DE102022204903A1 - Signal processing device for processing water sound with a directional generator - Google Patents

Signal processing device for processing water sound with a directional generator Download PDF

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DE102022204903A1 DE102022204903.9A DE102022204903A DE102022204903A1 DE 102022204903 A1 DE102022204903 A1 DE 102022204903A1 DE 102022204903 A DE102022204903 A DE 102022204903A DE 102022204903 A1 DE102022204903 A1 DE 102022204903A1
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Abstract

Es ist eine Signalverarbeitungseinrichtung (19) zur Verarbeitung von Wasserschall (22) in einem Wasserfahrzeug offenbart. Die Signalverarbeitungseinrichtung umfasst einen Signalverarbeitungsprozessor (20) und einen Richtungsbildner (21). Der Signalverarbeitungsprozessor ist ausgebildet, 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, xn) zu bestimmen, mit der Zeit t und xn= (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,xn) des Gesamtdrucks zu erhalten, wobei f die Frequenz bezeichnet, und ein Leistungsdichtespektrum basierend auf dem Spektrum P(f, xn) zu ermitteln. Der Richtungsbildner ist ausgebildet, eine Richtungsbildung der Ausgangssignale basierend auf dem Leistungsdichtespektrum durchzuführen.A signal processing device (19) for processing water noise (22) in a watercraft is disclosed. The signal processing device comprises a signal processing processor (20) and a direction generator (21). The signal processing processor is designed to receive output signals (24) from water sound transducers (18), which convert the received water sound (22) into the output signal (24), and to determine an overall acoustic pressure P(t, xn) based on the output signals (24). , with time t and xn = (n - 1) · d, where d corresponds to the distance between two water sound transducers (18) n (with n = 1 ... N; N ≥ 2), the total pressure P increases in the frequency range transform to obtain a spectrum P(f,xn) of the total pressure, where f denotes the frequency, and determine a power density spectrum based on the spectrum P(f,xn). The direction generator is designed to carry out a direction formation of the output signals based on the power density spectrum.

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.The invention relates to a signal processing device and a signal processing method for processing output signals (also referred to as water sound signals) from water sound transducers, which receive water sound and convert it into an associated output signal.

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.The signal processing of water sound signals is known in principle. For example, sonar methods can be used, for example to locate objects or to orientate a submerged underwater vehicle. Manipulation of the water sound signals, for example by identifying and eliminating noise components, is made more difficult by the complex-valued variables in the frequency range.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für die Signalverarbeitung von Wasserschallsignalen zu schaffen.The object of the present invention is therefore to create an improved concept for the signal processing of water sound signals.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.The task is solved by the subject matter of the independent patent claims. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

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.Exemplary embodiments show a signal processing device for processing water noise in a watercraft with a signal processing processor. The signal processing processor is designed to receive output signals from water sound transducers. The water sound transducers convert the received water sound into the output signal, also known as the water sound signal. In particular, the water sound transducers are arranged equidistantly. The signal processing processor and the water transducers can also form a system.

Basierend auf den Ausgangssignalen kann der Signalverarbeitungsprozessor einen akustischen Gesamtdruck P(t, xn) bestimmen. Hier bezeichnet t die Zeit und d den Abstand zwischen zwei Wasserschallwandlern n (mit n = 1 ... N; N ≥ 2). Ferner ist xn = (n - 1) · d. Der Signalverarbeitungsprozessor transformiert den Gesamtdruck P in den Frequenzbereich, um ein Spektrum P(f,xn) des Gesamtdrucks zu erhalten, wobei f die Frequenz bezeichnet. Ferner kann der Signalverarbeitungsprozessor basierend auf dem Spektrum P(f,xn) ein Leistungsdichtespektrum ermitteln.Based on the output signals, the signal processing processor can determine a total acoustic pressure P(t, x n ). Here t denotes the time and d the distance between two water sound transducers n (with n = 1 ... N; N ≥ 2). Furthermore, x n = (n - 1) · d. The signal processing processor transforms the total pressure P into the frequency domain to obtain a spectrum P(f,x n ) of the total pressure, where f denotes the frequency. Furthermore, the signal processing processor can determine a power density spectrum based on the spectrum P(f,x n ).

