DE69425681T2 - Dipolnachweis- und- ortungsverfahren - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Dipolerkennungs- und -ortungsverarbeitung, und insbesondere eine Verarbeitung und eine Verarbeitungsvorrichtung, die eine höhere räumliche Auflösung liefern, die die Verwendung von mehr als drei Anderson-Funktionen in den Anderson-Funktionsentwicklungen liefern, und die die Benutzung einer Mehrfachverarbeitung von Daten und Subtraktionen liefern, um eine Auflösung mehrerer Ziele zu erreichen.
• Das Thema der Dipolmomenterkennung ist in unterschiedlichen Patenten und Veröffentlichungen angesprochen. Insbesondere wird im US-Patent Nr. 5,239,474 (US-Anmeldenr. 07/616,158), das am 24. August 1993 für Eaton, Jr. et al. herausgegeben wurde, eine Dipolmomenterkennung und -ortung diskutiert. Das US-Patent Nr. 5,264,793, das am 23. November 1993 für Lo et al. herausgegeben wurde, diskutiert eine Spaltfeld(split array)-Dipolmomenterkennung und -ortung. Die europäische Patentanmeldung Nr. 0 503 384 A1 (Anmeldenummer 92 103 332.0) von den Erfindern Lo et al. diskutiert eine Sensorfeldausrichtung und -justierung eines Dreiachsen-Magnetometers. Eine Lösung des Problems der magnetostatischen Ortung und Erkennung von kompakten Metallgegenständen beliebiger Form ist in dem technischen Aufsatz mit dem Titel "Locating and Identifying Compact Ferrous Objects" von McFee et al. dargestellt (8110 IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 28 (1990) March, No. 2, New York US). Obwohl die zuvor in Bezug genommenen Lehren einen Beitrag zu dem technologischen Gebiet liefern, verwenden sie nicht Verarbeitungstechniken der vorliegenden Erfindung, die verschiedene Gesichtspunkte der Dipolerkennungs- und -ortungssysteme aus dem Stand der Technik verbessern.
• Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Dipolmomenterkennungs- und -ortungsverarbeitungssysteme und -verfahren anzugeben, die eine höhere Dipol-Auflösung liefern, die Anderson-Funktionen höherer Ordnung verwenden, um eine bessere Erkennung und Ortung mehrerer Dipole zu ermöglichen, und die Verarbeitungstechniken einsetzen, die ebenfalls die Erkennung und Ortung mehrerer Zielerfassungen innerhalb des Sensorfelds mit Hilfe von Feldsubtraktionstechniken liefern.
• Um die Verarbeitungsfähigkeiten der in der zuvor genannten Patentanmeldung offenbarten Erfindung zu verbessern, liefert die vorliegende Erfindung ein verbessertes Dipolerkennungs- und -ortungssystem und ein Verarbeitungsverfahren, das Verarbeitungstechniken einsetzt, die unterschiedliche Gesichtspunkte dieses Erkennungs- und Ortungssystems verbessern.
• Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, wie sie nachfolgend in Anspruch 1 beschrieben ist, erweitert ein Verfahren der Dipolmomenterkennungs- und -ortungsverarbeitung die Anderson-Funktionsentwicklung, die in dem Erkennungs- und Ortungssystem verwendet wird, so daß sie mehr als drei Anderson-Funktionen umfaßt. Die Verwendung von mehr als drei Anderson-Funktionen ist am wirksamsten beim "Herausnormieren" der Entfernungsabhängigkeit der vorberechneten Strahlformungskoeffizienten und ist wirksamer bei der Rausch- und Störfleckdarstellung. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die zuvor beschriebene Verarbeitung hoher Auflösung nicht eingesetzt wird, und eine relativ hohe Ausgangsauflösung in den verarbeiteten Signalen vorhanden ist. In der vorliegenden Erfindung wird das sich aus einem einzelnen Dipol ergebende Feld zur Verwendung von nur drei Anderson-Funktionen ausgedehnt auf eine größere Anzahl von Funktionen (beispielsweise fünf) ohne irgendeinen Restfehler, allerdings sind Rauscheffekte und Mehrpolfeldeffekte genauer vorhanden. Rauschquellen und andere Phänomene, wie Felder aufgrund der Mehrfachpole höherer Ordnung, und insbesondere Mehrfachdipole, können bezüglich nur drei Anderson-Funktionen nicht vollständig erweitert werden. Die vorliegende Erfindung vergrößert die Anzahl der Anderson-Funktionen, die zur Verarbeitung der Zieldaten verwendet werden, um eine bessere Erkennung und Ortung in einer rauschbehafteten Umgebung oder im Fall von sehr nahe beieinander liegenden Dipolen zu liefern.
• Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, wie er in Anspruch 2 nachfolgend beschrieben ist, liefert ein Verfahren eine Mehrfachzielverarbeitung von Daten in mehreren Durchgängen, die von dem Sensorfeld gemessen wurden, das das Magnetometerfeld umfaßt. Der Ort des größten Dipols im Feldbereich des Feldes wird zuerst bestimmt, und dessen Moment und Ausrichtung bestimmt. Das sich durch einen Dipol an diesem Ort ergebende Feld und die Ausrichtung wird dann aus den Messungen entfernt, und das Verfahren wird wiederholt. Das Feld wird durch Subtraktion des Anteils von jedem der Sensoren in dem Magnetometerfeld entfernt, und dann wird der Ort des zweitgrößten Dipols geschätzt. Simulationen haben gezeigt, daß dieses Verfahren eine Auflösung mehrerer Ziele ermöglicht.
• Die Verarbeitungstechnik hoher Auflösung hat mit Hilfe von simulierten Daten und Felddaten gezeigt, daß sie mehr genaue Orte eines Dipols bei vorhandenem oder nicht vorhandenem Rauschen liefert. Indem eine Verarbeitungstechnik hoher Auflösung verwendet wird, wird das vorliegende Dipolmomenterkennungs- und -ortungssystem und das Verarbeitungsverfahren in der Lage sein, kleinere Gegenstände zu erkennen und genauer zu orten. Die Fähigkeit, eine höhere Ortungsauflösung zu erzielen, hilft ebenfalls bei der Unterscheidung von nahe beieinander liegenden Störfleck-Dipolanomalien.
• Es ist bekannt, daß das Vorhandensein des magnetischen Feldes eines einzelnen Dipols die Verwendung von nur drei Anderson- Funktionen erfordert. Allerdings wurde festgestellt, daß die Verwendung von mehr als drei Anderson-Funkionen bei der Verarbeitung die folgenden Vorteile besitzt. Es erweitert die Fähigkeiten der Verarbeitung, eine gleichzeitige feldangepaßte Verarbeitung von mehr als einem Dipol bereitzustellen. Eine vollständigere Erweiterung des Rauschterms des Signals, das von den Sensoren stammt, wird erreicht, wobei die Rauschterme verwendet werden, um eine bessere Rauschnormierung zu liefern, was zur Erkennung von vorhandenen Dipolen wichtig ist. Zusätzlich können statische Felder, wie Vierfachpol- oder andere Mehrfachpol- Felder verwendet werden, um Ziele zu erkennen, oder Neigungsmeßauswertungen einer Feldmessung können ebenfalls zur Erkennung von Zielen verwendet werden, in denen der Ortsgradient des Feldes anstelle des Feldes selbst gemessen wird, indem mehr als die drei Anderson-Funktionen, die für einen statischen Dipol geeignet sind, eingesetzt werden.
• Der Einsatz einer Verarbeitung in mehreren Durchgängen liefert eine Erkennung eines Dipols, der bei einem anderen Dipol liegt, der ein viel größeres Magnetfeld besitzt, oder der näher an dem Feld (Array) liegt. Dies ist wichtig, wenn ein kleiner Zieldipol versucht, sich zu verstecken, indem er sich in die Nachbarschaft eines größeren Zieldipols begibt. Während der neue Lösungsweg mit mehreren Durchgängen keine vollständige Lösung des Problems bietet, ist es eine sehr viel bessere Lösung als wenn er nicht verwendet würde. Es wurde durch Simulationen gezeigt, daß die vorliegende Erfindung in der Lage ist, Ziele zu trennen, die nicht durch eine Verarbeitung in einem Durchgang trennbar wären.
• Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung können leichter mit Bezug auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche strukturelle Elemente bezeichnen, und in denen:
• Fig. 1 ein Blockdiagramm ist, das einen Bereich des zuvor erwähnten Dipolmoment-Erkennungs- und -ortungssystems darstellt, das zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlich ist;
• Fig. 2 ein Flußdiagramm mit einem zusätzlichen Verarbeitungsweg zeigt, der für eine Verarbeitung höherer Auflösung repräsentativ ist;
• Fig. 3 ein Flußdiagramm zeigt, das die Verwendung von erweiterten Anderson-Funktionskoeffizienten zeigt, um eine Mehrfachdipolerkennung und -ortung entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu erreichen;
• Fig. 4 ein Flußdiagramm ist, das eine Mehrfachdipolverarbeitung in mehreren Durchgängen gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellt;
• Fig. 5a und 5b Netz- und Liniendiagramme der feldangepaßten Antwort einer herkömmlichen Erkennungs- und Ortungsverarbeitung zeigen;
