DE3829532A1

DE3829532A1 - Passives akustisches Telemetrieverfahren

Info

Publication number: DE3829532A1
Application number: DE3829532A
Authority: DE
Inventors: Michel Rivet
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1987-09-01
Filing date: 1988-08-31
Publication date: 1993-11-25
Also published as: IT8867682A0; GB2267755B; IT1241398B; GB8820419D0; GB2267755A

Description

Die Erfindung betrifft ein passives akustisches Telemetrie verfahren, insbesondere ein Entfernungsmeßverfahren, bei welchem die Richtung und Entfernung einer Schallquelle be stimmt werden können, indem mittels drei ausgerichteten Si gnalaufnehmern die Krümmung der Wellenfront des von der Schallquelle ausgehenden Signals ausgemessen wird, das bei spielsweise aus Impulsen einer Frequenz zwischen 1 und 50 kHz besteht.

Bei bekannten Systemen werden, wie in Fig. 1 der beigefügten Zeichnung gezeigt, drei auf einer Linie liegende Signalauf nehmer 1, 2, 3 verwendet, deren Abstand voneinander L be trägt. Eine Signalquelle E befindet sich in einer Entfernung D von dem mittleren Signalaufnehmer 2 und unter einem Sei tenwinkel R_o in bezug auf die Normale zur Ausrichtungslinie der drei Signalaufnehmer.

Die Wellenfront, die auf der Basis auftrifft, welche durch die drei Signalaufnehmer gebildet ist, hat praktisch eine kreisrunde Krümmung, und die Ankunftszeitpunkte an jedem Signalaufnehmer sind voneinander verschieden. Bei der hier betrachteten Richtung trifft die Wellenfront zuerst auf den Signalaufnehmer 1, dann auf den Signalaufnehmer 2 mit einer Verzögerung τ₁₂ gegenüber dem Signalaufnehmer 1 und schließ lich mit einer Verzögerung τ₂₃ gegenüber dem Signalaufnehmer 2 an dem Signalaufnehmer 3. Die beiden verschiedenen Zeit differenzen des Auftreffens an den Signalaufnehmern ermögli chen die Ableitung des Winkels R_o und der Entfernung D über folgende Formeln:

und

Darin ist c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen in dem betrachteten Medium, im allgemeinen Wasser.

Zur Messung von τ₁₂ und τ₂₃ werden in zwei Verarbeitungs schaltungen 10, 11 die von den Signalaufnehmern 1, 2 einer seits und 2, 3 andererseits abgegebenen Signale miteinander korreliert. Aus der Lage der Maxima der beiden Interkorrela tionsfunktionen werden die Meßwerte für τ₁₂ und τ₂₃ abgelei tet. Diese Verarbeitung erfolgt meistens digital, ebenso wie die Berechnung von R_o und D, in einer Schaltung 27.

Wenn die Signalquelle E ein Schallsignal abgibt, beispiels weise von den Schiffsschrauben, so handelt es sich um einen breiten Frequenzbereich, und die Interkorrelationsfunktionen weisen ein einziges Maximum auf. Es ist daher keine Mehrdeu tigkeit bei der Entfernungsbestimmung der Geräuschquelle vorhanden.

Wenn die Signalquelle E aber Schallimpulse aussendet, bei spielsweise die Schallimpulse eines Sonars, mit dem ein Schiff oder Torpedo ausgestattet ist, so ist das Frequenz band schmal, so daß die Interkorrelationsfunktionen ebenso viele Maxima aufweisen wie Phasenangleichungen der Signale an den Paaren von Signalaufnehmern auftreten.

Wie in Fig. 2 veranschaulicht ist, trifft ein Impuls B der Frequenz f zuerst an dem Signalaufnehmer 2 auf und dann an dem Signalaufnehmer 1, nachdem eine zusätzliche Strecke L sin R_o durchlaufen wurde, die einer Verzögerung τ = L/c sin R_o entspricht.

Die Phasenverschiebung der Signale an den Signalaufnehmern beträgt somit ϕ = 2πf, was einer Reihe von aufeinanderfol genden Maxima für (ϕ = ±2kπ entspricht, d. h. τ = ±k/f, mit k ganzzahlig.

