleich der vom Bediener angeforderten Anzahl ist, und falls dies nicht zutrifft, veranlaßt Schritt F den Schritt A, zur nächsten Frequenz in seiner Folge zu schreiten und eine Ausgabe zu erzeugen. Dieser Vorgang des Erzeugens eines Impulses und des Empfangens, Filterns, Abschneidens und Berechnens des Effektivwerts des Rücksignals wird dann solange wiederholt, bis Schritt F die erforderliche Anzahl von Meßpunkten in einen Ausgabeübertragungsblockpuffer anhängt. Wenn der Ausgangspuffer voll ist, werden die Daten an den nächsten Funktionsschritt weitergegeben, und der Algorithmus wird rückgesetzt, um mit der Erzeugung der nächsten Impulsmenge zu beginnen.
Schritt G - Die Funktion dieses Schrittes liegt darin, das Gesamtverhalten des Systems für Terminalempfindlichkeitsparameter des Empfängers 4 und Senders 3 als Funktion der Frequenz zu korrigieren. Für einen gegebenen Pegel der Eingangsansteuerung erzeugt der Sender 3 einen Ausgangspegel, der sich mit der Frequenz ändert. Eine ähnliche Änderung des Eingangsignalpegels mit der Frequenz wird für Empfänger 3 festgestellt. Schritt G korrigiert diese Veränderungen, indem er in einem (nicht gezeigten) Eingangspuffer die Daten mit einer Fensterdatenfolge multipliziert, die aus einer sich im Systemspeicher 27 befindenden Datei ausgelesen wird.
Schritt H - Diese Funktion beschränkt die vom System verarbeiteten Daten, damit sie einen gegebenen Datenwertbereich nicht verlassen, so daß die Wahrscheinlichkeit eines Rechnerüberlaufs im Algorithmus ausgeschlossen wird.
Schritt I - Diese Funktion erhöht das Signal- Rausch-Verhältnis des Systems durch Mitteln der Übertragungsblöcke.
Schritt J - Diese Funktion mittelt punktweise die von einem Bediener festgelegte Anzahl von Übertragungsblöcken und hält dann den Mittelwert dieser Übertragungsblöcke für unbestimmte Zeit in einem Ausgangspuffer. Dieser Übertragungsblock von gemittelten Übertragungsblöcken wird als das Untergrund- oder Nebengeräusch des Systems angesehen und von späteren Eingangssignalen subtrahiert. Das heißt, wenn ein Ziel beschallt wird, wird der Empfänger Umgebungsgeräusche zuzüglich des Nutzsignals empfangen; und diese gespeicherten Rauschwerte können von jenem Eingangssignal subtrahiert werden, damit für die Endverarbeitung nur das gewünschte Signal übrigbleibt.
Schritt K - Diese Funktion führt eine herkömmliche punktweise Subtraktion realer Puffer durch. Die an eine sekundäre Eingabe angehängten Eingangsdaten werden von den auf die Primärleitung gegebenen Eingangsdaten subtrahiert. Die Puffer müssen sowohl in bezug auf Größe als auch Art übereinstimmen, sonst wird eine Fehlermeldung erzeugt. Diese Funktion wurde eingefügt, um von dem Ausgangssignal "Signal plus Rauschen" von Schritt I die Rauschausgabe von Schritt J zu subtrahieren, und trägt dazu bei, daß nur das gewünschte Signal zur Endverarbeitung vorgelegt wird.
Schritt L - Diese Funktion liefert die Eingangsdaten an einen Ausgangspuffer, während sie Werte, die gleich oder größer als der untere Grenzwert oder gleich oder kleiner als der obere Grenzwert sind, durch den vom Bediener festgelegten und im Systemspeicher in RAM 27 gespeicherten Wert ersetzt.
Schritt M - Diese Funktion normiert die Zielsignaldaten auf den Bereich Null bis Eins. Auf diese Weise werden alle Signalinformationen der nächsten Stufe im Algorithmus, einer herkömmlichen Leistungsanpassungsfunktion, innerhalb eines Standardbereichs von Datenwerten, vorgelegt.
Schritt N - Diese Funktion korreliert den Eingangsdatenpuffer in Prozessor 26 mit einer festgelegten Anzahl von Bibliotheksdatenmustern und legt die resultierenden Korrelationswerte in einem Ausgangspuffer ab.
Schritt O - Diese Funktion ermöglicht die Übergabe verarbeiteter Daten vom Prozessor 26 an den Computer 42 an der Oberfläche über das ROV-Datenteilsystem mit Modem-Lichtleiter-Einheit 37 und Faserleiter 40. Der Schritt stellt seine Datenpuffer automatisch auf die Größe des Datenworts ein, das von dem Funktionsschritt kommt, mit dem er verbunden ist - in diesem Fall der Leistungsanpassungsfunktion.

