DE3832678A1 - Peilverfahren mit einer geringen anzahl raeumlich versetzter richtcharakteristiken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Peilverfahren mit einer geringen Anzahl räumlich versetzter Richtcharakteristiken einer Panorama-Sonaranlage der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Schallabstrahlende oder schallreflektierende Ziele werden in der Sonartechnik über Richtcharakteristiken gepeilt, die aus Empfangssignalen einer Empfangsanlage mit jeweils um gleiche Winkel horizontal versetzte Wandleranordnungen in einem Richtungsbildner gebildet werden. Die Peilgenauigkeit steigt mit der Verkleinerung des Öffnungswinkels der Richtcharakteristik und mit der Anzahl der über den Horizont verteilten Richtcharakteristiken. Bei einem vorgegebenen interessierenden Frequenzbereich wird der Öffnungswinkel durch die geometrische Konfiguration der Empfangsanlage bestimmt.

Um auch Ziele in großen Entfernungen orten zu können, ist es von Vorteil, tieffrequente Signalanteile des vom Ziel abgestrahlten Schalls auszuwerten. Der Öffnungswinkel einer Richtcharakteristik in diesem Frequenzbereich ist aber nicht so zu verkleinern, daß eine gewünschte Peilauflösung erzielt werden kann.

Ein weiteres Problem besteht in der Sonartechnik darin, mehrere Ziele innerhalb eines Winkelsektors zu trennen und ihre Peilung zu bestimmen.

Aus der DE-OS 21 13 883 und 30 17 797 sind bereits Verfahren zur Zieltrennung bekannt, bei denen Frequenzspektren aus den Empfangssignalen abgeleitet werden und aus jeder einzelnen Spektrallinie ein Peilwinkel ermittelt wird, wobei gleiche Peilwinkel für ggf. verschiedene Frequenzen die Peilung liefern.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Peilverfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, bei dem die Peilauflösung größer als die durch die einzelnen Richtcharakteristiken erzielte Peilung ist und mehrere frequenzmäßig trennbare, breitbandig schallabstrahlende Ziele gleichzeitig gepeilt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Benachbarte Richtcharakteristiken empfangen das vom gleichen Ziel breitbandig abgestrahlte Geräusch mit unterschiedlichen Pegeln. Die Spektrallinien in den Frequenzspektren benachbarter Richtcharakteristiken, die bei der gleichen Frequenz liegen, sind Stützstellen einer Winkelfunktion, über die eine komplexe Fourier-Transformation durchgeführt wird. Das Ergebnis ist eine Funktion, die mindestens zwei Linien aufweist, nämlich einen Gleichanteil und eine Grundwelle. Die Grundwelle liegt immer bei der gleichen unabhängigen Variablen, da die Winkelfunktion stets mit den durch die Empfangsrichtung vorgegebenen Stützstellen gebildet wird. Die Winkelfunktion weist je Frequenz nur ein einziges Maximum auf, da die Ziele durch ihre unterschiedlichen Frequenzinhalte trennbar sind. Die Lage des Maximums der Winkelfunktion gibt die Peilung an. Nach der komplexen Fourier-Transformation wird diese Information aus der Phase der Grundwelle zurückgewonnen. Der Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, daß eine Interpolation zwischen den Richtcharakteristiken ohne Vorgabe einer Näherungskurve vorgenommen wird. Dadurch ist die Genauigkeit sehr groß, obwohl der Rechenaufwand sehr klein ist.

Da über jede der Spektrallinien bei sämtlichen Frequenzen die Winkelfunktion gebildet wird und aus der transformierten Winkelfunktion die Peilung bestimmt wird, ist eine Mittelung zwischen sämtlichen gewonnenen Peilungen in einfacher Weise möglich, um eine Störbefreiung zu erzielen. Ein weiterer Vorteil des Peilverfahrens nach Anspruch 1 besteht darin, daß auch mit nur vier Richtcharakteristiken, die um 90° räumlich versetzt gebildet werden, eine Peilung über den gesamten Horizont möglich wird.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Weiterbildung des Peilverfahrens nach Anspruch 2 besteht in der großen Reichweite, da die tieffrequenten Signalanteile sich über größere Entfernungen mit geringerer Dämpfung ausbreiten als die höherfrequenten Signalanteile des vom Ziel abgestrahlten Schalls. Obwohl im tieffrequenten Bereich die Richtcharakteristiken der Empfangsanlagen einen größeren Öffnungswinkel aufweisen, ist mit dem erfindungsgemäßen Peilverfahren eine Interpolation zwischen benachbarten Beams in der Güte möglich, daß mit zuverlässigen Peilergebnissen gerechnet werden kann.

