DE102013106359A1 - Method for determining an optimal subsonic sound velocity and apparatus for carrying out the method - Google Patents

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DE102013106359A1
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Stefan Leier
Johannes Groen
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer optimalen Unterwasserschallgeschwindigkeit, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: – Ermitteln von Rohdaten eines Sonarsignals, – Ermitteln eines ersten Sonarbildes unter Verwenden der Rohdaten und einer ersten Unterwasserschallgeschwindigkeit, – Ermitteln eines zweiten Sonarbildes unter Verwenden der Rohdaten und einer zweiten Unterwasserschallgeschwindigkeit, – Ermitteln eines ersten Qualitätsmaßes des ersten Sonarbildes und eines zweiten Qualitätsmaßes des zweiten Sonarbildes und Vergleichen des ersten Qualitätsmaßes mit dem zweiten Qualitätsmaßes und – Auswählen der Unterwasserschallgeschwindigkeit, welche zu dem Sonarbild mit dem besten Qualitätsmaßes zugehörig ist, wobei diese ausgewählte Unterwasserschallgeschwindigkeit der optimalen Unterwasserschallgeschwindigkeit entspricht.The invention relates to a method for determining an optimal underwater sound velocity, the method having the following steps: determining raw data of a sonar signal, determining a first sonar image using the raw data and a first underwater sound velocity, determining a second sonar image using the raw data and a second underwater sound speed, - determining a first quality measure of the first sonar image and a second quality measure of the second sonar image and comparing the first quality measure with the second quality measure and - selecting the underwater sound speed which is associated with the sonar image with the best quality measure, this selected underwater sound speed being the optimal one Corresponds to the underwater sound velocity.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer optimalen Unterwasserschallgeschwindigkeit, ein Verfahren zum Fokussieren eines defokussierten Sonarbildes und eine Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren.The invention relates to a method for determining an optimal subsonic sound velocity, to a method for focusing a defocused sonar image, and to an apparatus for carrying out the method.

Die Unterwasserschallgeschwindigkeit wird allgemein durch Parameter bestimmt, welche mittels Sensoren im Wasser gemessen werden. Übliche Parameter sind insbesondere Druck, Temperatur, Salinität und Strömung. Anhand der Unterwasserschallgeschwindigkeit kann insbesondere die Entfernung zu einem Objekt bestimmt werden, welches mittels eines Sonars detektiert wurde. Die Parameter bestimmenden Sensoren sind regelmäßig lokal beispielsweise an einem AUV (Autonomous Underwater Vehicle) angeordnet.Underwater sound velocity is generally determined by parameters measured by sensors in the water. Common parameters are in particular pressure, temperature, salinity and flow. On the basis of the underwater sound velocity, in particular the distance to an object can be determined, which was detected by means of a sonar. The parameters determining sensors are regularly arranged locally, for example on an AUV (Autonomous Underwater Vehicle).

Nachteilig ist, dass Änderungen der Parameter, welche in einem gewissen Abstand vom Sensor vorliegen messtechnisch nicht durch die Sensoren bestimmbar sind.The disadvantage is that changes in the parameters that are present at a certain distance from the sensor can not be determined by the sensors by the sensors.

Zudem sind insbesondere die Bildqualitäten eines SAS-Bildes (SAS = Synthetic Aperture Sonar) auf einen möglichst korrekten Unterwasserschallgeschwindigkeits-Wert angewiesen, da die Unterwasserschallgeschwindigkeit die Qualität des SAS-Bilds beeinflusst. Falsche Unterwasserschallgeschwindigkeits-Werte führen insbesondere zu defokussierten SAS-Bildern.In addition, the image qualities of a SAS image (SAS = Synthetic Aperture Sonar) in particular depend on the most accurate underwater sound velocity value, since the underwater sound velocity influences the quality of the SAS image. Incorrect subsonic sound velocity values lead in particular to defocused SAS images.

In Hansen et al. [The effect of sound velocity variations on synthetic aperture sonar; Proc. Underwater Acoust Meas. (UAM), 2007] werden defokussierte SAS-Bilder mittels Autofokus-Ansätzen (FLOS-PGA; fractional lower order statistics phase gradient autofocus) korrigiert. Dabei wird eine optimale Schallgeschwindigkeit über ein Optimierungsproblem geschätzt. Dies basiert auf der Erkenntnis, dass eine falsche Schallgeschwindigkeit zu einem quadratischen Phasenfehler in der synthetischen Apertur führt. Die Autofokussierung erfolgt insbesondere dadurch, dass die Phasen in der Frequenzdomäne (Wavenumber Domäne) manipuliert werden.In Hansen et al. [The effect of sound velocity variations on synthetic aperture sonar; Proc. Underwater Acoust Meas. (UAM), 2007] For example, defocused SAS images are corrected by means of fractional lower order statistics phase gradient autofocus (FLOS-PGA). An optimal speed of sound is estimated by an optimization problem. This is based on the finding that a false speed of sound leads to a quadratic phase error in the synthetic aperture. The autofocusing takes place, in particular, by manipulating the phases in the frequency domain (Wavenumber domain).

