ES2245391T3 - Procedimiento para la localizacion pasiva de objetivos irradiadores de sonido. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la localización pasiva de objetivos irradiadores de sonido mediante la determinación de un ángulo de marcación con respecto al objetivo y una distancia del objetivo empleando una disposición de transductores (10) que cubre un sector de recepción y que lleva transductores electroacústicos (11) distanciados uno de otro, en el que se enfoca la disposición de transductores (10) mediante desplazamientos de fase y/o retardos de tiempo definidos de sus señales de recepción sobre puntos focales supuestos uno tras otro en la dirección de marcación a distancias diferentes de la disposición de transductores y se forman señales de foco asociadas a los puntos focales mediante una adición congruente en fase de las señales de recepción retardadas.

Description

Procedimiento para la localización pasiva de objetivos irradiadores de sonido.

La invención concierne a un procedimiento para la localización pasiva de objetivos irradiadores de sonido del género definido en el preámbulo de la reivindicación 1.

En un procedimiento conocido de esta clase para una disposición lineal de transductores con transductores continuamente ocupados (documento DE 198 25 271 C1) se marcan objetivos por medio de una instalación de marcación unida con los transductores y se determina el ángulo de marcación con respecto a los objetivos. Se reúne un número de transductores contiguos formando un grupo, y a partir de las señales de recepción o las señales de salida eléctricas de los transductores del grupo se forman a través de retardos de tiempo de propagación y/o de fase unas señales de foco con focos o puntos focales que están enfilados uno tras otro sobre cada rayo de marcación que define una marcación de objetivo. Las señales de foco se comparan una con otra y el foco de la señal de foco más grande, que viene determinado por la distancia a la disposición de transductores, se indica como lugar de emplazamiento del objetivo sobre el rayo de marcación. Como disposición de transductores se emplea aquí una antena remolcada o una llamada flank array (antena lateral).

Para conseguir una estabilización adicional de la indicación del emplazamiento del objetivo se reúnen varios grupos constituidos cada uno de ellos por una pluralidad de transductores formando bases parciales contiguas. Para cada base parcial se forman señales de foco con focos enfilados uno tras otro a lo largo del rayo de marcación en la dirección de marcación hacia el blanco. Para cada base parcial se comparan entre sí las señales de foco, y a partir de los focos de las señales de foco más grandes de todas las bases parciales se determinan distancias radiales al objetivo sobre el rayo de marcación correspondiente. Formando el valor medio o la mediana de las distancias radiales se determina el emplazamiento del objetivo en la dirección de marcación.

La invención se basa en el problema de mejorar un procedimiento de la clase citada al principio de modo que requiera pocos cálculos y suministre rápidamente una primera estimación de la distancia del objetivo con una precisión utilizable.

El problema se resuelve según la invención con las características de la reivindicación 1.

El procedimiento según la invención tiene la ventaja de que suministra con muchísima rapidez unas primeras estimaciones de la distancia del objetivo, incluso para señales de recepción de banda ancha, y puede materializarse con poco coste en el caso de los formadores de haz usualmente existentes para la marcación. Intercalando miembros de retardo adecuados entre la disposición de transductores y el formador de haz se efectúa un enfoque de la disposición de transductores sobre los puntos focales elegidos, y la dependencia del nivel de las señales de foco así obtenidas respecto de la distancia se utiliza para determinar la distancia real a la fuente de sonido.

Mediante el enfoque de la disposición de transductores sobre los puntos focales se capta la curvatura del frente -incidente sobre la disposición de transductores- de una onda sonora que parte del punto focal y que corresponde al valor inverso de la distancia. Mediante la introducción de puntos focales virtuales, cuyos valores inversos de distancia negativos asociados corresponden a curvaturas negativas de las ondas sonoras que ciertamente no se presentan en la realidad, pero que, a causa de la naturaleza estadística del procedimiento, se tienen en cuenta para una estimación fiel a las expectativas, se puede presentar una evolución del nivel en función del valor inverso de distancia con un máximo significativo en un valor inverso de distancia tal que caracterice una distancia del objetivo. Esta evolución del nivel se puede aproximar muy bien por medio de una función recta, como, por ejemplo, una parábola, que posea al menos un máximo muy pronunciado y, por tanto, exactamente determinable. La determinación de sólo unos pocos niveles de señales de foco es aquí ya suficiente para aproximar la evolución del nivel como una función del valor inverso de la distancia, es decir, de la curvatura, en el entorno de su máximo y derivar una estimación suficientemente fiable de la distancia del objetivo a partir del valor inverso de distancia del máximo. En el caso más sencillo, los niveles de tres señales de foco obtenidas por medio de la formación de haz de enfoque son suficientes para la estimación de la distancia del objetivo. Dado que el ancho de haz radial depende de la frecuencia, es ventajoso el enfoque sobre un número mayor de puntos focales reales y virtuales para minimizar errores de interpolación. Aprovechando el valor inverso de la distancia, es decir, la curvatura del frente de onda incidente en la disposición de transductores, se pueden evaluar estadísticamente las señales de salida de los transductores, y la utilización de la naturaleza estadística de las magnitudes de medida hace posible que, incluso en malas condiciones de señal-ruido, se obtengan buenas estimaciones de la distancia del objetivo en comparación con procedimientos conocidos.

