DE3817627A1 - Direction finding arrangement for passive acoustic location of target - evaluates transition time by passing electrical signals of acoustic sensors via filters, sampling circuits, multiplexer - Google Patents
Direction finding arrangement for passive acoustic location of target - evaluates transition time by passing electrical signals of acoustic sensors via filters, sampling circuits, multiplexerInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur passiven akustischen Ortung von Zielen mittels Laufzeitauswertung.The invention relates to an arrangement for passive acoustic Locating targets using runtime evaluation.
Eine passive akustische Ortung von Zielen findet z. B. durch elektronische Einrichtungen in Seegrundminen statt, die durch Laufzeitauswertung der von einem Schiff ausgehenden Geräusche, insbesondere die des Maschinenraumes, die Richtung und die Ent fernung eines vorbeifahrenden Schiffes ermitteln und bei Vor liegen vorgegebener Kriterien das Zünden der Mine veranlassen. Hierzu werden die Geräusche von mindestens zwei Unterwasser mikrofonen (Hydrophone, Sensoren) in elektrische Signale verwan delt und ausgewertet. A passive acoustic location of targets z. B. by electronic facilities held in seabed mines by Runtime evaluation of the noise emitted by a ship, in particular that of the engine room, the direction and the ent Determine the distance of a passing ship and at Vor predetermined criteria trigger the mine to ignite. To do this, the sounds of at least two underwater transform microphones (hydrophones, sensors) into electrical signals delt and evaluated.
Beim SABI-Verfahren werden die Hydrophon-Signale nach ihrer Ver stärkung gefiltert und Schwellwertdetektoren zugeführt. Über schreitet das Signal des einen Hydrophons eine vorgegebene Schwelle, so wird ein Zähler gestartet. Überschreitet das Signal des anderen Hydrophons die vorgegebene Schwelle, so wird der Zähler gestoppt. Die Differenz der Zählerstände entspricht der Laufzeit. Dieses Verfahren liefert jedoch nur bei ungestörten, nicht verrauschten Signalen brauchbare Ergebnisse.In the SABI process, the hydrophone signals are converted according to their ver strengthening filtered and threshold detectors supplied. About the signal of the one hydrophone goes a predetermined one Threshold, a counter is started. Exceeds the signal of the other hydrophone the predetermined threshold, so the Counter stopped. The difference in the meter readings corresponds to the Running time. However, this procedure only provides undisturbed, usable results for noisy signals.
Beim Phasensummendifferenzverfahren wird aus zwei Hydrophon- Signalen das Quadrat des Summensignals und die zeitliche Ablei tung des Differenzsignals gebildet. Als Maß für die Signalein fallsrichtung (Laufzeitdifferenz der Signale) wird der Quotient aus dem gemittelten Summensignalquadrat und dem gemittelten Pro dukt aus Summensignal und Differenzsignaländerungswert verwendet. Durch diese Maßnahme wird der erhaltene Quotient unabhängig von der vorliegenden Geräuschstärke. Jedoch besteht eine nichtlinea re Abhängigkeit zwischen dem ermittelten Quotient und der Lauf zeitdifferenz, die bei Linearisierung zu erheblichen Fehlinter pretationen infolge von Rauschsignalen führt. Die Auswertung ist außerdem frequenzabhängig.In the phase sum difference method, two hydrophone Signals the square of the sum signal and the time derivative device of the difference signal is formed. As a measure of the signal If the direction (time difference of the signals) becomes the quotient from the averaged sum signal square and the averaged pro product of sum signal and difference signal change value used. This measure makes the quotient obtained independent of the present noise level. However, there is a non-linear re dependency between the determined quotient and the run time difference, which leads to considerable errors in linearization pretations due to noise signals. The evaluation is also frequency dependent.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere soll bei einer Anordnung der im Ober begriff des Patentanspruchs 1 genannten Art die Peil- und Or tungsgenauigkeit verbessert werden, wobei eine möglichst unauf wendige und preisgünstige Lösung erwünscht ist.The invention is based, the state of the art to improve. In particular, an arrangement of the upper Concept of claim 1 mentioned type the DF and Or tion accuracy can be improved, with the least possible agile and inexpensive solution is desired.