Nachteilig dabei ist insbesondere, dass die Methode annimmt, dass für das Autofokussieren eine Anzahl von Punktzielen im SAS-Bild vorhanden sind.The disadvantage here is in particular that the method assumes that there are a number of point targets in the SAS image for autofocusing.

Aufgabe der Erfindung ist es den Stand der Technik zu verbessern.The object of the invention is to improve the prior art.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Bestimmen einer optimalen Unterwasserschallgeschwindigkeit, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

  • – Ermitteln von Rohdaten eines Sonarsignals,
  • – Ermitteln eines ersten Sonarbildes unter Verwenden der Rohdaten und einer ersten Unterwasserschallgeschwindigkeit,
  • – Ermitteln eines zweiten Sonarbildes unter Verwenden der Rohdaten und einer zweiten Unterwasserschallgeschwindigkeit,
  • – Ermitteln eines ersten Qualitätsmaßes des ersten Sonarbildes und eines zweiten Qualitätsmaßes des zweiten Sonarbildes und Vergleichen des ersten Qualitätsmaßes mit dem zweiten Qualitätsmaßes und
  • – Auswählen der Unterwasserschallgeschwindigkeit, welche zu dem Sonarbild mit dem besten Qualitätsmaßes zugehörig ist, wobei diese ausgewählte Unterwasserschallgeschwindigkeit der optimalen Unterwasserschallgeschwindigkeit entspricht.
The object is achieved by a method for determining an optimal subsonic sound velocity, the method comprising the following steps:
  • Determining raw data of a sonar signal,
  • Determining a first sonar image using the raw data and a first subsonic sound velocity,
  • Determining a second sonar image using the raw data and a second subsonic sound velocity,
  • Determining a first quality measure of the first sonar image and a second quality measure of the second sonar image and comparing the first quality measure with the second quality measure and
  • Selecting the subsonic sound velocity associated with the best quality sonar image, said selected subsonic sound velocity corresponding to the optimum subsonic sound velocity.

Durch die bestimmte optimale Unterwasserschallgeschwindigkeit kann insbesondere eine bessere Entfernungsbestimmung zu einem schallrückstrahlenden Objekt erfolgen. Auch ist vorliegende optimale Unterwasserschallgeschwindigkeit eine gute Abschätzung einer wirklichen Unterwasserschallgeschwindigkeit, da Änderungen in Parametern wie Temperatur, Druck oder Salinität entlang der Ausbreitung unbeachtlich – insbesondere durch eine „Mittelung” – sind und durch die gewonnene optimale Unterwasserschallgeschwindigkeit abgedeckt sind.In particular, a better determination of the distance to a sound-reflecting object can take place due to the specific optimum underwater sound velocity. Also, the present optimal subsonic sound velocity is a good estimate of a true subsonic sound velocity, since changes in parameters such as temperature, pressure or salinity along the propagation are unimportant - especially through "averaging" - and are covered by the optimum subsonic sound velocity obtained.

Folgendes Begriffliche sei erläutert:
Allgemein umfasst die „Unterwasserschallgeschwindigkeit” die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls in dem Medium Wasser. Dabei ist das Wasser insbesondere See- oder Meerwasser oder auch Süßwasser.The following concept is explained:
Generally, the "underwater sound velocity" includes the propagation velocity of the sound in the medium of water. The water is especially sea or sea water or fresh water.

Eine „optimale Unterwasserschallgeschwindigkeit” (im Weiteren auch als c0 bezeichnet) umfasst einen Wert, welche sämtliche Einflüsse des Mediums berücksichtigt. Zwar kann der Unterwasserschall auf seinem Ausbreitungsweg unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisen, jedoch beschreibt die optimale Unterwasserschallgeschwindigkeit eine durchschnittliche Geschwindigkeit über der gesamten Verlaufszeit der Schallwelle.An "optimal subsonic sound velocity" (hereinafter also referred to as c 0 ) comprises a value which takes into account all the influences of the medium. Although the underwater sound can have different speeds on its propagation path, but describes the optimal Underwater sound velocity an average velocity over the entire course of the sound wave.

Die „erste Unterwasserschallgeschwindigkeit” umfasst eine erste vermutete oder durch Sensoren bestimmte Unterwasserschallgeschwindigkeit. Zwar ist im Idealfall die erste Unterwasserschallgeschwindigkeit gleich der optimalen Unterwasserschallgeschwindigkeit, jedoch weist im Allgemeinen die erste Unterwasserschallgeschwindigkeit einen Fehler Δc auf, sodass dies zu einem „verschmierten” Sonarbild führt.The "first subsonic sound velocity" includes a first suspected or sensor-detected subsonic sound velocity. While ideally the first subsonic sound velocity is equal to the optimal subsonic sound velocity, in general the first subsonic sound velocity has an error Δc, resulting in a "blurred" sonar image.

