DE60220806T2

DE60220806T2 - Verfahren zum verarbeiten von signalen aus einem abgeschleppten linearen array

Info

Publication number: DE60220806T2
Application number: DE60220806T
Authority: DE
Inventors: Yves Thales Intel DOISY; Laurent Thales Intel DERUAZ; Edmond Thales Intel NOUTARY
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2001-08-24
Filing date: 2002-08-20
Publication date: 2008-03-06
Anticipated expiration: 2022-08-21
Also published as: KR20040036731A; FR2828936A1; KR100943868B1; AU2002356154B2; EP1428038B1; US20040240317A1; NO20041229L; DE60220806D1; EP1428038A1; US7075858B2; ATE365336T1; FR2828936B1; WO2003019224A1; NO336797B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Verarbeiten der Signale einer geschleppten linearen Antenne. Sie erlaubt es insbesondere, die Rechts-Links-Zweideutigkeit auf einer solchen Antenne zu eliminieren, wenn sie aktiviert ist, das heißt, wenn sie im Empfang der Echos funktioniert, die ausgehend von Sendungen eines aktiven Sonars erzeugt werden.
Um diese Zweideutigkeit zu eliminieren, kennt man insbesondere aus dem französischen Patent Nr. 8 911 749 , eingereicht von der Firma THOMSON-CSF am 8. September 1989, veröffentlicht am 15. März 1991 unter der Nr. 2 651 950 und ausgestellt am 17. April 1992 die Technik, die darin besteht, jedes Allrichtungs-Hydrophon durch mindestens 3 Hydrophone zu ersetzen, die sich in einer Ebene senkrecht zu der Achse der linearen Antenne und auf einem Kreis verteilt befinden, innerhalb der Antenne und auf ihrer Achse zentriert. Man bildet daher eine Volumenantenne, die es erlaubt, Antennenantworten zu konstruieren, die mit Rechts-Links-Unterdrückungsfähigkeiten versehen sind. Insbesondere erlaubt es die Verarbeitung der Signale, eine „Null" in die zweideutige Richtung in Bezug auf die Sollrichtung des Kanals zu schaffen.
Um ein zufriedenstellendes Eliminieren von Zweideutigkeit unter Einsatz dieser Technik zu erzielen, ist es erforderlich, dass die „Tripletts" von Hydrophonen, allgemeiner die „n-Multipletts" so ausgerichtet sind, dass sie eine Einheit von 3 (n) linearen Unterantennen bilden. Man muss daher diese Linearität mit Hilfe starrer Verbindungen zwischen den Tripletts sicherstellen, was den Nachteil aufweist, dass es nur gut bei Antennen funktioniert, die nicht zu lang sind. Man ist nun aber immer mehr bestrebt, die Arbeitsfrequenz zu verringern, um die Reichweite zu steigern. Eine solche Verringerung führt dazu, die Länge der Antennen in Proportionen zu erhöhen, die derart sind, dass die Linea rität der Unterantennen immer schwieriger zu steuern ist.
Ferner und weil der Durchmesser der Antenne im Vergleich zur Wellenlänge klein ist, führt das Schaffen einer Null zu Signalverlusten, die umso größer sind, je niedriger die Frequenz ist, insbesondere wenn das dominante Rauschen zwischen Hydrophonen eines gleichen Tripletts dekorreliert ist, was einen zweiten, sehr ernsthaften Nachteil darstellt.
Die erfindungsgemäße Verarbeitung erlaubt es, diesen Nachteilen abzuhelfen, insbesondere:

– indem man sich der Rotationseffekte der Tripletts (n-Multipletts) zueinander entledigt,
– indem man eine Verstärkung zwischen dem Bilden eines Kanals einer Antenne und dem Kanalbilden rechts-links ungeachtet der Bedingungen des dominierenden Rauschens sicherstellt.

