DE69200929T2 - Verfahren und Einrichtung zur Verminderung von parasitärem Geräusch beim Aufspüren eines Ziels mittels eines Systems mehrerer Sensorelemente. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung hat zunächst als Ziel ein Verfahren zur Verminderung der Auswirkungen der Nebengeräusche auf die Erfassung eines Ziels mittels eines Svstems, welches eine Mehrzahl von mindestens drei Elementaraufnehmern umfaßt, die empfindlich sind für die Anwesenheit des Ziels in ihrer jeweiligen Umgebung und in einer zu überwachenden Zone verstreut sind.
• Die Erfindung kann insbesondere zur Erfassung der Anwesenheit eines oder mehrerer Schiffe oder U-Boote in einer zu überwachenden Zone mit Hilfe einer Anzahl von beispielsweise durch eine Funkverbindung mit einem Zentralsystem verbundenen Tonnen eingesetzt werden. Jede Tonne ist beispielsweise eine magnetometrische Tonne, die ein Magnetometer mit einer magnetischen Resonanz aufweist, die für das Magnetfeld, in dem es sich befindet, empfindlich ist, und damit für die Störungen des Erdmagnetfelds, die aus der Anwesenheit eines U-Boots in der Nähe der fraglichen Tonne resultieren. Das Zentralsystem ist entweder an Bord eines Flugzeugs oder auf der Erde angeordnet, wenn die zu überwachende Zone nicht zu weit von der Küste entfernt ist, oder auch auf einer Haupttonne, die die Signale zentralisiert und verarbeitet, die von den anderen, sogenannten Hilfstonnen stammen.
• Die überwachte Zone kann eine Linie sein, von der man wissen will, ob sie van einem oder mehreren U-Booten überquert wird. In diesem Fall werden die Tonnen so angeordnet, daß sie entlang dieser Linie eine Absperrung bilden. Die überwachte Zone kann auch eine Fläche sein, auf der die Tonnen als eine in sich geschlossene Sperrlinie auf dem Umfang der zu überwachenden Fläche angeordnet sind, wobei weitere Tonnen gegebenenfalls im Inneren der Fläche angeordnet sind.
• Im Falle von magnetometrischen Tonnen und U-Booten stellt sich das Problem der Geräuschminderung um so schärfer, als die Störung des Erdmagnetfelds aufgrund eines U-Boots schwach ist und das Nutzsignal, das diese Störung bildet, leicht in Nebengeräuschen untergehen kann.
• Es ist bereits ein Verfahren zur Verminderung der Auswirkungen der Nebengeräusche bekannt, bei dem vom Ausgangssignal jeder Tonne oder jedes Elementaraufnehmers das Ausgangssignal einer benachbarten Tonne nach Filterung des letztgenannten Signals in einem anpassungsfähigen Filter abgezogen wird. Das anpassungsfähige Filter wird so gesteuert, daß das Ergebnis der Differenz zwischen dem Ausgangssignal der Tonne und dem gefilterten Ausgangssignal der benachbarten Tonne in den Zeiten, in denen sich kein U-Boot in der Nähe beider Tonnen befindet, so gering wie möglich ist.
• Diese bekannte Verfahren weist indessen den Nachteil auf, daß die Auswirkungen der Geräusche in unzureichender Weise abgeschwächt werden, was manchmal die Erfassung der U-Boote unmöglich macht.
• Die Erfindung zielt darauf, diesen Nachteil zu vermeiden.
• Hierzu ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Verminderung der Auswirkungen der Nebengeräusche auf die Erfassung eines Ziels mittels eines Systems, das eine Mehrzahl von mindestens drei Elementaraufnehmern umfaßt, die empfindlich sind für die Anwesenheit des Ziels in ihrer jeweiligen Umgebung und in einer zu überwachenden Zone verstreut sind, ein Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß man erste Differenzen der Ausgangssignale der Elementaraufnehmer, jeweils paarweise genommen, bildet, man von jeder ersten Differenz, um eine zweite Differenz zu erhalten, mindestens eine andere erste Differenz abzieht, nachdem man diese in einem Filter gefiltert hat, der so geregelt wird, daß der Wert der zweiten Differenz in Abwesenheit des Ziels minimiert wird, und man die so erhaltenen zweiten Differenzen für die Erfassung des Ziels verwendet.
• In dem Verfahren nach der Erfindung wird die Verminderung der Geräusche in gewisser Weise in der Art des Verfahrens nach dem Stand der Technik erhalten, indem das Nutzsignal am Ausgang eines Elementaraufnehmers vom Signal am Ausgang eines anderen Elementaraufnehmers nach Filterung dieses letztgenannten Signals abgezogen wird. Die Anmelderin hat indessen den Gedanken gehabt, mit den Differenzen der Ausgangssignale der Elementardetektoren zu arbeiten, anstatt diese Ausgangssignale selbst zu verwenden. Die Anmelderin hat festgestellt, daß ein bedeutender Anteil der Geräusche, die das Nutzsignal eines Elementaraufnehmers stören, für alle Elementardetektoren gleich ist, vor allem wenn diese nicht zu weit voneinander entfernt sind. Bei dem Verfahren nach dem Stand der Technik besteht indessen ein bedeutender Anteil der Funktion der Filterung und der Subtraktion des gefilterten Signals darin, die allgemeinen Geräusche zu eliminieren. In diesem Fall verbleibt allerdings ein relativ bedeutendes Restgeräusch. Im erfindungsgemäßen Verfahren hat das Arbeiten mit den Differenzen oder Gradienten der Ausgangssignale der Elementaraufnehmer zur Folge, daß sich die Verarbeitung auf Signale auswirkt, die von ihrem gemeinsamem Anteil befreit sind, wobei ein Restgeräusch die Folge ist, das wesentlich weniger bedeutend ist und eine sicherere Erfassung und eine genauere Lokalisierung ermöglicht.
