WO2015169277A1 - Verfahren zum orts- und/oder zeitauflösen einer ersten unterwasserschallquelle von einer zweiten unterwasserschallquelle und zugehörige vorrichtung sowie wasserfahrzeug - Google Patents

Verfahren zum orts- und/oder zeitauflösen einer ersten unterwasserschallquelle von einer zweiten unterwasserschallquelle und zugehörige vorrichtung sowie wasserfahrzeug Download PDF

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    • Y02A90/30—Assessment of water resources

Definitions

  • the invention relates to a method for location and / or time resolution of a first underwater sound source from a second underwater sound source , wherein the first underwater sound source and the second
  • Underwater sound source each emit and / or reflect an underwater sound signal and a device, which performs the method and an associated watercraft, which at least one hydrophone or a Hydrophonan Aunt and a computer and has.
  • Target tracking with active or passive sonars attempts to locate individual vessels or underwater vehicles and record the movement of these underwater vehicles.
  • the task is to improve the state of the art.
  • Underwater sound source each emit and / or reflect an underwater sound signal, the method having the following steps
  • two underwater sound sources in particular in the frequency band with the higher frequencies, can be separated from one another, which are not resolved in an overall representation in the (total) frequency range.
  • the course of the individual underwater sound source can be tracked clearly longer even with intersecting courses of the underwater sound sources.
  • An "underwater sound source” can be any natural or artificial object which
  • Underwater sound waves emitted or reflected may include ships, buoys, submarines, AUV ⁇ s
  • the underwater sound signal is in particular a signal emitted by the underwater sound source, such as a screw sound. Also reflected signals, such as an active sonar, which are sent in the direction of the underwater sound source and sent back from the underwater sound source are included.
  • the underwater sound signal is in particular by a hydrophone or a hydrophone arrangement
  • hydrophone array (Hydrophone array) recorded.
  • electrical elements eg piezo-ceramics
  • spatial resolution is understood in particular to mean that, for example, two underwater sound signals can be separated over an angular range.
  • time resolution is to be understood in particular that the time-varying positions, which correspond to a course or a bearing course (variation of the bearing), the individual
  • Underwater sound sources can be assigned.
  • the "frequency range” is in particular the frequency range, which is measurable or measured with the hydrophone, which basically has a lower limit and an upper limit, depending on the type of hydrophone the frequency range is for example between a few Hz and several kHz.
  • Frequency band over the place (for present text also synonymous for bearing) determined.
  • the sound intensity is determined by the angle.
  • the "time-resolved signal strength curve" can be used to determine the course of the underwater sound source for a detected underwater sound source, which can be determined individually for each frequency band the other frequency band are determined.
  • the frequency range can be finely divided.
  • Underwater noise is frequency dependent attenuated by the water, so can be done on the individual frequency bands a more detailed time resolution and / or local resolution of the underwater sound sources from each other.
  • dividing the frequency range may be such that adjacent frequency bands form a frequency band gap or frequency band overlap.
  • an improved method for time resolution and / or spatial resolution of two underwater sound signal sources can be provided from each other.
  • each frequency band may comprise a bandwidth of 20 kHz. In this case there is a (very low) "frequency band overlap".
  • Frequency bandwidth from 20 Hz to 200 kHz twenty frequency bands each with 5 kHz can be provided, each having no overlaps but each have a frequency band spacing. It is also possible that partially a frequency band overlap and partly a frequency band spacing is used.
  • two, three or more frequency bands are grouped into a first frequency band group, the grouped frequency bands being adjacent to one another in particular.
  • a second frequency band group, a third frequency band group and / or other frequency band groups may be formed by the grouping.
  • the respective signal strengths can be added depending on the position (for example, angle-dependent).
  • one of the frequency band groups can be successively formed, in particular from high frequencies to low frequencies.
  • the frequency bands with the two highest frequency bandwidths can become one
  • Frequency band group are summarized. In the present case, if the signal-to-noise ratio is not yet sufficient, the frequency band with the third highest frequency bandwidth can be added to the frequency band group. If this is still not enough, this can be done with the fourth highest frequency bandwidth and so on.
  • the signal strength characteristic of one of the frequency bands and / or one of the frequency band groups is the first Underwater sound source and the second
  • Underwater sound source determined. By this determination, the underwater sound sources can be separated from each other.
  • the first underwater sound source and the second underwater sound source can be determined by means of a maximum determination and / or by means of a mathematical adaptation of two basic functions to the signal strength profile.
  • mathematical fitting can be done using two basic functions. For example, two Gaussian curves, whose maxima are close to each other, overlappingly form part of the signal strength curve, which does not form separate, local maxima. This overlap function only has a maximum. If this total function is adapted mathematically (fitting is also called "fitting"), for example, two assumed Gaussian functions can form the overlapping function descriptively or mixtures of the two, eg Voigtfunktionen, which arise from a convolution of the Gaussian curves and the Lorentz curve, the overlap function form.
  • two assumed Gaussian functions can form the overlapping function descriptively or mixtures of the two, eg Voigtfunktionen, which arise from a convolution of the Gaussian curves and the Lorentz curve, the overlap function form.
  • one of the signal strength curves as a function of location or the two subsonic sound signals can be displayed as a function of location and time.
  • a display element for example, in the present case serve a display or a screen.
