DE3017797A1

DE3017797A1 - Verfahren zum bestimmen der einfallsrichtungen

Info

Publication number: DE3017797A1
Application number: DE19803017797
Authority: DE
Inventors: Egidius Ing.(Grad.) 2807 Achim Arens; Peter Dipl.-Phys. Dr.Rer.Nat. Mertens; Wilfried Dipl.-Ing. 2800 Bremen Meuser; Ravin Dipl.-Ing. 2807 Aichm Patel
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 1980-05-09
Filing date: 1980-05-09
Publication date: 1981-11-12
Also published as: FR2482311B1; DE3017797C2; GB2076152A; FR2482311A1; GB2076152B

Description

FRIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT BDSCIIRANKTER HAFTUNG in Ί3ΟΟ Essen

I NAOHeEREIOHT VERFAIIREN ZUM DESTIMMEN ÜER EINFALLSRICHTUNGEN

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Einfallsrichtungen von Wellenenergie in einem breiten Frequenzbereich, die von mehreron Zielen abgestrahlt wird, unter Verwendung zweier Dipole, bestehend aus drei Wandlern an den Eckpunkten eines gleichschenkligen, rechtwinkligen Dreiecks oder aus vier Wandlern an den Eckpunkten eines Quadrats.

Die Einfallsrichtung empfangener Wellenenergie, die von einem einzigen Ziel abgestrahlt wird, wird iiblichcrwcisc mit zwei rechtwinklig zueinander angeordneten Dipolen dadurch bestimmt, daß die von beiden Dipolen empfangenen Signale unter Beachtung ihrer Polarität ins Verhältnis gesetzt werden. Der Arcus Tangens des Quotienten liefert den Einfallswinkel zwisehen der Einfallsrichtimg und einer Verbindungslinie zwischen den Wandlern des einen der beiden Dipole.

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Dieses Verfahren führt jedoch zu einem falschen Ergebnis, wenn mehrere Ziele gleichzeitig Wellenenergie abstrahlen.

Frequenzselektive Untersuchungen der Wellenenergie mehrerer Ziele zeigen, daß die Ziele unterschiedliche Frequenzspektren aufweisen. Eine Trennung der Einfallsrichtungen ist dann über die Frequenz möglich, indem nur empfangene Wellenenergie der beiden Dipole mit gleichem Frequenzinhalt ins Verhältnis gesetzt werden, da sie zum gleichen Ziel gehören. Eine frequenzabhangige Aufteilung der Wellenenergie ist durch eine Transformation des empfangenen Signals in den Frequenzbereich zu realisieren. Durch die Transformation bleiben Größen- und Phasenbeziehungen der empfangenen Signale erhalten.

Ein solches Verfahren ist bereits für einen Zweikanal-Sichtfunkpeiler mit Adcock-Antenne und Watson-Watt-Anzeige aus der deutschen Auslegeschrift 22 k2 790 bekannt, bei dem aus dem von jedem Dipol empfangenen Signixl ein Frequenzspektrum gebildet wird. Die Division der Beträge der Frequenzspektren

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für jede Frequenz liefert einen Quotienten, der gleich dem Tangens des Einfallswinkels ist, wobei ein Vergleich der Phasen den Quadranten angibt.

Der Nachteil dieses Verfahrens besteht insbesondere darin, daß Fehler bei der Ermittlung des Einfallswinkels schon dadurch verursacht werden können, daß unterschiedliche Empfindlichkeiten der beiden Wandler jedes Dipols das durch Differenzbildung gewonnene Signal verfälschen, das der frequenzselektiven Weiterverarbeitung zugrunde liegt.

Dieser mögliche Fehler wird bei dem aus der deutschen Auslegeschrift 11 98 h2h bekannten Verfahren vermieden, indem Phasenwinkel zwischen den Empfangssignalen der einzelnen Wandler jedes Dipols ermittelt und die beiden Phasenwinkel ins Verhältnis gesetzt werden, deren Arcus Tangens den Einfallswinkel angibt. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch in der Frequenzabhängigkeit des Phasenwinkels und ist für die Peilung von Zielen, die breitbandig Wellenenergie abstrahlen, ungeeignet, da bei breitbandigen Signalen kein Phasenwinkel gemessen werden kann.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung,

13 OiH 6/(K 2 Ό

ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem auch für eine Vielzahl von Zielen, die Wellenenergie in einem breiten Frequenzbereich abstrahlen, die Einfallswinkel für Ziele in unterschiedliehen Richtungen angegeben werden können, wobei unterschiedliche Empfindlichlceiten der Wandler der Dipole und auch die absolute Größe der Empfangssignale ₍ — selbst nicht in das Ergebnis eingehen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß fortlaufend Empfangssignale der Wandler jeweils innerhalb eines gleichen vorgebbaren Zeitintervalls in ein komplexes FrequenzSpektrum umgewandelt werden, daß die Phasendifferenz für jede Frequenz zwischen den zu einem Dipol gehörenden komplexen Frequenzspektren ermittelt wird und der Arcus Tangens des Quotienten der Phasendifferenzen für jede Frequenz einen Einfallswinkel zwischen der Einfallsrichtung und einer Verbindungslinie zwischen den Wandlern eines Dipols als Dezugsdipol angibt.