• Vorteilhafterweise ist das genannte Filter ein anpassungsfähiges Filter, dessen Faktoren in Abhängigkeit von dem Wert der mit Hilfe dieses Filters erstellten zweiten Differenz gesteuert werden, wobei man die Werte dieser Faktoren einfriert, sobald man die Anwesenheit eines Ziels in Abhängigkeit von dieser zweiten Differenz feststellt.
• In diesem Fall berücksichtigt man die Tatsache, daß es möglicherweise eine gewisse Kohärenz zwischen den Ausgangssignalen der unterschiedlichen Elementardetektoren in Anwesenheit eines Ziels gibt, d.h. daß es stets möglich ist, daß es ein geringes Nutzsignal in den Elementarsignalen gibt, die zur Berechnung der ersten Differenzen dienen, welche zur Filterung in dem anpassungsfähigen Filter bestimmt sind.
• Vorteilhafterweise bildet man, wenn die Mehrzahl von Elementaraufnehmern mehr als drei Aufnehmer umfaßt, Pakete von jeweils drei einander benachbarten Elementaraufnehmern, und man bildet für jedes Paket drei erste Differenzen und zieht von jeder der so gebildeten drei ersten Differenzen eine andere der drei ersten Differenzen ab, nachdem man diese in einem Filter gefiltert hat, der so geregelt wird, daß der Wert der entsprechenden zweiten Differenz minimiert wird.
• In diesem Fall ist die zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Apparatur leicht an eine Veränderung der Anzahl der Elementaraufnehmer anzupassen, da diese Apparatur hauptsächlich aus einer Anzahl identischer Vorrichtungen besteht, von denen jede dafür vorgesehen ist, die Ausgangssignale eines Pakets aus drei Elementaraufnehmern zu verarbeiten.
• Um die langsamen Änderungen des Ausgangssignals jedes Elementaraufnehmers zu eliminieren, berechnet man gemäß einem Merkmal der Erfindung einen gleitenden Mittelwert dieses Signals und zieht von diesem Signal den so berechneten gleitenden Mittelwert ab. Diese Eliminierung der langsamen Veränderungen des Ausgangssignals erweist sich insbesondere dann als nützlich, wenn die Elementaraufnehmer magnetometrische Tonnen sind.
• Nach einem anderen Merkmal der Erfindung zerlegt man das Ausgangssignal jedes Elementaraufnehmers durch Frequenzsiebung in eine Mehrzahl von Elementarsignalen, die jeweils ein Elementar-Frequenzband belegen, welches kleiner ist als dasjenige des Ausgangssignals, man unterzieht jedes der Elementarsignale einer Teilabtastung, und man verarbeitet die teilabgetasteten Elementarsignale, welche ein gleiches Elementar-Frequenzband belegen, gesondert.
• Wie nachfolgend noch besser verständlich wird, ist es in diesem Falle leichter, in jedem Elementar-Frequenzband einen zufriedenstellenden Kompromiß für die Abtastfrequenz einzuhalten.
• Nach einem anderen Merkmal der Erfindung wählt man, um das Ziel anhand jeder zweiten Differenz zu erfassen, eine Gruppe von Bahnen, die für das Ziel im Verhältnis zu dem entsprechenden Elementaraufnehmer möglich sind, projiziert man das empfangene Signal auf einen zu jeder dieser Bahnen gehörenden Satz von Grundfunktionen, berechnet man für jede dieser Bahnen die projizierte Energie, und vergleicht man jede dieser projizierten Energien mit einem unteren Schwellenwert.
• Die vorliegende Erfindung hat gleichfalls zum Gegenstand eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehenden Verfahrens zur Verminderung der Auswirkungen der Nebengeräusche auf die Erfassung eines Ziels mittels eines Systems, das eine Mehrzahl von mindestens drei Elementaraufnehmern umfaßt, die empfindlich sind für die Anwesenheit des Ziels und in ihrer jeweiligen Umgebung in einer zu überwachenden Zone verstreut sind, eine Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel, um erste Differenzen der Ausgangssignale der Elementaraufnehmer, jeweils paarweise genommen, zu bilden, Mittel, um von jeder ersten Differenz zwecks Erhalt einer zweiten Differenz mindestens eine andere erste Differenz abzuziehen, nachdem diese in einem Filter gefiltert worden ist, der so geregelt wird, daß der Wert der zweiten Differenz in Abwesenheit des Ziels minimiert wird, und Mittel zur Erfassung des Ziels in Abhängigkeit von der zweiten Differenz umfaßt.
• Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und verschiedener erfindungsgemäßer Vorrichtungen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verständlich, wobei:
• Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Systems zur Erfassung von U- Booten mit Hilfe von magnetometrischen Tonnen darstellt,
• Fig. 2 ein detaillierteres Schema eines der Schaltkreise zur Verminderung der Nebengeräusche und zur Erfassung aus dem System nach Fig. 1 darstellt,
• Fig. 3 schematisch eine Absperrung aus Tonnen darstellt, die in einem System gemäß Fig. 1 verwendet werden kann,
• Fig. 4 eine Variante der Schaltung zur Verminderung der Nebengeräusche nach Fig. 2 darstellt,
• Fig. 5 ein Schema der Schaltung zur Erfassung und Filterung des Systems nach Fig. 1 zeigt,
• Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Variante des Systems nach Fig. 1 zeigt, wobei eine Aufteilung in Frequenzwege erfolgt ist,
• Fig. 7 ein Schema darstellt, das die Frequenzbänder der unterschiedlichen Frequenzwege erläutert, die im System nach Fig. 6 eingesetzt sind, und
• Fig. 8 eine magnetometrische Tonne in Anwesenheit eines U- Boots darstellt.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 1 beinhaltet ein Erfassungssystem, hierbei für U-Boote, eine Anzahl magnetometrischer Tonnen 1, 2 und 3 sowie eine zentralisierte Einrichtung 50, die die von den Tonnen 1, 2 und 3 erfaßten Signale aufnimmt, die hierbei drahtlos übertragen werden.
• Wie bereits angedeutet, ist die zentralisierte Einrichtung entweder an Bord eines Flugzeuges oder am Erdboden oder auch auf einer nicht dargestellten Haupttonne angeordnet, wobei die Tonnen 1, 2 und 3 dann Hilfstonnen sind.
• Die zentralisierte Einrichtung 50 umfaßt drei Schaltkreise 11, 12 und 13 zum Empfang und zur Filterung. Diese drei Schaltkreise sind identisch und jeder von ihnen ist einer der drei Tonnen zugeordnet. Der Schaltkreis 50, der der Tonne 1 zugeordnet ist, liefert ein Signal S1, das die Maßeinheit des Magnetfelds darstellt, in dem sich die Tonne 1 befindet. In gleicher Weise liefern der Schaltkreis 12 und der Schaltkreis 13 die Signale S2 und S3, die die Maßeinheit des Magnetfelds darstellen, in dem sich die Tonnen 2 und 3 befinden.
• Die Vorrichtung 50 umfaßt ebenfalls drei Schaltkreise 21, 22 und 23 zur Geräuschminderung, die die Signale D1, D2 und D3 abgeben. Jeder der Schaltkreise 21, 22 und 23 ist mit drei Eingängen versehen, über die er die Signale S1, S2 und S3 aufnimmt.
• Wie nachfolgend besser verständlich wird, ist das Signal D1 für die Anwesenheit eines U-Boots in der Nachbarschaft der Tonne 1 repräsentativ, während die Signale D2 und D3 für die Anwesenheit eines U-Boots in der Nachbarschaft der Tonnen 2 und 3 repräsentativ sind.
• Wie Fig. 2 zeigt, umfaßt der Schaltkreis 21 einen ersten Subtrahierer 211, der auf seinem Eingang + das Signal S1 und auf seinem Eingang - das Signal S2 erhält. Das Ausgangssignal des ersten Subtrahierers 211 stellt daher die Differenz S1 - S2 dar. Der Kreis 21 weist einen zweiten Subtrahierer 212 auf, der hier auf seinem Eingang + das Signal S2 und auf seinem Eingang - das Signal S3 erhält. Das Ausgangssignal des zweiten Subtrahierers 212 stellt daher die Differenz S2 - S3 dar, die am Eingang eines adaptiven Filters 213 anliegt, dessen Koeffizienten durch eine Steuerschaltung 214 gesteuert werden. Die Steuerschaltung 214 erhält die Ausgangssignale des ersten 211 und zweiten Subtrahierers 212 sowie ein Signal C1, das von einem Hilfsausgang einer Erfassungsschaltung 216 stammt.
• Ein dritter Subtrahierer 215 ist mit einem Eingang + versehen, der mit dem Ausgang des ersten Subtrahierers 211 verbunden ist, mit einem Eingang -, der mit dem Ausgang des Filters 213 verbunden ist, sowie mit einem Ausgang, der mit dem einzigen Eingang der Erfassungsschaltung 216 verbunden ist.
• Die Erfassungsschaltung 216 ist mit einem Hauptausgang versehen, welcher das Signal D1 abgibt.
• Die Schaltkreise 22 und 23, die nicht dargestellt sind, sind identisch aufgebaut wie der Schaltkreis 21, aber die Signale S1, S2 und S3, die an diese angelegt werden, sind einer umlaufenden Vertauschung unterworfen. Auf diese Weise ersetzen die Signale S2, S3 und S1 für die Schaltung 22 die Signale S1, S2 und S3 der Schaltung 21. Gleichfalls ersetzen die Signale S3, S1 und S2 für die Schaltung 23 die Signale S1, S2 und S3 der Schaltung 21.
• Das soeben unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 beschriebene System arbeitet wie folgt.
• Solange die Schaltung 216 nicht die Anwesenheit eines U-Boot- Ziels in der Nähe der Tonne 1 feststellt, ermöglicht es unter Vermittlung des Signals C1 die Regelung der Koeffizienten des adaptiven Filters 213 durch die Steuerschaltung 214, so daß der Wert des Ausgangssignals des dritten Subtrahierers 215 minimiert wird.
