DE102022204902A1 - Signalverarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung von Wasserschall - Google Patents

Abstract

Es ist eine Signalverarbeitungseinrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur Verarbeitung von Wasserschall in einem Wasserfahrzeug offenbart. Das Verfahren umfasst die Schritte: -Empfangen von Ausgangssignalen von Wasserschallwandlern, die den empfangenen Wasserschall in das Ausgangssignal umwandeln; -Bestimmen eines akustischen Gesamtdruck P(t, xn) basierend auf den Ausgangssignalen, mit der Zeit t und xn= (n - 1) - d, wobei d dem Abstand zwischen zwei Wasserschallwandlern n (mit n = 1 ... N; N ≥ 2) entspricht; -Transformieren des Gesamtdruck P in den Frequenzbereich, um ein Spektrum P(f, xn) des Gesamtdrucks zu erhalten, wobei f die Frequenz bezeichnet; -Ermitteln eines Leistungsdichtespektrums basierend auf dem Spektrum P(f, x,); -Korrigieren des Leistungsdichtespektrums um einen Störungswert, um ein optimiertes Leistungsdichtespektrum mit reduzierten Rauschanteilen zu erhalten.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Signalverarbeitungseinrichtung und ein Signalverarbeitungsverfahren zur Verarbeitung von Ausgangssignalen (auch als Wasserschallsignale bezeichnet) von Wasserschallwandlern, die Wasserschall empfangen und jeweils in ein zugehöriges Ausgangssignal umwandeln.
• Die Signalverarbeitung von Wasserschallsignalen ist prinzipiell bekannt. So können z.B. Sonarverfahren angewendet werden, beispielweise zur Ortung von Objekten oder zur Orientierung eines getauchten Unterwasserfahrzeugs. Eine Manipulation der Wasserschallsignale, beispielsweise indem Rauschanteile identifiziert und herausgerechnet werden, wird durch die komplexwertigen Größen im Frequenzbereich erschwert.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für die Signalverarbeitung von Wasserschallsignalen zu schaffen.
• Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
• Ausführungsbeispiele zeigen eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung von Wasserschall in einem Wasserfahrzeug mit einem Signalverarbeitungsprozessor. Der Signalverarbeitungsprozessor ist ausgebildet, Ausgangssignale von Wasserschallwandlern zu empfangen. Die Wasserschallwandler wandeln den empfangenen Wasserschall in das Ausgangssignal, auch als Wasserschallsignal bezeichnet, um. Insbesondere sind die Wasserschallwandler äquidistant angeordnet. Der Signalverarbeitungsprozessor und die Wasserschallwandler können auch ein System bilden.
• Basierend auf den Ausgangssignalen kann der Signalverarbeitungsprozessor einen akustischen Gesamtdruck P(t, x_n) bestimmen. Hier bezeichnet t die Zeit und d den Abstand zwischen zwei Wasserschallwandlern n (mit n = 1 ... N; N ≥ 2). Ferner ist x_n = (n - 1) · d. Der Signalverarbeitungsprozessor transformiert den Gesamtdruck P in den Frequenzbereich, um ein Spektrum P(f,x_n) des Gesamtdrucks zu erhalten, wobei f die Frequenz bezeichnet. Ferner kann der Signalverarbeitungsprozessor basierend auf dem Spektrum P(f,x_n) ein Leistungsdichtespektrum ermitteln.
• Für die Bestimmung des Leistungsdichtespektrums kann der Signalverarbeitungsprozessor das Spektrum P(f,x_n) in den Wellenzahl-Frequenzbereich transformieren. Das somit erzeugte Spektrum P(f, k) kann mit Hilfe des Betragsquadrats in ein Leistungsdichtespektrum überführt werden. Hierbei bezeichnet k die Wellenzahl. Somit kann das Leistungsdichtespektrum gemäß der Formel | ${\left|F_x\left(P\left(ƒ,x_n\right)\right)\right|}^2$