Das komplexe Frequenzspektrum jedes Empfangsöignals gibt je Frequenz durch seinen Betrag die Größe der empfangenen Wellenenergie an. Sein Phasenwinkel setzt sich aus einer Anfangsphase des Empfangssig-

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nals, die durch die Lage des betrachteten Zeitintervalls bezüglich der Nulldurchgänge des Empfangssignals bestimmt wird, und einem Term zusammen, der proportional dem Sinus oder Cosinus des Einfallswinkels ist. Durch die Differenzbildung der Phasenwinkel der komplexen FrequenzSpektren, die den EmpfangsSignalen der Wandler eines Dipols zugeordnet sind, wird die Anfangsphase eliminiert. Der Arcus Tangens des Quotienten der so gewonnenen Phasendifferenzen gibt die Einfallswinkel je Frequenz an. Dieses Verfahren ist unabhängig von der Empfindlichkeit der Wandler, da der Betrag der Frequenzspektren unberücksichtigt bleibt.

Bei Verwendung zweier Dipole, deren Wandler an Eckpunkten eines Quadrats angeordnet sind, wird nach einer vorteilhaften Weiterbildung zur Störbefreiung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus der Phasendifferenz durch Division mit der betrachteten Frequenz und 2¹R die zugehörige Laufzeit der einfallenden Wellenenergie zwischen den Wandlern des Dipols bestimmt. Die für jeden Dipol gewonnenen Laufzeiten je Frequenz werden quadriert, addiert und daraus die Wurzel gezogen. Diese Wurzel wird mit einem Quotienten aus Abstand der Wandler des Dipols

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und Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellenenergie verglichen. Durch dieses Verfahren ist eine Unterscheidung möglich, ob die Auswertung der Phasendifferonzen zu einer echten Zielanzeige führt.

Wenn die Wurzel gleich dem Quotienten aus Abstand

der Wandler und Ausbreitungsgeschwindigkeit der f~* Wellenenergie ist, liegt die Einfallsrichtung der

Wellenenergie in der Ebene der Dipole," und die Wellenenergie wurde von einem interessierenden Ziel abgestrahlt. Die zugehörigen Phasendifferenzen werden zur Ermittlung des Einfallswinkels ausgewertet.

Falls die Wurzel größer als der Quotient ist, kann mit Sicherheit davon ausgegangen werden, daß diese Phasendifferenzen nicht zu Empfangssignalen eines Ziels gehören, sondern durch Störungen verursacht wurden. Solche Störungen treten beispielsweise bei einem Dipolsystem bestehend aus Mikrophonen zum Messen von Luftschall auf, wenn außer Zielgeräuschen Windgeräusche empfangen und ausgewertet werden, die an jedem Mikrophon durch unterschiedliche Luftturbulenzen verursacht werden.

Wenn die Wurzel aus der Summe der quadrierten Lauf-

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zeiten kleiner als der Quotient ist, werden die zugehörigen Phasendifferenzen ebenfalls nicht ausgewertet, da sie nicht die Einfallsrichtung in der Ebene der Dipole charakterisieren, sondern durch oberhalb oder unterhalb der Ebene der Dipole liegende, Wellenenergie abstrahlende Quellen verursacht werden. Dieses Auswahlkriterium ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn das genannte Dipolsystem auf dem Dach eines Fahrzeugs installiert wird, dessen Motoren- oder Fahrgeräusche nicht in die Messung eingehen sollen.

Aus der zitierten Auslegeschrift 11 98 '±2'± ist bereits bekannt, daß die Summe der Quadrate der Phasenwinkel der Empfangsspannungen eines Dipolsystems nicht nur frequenzabhUngig, sondern auch proportional dem Quadrat des Cosinus eines Erhebnungswinkels gegen die Ebene der Dipole ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch der Erhebungswinkel selbst bestimmt werden, der gleich dem Arcus Cosinus der radizierten Summe der quadrierten Laufzeiten geteilt durch den Quotienten ist. Falls nur Ziele unter Erhebungswinkein innerhalb vorgegebener Viinkelgrenzen in Betracht gezogen werden sollen, ist eine Ausscheidung durch einen einfachen Vergleich

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mit vorgegebenen Werten für den Cosinus möglich.