Für die Bestimmung des Leistungsdichtespektrums kann der Signalverarbeitungsprozessor das Spektrum P(f,xn) 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 | | F x ( P ( ƒ , x n ) ) | 2

Figure DE102022204903A1_0001
bestimmt werden, wobei F x
Figure DE102022204903A1_0002
die Fouriertransformation nach x bezeichnet.To determine the power density spectrum, the signal processing processor can transform the spectrum P(f,x n ) into the wavenumber frequency range. The spectrum P(f, k) thus generated can be converted into a power density spectrum using the magnitude square. Here k denotes the wave number. Thus, the power density spectrum can be calculated according to the formula | | F x ( P ( ƒ , x n ) ) | 2
Figure DE102022204903A1_0001
be determined, whereby F x
Figure DE102022204903A1_0002
denotes the Fourier transform to x.

Ferner weist die Signalverarbeitungseinrichtung einen Richtungsbildner auf, der ausgebildet ist, eine Richtungsbildung der Ausgangssignale basierend auf dem Leistungsdichtespektrum durchzuführen.Furthermore, the signal processing device has a direction generator, which is designed to carry out a direction formation of the output signals based on the power density spectrum.

Idee ist es somit, statt des Delay-and-Sum Beamformers, eine Richtungsbildung direkt basierend auf dem Leistungsdichtespektrum durchzuführen. Dies ist vorteilhaft, da das Leistungsdichtespektrum durch die Betragsbildung reell geworden ist und somit keine Phaseninformationen der Ausgangssignale der Wasserschallwandler mehr berücksichtigt werden brauchen. Somit werden die Resultate der Signalverarbeitung verbessert und notwendige Rechenleistung reduziert.The idea is therefore to carry out direction formation directly based on the power density spectrum instead of the delay-and-sum beamformer. This is advantageous because the power density spectrum has become real through the absolute value formation and phase information from the output signals of the water sound transducers no longer need to be taken into account. This improves the results of signal processing and reduces the necessary computing power.

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 ei·2·π·τn(Θ), mit der imaginären Einheit i, der Frequenz f und der Winkelinformation τ n ( Θ ) = x n cos ( Θ ) c ,

Figure DE102022204903A1_0003
wobei c die Schallgeschwindigkeit und 0 die Richtung angibt, wählen.In embodiments, the directional generator may perform directional formation based on the power density spectrum multiplied by an angle that is independent of the output signals. This angle can be selected depending on a direction in which reception sensitivity is optimized. Ie, in the direction in which the water sound transducers should look. For example, the direction generator can define the angle as e i·2·π·τ n (Θ) , with the imaginary unit i, the frequency f and the angle information τ n ( Θ ) = x n cos ( Θ ) c ,
Figure DE102022204903A1_0003
where c is the speed of sound and 0 is the direction.

In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Richtungsbildner als Array Gewinn a g ( t , Θ ) = N 2 Σ n = 1 N Σ m = 1 N ρ ( ƒ , x n x m , Θ )

Figure DE102022204903A1_0004
mit ρ ( ƒ , r , Θ ) = Γ ( ƒ , x n , Θ ) Γ ( ƒ , x r e f , Θ )
Figure DE102022204903A1_0005
für r = xn - xref > 0 und ρ ( ƒ , r , Θ ) ¯
Figure DE102022204903A1_0006
für r < 0 ausgedrückt werden, wobei Γ ( ƒ , x n , Θ ) = F x 1 | F x ( P ( ƒ , x n ) ) | 2 e i 2 π ƒ τ n ( Θ )
Figure DE102022204903A1_0007
mit F x
Figure DE102022204903A1_0008
als Frequenztransformation nach x und dem Schalldruck P. ρ ( ƒ , r , Θ ) ¯
Figure DE102022204903A1_0009
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.In further exemplary embodiments, the direction generator can be used as an array a G ( t , Θ ) = N 2 Σ n = 1 N Σ m = 1 N ρ ( ƒ , x n x m , Θ )
Figure DE102022204903A1_0004
with ρ ( ƒ , r , Θ ) = Γ ( ƒ , x n , Θ ) Γ ( ƒ , x r e f , Θ )
Figure DE102022204903A1_0005
for r = x n - x ref > 0 and ρ ( ƒ , r , Θ ) ¯
Figure DE102022204903A1_0006
can be expressed for r < 0, where Γ ( ƒ , x n , Θ ) = F x 1 | F x ( P ( ƒ , x n ) ) | 2 e i 2 π ƒ τ n ( Θ )
Figure DE102022204903A1_0007
with F x
Figure DE102022204903A1_0008
as a frequency transformation according to x and the sound pressure P. ρ ( ƒ , r , Θ ) ¯
Figure DE102022204903A1_0009
denotes the conjugate complex value of p(f, -r, 0). The array gain refers to the gain of the measurement with the array using beamforming compared to using a single water transducer.

