DE3520398A1

DE3520398A1 - Verfahren und vorrichtung zum ausblenden von stoersignalen

Info

Publication number: DE3520398A1
Application number: DE19853520398
Authority: DE
Inventors: Egidius Dipl.-Ing. 2807 Achim Arens; Manfred Dipl.-Ing. 2815 Langwedel Meyersieck
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 1985-06-07
Filing date: 1985-06-07
Publication date: 1986-12-11
Also published as: DE3520398C2; NL8601403A; SE8602507D0; SE8602507L; SE466772B

Description

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geblendet. Selbst im gleichen Frequenzbereich liegende geprägt wird. Dadurch werden bei der Störbefreiung Zielgeräusche bleiben dagegen unverändert erhalten. Spektrallinien vom Zielgeräusch, die bei Körperschall-M it einer vorteilhaften Ausbildung des erfindungsge- frequenzen auftreten, nicht unterdrückt, sondern bleimäßen Verfahrens nach Anspruch 2 wird die Störaus- ben in ihrer Größe erhalten.

blendung durch Anpassen der Pegel der voneinander 5 Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung darge-

abzuziehenden Spektren verbessert. Durch die Mittel- stellten Ausführungsbeispielen einer Anordnung zur

wertbildung werden Einflüsse von Zielsignalen auf den Störbefreiung im folgenden näher beschrieben. Es zei-

Verhältniswert aus der Rechnung eliminiert, da die Pha- gen:

senlagen der Zielsignale über der Zeit nicht konstant Fig. 1 und 2 je ein Blockschaltbild der Anordnung sind. 10 gemäß einer ersten und zweiten Ausführungsform,

Mit einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des er- Fig. 3 eine Darstellung von Spektren zur Erläuterung

findungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 3 wird er- der Wirkungsweise.

reicht, daß Spektrallinien, die sowohl vom Störschall wie Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung zur auch vom Zielgeräusch bei der gleichen Frequenz auf- Störbefreiung von Ausgangssignalen einer Wassertauchen, nicht komplett unterdrückt werden, sondern 15 Schallempfangsanlage, die auf einem Torpedo 1 als Tränur derjenige Teil, der zum Störschall gehört. Dies gilt gerfahrzeug untergebracht und als Horchanlage 2 ausauch dann, wenn der Störschalleinfall sehr unterschied- gebildet ist. Die Horchanlage 2 bildet zwei in einem lieh stark ist. So weist z. B. ein Ausgangssignal einer Winkel gegeneinander versetzte Richtcharakteristiken nach voraus gerichteten Richtcharakteristik einer am R\, R₂. Sie weist zwei Ausgänge für zwei Ausgangssi-Bug eines Fahrzeugs angeordneten Sonaranlage einen 20 gnale S\, S₂ auf, die den Richtcharakteristiken R\, R2 geringeren Störanteil auf als ein Ausgangssignal einer entsprechen. Den Ausgängen der Horchanlage 2 ist je nach achteraus in Richtung zur Schraube des Fahrzeugs eine Analysatorschaltung 4,5 nachgeschaltet, deren beigerichteten Richtcharakteristik. de Ausgänge mit Betragsbildnern 6, 7 verbunden sind Durch die in einer weiteren vorteilhaften Ausbildung zum Erzeugen von Empfangsspektren Fi, F2 als Leides erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 4 25 stungsspektren.