Nach einer vorteilhaften Weiterführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Ebene, in der die Einfallsrichtung bestimmt wird, über ihren gesamten Horizont in gleiche WinkelSektoren eingeteilt, deren Scheitelpunkte im Schnittpunkt der Verbindungslinien der Dipole liegen. Es wird Wellenenergie von Frequenzen, deren zugehörige Einfallswinkel innerhalb eines Winkelsektors liegen, aufsummiert und zur Bewertung der Ziele benutzt. Diese Summe wird beispielsweise durch Quadrieren und Addieren der zu den Frequenzen gehörenden Beträge des komplexen Frequenzspektrums eines der Empfangssignale gewonnen. Ein anschließendes Radizieren der Summe ergibt einen Effektivwert des in diesen Winkelsektor einfallenden Empfangssignals. Bei einer Anzeige der Einfallsrichtung auf einer elektronischen Anzeigeröhre als Panoramaanzeige kann beispielsweise das Ergebnis dieser Energiebetrachtung durch eine davon abhängige Radialablenkung des Elektronenstrahls dem Beobachter verdeutlicht werden. Es ist auch möglich, durch dieses Verfahren nur Einfallsrichtungen solcher Ziele in Winkelklassen, die den Winkelsektoren entsprechen, über der Frequenz anztizeigen,

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deren ausgewertete Wellenenex-gio einem vorgegebenen Vergleichswert genügt.

Eine Vorrichtung zum Ausüben des erfindungsgeraaßen Verfahrens besteht aus den Wandlern der beiden Dipole, Verstärkern und nachgeschalteten Analog-Digital-Wandlern mit Speichern sowie Rechenstufen für eine Fast-Fourier-Transformation. Am Ausgang jeder Rechenstufe stehen Realteil und Imaginärteil des nach dem Algorithmus der Fast-Fourier-Transformation gewonnenen komplexen Frequenzspektrums an. In einer nachgeschalteten Recheneinheit wird der Phasenwinkel des komplexen Frequenzspektrums für jede Frequenz ermittelt. Die Phasenwinkel der Frequenzspektren jedes Dipols werden in nachgeschalteten Differenzstufen voneinander abgezogen und als Phasendifferenzen

in einem Quotientcnbildner durcheinander geteilt,

■^, wobei im Nenner die Phasendifferenz des Bczugsdipols

steht. Der Quotient wird einer Rechenschaltung zum Bilden des Arcus Tangens unter Berücksichtigung der Vorzeichen der Phasendifferenzen zugeführt, an dessen Ausgang quadrantentreu der Einfallswinkel für jede Frequenz für eine Anzeige ansteht.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird aus den komplexen Frequenzspektren der

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zu einem Dipol gehörenden Empfangssignale das konjugiert-komploxe Produkt gebildet, dessen Phase die Phasendifferenz angibt, so daß eine Ermittlung der einzelnen Phasenwinkel und die anschließende Differenzbildung nicht durchgeführt werden muß. Durch die Multiplikation wird außerdem eine Mittelwertbildung zwischen den beiden komplexen Frequenzspektren durchgeführt.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterführung werden die in die Speicher eingespeicherten Empfangssignale von einem Wandler^ des Dipols so ausgelesen, wie sie eingelesen wurden, und die Empfangssignale des anderen Wandlers in umgekehrter Reihenfolge aus dem Speicher ausgelesen. Den Spciehern sind Rechenstufen zur Berechnung der Fast-Fourier-Transforraation nachgoschaltet, deren Ausgänge unmittelbar mit einer Schaltung zur Multiplikation verbunden sind. Das am Ausgang anstehende Produkt weist eine Phase auf, die gleich der Phasendifferenz der komplexen FrequenzSpektren der Empfangssignale eines Dipols ist und unmittelbar im Quotientenbildner und in der nachgeschalteten Rechenschaltung zur Auswertung des Einfallswinkels herangezogen wird. Diese Art der Signalverarbeitung

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für jeden Dipol entspricht einer Faltung des Empfangssignals des einen Wandlers im positiven Zeitbereich mit dem Empfangssignal des anderen Wandlers im negativen Zeitbereich. Durch das Ausspeichern des Empfangssignals im betrachteten Zeitintervall in umgekehrter Reihenfolge zum Einlesen wird ein zeitliches Klappen in den negativen Zeitbereich bewirkt. Das Ergebnis der Multiplikation

der komplexen FrequenzSpektren der so ausgespeicherten Empfangssignale ist gleich dem konjugiert komplexen Produkt der Frequenzspektren, wenn die Empfangssignale in gleicher Weise für die Fourier-Transformation und Produktbildung ausgespeichert wie eingelesen werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, Real- und Imaginärteil des konjugiert komplexen Produkts auf einen Betragsbildner zu schalten, an dessen Ausgang der Betrag des Produkts ansteht« Real- und Imaginärteil werden in nachgeschalteten Di-Visionsstufen durch den Betrag des Produkts geteilt dadurch normiert - und über eine Anzahl von Zeitintervallen in einer Summationsschaltung aufsummiert und durch die Anzahl geteilt. Durch diese Signalverarbeitung wird eine Störbefreiung der Empfangssignale