  

  bestimmt werden, wobei $F_x$

  

  die Fouriertransformation nach x bezeichnet.
• Nunmehr kann der Signalverarbeitungsprozessor das ermittelte Leistungsdichtespektrum um einen Störungswert korrigieren, um ein optimiertes Leistungsdichtespektrum mit reduzierten Rauschanteilen zu erhalten.
• Die Idee ist es somit, bei etwaigen Korrekturen des Wasserschallsignals, d.h. beispielsweise, wenn bestimmte Anteile herausgerechnet werden sollen, die Korrekturen basierend auf dem Leistungsdichtespektrum des Wasserschallsignals durchzuführen. Dies ist vorteilhaft, da das Leistungsdichtespektrum reell ist und somit bei der Modifikation keine Phaseninformationen mehr berücksichtigt werden brauchen. Somit wird eine ganze Fehlerquelle vermieden und die notwendige Rechenleistung reduziert. Die Untersuchung der Methode zeigt, dass die Vermeidung dieser Fehlerquelle die Ergebnisqualität signifikant erhöht. Weitere Rechenleistung wird ferner dadurch gespart, dass die Berechnung teilweise analytisch erfolgen kann und dabei kein numerisches Verfahren angewandt wird.
• Werden andere Ansätze bei der Audiosignalverarbeitung betrachtet, fällt auf, dass die Resultate ausschließlich numerisch berechnet werden. Ferner fällt auf, dass diese Ansätze der klassischen Audiosignalverarbeitung für die Hydroakustik schlechtere Ergebnisse liefern als die Ergebnisse für die klassische Audiosignalverarbeitung vermuten lassen würden. Diese Ansätze basieren beispielsweise auf der Analyse des Wasserschallsignals bzw. dessen Spektrums mit einem Wiener Filter. Insoweit liefert die vorgeschlagene Signalverarbeitung bessere Ergebnisse und ist in der Berechnung effizienter.
• Zum besseren Verständnis der nachfolgenden Ausführungsbeispiele sei auf folgende Definitionen verwiesen:
• Γ(f,x_n) bezeichnet das Autokorrelationsspektrum und ist definiert als die inverse Ortsbereichstransformation (beispielsweise IFFT) des Leistungsdichtespektrums $$\left(\mathrm{\Gamma }\left(ƒ,x_n\right)=F_x^{-1}\left({\left|F_x\left(P\left(ƒ,x_n\right)\right)\right|}^2\right)\right).$$
  
• Normiert auf das Autokorrelationsspektrum eines Referenzwasserschallwandlers ergibt sich die zugehörige Autokorrelationsfunktion $\rho \left(ƒ,r\right)=\frac{\mathrm{\Gamma }\left(ƒ,x_n\right)}{\mathrm{\Gamma }\left(ƒ,x_{ref}\right)}$

  

  mit r = x_n - x_ref.
• Ausführungsbeispiele zeigen, dass der Signalverarbeitungsprozessor als Störungswert ein Leistungsdichtespektrum von Hintergrundrauschen verwendet. Bevorzugt kann der Signalverarbeitungsprozessor das Leistungsdichtespektrum des Hintergrundrauschens als isotropes Rauschen schätzen.
• Isotropes Rauschen weist die Autokorrelationsfunktion ${\rho }_{iso}\left(ƒ,r\right)=sinc\left(\frac{2\cdot ƒ\cdot r}{c}\right)$

  

  auf. c bezeichnet die Schallgeschwindigkeit im Wasser, sinc bezeichnet den Sinus cardinalis, auch als Si-Funktion bekannt. Unter Verwendung der im Vorhinein eingeführten Funktionen ergibt sich das zugehörige Leistungsdichtespektrum zu $\mathrm{\Gamma }\left(ƒ,x_{ref}\right)\cdot \frac{\pi \cdot c}{2\cdot \left|ƒ\right|}\cdot rect\left(\frac{c}{4\cdot ƒ}\cdot k_r\right).$

  

  Insoweit kann der Signalverarbeitungsprozessor das Leistungsdichtespektrum des Hintergrundrauschens mittels des Terms $$

