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Dokumentenidentifikation DE10130297A1 23.01.2003
Titel Verfahren zum Bestimmen der Zielposition eines schallabstrahlenden Ziels
Anmelder STN ATLAS Elektronik GmbH, 28309 Bremen, DE
Erfinder Arens, Egidius, 28832 Achim, DE;
Meyer, Ralf, 28215 Bremen, DE;
Nirmaier, Thomas, 69198 Schriesheim, DE
Vertreter Thul, H., Dipl.Phys., Pat.-Anw., 41066 Mönchengladbach
DE-Anmeldedatum 22.06.2001
DE-Aktenzeichen 10130297
Offenlegungstag 23.01.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.01.2003
IPC-Hauptklasse G01S 5/22
Zusammenfassung Bei einem Verfahren zum Bestimmen der Zielposition eines schallabstrahlenden Ziels unter Auswertung des vom Ziel abgestrahlen Schalls, der auf direktem Ausbreitungsweg und auf durch Reflexionen entstehenden indirekten Ausbreitungswegen von einem Schallempfänger mit einer Mehrzahl von elektroakustischen Wandlern empfangen wird, werden zu einer verbesserten Zielpositionsbestimmung von nur breitbandig Schall abstrahlenden Zielen die elektrischen Ausgangssignale der Wandler richtungsselektiv zu Gruppensignalen addiert, in den Gruppensignalen Laufzeitdifferenzen zwischen dem direkten Ausbreitungsweg und indirekten Ausbreitungswegen gemessen, mittels eines Modells der Schallausbreitung für angenommene Zielpositionen gleiche Laufzeitdifferenzen bestimmt und die Modell-Laufzeitdifferenzen mit den Meß-Laufzeitdifferenzen verglichen. Die Bestimmung der Modell-Laufzeitdifferenzen mit jeweils geänderten Zielpositionsannahmen wird solange wiederholt, bis der Vergleich einen vorgegebenen Grad der Übereinstimmung ergibt. Die zum Erreichen dieses Übereinstimmungsgrads getroffene Zielpositionsannahme wird als echte Zielposition ausgegeben.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Zielposition eines Schall ins Wasser abstrahlenden Ziels der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (DE 37 05 695 C1) wird der mit kleinen elektroakustischen Wandlern, dort Sensoren genannt, ausgestattete Schallempfänger, dort Sonarempfänger genannt, in einer ersten Wassertiefe angeordnet und ein erster Näherungswert der Laufdifferenzen des Schalls zwischen dem direkten Ausbreitungsweg und einem indirekten Ausbreitungsweg mit Oberflächenreflexion zu einer ersten Zeit bestimmt. Anschließend wird der Schallempfänger in eine zweite Wassertiefe verbracht und ein zweiter Näherungswert der Laufzeitdifferenz des Schalls zwischen dem direkten Ausbreitungsweg und einem indirekten Ausbreitungsweg mit Oberflächenreflexion zu einer zweiten Zeit bestimmt. Auf der Grundlage der beiden Näherungswerte für die Laufzeitdifferenzen, einem Näherungswert für die Geschwindigkeit des Schallempfängers in der Horizontalebene und dem Zeitintervall zwischen erster und zweiter Zeit wird eine Näherungswert für die Zielentfernung berechnet und daraus ein Näherungswert für die Zieltiefe abgeleitet.

Bei einem unter dem Begriff "Pingstealing" bekannten Verfahren, das ein aktiv Schallimpulse abstrahlendes Ziel - wie es z. B. ein aktiv ortendes Torpedosonar eines Torpedos darstellt - voraussetzt (US 4 312 053), wird mittels eines getauchten Schallempfängers der Einfallswinkel der akustischen Energie innerhalb eines Schallimpulses als Funktion der Zeit gemessen. Diese Daten werden dann in Mehrwege-Einfallswinkel und Mehrwege-Laufzeitdifferenzen umgesetzt und damit ein mathematisches Gleichungssystem zur Berechnung der Zielentfernung und Zieltiefe gelöst.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das auch mit vom Ziel nur breitbandig abgestrahlter akustischer Energie, wie z. B. Antriebsgeräusche eines sich bewegenden Ziels, ohne zusätzliche Bedingungen, wie z. B. eine Horizontal- und Vertikalbewegung des Schallempfängers, insbesondere in Flachwassergebieten sehr genaue Ergebnisse bei der Zielvermessung liefert.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß durch die Bildung der Gruppensignale zum Zwecke eines richtungsabhängigen Anhebens des Nutz-Stör-Verhältnisses (SNR) und durch die Auswertung der in den Gruppensignalen enthaltenen Laufzeitdifferenzen zwischen unterschiedlichen Ausbreitungswegen mittels Vergleich mit einer Modellannahme der Schallausbreitung auch bei geringen Wassertiefen die Zielposition aufgrund der vom Ziel abgestrahlten Geräusche zuverlässig genau bestimmt wird. Bereits mit einfachen geometrischen Ausbreitungsmodellen für den Schall kann die Zielposition mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit bestimmt werden. Mit der Kenntnis der Zieltiefe läßt sich darüber hinaus der azimutale Peilwinkel des Ziels mit einem berechenbaren Elevationswinkel des Schalleinfalls korrigieren und so das Toleranzgebiet der Zielposition einengen. Das Verfahren ist auch in der Lage, ein Ziel zu detektieren und die Zielpeilung zu bestimmen, wenn die richtungsselektive Bildung der Gruppensignale kontinuierlich über den gesamten Azimut durchgeführt wird und auf alle Gruppensignale die erfindungsgemäße Signalverarbeitung angewandt wird. Selbstverständlich ist das Verfahren auch bei Zielen anwendbar, die aktiv senden, also Schallimpulse oder schmalbandige akustische Signale abstrahlen.

Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Der Abgleich zwischen Modell und messung kann auf verschiedenen Ebenen stattfinden, wobei der Grad der Übereinstimmung ein Maß für die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Ziels in der angenommenen Zielposition ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein direkter Vergleich der Modell- und Meß-Laufzeitdifferenzen durchgeführt, indem als Kriterium die Summe der minimalen Abstandsquadrate der Modell-Laufzeitdifferenzen zu ihren nächsten Nachbarn in der Menge der Meß-Laufzeitdifferenzen verwendet wird. Der vorgegebene Grad der Übereinstimmung ist dann erreicht, wenn die Summe dieser minimalen Abstandsquadrate innerhalb eines Konfidenzintervalls liegt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden dabei die minimalen Abstandsquadrate vor Summenbildung mit einem Wichtungsfaktor wi multipliziert, wobei als Wichtungsfaktor wi eine Potenz der Anzahl nB, nO mit den Reflexionsfaktoren RB, RO im Ausbreitungsweg i gemäß





benutzt wird. Der Reflexionsfaktor RB am Boden B und der Reflexionsfaktor an der Oberfläche O eines durch Boden B und Oberfläche O begrenzten Schallkanals wird plausibel zwischen 0 und 1 gewählt. Durch diese Wichtung wirken sich stark gedämpfte und nicht identifizierbare Meß-Laufzeitdifferenzen höherer Ordnung nicht verfälschend auf die Aufenthaltswahrscheinlichkeit aus.

Die Identifizierung der in jedem aus den elektrischen Ausgangssignalen von i elektrischen Wandlern gebildeten Gruppensignal, auch Beam genannt, der als kohärente Überlagerung laufzeitverzögerter Signale angesehen werden kann, enthaltenen Laufzeitdifferenzen kann nach verschiedenen Methoden erfolgen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird zur Laufzeitanalyse die Autokorrelationsfunktion des Gruppensignals gemessen, und die Meß-Laufzeitdifferenzen werden durch Auswertung der Maxima der Autokorrelationsfunktion gewonnen. Da die Autokorrelationsfunktion eines breitbandigen Signals mit der Bandbreite B Nebenmaxima mit abnehmender Amplitude im Abstand Δt = 1/B besitzt, lassen sich in der Autokorrelationsfunktion benachbarte Hauptmaxima nur dann voneinander trennen, wenn die Amplitude der Nebenmaxima ausreichend schnell abfallen, was bedingt, daß das Signal geeignet breitbandig sein muß.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Identifizierung der im Gruppensignal enthaltenen Laufzeitdifferenzen mittels einer Cepstralanalyse vorgenommen. Das reelle Cepstrum ist definiert als Fouriertransformierte des Logarithmus des Absolutwerts des Autospektrums eines Signals





wobei X(eiωt) die Fouriertransformierte des Signals darstellt. Die im Autospektrum enthaltenen Laufzeitdifferenzen lassen sich in der Fouriertransformierten des Spektrums, also im Cepstrum, anhand der dort auftretenden Maxima identifizieren. Zur Identifizierung der Maxima spielen die Längen der Fouriertransformation für das Autospektrum und dessen Fouriertransformierten eine entscheidende Rolle. Die Länge des Autospektrums soll daher möglichst groß sein, darf aber die zeitliche Kohärenzlänge des Signals nicht überschreiten, da dann die Maxima im Cepstrum wieder verschwinden.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann bei der Identifizierung der im Gruppensignal enthaltenen Laufzeitdifferenzen durch Bestimmung des Cepstrums des Gruppensignals der Vergleich der Modell-Laufzeitdifferenzen mit den Meß-Laufzeitdifferenzen in der Weise vorgenommen werden, daß mit den Modell-Laufzeitdifferenzen ein Modell- Cepstrum gebildet wird und Modell-Cepstrum und gemessenes Cepstrum unmittelbar miteinander verglichen werden.

