DE3727447A1

DE3727447A1 - Device for subtracting noise signals of e.g. engine, for sonar antenna in sonar system, has electronic circuit delivering signals for sonar path, and subtraction unit for subtracting signals from path signals, where signals represent noise

Info

Publication number: DE3727447A1
Application number: DE19873727447
Authority: DE
Inventors: Michel Ingenieur Lagier
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1986-08-27
Filing date: 1987-08-18
Publication date: 2011-04-07
Also published as: GB8718968D0

Abstract

The device has an electronic circuit (22) including a path formation unit that delivers path signals. A noise-measurement antenna (20) is permeable for ultrasonic waves and provided at a same position of a sonar antenna (21). Another electronic circuit (23, 24) processes signals delivered from the noise-measurement antenna and delivers the signals for a sonar path, where the signals represent clear noise received from the sonar path. A subtraction unit (25) subtracts the signals representing the noise from the path signals.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Subtrahieren von Störgeräuschen für eine Sonarantenne sowie ein mit einer solchen Vorrichtung ausgestattetes Sonar.The invention relates to a device for subtracting noise for a sonar antenna and a sonar equipped with such a device.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Signal/Störsignal-Verhältnis der Wegsignale bei einem Sonar zu steigern, indem von diesen Signalen die Störsignale subtrahiert werden, die über das Wasser zur Sonarantenne gelangen, wenn diese Antenne an einem sich im Wasser bewegenden Objekt angebracht ist. Dies trifft insbesondere für ein Zielsuchsonar bei Torpedos zu.The invention has for its object to increase the signal / noise ratio of the path signals in a sonar, by these signals, the interference signals are subtracted, which pass through the water to the sonar antenna, when this antenna is mounted on an object moving in the water , This is especially true for a homing sonar on torpedoes.

Bekanntlich erzeugen die Motor- und Schraubengeräusche, die im allgemeinen von der Rückseite des Schwimmkörpers ausgehen, seismische Vibrationen bzw. Körperschall, wovon ein Teil über den Rumpf des Schwimmkörpers verläuft. Es ist bekannt, diese Geräusche zu vermindern, indem der Antennenträger oder die Wandler selbst von der Struktur des Schwimmkörpers entkoppelt werden.As is known, the engine and screw sounds, which generally emanate from the back of the float, generate seismic vibrations or structure-borne noise, part of which runs over the hull of the floating body. It is known to reduce these noises by decoupling the antenna carrier or the transducers themselves from the structure of the floating body.

Aber auch bei vollkommener Entkopplung treten Geräusche auf. Diese Geräusche, bei denen es sich nicht um Körperschall handelt, rühren her von:

– Vibrationen, die sich an der Grenzfläche zwischen Rumpf und Wasser in Form von Grenzflächenwellen ausbreiten und zur Vorderseite der Sonarantenne gelangen;
– der turbulenten Grenzschicht, die durch den Vortrieb des Schwimmkörpers erzeugt wird und sich durch Beugung bis zur Vorderfläche der Sonarantenne ausbreitet.

But even with complete decoupling noise occurs. These sounds, which are not structure-borne noise, stem from:

- Vibrations propagating at the interface between the hull and water in the form of interface waves and reaching the front of the sonar antenna;
- The turbulent boundary layer, which is generated by the propulsion of the float and diffuses to the front surface of the sonar antenna propagates.

Für derartige Störgeräusche ist eine Entkopplung unwirksam, denn sie verlaufen im wesentlichen über das Wasser.For such noise decoupling is ineffective, because they are essentially over the water.

Es sind bereits Vorrichtungen zum Subtrahieren von Störsignalen bekannt, die auf der Tatsache beruhen, daß eine Referenzgröße allein für das Störgeräusch gebildet wird und das entsprechende Signal vom Nutzsignal subtrahiert wird. Zu diesem Zweck wird mindestens ein Unterwassermikrophon an der Seite des Schwimmkörpers angebracht, so daß die Nutzsignale, insbesondere die von vorne kommenden Echosignale, nicht aufgefangen werden. Das ”reine Störgeräusch-Referenzsignal” wird dann von dem Signal subtrahiert, das jeder Wandler der Antenne liefert. Ein solches Subtrahierverfahren ist aber unvollkommen und sehr kompliziert, denn es muß die akustische Übertragungsfunktion zwischen den das reine Störgeräusch aufnehmenden Mikrophonen und den Antennenwandlern bekannt sein, denn das reine Störgeräusch wird an einer von der Antenne verschiedenen Stelle aufgefangen. Diese Übertragungsfunktionen hängen aber ferner von der Schwimmlage und der Geschwindigkeit des Schwimmkörpers ab.There are already known devices for subtracting spurious signals, which are based on the fact that a reference variable is formed solely for the noise and the corresponding signal is subtracted from the useful signal. For this purpose, at least one underwater microphone is attached to the side of the float, so that the useful signals, in particular the echo signals coming from the front, are not collected. The "pure noise reference signal" is then subtracted from the signal that each transducer provides to the antenna. However, such a subtraction method is imperfect and very complicated, because it must be the acoustic transfer function between the pure noise receiving microphones and the antenna transducers known, because the pure noise is collected at a different location from the antenna. But these transfer functions also depend on the floating position and the speed of the float.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung beruht auf folgender Eigenschaft: Störgeräusche hydrodynamischen Ursprungs und Störgeräusche, die sich über Grenzflächenwellen ausbreiten, bestehen aus Wellen mit Überschallgeschwindigkeit, deren Geschwindigkeit also niedriger ist als die Schallgeschwindigkeit C_o im Wasser. Diese Wellen können daher von denjenigen Wellen unterschieden werden, die dem Nutzsignal entsprechen und bei denen es sich um ebene Wellen handelt, deren Geschwindigkeit in der Antennenebene stets größer als C_o ist. Die Geschwindigkeit in der Antennenebene ist nämlich, wenn eine ebene Welle betrachtet wird, gleich

