NL8401056A - Passieve werkwijze voor het schatten van toestandsgrootheden van een bewegend, geluidsimpulsen in water uitstralend doelpunt. - Google Patents

Description

Passieve werkwijze voor het schatten van toes tan ds grootheden van een bewegend, geluidsimpulsen in water uitstralend doel.

De uitvinding heeft betrekking op een passieve werkwijze voor het schatten van toestandsgrootheden zoals afstand, snelheid, koers en/of zendfrequentie van een bewegend, geluidspulsen in water uitstralend doel, zoals 5 een schip, torpedo, of iets dergelijks, met actieve sonar vanuit een van het doel verwijderde ontvangst-plaats.

Een bekende werkwijze van deze soort, algemeen aangeduid met "ping steeling technique", maakt gebruik 10 van het effekt van de meerwegsuitbreiding in het geluids-kanaal. Hierbij wordt uit de looptijdverschillen tussen de direkte, dat wil zeggen in de peilrichting van ontvanger naar zender, ontvangen geluidspuls en de via omwegen ontvangen geluidspuls of geluidspulsen eerst de 15 plaats en door aansluitende, in de tijd geïntegreerde verwerking, ook de snelheid van de zender ongeveer bepaald.

Deze werkwijze stelt evenwel goede kennis over de steeds heersende geluidsuitbreidingsomstandigheden voorop.

In gebieden van ondiep water met meestal weinig kennis van 20 de eigenschappen van het ondiepe waterkanaal kan deze werkwijze niet worden toegepast.

Aan de uitvinding ligt het doel ten grondslag een passieve werkwijze van de in de aanhef genoemde soort te verschaffen, waarmede toestandsgrootheden van een 25 doel onafhankelijk van de kennis over de eigenschappen van het geluidskanaal met relatief hoge nauwkeurigheid kunnen worden bepaald. De werkwijze dient in het bijzonder geschikt te zijn voor gebieden van ondiep water. Tegelijk moet deze werkwijze aan ontvangerszijde kunnen worden 30 uitgevoerd met gebruikelijke antennes of bases, zoals bekende passieve sonarinrichtingen deze vertonen, en moet elke constructieve extra uitrusting, in het bijzonder voor de antenne of basis worden vermeden.

Teneinde dit doel te bereiken wordt volgens 35 de uitvinding een werkwijze verschaft zoals in de aanhef omschreven met het kenmerk, dat in de nagalm optredende 8 4 01 0 5 6 Γ i - 2 - *

Dopplerfrequenties worden gedetecteerd, en dat door middel van de Dopplernagalmfrequenties de toestandsgrootheden van het doel worden bepaald.

Bij de werkwijze volgens de uitvinding wordt 5 juist die eigenschap van het ondiepe waterkanaal benut, die tot nog toe voor de akoestische plaatsbepaling als storend werd ervaren, namelijk de versterkt optredende nagalm met de effekten van de door het Dopplereffekt veroorzaakte frequentiespreiding in de nagalm van een plaatsbepa-10 lingssignaal en de richtings- en tijdsafhankelijkheid van deze frequentiespreiding. De werkwijze volgens de uitvinding heeft het voordeel, dat geen extra constructieve besteding vereist is. De werkwijze wordt zonder enige constructieve verandering aan gebruikelijke passieve 15 sonarinrichtingen met bijvoorbeeld een cilinderbasis uitsluitend door middel van de signaalverwerking tot stand gebracht. Voor de werkwijze vereiste deelstappen in de signaalverwerking, bundelvorming en frequentieanalyse zijn bij een reeks bekende passieve sonarinrichtingen 20 zonder meer reeds aanwezig, zodat de werkwijze met de kleinste extra voorzieningen in aanwezige sonarinrichtingen kan worden geïmplementeerd. De werkwijze volgens de uitvinding werkt goed nauwkeurig. Zelfs bij ongunstige randvoorwaarden levert zij schattingswaarde voor de 25 afstand tussen het de zender dragende doel en de ontvanger met een fout van minder dan 10 %.

Een voordelige uitvoeringsvorm van de uitvinding is gegeven in conclusie 5. Door extra bepaling van de in het direkte signaal, dat wil zeggen het in de peil-30 richting invallende signaal, verkregen Dopplerfrequentie van de zendpuls kan met de volgens conclusie 3 en 4 bepaalde toestandsgrootheden zendfrequentie en waarde van de doelsnelheid de koers van het doel worden bepaald.

Een voordelige uitvoeringsvorm van de werkwijze 35 volgens de uitvinding is gegeven in conclusie 6. In de beide niet doelwijzende selectieve ontvangstrichtingen of richtingskanalen van de sonarinrichting verkrijgt men complementaire extrema van de Dopplernagalmfrequenties, dat wil zeggen‘in het ene richtingskanaal wordt een 40 maximale en ih het andere een minimale Dopplernagalmfre- 84 01 05 6 .

i - 3 - ί * $ quentie gedetecteerd. Onder selectieve ontvangstrichting worden hier gebruikelijke openingshoeken 2Θ_^ van de ontvangstkarakteristiek verstaan. Een verbetering van de detectienauwkeurigheid van de Dopplernagalmfrequenties 5 wordt bereikt met verkleining van de openingshoek 29_g.

Thans gebruikelijk bij passieve sonar voortgebrachte openingshoeken 2e_g = 2° zijn voor goede resultaten geheel voldoende. Door de gerichte ontvangst van de nagalm valt de bij ongerichte of omnidirectionale ontvangst 10 vereiste beperking op een stationaire of quasi-stationaire ontvanger weg. Verder kan de ontvanger zelf onbeperkt bewegen. De daarbij optredende zgn. eigen Doppler kan op grond van de bekende snelheid en de bekende koers van de ontvanger zonder meer rekenkundig worden geëlimineerd.

15 Ben voordelige uitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding is gegeven in conclusie 7. Door deze maatregelen vermijdt men meetonnauwkeurigheden, die bij de uitvoering van de werkwijze volgens conclusie 6 kunnen ontstaan, wanneer de beide niet doelwijzende 20 selectieve ontvangstrichtingen ten opzichte van de nog onbekende doelkoers ongunstig worden gekozen.

Een voordelige uitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding is gegeven in conclusie 8. Met de bepaalde toestandsgrootheden doelkoers, doelsnelheid 25 en zendfrequentie van de doelzender kan door middel van de aangegeven maatregel de afstand tot het doel worden verkregen en daardoor de doelplaats voldoende nauwkeurig bepaald.

Een voordelige uitvoering van de werkwijze 30 volgens de uitvinding is gegeven in conclusie 9. Door deze maatregelen kan de betrouwbaarheid van de afstands-schatting belangrijk worden verhoogd. Door het grote aantal van de voor de schatting gebruikte steun-waarden uit de meest verschillende ontvangstrichtingen 35 kunnen storingen in de nagalmstruktuur en daardoor valse steunplaatsen worden geëlimineerd.

Een voordelige uitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding is daarbij gegeven in conclusie 11.

De toepassing van de volgens conclusie 3 tot 10 40 verkregen toestandsgrootheden van het doel als startwaarden 8401056.

- > - 4 - > voor de voortgave van de parameters doet het rekenwerk voor het schattingsprocédé aanzienlijk verminderen. Voor de in het voorgaande beschreven werkwijze is na peiling van het doel in principe slechts één enkele zendpuls 5 voldoende om het doel in zijn gedefinieerde toestands-grootheden volledig te bepalen. De evaluatie van verdere zendpulsen in de beschreven techniek dient uitsluitend nog voor de verbetering van de schattingsresultaten van de toestandsgrootheden.

10 Indien evenwel een reeks van door het doel uitgestraalde geluidspulsen ter beschikking staat, kan de toestandsgrootheid doelafstand bovendien nog volgens de verdere uitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding volgens conclusie 12 worden geschat. In combinatie 15 met het in conclusie 9 of 10 aangegeven evaluatieprocédé verkrijgt men twee gescheiden verkregen resultaten van de zelfde toestandsgrootheid doelafstand, waarbij dan door middel van een foutencompensatieprocédë het eigenlijke schattingsresultaat verder kan worden verbeterd.

20 Een voordelige uitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding is gegeven in conclusie 13. Deze wijze van werken heeft het voordeel, dat met slechts één, evenwel maximaal met slechts drie selectieve ontvangst-richtingen, die in azimuth over een hoekwaarde ten opzichte 25 van elkaar verschoven zijn, kan worden uitgekomen. Aangezien de totale nagalmstruktuur gedurende de totale ontvangstduur ter bepaling van de Dopplernagalmfrequenties gebruikt wordt - en niet slechts uitgekozen steunwaarden -kunnen storingen in de nagalmstruktuur gemakkelijk worden 30 herkend en bij de berekening van de toestandsgrootheden zonder meer worden geëlimineerd. De elektronische uitrusting voor het vormen van het maximale aantal van drie ontvangstrichtingen of zgn. preformed beams is relatief gering.

35 Een voordelige uitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding is verder gegeven in conclusie 14. Door het peilen van de zender door middel van een separate peilbundel.kunnen ten gevolge van de behoorlijk hoge signaal/ruisverhouding zowel het tijdpunt van de nagalm-40 opvanging, alsook een hoogste en laagste waarde van de 8401056; - 5 - *

Dopplerfrequenties betrouwbaar worden gedetecteerd, waarbij de hoogste en laagste waarde symmetrisch gelegen zijn ten opzichte van de middenfrequentie van de zendpuls.