Da die Entfernung L größer ist als die Wellenlänge λ = c/f, damit meßbare Verzögerungen vorliegen, ist das Aufsuchen der Maxima der zwei Interkorrelationsfunktionen mit einer Mehr deutigkeit behaftet, welche einer Unbestimmtheit entspricht, die gleich ±k/f ist, worin f die Mittenfrequenz des Impulses ist. Die Mehrdeutigkeit ist um so störender, je kleiner 1/f ist, also f groß ist.

Nach dem Stand der Technik wird diese Mehrdeutigkeit aufge löst, indem die Entfernung grob gemessen wird. Diese grobe Abschätzung erfolgt durch Messung der drei Ankunftszeitpunk te an den drei Signalaufnehmern. Zu diesem Zweck wird die Anstiegsflanke des Impulses aufgrund des Überschreitens eines vorbestimmten Pegels erfaßt. Diese Technik kann als "Schwellwertmarkierung" bezeichnet werden. Sie setzt aber voraus, daß die Anstiegsflanken steil sind, was impliziert, daß unverformte Impulse von guter Rechteckform vorliegen. Dies entspricht aber nicht den wirklichen Betriebsbedingun gen, denn die Impulse können oft gewichtet sein, beispiels weise als Gaußsche Funktion, und das Ausbreitungsmedium übt starke Störungen auf die Anstiegsflanken aus, selbst bei gu tem Signal-Störsignal-Verhältnis.

Bei einer Länge L = 100 m und einer Entfernung D = 10 km, die zur Veranschaulichung gewählt werden, ist die Zeitdifferenz zwischen der Ankunft auf einem der beiden äußeren Signalauf nehmer und dem mittleren Signalaufnehmer gleich 165 Mikrose kunden. Man sieht also, daß die Lage der Anstiegsflanke der Impulse mit einer Genauigkeit von etwa 10 Mikrosekunden be stimmt werden muß, was sehr schwierig ist, insbesondere dann, wenn die Impulse gewichtet sind.

Zur Auflösung der Mehrdeutigkeit in einem solchen System schlägt die Erfindung vor, eine Korrelation des Signals aus dem mittleren Signalaufnehmer mit den Signalen von zwei wei teren Signalaufnehmern durchzuführen, die gegenüber den bei den äußeren Signalaufnehmern geringfügig versetzt sind. Man erhält so zwei Reihen von verschiedenen Korrelationsmaxima, und die Mehrdeutigkeit wird aufgelöst, indem die Maxima der zwei Reihen markiert werden, die miteinander zusammenfallen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfin dung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Skizze, welche eine bekannte Vorrichtung zeigt;

Fig. 2 einen Impuls der Frequenz f, welcher die Signalauf nehmer 1 und 2 in Fig. 2 erregt;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vor richtung; und

Fig. 4 den Vergleich der zwei Reihen von Maxima, die mit der Vorrichtung nach Fig. 3 bestimmt wurden.

Es wird nun anhand von Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Teleme triesystem beschrieben. Auf einem Träger, beispielsweise ein Schiff oder Unterseeboot, sind drei Platten P₁, P₂, P₃ ange ordnet, die ihrerseits drei Signalaufnehmer A, B, C tragen. Diese Platten liegen auf jeder Flanke des Rumpfes und sind so befestigt, daß ein möglichst kleiner Ausrichtungsfehler erzielt wird.

Die Signale dieser Antennen werden in Korrelatoren 11, 21 verarbeitet, um zwei Interkorrelationsfunktionen C_AB(τ) und C_CB(τ) zu gewinnen. Wenn f_o die Arbeitsfrequenz ist, die beispielsweise durch Filterung der von den Antennen abgege benen Signale um die Frequenz f_o gewonnen wird, so weisen diese zwei Funktionen Maxima auf, deren Periodizität τ gleich 1/f_o ist, wie zuvor erläutert wurde. Die Lage der Maxima von C_AB(τ) ist gegeben durch:

Die Lage der Maxima von C_CB(τ) ist gegeben durch:

Die Differenz zwischen den Lagen der Maxima ist somit ebenfalls eine Folge von periodischen Werten τ₁:

Das "wahre" Maximum, welches dem genauen Wert von D ent spricht, ist dasjenige, welches k₁ = 0 entspricht.

Die Berechnungen zur Gewinnung dieser Folge von Werten τ₁ werden in einer Schaltung 13 ausgeführt.

