DE3520398C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausblenden von durch Betriebsaggregate eines Trägerfahrzeugs erzeugten Störsignalen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art und eine Vorrichtung zum Aus­ üben des Verfahrens nach Anspruch 7.

Ausgangssignale von Wasserschallempfangsanlagen, z.B. sog. Passivsonaren, können außer den Zielgeräuschen Störsignale enthalten, die von Betriebsaggregaten des Trägerfahrzeugs erzeugt werden. Die Störsignale beein­ trächtigen die Auswertung der Ausgangssignale insbe­ sondere dann, wenn das Trägerfahrzeug mit hoher Ge­ schwindigkeit und/oder Manöver fährt.

Aus der DE-PS 17 62 258 ist es bekannt, Empfangswand­ ler für eine Wasserschallempfangsanlage derart auf­ zubauen, daß diejenigen Störanteile in den Ausgangs­ signalen eliminiert werden, die vom Betriebsaggregat über Körperschalleitung durch den Rumpf des Träger­ fahrzeugs auf die Wasserschallempfangsanlage und ih­ re einzelnen Empfangswandler übertragen werden.

Die von den Betriebsaggregaten auf den Rumpf übertra­ genen Geräusche sowie die Schraubengeräusche werden aber auch als Störschall durch Schraube und Rumpf des Trägerfahrzeugs ins Wasser abgestrahlt und von dort zu der Wasserschallempfangsanlage rückgestrahlt. Die­ ser Anteil ist durch konstruktive Maßnahmen an den Empfangswandlern nicht zu beseitigen.

Es ist auch schon bekannt, Störsignale durch Filte­ rung zu unterdrücken (DE-OS 20 59 507). DiesesVer­ fahren weist jedoch den Nachteil auf, daß die Wasser­ schallempfangsanlage im Bereich gesperrter Frequenz­ bänder auch keine Zielsignale aufnehmen kann. Aus der ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art angebenden EP-A 01 03 257 ist es bereits bekannt, einen Körperschallaufnehmer in der Nähe der Betriebsaggregate zu installieren und aus seinem Empfangssignal Körperschallsprektren abzuleiten. Die Körperschallspektren werden mit aus den Ausgangssignalen einer Wasserschallanlage abgeleiteten Empfangsspektren korreliert. Dadurch wird der Nutzanteil vom Empfangsspektrum eliminiert und das Störspektrum im Empfangsspektrum ermittelt. Dieses Störspektrum wird vom Empfangsspektrum abgezogen und in den Zeitbereich rücktransformiert.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die es gestatten, ohne Verlust von Zielsignalen auch diejenigen Störsignale auszublenden, die vom Trägerfahrzeug aus ins Wasser abgestrahlt und von der Wasserschallempfangsanlage als Wasserschall empfangen werden und die Störbefreiung durch Anpassen der Pegel der voneinander abzuziehenden Spektren zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung gemäß dem jeweiligen Oberbegriff der Ansprüche 1 und 7 erfindungsgemäß durch die Merkmale der jeweiligen Kennzeichenteile der Ansprüche 1 und 7 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Spektrallinien von Empfangsspektren und Körperschallspektren miteinander verglichen und die vom Körperschall herrührenden Spektrallinien aus dem Empfangsspektrum entfernt. Dadurch wird ausschließlich der vom Trägerfahrzeug stammende Störschall ausgeblendet. Selbst im gleichen Frequenzbereich liegende Zielgeräusche bleiben dagegen unverändert erhalten.

Durch die Mittelwertbildung werden Einflüsse von Zielsignalen auf den Verhältniswert aus der Rechnung eliminiert, da die Phasenlagen der Zielsignale über der Zeit nicht konstant sind.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 2 wird erreicht, daß Spektrallinien, die sowohl vom Störschall wie auch vom Zielgeräusch bei der gleichen Frequenz auftauchen, nicht komplett unterdrückt werden, sondern nur derjenige Teil, der zum Störschall gehört. Dies gilt auch dann, wenn der Störschalleinfall sehr unterschiedlich stark ist. So weist z. B. ein Ausgangssignal einer nach voraus gerichteten Richtcharakteristik einer am Bug eines Fahrzeugs angeordneten Sonaranlage einen geringeren Störanteil auf als ein Ausgangssignal einer nach achteraus in Richtung zur Schraube des Fahrzeugs gerichteten Richtcharakteristik.