De in de peilbundel optredende sprongfunktie in het 5 verloop in de tijd van de Dopplernagalmfrequentie, maakt een betrouwbare bepaling mogelijk van de middenfrequentie, alsook de zendfrequentie.

Een voordelige uitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding is gegeven in conclusie 15, in het 10 bijzonder in combinatie met conclusies 16 en 17. Zoals bij de in de aanhef beschreven uitvoering van de werkwijze wordt ook hier de snelheid en de koers van het doel bepaald uit de extreme waarden van de Dopplernagalmfrequentie, alsook de maximale en/of minimale Dopplernagalmfrequentie.

15 Aangezien evenwel in tegenstelling met deze variant van de werkwijze hier voor telkens een ontvangstrichting het totale verloop in de tijd van de Dopplernagalmfrequentie, de zgn. nagalm-Dopplerfrequentie-tijdkromme, over de totale ontvangstduur van de nagalm wordt bepaald, kunnen 20 storingen in de nagalmstruktuur gemakkelijk worden herkend en de feitelijke extreme waarden, die corresponderen met de minimale en maximale Doppler, veel en veel betrouwbaarder worden bepaald.

Een verdere voordelige uitvoering van de 25 werkwijze volgens de uitvinding is gegeven in conclusie 18.

Bij bepaalde ruimtelijke verhoudingen van doelkoers en gekozen, niet doelwijzende selectieve ontvangstrichting kan de minimale of de maximale Doppler-nagalmfrequentie meettechnisch niet worden bepaald. In dit geval kan even-30 wel uit de Dopplernagalmfrequentie-tijdwaarden in de volgens de uitvinding gebruikte, verdere niet doelwijzende selectieve ontvangstrichting, die een andere ruimtelijke relatie ten opzichte van de zender heeft, de in de eerste ontvangstrichting niet opvangbare minimale of 35 maximale Dopplernagalmfrequentie worden bepaald.

Een verdere voordelige uitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding is gegeven in conclusie 19.

Door deze maatregelen wordt de betrouwbaarheid van de berekende toestandsgrootheden van het doel wezenlijk 40 verhoogd, doordat steeds voor de berekening van de toestands- 8401056: - 6 - grootheden die ontvangstrichting wordt genomen, waarin de eenduidige extreme waarde van de Dopplernagalmfrequentie optreedt.

Een voordelige uitvoering van de werkwijze 5 volgens de uitvinding is tevens gegeven in conclusie 23. Door deze additionele processtappen kunnen de schattings-resultaten voor de onbekende toestandsgrootheden iteratief wezenlijk worden verbeterd en aldus een boven alles nauwkeurige doeldetectie en doelbepaling worden bereikt.

10 De werkwijze volgens de uitvinding is niet alleen slechts dan te gebruiken, wanneer het doel geluidspulsen omnidirectionaal uitzendt. Ook bij andere in actieve sonar veelvuldig gebruikte zendmodi zoals RDT-, CRDT- of XRDT-bedrijf, waarbij een smalle zendstraal 15 over een horizontaal hoekgebied wordt gezenkt, levert de werkwijze volgens de uitvinding even goede resultaten voor de toestandsgrootheden van het uitzendende doel.

Volgens de verdere uitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding volgens conclusie 25 wordt besloten 20 dat het gaat om een doel met in RDT-bedrijf uitzendende actieve sonar, wanneer tussen de nagalmdetectie in de beide niet doelwijzende ontvangstrichtingen een verschuiving in de tijd optreedt. Uit deze verschuiving in de tijd kan dan additioneel de omlooptijd van de zendstraal 25 worden berekend.

Er kan ook worden besloten, dat het gaat om een doel met in RDT-modus werkende onderwaterzender volgens de verdere uitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding conclusie 26, wanneer in de zgn. peilbundel, 30 dat wil zeggen in de doelwijzende selectieve ontvangstrichting, een verschuiving in de tijd optreedt tussen het intreden van de zendpuls en de nagalm. Ook deze verschuiving in de tijd is een maat voor de omloopsnelheid van de zendstraal.

35 De uitvinding zal aan de hand van door de tekening verduidelijkte uitvoeringsvoorbeelden van een werkwijze voor het passieve schatten van toestandsgrootheden van een doel in het volgende nader worden beschreven. In de tekening toont: 8401056.

- 7 - fig. 1 een principiële weergave van een model van de nagalmruimte in water bij een willekeurig gekozen momentane ruimtelijke relatie tussen varende zender S en rustende of varende ontvanger E, 5 fig. 2 een dergelijke voorstelling als in fig. 1 bij een ontvanger met in totaal drie selectieve ontvangst-richtingen, fig. 3 een principiële weergave van de in de afzonderlijke selectieve ontvangstrichtingen opgevangen 10 Dopplernagalmfrequentie-tijdkrommen bij een ODT-zender, fig. 4 een dergelijke voorstelling van Doppler-nagalmfreguentie-tij dkrommen bij een RDT-zender, fig. 5 en 6 een blokschema van een schakelings-inrichting voor het tot stand brengen van de werkwijze 15 van de toestandsgrootheden-schatting, fig. 7 een blokschema van een data-extractor in de schakelingsinrichting volgens fig. 5 en 6, en fig. 8 een blokschema van het procesverloop volgens het tweede uitvoeringsvoorbeeld.

20 De werkwijze voor het schatten van de onbekende toestandsgrootheden van een bewegend doel vanuit een van het doel verwijderde ontvangstplaats wordt allereerst toegelicht aan de hand van de principiële weergave in fig. 1. Vooropgesteld daarbij is, dat het doel in inter-25 vallen geluidsenergie, bijvoorbeeld geluidspulsen, uitzendt. Het bewegende doel is daarbij bij de voorkeurstoepassing van de werkwijze een onderzeeër, die voor plaatsbepalingsdoeleinden gebruikelijkerwijs een actieve sonarinrichting aan boord heeft, waarvan de geluidszender 30 geluidspulsen, bijvoorbeeld smalbandige CW-pulsen uitzendt. Het doel of de onderzeeër met zijn zogenaamde interceptzender is in fig. 1 met S aangegeven. De rustende of zich bewegende ontvanger E is bij de voorkeurstoepassing van de werkwijze een in rust zijnde of met de snel-35 heid v^ op de koers kE varende onderzeeër met een passieve sonarinrichting, waarmee de geluidspulsen of interceptsignalen kunnen worden ontvangen. De toepassing van de werkwijze stelt voorop, dat het geluidskanaal tussen de zender S en de ontvanger E nagalmeigenschappen 40 bezit, wat in het bijzonder geldt voor ondiepe waterge- 8401056.

- 8 - bieden zoals de Noordzee. De nagalm wordt door discontinuïteiten in het water veroorzaakt, die bijvoorbeeld bij zeewater ten gevolge van temperatuur- of zoutgehalte verschillen, luchtinclusies, deeltjes-of micro-organisme-5 gehalte optreden, en impedantiesprongen veroorzaken.

Wanneer de door de zender uitgestraalde geluidsenergie deze discontinuïteiten treft, geven zij aanleiding tot reflecties en verstrooiingen. Deze discontinuïteiten kunnen daarbij in gedachte worden opgevat als fictieve strooi-10 centra SC^, die door de bewegende zender met frequentie fSCi = fm U + 55 · cos βί> door een geluidspuls met de middenfrequentie f worden bestreken. Daarbij is de hoek tussen de vaarrichting van de zender en de richting, waarin het momentane strooi-15 centrum SC^ van de zender uit wordt gezien. Een deel van de geluidsenergie wordt in de ruimtelijk selectieve ont-vangstrichting van de ontvanger verstrooid, zodat deze strooicentra zich voor de ontvanger voordoen als fictieve zenders met verschillende frequentie fsc^ langs de ont-20 vangstrichting of in de nabijheid van de ontvangstbundelas. Bij in rust zijnde ontvanger kunnen deze verschillende frequenties fgCi direkt in het selectieve ontvangstkanaal van de ontvanger worden gedetecteerd. Bij een zich met snelheid vE voortbewegende ontvanger zijn deze frequenties 25 over een verdere Doppler, de zgn. eigen-Doppler, die uit de relatieve beweging van de ontvanger ten opzichte van de strooicentra SC^ resulteert, verschoven, en worden in de ontvanger aangetoond als fESCi = fSCi (1 + ? · cos®i 30 , waarbij (h) de hoek is tussen de snelheidsvector v£ van de ontvanger en de richting, waaronder de fictieve zenders vanuit de ontvanger worden gezien, derhalve de selectieve ontvangstrichting van de ontvanger. Aangezien de snelheidsvector van de ontvanger en de selectieve 35 ontvangstrichting bekend zijn, kan de eigen-Doppler in het ontvangstkanaal worden gecompenseerd en zodoende 8401056.

- 9 - de zendfrequentie fg^ van de fictieve zender SC^ worden gedetecteerd.

In het volgende worden de eigen-Doppler gecompenseerde frequenties die identiek zijn aan de door 5 de fictieve zenders SC^ uitgestraalde frequenties fgC^, aangeduid als Dopplernagalmfrequneties.