Die Aufgabe wird bei einer Anordnung der im Oberbegriff des Pa tentanspruchs 1 genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil genannten Merkmale gelöst. Es ist nunmehr möglich, auch bei ge störten Signalen eine nahezu fehlerfreie Ortung durchzuführen, so daß der Wirkungsgrad, insbesondere von Seegrundminen, erheb lich verbessert wird. The task is in an arrangement of the in the preamble of Pa Tent claims 1 type mentioned in the characterizing part mentioned features solved. It is now possible, even with ge disturbed signals to perform an almost error-free location, so that the efficiency, especially of seabed mines, increase Lich is improved.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Merkmale der Ansprü che 4 und 5 lassen sich besonders raumsparend durch einen Mikro rechner realisieren.Advantageous further developments and refinements of the invention are specified in the subclaims. The characteristics of the claims che 4 and 5 can be particularly space-saving with a microphone realize the calculator.
Die Erfindung wird nun anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:The invention will now be illustrated with reference to one in the figures Embodiment explained in more detail. The individual shows:
Fig. 1 Blockschaltbild der Anordnung gemäß der Erfindung; Fig. 1 block diagram of the arrangement according to the invention;
Fig. 2 Blockschaltbild eines Matrixfilters. Fig. 2 block diagram of a matrix filter.
Die Anordnung zur passiven Ortung von Zielen mittels Laufzeit auswertung ist zur Optimierung der Flexibilität und der komple xen Signalverarbeitung ein mikrorechner-gestütztes System. Es besteht aus mindestens zwei akustischen Sensoren. Im in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel für Seegrundminen werden z. B. vier Sensoren H1 bis H4 (Hydrophone) verwendet. Den Sensoren folgen im Signalfluß Filterbänke 11 bis 14 mit einer Durchlaßcharakteristik 2. Ordnung von 100 bis 500 Hz. Die Fil terbänke enthalten in Fig. 1 nicht dargestellte Verstärker, die für eine störungsfreie Signalweiterverarbeitung sorgen. Zwischen dem Ausgang der Filterbank 11 und dem Multiplexer 3 ist zur Lei stungsregelung ein Leistungsdetektor 10 geschaltet.The arrangement for passive location of targets by means of runtime evaluation is a microcomputer-based system to optimize flexibility and complex signal processing. It consists of at least two acoustic sensors. In the preferred embodiment shown in Fig. 1 for sea mines z. B. four sensors H 1 to H 4 (hydrophones) are used. The sensors follow in the signal flow filter banks 11 to 14 with a second order pass characteristic from 100 to 500 Hz. The filter banks contain amplifiers (not shown) in FIG. 1, which ensure interference-free signal processing. Between the output of the filter bank 11 and the multiplexer 3 , a power detector 10 is connected for power control.
Über sog. Sample-and-Hold-Schalter 21 bis 24 werden Signalpro ben von allen Sensorkanälen gleichzeitig abgegriffen. Mit Hil fe eines analogen Multiplexers 3 und eines A/D-Wandlers 4 er folgt eine Digitalisierung der Signale, die als Stützwerte der Analogfunktion in Form von Dualzahlen äquidistant im beispiels weise 0,5 ms-Raster dem Mikrorechner 50 bis 56 zugeführt werden.Via so-called sample-and-hold switches 21 to 24 , signal samples are tapped from all sensor channels simultaneously. With the help of an analog multiplexer 3 and an A / D converter 4, the signals are digitized, which are supplied to the microcomputer 50 to 56 as reference values of the analog function in the form of dual numbers equidistantly in the example 0.5 ms grid.