El procedimiento según la invención es relativamente insensible frente a bajas longitudes de coherencia en el tiempo debido a su corto tiempo de integración y, como consecuencia de una exploración casi continua del frente de onda, es insensible frente a bajas longitudes de coherencia en el espacio debido a la densa ocupación de los transductores. Los pequeños requisitos impuestos a la coherencia de la propagación del sonido aportan la ventaja de que el procedimiento es robusto frente a una serie de perturbaciones que son provocadas por complejas condiciones de propagación del sonido, por ejemplo propagación en varias vías, gradientes de temperatura, formación de canales de sonido y estratificaciones de agua. La fabricación de la disposición de transductores es muy sencilla, ya que la precisión de la captación de las posiciones de los transductores dentro de la disposición de transductores, como las que se imponen en una determinación de distancia por correlación de señales de recepción de tres transductores o grupos de transductores (patente US 4 910 719), no es necesaria en el procedimiento según la invención, puesto que se aprovechan no sólo tres, sino muchos puntos en el frente de onda recibido para el cálculo de la distancia del objetivo.

En el procedimiento según la invención se utiliza siempre la misma longitud de la disposición de transductores para formar los puntos focales, se omite una subdivisión de los transductores existentes en grupos de transductores individuales y la concentración así lograda de los puntos focales formados por las señales de foco aporta la ventaja de una supresión adicional de perturbaciones, de modo que, en particular, unos objetivos contiguos son separables y no perjudican al resultado de medida.

Formas de ejecución convenientes del procedimiento según la invención con perfeccionamientos y realizaciones ventajosos de la invención se desprenden de las demás reivindicaciones.

Según una forma de ejecución ventajosa de la invención, se elige como función recta una parábola con la que se logra una aproximación muy buena en el entorno del máximo.

Según una forma de ejecución preferida de la invención, se establece el valor inverso de distancia correspondiente al máximo como la solución de un sistema de ecuaciones funcionales de la función recta, en las que se utiliza cada vez un par de valores funcionales constituidos por el nivel y el valor inverso de la distancia. En el caso de la parábola elegida las ecuaciones funcionales son ecuaciones del vértice de la parábola.

Según una forma de ejecución preferida de la invención, se determinan los niveles de las señales de foco para el punto focal con valor inverso de distancia cero y para un punto focal real y un punto focal virtual que presentan cuantitativamente cada uno de ellos el mismo valor inverso de la distancia. Estos tres niveles con los valores inversos de distancia asociados son suficientes para resolver el sistema de las ecuaciones del vértice, calculándose el valor inverso de distancia R_{Z}^{-1} correspondiente al máximo según

R^{-1}_{z} = \frac{P_{1}-P_{3}}{2(P_{1}+P_{3}-2P_{2})} R_{0}^{-1}

en donde P_{2} es el nivel de la señal de foco correspondiente al valor inverso de distancia cero, P_{3} el nivel de la señal de foco correspondiente al valor inverso de distancia R_{0}^{-1} y P_{1} el nivel de la señal de foco correspondiente al valor inverso de distancia negativo - R_{0}^{-1}. R_{0} es aquí la distancia de un punto focal elegido arbitrariamente en el campo lejano de la disposición de transductores.

Según una forma de ejecución ventajosa de la invención, se elige el punto focal de modo que esté situado al comienzo del campo lejano para la disposición de transductores. Esta distancia R_{0} se calcula como el cociente del cuadrado de la apertura L de la disposición de transductores y la longitud de onda \lambda, es decir, como R_{0} = L^{2}/\lambda.

La determinación del valor inverso de la distancia está afectado de un error estadístico debido a un ruido superpuesto a la porción útil de la señal de foco. Los ensayos han mostrado que con una relación de señal/ruido medida de la señal de foco se puede hacer una predicción sobre la evolución del error estadístico relativo de la distancia \DeltaR/R en función de la frecuencia, de modo que en la presente situación de propagación del sonido se pueden excluir determinados dominios de frecuencia para la optimización del procedimiento de localización, sin que sean necesarios conocimientos especiales sobre el "tiempo atmosférico del sonar". Con un perfeccionamiento del procedimiento según la invención es posible que se dejen sin tener en cuenta dominios de distancia cuando allí el error estadístico \DeltaR/R esté por encima de una magnitud prefijada.

Según un perfeccionamiento ventajoso de la invención, la relación de señal/ruido de la señal de foco se puede calcular de manera especialmente sencilla a partir de la relación de señal/ruido de una de las señales de recepción de los transductores, teniendo en cuenta para ello un producto de tiempo-ancho de banda prefijable. Junto con la longitud efectiva de la apertura, dependiente del ángulo de marcación, y el número de transductores es posible así el error estadístico relativo con una evaluación del espectro de solamente una única señal de recepción.