worin θ der Winkel zwischen Wellenebene und Antennenebene ist. Da der Wert sinθ kleiner als oder gleich 1 ist, ist der Wert von C größer als oder gleich C_o. Die zu den Störsignalen gehörenden Wellen sind somit keine ebenen Wellen; ihre Natur ist verschieden von den aus dem Meer kommenden Wellen, bei denen es sich um mehr oder weniger ebene Wellen handelt.The device according to the invention is based on the following property: disturbing noises of hydrodynamic origin and disturbing noises which propagate over boundary waves consist of waves with supersonic velocity, whose velocity is thus lower than the speed of sound C _o in the water. These waves can therefore be distinguished from those waves which correspond to the useful signal and which are plane waves whose velocity in the antenna plane is always greater than C _o . Namely, the speed in the antenna plane is the same when a plane wave is observed

where θ is the angle between the wave plane and the antenna plane. Since the value of sin θ is less than or equal to 1, the value of C is greater than or equal to C _o . The waves belonging to the interfering signals are thus not plane waves; their nature is different from the waves coming from the sea, which are more or less level waves.

Diese Eigenschaft wird bei der Erfindung ausgenutzt. Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Subtrahieren von Störgeräuschen bei einer Sonarantenne, wobei eine Messung des reinen Störgeräusches an derjenigen Stelle, wo sich die Sonarantenne befindet, mittels spezieller Erfassungswege, die im Unterschallgebiet gebildet sind, vorgenommen wird. Diese Wegbildung erfolgt entweder mittels der Sonarantenne oder aber vorzugsweise mittels einer Antenne, die für die Schallwellen durchlässig ist und sich vor der Sonarantenne befindet.This property is exploited in the invention. The invention relates to a device for subtracting noise in a sonar antenna, wherein a measurement of the pure noise at the point where the sonar antenna is located by means of special detection paths, which are formed in the subsonic area, made. This path formation takes place either by means of the sonar antenna or preferably by means of an antenna which is permeable to the sound waves and located in front of the sonar antenna.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Subtrahieren von Störgeräuschen für eine Sonarantenne bei einem Sonar mit einer elektronischen Schaltung zur Wegbildung, welche wenigstens ein Wegsignal liefert, ist dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

– wenigstens eine Störgeräusch-Meßantenne, die für die Ultraschallwellen durchlässig ist und an derselben Stelle wie die Sonarantenne angeordnet ist;
– eine weitere elektronische Schaltung, welche die von der Störgeräusch-Meßantenne empfangenen Signale verarbeitet und für jeden Sonarweg ein Signal liefert, welches das reine über diesen Sonarweg empfangene Störgeräusch darstellt;
– Mittel zum Subtrahieren jedes das Störgeräusch darstellenden Signals von jedem Wegsignal.

The inventive device for subtracting noise for a sonar antenna in a sonar with an electronic circuit for path formation, which provides at least one path signal, is characterized in that it comprises:

At least one noise-measuring antenna which is transparent to the ultrasonic waves and located at the same location as the sonar antenna;
A further electronic circuit which processes the signals received from the noise-measuring antenna and provides for each sonar path a signal representing the pure noise received over that sonar path;
- means for subtracting each of the noise representative signal from each path signal.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung besonderer Ausführungsformen der Erfindung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of particular embodiments of the invention and from the drawings, to which reference is made. In the drawing show:

1 einen Teilschnitt eines Torpedos mit einem Sonarzielsuchgerät; 1 a partial section of a torpedo with a Sonarielielsuchgerät;

2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise einer Ultraschallantenne, die aus einer Matrix von Hydrophonen besteht; 2 a schematic representation for explaining the operation of an ultrasonic antenna, which consists of a matrix of hydrophones;

3 ein Diagramm, das die Richtwirkung dieser Antenne zeigt; 3 a diagram showing the directivity of this antenna;

4 ein Blockschema einer Ausführungsform eines Sonars mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung; 4 a block diagram of an embodiment of a sonar with the device according to the invention;

5 einen Teilschnitt dieser Ausführungsform; 5 a partial section of this embodiment;

6 eine andere Ansicht dieser Ausführungsform; 6 another view of this embodiment;

7 und 8 zwei Diagramme, welche die Funktion einer speziellen Antenne zur Messung des Störgeräusches bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen; und 7 and 8th two diagrams showing the function of a specific antenna for measuring the noise in an embodiment of the device according to the invention; and

9 ein Blockschaltbild eines Teils eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 9 a block diagram of a portion of an embodiment of the device according to the invention.