Als Modelle für die Schallausbreitung zur Bestimmung der Modell-Laufzeitdifferenzen aufgrund von Zielpositionsannahmen werden von der Vielzahl bekannter Modelle für die Mehrwegeausbreitung des Schalls in einem Schallkanal die geeigneten Modelle herangezogen. Solche Modelle sind beispielsweise in [1] angegeben.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein einfaches geometrisches Modell in einem Flachwassergebiet mit der Wassertiefe zw bei ebenem Gewässerboden und konstantem Schallgeschwindigkeitsprofil zugrundegelegt. Bei einer bekannten Tiefe ZE des Schallempfängers und einer angenommenen Zieltiefe zS und azimutalen Zielentfernung x wird die Schallaufzeit tk für k ausgewähle Ausbreitungswege gemäß





berechnet, wobei c die konstante Schallgeschwindigkeit und zk der Weg ist, den der Schall in jedem Ausbreitungsweg k ausschließlich in vertikaler Richtung zurücklegt.

Mit einem solchen einfachen geometrischen Modell werden mit geringem Rechenaufwand bereits ausreichend genaue Ergebnisse in der Vermessung der Zielposition eines detektierten Ziels erzielt.

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

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Erläuterung des Verfahrens zum Bestimmen der Zielposition eines schallabstrahlenden Ziels,

Fig. 2 ein Diagramm einer Autokorrelationsfunktion eines Gruppensignals zur Bestimmung der Meß- Laufzeitdifferenzen,

Fig. 3 ein Diagramm eines Cepstrums des gleichen Gruppensignals zur Bestimmung der Meß- Laufzeitdifferenzen,

Fig. 4 eine grafische Darstellung eines geometrischen Schallausbreitungsmodells mit Berechnung der Schallaufzeiten in den einzelnen Ausbreitungswegen,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer gegenüber Fig. 1 modifizierten Schaltungsanordnung.

Bei dem nachfolgend beschriebenen Verfahren zum Bestimmen der Zielposition eines Schall ins Wasser abstrahlenden Ziels von einem zielfernen, untergetauchten Schallempfänger aus, wird die Tatsache ausgenutzt, daß sich im Wasser aufgrund von Temperaturschichtungen oder aufgrund nur begrenzter Wassertiefe Schallkanäle bilden, in denen sich der Schall auf verschiedenen, reflexionsbedingten Ausbreitungswegen unterschiedlicher Länge ausbreitet und damit nach unterschiedlichen Laufzeiten am Schallempfänger eintrifft, so daß ein vom Schallempfänger aufgenommenes Empfangssignal zeitliche Überlagerung des gleichen Signals enthält. Ein Ziel ist jede im Wasser befindliche Schallquelle, wie sie z. B. von den Antriebsmaschinen oder sonstigen geräuscherzeugenden Arbeitsaggregaten eines Oberflächenschiffes, U-Boots oder Torpedos gebildet wird. Der von diesen Maschinen und Aggregaten ausgesendete Schall ist breitbandig. Die Schallquelle kann aber auch ein aktiv sendendes Sonar sein, das in einem Oberflächenschiff, U-Boot oder Torpedo installiert ist und Schallimpulse ins Wasser abstrahlt. Der Schallempfänger 10, der auf einer ins Wasser eintauchenden Plattform, z. B. einem U-Boot, installiert ist, weist in bekannter Weise eine Mehrzahl von elektroakustischen Wandlern 11 auf, die im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 eine Linearantenne bilden, wie sie z. B. als Schleppantenne (Towed- Array) oder als am Bootskörper befestigte Seitenantenne (Flank-Array), mitunter auch als Bordwandstreamer bezeichnet, bei U-Booten verwendet wird.

Die elektrischen Ausgangssignale der Wandler 11 werden in bekannter Weise mittels eines Beamformers oder Richtungsbildners 12 richtungsselektiv zu Gruppensignalen addiert. Hierzu werden im Richtungsbildner 12 die Ausgangssignale der Wandler 11 Zeit- oder phasenverzögert, und zwar derart, daß unter Berücksichtigung der gewünschten Einfalls- oder Peilrichtung θm alle Empfangssignale der Wandler 11 konphas sind. Die Verzögerungszeiten τn,m werden für jeden Wandler 11 für eine vorgegeben Peilrichtung θm von dem Verzögerungsrechner 23 zur Verfügung gestellt. Die in jeder Peilrichtung θm erhaltenen konphasen Ausgangssignale werden im Richtungsbildner 12 addiert und in einen Speicher 13 in Zuordnung zu der jeweiligen Peilrichtung θm abgelegt. Ein Pegeldetektor 14 ermittelt aus den Pegeln der abgespeicherten Gruppensignale die größten Pegel und gibt die den größten Pegeln der Gruppensignale zugeordneten Peilrichtungen θm als Zielpeilungen θZ aus, die einer Anzeigevorrichtung 15 zugeführt und in dieser numerisch und grafisch dargestellt werden.

