DE60025686T2

DE60025686T2 - Verfahren und Gerät zur Bestimmung der Form einer linearen Antenna und zur Auflösung der Richtungsmehrdeutigkeit

Info

Publication number: DE60025686T2
Application number: DE2000625686
Authority: DE
Inventors: Laurent Espinasse; Stephane Jespers
Original assignee: DCN SA
Current assignee: DCN SA
Priority date: 1999-11-09
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2020-11-10
Also published as: FR2800879A1; FR2800879B1; DE60025686D1; EP1099958A1; EP1099958B1

Description

Die Erfindung betrifft den Bereich der Signalbehandlung und insbesondere ein Verfahren zum Kompensieren der Verformungen einer beweglichen linearen Kette von Sensoren.
Lineare Ketten von Sensoren werden insbesondere im Bereich der Sonare verwendet.
In diesem Bereich ist es bekannt, geschleppte elektroakustische lineare Antennen zu verwenden, wie sie beispielsweise in dem Patent EP 782010 beschrieben sind und die aus Mitteln zur Erzeugung mindestens eines Signals, Mitteln zur Übertragung dieses Signals zu Emissionstransduktoren bestehen, die in einer dichten Hülle angeordnet sind, in deren Verlängerung Signalempfangstransduktoren angeordnet sind, die mit Mitteln zur Behandlung der von diesen Empfangstransduktoren empfangenen Signale verbunden sind.
Die Sendetransduktoren werden durch Kabel in einem festen Intervall gehalten, das der Sendefrequenz entspricht.
Man kennt andere geschleppte lineare Antennen, wie z.B. diejenigen, die nur Mittel zum Empfangen von Signalen und Mittel zur Verarbeitung dieser Signale umfassen, oder diejenigen, die Transduktoren umfassen, die sowohl im Empfang als auch in der Sendung verwendet werden können und die mit Mitteln zur Erzeugung mindestens eines Signals sowie mit Mitteln zur Verarbeitung der von den Empfangstransduktoren empfangenen Signale verbunden sind.
Wenn die von den Transduktoren der Antenne kommenden Signale in der Frequenzdomäne dargestellt sind und in geeigneter Weise in einer besonderen Richtung phasenverschoben oder verzögert sind, erhält man in dieser Richtung eine maximale Antwort.
Diese maximale Antwort kann mit einer Kanalbildungsvorrichtung erhalten werden.
Die Kanalbildungsvorrichtungen mit Phasenverschiebung werden im Allgemeinen wegen der Möglichkeit der Verwendung von Fourier-Transen und der auf diese Weise erhaltenen schnellen Behandlung verwendet. Sie gestatten die Schätzung des Seitenwinkels sowie der Entfernung eines Ziels, auch Geräuschquelle genannt, mit einer guten Genauigkeit, wenn die Antenne vollkommen geradlinig ist.
Eine von einer Zugmaschine, beispielsweise einem Schiff oder einem U-Boot geschleppte lineare Antenne, die mehrere zehn Meter misst, bleibt jedoch bei ihrer Bewegung nicht geradlinig, und zwar wegen der mechanischen Kräfte, die auf sie ausgeübt werden, wie beispielsweise diejenigen, die durch die Änderungen der Geschwindigkeit und/oder des Kurses des Schleppfahrzeugs oder der Bewegungen des Fluids verursacht werden, im vorliegenden Fall bei Sonaren das Wassers, in dem die Antenne geschleppt wird.
Nun erzeugt diese Verformung der Antenne zahlreiche Nachteile, z.B.:

– Die Beeinträchtigung des Richtwirkungsdiagramms der Antenne und insbesondere die Verbreiterung der Hauptkeule, die die Spurverfolgung der Geräuschquellen zufälliger macht, sowie eine Vergrößerung der Nebenkeulen, die Erfassungsverluste mit sich bringt.
– Ein Verlust des Kontakts mit schwachen Geräuschquellen infolge des Gewinnverlusts der Antenne.

