DE69317645T2

DE69317645T2 - Sonarsystem mit Korrelation

Info

Publication number: DE69317645T2
Application number: DE69317645T
Authority: DE
Inventors: Steven E. San Diego Ca 92124 Bradley; Francis D. San Diego Ca 92117 Rowe
Original assignee: ROWE DEINES INSTR Inc
Current assignee: ROWE DEINES INSTR Inc
Priority date: 1992-10-23
Filing date: 1993-10-22
Publication date: 1998-12-03
Anticipated expiration: 2013-10-23
Also published as: ATE164454T1; US5422860A; EP0619024B1; US5315562A; EP0619024A1; DE69317645D1; WO1994010583A1

Description

Stand der Technik der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Geschwindigkeitsmeßsysteme und insbesondere auf solche Systeme, die Korrelationsverfahren anwenden.

Beschreibung der diesbezüglichen Technologie

Es gibt eine Klasse von Systemen, die einen Abstand oder eine Geschwindigkeit mit Schallwellen messen. Diese Systeme umfassen Unterwassersonar und medizinische Abbildungsausstattung (nachfolgend allgemein als "Sonarsysteme" bezeichnet) Unterwassersonarsysteme können insbesondere als Strömungsprofil-Meßeinrichtungen, Geschwindigkeitslogs usw. vorliegen.
Eine Strömungsprofil-Meßeinrichtung ist eine Art eines Sonarsystems, das zum entfernten Messen einer Wassergeschwindigkeit über sich ändernde Bereiche verwendet wird. Strömungsprofil-Meßeinrichtungen werden in Süßwasserumgebungen wie Flüssen, Seen und Flußmündungen, wie auch in Salzwasserumgebungen, wie beispielsweise dem Ozean, zum Untersuchen der wirkungen von Strömungsgeschwindigkeiten verwendet. Die Messung genauer Strömungsgeschwindigkeiten ist in so verschiedenartigen Gebieten wie der Wettervorhersage, biologischen Untersuchungen von Nährstoffen, Umgebungsstudien von Abwasserverteilung und der kommerziellen Exploration natürlicher Ressourcen, einschließlich Öl, von Bedeutung.
Typischerweise werden Strömungsprofil-Meßeinrichtungen zum Messen von Strömungsgeschwindigkeiten in einer vertikalen Wassersäule für jede Tiefen-"Zelle" des Wassers bis zu einem maximalen Bereich verwendet, wodurch ein "Profil" aus Wassergeschwindigkeiten erzeugt wird. Das allgemeine Profilmeßsystem umfaßt einen Wandler, um Schallimpulse zu erzeugen (die wie "Pings" klingen, wenn sie in menschliche Hörfrequenzen heruntergewandelt werden), die vom Plankton, kleinen Teilchen und gering dimensionierten Inhomogenitäten im Wasser als Echos zurückgestreut werden.
Zwei wichtige Typen der Sonartechnologie, die für Strömungsprofilmessungen verwendet werden können, sind Doppler- und Korrelationsverfahren. Das grundlegende Konzept der Geschwindigkeitsmessung unter Verwendung der Signalkorrelation ist seit vielen Jahren bekannt. Zum Beispiel wurde 1964 an Dickey, Jr. das US-Patent Nr. 3,147,477 ("Dickey '477") ausgegeben, das ein System zum Messen einer Geschwindigkeit offenbart, das eine Quelle für eine Wellenenergie (oder ein übertragenes Signal), die zu einem Körper gerichtet ist, viele Empfangseinrichtungen mit einer bekannten Trennung zum Empfangen von Echos von dem Körper, eine Korrelationseinrichtung einschließlich einer Zeitverzögerungseinrichtung und eine Geschwindigkeits- Bestimmungseinrichtung umfaßt, die auf den Quotienten der Empfängertrennung und der Zeitverzögerung angewiesen ist. Obwohl das Patentdokument ein Ausführungsbeispiel eines Korrelationssystems für ein Radar (elektromagnetische Signale) verwendendes Flugzeug beschreibt, schlägt es ein Korrelationssystem für einen im Wasser befindlichen Behälter unter Verwendung von Sonar (Schallsignale) vor.