Bei der vorteilhaften Weiterbildung des Peilverfahrens nach Anspruch 3 wird im oberen Frequenzbereich der Empfangsanlage gearbeitet, und zwar werden die Gruppensignale der Richtcharakteristiken dort auf ein schmales Frequenzband begrenzt. Wenn der Schall von einem fahrenden U-Boot, Schiff oder Torpedo abgestrahlt wird, weisen die Gruppensignale eine Amplitudenmodulation auf einem Rauschträger auf. Die durch Demodulation gewonnene Einhüllende des Rauschträgers wird frequenzmäßig analysiert. Die Spektrallinien der Frequenzspektren der Einhüllenden werden zur Ermittlung der Winkelfunktion und der Grundwelle der transformierten Winkelfunktion benutzt. Mit dieser Signalverarbeitung ist durch die gute Bündelung der Richtcharakteristik eine Nutz/Störverbesserung gegeben und gleichzeitig eine Zielerkennung, da nur solche Gruppensignale zur Peilung verwendet werden, die eine Amplitudenmodulation ihres Rauschträgers aufweisen. Diese Amplitudenmodulation bildet sich nur dann aus, wenn das Ziel ein propellerbetriebenes Wasserfahrzeug ist, wie beispielsweise in der DE-OS 35 31 230 beschrieben. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Weiterbildung des Peilverfahrens nach Anspruch 4 besteht darin, daß durch die Quotientenbildung der Beträge von Grundwelle und Gleichanteil der transformierten Winkelfunktion die Peilgenauigkeit angegeben werden kann.

Die in den Ansprüchen 5, 6 und 7 angegebenen Peilvorrichtungen zum Ausüben des erfindungsgemäßen Peilverfahrens zeichnen sich dadurch aus, daß gängige Schaltanordnungen verwendet werden können. Besonders vorteilhaft ist es, die mit dem Peilverfahren gewonnene Peilung zusammen mit der Signalstärke der Grundwelle als abhängiger Variabler oder zusammen mit den Frequenzen der ausgewerteten Spektrallinien anzuzeigen. Durch die Anzeige der Signalstärke der Grundwelle über der Peilung wird die vorteilhafte Möglichkeit gegeben, das meßtechnisch nicht erfaßbare Maximum der Winkelfunktion in Abhängigkeit von der Einfallsrichtung der vom Ziel empfangenen Schallwellen darzustellen. Ebenso ist es vorteilhaft möglich, das Nutz/Störverhältnis in Abhängigkeit von der Peilung anzugeben.

Die Erfindung ist an Hand eines Ausführungsbeispiels für ein Peilverfahren mit geringer Anzahl räumlich versetzter Richtcharakteristiken in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Panorama-Sonaranlage,

Fig. 2.1-2.4 Frequenzspektren von Gruppensignalen der Panorama-Sonaranlage nach Fig. 1,

Fig. 3.1-3.3 Winkelfunktionen und

Fig. 4 eine transformierte Winkelfunktion.

Vier Richtcharakteristiken einer Panorama-Sonaranlage weisen in Empfangsrichtungen ⊖₁, ⊖₂, ⊖₃, ⊖₄, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt. Gruppensignale der vier Richtcharakteristiken werden aus Empfangssignalen in einem Richtungsbildner 10 gebildet. Dem Richtungsbildner 10 ist eine Signalaufbereitungsschaltung 11 für die vier Gruppensignale nachgeordnet. Die Signalaufbereitungsschaltung 11 weist entweder einen Tiefpaß je Empfangsrichtung oder einen Bandpaß mit nachgeschaltetem Hüllkurvendemodulator auf, wie es beispielsweise in der DE-OS 35 31 230 angegeben ist. Der Signalaufbereitungsschaltung 11 sind für jede Richtcharakteristik je eine Frequenzanalyseschaltung mit Betragsbildner zum Berechnen der Leistungsspektren nachgeordnet. Sie bilden den Analysator 12. Dem Analysator 12 ist eine Rechenschaltung 13 nachgeordnet, in der die Spektrallinien gleicher Frequenz ω₁ bzw. ω₂ bzw. ω₃ den Empfangsrichtungen ⊖₁, ⊖₂, ⊖₃, ⊖₄ zugeordnet und drei Winkelfunktionen W₁, W₂, W₃ als Funktion der Empfangsrichtung ⊖ gebildet werden. Der Rechenschaltung 13 sind entsprechend der Anzahl der Winkelfunktionen W, die durch den betrachteten Frequenzumfang und die Frequenzauflösung des Analysators 12 bestimmt wird, Fourier-Transformations-Schaltungen 141, 142, 143 nachgeordnet, in denen die transformierten Winkelfunktionen W₁, W₂, W₃ gebildet werden. Jeder Fourier-Transformations-Schaltung 141, 142, 143 ist eine Phasenrechenstufe 151, 152, 153 und parallel dazu eine Betragsrechenstufe 161, 162, 163 mit Quotientenstufen 171, 172, 173 nachgeordnet.