• Fig. 5b und 5c Netz- und Liniendiagramme der Antwort hoher Auflösung entsprechend der mit Bezug auf die Fig. 2 beschriebenen Verarbeitung hoher Auflösung zeigen;
• Fig. 6a die ersten fünf Linien (Konturen) des feldangepaßten Prozessorausgangssignals unter Verwendung der ersten drei Anderson-Funktionen zeigt, das in dem herkömmlichen Erkennungs- und Ortungsverfahren eingesetzt wird;
• Fig. 6b die ersten fünf Linien des feldangepaßten Prozessorausgangssignals unter Verwendung der ersten fünf Anderson-Funktionen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
• Fig. 7a und 7b Linien- und Gitterdiagramme des Ausgangssignals hoher Auflösung der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei die Erkennung und Ortung eines ersten Dipols mit einer relativ großen Antwort bei vorhandenem zweiten Dipol mit einer relativ kleinen Antwort dargestellt sind; und
• Fig. 7c und 7d Linien- und Gitterdiagramme des Ausgangssignals hoher Auflösung der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei die Erkennung und Ortung des zweiten Dipols nach der Subtraktion der relativ großen Antwort bedingt durch den ersten Dipol dargestellt sind.
• Bezug nehmend auf die gezeichneten Figuren zeigt Fig. 1 ein Dipolmoment-Erkennungs- und -ortungssystem 10, das eine Dipolmoment-Erkennungs- und -ortungsverarbeitung entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung einsetzt. Der Sensorbereich dieses Systems 10 ist in der US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 07/616,158, angemeldet am 20. November 1990, beschrieben. Dieses System 10 verwendet ein fixiertes, nominell lineares aber nicht darauf beschränktes Feld (Array) von Magnetsensoren 11, um einen ersten Dipol 13a zu erkennen und zu orten. Ein besseres Verständnis des Aufbaus und der Funktionsweise dieses Systems erhält man durch Lesen der zuvor angegebenen Patentanmeldung. Das in dieser Patentanmeldung offenbarte System besitzt die Fähigkeit, nur den ersten Dipol 13a adäquat zu erkennen und zu orten, falls der erste Dipol 13a wesentlich größer oder wesentlich näher an dem Array von Magnetometern ist. Ein Verarbeitungsverfahren, das die vorliegende Erfindung vorsieht, besitzt jedoch die Fähigkeit, zusätzliche Dipole 13b zu erkennen und zu orten, die in der Nähe des ersten Dipols 13a liegen, wie nachfolgend beschrieben wird.
• Insbesondere zeigt Fig. 1 ein Erkennungs- und Ortungssystem 10, das ein Array von Magnetsensoren 11 umfaßt, die mit einer Verarbeitungsvorrichtung 15 verbunden sind. Das Array von kreisförmigen Orten stellt die Orte 12 magnetischer Antwort dar, die nach Vorhandensein von Dipolen relativ zu dem Array von Magnetsensoren 11 abgesucht wird. Die Orte 12 magnetischer Antwort umfassen vorberechnete damit verknüpfte magnetische Antworten, die das Magnetfeld darstellen, das sich ergeben würde, wenn ein magnetischer Dipol innerhalb jedes Orts 12 magnetischer Antwort in einer Vielzahl unterschiedlicher Ausrichtungen vorhanden wäre. In Fig. 1 sind ebenfalls zwei spezielle Orte 12a, 12b magnetischer Antwort (erhellt) gezeigt, in denen der erste und der zweite magnetische Dipol 13a, 13b liegt, wobei jeder eine unterschiedliche Feldstärke aufweist. Zu Zwecken der Beschreibung besitzt der erste magnetische Dipol 13a eine relativ große Feldstärke verglichen mit dem zweiten magnetischen Dipol 13b. Eine Vielzahl von Pfeilen, die Ortungsvektoren 14 darstellen, sind als Pfeile gezeigt, die sich von jedem Sensor des Magnetsensor-Arrays 11 in Richtung des Orts 12a der magnetischen Antwort erstrecken, an dem der erste magnetische Dipol 13a liegt. Das Auslesen der Sensoren bringt eine Menge von Vektoren, die den Ort des ersten magnetischen Dipols 13a darstellen, so daß eine erfaßte Signatur gebildet wird, die unter Verwendung der Konzepte der vorliegenden Erfindung, wie nachfolgend beschrieben, verarbeitet wird. Eine ähnliche Signatur wird auch für den zweiten magnetischen Dipol 13b gebildet, und die Gesamtsignatur ist einfach die Summe der beiden Signaturen.