Bisher wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen, um diese Nachteile zu beseitigen. So kann man insbesondere diejenigen nennen, bei denen äußere Vorrichtungen verwendet werden, die z.B. mit Hilfe von Telemetrie arbeiten und akustische Detektoren verwenden, die längs der Antenne regelmäßig verteilt sind und akustische Wellen erfassen, die von dem Zugfahrzeug gesendet werden. Die Behandlung der von diesen Detektoren empfangenen Signale insbesondere durch Triangulierung gestattet es, die Form der Antenne zu bestimmen.
Man kennt auch die Verwendung von magnetischen Sensoren, die in der Antenne regelmäßig verteilt sind, und die Verwendung der von diesen Sensoren gesendeten Signale gestattet die Bestimmung der Form der Antenne, wie beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung EP 0 600 242 beschrieben wird.
Diese Verfahren besitzen den Nachteil, dass sie umfangreiche Änderungen der bestehenden Antennen erfordern, um implantiert werden zu können.
Um die Anzahl von vorzunehmenden Änderungen zu verringern, ist es bekannt, einige magnetische Sensoren zu verwenden, sowie eine Modellisierung der Verformung der Antenne auf Höhe der Mittel zur Verarbeitung der von diesen gesendeten Signale.
Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass es vor seinem operationellen Einsatz zahlreiche Versuche erfordert, um eine angemessene Modellisierung der Form der Antenne zu definieren.
Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile durch Schaffung eines Verfahrens zu beseitigen, das die Form einer linearen Antenne bestimmen kann, ohne den Zusatz von Mitteln auf Höhe der Antenne zu erfordern, also ohne dass es erforderlich ist, sie zu verändern.
Die vorgeschlagene Lösung ist ein Verfahren zur Bestimmung der Form einer in einem Fluid geschleppten linearen Antenne (3) der Länge La, wobei diese Antenne akustische Sensoren (H1 ... Hn) umfasst, die längs dieser Antenne (3) verteilt sind und Signale empfangen und an Mittel zur Verarbeitung der von diesen Sensoren kommenden Signale angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht,

– dass eine Anzahl N von aufeinander folgenden Antennensegmenten S₁ bis S_N jeweils mit der Länge L₁ bis L_N definiert wird, wobei N >= 2 und vorzugsweise Σ N / 1(Si) >= La,
– dass bei jedem Segment S₁ bis S_N Seitenwinkelkanäle V_i1 bis V_iN ausgehend von den Signalen der Fühler ein und desselben Segments, von der Lage der Sensoren auf der Antenne, von der Frequenz und von der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Wellen in dem Fluid gebildet werden,
– dass bei jedem Paar von Segmenten S_k, S_k+1 und bei jedem Kanal V_ik das Kreuzspektrum in Abhängigkeit von der Zeit und der Frequenz errechnet wird,
– dass bei jedem Paar von Segmenten S_k, S_k+1 und bei jedem Kanal V_ik die Kolinearitätswinkeldifferenz Φco_k/k+1 zwischen den beiden Segmenten errechnet wird und dann die vollständige Form der Antenne ausgehend von den einzelnen auf diese Weise berechneten Kolinearitätswinkeldifferenzen bestimmt wird.

Gemäß einem besonderen Merkmal, das die Verringerung der Berechnungszeiten gestattet, ist diese Kanalbildung eine Bildung von Spektralkanälen.
Gemäß einem zusätzlichen Merkmal wird die Bildung von Kanälen durch Seitenwinkel nach der folgenden Gleichung durchgeführt:
in der:

V_ik(f, t): die Leistung des betreffenden Kanals i bei dem Segment k bei der Frequenz f und zum Zeitpunkt t ist
S_j(f, t):: das von dem betreffenden Hydrophon j empfangene Signal mit der Frequenz f und zum Zeitpunkt t
θ_i: der Seitenwinkel des betreffenden Kanals i bezüglich des vorderen Teils der Antenne ist,
L:: der Abstand in Metern des betreffenden Hydrophons von einem den Nullpunkt der Abstände bildenden Hydrophon,
f:: Frequenz, bei der der Kanal gesucht wird,
c:: Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalls in dem Medium, in dem die Antenne badet.