Met de in het navolgende in bijzonderheden beschreven werkwijze worden nu de voor de ontvanger E onbekende toestandsgrootheden van het doel met interceptie) zender S geschat. Onder toestandsgrootheden worden de koers kg en de snelheid vg van het doel S, de zend- of middenfrequentie f van de doel-interceptzender en de afstand R van het doel S van de ontvanger E verstaan.

Met deze toestandsgrootheden kan een onbekend doel S 15 van de ontvangplaats E uit worden gelokaliseerd en het doelgedrag door koers, snelheid en zendfrequentie volledig worden beschreven.

De ontvanger E vertoont ten minste een selectieve ontvangrichting I, een zgn. preformed beam of gericht 20 ontvangkanaal. Deze ontvangrichting I wordt willekeurig gekozen, maar mag niet direkt op het doel S zijn gericht, hetgeen in het volgende met "niet doelwijzend" is aangegeven. Over de selectieve ontvangrichting I resp. het gerichte ontvangkanaal wordt de op grond van het in de 25 aanhef beschreven fysische fenomeen in water door de geluidspulsen met tijdsduur T opgewekte nagalm opgevangen. Deze nagalm is een funktie van de tijd en wordt ook als nagalmsignaal aangeduid. Door de via de selectieve ont-vangstrichting I ontvangen nagalm worden de frequentie-30 spectra gevormd, en wel voor een groot aantal tijdpunten van een vanaf het opvangen van de nagalm, dat wil zeggen vanaf het tijdpunt van de nagalmdetectie in de ontvangst-richting I, lopend tijdraster, de in de frequentiespectra aanwezige Dopplernagalmfrequenties fgC^ bepaald en het 35 momentane tijdpunt t^ toegekend. Een groot aantal van deze Dopplernagalmfrequentie-tijdwaarden geven een in fig. 3 met I aangegeven schematisch voorgestelde Doppler-nagalmfrequentie-tijdkromme fgc = g(t). Daarbij is aangenomen, dat de snelheid v„ van de ontvanger nul is.

£j 40. Indien de ontvanger E evenwel vaart met de bekende 84 01 056.

- 10 - snelheid vE in de bekende koers kE, -moet ter compensatie van de daaruit resulterende extra Doppler, de zgn. eigen-Doppler, in de ontvanger een richtingsafhankelijke snelheidscompensatie worden uitgevoerd.

5 Onafhankelijk van het verkrijgen van de Doppler- nagalmfreguentie-tijdwaarden uit de nagalm in de voorgegeven, niet doelwijzende ontvangstrichting I worden voor dezelfde ontvangstrichting de Dopplernagalmfreguenties f^ berekend als funktie van de tijd t. Voor de Doppler-10 nagalmfreguentie f^ op het tijdstip t = t^ geldt vs f. = f (1 + cos β } (l) .

x m c ï

Met het uit fig. 1 blijkende verband

Bi = ir-VSj (2) en de relatie 15 = arc sin j (K^+l). 1 · (FK+ \/k^-F^+1)|· (3) waarbij K = (L cos a-l) (L-sin a) 1 (4) c-t± L = 1 + (5) F = L-1 (6) 20 genomen zijn, verkrijgt men dan fi ‘ h (tif R, vs, ks, fm) (7).

Uit vergelijking (7) is te zien, dat de te berekenen Dopplerfreguenties f^ een funktie zijn van de onafhankelijke variabele t, alsook van de parameters 25 R, vc, kc, f . Met vergelijking (1) worden nu de Doppler-nagalmfreguenties f^ voor een groot aantal op elkaar volgende tijdstippen t^ berekend en' samengesteld tot vereffeningskrommen f = h(t). De onbekende parameters R, vg, kg, f worden daarbij als schattings- 8401056.

- 11 - waarden voorgegeven. De willekeurig, evenwel in verband met de realiteit aangenomen schattingswaarden worden voor telkens een parameter gevarieerd, waarbij de variatie-stappen geschikt worden gekozen, en voor elke schattings- 5 waarde wordt een vereffeningskromme tot stand gebracht.

2

Vervolgens wordt de variantie σ tussen de vereffenings-krommen f = h(t) en de uit de meetwaarden verkregen Dopplernagalmfrequentie-tijdwaarden = g(t) (Doppler-nagalmfrequentie-tijdkromme, zoals deze in fig. 1 onder 10 I is weergegeven) berekend. Onder de berekende varianties wordt het variantieminimum bepaald (LMS-estimation).

Die schattingswaarde van het voorhanden parameterstel, waarvan de toegekende vereffeningskromme het variantieminimum geeft, wordt als toestandsgrootheid van het 15 doel S uitgegeven.

Bij de voorhanden vier parameters, die alle na elkaar in geschikte stappen moeten worden gevarieerd, is praktisch het rekenwerk zeer groot. Dit kan evenwel wezenlijk worden vereenvoudigd, doordat men door middel 20 van de uit de nagalm verkregen Dopplernagalmfrequenties fsCi toestandsgrootheden voor de middenfreguentie fm, de doelsnelheid vg en de doelkoers kg berekent, zodat slechts de toestandsgrootheid doelafstand R als parameter in de vereffeningskromme met de tijd als onafhankelijke 25 variabele overblijft. De variatie van de schattingswaarde voor de enkele parameter R en de variantieberekening vereist dan slechts nog een fraktie van het tevoren nodige rekenwerk.

Voor het berekenen van de toestandsgrootheden 30 fm, vg en kg verkrijgt de ontvanger E, zoals weergegeven in fig. 2, een extra, selectieve ontvangstrichting O, die op het doel S gericht is. De voorgevormde bundel of het gerichte ontvangstkanaal wordt daarom ook als peilbundel aangeduid. De nagalm wordt nu additioneel 35 opgevangen in de doelwijzende ontvangstrichting 0.

Op de beschreven wijzen worden de frequentiespectra van de opgevangen nagalm en daaruit de Dopplerfrequentie-tijdwaarden fgC = g(t). bepaald. Het tijdraster t^ begint hier bij het inkomen van het direkte intercept-signaal, 4Ό dat wegens de direkte ontvangst samenvalt met de nagalmop- 8401056; - 12 - vanging, derhalve met het tijdpunt van de nagalmdetectie. Het verloop van de uit de Dopplernagalmfrequentie-tijd-waarden voortkomende Dopplernagalmfrequentie-tijdkromme voor de doelwijzende ontvangstrichting 0 is in fig. 3 5 weergegeven, en daar met 0 aangeduid. Zoals daar te zien is, wordt het verloop van de Dopplernagalmfrequentie over de tijd gekarakteriseerd door een sprongfunktie, die tot het tijdstip t^ = 0 van een kleinste op een grootste waarde springt - of bij tegengestelde doelkoersen ook 10 omgekeerd en dat constant blijft. Indien de koers van het doel S in de verbindingsrechte ontvanger/doel ligt, beantwoordt de kleinste en de grootste waarde aan de minimale en maximale Dopplernagalmfrequentie. In alle andere gevallen zijn deze extreme waarden aan de nulplaats, 15 in het volgende aangeduid met f (+0) en f (—0), kleiner dan de minimale resp. maximale Dopplernagalmfrequentie f . resp. f , maar zijn toch steeds symmetrisch gelegen ten opzichte van de zend- of middenfrequentie f . Uit de bovenste en onderste extreme waarde 20 op de plaatsen t = + 0 wordt de middenfrequentie f bepaald met > fm = I jfex(-°> + fex(+0>j· <8) en daaruit de radiale snelheidscomponent van het doel S volgens v -,= (f (-0) - f ) · c · f (9) srad exv m m ' 25 Uit de in de niet doelwijzende ontvangrichting I verkregen Dopplernagalmfrequentie-tijdwaarden wordt een extreme waarde f bepaald, die of de maximale

6X

of de minimale Dopplernagalmfrequentie fmax resp. f ^ is.

Met deze extreme waarde f en de berekende midden- ex 30 frequentie f wordt de doelsnelheid berekend met ve = (f -f ) · — (10) S ex m f ' m waarbij de verschilfrequentie Af = f -f^ gebruikelijker-wijze als Dopplerverschuiving of halve Dopplerbandbreedte wordt aangeduid.

8401056, - 13 -

Uit de radiale snelheidscomponent vgra^ en de snelheid vg kan de koers kg van het doel S worden berekend met kc = are cos -Sra<^ (11)

S VS

5 Bij bepaalde ruimtelijke betrekkingen van het doel S en een gekozen, niet doelwijzende selectieve ont-vangstrichting I van de ontvanger E kan een minimale of maximale Dopplernagalmfrequentie fm^n resp fmax meet-technisch niet worden verkregen. In het bijzonder voor 10 grote doelafstanden is voor grotere tijden t^ de signaal/-ruisverhouding te klein, zodat de Dopplernagalmfrequenties sterk afvallen. Bij benadering vastgelegde maximale resp. minimale Dopplernagalmfrequenties f „ (f resp.