  • Tracking algorithm tracked.
  • Tracking can be done by extrapolation.
  • an unresolved and, for example, interrupted signal with high probability can be assigned.
  • frayed signal end lanes are compared with frayed signal start lanes, and the most probable lane is selected by extrapolating the ends and checking for an overlap. Tracing is also called "tracking".
  • the tracking can be carried out for individual frequency bands or for all frequency bands and / or for individual frequencies
  • Frequency band groups or for all frequency band groups are Frequency band groups or for all frequency band groups.
  • the track can be analyzed by the well-resolved maxima of the underwater sound signals, while at lower frequencies, frequency bands are combined into frequency band groups and the course determination
  • the tracking (SHT process) and / or by means of a multi ⁇ hypothesis tracker process (MHT method) can be performed by a single hypothesis tracker method.
  • a track fusion is performed in which different tracking algorithms, in particular for different frequency bands and / or frequency band groups, interactively determine a track.
  • Interaction is understood in particular to mean that different tracking algorithms and / or different tracking methods for different frequency bands or frequency band groups are looking for an optimal solution depending on each other.
  • Track track results are eliminated and / or optimally combined.
  • a tracking algorithm can be used for each frequency band, so that a track track is determined for each frequency band. This can lead to fraying in an overall representation of the track tracks.
  • tracking results which are definitely exclude due to their location, can be omitted, so that, for example, only half of the tracking results are used. These in turn can be averaged, for example. Also strongly divergent track tracks can be detected and omitted.
  • the object is achieved by a device having a hydrophone and a computer, wherein the device is set up such that a previously described method can be carried out.
  • Such a computer has in particular working memory, fixed memory, input and output means and corresponding calculation algorithms.
  • the hydrophone naturally has an electronic evaluation unit on, which processes signals in such a way that they can be evaluated by the computer, for example.
  • the object is achieved by a watercraft having the device described above.
  • Figure 1 is a schematic representation of a
  • Figure 2a-e is a schematic representation of a
  • FIG. 3 is a schematic representation of several components
  • Figure 4a is a schematic representation of a
  • Figure 4b is a schematic representation of
  • Figure 5 is a schematic representation of two crossing targets according to the prior art and Figure 6 is a schematic representation of the intersecting courses of Fig. 5 according to the invention.
  • the task of a tracking system is to extract as many true target lanes as possible from the available detections and to estimate their bearing course and additionally to prevent the extraction of false target lanes as well as possible.
  • the already mentioned target intersections represent a challenge for such a system due to the lack of detections. If a track intersection is extended over a very long time, an assignment of target track pieces before and after such a crossing according to the prior art is not possible.
  • Waveform processing and processing can be found in Richard Nielsen's Basic Book, Sonar Signal Processing, Artech House, 1991 (ISBN 0-89006-453-9). be removed. In particular, reference is made here to Chapter 2 and especially to Chapter 2.5, the content of which is part of the present document.
  • the discrete beam signals can be converted into a continuous distribution (waveform, Fig. 2e.).
  • FIG. 4a shows a spatially resolved signal curve 351 with three maxima 561, 563, 565. On the abscissa is again the bearing and on the ordinate the energy is plotted. From the spatially resolved
  • Waveform representation from FIG. 4 a a time-resolved representation (FIG. 4 b) can be determined.
  • a so-called waterfall diagram or Bearing Time Record (BTR) is shown, which represents the time course of the target detections (maxima 561, 563, 565). It is therefore a time-resolved representation.
  • the bearing is plotted on the abscissa and the time on the ordinate.
  • the local maxima 561, 563, 565 are extracted from each of these envelopes.
  • the local maxima and the associated bearing are determined. Due to the time course, the course
  • FIG. 5 shows a waterfall diagram according to the prior art, in which the total frequency width was used to determine the maxima.
  • the abscissa has a bearing ⁇ and the ordinate the time t.
  • the course 661, 663 of a first target 461 and a second target 463 is shown.
  • the opening 673 of the course in the intersection area 671 of the two courses 661, 663, for the weaker destination 663 there is an opening 673 of the course, so that the course can not be clearly predicted.
  • the frequency bands 17, 18, 19, and 20 are grouped into a frequency band group after the fanning 673 is detected.
  • the maxima are determined for the signal course of this frequency band group and the courses 661, 663 are determined.
  • Fray 673 is omitted and rates 661, 663 are uniquely determinable. Possibly. the course is extrapolated 663.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Orts- und/oder Zeitauflösen einer ersten Unterwasserschallquelle von einer zweiten Unterwasserschallquelle, wobei die erste Unterwasserschallquelle und die zweite Unterwasserschallquelle jeweils ein Unterwasserschallsignal aussenden und/oder reflektieren und das Verfahren das Aufnehmen der reflektierten und/oder ausgesandten Unterwasserschallsignale in einem Frequenzbereich, das Unterteilen des Frequenzbereichs in wenigstens zwei Frequenzbänder und das Bestimmen eines orts- und/oder zeitaufgelösten Signalstärkeverlaufs zu jedem Frequenzband umfasst.

