DE102004016268A1 - Low-Frequency Active Sonar system uses phase controlled twin sonar arrays towed behind ship for detecting echo returns from seabed and horizontal distance between arrays is monitored - Google Patents

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Abstract

A ship (Schlepp-schiff) tows a twin array of sonar receivers (Twin Array) which are a measured distance apart (Abstand x) and may have a slight longitudinal displacement (Versatz v). The system includes an interface (Interface) and two parallel direction determination circuits (Richtungsbildner I,II). The direction determination circuits feed into a right/left discrimination circuit (Rechts/links Unterscheidung). This is connected to a data processing and display circuit (Display).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum bestimmen des aktuellen effektiven Horizontalabstandsvektors bei LFAS (LOW FREQUENCY ACTIVE SONAR) Twin Arrays. Die Rechts/links-Unterdrückung von LFAS-Sonaren mit Twinarrays ist nur dann optimal, wenn die abstandsbestimmte Laufzeit zwischen den Arrays exakt kompensiert wird.The The invention relates to a method and a device for determining the actual effective horizontal distance vector at LFAS (LOW FREQUENCY ACTIVE SONAR) Twin Arrays. The right / left suppression of LFAS sonar with Twinarrays is only optimal, if the distance Runtime between the arrays is compensated exactly.

Nach dem allgemein bekannten Stand der Technik wird die Kompensation für horizontal empfangene Signale aus der Geometrie und dem Sollabstand der beiden Arrays berechnet. Der Sollabstand und die horizontale Lage wird dabei durch zwei Abstandshalter an den Enden der Arrays vorgegeben.To the well-known state of the art is the compensation for horizontal received signals from the geometry and the desired distance of the two Calculated arrays. The nominal distance and the horizontal position becomes predetermined by two spacers at the ends of the arrays.

Durch dynamische Kräfte kann sowohl die Lage als auch der Abstand der Arrays von dieser Vorgabe abweichen. Der resultierende Abstandsfehler führt zur Reduzierung der r/l-Unterdrückung und damit zur Verschlechterung der weiteren Informationsverarbeitung.By dynamic forces can be both the location and the spacing of the arrays of this Specification deviate. The resulting distance error leads to Reduction of r / l suppression and thus to the deterioration of further information processing.

Derzeit wird der Abstand durch mechanische Abstandshalter an den Enden des Arrays und die horizontale Lage durch eine von der Schwerkraft gesteuerte statische und dynamische Stabilisierung vorgegeben. Die horizontale Lage an den Enden wird dabei aus Signalen von Beschleunigungsaufnehmern abgeleitet.Currently The distance is due to mechanical spacers at the ends of the Arrays and the horizontal position controlled by a gravity-driven static and dynamic stabilization given. The horizontal one Position at the ends is thereby from signals of accelerometers derived.

Um Absolutwerte der Neigung feststellen zu können, sind die Beschleunigungsaufnehmer in die Stabilisatoren integriert. Der axiale Versatz und die Verformungen des Arrays aufgrund wechselnder dynamischer Belastungen im u.U. turbulenten Strömungsfeld können nicht mit erfaßt werden.Around Absolute values of the inclination can be determined by the accelerometers integrated into the stabilizers. The axial offset and the deformations of the array due to changing dynamic loads in u.U. turbulent flow field can not included become.

Mit einer in Echtzeit erfindungsgemäß vollzogenen Vermessung des Abstandsvektors kann dieser negative Einfluß der sich ergebenen Soll-Ist-Abstandsabweichung kompensiert werden.With a completed in real time according to the invention Measuring the distance vector, this negative influence can be devoted target-actual distance deviation can be compensated.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, den effektiven Horizontalabstandsvektor der Arrays in Echtzeit zu bestimmen, um damit eine wirksame rechts-/links-Unterdrückung zu erreichen.The Invention sets itself the task of the effective horizontal distance vector to determine the arrays in real time, thus providing effective right / left suppression to reach.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst. Die Vermessung des augenblicklichen wirklichen Arrayabstandes basiert auf der Analyse des Nachhalls in komplementären Kanälen. Es ergibt sich ein Phasenfehler, der dem Abstandsfehler proportional ist. Aus zwei Phasenmessungen wird der Abstandsvektor berechnet. Mit dem korrigierten Abstand kann dann für alle Richtungskanäle die optimale rechts-/links-Unterdrückung erzielt werden, die nicht nur die bisherige rechts-/links-Analyse nach dem Stand der Technik um ca. 30 dB optimiert, sondern gleichzeitig wesentlich zur Verbesserung der Falschalarmunterdrückung und der Peilgenauigkeit beiträgt. Der tatsächliche Abstandsvektor der Arrays wird gemessen, unabhängig von bekannten und unbekannten Einflußfaktoren.The The object is solved by the features of claims 1 and 2. The Surveying the instantaneous real array distance based on the analysis of reverberation in complementary channels. This results in a phase error, which is proportional to the distance error. From two phase measurements the distance vector is calculated. With the corrected distance can then for all directional channels the optimal right / left suppression will be achieved, which will not only the previous right / left analysis according to the prior art optimized by about 30 dB, but at the same time essential for improvement the false alarm suppression and the DF accuracy contributes. The actual Distance vector of the arrays is measured, regardless of known and unknown Influence factors.