Es especialmente ventajoso que las señales de recepción de los transductores sean alimentadas a un análisis de frecuencia ya antes de la formación de dirección y del enfoque, de modo que los tres niveles de las señales de foco puedan establecerse en función del ángulo de marcación, el valor inverso de la distancia y la frecuencia. En función del error estadístico relativo de la distancia se determinan y evalúan los niveles solamente para aquellas bandas de frecuencia para las cuales el error está por debajo de un límite de error prefijable. Debido a esta preselección dependiente de la frecuencia se pueden evaluar incluso señales de recepción fuertemente afectadas de ruido, con una relación de señal/ruido de, por ejemplo, -20 dB.

Se describe seguidamente la invención con más detalle haciendo referencia a un ejemplo de ejecución ilustrado en el dibujo. Muestran:

La figura 1, un diagrama de bloques de una disposición de circuito para explicar el procedimiento de localización pasiva de objetivos,

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La figura 2, un diagrama del nivel de la onda sonora incidente en función del valor inverso de distancia en el caso de un objetivo irradiador de sonido supuesto a 1 km de distancia,

La figura 3, un diagrama del nivel relativo en función del valor inverso de la distancia para una disposición de transductores seleccionada en el caso de un objetivo supuesto a una distancia grande bajo el ángulo de marcación cero,

La figura 4, la deducción matemática del retardo de tiempo para las señales de salida de los transductores para enfocar la disposición de transductores sobre un punto focal a la distancia R_{k} de la disposición de transductores,

La figura 5, una disposición de filtro para su incorporación en el diagrama de bloques según la figura 1,

La figura 6, un espectro de la relación de señal/ruido y

La figura 7, una curva de evolución de un error estadístico relativo de la distancia en función de la frecuencia.

En el procedimiento que se describe a continuación para la localización pasiva de objetivos irradiadores de sonido se emplea una disposición de transductores 10, también llamada antena de recepción, con transductores electroacústicos 11 distanciados uno de otro. En el ejemplo de ejecución la disposición de transductores 10 es una antena lineal con una pluralidad de transductores 11 yuxtapuestos en forma equidistante, como la que es conocida, por ejemplo, como antena remolcada (towed array) o como antena lateral (flank array) fijada al casco de un barco, a veces designada también como ristra de borda. La disposición de transductores 10 cubre un sector de recepción dentro del cual es recibido por los transductores 11 un sonido incidente que es irradiado desde fuentes de sonido que forman objetivos y que se propaga en el agua. Los transductores 11 están unidos de manera convencional con una instalación de marcación 13 en la que se determina la dirección de incidencia del sonido y, por tanto, la dirección de marcación hacia los objetivos con ayuda de las señales de salida eléctricas de los transductores 11 (en lo que sigue llamadas señales de recepción). La instalación de marcación 13 comprende de manera conocida un formador de dirección 14, también llamado formador de haz, un bloque de tratamiento de señales 15 y un detector de máximos de nivel 16. En el formador de dirección 14 se retardan en tiempo y/o en fase de manera conocida las señales de recepción de los transductores 11, concretamente de tal manera que, teniendo en cuenta la dirección de incidencia o de marcación deseada \theta_{j}, todas las señales de recepción de los transductores 11 sean congruentes en fase. Los tiempos de retardo correspondientes \tau_{i} son generados en un ordenador de tiempos de retardo 12 en función de un ángulo de marcación \theta_{j} alimentado a éste. En el bloque de tratamiento de señales 15 se añaden las señales de recepción congruentes en fase, recibidas en cada dirección de marcación, para formar una señal de grupo, y el nivel P de la señal de grupo se archiva asociada a la dirección de incidencia o de marcación \theta_{j}. El detector de máximos de nivel 16 calcula el mayor nivel y emite los ángulos de marcación \theta_{z} asociados a los mayores niveles de las señales de grupo como marcaciones de objetivo que se alimentan a un dispositivo de visualización 17 y que se presentan en éste en forma numérica y gráfica.

Para determinar la distancia de un objetivo captado bajo una marcación de objetivo \theta_{z} se alimentan las señales de recepción de los transductores 11 a un llamado formador de haz de enfoque. En éste se enfocan las señales de recepción de los convertidores 11, a través de retardos de tiempo o de fase definidos, sobre puntos focales que se suponen uno tras otro en la dirección de marcación a distancias diferentes de la disposición de transductores
10.

El cálculo de los retardos de tiempo necesarios para enfocar la disposición de transductores 10 sobre un punto focal 20 supuesto en la dirección de la flecha 19 está indicado en la figura 4. El punto focal 20 se encuentra aquí a una distancia R_{k} del centro de la disposición de transductores 10, y esta disposición de transductores 10 está realizada en forma de una antena lineal con n=2N transductores 11 equidistantemente dispuestos. Hay que realizar correcciones correspondientes en caso de que se presenten desviaciones respecto de la orientación en línea recta de los transductores 11. Los retardos de tiempo para las señales de recepción de los n transductores 11 se obtienen a partir de los tiempos de propagación para las distancias y_{n} de los n transductores 11 a un arco de círculo trazado en torno al punto focal 20, cuya tangente hace contacto con el centro de la disposición de transductores 10. x_{n} es aquí la distancia del enésimo transductor 11 al centro de la disposición de transductores 10 y c es la velocidad del sonido. Para cada punto focal 20 se calcula el retardo de tiempo \tau_{n} necesario para un transductor 11 según la ecuación derivada en la figura 4:

(1)\tau_{n} = \frac{x^{2}_{n}}{2cR_{k}}

En este caso, \frac{1}{R_{k}} = R_{k}^{-1} es el valor inverso de la distancia y corresponde a la curvatura del frente de onda recibido.