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von isotropen Störungen im Übertragungsmedium und elektrischem Rauschen der verwendeten Baugruppen für die Signalverarbeitung erzielt, da ein innerhalb der Anzahl von betrachteten Zeitintervallen stationäres Ziel stets die gleiche Phase im konjugiert komplexen Produkt aufweist. Bei Störern ändern sich die Phasenbeziehungen von Zeitintervall zu Zeitintervall, so daß die Summe der nor-

mierten Real- bzw. ImaginHrteile wesentlich kleiner als für Ziele ist. In einer nfiiehgeschalteten Vergleichsstufe wird ein Steuersignal gebildet, wenn die Summe größer oder gleich einem eingestellten Vergleichssignal ist, wobei das Vergleichssignal abhängig von Falschalarmwahrscheinlichkeit und Detektionswahrscheinlichkeit gewählt wird. Von der Vergleichsstufe wird eine Torschaltung gesteuert, die die auszuwertenden Phasendifferenzen freigibt.

Bei einer Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Wasserschalltechnik ist es zweckmäßig, das Dipolsystem beispielsweise aus Wandlern einer an Bord eines Schiffes schon vorhandenen Zylinderbasis zu bilden. Durch den Abstand der vier Wandler bzw. Wandler streif en auf der Zylinderbasis wird' der

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auszuwertende Frequenzbereich festgelegt, der wesentlich tiefer liegt als der der Empfangssignale der Richtcharakteristiken der Zylinderbasis, so daß mit dieser Anordnung insbesondere Ziele erfaßt werden, deren abgestrahlte Wellenenergie im unteren Frequenzbereich liegt.

Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil besteht darin, daß das Verfahren der Phasenauswertung zum Bestimmen des Einfallswinkels in Abhängigkeit von der Frequenz unabhängig von der absoluten Größe der Empfangssignale und damit auch unabhängig von Empfindlichkeitsstreuungen der Wandler und nachgeschalteter Baugruppen für die Signalverarbeitung ist. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß stochastisch^ Störungen im Übertragungsmedium und elektrisches Rauschen in den Baugruppen durch Berücksichtigung von aus Phasendifferenzen errechneten Laufzeitkriterien bei der Bestimmung der Einfallsrichtung je Frequenz unterdrückt werden. Andererseits kann durch die gleichen Laufzeitkriterien Wellenenergie einer Quelle, die nicht in der Ebene der Dipole liegt, von der Bestimmung der Einfallsrichtung außer Betracht bleiben.

Durch das gleiche Verfahren der Anwendung von Lauf-

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P₁ <nm »»·** » η- t Λ)

zeitkriterien kann Wellenenergie, die durch Medien mit unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten einfällt, von der Bestimmung der Einfallswinkel ausgeschlossen werden. Ss kann aber

'■■;■ 5 auch unterschieden werden, ob der z.B. von einem

aus Hydrophonen bestehenden Dipolsystem unter Was-,: ser empfangene Schall von einer im Wasser befind-

'■', liehen oder einer über Wasser befindlichen Schall-

: quelle abgestrahlt wurde und von einer sich parallel

zur Wasseroberfläche ausbreitenden Schallwelle, die ins Wasser eingedrungen ist, übertragen wurde.

'-] , Die für die Signalauswertung gewählte fransforma-

tion der Empfangssignale ist beim heutigen Stand der Rechentechnik besonders einfach zu realisieren, was das Verfahren der Richtungsbestimmung und der

Eliminierung von Störquellen besonders einfach macht.

. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Er

findungsgegenstandes dargestellt. Sie zeigt ein Blockschaltbild für eine Signalverarbeitung*

Zum Ermitteln der Einfallsrichtung von Wellenenergie, die von einem der Ziele unter einem Einfalls-

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winkel Ir abgestrahlt wird, wird ein Dipolsystem bestehend aus vier Wandlern 1, 2, 3i 4 verwendet, die an Eckpunkten eines Quadrats mit einer Diagonalen d angeordnet sind. Zwischen den Empfangssignalen der Wandler JL und 3 bzw. 2 und 4 werden Phasendifferenzen φ. „ bzw. <p_r abhängig von der Frequenz bestimmt. Dazu sind die vier Wandler 1, 2, 3_t 4 über Verstärker und A/D-Wandler 51, 52, 53, 54 mit Speichern 6l bis 64 und Rechenstufen 71 bis 74 für eine Fast-Pourier-Transformation verbunden. Empfangssignale an den Wandlern 1 bis 4 werden verstärkt, abgetastet, digitalisiert und eingespeichert. Ihr zeitlicher Verlauf innerhalb eines Zeitintervalls wird jeweils in ein komplexes Frequenzspektrum umgewandelt. Sowie erneut Abtastwerte der digitalgewandelten Empfangssignale eines Zeitintervalls eingespeichert sind, wird die nächste Fast-Fourier-Transformation vorgenommen. An den Ausgängen der Rechenstufen 71 bis 74 stehen die komplexen Frequenzspektren F₁U), F₂Cs), F^(s) und F^(s) an.