Die „zweite Unterwasserschallgeschwindigkeit” weist einen anderen Wert als die erste Unterwasserschallgeschwindigkeit auf. Typischer Weise weicht die zweite Unterwasserschallgeschwindigkeit um 1 m/s bis 3 m/s ab, wobei größere oder auch kleinere Werte möglich und sinnvoll sein können.The "second subsonic sound velocity" has a different value than the first subsonic sound velocity. Typically, the second subsonic sound velocity differs by 1 m / s to 3 m / s, although larger or smaller values may be possible and useful.

Ein „Sonarsignal” umfasst jegliche Signale eines Sonars.A "sonar signal" includes any signals from a sonar.

„Rohdaten” stellen insbesondere jegliche elektronische Signale und Repräsentanzen eines Sonarsignals beim oder nach dem Empfang des Sonarsignals dar. So sind Signale der Hydrophone ebenso umfasst wie bereits aufbereitete (z. B. durch Sample-and-Hold-Schaltungen) Signale. Die Abgrenzung der Rohdaten ist insbesondere zu Sonarbilddaten zu sehen, welche bereits weiterverarbeitet sind und deren Qualitätsmaß bestimmbar ist."Raw data" represent in particular any electronic signals and representative of a sonar signal during or after the receipt of the sonar signal. Thus, signals of the hydrophones are included as well as already prepared (eg by sample-and-hold circuits) signals. The delimitation of the raw data is to be seen in particular to sonar image data, which are already processed and their quality measure can be determined.

Ein „Sonarbild” ist allgemein eine elektronische Repräsentanz einer Wirklichkeit unter Wasser. Das Sonarbild (SAS-Bild) wird insbesondere anhand ausgesandter und empfangener Unterwasserschallsignale generiert. Beim Generieren des Sonarbildes werden insbesondere eine Unterwasserschallgeschwindigkeit und die ermittelten Rohdaten verwendet. Somit entsprechen insbesondere das erste Sonarbild einer Repräsentanz der Wirklichkeit unter Verwendung der ersten Unterwasserschallgeschwindigkeit und den Rohdaten und das zweite Sonarbild einer Repräsentanz der Wirklichkeit unter Verwendung der zweiten Unterwasserschallgeschwindigkeit und der identischen Rohdaten.A "sonar image" is generally an electronic representation of a reality underwater. The sonar image (SAS image) is generated in particular on the basis of transmitted and received underwater sound signals. When generating the sonar image, an underwater sound velocity and the determined raw data are used in particular. Thus, in particular, the first sonar image corresponds to representing the reality using the first subsonic sound velocity and the raw data and the second sonar image representing reality using the second subsonic sound velocity and the identical raw data.

Ein „Qualitätsmaß” ist insbesondere ein (Zahlen)Wert, welcher eine Aussage über die Qualität dargestellter Objekte widerspiegelt. In diesem Zusammenhang wird das Qualitätsmaß häufig mittels Metriken bestimmt. Ein anschauliches Qualitätsmaß ist beispielsweise ein bildbasierter Kontrastunterschied und PSF basierten Metriken, welche insbesondere ein Punktziel extrahieren und welche beispielsweise die Höhe einer Gaußfunktion und/oder die Breite einer Gaußfunktion auswerten, wobei eine Punktauswahl vorausgesetzt wird (PSF = Point Spread Function auch Punktantwort, Punktbildfunktion, Punktbildverwaschungsfunktion oder Punktspreizfunktion genannt). Beispiele für mögliche Metriken/Qualitätsmaße können dem Artikel Leier et al. „SEQUENTIAL FOCUS EVALUATION OF SYNTHETIC APERTURE SONAR IMAGES” (IEEE ICASSP Conference Proceedings, May 26–31, 2013, Vancouver, Canada) entnommen werden, dessen diesbezüglicher Inhalt Bestandteil der vorliegenden Anmeldung ist. Dabei kann das Qualitätsmaß sowohl für das gesamte Sonarbild als auch lediglich anhand von Teilbereichen des Sonarbilds bestimmt werden.In particular, a "quality measure" is a (numbers) value which reflects a statement about the quality of displayed objects. In this context, the quality measure is often determined by means of metrics. An illustrative quality measure is, for example, an image-based contrast difference and PSF-based metrics which in particular extract a point target and which, for example, evaluate the height of a Gaussian function and / or the width of a Gaussian function, assuming a point selection (PSF = point spread function, also point response, point image function, Point spread function or point spread function called). Examples of possible metrics / quality measures can be found in the article Leier et al. "SEQUENTIAL FOCUS EVALUATION OF SYNTHETIC APERTURE SONAR IMAGES" (IEEE ICASSP Conference Proceedings, May 26-31, 2013, Vancouver, Canada) are removed, the relevant content of which is part of the present application. The quality measure can be determined both for the entire sonar image and only on the basis of partial regions of the sonar image.

Ein ganz primitives Qualitätsmaß kann beispielsweise durch eine zeilen- und/oder spaltenbasierte Bildpixelanalyse erfolgen. So kann ein Kontrast als ein Intensitätsübergang von einem Pixel zum nächsten benachbarten bestimmt werden.A very primitive quality measure can be done for example by a line and / or column-based image pixel analysis. Thus, a contrast can be determined as an intensity transition from one pixel to the next adjacent one.