Durch die in einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 3 ergriffenen Maßnahmen erhält man die Möglichkeit, eine Ausblendung von Störsignalen für Wasserschallempfangsanlagen einzusetzen, die die Phasen der Ausgangssignale zur Peilung in Abhängigkeit von der Frequenz der Ausgangssignale auswerten (DE-OS 30 17 797), da die Phasen der Ausgangssignale durch die Störbefreiung mit Bilden komplexer Spektren nicht veränndert werden.

Mit einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 4 werden Spektren für Wasserschallempfangsanlagen erzeugt, deren Phasenlagen für die Richtungsbildung nicht benötigt werden, sondern durch Verzögerung er­ reicht wird, daß alle Ausgangssignale zeitgleich - und damit phasengleich - zum Bilden des Richt­ charakteristiksignals zur Verfügung stehen (DE-PS 16 16 223). Die Phasen können also durch Bilden von Betragsspektren, die nur die Größe der Spek­ trallinien beinhalten, verlorengehen.

Mit einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des er­ findungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 5 werden weitere Betriebsaggregate als Störschallquellen, wie z. B. Pumpen, berücksichtigt.

Mit einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des er­ findungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 6 wird ei­ ne Begrenzung bei der Berechnung der Spektren er­ zielt, die weniger Rechenzeit und weniger Speicher­ platz benötigt.

Vorteilhafte Ausführungsformen einer Vorrichtung zum Ausüben des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 7 bis 11 angegeben.

Die Erfindung weist den Vorteil auf, daß Störschall, der vom eigenen Trägerfahrzeug ins Wasser abgestrahlt wird und als Wasserschall von der Wasserschallemp­ fangsanlage empfangen wird, ausgeblendet wird, ohne daß Nutzsignale von einem Zielgeräusch im gleichen Frequenzbereich verlorengehen. Besonders wirkungsvoll ist dieses Vorgehen dann, wenn der pegel- und fre­ quenzmäßige Einfluß der Übertragungsstrecke auf den Störschall vom Betriebsaggregat über das Wasser zur Wasserschallempfangsanlage als frequenzabhängige Übertragungsfunktion berücksichtigt wird und vor der Differenzbildung zwischen Empfangsspektrum und Kör­ perschallspektrum dem Körperschallspektrum aufge­ prägt wird. Dadurch werden bei der Störbefreiung Spektrallinien vom Zielgeräusch, die bei Körperschall­ frequenzen auftreten, nicht unterdrückt, sondern blei­ ben in ihrer Größe erhalten.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispielen einer Anordnung zur Störbefreiung im folgenden näher beschrieben. Es zei­ gen:

Fig. 1 und 2 je ein Blockschaltbild der Anordnung gemäß einer er­ sten und zweiten Ausführungs­ form,

Fig. 3 eine Darstellung von Spektren zur Erläuterung der Wirkungs­ weise.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Störbefreiung von Ausgangssignalen einer Wasserschall­ empfangsanlage, die auf einem Torpedo 1 als Träger­ fahrzeug untergebracht und als Horchanlage 2 ausgebil­ det ist. Die Horchanlage 2 bildet zwei in einem Win­ kel gegeneinander versetzte Richtcharakteristiken R₁, R₂. Sie weist zwei Ausgänge für zwei Ausgangssigna­ le S₁, S₂ auf, die den Richtcharakteristiken R₁, R₂ entsprechen. Den Ausgängen der Horchanlage 2 ist je eine Analysatorschaltung 4, 5 nachgeschaltet, deren beide Ausgän­ ge mit Betragsbildnern 6, 7 verbunden sind zum Erzeugen von Empfangsspektren F₁, F₂ als Leistungsspektren.

