DE10357954B3

DE10357954B3 - Verfahren zur Nachhallunterdrückung in Aktiv-Sonar-Anlagen

Info

Publication number: DE10357954B3
Application number: DE2003157954
Authority: DE
Inventors: Erik Helmer
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium der Verteidigung
Current assignee: Elac Sonar GmbH
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2005-05-04
Anticipated expiration: 2023-12-12

Abstract

Mit dem neuen Verfahren wird bei Aktiv-Sonar-Anlagen die Störung des Signals bei der Detektion von U-Booten und anderen Objekten, insbesondere in Flachwassergebieten, durch den Nachhall deutlich verringert. Durch das neue Verfahren können optimale Schwellwerte mit konstanter Falschalarmwahrscheinlichkeit vorgegeben werden. Neben den daraus resultierenden verbesserten ROC(Receiver Operating Characteristic)-Kurven ergeben sich zusätzlich eine Bodenrückstreustärkekarte und eine TL(Transmission-Loss)-Karte sowie eine verringerte Prozessorlast wegen der Festzielunterdrückung des Verfahrens. Da das Verfahren unabhängig von den genutzten Sendesignalformen ist, kann es mit anderen Verfahren, die z. B. die Dopplersensivität nutzen, kombiniert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß Patentanspruch 1 ein Verfahren zur Nachhallunterdrückung in Aktiv-Sonar-Anlagen.
Bei Aktiv-Sonar-Anlagen (Low Frequency Active Sonar – LFAS) ist der Bodennachhall die wesentliche Störung bei der Detektion von Zielen in Flachwassergebieten. Die genaue Kenntnis des Nachhalls, seine Modellierung und die Pegelvorhersage sind nötig, um seinen Einfluss zu reduzieren.
Die starke Variabilität der Empfangsenergie wird von einer großen Anzahl von physikalischen Einflussparametern verursacht, die auch im einzelnen zum Teil schwer modellierbar und nur statistisch beschreibbar sind. Zeitlich und örtlich schwankende Vektorgrößen verhindern die Vorhersage und damit die Eliminierung des Nachhalls.
Es ist bekannt, dass zur Reduzierung des Nachhalls durch Antennen mit einer großen Anzahl von Sensoren räumliche Filter gebildet werden, die nur die Nachhallenergie aus einem kleinen Sektor empfangen. Die starke Laufzeitabhängigkeit wird durch eine statistische Analyse in einem sendepositionsbezogenen Zeitfenster ermittelt. Dabei bestimmt eine statistische Analyse der Energie im Richtungskanal in der Umgebung des Ziels den Schwellwert für die Detektion.

Das in dem Patent DE 38 88 411 T2 beschriebene Aktivsonar mit Kanalanpassung reduziert den Nachhall nur für eine spezielle Klasse von Sendesignalen. Das Costas-Code-ähnliche Sendesignal wird dabei mit einem modifizierten Gradientenverfahren angepasst. Die Anpassung erfolgt an die grob abgeschätzte entfernungsunabhängige und richtungsunabhängige Streufunktion, die durch Testsignale ermittelt wird.

Im Gegensatz dazu wird in den dieser Erfindung zugrunde liegenden Verfahren durch eine Koordinatentransformation eine ortsabhängige Nachhallschätzung (inklusive der ortsabhängigen Streufunktion) mit kleiner Streuung ermittelt. Dies erlaubt das Setzen einer ortsabhängigen Schwelle mit hoher Detektionswahrscheinlichkeit und niedriger Falschalarmwahrscheinlichkeit. Das Verfahren ist somit unabhängig von der Sendesignalklasse. Andere Verfahren können daher mit dem hier beschriebenen Verfahren kombiniert werden, so auch das Verfahren des genannten Patents.

Die vorhandenen Lösungen weisen den Nachteil auf, dass Streukörper mit ähnlichem Verhalten wie das des Ziels zu einer hohen Zahl an Falschalarmen führen. Die vorhandenen Verfahren nutzen die lokalen Unterschiede im Nachhall aufgrund der Verteilung der Streukörper nicht aus.

Die vorliegende Erfindung soll die Anzahl der Falschalarme bei der Detektion durch die Anhebung der Detektionsschwelle an Stellen starker Reflexionen reduzieren. Gleichzeitig soll, durch die Senkung des Schwellwerts an Stellen geringen lokalen Nachhalls, die Entdeckungswahrscheinlichkeit für das Ziel erhöht werden.