Description

Verfahren zum Orts- und/oder Zeitauflösen einer ersten Unterwasserschallquelle von einer zweiten Unterwasserschallquelle und zugehörige Vorrichtung sowie
Wasserfahrzeug
[Ol] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Orts¬ und/oder Zeitauflösen einer ersten Unterwasserschallquelle von einer zweiten Unterwasserschallquelle, wobei die erste Unterwasserschallquelle und die zweite
Unterwasserschallquelle jeweils ein Unterwasserschallsignal aussenden und/oder reflektieren und eine Vorrichtung, welche das Verfahren durchführt und ein zugehöriges Wasserfahrzeug, welches wenigstens ein Hydrophon oder eine Hydrophonanordnung und einen Rechner und aufweist.
[02] Bei der Zielverfolgung mit aktiven oder passiven Sonaren wird versucht, einzelne Wasserfahrzeuge oder Unterwasserfahrzeuge zu lokalisieren und die Bewegung dieser Unterwasserfahrzeuge aufzuzeichnen.
[03] Um den Kurs abzuschätzen, werden die Signale über die Zeit überwacht und entsprechend dargestellt. Im Idealfall ergibt sich ein stetiger Graph, welcher dem Kurs des zu verfolgenden Objekts entspricht.
[04] Werden jedoch parallel mehrere Wasserfahrzeuge verfolgt, welche insbesondere sehr nah beieinander sind oder deren Kurse sich kreuzen, kann dies teilweise mit den bekannten aktiven und passiven Sonaren nicht mehr aufgelöst werden. Auch kann es vorkommen, dass in einem Überlappungsbereich mehrere sinnvolle Kurse, für passive Sonare Peilungen, für ein Fahrzeug angezeigt werden. Dies ist eher unbefriedigend, da nicht immer eindeutig klar ist, welches der wahre Kurs/ die wahre Peilung des Wasserfahrzeugs ist.
[05] Aufgabe ist es den Stand der Technik zu verbessern.
[06] Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Orts- und/oder Zeitauflösen einer ersten
Unterwasserschallquelle von einer zweiten
Unterwasserschallquelle, wobei die erste
Unterwasserschallquelle und die zweite
Unterwasserschallquelle jeweils ein Unterwasserschallsignal aussenden und/oder reflektieren, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist
- Aufnehmen der reflektierten und/oder ausgesandten Unterwasserschallsignale in einem Frequenzbereich,
- Unterteilen des Frequenzbereichs in wenigstens zwei Frequenzbänder und
- Bestimmen eines orts- und/oder zeitaufgelösten Signalstärkeverlaufs zu jedem Frequenzband.
[07] Durch das Unterteilen des Frequenzbereichs in wenigstens zwei Frequenzbänder können insbesondere in dem Frequenzband mit den höheren Frequenzen zwei Unterwasserschallquellen voneinander separiert werden, welche in einer Gesamtdarstellung in dem (Gesamt- ) Frequenzbereich nicht aufgelöst werden. [08] Insbesondere durch das Auswerten der Frequenzbänder kann auch bei sich kreuzenden Kursen der Unterwasserschallquellen der Kurs der einzelnen Unterwasserschallquelle länger eindeutig verfolgt werden.
[09] Folgendes Begriffliche sei erläutert:
[10] Eine „Unterwasserschallquelle" kann jedes natürliche oder künstliche Objekt sein, welches
Unterwasserschallwellen aussendet oder reflektiert. Insbesondere können dies Schiffe, Bojen, U-Boote, AUV^s
(Autonomous Underwater Vehicles) oder ROV's (Remotely Operating Vehicles) sein. Auch stationäre Gebilde wie Ölplattformen oder Bojen sind mit umfasst. Insbesondere kann eine oder können beide Unterwasserschallquellen sich im oder auf dem Wasser bewegen.
[11] Das Unterwasserschallsignal ist insbesondere ein von der Unterwasserschallquelle ausgesandtes Signal, wie beispielsweise ein Schraubengeräusch. Auch reflektierte Signale, beispielsweise eines aktiven Sonars, welche in Richtung der Unterwasserschallquelle gesandt und von der Unterwasserschallquelle wieder zurück gesandt werden, sind mit umfasst. Das Unterwasserschallsignal wird insbesondere durch ein Hydrophon oder eine Hydrophonanordnung
(Hydrophonarray) aufgezeichnet. Ein derartiges Hydrophon kann beispielsweise hierzu elektrische Elemente (z.B. Piezo-Keramiken) aufweisen, welche entsprechend den Unterwasserschallsignalen schwingen und ein elektronisches Signal erzeugen, welches entsprechend umgewandelt wird. [12] Auch kann statt nur eines Hydrophons eine Hydrophonarray oder mehrere Hydrophone eingesetzt werden, sodass eine Richtungsbestimmung realisierbar ist.
[13] Unter „Ortsauflösung" , sei insbesondere verstanden, dass beispielsweise über einen Winkelbereich zwei Unterwasserschallsignale separierbar sind.
[14] Unter einem „Zeitauflösen" sei insbesondere zu verstehen, dass sich die zeitlich ändernden Positionen, welche einem Kurs oder einer Peilungsverlauf (Variation der Peilung) entsprechen, den einzelnen
Unterwasserschallquellen zuordbar ist.
[15] Unter dem „Aufnehmen der reflektierten und/oder ausgesandten Unterwasserschallsignalen" ist insbesondere das Messen mittels eines Hydrophons oder einer Hydrophonanordnung und das elektronische Auswerten mittels einer entsprechenden Elektronik und einem ggf. nachgeschalteten Rechner zu verstehen.