Für eine Zielpeilung mit dem Peilwinkel θZ wird aus dem Speicher 13 das zugeordnete Gruppensignal ausgelesen, und zur Bestimmung der Zielposition des unter dem Peilwinkel θZ detektierten Ziels wird dieses Gruppensignal einer Signalverarbeitung wie folgt unterzogen:

In dem Gruppensignal werden mittels einer Laufzeitanalyse in dem Signalverarbeitungsblock 16 die im Gruppensignal enthaltenen Laufzeitdifferenzen zwischen dem direkten Ausbreitungsweg des Schalls und den durch Reflexionen im Schallkanal entstehenden indirekten Ausbreitungswegen des Schalls zwischen dem Ziel und dem Schallempfänger 10 als Meß- Laufzeitdifferenzen gemessen. In einem Modellblock 17 werden mittels eines ausgewählten Modells der Schallausbreitung in einem Schallkanal für eine angenommene Zielposition, die bestimmt ist durch eine angenommene Zielentfernung x und eine angenommene Zieltiefe zS, die Laufzeitdifferenzen zwischen dem direkten Ausbreitungsweg und ausgewählten indirekten Ausbreitungswegen des Schalls vom Ziel zum Schallempfänger 10 als Modell-Laufzeitdifferenzen bestimmt. Die Meß- Laufzeitdifferenzen aus dem Signalverarbeitungsblock 16 und die Modell-Laufzeitdifferenzen aus dem Modellblock 17 werden einer Vergleichslogik 18 zugeführt. In der Vergleichslogik 18 werden die Modell-Laufzeitdifferenzen mit dem Meß- Laufzeitdifferenzen verglichen. Ergibt der Vergleich einen nicht ausreichenden Grad der Übereinstimmung, so wird die Bestimmung der Modell-Laufzeitdifferenzen im Modellblock 17 mit einer geänderten Zielpositionsannahme wiederholt, und die neuen Modell-Laufzeitdifferenzen werden erneut mit den Meß- Laufzeitdifferenzen verglichen. Hierzu wird jeweils ein Zielpositions-Vorgabemodell 22 von dem Komparator 19 aktiviert, der die neue Zielpositionsannahme der Vergleichslogik 18 und einem Tor 21 zugeführt. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis der Vergleich der Modell- Laufzeitdifferenzen mit den Meß-Laufzeitdifferenzen einen ausreichenden Grad der Übereinstimmung ergibt. Ist dies der Fall, dann wird von dem Komparator 19 das Tor 21 geöffnet und die zum Erreichen dieses Übereinstimmungsgrads zuletzt getroffene Zielpositionsannahme als echte Zielposition mit der Zielentfernung xS* und der Zieltiefe zS* an die Anzeigevorrichtung 15 ausgegeben und in der Anzeigevorrichtung 15 grafisch und numerisch dargestellt.

Die Vergleichslogik 18, die durch Vergleich der Modell- und Meß-Laufzeitdifferenzen die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Ziels an der angenommenen Zielposition ermittelt, kann nach verschiedenen Algorithmen arbeiten. Im Ausführungsbeispiel arbeitet die Vergleichslogik 18 nach dem Least-Square- Verfahren. Die Wahrscheinlichkeit, bei der angenommenen Zielposition das Ziel zu finden, ist danach umgekehrt proportional zur summe der kleinsten Abstandsquadrate der Modell-Laufzeitdifferenzen und der Meß-Laufzeitdifferenzen. Dabei wird im Modell zunächst die Anzahl nM der zu berücksichtigenden Laufzeitdifferenzen festgelegt, die vom Signal-Noise-Ration (SNR) des Gruppensignals, von der maximalen Anzahl der indirekten Ausbreitungswege u. a. abhängt. Dann wird für jede Modell-Laufzeitdifferenz tM,i diejenige Laufzeit tmin(i) gesucht, die einer beliebigen Meß- Laufzeitdifferenz tc,k am nächsten kommt. i ist der Index der Modell-Laufzeitdifferenzen und k der Index der Meß- Laufzeitdifferenzen. Der mathematische Ausdruck hierfür ist



tmin(i) = tk (4)



mit



k = arg min|tM,i - tC,k| (5).

Die Funktion argmin liefert das Argument, d. h. den Index k für den der Ausdruck auf der rechten Seite von Gl. (5) minimal ist, hier also den Index k einer Meß-Laufzeitdifferenz mit minimalem Abstand zu einer Modell-Laufzeitdifferenz.

Schließlich wird die Summe der minimalen Abstandsquadrate über alle Modell-Laufzeitdifferenzen gemäß:





gebildet. Das Minimum von K(zS,x) liefert Zielentfernung und Zieltiefe.

Die Summe K(zS,x) dieser kleinsten Abstandsquadrate wird in einem Komparator 19 mit einem Konfidenzintervall KI verglichen. Liegt K(zS,x) nicht innerhalb dieses Konfidenzintervalls KI, so wird vom Komparator 19 im Block 20 eine neue Zielpositionsannahme mit einer neuen Zieltiefe zS und Zielentfernung x ausgelöst, die dem Modellblock 17 zugeführt wird und zu einer neuen Berechnung der Modell- Laufzeitdifferenzen für die neue Zielpositionsannahme führt. In der Vergleichslogik 18 wird wiederum die Summe K(zS,x) der kleinsten Abstandsquadrate gebildet und im Komparator 19 mit dem Konfidenzintervall KI verglichen. Liegt schließlich bei einer gewählten Zielpositionsannahme die Summe K(zS,x) der kleinsten Abstandsquadrate innerhalb des Konfidenzintervalls KI, so wird von dem Komparator 19 das Tor 21 geöffnet, und die zuletzt getroffene Zielpositionsannahme wird als echte Zielposition mit der Zielentfernung x* und Zieltiefe zS* der Anzeigevorrichtung 15 zugeführt und dort grafisch und numerisch dargestellt.

