DE19815342A1 - Verfahren zur Verarbeitung von Meßsignalen in einer Magnetfeldmeßvorrichtung - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Verarbeitung von Meßsignalen in einer Meßvorrichtung, die mit mindestens einer Meßsonde von im Wasser befindlichen magnetischen Quellen, insbesondere von Schwimmkörpern, ausgehende, im Wasser sich ausbreitende, magnetische Wechselfelder erfaßt, werden zwecks Aufbereitung der Meßsignale derart, daß Störeinflüsse unterdrückt und aus den Meßsignalinhalten Aussagen über die Art und Eigenschaft der Magnetfeldquelle abgeleitet werden können, die vom Meßsondenausgang abnehmbaren, digitalisierten Meßwerte in einzelne Zeitsegmente unterteilt, sich überlappende Zeitsegmente einer Frequenzanalyse unterzogen, die so gewonnenen Amplitudenwerte einzelnen Frequenzbändern zugeordnet und die Amplitudenwerte der einzelnen Frequenzbänder zu Zeitsignalen zusammengesetzt, die dann entsprechend ausgewertet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung von Meßsignalen in einer Meßvorrichtung, die mit mindestens einer Meßsonde von im Wasser befindlichen magnetischen Quellen, insbesondere von Schwimmkörpern, ausgehende, im Wasser sich ausbreitende magnetische Wechselfelder erfaßt.

Eine solche Meßvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 26 25 964 C3 bekannt.

Bekanntlich können im Wasser befindliche, magnetische Wechselfelder erzeugende Schwimmkörper mit einer solchen Meßvorrichtung über eine größere Distanz von mehreren hundert Metern hinweg erfaßt werden. Unterstützend wirkt hierbei, daß in einem Frequenzband von ca. 1 Hz bis mindestens 30 Hz ein Durchlässigkeitsfenster im Seewasser vorhanden ist, so daß die von dem Schwimmkörper abgestrahlten, durch einen stochastischen Signalcharakter gekennzeichneten Magnetfelder nur geringfügig gedämpft werden. Ist beispielsweise der Schwimmkörper ein U-Boot, so rühren diese Magnetfelder von der Antriebsanlage, dem elektrischen Antriebsmotor, den durch den Propellerschlag modulierten Korrosionsströmen und von vorhandenen Datenverarbeitungsanlagen her, in denen Programme mit unterschiedlichen Auslastungszyklen ablaufen, die die innerhalb der Datenverarbeitungsanlage fließenden Ströme modulieren. Dabei hat die metallische U-Boot-Hülle keine ausreichende Dämpfung, und es erfolgt bedingt durch die in der Hülle induzierten Wirbelströme auf breiter Basis eine Abstrahlung im unteren Frequenzband.

Für bestimmte Einsatzfälle der Meßvorrichtung, insbesondere im küstennahen Bereich sind Störungen der von den Schwimmkörpern ins Wasser abgestrahlten magnetischen Wechselfelder zu erwarten. Solche Störungen haben z. B. ihre Ursache in der Energieversorgung an Land (50 Hz-Stromleitungen bzw. 60 Hz für USA) oder dem Eisenbahnfahrnetz (16% Hz bzw. 60 Hz für USA). Diese Störungen sind weittragend und übertreffen die von den Schwimmkörpern abgestrahlten Magnetfelder in der Amplitude bei weitem. Wird ferner die in einem Schleppkörper verpackte Meßvorrichtung von einem Schiff nachgeschleppt, so sind Signalanteile in den Meßsignalen der Meßvorrichtung zu erwarten, die dem Schleppschiff zuzuordnen sind und in den Meßsignalen wieder eliminiert werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Signalverarbeitungsverfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dessen Hilfe Störeinflüsse in den Meßsignalen weitgehend unterdrückt oder eliminiert und die Meßsignale so aufbereitet werden können, daß aus den Meßsignalinhalten zuverlässige Aussagen über Art und Eigenschaften der Magnetfeldquellen abgeleitbar sind.

Die Aufgabe ist bei einem Signalverarbeitungsverfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß wesentliche Meßsignalanteile, die typischerweise nicht von der interessierenden Magnetfeldquelle herrühren, bereits vor einer weiteren Meßsignalbearbeitung eliminiert werden und die Meßsignale im übrigen soweit von anderweitigen Störungen gesäubert werden können, daß durch Anwendung bestimmter Kriterien aus den Meßsignalinhalten Rückschlüsse auf die Magnetfeldquelle in qualitativer und/oder quantitativer Form gezogen werden können. Schon die Betrachtung des Amplitudenverlaufs in den einzelnen Frequenzbändern läßt dabei erste qualitative Rückschlüsse auf den Abstand zwischen Meßvorrichtung und interessierender Magnetfeldquelle und dessen Änderung zu.

