DE1616217C1

DE1616217C1 - Method for processing stochastic acoustic signals

Info

Publication number: DE1616217C1
Application number: DE1968F0054831
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr-Ing Ossenberg; Alfred Dr-Ing Schief; Karl-Friedrich Dr-Ing Triebold; Gunter Dr-Ing Ziehm
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1968-02-14
Filing date: 1968-02-14
Publication date: 1977-09-15

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verarbeiten von stochastischen akustischen Signalen, beispielsweise von Schiffsgeräuschen. Bei bekannten Verfahren erfolgt die Verarbeitung von Signalen entsprechend den verschiedenartigen Aufgabenstellungen. Bei der Detektion von Signalen in Anwesenheit von Störungen, bei der Ortung von Signalquellen, bei der Messung von im Signal enthaltenen Parametern, beispielsweise bei der Klassifizierung von Signalen bezüglich unterschiedlicher Quellen, werden Empfangsverfahren benutzt, welche die spektrale Leistungsdichte, die Korrelationsfunktion, die Amplitudendichteverteilung und andere für die Signale kennzeichnende Größen auswerten. Zur Lösung dieser Aufgabenstellungen werden frequenzselektiv wirkende Empfangseinrichtungen, Auto- und Kreuzkorrelatoren, Analysatoren für Amplitudendichteverteilungsfunktionen und weitere Schaltungen zur Signalverarbeitung benutzt. Von besonderem Interesse ist dabei die Signalverarbeitung in Anwesenheit additiver stochastischer Störungen· sie hat das Ziel, die von Signal und Störung stammenden Anteile zu trennen. Die Wirksamkeit der Signalverarbettung hängt entscheidend davon ab, ob bei dem jeweils gewählten Verfahren Signal und Störung unterschiedliche und deshalb trennbare Ergebnisse liefern. Ein Beispiel für eine lösbare Aufgabe ist die Trennung eines periodischen Signals von additivem stochastischem Rauschen mit Hilfe eines frequenzselektiven Filters oder eines Korrektors.The present invention relates to a method for Processing of stochastic acoustic signals, for example ship noises. At acquaintances Procedure, the processing of signals takes place according to the various tasks. When detecting signals in the presence of interference, when locating signal sources, when Measurement of parameters contained in the signal, for example when classifying signals with regard to different sources, reception methods are used which determine the spectral power density, the correlation function, the amplitude density distribution and other quantities characteristic of the signals evaluate. To solve these tasks, frequency-selective acting receiving devices, Auto- and cross-correlators, analyzers for amplitude density distribution functions and others Circuits used for signal processing. Signal processing is of particular interest in the presence of additive stochastic disturbances · they has the aim of separating the components originating from the signal and the interference. The effectiveness of signal processing depends crucially on whether the selected procedure is signal and interference deliver different and therefore separable results. An example of a solvable task is Separation of a periodic signal from additive stochastic noise with the help of a frequency-selective Filter or a corrector.

Es sind Signale stochastischer Art bekannt, die sich bezüglich ihres Spektrums, damit auch bezüglich ihrer Korrelationsfunktion, oder bezüglich ihrer eindimensionalen Verteilungsdichtefunktion nicht von den gleichzeitig mit ihnen auftretenden Störungen unterscheiden. Ein Beispiet stellt der von Schiffen verursachte Wasserschall und die im allgemeinen vorhandenen Hintergrundgeräusche dar. Bei der Klassifizierung von derartigen Geräuschen zeigt sich, daß die von einzelnen Quellen stammenden Repräsentanten bezüglich der genannten bekannten Kriterien nicht oder nicht immer unterscheidbar sind.There are known signals of a stochastic type that are with regard to their spectrum, thus also with regard to theirs Correlation function, or, with regard to its one-dimensional distribution density function, not of the simultaneously differentiate with them occurring disturbances. One example is that caused by ships Waterborne noise and the background noise that is generally present. When classifying Such noises show that the representatives coming from individual sources have regard to the named criteria are not or not always distinguishable.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das eine sichere Unterscheidung z. B. der Schiffsgeräusche und des allgemein vorhandenen Hintergrundgeräusch ermöglicht Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht daß das zu verarbeitende Signal zunächst einer Schaltung mit nichtlinearem Verhalten und anschließend einer an sich bekannten Signalverarbeitungseinrichtung zugeführt wird.The invention is therefore based on the object of creating a method that allows reliable differentiation z. B. the ship noise and the generally existing background noise made possible according to the invention achieved that the to be processed Signal first of a circuit with non-linear behavior and then one known per se Signal processing device is supplied.