• Fig. 2 zeigt ein Flußdiagramm, das die Verarbeitung hoher Auflösung darstellt. Fig. 3 und 4 zeigen der Reihe nach die Veränderungen zur Erzielung der erweiterten Anderson-Funktionslösung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, und die Mehrfachverarbeitungslösung, um nahe beieinander liegende Dipole oder in einem magnetischen Störbereich liegende Dipole in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufzulösen.
• Im Wege einer Einführung basiert die Dipolmoment-Erkennung und -ortung auf einer feldangepaßten Verarbeitung, die bei magnetischen Feldern analog zu der akustischen feldangepaßten Verarbeitung angewendet wird, die für die Modenausbreitung von akustischen Feldern in einem begrenzten Gebiet, wie beispielsweise bei einer Anwendung in seichtem Wasser, eingeführt wird. Die feldangepaßte Verarbeitung basiert auf dem Konzept eines signalangepaßten Filters (matched filter), das wiederum auf der Cauchy-Schwarz-Ungleichheit der Funktionsanalyse basiert. Ein Strahlformer, der bei Sonar- und Radaranwendungen eingesetzt wird, basiert auf diesem Konzept, da er ein signalangepaßter Prozessor für eine ebene Welle ist, die aus einer vorgegebenen Richtung kommt. Die Verarbeitung hoher Auflösung, die hier beschrieben ist, weitet diese akustische Analogie aus, um sie nicht nur bei der akustischen Ausbreitung sondern auch bei magnetischen Feldern anwendbar zu machen.
• Verarbeitungen hoher Auflösung bei Sonargeräten und Radargeräten basieren allgemein auf dem Einsatz einer Sensor-zu- Sensor-Signalplus-Rauschen- oder einer Nur-Rauschen-Kreuzkorrelationsmatrix. Der Leistungsausgang eines herkömmlichen Strahlformers wird durch die sogenannte Bartlettform gegeben:
• J(Θ) = BT(Θ)RB(Θ),
• wobei B(Θ) ein Richtungsvektor des Strahls und R eine Kreuzkorrelationsmatrix ist. Das Ergebnis hat einen Maximalwert, wenn der Richtungsvektor in die Richtung der größten Feldquelle zeigt. Der Strahlformer mit maximaler Wahrscheinlichkeit (maximum likelihood) hat andererseits die Form:
• JML(Θ) = (BT(Θ)B(Θ)) (BT(Θ)R&supmin;¹B(Θ))
• Wenn es eine einzelne starke Quelle in dem Feld des magnetischen Sensor-Arrays 11 gibt, ist die Korrelationsmatrix beinahe singulär, was bedeutet, daß die Matrixdeterminante nahe null ist, und das Ergebnis für diese Richtung ist der reziproke Wert einer kleinen Zahl (eine sehr große Zahl), und die Auflösung in bezug auf die Schärfe der Antwort als Funktion der Ausrichtungsrichtung ist sehr viel besser als bei einem herkömmlichen Strahlformer.
• Um die zuvor genannte Analyse (wie in Fig. 2 angegeben) auf die Dipolmoment-Erkennungs- und -ortungsverarbeitung anzuwenden, sind mehrere konzeptionelle Änderungen vorzunehmen. Erstens ist bei der Dipolmoment-Erkennung und -ortung die Zeit nicht leicht verfügbar, um eine Korrelationsmatrix für das Sensor-Array 11 zu bilden. Deshalb wird eine dyadische Matrix aTa gebildet, die das dyadische Produkt eines Vektors a mit sich selbst ist. Der Vektor umfaßt die Anderson-Koeffizienten der Messungen und kann der Vektor der magnetischen Feldmessungen sein. Ein dyadisches Produkt wird gebildet, indem ein Spaltenvektor mit einem Zeilenvektor multipliziert wird. Die zweite konzeptionelle Änderung umfaßt den Aufbau dieses Vektors der Messungen. Bei der herkömmlichen Dipolmoment-Erkennungs- und -ortungsverarbeitung sind die Koeffizienten als eine Menge von drei-mal-drei (3 · 3) Matrizen organisiert mit einer Zeile oder einer Spalte für jede der drei Komponenten des gemessenen Feldes, und die andere Dimension stellt die Ordnung der jeweiligen Anderson-Funktionen dar. Die Verarbeitung hoher Auflösung setzt diese Anordnung in eine vollständig neue Ordnung, nämlich in die Ordnung eines Vektors mit bis zu 3 · 3 = 9 Komponenten oder einen N·N Vektor, falls die Feldmessungen statt der Anderson-Koeffizienten verwendet werden. N ist die Anzahl der Sensor(Magnetometer)- Messungen. Dies ist notwendig, um die dyadische Matrix zu bilden. Ein drittes Konzept wird benötigt, um den Aufbau der Verarbeitung hoher Auflösung zu vervollständigen, die mit einer Strahlformerverarbeitung maximaler Wahrscheinlichkeit (maximum likelihood) vergleichbar ist. Dies bringt eine Erleichterung hinsichtlich des hohen Grads der Singularität der dyadischen Matrix. Dies wird erreicht, indem ein kleines Vielfaches einer Identitätsmatrix zu der dyadischen Matrix hinzuaddiert wird. Der quadratische Ausgang der herkömmlichen Dipolmoment-Erkennungs- und -ortungsverarbeitung besitzt die Bartlettform:
• J(x, y, z, φ) = (aT(x, y, z, φ)RaT(x, y, z, φ) + εI),
• wobei R = r rT ist,
• und wobei die vorberechneten Anderson-Funktionskoeffizienten für einen Ort (x,y,z,φ) in die Vektorform a(x,y,z,φ) gesetzt werden, und der Vektor r der gleiche Koeffizienten-Vektor für die gemessenen Koeffizienten im Gegensatz zu den vorberechneten Koeffizienten ist. Der quadratische Ausgang der neu gebildeten Verarbeitung hoher Auflösung besitzt die Form:
• JML(Θ)=(aT(x, y, z, φ)a(x, y, z, φ)) (aT(x, y, z, φ)(Rdyad + εI)&supmin;¹aT(x, y, z, φ))
• wobei Rdyad = r rT ist. Die Auswertung dieses Ausdrucks ist die in Fig. 2 in den Verarbeitungsschritten 37 und 38 gezeigte Verarbeitung. Eine Prüfung dieses Ausdrucks unter Verwendung der Tatsache, daß a's und r's normiert sind, zeigt, daß die vorberechneten und gemessenen Koeffizienten zusammenpassen, wobei der Nenner wie in der analogen Sonar- oder Radarsituation klein wird. Wenn die Feldmessungen verwendet werden, werden die a- Vektoren bei dieser Entwicklung durch die Feldmessungen ersetzt.
• Insbesondere mit Bezug auf Fig. 2 ist ein Flußdiagramm gezeigt, das ein Verarbeitungsverfahren 30 hoher Auflösung darstellt. In einem ersten Verarbeitungsschritt 31 werden die Daten von dem Sensor-Array 11 verarbeitet, indem ein lineares Modell verwendet wird, um den Wert jedes Sensors unter Verwendung der anderen Sensoren vorherzusagen. Zusätzlich werden in einem zweiten Verarbeitungsschritt 32 die Daten zeitgemittelt, um eine Integration über einen längeren Zeitraum zu erhalten, was einer Tiefpaßfilterung der Daten entspricht. Diese Daten werden verwendet, um die Werte der in dem ersten Verarbeitungsschritt 31 berechneten Daten einzustellen. Ferner wird in einem dritten Verarbeitungsschritt 33 der vorhergesagte Sensordatenwert, wie er durch die zeitgemittelten Daten modifiziert wurde, von den gemessenen Daten subtrahiert. Die ersten drei Verarbeitungsschritte 31, 32, 33 sind Rauschnormierungs-Verarbeitungen, die allen Formen der Dipolerkennungs- und -ortungsprozessoren gemeinsam sind, und sind äquivalent zu der Anwendung einer invertierten Korrelationsmatrix, wie dies zur Erzielung einer Rauschnormierung gut bekannt ist.
• Die sich ergebenden Daten werden gegen die Menge der gespeicherten Anderson-Funktionen in Schritt 34 verarbeitet. Vor der Verwendung und wie in Verarbeitungsschritt 35 dargestellt ist, werden die gespeicherten Daten in Form von Anderson-Funktionen erzeugt, die magnetische Antworten umfassen, die mit jedem der Orte 12 maximaler Antwort verknüpft sind, die das magnetische Feld darstellen, das sich ergeben würde, wenn ein magnetischer Dipol innerhalb jedes speziellen Orts 12 maximaler Antwort vorhanden wäre. Die Verarbeitung führt zu einer Menge von gemessenen Anderson-Koeffizienten.
• Die gemessenen Anderson-Koeffizienten werden signalangepaßt gefiltert (korreliert) gegen eine vorberechnete Menge von Anderson-Koeffizienten, die die Menge von magnetischen Signaturen für eine Vielzahl von Ausrichtungen an einem beliebigen der Orte magnetischer Antwort in dem Verarbeitungsschritt 36 enthält. Diese Korrelation umfaßt ein Skalarprodukt der beiden Datenmengen, und die Korrelation erzeugt deutlich vergrößerte normierte Werte, wenn die beiden Datenwerte im wesentlichen gleich sind, während relativ geringe Werte erzeugt werden, wenn die Daten sich nur wenig unterscheiden.
• Ein zusätzlicher Verarbeitungsweg, der die beiden Verarbeitungsschritte 37, 38 umfaßt, stellt eine Verarbeitung hoher Auflösung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Im Verarbeitungsschritt 37 werden die vorberechneten dyadischen Matrizen einem Vielfachen der Einheitsmatrix aufaddiert. In Verarbeitungsschritt 38 wird ein hochauflösendes Ausgangssignal maximaler Wahrscheinlichkeit gebildet, indem die in Schritt 37 erhaltene modifizierte dyadische Matrix verwendet wird.