Se deduce de este retardo \tau_{n} el retardo de tiempo máximo \tau_{N} resultante para los transductores 11 con n=N, de modo que el tiempo de retardo realmente necesario para el enésimo transductor 11 se calcula como

(2)\Delta\tau_{n} = \frac{1}{2cR_{k}} (x^{2}_{n}-x^{2}_{N})

en donde x_{n} es la distancia del enésimo transductor y X_{N} es la distancia del transductor más exterior 11 con respecto en cada caso al centro de la disposición de transductores 10.

El cálculo de los tiempos de retardo \Delta\tau_{n} se realiza para puntos focales seleccionados con el valor inverso de distancia R_{k}^{-1}, asociándose el valor inverso de distancia R^{-1} = 0 a un punto focal, es decir que el punto focal se encuentra en el infinito y la onda sonora incide sobre la disposición de transductores 10 con un frente de onda plano, de modo que todas las señales de recepción son congruentes en fase y no tienen que ser retardadas. La señal de foco para este punto focal con R^{-1} = 0 corresponde a la señal de grupo generada en el bloque de tratamiento de señales 15 para cada ángulo de marcación \theta_{j}. Por tanto, el nivel P_{2} de las señales de grupo se archiva en una memoria 21 asociándole el valor inverso de distancia "0" debajo del respectivo punto de marcación \theta_{j}.

En la respectiva dirección de marcación 19 con el ángulo de marcación \theta_{j} se suponen otros puntos focales a distancias diferentes R_{k} de la disposición de transductores. Estos puntos focales se dividen en dos grupos integrados cada uno de ellos por puntos focales reales y virtuales, asociándose valores inversos de distancia positivos R_{k}^{-1} a los puntos focales reales de un grupo y asignándose valores inversos de distancia negativos -R_{k}^{-1} a los puntos focales virtuales del otro grupo. En el ejemplo de ejecución de la figura 1 se han supuesto únicamente dos puntos focales adicionales, concretamente un punto focal real a la distancia R_{0} de la disposición de transductores 10 y un punto focal virtual al que está asociado el valor inverso de distancia negativo -R_{0}^{-1}. Para minimizar el coste y simplificar el cálculo posterior de la distancia del objetivo se ha supuesto aquí que los valores inversos de distancia son iguales en cuanto a su magnitud, si bien esto no es forzoso. El valor inverso de distancia R_{0}^{-1} corresponde a la curvatura del frente de onda que incide sobre la disposición de transductores 10 cuando el origen de la onda sonora se supone en el punto focal con la distancia R_{0} al centro de la disposición de transductores 10. La curvatura negativa -R_{0}^{-1}, que no corresponde a una distancia real, ha de ser tenida en cuenta para una estimación de la distancia del objetivo que sea fiel a las expectativas. El punto focal real se coloca preferiblemente de modo que esté situado al comienzo del campo lejano para la disposición de transductores 10. Si es L la apertura de la disposición de transductores 10 y \lambda la longitud de onda en la banda de frecuencia de la onda sonora incidente, se calcula entonces la distancia R_{0} del punto focal real como R_{0} = L^{2}/\lambda. Se elige de manera correspondiente el valor inverso de distancia del punto focal virtual con -R_{0}^{-1}.

Para enfocar la disposición de transductores 10 sobre los puntos focales reales y virtuales supuestos con los valores inversos de distancia R_{0}^{-1} y -R_{0}^{-1} se alimentan las señales de salida del formador de dirección 14, es decir, las señales de salida de los transductores 11 retardadas en los tiempos de retardo \tau_{i}, a un primer formador de haz de enfoque 22 y a un segundo formador de haz de enfoque 23, en los que se retardan las señales en los tiempos de retardo -\Delta\tau_{n} y +\Delta\tau_{n}, respectivamente. El tiempo de retardo \Delta\tau_{n} para cada transductor 11 de los n transductores 11 de la disposición de transductores 10 con la distancia x_{n} al centro de la disposición de transductores 10 se calcula como antes se ha descrito en un respectivo ordenador de retardo 28 ó 29 en función del valor inverso de distancia R_{0}^{-1} o -R_{0}^{-1}. Como ya se ha mencionado, los tiempos de retardo calculados en los ordenadores de tiempo de retardo 28, 29 son de la misma magnitud y se diferencian únicamente por el signo. Las señales así retardadas son sumadas en congruencia de fase, por un lado, en un sumador 24 y, por otro, en un sumador 25. Los niveles P_{1} y P_{3} las señales de foco así formadas se almacenan en la memoria 21 debajo del respectivo ángulo de marcación \theta_{j} en asociación con los valores inversos de distancia -R_{0}^{-1} y +R_{0}^{-1}, respectivamente.

