DE1448622C - Verfahren und Vorrichtung zur Peilung von Signalquellen neben Störquellen unter Anwendung der Korrelationsanalyse - Google Patents

Description

gegen die Wellenlänge der Signale oder der Störungen klein sein sollen. Voraussetzung ist lediglich, daß die Kohärenzzeit der Signalquelle größer ist als die Kohärenzzeit der Störquellen. Die durch Empfänger verschiedener Richtcharakteristiken empfangenen Signale werden gemäß der Rechenvorschrift der Kreuzkorrelationsfunktion verarbeitet, d. h., es wird die Kreuzkorrelationsfunktion aus den Ausgangsgrößen verschiedener Empfänger für verschiedene Verzögerungszeiten r berechnet. Für periodische Signale kann die Berechnung für verschiedene Verzögerungszeiten nacheinander erfolgen. Für quasiperiodische Signale ist simultane Berechnung bei mehreren Werten der Verzögerungszeit erforderlich. Die gespeicherten Werte der Kreuzkorrelationsfunktion der auf diese Weise verarbeiteten Signale können direkt zur Anzeige gebracht oder einem anderen Bestimmungszweck zugeführt \verden. Eine Empfängerbasis, wie sie bei den bisherigen Korrelationspeilverfahren notwendig ist, entfällt. Durch Simultanbetrieb läßt sich die Meßzeit gegenüber den bisherigen Verfahren verkürzen. Für das Verfahren entfällt bei Simultanbetrieb außerdem die Forderung nach der Periodizität der Signale.

In der Zeichnung ist die Erfindung in zwei Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 Verfahren zur Peilung von periodischen Signalquellen neben stochastischen Störquellen mit drei Empfängern und zwei einfachen Korrelatoren,

Fig. 2 Verfahren zur Peilung von sowohl periodischen als auch quasiperiodischen Signalquellen neben stochastischen Störquellen mit drei Empfängern und zwei Simultankorrelatoren mit gemeinsamer Verzögerungsleitung.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind der Empfänger 1 mit achtförmiger Charakteristik und der Empfänger Γ mit kreisförmiger Charakteristik über die Leitungen 2 und 2' mit den beiden Eingängen 3 und 3' des Korrelators 4 verbunden. Entsprechend sind der Empfänger 1' und der Empfänger 1" mit achtförmiger Charakteristik, der gegenüber Empfänger 1 um 90° gedreht angeordnet ist, über die Leitungen 2' und 2" mit den beiden Eingängen 3" und 3"' des Korrelators 4' verbunden. Die Empfänger 1 bis 1" sind so angeordnet, daß für die eintreffenden Signale zwischen den Mikrophonen keine Laufzeitünterschiede auftreten. Die synchron schaltenden Schalter 6 und 6' und die synchron weiterschaltenden Schalter 7 und T verbinden die Korrelatorausgänge 5 und 5' nacheinander mit den jeweils η Eingängen 8⁽¹⁾ bis 8<"> bzw. 9⁽¹⁾ bis 9^ von η Speicherelementen,

55" die in den Speichern 10 bzw. 10' zusammengefaßt sind. Die jeweils η Speicherelemente der Speicher 10 bzw. 10' werden über die synchron umlaufenden Schaltern bzw. 11' auf die y-Ablenkung 12 bzw. auf die ^--Ablenkung 12' des Oszillographen 13 gegeben. Über den Eingang 12" ist der Oszillograph 13 mit der Hell-Dunkel-Steuerschaltung 14 verbunden. Mit dem Taktgeber 15 sind über die Leitungen 16, 17, 18 und 19 die Schalter 6, 6', 7, T₁ 11, 1Γ und die Hell-Dunkel-Steuerschaltung 14 gekoppelt.

Der Empfänger 1 bzw. 1" gibt Spannungen ab, die proportional dem Kosinus bzw. Sinus des Azimuts der einfallenden Signale sind. Die Ausgangsspannungen des Empfängers 1' sind proportional der Summe der einfallenden Signale. Strahlt eine Signalquelle unter dem Azimut φ_χ und eine Störquelle unter dem Azimut φ₂ ein, so erhält man als Ausgangsspannung am Empfänger 1' die Spannung

χ (t) = s (i) + η 0) ,

falls s (i) die dem Signal proportionale Ausgangsspannung und 11 (t) die der Störung proportionale Ausgangsspannung ist.

