DE10356578A1

DE10356578A1 - Verfahren zum Detektieren von Zielen

Info

Publication number: DE10356578A1
Application number: DE2003156578
Authority: DE
Inventors: Dirk Dr. Neumeister
Original assignee: Atlas Elektronik GmbH
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2005-07-07
Also published as: WO2005054892A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Detektieren von Wellen in ein umgebendes Übertragungsmedium abstrahlenden Zielen aus Empfangssignalen eines zielfernen Empfängers werden zur zuverlässigen, keine Kenntnisse über die Eigenschaften des Übertragungsmediums voraussetzenden Detektion auch schwacher, energiearmer Ziele oder im Rauschen versteckte Signale aussendender Ziele, die Empfangssignale einer chaostheoretischen Strukturanalyse unterzogen. Bei Auffinden einer zumindest deterministisch-chaotischen Struktur wird ein Ziel detektiert und die Zieldetektion durch Bewerten der Struktur geprüft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von Zielen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

In der Wasserschalltechnik sind eine Reihe von Verfahren zur sog. passiven Detektion von Zielen, z.B. Überwasserschiffen, U-Booten oder Torpedos, bekannt, die Schallwellen aufgrund ihrer Fahrgeräusche abstrahlen oder als Schallimpulse aktiv aussenden. Alle diese Verfahren beruhen auf dem Grundprinzip, ein von einem Störgeräusch überlagertes Nutzsignal, das von einem eine Vielzahl von elektroakustischen Wandlern aufweisenden, zielfernen Empfänger abgenommen wird, in den elektrischen Ausgangs- oder Empfangssignalen des Empfängers zu erkennen. Als Beispiel wird der Pegelanstieg eines breitbandigen Empfangssignals oder eines demodulierten Rauschbandes im Empfangssignal mittels Energiedetektion herangezogen, wie es beispielsweise in der DE 35 31 230 A1 angegeben ist. Das vom Ziel abgestrahlte Nutzsignal kann außer mit einem Energiedetektor auch mit einem Flankendetektor erkannt werden, der den Impulsanstieg eines vom Ziel abgestrahlten Sendeimpulses auswertet, wie es aus der DE 197 45 726 C1 bekannt ist. Auch durch Transientendetektion kann ein vom Ziel abgestrahltes Nutzsignal ermittelt werden.

Das Erkennen eines solchen Nutzsignals wird dadurch erschwert, dass die Schallemission potentieller Ziele laufend gesenkt wird. Von Zielen abgestrahlte Sendeimpulse zur Entfernungsmessung oder zur Kommunikation sind auch durch entsprechend geschickte Modulation der Schallwellen aus dem allgemeinen Störhintergrund zunehmend schwieriger zu detektieren, so dass die Verratwahrscheinlichkeit eines Ziels immer geringer wird. Die Detektion von Zielen mit einer einen Sender und Empfänger aufweisenden Ortungsanlage durch den Empfang eines vom Ziel reflektierten Ortungsimpulses bei großen Zieldistanzen ist bei wechselnden Übertragungseigenschaften des Übertragungsmediums ebenfalls außerordentlich schwierig, auch wenn an den Ortungsimpuls angepasste Korrelationsverfahren verwendet werden. Diese Probleme sind in der DE-OS 197 36 552 beschrieben. Sie setzen aber eine Kenntnis über die Eigenschaften des Übertragungsmediums voraus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das leise, geräuscharme, wenig Wellenenergie abstrahlende Ziele oder Ziele, die im Rauschen versteckte Signale aussenden oder reflektieren, zuverlässig detektiert und dabei keine Kenntnis über die Eigenschaften des Übertragungsmediums erfordert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass nicht das im Empfangssignal enthaltene Nutzsignal zur Zieldetektion herangezogen oder gesucht wird, sondern die Struktur der vom Ziel abgestrahlten und im Übertragungsmedium sich ausbreitenden Wellen genutzt wird, die auch dem Empfangsignal immanent ist. Diese Struktur ist im zeitlichen Verlauf des Empfangssignals zwar selbst nicht erkennbar, läßt sich aber durch eine chaostheoretische Strukturanalyse herausschälen. Da alle von einem Ziel wie immer geartet abgestrahlten Wellen, die den zeitlichen Verlauf einer Schwingung darstellen, eine vom stochastischen Rauschen abweichende, sei es eine geordnete oder ungeordnete, zumindest aber eine deterministisch-chaotische Struktur aufweisen, läßt sich durch Erkennen dieser Struktur im Empfangssignal das Ziel aus dem Hintergrundrauschen herausfiltern und damit detektieren. Da diese Struktur durch Umwelteinflüsse nicht verlorengeht, ist das erfindungsgemäße Verfahren auch robust gegen Veränderungen im Übertragungsmedium während seines Einsatzes. Jedes Empfangssignal, das über dem eigenen Verstärkerrauschen liegt, kann zur Detektion herangezogen werden, ohne dass ein Pegelanstieg verzeichnet werden muß, so dass die Reichweite allein von der Empfindlichkeit des Empfängers abhängt. Bei Einsatz in einer Ortungsanlage, bei der Ortungsimpulse ausgesendet werden, sind an einem Ziel reflektierte Anteile im Empfangssignal ohne Mustervergleich mit dem ausgesendeten Signal erkennbar und führen zur Detektion des Ziels und seiner Ortsbestimmung.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt in der Wasserschalltechnik oder Unterwasserakustik eingesetzt, kann aber auch zur Detektion von Zielen, die im Übertragungsmedium Luft akustische oder elektromagnetische Wellen aussenden, verwendet werden.

Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird für die Strukturanalyse eine Datenreduktion im zeitlichen Verlauf des Empfangssignals vorgenommen, indem das Empfangssignal in einen mehrdimensionalen Phasenraum abgebildet wird. Der Vorteil besteht darin, dass eine im Empfangssignal enthaltene Struktur durch die Abbildung einer Strukturanalyse und Bewertung besonders einfach zugänglich wird. Die Abbildung liefert nämlich nur dann eine absolute Ungesetzmäßigkeit und ist damit unstrukturiert, wenn das Empfangssignal lediglich statistisches Rauschen und kein Zielgeräusch aufweist. Fahrgeräusche, die einen periodischen Anteil aufweisen, oder ausgesendete modulierte Wellen, die ebenfalls einer Gesetzmäßigkeit unterliegen, hinterlassen als Zielgeräusche eine Struktur in der Abbildung und führen zur Detektion des Ziels.

Für die Abbildung des Empfangssignals in einen zweidimensionalen Phasenraum wird gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung eine Rückabbildung (Return-Map) gewählt, indem jeweils ein aus dem zeitlichen Verlauf des Empfangssignals entnommener Wert einer ausgewählten Eigenschaft des Empfangssignals über seinem Vorwert aufgetragen wird. Diese Abbildung zeigt infolge des Determinismus, dem das wellenabstrahlende Ziel unterworfen ist, eine Struktur. Für die Rückabbildung eignen sich als Eigenschaft des Empfangssignals die Werte der unteren oder oberen Scheitel- oder Umkehrpunkte des Empfangssignals, der zeitliche Abstand der Scheitelpunkte oder der zeitliche Abstand gleicher Momentanwerte im Empfangssignal. Ebenso geeignet sind die Momentanwerte, die um gleiche Zeitintervalle gegeneinander verschoben sind, oder die zeitlichen Abstände der Durchstoßpunkte eines Poincaré- Schnitts, bei dem eine Ebene in beliebiger Ausrichtung gegenüber der Zeitachse durch das Empfangssignal gelegt wird.