Para una marcación de objetivo con el ángulo de marcación \theta_{z}, reconocida por la instalación de marcación 13, se leen entonces en la memoria 22 los niveles P_{1}, P_{2}, P_{3} y los valores inversos de distancia asociados -R_{0}^{-1}, 0, R_{0}^{-1}, y se alimentan a un ordenador 27. Por tanto, en el ordenador 27 aparecen tres pares de valores de nivel P y valor inverso de distancia R^{-1}, a saber P_{1}/-R_{0}^{-1}, P_{2}/0 y P_{3}/R_{0}^{-1}. Estos pares de valores se utilizan como valores de una función recta, aquí una parábola. Esta parábola, que discurre a través de los pares de valores, posee un máximo muy pronunciado en el vértice, tal como se ilustra en el diagrama de la figura 2. Se determina el valor inverso de distancia R_{z}^{-1} perteneciente al máximo y, después de una formación de valor inverso en un formador de valor inverso 30 y después de una corrección en función del ángulo de marcación en un miembro de corrección 31, se entrega dicho valor a la unidad de visualización 17 como valor estimado de la distancia del objetivo y se le presenta allí como distancia R_{z} del objetivo.

En el ordenador 27 se establece el valor inverso de distancia R_{z}^{-1} perteneciente al máximo de la función mediante la solución de un sistema de tres ecuaciones funcionales, insertándose en cada ecuación funcional un par de valores R^{-1}, P. Como ecuación funcional se emplea aquí la ecuación del vértice de la parábola

(3)P = -k(R^{-1}-R_{z}{}^{-1})^{2}+d

en donde k determina el ensanchamiento de la parábola y R_{z}^{-1}, d son las coordenadas del vértice. Con los tres pares de valores determinados -R_{0}^{-1}, P_{1}; 0, P_{2} y R_{0}^{-1}, P_{3} se obtiene el sistema de ecuaciones

\quad

P_{1} = -k(-R_{0}^{-1} + R_{z}^{-1})^{2} + d

\quad

P_{2} = -kR_{z}^{-2}+d

P_{3} = -k(R_{0}^{-1} + R_{z}^{-1})^{2} + d

(4)

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La solución de este sistema es:

(5)R_{z}^{-1} = \frac{P_{1} - P_{3}}{2(P_{1} + P_{3} - 2P_{2})} R_{0}^{-1}

La parábola elegida en el ejemplo de ejecución como función recta puede ser aproximada, por supuesto, también por medio de un desarrollo de Taylor de segundo orden del nivel P según el valor inverso de distancia R^{-1} con arreglo a

(6)P(R^{-1}) = P(R_{z}^{-1}) + \frac{P'(R_{z}^{-1})}{1!} (R^{-1} - R_{z}^{-1}) + \frac{P''(R_{z}^{-1})}{2!} (R^{-1} - R_{z}^{-1})^{2} +..

en donde se obtiene con los tres pares de valores funcionales R^{-1}, P un sistema de tres ecuaciones que suministra como solución también el valor inverso de distancia R_{z}^{-1} indicado en la ecuación (5). P' y P'' son aquí las derivadas primera y segunda de la función de la curva de evolución del nivel P(R^{-1}) en dependencia del valor inverso de distancia R^{-1}.

La determinación del valor inverso de la distancia está afectada de un error estadístico debido a un ruido superpuesto a la porción útil de la señal de foco. La señal de foco dependiente de la distancia se forma cada vez, para distancias diferentes, por medio de una suma de señales de salida o de recepción retardadas de los transductores de la disposición de transductores. La evolución del nivel de la señal de foco en función de la distancia es una suma de funciones cosenoidales que muestra en un desarrollo en serie para pequeños argumentos del coseno una dependencia cuadrática con respecto al valor inverso de la distancia

IP(R^{-1}) = P_{0} \left[1 - \frac{\pi^{2} f^{2}L^{4}}{80c^{2}} \frac{1}{R^{2}} \right]

en donde P_{0} es la amplitud de la señal de foco P(R^{-1}), R^{-1} es el valor de la distancia, f es la frecuencia, L es la longitud de la disposición de transductores y c es la velocidad del sonido. El tiempo de integración empleado para determinar los tres niveles de las señales de foco P_{1}(-R_{0}^{-1}, P_{z}(0), P_{3}(+R_{0}^{-1}) es finito, de modo que la amplitud P_{0} de la evolución del nivel lleva superpuesta una amplitud de ruido que genera un error estadístico en la determinación de la abscisa del máximo de nivel y, por tanto, en la determinación del valor inverso de la distancia.

Dado que la distancia se determina según la invención en función del valor inverso de la distancia R^{-1}, este error es tenido en cuenta en el término cuadrático del valor inverso de la distancia. La señal de foco puede aproximarse en el campo lejano por medio de un polinomio de segundo orden cuando el valor inverso de la distancia R^{-1} es sustituido por la curvatura K. De este modo, la señal de foco superpuesta con una amplitud de ruido se determina de la manera siguiente:

IIP(K) = P_{0}[1-a(K-K_{0})^{2}]

con

a = \frac{\pi f^{2}L^{2}}{80c^{2}}

en donde (K – K_{0}) es la perturbación de la curvatura del frente de onda ocasionada por el ruido, es decir, el error estadístico \DeltaK de la curvatura. Si se fija para K – K_{0} = \DeltaK, se obtiene entonces después de la transformación

IIIP(K)-P_{0}=P_{0}a(K-K_{0})^{2}

IV\DeltaP=P_{0}a\DeltaK^{2}

en donde \DeltaP = P(K) – P_{0} indica la perturbación estadística de la señal de foco. Si se resuelve la ecuación IV según \DeltaK^{2}, se obtiene

V\Delta K^{2} = \frac{1}{a \frac{P_{0}}{\Delta P}}

en donde P_{0}/\DeltaP es la relación de señal/ruido SNR_{B} de la señal de foco.