Für ein Korrelationssystem ist es unbedingt erforderlich, daß das übertragene Signal eine gewisse Ähnlichkeit zu sich selber haben muß, um bei der bestimmten Zeitverzögerung eine maximale Korrelation zu erzielen. Ein Korrelationssystem wurde durch Roeder et al. (US-Patent Nr. 4,103,302) offenbart, wobei eine Signalähnlichkeit durch das Erzeugen eines Impulszuges oder einer Abfolge wiederholter Impulse erzielt wurde. Entsprechend der Offenbarung bietet das Verwenden wiederholter Impulse gegenüber dem System mit kontinuierlichen Wellen (CW), das in Dickey '477 beschrieben ist, Vorteile, einschließlich einer vereinfachten Übertragungsquelle, einer Unempfindlichkeit hinsichtlich Veränderungen der Stellung des fördernden Fahrzeuges und einer verbesserten Genauigkeit und Zuverlässigkeit, die aus digitaler Elektronik herkommt.
Das US-Patent Nr. 4,244,026 von Dickey, Jr. ("Dickey '026"), das der EP-A-0 010 974 entspricht, erörtert ein Korrelationssystem unter Verwendung eines Impulszuges, von dem bei der Geschwindigkeitsmessung komplexe Korrelationswerte verwendet werden. Nach Dickey '026 bestimmt das Verfahren der Signalverarbeitung der komplexen Korrelationswerte Lagekomponenten durch das spezifische Fordern bei den Schritten der Verarbeitung der Korrelationswerte, daß die Abtastwerte eine kontinuierliche Funktion der Lage sind und daß das Kurvenanpassen der Abtastwerte an die Magnitude oder den Realteil der kontinuierlichen räumlichen Korrelationsfunktion erfolgt, um eine Abschätzung des Spitzenwertes der Korrelationsmagnitude zu bestimmen. Danach werden die Stellungskomponenten bzw. Lagekomponenten beim Korrelationspeak bzw. Korrelationsspitzenwert durch das Zweifache der Impulswiederholperiode des Impulszuges geteilt, um Geschwindigkeitsmessungen zu erzielen. Diese Signalverarbeitung ist in der Beschreibung von Dickey '026 bei Spalte 13, Zeilen 7 - 40 beschrieben.
Wie vorstehend angemerkt, kann die Korrelationssonartechnologie bei Strömungsprofil-Meßeinrichtungen verwendet werden. Beim Entwurf einer Strömungsprofil-Meßeinrichtung werden insbesondere unter einer Vielzahl von Faktoren Abstriche gemacht, die einen maximalen Profilierbereich und zeitliche, räumliche (die Größe der Tiefenzelle) und geschwindigkeitsbedingte Auflösung einschließen. Die zeitliche Auflösung ist auf die Zeit bezogen, die zum Erzielen einer Geschwindigkeitsabschätzung mit dem erforderlichen Genauigkeitsgrad erforderlich ist. Bei typischen Anwendungen wird eine Strömungsprofil-Meßeinrichtung eine Reihe von Messungen vornehmen, die dann miteinander gemittelt werden, um eine einzelne Geschwindigkeitsabschätzung mit einem akzeptierbaren Maß der Geschwindigkeitsvarianz oder eines quadratischen Fehlers zu erzeugen.
Über die letzten zehn Jahre hinweg wurde die akustische Dopplertechnologie für Kurz- und Mittelbereichsströmungsprofil- Meßeinrichtungsanwendungen, wie beispielsweise das Messen einer Sedimentbewegung in Flüssen und Flußmündungen, erfolgreich entwickelt. Um die größeren Bereiche zu erzielen, die zum Untersuchen von Wassergeschwindigkeiten bei großen Ozeantiefen erforderlich sind, müssen tiefere Frequenzen verwendet werden, so daß Energieverluste aufgrund der Schallabsorption durch das Wasser bei handhabbaren Intensitäten gehalten werden können. Obwohl es keine grundsätzliche Beschränkung hinsichtlich der Dopplertechnologie gibt, die die Anwendung tiefer Frequenzen verhindert, gibt es eine praktische Begrenzung aufgrund der großen Größe der akustischen Wandler, die für diese tiefen Frequenzen erforderlich sind. Bestehende Korrelationssonartechniken messen Strömungsgeschwindigkeiten durch das Senden zweier kurzer Impulse von einem relativ kleineren Wandler längs eines akustischen Strahls mit einem entsprechend weiteren Winkel. Durch eine sorgfältige Kreuzkorrelation der räumlich abgetasteten Rückkehrwerte ist es möglich, den Versatz der akustischen Ziele innerhalb des Strahls von einem Impuls zum nächsten zu bestimmen und daher deren durchschnittliche Geschwindigkeit zu berechnen. Der primäre Vorteil eines Korrelationssonars besteht darin, daß das Korrelationssonar hinsichtlich vergleichbar bemessener Systeme in der Lage ist, einen niedrigeren Frequenzleistungsbereich zu verwenden, und daher potentiell wesentliche Strömungsprofilbereiche verstärkt.