Gemäß einem anderen zusätzlichen Merkmal liegt jeder gebildete Kanal in der Form einer Folge von komplexen Zahlen vor und besteht der Rechenschritt für jedes Paar von Segmenten S_k, S_k+1 und für jeden Kanal des Kreuzspektrums darin, dass für jeden Kanal V_ik(f, t) und für jedes Paar von aufeinander folgenden Segmenten k und k + 1 die komplexen Zahlen des gebildeten Kanals des Segments k mit den zugeordneten komplexen Zahlen des gebildeten Kanals des folgenden Segments k + 1 bei den entsprechenden Frequenzen und Zeiten multipliziert wird.
Gemäß einem anderen zusätzlichen Merkmal besteht die Berechnung der Kolinearitätswinkeldifferenz Φco_k/k+1 zwischen den Segmenten bei jedem Paar von Segmenten S_k, S_k+1 und bei jedem Kanal V_ik darin, dass das Argument Ψ_k/k+1 aus dem Ergebnis des Produkts dieser komplexen Zahlen extrahiert wird, wobei dieses Argument eine Funktion der Phasendifferenz zwischen den Sensoren der beiden Segmente ist, und dass die Kolinearitätswinkeldifferenz mit der folgenden Gleichung berechnet wird: Φcok/k+1 = arccos(1/2π·cos(Ψk/k+1)·c/(f/Ls)) (2)worin Ls die Zwischenraumlänge zwischen den beiden Segmenten k und k + 1 ist.
Gemäß einem zusätzlichen Merkmal umfasst das Verfahren einen Schritt, der darin besteht, dass bei jedem Paar von Segmenten S_k, S_k+1 und bei jedem Kanal die Kolinearitätswinkeldifferenz Φco_k/k+1 durch die Leistung des entsprechenden Kanals gewichtet wird, wobei dieser Schritt darin bestehen kann, dass bei jedem Paar von Segmenten S_k, S_k+1 und bei jedem Kanal die Kolinearitätswinkeldifferenz durch die Norm des Ergebnisses des Produkts dieser komplexen Zahlen gewichtet wird. Es kann außerdem einen Schritt der Schwellenwertbildung für die Norm des Ergebnisses des Produkts dieser komplexen Zahlen umfassen.
Gemäß anderen Merkmalen umfasst das Verfahren einen Schritt, der darin besteht, dass bei jedem Kanal das mittlere Rauschen auf allen Frequenzen und bei jeder Frequenz das Signal-Rausch-Verhältnis R errechnet wird, und kann einen Schritt der Berechnung der Verbindung zwischen Segmenten ausgehend von der folgenden Gleichung umfassen: Tk/k+1 = ΣfΣt(R·arccos(1/2π·cos(ψk/k+1)·c/(f/L)))/ΣfΣtRworin R das Verhältnis Signal zu mittlerem Rauschen ist,
und gegebenenfalls einen Endschritt der Parametrierung der Form der Antenne beispielsweise in Form eines Kreisbogens.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Beseitigung der Mehrdeutigkeit einer in einem Fluid geschleppten linearen Antenne der Länge La, wobei diese Antenne akustische Sensoren (H1 ... Hn) umfasst, die längs dieser Antenne verteilt sind und Signale empfangen und an Mittel zur Verarbeitung der von diesen Sensoren kommenden Signale angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht,

– dass die Form der Antenne bestimmt wird,
– dass auf zu beiden Seiten der Antenne gelegenen Seitenwinkeln Kanäle gebildet werden,
– dass die Geräuschquellen Bn erfasst werden,
– dass für jede Geräuschquelle die beiden Leistungswerte verglichen werden, deren einer auf einer Seite der Antenne und deren anderer auf der anderen Seite erfasst wird, und dann nur derjenige genommen wird, der den höheren Wert besitzt, wobei dieser der Seite entspricht, auf der sich die Geräuschquelle tatsächlich befindet, wobei der Schritt der Wahl der Geräuschquellen durch Schwellenwertbildung für das Signal-Rausch-Verhältnis durchgeführt werden kann.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung der Form einer in einem Fluid geschleppten Schleppantenne, wobei diese Antenne akustische Sensoren (H1 ... Hn) umfasst, die längs dieser Antenne (3) verteilt sind und Signale empfangen und an Mittel zur Verarbeitung der von diesen Sensoren kommenden Signale angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel (10) zur Bildung von Kanälen für mindestens zwei aufeinander folgende oder nur zum Teil zusammenfallende Segmente der Antenne (3) umfassen, die jeweils mindestens zwei akustische Sensoren, Mittel (11) zur Berechnung der Kreuzspektren zwischen diesen mindestens zwei Segmenten und Mittel (12) umfassen, die ausgehend von den in den Kreuzspektren enthaltenen Informationen die Kolinearitätswinkeldifferenz zwischen diesen mindestens zwei Segmenten bestimmen können.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Beseitigung der Mehrdeutigkeit einer in einem Fluid geschleppten linearen Antenne, wobei diese Antenne akustische Sensoren (H1 ... Hn) umfasst, die längs dieser Antenne verteilt sind und Signale empfangen und an Mittel zur Verarbeitung der von diesen Sensoren kommenden Signale angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Bestimmung der Form der Antenne, Mittel zur Bildung von Kanälen auf zu beiden Seiten der Antenne gelegenen Seitenwinkeln, Mittel zur Erfassung der Geräuschquellen, Mittel zum Vergleichen bei jeder Geräuschquelle der beiden Werte der von den Kanälen kommenden Leistung umfasst, deren einer auf der einen Seite der Antenne und deren anderer auf der anderen Seite erfasst wird.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der Beschreibung einer besonderen Ausführungsform der Erfindung, die auf ein Sonar angewandt wird, wobei auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird. In dieser zeigen:
1 die Umgebung der Erfindung im Rahmen der beschriebenen Ausführungsform,
2 eine schematische Darstellung der allgemeinen Mittel, aus denen die Erfindung besteht,
3 ein Schema der Elemente, aus denen sich die Erfindung bei dieser Ausführungsform zusammensetzt,
4 Beispiele von Graphen, die am Ausgang mancher zur Erfindung gehörender Mittel visualisierbar sind,
5 ein Schema der Mittel zur Beseitigung der Mehrdeutigkeit, die als Ergänzung der Erfindung auf ein bestehendes Sonar anwendbar sind.
1 zeigt die Umgebung der Mittel 1 zur Durchführung der Erfindung, die auf ein bestehendes passives Sonar 2 angewandt wird.
Das passive Sonar 2 besitzt auf bekannte Weise Hydrophone H1 bis Hn, das heißt n Hydrophone, die längs einer geschleppten Antenne 3 regelmäßig verteilt sind, eine Schnittstellenzelle 5 zwischen der Antenne und dem sie schleppenden Schiff, Mittel 4 zur Verarbeitung der von der Antenne kommenden Signale und Mittel 6 zur Visualisierung der aus der Behandlung hervorgehenden Informationen.
Die Schnittstellenzelle 5 umfasst im Allgemeinen Mittel zur Analog-Digital-Umsetzung und Multiplexmittel.
Die Verarbeitungsmittel 4 bestehen im Wesentlichen aus einer Vorrichtung zur Bildung von Kanälen und zur Spektralanalyse. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es eine Vorrichtung zur Bildung von Spektralkanälen, bei der die von den Hydrophonen kommenden Signale in kohärente Informationen zur Lokalisierung von Geräuschquellen umgewandelt werden.
Zu diesem Zweck wird für jeden Kanal, der einer besonderen Richtung bezüglich der der Antenne entspricht, die Fourier-Transformierte des Signals jedes der Hydrophone phasenverschoben, wobei diese Phasenverschiebung von der Stellung des Hydrophons in der Antenne und dem Seitenwinkel θ des betreffenden Kanals abhängt. Die auf diese Weise phasenverschobenen Signale werden dann summiert.
Diese Summierung führt bei jedem Kanal zu einem Leistungssignal in einer gegebenen Richtung und die Auswertung der einzelnen Kanäle gestattet insbesondere die Ortung der Geräuschquellen in Azimut in Abhängigkeit von der Zeit.
Was die Visualisierungsmittel anlangt, so schreiben sich die von einem passiven Sonar gelieferten Daten im Allgemeinen in ein fünfdimensionales Hypervolumen ein: Zeit, Entfernung, Azimut, Frequenz, Signal-Rausch-Verhältnis.
Diese Daten werden einem Operator vorgelegt:

– in Form von Bildern von herkömmlichen erstarrten Formaten, die nur drei Volumensdimensionen pro Bild wiedergeben:
– im Azimut-Zeit-Format, das die azimutale Bewegung der erfassten und aufgespürten Geräuschquellen darstellt, und zwar mit Hilfe von Raum- und Frequenzbehandlungen, die im stromauf gelegenen Teil des Empfängers des Sonars ausgeführt werden, mit Codierung des Signal-Rausch-Verhältnisses durch die Helligkeit.
– Im so genannten "Lofagramm"-Format, oder "Lofar", das in einem Horizontsektor, der einem durch die räumliche Behandlung gebildeten Kanal entspricht, die Information Frequenz in Abhängigkeit von der Zeit mit Codierung des Signal-Rausch-Verhältnisses durch die Helligkeit darstellt. Der Operator kann zum Abdecken der 360° Azimut über ebenso viele "Lofar"-Einzelbilder wie Kanäle verfügen, was eine große Bildschirmfläche erfordert, die durch die Verwendung von mindestens zwei Bildschirmen erreicht wird,
– im so genannten momentanen "Azimut-Frequenz-Format", das die Information Frequenz in Abhängigkeit vom Azimut für den gegenwärtigen Augenblick oder nach einer festen zeitlichen Integration mit Codierung des Signal-Rausch-Verhältnisses durch die Helligkeit darstellt,
– in Form von Bildern von besonderen Formaten, wie sie beispielsweise im Patent FR 9712430 beschrieben sind.

Die Mittel zur Durchführung der Erfindung, die dieselben wie die des Sonars sein können, bestehen bei dieser Ausführungsform aus zweiten Behandlungsmitteln.
Sie umfassen:

– Eine Schnittstellenzelle 8, die Mittel zur Analog-Digital-Umsetzung und Multiplexmittel umfasst.
– Mittel 9 zur Wahl einer Anzahl N von mindestens gleich zwei von aufeinander folgenden Segmenten der Antenne, wobei jedes Segment mindestes zwei Hydrophone umfasst,
– Bei jedem der Segmente Mittel 10 zur Bildung von Spektralkanälen für die von den Hydrophonen dieser Segmente kommenden Signale,
– Mittel 11 zur Berechnung der Kreuzspektren für jedes der Paare von aufeinander folgenden Segmenten k und k + 1,
– Mittel 12, die aus den in den Kreuzspektren enthaltenen Informationen die Kolinearitätswinkeldifferenz zwischen jedem der Paare von Segmenten bestimmen können.