[16] Der „Frequenzbereich" ist insbesondere der Frequenzbereich, welcher mit dem Hydrophon messbar ist oder entsprechend gemessen wird. Grundsätzlich weist dieser eine Untergrenze und eine Obergrenze auf. Die Grenzen sind antennengeometrieabhängig . Je nach Art des Hydrophons liegt der Frequenzbereich beispielsweise zwischen einigen Hz und mehreren kHz .
[17] Beim „Unterteilen des Frequenzbereichs" wird insbesondere anhand der Frequenz oder der Wellenlänge der Frequenzbereich aufgeteilt. [18] Beim „Signalstärkeverlauf" wird beispielsweise die (Schall-) Energie (-einhüllende) des jeweiligen
Frequenzbandes über den Ort (für vorliegenden Text auch synonym für Peilung) bestimmt. Insbesondere bei einer Rundumdarstellung (360°), wird die Schallintensität über den Winkel bestimmt.
[19] Bei dem „zeitaufgelösten Signalstärkeverlauf" kann für eine erkannte Unterwasserschallquelle der Zeitverlauf über den Ort (Peilung) dieser Unterwasserschallquelle bestimmt werden. Dieses Bestimmen kann für jedes Frequenzband einzeln erfolgen. Auch ein zeitaufgelöster Signalstärkeverlauf kann in dem einen Frequenzband und ein ortsaufgelöster Signalstärkeverlauf in dem anderen Frequenzband bestimmt werden.
[20] In einer weiteren Ausführungsform werden beim Unterteilen des Frequenzbandbereichs drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn, elf, zwölf, dreizehn, vierzehn, fünfzehn, sechszehn, siebzehn, achtzehn, neunzehn, zwanzig oder mehr Frequenzbänder bereitgestellt. Somit kann vorteilhafterweise der Frequenzbereich feiner aufgeteilt werden.
[21] Insbesondere durch den Effekt, dass
Unterwasserschall frequenzabhängig durch das Wasser gedämpft wird, kann so über die einzelnen Frequenzbänder ein detaillierteres Zeitauflösen und/oder Ortsauflösen der Unterwasserschallquellen voneinander erfolgen.
[22] Um einen höheren Schallenergiebeitrag zu erreichen oder um bestimmte Frequenzbereiche unbeachtlich zu lassen, kann das Unterteilen des Frequenzbereichs derart erfolgen, dass benachbarte Frequenzbänder einen Frequenzbandabstand oder eine Frequenzbandüberlappung ausbilden. Somit können wiederrum ein verbessertes Verfahren zum Zeitauflösen und/oder Ortsauflösen zweier Unterwasserschallsignalquellen voneinander bereitgestellt werden.
[23] Wird eine Antenne mit einer (Gesamt-) Frequenzbandbreite von 20 Hz bis 200 kHz zugrunde gelegt und werden zwanzig Frequenzbänder bestimmt, kann jedes Frequenzband eine Bandbreite von 20 kHz umfassen. In diesem Fall liegt eine (sehr geringe) „Frequenzbandüberlappung" vor .
[24] Für eine Antenne mit einer (Gesamt-
) Frequenzbandbreite von 20 Hz bis 200 kHz können zwanzig Frequenzbänder mit jeweils 5 kHz bereitgestellt werden, welche jeweils keinerlei Überlappungen sondern jeweils eine Frequenzbandbeabstandung aufweisen. Auch ist es möglich, dass teilweise eine Frequenzbandüberlappung und teilweise eine Frequenzbandbeabstandung verwendet wird.
[25] In einer weiteren Ausführungsform werden zwei, drei oder mehr Frequenzbänder zu einer ersten Frequenzbandgruppe gruppiert, wobei die gruppierten Frequenzbänder insbesondere zueinander benachbart sind.
[26] Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Schallenergie, welche mittels des Signalstärkeverlaufs in einem Frequenzband dargestellt wird, aufgrund des ungünstigen Signal-zu-Rauschverhältnis nicht eindeutig zum Zeitauflösen und/oder Ortsauflösen geeignet ist. Durch das Zusammenfassen mehrerer Frequenzbänder kann ein besseres Signal-zu-Rauschverhältnis bereitgestellt werden, welches dann ein besseres Orts- und/oder Zeitauflösen ermöglicht.
[27] Um das Signal-zu-Rauschverhältnis mehrerer
Frequenzbänder zu verbessern, kann eine zweite Frequenzbandgruppe, eine dritte Frequenzbandgruppe und/oder weitere Frequenzbandgruppen durch das Gruppieren gebildet werden .
[28] Bei dem „Gruppieren" können beispielsweise die jeweiligen Signalstärken positionsabhängig (z.B. winkelabhängig) addiert werden.
[29] Da häufig höhere Frequenzen ein besseres Ortauflösen zweier Unterwasserschallsignale ermöglichen, kann eine der Frequenzbandgruppen sukzessive, insbesondere von hohen Frequenzen zu tiefen Frequenzen, gebildet werden.