Zur neu vorgeschlagenen Echtzeit-Vermessung des Arrayabstandes wird zunächst der Nachhall eines bekannten Schallereignisses aufgezeichnet und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren analisiert. Im einfachsten Fall in einem Steuerbord- und einem Backbord-Richtungskanal. Die Kreuzkorrelation der beiden Kanäle liefert zwei Maxima im Abstand kd (k = Wellenzahl, d = Array-Querabstand). Da die Laufzeitdifferenzen kleiner als das Abtastintervall sind, ergibt sich die so nicht auflösbare Summe zweier unabhängiger Vektoren mit der Winkeldifferenz entsprechend kd. Die Aufspaltung dieser Summe ist durch die r/l-Analyse möglich. Nach der rechts/links-Analyse des Nachhalls mit dem Sollabstand und der anschließenden Kreuzkorrelation mit dem ungerichteten Signal eines Arrays ergibt sich ein Phasenfehler, der dem Abstandsfehler proportional ist.to newly proposed real-time measurement of array spacing first recorded the reverberation of a known sound event and according to the inventive method analyzed. In the simplest case in a starboard and a port direction channel. The Cross-correlation of the two channels returns two maxima at kd (k = wavenumber, d = array pitch). Since the runtime differences are smaller than the sampling interval, the result is the not resolvable Sum of two independent ones Vectors with the angular difference corresponding to kd. The splitting this sum is through the r / l analysis possible. To the right / left analysis of the reverberation with the nominal distance and the subsequent Cross correlation with the undirected signal of an array results a phase error that is proportional to the distance error.

Da die r/l-Analyse zunächst mit dem bekannten Sollabstand und nicht mit dem gesuchten Istabstand berechnet wird, ergibt sich ein Phasenfehler, der sowohl von gesuchten als auch von unterdrückten Signalanteilen bestimmt wird.There the r / l analysis first calculated with the known nominal distance and not with the sought actual distance is a phase error that results from both sought and also from the oppressed Signal components is determined.

Die r/l-Analyse ist für horizontal einfallende Schallwellen konzipiert. Sie ist daher für die Analyse von Nachhall in Flachwassergebieten gut geeignet. Wenn das Array nur passiv genutzt wird, kann auch das Umgebungsgeräusch zur Abstandsbestimmung genutzt werden. Es muß dann aber mit Korrekturfaktoren gearbeitet werden, die die Gewichtung der Geräuschquellen mit der Entfernung, der Fläche und der azimuthalen Projektion kompensieren. Bei geringem Nachhall/Geräuschverhältnis muß der Offset durch das Umgebungsgeräusch berücksichtigt werden.The r / l analysis is designed for horizontally incident sound waves. It is therefore well suited for the analysis of reverberation in shallow water areas. If the array is only used passively, the ambient noise can also be used for distance determination. But then one has to work with correction factors which are the weighting of the noise sources with the distance, the area and the azimuthal Compensate the projection. At low reverberation / noise ratio, the offset must be taken into account by the ambient noise.

Die Abstandsbestimmung kann durch Bildung von Subarrays in mehreren Abschnitten erfolgen und so die Bestimmung der Arrayform erzielt werden.The Distance determination can be achieved by forming subarrays in several Sections and so the determination of the array form achieved become.

Im Folgenden wird die Erfindung an Hand eines in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.In the following the invention with reference to a in the 1 and 2 illustrated embodiment illustrated.

1 zeigt eine LFAS-SONAR-Einrichtung, die um eine Funktionsstufe zum Vollzug des erfindungsgemäßen Verfahrens erweitert ist. 1 shows an LFAS SONAR device, which is extended by a functional level for implementing the method according to the invention.

2 verdeutlicht die Struktur der Berechnungselemente. 2 clarifies the structure of the calculation elements.