Die Wahlmittel 9 sind fakultativ, da es möglich ist, einen Wert N der Anzahl von Segmenten, beispielsweise gleich 10, willkürlich zuzuteilen und die von den Hydrophonen kommenden Signale so zu verwalten, dass für jedes der N Segmente Kanäle gebildet werden.
Die Kanalbildungsmittel 10 sind von bekanntem Typ. Sie wenden bei dieser Ausführungsform für jedes der Hydrophone H1 bis Hj eines gemeinsamen Antennensegments die folgende Formel an:
in der:

V_ik(f, t): die Leistung des betreffenden Kanals i bei dem Segment k bei der Frequenz f und zum Zeitpunkt t ist,
Sj(f, t):: das von dem betreffenden Hydrophon j empfangene Signal mit der Frequenz f und zum Zeitpunkt t
θ_j: der Seitenwinkel des betreffenden Kanals i bezüglich des vorderen Teils der Antenne ist,
L:: der Abstand in Metern des betreffenden Hydrophons von einem den Nullpunkt der Abstände bildenden Hydrophon ist,
f:: Frequenz, bei der der Kanal gesucht wird, ist
t:: der Zeitpunkt der Messung ist,
c:: die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalls in dem Medium ist, in dem die Antenne badet.

Die Mittel 11 zur Berechnung der Kreuzspektren bestehen aus ersten Mitteln 21, die bei jedem Paar von aufeinander folgenden Segmenten k und k + 1 die zugeordneten komplexen Zahlen jedes der Kanäle V_ik+1(f, t), die dem Segment k + 1 entsprechen, berechnen können, und aus zweiten Mitteln 22, die für jeden Kanal V_ik(f, t) und für jedes Paar von aufeinander folgenden Segmenten k und k + 1 das Produkt der komplexen Zahlen des gebildeten Kanals des Segments k mit den zugeordneten komplexen Zahlen des gebildeten Kanals des folgenden Segments k + 1 bei den entsprechenden Frequenzen und Zeiten berechnen können.
Man erhält dabei einen Wert vom Typ:
r·e^–jψ _k/k+1
worin
r die Leistung der Geräuschquellen darstellt
und Ψ_k/k+1 die Phasendifferenz zwischen den Hydrophonen der beiden betrachteten Segmente k und k + 1 darstellt.
Die Mittel 12, die ausgehend von den in den Kreuzspektren enthaltenen Informationen die Kolinearitätswinkeldifferenz zwischen jedem der Paare von Segmenten bestimmen können, umfassen ein Organ 23 zum Extrahieren des Arguments Ψ_k/k+1 und Mittel 24 zur Berechnung der Kolinearitätswinkeldifferenz Φco_k/k+1 zwischen jedem der Segmente k und k + 1 ausgehend von dem Wert Ψ_k/k+1 nach der folgenden Formel: Φcok/k+1 = arccos(1/2π·cos(Ψk/+1)·c/(f/Ls)) (2)worin LS die Abstandslänge zwischen den beiden Segmenten k und k + 1 ist.
Mittel 13 zur Gewichtung der Kolinearitätswinkeldifferenzwerte Φco_k/k+1 sind den oben beschriebenen Mitteln 12 zugeordnet.
Diese Gewichtungsmittel 13 umfassen einerseits erste Mittel 25, die bei jeder Zeitfolge den Mittelwert des Rauschens in Abhängigkeit von der Frequenz berechnen können und dann das Signal-Rausch-Verhältnis R der Geräuschquellen ausgehend vom Wert R und von dem des Mittelwerts des Rauschens B berechnen, und andererseits Schwellenbildungsmittel 26, die es gestatten, alle Geräuschquellen zu beseitigen, deren mittleres Signal-Rausch-Verhältnis nicht höher als ein vorbestimmter Wert ist, und auf diese Weise nur die so genannten Zweckmäßigkeitsgeräuschquellen zu wählen. Zu diesem Zweck und auf bekannte Weise entfernt entweder ein Test alle Werte des Signal-Rausch-Verhältnisses, die unter einem be stimmten Wert liegen, oder ordnet bei diesen Werten dem Niveau der Schwellenwertbildung ein Gewicht von gleich Null zu.
Es ist zu bemerken, dass die Erfindung Mittel zur manuellen Wahl der Zweckmäßigkeitsgeräuschquellen nach Schwellenwertbildung umfasst.
Die Mittel der Erfindung umfassen ferner Mittel 27, die eine mittlere Verwindung T_k/k+1 der Antenne zwischen zwei aufeinander folgenden Segmenten k und k + 1 bestimmen können. Zu diesem Zweck bestehen diese Mittel in Mitteln zur Summierung auf allen Frequenzen und auf einer gewissen vorbestimmten oder verstellbaren Anzahl t von Zeitfolgen der Summe der durch das Signal-Rausch-Verhältnis der Geräuschquelle Bn gewichteten Kolinearitätswinkel, geteilt durch die Summe der Gewichtungen, und zwar: Tk/k+1(Bn) = ΣfΣt(R·Φcok/k+1)/ΣfΣtR (3)
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Mittel 27, die eine mittlere Verwindung T_k/k+1(Bn) der Antenne zwischen zwei aufeinander folgenden Segmenten bestimmen können, mit Mitteln 28 verbunden, die die Antennenform auf ihrer ganzen Länge pro Geräuschquelle Bn berechnen können, und gegebenenfalls einen statistischen Wert der Verbindung der Antenne für mehrere Geräuschquellen Bn berechnen oder diese Form parametrieren können.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung sind die Mittel 27 oder 28 mit Mitteln 4 zur Behandlung der von den Hydrophonen der Antenne kommenden Signale verbunden.
Diese Verarbeitungsmittel 4 sind hauptsächlich vom bekannten Typ und umfassen Mittel 30 zur Bildung von Kanälen auf 360°, die bei dieser Ausführungsform für jedes der Hydrophone H1 bis Hn der Antenne die folgende Formel anwenden:
worin:

V_j(f, t): die Leistung des betreffenden Kanals i bei der Antenne mit der Frequenz f und zum Zeitpunkt t ist
S_j(f, t):: das von dem betreffenden Hydrophon j empfangene Signal mit der Frequenz f und zum Zeitpunkt t
X:: der mittlere Krümmungsradius der Antenne ist
1:: der Abstand in Metern des betreffenden Hydrophons von einem den Nullpunkt der Abstände bildenden Hydrophon ist
θ_i: der Seitenwinkel des betreffenden Kanals bezüglich des vorderen Teils der Antenne ist,
[1/Xcos(θi) + (1 – cos(1/X)sin(θ_j))]: die durch die Verwindung der Antenne erzeugte Abstandsverzögerung ist,
f:: die Frequenz, bei der der Kanal gesucht wird,
c:: die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalls in dem Medium, in dem die Antenne badet
L:: der Abstand zwischen Hydrophonen

Die Mittel 4 umfassen ferner Mittel 31, die bei jeder Zeitfolge den Mittelwert des Rauschens in Abhängigkeit von der Frequenz berechnen können und dann das Signal-Rausch-Verhältnis R der Geräuschquellen ausge hend von dem Wert ihrer Leistung R und dem des Mittelwerts des Rauschens B berechnen können.
Schwellenbildungsmittel 32 gestatten es, alle Geräuschquellen zu entfernen, deren mittleres Signal-Rausch-Verhältnis nicht größer als ein vorbestimmter Wert ist, und auf diese Weise nur die so genannten Zweckmäßigkeitsgeräuschquellen auszuwählen. Zu diesem Zweck und auf bekannte Weise entfernt entweder ein Test alle Werte des Signal-Rausch-Verhältnisses, die kleiner als ein bestimmter Wert sind, oder man ordnet dem Niveau der Schwellenwertbildung bei diesen Werten ein Gewicht von gleich Null zu.
Die Schwellenwertbildungsmittel 32 sind an Mittel 34 zum Vergleichen der Geräuschquellen zwischen der rechten und der linken Seite der Antenne verbunden. Diese bestehen aus einem Organ zum Vergleichen des Werts des Verhältnisses der Leistung zwischen der rechten und der linken Seite der Antenne bei ein und derselben Geräuschquelle, die als eine Geräuschquelle erfasst wurde, die entweder rechts oder links der Antenne angeordnet ist, wobei der höchste Wert der tatsächlichen Seite (rechts oder links) der Geräuschquelle entspricht, wobei also die Mehrdeutigkeit beseitigt wird.
Es ist nun möglich, auf Visualisierungsmittel 6 nur die Position der Geräuschquellen und nicht mehr ihr symmetrisches Gegenstück bezüglich der Achse der Antenne zu visualisieren.
Die Arbeitsweise der oben beschriebenen Vorrichtung ist die folgende:

Man wählt zunächst gegebenenfalls Parameter aus, wie:
– die Anzahl von Segmenten N und gegebenenfalls ihre Länge bzw. ihre Längen, wobei diese sich überdecken können,
– die Anzahl von Folgen, auf der die Berechnung des Mittelwerts der Verwindung ausgeführt wird.