Anstelle der in Fig. 1 dargestellten Filterbänke 11 bis 14 ist es vorteilhaft, ein in Fig. 2 dargestelltes Matrixfilter zu ver wenden. Hierdurch werden Phasenfehler der Filter ohne speziellen Abgleich der Filter vermieden. Instead of the filter banks 11 to 14 shown in FIG. 1, it is advantageous to use a matrix filter shown in FIG. 2. This avoids phase errors of the filters without special adjustment of the filters.
Beim Matrixfilter werden gemäß Fig. 2 die Summen- und Differenz signale jeweils zweier gegenüberliegender oder weitgehend gegen überliegender Sensoren, z. B. der Sensoren S1 und S2, den Ein gängen der Filter 111 und 121 zugeführt.When matrix filter according to Fig be. 2, the sum and difference signals respectively of two opposite or substantially opposite sensors such. B. the sensors S 1 and S 2 , the inputs of the filters 111 and 121 supplied.
Durch Summen- und Differenzbildung der Ausgangssignale der Fil ter 111 und 121 werden nun den Sensorsignalen S1 und S2 entspre chende, gefilterte Sensorsignale S1′ und S2′ gewonnen. Die Sen sorsignale S1′ und S2′ werden über je einen in der Verstärkung steuerbaren Verstärker 112 bzw. 122 den Sample-and-Hold-Schal tern 21 und 22 zugeführt. Diese sind, wie bereits zu Fig. 1 er läutert, an den Multiplexer 3 angeschlossen. Die Verstärker ha ben gleiche Steuercharakteristiken und können beispielsweise un ter Verwertung des Ausgangssignals des Multiplexers 3 derart ge steuert werden, daß der A/D-Wandler 4 stets im optimalen Bereich arbeitet.By summing and subtracting the output signals of the fil ter 111 and 121 , the sensor signals S 1 and S 2 are obtained accordingly, filtered sensor signals S 1 'and S 2 '. The sensor signals S 1 'and S 2 ' are fed to the sample-and-hold scarf terns 21 and 22 via amplifiers 112 and 122, respectively, which can be controlled in the amplification. As already explained in relation to FIG. 1, these are connected to the multiplexer 3 . The amplifiers have the same control characteristics and can be controlled, for example, by utilizing the output signal of the multiplexer 3 such that the A / D converter 4 always works in the optimum range.
Der am Ausgang des A/D-Wandlers 4 angeschlossene Mikrorechner 50 bis 56 besitzt drei Busse 50, einen 8-Bit-Datenbus, einen 16-Bit-Adreßbus und einen 4-Bit-Steuerbus. An dieser Bus-Struktur sind die folgenden Funktionsgruppen angeschlossen:The microcomputer 50 to 56 connected to the output of the A / D converter 4 has three buses 50 , an 8-bit data bus, a 16-bit address bus and a 4-bit control bus. The following function groups are connected to this bus structure:
eine CPU 55 (Central Processor Unit = Zentraleinheit)
ein ROM 53 (Read Only Memory = Lesespeicher)
ein RAM 52 (Random Access Memory = Direktzugriffsspeicher)
eine Echtzeituhr 54 (Timer)
ein digitaler Signalprozessor 51
eine Eingabe/Ausgabe-Einheit 56 (Input/Output-Ports)one CPU 55 (Central Processor Unit)
a ROM 53 (Read Only Memory)
a RAM 52 (Random Access Memory = direct access memory)
a real time clock 54 (timer)
a digital signal processor 51
an input / output unit 56 (input / output ports)
Am Ausgang der Einheit 56 kann z. B. der Zündverstärker 7 der Seegrundmine angeschlossen sein.At the output of the unit 56 z. B. the ignition amplifier 7 of the sea mine.