In 1 ist die Vorderseite eines Torpedos gezeigt, dessen Rumpf 7 durch eine Haube 2 aus einem für Schallwellen durchlässigen Elastomermaterial verlängert ist. Das Zielsuchgerät besteht hauptsächlich aus einer Antenne 1, deren Wandler 4 Signale liefern, die in einer Gruppe von Elektronikschaltungen 3 verarbeitet werden. Diese Verarbeitung besteht im wesentlichen darin, Empfangswege zu bilden und Sendeimpulse zu erzeugen, wobei herkömmliche Technik angewendet wird.In 1 is shown the front of a torpedo whose fuselage 7 through a hood 2 is extended from a permeable to sound waves elastomeric material. The homing device mainly consists of an antenna 1 whose transducers 4 Deliver signals in a group of electronic circuits 3 are processed. Essentially, this processing consists of forming receive paths and generating transmit pulses using conventional techniques.

Wenn sich das Torpedo im Wasser bewegt, erzeugt es entlang dem Rumpf 7 und um den gesamten Rumpf herum eine Grenzschicht 5, die turbulent ist und folglich Störgeräusche erzeugt. Ferner erzeugen die von der Rückseite ankommenden Vibrationen Grenzflächenwellen 6, die sich zur Haube 2 hin ausbreiten.When the torpedo moves in the water, it generates along the fuselage 7 and a boundary layer around the entire hull 5 , which is turbulent and therefore generates noise. Furthermore, the vibrations arriving from the back generate interfacial waves 6 that is going to the hood 2 spread out.

Die Antenne ist eben. Im allgemeinen sind die Wandler 4 aneinandergefügt und weisen den Teilungsabstand d auf. Wie in 2 gezeigt ist, sind diese Wandler bei der in Draufsicht gezeigten Antenne aus horizontalen und vertikalen Zeilen gebildet, von welchen ausgehend Wege in der Horizontalebene yoz und in der Vertikalebene xoz gebildet werden können, wobei die Torpedoachse mit oz bezeichnet ist.The antenna is flat. In general, the transducers 4 joined together and have the pitch d. As in 2 In the antenna shown in plan view, these transducers are formed of horizontal and vertical lines, from which paths in the horizontal plane yoz and in the vertical plane xoz can be formed, the torpedo axis being designated oz.

Zum Verständnis der Erfindung wird zunächst an die Richtwirkung eines Sonarweges erinnert.To understand the invention, the directivity of a sonar path is first recalled.

In den 1 und 2 wird eine Zeile 11 von Wandlern 4 mit dem Teilungsschritt d betrachtet, wobei das Zentrum jedes Wandlers einen Abstand x_i vom Mittelpunkt eines äußeren Wandlers 12 aufweist.In the 1 and 2 becomes a line 11 of converters 4 with the division step d, wherein the center of each transducer is a distance x _i from the center of an external transducer 12 having.

Es ist bekannt, ein sogenanntes Wegsignal in einer Richtung θ_v zu bilden, welche in der Ebene liegt, in der die Zeile 11 enthalten ist. Zu diesem Zweck werden die von den Wandlern 4 gelieferten Signale um die Dauer

bezüglich des vom Wandler 12 gelieferten Signals verzögert. Wenn das Frequenzband um die Mittenfrequenz f_o schmal ist, erfolgt jede Verzögerung durch eine Phasenverschiebung Φ_v: Φ_v = 2πf_oτ_v = k_ox_isinθ_v, worin

It is known to form a so-called path signal in a direction θ _v , which lies in the plane in which the line 11 is included. For this purpose, those of the converters 4 supplied signals by the duration

in terms of the converter 12 Delayed delivered signal. When the frequency band is narrow around the center frequency f _o , any delay is due to a phase shift φ _v : φ _v = 2πf _o τ _v = k _o x _i sin θ _v , where

Zu diesem Wegsignal gehört eine Richtfunktion, welche die Signalamplitudenänderung in Abhängigkeit von der Richtung allgemein ausdrückt. Diese Richtfunktion lautet folgendermaßen:

To this path signal includes a directional function, which generally expresses the signal amplitude change in dependence on the direction. This guideline is as follows:

Darin ist N die Anzahl von Wandlern einer Zeile.Where N is the number of converters in a row.

Diese Dunktion weist ein Maximum für die Richtung θ = θ_v auf.This depression has a maximum for the direction θ = θ _v .

Diese Richtfunktion wird auch als Funktion der Wellzahlen k ausgedrückt:

mitThis directional function is also expressed as a function of the wave numbers k:

With

In 3 ist die Richtfunktion bei der Frequenz f_o für k_v = o(θ_v = o), N = 6,

in Abhängigkeit von k dargestellt. Es handelt sich um die Richtwirkung des in Richtung oz gebildeten Sonarweges, dargestellt als Schnitt entsprechend der Ebene xoz.In 3 is the directivity function at the frequency f _o for k _v = o (θ _v = o), N = 6,

represented as a function of k. It is the directivity of the sonar path formed in the direction of the oz, shown as a section corresponding to the xoz plane.

Das Gebiet der sich mit Unterschallgeschwindigkeit ausbreitenden Störgeräuschwellen liegt bei Absolutwerten von k, die größer als k_o sind. Die in diesem Gebiet liegenden Nebenzipfel bringen in diesen Sonarweg einen Störgeräuschanteil ein, dessen Amplitude bei einem gegebenen Wert von k proportional zu dem Produkt der Höhe dieser Zipfel mit dem empfangenen Störgeräuschpegel bei einer gegebenen Frequenz ist.The area of the subsonic noise waves propagates at absolute values of k greater than k _o . The sidelobes in this area introduce into this sonar path a noise component whose amplitude at a given value of k is proportional to the product of the height of that peak with the received noise level at a given frequency.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wendet die Bildung spezieller Wege im Gebiet der Wellenzahlen k oberhalb von k_o an. Jedes sogenannte spezielle Wegsignal liefert einen Meßwert für das Störgeräusch. Diese Meßwerte werden anschließend verarbeitet, um ein Signal zu erhalten, das von jedem Sonarweg subtrahiert werden kann.The device according to the invention uses the formation of specific paths in the area of wavenumber k above k _o . Each so-called special path signal provides a measured value for the noise. These measurements are then processed to obtain a signal that can be subtracted from each sonar path.