Das „erste und zweite Qualitätsmaß” sind jeweils die vergleichbaren Werte/Funktionen zu den jeweiligen Sonarbildern. Das „beste Qualitätsmaß” ist das, welches den höchsten oder entsprechend niedrigsten Wert – sprich das beste Sonarbild – aufweist.The "first and second quality measures" are in each case the comparable values / functions to the respective sonar images. The "best quality measure" is that which has the highest or correspondingly lowest value - that is, the best sonar image.

Bevor im Weiteren auf die unterschiedlichen Ausprägungsformen eingegangen wird, soll vorab kurz die dem Verfahren zugrundeliegende Theorie am Beispiel eines SAS erläutert werden. Dabei wird gezeigt, dass ein Fehler in der Unterwasserschallgeschwindigkeit eine direkte Auswirkung auf die Qualität eines Sonarbildes hat.Before discussing the different forms of expression, the theory underlying the method will be briefly explained in advance using the example of a SAS. It is shown that a defect in the subsonic sound velocity has a direct effect on the quality of a sonar image.

Eine ideale Beschreibung f(x, y) der Abbildung eines Meeresbodens, welche sich aus der Überlagerung von D stationären Punktzielen darstellen lässt, ist gegeben durch

Figure DE102013106359A1_0002
wobei jedes Ziel eine Reflektivität σd hat und an der Position qd = [xd, yd]T mit xd und yd als lokale Punktkoordinate innerhalb des Bildbereichs verortet ist. Die von der Empfangsanordnung (SAS Antenne) mit der Anzahl Lu an Antennenelementen (Empfangselemente innerhalb eines Empfangsarrays der Sonarantenne) zum Sendezeitindex p empfangenen reflektierten Signale können durch Formel (2) beschrieben werden.An ideal description f (x, y) of the image of a seabed, which can be represented by the superposition of D stationary point targets, is given by
Figure DE102013106359A1_0002
wherein each target has a reflectivity σ d and is located at the position q d = [x d , y d ] T with x d and y d as a local point coordinate within the image area. The reflected signals received by the receiving arrangement (SAS antenna) having the number L u of antenna elements (receiving elements within a receiver array of the sonar antenna) at the airtime index p can be described by Formula (2).

Figure DE102013106359A1_0003
Figure DE102013106359A1_0003

Dabei ist das übertragene Pulssignal s(t) und die Laufzeitverzögerung τd,p(u) beschreibt die Laufzeit des Übertragungssignals zwischen dem Sender (Hydrophon) an der Position tp = [0, ytx,p] und dem d-tem Ziel und zurück zum u-ten Empfänger (hier SAS Antenne) an der Position rp(u) = [0,ytx,p + uΔu]. Die Lauzeitverzögerung wird auch Zwei-Wege-Laufzeit des Sendesignals genannt. Dabei beschreibt Δu den räumlichen Abstand zwischen den einzelnen Empfangselementen. Die Laufzeitverzögerung kann wie folgt beschrieben werden τd,p(u) = (||qd – tp||2 + ||rp(u) – qd||2)/c0. (3) In this case, the transmitted pulse signal s (t) and the propagation delay τ d, p (u) describes the transit time of the transmission signal between the transmitter (hydrophone) at the position t p = [0, y tx, p ] and the d-tem target and back to the u-th receiver (here SAS antenna) at the position r p (u) = [0, y tx, p + uΔ u ]. The Lauzeitverzögerung is also called two-way runtime of the transmission signal. Here, Δ u describes the spatial distance between the individual receiving elements. The propagation delay can be described as follows τ d, p (u) = (|| q d - t p || 2 + || r p (u) - q d || 2 ) / c 0 . (3)

In Formel (3) ist c0 die wahre Schallgeschwindigkeit im Medium. Vorliegend wird ein homogenes Medium angenommen. Unter der Annahme exakter Bewegungsinformationen, beispielsweise eines AUVs und damit der Sende-/Empfangsantenne, und dem Ersetzen der notwendigen Mikronavigation in Form eines DPCA(displaced phase center antenna)-Algorithmus (es wird eine Mikronavigation vernachlässigt), kann ein SAS-Bild f ^(xk, yl) direkt unter einem Verwenden beispielsweise eines Rückprojektionsalgorithmuses ( Soumekh; Synthetic Aperture Radar Signal Processing: with MATLAB Algorithms, Wiley&Sons., 1999 ) rekonstruiert werden.In formula (3), c 0 is the true speed of sound in the medium. In the present case, a homogeneous medium is assumed. Assuming exact motion information, for example an AUV and thus the transmit / receive antenna, and replacing the necessary micro-navigation in the form of a DPCA (displaced phase center antenna) algorithm (micro-navigation is neglected), a SAS image can be created f ^ ( xk , yl ) directly using, for example, a backprojection algorithm ( Soumekh; Synthetic Aperture Radar Signal Processing: with MATLAB Algorithms, Wiley & Sons., 1999 ) are reconstructed.