• Die Ausgänge/Ergebnisse des Korrelationsverarbeitungsschritts 36 und des hochauflösenden Verarbeitungsschritts 38 werden in Schritt 39 verarbeitet, wo ein Schwellenwert gesetzt wird und Ziele erfaßt werden. Der letzte Schritt des Verfahrens 30 besteht darin, die erkannten Zielobjekte zu verfolgen, wie dies in Verarbeitungsschritt 40 dargestellt ist.
• Fig. 5a bis 5d zeigen den Unterschied der Auflösungsfähigkeiten der hier beschriebenen hochauflösenden Verarbeitung im Vergleich zu der herkömmlichen feldangepaßten Dipolmoment- Erkennungs- und -ortungsverarbeitung, die durch die in der zuvor zitierten Patentanmeldung offenbarte Erfindung bereitgestellt wird. Fig. 5a und 5b zeigen Gitter- und Liniendiagramme des Ausgangs des feldangepaßten Prozessors, während Fig. 5c und 5d Gitter- und Liniendiagramme des Ausgangs des hochauflösenden Prozessors der vorliegenden Erfindung zeigen. Die in Fig. 5c und 5d gezeigten Spitzen liegen exakt an den simulierten Dipolorten und sind sehr viel schärfer (höhere Auflösung) für den Prozessor hoher Auflösung.
• In einem Verarbeitungsverfahren 30a der vorliegenden Erfindung werden die erweiterten Anderson-Funktionsentwicklungen wie folgt erzielt. Fig. 3 zeigt ein Flußdiagramm, das das Verfahren 30a und die Verwendung der erweiterten Anderson-Funktionskoeffizienten darstellt, um eine verbesserte Dipolerkennung und -ortung in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu erzielen. Fig. 3 entspricht im wesentlichen der Fig. 2 mit der Ausnahme, daß die Hochauflösungs-Verarbeitungsschritte 37, 38 nicht vorhanden sind. Der Erweiterungsschritt 34 liefert eine Erweiterung, indem mehr als drei Anderson- Funktionen verwendet werden, und ist in Verarbeitungsschritt 34a dargestellt, und der Vorberechnungsschritt 35 verwendet mehr als drei Anderson-Funktionen und ist in Verarbeitungsschritt 35a dargestellt. Die Verarbeitung ist gewöhnlich so wie dies zuvor beschrieben wurde, aber die durch Verwendung von mehr als drei Anderson-Funktionen erhaltenen Verbesserungen werden nachfolgend dargelegt.
• Es ist allgemein bekannt, daß die vollständige Beschreibung des Feldes eines Dipols 13a die Verwendung von mehr als drei Anderson-Funktionen erfordert. Die Verwendung von mehr als drei Anderson-Funktionen bei der Verarbeitung eines Dipols 13a liefert eine Verbesserung im Hinblick auf Rausch- (oder Anomalie) Unterdrückung. Dies stimmt insbesondere dann, wenn man die herkömmliche Dipolmomenterkennungs- und -ortungsverarbeitung mit der hochauflösenden Verarbeitung der vorliegenden Erfindung vergleicht.
• Die Erweiterung der Sensormessungen in Form von Anderson- Funktionen ist analog zu der Erweiterung von Akustik-Array- Messungen in Form von ankommenden ebenen Wellen (eine Wellenzahlzerlegung). Je feiner die Zerlegung ist, desto größer ist die Fähigkeit, Störquellen zu unterdrücken. Eine andere Analogie besteht zur spektralen Zerlegung in Form einer Fourier- Transformation. Falls nur wenige der möglichen trigonometrischen Funktionen bei der Erweiterung verwendet werden, wird eine vollständige Beschreibung des Leistungsdichtespektrums nicht erzielt.
• Folglich wird eine große Anzahl von Anderson-Funktionen (> 3), definiert durch
• hi(γ) = γi-1 (1 + γ²)5/2; i = 1, 2, ...
• γ = tan(θ)
• die bei der vorliegenden Dipolmomenterkennungs- und -ortungsverarbeitung eingesetzt werden. Fig. 6a zeigt den Fall einer Dipolverarbeitung, bei der eine herkömmliche Dipolmomenterkennungs- und -ortungsverarbeitung eingesetzt wird, und insbesondere die ersten fünf Linien des feldangepaßten Prozessorausgangs, indem die ersten drei Anderson-Funktionen verwendet werden. Fig. 6b zeigt das gleiche Szenario wie Fig. 6a, wobei allerdings fünf Anderson-Funktionen verwendet werden. Der letztgenannte Fall hat eine bessere Auflösung, wie dies durch die Menge von dichter zusammenliegenden Linienkurven dargestellt ist. Die verbesserte Auflösung im letztgenannten Fall ist verknüpft mit der Normierung der Größe des Dipolmoments des Dipols 12a dividiert durch die dritte Potenz des Versatz- Abstands zu dem Sensor-Array 11. Die Normierung wird erreicht, indem durch die Quadratwurzel der Summe der Quadrate der Koeffizienten der Anderson-Funktionsentwicklung dividiert wird. Mit der vorliegenden Technik, nämlich der Verwendung von mehr als drei Anderson-Funktionen wird der Nenner der in der Verarbeitung verwendeten Gleichung in den Fällen größer, in denen es keine gute Korrelationsübereinstimmung gibt. Dies macht die Antwort in jenen Gebieten des Raums der Orte der magnetischen Antwort kleiner, in denen keine Dipole vorhanden sind.