In dem Speicher 53 (ROM) befinden sich die Programme zur Signal auswertung. Der Speicher 52 (RAM) dient der Ablage von Variablen. Die gesamte Signalverarbeitung wird von der Zentraleinheit 55 überwacht, gesteuert und ausgewertet. Besonders schnell durch zuführende Signalprozesse, wie z. B. die Echtzeitverarbeitung von digitalen Filteralgorithmen oder Datenreduktionsprozesse, werden mittels des Signalprozessors 51 erledigt.The programs for signal evaluation are located in the memory 53 (ROM). The memory 52 (RAM) is used to store variables. The entire signal processing is monitored, controlled and evaluated by the central unit 55 . Particularly quickly through feeding signal processes, such as. B. the real-time processing of digital filter algorithms or data reduction processes are done by means of the signal processor 51 .
Alle genannten Funktionsgruppen bestehen aus hochintegrierten, käuflichen Bauteilen. Der digitale Signalprozessor ist ein 1- Chip-Mikrocomputer, der auf die Anforderungen der digitalen Signalverarbeitung im Niederfrequenzbereich zugeschnitten ist. Der Prozessor ist also besonders geeignet für Rechenvorschrif ten, die sich im Beginn jeder Abtastperiode wiederholen, d. h. die vollständig in einer Abtastperiode abgearbeitet werden ("sample-by-sample"-Verarbeitung). Dieser Rechner führt zunächst mit den digitalisierten Echtzeitsignalen der Hydrophone Fast- Fourier-Transformationen (FFT) mit 128 Punkten durch und reicht die Spektren an den eigentlichen Rechner weiter. Es folgt durch Nullsetzung aller Spektralanteile außerhalb 100 bis 500 Hz eine steile Nachfilterung. Mit Hilfe der Differenzenbildung der nor mierten Phasenspektren und Umrechnung entstehen für jede der zwei Signalpaare der orthogonalen Hydrophonanordnungen die Lauf zeitdifferenzen. Die so gewonnenen Laufzeitdifferenzen bestim men unter Verwendung komplexer Filter, Prediktor- und Bahnverfol gungsalgorithmen mit Hilfe der gemessenen Wassertiefe den optima len Zündzeitpunkt.All function groups mentioned consist of highly integrated, commercially available components. The digital signal processor is a 1- Chip microcomputer that meets the requirements of digital Signal processing in the low frequency range is tailored. The processor is therefore particularly suitable for calculation rules that repeat at the beginning of each sampling period, i.e. H. which are completely processed in one sampling period ("Sample-by-sample" processing). This calculator initially runs with the digitized real-time signals of the Hydrophone Fast Fourier transforms (FFT) with 128 points and is enough the spectra to the actual computer. It follows through Zeroing of all spectral components outside 100 to 500 Hz steep post-filtering. With the help of the differences of the nor mated phase spectra and conversion arise for each of the two pairs of signals of the orthogonal hydrophone arrangements the barrel time differences. The runtime differences thus obtained determine using complex filters, predictor and trajectory tracking algorithms with the help of the measured water depth the optima len ignition timing.
Die Zielrichtung wird durch Auswertung von Laufzeitunterschieden ermittelt. Zwischen Richtungskosinus und Laufzeitdifferenzen be steht folgende Beziehung:The goal is determined by evaluating runtime differences determined. Be between direction cosine and term differences has the following relationship:
τL = τmax · cos β (1)τ L = τ maxcos cos (1)
Dabei ist τL die peilwinkelabhängige Laufzeit und τmax die maximale Laufzeit, welche bei achsenparalleler Zielrichtung auftritt und aus der Schallgeschwindigkeit c im Wasser und dem Basisabstand D der Hydrophone ermittelt ist.Here τ L is the bearing angle-dependent transit time and τ max the maximum transit time, which occurs with an axis-parallel target direction and is determined from the speed of sound c in the water and the basic distance D of the hydrophones.
Die Laufzeit läßt sich einfach mit Hilfe des Verschiebungssatzes
der Fouriertransformation ermitteln.