Bei gegebenen Gitterpunkten gkl = [xk, yl]T mit k = 1, ..., Nx und l = 1, ..., Ny und gegebener Fokussierungsverzögerung τ foc / p,kl(u) kann die Rekonstruktion des Bildes wie folgt beschrieben werden

Figure DE102013106359A1_0004
For given grid points g kl = [x k , y l ] T with k = 1, ..., N x and l = 1, ..., N y and given focus delay τ foc / p, kl (u) For example, the reconstruction of the image can be described as follows
Figure DE102013106359A1_0004

In Formel (4) ist ωc die Trägerfrequenz, e MF / p(u, t) die entfernungsfokussierten Reflexionssignale und B(·) eine Indikatorfunktion [siehe insbesondere Leier et al. „SEQUENTIAL FOCUS EVALUATION OF SYNTHETIC APERTURE SONAR IMAGES” (IEEE ICASSP Conference Proceedings, May 26–31, 2013, Vancouver, Canada) ]. Das Letztere beschreibt, ob ein Gitterpunkt gkl durch den Transmitter oder dem Empfänger „gesehen” oder „beleuchtet” wird. Dabei ist zu beachten, dass die Fokussierungsverzögerung τ foc / p,kl(u) der Rekonstruktion in Formel (4) identisch zu der Laufzeitverzögerung gemäß Formel (3) ist, wobei das bei Gitterungenauigkeiten nicht zwingend angenommen werden kann, da trotz richtiger Unterwasserschallgeschwindigkeit Abweichungen aufgrund einer Gitterabweichung entstehen können.In formula (4), ω c is the carrier frequency, e MF / p (u, t) the distance-focused reflection signals and B (·) an indicator function [see, in particular Leier et al. "SEQUENTIAL FOCUS EVALUATION OF SYNTHETIC APERTURE SONAR IMAGES" (IEEE ICASSP Conference Proceedings, May 26-31, 2013, Vancouver, Canada) ]. The latter describes whether a grid point g kl is "seen" or "illuminated" by the transmitter or the receiver. It should be noted that the focusing delay τ foc / p, kl (u) the reconstruction in formula (4) is identical to the propagation delay according to formula (3), which can not necessarily be assumed in the case of grid inaccuracies, since deviations due to lattice deviation can occur despite the proper underwater sound velocity.

In der Folge wenden wir die Phasenzentrumsapproximation gemäß Bellettini und Pinto [Theoretical Accuracy of Synthetic Aperture Sonar Micronavigation Using a Displaced Phase-Center Antenna; IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2002, 27, 780–789] an, um den Einfluss einer fehlerhaften Schallgeschwindigkeitsannahme auf ein SAS-Bild darzustellen. Bei der Phasenzentrumsapproximation wird ein Sender-Empfänger-Paar durch einen virtuellen Sender-Empfänger ersetzt, welcher im (virtuellen) geometrischen Zentrum zwischen Sender und Empfänger verortet ist. Der Ort des Phasenzentrums sei rpc = [0, ypc]. Daraus vereinfacht sich die Laufzeitverzögerung zum d-ten Ziel zu

Figure DE102013106359A1_0005
In the sequence we apply the phase center approximation according to Bellettini and Pinto [Theoretical Accuracy of Synthetic Aperture Sonar Micronavigation Using a Displaced Phase-Center Antenna; IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2002, 27, 780-789] to illustrate the influence of a faulty sound velocity assumption on a SAS image. In the phase center approximation, a transmitter-receiver pair is replaced by a virtual transmitter-receiver, which is located in the (virtual) geometric center between transmitter and receiver. The location of the phase center is r pc = [0, y pc ]. This simplifies the propagation delay to the dth destination
Figure DE102013106359A1_0005

Der Phasenfehler aufgrund der falschen Schallgeschwindigkeit c ~0 = C0 + Δc führt durch Verwenden einer Taylor-Reihe Entwicklung erster Ordnung der Entfernung Rd zu

Figure DE102013106359A1_0006
The phase error due to the wrong speed of sound c ~ 0 = C 0 + Δc performs first order expansion of the R d series by using a Taylor series
Figure DE102013106359A1_0006

Durch Formel (6) sind zwei Effekte erkennbar. Erstens, dass der Fehler der Schallgeschwindigkeit einen linearen Versatz in Bereichs(koordinaten)richtung des Ziels und zweitens einen quadratischen Term-Beitrag in Verlaufsrichtung, welche ein Verschmieren des SAS-Bildes bewirkt.By formula (6) two effects are recognizable. First, that the error of the speed of sound causes a linear displacement in the area (coordinate) direction of the target and, secondly, a quadratic term contribution in the direction which causes smearing of the SAS image.

Somit hat ein Fehler in der Unterwasserschallgeschwindigkeit eine direkte Auswirkung auf die Qualität des Sonarbildes.Thus, an underwater sound velocity error has a direct impact on the quality of the sonar image.

In einer Ausprägungsform werden zusätzliche Sonarbilder unter Verwenden der Rohdaten und zusätzlicher Unterwasserschallgeschwindigkeit und die zugehörigen zusätzlichen Qualitätsmaße ermittelt und sämtliche Qualitätsmaße verglichen.In one embodiment, additional sonar images are determined using the raw data and additional subsonic sound velocity and associated additional quality measures, and all quality measures are compared.