[30] So können beispielsweise die Frequenzbänder mit den beiden höchsten Frequenzbandbreiten zu einer
Frequenzbandgruppe zusammengefasst werden. Sollte vorliegend das Signal-zu-Rauschverhältnis noch nicht ausreichend sein, kann das Frequenzband mit der dritthöchsten Frequenzbandbreite der Frequenzbandgruppe hinzugefügt werden. Sollte dies immer noch nicht ausreichen, so kann dies mit der vierthöchsten Frequenzbandbreite usw. erfolgen.
[31] In einer weiteren Ausführungsform wird mittels des Signalstärkeverlaufs eines der Frequenzbänder und/oder einer der Frequenzbandgruppen die erste Unterwasserschallquelle und die zweite
Unterwasserschallquelle ermittelt. Durch dieses Ermitteln können die Unterwasserschallquellen voneinander separiert werden .
[32] Um ein besonders einfaches Verfahren für das Ermitteln der ersten Unterwasserschallquelle und der zweiten Unterwasserschallquelle bereitstellen zu können, kann das Ermitteln der ersten Unterwasserschallquelle und der zweiten Unterwasserschallquelle mittels einer Maximumsbestimmung und/oder mittels eines mathematischen Anpassens zweier Grundfunktionen an den Signalstärkeverlauf erfolgen .
[33] Bei der „Maximumbestimmung" können insbesondere zwei lokale Maxima, welche zueinander benachbart sind, jeweils einer Unterwasserschallquelle zugeordnet werden. Dies stellt ein besonders einfaches Verfahren dar.
[34] In den Fällen, in denen dies beispielsweise nicht durchgeführt werden kann, kann das mathematische Anpassen mittels zweier Grundfunktionen erfolgen. So können beispielsweise zwei Gaußkurven, deren Maxima nahe beieinander liegen, überlappend einen Teil des Signalstärkeverlaufs bilden, welcher keine separaten, lokalen Maxima ausbildet. Diese Überlappungsfunktion weist lediglich ein Maximum auf. Wird diese Gesamtfunktion mathematisch angepasst (anpassen wird auch „fitten" genannt) so können beispielsweise zwei angenommene Gaußfunktionen die Überlappungsfunktion beschreibend bilden. Statt Gaußfunktionen können auch Lorent zfunktionen oder Mischungen der beiden, z.B. Voigtfunktionen, welche aus einer Faltung der Gaußkurven und der Lorentzkurve entstehen, die Überlappungsfunktion bilden.
[35] Damit ein menschlicher Bediener die zeitaufgelösten und/oder ortsaufgelösten Unterwasserschallsignale verfolgen kann, kann einer der Signalstärkeverläufe in Abhängigkeit von Ort oder die beiden Unterwasserschallsignale als Funktion von Ort und Zeit angezeigt werden. Als Anzeigeelement kann beispielsweise vorliegend ein Display oder ein Bildschirm dienen.
[36] In einer weiteren Ausführungsform werden die erste Unterwasserschallquelle und/oder die zweite
Unterwasserschallquelle, insbesondere mittels eines
Trackingalgorithmus , nachverfolgt .
[37] Dadurch kann auf einen zukünftigen oder den wirklichen Kurs einer der Unterwasserschallquellen geschlossen werden.
[38] Dabei kann das Nachverfolgen durch Extrapolation erfolgen. So kann ein nichtaufgelöstes und bspw. unterbrochenes Signal mit hoher Wahrscheinlichkeit zugeordnet werden. So werden beispielsweise ausgefranste Signalendspuren mit ausgefransten Signalanfangsspuren verglichen und durch Extrapolation der Enden und der Überprüfung einer Überlappung die wahrscheinlichste Spur ausgewählt. Das Nachverfolgen wird auch „Tracken" genannt.
[39] Um aus mehreren ermittelten Kursen der einzelnen Unterwasserschallquellen den wahrscheinlichsten Kurs (für den gesamten Text synonym zu Peilungsverlauf) zu ermitteln, kann das Nachverfolgen für einzelne Frequenzbänder oder für sämtliche Frequenzbänder und/oder für einzelne
Frequenzbandgruppen oder für sämtliche Frequenzbandgruppen erfolgen .
[40] So kann in den hochfrequenten Frequenzbändern die Spur anhand der gut aufgelösten Maxima der Unterwasserschallsignale analysiert werden, während in tieferen Frequenzen Frequenzbänder zu Frequenzbandgruppen zusammengeführt werden und die Kursermittlung
(Peilungsverlaufermittlung) zusätzlich für diese erfolgt. Durch einen Vergleich und durch eine Mittelung der Ergebnisse kann ein optimiertes Ergebnis erhalten werden.
[41] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Nachverfolgen mittels eines Einzel-Hypothesen-Tracker- Verfahrens ( SHT-Verfahren) und/oder mittels eines Multi¬ Hypothesen-Tracker-Verfahrens (MHT-Verfahren) erfolgen.
[42] Bei diesen Trackingverfahren (SHT, MHT) handelt es sich um gut geeignete Verfahren, welche sowohl für einzelne Frequenzbänder als auch für Frequenzbandgruppen einsetzbar sind. Insbesondere sind die Trackingverfahren und deren Adaption in der EP 2 267 475 AI offenbart, deren diesbezüglicher Inhalt Bestandteil der vorliegenden Beschreibung ist.