Die Rechts/Links-Unterdrückung von LFAS-Sonaren mit Twinarrays ist optimal, wenn die Laufzeit aufgrund des Abstandsvektors exakt kompensiert wird.The Right / Left suppression of LFAS sonar with Twinarrays is optimal if the runtime due of the distance vector is exactly compensated.

Nach dem Stand der Technik wird die Kompensation für horizontal empfangene Signale aus der Geometrie und dem Sollabstand der beiden Arrays berechnet. Der Sollabstand und die horizontale Lage werden durch zwei Abstandshalter an den Enden der Arrays vorgegeben.To In the prior art, the compensation for horizontally received signals calculated from the geometry and the nominal distance of the two arrays. The nominal distance and the horizontal position are determined by two spacers given at the ends of the arrays.

Durch dynamische Kräfte kann sowohl die Lage als auch der Abstand der Arrays variieren. Dies führt zur Reduzierung der r/l-Unterdrückung.By dynamic forces Both the position and the spacing of the arrays can vary. This leads to Reduction of r / l suppression.

Mit einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in Echtzeit durchgeführte Vermessung des Abstandsvektors kann dieser negative Einfluss kompensiert werden.With one according to the inventive method done in real time Measuring the distance vector, this negative influence can be compensated become.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Vermessung eine Analyse der Nachhallsignale eines vorangegangenen definierten Schallereignisses in komplementären Empfangskanälen vorgenommen. Eine herkömmliche SONAR-Anlage ist dazu, wie es in der 1 dargestellt ist, um eine Funktionsstufe, in der die Signale nach dem Verfahren gemäß der Merkmale des Anspruchs 1 verändert werden, erweiter. Je nach Konzeption dieser Anlage ist es unter Umständen sogar – möglich, das erfindungsgemäße Verfahren als Software-Programm in die Anlage zu implementieren. Eine kostspielige Hardwareänderung ist so vermeidbar.According to the method of the invention, an analysis of the reverberant signals of a previously defined sound event in complementary receiving channels is undertaken for the measurement. A conventional SONAR system is, as it is in the 1 is shown to a function stage in which the signals are changed by the method according to the features of claim 1, extended. Depending on the design of this system, it may even be possible - to implement the inventive method as a software program in the system. A costly hardware change is thus avoidable.

Die Kreuzkorrelation der beiden Signale liefert zwei Maxima im Abstand Δτ = Δx/c. Da die Laufzeitdifferenzen kleiner als das Abtastintervall sind, ergibt sich die so nicht auflösbare Summe zweier unabhängiger Vektoren mit der Winkeldifferenz entsprechend Δτ. Die Aufspaltung dieser Summe ist durch die r/l-Analyse möglich. Nach der Rechts/Links-Analyse des Nachhalls mit dem Sollabstand und der anschließenden Kreuzkonelation mit dem ungerichteten Signal eines Arrays ergibt sich ein Phasenfehler, der dem Abstandsfehler proportional ist.The Cross-correlation of the two signals provides two maxima at a distance Δτ = Δx / c. Because the Runtime differences are smaller than the sampling interval results the not so resolvable Sum of two independent vectors with the angular difference corresponding to Δτ. The splitting of this sum is possible through the r / l analysis. After the right / left analysis of the reverberation with the nominal distance and the subsequent one Cross-correlation with the non-directional signal of an array results a phase error that is proportional to the distance error.

Da die Rechts/Links-Analyse zunächst mit dem bekannten Sollabstand und nicht mit dem gesuchten Ist-Abstand berechnet wird, ergibt sich ein Phasenfehler, der sowohl von gesuchten als auch von unterdrückten Signalanteilen bestimmt wird.There the right / left analysis first with the known nominal distance and not with the sought actual distance is calculated, results in a phase error, both from sought as well as the oppressed Signal components is determined.

Die neu in den Stand der Technik eingeführte r/l-Analyse ist für horizontal einfallende Schallwellen konzipiert. Sie ist daher auch für die Analyse von Nachhall in Flachwassergebieten gut geeignet. Wenn das Array nur passiv genutzt wird, kann das Umgebungsgeräusch zur Abstandsbestimmung genutzt werden. Dazu muss dann aber mit Korrekturfaktoren gearbeitet werden, die die Gewichtung der Geräuschquellen mit der Entfernung, der Fläche und der azimuthalen Projektion kompensieren. Bei geringem Nachhall/Geräuschverhältnis ist ein Offset durch das Umgebungsgeräusch zu berücksichtigen.The newly introduced in the prior art r / l analysis is for horizontal conceived incident sound waves. It is therefore also for the analysis Of reverberation in shallow water areas well suited. If the array only is used passively, the ambient noise for distance determination be used. But then you have to work with correction factors the weighting of noise sources with distance, the area and compensate for the azimuthal projection. With low reverberation / noise ratio is to take into account an offset due to the ambient noise.