Die von den n Hydrophonen kommenden Signale Sj(t) werden in der Schnittstellenzelle 5 digitalisiert und demultiplexiert und pro Gruppen von zu einem gemeinsamen Segment k gehörenden Hydrophonen H1(k) bis Hj(k) zu den Mitteln 10 zur Bildung von Kanälen 10 übertragen, die die Formel (1) anwenden. Man berechnet die Fourier-Transformierte Sj(f, t) jedes Hydrophons, und dann wird jeder Kanal V_ik in der Form einer Folge von komplexen Zahlen vom Typ (a + bj) berechnet.
Die von den Kanalbildungsmitteln kommenden Kanäle V_jk werden dann durch die Mittel 11 zur Berechnung der Kreuzspektren zwischen jedem der Paare von aufeinander folgenden Segmenten k und k + 1 behandelt. Dies wird vorgenommen, indem bei jedem Kanal V_jk und bei jedem Paar von aufeinander folgenden Segmenten k und k + 1 die komplexe Zahl des Segments k mit der zugeordneten komplexen Zahl des folgenden Segments k + 1 multipliziert wird. Man erhält dann eine komplexe Zahl vom Typ r·e^–jψ _k/k+1.
Der Verwindungswinkel, gegebenenfalls gemittelt und durch den Wert R des mittleren Signal-Rausch-Verhältnisses R = r/B der Geräuschquellen wird für jedes Paar von Segmenten k und k + 1 durch die Kombination der Gleichungen (2) und (3) berechnet, und zwar: Tk/k+1 = ΣfΣt(R·arccos(1/2π·cos(ψk/k+1)·c/(f/L)))/ΣfΣtR
Es ist zu bemerken, dass diese Bearbeitung der Antennenform in weniger als einer Sekunde, also quasi in Echtzeit durchgeführt wird.
Die Werte der Kolinearitätswinkeldifferenz oder der Verwindung können also innerhalb der Behandlung der von den n Hydrophonen kommenden Signale durch das bestehende Sonar 2 berücksichtigt werden, was eine beträchtliche Erhöhung der Genauigkeit des Sonars bei einer wesentlichen Verformung der geschleppten Antenne gestattet, und zwar dank der Bildung von schwachen Nebenkeulen bezüglich der Hauptkeule und einem erhöhten Antennengewinn. Außerdem wird es möglich, die Mehrdeutigkeit rechts-links der Antenne zu beseitigen.
Zu diesem Zweck werden die gewichteten Werte der Antennenverwindung gegebenenfalls so gemittelt, dass ein mittlerer Krümmungsradius X der Antenne bestimmt wird, und dann wird diese Information in die Kanalbildungsmittel des Sonars beispielsweise durch einen Verzögerungsabstand eingeführt, wie mit der Gleichung (4) erläutert wurden.
Dann wird die Leistung der Geräuschquellen jedes Kanals in den Mitteln 31 und 32 behandelt, in denen nur die Geräuschquellen beibehalten und auf den bekannten Visualisierungsmitteln 6 visualisierbar gemacht werden, die ein Signal-Rausch-Verhältnis besitzen, das höher als ein bestimmter Wert ist.
In diesem Stadium befinden sich die Geräuschquellen sowohl im rechten Sektor als auch im linken Sektor der Antenne und die Bestimmung der Position rechts oder links und damit die Ausschaltung der Mehrdeutigkeit wird durch die Mittel 34 durch Vergleichen der ein und derselben Geräuschquelle entsprechenden Leistungspegel bestimmt, wobei die höchste Leistung den tatsächlichen Sektor offenbart, in dem sich die Geräuschquelle befindet.
An den beschriebenen Ausführungsvarianten können zahlreiche Änderungen vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Form einer in einem Fluid geschleppten linearen Antenne (3) der Länge La, wobei diese Antenne akustische Sensoren (H1 ... Hn) umfasst, die längs dieser Antenne (3) verteilt sind und Signale empfangen und an Mittel zur Verarbeitung der von diesen Sensoren kommenden Signale angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, – dass eine Anzahl N von aufeinanderfolgenden Antennensegmenten S₁ bis S_N jeweils mit der Länge L₁ bis L_N definiert wird, wobei N >= 2 und vorzugsweise Σ N / 1L(Si) >= La, – dass bei jedem Segment S₁ bis S_N Seitenwinkelkanäle V_i1 bis V_iN ausgehend von den Signalen der Fühler ein und desselben Segments, von der Lage der Sensoren auf der Antenne, von der Frequenz und von der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Wellen in dem Fluid gebildet werden, – dass bei jedem Paar von Segmenten S_k, S_k+1 und bei jedem Kanal V_ik das Kreuzspektrum in Abhängigkeit von der Zeit und der Frequenz errechnet wird, – dass bei jedem Paar von Segmenten S_k, S_k+1 und bei jedem Kanal V_ik die Kolinearitätswinkeldifferenz Φco_k/k+1 zwischen den beiden Segmenten errechnet wird und dann die vollständige Form der Antenne ausgehend von den einzelnen auf diese Weise berechneten Kolinearitätswinkeldifferenzen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese Kanalbildung eine Bildung von Spektralkanälen ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung von Kanälen durch Seitenwinkel nach der folgenden Gleichung durchgeführt wird:
in der: V_ik(f, t) die Leistung des betreffenden Kanals i bei dem Segment k bei der Frequenz f und zum Zeitpunkt t ist S_j(f, t): das von dem betreffenden Hydrophon j empfangene Signal mit der Frequenz f und zum Zeitpunkt t θ_i der Seitenwinkel des betreffenden Kanals i bezüglich des vorderen Teils der Antenne ist, L: der Abstand in Metern des betreffenden Hydrophons von einem den Nullpunkt der Abstände bildenden Hydrophon, f: Frequenz, bei der der Kanal gesucht wird, c: Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalls in dem Medium, in dem die Antenne badet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder gebildete Kanal in Form einer Folge von komplexen Zahlen vorliegt und dass der Rechenschritt für jedes Paar von Segmenten S_k, S_k+1 und für jeden Kanal V_ik des Kreuzspektrums darin besteht, dass für jeden Kanal V_ik(f, t) und für jedes Paar von aufeinanderfolgenden Segmenten k und k + 1 die komplexen Zahlen des gebildeten Kanals des Segments k mit den zugeordneten komplexen Zahlen des gebildeten Kanals des folgenden Segments k + 1 bei den entsprechenden Frequenzen und Zeiten multipliziert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Kolinearitätswinkeldifferenz Φco_k/k+1 zwischen den Segmenten bei jedem Paar von Segmenten S_k, S_k+1 und bei jedem Kanal V_ik darin besteht, dass das Argument aus dem Ergebnis des Produkts dieser komplexen Zahlen extrahiert wird, wobei dieses Argument ψ_k/k+1 eine Funktion der Phasendifferenz zwischen den Sensoren der beiden Segmente ist, und dass die Kolinearitätswinkeldifferenz Φco_k/k+1 mit der folgenden Gleichung berechnet wird: Φcok/k+t = arccos(1/2π·cos(ψk/k+1)·c/(f/Ls)) (2)worin Ls die Zwischenraumlänge zwischen den beiden Segmenten k und k + 1 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt umfasst, der darin besteht, dass bei jedem Paar von Segmenten S_k, S_k+1 und bei jedem Kanal V_ik die Kolinearitätswinkeldifferenz Φco_k/k+1 durch die relative Leistung der entsprechenden Kanäle gewichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, dass bei jedem Paar von Segmenten S_k, S_k+1 und bei jedem Kanal V_ik die Kolinearitätswinkeldifferenz Φco_k/k+1 durch die Norm R des Ergebnisses des Produkts dieser komplexen Zahlen gewichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt der Schwellenwertbildung für die Norm des Ergebnisses des Produkts dieser komplexen Zahlen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt umfasst, der darin besteht, dass bei jedem Kanal das mittlere Rauschen auf allen Frequenzen und bei jeder Frequenz das Signal-Rausch-Verhältnis R errechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt der Berechnung der Verwindung zwischen Segmenten ausgehend von der folgenden Gleichung umfasst: Tk/k+1 = ΣfΣt(R·arccos(1/2π·cos(ψk/k+1)·c/(f/L)))/ΣfΣtRworin R das Verhältnis Signal zu mittlerem Rauschen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Endschritt der Parametrierung der Form der Antenne umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, dass die Form der Antenne gegebenenfalls in der Form eines Kreisbogens mit dem Radius X ausge hend von den errechneten Werten der Verwindungen T_k/k+1 zwischen jedem der aufeinanderfolgenden Segmentpaare parametriert wird.
Verfahren zur Beseitigung der Mehrdeutigkeit einer in einem Fluid geschleppten linearen Antenne (3) der Länge La, wobei diese Antenne akustische Sensoren (H1 ... Hn) umfasst, die längs dieser Antenne (3) verteilt sind und Signale empfangen und an Mittel zur Verarbeitung der von diesen Sensoren kommenden Signale angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, – dass die Form der Antenne mit Hilfe eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 bestimmt wird, – dass auf zu beiden Seiten der Antenne gelegenen Seitenwinkeln Kanäle gebildet werden, – dass die Geräuschquellen erfasst werden, – dass für jede Geräuschquelle die beiden Leistungswerte verglichen werden, deren einer auf einer Seite der Antenne und deren anderer auf der anderen Seite erfasst wird, und dann nur der jenige genommen wird, der den höheren Wert besitzt, wobei dieser der Seite entspricht, auf der sich die Geräuschquelle tatsächlich befindet.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Erfassung der Geräuschquellen durch Schwellenwertbildung für das Signal-Rausch-Verhältnis durchgeführt wird.
Vorrichtung zur Bestimmung der Form einer in einem Fluid geschleppten Schleppantenne, wobei diese Antenne akustische Sensoren (H1 ... Hn) umfasst, die längs dieser Antenne (3) verteilt sind und Signale empfangen und an Mittel zur Verarbeitung der von diesen Sensoren kommenden Signale angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel (10) zur Bildung von Kanälen für mindestens zwei aufeinanderfolgende oder nur zum Teil zusammenfallende Segmente der Antenne (3) umfassen, die jeweils mindestens zwei akustische Sensoren, Mittel (11) zur Berechnung der Kreuzspektren zwischen diesen mindestens zwei Segmenten und Mittel (12), die ausgehend von den in den Kreuzspektren enthaltenen Informationen die Kolinearitätswinkeldifferenz zwischen diesen mindestens zwei Segmenten bestimmen können, umfassen.