[43] In einer Ausführungsform wird eine Trackfusion durchgeführt, bei der verschiedene Trackingalgorithmen, insbesondere für verschiedene Frequenzbänder und/oder Frequenzbandgruppen, interagierend einen Track ermitteln. [44] Interagierend ist insbesondere derart zu verstehen, dass verschiedene Trackingalgorithmen und/oder verschiedene Trackingverfahren für verschiedenen Frequenzbänder oder Frequenzbandgruppen abhängig voneinander eine optimale Lösung suchen.
[45] Insbesondere können damit Ausfransungen der einzelnen Trackspuren analysiert werden und
Trackspurergebnisse eliminiert und/oder optimal kombiniert werden .
[46] Beispielsweise kann für jedes Frequenzband ein Trackingalgorithmus eingesetzt werden, sodass für jedes Frequenzband eine Trackspur ermittelt wird. Dies kann zu Ausfransungen bei einer Gesamtdarstellung der Trackspuren führen. So können Trackingergebnisse, welche definitiv aufgrund ihrer Lage ausschließbar sind, weggelassen werden, sodass beispielsweise lediglich die Hälfte der Trackingergebnisse herangezogen werden. Diese wiederum können beispielsweise gemittelt werden. Auch können stark divergierende Trackspuren ermittelt und weggelassen werden.
[47] In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung mit einem Hydrophon und einem Rechner, wobei die Vorrichtung derart eingerichtet ist, dass ein zuvor beschriebenes Verfahren durchführbar ist.
[48] Ein derartiger Rechner weist insbesondere Arbeitsspeicher, FestSpeicher, Eingabe- und Ausgabemittel und entsprechende Berechnungsalgorithmen auf. Das Hydrophon weist selbstverständlich eine elektronische Auswerteeinheit auf, welche Signale derart aufbereitet, dass sie beispielsweise durch den Rechner auswertbar sind.
[49] In einem zusätzlichen Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Wasserfahrzeug, welches die zuvor beschriebene Vorrichtung aufweist.
[50] Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung einer
Geometrie einer Linearantenne mit einer auflaufenden ebenen Welle,
Figur 2a-e eine schematische Darstellung einer
Umwandlung einer aus einer Antenne gewonnener Unterwasserschallsignale zu einer Energieeinhüllenden,
Figur 3 eine schematische Darstellung mehrerer
Frequenzbänder,
Figur 4a eine schematische Darstellung einer
Energieeinhüllenden mit zugehörigen Zielen,
Figur 4b eine schematische Darstellung der
Peilspuren (Kurse) der Ziele aus Fig. 4a,
Figur 5 eine schematische Darstellung zweier sich kreuzender Ziele nach dem Stand der Technik und Figur 6 eine schematische Darstellung der sich kreuzenden Kurse aus Fig. 5 gemäß der Erfindung .
[51] Vorab soll die Theorie der vorliegenden Erfindung, welche der vorliegenden Technik zugrunde liegt, kurz, anschaulich mit zugehörigen Vorteilen erläutert werden.
[52] Neben der in der Breitband-Signalverarbeitung pro Zeittakt erzeugten Energieeinhüllenden bei einer Zeitverlaufsdarstellung, welche die Gesamtenergie der Schallintensität eines bestimmten Frequenzbandes (hängt ab von der ausgewählten Antenne) in Abhängigkeit von der Einfallsrichtung darstellt, werden insbesondere in der Ortsdarstellung (Peilung) pro Zeittakt mehrere
Energieeinhüllende erzeugt, wobei jeweils die Gesamtenergie der Schallintensität eines bestimmten Frequenzbandes des gesamten Frequenzbereiches in Abhängigkeit von einer Einfallsrichtung bestimmt wird.
[53] Bedingt durch die Wellenlängen- bzw.
Frequenzabhängigkeit einer Hauptkeulenbreite der
Richtcharakteristik einer Wandleranordnung
(Hydrophonarray) , lassen sich zwei in einer Sichtlinie eng benachbarte Ziele bei höheren Frequenzen besser auflösen, als bei niedrigeren.
[54] Gerade im Bereich von Zielkreuzungen ist daher die Betrachtung der Energieeinhüllenden höherfrequenter Frequenzbänder vorteilhaft. [55] Zwei Ziele können bis zu einem geringeren Peilabstand als einzelne lokale Maxima in der Einhüllenden detektiert werden. Wird die Lage der lokalen Maxima als Detektion einer Peilung zu einem existierenden Ziel angesehen, kann damit der Ausfall von Detektionen eines Ziels zeitlich verkürzt werden. Die zeitliche Abfolge der Detektionen eines bestimmten Ziels lässt sich zur Zeithistorie einer Zielspur zusammenfassen. Um dies zu bewerkstelligen, wird auf ein automatisch arbeitendes Tracking-System zurückgegriffen.
[56] Die Aufgabe eines Tracking-Systems besteht darin, aus den vorliegenden Detektionen möglichst alle wahren Zielspuren heraus zu extrahieren und deren Peilverlauf zu schätzen und zusätzlich die Extraktion von falschen Zielspuren so gut es geht zu unterbinden. Die bereits erwähnten Zielkreuzungen stellen aufgrund des Ausfalls von Detektionen eine Herausforderung für ein solches System dar. Ist eine Spurkreuzung zeitlich sehr weit ausgedehnt, ist eine Zuordnung von Zielspurstücken vor und nach einer solchen Kreuzung gemäß dem Stand der Technik nicht möglich.