6X ΠΙαΧ f . ) zouden te grote fouten bezitten, die de te schatten mm 3 15 toestandsgrootheden aanzienlijk vervalsen. Om ook in deze gevallen een betrouwbare, weinig fouten bevattende toestandsgrootteschatting te kunnen verkrijgen, bevat de ontvanger E - zoals in fig. 2 getoond - een verdere niet doelwijzende ontvangstrichting II, waarover eveneens 20 de nagalm wordt opgevangen en op dezelfde wijze als in de eerste niet doelwijzende ontvangstrichting I de Dopplernagalmfrequenties fgg^ via een vanaf het nagalm-opvangen af, derhalve vanaf het tijdpunt van de nagalm-detectie, lopend tijdraster worden bepaald. Een voorbeeld 25 van de daaruit voortkomende Dopplernagalmfrequentie-tijdkromme fg(^ = g(t) in de ontvangstrichting II is weergegeven in fig. 3 en aangeduid met II. De tweede niet doelwijzende ontvangstrichting II is over een hoek ten opzichte van de eerste niet doelwijzende ontvangstrichting 30 I gedraaid en ligt bij voorkeur symmetrisch ten opzichte van deze, betrokken op de doelwijzende ontvangstrichting 0 als symmetrieas.

Uit de in de verdere niet doelwijzende selectieve ontvangstrichting II verkregen Dopplernagalmfrequentie-35 tijdwaarden fg(^ = g(t) worden op dezelfde wijze de extreme Dopplernagalmfrequenties f of f ^ bepaald. Treden in beide niet doelwijzende ontvangstrichtingen 1 en II telkens ten minste een maximale of minimale 8401056 - 14 -

Dopplernagalmfrequentie op, dan worden daarmee de Doppler-verschuivingen Af = £ - fm bepaald. De grootste Doppler- verschuiving wordt dan gebruikt voor de bepaling van de snelheid vg en de koer kg van het doel S volgens vergelij-5 kingen (10) en (11).

Ook de tot standbrenging van de vereffeningskrommen f^ = h(t) en de variantieberekening geschiedt ten opzichte van die van de beide niet doelwijzende ontvangstrichtingen I en II, waarin de grootste Dopplerverschuiving Af y op-10 treedt. In het geval, dat in de niet doelwijzende ontvangstrichtingen I en II in totaal ten minste twee even grote Dopplerverschuiving Afmax optreden, zoals dit het geval is in het in fig. 3 getoonde voorbeeld, wordt die ontvangstrichting uitgezocht, waarin de grootste Doppler-15 verschuiving in de tijd vroeger optreedt. In fig. 3 zou dit de tweede niet doelwijzende selectieve ontvangstrichting II zijn, waarin de minimale Dopplernagalmfrequentie f i in de tijd als eerste wordt gedetecteerd.

Bij de doelsnelheidsberekening vg volgens 20 vergelijking (10) is de waarde van de snelheid vg aan teken gebonden en vertoont al naar toegepaste extreme waarde f of f . een positief of negatief teken. Onder max mm c in achtname van deze tekens en de uitgekozen niet doelwijzende ontvangstrichting I of II kan vergelijking (11) 25 voor de doelkoersbestemming kg algemeen worden geschreven als [ v '| f 1 kg = are cos-^ —^ra-d- v,+ (l+sgni vgi ) · ^ (x-1) (12) l s J L " waarbij x de uitgekozen niet doelwijzende ontvangstrichting I of II is, en als 1 resp. 2 moet worden ingevuld.

30 De door de aftasting van nagalmruimte met behulp van de drie in fig. 2 getekende selectieve ontvangstrichting 0, I, II verkregen toestandsgrootheden van het doel S, zoals vc, kc, f en R, die reeds een zeer goede o o m nauwkeurigheid vertonen, kunnen iteratief nog door het 35 volgende procédé worden verbeterd:

De na tot standbrenging van de gladdingskromme door middel van de variantieberekening als vaste schattingswaarde verkregen afstandswaarde R wordt als parameter 0 1 0 5 6 .

- 15 - ingezet, en een vereffeningskromme = h(t) door berekening van de Dopplernagalmfrequenties volgens vergelijking (1) tot stand gebracht. Eén van de overige parameters, bijv. de middenfrequentie fm, wordt uitgaande van de 5 berekende waarden bij fm volgens vergelijking (8) trapsgewijs gevarieerd en hiertoe telkens de vereffenings-krommen berekend. Door variantieberekening aan de uit de nagalm verkregen Dopplernagalmfrequentie-tijdwaarden fgci = g(t) en bepaling van het variantieminimum . wordt een mm 10 verbeterde waarde voor de voorhanden parameter, in voorbeelden voor de middenfrequentie fm, verkregen. Met deze verbeterde parameterschattingswaarde vindt wederom berekening van de doelafstand R plaats zoals in de aanhef beschreven, en men verkrijgt een wederom verbeterde 15 schattingswaarde voor de doelafstand. Met deze verbeterde schattingswaarde voor de doelafstand' worden wederom vereffeningskrommen met corresponderende variaties van een verdere parameter, bijv. de doelsnelheid vg, gevormd, waarna het beschreven procédé wordt herhaald. In het 20 totaal worden de in het voorgaande geschilderde processtappen iteratief zolang herhaald, totdat de verandering van de lopend verbeterde schattingswaarden voor de doelafstand een voorgegeven waarde niet meer overschrijdt.

Bij het door middel van de Dopplernagalmfrequentie-25 tijdkromme in fig. 3 toegelichte procédé is vooropgesteld, dat de intercept-zender van het doel S omnidirectionaal uitzendt. In actieve sonarinrichtingen bestaat evenwel veelvuldig de mogelijkheid om de zendmodus te wisselen.

Eén van de gebruikelijkste verdere zendmodi is de zgn.

30 RDT (rotational directional transmission) met de modificaties CRDT en XRDT. Bij al deze zendmodi wordt een gebundelde zendstraal of zend-beam over één of meer grote horizontale hoeken gezwenkt. Bij de RDT-zender roteert een zendstraal over de volle horizontale hoek 35 van 360°. Bij CRDT-zenders worden drie steeds over 120° ten opzichte van elkaar verschoven zendbundels in gelijke zin over een horizontale hoek van 120° gezwenkt.

Bij XRDT-zenders worden vier steeds over 90° ten opzichte van elkaar verschoven zend-beams in tegengestelde zin 4Ö over een hoekbereik van 90° gezwenkt.

8401056, I .

Ook bij doelen S met dergelijke interceptzenders kunnen de genoemde toestandsgrootheden op dezelfde wijze worden bepaald. In fig. 4 zijn de in de selectieve ontvangstrichtingen 0, I, II uit de nagalm verkregen 5 Dopplernagalmfrequentie-tijdkrommen bijv. voor een doel S met een RDT-zender weergegeven. Het nulpunt van het tijdraster voor het verkrijgen van de Dopplernagalmfrequentie-ti jdwaarden = g(t) uit de nagalm wordt daarbij door het tijdpunt van het inkomen van de gelijkspuls 10 resp. het intercept-signaal uit de doelwijzende ontvangst-richting O in de ontvanger vastgelegd. Zoals fig. 4 toont, vallen tijdpunt van het inkomen van het direkte signaal en de nagalmopvanging, dat wil zeggen het tijdpunt van het begin van de nagalmontvangst, in de doel-15 wijzende ontvangstrichting 0 niet samen, maar tonen zij een zijdelingse verschuiving. Uit deze zijdelingse verschuiving wordt geconcludeerd op het aanwezig zijn van een RDT-zender. De omlooptijd TUM van de zend-beam wordt als dubbele verschuiving in de tijd gerekend. Uit de 20 omlooptijd T^ kan de hoeksnelheid ω van de zend-beam zonder meer worden bepaald.

Zoals uit de Dopplernagalmfrequentie-tijdkrommen van fig. 4 in de niet doelwijzende ontvangstrichtingen I en II blijkt, vallen ook de tijdpunten van het begin 25 van de nagalmopvanging in de beide ontvangstrichtingen I en II niet - zoals bij een ODT-zender - samen, maar zijn zij eveneens in de tijd ten opzichte van elkaar verschoven. Ook deze verschuiving in de tijd is karakteristiek voor het aanwezig zijn van een RDT-zender in het 30 doel. De verschuiving in de tijd correspondeert exact met de omlooptijd T^ van de zend-beam van de RDT-zender.

De berekening en schatting van de onbekende toestandsgrootheden f , vg, kg, R geschieden op dezelfde wijze als in het voorgaande voor het geval van aanname 35 van een ODT-zender beschreven. Zoals de Dopplernagalmfrequentie-ti jdkrommen fgCj_ = g(t) in fig. 4 laten zien, treden in ëên van de niet doelwijzende ontvangstrichtingen, hier in de ontvangstrichting II, onder omstandigheden meerduidigheden van de funktie op. Dit vindt in wezen 40 daarop zijn grondslag, dat door de stapsgewijze ruimtelijk 84 0 1 0 5 6 •17' ï niet simultane geluidsbelading van de nagalmruimte tot bepaalde tijdpunten gelijktijdig twee verschillende frequenties van het nagalmspectrum kunnen optreden. De variantieberekening wordt doelmatig met betrekking tot de 5 Dopplernagalmfrequentie-tijdwaarden uit die van de beide niet doelwijzende ontvangstrichtingen uitgevoerd/ waarin geen meerduidigheden optreden. Dit zou in fig. 4 de ontvangstrichting I zijn. De berekening van de Doppler-nagalmfrequenties volgens vergelijking (1) en de tot 10 standbrenging van de vereffeningskromme f^ = h(t) moet dan vanzelfsprekend onder inachtname van deze uitgekozen ontvangstrichting worden uitgevoerd.