Signalverarbeitungsarchitektur

FIG. 12 veranschaulicht in Form eines Blockdiagramms eine Ansicht von Hardware, die die Suchsignale erzeugt und die Verarbeitungsstufen abarbeitet, von einer höheren Ebene.
Im Grunde besteht die im ROV 1 enthaltene Hardware aus einer Steuerung 20, einem Signalprozessor 21, einem Synthetisator 22 und einem Analog-Digital-Wandler 23. Diese Bestandteile sind in einem wasserdichten Behälter 24 untergebracht. Die Verbindungen zu einem Hostrechner 42 an der Wasseroberfläche verlaufen über einen Faserleiter 40.
Der Signalprozessor besteht aus einem digitalen Signalprozessor 26, zum Beispiel einem AT&T WE DSP32. Ein herkömmlicher externer 64 k-RAM-Speicher 27 ist vorgesehen. Der Prozessor 26 ist von der Firma American Telephone and Telegraph Company erhältlich. Er weist eine Architektur mit einer 32-Bit Gleitkomma-Datenarithmetikeinheit und einer 16-Bit Festkomma-Steuer-Arithmetikeinheit auf. Der Prozessor 26 verarbeitet mehr als 6 Millionen Anweisungen pro Sekunde. Alle Anweisungen werden während eines einzigen Taktzyklus ausgeführt. Der Prozessor 26 führt teilweise die Funktionen von Block A in FIG. 12 aus, indem er eine Folge zeitlicher getrennter Tonfrequenzbursts unterschiedlicher Frequenzen erzeugt und die Rückstreusignale in Echtzeit verarbeitet. Der Prozessor 26 stellt die Abtastgeschwindigkeit für den Digital-Analog-Wandler 28 ein, der dem von dem Synthetisator 22 angesteuerten Sender 3 zugeordnet ist. Der Prozessor 26 stellt auch die Abtastgeschwindigkeit für den A/D-Wandler 23 ein, der die Sonarsignatureingaben vom Empfänger 4 empfängt und vorverarbeitet. Der Prozessor 26 stellt auch die Schrittfrequenz und die Anzahl der Schritte ein; und er steuert auch die Ausgabeimpulslänge des Senders 3, die Länge eines im Synthetisator enthaltenen, nicht gezeigten Empfängereingangspuffers und die Zeitverzögerung des Empfängers 4. Der Signalprozessor implementiert Schritte des in FIG. 11 gezeigten Algorithmus.
Der A/D-Wandler 23 weist einen herkömmlichen Vorverstärker auf, der den Pegel des empfangenen Rückstreusignals verstärkt, damit sich das Signal über den vollen Bereich des A/D-Wandlers erstreckt und somit mit optimaler Genauigkeit umgewandelt werden kann. Der Wandler 23 weist auch ein Filter 30 gegen Kürzung auf, das verhindert, daß das empfangene Signal infolge des Abtastvorgangs verfälscht wird.
Der Abtast- und Haltekreis 31 erfaßt und hält einen Pegel des empfangenen Signals, bis der A/D-Wandler seinen Umwandlungsvorgang abgeschlossen hat. Der A/D- Wandler 32 wandelt das empfangene analoge Signal zur Verarbeitung in ein 16-Bit-Wort um. Die DSP-Schnittstelleneinheit 33 verbindet den Wandler 23 auf herkömmliche Weise mit dem Prozessor 26. Die Steuerung 20 enthält einen Prozessor 34, bei dem es sich um einen 80286-Chip von Intel handeln kann. Ein Taktgenerator 35, ein EPROM 36 und ein von RAM 37 vorgesehener externer 1 MB-Speicher dienen dem Prozessor 34 auf herkömmliche Weise. Die Elemente 34-38 bilden einen Allzweckcomputer.
Die Aufgabe des Prozessors 20 ist es, die von den Elementen 21, 22 und 23 abzuarbeitenden Echtzeitprogramme zu speichern und die Initialisierung und den Abschluß der verschiedenen Verfahren zeitlich zu organisieren. Die Verbindungen zwischen dem Prozessor 34 und dem Hostrechner 42 können über Modems 39, 41 und die RS232-Schnittstelle 37 der Steuerung 20 hergestellt sein. Die Tastaturschnittstelle ermöglicht den Anschluß einer Tastatur an das ROV-Untersystem zur manuellen Überprüfung und für richtigen Betrieb vor einem Tauchgang. Die CGA-Schnittstelle 38 liefert Grafik-Anschlußfähigkeit an einen Allzweck-Monitor, um Diagnosefähigkeit vor einem Tauchgang bereitzustellen. Der Hostrechner 42 befindet sich vorteilhafterweise auf der Oberseite des Suchfahrzeugs. Die Bewegung des ROV wird durch Host 42 und zugeordnete Steuerungen gesteuert; und die Suchroutinen der vorliegenden Erfindung werden an die Komponenten an der Oberfläche übermittelt. Der Host 42 weist einen weiteren Digitalsignalprozessor 43 auf, der eine Nachbildung des Prozessors im ROV darstellt und für die Entwicklung von Algorithmen und auch als Reserve verwendet wird, wenn sich das System auf See befindet. Der Bediener hat Zugang zu einem Systemmonitor 45 und zu einem von einer herkömmlichen Graf ikmaschine 44 angesteuerten Grafikmonitor 46.
Die Signalverarbeitungsalgorithmen und die Referenzsignalmuster werden auf Platte 48 gespeichert und anschließend zum Speicher der Steuerung 20 und des Prozessors 21 im ROV übertragen. Der oben beschriebene und in FIG. 11 gezeigte Algorithmus wird ebenfalls zum Speicher des Prozessors 21 übertragen. Die Steuerung 20 veranlaßt die Verarbeitungelemente 21, 22 und 23 dazu, die Algorithmen auszuführen und die Endergebnisse über Faserleiter 40 zum Computer 22 an der Oberfläche hochzuladen, um sie dem Bediener mit Hilfe eines im Computer 42 gespeicherten Grafikprogramms zur Betrachtung auf den Monitoren 45 und 46 anzubieten.