• Es gibt viele andere Vorteile der Verwendung von mehr als drei Anderson-Funktionen, wie beispielsweise eine bessere Beschreibung der Rauschumgebung. Dieser zusätzliche Parameter (die Dimension der Anderson-Funktionsentwicklung) liefert einen weiteren Parameter, über den der Signalprozessor Kontrolle hat.
• Entsprechend einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird die Auflösung mehrerer Zieldipole 13a, 13b unter Verwendung einer Mehrfachverarbeitung wie folgt erzielt. Fig. 4 zeigt ein Flußdiagramm, das eine Mehrfachdipolverarbeitung 50 in mehreren Durchgängen entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellt. Mit Bezug auf die Fig. 4 sind die vorderen Verarbeitungsschritte 31 bis 36 und 39 die, die mit Bezug auf die Fig. 2 und 3 beschrieben wurden.
• Die zweite Verbesserung der vorliegenden Erfindung liefert eine Verarbeitung der vorberechneten Anderson-Funktionen aus Schritt 35 zusammen mit der Erkennung des größten Ausgangs des Schritts 39, um ein von dem größten Dipol 13 verursachtes Magnetfeld zu berechnen, wie dies in Schritt 41 angegeben ist. Das von dem größten Dipol verursachte berechnete Feld wird dann von dem gemessenen Feld, wie es in Schritt 42 geliefert wird, subtrahiert. Die subtrahierten Daten werden dann neu verarbeitet, um den nächstgrößeren Dipol 13 in dem Erfassungsgebiet zu erkennen und zu orten, wie dies in Schritt 43 angegeben ist. Die letzten drei Schritte werden so lang wie notwendig wiederholt, um alle erkannten Dipole 13 zu erkennen und zu orten.
• Die zweite Verbesserung der Dipolmoment-Erkennungs- und -ortungsverarbeitung, die simuliert wurde, ist mit Bezug auf die Fig. 7a bis 7d dargestellt. Fig. 7a und 7d zeigen Gitter- und Liniendiagramme für den hochauflösenden Ausgang, die das Ergebnis der Verarbeitung eines Felds von zwei Dipolen 13a, 13b sind, indem das Feld des größten beitragenden Dipols (der erste Dipol 13a) geschätzt wird und von den Messungen subtrahiert wird, um eine bessere Auflösung mehrerer Ziele (der zweite Dipol 13b) zu liefern. Fig. 7c und 7d zeigen die sich daraus ergebenden Gitter- und Liniendiagramme des hochauflösenden Ausgangs nach der Subtraktion der größeren Antwort des ersten Dipols 13a.
• Fig. 7a und 7b zeigen das Ergebnis der Anwendung der vorliegenden hochauflösenden Verarbeitung von zwei Signalen, von denen eines an dem markierten Punkt D1 (der erste Dipol 13a) und das zweite (der zweite Dipol 13b) an dem markierten Punkt D2 (in dem Liniendiagramm in Fig. 7d gezeigt) liegt. Wie daraus ersichtlich ist, dominiert dessen Antwort vollständig den Ausgang, da der erste Dipol 13a näher an dem Sensor-Array 11 liegt. Fig. 7c und 7d zeigen andererseits das Ergebnis der Schätzung des Beitrags des ersten Dipols 13a am Ort des zweiten Dipols 13b. Der geschätzte Beitrag der Messungen wird heraussubtrahiert, und die hochauflösende Verarbeitung wird wiederholt. Wie aus Fig. 7d ersichtlich, kann das Vorhandensein des zweiten Dipols 13b am Punkt D2 erkannt und dessen Ort bestimmt werden.
• Somit wurde eine verbesserte Dipolerkennungs- und -ortungsverarbeitung und eine -verarbeitungsvorrichtung beschrieben, die eine höhere räumliche Auflösung liefert, die die Verwendung von mehr als drei Anderson-Funktionsentwicklungen liefert, und eine Mehrfachverarbeitung von Daten, um eine Mehrfachzielauflösung zu erzielen. Es versteht sich, daß die zuvor beschriebenen Ausführungsformen rein beispielhaft einige der vielen spezifischen Ausführungsformen darstellen, die Anwendungen der Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellen. Es versteht sich, daß zahlreiche andere Anordnungen von einem Durchschnittsfachmann angegeben werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (2)