  

  $\mathrm{\Gamma }\left(ƒ,x_{ref}\right)\cdot \frac{\pi \cdot c}{2\cdot \left|ƒ\right|}\cdot rect\left(\frac{c}{4\cdot ƒ}\cdot k_r\right)\text{ mit }{k}_r=\frac{2\pi }{{\lambda }_r}$

  

  schätzen und, insbesondere unter der Voraussetzung der Unkorreliertheit, das geschätzte Leistungsdichtespektrum des Hintergrundrauschens von dem Leistungsdichtespektrum des Spektrums P(f,x_n) subtrahieren. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, um das Signal-Rausch Verhältnis in dem Wasserschallsignal zu verbessern.
• In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Signalverarbeitungsprozessor als Störungswert ein Leistungsdichtespektrum einer Schallquelle bestimmen, die in dem Wasserschall hörbar ist. Als Schallquelle wird ein Objekt bezeichnet, dass Schall aussendet oder Schall reflektiert. Zur Ermittlung des Leistungsdichtespektrums der Schallquelle kann der Signalverarbeitungsprozessor eine Richtung α_sig, in der sich die Schallquelle befindet, bestimmen. Die Richtung kann beispielsweise dadurch bestimmt werden, dass eine Differenz der Signalstärke in der Richtung α_sig zu den Signalstärken in der Richtung α_sig + 3° und α_sig - 3° (bevorzugt jeweils) einen Schwellenwert überschreitet.
• In Ausführungsbeispielen kann der Signalverarbeitungsprozessor das Leistungsdichtespektrum der Schallquelle als Ziellinie eines Wellenzahl-Frequenzdiagramms schätzen. Das Leistungsdichtespektrum dieser richtungsabhängigen Ziellinie kann mittels einer Delta-Distribution geschätzt werden. Es kann sich beispielsweise ein Leistungsdichtespektrum zu $\mathrm{\Gamma }\left(ƒ,x_{ref}\right)\cdot \frac{\epsilon }{{\left({\tilde{k}}_r-\frac{ƒ\cdot \text{cos}\left({\alpha }_{sig}\cdot \frac{\pi }{180}\right)}{c}\right)}^2+{\epsilon }^2}$

  

  $$

  

  ergeben. Der Signalverarbeitungsprozessor kann das Leistungsdichtespektrum der Schallquelle demnach mittels des Terms $$\mathrm{\Gamma }\left(ƒ,x_{ref}\right)\cdot \frac{\epsilon }{{\left({\tilde{k}}_r-\frac{ƒ\cdot \text{cos}\left({\alpha }_{sig}\cdot \frac{\pi }{180}\right)}{c}\right)}^2+{\epsilon }^2}$$

  

  mit ${\tilde{k}}_r=\frac{1}{{\lambda }_r}=\frac{k_r}{2\pi }$

  

  schätzen und das geschätzte Leistungsdichtespektrum der Schallquelle von dem Leistungsdichtespektrum des Spektrums P(f,x_n) subtrahieren. ε bezeichnet einen Parameter, der die Breite der Ziellinie der Schallquelle abbildet. ε kann ≤ $\frac{1}{75},$

  

  bevorzugt ≤ $\frac{1}{100},$

  

  besonders bevorzugt ≤ $\frac{1}{120}$

  