• Sobald der Kreis 216 die Anwesenheit eines U-Boots in der Nähe der Tonne 1 feststellt, bewirkt er mittels des Signals C1 und der Schaltung 214 das Einfrieren der Werte der Koeffizienten des Filters 213, so daß diese Koeffizienten den Wert behalten, den sie unmittelbar vor der Erfassung durch den Kreis 216 hatten.
• Erfindungsgemäß und wie beschrieben ist dann das verbleibende Nebengeräusch am Ausgang des dritten Sübtrahierers 215 besonders gering, da der dritte Subtrahierer auf seinem Eingang + die Differenz S1 - S2 erhält, anstelle des Signals S1 selbst, und auf seinem Eingang - die Differenz S2 - S3 nach Filterung, anstelle des Signals S2 nach Filterung.
• Es sei bemerkt, daß die Schaltung 21 modifiziert werden könnte, damit der erste Subtrahierer 211 ein Signal abgibt, das für die Differenz S1 - S3 anstelle der Differenz S1 - S2 repräsentativ ist.
• Die Signale der Fig. 2 können Analogsignale sein, allerdings handelt es sich meist um Digitalsignale, die aus der Abtastung von Analogsignalen während einer geeignet gewählten Zeitdauer Te resultieren, wobei der auf diese Weise erhaltene Wert einer jeden Abtastung in einen digitalen Wert umgewandelt wird. In diesem Fall wird jedes Signal, beispielsweise S1, in bekannter Weise durch eine Folge numerischer Augenblickswerte dargestellt: ... S1n, S1n+1, S1n+2, ..., von denen jeder in digitaler Form den Wert eines analogen Signals S1(t) in zeitlichen Augenblicken der Folge ..., n, n+1, n+2, ... darstellt.
• Aus Vereinfachungsgründen ist dies in den Abbildungen nicht dargestellt.
• Fig. 3 zeigt eine Gruppe von fünf Tonnen 1, 2, 3, 4 und 5 zur Überwachung einer Zone, die größer ist als die des Systems nach Fig. 1, mit Tonnen gleicher Empfindlichkeit. In diesem Fall können Pakete von drei untereinander benachbarten Tonnen gebildet werden, wobei diese Pakete jeweils durch eine der Vorrichtung 50 aus Fig. 1 analoge Vorrichtung verarbeitet werden. Ein erstes Paket 123 umfaßt hier die Tonnen 1, 2 und 3, ein zweites Paket 234 die Tonnen 2, 3 und 4, und ein drittes Paket 345 die Tonnen 3, 4 und 5.
• Diese Zerlegung in Pakete mit drei Tonnen ist nicht die einzige Art, den Fall einer Anzahl von mehr als drei Tonnen in erfindungsgemäßer Weise zu behandeln.
• In Fig. 4 ist eine Schaltung 21' dargestellt, die eine Variante der Schaltung 21 nach Fig. 2 ist und modifiziert ist, um vier Signale S1, S2, S3 und S4 zu berücksichtigen, die von vier unterschiedlichen Tonnen stammen. Fig. 4 zeigt einen ersten Subtrahierer 211, dessen Ausgang die Differenz S1 - S2 darstellt, und einen zweiten Subtrahierer 212, dessen Ausgang hier die Differenz S3 - S2 darstellt. Diese Differenz wird an den Eingang eines adaptiven Filters 213 angelegt, dessen Ausgang am Eingang - eines dritten Subtrahierers 215 anliegt. Der Eingang + des dritten Subtrahierers 215 erhält das Ausgangssignal S1 - S2 des ersten Subtrahierers 211.
• Ein Steuerkreis 214 steuert die Koeffizienten des adaptiven Filters 213 ansprechend auf die Ausgangssignale des ersten 211 und zweiten Subtrahierers 212 sowie auf ein Signal C1, das aus dem Hilfsausgang einer Erfassungsschaltung 216 stammt.
• Die Schaltung 21' unterscheidet sich von der Schaltung 21 im wesentlichen dadurch, daß sie noch einen vierten Subtrahierer 212', ein adaptives Filter 213', eine Steuerschaltung 214' und einen fünften Subtrahierer 215' aufweist.
• Die Funktion des vierten Subtrahierers 212' ist analog der des ersten Subtrahierers 212, bis auf die Tatsache, daß er die Signale S2 und S4 erhält und ein Ausgangssignal abgibt, das die Differenz S4 - S2 darstellt. Diese Differenz liegt am Eingang des adaptiven Filters 213' an. Der Ausgang des adaptiven Filters 213' wird an den Eingang - des fünften Subtrahierers 215' angelegt, dessen Eingang + das Ausgangssignal des dritten Subtrahierers 215 erhält und dessen Ausgang an der Erfassungsschaltung 216 anliegt.
• Die Koeffizienten des adaptiven Filters 213' werden von der Steuerschaltung 214' ansprechend auf die Ausgangssignale des ersten 211 und vierten Sübtrahierers 212' sowie auf das Signal C1 gesteuert.