Die komplexen Frequenzspektren F..(s) und F„(s) für die Empfangssignale der Wandler 1 und 3 des einen Dipols werden in einer Schaltung 8l derart miteinan-

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der multipliziert, daß ein konjugiert komplexes Produkt P entsteht , indem das Frequenzspektrum F₁Cs) mit dem konjugiert komplexen Frequenzspektrum F *(s) multipliziert wird. Am Ausgang der Schaltung 8l stehen Realteil ReP und Imaginärteil ImP des Produkts P an, aus denen je Frequenz Betrag und Phase ermittelt werden. In einer der Schaltung 8l nachgeschalteten Phasenschaltung 91 wird der Arcus Tangens aus dem Quotienten von Realteil ReP und Imaginärteil ImP des Produkts P gebildet, der die Phase des Produkts P als Phasendifferenz cp_ „ angibt. Ein Betragsbildner 92 ist ebenfalls mit den Ausgängen der Schaltung 8l verbunden und bildet aus Realteil ReP und Imaginärteil ImP des Produkts P durch , Quadrieren, Summieren und Radizieren den Betrag.

Die gleichen Rechenoperationen werden mit den komplexen Frequenz Spektren F₂^ ^{und F}4^^s^ ^{der Em}P" fangssignale der Wandler 2 und 4 des zweiten Dipols durchgeführt, indem die Rechenstufen 73 und Jk mit einer Schaltung 82 zum Bilden des konjugiert komplexen Produkts Q der Frequenzspektren F„(s) und F^(s) verbunden sind, der ein Betragsbildner 93 und eine Phasenschaltung 9^ nachgeschaltet sind. Die Phasen-

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schaltung yk liefert als Phase des konjugiert komplexen Produkts Q die Phasendifferenz cp„. je Frequenz.

Aus den je Frequenz bestimmten Phasendifferenz en φ.. „ werden in einer Multiplikationsstufe 101 zugehörige Laufzeiten τ durch Multiplikationen mit dem Reziprokwert der betroffenen Frequenz und mit einem kon-

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stanten Faktor -gg gewonnen. Der gleiche Rechenvorgang wird für die Phasendifferenzen φ_ηκ in einer Multiplikationsstufe 102 zum Ermitteln der Laufzeiten τ,,, durchgeführt.

In einer Rechenschaltung IO3 werden die in den Multiplikationsstufen 101 und 102 ermittelten Laufzeiten τ und T₀. quadriert, summiert und die Wurzel daraus ge-

/ 2 2 ^x zogen. Das Ergebnis ^τ*=Ύ^τ ₁ο + ^τηΐ_ί ^am Ausgang der Rechenschaltung IO3 wird in drei Vergleichsschaltungen 104, IO5, 106 daraufhin geprüft, ob τ* kleiner, größer oder gleich einem Quotienten aus Abstand d zwischen den Wandlern 1 und 3 bzw. 2 und k jedes Dipols und der Ausbreitungsgeschwindigkeit c der Wellenenergie ist.

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Die Vergleichsschaltung 104 prüft, ob τ***- — ist. Sie ist mit einer Tabellenschaltung 107 verbunden, die τ* rait Werten einer Funktion — · cos α ver-

gleicht, um daraus einen Erhebungswinkel oder Neigungswinkel α gegen die Ebene der Dipole zu ermitteln, unter dem die Wellenenergie empfangen wird.

Ergitat die Prüfung τ*> — , so erscheint an der Vergleichsachaltimg IO5 ein Signal, das anzeigt, daß die zugehörigen Phasendifferenzen φ,„ und ΨοΛ ^zum Bestimmen des Einfallswinkels nicht auszuwerten sind.

Wenn τ* gleich — ist, wird Wellenenergie in der Ebe-

ne der Dipole unter Einfallswinkeln Λλ empfangen.

Beim EinfallswinkelW = 0 benötigt die Wellenenergie, um vom Wandler 1 zum Wandler 3 desselben Dipols zu gelangen, eine maximale Laufzeit, die gleich dem Abstand d geteilt durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit c, nämlich gleich τ* ist. Bei einem anderen Einfallswinkel 7/ , wie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt, liegt zwischen den Wandlern 1 und 3 eine Laufzeit der Wellenenergie T₁ und zwischen den Wandlern 2 und k eine Laufzeit τ .. Über einer Verbindungslinie zwischen den Wandlern 1 und 3 ist ein

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rechtwinkliges Dreieck eingezeichnet, deren längere Kathete gleich τ ist. Ein rechtwinkliges Dreieck über der Verbindungslinie zwischen den Wandlern 2 und k weist als kürzere Kathete die Laufzeit T„· auf. Es läßt sich zeigen, daß diese beiden Dreiecke gleich sind, so daß über der Hypothenuse X* die beiden Katheten T „ und T . liegen.