Gemäß der Erfindung sind auf den Platten P₁ und P₃ zwei wei tere Signalaufnehmer A₁ und C₁ angebracht, die mit den Si gnalaufnehmern A und C vollkommen übereinstimmen. Diese zwei Signalaufnehmer A₁ und C₁ liegen auf derselben Höhe und in der Flucht der drei Signalaufnehmer A, B, C, sind jedoch ho rizontal um einen Abstand l versetzt, um mit dem Signalauf nehmer B eine zweite Meßbasis mit einem Abstand L₁ zwischen den verschiedenen Signalaufnehmern zu bilden. Im Falle der Zeichnung ist L₁ < L, man kann aber auch L₁ < L wählen.

Die Ausfluchtungsfehler der Platten sind für die zwei Meß basen dieselben. Es werden somit keine zusätzlichen Fehler aufgrund von Fehlausrichtungen eingebracht.

Um die zwei Signalaufnehmer auf derselben Platte unterbrin gen zu können, ist l sehr viel kleiner als L. Man schreibt also L = α L₁, was zu α = 1 + 1/L₁ führt.

In gleicher Weise wie zuvor werden die Signale der Signal aufnehmer A₁, B, C₁ in zwei Korrelatoren 12, 22 verarbeitet, um zwei Interkorrelationsfunktionen C_A1B(τ) und C_C1B(τ) zu gewinnen. Die Lage der Maxima dieser Funktionen ist durch dieselben Ausdrücke gegeben, worin L durch L₁ ersetzt wird.

Die Differenz in der Lage der Maxima der zwei Funktionen ist somit eine Folge von periodischen Werten:

Diese Folge wird ebenfalls mittels der Schaltung 13 gewonnen.

Man multipliziert dann die Folge von Werten von τ′ mit α², um eine Folge von Werten für τ₂ zu gewinnen:

Das Zusammenfallen für k₁ = k₂ = 0 ermöglicht die Ableitung der Entfernung D über:

Die anderen Übereinstimmungen treten auf für:
k₁ = α k₂ ≠ 0.

Wie oben bereits ersichtlich wurde, ist α und folglich auch α² etwas größer als 1. Man kann also schreiben:
α² = 1 + ε, mit ε gleich gegenüber 1.

Die Bedingung dafür, daß die Werte der zwei Folgen τ₁, τ₂ koinzident sind, lautet dann: k₁ = k₂ (1 + ε). Diese Koinzi denzen erzeugen Mehrdeutigkeiten, deren Anzahl jedoch weni ger groß ist als bei Betrachtung nur einer einzigen Folge.

Es werden also die Koinzidenzen in einer Schaltung 15 be stimmt, indem die Abweichungen zwischen den Werten der zwei Folgen τ₁ und τ₂ gemessen werden und die Wertepaare markiert werden, für welche die Abweichungen verschwindend klein sind oder zumindest innerhalb einer Spanne liegen, durch welche Meßfehler berücksichtigt werden. Es werden also nur diejeni gen Werte der Folge τ₁ weiterverarbeitet, die einem beliebi gen Wert der Folge τ₂ am nächsten kommen.

Der Winkel R_o wird im übrigen in einer Vorrichtung 16 gemes sen. Man kann diese Messung mittels einer getrennten Sonar antenne durchführen oder eine Messung durch "Schwellwertmar kierung" an den Anstiegsflanken des Impulses vornehmen, da das Verfahren für die Messung des Winkels R_o weniger kritisch als für die der Entfernung D ist.

Da man nun über R_o und die Werte von τ₁ verfügt, welche den Koinzidenzen entsprechen, kann man in einer Schaltung 17 die entsprechenden Werte der Entfernungen berechnen durch:

Um die effektive Entfernung zu gewinnen, wird eine grobe Abschätzung dieser Entfernung vorgenommen, beispielsweise durch "Schwellwertmarkierung" an den Anstiegsflanken der Impulse in einer Vorrichtung 18. Auf diese Weise kann der richtige Wert für D unter den zuvor gewonnenen Werten ausge wählt werden, indem in einer Schaltung 19 ein Vergleich zwi schen diesem Schätzwert und den in der Schaltung 17 abgelei teten Werten vorgenommen wird.

Zu diesem Zweck müssen die Entfernungen D, die den verblei benden Mehrdeutigkeiten entsprechen, deutlich von der ge schätzten Entfernung verschieden sein. Dies erreicht man, indem zwischen zwei aufeinanderfolgenden Mehrdeutigkeiten eine ausreichende Anzahl von Mehrdeutigkeiten entfernt wird.