• Die Arbeitsweise der Schaltung 21' ist identisch mit der der Schaltung 21, bis auf die Tatsache, daß man vom Signal S1 - S2 zwei gefilterte Differenzen anstelle einer abzieht, bevor dieses an den Eingang der Erfassungsschaltung 216 angelegt wird. Man könnte selbstverständlich vorsehen, ein fünftes Signal S5 zu berücksichtigen, ausgehend von dem man beispielsweise die Differenz S5 - S2 bestimmen könnte, um sie nach Durchgang durch ein zusätzliches, den Filtern 213 und 213' analoges, adaptives Filter von dem am Eingang der Erfassung anliegenden Signal abzuziehen. Auf diese Weise kann vorgesehen werden, so viele den Signalen S1, S2, S3, ... analoge Signale zu berücksichtigen, wie gewünscht wird, indem eine den Subtrahierern 215 und 215' analoge Subtraktionskaskade vorgesehen wird.
• Man kann daher sagen, daß das erfindungsgemäße Verfahren darauf hinausläuft, erste Differenzen der Ausgangssignale der paarweise genommenen Tonnen zu bilden, wie die Differenzen S1 - S2, S3 - S2, S4 - S2 nach Fig. 4, und von jeder ersten Differenz, wie etwa S1 - S2, um eine zweite Differenz zu erhalten, wie die, die am Eingang der Erfassungsschaltung 216 anliegt, wenigstens eine andere erste Differenz abzuziehen, nachdem man diese in einem Filter, wie etwa dem Filter 213, gefiltert hat, welches so geregelt ist, um den Wert der zweiten Differenz in Abwesenheit eines Ziels zu minimieren.
• Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 die Erfassungs- und Filterschaltung 11 beschrieben. Am Ausgang der Antenne, die das von der Tonne 1 stammende Signal empfängt, ist eine Empfangsschaltung 110 angeordnet, wie sie in der französischen Patentanmeldung 88 02 218 beschrieben ist. In bekannter Weise ist in der Tonne eine Kodierung und eine Verarbeitung des zu übertragenden Signals vorgesehen, die sich insbesondere an die Unterbrechungen der Übertragung aufgrund der Abdeckung durch die Wellen anpaßt. Die Empfangsschaltung 110 dekodiert und verarbeitet das Signal, das sie empfängt, im Hinblick auf seine spätere Verarbeitung, insbesondere in der Empfangsschaltung 216. Der Ausgang der Empfangsschaltung 110 ist hierbei mit dem Eingang + eines Subtrahierers 112 verbunden, sowie mit dem Eingang einer Schaltung 111 zur Berechnung eines gleitenden Mittelwerts. Der Eingang - des Subtrahierers 112 ist mit dem Ausgang der Schaltung 111 und sein Ausgang mit dem Eingang eines Tiefpaßfilters 113 vom Butterworth oder elliptischen Typ verbunden. Der Ausgang des Filters 113 liefert das Signal S1.
• Die Schaltung 111 und der Subtrahierer 112 bilden hier ein Hochpaßfilter, dessen Funktion darin besteht, die langsamen Anderungen (Tendenzen oder Trends) des von jeder der Tonnen abgegebenen Signals zu eliminieren.
• Hierzu berechnet die Schaltung 111 einen gleitenden Mittelwert ("Mobile Averaging"), indem N - 1 Abtastwerte beidseitig des Beobachtungsaugenblicks verwendet werden und wobei die N - 1 Abtastwerte durch ein Fenster gewichtet werden, das dem Fachmann unter der Bezeichnung Hanning-Fenster bekannt ist.
• Die Schaltung 111 verhält sich hierbei wie ein Tiefpaßfilter, wobei sich die Schaltung 11 und der Subtrahierer 112 gemeinsam wie ein Hochpaßfilter verhalten.
• Die Anmelderin hat gezeigt, daß die Anzahl N, die die Breite des Hanning-Fensters festlegt, wenn der Wert der Abschneidefrequenz fc der Schaltung 111 vorgegeben ist, gleich
• N = 0,66/Te fc (1)
• sein muß, wobei in dieser Formel Te die Zeitdauer der Abtastung angibt.
• Die Frequenz fc ist an das erwartete Verhältnis V/D zwischen der Geschwindigkeit V und der Entfernung D der U-Boot-Ziele gekoppelt, wie sie in Fig. 8 festgelegt sind. Hierbei ist ein U-Boot 8 dargestellt, welches sich mit einer Geschwindigkeit V bewegt und in der Nähe einer Tonne 1 entlang einer als geradlinig angenommenen Bahn vorbeigeht. Als Entfernung D des Ziels wird hierbei die Länge des kürzesten Wegs zwischen der Bahn des U-Boots 8 und dem empfindlichen Teil 15 der Tonne 1, der das Magnetometer enthält, verstanden. D ist gleich der Länge der Projektion des empfindlichen Teils auf die Bahn des U- Boots 8.
• Nachdem die Anmelderin gezeigt hat, daß 95 % der Nutzenergie des kennzeichnenden Signals eines eventuellen U-Boots in dem Frequenzband enthalten ist, dessen untere Grenze V/2 π D und dessen obere Grenze 3,5V/2 π D ist, wird die Abschneidefrequenz des aus der Schaltung 111 und des Subtrahierers 112 bestehenden Hochpaßfilters in der Größenordnung V/2 π D gewählt, und die obere Abschneidefrequenz des Tiefpaßfilters 113 wird von der Größenordnung 3,5V/2 π D gewählt.