Die Abstandsbestimmung kann durch Bildung von Subarrays in mehreren Abschnitten verfeinert werden und so die Bestimmung der Arrayform erzielt werden.The Distance determination can be achieved by forming subarrays in several Sections are refined and so the determination of the array shape be achieved.

Zur Verdeutlichung wird in der 2 die Struktur der Berechnungselemente verdeutlicht und nachfolgend detailliert ausgeführt.For clarification, in the 2 the structure of the calculation elements clarified and detailed below.

Erfasste Signale: Kanal I = r + 1 Kanal II = re ix + le–jx Captured signals: channel I = r + 1 channel II = re ix + l e -jX

Zur Trennung der Signalkomponenten wird für die Komponente r eine Nullstelle gebildet für den Abstand d: I – II e–jd = r(l – ej(x–d)) + l(l – e–j(x+d)) l = (I – II e–jd)/(1 – e–j(x+d)) – r(l – ej(x–d))/(l – e–j(x+d)). To separate the signal components, a zero is formed for the component r for the distance d: I - II e -jd = r (l - e j (x-d) ) + l (l - e -j (x + d) ) l = ( I - II e -jd ) / (1 - e -j (x + d) ) - r (l - e j (x-d) ) / (l - e -j (x + d) ).

Wenn x und d übereinstimmen, wird das Signal r vollständig unterdrückt und für l ergibt sich

Figure 00030001
oder Lejd.If x and d match, the signal r is completely suppressed and l is given
Figure 00030001
or L e jd .

Der Ausdruck L, d.h. das Signal 1 an der Position II, wird für die Abstandsbestimmung genutzt. Für den allgemeinen Fall ergibt sich mit der Abkürzung für L der Ausdruck l = L sin(d)/sin((x + d)/2) ej(x+d)/2 – r(l – ej(x–d))/(l – e–j(x+d))oder, aufgelöst nach L L = {l + r(l – ej(x–d))/(l – e–j(x+d))}sin((x + d)/2)/sin(d)e–j(x+d)/2 = {l – rsin((x – d)/2)/sin((x + d)/2)ejx}sin((x + d)/2)/sin(d)e–j(x+d)/2. The term L, ie the signal 1 at position II, is used for distance determination. For the general case, the abbreviation for L yields the expression l = L sin (d) / sin ((x + d) / 2) e j (x + d) / 2 - r (l - e j (x-d) ) / (l - e -j (x + d) ) or, resolved to L L = { l + r (l - e j (x-d) ) / (l - e -j (x + d) )} sin ((x + d) / 2) / sin (d) e -j (x + d) / 2 = { l - r sin ((x-d) / 2) / sin ((x + d) / 2) e jx } sin ((x + d) / 2) / sin (d) e -j (x + d) / 2 ,

Der Erwartungswert der Kreuzkonelation KKF0 von L und II oder L(r·e–jx + l·ejx) ist

Figure 00040001
The expected value of the cross-correlation KKF 0 of L and II or L ( r * e -jx + l * e jx ) is
Figure 00040001

Für die isotrope Geräuschverteilung ist das Verhältnis r2/l2 gleich 1.For the isotropic noise distribution, the ratio r 2 / l 2 is equal to 1.

Mit sin((x + d)/2) ≈ 1 und e–j(x+d)/2 ≈ –j ergibt sich die Näherung für die Kreuz-konelation

Figure 00040002
With sin ((x + d) / 2) ≈ 1 and e -j (x + d) / 2 ≈ -j the approximation for the cross-correlation results
Figure 00040002