Falls die Maximalempfindlichkeit der Empfänger 1 und 1" identisch mit der Empfindlichkeit des Empfängers 1' ist, erhält man als Ausgangsspannungen des Empfängers 1

y_t (t) = ί (t) cos (P₁ + η (t) cos φ₂ und als Ausgangsspannung des Empfängers Γ y,(t) = s (t) sin φ_χ + η (t) sin φ₂.

Die Kreuzkorrelationsfunktion ist definiert durch

+τ

+ — / x

Korrelatoren berechnen als Näherung die Kurzzeitkorrelierte

da unendlich große Integrationszeiten nicht realisierbar und praktisch auch nicht erforderlich sind. Die Größe des Integrationsintervalls wird der jeweils vorliegenden Aufgabe angepaßt. Die Korrelationsfunktion ist eine Funktion der Verzögerungszeit τ. Sie muß für verschiedene Werte der Verzögerungszeit τ punktweise berechnet werden. Die Intervalle der Verzögerungszeit sind entsprechend der vorliegenden Aufgabe festzulegen. Wählt man die Lage der Verzögerungszeiten genügend dicht, so erhält man einen guten Überblick über den Verlauf der Korrelationsfunktion.

Berechnet man gemäß dieser Nomenklatur aus χ (t) und y_± (t) die Kreuzkorrelationsfunktion, so erhält man

Κχνι (r, T) = K_ss (r, T) cos _Ψι + K_sn (r, T) cos _Ψι "⁵ + K„_s (τ, T) cos φ₂ + K_nn (τ, T) cos φ._ζ,

■ ί ■ ο

und entsprechend aus χ (t) und y₂ (t) die Kreuzkorrelationsfunktion

K_x y₂ (τ, T) = K_ss (τ, T) sin φ_χ + K_sn (τ, T) cos φ_χ + Kns (?, T) sin φ₂ + K_nn (r, T) sin <p₂ .

Sind Signal und Störung entsprechend den gemachten Voraussetzungen nicht kohärent, so sind K_sn (τ,Γ) und K_ns (r.T) Null.

Es ist dann

Κ» vx (τ, T) = K_ss (τ, T) cos φ_γ + K_11n (τ, T) cos φ₂
und
^κχ 3/2 (^τ> T) = ^ss 0> T) sin (P₁ + /C„„ (r, Γ) sin φ₂ .

Für τ-Werte, die groß sind gegen die Halbwertsbreite A τ der Autokorrelationsfunktion K„_n (τ, T) der Störung verschwindet K_11n (τ, T), und man erhält

K_{x Vl} (τ, T) ^K_ss (t, T) cos _Vl
und

K_Xy₂(r,T) zsiK_ss (T₁T)SiTIq)₁.

Gibt man diesen Korrelationsfunktionen analoge Spannungen auf die Platten eines xy-Oszillographen, so erhält man auf dem Bildschirm eine Gerade mit dem Anstieg tg φ_ν Der Winkel zwischen x-Achse und der Geraden ist das gesuchte

ao Azimut φ₁ der Signalquelle.

K_{x Vl} (τ, T) und Κ_χνι(τ,Τ) werden gleichzeitig vom Korrelator 4 und 4' für aufeinanderfolgende Verzögerungszeiten τ_κ (K = 1, . . ., η), beginnend mit T₁ = 0, berechnet. Nach Beendigung eines