Der Störschall wird von Körperschallaufnehmern 10, 11 empfangen, die am Betriebsaggregat des Torpe­ dos 1, z. B. an der Antriebsmaschine 12, und dem Aufnahmebehälter 13 für den Lenkdraht des Torpe­ dos 1 angebracht sind. Den Körperschallaufneh­ mern 10, 11 ist je ein Analysator 15, 16 mit nach­ geschaltetem Betragsbildner 8, 9 nachgeschaltet, die zwei Körperschallspektren G₁, G₂ abgeben. Die Analysatoren 15, 16 und die Analysatorschaltungen 4, 5 sind mit ihren Steuereingängen mit einer Steuer­ einrichtung 18 verbunden, in der der zu berücksich­ tigende Frequenzumfang der Spektralanalyse einge­ stellt wird, um mit dieser Eingrenzung Rechenzeit und Speicheraufwand zu reduzieren. Eine Begrenzung kann z. B. auf den Frequenzumfang der Horchanla­ ge 2 abgestellt sein oder auf eine obere und unte­ re Grenzfrequenz für das Körperschallspektrum, wenn diese für die Erzeuger des Körperschalls bekannt ist.

In einem ersten Differenzbildner 20 wird das Körper­ schallspektrum G₁ von jedem der Empfangsspektren F₁, F₂ abgezogen. Der Differenzbildner 20 weist zwei Dif­ ferenzstufen 21, 22 auf, die mit dem Betragsbildner 6, 7 für die Empfangsspektren F₁, F₂ und mit dem Betragsbildner 8 für das Körperschallspektrum G₁ verbunden sind. Dem Differenzbildner 20 ist ein zweiter Differenzbildner 24 nachgeschaltet, dessen zwei Differenzstufen 26, 27 mit den beiden Ausgängen des ersten Differenzbildners 20 und mit dem Ausgang des Betragsbildners 9 für das Körperschallspektrum G₂ verbunden sind. In dem zwei­ ten Differenzbildner 24 wird von den vom Körperschall­ spektrum G₁ befreiten Empfangsspektren F₁, F₂ das andere Körperschallspektrum G₂ abgezogen. Am Aus­ gang des zweiten Differenzbildners 24 sind körper­ schallbefreite Empfangsspektren abnehmbar.

Zum Lenken des Torpedos 1 mit einer üblichen Lenkein­ richtung werden die Empfangsspektren durch Rück­ transformation in Zeitsignale umgewandelt, ehe sie der Lenkeinrichtung zugeführt werden (nicht darge­ stellt).

Die Analysatorschaltungen 4, 5 und die Analysatoren 15, 16 werden vorteilhafterweise als Fast-Fourier- Transformatoren ausgebildet. Fast-Fourier-Transfor­ matoren sind beschrieben in einem Artikel von James W. Cooley und John W. Tukey auf den Seiten 297 bis 301 aus "Mathematics of Computation, Vol. 19, No. 90", veröffentlicht von The American Mathematics Society im Jahre 1965.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Störbefreiung von Ausgangssignalen einer Was­ serschallempfangsanlage, die zum Peilen auch die Phasen der Ausgangssignale benötigt (DE-OS 30 17 797). Um die Phasen durch die Störbefreiung nicht zu ver­ ändern, werden in diesem Fall komplexe Empfangs- und Körperschallspektren gebildet.

Die Wasserschallempfangsanlage weist hier vier Hy­ drophone 40 auf, die beispielsweise an den Ecken eines Quadrats angeordnet sind und zwei Dipole bil­ den. Die Hydrophone 40 sind z.B. ausgewählte Empfänger einer Sonarbasis 39 auf einem Trägerfahrzeug. Die Störbefreiung wird beispielhaft für ein einziges Ausgangssignal dargestellt, sie ist für sämtliche Ausgangssignale der Hydrophone 40 gleich.