Por tanto, el error \DeltaK de la curvatura es igual a

VI\Delta K = \frac{1}{\sqrt{aSNR_{B}}}

Con K = R^{-1} y el supuesto de que R es la distancia real y R_{z} es la distancia calculada como afectada de error, se obtiene la perturbación de la curvatura \DeltaK

VII\Delta K = K -K_{0} = \frac{1}{R_{z}} - \frac{1}{R} = \frac{R -R_{z}}{R_{z}R}

Para \DeltaR = R_{0} - R el error estadístico relativo de la distancia es igual a

VIII\frac{\Delta R}{R} = \frac{4\sqrt{5c}}{\pi fL^{2} \sqrt{SNR_{B}}} R

El error estadístico relativo del valor de distancia es una función de la distancia que disminuye al aumentar la frecuencia f y que es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la relación de señal/ruido SNR_{B} de la señal de foco, que también depende de la frecuencia.

Para determinar el error estadístico relativo \DeltaR/R y para mejorar la estimación de la distancia se conecta discrecionalmente entre los puntos 100 y 200 delante de la entrada del formador de dirección 14 una disposición de filtro 109 para las señales de recepción de los transductores 11, la cual está representada en la figura 5. En un circuito de cálculo 110 se determina la relación de señal/ruido de una de las señales de recepción de los transductores 11 y se multiplica esta relación por un producto de tiempo-ancho de banda prefijable que tiene en cuenta el tiempo de integración para la determinación del nivel de la señal de foco, así como por el número de transductores 11. El circuito de cálculo 110 suministra la relación de señal/ruido SNR_{B} dependiente de la frecuencia de la señal de foco, cuya evolución se muestra en la figura 6 como un espectro en función de la frecuencia. En el circuito de cálculo de error pospuesto 111 se calcula el error estadístico relativo de la distancia

VIII\frac{\Delta R}{R} = R \frac{4\sqrt{5c}}{\pi fL^{2} \sqrt{SNR_{B}}}

en donde c es la velocidad del sonido, f la frecuencia, L la longitud de la apertura efectiva, que depende del ángulo de marcación \theta_{z}, y SNR_{B} la relación de señal / ruido de la señal de foco. El circuito de cálculo de error 111 es activado por el ángulo de marcación \theta_{j} que suministra la instalación de marcación 13.

La figura 7 muestra la evolución del error estadístico relativo de la distancia \DeltaR/R, la cual pone de manifiesto una fuerte dependencia de la frecuencia. Los errores más pequeños se presentan en el intervalo de frecuencia de f1 a f2 y están por debajo de un límite de error prefijable de, por ejemplo, 0,2. A través de un circuito de control 112 se activa un circuito de selección de frecuencia 113 que hace que las señales de recepción de un circuito de análisis de frecuencia 114 en este intervalo de frecuencia f1 a f2 o en bandas de frecuencia individuales \Deltaf1, \Deltaf2 de este intervalo de frecuencia f1 a f2 pasen, a través del punto 200, a la instalación de marcación 13 en la figura 1. Con esta medida se consigue que el error estadístico relativo para la distancia de objetivo R_{z} establecida a partir de los niveles de las señales de foco P_{1}(-R_{0}^{-1}), P_{z}(0), P_{3}(+R_{0}^{-1}) esté, por ejemplo, por debajo de 2%.

El valor inverso de distancia R_{z}^{-1} perteneciente al máximo en la salida del ordenador 27 de la figura 1 es invertido en el formador de valor inverso 30. El valor estimado así obtenido R_{z}* es el valor estimado de la distancia del objetivo solamente para el caso de que la dirección de marcación \theta_{z} bajo la cual se haya marcado el objetivo coincida con la normal 32 en el centro de la disposición de transductores 10, es decir que el ángulo de marcación \theta_{z} sea 0°. Si el objetivo ha sido marcado bajo un ángulo de marcación \theta_{z} mayor que cero, el valor estimado R_{z}* de la distancia del objetivo tiene que ser corregido aún en función del ángulo de marcación, ya que la longitud de antena efectiva L se acorta en el factor cos \theta_{z} en el caso de una incidencia no perpendicular del sonido. Dado que se cumple la relación

(7)R = \frac{(L \cdot cos \theta_{z})^{2}}{8c \cdot \tau}

en donde \tau es la diferencia de tiempo de propagación de la onda sonora con frente de onda curvado entre el centro y el extremo de la disposición de transductores 10, se multiplica en un miembro de corrección 31 el valor estimado de la distancia R_{z}* del objetivo por el cuadrado del coseno del ángulo de marcación \theta_{z} y se entrega el resultado a la unidad de visualización 17 como el verdadero valor estimado para la distancia R_{z} del objetivo.