Es gilt folgendes:
FallsThe transit time can easily be determined with the aid of the Fourier transform. The following applies:
If
so gilt auchso also applies
Dies folgt durch Substitution von (t-τL) = t′.This follows by substitution of (t-τ L ) = t ′.
Dies bedeutet:This means:
S(ω,τL) = | S(ω,τL) | ei · Φ(ω,τL)S (ω, τ L ) = | S (ω, τ L ) | e i Φ (ω, τ L )
= | S(ω,O) | ei · (Φ(ω,O)-ωτL) (5)= | S (ω, O) | e i · (Φ (ω, O) -ωτ L ) (5)
Daraus folgt:It follows:
Φ(ω,τL) = Φ(ω,O) - τL · ω (6)Φ (ω, τ L ) = Φ (ω, O) - τ L · ω (6)
Φ(ω,O) = Φ(ω,τL) = ω · τL (7)Φ (ω, O) = Φ (ω, τ L ) = ω · τ L (7)
Die Gleichungen 6 und 7 sagen aus, daß die Phasenwinkeldifferenz zwischen unverzögertem Signal und verzögertem Signal gleich dem Produkt aus Kreisfrequenz und Laufzeit ist. Trägt man die Pha senwinkeldifferenz als Funktion der Kreisfrequenz auf, so muß sich eine Gerade durch den Ursprung mit der Steigung τL ergeben. Equations 6 and 7 state that the phase angle difference between the undelayed signal and the delayed signal is equal to the product of angular frequency and transit time. If one plots the phase angle difference as a function of the angular frequency, then a straight line through the origin with the slope τ L must result.
Die Fouriertransformation wird näherungsweise mit Hilfe der "Diskreten Fouriertransformation" (DFT) durchgeführt.The Fourier transformation is approximated using the "Discrete Fourier Transform" (DFT) performed.
Die DFT kann als Fouriertransformation der Folge von regelmäßi gen Impulsabtastungen von S(t) angesehen werden. Die DFT ist eine Überlagerung einer unendlichen Zahl von periodisch verscho benen Fouriertransformationen.The DFT can be a Fourier transform of the sequence of regular gene pulse samples of S (t) can be viewed. The DFT is an overlay of an infinite number of periodically shifted Fourier transforms.
Um Überlappungen zwischen den verschiedenen Frequenzperioden zu vermeiden, ist das Spektrum des abzutastenden Signals zu begrenzen.To overlap between the different frequency periods too Avoid limiting the spectrum of the signal to be sampled.
Durch die endliche Beobachtungsdauer tritt eine Verbreiterung des Spektrums auf. Die endliche Beobachtungsdauer läßt sich im Zeitbereich durch eine rechteckige Fensterfunktion, mit welcher das Signal multipliziert wird, beschreiben. Nach dem Faltungs satz der DFT ist eine Multiplikation im Zeitbereich einer Fal tungssumme im Frequenzbereich äquivalent.A widening occurs due to the finite observation period of the spectrum. The finite observation period can be seen in Time range through a rectangular window function with which the signal is multiplied, describe. After the folding The DFT theorem is a multiplication in the time range of a case equivalent in the frequency domain.
Das Spektrum eines Rechteckfensters ist weit ausgedehnt. Es ist daher vorteilhaft, Fensterfunktionen zu verwenden, welche im Frequenzbereich eine große Seitenlinienunterdrückung besitzen, um eine Überlagerung verschiedener Spektrallinien aufgrund der Faltung zu vermeiden. Besonders vorteilhaft in bezug auf Rechen zeit und Speicherbedarf hat sich die Blackman-Fensterfunktion erwiesen. Sie besitzt folgende Gewichtungsfunktionen: The spectrum of a rectangular window is wide. It is therefore advantageous to use window functions, which in Frequency range have a large sideline suppression, to overlay different spectral lines due to the To avoid folding. Particularly advantageous with regard to rakes The Blackman window function has time and memory requirements proven. It has the following weighting functions:
Diese Fensterfunktion besitzt eine Nebenmaximumunterdrückung von ca. 58 dB gegenüber einer Nebenmaximumunterdrückung von etwa 12 dB bei der Rechteckfensterfunktion.This window function has a secondary maximum suppression of approx. 58 dB compared to a maximum rejection of approx 12 dB for the rectangular window function.