4 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese Ausführungsform umfaßt eine Störsignal-Meßantenne 20, die von der Sonarantenne 21 verschieden ist, mittels welcher über die Schaltungen 23 Signale gebildet werden, die das Störgeräusch darstellen und über die Bildung von speziellen Wegen subtrahiert werden können. Die Gesamtheit der elektronischen Schaltungen 22 entspricht der Ausbildung der Sonarwege. Die weiter unten beschriebene Antenne 20 liegt in einer Ebene, die parallel zu und in der Nähe der Sonarantenne liegt, um die Störgeräusche an derselben Stelle wie die Sonarantenne aufzufangen. Sie ist für die Schallwellen durchlässig, denn sie befindet sich bezüglich der empfangenen Wellen auf der Vorderseite. 4 shows a block diagram of an embodiment of the device according to the invention. This embodiment comprises an interfering signal measuring antenna 20 taken from the sonar antenna 21 is different, by means of which about the circuits 23 Signals are formed, which represent the noise and can be subtracted via the formation of special ways. The entirety of electronic circuits 22 corresponds to the training of the Sonarwege. The antenna described below 20 lies in a plane that is parallel to and near the sonar antenna to the noise in the same place as the Sonar antenna to catch. It is permeable to the sound waves, because it is located with respect to the received waves on the front.

Die Schaltung 24 empfängt die Signale der speziellen Wege und verarbeitet sie in einer für jeden Weg spezifischen Weise. Jedes erhaltene Signal wird von jedem Wegsignal des Sonars durch Subtrahierer 25 subtrahiert, um am Ausgang 26 Wegsignale zu erhalten, deren Signal/Störsignal-Verhältnis verbessert ist.The circuit 24 receives the signals of the special ways and processes them in a way specific to each way. Each received signal from each path signal of the sonar is subtracted 25 subtracted to the output 26 Get path signals whose signal / noise ratio is improved.

5 zeigt einen Teilschnitt der Vorderseite eines Torpedos mit Störgeräusch-Meßantenne 20, weiche in der Dicke einer Gummischicht 32 enthalten ist, die eine für die Schallwellen durchlässige ”Schutzhaut” bildet. Die Sonarantenne 21 besteht aus Wandlern 31, die auf einem Träger 30 angebracht und nach Art eines ”Straßenpflasters” angeordnet sind, wie in 2 gezeigt. 5 shows a partial section of the front of a torpedo with noise-measuring antenna 20 , soft in the thickness of a rubber layer 32 is included, which forms a permeable to the sound waves "protective skin". The sonar antenna 21 consists of transducers 31 standing on a support 30 attached and arranged in the manner of a "street pavement", as in 2 shown.

6 zeigt eine Sonarantenne 21 und die Störgeräusch-Meßantenne 20 in Vorderansicht. 6 shows a sonar antenna 21 and the noise-measuring antenna 20 in front view.

Die Störgeräusch-Meßantenne 20 bildet eine Reihe von Wandlern bzw. Hydrophonen wie die Zeile 11 der Sonarantenne 21. Sie besteht aus Wandlern 33, welche für die Schallwellen in allen Richtungen durchlässig sind, einschließlich der Ebene xoy, so daß sie in vorteilhafter Weise die durch die Zeile 11 gebildete Antenne ersetzt. Sie ist aus einem piezoelektrischen Polymermaterial wie PVF₂ in herkömmlicher Technik ausgebildet. Die Antenne 20 wird beispielsweise aus einem Streifen 35 aus PVF₂ mit einer durchgehenden Metallisierung 36 auf der einen Fläche zur Bildung des negativen Pols hergestellt. Auf die gegenüberliegende Fläche ist ein flexibler Film 37 aufgeklebt, der breiter ist als der PVF₂-Streifen und der über die Breite des Streifens metallisiert ist. Die Metallisierung ist an äquidistanten Linien 38 unterbrochen, um getrennte Wandler 33 zu bilden. Die elektrischen Ausgänge positiver Polung befinden sich an Bahnen 39, die an den isolierenden Rändern der Folie verlaufen.The noise measuring antenna 20 forms a series of transducers or hydrophones such as the line 11 the sonar antenna 21 , It consists of converters 33 which are transparent to the sound waves in all directions, including the xoy plane, so that they pass through the line in an advantageous manner 11 replaced antenna. It is formed of a piezoelectric polymer material such as PVF ₂ in conventional technique. The antenna 20 for example, a strip 35 made of PVF ₂ with a continuous metallization 36 made on the one surface to form the negative pole. On the opposite surface is a flexible film 37 glued on, which is wider than the PVF ₂ strip and metallized across the width of the strip. The metallization is on equidistant lines 38 interrupted to separate transducers 33 to build. The electrical outputs of positive polarity are located on tracks 39 that run along the insulating edges of the film.

Die Meßantenne kann auch auf andere Weise hergestellt werden, insbesondere aus zwei PVF₂-Streifen, die durch eine zentrale Elektrode getrennt sind.The measuring antenna can also be produced in other ways, in particular from two PVF ₂ strips, which are separated by a central electrode.