In fig. 5 en 6 is een blokschema gegeven van een mogelijke schakelingsinrichting in ontvanger E voor het 15 uitvoeren van de beschreven werkwijze voor het schatten van de onbekende toestandsgrootheden van een doel met geluidsuitstraling schematisch weergegeven. De ontvanger E vertoont een op zichzelf bekende beamvormer 10, door middel waarvan de drie gerichte ontvangstkanalen worden 20 opgewekt, zodat de ontvanger E slechts slechts gevoelig is in drie selectieve ontvangstrichtingen O, I, II. De gerichte ontvangstkanalen of beams zijn in fig. 5 en in het volgende in overeenstemming met de selectieve ontvangstrichtingen met O, I en II aangegeven. Het middelste 25 ontvangstkanaal O, de zgn. peilbeam, is gericht op het doel S (doelwijzende ontvangstrichting O), de belde andere ontvangstkanalen I en II (niet doelwijzende ontvangstrichtingen I en II) liggen symmetrisch ten opzichte van de peilbeam O. De ontvangstsignalen van de afzonder-30 lijke ontvangstkanalen O, I, II worden gescheiden verwerkt.

Hiertoe is achter elk ontvangstkanaal O, I, II een FFT-processor 11, een dataextractor 12 en een minimum-maximum-zoeker 13 geschakeld. De toevoeging van deze constructie-elementen is gekarakteriseerd door een aan het verwijzings-35 teken toegevoegd getal, dat overeenstemmend de ontvangstkanalen O, I, II gekozen is, zodat bijv. van de constructie-elementen, die achter het middelste ontvangstkanaal O zijn geschakeld, de dataextractor 12 met het verwijzings-cijfer 120 en de minimum-maximumzoeker 13 met het ver-40 wijzingscijfer 130 zijn aangeduid. De FFT-processoren 11 8401 056' - 18 - schatten elk het waardespectrum JSn(f)| van de ontvangst- signalen s(t).. De spectrogrammen worden telkens toegevoerd aan de dataextractor 12. Deze onderscheidt of een geluids- puls wordt gedetecteerd en extraheert in dit geval begin 5 en einde van de hierdoor opgewekte nagalm, alsook het verdere verloop ervan over de tijd. Als resultaat verkrijgt men alle Dopplerfrequentie-tijdwaarden f = g(n), zoals zij in fig. 3 en 4 als Dopplernagalmfrequenties fgc over de tijd t, beginnende met de nagalmopvanging op het 10 tijdstip t = O, zijn weergegeven.

Een mogelijke uitvoeringsvorm van een dataextractor 12 is weergegeven in fig. 7. Uit de op het tijdstip n geleverde spectrogrammen |sn(f)| extraheert een maximum- zoeker 14 de frequentie met de grootste amplitude, de 15 Dopplernagalmfrequentie f . De Dopplernagalmfrequenties f worden door middel van een poortorgaan 15 toegevoerd aan de voorhanden minimum-maximum-zoeker 13, wanneer de 2 2 strooiïng ση een voorgegeven bedrag are^ niet overschrijdt. Hiertoe worden alle op de verschillende tijdpunten n 20 gedetecteerde Dopplernagalmfrequenties f in een schuif-register 16 met seriële invoer en parallelle uitvoer ingeschreven. Uit de momentane inhoud van het schuif-register 16 wordt op elk tijdstip n door een gemiddelde-waardevormer 17 de rekenkundig gemiddelde waarde f 25 gevormd. Uit deze gemiddelde waarde en elke Dopplernagalmfrequentie f wordt in een rekentrap 18 de strooiïng °n = £ <fv - fn)2 (13) v+n-m berekend. De rekentrap 18 is hiertoe aan ingangszijde 30 met de uitgang van de gemiddelde-waardevormer 17 en met elk van de parallelle uitgangen van het schuifregister 16 verbonden. De uitgang van de rekentrap 18 is met een ingang van een comparator 17 verbonden, waarvan de andere ingang met de waarde van de voorgegeven, toelaatbare 35 maximale strooiïng σ^ is belast. De comparator 19 geeft aan de stuuringang van het poortorgaan 17 een 2 2 doorlaatbevel, wanneer ση £ °ref wordt gedetecteerd.

Het extractieproces levert voor elk richtingskanaal O, I, II een reeks van Dopplernagalmfrequentie-tijdwaarden 8401056.

- 19 - f “ zoals deze als krommen in fig. 3 en 4 zijn weergegeven en aldaar met 0, I, II zijn aangeduid.

De geëxtraheerde Dopplernagalmfrequenties f worden telkens toegevoerd naar de minimum-maximum-zoeker 5 13', die de laagste en hoogste Dopplernagalmfrequentie f^ en f uitgeeft. Achter de minimum-maximum-zoeker 130, max die is toegevoegd aan het middelste richtingskanaal 0, is een teller/deler 20 geschakeld, die de middenfrequentie f volgens vergelijking (8) berekent. Aan de uitgang van 10 de opteller/deler 20 is een ingang en aan één van de uitgangen van de minimum-maximum-zoeker de andere ingang van een aftrekker 21 aangesloten. De aftrekker 21 berekent de verschilfrequentie tussen één van de grootste of kleinste Dopplernagalmfrequenties, de zgn. hoekfrequentie op het 15 tijdpunt n = 0 en de middenfrequentie fm. Achter de aftrekker 21 is een vermenigvuldiger/deler 22 geschakeld, die aan ingangszijde wederom met de uitgang van de opteller/ deler 20 is verbonden, en met de ingegeven geluidssnelheid c in water de radiale snelheids component vgra(j van de 20 doelsnelheid vg volgens vergelijking (91 berekent.

Achter elke minimum-maximum-zoeker 131 resp. 132 is een aftrekker 23 resp. 24 geschakeld, die verder met de uitgang van de opteller/deler 20 is verbonden. De aftrekkers 23 en 24 berekenen uit elk der extreme waarden 25 van de Dopplernagalmfrequenties fgx (fmax resp. fmf ) de Dopplerverschuiving Lf door verschilvorming Lf = fffla-y-f^ resp. Δί = De Dopplerverschuivingen in elk richtingskanaal worden in een vergelijker 25 resp. 26 met elkaar vergeleken en de steeds grootste 30 Dopplerverschuiving wordt aan de uitgang uitgegeven. De uitgangen van de beide vergelijkers 25 en 26 zijn met de beide ingangen van een verdere vergelijker 27 verbonden, die de grootste Dopplerverschuiving &fmax van de beide uitgegeven Dopplerverschuivingen bepaalt en tegelijk 35 het kengetal x voor dat ontvangstkanaal I resp. II waarin deze grootste Dopplerverschuiving Af χ optreedt uitgeeft.

Dit kengetal x, dat corresponderend het richtingskanaal "1" of ”2" kan aannemen, vormt een stuurgrootheid voor een elector 28, bijv. een multiplexer, waaraan de aan de 40 uitgangen van de beide dataextractoren 121 of 122 aan- 8401056.

- 20 - staande Dopplernagalmfrequentie-tijdwaarden worden toegevoerd. Die Dopplernagalmfrequenties f en tijdwaarden n, die verkregen zijn uit dat richtingskanaal, waarvan het kengetal x aan de stuuringang van de elector 28 aanstaat, 5 worden aan een afstandsschattingsprocessor 29 (fig. 6) toegevoerd.

De uitgang van de vergelijker 27, waaraan de maximale Dopplerverschuiving Afmax aanstaat, is met één van drie ingangen van een vermenigvuldiger/deler 30 ver-10 bonden, waarvan de verdere ingangen enerzijds met de geluidssnelheid c en anderzijds door aansluiting aan de opteller/deler 20 met de berekende middenfrequentie f belast zijn. De vermenigvuldiger/deler 30 berekent volgens vergelijking (10) de doelsnelheid vg. De uitgang 15 van de vermenigvuldiger/deler en de uitgang van de vermenigvuldiger/deler 22 zijn verbonden met een deler 31, waarachter een boog-cos-netwerk 32 is geschakeld. Aan de uitgang van het boog-cos-netwerk 32 kan de volgens vergelijking (11) berekende doelkoers kc worden afgenomen. 20 Teneinde rekening te houden met de aan teken gebonden grootte van de doelsnelheid vg en het uitgekozen ontvangst-kanaal is achter het boog-cos-netwerk 32 nog een opteller 33 geschakeld, die anderzijds verbonden is met de uitgang van een rekenorgaan 34. Aan het rekenorgaan 34 wordt 25 het door de vergelijker 27 bepaalde kengetal x en door de uitgang van de vermenigvuldiger/deler 30 het teken van de maximale Dopplerverschuiving Afmax ingevoerd. Het rekenorgaan 34 berekent het tweede optelgetal van vergelijking (12) , dat in de opteller 33 met de uitgangs-30 grootheid van het boog-cos-netwerk 32 wordt opgeteld.

Aan de uitgang van de opteller 33 kan de absolute, op de verbindingslijn tussen ontvanger E en doel S betrokken koers kg volgens vergelijking (12) worden afgenomen.