En el ejemplo de ejecución descrito del procedimiento se han empleado para la aproximación de la parábola solamente tres pares de valores funcionales correspondientes a los tres puntos focales elegidos. Sin embargo, dado que el ancho de haz radial depende de la frecuencia, es ventajoso que, para una evaluación en banda ancha de las señales de recepción, se suponga un número mayor de puntos focales, por ejemplo siete, a fin de minimizar errores de interpolación. Para distancias del objetivo a partir de 1 km se pueden suponer, por ejemplo, los siguientes valores inversos de distancia para los puntos focales:

-1,5 km^{-1}; -1 km^{-1}; -0,5 km^{-1}; 0 km^{-1}; 0,5 km^{-1}; 1 km^{-1}; 1,5 km^{-1}.

Para la aproximación de la evolución del nivel en las proximidades del entorno del máximo con al menos tres pares de valores funcionales R^{-1}, P se puede emplear también, en lugar de una parábola, otra función recta y = f(x) que se caracterice por su evolución simétrica con respecto al máximo de la función y que en el intervalo de definición de x satisfaga la condición f(-x) = f(+x), tal como, por ejemplo, una función cosenoidal, cuando la función con su entorno del máximo reproduzca sólo aproximadamente la evolución real del nivel en función del valor inverso de distancia R^{-1} en las proximidades del objetivo. En la figura 3 se ha registrado para una disposición de transductores 10 de 30 m de longitud con 96 transductores 11, construida como una antena lineal, el nivel relativo en una banda de frecuencia de 1 a 2 kHz en función del valor inverso R^{-1} de la distancia a una fuente sonora situada en el infinito, tal como dicho nivel se obtiene mediante el enfoque descrito de la disposición de transductores 10 sobre una pluralidad de puntos focales de diferente distancia a la disposición de transductores 10, supuestos situados uno tras otro en la dirección de marcación 19, y mediante la determinación de los niveles de las señales de foco así obtenidas en asociación con los valores inversos de distancia R1 de los puntos focales. Como puede apreciarse en la figura 3, la evolución del nivel en el entorno del máximo de la función, que indica la posición del objetivo, corresponde a una función parabólica, de modo que para una antena lineal de esta clase el empleo de una parábola para establecer los valores estimados para la distancia del objetivo según el procedimiento anteriormente descrito suministra la máxima exactitud.

El procedimiento según la invención no se limita al ejemplo de ejecución anteriormente descrito. Así, puede emplearse como disposición de transductores una antena de recepción cualquiera cuando la apertura de la antena sea lo suficientemente grande como para conseguir la resolución deseada. Empleando una disposición de transductores bidimensionalmente extendida, una llamada antena de superficie, se pueden detectar y localizar objetivos no sólo en el sector de recepción cubierto en la horizontal por la disposición de transductores o la antena de recepción, sino también en un sector del espacio tridimensional. El mismo proceso de tratamiento de señales, tal como el que se ha descrito para una antena lineal que se extienda en el plano horizontal, ha de ser realizado entonces con las señales de recepción de convertidores enfilados uno sobre otro en la dirección vertical.

El tratamiento de las señales puede realizarse tanto con señales analógicas como con señales digitales. Si las señales digitales se presentan en forma discreta en el tiempo con la frecuencia de muestreo f_{s}, se calcula entonces a partir de las diferencias de tiempos de propagación, para retardar las señales de recepción, el número de muestras en el que tiene que retardarse la señal muestreada. Después del retardo se suman también todas las señales de recepción, con lo que se logra la acción de enfoque del procedimiento mediante la suma congruente en fase de las ondas sonoras provenientes de la misma dirección de incidencia.

Para determinar el nivel de las señales de foco se aprovecha la energía de dichas señales de foco. Por supuesto, se puede emplear también la potencia o la amplitud de las señales de foco como medida del nivel.

Claims (18)

1. Procedimiento para la localización pasiva de objetivos irradiadores de sonido mediante la determinación de un ángulo de marcación con respecto al objetivo y una distancia del objetivo empleando una disposición de transductores (10) que cubre un sector de recepción y que lleva transductores electroacústicos (11) distanciados uno de otro, en el que se enfoca la disposición de transductores (10) mediante desplazamientos de fase y/o retardos de tiempo definidos de sus señales de recepción sobre puntos focales supuestos uno tras otro en la dirección de marcación a distancias diferentes de la disposición de transductores y se forman señales de foco asociadas a los puntos focales mediante una adición congruente en fase de las señales de recepción retardadas, caracterizado porque se forman las señales de foco para una pluralidad de puntos focales de los que uno presenta el valor inverso de distancia cero y los otros se subdividen en dos grupos de respectivos puntos focales reales y virtuales de modo que estén asociados valores inversos de distancia positivos (R_{k}^{-1}) a los puntos focales de un primer grupo y valores inversos de distancia negativos (-R_{k}^{-1}) a los puntos focales virtuales del otro grupo, porque se utilizan los niveles (P) de las señales de foco y los valores inversos de distancia correspondientes (R^{-1}, -R^{-1}) como valores funcionales en una función recta, y porque, después de una formación de valor inverso y una corrección en función del ángulo de marcación, se emite el valor inverso de distancia (R_{z}^{-1}) correspondiente al máximo de la función recta como un valor estimado de la distancia (R_{z}) del objetivo.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se aproxima la función recta por medio de un desarrollo de Taylor según el valor inverso de distancia.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque se elige una parábola en calidad de función recta.