Alternativ zu der Abprüfung mit einem Konfidenzintervall können die Summen der minimalen Abstandsquadrate in Wahrscheinlichkeiten umgerechnet werden und ein 2D- oder 3D- Plot für die Aufenthaltswahrscheinlichkeit bestimmt wird. Ein Maß für die Aufenthaltswahrscheinlichkeit P(zS,x) eines Ziels in der angenommenen Zielposition ist der Kehrwert der Summe K(zS,x) der minimalen Abstandsquadrate. Je geringer K(zS,x) ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, daß sich das Ziel bei den angenommenen Koordinaten x,zS der Zielposition befindet. Die Summe muß noch derart normiert werden, daß das räumliche Integral über alle Wahrscheinlichkeitsdichten bzw. die summe über alle P(zS,x) gleich 1 ist, also gilt





Nach dieser Normierung können für die Vielzahl der angenommenen Zielpositionen die Wahrscheinlichkeitsdichten pro Fläche im Zielgebiet dargestellt werden. Ein Algorithmus oder ein Operator kann in der Darstellung erkennen, ob eine mehrdeutige Situation mit mehreren lokalen Maxima und potentiellen Zielpositionen vorliegt oder ob die Situation eindeutig ist.

Um den Einfluß von stark gedämpften, durch die Laufzeitanalyse nicht eindeutig identifizierbare Meß- Laufzeitdifferenzen höherer Ordnung zu reduzieren, werden in der Vergleichslogik die minimalen Abstandsquadrate vor Summenbildung mit einem Wichtungsfaktor wi gewichtet, der in dem Block 22 generiert wird. Die Wichtungsfaktoren, die abhängig sind von der Anzahl der Schallreflexionen in indirekten Ausbreitungswegen, können direkt aus dem Schallausbreitungsmodell abgelegt werden. Bei einem nachfolgend noch beschriebenen einfachen Schallausbreitungsmodell finden beispielsweise in Reflexionen des Schalls mit dem Reflexionsfaktor R in jedem indirekten Ausbreitungsweg statt, wobei die Amplitude der Schallwelle sich um den Faktor Rn reduziert. Da der Reflextionsfaktor RB am Boden und der Reflexionsfaktor RO an der Oberfläche des Schallkanals unterschiedlich sind, setzen sich die Wichtungsfaktoren wi in jedem Ausbreitungsweg i aus dem Teil mit Bodenreflexion und aus dem Teil der Oberflächenreflexion gemäß





zusammen, wobei nB die Anzahl der Bodenreflexionen und nO die Anzahl der Oberflächenreflexionen ist. Für die Reflexionsfaktoren RB und RO werden plausible Werte zwischen 0 und 1 verwendet, die a priori festgelegt werden. Beispielsweise wird der Reflexionsfaktor RB = 0,5 und der Reflexionsfaktor RO = 0,75, Bei zwei Bodenreflexionen und einer Oberflächenreflexion im q-ten Ausbreitungsweg ergäbe sich ein Wichtungsfaktor wq = 0,325 mit dem das minimale Abstandsquadrat (tM,q - tmin(q))2 des Ausbreitungswegs i = q multipliziert werden müßte.

Die Laufzeitanalyse zur Ermittlung der im Gruppensignal enthaltenden Meß-Laufzeitdifferenzen kann auf verschiedene Weise vorgenommen werden. In einem ersten Ausführungsbeispiel wird zur Laufzeitanalyse die Autokorrelationsfunktion des Gruppensignals gebildet. Eine solche Bildung der Autokorrelationsfunktion ist in [2] beschrieben. Die Autokorrelationsfunktion besteht bei Mehrwegeausbreitung aus einer Überlagerung von Autokorrelationsfunktionen, die jeweils um die Differenzen der relativen Laufzeiten verschoben sind. Diese Laufzeitdifferenzen können durch Auswerten der Maxima der Autokorrelationsfunktion des Gruppensignals bestimmt werden, wobei aufgrund der Symmetrie der Autokorrelationsfunktion nur positive Laufzeitdifferenzen berücksichtigt werden. In Fig. 2 ist eine solche Autokorrelationsfunktion dargestellt. Deutlich ist ein Maximum bei einer Laufzeitdifferenz 0 ms zu sehen, das dem direkten Schallausbreitungsweg entspricht. Weitere Maxima sind bei 2 ms, 8 ms und 10 ms zu finden, die Laufzeitdifferenzen zwischen dem direkten Ausbreitungsweg und zwei indirekten Ausbreitungswegen sowie zwischen den beiden indirekten Ausbreitungswegen definieren. Die Maxima sind mit Δt1,2, Δt1,3, und Δt2,3 gekennzeichnet.