• Wie aus Fig. 6 hervorgeht, können die Signale S1, S2 und S3, anstelle direkt an die Schaltung 21 angelegt zu werden, wie in Fig. 2, gefiltert werden, um jedes in mehrere Frequenzwege zerlegt oder aufgeteilt zu werden, wobei die Schaltung 21 selbst ebenfalls in gleichviele Schaltungen zerlegt ist, die jeweils einen Frequenzweg verarbeiten.
• Auf diese Weise wird das Signal S1 mit Hilfe der drei Frequenzfilter 31a, 31b und 31c in drei Signale S1a, S1b und S1c zerlegt, wobei jedes Signal ein Elementar-Frequenzband a, b und c belegt.
• Das Signal S2 wird ebenfalls mit Hilfe von drei Frequenzfiltern 32a, 32b, und 32c in drei Signale S2a, S2b und S2c zerlegt, wobei jedes Signal das Band a, b und c belegt.
• Das Signal S3 wird ebenfalls mit Hilfe von drei Frequenzfiltern 33a, 33b und 33c in drei Signale S3a, S3b und S3c zerlegt, wobei jedes Signal das Frequenzband a, b und c belegt.
• Eine Schaltung 21a, vergleichbar der Schaltung 21. verarbeitet die drei Signale S1a, S2a und S3a, die das Band a belegen. In gleicher Weise verarbeitet eine Schaltung 21b die drei Signale S1b, S2b und S3b, die das Band b belegen, während eine Schaltung 21c die drei Signale S1c, S2c und S3c verarbeitet, die das Band c belegen.
• Die Schaltungen 21a, 21b und 21c liefern die Signale D1a, D1b und D1c, die der Erfassung eines U-Boot-Ziels in Band a, b und c entsprechen.
• Fig. 7 zeigt, wie das Frequenzband F1 - F2, in dem die Signale S1. S2 und S3 erwartet werden, hierbei in drei Bänder a, b und c zerlegt wird, deren untere Abschneidefrequenz F'a, F'b und F'c und deren obere Abschneidefrequenz Fa, Fb und Fc sind.
• Die drei Bänder a, b und c sind so angelegt, daß sie sich ausreichend überlappen, so daß ein U-Boot vollständig in einem Band oder in einem anderen eine Markierung hinterläßt. In Fig. 7 ist mit m das Band markiert, das von dem Markierungssignal eines U-Boots belegt werden kann. Das Band m. das selbstverständlich unterhalb des Bands F1-F2 liegt, ist in der Lage, sich je nach den besonderen Eigenschaften des das Markierungssignal erzeugenden U-Boots ins Innere des Bands F1-F2 zu verlagern.
• Selbstverständlich gilt F'a = F1 und Fc = F2.
• Dagegen gilt, wie Fig, 7 zeigt:
• F'b < Fa (3)
• F'c < Fb (4)
• mit:
• Fa - F'b > m (5)
• Fb - F'c > m (6)
• so daß die Überlappung der Bänder a, b und c stets ausreichend ist.
• Im übrigen sind die Frequenzen F'a, F'b und F'c sowie die Frequenzen Fa, Fb und Fc So gewählt. daß die Frequenzdynamik in jedem der drei Bänder a, b und c in etwa die gleiche ist. Die Frequenzdynamik eines Bands ist das Verhältnis zwischen der maximalen und der minimalen Frequenz des Bandes.
• Der Vorteil der Zerlegung in Frequenzwege besteht darin, daß diese ermöglicht, in jedem Band a, b und c eine Teilabtastung ohne Berücksichtigung aller Abtastwerte, sondern nur eines von beispielsweise n Abtastwerten durchzuführen. Die Teilabtastung ist hier in jedem der Filter 31a, 31b, 31c, 32a, 32b, 32c, 33a, 33b und 33c vorgesehen.
• Die Teilabtastungen sind vorgesehen, damit in jedem Band a, b oder c das Shannon-Theorem erfüllt ist und damit in jedem dieser Bänder der beste Kompromiß hinsichtlich des Wertes der aus der Teilabtastung resultierenden Abtastfrequenz gefunden wird.
• Es ist nämlich einesteils vorteilhaft, daß diese Abtastfrequenz relativ niedrig ist, um insbesondere eine gute spektrale Auflösung zu haben, d.h. eine geringe Auflösung, was für eine eventuelle spätere Verarbeitung durch schnelle Fourier-Transformation oder durch Berechnung der spektralen Leistungsdichte günstig ist. Es ist bekannt, daß die spektrale Auflösung proportional zur Abtastfrequenz ist.
• Auf der anderen Seite ist es interessant, eine relativ hohe Abtastfrequenz zu haben, um Faltungen des Spektrums bei der nachfolgenden Verarbeitung zu verhindern, sowie eine kürzere Beobachtungszeit und damit eine schnellere Erfassung naher Ziele, die in einem höheren Frequenzband ihre Markierung hinterlassen.
• Die Aufteilung in Frequenzwege ermöglicht einen besseren Kompromiß zwischen einer niedrigen Abtastfrequenz und einer hohen Abtastfrequenz. Es ist umso leichter, einen günstigen Kompromiß zu erzielen, je größer die Anzahl der Frequenzwege ist.