ergriffenen Maßnahmen erhält man die Möglichkeit, ei- Der Störschall wird von Körperschallaufnehmern 10, ne Ausblendung von Störsignalen für Wasserschallemp- 11 empfangen, die am Betriebsaggregat des Torpedos 1, fangsanlagen einzusetzen, die die Phasen der Ausgangs- z. B. an der Antriebsmaschine 12, und dem Aufnahmebesignale zur Peilung in Abhängigkeit von der Frequenz hälter 13 für den Lenkdraht des Torpedos 1 angebracht der Ausgangssignale auswerten (DE-OS 30 17 797), da 30 sind. Den Körperschallaufnehmern 10,11 ist je ein Anadie Phasen der Ausgangssignale durch die Störbefrei- lysator 15,16 mit nachgeschaltetem Betragsbildner 8,9 ung mit Bilden komplexer Spektren nicht veränändert nachgeschaltet, die zwei Körperschallspektren G\, Gi werden. abgeben. Die Analysatoren 15, 16 und die Analysator-Mit einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des er- schaltungen 4,5 sind mit ihren Steuereingängen mit eifindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 5 werden 35 ner Steuereinrichtung 18 verbunden, in der der zu beSpektren für Wasserschallempfangsanlagen erzeugt, rücksichtigende Frequenzumfang der Spektralanalyse deren Phasenlagen für die Richtungsbildung nicht benö- eingestellt wird, um mit dieser Eingrenzung Rechenzeit tigt werden, sondern durch Verzögerung erreicht wird, und Speicheraufwand zu reduzieren. Eine Begrenzung daß alle Ausgangssignale zeitgleich — und damit pha- kann z. B. auf den Frequenzumfang der Horchanlage 2 sengleich — zum Bilden des Richtcharakteristiksignals 40 abgestellt sein oder auf eine obere und untere Grenzfrezur Verfügung stehen (DE-PS 16 16 223). Die Phasen quenz für das Körperschallspektrum, wenn diese für die können also durch Bilden von Betragsspektren, die nur Erzeuger des Körperschalls bekannt ist.
die Größe der Spektrallinien beinhalten, verlorengehen. In einem ersten Differenzbildner 20 wird das Körper-Mit einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des er- schallspektrum Gi von jedem der Empfangsspektren Fi, findungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 6 werden 45 F2 abgezogen. Der Differenzbildner 20 weist zwei Diffeweitere Betriebsaggregate als Störschallquellen, wie renzstufen 21,22 auf, die mit dem Betragsbildner 6,7 für z. B. Pumpen, berücksichtigt. die Empfangsspektren Fi, F2 und mit dem Betragsbild-Mit einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des er- ner 8 für das Körperschallspektrum G\ verbunden sind, findungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 7 wird ei- Dem Differenzbildner 20 ist ein zweiter Differenzbildne Begrenzung bei der Berechnung der Spektren erzielt, 50 ner 24 nachgeschaltet, dessen zwei Differenzstufen 26, die weniger Rechenzeit und weniger Speicherplatz be- 27 mit den beiden Ausgängen des ersten Differenzbildnötigt. ners 20 und mit dem Ausgang des Betragsbildners 9 für Vorteilhafte Ausführungsformen einer Vorrichtung das Körperschallspektrum G₂ verbunden sind. In dem zum Ausüben des erfindungsgemäßen Verfahrens sind zweiten Differenzbildner 24 wird von den vom Körperin den Ansprüchen 9 bis Hangegeben. 55 schallspektrum G\ befreiten Empfangsspektren Fi, F2 Die Erfindung weist den Vorteil auf, daß Störschall, das andere Körperschallspektrum G₂ abgezogen. Am der vom eigenen Trägerfahrzeug ins Wasser abgestrahlt Ausgang des zweiten Differenzbildners 24 sind körperwird und als Wasserschall von der Wasserschallemp- schallbefreite Empfangsspektren abnehmbar,
fangsanlage empfangen wird, ausgeblendet wird, ohne Zum Lenken des Torpedos 1 mit einer üblichen Lenkdaß Nutzsignale von einem Zielgeräusch im gleichen 60 einrichtung werden die Empfangsspektren durch RückFrequenzbereich verlorengehen. Besonders wirkungs- transformation in Zeitsignale umgewandelt, ehe sie der voll ist dieses Vorgehen dann, wenn der pegel- und fre- Lenkeinrichtung zugeführt werden (nicht dargestellt),
quenzmäßige Einfluß der Übertragungsstrecke auf den Die Analysatorschaltungen 4,5 und die Analysatoren Störschall vom Betriebsaggregat über das Wasser zur 15, 16 werden vorteilhafterweise als Fast-Fourier-Wasserschallempfangsanlage als frequenzabhängige 65 Transformatoren ausgebildet. Fast-Fourier-Transfor-Übertragungsfunktion berücksichtigt wird und vor der matoren sind beschrieben in einem Artikel von James Differenzbildung zwischen Empfangsspektrum und W. Cooley und John W. Tukey auf den Seiten 297 bis 301 Körperschallspektrum dem Körperschallspektrum auf- aus "Mathematics of Computation, Vol. 19, No. 90", ver-

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öffentlicht von The American Mathematics Society im Fig. 3 zeigt eine Reihe von Diagrammen zur anschau-

Jahre 1965. liehen Erläuterung der Wirkungsweise der Störsignal-

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung zur ausblendung gemäß Fig. 2. Die Diagramme zeigen Be-