4. Procedimiento según la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque se establece el valor inverso de distancia correspondiente al máximo como solución de un sistema de ecuaciones funcionales de la función recta, en cada una de las cuales se utiliza un par de valores funcionales constituido por el nivel y el valor inverso de distancia.

5. Procedimiento según la reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque se emplea la ecuación del vértice de una parábola en calidad de ecuación funcional.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se ofrece para cada punto focal real del primer grupo un punto focal virtual en el otro grupo con un valor inverso de distancia cuantitativamente idéntico.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque se asigna solamente un punto focal a cada grupo.

8. Procedimiento según las reivindicaciones 5, 6 y 7, caracterizado porque el valor inverso de distancia R_{z}^{-1} correspondiente al máximo se calcula a partir de los niveles (P_{1} P_{2}, P_{3}) de las tres señales de foco según

R_{z}^{-1} = \frac{P_{1} - P_{3}}{2(P_{1} + P_{3} - 2P_{2})} R_{0}^{-1}

en donde P_{2} es el nivel de la señal de foco correspondiente al valor inverso de distancia cero, P_{3} es el nivel de la señal de foco correspondiente al valor inverso de distancia R_{0}^{-1} y P_{1} es el nivel de la señal de foco correspondiente al valor inverso de distancia negativo -R_{0}^{-1}, y R_{0} es la distancia de un punto focal arbitrariamente elegido en el campo lejano de la disposición de transductores (10).

9. Procedimiento según la reivindicación 7 u 8, caracterizado porque se elige la distancia del punto focal real en el primer grupo de modo que esté situado al comienzo del campo lejano para la disposición de transductores (10).

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque se calcula la distancia elegida R_{0} como el cociente del cuadrado de la apertura L de la disposición de transductores y la longitud de onda \lambda de modo que

R_{0} = L^{2}/\lambda.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque para la corrección de la distancia (R_{z}) del objetivo en función del ángulo de marcación, en el caso de una dirección de marcación (19) pivotada en un ángulo de marcación (\theta_{z}) con respecto a la normal (32) de la disposición de transductores (10), se multiplica el valor inverso (R_{z}*) del valor inverso de distancia (R_{z}^{-1}) correspondiente al máximo por el cuadrado del coseno del ángulo de marcación (\theta_{z}).

12. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque se determina el ángulo de marcación (\theta_{z}) por medio de una instalación de marcación (13).

13. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque, empleando una disposición lineal de transductores (10), los retardos de tiempo (\Delta\tau_{n}) para las señales de recepción de los transductores (11) para enfocar sobre los puntos focales se obtienen a partir del cálculo de los tiempos de propagación \tau_{n} para las distancias (y_{n}) de los transductores (11) a un arco de círculo trazado alrededor del respectivo punto focal (20), cuya tangente hace contacto con el centro de la disposición de transductores (10), según

\tau_{n} = \frac{x_{n}^{2}}{2c \cdot R_{k}}

en donde x_{n} es la distancia del enésimo transductor al centro de la disposición de transductores (10), \frac{1}{R_{k}} es el valor de la distancia del k-ésimo punto focal (20) y c es la velocidad del sonido.

14. Procedimiento según la reivindicación 13, caracterizado porque, para enfocar la disposición de transductores (10) sobre los puntos focales virtuales, se someten las señales de recepción de los transductores (11) a retardos de tiempo cuantitativamente iguales (\Delta\tau_{n}) con signo contrario.

15. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque se estima un error estadístico (\DeltaK) del valor inverso de distancia (R^{-1}) a partir de la relación de señal/ruido (SNR_{B}) de la señal de foco para el punto focal real y se establece a partir del mismo un error estadístico relativo (\DeltaR/R) de la distancia (R) del objetivo en función de la frecuencia.

16. Procedimiento según la reivindicación 15, caracterizado porque se establece el error estadístico relativo (\DeltaR/R) de la distancia (R) del objetivo como inversamente proporcional en función de la frecuencia (f) y de la raíz de la relación de señal-ruido (SNR_{B}) de la señal de foco.

17. Procedimiento según la reivindicación 15 ó 16, caracterizado porque, teniendo en cuenta su número (n) y una longitud de apertura (L), dependiente del ángulo de marcación, de los transductores (11) aprovechados para el enfoque, se establece la relación de señal/ruido (SNR_{B}) de la señal de foco a partir de la relación de señal/ruido (SNR) de una señal de recepción en el transductor (11) multiplicada por un producto de tiempo-ancho de banda prefijable.

18. Procedimiento según una de las reivindicaciones 15 a 17, caracterizado porque se seleccionan una o varias bandas de frecuencia en función de la evolución del error estadístico relativo (\DeltaR/R), para las cuales el error (\DeltaR/R) es menor que un límite de error prefijable, y porque se emplean para ello los niveles (P) de las señales de foco.