Claims

1. Verfahren zum Identifizieren eines unterhalb einer Wassermasse angeordneten Objekts (5), das folgendes beinhaltet:

(a) Lenken eines diskrete Frequenzbursts enthaltenden Sonarsignals in einem einfallenden Strahl (6) auf das Objekt;

(b) Empfangen eines Teils der akustischen Energie, die durch das Objekt von jedem diskreten Frequenzburst zurückgeleitet wird, wobei der Empfangsschritt derart ausgeführt wird, daß die empfangene Energie auf Rückstreuung (7) und nicht auf spiegelnde Reflexion zurückgeführt wird;

(c) Aufstellen eines Testsatzes von Meßpunkten, wobei jeder Punkt eine der vorgegebenen diskreten Frequenzen und die zugehörige empfangene Amplitude beinhaltet;

(d) Liefern einer Referenzbibliothek von Meßpunktsätzen, wobei jeder Referenzsatz eine bestimmte Objektstruktur darstellt; und

(e) Bestimmen, welcher der Referenzsätze dem Testsatz am nächsten kommt;

dadurch gekennzeichnet, daß:

(f) die diskreten Frequenzbursts als eine Reihenfolge von Bursts abgegeben werden;

(g) während des Lenkungsschritts jeder diskrete Frequenzburst so lange beibehalten wird, daß sich ein Interferenzmuster zwischen dem einfallenden Strahl und der Rückstreuung entwickeln kann;

(h) weiterhin der Empfangsschritt derart ausgeführt wird, daß die empfangene Energie nach Modulation durch das Interferenzmuster empfangen wird; und

(i) das zu identifizierende Objekt ein Kabel ist und jeder Referenzsatz eine bestimmte Kabelstruktur darstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich die individuellen Frequenzen in den aufeinanderfolgenden Bursts durch einen konstanten Zuwachs von jedem Burst zum nächsten unterscheiden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei jeder Testsatz und jeder Referenzsatz ein akustisches Spektrogramm darstellen, das kerbenartige Merkmale aufweist, und der konstante Frequenzzuwachs klein genug ist, die kerbenartigen Merkmale aufzulösen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Lenkungsschritt bei einer Mehrzahl von streifenden Winkeln zwischen der Richtung des einfallenden Strahls und dem Kabel ausgeführt wird und jeder Testsatz und jeder Referenzsatz mit einem vorgegebenen streifenden Winkel gleichgesetzt wird.