De afstandsschattingsprocessor 29 vertoont een 35 vereffeningskrommencomputer 35, een variantiecomputer 36, een opslagorgaan 37 in de vorm van een schuifregister met seriële invoer en parallelle uitvoer en een minimum detector 38. Aan de vereffeningskrommencomputer 35 worden alle verkregen toestandsgrootheden, zoals de 40 middenfrequentie fm, de doelsnelheid vg, de doelkoers kg 8401056: ·» - 21 - alsook de hoek α tussen de doelwijzende en niet doelvrij zende ontvangstrichting 0 en I resp. II, en de geluidssnelheid c in water ingevoerd. Bovendien bevat de vereffeningskrommencomputer 35 willekeurig, evenwel met 5 realiteitsverband gekozen schattingswaarden iL van de doelafstand, die in stappen j = 1 tot k worden gevarieerd. Additioneel worden aan de vereffeningscomputer 35 de tijdwaarden n van de uitgekozen, niet doelwijzende ontvangstrichting I resp. II toegevoerd, hetgeen geschiedt 10 via de elector 28. De vereffeningskrommencomputer 35 berekent nu voor het tijdraster n en voor elke schattingswaarde Rj het verloop van de Dopplemagalmfrequenties fj volgens vergelijking (1). Het resultaat wordt toegevoerd aan de variantiecomputer 36, die bovendien de uit de 15 nagalm verkregen Dopplemagalmfrequenties f in het uitgekozen, niet doelwijzende ontvangstkanaal I, resp. II toegevoerd krijgt.De variantiecomputer 36 berekent de λ variantie van alle vereffeningskrommen fj = h{n, Rj} met betrekking tot de Dopplemagalmfrequenties f volgens: 2° σ2 (5^ = -sèj- è <fj.v - Vv >2 (14>

De varianties σ (Rj) voor de verschillende schattingswaarden Rj worden tussenopgeslagen in opslag-orgaan 37. Uit de geheugeninhoud bepaalt de minimum-detector 38 het variantieminimum en geeft de bijbehorende 25 schattingswaarde Rm^n als vastgestelde doelafstand R uit. Het in de vergelijkingen in fig. 6 exponentieel opgenomen kengetal x dient uitsluitend voor de karakterisering van die van de beide niet wijzende ontvangstkanalen I, resp. II, waarin de grootste Dopplerverschuiving Afmax 30 optreedt, en met betrekking tot de Dopplernagalm- frequentie-tijdwaarden f = g(n) waarvan de variantie-berekening plaatsvindt.

In fig. 8 is in blokschema een zelfde proces voor het schatten van de doeltoestandsgrootheden gesche-35 matiseerd, dat in dat opzicht afwijkt, dat door middel van signaalverwerking de nagalm niet slechts in drie, maar in een groot aantal van in azimuth ten opzichte van 8401056, - 22 - elkaar telkens over eenzelfde hoekwaarde verschoven selectieve ontvangstrichtingen, een zgn. beamwaaier 40, gemeten wordt. Van de ontvangstrichtingen is één, de zgn. peilbeam, op het doel gericht. De peilbeam 41 bevindt 5 zich daarbij bij voorkeur in het midden van de beamwaaier 40. De eigenlijke beamvorming geschiedt in het blok 42 "signaalopwerking" door corresponderende verwerking van de uitgangssignalen van afzonderlijke antenne-elementen van een met het blok 42 verbonden ontvangstantenne 43.

10 In het blok 42 wordt verder een frequentieanalyse van de in de afzonderlijke beams ontvangen nagalmsignalen en bij bewegende ontvanger E de eigen-Dopplercompensatie uitgevoerd. De datareeks uit de in de afzonderlijke beams gewonnen eigen-Dopplergecompenseerde Dopplernagalmfrequen-15 ties fg£j_ worden in toekenning aan de ontvangstrichting en de tijd t^ toegevoerd aan een computer 44. De computer 44 berekent enerzijds Dopplernagalmfrequenties fj_ als funktie van de ontvangstrichting en de tijd ti volgens Γ vs 20 f, = £ 1 - -X · cos (k.+S) (15) x m L c s _ en 2 ε -(l+ε ^)cos a.

δ = arc cos -~- (16) (1+ε }-2ε cos ou met 25 ε = —-- (17) R+Ct^ en vormt anderzijds volgens de methode van kleinste gemiddelde kwadraatsschatting het gemiddelde kwadratische verschil tussen de toegevoerde Dopplernagalmfrequenties fgCi en de door ontvangstrichting en tijd toegekende, 30 berekende Dopplernagalmfrequenties f^. De beide de eerste berekening van de Dopplernagalmfrequenties f^ als fictieve waarde voorgegeven parameters van de toestands-grootheden f^, Vg, kg en R worden daarbij iteratief zo lang veranderd, totdat het genoemde verschil een minimum 35 is. De voor het maximum gevonden parameters worden als 8401056, - 23 - de gezochte toestandsgrootheden uitgegeven.

Daarbij is het van voordeel, dat de startwaarden voor de parameters bij het schattingsproces zo nauwkeurig mogelijk worden voorgegeven. Hiertoe wordt in een eveneens 5 met het blok 42 verbonden verdere computer 45 de snelheids- vector van het doel uit de ter beschikking staande data- reeksen van de eigen-Doppler gecompenseerde Dopplernagalm- frequenties fgc^ bepaald. Hiertoe worden op een bepaald tijdstip uit de datareeksen van alle beams of ontvangst- 10 richtingen de Dopplernagalmfreguenties fgc^ uitgelezen.

Daaruit worden de grootste en de kleinste Dopplernagalm— frequenties f en f . geëlimineerd. De computer berekent max mm daarmee nu de toestandsgrootheid zendfrequentie volgens f = \ (f + f . } (18) m 2 max min 15 en de toestandsgrootheid doelsnelheid vg volgens c . fmax ~,fmin (19) S 2f m

Bovendien wordt in de computer 45 de Dopplerfrequentie fD van de in de peilbeam 41 invallende geluidspuls, derhalve 20 de Dopplerfrequentie van het direkte signaal van de geluidsimpuls, uitgelezen, en de toestandsgrootheid doelkoers kg volgens fn-f .

kc = are cos ^- (20) * - (f -f ) 2 max min 25 berekend. De doelkoers kc en doelsnelheid vc voorgegeven snelheidsvector v' van het doel, alsook de zendfrequentie f waarvan, worden aan de computer 44 toegevoerd als startwaarden voor het schattingsproces.

In de computer 45 kan verder ook een startwaarde 30 worden berekend voor de parameter doelafstand R. Hiertoe leest de computer 45 uit de ter beschikking staande datareeksen in een ontvangstrichting een Dopplernagalm-frequentie fgc^ en het tijdpunt t^ van het inkomen daarvan, gerekend vanaf het inkomen van het dirékte signaal in 35 de peilbeam 41, uit en berekent uit de vergelijkingen (15) en (17) onder toepassing van de volgens vergelijking 8401056.

- 24 - (18) tot (20) bepaalde toestandsgrootheden vc, k , f de doelafstand R, die dan als startwaarde aan de computer 44 wordt gegeven.

Indien meer dan êên geluidsimpuls van de doelzender 5 ter beschikking staan voor evaluëring, kan de toestands-grootheid doelafstand R nog op een verdere wijze worden geschat. Door middel van de peilbeam 41 wordt voortdurend de peiling tot het doel S met betrekking tot een referentie-richting, bijv. het noorden, genomen en als funktie van 10 de tijd vastgehouden. De peilhoekwaarden als funktie van de tijd t worden toegevoerd aan een computer 46.

Deze elimineert uit de meetwaarden de eigen beweging van de ontvanger E en bepaalt uit de gecompenseerde meetwaarde de veranderingen in de tijd van de peilhoek 15 ΔΘ/Δt. Bovendien berekent de computer volgens Έ£ = ΪΓ ' sin ks (21> of ΔΘ L°] 360° v on -ΓΓ = ^ sin kc (22)

20 At 2 π R S

Δ© de verandering in de tijd van de peilhoek — in boog-of gradenmaat. De waarden vg en kg worden aan de computer 46 toegevoerd vanaf de computer 45, terwijl de onbekende toestandsgrootheid R als fictieve waarde wordt voorgegeven. 25 In een schattingsprocëdê voor het kleinste gemiddelde kwadraat wordt de voorgegeven parameterwaarde zo lang iteratief veranderd, totdat het gemiddelde kwadratische verschil van de berekende en gemeten peilhoekverandering een minimum is. De daarbij behorende parameterwaarde 30 van de afstand R wordt als toestandsgrootheid doelafstand R uitgegeven. De doelafstand R is bij bekende standplaats van de ontvanger en bekende peilrichting 41 een direkte maat voor de plaats van het doel.

Bij het voorgaande schattingsproces kan ook de 35 door de computer 45 zoals in het voorgaande beschreven bepaalde waarde van de parameter R als startwaarde worden ingegeven, zodat het vereiste rekenwerk aanzienlijk 8401066.

- 25 - wordt gereduceerd. Aangezien nu op twee gescheiden wegen de toestandsgrootheid doelafstand R is bepaald, kan ter verbetering van de schattingsresultaten tussen de beide resultaten nog een foutencompensatieberekening 5 worden uitgevoerd.