Fig. 2.1, 2.2, . . ., 2.4 zeigen Frequenzspektren der vier Gruppensignale der Richtcharakteristiken. Das Frequenzspektrum S ⊖₁ der in die Empfangsrichtung ⊖₁ weisenden Richtcharakteristik in Fig. 2.1 weist bei der Frequenz ω₂ eine Spektrallinie auf. In Fig. 2.2 ist das Frequenzspektrum S ⊖₂ des Gruppensignals der in die Empfangsrichtung ⊖₂ weisenden Richtcharakteristik dargestellt mit drei Spektrallinien bei den Frequenzen ω₁, ω₂, ω₃. Fig. 2.3 zeigt das Frequenzspektrum S ⊖₃ des Gruppensignals der Empfangsrichtung ⊖₃ mit den beiden Spektrallinien bei ω₁ und ω₃. Von der Richtcharakteristik, die in die Empfangsrichtung ⊖₄ weist, wird kein von einem Ziel abgestrahlter Schall empfangen.

Fig. 3.1, 3.2 und 3.3 zeigen die Winkelfunktionen W₁, W₂, W₃, die aus den Spektrallinien gemäß Fig. 2 der Frequenzspektren S ⊖₁, S ⊖₂, . . ., S ⊖₄ je Frequenz l₁ bzw. ω₂ bzw. ω₃ gewonnen werden. In Fig. 3.1 sieht man Stützstellen der Winkelfunktionen W 1 bei den Einfallsrichtungen ⊖₂ und ⊖₃, da die beiden zugehörigen Frequenzspektren gemäß Fig. 2.2 und 2.3 bei der Frequenz ω₁ je eine Spektrallinie aufweisen. Fig. 3.2 zeigt die Winkelfunktion W 2 für die Frequenz ω₂ mit Stützstellen bei den Empfangsrichtungen ⊖₁ und ⊖₂. Gemäß Fig. 3.3 zeigt die Winkelfunktion W₃ für ω₃ bei den in die Empfangsrichtungen ⊖₂ und ⊖₃ weisenden Richtcharakteristiken Stützstellen. Diese drei Winkelfunktionen W₁, W₂, W₃ werden in den Fourier-Transformations-Schaltungen 141, 142, 143 transformiert und man erhält die transformierten Winkelfunktionen F {W }, die jeweils einen Gleichanteil GA und eine Grundwelle GW bei a₁ aufweisen, wie in Fig. 4 beispielhaft für die Winkelfunktion W 1 dargestellt. In der Phasenrechenstufe 151 wird die Phase dieser Grundwelle GW bestimmt. Die Phase gibt den Peilwinkel ϕ₁ zum Ziel Z₁ an, dessen abgestrahlte Schallenergie mit den Richtcharakteristiken, die in die Empfangsrichtungen ⊖₂ und ⊖₃ weisen, empfangen wurde. Der Peilwinkel ϕ₁ liegt zwischen den beiden Empfangsrichtungen ⊖₂, ⊖₃, wie in Fig. 1 gezeigt, und wird in einer Peilanzeigeeinheit 18 zusammen mit der Frequenz l₁ im mittleren Anzeigefeld dargeboten.

In der Quotientenstufe 171 wird der Quotient aus Grundwelle GW und Gleichanteil GA bestimmt und als Nutz/Störverhältnis der unter der Peilung ϕ₁ empfangenen Schallenergie auf der Peilanzeigeeinheit 18 im unteren Anzeigefeld dargestellt. Der Betrag der Grundwelle GW, der im oberen Anzeigefeld dargestellt ist, gibt die Signalstärke an, die unter der Peilung ϕ₁ empfangen worden wäre, wenn eine Richtcharakteristik in diese Richtung weisen würde. Die Winkelfunktionen W₂ und W₃ werden in gleicher Weise ausgewertet.