Zweckmäßige Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Zeitsignale und/oder mindestens eines ihrer zentralen Momente 1. bis 4. Ordnung abschnittsweise hinsichtlich des Überschreitens einer vorgegebenen Schwelle und/oder des Plateaus und/oder der Plateau-Anstiegsflanke und/oder der Plateau-Abfallflanke bewertet. Damit kann z. B. eine qualitative Aussage über den Abstand von Meßvorrichtung und Magnetfeldquelle und/oder über deren Abstandsänderung abgeleitet werden.

Um im Rauschen der Meßsignale enthaltene deterministische Signalanteile zu detektieren, werden gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens die Meßsignale zusätzlich einer Kurzzeit-Autokorrelation unterzogen. Ein hoher Korrelationsfaktor läßt z. B. dabei auf erhebliche periodische Signalanteile schließen.

Die Verwendung einer einzigen Meßsonde oder einer Reihenschaltung mehrerer Meßsonden in der Meßvorrichtung läßt im allgemeinen nur Aussagen über die Art und gewisse Eigenschaften der Magnetfeldquelle sowie nur qualitative Aussagen über ihre Lage im Wasser zu. Zu zusätzlichen quantitativen Aussagen über die Quellenlage gelangt man, wenn gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens in der Meßvorrichtung mindestens zwei einzelne Meßsonden vorgesehen werden, auf deren an jeweils einem Meßsondenausgang abnehmbare Meßsignale die angegebenen Verfahrensschritte getrennt angewendet werden, und deren dem gleichen Frequenzband zugehörige Zeitsignale zueinander in Beziehung gesetzt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden in einem ersten Schritt gleichen Frequenzbändern zugehörige Zeitsignale der mindestens zwei Meßsonden hinsichtlich ihrer Phasenlage bewertet und daraus eine zusätzliche Aussage über die gegenseitige Annäherung von Meßvorrichtung und Magnetfeldquelle und/oder ihrem gegenseitigen Abstand abgeleitet. Dadurch kann die aus dem Amplitudenverlauf der einzelnen Zeitsignale gewonnene gleiche Aussage verifiziert und mit einer höheren Zuverlässigkeit getroffen werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mindesten zwei Meßsonden mit parallelen oder fluchtenden Empfindlichkeits- oder Meßachsen im definierten Abstand voneinander in einer Ebene angeordnet und die Summe und Differenz der Zeitsignale der beiden Meßsonden amplituden- und phasentreu gebildet und die Summe und die Differenz ins Verhältnis gesetzt. Das Verhältnis von Summen- und Differenzsignal gibt eine quantitative Aussage über die Entfernung der Magnetfeldquelle.

Werden gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zwei Meßsonden mit rechtwinklig zueinander ausgerichteten Meßachsen zu je einem Sondendoppel vereinigt und aus den Zeitsignalen der beiden Meßsonden ein Vektor der magnetischen Induktion in der von den beiden Meßachsen aufgespannten Ebene bestimmt, so kann aus dem Betrag und dem Winkel des Vektors der Zeitpunkt der größten Annäherung der Magnetfeldquelle an die Meßvorrichtung bestimmt werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in der Meßvorrichtung drei Meßsonden mit orthogonal zueinander ausgerichteten Meßachsen zu einem Sondentripel vereinigt und aus den Zeitsignalen der Meßsonden ein Vektor der magnetischen Induktion in dem von den Meßachsen des Sondentripels aufgespannten Raum bestimmt. Aus Betrag und Winkel des Induktionsvektors sowie dessen zeitlichen Verlauf lassen sich wiederum quantitative Richtungsinformationen für die Lage der Magnetfeldquelle im Raum gewinnen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können anstelle der im definierten Abstand voneinander angeordneten einzelnen Meßsonden auch Sondendoppel oder Sondentripel im definierten Abstand voneinander angeordnet werden. In diesem Fall läßt sich durch die amplituden- und phasentreue Bildung von Summe und Differenz der räumlichen und zeitlichen Induktionsvektoren beider Sondendoppel oder Sondentripel und durch das Insverhältnissetzen der Summen- und Differenzvektoren auch die Entfernung der Magnetfeldquelle bestimmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist anhand einer in der Zeichnung dargestellten Schaltungsanordnung einer Meßvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Ein Blockschaltbild einer Meßvorrichtung zur Messung des von einem Schwimmkörper erzeugten magnetischen Wechselfeldes im Wasser,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitungseinheit der Meßvorrichtung in Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung einer in der Signalverarbeitungseinheit durchgeführten Frequenzanalyse,