Die Fouriertransformation wird mit Hilfe des FET-Algorithmus beispielsweise im Signalprozessor S1 durchgeführt.The Fourier transformation is carried out using the FET algorithm, for example in the signal processor S 1 .
Nach Gleichung (7) besteht im Bildbereich der DFT zwischen der Pha sendifferenz zweier zeitverschiedener Signale und der Kreisfre quenz ein linearer Zusammenhang.According to equation (7) in the image area of the DFT there is between the Pha send difference between two different signals and the circular fre quenz a linear relationship.
Unter der Voraussetzung von weißem, normalverteiltem diskreten Rauschen wird die Gerade mit der wahrscheinlichsten Steigung der Musterfunktion ermittelt.Assuming white, normally distributed discrete The straight line with the most probable slope will be noisy the pattern function determined.
Die Wahrscheinlichkeitsdichte für einen Punkt der Δϕ-ω-Ebene berechnet sich zuThe probability density for a point on the Δϕ-ω plane calculates itself
Da die Meßwerte verschiedener Zeitpunkte dekorreliert sind, be sitzt die Verbundsdichte folgende DarstellungSince the measured values from different points in time are decorrelated, be the composite density sits the following representation
Die wahrscheinlichste Laufzeit erhält man, wenn PN maximal wird; äquivalent dazu ist die Forderung, daß der Exponent minimal wird. Das Minimum erhält man durch Nullsetzen der Ableitung des Expo nenten nach der Laufzeit.The most likely runtime is obtained when P N becomes maximum; equivalent to this is the requirement that the exponent be minimal. The minimum is obtained by zeroing the derivative of the exponent after the term.
Äquivalent ist dazu die Aussage:The equivalent is the statement:
Die wahrscheinlichste Laufzeit ist durch die Gleichungen (13) oder (14) gegeben.The most likely runtime is given by equations (13) or (14) given.
Gleichung (14) gilt unter der Voraussetzung, daß die Streuung der Peilwerte für alle Frequenzen gleich ist. Unter der Hypo these, daß die Streuung der Meßwerte reziprok proportional zu der spektralen Leistung des Signals bei der entsprechenden Fre quenz ist, läßt sich eine Verbesserung der Schätzgenauigkeit wie folgt erreichen. Equation (14) applies provided that the spread the bearing values are the same for all frequencies. Under the hypo thesis that the scatter of the measured values is inversely proportional to the spectral power of the signal at the corresponding Fre is an improvement in the estimation accuracy achieve as follows.
An ist die spektrale Leistung.A n is the spectral power.
Ist bekannt, daß in einem bestimmten Frequenzbereich Störungen auftreten, so lassen sich diese Störungen dadurch unterdrücken, daß sie bei der Berechnung der Laufzeit unberücksichtigt blei ben. Mit Hilfe der Maskierungsfunktion µn läßt sich dies wie folgt ausdrückenIf it is known that interference occurs in a certain frequency range, these interference can be suppressed by not taking them into account when calculating the transit time. This can be expressed as follows using the masking function µ n
An ist die spektrale Leistung
Δϕn ist die Phasendifferenz
ωn ist die Kreisfrequenz
µn ist die Maskierungsfunktion
µn = 1 für den ungestörten Bereich, sonst = 0A n is the spectral power
Δϕ n is the phase difference
ω n is the angular frequency
µ n is the masking function
µ n = 1 for the undisturbed area, otherwise = 0
Zur Berechnung der Peilwerte werden im Mikrorechner 51 bis 55 also folgende Operationen durchgeführt:To calculate the bearing values, the following operations are carried out in the microcomputer 51 to 55 :
- Einlesen der digitalisierten Abtastwerte
- Fensterung der Abtastwerte
- Ermittlung des Kreuzleistungsspektrums mittels einer
schnellen Fourierstransformation (FFT)
(Hierbei findet eine Datenreduktion um die Anzahl der
Stützstellen der FFT statt)
- Ermittlung der Phasendifferenzen aus dem Kreuzleistungsspek
trum
- Gewichtung und Maskierung der Phasendifferenzwerte
- Ermittlung der Laufzeiten
- Ermittlung der Richtungscosinuswerte und damit der Richtung
der von den Sensoren aufgenommenen Signale.- Reading in the digitized samples
- Windowing the samples
- Determination of the cross power spectrum using a fast Fourier transformation (FFT) (data is reduced by the number of FFT support points)
- Determination of the phase differences from the cross power spectrum
- Weighting and masking of the phase difference values
- Determining the terms
- Determination of the direction cosine values and thus the direction of the signals picked up by the sensors.