[57] Um hierfür eine Lösung anzubieten, kann eine Verringerung der zeitlichen Lücken in den Zielspuren verbessert werden. Dies erfolgt insbesondere durch eine verbesserte Ortsauflösung .
[58] Die Grundlagen zur eigentlichen
Signalverlaufsaufbereitung und -Weiterverarbeitung kann dem Grundlagenbuch von Richard 0. Nielsen, "Sonar Signal Processing", Artech House, 1991 (ISBN 0-89006-453-9) entnommen werden. Insbesondere sei hier auf Kapitel 2 und speziell auf Kapitel 2.5 verwiesen, dessen diesbezüglicher Inhalt Bestandteil der vorliegenden Schrift ist.
[59] In Figur 2 werden wesentliche Aspekte der Erzeugung der Engergieeinhüllenden für eine Linearantenne auf anschauliche Weise dargestellt.
[60] Mit Hilfe des Beamformings wird für die Linearantenne am Bug eines U-Bootes 311 eine Anzahl diskreter Beams gebildet. Die in einem Beam enthaltene gesamte Schallintensität (Energie) hängt davon ab, ob sich in der entsprechenden Richtung ein lautes Zielschiff 313, 315 befindet oder nicht. Die Ziele 313, 315 in Richtung Nord (0 °) bzw. Ost (90°) führen zu deutlich stärkerer Intensität (größere Balken in der Darstellung) in den sich teilweise überlagernden Beamsektoren 321, welche in Richtung der Ziele 313, 315 weisen.
[61] Durch Einklappen der Beamsignale in den Kreis 331 kann besondere Darstellung erzeugt werden. Durch Aufschneiden des Kreises 331 kann eine lineare Darstellung
(Fig. 2d.) der Energieverteilung des Horizontes erreicht werden .
[62] Durch Interpolation können die diskreten Beamsignale in eine kontinuierlich wirkende Verteilung (Signalverlauf, Fig. 2e.) umgerechnet werden.
[63] In Figur 3 wird eine Auswahl an ortsaufgelösten Signalverläufen (Energieeinhüllenden) für lineare
Hydrophonanordnung eines realen Seeszenarios dargestellt. Dabei ist auf der Abszisse die Peilung und auf der Ordinate die Energie (proportional zur Schallintensität) aufgetragen. Die Signalverläufe sind für unterschiedliche Frequenzbänder (Nr. 5, 8, 11, 14, 17, 20) aufgetragen. Je höher die Frequenzbandnummer desto höher sind die ausgewerteten Schallintensitäten .
[64] Positiv wirken sich höhere Frequenzbänder auf das Zieltrennungsvermögen in Einhüllenden aus: Es ist zu sehen, dass in den höheren Bändern bei etwa 130° zwei lokale Maxima 461, 463 zu erkennen sind, wohingegen bei den unteren Frequenzbändern (Nr. 5 und Nr. 8) diese lokalen Maxima nicht mehr zu trennen sind. Das bedeutet, wird die zeitliche Entwicklung solcher Energieeinhüllenden betrachtet, sind sich in der Peilung annähernde Ziele in höheren Frequenzbändern länger als zwei Ziele auflösbar. Dies ist beim Zielverfolgen von großer Bedeutung.
[65] In Figur 4a ist ein ortsaufgelöster Signalverlauf 351 mit drei Maxima 561, 563, 565 dargestellt. Auf der Abszisse ist wiederum die Peilung und auf der Ordinate die Energie aufgetragen. Aus der ortsaufgelösten
Signalverlaufdarstellung aus Fig. 4a kann eine zeitaufgelöste Darstellung (Fig. 4b) ermittelt werden.
[66] In Fig. 4b ist ein sogenanntes Wasserfall-Diagramm oder Bearing Time Record (BTR) dargestellt, welches den zeitlichen Verlauf der Zieldetektionen (Maxima 561, 563, 565) darstellt. Es handelt sich also um eine zeitaufgelöste Darstellung. Dabei ist auf der Abszisse die Peilung und auf der Ordinaten die Zeit aufgetragen. [67] Es werden pro Zeittakt Nbancl Einhüllende erzeugt. Für den BTR werden aus jeder dieser Einhüllenden die lokalen Maxima 561, 563, 565 extrahiert. Für jeden Zeittakt werden die lokalen Maxima und die zugehörige Peilung bestimmt. Durch den zeitlichen Verlauf kann der Kurs
(Peilungsverlauf) eines Ziels (eines Maximums) verfolgt werden .
[68] In Fig. 5 ist ein Wasserfalldiagramm gemäß dem Stand der Technik dargestellt, bei dem die Gesamtfrequenzbreite zum Bestimmen der Maxima herangezogen wurde. Die Abszisse weist eine Peilung Θ und die Ordinate die Zeit t auf. Zudem ist der Kurs 661, 663 eines ersten Ziels 461 und eines zweiten Ziels 463 dargestellt. Im Kreuzungsbereich 671 der beiden Kurse 661, 663 erfolgt für das schwächere Ziel 663 ein Auffasern 673 des Kurses, sodass der Kurs nicht eindeutig vorhersehbar ist.