Da die Spitze des Torpedos kreissymmetrisch ist, befindet sich die Störgeräusch-Meßantenne 20 auf einem Durchmesser angeordnet, der in der Zeichnung der Achse ox entspricht. Der Mittelpunkt J jedes Wandlers befindet sich in einem Abstand x_j von einem der zwei äußersten Wandler.Since the tip of the torpedo is circularly symmetric, there is the noise-measuring antenna 20 arranged on a diameter corresponding to the axis ox in the drawing. The center J of each transducer is located at a distance x _j from one of the two outermost transducers.

Gemäß der Erfindung werden die von den Wandlern der Antenne 20 gelieferten Signale verarbeitet, um spezielle Wege entlang dieser Achse zu bilden, indem die Signale um eine Dauer

für Werte von C unterhalb von C_o verzögert und aufsummiert werden. Die Werte von C werden so gewählt, daß die entsprechenden Werte von k_v größer als k_o sind.According to the invention, those of the transducers of the antenna 20 supplied signals to form special paths along this axis by the signals for a duration

for values of C below C _{o are} delayed and accumulated. The values of C are chosen so that the corresponding values of k _{v are} greater than k _o .

Die 7 zeigt die Richtfunktionen B(k) von drei Wegen V₁, V₂, V₃ entlang k_1v, k_2v, k_3v, wobei nur die Hauptkeulen dargestellt sind. Diese Funktionen entsprechen einer Störgeräusch-Meßantenne, die aus zwölf Wandlern zusammengesetzt ist, welche aus den weiter unten ersichtlichen Gründen um

beabstandet sind. Diese Funktionen werden mit den oben angegebenen Beziehungen (1) und (2) erhalten. Durch dieselben Beziehungen kann bestimmt werden, daß die Breite jeder Keule bei 3 dB Dämpfung gegenüber dem Maximum etwa gleich k_o/3 ist. Wie in 7 gezeigt, schneiden sich die Hauptkeulen dieser drei Wege bei 3 dB Dämpfung, so daß in erster Näherung drei voneinander unabhängige Störsignal-Meßwerte im Gebiet k_o, 2k_o erhalten werden. Die Werte von k_1v, k_2v und k_3v sind wenig verschieden von den Werten (1 +

1 / 6

)k_o,

3 / 2

k_o und (1 +

5 / 6

)k_o. Es kann natürlich eine größere Anzahl von Wegen gebildet werden, so daß der Wert 2k_o überschritten wird, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, jedoch wird von der Annahme ausgegangen, daß die Energie des Störgeräusches unterhalb der Schallgeschwindigkeit überwiegend im Gebiet k_o, 2k_o auftritt und die Nebenzipfel der Richtdiagramme der Sonarwege jenseits von 2k_o sehr niedrig liegen.The 7 shows the directional functions B (k) of three paths V ₁ , V ₂ , V ₃ along k _1v , k _2v , k _3v , showing only the main lobes. These functions correspond to a noise-measuring antenna, which is composed of twelve transducers, which for the reasons shown below order

are spaced. These functions are obtained with the above-mentioned relationships (1) and (2). By the same relationships, it can be determined that the width of each lobe at 3 dB attenuation from the maximum is approximately equal to k _o / 3. As in 7 shown, the main lobes of these three paths intersect at 3 dB attenuation, so that in a first approximation three independent interference signal measurements in the area k _o , 2k _o are obtained. The values of k _1v , k _2v and k _3v are little different from the values (1 +

1/6

) k _o ,

3/2

k _o and (1 +

5/6

) k _o . Of course, a larger number of paths can be formed so that the value 2k _{o is} exceeded without departing from the scope of the invention, but it is assumed that the energy of the noise below the speed of sound predominantly in the area k _o , 2k _o occurs and the sidelobes of the directional diagrams of the sonar paths beyond 2k _{o are} very low.

Diese speziellen Wegsignale sind dazu bestimmt, nach entsprechender Verarbeitung von den Sonarwegsignalen zu subtrahieren. Diese Wege dürfen daher keine Wellen empfangen, die das eigentliche Signal bilden und dem Gebiet –k_o, k_o entsprechen. Überdies muß vermieden werden, daß diese Wege Störsignale empfangen, die in durch Reflexion entstehende Nebenzipfel des Empfangsdiagramms fallen. Um diese beiden Bedingungen zu erfüllen, müssen diese Empfangsanteile auf jenseits von –2k_o gedämpft werden. Zu diesem Zweck sind die Wandler 33 um den Wert

beabstandet. Es ist nämlich bekannt, daß die Lage der durch Reflexion oder dergleichen verursachten Antennenzipfel vom Abstand zwischen den Wandlern abhängt. Die ersten durch Reflexion entstehenden störenden Antennenzipfel liegen bei Werten von k, so daß X = ±π, d. h. k = k_v ±

2 / πd

. In 7 ist der durch Reflexion entstandene Antennenzipfel I₃ der Richtfunktion des Weges V₃ dargestellt, welcher dem Gebiet –k_o, k_o am nächsten kommt. Er liegt bei einem Wert k_3v – 4k_o, also jenseits von –2k_o.These special path signals are intended to subtract, after appropriate processing, from the sonar path signals. Therefore, these paths must not receive waves that form the actual signal and correspond to the area -k _o , k _o . Moreover, it must be avoided that these paths receive spurious signals that fall in resulting by reflection sidelobes of the reception diagram. To meet these two conditions, these receive components must be attenuated beyond -2k _o . To this Purpose are the transducers 33 around the value

spaced. Namely, it is known that the position of the antenna tabs caused by reflection or the like depends on the distance between the transducers. The first interfering antenna peaks resulting from reflection lie at values of k such that X = ± π, ie k = k _v ±

2 / πd

, In 7 is the resulting by reflection antenna lobe I _{3 of} the directional function of the path V ₃ shown, which is the area -k _o , k _o comes closest. It is at a value k _3v - 4k _o , that is beyond -2k _o .