In plaats van de hier genoemde schattingsmethode van het kleinste gemiddelde kwadraat, kunnen ook andere geschikte schattingsmethoden worden toegepast, bijv. het zgn. maximum-liklihood-schattingsprocëdë. Steeds 10 worden die parameterwaarden, die aan de voorwaarden van het schattingskriterium voldoen, uitgegeven als de gezochte toestandsgrootheden van het doel S. Het schattingsproces kan zowel ééndimensionaal alsook tweedimensionaal worden uitgevoerd. In het eerste geval worden de Dopplernagalm-15 frequenties als funktie van de ontvangstrichting voor een voorgegeven tijdstip t^ berekend, en met de toegekende, op het tijdstip t^ gemeten Dopplernagalm-frequenties fcr,. als funktie van de ontvangstrichting a. vergeleken. In het tweede geval worden de Dopplernagalm-20 frequenties f^ berekend als funktie van de tijd t^ en de ontvangstrichting en met de corresponderende gemeten Dopplernagalmfrequenties fgc^ vergeleken.

De uitvinding is niet beperkt tot de beschreven uitvoeringsvoorbeelden van de werkwijze. Indien men zich 25 vergenoegt met de schatting van de toestandsgrootheden doelsnelheid, doelkoers en zendfrequentie van de doel-zender, en zich beperkt tot het meten van het doel vanuit een stationaire of quasistationaire ontvanger, kan afgezien worden van de elektrische uitrusting van de 30 beamvorming voor het opwekken van zo smal mogelijke ontvangstbeams resp. een in azimuth hoogoplossende ont-vangstkarakteristiek van de ontvanger. Vanzelfsprekend komt dan ook de noodzaak te vervallen van de eigen-Doppler compensatie van de ontvanger, aangezien de door 35 de rustende ontvanger gedetecteerde Dopplernagalmfrequenties direkt corresponderen met de door de strooi-centra SC^ uitgestraalde frequenties Ia dit geval van de ongerichte ontvangst van de nagalm kunnen eveneens in het nagalmsignaal de extreme Dopplernagalmfrequenties 40 ^max en fmin en Dopplerfrequentie van de zendpuls f^ 84 01 056, * - 26 - worden bepaald en daaruit, zoals in het voorstaande beschreven, de toestandsgrootheden doelsnelheid vg, doelkoers kg en zendfrequentie fm worden bepaald. De toestandsgrootte doelafstand R kan dan echter slechts 5 worden bepaald, wanneer meer zendpulsen van de doelzender ter beschikking staan. Zoals in het voorstaande beschreven wordt deze dan iteratief door middel van een geschikt schattingsproces uit berekende en gemeten veranderingen in de tijd van de peilhoek bepaald, waarbij de tevoren 10 berekende toestandsgrootheden doelsnelheid vg en doelkoers kg als startwaarden worden ingezet.

- conclusies - 8401056.

Claims (27)

1. Passieve werkwijze voor het schatten van toestandsgrootheden zoals afstand/ snelheid, koers en/of zendfrequentie van een bewegend, geluidsimpulsen in het water afstralend doel, zoals een schip, torpedo of iets 5 dergelijks met actieve sonar vanuit een van het doel verwijderde ontvanger, met het kenmerk, dat in de nagalm optredende Dopplerfrequenties (fg^) worden gedetecteerd, en dat door middel van de Doppler-nagalmfrequentie s (fg^) de toes tands grootheden (R, 10 v, kc, f ) van het doel (S) worden bepaald.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat de Doppler-nagalmfrequenties (fgC^) worden verkregen uit het frequentiespectrum van de nagalm.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, m e t het kenmerk, dat de in de nagalm optredende maximale en minimale Doppler-nagalmfrequentie (f , f . ) 3. max mm daaruit gezocht wordt, en dat de toestandsgrootheid zendfrequentie ('f ) als rekenkundig gemiddelde uit 20 de maximale en minimale Doppler-nagalmfrequentie (fmax> f . ) wordt bepaald, mm e

4. Werkwijze volgens conclusie 3, m e t het k e nme rk, dat de toestandsgrootheiddoelsnelheid (Vgj als met de geluidssnelheid (C) in water vermenig- 25 vuldigde quotiënt uit het verschil van de maximale en minimale Doppler-nagalmfrequentie (f , f . ) en de ctr max' mm dubbele zendfrequentie (f ) wordt bepaald.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, m e t het k e n m e r k, dat de Dopplerfrequentie (f^) van de 30 zendpuls wordt geëlimineerd en de toestandsgrootheid doelkoers (kg) als boogsinus van het quotiënt uit het verschil van de Dopplerfrequentie (f^) en de zendfrequentie (fm) enerzijds en het halve verschil .uit de maximale en minimale Doppler-nagalmfrequentie (f , f . ) anderzijds 84 01 056 / max mn > - 28 - . t wordt bepaald.

6. Werkwijze volgens één der conclusies 1 tot 5, met het kenmerk, dat de nagalm richtings-selectief wordt gemeten, en dat de Dopplerfrequentie 5 (fD) van de zendpuls uit het in doel-wijzende selectieve ontvangstrichting (pijlrichting 41) invallende direkte signaal van de geluidspuls, en de extreme Doppler- nagalmfrequenties (f , f , ) uit het zich in twee naar max mm beide zijden van de peilrichting (41) uitstrekkende, 10 niet doel-wijzende selectieve ontvangstrichtingen steeds opgevangen nagalmsignaal worden gewonnen.

7. Werkwijze volgens één der conclusies 1 tot 5, met het kenmerk, dat de nagalm in een groot aantal van in azimuth steeds over een hoekwaarde ten op- 15 zichte van elkaar verschoven selectieve ontvangstinrich-tingen, waarvan één doelwijzend is, wordt opgevangen, dat de Dopplerfrequentie (fp) van de zendpuls uit het in doelwijzende selectieve ontvangstrichting (peilrichting 41) opgevangen nagalmsignaal wordt gewonnen, en dat 20 de uiterste Dopplernagalmfrequenties (f^ , f ^ ) uit de Dopplernagalmfrequenties (fgC^) worden uitgelezen, die in de niet doelwijzende ontvangstrichtingen opgevangen nagalmsignalen op een voorinstelbaar tijdstip (t^) na het binnenkomen van het in de peilrichting (41) optredende 25 direkt signaal van de geluidsimpuls in de ontvanger optreden.

8. Werkwijze volgens conclusie 6 of 7,met het kenmerk, dat met de toestandsgrootheden zendfrequentie (fm), doelsnelheid (Vg) en doelkoers (kg) van het doel (S) 30 een uitgekozen Dopplernagalmfrequentie (f^) volgens vs Ί f. = f 1 - — cos (kc + 6) lm c S wordt berekend, waarbij 6 willekeurig genomen wordt, en dat in een niet doelwijzende ontvangstrichting (αΊ) 35 het tijdsverloop (t^) van hêt binnenkomen van het direkte signaal in de peilrichting (41) tot aan de detectie van 84 01 056« l - 29 - de uitgekozen Dopplernagalmfrequentie (fgemeten wordt, en de toestandsgrootheidafstand (R) uit het gemeten tijdsverloop (t^) volgens 2 2e — (l-ε )cos δ = arc cos --- 5 (1+ε^)-2ε cos met R ε = - R+c*t^ wordt berekend.

9. Werkwijze volgens één der conclusies 1 tot 8, met het kenmerk, dat voor ten minste een voorgegeven tijdpunt (t^) na ontvangst van het in de peilrichting (41) invallende direkte signaal van de geluidsimpuls voor een groot aantal ten opzichte van 15 elkaar in azimuth telkens over een hoekwaarde verschoven, niet doelwijzende selectieve ontvangstrichtingen (a^) de Dopplernagalmfrequenties (f^) volgens £i “ fo 1_ 20 en 2e -d-e2)cos «± δ =arc cos -2- (l+ε ) - 2ecos ot.^ met R ε = -- R+c·t^ 25 worden berekend, waarbij de parameters vormende onbekende toestandsgrootheden (R, vg, kg, f ). als fictieve waarden worden voorgegeven, dat in een geschikte schatttings-methode, bijv. kleinste gemiddelde kwadraatschatting, de parameterwaarde iteratief zo lang worden veranderd, 30 totdat aan het schattingskriterium is voldaan, bijv. het gemiddelde kwadratische verschil tussen de berekende Dopplernagalmfrequenties (f^) en de daaraan toegekende op dit tijdstip in de ontvangstrichting (ou) gedetecteerde Dopplernagalmfrequenties (fgC^) °P een minimum gebracht 35 is, en dat de aan het schattingskriterium beantwoordende parameterwaarden als gezochte toestandsgrootheden (R, vg/

84 Of 05 6'; - 30 - ., kc/ f ) worden uitgegeven, o m

9 - 27 - ' . -Conclusies-

10. Werkwijze volgens conclusie 9, m e t het kenmerk, dat de berekening van de Dopplernagalm-frequenties (f^) voor een groot aantal tijdstippen (ti) 5 gerekend vanaf het inkomen van het in de peilrichting (41) invallende direkte signaal van de geluidspuls, wordt doorgevoerd, en het schattingsproces als tweedimensionaal schattingsproces voor de berekende Dopplernagalmfrequenties (fi = g(ti,a1)) wordt uitgevoerd.