Fig. 4 ein Diagramm des Ergebnisses der Frequenzanalyse eines Meßsignals zu einem definierten Zeitpunkt t₁,

Fig. 5 ein dreidimensionales Diagramm des Ergebnisses der Frequenzanalyse,

Fig. 6 ein Diagramm eines in einem Frequenzband gewonnenen Zeitsignals,

Fig. 7 bis 9 jeweils eine schematische Darstellung von möglichen Anordnungen von zwei in der Meßvorrichtung enthaltenen Meßsonden,

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Anordnung von vier in der Meßvorrichtung angeordneten Sondentripeln.

Die in Fig. 1 im Blockschaltbild dargestellte Meßvorrichtung weist zwei Meßsonden 10, 11 auf, die ein im Wasser sich ausbreitendes magnetisches Wechselfeld erfassen, das von einem im Wasser befindlichen, eine Magnetfeldquelle darstellenden Schwimmkörper abgestrahlt wird. Aufbau und Wirkungsweise einer solchen Meßsonde ist beispielsweise in der DE 26 25 964 C3 beschrieben. Jeder Meßsonde 10 bzw. 11 ist ein Anpaßverstärker 12, der häufig zusammen mit einer erforderlichen Stromversorgung in der Meßsonde 10 bzw. 11 bereits integriert ist, ein Analog-Digital-Wandler 13 und ein Digitalspeicher 14 in der genannten Reihenfolge nachgeordnet. Die Ausgänge der beiden Digitalspeicher 14 sind mit dem Eingang einer digitalen Signalverarbeitungseinheit 15 verbunden. Der Analog-Digital-Wandler 13 wandelt das von jeder Meßsonde 10, 11 bereitgestellte, verstärkte Analogsignal zu diskreten Zeitpunkten abhängig von einem von einem Taktgenerator 16 gelieferten Steuertakt um, wobei es während der Wandlungszeit gespeichert und damit konstant gehalten sind. Hierzu ist der Steuertakt des Taktgenerators 16 auch den beiden Digitalspeichern 14 zugeführt. In der Signalverarbeitungseinheit 15 wird ebenfalls - wie nach beschrieben wird - der Steuertakt benötigt, so daß der Taktgenerator 16 den Steuertakt auch an die Signalverarbeitungseinheit 15 liefert. Die beiden Meßsonden 10, 11 sind in einem definierten Abstand a (Fig. 7 und 8) voneinander angeordnet, wobei ihre Meßachsen 101 bzw. 111, das sind die Achsen ihrer größten Empfindlichkeit, entweder miteinander fluchten (Fig. 7) oder parallel zueinander ausgerichtet sind (Fig. 8). Die beiden Meßsonden 10, 11 können aber auch mit rechtwinklig zueinander ausgerichteten Meßachsen 101 und 111 angeordnet werden, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. Die Anordnung der Meßsonden 10, 11 gemäß Fig. 9 wird im folgenden als Sondendoppel 16 bezeichnet.

Die Erweiterung der Meßvorrichtung auf drei Meßsonden oder weitere ist möglich. Im Falle von drei Meßsonden werden diese mit orthogonal zueinander ausgerichteten Meßachsen zu einem Sondentripel 17 vereinigt, wie dies beispielhaft in der Fig. 10 dargestellt ist. Bei Verwendung von sechs Meßsonden werden die beiden Sondentripel in einem definierten Abstand b oder in einem definierten Abstand c horizontal nebeneinander oder vertikal übereinander angeordnet. Bei Verwendung von zwölf Meßsonden werden die insgesamt vier Sondentripel 17 auf den Eckpunkten eines Rechtecks angeordnet. In allen Fällen sind die Meßachsen zueinander paarweise parallel ausgerichtet. Bei Verwendung von vier Meßsonden werden jeweils zwei Sondendoppel 16 in einem definierten Abstand a in einer Ebene angeordnet, wobei die Meßachsen der Meßsonden wiederum paarweise parallel zueinander ausgerichtet sind. In allen Fällen - wie dies in Fig. 1 für die Meßsonden 10 und 11 dargestellt ist - wird jeder weiteren Meßsonde ein Anpaßverstärker 12, ein Analog-Digital-Wandler 13 und ein Digitalspeicher 14 nachgeschaltet und der Ausgang des Digitalspeichers 14 mit dem Eingang der Signalverarbeitungseinheit 15 verbunden. In einer besonders einfachen Ausführung der Meßvorrichtung weist diese lediglich eine einzige Meßsonde 11 auf, so daß in Fig. 1 der obere Teil des Blockschaltbildes bis auf den Taktgenerator 16 entfällt.