Dazu schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Verarbeiten der Signale einer geschleppten linearen Antenne vor, insbesondere zum Eliminieren der Rechts-Links-Zweideutigkeit, wobei diese Antenne eine Einheit von Hydrophon-Multipletts aufweist, die jeweils n ≥ 3 Hydrophone aufweisen, die in einem geraden Abschnitt der Längsachse der Antenne verteilt sind, hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, dass der Rollwinkel jedes Multipletts in Bezug auf die Senkrechte gemessen wird, dass man ausgehend von den Signalen der Hydrophone und diesem Rollwinkel p ≥ 3 lineare Unterantennen synthetisiert, dass man M_v Peilungskanäle mit jeder Unterantenne bildet, und dass man 2 adaptive Rechts-Links-Kanäle ausgehend von p Unterantennen für jede Richtung, die jedem Peilungskanal entspricht, bildet.
Gemäß einem weiteren Merkmal verwendet man eine kohärente Verarbeitung, um die M Peilungskanäle zu bilden.
Gemäß einem weiteren Merkmal schätzt man zum Bilden der Rechts-Links-Kanäle die umgekehrte interspektrale Matrix Γ ^^–1 über N + 1 zeitliche Abtastungen und A + 1 Dopplerkanäle, dann bestimmt man zwei Phasenverschiebungsvektoren d_d und d_g, die zu dem rechten und dem linken Kanal gehören, für jeden Peilungskanal, und bestimmt die Kanäle V_d und V_g ausgehend von diesen Vektoren und dieser umgekehrten Matrix.
Gemäß einem weiteren Merkmal verwendet man Querneigungsanzeiger zum Bestimmen der Rollwinkel.
Gemäß einem weiteren Merkmal ist n = p = 3.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich klar aus der folgenden Beschreibung, die beispielhaft und nicht einschränkend unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren erfolgt, die Folgendes darstellen:
1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine Grafik zum Definieren des Rollwinkels, der in den Berechnungen verwendet wird,
3 ein abgewickeltes Blockschaltbild der Schritte 102 und 103 der 1,
4 ein abgewickeltes Blockschaltbild des Schritts 104 der 1 und
5 eine Grafik zur Definition der anderen Winkel, die in den Berechnungen verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verarbeitungsverfahren weist 4 Module von Schritten, wie in 1 dargestellt, auf.
Die abgetasteten Hydrophonsignale aller Hydrophon-Multipletts der Antenne in einem ersten Vorabmodul 100 sowie die Rollwinkel R, die in einem zweiten Vorabmodul 110 auf der Ebene jedes Multipletts (oder nur einiger der Multipletts) mittels eines Zustandssensors, zum Beispiel mittels eines Querneigungsanzeigers, in Bezug auf die Senkrechte, wie in 2 definiert, gemessen wurden, werden an ein erstes Modul 101 angelegt.
Die in diesem Modul 101 durchgeführte Verarbeitung besteht darin, ausgehend von den n Hydrophonen jedes Multipletts und der Anzeige ihres Rollwinkels R p fiktive Hydrophone zu bilden, die eine stationäre Winkelposition unabhängig von dem betreffenden Multiplett haben, um p lineare Antennen zu rekonstituieren, um eine dynamische Rollstabilisierung der ganzen Antenne zu erzielen.
Dazu werden die Signale der Hydrophone räumlich gemäß einer bekannten Technik interpoliert. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist n = 3 und p = 3, was dem Fall der gut bekannten dreifachen Antenne entspricht. Die Schritte 102 und 103 zum Bilden von Peilungskanälen auf jeder Unterantenne und zur kohärenten Verarbeitung jedes Kanalsignals werden in dem Frequenzbereich in 4 Modulen von Schritten wie in 3 dargestellt umgesetzt. Diese Berechnungsschritte sind gemäß dem früheren Stand der Technik bekannt.
In dem Fall, in dem der gesendete Code Doppler-sensibel ist, ist die kohärente Verarbeitung eine Multikopienverarbeitung, die gemäß dem früheren Stand der Technik bekannt ist, zum Beispiel aus dem französischen Patent veröffentlicht unter der Nr. 2 687 226 .
Zusammenfassend gesehen werden die dynamisch stabilisierten Hydrophonsignale in dem Modul 101 aus dem Zeit- in den Frequenzbereich von einem Fast Fourrier Transformation-(FFT)-Modul 201 umgewandelt. Dann führt man wie bekannt ein Peilungskanalbilden in einem Modul 202 aus, danach erzeugt man konjugierte Spektren des mit dem Spektrum jedes Kanals gedopplerten Sendesignals in einem Modul 203. Ein Modul 204 umgekehrter FFT erlaubt es schließlich, die kohärent verarbeiteten Kanalsignale zu erzielen, die denen entsprechen, die von dem Modul 103 geliefert werden.
In einem Modul 104 führt man ein adaptives Kanalbilden auf jedem am Ausgang des Schritts 103 erzielten Peilungskanal durch.
Die Peilungskanäle werden dann in Abhängigkeit vom Cosinus der Peilung variierend von –1 bis +1 verteilt: wenn u den Cosinus der Peilung bezeichnet, bestätigen die Peilrichtungen die Gleichung
wobei M_v die Anzahl der Peilungskanäle ist.
Das Ausgangssignal des Kanals der linearen Antenne 1(1 ≤ 1 ≤ 3) im Augenblick t wird V₁(m, t, α) genannt und V(m, t, α) bezeichnet den Spaltenvektor, der aus den 3 Komponenten V₁, V₂, V₃ besteht, für die Peilung m im Augenblick t mit einem "Doppler" α.
Der "Doppler" α wird als die Dopplerverschiebung
definiert wobei V den Vektor darstellt der aus den radialen Geschwindigkeiten des Senders und des Empfängers resultiert und C die Geschwindigkeit von Schall im Wasser ist. Sein Variationsbereich liegt zwischen 2 Werten von α, die extremen Geschwindigkeiten entsprechen. Wie bekannt, hat ein Dopplerkanal eine Breite
wobei f₀ und T jeweils die zentrale Frequenz und die Dauer des Sendecodes sind. Zwischen den 2 Extremwerten von α definiert man daher A + 1 nebeneinander liegende Dopplerkanäle.
Das Modul 104 besteht aus 3 Untermodulen von Schritten, die in 4 dargestellt sind:

– einer Schätzung 401 der interspektralen Matrix,
– einer Umkehrung 402 der interspektralen Matrix,
– einem Bilden 403 der 2 Kanäle rechts-links.