Um die Falschalarmrate bei der Zieldetektion einzuschränken, wird zur Bewertung der Struktur der Abbildung ein Strukturmaß bestimmt und erst dann auf Ziel erkannt und die Zieldetektion angezeigt, wenn der bestimmte Wert des Strukturmaßes innerhalb eines vorgegebenen Bereichs des Strukturmaßes liegt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Strukturmaß eine fraktale Dimension berechnet und der maximal zugelassene Wert der fraktalen Dimension für eine Zielerkennung entsprechend einer gewünschten Falschalarmrate festgelegt. Liegt der berechnete Wert der fraktalen Dimension zwischen Null und dem vorgegebenen Maximalwert, wird auf Ziel erkannt.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild zur Illustrierung des Verfahrens zur Zieldetektion,

2 eine grafische Darstellung eines willkürlich angenommen, am Ausgang des Richtungsbildners anstehenden Gruppensignals,

3 ein Diagramm zur Erläuterung des Funktionsblocks "Rückabbildung" im Blockschaltbild der 1,

4 und 5 zwei Diagramme zur Erläuterung der Funktion des Funktionsblocks "fraktale Dimension" im Blockschaltbild der 1.

Bei dem nachfolgend beschriebenen Verfahren zur Zieldetektion, mit dem sowohl schallabstrahlende Ziele aufgefaßt als auch die Peilrichtung zu den einzelnen Zielen bestimmt werden kann, wird eine elektroakustische Empfangsantenne 10 verwendet, die entfernt von schallabstrahlenden Zielen im Wasser angeordnet ist. Unter schallabstrahlenden Zielen werden solche Ziele verstanden, die sowohl selbst Schall erzeugen und aussenden, z.B. durch Antriebsaggregate oder Aktivortung, als auch nur Schall reflektieren. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist eine sog. Linearantenne eingesetzt, die eine Vielzahl von äquidistant aufgereihten elektroakustischen Wandlern oder Hydrofonen 11 aufweist. Eine solche Linearantenne ist als Schleppantenne (towed-array) oder als eine am Bootskörper befestigte Seitenantenne (flank-array), mitunter auch als Bordwandstreamer bezeichnet, bekannt. Alle Hydrofone 11 werden gemeinsam betrieben, und durch eine entsprechende Signalverarbeitung aller Ausgangssignale der Hydrofone 11 in einem sog. Richtungsbildner 12 oder Beamformer wird eine Richtcharakteristik der Empfangsantenne 10 gebildet, deren Achse größter akustischer Empfangsempfindlichkeit rechtwinklig auf der Empfangsantenne 10 steht oder unter einem spitzen Winkel –90° < ϑ < +90° zur Normalen der Empfangsantenne geschwenkt sein kann. Aufbau und Wirkungsweise des Richtungsbildners 12 ist bekannt und beispielsweise in der US 4 060 792 oder der DE 21 14 373 A1 oder in der DE 100 27 538 A1 beschrieben.

Ein willkürlich angenommenes Beispiel für ein am Ausgang des Richtungsbildners 12 anstehendes Empfangs- oder der Gruppensignal der Empfangsantenne 10, ist in 2 dargestellt. Dort ist der Momentanwert des Gruppensignals über der Zeit dargestellt. Um in einem solchen Gruppensignal ein evtl. vorhandenes, schallabstrahlendes Ziel zu erkennen, wird das aus dem Ausgangssignalen der einzelnen Hydrofone 11 gebildete Gruppensignal nachfolgend einer chaostheroretischen Strukturanalyse unterzogen. Hierzu wird in dem Funktionsblock 13 eine Abbildung des Gruppensignals in einen mehrdimensionalen Phasenraum vorgenommen. Im Ausführungsbeispiel erfolgt eine Abbildung in einen zweidimensionalen Phasenraum mit Hilfe einer sog. Rückabbildung (Return-Map). Hierzu wird ein aus dem zeitlichen Verlauf des Gruppensignals entnommener Wert einer ausgewählten Eigenschaft des Gruppensignals über den Vorwert aufgetragen. Wie in 2 illustriert ist werden beispielsweise als ausgewählte Eigenschaft die unteren Scheitelpunkte des Gruppensignals verwendet. Es können jedoch auch die oberen Scheitelpunkte oder der zeitliche Abstand der Scheitelpunkte oder in gleichen Zeitintervallen abgenommene Momentanwerte herangezogen werden. Auch ist es möglich, als ausgewählte Eigenschaft die zeitlichen Abstände der Durchstoßpunkte eines Poincaré-Schnitts zu verwenden. Zum Poincaré-Schnitt wird verwiesen auf Crighton Dowling "Modern Methodes in Analytical Acoustics", Springer-Verlag London Ltd., 1992, Seite 698 ff.. Die so durchgeführte Rückabbildung des Gruppensignals in den zweidimensionalen Phasenraum ist im Diagramm der 3 dargestellt, in dem auf der Ordinate die dem Gruppensignal in 2 entnommenen unteren Scheitelwerte α_neu und auf der Abszisse die dem Gruppensignal in 2 entnommenen Vorwerte der unteren Scheitelwerte (α_alt) aufgetragen sind. Deutlich ist zu sehen, dass durch die Abbildung des Gruppensignals eine wesentliche Datenreduktion erfolgt ist, in der eine deterministische Struktur, die von einem schallabstrahlenden Ziel herrührt, erkannt werden kann.