In weiteren Ausführungsbeispielen ist der Signalverarbeitungsprozessor ausgebildet, das ermittelte Leistungsdichtespektrum um einen Störungswert zu korrigieren, um ein optimiertes Leistungsdichtespektrum mit reduzierten Rauschanteilen zu erhalten.In further exemplary embodiments, the signal processing processor is designed to correct the determined power density spectrum by a disturbance value in order to obtain an optimized power density spectrum with reduced noise components.

Somit können etwaigen Korrekturen des Wasserschallsignals, d.h. beispielsweise, wenn bestimmte Anteile herausgerechnet werden sollen, die Korrekturen basierend auf dem Leistungsdichtespektrum des Wasserschallsignals durchgeführt werden. 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.Thus, any corrections to the water-sound signal, i.e. for example, if certain components are to be calculated out, the corrections can be carried out based on the power density spectrum of the water-sound signal. This is advantageous because the power density spectrum is real and phase information no longer needs to be taken into account during the modification. This avoids a whole source of errors and reduces the necessary computing power. The investigation of the method shows that avoiding this source of error significantly increases the quality of the results. Further computing power is also saved because the calculation can be carried out partially analytically and no numerical method is used.

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.If other approaches to audio signal processing are considered, it is noticeable that the results are only calculated numerically. It is also noticeable that these approaches to classical audio signal processing for hydroacoustics provide worse results than the results for classical audio signal processing would suggest. These approaches are based, for example, on the analysis of the water sound signal or its spectrum with a Vienna filter. In this respect, the proposed signal processing delivers better results and is more efficient in calculation.

Zum besseren Verständnis der nachfolgenden Ausführungsbeispiele sei auf folgende Definitionen verwiesen:

  • Γ(f,xn) bezeichnet das Autokorrelationsspektrum und ist definiert als die inverse Ortsbereichstransformation (beispielsweise IFFT) des Leistungsdichtespektrums ( Γ ( ƒ , x n ) = F x 1 ( | F x ( P ( ƒ , x n ) ) | 2 ) ) .
    Figure DE102022204903A1_0010
For a better understanding of the following exemplary embodiments, reference is made to the following definitions:
  • Γ(f,x n ) denotes the autocorrelation spectrum and is defined as the inverse spatial domain transform (e.g. IFFT) of the power density spectrum ( Γ ( ƒ , x n ) = F x 1 ( | F x ( P ( ƒ , x n ) ) | 2 ) ) .
    Figure DE102022204903A1_0010

Normiert auf das Autokorrelationsspektrum eines Referenzwasserschallwandlers ergibt sich die zugehörige Autokorrelationsfunktion ρ ( ƒ , r ) = Γ ( ƒ , x n ) Γ ( ƒ , x r e f )

Figure DE102022204903A1_0011
mit r = xn - xref.Normalized to the autocorrelation spectrum of a reference water sound transducer, the associated autocorrelation function results ρ ( ƒ , r ) = Γ ( ƒ , x n ) Γ ( ƒ , x r e f )
Figure DE102022204903A1_0011
with 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.Embodiments show that the signal processing processor uses a power density spectrum of background noise as a disturbance value. Preferably, the signal processing processor can estimate the power density spectrum of the background noise as isotropic noise.