  gewählt werden.
• Der Gesamtschalldruck P(t,x_n) setzt sich nun dem Eigenrauschen, dem Hintergrundrauschen und dem durch eine oder mehrere Schallquellen erzeugten Geräusche zusammen. Für eine Kundenabnahme des Wasserfahrzeugs ist es nunmehr wichtig, das Eigenrauschen des Wasserfahrzeugs zu bestimmen, da dies einen vorbestimmten Schwellenwert nicht überschreiten darf. Das Eigenrauschen kann durch Subtraktion des Leistungsdichtespektrums der Schallquelle(n) und des Leistungsdichtespektrums des Hintergrundrauschens von dem Leistungsdichtespektrum des Gesamtschalldrucks ermittelt werden, um das optimierte Leistungsdichtespektrum zu erhalten.
• In Ausführungsbeispielen ist es möglich, statt des Delay-and-Sum Beamformers, eine Richtungsbildung direkt auf dem optimierten Leistungsdichtespektrum durchzuführen. So kann die Signalverarbeitungseinrichtung einen Richtungsbildner umfassen, der ausgebildet ist, eine Richtungsbildung der Ausgangssignale basierend auf dem optimierten Leistungsdichtespektrum durchzuführen. Dies ist vorteilhaft, da somit die für die Verwendung des Delay-and-Sum Beamformers notwendigen Phaseninformationen der Ausgangssignale nicht benötigt werden. Dies reduziert die benötige Rechenleistung zur Durchführung der Richtungsbildung. Ferner wird es dem Richtungsbildner somit ermöglicht, durch Verwendung des optimierten Leistungsdichtespektrums, beispielsweise durch vorherige Eliminierung von Hintergrundrauschen, ein verbessertes Signal-Rausch Verhältnis zu erhalten und somit auch eine verbesserte Zieldetektion zu ermöglichen.
• In Ausführungsbeispielen kann der Richtungsbildner die Richtungsbildung basierend auf dem Leistungsdichtespektrum multipliziert mit einem Winkel durchzuführen, der unabhängig von den Ausgangssignalen ist. Dieser Winkel kann in Abhängigkeit einer Richtung gewählt werden, in der eine Empfangsempfindlichkeit optimiert ist. D.h., in der Richtung, in die die Wasserschallwandler schauen sollen. Beispielsweise kann der Richtungsbildner den Winkel als e^{i·2·π·f·τn(Θ)}, mit der imaginären Einheit i, der Frequenz f und der Winkelinformation ${\tau }_n\left(\mathrm{\theta }\right)=\frac{x_n\cdot \text{cos}\left(\mathrm{\theta }\right)}{c},$

  

  wobei c die Schallgeschwindigkeit und Θ die Richtung angibt, wählen.
• In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Richtungsbildner als Array Gewinn $$ag\left(t\mathrm{,\theta }\right)=\frac{N^2}{{\displaystyle \sum {}_{n=1}^N}{\displaystyle \sum {}_{m=1}^N\rho \left(ƒ,x_n-x_m,\mathrm{\theta }\right)}}$$

  

  mit $\rho \left(ƒ,r,\mathrm{\theta }\right)=\frac{\mathrm{\Gamma }\left(ƒ,x_n,\mathrm{\theta }\right)}{\mathrm{\Gamma }\left(ƒ,x_{ref},\mathrm{\theta }\right)}$

  

  für r = x_n - x_ref > 0 und $\overline{\rho \left(ƒ,-r,\mathrm{\theta }\right)}$

  

  für r < 0 ausgedrückt werden, wobei $\mathrm{\Gamma }\left(ƒ,x_n,\mathrm{\theta }\right)=F_x^{-1}{\left|F_x\left(P\left(ƒ,x_n\right)\right)\right|}^2\cdot e^{i\cdot 2\cdot \pi \cdot ƒ\cdot {\tau }_n\left(\mathrm{\theta }\right)}$

  

  mit $F_x$

  

  als Frequenztransformation nach x und dem Schalldruck P. $\overline{\rho \left(ƒ,-r,\mathrm{\theta }\right)}$

  