Zur Berechnung des Horizontalabstandes Mine-Ziel ist die Kennt nis der Tiefe des Minenortes bezogen auf die Meeresoberfläche notwendig. Die Tiefenmessung erfolgt durch Messungen des hydro statischen Druckes.Knowing is used to calculate the horizontal distance between mine and target The depth of the mine location in relation to the surface of the sea necessary. The depth measurement is carried out by measurements of the hydro static pressure.
Die Peileinrichtung liefert die Richtungscosinuswerte der beiden orthogonalen Peilachsen.The direction finder delivers the direction cosine values of the two orthogonal DF axes.
Zwischen Richtungscosinus und den karthesischen Vektorkomponen ten besteht folgender ZusammenhangBetween the direction cosine and the Cartesian vector components The following relationship exists
dabei sind x und y die Einheitsvektoren in x- und y-Richtung und der Entfernungsvektor. x and y are the unit vectors in the x and y directions and the distance vector.
x, y sind die x-Komponente, die y-Komponente der Entfernung und H die Minentiefe. Addiert man die Richtungscosinuswerte geometrisch, so folgt:x, y are the x component, the y component of distance and H the mine depth. If you add the direction cosine values geometrically, it follows:
und somit:and thus:
Die aus den Richtungscosinussen ermittelten Entfernungswerte schwanken um den wahren Wert. Zur Entfernungsschätzung ist die Least-Square-Polynom-Approximation der Entfernungswerte beson ders geeignet.The distance values determined from the direction cosines fluctuate around the true value. For the distance estimation is the Least-square polynomial approximation of the distance values in particular suitable.
Unter der Voraussetzung einer unbeschleunigten Bewegung des Zieles erhält man für das Horizontal-Entfernungsquadrat fol gende zeitliche Entwicklung:Assuming an unaccelerated movement of the The target is obtained for the horizontal distance square fol Development over time:
R² = (x0 + vx · t)² + (y0 + vy · t)² (21)R² = (x 0 + v x · t) ² + (y 0 + v y · t) ² (21)
Nach Ausmultiplizieren und Ordnen nach den Potenzen von t ergibt sich folgende zeitliche Entwicklung:After multiplying and ordering according to the powers of t there is the following development over time:
R² = (x0² + y0²) + 2 · (x0 · vx + y0 · vy) · t + (vx² + vy²) · t² (22)R² = (x 0 ² + y 0 ²) + 2 · (x 0 · v x + y 0 · v y ) · t + (v x ² + v y ²) · t² (22)
Wie man sieht, läßt sich durch ein Polynom 2. Ordnung voll ständig beschreiben.As you can see, a 2nd order polynomial can be used to full describe constantly.