Isotropes Rauschen weist die Autokorrelationsfunktion ρ i s o ( ƒ , r ) = s i n c ( 2 ƒ r c )

Figure DE102022204903A1_0012
auf. c bezeichnet die Schallgeschwindigkeit im Wasser, sine bezeichnet den Sinus cardinalis, auch als Si-Funktion bekannt. Unter Verwendung der im Vorhinein eingeführten Funktionen ergibt sich das zugehörige Leistungsdichtespektrum zu Γ ( ƒ , x r e f ) π c 2 | ƒ | r e c t ( c 4 ƒ k r ) .
Figure DE102022204903A1_0013
Insoweit kann der Signalverarbeitungsprozessor das Leistungsdichtespektrum des Hintergrundrauschens mittels des Terms Γ ( ƒ , x r e f ) π c 2 | ƒ | r e c t ( c 4 ƒ k r )  mit  k r = 2 π λ r
Figure DE102022204903A1_0014
 
Figure DE102022204903A1_0015
schätzen und, insbesondere unter der Voraussetzung der Unkorreliertheit, das geschätzte Leistungsdichtespektrum des Hintergrundrauschens von dem Leistungsdichtespektrum des Spektrums P(f,xn) subtrahieren. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, um das Signal-Rausch Verhältnis in dem Wasserschallsignal zu verbessern.Isotropic noise has the autocorrelation function ρ i s O ( ƒ , r ) = s i n c ( 2 ƒ r c )
Figure DE102022204903A1_0012
on. c denotes the speed of sound in water, sine denotes the cardinal sine, also known as the Si function. Using the functions introduced in advance, the associated power density spectrum is obtained Γ ( ƒ , x r e f ) π c 2 | ƒ | r e c t ( c 4 ƒ k r ) .
Figure DE102022204903A1_0013
In this respect, the signal processing processor can calculate the power density spectrum of the background noise using the term Γ ( ƒ , x r e f ) π c 2 | ƒ | r e c t ( c 4 ƒ k r ) with k r = 2 π λ r
Figure DE102022204903A1_0014
Figure DE102022204903A1_0015
estimate and, in particular under the condition of uncorrelation, subtract the estimated power density spectrum of the background noise from the power density spectrum of the spectrum P(f,x n ). This is advantageous, for example, to improve the signal-to-noise ratio in the water sound signal.

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 αsig, in der sich die Schallquelle befindet, bestimmen. Die Richtung kann beispielsweise dadurch bestimmt werden, dass eine Differenz der Signalstärke in der Richtung αsig zu den Signalstärken in der Richtung αsig + 3° und αsig - 3° (bevorzugt jeweils) einen Schwellenwert überschreitet.In further exemplary embodiments, the signal processing processor can determine a power density spectrum of a sound source that is audible in the water sound as a disturbance value. A sound source is an object that emits sound or reflects sound. To determine the power density spectrum of the sound source, the signal processing processor can determine a direction α sig in which the sound source is located. The direction can be determined, for example, by a difference between the signal strength in the direction α sig and the signal strengths in the direction α sig + 3° and α sig - 3° (preferably in each case) exceeding a threshold value.