  bezeichnet den konjugiert komplexen Wert von p(f, -r, 0). Der Array Gewinn bezeichnet den Gewinn der Messung mit dem Array unter Verwendung der Richtungsbildung (Beamforming) gegenüber der Verwendung eines einzelnen Wasserschallwandlers.
• Ferner ist ein entsprechendes Verfahren zur Verarbeitung von Wasserschall in einem Wasserfahrzeug offenbart. Das Verfahren umfasst die Schritte: -Empfangen von Ausgangssignalen von Wasserschallwandlern, die den empfangenen Wasserschall in das Ausgangssignal umwandeln; -Bestimmen eines akustischen Gesamtdruck P(t, x_n) basierend auf den Ausgangssignalen, mit der Zeit t und x_n = (n - 1) - d, wobei d dem Abstand zwischen zwei Wasserschallwandlern n (mit n = 1 ... N; N ≥ 2) entspricht; -Transformieren des Gesamtdruck P in den Frequenzbereich, um ein Spektrum P(f,x_n) des Gesamtdrucks zu erhalten, wobei f die Frequenz bezeichnet; -Ermitteln eines Leistungsdichtespektrums basierend auf dem Spektrum P(f,x_n); - Korrigieren des Leistungsdichtespektrums um einen Störungswert, um ein optimiertes Leistungsdichtespektrum mit reduzierten Rauschanteilen zu erhalten.
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
• 1: ein schematisches Blockdiagramm eines Systems mit einem Signalprozessor zur Verarbeitung von Wasserschall;
• 2: ein schematisches Frequenz-Wellenzahl Diagramm.
• Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
• 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Systems 16 mit drei Wasserschallwandlern 18 und einer Signalverarbeitungseinrichtung, die einen Signalverarbeitungsprozessor 20 und optional einen Richtungsbildner 21 aufweist. Die Wasserschallwandler empfangen Wasserschall 22 und wandeln den Wasserschall in ein (in der Regel elektrisches) Ausgangssignal 24, das Wasserschallsignal, um. Der Signalverarbeitungsprozessor 20 empfängt die Ausgangssignale 24 und verarbeitet diese. Am Ausgang des Signalverarbeitungsprozessors kann ein entsprechendes verarbeitetes Wasserschallsignal 26, bzw. ein Wasserschallsignal pro Ausgangssignal, bereitgestellt werden. Dies kann z.B. das optimierte Leistungsdichtespektrum oder ein daraus abgeleitetes Signal sein.
• Der Richtungsbilder 21 kann eine Richtungsbildung der verarbeiteten Wasserschallsignale 26 vornehmen. Dies ermöglicht es, die Empfindlichkeit der Wasserschallwandler in eine Richtung zu erhöhen und somit die Wasserschallwandler virtuell in eine Richtung blicken zu lassen bzw. virtuell zu schwenken. Am Ausgang des Richtungsbildners 21 können die entsprechenden Richtungssignale 28 abgegriffen werden.
• 2 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, in dem eine Intensitätsverteilung des Wasserschalls dargestellt werden kann. Die Intensität wird pro Frequenz und Wellenzahl aufgetragen. D.h. bevorzugt wird ein Raster der Frequenz über der Wellenzahl mit Intensitäten des Wasserschalls dargestellt. Die Anzahl der Punkte des Rasters wird durch die Abtastrate (Auflösung der Frequenzachse) und die Anzahl sowie Abstände der Wasserschallwandler in dem Linienarray (Auflösung der Wellenzahl-Achse) bestimmt.
• Das Diagramm wird durch eine V-förmige Trennlinie 30 unterteilt. Innerhalb des V 30, d.h. in einem Bereich 32 liegen die Schallwellen, die mit einer relativen Geschwindigkeit auf die Wasserschallwandler auftreffen, die größer ist als die Schallgeschwindigkeit im Wasser. Auf dem V, d.h. auf der Trennlinie 30 liegen die Schallwellen, die mit einer Geschwindigkeit über die Wasserschallwandler laufen, die genau der Schallgeschwindigkeit im Wasser entspricht. Ziele bzw. Zielspuren resultieren in einer Gerade innerhalb des V. Beispielhaft ist ein Ziel 34 in 2 gezeigt.
• Die offenbarten (Wasser-) Schallwandler sind für den Einsatz unter Wasser, insbesondere im Meer, ausgelegt. Die Schallwandler können, Wasserschall in eine dem Schalldruck entsprechenden elektrischen Signal (z.B. Spannung oder Strom), das Wasserschallsignal, umwandeln. Überdies ist es möglich, dass die Schallwandler eine anliegende elektrische Spannung in Wasserschall umwandeln können. Die Schallwandler können demnach als Wasserschallempfänger und/oder als Wasserschallsender verwendet werden. Als sensorisches Material können die Schallwandler ein piezoelektrisches Material, beispielsweise eine Piezokeramik, aufweisen. Die Schallwandler können für (Aktiv- und/oder Passiv-) Sonar (sound navigation and ranging, dt.: Schall-Navigation und -Entfernungsbestimmung) eingesetzt werden. Die Schallwandler sind bevorzugt nicht für medizinische Anwendungen geeignet bzw. werden nicht für medizinische Anwendungen eingesetzt.
• Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
• Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
• Bezugszeichenliste:

16

Systems

18

Wasserschallwandler

19

Signalverarbeitungseinrichtung

20

Signalverarbeitungsprozessor

21

Richtungsbildner

22

Wasserschall

24

Ausgangssignal

26

verarbeitetes Wasserschallsignal

28

Richtungssignale

Claims (14)

1. Signalverarbeitungseinrichtung (19) zur Verarbeitung von Wasserschall (22) in einem Wasserfahrzeug, wobei die Signalverarbeitungsvorrichtung (19) folgende Merkmale aufweist: einen Signalverarbeitungsprozessor (20), der ausgebildet ist, - Ausgangssignale (24) von Wasserschallwandlern (18) zu empfangen, die den empfangenen Wasserschall (22) in das Ausgangssignal (24) umwandeln; - basierend auf den Ausgangssignalen (24) einen akustischen Gesamtdruck P(t, x_n) zu bestimmen, mit der Zeit t und x_n = (n - 1) - d, wobei d dem Abstand zwischen zwei Wasserschallwandlern (18) n (mit n = 1 ... N; N ≥ 2) entspricht; - den Gesamtdruck P in den Frequenzbereich zu transformieren, um ein Spektrum P(f,x_n) des Gesamtdrucks zu erhalten, wobei f die Frequenz bezeichnet; - ein Leistungsdichtespektrum basierend auf dem Spektrum P(f, x_n) zu ermitteln; - das Leistungsdichtespektrum um einen Störungswert zu korrigieren, um ein optimiertes Leistungsdichtespektrum mit reduzierten Rauschanteilen zu erhalten.
2. Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß Anspruch 1, wobei der Signalverarbeitungsprozessor (20) ausgebildet ist, - zur Bestimmung des Leistungsdichtespektrums das Spektrum P(f,x_n) in den Ortsfrequenzbereich zu transformieren, um ein Ortsspektrum P(f, k) zu erhalten und das Betragsquadrat des Ortsspektrums zu bilden, um das Leistungsdichtespektrum zu erhalten, wobei k die Wellenzahl bezeichnet.
3. Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Signalverarbeitungsprozessor (20) ausgebildet ist, - als Störungswert ein Leistungsdichtespektrum von Hintergrundrauschen zu verwenden.
4. Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß Anspruch 3, wobei der Signalverarbeitungsprozessor (20) ausgebildet ist, -das Leistungsdichtespektrum des Hintergrundrauschens als isotropes Rauschen zu schätzen.
5. Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei der Signalverarbeitungsprozessor (20) ausgebildet ist, - das Leistungsdichtespektrum des Hintergrundrauschens mittels des Terms $$\mathrm{\Gamma }\left(ƒ,x_{ref}\right)\cdot \frac{\pi \cdot c}{2\cdot \left|ƒ\right|}\cdot rect\left(\frac{c}{4\cdot ƒ}\cdot k_r\right)$$