Zwischen jeder Koinzidenz eines Maximums der zwei Folgen τ₁, τ₂ treten

Maxima von τ₁ auf, die ebenso vielen Mehrdeutigkeiten entsprechen, welche mit k_A bezeichnet wer den sollen. Es werden somit um so mehr Mehrdeutigkeiten auf gelöst, desto kleiner ε ist. Da nicht unendlich klein sein kann, denn es kann nicht gleich Null sein, müssen zwischen zwei verbleibenden Mehrdeutigkeiten die erhaltenen Entfer nungen ausreichend verschieden sein, damit diejenigen elimi niert werden können, die nicht plausibel sind.

Um die k_A Mehrdeutigkeiten auflösen zu können, muß die Dif ferenz bzw. Abweichung für beispielsweise die zwei Positio nen k₁ = 0, k₂ = 0 und k₁ = 1, k₂ = 1 gemessen werden. In Fig. 4 ist schematisch der Fall von zwei Reihen von Maxima τ₁ und τ₂ gezeigt, für welche die erste nicht verschwindende Koinzidenz für k₁ = 5 und k₂ = 4 auftritt. Für τ₁ ist die Abweichung zwischen zwei Maxima von der Größe , und für τ₂ hat sie die Größe .

Jeder Wert von τ₁ und τ₂ ist mit einem Meßfehler behaftet. Die notwendige und ausreichende Bedingung dafür, daß die k_A Mehrdeutigkeiten aufgelöst werden, besteht somit darin, daß die Abweichung der Werte von τ₁ und τ₂ für k₁ = k₂ = 1 derge stalt ist, daß die verbleibende Abweichung bei sich vonein ander subtrahierenden Fehlern wenigstens gleich derjenigen ist, welche man erhält, wenn die Fehler für k₁ = k₂ = 0 sich zueinander addieren. Diese Bedingung ergibt 1/k_Af_o < 4Δτ, wobei davon ausgegangen wird, daß die Meßfehler für die zwei Folgen gleich sind.

Die maximale Betriebsfrequenz des Systems ist also gegeben durch:

Die Anzahl k_A von aufzulösenden Mehrdeutigkeiten wird so bestimmt, daß zwischen der wirklichen Entfernung (k₂ = 0) und der ersten mehrdeutigen verbleibenden Entfernung (k₂ = k_A) eine solche Differenz vorhanden ist, daß sie nicht plausibel ist.

Das System wird vollständig definiert, indem L₁ auf folgende Weise bestimmt wird:

Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel der Erfindung ermög licht das Telemetriesystem die Auflösung von vier Mehrdeu tigkeiten, d. h. k_A = 4. Man erhält:

Für L=25 m ist z. B. L₁=22,36 m, d. h. 1=2,64 m.

Die maximale Frequenz f_{o max} kann erhalten werden, indem man den Meßfehler Δτ abschätzt. Dieser Fehler stammt allein von Fehlern aufgrund von Rauschen und der Ungenauigkeit der Be rechnungen, denn die zwei Signalaufnehmer A₁ und C₁ sind in gleicher Weise mit Fehlern behaftet, welche auf einer Fehl ausrichtung beruhen, denn sie sind auf denselben Platten wie die Signalaufnehmer A und C angebracht.

Die auf Rauschen beruhender Fehler werden über den Grenzwert von CRAMER-RAO abgeschätzt. Dieser Wert ist annähernd durch folgenden Ausdruck gegeben:

Darin ist R das Leistungs-Signal-Rausch-Verhältnis.

Wenn Δτ_c der Fehler ist, welcher auf der Ungenauigkeit der Berechnungen beruht, so ist Δτ = Δτ_R + Δτ_c, und die maximale Frequenz, mit welcher das Systems verwendet werden kann, ist folglich gegeben durch:

Beim Sonarempfang liegt das Signal-Rausch-Verhältnis in der Größenordnung von 20 dB, d. h. R = 10. Wenn Δτ_c = 1 µs, so erhält man für k_A = 4 die maximale Frequenz f_{o max} = 27 kHz.