Das Ausgangssignal eines der Hydrophone 40 wird in einer Analysatorschaltung 4 in ein komplexes Frequenzspektrum, im folgenden Empfangsspektrum genannt, zerlegt (Fig. 3.1). Durch einen Körper­ schallaufnehmer 52, der am Betriebsaggregat 51 des Trägerfahrzeugs der Wasserschallempfangsan­ lage angebracht ist, werden Störsignale aufgenom­ men. Dem Körperschallaufnehmer 52 ist ein Analysa­ tor 15 nachgeschaltet, der ein komplexes Körper­ schallspektrum liefert (Fig. 3.2). Der Analysator­ schaltung 4 und dem Analysator 15 ist ein Verhält­ nisbildner 54 nachgeschaltet. Im Verhältnisbild­ ner 54 wird das komplexe Empfangsspektrum durch das komplexe Körperschallspektrum dividiert, indem je Spektrallinie die Beträge dividiert werden und die Phasenwinkel subtrahiert werden. Das Ergebnis ist wiederum komplex und kennzeichnet eine Über­ tragungsfunktion Ü(s) für ein vom Betriebsaggre­ gat in das Wasser abgestrahltes und vom Hydro­ phon 40 empfangenes Körperschallsignal (Fig. 3.3). In der Praxis können statt ständiger Neuberech­ nung der Übertragungsfunktion feste Werte vorge­ geben und weiterverarbeitet werden. Ein Multipli­ zierer 56 ist dem Verhältnisbildner 54 und dem Analysator 15 nachgeordnet, der je Spektrallinie die Beträge multipliziert und die Phasen addiert. Am Ausgang des Multiplizierers 56 erscheint ein Produktspektrum aus Körperschallspektrum multipli­ ziert mit der Übertragungsfunktion Ü(s), das wie­ derum komplex ist (Fig. 3.4).

Um die Anteile von Zielsignalen aus dem Spektrum beim Ausgang des Multiplizierers 56 (Fig. 3.4) zu unterdrücken, ist zwischen dem Verhältnisbildner 54 und dem Multiplizierer 56 ein Integrator 57 geschal­ tet, der einen zeitlichen Mittelwert der Übertra­ gungsfunktion Ü(s) bildet. Spektrallinien, die mo­ mentan in einem der beiden Spektren - beispielsweise durch impulsförmige Empfangssignale beim Empfangs­ spektrum - auftreten, werden dadurch unterdrückt. Nur Spektrallinien in den beiden Spektren, die eine starre Phasenbeziehung zueinander 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).

Ein Differenzbildner 58 ist dem Multiplizierer 56 und der Analysatorschaltung 4 nachgeschaltet, der die Differenz zwischen dem Empfangsspektrum am Aus­ gang der Analysatorschaltung 4 und dem Produktspek­ trum bildet. Diese Differenz ist das störbefreite, komplexe Empfangsspektrum, das die Spektrallinien, die durch den Körperschall hervorgerufen werden, nicht mehr enthält (Fig. 3.6).

Fig. 3 zeigt eine Reihe von Diagrammen zur anschau­ lichen Erläuterung der Wirkungsweise der Störsig­ nalausblendung gemäß Fig. 2. Die Diagramme zeigen Betragsspektren über der Frequenz s. Die Phasenbe­ ziehungen der einzelnen Spektrallinien zueinander sind nicht dargestellt.

Fig. 3.1 zeigt ein Empfangsspektrum am Ausgang der Analysatorschaltung 4. Es enthält eine Reihe von Spektrallinien bei Frequenzen fz₁, fz₂, fz₃, fz₄ und fk₁, fk₂, fk₃, die sowohl von einem Ziel als auch vom Störschall herrühren.

Fig. 3.2 zeigt ein Körperschallspektrum am Ausgang des Analysators 15, welches Spektrallinien bei Kör­ perschallfrequenzen fk₁, fk₂, fk₃ aufweist, die hier beispielhaft gleiche Größen zeigen, beispiels­ weise den Wert "1".

Fig. 3.3 zeigt Verhältniswerte am Ausgang des Ver­ hältnisbildners 54, die durch Division des Empfangs­ spektrums durch das Körperschallspektrum gebildet sind. Das Ergebnis ist die Übertragungsfunktion Ü(s). Bei der Berechnung dieser Übertragungsfunktion Ü(s) wird in den beiden Spektren ein gewisser Grundwert angenommen (nicht dargestellt), um Teilungen durch Null mit dem Ergebnis unendlich zu vermeiden.

Fig. 3.4 zeigt das Spektrum am Ausgang des Multipli­ zierers 56, das durch Multiplikation des Körper­ schallspektrums mit der Übertragungsfunktion Ü(s) gebildet wird. Deutlich treten die Spektrallinien bei den Körperschallfrequenzen fk₁ bis fk₃ hervor. Die Spektrallinien bei den Zielfrequenzen sind prak­ tisch Null, da die Spektrallinien in der Übertragungs­ funktion Ü(s) dort mit Null multipliziert werden.