Zur Berechnung der Entwicklungskoeffizienten ist die folgende Minimierungsaufgabe zu lösen: To calculate the development coefficients is the following Solve minimization problem:
In Gleichung (23) ist der Ursprung der Zeitachse in den Zeit punkt der letzten Richtungspeilung gelegt. Diese Darstellung besitzt den Vorteil, daß der Schätzwert der Entfernung nur vom Ko effizient a0 repräsentiert wird. Zur Lösung der obigen Minimierungs aufgabe müssen die Entwicklungskoeffizienten folgendes Glei chungssystem befriedigen.In equation (23) the origin of the time axis is placed at the time of the last direction bearing. This representation has the advantage that the estimated value of the distance is only efficiently represented by the coefficient a 0 . To solve the above minimization task, the development coefficients have to satisfy the following equation system.
Das Gleichungssystem wird mit Hilfe des Gaußschen Eliminations- Verfahrens gelöst. Der Koeffizient aO stellt den Schätzwert der Horizontalentfernung dar.The system of equations is solved using the Gaussian elimination method. The coefficient a 0 represents the estimated value of the horizontal distance.
Claims (6)
- - die elektrischen Signale (S1, S2) von mindestens zwei aku stischen Sensoren (H1, H2) werden Filterbänken (11, 12) be stimmter gleicher Bandbreite zugeführt,
- - die Ausgangssignale der Filterbänke werden mittels Sample- and-Hold-Schaltern (21, 22) gleichzeitig abgetastet,
- - die Abtastwerte werden mittels eines Multiplexers (3) und eines D/A-Wandlers (4) digitalisiert und einem Mikrorechner (50-56) zur Weiterverarbeitung und Auswertung zugeführt (Fig. 1).
- - The electrical signals (S 1 , S 2 ) from at least two acoustic sensors (H 1 , H 2 ) filter banks ( 11, 12 ) are fed certain same bandwidth,
- - The output signals of the filter banks are sampled simultaneously using sample and hold switches ( 21, 22 ),
- - The samples are digitized by means of a multiplexer ( 3 ) and a D / A converter ( 4 ) and fed to a microcomputer ( 50-56 ) for further processing and evaluation ( Fig. 1).
daß bei der Weiterverarbeitung die digitalisier ten Abtastwerte zunächst einer Fensterung unterzogen werden,
daß mit den gefensterten Werten durch eine Fouriertransformation das Kreuzleistungsspektrum der Sensorkanäle ermittelt wird, daß aus dem Kreuzleistungsspektrum die Phasendifferenzen der Sensorkanäle ermittelt werden,
daß die Phasendifferenzwerte gewichtet und maskiert werden,
daß mit den gewichteten und maskierten Phasendifferenzwerten die Laufzeiten der Sensorsignale ermittelt werden und
daß aus den Laufzeiten die Richtung der von den Sensoren aufge nommenen Signale ermittelt wird.4. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in
that the digitized samples are first subjected to windowing during further processing,
that the cross-power spectrum of the sensor channels is determined using the windowed values by means of a Fourier transformation, that the phase differences of the sensor channels are determined from the cross-power spectrum,
that the phase difference values are weighted and masked,
that the transit times of the sensor signals are determined with the weighted and masked phase difference values and
that the direction of the signals picked up by the sensors is determined from the transit times.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19883817627 DE3817627A1 (en) | 1988-05-25 | 1988-05-25 | Direction finding arrangement for passive acoustic location of target - evaluates transition time by passing electrical signals of acoustic sensors via filters, sampling circuits, multiplexer |
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DE19883817627 DE3817627A1 (en) | 1988-05-25 | 1988-05-25 | Direction finding arrangement for passive acoustic location of target - evaluates transition time by passing electrical signals of acoustic sensors via filters, sampling circuits, multiplexer |
Publications (1)
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DE3817627A1 true DE3817627A1 (en) | 1991-09-05 |
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DE19883817627 Ceased DE3817627A1 (en) | 1988-05-25 | 1988-05-25 | Direction finding arrangement for passive acoustic location of target - evaluates transition time by passing electrical signals of acoustic sensors via filters, sampling circuits, multiplexer |
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