11. Werkwijze volgens conclusie 9 of 10,met het kenmerk, dat bij het voorgeven van de fictieve waarden voor de parameters de gemiddelde toestandsgrootheden (R, Vg, kg, f ) ten minste gedeeltelijk als startwaarden worden ingezet.

12. Werkwijze volgens één der conclusies 3 tot 11, met het kenmerk, dat de zender (S) vanuit de ontvanger (E) doorlopend passief wordt gepeild, en na compensatie van een eventuele eigen beweging van de ontvanger (E) de verandering in de tijd van de peiling 20 (θ) worden gemeten, dat een peilverandering in de tijd (ΔΘ/At) volgens S Θ vs . . At = S~ ' Sln kS onder toepassing van de gevonden toestandsgrootheden 25 doelsnelheid (vg) en doelkoers (kg) worden berekend, waarbij de onbekende toestandsgrootheid doelafstand (R) als fictieve parameterwaarde wordt voorgegeven, dat door middel van een geschikt schattingsproces de parameterwaarde iteratief zo lang wordt veranderd, totdat aan 30 het schattingskriterium voldaan is, en dat de aan het schattingskriterium voldoende parameterwaarde als toe-standsgrootheid doelafstand (R) wordt uitgegeven.

13. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2,met het kenmerk, dat de Dopplernagalmfrequentie (fgQj_) in 35 ten minste één niet doelwijzende selectieve ontvangst- 8401056. , - 31 - m t richting voor een groot aantal tijdpunten van een vanaf het opvangen van de nagalm lopend tijdraster (t^) worden bepaald, dat onafhankelijk daarvan voor deze ontvangst- richting (I resp. II) de Dopplernagalmfrequenties (f^) 5 voor hetzelfde tijdraster (t^) als vereffeningskromme (f. = h (t. , R, vc, kc, f )) worden berekend, waarbij de onbekende toestandsgrootheden (R, vg, kg/ fm) van het doel (S) parameters vormen, die als schattingswaarden worden voorgegeven, dat de schattingswaarde voor telkens 10 ten minste één parameter worden gevarieerd en voor elke schattingswaarde een vereffeningskromme wordt samengesteld, 2 dat telkens de variantie (σ ) tussen elk van de vereffe-ningskrommen en de uit de nagalm gewonnen Dopplernagalm-frequentie-tijdwaarden (fgC£ = g(t)) wordt berekend, 15 en dat die schattingswaarden van de parameters van een vereffeningskromme, waarvoor de variantie (σ ) een minimum is, als toestandsgrootheden van het doel (S) worden uitgegeven.

14. Werkwijze volgens conclusie 13, m e t het 20 kenmerk, dat de nagalm tegelijk over een doelwijzen-de selectieve ontvangstrichting (O) wordt opgevangen, en dat de Dopplernagalmfrequenties (fgc^) voor een vanaf het inkomen van de zendimpuls in de ontvanger (direkt signaal) lopend tijdraster (t^) worden bepaald, en dat 25 de grootste en kleinste Dopplernagalmfrequentie (f (+0), ΘΧ f (-0)) worden gedetecteerd, en de halve som daarvan 6X als zendfrequentie (fm) van het doel(S) wordt aangegeven.

15 Dopplernagalmfrequenties (fSCj_) als funktie van de tijd (ti) wordt uitgevoerd in een verdere, niet doelwijzende selectieve ontvangstrichting (II resp. I), die over een vast voorgegeven richtingshoek ten opzichte van de eerste ontvangstrichting (I resp. II) is verdraaid, bij voorkeur 20 zodanig, dat de beide niet doelwijzende ontvangstrich- tingen (I, II) symmetrisch ten opzichte van de doelwijzende ontvangstrichting (O) liggen.

15. Werkwijze volgens conclusie 14,met het kenmerk, dat de radiale snelheidscomponent (vgra^) 30 van het doel (S) als produkt van het verschil tussen de grootste of kleinste Dopplernagalmfrequentie (f (+0) ΘΧ resp. fex(-0)) eïl de zendfrequentie (f^) het quotiënt uit de geluidssnelheid (c) in water en de zendfrequentie (f ) wordt berekend, m

16. Werkwijze volgens conclusie 14 of 15, m e t het kenmerk, dat uit de uit de nagalm gewonnen Dopplernagalmfrequentie-tijdwaarden + g(t)) in de 8401056. r ψ - 32 - J niet doelwijzende ontvangstrichting (I resp. II) de *» maximale en/of minimale Dopplernagalmfrequentie (f = , f . ) wordt bepaald, en daaruit en uit de zendfrequentie (f ) de snelheid (v„) van het doel (S) als produkt uit de m b 5 maximale Dopplerverschuiving (Afmax) en het quotiënt uit de geluidssnelheid (c) in water en de zendfrequentie (f ) wordt berekend.

17. Werkwijze volgens conclusie 15 en 16, m et het kenmerk, dat de op de doelwijzende ontvangst- 10 richting (O) betrokken koers (kg) van het doel (S) als boogsinus van het quotiënt uit de radiale doelsnelheids-component (vSra(j) en he doelsnelheid (vg) wordt berekend.

18. Werkwijze volgens, één der conclusies 13 tot 17, met het kenmerk, dat de bepaling van de

19. Werkwijze volgens conclusie 18, m e t het kenmerk, dat de maximale en/of minimale Doppler- 25 nagalmfrequentie (f , f . ) in de verdere niet doel- max mm wijzende ontvangstrichting (II resp. I) wordt bepaald, dat met de maximale en/of minimale Dopplernagalmfrequenties ^max' ^min^ heide niet doelwijzende ontvangstrichtingen (I, II) de maximale Dopplerverschuiving (Af ) wordt 30 bepaald, en met deze de berekening van de snelheid (vg) en de koers (kg) van het doel (S) wordt uitgevoerd.

20. Werkwijze volgens conclusie 19, m e t het kenmerk, dat de variantieberekening met betrekking tot de Dopplernagalmfrequentie-tijdwaarden (fg^ = g(t)) 35 uitgevoerd wordt uit die van de beide niet doelwijzende ontvangstrichtingen (I resp. II), waarin de maximale 84 01 056. - 33 - ¥, Dopplerverschuiving (Af ) wordt vastgesteld. IUciX

21. Werkwijze volgens conclusie 20, m e t het kenmerk, dat bij het optreden van meerdere gelijke maximale Dopplerverschuivingen die ontvangstrichting 5 (I resp. II) wordt uitgekozen, waarin de maximale Dopplerverschuiving (Af ) van. de kleinste tijdwaarde (t.) max i thuishoort.

22. Werkwijze volgens één der conclusies 13 tot 21, met het kenmerk, dat de berekende waarden 10 voor de zendfrequentie (fm), koers (kg) en snelheid (vg) van het doel (S) bij de berekening van de vereffenings-kromme (f^ = h (t^, R, vg, kg, f )) als schattingsgroot-heden worden ingezet en uitsluitend de afstand (R) een parameter vormt.

23. Werkwijze volgens conclusie 22, m e t het kenmerk, dat de berekening van de vereffeningskrommen met de verkregen toestandsgrootheid-doelafstand (R) als schattingsgrootheid en met ten minste één van de andere toestandsgrootheden (kg, vg, f ) als parameters met ge- 20 varieerde schattingsgrootheid wordt herhaald, dat op dezelfde wijze de variantieberekening en de bepaling van het variantieminimum wordt uitgevoerd, en dat met de daarbij berekende waarde van de toestandsgrootheid (kg, vg, f ) van het doel (S) de voorgaande processtappen met ten 25 minste één verdere toestandsgrootheid (kg, vg, f ) als parameter zo lang worden herhaald, totdat de veranderingen van de steeds uitgegeven toestandsgrootheid (kgr vg, f ) een voorgegeven waarde niet overschrijdt.

24. Werkwijze volgens één der conclusies 14 tot 23, 30 met het kenmerk, dat het nulpunt van het tijdraster in de niet doelwijzende ontvangstrichtingen (I, II) door het tijdpunt van het inkomen van het in de doelwijzende ontvangstrichting (0) inkomende direkte signaal van de geluidspuls wordt vastgelegd.

25. Werkwijze volgens conclusie 24, m e t het 8401056, 4 - 34 - ' j %. kenmerk, dat bij het optreden van een verplaatsing in de tijd tussen de nagalmdetectie in de beide niet doelwijzende ontvangstrichtingen wordt geconcludeerd tot een doel (S) met rondlopende zendstraal, en de verplaat-5 sing in de tijd als omlooptijd (TÜM) van de zendstraal wordt bepaald.

26. Werkwijze volgens conclusie 24 of 25, m e t het kenmerk, dat bij het optreden van een verplaatsing in de tijd van het opvangen van de nagalm 10 in de doelwijzende ontvangstrichting (O) -ten opzichte van het nulpunt van het tijdraster op een doel (S) met rondlopende zendstraal wordt besloten, en de dubbele verschuiving in de tijd als omlooptijd (T^) van de zendstraal wordt bepaald.

27. Werkwijze volgens conclusie 25 of 26, me t het kenmerk, dat de variantieberekening met betrekking tot de Dopplernagalmfrequentie-tijdwaarden (fsc^ = g(t)) wordt uitgevoerd uit die van de beide niet doelwijzende ontvangstrichtingen (I resp. II), 20 waarin geen meerduidige Dopplemagalmfrequenties (fgC^) optreden. 8401056,