Aus demselben Grunde müssen die nicht dargestellten Nebenzipfel auf möglichst niedrigem Pegel im Gebiet –k_o, k_o liegen. Zu diesem Zweck werden die speziellen Wege in herkömmlicher Weise gewichtet, indem die von den Wandlern der Störsignal-Meßantenne gelieferten Signale in herkömmlicher Weise mit Amplitudenkoeffizienten behaftet werden.For the same reason, the sidelobes, not shown, must be at the lowest possible level in the region -k _o , k _o . For this purpose, the special paths are weighted in a conventional manner by applying amplitude coefficients in a conventional manner to the signals supplied by the transducers of the interfering signal measuring antenna.

Die in 7 gestrichelt gezeigte Kurve ist die Einhüllende der Scheitel der Richtwirkungsfunktionen und gibt die jedem Wandler in der Ebene xoz eigene Richtwirkung an, wobei die Dimension entlang der Achse ox ungefähr gleich

ist.In the 7 The dashed curve is the envelope of the vertices of the directivity functions and indicates the directivity of each transducer in the xoz plane, the dimension along the axis ox being approximately the same

is.

Weiterhin besitzt der Wandler eine bestimmte Länge L in der Richtung oy und ergibt eine dem Wandler eigene Richtwirkung in der Ebene yoz, deren Breite bei –3 dB Dämpfung gegenüber dem Maximum den Wert 2 / πL der Wellenzahl k aufweist. So ist die –3 dB-Breite eines speziellen Weges entlang der Achse ox gleich

entlang der Achse oy.Furthermore, the transducer has a certain length L in the direction oy and gives the transducer own directivity in the plane yoz whose width at -3 dB attenuation to the maximum the value

2 / πL

the wave number k has. Thus, the -3 dB width of a particular path along the axis ox is the same

along the axis oy.

Bei dem betrachteten Beispiel liegt L in der Größenordnung von 2λ_o, was zu einer Keulenbreite von k_o führt.In the example considered, L is on the order of 2λ _o , resulting in a lobe width of k _o .

In 8 ist ein Schnitt der drei speziellen Wege und eines Sonarweges bei –3 dB Dämpfung gezeigt. In dieser Figur entspricht die Achse k einem beliebigen Radius. Die speziellen Wege liegen auf dem Radius k_x entsprechend der Richtung ox.In 8th is shown a section of the three special paths and a sonar path at -3 dB attenuation. In this figure, the axis k corresponds to any radius. The special paths lie on the radius k _x corresponding to the direction ox.

Um aus den drei Wegsignalen V₁, V₂ und V₃ das von einem Sonarweg zu subtrahierende Signal zu gewinnen, müssen drei Operationen auf diese Signale angewendet werden:

– eine erste Operation besteht darin, die Signale zu korrigieren, damit sie auf Punktmeßwerte zurückgeführt werden, d. h. sie werden für einen Wert k anhand der Richtwirkungsfunktionen korrigiert;
– eine zweite Operation besteht darin, eine Interpolation der drei erhaltenen Störsignalgrößen vorzunehmen, um weitere Zwischenwerte zu gewinnen;
– eine dritte Operation besteht darin, diese Werte mit der Richtwirkungsfunktion eines Sonarweges zu multiplizieren, der für die vorgenannten Werte von k zwischen k_o und 2k_o angenommen wurde, und zwar jeweils für die gesamte Ebene k.

In order to obtain the signal to be subtracted from a sonar path from the three path signals V ₁ , V ₂ and V ₃ , three operations must be applied to these signals:

A first operation is to correct the signals so that they are returned to point readings, ie they are corrected for a value k by the directivity functions;
A second operation is to perform an interpolation of the three received noise quantities to obtain further intermediate values;
A third operation is to multiply these values by the directivity function of a sonar path assumed to be the aforesaid values of k between k _o and 2k _o , each for the whole plane k.

Bei dieser dritten Operation wird vorausgesetzt, daß das Störgeräusch isotrop verteilt ist, daß also die Messungen entlang einem Radius über 360° unverändert bleiben, was allgemein zutrifft, wenn das Torpedo annähernd horizontal ausgerichtet bleibt.In this third operation, it is assumed that the noise is isotropically distributed, so that the measurements remain unchanged along a 360 ° radius, which is generally true when the torpedo remains nearly horizontal.

9 zeigt eine Gruppe von Schaltungen zur Bildung der speziellen Wege und zur Ausführung der drei oben beschriebenen Operationen ausgehend von den Signalen, welche die Wandler der Störgeräusch-Meßantenne 20 liefern. 9 Fig. 12 shows a group of circuits for forming the special paths and performing the three operations described above, starting from the signals which the transducers of the noise measuring antenna 20 deliver.