In dem Modul 401 schätzt man die interspektrale Matrix Γ ^(m, t, α) durch Mitteln auf N + 1 zeitlichen Abtastungen und auf A + 1 Dopplerkanälen unter Anwendung der folgenden Formel:
wobei die Bezeichnung + die konjugierte transponierte Matrix bezeichnet. Vorteilhafterweise führt man eine zeitliche Deckung zu 50 % aus.
Da die Matrix V ^(m, t, α) eine schwache Dimension (p) hat, erfordert das Schätzen in der Größenordnung von 1,5 p bis 2 p unabhängige Beobachtungen und erfolgt daher über eine sehr kurze Zeit, die es der Verarbeitung erlaubt, sich an die Umgebungsvariationen (Rauschen oder Nachhallen) anzupassen, und auch das Echo zu berücksichtigen, um es in den Richtungskanälen, die ihrer Ankunftsrichtung entgegengesetzt sind, zu eliminieren.
In dem Modul 402 berechnet man die umgekehrte Matrix Γ ^^–1(m, t, α) durch ein bekanntes direktes Verfahren.
Schließlich bildet man in dem Modul 403 den linken und den rechten Kanal V_g und V_d, wie unten in dem Fall eines Tripletts erläutert.
5 stellt in diesem Fall des Tripletts die verwendeten Bezeichnungen dar: a ist der Radius des Tripletts, θ und ϕ sind die Winkel, die der Peilungsrichtung eines Kanals, wenn er gebildet wird, entsprechen.
Dazu bildet man für jeden Peilungskanal in dem Modul 403 die 2 Kanäle V_g und V_d, indem man zuerst die 2 Phasenverschiebungsvektoren d_d und d_g berechnet, die zu dem rechten und dem linken Kanal gehören.
Durch ein Peilen in der horizontalen Ebene so dass ϕ = 0, werden diese 2 Vektoren von den folgenden Gleichungen gegeben:
wobei f_o die Sendefrequenz ist.
Dann bildet man die Kanäle V_g und V_d, indem man die folgenden Gleichungen anwendet:
Für den linken Kanal:
Für den rechten Kanal:
Für eine gegebene Sollrichtung konstruiert die Verarbeitung einen herkömmlichen Kanal und eine Rauschreferenz, die eine Null in die Sollrichtung hat, dann wird kohärent das Referenzsignal von dem herkömmlichen Kanalsignal subtrahiert.
Es ergibt sich daraus:

– dass in die Richtung des Ziels: dieses von der Rauschreferenz ausgenommen ist, und dass die Verarbeitung eine bessere Verstärkung im Vergleich zum Umgebungsrauschen ergibt,
– dass in die zweideutige Richtung das Ziel in der Rauschreferenz berücksichtigt und dann als Störsender subtrahiert wird, was daher Rechts-/Links-Unterdrückung ergibt. Dies ist möglich, weil das Echo, das von dem Ziel kommt, dank der kohärenten Verarbeitung, die vor dem Bilden der Kanäle V_g, V_d durchgeführt wird, ein ausreichendes Niveau hat, und auch weil die Schätzungsdauer der Matrix kürzer ist als die Dauer des Echos.

Claims

Verfahren zum Verarbeiten der Signale einer geschleppten linearen Antenne, insbesondere zum Eliminieren von Rechts-Links-Zweideutigkeit, wobei diese Antenne eine Einheit von Hydrophon-Multipletts aufweist, die jeweils n ≥ 3 Hydrophone aufweisen, die in einem geraden Abschnitt der Längsachse der Antenne verteilt sind, wobei der Rollwinkel jedes Multipletts in Bezug auf die Senkrechte gemessen wird (110), dadurch gekennzeichnet, dass man ausgehend von den Signalen (100) der Hydrophone und diesem Rollwinkel p ≥ 3 lineare Unterantennen synthetisiert (101), dass man M Peilungskanäle mit jeder Unterantenne bildet (102), und dass man 2 adaptive Rechts-Links-Kanäle ausgehend von den p Unterantennen für jede Richtung, die jedem Peilungskanal entspricht, bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man eine kohärente Verarbeitung (103) verwendet, um die M Peilungskanäle zu bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man zum Bilden der Rechts-Links-Kanäle die umgekehrte interspektrale Matrix Γ ^^–1 über N + 1 zeitliche Abtastungen und A + 1 Dopplerkanäle (401, 402) schätzt und dann für jeden Peilungskanal zwei Phasenverschiebungsvektoren d_d und d_g bestimmt (403), die zu dem rechten und linken Kanal gehören und die Kanäle V_d und V_g ausgehend von diesen Vektoren und dieser umgekehrten Matrix bestimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man Querneigungsanzeiger verwendet, um die Rollwinkel zu bestimmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass n = p = 3 ist.