Somit kann unter Verwendung der identischen Rohdaten zu weiteren angenommenen Unterwasserschallgeschwindigkeiten das Sonarbild mit dem besten Qualitätsmaß ausgewählt werden und somit ein besserer Wert für die Unterwasserschallgeschwindigkeit bestimmt werden.Thus, using the identical raw data at further assumed subsonic sound velocities, the sonar image can be selected with the best quality measure and thus a better subsonic sound velocity value can be determined.

Um sicher oder schnell zu einem möglichst optimalen Wert der Unterwasserschallgeschwindigkeit zu gelangen, kann das Ermitteln und/oder Vergleichen der Qualitätsmaße sequentiell oder iterativ erfolgen.In order to arrive safely or quickly at the best possible value of the underwater sound velocity, the determination and / or comparison of the quality measures can be carried out sequentially or iteratively.

Unter „sequentiell” ist ein kontinuierliches Abändern der Unterwasserschallgeschwindigkeit mit lediglich einer Richtungsänderung zu verstehen. Insbesondere kann beim Feststellen, dass ein etwas höherer Wert für die Unterwasserschallgeschwindigkeit zu schlechteren Qualitätsmaß führt, direkt ein niedrigerer Wert für die Unterwasserschallgeschwindigkeit verwendet werden. In diesem Beispielsfall liegt dann eine Richtungsänderung vor.By "sequential" is meant a continuous alteration of the subsonic sound velocity with only one change of direction. In particular, when determining that a slightly higher subsonic sound velocity value results in a poorer quality measure, a lower subsonic sound velocity value may be directly used. In this example, there is a change of direction.

Beim „iterativen” Ermitteln und/oder Vergleichen können bei größeren Änderungen der angenommenen Unterwasserschallgeschwindigkeit mehrere Richtungswechsel erfolgen, sodass die optimale Unterwasserschallgeschwindigkeit möglichst schnell erreichbar ist.In the case of "iterative" determination and / or comparison, changes in direction of the assumed subsonic sound velocity can be changed several times, so that the optimum subsonic sound velocity can be reached as quickly as possible.

In einer weiteren Ausprägungsform erfolgt das Ermitteln der jeweiligen Sonarbilder und/oder der jeweiligen Qualitätsmaße parallel.In another embodiment, the determination of the respective sonar images and / or the respective quality measures takes place in parallel.

Somit kann ein extrem schnelles Ermitteln der optimalen Unterwasserschallgeschwindigkeit erfolgen, da parallelisierbare Rechenvorgänge durch parallele Prozessoren berechnet werden. Somit kann eine Echtzeitfähigkeit des Verfahrens ermöglicht werden. Echtzeitfähig in diesem Fall bedeutet insbesondere, dass in dem Zeitintervall zwischen dem Ermitteln zweier SAS-Bilder die optimale Unterwasserschallgeschwindigkeit ermittelbar ist.Thus, an extremely fast determination of the optimal subsonic sound velocity can be made because parallelizable computations are calculated by parallel processors. Thus, a real-time capability of the method can be enabled. Real-time capability in this case means in particular that in the time interval between the determination of two SAS images, the optimal subsonic sound velocity can be determined.

Insbesondere das Bestimmen der Qualitätsmaße/Metriken ist parallelisierbar. Der eigentliche Vergleich der Qualitätsmaße kann anschließend durch lediglich einen Prozessor bearbeitet werden.In particular, the determination of the quality measures / metrics can be parallelized. The actual comparison of the quality measures can then be processed by a single processor.

Um das Verfahren für unterschiedliche Missionsszenarien einsetzen zu können, kann das Verfahren online oder offline durchgeführt werden.In order to use the procedure for different mission scenarios, the procedure can be carried out online or offline.

Unter „online” ist insbesondere während der eigentlichen Mission zu verstehen. So kann die Rechenleistung in einem autonomen Unterwasserfahrzeug selbst oder auch an Bord eines Schiffes berechnet werden, wobei ein Unterwassergefährt währenddessen neue Sonarbilder unter Wasser ermittelt."Online" is to be understood in particular during the actual mission. Thus, the computing power can be calculated in an autonomous underwater vehicle itself or on board a ship, with an underwater vehicle meanwhile determines new sonar images under water.

Beim „Offline-”Verfahren werden die Sonarbilder oder Rohdaten nach der Mission oder zeitversetzt zur Aufnahme der Daten bearbeitet. So kann insbesondere nach dem Vermessen mittels eines Sonars eine Karte mit exakten Abständen und Proportionen bereitgestellt werden. In the "offline" method, the sonar images or raw data are processed after the mission or with a time delay to record the data. Thus, in particular after measuring by means of a sonar, a map with exact distances and proportions can be provided.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Fokussieren eines defokussierten Sonarbildes, wobei die optimale Unterwasserschallgeschwindigkeit gemäß einem zuvor beschriebenen Verfahren bestimmt und das zu der optimalen Unterwasserschallgeschwindigkeit zugehörige Sonarbild ermittelt werden.In a further embodiment of the invention, the object is achieved by a method for focusing a defocused sonar image, whereby the optimum subsonic sound velocity is determined according to a method described above and the sonar image associated with the optimal subsonic sound velocity is determined.