1 j *-t^

T* = — ist nach dem Satz des Pythagoras gleich

V"*" ""2 2 ^
T + T , . Diese Erkenntnis macht sich das erfindungsgemäße Verfahren zu-nutze, indem in der Vergleichsschaltung IO6 geprüft wird, ob die ermittelten Laufzeiten T und ¹^pA ^e*·¹⁵· ^τ* ergeben, das gleich — ist.
Die Vergleichsschaltung I06 steuert Torschaltungen HO und 111 an, auf die die Phasendifferenzen φ, „ und ΦρΛ geschaltet sind. Den Torschaltungen 110 und 111 ist ein Winkelrechner 11 zum quadrantentreuen Berechnen der Einfallswinkel'!' nachgeschaltet, der in einem Quotientenbildner 112 je Frequenz den Quo-

2Ί tienten aus den Phasendifferenzen —— unter Beach-

^φ13

tung ihrer Vorzeichen bildet, wobei die Phasendifferenz φ,„ im Nenner steht, da der Einfallswinkel ν gegen die Verbindungslinie zwischen den Wandlern und 3 als Bezugsdipol gemessen wird. Der Quotientenbildner 112 ist mit einer Rechenschaltung II3 des

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j-

Winkelrechners 11 zum Bilden des Arcus Tangens verbunden, der eine Anzeige 114 zum Darsteilen der Einfallsvrinkelif in Abhängigkeit von der Frequenz in kartesischen Koordinaten nachgeschaltet ist.

Nach einer vorteilhaften Weiterführung der Erfindung kann eine weitere Störbefreiung der Darstellung dadurch erreicht werden, daß jedem Betragsbildner 92 bzw. 93 je zwei Divisionsstufen mit Summationsschaltung 121 und 122 bzw. 123 und 12*1 nachgeschaltet sind. In der Divisionsstufe mit Summationsschaltung 121 wird der Realteil ReP des Produkts P durch seinen Betrag geteilt, jeweils über eine vorgebbare Anzahl von Zeitintervallen aufsummiert und durch die Anzahl geteilt. Die gleichen Rechenoperationen werden in den Divisionsstufen mit Summationsschaltung 122, 123 und 12^1 für den Imaginärteil ImP des Produkts P und Realteil ReQ. und Imaginärteil ImQ des Produkts Q durchgeführt. Die Divisionsstufen mit Summationsschaltung 121 bis 12'jt liefern normierte Realteile

ReP ReQ _T ...... ImP ImQ , „

"ΪΡΪ¹ "iQI ^u J-magxnarteile γργ > ¹JQj ^der Produkte P und Q. In nachgeschalteten Vergleichsstufen 125, 126, 127 und 128 wird geprüft, ob die

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im Frequenzspektrum des Produkts P aufgesucht, die
zu Einfallswinkeln"v eines Winkelsektors gehören
und die zugehörigen Deträge quadriert und aufaddiert. Auf einem Bildschirm 116, der dem Rechner 115 zugeordnet ist, Λ<πϋ^ die Summe als Stärke der empfangenen Wellenenergie über den in WinkelSektoren eingeteilten EinfallswinkelnV als Histogramm angezeigt.

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normierten Real- bzw. Imaginärteilo der Produkte P bzw. Q größer oder gleich einem Vcrgleichssignal sind, das abhängig von Falschalarmwahrschcinlichkoit und Detektionswahrscheinlichkeit einstellbar ist.

Die Ausgange der Vergleichsstufen 125 und 126 sind mit der Torschaltung 110, die Ausgänge der Vergleichsstufen 127 und 128 mit der Torschaltung 111 verbunden. Auf der Anzeige ll'l werden quadrantentreu Einfallswinkel¹» von Wellenenergie angezeigt, deren stochastisch^ Anteile mit dieser Signalauswertung durch die sich von Zeitintervall zu Zeitintervall ändernden Phasenbeziehungen vermindert werden.