In der Peilanzeigeeinheit 18 wird über der Peilung ϕ₂, ϕ₃ als unabhängiger Variabler die Signalstärke (F {W }), die Frequenz l und das Nutz/Störverhältnis N/S angezeigt. Den auf der Peilanzeigeeinheit 18 dargestellten Diagrammen ist zu entnehmen, daß das Ziel Z₁ die größte Signalstärke bei der Frequenz ω₁ mit gutem Nutz/Störverhältnis aufweist. Das Ziel Z₃ wird mit der Frequenz ω₃ bei geringerer Signalstärke empfangen als das Ziel Z₂ mit der Frequenz l₂.

Claims (8)

1. Peilverfahren mit einer geringen Anzahl räumlich versetzter Richtcharakteristiken einer Panorama-Sonaranlage, bei dem aus Gruppensignalen der Richtcharakteristiken Frequenzspektren abgeleitet werden und die Peilung je Spektrallinie ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Frequenzspektren gebildet wird, daß aus den Spektrallinien gleicher Frequenz (ω) eine Winkelfunktion (W) gebildet wird, deren unabhängige Variable die Empfangsrichtung (⊖) der Richtcharakteristiken und deren abhängige Variable die Größe der Spektrallinie ist, daß jede Winkelfunktion (W) einer komplexen Fourier-Transformation unterworfen wird und daß zur Angabe der Peilung (ϕ) die Phase der Grundwelle (GW) der transformierten Winkelfunktion (F {W }) bestimmt wird.

2. Peilverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzspektren nach Tiefpaßfilterung der Gruppensignale gebildet werden.

3. Peilverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppensignale in einem Frequenzband im oberen Frequenzbereich der Sonaranlage nach Bandpaßfilterung demoduliert werden und daß die Frequenzspektren der Einhüllenden der bandpaßgefilterten, demodulierten Gruppensignale gebildet werden.

4. Peilverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Grundwelle (GW) gebildet wird und der Quotient aus den Beträgen der Grundwelle (GW) und des Gleichanteils (GA) der transformierten Winkelfunktion (F {W }) zur Angabe des Nutz- zu Störverhältnisses (N/S) berechnet wird.

5. Peilvorrichtung zum Ausüben des Peilverfahrens nach Anspruch 1, bei der in einer Empfangsanlage mit Richtungsbildner je Empfangsrichtung eine Frequenzanalyseschaltung zum Bilden des Frequenzspektrums vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzanalyseschaltungen zum Berechnen des Leistungsspektrums ausgebildet sind, daß den Frequenzanalyseschaltungen eine Rechenschaltung (13) zum Bilden der Winkelfunktionen je Frequenz nachgeordnet ist, daß für jede Winkelfunktion eine Fourier-Transformations-Schaltung (141, . . ., 143) vorgesehen ist, daß den Fourier-Transformations-Schaltungen (141, . . ., 143) jeweils eine Phasenrechenstufe (151, . . ., 153) zum Berechnen der Phase aus Real- und Imaginärteil der am Ausgang der Fourier-Transformations-Schaltung (141, . . ., 143) anstehenden, transformierten Winkelfunktion vorgesehen ist, daß den Phasenrechenstufen (151, . . ., 153) eine Peilanzeigeeinheit (18) der jeweiligen Frequenz der ausgewerteten Spektrallinien der Leistungsspektren und/oder der Signalstärke der Grundwelle der transformierten Winkelfunktion in Abhängigkeit von der Phase als Peilung nachgeordnet ist.

6. Peilvorrichtung nach Anspruch 5 zum Ausüben des Peilverfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Richtungsbildner (10) und Frequenzanalyseschaltungen je Richtcharakteristik ein Tiefpaß geschaltet ist.

7. Peilvorrichtung nach Anspruch 5 zum Ausüben des Peilverfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Richtungsbildner (10) und Frequenzanalyseschaltungen je Richtcharakteristik ein Bandpaß und nachgeordneter Hüllkurvendemodulator vorgesehen sind.

8. Peilvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7 zum Ausüben des Peilverfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Fourier-Transformations-Schaltung (141, . . ., 143) eine Quotientenstufe (171, . . ., 173) zum Bilden des Verhältnisses der Beträge der Grundwelle und des Gleichanteils der transformierten Winkelfunktion und eine nachgeschaltete, in der Peilanzeigeeinheit (18) vorgesehene Darstellungseinheit nachgeordnet sind zum Darbieten des Quotienten als Nutz-/Störverhältnisses über der Peilung.