In Fig. 2 ist die Struktur der digitalen Signalverarbeitungseinheit 15 im Blockschaltbild dargestellt. Diese Signalverarbeitungseinheit 15 wird von jedem der in den Digitalspeichern 14 gespeicherten, digitalen Meßsignalen der Meßsonden 10, 11 usw.

durchlaufen. Die Signalverarbeitungseinheit 15 weist eine Normierungseinheit 21, eine Skalierungseinheit 22, einen Speicher 19 und einen Frequenzanalysator 23, z. B. einen FFT-Transformator, auf. Diese sind in der genannten Reihenfolge an dem Eingang 151 der Signalverarbeitungseinheit 15 angeschlossen. Zusätzlich kann zwischen dem Eingang 151 der Signalverarbeitungseinheit 15 und der Normierungseinheit 21 ein FIR-Filter 20 zur Unterdrückung umweltbedingter Signalanteile mit bekannter Frequenz eingeschaltet sein. Solche Signalanteile entstehen z. B. durch das Bahnnetz (16% Hz in Deutschland, 60 Hz in USA) und durch das Energieversorgungsnetz (50 Hz in Deutschland, 60 Hz in USA). Am Ausgang des Frequenzanalysators 23 wird die Signalverarbeitung in einzelne Verarbeitungszweige aufgeteilt, die identisch aufgebaut sind und jeweils einem vom Frequenzanalysator 23 vorgegebenen Frequenzintervall oder Frequenzband zugeordnet sind. In jedem Verarbeitungszweig ist ein Speicher 24 zum Speichern der in jedem Zeitsegment der Frequenzanalyse im Frequenzintervall anfallende Amplitudenwerte, ein Signalbildner 25, der die abgespeicherten Amplitudenwerte zeitgerecht zu einem Zeitsignal zusammensetzt, sowie ein Signal-Bewertungsblock 26 angeordnet. Alle Ausgänge der Signal-Bewertungsblöcke 26 in den einzelnen Verarbeitungszweigen sind mit einer Bewertungseinheit 27 verbunden. An einem Eingang der Bewertungseinheit 27 ist noch zusätzlich der Ausgang eines Autokorrelators 28 angeschlossen, dessen Eingang mit dem Ausgang der Skalierungseinheit 22 verbunden ist.

Mit der solchermaßen aufgebauten digitalen Signalverarbeitungseinheit 15 werden die von den Meßsonden 10, 11 gelieferten, digitalisierten und in den Speichern 14 abgespeicherten, Meßsignale wie folgt verarbeitet:
Das Meßsignal wird zunächst im Block 21 normiert und im Block 22 skaliert, d. h. mit einem geeigneten Faktor multipliziert und im Block 19 werden Zeitsegmente abgespeichert, die aus zu einzelnen Zeitpunkten abgenommen, digitalisieren (und normierten und skalierten) Meßwerten in zeitrichtiger Zuordnung zusammengesetzt werden. Falls das FIR-Filter 20 vorhanden ist, werden Signalanteile, die ihre Ursache in der Energieversorgung an Land und dem Fahrnetz der Eisenbahn haben, in dem Filter 20 unterdrückt, so daß Anteile mit der Frequenz 16% Hz bzw. 60 Hz und ein ganzzahliges Vielfaches von 16% Hz, z. B. 50 Hz, nicht mehr im Meßsignal enthalten sind. Die Einspeicherung der Meßwerte in den Block 19 erfolgt in sich zeitlich überlappenden Zeitsegmenten, in denen eine zeitrichtige Zuordnung der zeitlichen Abfolge der Meßwerte enthalten ist, wobei für jeden im folgenden Zeitsegment neu aufgenommenen Meßwert der zeitälteste Meßwert eliminiert wird. Die abgespeicherten Zeitsegmente sind ausschnittweise in Fig. 3 dargestellt. Wie dort an den Zeitsegmenten 301 bis 304 zu erkennen ist, ist jedes Zeitsegment 301 bis 304 gegenüber dem vorhergehenden um den Steuertakt 29 des Taktgenerators 16 versetzt, der im oberen Diagramm der Fig. 3 dargestellt ist. Die gleich langen Zeitsegmente 301 bis 304 überlappen sich damit, wobei jeweils ein neuer Meßwert hinzugekommen und der älteste Meßwert entfallen ist. Im Block 23 werden die in den einzelnen Zeitsegmenten 301 bis 304 enthaltenen Meßwerte einer Frequenzanalyse, z. B. einer Fast-Fourier-Transformation unterzogen und dabei in einzelnen Frequenzbänder aufgespalten.