Als bekannte Signalverarbeitungseinrichtungen können dabei Korrelatoren, Filter, Amplitudenanalysatoren dienen.Correlators, filters, amplitude analyzers can be used as known signal processing devices to serve.

Die Wirkungsweise des Verfahrens wird an einem Beispiel erläutert Der z.B. von Schiffsschrauben verursachte Wasserschall zeigt meist ein breites Frequenzspektrum ohne ausgeprägte Linien; seine Autokprrelationsfunktion zeigt eine kurze Kohärenzzeit, sie klingt rasch auf den Wert Null ab. Ein Schiffsschraubengeräusch unterscheidet sich in dieser Beziehung nicht vom Hintergrundsgeräusch. Die Detektion und die passive Ortung eines Schiffes aufgrund seines Schiffsschraubengeräusches ist deshalb in großen Entfernungen, also bei kleinem Signal-zu-Stör-Verhältnis, nicht möglich. Die subjektive Beurteilung eines Schiffsschraubengeräusches ergibt einen deutlich periodischen Eindruck, der mit der Drehzahl und der Zahl der Flügel der Schiffsschraube in Zusammenhang steht Diese periodische Komponente, die dem Hintergrundgeräusch fehlt äußert sich nicht in Form einer ausgeprägten Spektrallinie; sie wird vielmehr durch eine periodische, tieffrequente Amplitudenmodulation eines breitbandigen stochastischen Prozesses beschrieben. Meßtechnisch ist der Unterschied der Korrelationsfunktion oder des Leistungsdichtespektrums zu den entsprechenden Funktionen eines nicht modulierten stochastischen Prozesses derselben Art nicht oder nur sehr schwer zu erfassen.The mode of operation of the procedure is based on a Example explained The water-borne noise caused by ship propellers, for example, usually shows a wide range Frequency spectrum without pronounced lines; its auto-correlation function shows a short coherence time, it quickly fades to zero. A In this respect, the noise of the propeller is no different from the background noise. The detection and the passive location of a ship due to its propeller noise is therefore at great distances, i.e. with a small signal-to-interference ratio, not possible. The subjective assessment of a The noise of the propeller gives a clearly periodic impression, which is related to the speed and the number of This periodic component is related to the background noise absent is not expressed in the form of a pronounced spectral line; rather, it becomes through a describes periodic, low-frequency amplitude modulation of a broadband stochastic process. In terms of measurement technology, the difference is the correlation function or the power density spectrum for the corresponding functions of a non-modulated stochastic Process of the same type cannot be recorded or only with great difficulty.

Erfindungsgemäß wird daher das zu verarbeitende Signal zunächst einer Schaltung mit nichtlinearem Verhalten und anschließend einer an sich bekannten Signalverarbeitungseinrichtung zugeführtAccording to the invention, the signal to be processed is therefore initially a circuit with a non-linear Behavior and then fed to a known signal processing device

Vorzugsweise kann das empfangene Signal einem Gleichrichter mit einem anschließenden Tiefpaßglied zugeführt werden. Der Gleichrichter bildet dabei den Kurzzeit-Effektivwert des Signals, der Tiefpaß unterdrückt die vom breitbandigen Prozeß herrührenden spektralen Komponenten und gibt nur die von der Amplitudenmodulation herrührenden Schwankungen des Kurzzeit-Effektivwertes an seinem Ausgang ab. Auf diese Weise wird ein neuer Prozeß gebildet, der, je nachdem er aus Schiffsgeräusch oder Hintergrundgeräusch herrührt, signifikante Unterschiede aufweist. Dieser neue Prozeß wird zur weiteren Verarbeitung, also zur Lösung der Aufgaben Detektion, Parameterextraktion, Ortung usw, an sich bekannten Einrichtungen wie Filtern, Korrelatoren, Amplitudenanalysatoren zugeführt Diese Einrichtungen müssen auf die durch die Schraubendrehzahl gegebenen tiefen Frequenzen abge-The received signal can preferably be sent to a rectifier with a subsequent low-pass filter are fed. The rectifier forms the short-term rms value of the signal, which suppresses the low-pass filter the spectral components resulting from the broadband process and only gives those from the Amplitude modulation resulting from fluctuations of the short-term effective value at its output. on In this way a new process is formed which, depending on whether it is made up of ship noise or background noise shows significant differences. This new process is used for further processing, thus for solving the tasks of detection, parameter extraction, location, etc., facilities known per se such as filters, correlators, amplitude analyzers fed these facilities must be on the by the Screw speed given low frequencies.

stimmt sein. Sie verursachen im allgemeinen einen geringeren apparativen Aufwand als die entsprechenden Geräte für den Frequenzbereich der nicht gleichgerichteten Signale.be true. They generally require less equipment than the corresponding ones Devices for the frequency range of non-rectified signals.