Störbefreiung von Ausgangssignalen einer Wasser- tragsspektren über der Frequenz s. Die Phasenbezieschallempfangsanlage, die zum Peilen auch die Phasen 5 hungen der einzelnen Spektrallinien zueinander sind

der Ausgangssignale benötigt (DE-OS 30 17 797). Um nicht dargestellt.

die Phasen durch die Störbefreiung nicht zu verändern, Fig. 3.1 zeigt ein Empfangsspektrum am Ausgang der

werden in diesem Fall komplexe Empfangs- und Kör- Analysatorschaltung 4. Es enthält eine Reihe von Spek-

perschallspektren gebildet. trallinien bei Frequenzen fz\, fz₂, /23, fet und fki, fk₂, fks, Die Wasserschallempfangsanlage weist hier vier Hy- 10 die sowohl von einem Ziel als auch vom Störschall her-

drophone 40 auf, die beispielsweise an den Ecken eines rühren.

Quadrats angeordnet sind und zwei Dipole bilden. Die Fig. 3.2 zeigt ein Körperschallspektrum am Ausgang Hydrophone 40 sind z.B. ausgewählte Empfänger einer des Analysators 15, welches Spektrallinien bei Körper-Sonarbasis 39 auf einem Trägerfahrzeug. Die Störbe- schallfrequenzen fk\, fk₂, fki aufweist, die hier beispielfreiung wird beispielhaft für ein einziges Ausgangssi- 15 haft gleiche Größen zeigen, beispielsweise den Wert"!", gnal dargestellt, sie ist für sämtliche Ausgangssignale Fig. 3.3 zeigt Verhältniswerte am Ausgang des Verder Hydrophone 40 gleich. hältnisbildners 54, die durch Division des Empfangs-Das Ausgangssignal eines der Hydrophone 40 wird in spektrums durch das Körperschallspektrum gebildet einer Analysatorschaltung 4 in ein komplexes Frequenz- sind. Das Ergebnis ist die Übertragungsfunktion O(s). spektrum, im folgenden Empfangsspektrum genannt, 20 Bei der Berechnung dieser Übertragungsfunktion Ü(s) zerlegt (Fig. 3.1). Durch einen Körperschallaufnehmer wird in den beiden Spektren ein gewisser Grundwert 52, der am Betriebsaggregat 51 des Trägerfahrzeugs der angenommen (nicht dargestellt), um Teilungen durch Wasserschallempfangsanlage angebracht ist, werden Null mit dem Ergebnis unendlich zu vermeiden.
Störsignale aufgenommen. Dem Körperschallaufneh- Fig. 3.4 zeigt das Spektrum am Ausgang des Multiplimer 52 ist ein Analysator 15 nachgeschaltet, der ein 25 zierers 56, das durch Multiplikation des Körperschallkomplexes Körperschallspektrum liefert (Fig. 3.2). Der spektrums mit der Übertragungsfunktion Ü(s) gebildet Analysatorschaltung 4 und dem Analysator 15 ist ein wird. Deutlich treten die Spektrallinien bei den Körper-Verhältnisbildner 54 nachgeschaltet. Im Verhältnisbild- schallfrequenzen fk\ bis fki hervor. Die Spektrallinien ner 54 wird das komplexe Empfangsspektrum durch das bei den Zielfrequenzen sind praktisch Null, da die Spekkomplexe Körperschallspektrum dividiert, indem je 30 trallinien in der Übertragungsfunktion Ü(s) dort mit Spektrallinie die Beträge dividiert werden und die Pha- Null multipliziert werden.

senwinkel subtrahiert werden. Das Ergebnis ist wieder- Fig. 3.5 zeigt ein Spektrum am Ausgang des Integraum komplex und kennzeichnet eine Übertragungsfunk- tors 57, das nur Spektrallinien bei den Körperschallfretion Ü(s) für ein vom Betriebsaggregat in das Wasser quenzen fk\ bis A3 aufweist, da nur diese Spektrallinien abgestrahltes und vom Hydrophon 40 empfangenes 35 im Empfangsspektrum und Körperschallspektrum zeit-Körperschallsignal (Fig. 3.3). In der Praxis können statt lieh starre Phasenbeziehungen aufweisen — kohärent ständiger Neuberechnung der Übertragungsfunktion sind — und durch die Mittelwertbildung nicht unterfeste Werte vorgegeben und weiterverarbeitet werden. drückt werden. Die Multiplikation des Spektrums am Ein Multiplizierer 56 ist dem Verhältnisbildner 54 und Ausgang des Integrators 58 mit dem Körperschallspekdem Analysator 15 nachgeordnet, der je Spektrallinie 40 trum am Ausgang des Analysators 53 ergibt ein Spekdie Beträge multipliziert und die Phasen addiert. Am trum, das genauso aussieht, wie das in Fig. 3.5 gezeigte, Ausgang des Multiplizierers 56 erscheint ein Produkt- weil angenommen wurde, daß die Spektrallinien im spektrum aus Körperschallspektrum multipliziert mit Körperschallspektrum gleich groß sind und den Wert der Übertragungsfunktion Ü(s), das wiederum komplex "1" aufweisen.