Bevorzugt wird zur Laufzeitanalyse im Signalverarbeitungsblock 16 eine Cepstralanalyse auf das Gruppensignal angewendet und die Meß-Laufzeitdifferenzen durch Auswertung der Maxima im Cepstrum gewonnen. Die Cepstralanalyse ist an sich bekannt und in [3] beschrieben. Wie bereits erwähnt ist das reelle Cepstrum definiert als Fouriertransformiert des Logarithmus des Absolutwerts des Autospektrums des Gruppensignals gemäß Gl. (1), wobei X(eiωt) die Fouriertransformierte des Signals darstellt. Die Laufzeitdifferenzen lassen sich in den Maxima des Cepstrums leicht identifizieren. Ein Beispiel eines aus einer Cepstralanalyse gewonnenen Cepstrums ist in Fig. 3 dargestellt. Die Laufzeitdifferenz Δt1,2 zwischen dem direkten Ausbreitungsweg und einem ersten indirekten Ausbreitungsweg ist bei 2 ms zu finden. Die Laufzeitdifferenz Δt1,3 zwischen dem direkten Ausbreitungsweg und einen zweiten indirekten Ausbreitungsweg beträgt 10 ms, während noch eine Laufzeitdifferenz Δt2,3 zwischen dem ersten und zweiten indirekten Ausbreitungsweg durch das Maximum bei 8 ms identifiziert wird. Ein Vergleich mit der Autokorrelationsfunktion gemäß Fig. 2 zeigt, daß diese Laufzeitdifferenzen in gleicher Größe auch in der Autokorrelationsfunktion zu finden sind. Im Cepstrum lassen sich die Maxima aber wesentlich leichter identifizieren, weil hier keine Nebenmaxima auftauchen - wie dies in der Autokorrelationsfunktion der Fall ist - und somit reale Maxima von vorhandenen Reflexionen nicht mit Nebenmaxima verwechselt werden können.

Als Modelle für die Erstellung der Modell-Laufzeitdifferenzen können von dem bereits bekannten Modellen entsprechend geeignete ausgewählt und in dem vorgestellten Verfahren eingesetzt werden. In [1] sind verschiedene Modelle angegeben, die ggf. mit entsprechender Anpassung oder Modifikation verwendet werden können. Ein ebenfalls geeignetes Schallausbreitungsmodell ist unter dem Namen "RAY" bekannt und in [4] beschrieben. Aber auch die Verwendung eines einfachen geometrischen Schallausbreitungsmodells, das im folgenden beschrieben wird, zeigt bereits recht gute Ergebnisse in der Genauigkeit der Bestimmung einer Zielposition.

In Fig. 4 ist ein in einem Flachwassergebiet von z. B. einer Wassertiefe von ca. 200 m sich bildender Schallkanal, in dem ein Ziel S in einer Zieltiefe zS und ein Schallempfänger E in der Empfangstiefe zE angeordnet sind, und voneinander eine Entfernung x aufweisen, schematisch dargestellt. Mit O ist die Wasseroberfläche und mit B der Boden des Schallkanals bezeichnet. Der Boden B wird als eben und das Schallgeschwindigkeitsprofil des Schallkanals als konstant mit der konstanten Schallgeschwindigkeit c angenommen. Der vom Sender S abgestrahlte Schall gelangt einmal auf direktem Ausbreitungsweg zum Empfänger E und zum anderen auf indirekten Ausbreitungswegen durch Reflexionen an der Oberfläche O und am Boden B zu dem Empfänger E. Der direkte Ausbreitungsweg ist in Fig. 4 mit der Ordnungszahl k = 1 bezeichnet und ausgezogen dargestellt. Die indirekten Ausbreitungswege sind in Fig. 4 mit k = 2 bis k = 5 bezeichnet, wobei der strichlinierte Ausbreitungsweg k = 2 eine Reflexion des Schalls an der Wasseroberfläche O und der strichliniert dargestellte indirekte Ausbreitungsweg k = 3 eine Reflexion des Schalls am Boden B enthält. Die beiden weiteren strichpunktiert und punktiert dargestellten indirekten Ausbreitungswege k = 4 und k = 5 enthalten jeweils eine Reflexion des Schalls an der Wasseroberfläche O und am Boden B.