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  

Figure DE102022204903A1_0016
Γ ( ƒ , x r e f ) ε ( k ˜ r ƒ cos ( α s i g π 180 ) c ) 2 + ε 2
Figure DE102022204903A1_0017
ergeben. Der Signalverarbeitungsprozessor kann das Leistungsdichtespektrum der Schallquelle demnach mittels des Terms Γ ( ƒ , x r e f ) ε ( k ˜ r ƒ cos ( α s i g π 180 ) c ) 2 + ε 2
Figure DE102022204903A1_0018
mit k ˜ r = 1 λ r = k r 2 π
Figure DE102022204903A1_0019
schätzen und das geschätzte Leistungsdichtespektrum der Schallquelle von dem Leistungsdichtespektrum des Spektrums P(f,xn) subtrahieren. ε bezeichnet einen Parameter, der die Breite der Ziellinie der Schallquelle abbildet. ε kann ≤ 1 75 ,
Figure DE102022204903A1_0020
bevorzugt ≤ 1 100 ,
Figure DE102022204903A1_0021
besonders bevorzugt ≤ 1 120
Figure DE102022204903A1_0022
gewählt werden.In embodiments, the signal processing processor may estimate the power density spectrum of the sound source as the target line of a wavenumber frequency diagram. The power density spectrum of this direction-dependent target line can be estimated using a delta distribution. For example, a power density spectrum can arise
Figure DE102022204903A1_0016
Γ ( ƒ , x r e f ) ε ( k ˜ r ƒ cos ( α s i G π 180 ) c ) 2 + ε 2
Figure DE102022204903A1_0017
result. The signal processing processor can therefore determine the power density spectrum of the sound source using the term Γ ( ƒ , x r e f ) ε ( k ˜ r ƒ cos ( α s i G π 180 ) c ) 2 + ε 2
Figure DE102022204903A1_0018
with k ˜ r = 1 λ r = k r 2 π
Figure DE102022204903A1_0019
estimate and subtract the estimated power density spectrum of the sound source from the power density spectrum of the spectrum P(f,x n ). ε denotes a parameter that represents the width of the target line of the sound source. ε can ≤ 1 75 ,
Figure DE102022204903A1_0020
preferably ≤ 1 100 ,
Figure DE102022204903A1_0021
particularly preferably ≤ 1 120
Figure DE102022204903A1_0022
to get voted.

Der Gesamtschalldruck P(t,xn) 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.The total sound pressure P(t,x n ) now consists of the intrinsic noise, the background noise and the noise generated by one or more sound sources. For customer acceptance of the watercraft, it is now important to determine the watercraft's own noise, as this must not exceed a predetermined threshold value. The intrinsic noise can be determined by subtracting the power density spectrum of the sound source(s) and the power density spectrum of the background noise from the power density spectrum of the total sound pressure to obtain the optimized power density spectrum.

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 exemplary embodiments, it is possible to carry out direction formation directly on the optimized power density spectrum instead of the delay-and-sum beamformer. The signal processing device can thus comprise a direction generator which is designed to carry out a direction formation of the output signals based on the optimized power density spectrum. This is advantageous because the phase information of the output signals necessary for using the delay-and-sum beamformer is not required. This reduces the computing power required to carry out the direction formation. Furthermore, it is thus possible for the directional generator to obtain an improved signal-to-noise ratio by using the optimized power density spectrum, for example by previously eliminating background noise, and thus also enable improved target detection.

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, 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,xn); - Durchführen einer Richtungsbildung der Ausgangssignale basierend auf dem Leistungsdichtespektrum.Furthermore, a corresponding method for processing water noise in a watercraft is disclosed. The method includes the steps: -receiving output signals from water sound transducers, which convert the received water sound into the output signal; -Determine a total acoustic pressure P(t, x n ) based on the output signals, with time t and x n = (n - 1) - d, where d is the distance between two water sound transducers n (with n = 1 ... N ; N ≥ 2) corresponds; -Transforming the total pressure P into the frequency domain to obtain a spectrum P(f,x n ) of the total pressure, where f denotes the frequency; -Determining a power density spectrum based on the spectrum P(f,x n ); - Performing directional formation of the output signals based on the power density spectrum.

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.
Preferred embodiments of the present invention are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1 : a schematic block diagram of a system with a signal processor for processing water sound;
  • 2 : a schematic frequency-wavenumber diagram.

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.Before exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the drawings, it should be noted that identical, functionally identical or equivalent elements, objects and/or structures are provided with the same reference numerals in the different figures, so that those shown in different exemplary embodiments Description of these elements is interchangeable or can be applied to one another.

1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Systems 16 mit drei Wasserschallwandlern 18 und einer Signalverarbeitungseinrichtung, die einen Signalverarbeitungsprozessor 20 und 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. 1 shows a schematic block diagram of a system 16 with three water sound transducers 18 and a signal processing device that has a signal processing processor 20 and a directional generator 21. The water sound transducers receive water sound 22 and convert the water sound into a (usually electrical) output signal 24, the water sound signal. The signal processing processor 20 receives the output signals 24 and processes them. A corresponding processed water sound signal 26, or one water sound signal per output signal, can be provided at the output of the signal processing processor. This can be, for example, the optimized power density spectrum or a signal derived from it.