"Akustische Grundablagerungs-Geschwindigkeitsabschätzungen unter Verwendung einer Breitband-Impuls-zu-Impuls- Zeitkorrelationstechnik" von D. Sutton und J. Jaffe, 1992 ("Sutton"), erörtert ein Breitband-Korrelationssonarsystem unter Verwendung mehrerer Wandler und Impulse. Bei Sutton wird eine Zeitreihe eines Empfängers hinsichtlich der Zeit einer Autokorrelation unterzogen (d. h., ein Impuls wird mit einem späteren Impuls autokorreliert). Diese Autokorrelation wird in einem Maximum-Likelihood-Algorithmus verwendet, der in der Lage ist, nur eine Vektorkomponente des dreiachsigen Geschwindigkeitsvektors zu finden. Dies ist i. a. ein grundsätzliches Prinzip von traditionellen Doppler- Sonarsystemen. Um den vollständigen dreiachsigen Geschwindigkeitsvektor zu bestimmen, ist es erforderlich, getrennte Strahlen von Schall vorliegen zu haben, die zu (i. a.) verschiedenen Abschnitten des Seebettes gerichtet sind, wobei für jeden Strahl verschiedene stochastische Zeitreihen erzeugt werden. Das ML-Verfahren wird dann auch getrennt auf jede Zeitreihe angewendet, um dann getrennt eine Vektorkomponentengeschwindigkeit von jeder der Zeitreihen zu erzeugen. Um den vollständigen dreikomponentigen Geschwindigkeitsvektor auszubilden, werden später einzelne ML- Abschätzungen unter Hilfe der Tatsache kombiniert, daß jede eine Komponente eine Geschwindigkeit in einer verschiedenen Richtung darstellt.
Nichtsdestotrotz ist es erst unlängst gewesen, daß die berechnungsbedingte Last, die für hochentwickelte Signalverarbeitungsverfahren erforderlich ist, die für eine genaue Korrelationsverarbeitung erforderlich sind, durch Fortschritte in den Halbleiter- und Computerarchitekturbereichen durchführbar wurde. Die verbesserte Signalverarbeitung sollte eine Einrichtung für eine Bodennachführung umfassen, so daß das Korrelationssonar auch als eine Navigationseinrichtung dienen kann. Es wäre auch wünschenswert, einzelnen Anwendern die Flexibilität ausgewählter Abstriche bei der Standardabweichung und der Profilierungsauflösung zu ermöglichen, um so den Bereich zu maximieren.

Darstellung der Erfindung

Die vorstehend genannten Erfordernisse werden durch die vorliegende Erfindung erfüllt, die ein Korrelationssonarsystem unter Verwendung eines Monoimpuls-Übertragungsverfahrens und eines Maximum-Likelihood-Verfahrens der Signalverarbeitung umfaßt, wie dies in Anspruch 1, 9 bzw. 19 definiert ist.
Beim vorliegend vorgeschlagenen Ausführungsbeispiel der Erfindung führt das Korrelationssystem die Funktionen einer Strömungsprofil-Meßeinrichtung, die Strömungsgeschwindigkeiten in einer Wassersäule mißt, und einer Bodennachführeinrichtung aus, die die Behälter- bzw. Schiffsgeschwindigkeit relativ zum Boden eines Wasserkörpers, beispielsweise des Ozeans, mißt. Grundsätzlich beginnt das vorliegende erfinderische System mit der Durchführung von Geschwindigkeitsmessungen durch das Senden bzw. Übertragen eines einzelnen, ununterbrochenen akustischen Impulses in das Wasser. Dieser Impuls hat eine lange Dauer, um so nicht nur eine Korrelationsverzögerung, die geringer als die Impulsbreite ist, zu bieten, sondern auch, um typischerweise gleichzeitig alle der "Streuelemente" auf dem Boden per Sonar zu erfassen.