Der Weg, den der Schall in jedem der k-Ausbreitungswege zurücklegen muß und tk.c beträgt, kann durch Annahme entsprechender Spiegelziele S' und S" oder Spiegelempfänger E' und E" für die verschiedenen Ordnungen der Ausbreitungswege berechnet werden. Die Geometrie für die Berechnung des indirekten Ausbreitungsweges k = 4 ist in Fig. 4 durch das dargestellte rechtwinklige Dreieck, dessen Hypothenuse sich zwischen dem Spiegelziel S' und dem Spiegelempfänger E" erstreckt und dessen eine Kathete von der Entfernung x gebildet wird, herausgehoben. Allgemein berechnet sich die Laufzeit tk für jeden der k- Ausbreitungswege gemäß Gl. (2) zu





wobei zk der Weg ist, den der Schall ausschließlich in vertikaler Richtung zurücklegen muß. In Fig. 4 ist die Berechnung des Wertes zk für die Ausbreitungwege k = 1 bis k = 5 angegeben. Der Elevationswinkel Φk der Schalleinfallsrichtung am Empfänger E bei Schallausbreitung über die Ausbreitungswege k berechnet sich zu





und kann zur Korrektur des gemessenen Peilwinkels θZ verwendet werden. Der Einfallswinkel des über den Ausbreitungsweg k = 4 am Empfänger E eintreffenden Schalls ist in Fig. 4 mit Φ4 eingezeichnet.

Mittels des geometrischen Modells werden mit Vorgabe einer angenommenen Zielentfernung x und einer angenommen Zieltiefe zS die Laufzeiten tk für ausgewählte Ausbreitungswege des Schalls im Schallkanal bestimmt. Die Laufzeitdifferenzen tM,i werden durch Subtraktion der Laufzeiten t1 für den direkten Ausbreitungsweg k = 1 von dem jeweiligen indirekten Ausbreitungsweg tk mit k größer 1 gewonnen und - wie beschrieben - der Vergleichslogik 18 zugeführt.

In dem Fall, in dem zur Gewinnung der Meß-Laufzeitdifferenzen im Signalverarbeitungsblock 16 mittels Cepstralanalyse das Cepstrum des Gruppensignals gebildet wird, kann das im Modellblock 17 verwendete Modell dahingehend erweitert werden, daß mit den Modell-Laufzeitdifferenzen ein Modell- Cepstrum gebildet wird. Die Vergleichslogik 18 wird dahin abgewandelt, daß nun nicht mehr die einzelnen Meß- Laufzeitdifferenzen von Cepstrum und Modell miteinander verglichen werden, sondern unmittelbar das gemessene Cepstrum mit dem Modell-Cepstrum.

Bei Inkaufnahme eines erweiterten Rechenaufwands kann auf die gesonderte Zieldetektion und Zielpeilung mittels der zur Fig. 1 beschriebenen Peilanlage verzichtet werden und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die Zieldetektion und Zielpeilung durchgeführt werden. Eine gegenüber Fig. 1 modifizierte Schaltungsanordnung für das so abgewandelte Verfahren ist im Blockschaltbild in Fig. 5 dargestellt. In der Schaltungsanordnung sind Gruppensignal-Speicher und Pegeldetektor entfallen und der vorgegebene Winkel θm für den momentanen Schalleinfall (Peilrichtung) ist zusammen mit den Werten für Zielentfernung x und Zieltiefe zS der Zielpositionsannahme an das Tor 21 gelegt. Im übrigen läuft das Verfahren in gleicher Weise ab, wie es zur Fig. 1 beschrieben ist, wobei durch Änderung der Peilrichtung θm in diskreten Winkelschritten der gesamte Azimut nach Zielen abgesucht wird. Sobald das gewünschte Maß der Übereinstimmung zwischen den Meß-Laufzeitdifferenzen und den Modell- Laufzeitdifferenzen bei einer Peilrichtung θm erreicht wird und der Komparator 19 das Tor 21 öffnet, wird auch die zu der echten Zielposition gehörende Peilrichtung θm, die dann dem echten Peilwinkel θZ entspricht, der Anzeigevorrichtung 15 zugeführt und dort zusammen mit der zur echten Zielposition gehörenden echten Zielentfernung x* und echten Zieltiefe zS* numerisch und grafisch dargestellt. Literatur [1] Heinz G. Urban "Handbuch der Wasserschalltechnik" Eigenverlag der STN ATLAS Elektronik GmbH, 2000, S. 305

[2] J. Bendat an G. Piersol "Engineering Applications of Correlation an spektral Analysis", John Wiley and Sons, inc. 1993.

[3] B. Bogert, M. Healy an J. Tukey, "The quefrency alanysis of time series for echoes: Cepstrum, pseudo-autocovariance, cross-cepstrum and saphe cracking" Proc. Symposium Time Series Analysis, 1963, pages 209-243.