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.The directional images 21 can determine the direction of the processed water sound signals 26. This makes it possible to increase the sensitivity of the water sound transducers in one direction and thus allow the water sound transducers to look virtually in one direction or to pivot virtually. At the exit of the direction former 21 the corresponding direction signals 28 can be tapped.

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. 2 shows an exemplary diagram in which an intensity distribution of water sound can be represented. The intensity is plotted per frequency and wave number. This means that a grid of frequency versus wave number with intensities of water sound is preferably displayed. The number of points in the grid is determined by the sampling rate (resolution of the frequency axis) and the number and spacing of the water sound transducers in the line array (resolution of the wavenumber axis).

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.The diagram is divided by a V-shaped dividing line 30. Within the V 30, ie in an area 32, lie the sound waves that hit the water sound transducers at a relative speed that is greater than the speed of sound in the water. On the V, ie on the dividing line 30, lie the sound waves that travel over the water sound transducers at a speed that corresponds exactly to the speed of sound in the water. Targets or target tracks result in a straight line within the V. An example is a target 34 in 2 shown.

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.The disclosed (water) sound transducers are designed for use under water, especially in the sea. The sound transducers can convert water sound into an electrical signal (e.g. voltage or current) corresponding to the sound pressure, the water sound signal. It is also possible for the sound transducers to convert an applied electrical voltage into water sound. The sound transducers can therefore be used as water sound receivers and/or as water sound transmitters. The sound transducers can have a piezoelectric material, for example a piezoceramic, as the sensory material. The sound transducers can be used for (active and/or passive) sonar (sound navigation and ranging). The sound transducers are preferably not suitable for medical applications or are not used for medical applications.

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.Although some aspects have been described in connection with a device, it is understood that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Analogously, aspects that have been described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.

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.The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It will be understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will occur to others skilled in the art. Therefore, it is intended that the invention be limited only by the scope of the following claims and not by the specific details presented from the description and explanation of the exemplary embodiments herein.

Bezugszeichenliste:List of reference symbols:

1616
Systemssystems
1818
WasserschallwandlerWater sound transducer
1919
SignalverarbeitungseinrichtungSignal processing device
2020
SignalverarbeitungsprozessorSignal processing processor
2121
RichtungsbildnerDirection Former
2222
WasserschallWater noise
2424
AusgangssignalOutput signal
2626
verarbeitetes Wasserschallsignalprocessed water sound signal
2828
RichtungssignaleDirectional signals

Claims (14)