Fig. 4 zeigt beispielhaft das Ergebnis einer solchen Frequenzanalyse für ein Zeitsegment, z. B. für das Zeitsegment 301. Die einzelnen Amplitudenwerte A_ν werden in Zuordnung zum Frequenzband Δf_ν in die einzelnen Speicher 24 eingeschrieben. Die zu den einzelnen Frequenzbändern Δf_ν gehörenden Amplitudenwerte A_ν werden kontinuierlich in den aufeinanderfolgenden Zeitsegmenten 301 bis 304 und folgenden ermittelt und fortlaufend in die Speicher 24 eingeschrieben. Fig. 5 zeigt beispielhaft das Ergebnis der Frequenzanalyse nach Abarbeitung von acht aufeinanderfolgenden Zeitsegmenten. In jedem Frequenzband wird nunmehr aus den im Speicher 24 abgespeicherten Amplitudenwerten im Block 25 eine Zeitdarstellung der Amplituden durchgeführt, wodurch in jedem Frequenzband Δf_ν Zeitsignale entstehen. In Fig. 6 ist beispielhaft ein solches Zeitsignal für ein einziges Frequenzband Δf_ν dargestellt. Die Zeitsignale werden nachfolgend im Signal-Bewertungsblock 26 und in der Bewertungseinheit 27 nach verschiedenen Kriterien einer Bewertung unterzogen, um so aus den Meßinhalten der Zeitsignale Aussagen bezüglich der Magnetfeldquelle treffen zu können. Bei der Frequenzanalyse wird ein im Meßsignal enthaltener Gleichanteil, z. B. durch Wahl der unteren Grenzfrequenz, automatisch unterdrückt.

Um im Rauschen des Meßsignals enthaltene deterministische Signalanteile zu detektieren, wird das Meßsignal im Autokorrelator 28 einer Autokorrelation unterworfen, deren Ergebnis der Bewertungseinheit 27 zugeführt wird. Des weiteren wird von den Zeitsignalen am Ausgang der Blöcke 25 in allen Verarbeitungszweigen, also von den Zeitsignalen in allen Frequenzbändern, ein Histogramm gebildet. Hierzu werden entweder der Bewertungseinheit 27 alle Ausgänge der Blöcke 25 in den einzelnen Verarbeitungszweigen zugeführt, wie dies in Fig. 2 für den Block 25 durch die Verbindungsleitung 31 angedeutet ist, und das Histogramm in der Bewertungseinheit 27 gebildet, oder der Bewertungseinheit 27 ist ein gesonderter Verarbeitungsblock vorgeschaltet, in welchem das Histogramm gebildet wird. In der Bewertungseinheit 27 wird das Histogramm hinsichtlich seiner Gestalt bewertet, wobei es mit diskreten Kriterien untersucht wird oder mit einem oder mehreren vorher abgespeicherten Histogrammen verglichen wird. Der letztgenannte Vergleich ist dann zweckmäßig, wenn z. B. die Meßvorrichtung in einem Schleppkörper von einem Schiff nachgeschleppt wird und Signale, die dem schleppenden Schiff zuzuordnen sind, ausgeblendet werden sollen. In diesem Fall kann ein fest abgespeichertes Histogramm von dem aktuell ermittelten Histogramm abgezogen werden, um die Einflüsse des schleppenden Schiffs zu eliminieren. Sollte das schleppende Schiff unterschiedliche Zustände aufweisen, können diese in unterschiedlichen Histogrammen abgespeichert und auf gleiche Weise eliminiert werden. Es ist auch möglich, zu Beginn einer Messung die Umwelteinflüsse zu ermitteln und als Histogramm abzuspeichern, um dieses Histogramm dann von dem aktuell ermittelten Histogramm abziehen zu können.