Mittels der ersten Gruppe 23 werden Signale erhalten, die repräsentativ für das zu subtrahierende Störsignal sind. Sie umfaßt:

– ein Bandpaßfilter 51 zur Filterung jedes Signals um die Frequenz f_o, die im Falle eines aktiven Sonars der Sendefrequenz entspricht; die Bandbreite beträgt beispielsweise ±0,3 f_o;
– drei Phasenschieber 52 zur Phasenverschiebung jedes gefilterten Signals entsprechend den Werten k_1vx_j, k_2vx_j und k_3vx_j, worin x_j die Abszisse des Mittelpunktes des Wandlers auf der Achse ox ist, welcher das betrachtete Signal liefert;
– drei Addierer-Summierer 53 zum Aufsummieren der drei Gruppen von Signalen entsprechend einem Wert von k_v, wobei jede Summation auf die Gesamtheit der N Wandler der Antenne (j = 1 bis N) angewendet wird, um die drei Wegsignale V₁, V₂, V₃ zu liefern;
– drei Teiler 54, welche durch drei Konstanten R₁, R₂ und R₃ teilen, die proportional zu dem Integral der Richtwirkungsfunktion jedes Weges im Raume sind, wobei angenommen wird, daß die Rauschenergie vernachlässigbar ist, also zwischen –2k_o und 2k_o über 360° und für das verarbeitete Frequenzband von beispielsweise 0,6f_o;
– eine Interpolationseinrichtung 55 zur Gewinnung der Zwischenwerte, die für die spätere Verarbeitung benötigt werden; diese Interpolationsberechnung erfolgt auf herkömmliche Weise, beispielsweise parabolisch.

By means of the first group 23 signals are obtained which are representative of the interference signal to be subtracted. It includes:

- a bandpass filter 51 for filtering each signal by the frequency f _o , which in the case of an active sonar corresponds to the transmission frequency; the bandwidth is for example ± 0.3 f _o ;
- three phase shifters 52 for the phase shift of each filtered signal corresponding to the values k _1v x _j , k _2v x _j and k _3v x _j , where x _{j is} the abscissa of the center of the transducer on the axis ox which provides the signal under consideration;
- three adder summers 53 summing the three groups of signals corresponding to a value of k _v , each summation being applied to the entirety of the N transducers of the antenna (j = 1 to N) to provide the three path signals V ₁ , V ₂ , V ₃ ;
- three dividers 54 which are divided by three constants R ₁ , R ₂ and R ₃ , which are proportional to the integral of the directivity function of each path in space, assuming that the noise energy is negligible, ie between -2k _o and 2k _o over 360 ° and for the processed frequency band of, for example, 0.6f _o ;
An interpolation device 55 to obtain the intermediate values needed for later processing; This interpolation calculation is done in a conventional way, for example parabolically.

Mittels der zweiten Gruppe 24 kann das von einem der Sonarwege zu subtrahierende Störsignal erhalten werden. Diese Gruppe enthält:

– mehrere Reihen von Multiplikatoren 56, durch welche die interpolierten Störsignalwerte mit den Richtwirkungswerten des betrachteten Sonarweges zwischen k_o und 2k_o
– entsprechend dem Wellenlängengebiet
multipliziert werden, wobei jede Reihe einer durch die Achse oz verlaufenden Ebene der Richtwirkung des Sonarweges entspricht; die Anzahl von betrachteten Ebenen hängt von den Amplitudenänderungen von einer Ebene zur anderen in Abhängigkeit von der Richtwirkung des Sonarweges ab;
– ein Addierer-Summierer 57 zum Aufsummieren der Gesamtheit von zuvor gewonnenen Werten, um das Störsignal über 360° auf der Vorderseite des Torpedos in dem entsprechenden Ring 80 bei einem Absolutwert k zwischen k_o und 2k_o, wie in 8 gezeigt, zu integrieren.

By means of the second group 24 the interference signal to be subtracted from one of the sonar paths can be obtained. This group contains:

- several rows of multipliers 56 , by which the interpolated interference signal values with the directivity values of the considered sonar path between k _o and 2k _o
- according to the wavelength range
each row of a plane passing through the axis oz corresponds to the directivity of the sonar path; the number of planes considered depends on the amplitude changes from one plane to another depending on the directivity of the sonar path;
An adder summer 57 to sum up the total of previously obtained values to the 360 ° interference signal on the front of the torpedo in the corresponding ring 80 at an absolute value k between k _o and 2k _o , as in 8th shown to integrate.

Das am Ausgang des Addierers-Summierers 57 erhaltene Signal wird bei 25 von dem gewählten, mit 28 bezeichneten Wegsignal subtrahiert.That at the output of the adder summer 57 received signal is added 25 from the chosen, with 28 subtracted path signal subtracted.

Die am Ausgang der Gruppe 23 erhaltenen Störgeräuschsignale werden entweder gleichzeitig in mehreren Gruppen 24 entsprechend jeweils einem Sonarweg verarbeitet oder aber nacheinander in derselben Gruppe 24 verarbeitet, wobei dann für jeden Weg andere Multiplikanden angewendet werden.The at the exit of the group 23 received noise signals are either simultaneously in several groups 24 each processed according to a Sonarweg or successively in the same group 24 processed, in which case different multiplicands are used for each path.