Der Ist-Abstand x kann damit direkt aus dem Argument der KKF bestimmt werden. Für breitbandige Signale ergibt sich das mit der Leistungsdichte gewichtete Mittel von (x – d). Die Kreuzkorrelation muss nur für die Zeitverschiebung 0 berechnet werden und kann daher mit geringem Aufwand als Summe eines Kreuzspektrums berechnet werden. Aus zwei Abstandsberechnungen kann der horizontale Abstandsvektor bestimmt werden. Der ermittelte Abstandsvektor ist dann Grundlage für den optimierten r/l-Algorithmus.Of the Actual distance x can thus be determined directly from the argument of the KKF become. For broadband signals results in the power density weighted Mean of (x - d). The cross correlation only needs for the Time shift 0 can be calculated and therefore can with low Effort can be calculated as the sum of a cross-spectrum. Two Distance calculations, the horizontal distance vector can be determined. The determined distance vector is then the basis for the optimized r / l algorithm.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung um den effektiven Horizontalabstandsvektor der Arrays von LOW FREQUENCY ACTIVE SONAREN in Echtzeit bestimmen zu können, damit eine wirksame rechts-/links-Unterdrückung erreicht werden kann.The The invention relates to a method and a device for the effective Horizontal distance vector of the arrays of LOW FREQUENCY ACTIVE SONAREN be able to determine in real time so that an effective right / left suppression can be achieved.

Die Vermessung des augenblicklichen wirklichen Arrayabstandes basiert auf der Analyse des Nachhalls in komplementären Kanälen. Es ergibt sich ein Phasenfehler, der dem Abstandsfehler proportional ist. Aus zwei Phasenmessungen wird der Abstandsvektor ermittelt. Mit dem korrigierten Abstand kann dann für alle Richtungskanäle die optimale rechts-/links-Unterdrückung erzielt werden, die die bisherige rechts-/links-Analyse nach dem Stand der Technik auf ca. 30 dB Rechts/links-Unterdrückung optimiert, sowie zusätzlich zur Verbesserung der Falschalarmunterdrückung und der Peilgenauigkeit beiträgt. Der tatsächliche Abstandsvektor der Arrays wird gemessen, unabhängig von bekannten und unbekannten Einflußfaktoren.The Surveying the instantaneous real array distance based on the analysis of reverberation in complementary channels. This results in a phase error, which is proportional to the distance error. From two phase measurements the distance vector is determined. With the corrected distance can then for all directional channels the optimal right / left suppression is achieved the previous right / left analysis according to the state of the art Technology optimized to about 30 dB right / left suppression, as well as in addition to Improvement of false alarm suppression and DF accuracy contributes. The actual distance vector the arrays will be measured, independently of known and unknown influencing factors.

Claims (2)

Verfahren zum bestimmen des aktuellen effektiven Horizontalabstandsvektors bei LFAS (LOW FREQUENCY ACTIVE SONAR) Twin Arrays bei dem: a) der Nachhall einer vorangegangenen Tonaussendung zur selben Zeit in komplementären Kanälen, mindestens in einem Steuerbord- und einem Backbord-Richtungskanal aufgezeichnet wird, b) eine Kreuzkorrelation der aufgezeichneten Signale vorgenommen wird, die zwei Maxima im Abstand kd (k = Wellenzahl, d = Array-Querabstand) liefert, die, weil die Laufzeitdifferenzen kleiner als das Abtastintervall sind, sich als so nicht auflösbare Summe zweier unabhängiger Vektoren mit der Winkeldifferenz entsprechend kd ergeben, c) eine Aufspaltung dieser Summe durch eine r/l-Analyse vorgenommen wird, wobei der Nachhall zuerst mit dem Sollabstand und anschließendend mit dem ungerichteten Signal eines Arrays kreuzkorreliert wird, wonach sich ein Phasenfehler ergibt, der dem Abstandsfehler proportional ist,Method for determining the current effective Horizontal distance vector at LFAS (LOW FREQUENCY ACTIVE SONAR) Twin arrays in which: a) the reverberation of a previous one Sound transmission at the same time in complementary channels, at least in one starboard and a port directional channel is recorded b) a cross-correlation of the recorded Signals is made, the two maxima at a distance kd (k = wavenumber, d = array transverse distance), which, because the transit time differences smaller than the sampling interval are, as a non-resolvable sum two independent Result in vectors with the angular difference corresponding to kd, c) a split of this sum made by an r / l analysis is, with the reverberation first with the desired distance and then is cross-correlated with the undirected signal of an array, resulting in a phase error proportional to the distance error is LOW FREQUENCY ACTIVE SONAR-Einrichtung mit Twin Arrays, gekennzeichnet durch, eine Funktionsstufe mit einer nach dem Verfahren nach Anspruch 1 formulierten Rechenvorschrift für ein Array I und Array II zur Erfassung ihrer Signale und Berechnung ihres Abstandsvektors.LOW FREQUENCY ACTIVE SONAR setup with twin arrays, marked by, a function stage with one according to the method Claim 1 formulated calculation rule for an array I and array II to capture their signals and calculate their distance vector.
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