Neben Schiffsgeräuschen zeigen andere akustische Signale ebenfalls Eigenschaften, die bei nichtlinearer Vorverarbeitung ausgewertet werden können. Genannt seien beispielsweise Motorgeräusche, Propellergeräusche, Reifengeräusche. Die signifikanten Merkmale dieser stochastischen Signale liegen im zeitlichen Verlauf ihres Kurzzeiteffektivwertes; dieser zeitliche Verlauf entspräche bei modulierten harmonischen Vorgängen dem zeitlichen Verlauf der Hüllkurve. Bei den genannten Beispielen haben diese signifikanten Merkmale ihre Ursache im speziellen Entstehungsmechanismus der Signale.In addition to ship noises, other acoustic signals also show properties that are non-linear Preprocessing can be evaluated. For example, engine noises, propeller noises, Tire noise. The significant features of these stochastic signals are in the temporal Course of their short-term effective value; this time course would correspond to modulated harmonics Processes the temporal course of the envelope curve. at In the examples mentioned, these significant features are due to the special mechanism of their formation of signals.

Bei Peilverfahren werden häufig mehrere getrennte Empfänger verwendet; als Beispiel wird das in der deutschen Patentschrift 14 48622 beschriebene Verfahren genannt Als nichtlineare Vorverarbeitung erweist sich im Hinblick auf eine bessere Störunterdrückung und eine eindeutige Richtungsfindung hier neben der gewöhnlichen Gleichrichtung eine gesteuerte Gleichrichtung oder Multiplikation der von den einzelnen Empfängern stammenden Signale mit anschließender Tiefpaßfilterung als vorteilhaft. Die weitere Signalverarbeitung erfolgt in bekannter Weise.In DF systems, several separate receivers are often used; as an example this is shown in the German Patent 14 48622 described method As non-linear preprocessing proves to be with regard to a better interference suppression and an unambiguous finding of direction here, in addition to the usual rectification, a controlled rectification or multiplication of the signals from the individual receivers with subsequent signals Low-pass filtering as advantageous. The further signal processing takes place in a known manner.

Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Maßnahmen zur Störunterdrückung kann der interessierende Frequenzbereich vor der nichtlinearen Vorverarbeitung mit linearen Filtern in zwei (oder mehrere) Bereiche zerlegt und die beschriebene nichtlineare Vorverarbeitung für jeden Frequenzbereich getrennt vorgenommen werden. Setzt man voraus, daß die Störanteile in beiden Frequenzbereichen statistisch unabhängig sind und die Schwankungen des Kurzzeiteffektivwertes des Signals für beide Frequenzbereiche die gleiche Ursache besitzen, so ergibt sich durch Kreuzkorrelation zwischen den Ausgangsspannungen beider nichtlinearer Vorverarbeitungsschaltungen eine wesentliche Störbefreiung. In addition to the measures described above the frequency range of interest can be used for interference suppression before the non-linear preprocessing broken down into two (or more) areas with linear filters and the described non-linear preprocessing can be made separately for each frequency range. If one assumes that the interfering components in both Frequency ranges are statistically independent and the fluctuations in the short-term effective value of the signal have the same cause for both frequency ranges, cross-correlation between the output voltages of the two non-linear preprocessing circuits are substantially eliminated from interference.

Neben der Gleichrichtung als nichtlinearer Vorverarbeitung, die der Demodulation signifikanter Amplitudenschwankungen dient» kann bei anderen Signalen eine Frequenz- oder Phasendemodulation vorgenommen werden.In addition to rectification as non-linear preprocessing, which is used to demodulate significant amplitude fluctuations »can be a Frequency or phase demodulation can be made.

Claims

Patent claims:

1. A method for processing stochastic acoustic signals, for example ship noise, characterized in that the signal to be processed is first fed to a circuit with non-linear behavior and then to a known signal processing device. _t o

2. The method according to claim 1, characterized in that that the circuit with non-linear behavior as a rectifier circuit with Low pass is formed

3. The method according to claim l _r, characterized in that signals originating from two or more receivers are fed to controlled rectifiers with low-pass filters or multipliers with low-pass filters.

4. The method according to claim l _r, characterized in that the signal or signals are first broken down into two or more frequency ranges by frequency-selective filters, whereupon the non-linear preprocessing is carried out separately by a circuit with a non-linear characteristic in each frequency range and then signal processing in a known manner Type, for example cross-correlation between the proportions of the different frequency ranges, carried out wüxL

5. The method according to claim 1, characterized in that that the circuit with non-linear behavior as a frequency or phase demodulation device is trained

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