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, xn) zu bestimmen, mit der Zeit t und xn = (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,xn) des Gesamtdrucks zu erhalten, wobei f die Frequenz bezeichnet; - ein Leistungsdichtespektrum basierend auf dem Spektrum P(f, xn) zu ermitteln; und einen Richtungsbildner, der ausgebildet ist, eine Richtungsbildung der Ausgangssignale basierend auf dem Leistungsdichtespektrum durchzuführen.Signal processing device (19) for processing water sound (22) in a watercraft, the signal processing device (19) having the following features: a signal processing processor (20) which is designed to receive output signals (24) from water sound transducers (18) which convert received water sound (22) into the output signal (24); - based on the output signals (24) to determine a total acoustic pressure P(t, x n ), with time t and x n = (n - 1) - d, where d is the distance between two water sound transducers (18) n (with n = 1 ... N; N ≥ 2) corresponds; - transform the total pressure P into the frequency domain to obtain a spectrum P(f,x n ) of the total pressure, where f denotes the frequency; - determine a power density spectrum based on the spectrum P(f, x n ); and a directional generator configured to perform directional formation of the output signals based on the power density spectrum. Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß Anspruch 1: - wobei der Signalverarbeitungsprozessor ausgebildet ist, das Leistungsdichtespektrum um einen Störungswert zu korrigieren, um ein optimiertes Leistungsdichtespektrum mit reduzierten Rauschanteilen zu erhalten. Signal processing device (19) according to Claim 1 : - wherein the signal processing processor is designed to correct the power density spectrum by a disturbance value in order to obtain an optimized power density spectrum with reduced noise components. Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß einem der vorherigen Ansprüche: - wobei der Richtungsbildner ausgebildet ist, die Richtungsbildung basierend auf dem Leistungsdichtespektrum multipliziert mit einem Winkel durchzuführen, der unabhängig von den Ausgangssignalen ist.Signal processing device (19) according to one of the preceding claims: - wherein the direction generator is designed to carry out the direction formation based on the power density spectrum multiplied by an angle that is independent of the output signals. Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß Anspruch 3; - wobei der Richtungsbildner ausgebildet ist, den Winkel in Abhängigkeit einer Richtung zu wählen, in der eine Empfangsempfindlichkeit optimiert ist.Signal processing device (19) according to Claim 3 ; - wherein the directional generator is designed to select the angle depending on a direction in which a reception sensitivity is optimized. Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß Anspruch 4; - wobei der Richtungsbildner ausgebildet ist, den Winkel als ei·2·π·f·τn(Θ), mit der imaginären Einheit i, der Frequenz f und der Winkelinformation  
Figure DE102022204903A1_0023
τ n ( Θ ) = x n cos ( Θ ) c ,
Figure DE102022204903A1_0024
wobei c die Schallgeschwindigkeit und 0 die Richtung angibt, zu wählen.
Signal processing device (19) according to Claim 4 ; - where the direction generator is designed, the angle as e i · 2 · π · f · τ n (Θ) , with the imaginary unit i, the frequency f and the angle information
Figure DE102022204903A1_0023
τ n ( Θ ) = x n cos ( Θ ) c ,
Figure DE102022204903A1_0024
where c is the speed of sound and 0 is the direction.
Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, - wobei der Signalverarbeitungsprozessor (20) ausgebildet ist, zur Bestimmung des Leistungsdichtespektrums das Spektrum P(f,xn) 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.Signal processing device (19) according to one of the preceding claims, - wherein the signal processing processor (20) is designed to transform the spectrum P(f,x n ) into the spatial frequency range to determine the power density spectrum in order to obtain a spatial spectrum P(f, k). and to form the absolute square of the spatial spectrum to obtain the power density spectrum, where k denotes the wave number. Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, - wobei der Signalverarbeitungsprozessor (20) ausgebildet ist, als Störungswert ein Leistungsdichtespektrum von Hintergrundrauschen zu verwenden.Signal processing device (19) according to one of Claims 2 until 6 , - wherein the signal processing processor (20) is designed to use a power density spectrum of background noise as the disturbance value. Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß Anspruch 7, - wobei der Signalverarbeitungsprozessor (20) ausgebildet ist, das Leistungsdichtespektrum des Hintergrundrauschens als isotropes Rauschen zu schätzen.Signal processing device (19) according to Claim 7 , - wherein the signal processing processor (20) is designed to estimate the power density spectrum of the background noise as isotropic noise. Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß Anspruch 6 oder 7, - wobei der Signalverarbeitungsprozessor (20) ausgebildet ist, das Leistungsdichtespektrum des Hintergrundrauschens mittels des Terms Γ ( ƒ , x r e f ) π c 2 | ƒ | r e c t ( c 4 ƒ k r )