»5 jeden Rechenzyklus für die jeweilige Verzögerungszeit Z₁₁ werden die Schalter 6 und 6' zur Speichereingabe geschlossen. Die synchron weiterschaltenden Schalter 7 und T gewährleisten, daß die Rechenwerte in der Folge wachsender τ-Werte in die Speicherelemente der Speicher 10 und 10' eingegeben werden. Die synchron umlaufenden Schalter 11 und 11' tasten nach Berechnung der Korrelationsfunktion für die η τ-Werte die Speicher 10 und 10' ab und geben die Meßwerte auf die x- bzw. ^-Ablenkung des Oszillographen 13. Werden mit der Hell-Dunkel-Steuerung 14, gesteuert- vom Taktgeber 15, die Meßwerte, die in die Halbwertsbreite Δ τ der Korrelationsfunktion K_m (τ, T) der Störung fallen, ausgeblendet und die restlichen Meßwerte hellgesteuert, so erscheint auf dem Bildschirm eine Folge von Punkten, die auf einer Geraden liegen. Der Winkel zwischen dieser Geraden und der x-Achse ist das Azimut ^₁ der Signalquelle. Der Taktgeber 15 sorgt für den programm-. gemäßen Ablauf der Schaltvorgänge. Voraussetzung für dieses Anwendungsbeispiel ist, daß sowohl Signalquelle wie Störquelle wenigstens über die Zeit von η Rechenzyklen stationär sendet. Ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung zeigt Fig. 2, in welcher die der Fig. 1 wesensgleichen Teile mit den' gleichen Bezugszeichen versehen sind. Damit soll nicht zum Ausdruck gebracht werden, daß die Schaltungen der einzelnen Bausteine genau gleich sind. Sie werden sinngemäß übernommen. Das Verfahren gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 1 vor'allem dadurch, daß die beiden in Fig. 1 nicht näher gekennzeichneten Verzögerungsleitungen der Korrelatoren 4 und 4' durch eine gemeinsame Verzögerungsleitung 20 ersetzt werden. Die Verzögerungsleitung 20 hat η Ausgänge" 2IW,.. ., 21("), an denen die η verschiedenen Verzögerungszeiten τ_κ (K = 1, . . ., η) gleichzeitig abgegriffen werden können. Es unterscheidet sich weiter dadurch, daß die zwei in Fig. 1 nicht näher gekennzeichneten Multiplikation - Integrationseinheiten der Korrelatoren 4 und 4' zu jeweils 11 parallel arbeitenden Alultiplikations-Integrations-Einheiten 18«, .. ., 18<") und 19«, . . ., 19<ⁿ> ergänzt werden. Weiterhin entfallen die Schalter 7 und T. Die Ausgänge der Multiplikations-Integrations-Einheiten 180\ .. ., 18<"> sind über die Leitungen 5<», . . ., 5<"> und über die synchron schaltenden Schalter 6⁽¹⁾, . . ., 6⁽") direkt über die Leitungen 8⁽¹⁾, .. ., 8^W mit '"' den in der Figur nicht näher gekennzeichneten Speicherelementen des Speichers 10 verbunden. Entsprechend sind die Multiplikations-Integrationseinheiten 19^, . . ., 19⁽ⁿ⁾ über die Leitungen ₅(_n+i)_; 5(n+2)₍ . . _mj 5(2«) _{und ü}b_er die mit den Schal- ■' tern 6⁽¹⁾, .. ., 6⁽ⁿ⁾ synchron schaltenden Schalter 6(n+i)₍ 6<«+2), .. ., 6⁽²ⁿ⁾ direkt über die Leitungen g(«+i)₍ 8<»+2);. . ., 8(²"> mit den in der Fig. 2 nicht näher gekennzeichneten Speicherelementen des Speichers 10' verbunden. Durch Wegfall der Schalter 6 und 6' entfällt auch die Leitung 17 zum Taktgeber 15.

Die Wirkungsweise der Einrichtung nach Fig. 2 ist folgende: Die Ausgangsspannungen des Empfängers 1 bzw. 1" werden über die Leitung 2 bzw. 2" auf je einen der beiden Eingänge der Multiplikation-Integrationseinheit 18^, .. ., 18<ⁿ> bzw. I9W,..., 19⁽ⁿ⁾ gegeben. Die Ausgangsspannung des Empfängers 1' wird über die Leitung 2' auf die Verzögerungsleitung 20 gegeben. Die Verzögerungsleitung hat η Ausgänge 21⁽¹⁾, .. ., 21⁽ⁿ⁾ für die η Verzögerungszeiten x^ (K — 1, ...,«■). Die Verzögerungsleitung 20 wird für die Verzögerungszeit T = T₁ über die Leitung 21 mit denMultiplikations-Integrationseinheiten 18⁽¹⁾ und 19⁽¹⁾ verbunden. Entsprechend wird weiter verfahren bis zur Verzögerungszeit τ = r_n. Auf diese Weise erhält man nach einem Rechenzyklus T an den Ausgängen der Multiplikations-Integrations-Einheiten 18W, .. ., 18<"> gleichzeitig η Werte der· Kreuz- ' ^: korrelationsfunktion K_XVi(x,T) und entsprechend an den Ausgängen der Multiplikations-Integrations-Einheiten 19^), ..., 19<"> »Werte der Kreuzkorrelationsfunktion K_x y₂ (τ, T). Durch gleichzeitige Betätigung der Schalter 6^), .. ., 6<²ⁿ⁾ werden die jeweils η Werte von K_XVl (τ, T) und K_Xy₂ (τ, T) in den entsprechenden Speicher 10 bzw. 10' eingespeist und können nach einem Rechenzyklus T eines Korrelators in der im Anwendungsbeispiel 1 beschriebenen Weise zur Anzeige gebracht werden. Im Gegensatz zum An-Wendungsbeispiel 1 ist bei diesem Anwendungsbeispiel nur Stationarität von Signalquelle und Störquelle für einen Rechenzyklus T vorauszusetzen.