Der einzelne Impuls wird typischerweise über eine ausreichende Dauer übertragen, um sowohl den Bereich zeitlicher Verzögerungen hinsichtlich aller Streuelemente in der Wassersäulenzelle (und am Boden), wie auch die zeitliche Verzögerung hinsichtlich der Korrelationsverarbeitung zu umfassen. Der einzelne Impuls kann zum Verringern der Rauschvarianz der gemessenen Geschwindigkeit codiert sein, z. B. unter Verwendung einer Phasencodierung.
Die Impulsechos, die erzeugt werden, wenn der Impuls auf gering bemessene Inhomogenitäten im Wasser und dann den Boden trifft, werden durch einen Satz Wandler empfangen. Die durch die Wandler empfangenen Impulsechos werden dem System intern als komplexe Werte dargeboten. Diese komplexen Werte, die von jedem Wandler abgeleitet werden, werden mit jenen von anderen Wandlern zu verschiedenen Zeitversätzen (typischerweise 0 und τ) in allen möglichen Permutationen kreuzkorreliert, um komplexe Korrelationswerte auszubilden. Auf diese Weise wird aus dem Prozeß sowohl eine räumliche als auch eine zeitliche Information abgeleitet.
Die komplexen Korrelationswerte werden nicht hinsichtlich der Korrelationsmagnituden bzw. -größen umgewandelt, sondern die komplexen Korrelationswerte, die eine explizite Phaseninformation behalten, werden eher zum Ausbilden einer Wahrscheinlichkeitsfunktion verwendet. Hypothetische Parameter, wie beispielsweise das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis, der Seebett-Neigungswinkel, Parameter, die die Seebettrauheit kennzeichnen, und eine dreikomponentige Geschwindigkeit (vx, vy, werden mit den komplexen Korrelationswerten kombiniert, um eine Wahrscheinlichkeit zu erzielen. Das Kombinieren der hypothetischen Parameter und der komplexen Korrelationswerte zu einer Wahrscheinlichkeit wird mathematisch unter Verwendung einer bedingten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (siehe z. B. Gleichung B.15 auf S. 348 in Statistical Theory of Signal Detection, Carl Helstrom, Pergamon Press, 1968) bewirkt. Hypothetische Parameter werden dann durch ein Modell eingestellt, um die Wahrscheinlichkeit zu maximieren. Dieses Verfahren ist entsprechend als das Maximum-Likelihood-Verfahren bekannt.
Typischerweise werden die komplexen Werte mit einem Null-Lag bzw. einer Null-Verzögerung und mit der Autokorrelationsverzögerung korreliert, wo es einen Peak bzw. Spitzenwert in der Autokorrelation des Impulses gibt, und zudem kann es nützlich sein, auch andere Verzögerungen zu korrelieren. Folglich kann ein Satz aus Übertragungscodeabfolgen gespeichert werden, so daß eine aus dem Satz aufgrund der Höhe oder den Zellenauflösungsanforderungen und aufgrund einer Autokorrelationsverzögerung ausgewählt werden kann, die für das Anwenden für einen gegebenen Geschwindigkeitsbereich am geeignetsten sein kann.
Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen, die in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet werden, besser ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines seegängigen Schiffs, das eine Einrichtung zum Erzeugen einer Mehrfachimpuls-Schallenergie in das Wasser verwendet;
Fig. 2 ist ein vereinfachtes Wellenformdiagramm, das dem Verfahren der Schallübertragung entspricht, die in Fig. 1 dargestellt ist;
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines im Wasser fahrenden Schiffes unter Verwendung einer Einrichtung zum Erzeugen einer Monoimpuls-Schallenergie im Wasser;
Fig. 4 ist ein vereinfachtes Wellenformdiagramm, das zum Verfahren der Schallübertragung gehört, die in Fig. 3 dargestellt ist;
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines typischen Korrelationssonarszenarios, wobei ein Wasservolumen, dem ein Seebett folgt, mittels eines Impulses mit einem zeitlichen Autokorrelationsspitzenwert bei einer Zeitverzögerung von τc mit Sonar untersucht wird;
Fig. 6 ist ein Ausdruck der Autokorrelationsfunktion von einem bevorzugten 300-elementig codierten Impuls der vorliegenden Erfindung, wobei die x-Achse als codeverzögerung in Elementen und die y-Achse als einheitenloser Autokorrelationskoeffiz ient definiert sind;
Fig. 7 ist ein beispielhafter Ausdruck des Amplitudenantwortlogs eines Echos bei verschiedenen Tiefen, der den Unterschied zwischen der wahren Seebettreflexion und von sekundären Reflexionen zeigt, die durch ein Bodennachführteil der vorliegenden Erfindung unterschieden werden;
Fig. 8a ist ein Streudiagramm eines beispielhaften Strömungsprofils, das durch ein bevorzugtes Korrelationssonar-Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erzeugt ist, wobei das Ost/West-Profil als eine Funktion der Tiefe gedruckt ist;
Fig. 8b ist ein Streudiagramm eines beispielhaften Strömungsprofils, das mittels eines bevorzugten Korrelationssonar-Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung erzeugt ist, das das Nord/Süd- Profil als eine Funktion der Tiefe gedruckt darstellt;
Fig. 8c ist ein Streudiagramm eines beispielhaften Strömungsprofils, das durch ein bevorzugtes Korrelationssonar-Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erzeugt ist, das das vertikale Profil als eine Funktion der Tiefe gedruckt darstellt;
Fig. 9a ist eine seitliche Ansicht einer bevorzugten mechanischen Anordnung für ein Korrelationssonar- Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9b ist eine Draufsicht der mechanischen Anordnung für das in Fig. 9a dargestellte Korrelationssonarsystem;
Fig. 10 ist ein Blockdiagramm des in Fig. 9 dargestellten Korrelationssonarsystems;
Fig. 11 ist ein Ablaufdiagramm der Computersoftware für das Korrelationssonarsystem, wie es in der Elektronikanordnung ausgeführt wird, die in Fig. 10 dargestellt ist; und
Fig. 12 ist ein Ablaufdiagramm der Computersoftware für die Maximum-Likelihood-Funktion, die in Fig. 11 dargestellt ist.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Nun wird Bezug auf die Zeichnungen genommen, wobei gleiche Bezugszeichen durchgehend auf gleiche Teile bezogen sind. Die nachfolgende detaillierte Beschreibung ist in Abschnitte I - V gegliedert. Abschnitt I erörtert alternative Impulserzeugungstechniken, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Abschnitt II stellt die vorliegend bevorzugte Korrelationssonarhardware dar. Abschnitt III gibt eine Übersicht über die Prinzipien der Maximum-Likelihood- Abschätzung. Abschnitt IV erörtert mehrere Verfahren zum Berechnen der Modell-Korrelationsmatrix als eine Funktion unbekannter Parameter. Abschnitt V beschreibt den Betrieb des vorliegend bevorzugten Korrelationssonars. Die nachfolgende Erörterung beschreibt insbesondere ein vorliegend bevorzugtes Korrelationssonar; jedoch wird es ersichtlich sein, daß die vorliegende Erfindung andere Typen von Korrelationssystemen ebenso umfaßt.

I. IMPULSERZEUGUNGSERÖRTERUNG

Fig. 1 ist ein idealisiertes Szenario für ein Korrelationssonar, das ein im Wasser fahrendes Schiff 100 darstellt, das in einem Wasserkörper 102 mit einem Boden 104 schwimmt. Das Schiff 100 verwendet ein Mehrimpuls- Korrelationssonarsystem (nicht dargestellt), das zwei Empfänger aufweist, um den Boden 104 nachzuführen und die Schiffsgeschwindigkeit zu bestimmen. Das System überträgt einen ersten engbandigen bzw. schmalen Impuls 106, um einen schmalen Streubereich von Streupunkten bzw. Streuelementen auf dem Boden 104 zu identifizieren, und wiederholt dann das Erzeugen eines zweiten engbandigen Impulses 108, um die gewünschte Korrelation bei dem übertragenen Signal mit einer vorbestimmten Verarbeitungsverzögerung zu erzielen. Die beiden Impulse 106, 108 behalten eine Abstandsbeziehung von τc, dem Impulswiederholungsintervall, mal der Geschwindigkeit des Schalls im Wasser, C, bei.