[4] Bowlin et al "Ocean Acoustics Ray-Tracing Software RAY", WHOI Technical Report, WHOI-93-10. (ftp:/ / oalib.saic.com/pub/oalib/ray)


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Bestimmen der Zielposition eines Schall ins Wasser abstrahlenden Ziels unter Auswertung des vom Ziel abgestrahlten Schalls, der auf direktem Ausbreitungsweg und auf durch Reflexionen entstehenden indirekten Ausbreitungswegen von einem untergetauchten, zielfernen Schallempfänger (10) mit einer Anzahl von elektroakustischen Wandlern (11) empfangen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Ausgangssignale der Wandler (11) richtungselektiv zu Gruppensignalen addiert werden, daß in den Gruppensignalen mittels Laufzeitanalyse Laufzeitdifferenzen zwischen dem direkten Ausbreitungsweg und indirekten Ausbreitungswegen als Meß-Laufzeitdifferenzen bestimmt werden, daß mittels eines Modells der Schallausbreitung für eine angenommene Zielposition Laufzeitdifferenzen zwischen dem direkten Ausbreitungsweg und ausgewählten indirekten Ausbreitungswegen vom Ziel zum Schallempfänger (10) bestimmt werden und diese Modell- Laufzeitdifferenzen mit den Meß-Laufzeitdifferenzen verglichen werden, daß die Bestimmung der Modell- Laufzeitdifferenzen mit jeweils geänderter Zielpositionsannahme solange wiederholt wird, bis der Vergleich der Modell-Laufzeitdifferenzen mit den Meß- Laufzeitdifferenzen einen vorgegebenen Grad der Übereinstimmung ergibt, und daß die zum Erreichen dieses Übereinstimmungsgrads getroffene Zielpositionsannahme als echte Zielposition ausgegeben wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kriterium beim Vergleich von Modell- und Meß- Laufzeitdifferenzen die Summe der minimale Abstandsquadrate der Modell-Laufzeitdifferenzen zu ihren nächsten Nachbarn in der Menge der Meß- Laufzeitdifferenzen verwendet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Grad der Übereinstimmung dann erreicht ist, wenn die Summe der minimalen Abstandsquadrate innerhalb eines Konfidenzintervalls liegt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wahrscheinlichkeit des Aufenthalts des Ziels in der angenommenen Zielposition als Kehrwert der Summe der minimalen Abstandsquadrate ermittelt wird und daß aus der Vielzahl der für angenommene Zielpositionen erhaltenen Wahrscheinlichkeiten die Wahrscheinlichkeitsdichte pro Flächeneinheit des Zielgebiets bestimmt wird und anhand der Wahrscheinlichkeitsdichte potentielle Zielpositionen aufgesucht werden.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß die minimalen Abstandsquadrate vor der Summenbildung mit einem Wichtungsfaktor (wi) multipliziert werden.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Wichtungsfaktor (wi) eine Potenz der Anzahl (nB, nO) der Reflexionen mit den Reflexionsfaktoren (RB, RO) im Ausbreitungsweg (i) gemäß





    benutzt wird, wobei der Reflexionsfaktor (RB) für eine Reflexion am Boden und der Reflexionsfaktor (RO) für eine Reflexion an der Oberfläche (O) eines durch Boden (B) und Oberfläche (O) begrenzten Schallkanals plausibel zwischen 0 und 1 gewählt wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Laufzeitanalyse die Autorkorrelationsfunktion des Gruppensignals bestimmt wird und die Meß-Laufzeitdifferenzen durch Auswerten der Maxima der Autokorrelationsfunktion gewonnen werden.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Laufzeitanalyse eine Cepstralanalyse auf die Gruppensignale angewendet wird und daß die Meß-Laufzeitdifferenzen durch die Auswertung der Maxima im Cepstrum gewonnen werden.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Laufzeitanalyse eine Cepstralanalyse auf die Gruppensignale angewendet und jeweils das Cepstrum des Gruppensignals als Meß-Cepstrum gebildet wird und daß mit den Modell-Laufzeitdifferenzen ein Modell-Cepstrum gebildet und der Vergleich der Meß-Laufzeitdifferenzen und der Modell-Laufzeitdifferenzen durch unmittelbaren Vergleich des Modell-Cepstrums mit dem Meß-Cepstrum durchgeführt wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß als Modell ein geometrisches Modell der Schallausbreitung in einem Flachwassergebiet mit der Wassertiefe (zW) bei ebenem Gewässerboden und konstantem Schallgeschwindigkeitsprofil zugrunde gelegt wird, daß bei einer bekannten Tiefe (zE) des Schallempfängers und einer angenommenen Zieltiefe (zS) und einer angenommen azimutalen Zielentfernung (x) die Schallaufzeit (tk) für k ausgewählte Ausbreitungswege gemäß





    berechnet wird, wobei c die konstante Schallgeschwindigkeit und zk der Weg ist, den der Schall in jedem der k Ausbreitungswege ausschließlich in vertikaler Richtung zurücklegt, und daß zur Gewinnung der Modell-Laufzeitdifferenzen die Laufzeit t1 für den direkten Ausbreitungsweg von den Laufzeiten tk für k ausgewählte indirekte Ausbreitungswegen mit k > 1 subtrahiert wird.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegel der Gruppensignale bestimmt und durch Auswertung der größten Pegel Ziele detektiert und die Zielpeilungen bestimmt werden und daß nur in denjenigen Gruppensignalen Meß- Laufzeitdifferenzen bestimmt und mit Modell- Laufzeitdifferenzen verglichen werden, in denen ein Ziel detektiert wurde.






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