ist (Fig. 3.4). 45 Fig. 3.6 stellt ein Spektrum A(s) am Ausgang des Dif-

Um die Anteile von Zielsignalen aus dem Spektrum ferenzbildners dar. In diesem Spektrum sind nur noch

beim Ausgang des Multiplizierers 56 (Fig. 3.4) zu unter- Spektrallinien bei den Zielfrequenzen fz\ bis fz* enthal-

drücken, ist zwischen dem Verhältnisbildner 54 und dem ten, die durch den Körperschall erzeugten Spektralli-

Multiplizierer 56 ein Integrator 57 geschaltet, der einen nien sind vollständig ausgelöscht,
zeitlichen Mittelwert der Übertragungsfunktion Ö(s) 50
bildet. Spektrallinien, die momentan in einem der beiden
Spektren — beispielsweise durch impulsförmige Empfangssignale beim Empfangsspektrum — auftreten,
werden dadurch unterdrückt. Nur Spektrallinien in den
beiden Spektren, die eine starre Phasenbeziehung zu- 55
einander aufweisen, sind in der gemittelten Übertragungsfunktion am Ausgang des Integrators enthalten.
Diese Spektrallinien stammen vom Körperschall und
charakterisieren das Übertragungsverhalten von
Schiffskörper, Wasser und Hydrophonen 40 (Fig. 3.5). 60

Ein Differenzbildner 58 ist dem Multiplizierer 56 und
der Analysatorschaltung 4 nachgeschaltet, der die Differenz zwischen dem Empfangsspektrum am Ausgang der
Analysatorschaltung 4 und dem Produktspektrum bildet. Diese Differenz ist das störbefreite, komplexe Emp- 65
fangsspektrum, das die Spektrallinien, die durch den
Körperschall hervorgerufen werden, nicht mehr enthält
(Fig. 3.6).

Claims

1 2 Patentansprüche schallaufnehmer (10,11) an verschiedenen Meßstellen der Betriebsaggregate (12,13) angeordnet sind,

1. Verfahren zum Ausblenden von durch Betriebs- daß je Körperschallaufnehmer (10, 11) ein Diffeaggregate eines Trägerfahrzeugs erzeugten Störsi- renzbildner (20,24) vorgesehen ist und daß die Difgnalen aus Ausgangssignalen einer auf dem Trä- 5 ferenzbildner (20,24) in Reihe geschaltet sind, gerfahrzeug installierten Wasserschallempfangsan- 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, lage, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein dadurch gekennzeichnet, daß die Analysatoren (15, Körperschallaufnehmer an einer geeigneten Stelle 16) und Analysatorschaltungen (4, 5), die Verhältan den Betriebsaggregaten angeordnet wird, daß nisbildner (54), Multiplizierer (56) und Differenzaus dessen Körperschallsignalen Körperschall- io bildner (20, 24, 58) zum Rechnen mit komplexen spektren abgeleitet werden, daß aus den Ausgangs- Größen ausgebildet sind.

Signalen Empfangsspektren abgeleitet werden und 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12,

daß die Körperschallspektren von den Empfangs- dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrich-

spektren abgezogen werden. lung (18) mit Steuereingängen der Analysatoren

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 15 (15,16) und Analysatorschaltungen (4,5) verbunden zeichnet, daß vor der subtraktiven Verknüpfung ist, in der eine obere und untere Grenzfrequenz für der Spektren das jeweilige Körperschallspektrum die Ableitung der Spektren einstellbar ist.

mit einer Übertragungsfunktion oder deren zeitlichem Mittelwert multipliziert wird. Beschreibung

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn- 20

zeichnet, daß die Übertragungsfunktion als Ver- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausblenden hältniswert von dem jeweiligen Empfangsspektrum von durch Betriebsaggregate eines Trägerfahrzeugs erzürn Körperschallspektrum bestimmt wird. zeugten Störsignalen aus Ausgangssignalen einer Was-

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, serschallempfangsanlage und Vorrichtungen zum Ausdadurch gekennzeichnet, daß als Körperschall- und 25 üben des Verfahrens.