Somit können Sonarbilder höherer Qualität und/oder schärferer Konturen bereitgestellt werden.Thus, sonar images of higher quality and / or sharper contours can be provided.

In diesem Zusammenhang ist unter ”fokussiertes” Darstellen, ein möglichst optimales Darstellen des Sonarbildes zu verstehen.In this context, "focused" representation is to be understood as an optimum representation of the sonar image.

Ein „Defokussiert sein” liegt insbesondere dann vor, wenn Sonarbilder Objekte anzeigen, welche „unscharf” dargestellt sind.A "defocused" is especially when sonar images display objects that are "out of focus" shown.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung, welche derart eingerichtet ist, dass eines der zuvor beschriebenen Verfahren durchführbar ist.In a further embodiment of the invention, the object is achieved by a device which is set up such that one of the methods described above can be carried out.

Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigenFurthermore, the invention will be explained with reference to exemplary embodiments. Show it

1 eine stark schematische Darstellung verschiedener Sonarbilder mit unterschiedlichen Qualitätsmaßen. 1 a highly schematic representation of different sonar images with different quality measures.

Am Grund des Meeresbodens sind drei punktförmige Objekte angeordnet. In einer Entfernung von 50 m unter einem Winkel von 10° befindet sich ein AUV (Autonomous Underwater Vehicle). Das AUV weist Ultraschallsender und eine Schallantenne (mehrere Hydrophone) auf und ist derart eingerichtet, dass ein Synthetic Aperture Sonar (SAS) gebildet ist.At the bottom of the seabed three point-shaped objects are arranged. At a distance of 50 m at an angle of 10 ° there is an AUV (Autonomous Underwater Vehicle). The AUV has an ultrasonic transmitter and a sound antenna (multiple hydrophones) and is set up to form a Synthetic Aperture Sonar (SAS).

Das SAS ermittelt Rohdaten. Weiterhin misst das AUV mittels angebrachter Sensoren Wasserdruck, Temperatur und Salinität. Anhand der Sensordaten wird eine erste „Schätzung” der Unterwasserschallgeschwindigkeit berechnet.The SAS determines raw data. Furthermore, the AUV measures water pressure, temperature and salinity using attached sensors. Based on the sensor data, a first "estimate" of the subsonic sound velocity is calculated.

Alternativ wird die Schallgeschwindigkeit mittels eines Schallgeschwindigkeitssensors direkt gemessen.Alternatively, the speed of sound is measured directly by means of a sonic velocity sensor.

Vorliegend ist der berechnete (gemessene) Wert der Unterwasserschallgeschwindigkeit 1500 m/s.In the present case, the calculated (measured) value of the subsonic sound velocity is 1500 m / s.

In einem Schritt 1 wird mit dieser ersten Unterwasserschallgeschwindigkeit das erste SAS-Bild ermittelt [siehe 1d.)]. Zudem wird die ermittelte Unterwasserschallgeschwindigkeit erhöht auf 1502,5 m/s und ebenfalls ein SAS-Bild (hier das zweite SAS-Bild [siehe 1e.)]).In a step 1, the first SAS image is determined with this first subsonic sound velocity [see 1d .)]. In addition, the determined subsonic sound velocity is increased to 1502.5 m / s and also a SAS image (here the second SAS image [see 1e .)]).

Für beide SAS-Bilder 1d.), 1e.) wird jeweils das Qualitätsmaß ermittelt, wobei das Qualitätsmaß mittels Kontrastmessung bestimmt wird.For both SAS images 1d.), 1e.) The quality measure is determined in each case, whereby the quality measure is determined by means of contrast measurement.

Eine mögliche Kontrastmessung für ein Gesamtbild ist:
Ein Kontrast mc sei als Verhältnis einer empirischen Standardabweichung σ ^f zu einem empirischen Mittelwert μ ^f einer vektorisierten Bildmatrix f = vec{F}, mit F = f(xk, yl) mit k = 1, ..., Nx und l = 1, ..., Ny definiert, so dass gilt

Figure DE102013106359A1_0007
A possible contrast measurement for an overall picture is:
A contrast m c is the ratio of an empirical standard deviation σ ^ f to an empirical mean μ ^ f a vectorized image matrix f = vec {F}, with f = f (x k , y l ) with k = 1, ..., N x and l = 1, ..., N y defined, so that holds
Figure DE102013106359A1_0007

Alternativ oder zusätzlich werden PSF-Metriken bestimmt.Alternatively or additionally, PSF metrics are determined.