Die Struktur der im Funktionsblock 13 erzeugten Abbildung des Gruppensignals wird im Funktionsblock 14 bewertet. Hierzu wird ein Maß für die Struktur, im folgenden Strukturmaß genannt, berechnet. Im Ausführungsbeispiel ist als Strukturmaß die sog. fraktale Dimension d_F gewählt. Zum Begriff und der Berechnung der fraktalen Dimension wird verwiesen auf Edward Ott, "Chaos in Dynamical Systems", Cambridge University Press 1993, Seite 69 ff. oder Dr. Roman Worg "Deterministisches Chaos", Bibliographisches Institut & F.A. Brockhaus AG, 1993, Seite 125 ff. Berechnungsverfahren für die fraktale Dimension d_F sind das Gitterverfahren (GV), das Abstandsanalyse-Verfahren (AV) und das Vergrößerungs-Vermehrungsverfahren (VV). Im Ausführungsbeispiel der 1 wird zur Berechnung der fraktalen Dimension d_F der in 3 wiedergegebenen Struktur der Rückabbildung des Gruppensignals das Gitterverfahren verwendet. Bei diesem Gitterverfahren bedient man sich einer systematischen Gitterüberdeckung der Abbildung durch Quadrate mit der Seitenlänge ε. Dabei wird zunehmend die Seitenlänge ε verkleinert und jeweils die Anzahl N der Quadrate bestimmt, die von der Abbildung getroffen werden. Eine solche Gitter-Überdeckung der Abbildung ist in 4 dargestellt. Wird ε, ausgehend von einem relativ großen Wert, systematisch verkleinert, so ergibt sich zwischen der Anzahl N der getroffenen Quadrate und der Seitenlänge ε ein Zusammenhang N(ε). Trägt man N(ε) über 1/ε doppeltlogarithmisch auf, so ergibt sich eine Gerade, deren Steigung eine Näherung für die fraktale Dimension d_F ist.

In 5 ist eine solche Gerade dargestellt, die beispielhaft die Steigung von 1,36 aufweist. Da die Rückabbildung eines rein stochastischen Signals ohne jegliche deterministische Struktur eine fraktale Dimension d_F = 2 ergibt, ist das Steigungsmaß 1,36 ein Indiz dafür, dass in dem Gruppensignal eine deterministische Struktur enthalten ist, die durch Schallabstrahlung von einem Ziel verursacht ist. Damit ist das Ziel detektiert, und durch den Schwenkwinkel ϑ der Richtcharakteristik der Empfangsantenne 10, mit dem das Gruppensignal empfangen worden ist, ist die Zielpeilung gegeben. Der Wert der fraktalen Dimension d_F liegt am Ausgang des Funktionsblocks 14 an und kann zur Auslösung einer Anzeige für die Zieldetektion in einer Anzeigeinheit 15 herangezogen werden.