Falls die Peilaufgabe .lediglich darin besteht, iao die Überquerung einer geraden Linie durch eine bewegte Signal quelle festzustellen, genügt bereits die Verwendung einer Empfangsanordnung, die aus einem Empfänger mit kreisförmiger Charakteristik und einem einzelnen Empfänger,jnit acht- 1*5 förmiger Charakteristik besteht. Letzterer wird so

eingestellt, daß die Richtung der Einschnürung mit derjenigen der geraden Linie übereinstimmt. Die Überquerung der geraden Linie durch die ■Signalquelle bewirkt, daß der Betrag der Kreuz-S korrelationsfunktion ein Minimum erreicht, was durch eine entsprechende Anzeigeeinrichtung sichtbar gemacht werden kann. Der Aufwand an Rechenmitteln wird entsprechend geringer.

Bei kleinen Störpegeln kann es bei beiden An-Wendungsbeispielen genügen, die Korrelationsfunktion für τ = 0 zu berechnen. Auf dem Bildschirm des Oszillographen erscheint in diesem speziellen Fall nur ein Punkt, der mit dem Nullpunkt des Achsenkreuzes des Bildschirmes die den

t5 Peilwinkel festlegende Gerade bestimmt.

Als Empfänger mit kreis- bzw. achtförmiger Richtcharakteristik können z. B. bei Luftschall Druck- bzw. Druckgradientmikrophone, bei Wasserschall entsprechende Hydrophone und bei elektromagnetischen Signalen lineare Antennen bzw. Rahmenantennen verwendet werden." An Stelle apparativ aufwendiger Multiplikatoren und Integratoren können in den Multiplikations-Integrationseinheiten Schaltmodulatoren und i?C-Tiefpaßglieder verwendet werden.

Claims (6)

, = PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Peilung von Signalquellen . neben. Störquellen unter Anwendung der Korrelatiorisanalyse, gekennzeichnet durch den Empfang von Signalen ohne Laufzeitunterschied mittels einer basislosen Empfangsanordnung, die aus zwei oder mehreren Empfängern verschiedener Richtcharakteristik besteht, und nachfolgende Verarbeitung der Ausgangssignale der Empfangsanordnung mittels Verfahren der Kreuzkorrelationsanalyse.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einep Empfänger (1') mit kreisförmiger Charakteristik und einen Empfänger (1) mit achtförmiger Charakteristik, einen Kreuzkorrelator zur Verarbeitung der Empfängerausgangsspannungen, einen Speicher (10) zur Zwischenspeicherung der Korrelationsergebnisse¹ und eine Einrichtung, die das Eintreten des Minimums des Betrages der Kreuzkorrelationsfunktion anzeigt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Empfänger (1') mit kreisförmiger Charakteristik und zwei gegeneinander um 90° gedrehte Empfänger (1, 1") mit achtförmiger Charakteristik, zwei Kreuzkorrelatoren zur Verarbeitung der jeweils dem Empfänger mit kreisförmiger Charakteristik und einein Empfänger mit achtförmiger Charakteristik entnommenen Ausgangsspannungen, zwei Speichern (10, 10') zur Zwischenspeicherung der Korrelationsergebnisse und einem Oszillographen (13) mit Hell-Dunkel-Steuerschaltung (14) zur Anzeige der Richtung der Signalquelle nach Maßgabe der ausgelesenen Speicherwerte.

4. Vorrichtung¹ nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch die Verwendung vonKorrelatoren (4 bzw. 4, 4'), in denen die mit verschiedenen Verzögerungszeiten τ_κ durchzuführenden Berechnungen der Korrelationsfunktionen nacheinander erfolgen..

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch die Verwendung von Korrelatoren, in denen die mit verschiedenen Verzögerungszeiten τ_κ durchzuführenden Berechnungen der Korrelationsfunktionen gleichzeitig erfolgen, indem an den Empfänger (1') mit kreisförmiger Charakteristik eine Verzögerungsleitung (20) mit einer der erforderlichen Zahl von Verzögerungszeiten entsprechenden Anzahl von Ausgängen (21^ bis 21^) angeschlossen und für die Durchführung der Berechnung der Korrelationsfunktionen eine entsprechende Anzahl von Recheneinheiten (18⁽¹⁾ bis 18W bzw. 19^ bis 19W) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei kleinen Störpegeln nur die Kreuzkorrelationsfunktion für die Verzögerungszeit τ = 0 berechnet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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