Aus dem in jedem Block 25 in den Verarbeitungszweigen enthaltenen Zeitsignal wird in dem Signal-Bewertungsblock 26 mindestens eines der zentralen Momente 1. bis 4. Ordnung (Mittelwert, Standardabweichung, Schiefe und Wölbung) gebildet und anschließend hinsichtlich einer vorgegebenen Schwelle und/oder seines Plateaus (Block 261) und/oder seiner Anstiegsflanke (Block 262) und/oder seiner Abfallflanke (Block 263) bewertet. Diese Bewertung kann auch direkt für das Zeitsignal durchgeführt werden. Eine solche Bewertung ist beispielhaft in dem in Fig. 6 dargestellten Zeitsignal aus einem Frequenzband durch Strichlinierung angedeutet. Bewertungskriterien sind dabei Plateauhöhe und Steilheit des Anstiegs zum und des Abfalls vom Plateau. Diese Bewertungen werden, wie das Histogramm und die Autokorrelationsfunktion, der Bewertungseinheit 27 zugeführt. Zusätzlich wird in der Bewertungseinheit 27 das zeitliche Verhalten der Zeitsignale in den verschiedenen Frequenzbändern miteinander verglichen und bewertet, um z. B. schmalbandige und breitbandige Magnetfeldquellen unterscheiden zu können.

Die vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte werden auf jedes Meßsignal der beiden Meßsonden 10 und 11 angewendet. Zusätzlich werden zur Ermittlung einer Abstandsinformation und/oder einer Richtungsinformation zu der Magnetfeldquelle und/oder der Art der Magnetfeldquelle die Zeitsignale der beiden Meßsonden 10, 11, die gleichen Frequenzbändern zugehörig sind, zueinander in Beziehung gesetzt. Sind die beiden Meßsonden gemäß Fig. 7 und 8 in einem definierten Abstand a voneinander angeordnet, so wird aus den Zeitsignalen ein Summen- und ein Differenzsignal amplituden- und phasentreu gebildet. Aus dem Summen- und Differenzsignal wird der Quotient gebildet, der direkt proportional des Abstandes der Magnetfeldquelle von der Meßvorrichtung ist. Wenn die Bestimmungsgrößen der Meßsignale, Summen- und Differenzsignale mit einer Vorgabe verglichen werden, die die obere und untere Grenze für die einzelnen Bestimmungsgrößen enthalten, so kann hieraus ein Kriterium für eine positive oder negative Annäherung zwischen Magnetfeldquelle und Meßvorrichtung abgeleitet werden. Außerdem kann die Phasenlage der den gleichen Frequenzbändern zugehörigen Zeitsignale von beiden Meßsonden bewertet werden, um zu prüfen, ob die von den Meßsonden aufgenommenen Signale von der gleichen Magnetfeldquelle herrühren.

Sind die beiden Magnetsonden 10, 11 zu einem Sondendoppel 17 vereinigt, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist, so wird aus den einzelnen Zeitsignalen der beiden Meßsonden 10, 11, die dem gleichen Frequenzband zugehörig sind, ein Vektor der magnetischen Induktion in der von den beiden Meßachsen 101 und 111 aufgespannten Ebene bestimmt. Aus diesem Induktionsvektor, und zwar aus seinem Betrag und seinem Winkel, wird eine Richtungsinformation zur Magnetfeldquelle abgeleitet. Diese Richtungsinformation erlaubt die Bestimmung des Zeitpunktes der größten Annäherung der Magnetfeldquelle an die Meßvorrichtung und kann sowohl durch Bewertung des Betrages des Induktionsvektors als auch durch Bewertung des Winkels des Induktionsvektors erfolgen. Die Bewertung des Winkels kann sowohl hinsichtlich des Absolutwertes als auch hinsichtlich der Änderung des Winkels, d. h. der ersten oder zweiten Ableitung des Winkels nach der Zeit, vorgenommen werden.