   

   mit $k_r=\frac{2\pi }{{\lambda }_r}$

   

   zu schätzen und das geschätzte Leistungsdichtespektrum des Hintergrundrauschens von dem Leistungsdichtespektrum des Spektrums P(f, x_n) zu subtrahieren, wobei Γ(f, x_ref) das Autokorrelationsspektrum eines Referenzwasserschallwandlers und c die Wasserschallgeschwindigkeit bezeichnet.
6. Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Signalverarbeitungsprozessor (20) ausgebildet ist, - als Störungswert ein Leistungsdichtespektrum einer Schallquelle zu bestimmen, die in dem Wasserschall (22) hörbar ist.
7. Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß Anspruch 6, wobei der Signalverarbeitungsprozessor (20) ausgebildet ist, - eine Richtung α_sig, in der sich die Schallquelle befindet, zu ermitteln, um das Leistungsdichtespektrum der Schallquelle zu bestimmen.
8. Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei der Signalverarbeitungsprozessor (20) ausgebildet ist, - das Leistungsdichtespektrum der Schallquelle als Ziellinie eines Wellenzahl-Frequenzdiagramms zu schätzen.
9. Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Signalverarbeitungsprozessor (20) ausgebildet ist, - das Leistungsdichtespektrum der Schallquelle mittels des Terms $$\mathrm{\Gamma }\left(ƒ,x_{ref}\right)\cdot \frac{c}{{\left({\overline{k}}_r-\frac{ƒ\cdot \text{cos}\left({\alpha }_{sig}\cdot \frac{\pi }{180}\right)}{c}\right)}^2+{\epsilon }^2}$$

   

   mit ${\tilde{k}}_r=\frac{1}{{\lambda }_r}=\frac{k_r}{2\pi }$

   

   zu schätzen und das geschätzte Leistungsdichtespektrum der Schallquelle von dem Leistungsdichtespektrum des Spektrums P(f,x_n) zu subtrahieren, wobei Γ(f,x_ref) das Autokorrelationsspektrum eines Referenzwasserschallwandlers, c die Wasserschallgeschwindigkeit und ε einen Parameter, der die Breite einer Ziellinie der Schallquelle abbildet, bezeichnet.
10. Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (19) einen Richtungsbildner umfasst, - wobei der Richtungsbildner ausgebildet ist, eine Richtungsbildung der Ausgangssignale basierend auf dem optimierten Leistungsdichtespektrum durchzuführen.
11. Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß Anspruch 10; wobei der Richtungsbildner ausgebildet ist, die Richtungsbildung basierend auf dem Leistungsdichtespektrum multipliziert mit einem Winkel durchzuführen, der unabhängig von den Ausgangssignalen ist.
12. Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß Anspruch 11; wobei der Richtungsbildner ausgebildet ist, den Winkel in Abhängigkeit einer Richtung zu wählen, in der eine Empfangsempfindlichkeit optimiert ist.
13. Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß Anspruch 12; wobei der Richtungsbildner ausgebildet ist, den Winkel als e^{i·2·π·f·τn(Θ)}, mit der imaginären Einheit i, der Frequenz / und der Winkelinformation ${\tau }_n\left(\mathrm{\theta }\right)=\frac{x_n\cdot \text{cos}\left(\mathrm{\theta }\right)}{c},$

    

    $$

    

    wobei c die Schallgeschwindigkeit und 0 die Richtung angibt, zu wählen.
14. Verfahren zur Verarbeitung von Wasserschall (22) in einem Wasserfahrzeug mit folgenden Schritten, - Empfangen von Ausgangssignalen von Wasserschallwandlern, die den empfangenen Wasserschall (22) in das Ausgangssignal umwandeln; - Bestimmen eines akustischen Gesamtdruck P(t,x_n) basierend auf den Ausgangssignalen, mit der Zeit t und x_n = (n - 1) - d, wobei d dem Abstand zwischen zwei Wasserschallwandlern (18) n (mit n = 1 ... N; N ≥ 2) entspricht; - Transformieren des Gesamtdruck P in den Frequenzbereich, um ein Spektrum P(f,x_n) des Gesamtdrucks zu erhalten, wobei f die Frequenz bezeichnet; - Ermitteln eines Leistungsdichtespektrums basierend auf dem Spektrum P(f, x_n); - Korrigieren des Leistungsdichtespektrums um einen Störungswert, um ein optimiertes Leistungsdichtespektrum mit reduzierten Rauschanteilen zu erhalten.

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