Der mc-Wert des zweiten SAS-Bilds 1e.) ist niedriger als der mc-Wert des ersten SAS-Bildes 1d.). Da keine Verbesserung im Qualitätsmaß (mc) erfolgte, wird in einem weiteren Schritt 2, die Unterwasserschallgeschwindigkeit auf 1497,5 m/s verringert und das zugehörige SAS-Bild 1c.) ermittelt und der zugehörige Kontrastwert mc dieses Bildes 1c.) bestimmt und mit dem Kontrastwert mc des ersten SAS-Bildes 1d.) verglichen.The m c value of the second SAS image 1e.) Is lower than the m c value of the first SAS image 1d.). Since there was no improvement in the quality measure (m c ), in a further step 2, the Underwater sound velocity reduced to 1497.5 m / s and the associated SAS image 1c.) Determined and the associated contrast value m c of this image 1c.) Determined and compared with the contrast value m c of the first SAS image 1d.).

Da sich der Kontrastwert mc verbessert hat, wird im Schritt 3 die Unterwasserschallgeschwindigkeit erneut verringert und auf den Wert 1495 m/s gesetzt. Es werden wiederum das zugehörige SAS-Bild 1b.) und der zugehörige Kontrastwert mc ermittelt und mit den Werten zum SAS-Bild 1c.) verglichen. Da sich der Kontrastwert mc verbessert hat wird im Schritt 4 die Unterwasserschallgeschwindigkeit auf den Wert von 1492,5 m/s gesetzt und das zugehörige SAS-Bild 1a.) und der zugehörige Kontrastwert mc ermittelt. Der Kontrastwert mc hat sich gegenüber dem Kontrastwert mc des SAS-Bildes 1b.) verschlechtert, sodass davon ausgegangen wird, dass das SAS-Bild 1b.) die beste Qualität aufweist und dass die beste Beschreibung für die Unterwasserschallgeschwindigkeit der Wert 1495 m/s ist.Since the contrast value m c has improved, in step 3 the subsonic sound velocity is reduced again and set to the value 1495 m / s. In turn, the associated SAS image 1b.) And the associated contrast value mc are determined and compared with the values for the SAS image 1c.). Since the contrast value m c has improved, the underwater sound velocity is set to the value of 1492.5 m / s in step 4 and the associated SAS image 1a.) And the associated contrast value m c are determined. The contrast value m c has deteriorated compared to the contrast value m c of the SAS image 1b.), So that it is assumed that the SAS image 1b.) Has the best quality and that the best description for the underwater sound velocity is 1495 m / s is.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (7)

Verfahren zum Bestimmen einer optimalen Unterwasserschallgeschwindigkeit, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: – Ermitteln von Rohdaten eines Sonarsignals, – Ermitteln eines ersten Sonarbildes unter Verwenden der Rohdaten und einer ersten Unterwasserschallgeschwindigkeit, – Ermitteln eines zweiten Sonarbildes unter Verwenden der Rohdaten und einer zweiten Unterwasserschallgeschwindigkeit, – Ermitteln eines ersten Qualitätsmaßes des ersten Sonarbildes und eines zweiten Qualitätsmaßes des zweiten Sonarbildes und Vergleichen des ersten Qualitätsmaßes mit dem zweiten Qualitätsmaßes und – Auswählen der Unterwasserschallgeschwindigkeit, welche zu dem Sonarbild mit dem besten Qualitätsmaßes zugehörig ist, wobei diese ausgewählte Unterwasserschallgeschwindigkeit der optimalen Unterwasserschallgeschwindigkeit entspricht.A method of determining an optimal subsonic sound velocity, the method comprising the steps of: Determining raw data of a sonar signal, Determining a first sonar image using the raw data and a first subsonic sound velocity, Determining a second sonar image using the raw data and a second subsonic sound velocity, Determining a first quality measure of the first sonar image and a second quality measure of the second sonar image and comparing the first quality measure with the second quality measure and Selecting the subsonic sound velocity associated with the best quality sonar image, said selected subsonic sound velocity corresponding to the optimum subsonic sound velocity. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Sonarbilder unter Verwenden der Rohdaten und zusätzlicher Unterwasserschallgeschwindigkeit und die zugehörigen zusätzlichen Qualitätsmaße ermittelt und sämtliche Qualitätsmaße verglichen werden.A method according to claim 1, characterized in that additional sonar images are determined using the raw data and additional subsonic sound velocity and the associated additional quality measures and all quality measures are compared. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Ermitteln und/oder Vergleichen der Qualitätsmaße sequentiell oder iterativ erfolgt.Method according to one of the preceding claims, wherein the determination and / or comparison of the quality measures is carried out sequentially or iteratively. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der jeweiligen Sonarbilder und/oder der jeweiligen Qualitätsmaße parallel erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the determination of the respective sonar images and / or the respective quality measures takes place in parallel. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren online oder offline durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the method is carried out online or offline. Verfahren zum Fokussieren eines defokussierten Sonarbildes, dadurch gekennzeichnet, dass die optimale Unterwasserschallgeschwindigkeit gemäß einem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche bestimmt und das zu der optimalen Unterwasserschallgeschwindigkeit zugehörige Sonarbild ermittelt wird.A method for focusing a defocused sonar image, characterized in that the optimal subsonic sound velocity determined according to a method according to any one of the preceding claims and the sonar image associated with the optimal subsonic sound velocity is determined. Vorrichtung, welche derart eingerichtet ist, dass ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchführbar ist.Device which is set up so that a method according to one of claims 1 to 6 can be carried out.
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