Figure DE102022204903A1_0025
mit k r = 2 π λ r
Figure DE102022204903A1_0026
zu schätzen und das geschätzte Leistungsdichtespektrum des Hintergrundrauschens von dem Leistungsdichtespektrum des Spektrums P(f, xn) zu subtrahieren, wobei Γ(f, xref) das Autokorrelationsspektrum eines Referenzwasserschallwandlers und c die Wasserschallgeschwindigkeit bezeichnet.
Signal processing device (19) according to Claim 6 or 7 , - wherein the signal processing processor (20) is designed to determine the power density spectrum of the background noise using the term Γ ( ƒ , x r e f ) π c 2 | ƒ | r e c t ( c 4 ƒ k r )
Figure DE102022204903A1_0025
with k r = 2 π λ r
Figure DE102022204903A1_0026
to estimate and subtract the estimated power density spectrum of the background noise from the power density spectrum of the spectrum P(f, x n ), where Γ(f, x ref ) denotes the autocorrelation spectrum of a reference water sound transducer and c denotes the speed of water sound.
Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, - wobei der Signalverarbeitungsprozessor (20) ausgebildet ist, als Störungswert ein Leistungsdichtespektrum einer Schallquelle zu bestimmen, die in dem Wasserschall (22) hörbar ist.Signal processing device (19) according to one of Claims 2 until 9 , - wherein the signal processing processor (20) is designed to determine a power density spectrum of a sound source as a disturbance value, which is audible in the water sound (22). Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß Anspruch 10, - wobei der Signalverarbeitungsprozessor (20) ausgebildet ist, eine Richtung αsig, in der sich die Schallquelle befindet, zu ermitteln, um das Leistungsdichtespektrum der Schallquelle zu bestimmen.Signal processing device (19) according to Claim 10 , - wherein the signal processing processor (20) is designed to determine a direction α sig in which the sound source is located in order to determine the power density spectrum of the sound source. Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß Anspruch 10 oder 11, - wobei der Signalverarbeitungsprozessor (20) ausgebildet ist, das Leistungsdichtespektrum der Schallquelle als Ziellinie eines Wellenzahl-Frequenzdiagramms zu schätzen.Signal processing device (19) according to Claim 10 or 11 , - wherein the signal processing processor (20) is designed to estimate the power density spectrum of the sound source as the target line of a wavenumber frequency diagram. Signalverarbeitungseinrichtung (19) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, - wobei der Signalverarbeitungsprozessor (20) ausgebildet ist, das Leistungsdichtespektrum der Schallquelle mittels des Terms Γ ( ƒ , x r e f ) ε ( k ˜ r ƒ cos ( α s i g π 180 ) c ) 2 + ε 2
Figure DE102022204903A1_0027
mit k ˜ r = 1 λ r = k r 2 π
Figure DE102022204903A1_0028
zu schätzen und das geschätzte Leistungsdichtespektrum der Schallquelle von dem Leistungsdichtespektrum des Spektrums P(f,xn) zu subtrahieren, wobei Γ(f,xref) das Autokorrelationsspektrum eines Referenzwasserschallwandlers, c die Wasserschallgeschwindigkeit und ε einen Parameter, der die Breite einer Ziellinie der Schallquelle abbildet, bezeichnet.
Signal processing device (19) according to one of Claims 10 until 12 , - wherein the signal processing processor (20) is designed to determine the power density spectrum of the sound source using the term Γ ( ƒ , x r e f ) ε ( k ˜ r ƒ cos ( α s i G π 180 ) c ) 2 + ε 2
Figure DE102022204903A1_0027
with k ˜ r = 1 λ r = k r 2 π
Figure DE102022204903A1_0028
to estimate and subtract the estimated power density spectrum of the sound source from the power density spectrum of the spectrum P(f,x n ), where Γ(f,x ref ) is the autocorrelation spectrum of a reference water sound transducer, c is the speed of water sound and ε is a parameter that represents the width of a target line of the Depicts sound source.
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,xn) basierend auf den Ausgangssignalen, mit der Zeit t und xn = (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,xn) des Gesamtdrucks zu erhalten, wobei f die Frequenz bezeichnet; - Ermitteln eines Leistungsdichtespektrums basierend auf dem Spektrum P(f, xn); - Durchführen einer Richtungsbildung der Ausgangssignale basierend auf dem Leistungsdichtespektrum.Method for processing water sound (22) in a watercraft with the following steps, - Receiving output signals from water sound transducers, which convert the received water sound (22) into the output signal; - Determining a total acoustic pressure P(t,x n ) based on the output signals, with time t and x n = (n - 1) - d, where d is the distance between two water sound transducers (18) n (with n = 1. .. N; N ≥ 2) corresponds; - transforming the total pressure P into the frequency domain to obtain a spectrum P(f,x n ) of the total pressure, where f denotes the frequency; - Determining a power density spectrum based on the spectrum P(f, x n ); - Performing directional formation of the output signals based on the power density spectrum.
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