• In der Schaltung 216 nutzt man zur Erfassung des U-Boot-Ziels die Tatsache, daß die aus der Anwesenheit des U-Boots resultierende Veränderung des Magnetfelds in eine gewichtete Summe aus mehreren Basisfunktionen zerlegbar ist, die an die Geometrie des vom U-Boot relativ zur Tonne zurückgelegten Weges geknüpft sind. Die Gewichtskoeffizienten sind insbesondere mit dem magnetischen Moment des U-Boots verknüpft.
• Da der vom U-Boot zurückgelegte Weg von vornherein nicht bekannt ist, wählt man willkürlich einen Weg aus, projiziert das empfangene Signal auf einen Satz Basisfunktionen, die mit diesem Weg verknüpft sind, und man berechnet die projizierte Energie als Summe der Energien einer jeden Projektion. Wenn die auf diese Weise projizierte Energie eine bestimmte untere Schwelle überschreitet, bedeutet das, daß der wahre Weg des U- Boots mit dem willkürlich gewählten Weg übereinstimmt. Wenn die projizierte Energie unterhalb der Schwelle bleibt, probiert man einen anderen Weg usw. für eine Menge möglicher Wege, bis die projizierte Energie die untere Schwelle überschreitet, wobei dann die Anwesenheit des U-Boots festgestellt ist.
• Die Anmelderin hat gezeigt, daß die Geometrie des Weges für die Berechnung der projizierten Energie nur durch das Verhältnis V/D eine Rolle spielt, das bereits in Bezug auf Fig. 8 definiert worden ist, und durch die horizontale Entfernung E zwischen dem U-Boot 8 und dem Projektionspunkt des empfindlichen Teils 15 auf dessen Weg. Um verschiedene Wege auszuprobieren, genügt es daher, verschiedene Wertekombinationen des Paars E und V/D nach einem gewissen Raster auszuprobieren, bis die projizierte Energie die Schwelle überschreitet.
• Natürlich darf das Raster nicht zu grob sein, da dann die Gefahr bestünde, daß ein U-Boot nicht gesehen wird, dessen Verhältnis V/D beispielsweise in der Nähe der Mitte des Segments liegt, das die beiden nächstliegenden Punkte des V/D-Rasters bindet.
• Die Anmelderin hat gezeigt, daß ein V/D-Raster in geometrischer Progression mit dem Faktor 0,5, ausgehend von dem Wert 0,05, gute Ergebnisse liefert, was für V/D folgende Reihe von Werten ergibt:
• 0,05; 0,025; 0,0125; 0,00625; 0,003125
• Die Anmelderin hat ebenfalls gezeigt, daß bei einer Wahl des Wertes für das Verhältnis V/D eine gute Wahl für das zeitliche Fenster der Projektion des empfangenen Signals auf die Basisfunktionen dasjenige zeitliche Fenster ist, dessen untere Grenze
• - 3 D/V
• und dessen obere Grenze
• + 5 D/V
• ist. Dies ermöglicht, die Verformung und die Verzögerung zu berücksichtigen, die durch das Hochpaßfilter 111 + 112 eingeführt wird, welches die Tendenzen eliminiert.
• Es ist anzumerken, daß für die Erfassung eines U-Boot-Ziels die genaue Kenntnis seines Wegs, d.h. von V/D und E, nicht von Bedeutung ist, wenn man lediglich die An- oder Abwesenheit eines U-Boot-Ziels in der Nähe einer gegebenen Tonne bestimmen will.
• In der vorstehenden Beschreibung weist das Erfassungssystem für U-Boote eine Anzahl von wenigstens drei Tonnen auf. Es ist indessen selbstverständlich, daß die Erfindung auf jegliches System angewendet werden kann, welches eine Anzahl von wenigstens drei Elementaraufnehmern aufweist, und zwar von Elementaraufnehmern, die für die Anwesenheit des Ziels in ihrer jeweiligen Nähe empfindlich sind und in einer zu überwachenden Zone verstreut sind.
• Auch wurden aus Vereinfachungsgründen die unterschiedlichen Funktionen des Systems in Blockform dargestellt. Es ist indessen klar, daß unterschiedliche Funktionen in ein und demselben Schaltkreis verwirklicht sein können, was insbesondere für die Rechenfunktionen gilt, die in einem Rechner oder Prozessor eingebaut sein können.