1. Verfahren (30a) zur Erkennung und Ortung eines magnetischen Dipols (13), wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: Erfassen eines magnetischen Dipols (13), indem eine Anordnung (Array) von räumlich verteilten Magnetsensoren (11) verwendet wird und Ausgangssignale von jedem der Sensoren (11) geliefert werden, die das damit erfaßte Magnetfeld anzeigen; und Verarbeiten (31-36) der Ausgangssignale der Anordnung von Magnetsensoren (11), um das damit erfaßte Magnetfeld in seine Magnetfeldkomponenten zu zerlegen, um jeweilige von dem Dipol (13) erzeugte Magnetsignaturen zu erzeugen, wobei sie Magnetantwortfunktionen des Dipols darstellen, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren umfaßt:

Aufweiten (34a) des Magnetfelds, das der Dipol (13) liefert, indem mehr als drei Anderson-Funktionen verwendet werden, um eine Rauschnormierung und eine bessere Darstellung der magnetischen Merkmale zu liefern, die nicht durch den Dipol (13) verursacht sind; und

Verarbeiten (36, 39) der Magnetsignaturen, um Signale zu liefern, die den Ort und die relative Ausrichtung des Dipols (13) angeben.

2. Verfahren (50) zur Erkennung und Ortung eines magnetischen Dipols (13), wobei das Verfahren (50) die Schritte umfaßt:

Erfassen eines ersten magnetischen Dipols (13a) mit einem relativ großen Magnetfeld, indem eine Anordnung (Array) von räumlich verteilten Magnetsensoren (11) verwendet wird und Ausgangssignale von jedem der Sensoren geliefert werden, die das damit erfaßte Magnetfeld angeben;

Schätzen des Orts und der Ausrichtung des ersten magnetischen Dipols (13a) durch:

Verarbeiten (31-33) der Ausgangssignale der Anordnung von Magnetsensoren (11), um das damit erfaßte Magnetfeld in seine Magnetfeldkomponenten zu zerlegen, um die jeweiligen Magnetsignaturen, die von dem ersten Dipol (13a) hervorgerufen werden, zu erzeugen, und die die magnetische Antwort-Funktionen des ersten Dipols (13a) darstellen;

gekennzeichnet durch

Ausweiten (34a) des von dem ersten Dipol (13a) gelieferten Magnetfelds, indem mehr als drei Anderson-Funktionen eingesetzt werden, um eine Entfernungsabhängigkeit und ein Rauschen herauszunormieren; und

Verarbeiten (36, 39) der Magnetsignaturen, um Signale zu liefern, die den Ort und die relative Orientierung des ersten Dipols (13a) angeben; und

Heraussubtrahieren (41, 42) des durch den ersten magnetischen Dipol (13a) verursachten Magnetfeldanteils bei jedem der Sensoren in der Anordnung;

Schätzen des Orts und der Ausrichtung eines zweiten magnetischen Dipols (13b) mit einem kleineren Magnetfeld als der erste Dipol (13a) durch:

Verarbeiten (31-33) von Ausgangssignalen der Anordnung von Magnetsensoren (11), um das dadurch erfaßte Magnetfeld in seine Magnetfeldkomponenten zu zerlegen, um entsprechende von dem zweiten Dipol (13b) verursachte Magnetsignaturen zu erzeugen, die die magnetische Antwortfunktionen des zweiten Dipols (13b) darstellen;

Ausweiten (34a) des von dem zweiten Dipol (13b) gelieferten Magnetfelds, indem mehr als drei Anderson-Funktionen verwendet werden, um das Rauschen herauszunormieren und die Störmerkmale besser darzustellen; und

Verarbeiten (43) der Magnetsignaturen, um Signale zu liefern, die den Ort und die relative Ausrichtung des zweiten Dipols (13b) angeben.