Sind in der Meßvorrichtung drei Meßsonden vorgesehen, die zu einem Sondentripel 18 (Fig. 10) vereinigt sind, so wird für jedes Frequenzband aus den diesem Frequenzband zugehörigen Zeitsignalen der drei Magnetsonden der Vektor der magnetischen Induktion im Raum bestimmt, und zwar wiederum der Betrag des Vektors sowie der Winkel für die geographische Länge und der Winkel für die geographische Breite in dem von den drei Meßachsen des Sondentripels 18 aufgespannten Koordinatensystem. Auch hier wird zur Bestimmung des Zeitpunktes der größten Annäherung der Magnetfeldquelle an die Meßvorrichtung neben der Bewertung des Betrags des Vektors der magnetischen Induktion auch eine Bewertung der Winkel durchgeführt. Die Bewertung der Winkel kann sowohl hinsichtlich des Absolutwertes als auch hinsichtlich der Änderung der Winkel, d. h. der ersten oder zweiten Ableitung der Winkel nach der Zeit, erfolgen.

Bei Ausstattung der Meßvorrichtung mit zwei Sondendoppel 17 oder Sondentripel 18, die in einem definierten Abstand a bzw. b oder c horizontal nebeneinander oder vertikal übereinander angeordnet sind, wird durch Summen- und Differenzbildung der Induktionsvektoren von Sondendoppel 17 oder Sondentripel 18 und durch die Quotientenbildung der Summen- und Differenzvektoren die Entfernung zwischen der Meßvorrichtung und der Magnetfeldquelle bestimmt. Diese Entfernungsmessung ist unabhängig von der Stärke des von der Magnetfeldquelle erzeugten Magnetfeldes. Die Summen- und Differenzvektoren werden wiederum amplituden- und phasentreu gebildet. Mit einer Anordnung von vier Sensortripeln 18 in der Meßvorrichtung, die gemäß Fig. 10 in einer Ebene an den Eckpunkten eines Rechtecks angeordnet sind, läßt sich der Raum ober- oder unterhalb der durch die Sensortripel 18 aufgespannten Ebene abtasten und die Lage der Magnetfeldquelle im Raum durch geeignete Rechenverfahren präzise ermitteln.

Bei Verwendung von zwei oder drei Meßsonden in der Meßvorrichtung werden zusätzlich die Meßsignale der zwei oder drei Meßsonden einer Kreuzkorrelation unterworfen, um gemeinsame Signalanteile, die im Rauschen der drei Meßsignale enthalten sein können, zu ermitteln.

Claims (21)