Die letzte verbleibende Mehrdeutigkeit liegt bei einem Wert τ = 5/f_o des wahren Wertes, d. h. für 27 kHz bei 185 Mikrose kunden. Für eine Entfernung von 10 km beträgt die wahre Ver zögerung 42 Mikrosekunden für L = 25 m und R_o = 0. Bei einer Verzögerung von 227 Mikrosekunden beträgt die erhaltenen Entfernung 1,8 km, was nicht plausibel ist.

Im übrigen darf der Fehler in der Richtung R_o keinen großen Entfernungsfehler nach sich ziehen.

Wenn die Richtung R_o bis auf ΔR_o bekannt ist, so hat die Un genauigkeit der Entfernung D die Größe ΔD. Der relative Feh ler dieser Entfernung ist also:

Wenn R_o durch "Schwellwertmarkierung" an den Impulsen abge leitet wird, ist der relative Entfernungsfehler klein. Für Impulse, die eine steile Vorderflanke aufweisen, ist ΔR_o kleiner als ein Grad, wenn R_o zwischen -45° und +45° liegt, d. h. |ΔD|/D < 3%. Für gewichtete Impulse kann man aus Erfah rung feststellen, daß R_o die Größenordnung von ± 2,5° auf weist, d. h. |ΔD|/D ≅ 8,5%, was einen noch tragbaren Fehler bedeutet.

Claims

1. Passives akustisches Telemetrieverfahren unter Verwen dung von drei Signalaufnehmern (A, B, C), welche Schallim pulse mit einem schmalen Frequenzband empfangen, die von einer Schallquelle (E) ausgesendet werden, die in einer Ent fernung D unter einem Seitenwinkel R_o liegt, bei welchem er ste Korrelationen (11, 21) zwischen dem Signal eines ersten Signalaufnehmers (B) und den Signalen der zwei anderen Si gnalaufnehmer (A, C) durchgeführt werden, um eine erste Fol ge von Verzögerungswerten zu gewinnen, wovon nur einer der gewünschten Messung entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse zusätzlich mittels zwei weiteren Signalaufneh mern (A₁, C₁) aufgefangen werden, von denen jeder in einem kleinen Abstand von einem der zwei Signalaufnehmer (A, C) liegt, daß zweite Korrelationen (12, 22) durchgeführt werden, nämlich zwischen dem Signal des ersten Signalaufnehmers (B) und den Signalen der zwei weiteren Signalaufnehmer (A₁, C₁), um eine zweite Folge von Verzögerungswerten abzuleiten, von denen ein einziger der gewünschten Messung entspricht, und daß die zwei Folgen von Verzögerungswerten miteinander ver glichen werden, um die Koinzidenzen der Werte zu bestimmen (15).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Koinzidenz der Werte diejenigen Werte der ersten Folge aufbewahrt werden (15), welche am nächsten bei einem beliebigen Wert der zweiten Folge liegen, daß die ent sprechenden Entfernungen berechnet werden (17) und daß die wahre Entfernung (D) ausgewählt wird (19).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die fünf Signalaufnehmer in einer Flucht liegen, daß der erste Signalaufnehmer (B) die mittlere Position ein nimmt, die zwei anderen Signalaufnehmer (A, C) beiderseits des ersten in einem Abstand L gelegen sind und die zwei wei teren Signalaufnehmer (A₁, C₁) beiderseits des ersten Si gnalaufnehmers (B) in einem solchen Abstand L₁ liegen, daß L - L₁ = l, wobei l einen Wert aufweist, der klein gegenüber L und L₁ ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß die Maxima der ersten Korrelationen (11, 21) sub trahiert werden (13), um die erste Folge von Verzögerungen (τ₁) zu gewinnen, daß die Maxima der zweiten Korrelationen (11, 22) subtrahiert werden (13), um eine weitere Folge von Verzögerungen abzuleiten, daß diese weitere Folge mit einem Koeffizienten α² (1 + 1/L₁)² multipliziert wird (14), um die zweite Folge von Verzögerungen (τ₂) zu gewinnen, und daß die erste und die zweite Folge miteinander verglichen wer den, um wenigstens Mehrdeutigkeiten aufzulösen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die verbleibenden Mehrdeutigkeiten aufge löst werden, indem die berechneten Werte der Entfernungen mit einem durch andere Mittel geschätzten Entfernungswert (18) verglichen werden (17).

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Wert (18) durch Schwellwertmarkierung an den Anstiegs flanken der Impulse, welche von den Signalaufnehmern (A, C) empfangen werden, abgeschätzt wird.