Fig. 3.5 zeigt ein Spektrum am Ausgang des Integra­ tors 57, das nur Spektrallinien bei den Körperschall­ frequenzen fk₁ bis fk₃ aufweist, da nur diese Spek­ trallinien im Empfangsspektrum und Körperschallspek­ trum zeitlich starre Phasenbeziehungen aufweisen - kohärent sind - und durch die Mittelwertbildung nicht unterdrückt werden. Die Multiplikation des Spektrums am Ausgang des Integrators 58 mit dem Körperschallspektrum am Ausgang des Analysators 53 ergibt ein Spektrum, das genauso aussieht, wie das in Fig. 3.5 gezeigte, weil angenommen wurde, daß die Spektrallinien im Körperschallspektrum gleich groß sind und den Wert "1" aufweisen.

Fig. 3.6 stellt ein Spektrum Δ(s) am Ausgang des Differenzbildners dar. In diesem Spektrum sind nur noch Spektrallinien bei den Zielfrequenzen fz₁ bis fz₄ enthalten, die durch den Körperschall erzeugten Spektrallinien sind vollständig ausgelöscht.

Claims (11)

1. Verfahren zum Ausblenden von durch Betriebsaggregate eines Trägerfahrzeugs erzeugten Störsignalen aus Ausgangssignalen einer auf dem Trägerfahrzeug installierten Wasserschallempfangsanlage, wobei mindestens ein Körperschallaufnehmer an einer geeigneten Stelle an den Betriebsaggregaten angeordnet wird, aus dessen Körperschallsignalen Körperschallspektren abgeleitet werden, wobei aus den Ausgangssignalen Empfangsspektren abgeleitet werden und die Körperschallspektren von den Empfangsspektren abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß vor der subtraktiven Verknüpfung der Spektren das jeweilige Körperschallspektrum mit einer Übertragungsfunktion, die den Einfluß der Übertragungsstrecke auf Störschall von den Betriebsaggregaten zur Wasserschallempfangsanlage abgibt, oder ihrem zeitlichen Mittelwert multipliziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion als Verhältniswert von dem jeweiligen Empfangsspektrum zum Körperschallspektrum bestimmt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Körperschall- und Empfangsspektren mittels Fourier-Analyse gebildete komplexe Spektren verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Körperschall- und Empfangsspektren Betragsspektren verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Körperschallspektren mehrerer Körperschallaufnehmer in vorgebbarer Reihenfolge von jedem Empfangsspektrum abgezogen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bildung der Körperschall- und Empfangsspektren Bandgrenzen vorgegeben werden, die die von den Betriebsaggregaten erzeugten Störsignale umfassen.

7. Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6, bei der an Betriebsaggregaten (12, 13) des Trägerfahrzeugs (1) mindestens ein Körperschallaufnehmer (10, 11) angeordnet ist, dem ein Analysator (15, 16) zum Bilden des Körperschallspektrums (G(s), G₁, G₂) nachgeschaltet ist, der Wasserschallempfangsanlage (2 bzw. 39) mindestens eine Analysatorschaltung (4, 5) zum Bilden von Empfangsspektren (F(s), F₁, F₂) nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Verhältnisbildner (54) eingangsseitig mit dem Analysator (15) und der Analysatorschaltung (4) und ausgangsseitig mit dem Multiplizierer (56) verbunden ist und daß ein Differenzbildner (20, 24, 58) eingangsseitig mit dem Multiplizierer (56) und der Analysatorschaltung (4, 5) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Verhältnisbildners (54) und dem Eingang des Multiplizierers (56) eine Integratorschaltung (57) geschaltet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Körperschallaufnehmer (10, 11) an verschiedenen Meßstellen der Betriebsaggregate (12, 13) angeordnet sind, daß je Körperschallaufnehmer (10, 11) ein Differenzbildner (20, 24) vorgesehen ist und daß die Differenzbildner (20, 24) in Reihe geschaltet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysatoren (15, 16) und Analysatorschaltungen (4, 5), die Verhältnisbildner (54), Multiplizierer (56) und Differenzbildner (20, 24, 58) zum Rechnen mit komplexen Größen ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (18) mit Steuereingängen der Analysatoren (15, 16) und Analysatorschaltungen (4, 5) verbunden ist, in der eine obere und untere Grenzfrequenz für die Ableitung der Spektren einstellbar ist.