• Schließlich wurde das erfindungsgemäße System unter Bezugnahme auf die Erfassung von U-Booten beschrieben, aber es ist ebenso auf die Erfassung von jeglichen anderen Zielen anwendbar, gleichgültig, ob es sich um Schiffe auf der Wasseroberfläche oder um U-Boote handelt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Verminderung der Auswirkungen der Nebengeräusche auf die Erfassung eines Ziels mittels eines Systems, das eine Mehrzahl von mindestens drei Elementaraufnehmern (1, 2, 3, 4) umfaßt, die empfindlich sind für die Anwesenheit des Ziels in ihrer jeweiligen Umgebung und in einer zu überwachenden Zone verstreut sind, ein Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß man erste Differenzen (S1-S2, S3-S2, S4-S2) der Ausgangssignale der Elementaraufnehmer (1, 2, 3, 4), jeweils paarweise genommen, bildet (211, 212, 212'), man von jeder ersten Differenz, um eine zweite Differenz zu erhalten, mindestens eine andere erste Differenz (S3-S2, S4-S2) abzieht (215, 215'), nachdem man diese in einem Filter (213, 213') gefiltert hat, der so geregelt wird, daß der Wert der zweiten Differenz in Abwesenheit des Ziels minimiert wird, und man die so erhaltenen zweiten Differenzen für die Erfassung des Ziels verwendet (216).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Filter ein anpassungsfähiges Filter (213, 213') ist, dessen Faktoren in Abhängigkeit von dem Wert der mit Hilfe dieses Filters (213, 213') erstellten zweiten Differenz gesteuert werden (214, 214'), und man die Werte dieser Faktoren einfriert, sobald man die Anwesenheit eines Ziels in Abhängigkeit von dieser zweiten Differenz feststellt (216).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem man, wenn die Mehrzahl (1, 2, 3, 4, 5) von Elementaraufnehmern mehr als drei Aufnehmer umfaßt, Pakete (123, 234, 345) von jeweils drei einander benachbarten E1ementaraufnehmern bildet, und man für jedes Paket drei erste Differenzen (S1 - S2) bildet und man von jeder (S1 - S2) der so gebildeten drei ersten Differenzen eine andere (S2 - S3) der drei ersten Differenzen abzieht, nachdem man diese in einem Filter (213) gefiltert hat, der so geregelt wird, daß der Wert der entsprechenden zweiten Differenz minimiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem man, um die langsamen Anderungen des Ausgangssignals jedes Elementaraufnehmers zu eliminieren, einen gleitenden Mittelwert dieses Signals berechnet (111) und man von diesem Signal den so berechneten gleitenden Mittelwert abzieht (112).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem man das Ausgangssignal (S1, S2, S3) jedes Elementaraufnehmers durch Frequenzsiebung (31a, 31b, 31c, ... , 33c) in eine Mehrzahl von Elementarsignalen (S1a, S1b, S1c, ... S3c) zerlegt, die jeweils ein Elementar-Frequenzband (a, b, c) belegen, welches kleiner ist als dasjenige des Ausgangssignals (S1, S2, S3), man jedes der Elementarsignale einer Teilabtastung unterzieht, und man die teilabgetasteten Elementarsignale, welche ein gleiches Elementar-Frequenzband (a, b, c) belegen, gesondert verarbeitet (21a, 21b, 21c).

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem man, um das Ziel anhand jeder zweiten Differenz zu erfassen (216), eine Gruppe von Bahnen wählt, die für das Ziel im Verhältnis zu dem entsprechenden Elementaraufnehmer möglich sind, man das empfangene Signal auf einen zu jeder dieser Bahnen gehörenden Satz von Grundfunktionen projiziert, man für jede dieser Bahnen die projizierte Energie berechnet, und man jede dieser projizierten Energien mit einem unteren Schwellenwert vergleicht.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Verminderung der Auswirkungen der Nebengeräusche auf die Erfassung eines Ziels mittels eines Systems, das eine Mehrzahl von mindestens drei Elementaraufnehmern (1, 2, 3, 4) umfaßt, die empfindlich sind für die Anwesenheit des Ziels in ihrer jeweiligen Umgebung und in einer zu überwachenden Zone verstreut sind, eine Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (211, 212, 212'), um erste Differenzen (S1-S2, S3-S2, S4-S2) der Ausgangssignale der Elementaraufnehmer (1, 2, 3, 4), jeweils paarweise genommen, zu bilden, Mittel (215, 215'), um von jeder ersten Differenz (S1-S2) zwecks Erhalt einer zweiten Differenz mindestens eine andere erste Differenz (S3-S2, S4-S2) abzuziehen, nachdem diese in einem Filter (213, 213') gefiltert worden ist, der so geregelt wird, daß der Wert der zweiten Differenz in Abwesenheit des Ziels minimiert wird, und Mittel (216) zur Erfassung des Ziels in Abhängigkeit von der zweiten Differenz umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Filter ein anpassungsfähiges Filter (213, 213') ist und mit Mitteln zur Steuerung (214, 214') der Faktoren dieses Filters in Abhängigkeit von dem Wert der mit Hilfe dieses Filters (213, 213') erstellten zweiten Differenz und mit Mitteln (216, 214) zum Einfrieren der Werte dieser Faktoren im Falle der Feststellung der Anwesenheit eines Ziels in Abhängigkeit von dieser zweiten Differenz versehen ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem, um die langsamen Änderungen des Ausgangssignals jedes Elementaraufnehmers zu eliminieren, Mittel (111) zur Berechnung eines gleitenden Mittelwerts dieses Signals und Mittel (112) zum Abziehen des so berechneten gleitenden Mittelwerts von diesem Signal vorgesehen sind.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem Frequenzfilter (31a, 31b, 31c, ... , 33c) zur Zerlegung des Ausgangssignals (S1, S2, S3) jedes Elementaraufnehmers in eine Mehrzahl von Elementarsignalen (S1a, S1b, S1c, ... S3c), die jeweils ein Elementar-Frequenzband (a, b, c) belegen, welches kleiner ist als dasjenige des Ausgangssignals (S1, S2, S3), Mittel (31a, 31b, 31c, ... 33c) zur Teilabtastung jedes der Elementarsignale und Mittel (21a, 21b, 21c) zur gesonderten Verarbeitung der teilabgetasteten Elementarsignale, welche ein gleiches Elementar-Frequenzband (a, b, c) belegen, vorgesehen sind.