Zum Beispiel demonstriert Fig. 2 das Konzept einer wiederholten Impulsübertragung, wobei ein Impulsechopaar 106' und 108", das entsprechend zu den ersten und zweiten Impulsen 106, 108 gehört, bei zwei Empfängerstellen an den vorderseitigen ("fwd") und rückseitigen Teilen des Schiffs 100 (Fig. 1) in hohem Maße korreliert, wenn sich das Schiff mit einer Geschwindigkeit etwa gleich dem Abstand der Trennung zwischen den beiden Empfängern geteilt durch das Zweifache des Zeit intervalls zwischen zwei übertragenen Impulsen vorwärtsbewegt. Hinsichtlich der oberen Zeile von Fig. 2 wird angemerkt, daß die Zeit nach links hin zunimmt (d. h., Impuls 108 wird nach Impuls 106 erzeugt); wohingegen die Zeit in den Zeilen zwei und drei nach rechts hin zunimmt (d. h., der Empfang von 108' und 108" erscheint nach dem Empfang von 106' bzw. 106").
Die Auflösung des unterschiedlichen Bereichs hinsichtlich Bodenstreuelementen 104, die gleichzeitig bestrahlt werden können, ist durch die Breite bzw. Dauer der Impulse 106, 108 (Fig. 1) beschränkt. Dies bewirkt, daß der Anfangsteil des zurückkehrenden Echos 106' (und 106") von einem mittleren Punkt an dem Boden 104 unter dem Sonarsystem zuerst kommt und dann später Teile von rückkehrenden Echos 106' (und 106") von Streupunkten an dem Boden 104 kommen, die von dem Punkt versetzt sind, und somit von einem größeren Bereich von dem System als dem zentralen Punkt. Nach einer Zeitdauer sieht das System die Streupunkte, die jenseits der Senderstrahibreite liegen, und die Signalintensität wird ausgeblendet, wie dies durch die Rampenform des Endteils des empfangenen Echos 106' (und 106") in Fig. 2 gezeigt ist. Zu einem späteren Zeitpunkt trifft ein zweiter Impuls 108 den Boden 104, und das Szenario wiederholt sich.
Da die empfangene Signalintensität über die Zeit gedämpft wird oder, mit anderen Worten, der vorauseilende Teil des Echos wesentlich verschieden von dem nachlaufenden Teil ist, sollte die Korrelationsverzögerung des Mehrimpulssystems (d. h. die Zeit zwischen Impulsen τc) gleich oder länger als die Bodenbeleuchtungszeit bzw. Bodenbestrahlungszeit (d. h. die Impulsdauer) sein. Falls es anders wäre, würde das System die Geschwindigkeit mit einer deutlich verringerten Genauigkeit abschätzen, die durch eine Interferenz zwischen Impulsen verursacht würde.
Das Takten des bevorzugten einzelnen Impulses oder Monoimpulses und die Übertragung der vorliegenden Erfindung sind gegenüber dem Mehrimpulssystem recht verschieden. Fig. 3 stellt ein Szenario ähnlich Fig. 1 dar; jedoch verwendet das Schiff 100 in Fig. 3 ein Monoimpuls-Korrelationssystem. Eine vereinfachte Impulswellenform des vorliegend bevorzugten Systems ist in Fig. 4 dargestellt. Die Dauer eines einzelnen übertragenen Impulses 110 ist typischerweise lang im Vergleich zur Bereichsstreuung der Streupunkte am Boden 104 (Fig. 3). Das einzelne zurückkehrende Echo 110', 110", das durch die vorderseitigen und rückseitigen ("aft") Empfänger empfangen wird, entspricht hinsichtlich der Länge bzw. Dauer grob dem übertragenen Impuls 110, und daher werden die Streupunkte am Boden 104 innerhalb der Strahlbreite typischerweise alle gleichzeitig gesehen.