Empfangsspektren mittels Fourier-Analyse gebil- Ausgangssignale von Wasserschallempfangsanlagen,

dete komplexe Spektren verwendet werden. z.B. sog. Passivsonaren, können außer den Zielgeräu-

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, sehen Störsignale enthalten, die von Betriebsaggregaten dadurch gekennzeichnet, daß als Körperschall- und des Trägerfahrzeugs erzeugt werden. Die Störsignale Empfangsspektren Betragsspektren verwendet 30 beeinträchtigen die Auswertung der Ausgangssignale werden. insbesondere dann, wenn das Trägerfahrzeug mit hoher

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, Geschwindigkeit und/oder Manöver fährt.

dadurch gekennzeichnet, daß Körperschallspek- Aus der DE-PS 17 62 258 ist es bekannt, Empfangstren mehrerer Körperschallaufnehmer in vorgeb- wandler für eine Wasserschallempfangsanlage derart barer Reihenfolge von jedem Empfangsspektrum 35 aufzubauen, daß diejenigen Störanteile in den Ausabgezogenwerden, gangssignalen eliminiert werden, die vom Betriebsag-

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gregat über Körperschalleitung durch den Rumpf des dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bildung der Trägerfahrzeugs auf die Wasserschallempfangsanlage Körperschall- und Empfangsspektren Bandgren- und ihre einzelnen Empfangswandler übertragen werzen vorgegeben werden, die die von den Betriebs- 40 den.

aggregaten erzeugten Störsignale umfassen. Die von den Betriebsaggregaten auf den Rumpf über-

8. Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach tragenen Geräusche sowie die Schraubengeräusche Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an werden aber auch als Störschall durch Schraube und Betriebsaggregaten (12, 13) des Trägerfahrzeugs Rumpf des Trägerfahrzeugs ins Wasser abgestrahlt und (1) mindestens ein Körperschallaufnehmer (10, 11) 45 von dort zu der Wasserschallempfangsanlage rückgeangeordnet ist, dem ein Analysator (15, 16) zum strahlt. Dieser Anteil ist durch konstruktive Maßnah-Bilden des Körperschallspektrums (G(s), G\, Gi) men an den Empfangswandlern nicht zu beseitigen, nachgeschaltet ist, daß der Wasserschallempfangs- Es ist auch schon bekannt, Störsignale durch Filteranlage ( 2 bzw. 39) mindestens eine Analysator- ung zu unterdrücken (DE-OS 20 59 507). DiesesVerfahschaltung (4,5) zum Bilden von Empfangsspektren 50 ren weist jedoch den Nachteil auf, daß die Wasserschall- (F(s), Fi, F2) nachgeordnet ist und daß jeweils ein empfangsanlage im Bereich gesperrter Frequenzbänder Differenzbildner (20,24,58) eingangsseitig mit dem auch keine Zielsignale aufnehmen kann. Analysator (15,16) und der Analysatorschaltung (4, Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver-5) verbunden ist. fahren anzugeben, das es gestattet, ohne Verlust von

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn- 55 Zielsignalen auch diejenigen Störsignale auszublenden, zeichnet, daß mindestens ein Verhältnisbildner (54) die vom Trägerfahrzeug aus ins Wasser abgestrahlt und eingangsseitig mit dem Analysator (15) und der von der Wasserschallempfangsanlage als Wasserschall Analysatorschaltung (4) und ausgangsseitig mit ei- empfangen werden.

nem Multiplizierer (56) verbunden ist und daß der Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß dem

Multiplizierer (56) zwischen dem Analysator (15) 60 Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch

und dem Differenzbildner (58) angeordnet ist. die Merkmale des Kennzeichenteils des Anspruchs 1

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn- gelöst.

zeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Verhält- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die

nisbildners (54) und dem Eingang des Multiplizie- Spektrallinien von Empfangsspektren und Körper-

rers (56) eine Integratorschaltung (57) geschaltet 65 schallspektren miteinander verglichen und die vom

ist. Körperschall herrührenden Spektrallinien aus dem

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, Empfangsspektrum entfernt. Dadurch wird ausschließdadurch gekennzeichnet, daß mehrere Körper- lieh der vom Trägerfahrzeug stammende Störschall aus-