Um die Falschalarmrate für die Zieldetektion beeinflussen zu können, ist das Ausgangssignal des Funktionsblocks 14, also der Wert der fraktalen Dimension d_F, einem Komparator 16 zugeführt, der seinerseits an einem Einsteller 17 für die Falschalarmrate angeschlossen ist. Im Einsteller 17 wird der maximal zugelassene Wert der fraktalen Dimension d_Fmax vorgegeben, der zwischen 0 und 2 gewählt werden kann. Der Wert "0" der fraktalen Dimension ergibt sich aus der Rückabbildung eines rein harmonischen Gruppensignals, z.B. einer Konsinus- oder Sinusschwingung, während der Wert "2" das Strukturmaß der Abbildung eines rein chaotischen Signals ist. Die Strukturanalyse ergibt also nur dann einen Hinweis auf ein evtl. vorhandenes Ziel, wenn der Wert der fraktalen Dimension 0 ≤ d_Fmax < 2 ist. Um die Falschalarmrate zu drücken, wird beispielsweise d_Fmax mit 1,5 gewählt. Im Komparator 16 wird nunmehr der vorgegebene Maximalwert der fraktalen Dimension d_Fmax mit dem im Funktionsblock 14 berechneten Wert der fraktalen Dimension d_F verglichen. Ist letzterer kleiner als der maximal vorgegebene Wert d_Fmax erzeugt der Komparator 16 ein Ausgangssignal, das in der Anzeigeeinheit 15 die Anzeige für ein detektiertes Ziel auslöst. Gleichzeitig kann in der Anzeigeeinheit 15 der Richtungswinkel ϑ dargestellt werden, der von dem Richtungsbildner 12 abgenommen und der Anzeigeeinheit 15 zugeführt ist. Hierzu wird von dem Ausgangssignal des Komparators 16 ein Tor 18 geöffnet, an dem der jeweils vom Richtungsbildner 12 momentan eingestellte Schwenkwinkel ϑ anliegt, unter dem das jeweilige Gruppensignal im Richtungsbildner 12 gebildet wird.

Claims

Verfahren zur Detektion von Zielen, die Wellen, insbesondere Schallwellen, in ein umgebendes Übertragungsmedium abstrahlen, aus Empfangssignalen eines zielfernen Empfängers, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangssignale einer chaostheoretischen Strukturanalyse unterzogen werden und dass bei Auffinden einer zumindest deterministisch-chaotischen Struktur ein Ziel detektiert und die Zieldetektion durch Bewertung der Struktur geprüft wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Strukturanalyse eine Datenreduktion des zeitlichen Verlaufs des Empfangssignals durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Datenreduktion eine Abbildung des Empfangssignals in einen mehrdimensionalen Phasenraum vorgenommen und dass die Struktur der Abbildung bewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildung in einen zweidimensionalen Phasenraum durch eine Rückabbildung (Return-Map) vorgenommen wird, indem jeweils ein aus dem zeitlichen Verlauf des Empfangssignals entnommener Wert einer ausgewählten Eigenschaft des Empfangssignals über den Vorwert aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als ausgewählte Eigenschaft die oberen oder unteren Scheitelpunkte oder der zeitliche Abstand der Scheitelpunkte oder in gleichen Zeitintervallen abgenommene Momentanwerte oder die zeitlichen Abstände der Durchstoßpunkte eines Poincaré-Schnitts verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3–5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bewertung der Struktur der Abbildung ein Strukturmaß bestimmt wird und auf Ziel erkannt wird, wenn der Wert des bestimmten Strukturmaßes innerhalb eines vorgegebenen Bereichs des Strukturmaßes liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Strukturmaß eine fraktale Dimension (d_F) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die fraktale Dimension (d_F) nach dem Gitterverfahren (GV) oder nach dem Abstandsanalyse-Verfahren (AV) oder nach dem Vergrößerungs-Vermehrungsverfahren (VV) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein für eine gewünschte Falschalarmrate maximal zulässiger Wert der fraktalen Dimension (d_Fmax) festgelegt und der Bereich des Strukturmaßes von Null bis zu dem maximal zulässigen Wert (d_Fmax) vorgegeben wird.