1. Verfahren zur Verarbeitung von Meßsignalen in einer Meßvorrichtung, die mit mindestens einer Meßsonde (10, 11) von im Wasser befindlichen, magnetischen Quellen, insbesondere von Schwimmkörpern, ausgehende, im Wasser sich ausbreitende, magnetische Wechselfelder erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Meßsondenausgang zu einem einzelnen Zeitpunkt abnehmbaren und digitalisierten Meßwerte zusammen mit zu früheren Zeitpunkten abgenommenen und digitalisierten Meßwerten im Zeitbereich einem Zeitsegment zugeordnet werden, in dem in einer zeitrichtigen Zuordnung die zeitliche Abfolge der Meßwerte erhalten ist, daß aufeinanderfolgende Zeitsegmente überlappend gewählt werden, wobei für jeden im Zeitsegment neu aufgenommenen Meßwert der zugeordnete zeitälteste Meßwert entfällt, daß die in den einzelnen Zeitsegmenten enthaltenen Meßwerte einer Frequenzanalyse unterworfen und die so gewonnenen Amplitudenwerte einzelnen Frequenzbändern zugeordnet werden und daß zur Auswertung die Amplitudenwerte der einzelnen Frequenzbänder zu Zeitsignalen zusammengesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsignale und/oder mindestens eines ihrer zentralen Momente 1. bis 4. Ordnung hinsichtlich des Überschreitens einer vorgegebenen Schwelle und/oder des Plateaus und/oder der Plateau-Anstiegsflanke und/oder der Plateau-Abfallflanke innerhalb eines Zeitabschnitts bewertet werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignale zur Erkennung deterministischer Signalanteile einer Kurzzeit-Auto­ korrelation unterzogen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Meßsignalen enthaltene Gleichanteile, z. B. durch eine Filterung, unterdrückt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignale einer Filterung unterzogen werden, die umweltbedingte Signalanteile mit bekannter Signalfrequenz (z. B. 16% Hz- oder 60 Hz-Bahnstromversorgung oder 50 Hz- oder 60 Hz-Netzstromversorgung) unterdrückt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsignale in den verschiedenen Frequenzbändern zueinander in Beziehung gesetzt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß von den Zeitsignalen der Frequenzbänder zu definierten Zeitpunkten ein Histogramm gebildet und hinsichtlich seiner Gestalt bewertet und/oder mit mindestens einem zuvor abgespeicherten Histogramm verglichen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Güte der Annäherung des gebildeten Histogramms an das mindestens eine abgespeicherte Histogramm getestet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zeitliche Verhalten der Zeitsignale in den verschiedenen Frequenzbändern miteinander verglichen und bewertet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Verfahrensschritte auf die am Ausgang mindestens zweier, in fester räumlicher Beziehung zueinander stehender Meßsonden (10, 11) der Meßvorrichtung abnehmbaren Meßsignale getrennt angewendet werden und daß zur Ermittlung einer Abstandsinformation und/oder einer Richtungsinformation zu der Magnetfeldquelle und/oder der Art der Magnetfeldquelle gleichen Frequenzbändern zugehörige Zeitsignale der mindestens zwei Meßsonden (10, 11) zueinander in Beziehung gesetzt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung einer Information über die gegenseitige Annäherung von Meßvorrichtung und Magnetfeldquelle die gleichen Frequenzbändern angehörigen Zeitsignale der mindestens zwei Meßsonden hinsichtlich ihrer Phasenlage bewertet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Meßsonden (10, 11) mit parallelen oder fluchtenden Empfindlichkeits- oder Meßachsen (101, 111) im definierten Abstand (a) voneinander in einer Ebene angeordnet werden und zur Ermittlung der Entfernung der Magnetfeldquelle die Summe und die Differenz der gleichen Frequenzbänder angehörigen Zeitsignale der beiden Meßsonden (10, 11) amplituden- und phasentreu gebildet und ins Verhältnis gesetzt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Meßsonden (10, 11) mit rechtwinklig zueinander ausgerichteten Meßachsen (101, 111) zu einem Sondendoppel (17) vereinigt werden und daß zur Ermittlung einer Richtungsinformation zur Magnetfeldquelle aus den den gleichen Frequenzbändern zugehörigen Zeitsignalen der beiden Meßsonden (10, 11) ein Vektor der magnetischen Induktion in der von den beiden Meßachsen (101, 111) aufgespannten Ebene bestimmt und der Induktionsvektor nach Betrag und Winkel sowohl räumlich als auch zeitlich bewertet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignale der beiden Meßsonden (10, 11) einer Kurzzeit-Kreuzkorrelation unterzogen werden.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Sondendoppel (17) mit einem definierten Abstand voneinander in einer Ebene so angeordnet werden, daß jeweils eine Meßachse (101 oder 102) der Sondendoppel (17) zur anderen parallel ist, und daß zur Ermittlung der Entfernung der Magnetfeldquelle die Summe und die Differenz der Induktionsvektoren beider Sondendoppel (17) amplituden- und phasentreu gebildet und ins Verhältnis gesetzt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß drei Meßsonden mit orthogonal zueinander ausgerichteten Meßachsen zu einem Sondentripel (18) vereinigt werden und daß zur Ermittlung einer Richtungsinformation zur Magnetfeldquelle aus den gleichen Frequenzbändern zugehörigen Zeitsignalen der drei Meßsonden ein Vektor der magnetischen Induktion in dem von den Meßachsen der Meßsonden aufgespannten Raum bestimmt und der Induktionsvektor nach Betrag und Winkel sowohl räumlich als auch zeitlich bewertet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignale der drei Meßsonden einer Kurzzeit-Kreuz­ korrelation unterzogen werden.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Sondentripel (18) in einem definierten Abstand (b, c) mit zueinander parallelen Meßachsen in einer Ebene horizontal nebeneinander und/oder vertikal übereinander angeordnet werden und daß zur Ermittlung der Entfernung der Magnetfeldquelle die Summe und die Differenz der Induktionsvektoren der Sondentripel amplituden- und phasentreu gebildet und ins Verhältnis gesetzt werden.

19. Verfahren nach einem der Ansprüchen 12, 15 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsignale bzw. Vektoren, deren Summe, Differenz und Verhältnis zu einer Entscheidungsmatrix zusammengestellt werden und daß die Entscheidungsmatrix mit mindestens einer Vorgabematrix, welche die obere und untere Grenze für die einzelnen Größen enthält, verglichen und daraus eine Information für die gegenseitige Annäherung von Meßvorrichtung und Magnetfeldquelle abgeleitet wird.

20. Meßvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von entsprechend verknüpften Signalverarbeitungsblöcken zur Abwicklung der einzelnen Verfahrensschritte.

21. Meßvorrichtung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine zeitlich parallele Verarbeitung der Meßsignale.