[69] Die Aufgefaserten Kurse werden nun für die drei höchsten Frequenzbänder jeweils mit einem Multi-Hypothesen- Tracking-Verfahren analysiert. Zusätzlich werden sämtliche niederfrequenten Frequenzbänder zu einer Frequenzbandgruppe zusammengefasst . Für diese Frequenzbandgruppe wird ebenfalls das Multi-Hypothesen-Tracking-Verfahren durchgeführt. Somit liegen vier mittels MTH-Verfahren ermittelte (wahrscheinlichste) Kurse vor.
[70] Diese werden gemittelt, sodass dann ein fusionierter Gesamtkurs vorliegt. Alternativ erhalten die vier Kurse eine Gewichtung, bei der der Kurs des höchstfrequenten Frequenzbandes den Faktor 4, der nachfolgend tiefere Kurs den Faktor 3, der dann nachfolgende Kurs den Faktor 2 und der Kurs aus der Frequenzbandgruppe den Faktor 1 erhält.
[71] In Fig. 6 wurden zum Bestimmen der Ziele die Frequenzbänder 17, 18, 19 und 20 zu einer Frequenzbandgruppe zusammengefasst , nachdem das Auffasern 673 detektiert wurde. Für den Signalverlauf dieser Frequenzbandgruppe werden die Maxima bestimmt und die Kurse 661, 663 ermittelt. Das Ausfasern 673 unterbleibt und die Kurse 661, 663 sind eindeutig bestimmbar. Ggf. wird der Kurs 663 extrapoliert.
Bezugszeichenliste
100 Linearantenne
103 ebene Welle
311 U-Boot
313 Zielschiff
315 Zielschiff
321 Beamsektor
331 Kreis
333 Aufschneiden des Kreises 331
341 lineare Darstellung
343 Eigenkurs
351 Signalverlauf
461 erstes lokales Maximum
463 zweites lokales Maximum
561 lokales Maximum und Ziel
563 lokales Maximum und Ziel
565 lokales Maximum und Ziel
661 Kurs Ziel 1
663 Kurs Ziel 2 671 Kreuzungsbereich 673 Auffasern des Kurses

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zum Orts- und/oder Zeitauflösen einer ersten
UnterwasserSchallquelle von einer zweiten
UnterwasserSchallquelle, wobei die erste
UnterwasserSchallquelle und die zweite
UnterwasserSchallquelle jeweils ein
Unterwasserschallsignal aussenden und/oder reflektieren, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist
- Aufnehmen der reflektierten und/oder ausgesandten Unterwasserschallsignale in einem Frequenzbereich,
- Unterteilen des Frequenzbereichs in wenigstens zwei Frequenzbänder und
- Bestimmen eines orts- und/oder zeitaufgelösten Signalstärkeverlaufs zu jedem Frequenzband.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Unterteilen des Frequenzbereichs drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn, elf, zwölf, dreizehn, vierzehn, fünfzehn, sechszehn, siebzehn, achtzehn, neunzehn, zwanzig oder mehr Frequenzbänder bereitgestellt werden .
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterteilen des Frequenzbereichs derart erfolgt, dass benachbarte Frequenzbänder einen Frequenzbandabstand oder eine Frequenzbandüberlappung ausbilden .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei, drei oder mehr Frequenzbänder zu einer ersten Frequenzbandgruppe gruppiert werden, wobei die gruppierten Frequenzbänder insbesondere zueinander benachbart sind. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Frequenzbandgruppe, eine dritte
Frequenzbandgruppe und/oder weitere Frequenzbandgruppen durch das Gruppieren gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Frequenzbandgruppen sukzessive, insbesondere von hohen Frequenzen zu tiefen Frequenzen, gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Signalstärkeverlaufs eines der Frequenzbänder und/oder einer der Frequenzbandgruppe die erste Unterwasserschallquelle und die zweite Unterwasserschallquelle ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der ersten Unterwasserschallquelle und der zweiten Unterwasserschallquelle mittels einer
Maximumbestimmung und/oder mittels eines mathematischen Anpassens zweier Grundfunktionen an den
Signalstärkeverlauf erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Signalstärkeverläufe in Abhängigkeit vom Ort oder die beiden
Unterwasserschallquellen als Funktion von Ort und Zeit angezeigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Unterwasserschallquelle und/oder die zweite Unterwasserschallquelle, insbesondere mittels eines Trackingalgorithmus , nachverfolgt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachverfolgen für einzelne Frequenzbänder oder für sämtliche Frequenzbänder und/oder für einzelne Frequenzbandgruppen oder für sämtliche
Frequenzbandgruppen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachverfolgen mittels eines Einzel-Hypothesen-Tracker-Verfahrens und/oder mittels eines Multi-Hypothesen-Tracker-Verfahrens erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trackfusion durchgeführt, bei der verschiedene Trackingalgorithmen, insbesondere für verschiedene Frequenzbänder und/oder Frequenzbandgruppen, interagierend einen Verlauf oder Kurs oder Peilungsverlauf ermitteln.
Vorrichtung mit einem Hydrophon und einem Rechner, wobei die Vorrichtung derart eingerichtet ist, dass ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche durchführbar ist.
Wasserfahrzeug, welches eine Vorrichtung nach Anspruch 14 aufweist .
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