Gemäß einer anderen Ausführungsform besteht die Störgeräusch-Meßantenne 20 aus der Antenne 21 des Sonars selbst. In diesem Falle muß diese Sonarantenne ausreichend durchlässig für die Schallwellen im Bereich unterhalb der Schallgeschwindigkeit sein. Die Abstände zwischen diesen Wandlern müssen so bestimmt sein, daß die durch Reflexion entstandenen Zipfel des Empfangsdiagramms unterdrückt werden, indem beispielsweise der Abstand gleich

gewählt wird.According to another embodiment, the noise-measuring antenna 20 from the antenna 21 In this case, this sonar antenna must be sufficiently transmissive to the sound waves in the range below the speed of sound. The distances between these transducers must be determined in such a way that the edges of the reception diagram produced by reflection are suppressed, for example by equalizing the distance

is selected.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Verarbeitung der Signale aus den speziellen Wegen vereinfacht, um das vom Wegsignal zu subtrahierende Signal zu gewinnen. Zu diesem Zweck wird angenommen, daß die Richtwirkungsfunktion des Sonarweges sich zwischen k_o und 2k_o über ein gegebenes Frequenzband wenig ändert. Die Signale der speziellen Wege V₁, V₂, V₃ werden dann einfach mit konstantem Wert gewichtet, um den ”Kreisring” für den Absolutwert von k zwischen k_o und 2k_o zu überdecken.According to a further embodiment, the processing of the signals from the special paths is simplified in order to obtain the signal to be subtracted from the path signal. For this purpose, it is assumed that the directivity function of the sonar path changes little between k _o and 2k _o over a given frequency band. The signals of the special paths V ₁ , V ₂ , V ₃ are then simply weighted with constant value to cover the "annulus" for the absolute value of k between k _o and 2k _o .

Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Störgeräusch-Meßantenne besteht diese aus einem komplexeren Raster von Wandlern als eine einfache Zeile, beispielsweise zwei aufeinander senkrechten Zeilen, um eine Störgeräuschmessung in mehreren Symmetrieebenen der Antenne 21 durchzuführen und eine Kompensation bezüglich bestimmter Inhomogenitäten der Störgeräuschverteilung um die Sonarantenne herum vorzunehmen, beispielsweise wenn das Torpedo sich unter einem Neigungswinkel zur Horizontalebene fortbewegt.According to a further embodiment variant of the noise-measuring antenna, this consists of a more complex grid of transducers as a simple line, for example, two mutually perpendicular lines to a noise measurement in several planes of symmetry of the antenna 21 and compensate for certain inhomogeneities in the noise distribution around the sonar antenna, for example, when the torpedo travels at a tilt angle to the horizontal plane.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auf alle Sonarsysteme anwendbar, deren Antenne sich im Wasser bewegt. Insbesondere kann ein passives Sonar, welches Signale in einem auf die Frequenz f_o zentrierten breiten Frequenzband empfängt, eine solche Störgeräusch-Reduziervorrichtung mit gleichen Kenndaten enthalten, um das Störgeräusch in einem Wellenlängenbereich unterhalb von λ_o zu reduzieren. Die Bildung der speziellen Wege geschieht dann über Verzögerungen anstelle von Phasenverschiebungen.The device according to the invention is applicable to all sonar systems whose antenna moves in the water. In particular, a passive sonar, which receives signals in a wide frequency band centered on the frequency f _o , may include such a noise reducing device having the same characteristics to reduce the noise in a wavelength region below λ _o . The formation of the special paths then happens via delays instead of phase shifts.

Claims

Device for subtracting noise signals for a sonar antenna ( 21 ) in a sonar which, in addition to this antenna, has a first electronic circuit ( 22 ) includes at least one path signal, characterized in that: - at least one noise-measuring antenna ( 20 ), which is permeable to ultrasonic waves and located in the same place as the sonar antenna ( 21 ) is located; A second electronic circuit ( 23 . 24 ) emitted by the noise measuring antenna ( 20 ) and provides for each sonar path a signal representative of the pure noise received by that sonar path; - Medium ( 25 ) are provided to subtract each of these noise representative signals from each path signal.

Device according to Claim 1, for an active sonar operated at a frequency f _o , or passive sonar operated at a frequency band centered at f _o , characterized in that a noise-measuring antenna ( 20 ) and a second electronic circuit ( 23 . 24 ) are provided which are adapted to provide a signal which is only representative of sound waves of a wavelength which is between

to form the signal representative of the pure interfering signal, where λ _{o is} equal to C _o / f _o , where C _{o is} the velocity of sound in the water.

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the noise-measuring antenna ( 20 ) through a part of the sonar antenna ( 21 ) is formed, which is permeable in all directions for the sound waves.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the noise-measuring antenna ( 20 ) is formed of piezoelectric polymer of the type polyvinylidene fluoride PVF ₂ .

Device according to one of Claims 2 to 4, characterized in that the second electronic circuit ( 23 . 24 ) Medium ( 23 ) which are common to all sonar paths, around the noise representative signals in the wavelength region

with: - first resources ( 51 to 53 ) for forming a plurality of noise measurement paths; - second means ( 54 ) for dividing each noise measurement path signal by a coefficient proportional to the integral of the directivity of the associated measurement path; - third means ( 55 ) to interpolate between the noise measurement path signals a plurality of signals representative of the interference signal for a plurality of particular wavelength values between

to obtain; whereby for each sonar path, means ( 23 ) are provided, which are provided with; - fourth means ( 56 ) for multiplying each signal representative of the noise received from the third means ( 55 ), with a coefficient which is the directivity of the considered sonar path in the wavelength region

represents; - fifth means ( 57 ) in order to benefit from the fourth ( 56 ), the sum of which is the signal representative of the noise for the sonar path under consideration.

Sonar, characterized in that it contains a device according to one of claims 1 to 5.