Dieses Ziel wird durch ein neues Verfahren verwirklicht:
Dieses Verfahren basiert auf einer veränderten Reihenfolge der verschiedenen Verarbeitungsschritte zur Detektion und einer neuartigen Gewinnung statistischer Parameter zur Schwellwertgenerierung/Normierung. Durch den Wechsel der Koordinationssysteme und durch Koordinatenverschiebungen können durch Korrelation im jeweiligen Bezugssystem ortsfeste, statistische Parameter extrahiert werden. Durch lokal angepasste Schwellen werden Falschziele eliminiert und die Anzahl der Falschalarme reduziert. Dadurch bestimmt nicht mehr das mittlere Energieniveau in der Umgebung des Ziels die Detektionsschwelle, sondern im optimalen Fall das minimale Niveau, über das sich das Ziel bewegt.

Der Vorteil der Erfindung besteht nun darin, dass mit dem neuen Verfahren optimale Schwellwerte mit konstanter Falschalarmwahrscheinlichkeit vorgegeben werden können. Neben den daraus resultierenden verbesserten ROC (Receiver Operating Characteristic)-Kurven ergeben sich zusätzlich Karten der Bodenrückstreustärke, die für die taktisch-/operative Einsatzplanung genutzt werden können, sowie eine verringerte Prozessorlast wegen der Festzielunterdrückung des Verfahrens. Da das Verfahren unabhängig von den genutzten Sendesignalformen ist, kann es mit anderen Verfahren, die z.B. die Dopplersensitivität nutzen, kombiniert werden. Die Bodenrückstreustärke ist auch für den multistatischen Betrieb unabhängig von der Sendeposition, nicht jedoch die Ausbreitungsdämpfung. Neben dem unterschiedlichen Aspektwinkel des Ziels ergeben sich daher auch unterschiedliche Verhältnisse von Zielpegel zu Nachhallpegel als Funktion der Sender-, Ziel- und Empfängergeometrie. Dieser Unterschied kann für die Gewichtung bei der Datenfusion genutzt werden. Die geographischen Karten der Bodenrückstreustärke und des „Glitters" geben einen guten Überblick über die lokale Nachhallsituation. Sie eignen sich daher zur Beurteilung taktischer Vorgehensweisen, sei es, um sich als U-Boot zu verbergen oder sei es, um als ohnehin sichtbares Sendeschiff einen gut überwachbaren Kurs durch das Seegebiet auszuwählen.

Die Grundlage für das nach Patentanspruch 1 beschriebene Verfahren ist die Datengewinnung der nicht akustischen Daten (NAD; z.B. Position, Antennenlage) und des Akustikdatensatz a₀ (τ,φ,t) mit folgenden Parametern:

• Entfernung/Laufzeit – τ
• Richtung – φ
• Zeit – t
• Nicht akustische Daten – NAD
• Schwellwert – S
• Detection Treshold – DT
• Transmission Loss – TL
• Geschwindigkeit – v

Beschreibung des Verfahrens:

1. Normierung/entfernungsabhängige Gewichtung (prewhitening) mit Übertragungsdämpfung und entfernungsabhängigen Elevationswinkel zur Ermittlung der Rückstreustärke (z.B. Lambert Law) b1(τ,φ) = a0(τ,φ)/TL(τ)/Lambert-Korrektur(τ)
2. 2-D-Transformation der Echoenergie b₁(τ,φ), NAD ⇒ b₂(x,y)
3. Schwellwertfestlegung mit ortsfester Statistik von b₂(t) S(x,y) = f(b2(x,y),dt)
4. Detektion b₂(x,y)/S(x,y) > DT ⇒ b₃(x,y) Durch den Schritt 1 wird eine im Prinzip geometrieunabhängige Rückstreustärke erzielt, die dann durch Filterung im Zeitbereich eine Vorhersage erlaubt – Schritt 3. Die Schwelle wird also nicht wie im alten Verfahren durch die geometrieabhängige, großräumige Umgebung des Streukörpers bestimmt, sondern sie wird ortsfest generiert. Eine ortsfeste statistische Analyse kann auch erreicht werden, wenn die Positionsänderungen im Koordinatensystem (τ,φ) durch eine Koordinationstransformation berücksichtigt werden. Dies kann sinnvoll sein, um einfach Fehler von Richtungssensoren zu beseitigen. Es verbleibt eine langsame Veränderung bei einer Richtungsabhängigkeit der Rückstreustärke und der Positionen der Streuzentren. Dies führt zu scheinbarer Eigengeschwindigkeit der Streuzentren. Die Filterung im Zeitbereich kann ortsabhängig auf diese Eigengeschwindigkeit erweitert werden. Die Positionsunabhängigkeit kann nur erreicht werden, wenn die positionsbezogene Normierung der Beschallung (Senderichtcharakteristik· Ausbreitungsdämpfung) hinreichend abgetastet wird. Gefiltert wird also über die „Ausleuchtungsfunktion", die mit der Eigengeschwindigkeit des Senders über den reflektierenden Boden hinwegbewegt wird. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung legt die Auflösung der Normierungszellen fest. Für die multistatische Betriebsart ist eine Erweiterung von Lamberts Law erforderlich.
5. Statistik aus positionsbezogenem zeitlichen Verlauf des „Signal Excess" b4: b2(x,y)/S(x,y), NAD ⇒ b4(τ,φ)Nach dem „prewhitening", d.h. mit dem Ergebnis der Bodenrückstreustärke, kann zusätzlich in einer weiteren statistischen Analyse nach der Rücktransformation in das sendepositionsbezogene Koordinatensystem auch die Beschallungsfunktion ermittelt werden. Senderichtcharakteristik(φ)·TL(φ) = f(b4,dτ) Damit wird die Vorhersage weiter verbessert, d.h. die Streuung der Rückstreustärke weiter verringert. Außerdem kann dann die sendepositionsbezogene, homogene Rückstreuung berücksichtigt werden. Die Zellengröße kann bis auf die Minimalgrenze verringert werden.
6. Informationsverarbeitung (z.B. Zielverfolgung) aus zeitlichen Änderungen der Detektionen mit Eigengeschwindigkeit > v_min b₅ = f(b₃(x,y),dt) Der Schritt 3 hat eine geringe Streung, so dass schon mit 2 Messungen eine Normierung erfolgen kann. Die Schwellwertberechnung erzeugt eine optimale, positionsunabhängige, konstante Falschalarmrate. Die Höhe der Falschalarmrate wird durch einen Offset bestimmt, der an die Rechenleistung der Anlage angepasst wird. Der Offset kann jedoch für operative Zwecke positionsabhängig vorgegeben werden, z.B. für bestimmte Regionen oder für den Algorithmus zur Zielverfolgung. Die Zellengröße ist abhängig vom Sendesignal (1/Bandbreite) und der Genauigkeit der Positionsbestimmung. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung kann durch Mustererkennungsalgorithmen (z.B. 2-D-Korrelation) bis zu der Grenze gesteigert werden, die durch das Sendesignal gegeben ist. Die Filterbandbreite der adaptiven Schwellwertermittlung bestimmt die Untergrenze für den Ziel-Doppler, d.h. die minimale Zielgeschwindigkeit v_min. Ziele mit geringerem Doppler werden durch den Normierungsalgorithmus herausgefiltert. Im Schritt 6 müssen dann nur noch Ziele mit einer Eigengeschwindigkeit > v_min oder Glanzpunkte verarbeitet werden. Mit mindestens zwei Messungen lässt sich ein Geschwindigkeitsvektor (radial und tangential) bestimmen.

Der Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass erst eine geometrieunabhängige Rückstreustärke erzielt wird, die dann durch Filterung im Zeitbereich eine Vorhersage erlaubt. Damit wird die Schwelle nicht durch die geometrieabhängige, großräumige Umgebung des Streukörpers bestimmt, sondern sie wird ortsfest generiert: Weiterhin wird eine ortsfeste statistische Analyse dadurch erreicht, indem die Positionsänderungen im Koordinatensystem (τ,φ) durch eine Koordinatentransformation berücksichtigt wird.

Claims

Verfahren zur Nachhallunterdrückung in Aktiv-Sonar-Anlagen, gekennzeichnet dadurch, dass erst die Normierung/entfernungsabhängige Gewichtung (prewhitening) mit Übertragungsdämpfung und entfernungsabhängigen Elevationswinkel zur Ermittlung der Rückstreustärke (z. B. Lambert Law) b1(τ,φ) = a0(τ,φ)/TL(τ)/Lambert-Korrektur(τ)durchgeführt wird, dann eine 2-D-Transformation der Echoenergie b1(τ,φ), NAD ⇒ b2(x,y)erfolgt, hiernach der Schwellwert mit der ortsfesten Statistik von b₂(t) S(x,y) = f(b2(x,y),dt)festgelegt wird, anschließend die Detektion b2(x,y)/S(x,y) > DT ⇒ b3(x,y)erfolgt, aus dem positionsbezogenen zeitlichen Verlauf des „Signal Excess" b4: b2(x,y)/S(x,y), NAD ⇒ b4(τ,φ)die Statistik erstellt wird zur Ermittlung und Normierung mit der Beschallungsfunktion und abschließend die Informationsverarbeitung (z.B. Zielverfolgung) aus den zeitlichen Änderungen der Detektionen mit Eigengeschwindigkeit > v_min b5 = f(b3(x,y),dterfolgt.