Eine Unterscheidung der Ziele entsprechend der Stärke der empfangenen Wellenenergie ist nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dadurch möglich, daß die Ebene der Dipole in Winkelsektoren gleicher Breite eingeteilt wird und die in jedem Winkelsektor empfangene Well en energie atifsummiert wird. In einem Rechner 115 werden die Einfallswinkell/ in Wiiikelklasson eingeteilt, die den Winkelsektoren zugeordnet sind. Die Breite der Winkelsektoren wird abhängig von der gewünschten Auflösung der Peilung gewählt. Der Rechner II5 ist mit dem Betragsbildner 92 verbunden. Es werden die Frequenzen

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BEZUGSZEICHENLISTE

1,2,3,^ Wandler

11 Winkelrechncr

51,52,53,54 Verstärker und A/D-Wandler

61,62,63,64 Speicher

71,72,73,74 Rechenstufen

81,82 Schaltung

91,94 Phasenschaltung

92,93 Betragsbildner

101,102 Multiplikationsstufen

I03 Rechenschaltung

10'i , IO5,106 Vergleichsschaltungen

110,111 Torschaltungen

112 Quotientenbildner

113 Rechenschaltung zum Bilden

des Arcus Tangens

114 Anzeige

115 Rechner

116 Bildschirm 121,122,123,124 Divisionsstufen mit Summations-

schaltung 125,126,I27,I28 Vergleichsstufen

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α Erhebungswinkel oder Neigungs-

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winkel O U I / / α /

Ausbreitungsgeschwindigkeit Abstand

(s),Fy (s) Frequenz;spektren

Einfallswinkcl

Imaginärteil des Produkts P bzw. Q Betrag des Produkts P bzw. Q konjugiert komplexes Produkt Laufzeiten

Realteil des Produkts P bzw. Q Phasendifferenz

C	>,F₂(S),
d	ImQ
	IQI
V ImP,
IPI,	^X2k
P, Q	ReQ
^T12'
ReP₁

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, -SÄ-:

Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE | NACHGEREIOHt|

1.1 Verfahren zum Bestimmen der Exnfallsrichtxmgen von Wellenenergie in einem breiten Frequenzbereich, die von mehreren Zielen abgestrahlt wird, unter Verwendung zweier Dipole, bestehend aus drei Wandlern an den Eckpunkten eines gleichschenkligen, rechtwinkligen Dreiecks oder aus vier Wandlern an den Eckpunkten eines Quadrats, dadurch gekennzeichnet, daß fortlatt-/"··■ fend Empfangs signale der Wandler jeweils innerhalb

eines gleichen vorgebbaren Zeitintervalls in ein komplexes Frequenzspektrum umgewandelt werden, daß die Phasendifferenz für jede Frequenz zwischen den zu einem Dipol gehörenden komplexen Frequenzspektren ermittelt wird und der Arcus Tangens des Quotienten der Phasendifferenzon unter Berücksichtigung ihrer Vorzeichen für jede Frequenz einen Einfallswinkel zwischen der Einfallsrichtung und einer Verbindungslinie zwischen den Wandlern eines Dipols als Bezugsdipol angibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Frequenz aus der Phasendifferenz die Laufzeit der einfallenden Wellenenergie zwischen den Wandlern eines Dipols bestimmt wird und daß die

GAP Me/jο
28.k.I98O

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beiden Laufzeiten quadriert, addiert und daraus die Wurzel gezogen und diese Wurzel mit einem Quotienten aus Abstand der Wandler des Dipols und Ausbreitungsgeschvrindigkeit der Wellenenergie verglichen wird und daraus eine Störbefreiung bei der Ermittlung des Einfallswinkels abgeleitet wird.

3- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenzen, für die die Wurzel der zugehörigen quadrierten Laufzeiten gleich oder kleiner als der Quotient ist, zur Ermittlung der Einfallswinkel ausgewertet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenzen, für die die Wurzel der zugehörigen quadrierten Laufzeiten gleich dem Quotienten ist, die Einfallswinkel in der Ebene der Dipole angeben.

5. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Wurzel, die kleiner als der Quotient ist, einen Erhebungswinkel der Wellenenergie gegen die Ebene der Dipole angibt, wobei die Wurzel geteilt durch den Quotienten den Cosinus des Erhebungswinkels bildet.

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6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene in gleiche WinkelSektoren eingeteilt ist, deren Scheitelpunkte im Schnittpunkt der Verbindungslinien der Dipole liegen, daß die Beträge des Frequenzspektrums eines der Empfangssignale für die bei Einfallswinkeln eines Winkelsektors ermittelten Frequenzen zusammengefaßt werden und

/^ das Ergebnis zur Bewertung der Stärke der einfallen

den Wellenenergie dient.

7· Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach Anspruch 1, unter Verwendung zweier Dipole aus mindestens drei Wandlern mit nachgeschalteten Verstärkern, dadurch gekennzeichnet, daß den Verstärkern A/D-Wandler und Speicher sowie Rechenstufen für eine Fast-Fourier-Transformation nachgeschaltet sind, daß die Ausgänge jeder Rechenstufe₍an denen Real- und Imaginärteil des komplexen Frequenzspektrums anstehen, mit einer Recheneinheit zum Berechnen des Phasenwinkels des komplexen Frequenzspektrums für jede Frequenz verbunden sind, daß die Phasenwinkel der FrequenzSpektren jedes Dipols in einer den Recheneinheiten nachgeschal-

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teten Dif f erenzstxif c voneinander abgezogen werden und als Phasendifferenzen Eingangssignale eines Winkelrechners sind, der aus einem Quotientenbildner und einer Rechenschaltung zum Bilden des Arcus Tangens unter Berücksichtigung der Vorzeichen der Phasendifferonzen besteht.

3. Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach Anspruch 1, unter Verwendung zweier Dipole aus mindestens drei Wandlern mit nachgeschaltoten Verstär·- lcern, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Dipol den Verstärkern (5I, 52, 53, 5k) A/D-Waiidlcr und Speicher (6l, 62, 63, 6^lt) und Rechenstufen (71, 72, 73, 7k) für eine Fast-Fourier-Transformation nachgeschaltet sind, an denen Real- und Imaginärteil des komplexen Frequenzspektrums anstehen, daß den Rechenstufen jedes Dipols eine Schaltung(8l bzw. 82) zur Multiplikation des Frequenzspektrums des einen Empfangssignals mit dem konjugiert komplexen Frequenzspektrum des and01-en Empfangssignals eines Dipols und eine anschließende Phasensehaltung (9I bzw. 9^) ^zum Berechnen der Phase dieses Produkts

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je Frequenz nachgeschaltet sind, wobei diese Phaso die Phasendifferenz (ψ-, ο "bzw. φ_ο/,) der komplexen Frequenzspektren der Empfangssignale eines Dipols für jede Frequenz angibt, daß den Phasen schaltung en (91 und 9'±) ein Winkelrechner nachgeschaltet ist,der aus einem Quotientenbildner (112) für die Phasendifferenzen ^13 > φ_ο/ ) und eine Rechenschaltung (II3) zum Bilden des Arcus Tangens unter Berücksichtigung der Vorzeichen der Phasendifferenzen nachgeschaltet sind.

9· Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach Anspruch Ij unter Verwendung zweier Dipole aus mindestens drei Wandlern mit nachgeschalteten Verstärkern, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Dipol den Verstärkern A/D-Wandler und Speicher nachgeschaltet sind, daß der Inhalt des einen Speichers in gleicher Reihenfolge wie beim Einspeichern auslesbar ist und der Inhalt des anderen Speichers in entgegengesetzter Reihenfolge auslesbar ist, daß den Speichern eines Dipols Rechenstufen für eine Fast-Fourier-Transformation mit nachfolgender Schaltung zur Multiplikation ihrer komplexen Eingangssignale und zum Berechnen des Pha-

senwinkels dieses Produkts je Frequenz nachgeschaltet sind, wobei der Phasenwinkel die Phasendifferenz der komplexen Frequenzspektren der Empfangssignale eines Dipols für jede Frequenz angibt, daß die Phasendifferenzen auf einen Winkelrechner geschaltet sind, der aus einem Quotientenbildner und einer Rechenschaltung zum Bilden des Arcus Tangens unter Berücksichtigung der Vorzeichen der Phasendifferenzen besteht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9j dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Schaltung (8l bzw. 82) für Real- und Imaginärteil des Produkts mit einem Betragsbildner (92 bzw. 93) und mit je einem ersten Eingang zweier Divisionsstufen mit Summationsschaltung (121, 122 bzw. 123, 124) verbunden sind, deren zweite Eingänge mit dem Ausgang des Betragsbildners (92 bzw. 93) zusammongeschaltet sind, wobei Ausgangssignale der Divisionsstufe über eine vorgebbare Anzahl von Zeitintervallen in der Summationsschaltung aufsummiert werden, die in einer nachgeschalteten Vergleichsstufe (125 bzw. 126 bzw. 127 bzw. 128) ein Steuersignal bilden, wenn die Summe größer oder gleich einem Vergleichssignal ist, wobei das Ver-

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gleichssignal abhängig von Falschalarmwahrscheinlichkeit und Detcktionswahrscheinlichkeit einstellbar ist, daß die Vergleichsstufen (125, 126 bzw. 127, 128) mit TorschalttmgendlO bzw. 111) zur Freigabe auszuwertender Phasendifferenzen (φ₁_, φ_οι) verbunden sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7» 8 oder 9 zum Ausüben des Verfahrens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Darstellung der Einfallswinkel (V*) über der Frequenz in einem kartesischen Koordinatensystem auf einer elektronischen Anzeige (lld) die X-AbIenkung von der Frequenz, die Y-AbIenkung von der Winkelklasse und die Helligkeit vom Ergebnis der innerhalb der Winkelklasse aufsummierten Wellenenergie ansteuerbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 7» 8 oder 9 zum Ausüben des Verfahrens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Anzeige der Wellenenergie über Winkelklassen in kartesischen Koordinaten auf einem Bildschirm (116) einer elektronischen Anzeigevorrichtung die X-Ablenkung von den Winkelklassen und die Y-Ablenkung von dem Ergebnis der innerhalb der Winkelklassc aufsummiorten Wellenenergie ansteuerbar ist.

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