Im allgemeinen ist der einzelne Impuls codiert, z. B. phasencodiert, um einen vorbestimmten Autokorrelationspeak bzw. -spitzenwert zu bekommen. Die Modulation oder Codierung ist beim rückkehrenden Echo 110" des hinteren Empfängers im Vergleich zum Echo 110', das durch den vorderseitigen ("fwd") Empfänger empfangen wird, zeitlich verschoben oder verzögert. Diese Zeitverschiebung zeigt die Dauer der Zeit an, in der das Schiff 100 eine Strecke gleich der Hälfte der Strecke zwischen den Empfängern überquert. Daher muß die Korrelationsverzögerung des vorliegend bevorzugten Systems stets geringer als die Dauer des einzelnen Impulses sein, was im Gegensatz zur Mehrimpulstechnik steht, bei der diese typischerweise größer oder gleich der Impulsdauer ist.
Fig. 5 stellt ein typisches Korrelationssonarszenario dar. Das Wasservolumen in einem Strahl 112 und das Seebett 104, das eine "effektive" Neigung hat, die durch Winkel α und β gemessen wird, wird mittels eines codierten Impulses, der durch einen relativ breitstrahligen akustischen Wandler (nicht dargestellt) mit der Breite Θ und der Mittelfrequenz f&sub0; er zeugt wird, unter Verwendung von Sonar untersucht. Die Natur eines einzelnen codierten Impulses ist so, daß die Autokorrelationsfunktion des Impulses einen zeitlichen Autokorrelationsspitzenwert bei einer vorbestimmten Zeitverzögerung von τc besitzt. Die zurückkehrenden Druckwellen werden hinsichtlich der Zeit von verschiedenen räumlichen Stellen betrachtet. Es wird angemerkt, daß zu einer augenblicklichen gegebenen Zeit nur Streuzentren empfangen werden, die innerhalb einer Reihe von ringartigen Strukturen, z. B. 114, auf dem Seeboden 104 sitzen. Mit zunehmender Zeit wird der Radius dieser Ringe größer. Die Signalrückkehr von einem Empfänger zu einem Zeitpunkt t ist in hohem Maße mit der Rückkehr von einem anderen Empfänger zu einem Zeitpunkt t+τc korrelierbar, vorausgesetzt daß die Streupunkte in einer Zeit τc um genau eine Hälfte der räumlichen Vektordifferenz zwischen den beiden Empfängern bewegt wurden.
Dieser Effekt wird als "Wellenforminvarianz" bezeichnet. Gleichermaßen setzt die "Wellenforminvarianz" voraus, daß die Zeitgebietsrückkehr von einer Reihe ortsfester Streupunkte nicht von der genauen Lage des Senders und des Empfängers, sondern eher nur vom Mittelpunkt des Liniensegments abhängt, das den Sender und den Empfänger verbindet. Das Prinzip der wellenformunabhängigen Geometrie nimmt nur an, daß die vertikale Distanz zu den Streupunkten, verglichen zur Wandlerelementtrennung, groß ist. Für das Korrelationssonar liegt die Trennung bzw. Beabstandung der Wandler typischerweise in der gleichen Größenordnung wie die Wellenlänge des Schalls, und daher wird diese Annäherung in nahezu jedem denkbaren Fall angewendet. Ein anderes interessantes Merkmal der Wellenforminvarianz ist das vollständige Fehlen jeglicher Abhängigkeit der Horizontalgeschwindigkeit von der Schallgeschwindigkeit im Wasser.
Die von zwei verschiedenen Wandlern empfangenen Signale können mit einer Zeitverzögerung τc, die dem Autokorrelationsspitzenwert des übertragenen Impulses entspricht, kreuzkorreliert werden. Durch das Verwenden einer Verschiedenheit von Empfängerwandlern, die verschiedene beiderseitige räumliche Trennungsvektoren bzw. Beabstandungsvektoren aufweisen, ist es möglich, nach dem Vektorversatz zu suchen, der zum Maximum der Korrelationsfunktion gehört.
Die tatsächliche Situation für das Korrelationssonar ist komplizierter. Grob gesagt, enthält die Lage des Maximums der Amplitude der Korrelationsfunktion Informationen über die "horizontale" Geschwindigkeit, während die zugehörige Phase der Korrelationsfunktion Informationen über die "vertikale" Geschwindigkeit enthält. Jedoch schätzt der Maximum-Likelihood- Signalverarbeitungsalgorithmus, der bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, die Geschwindigkeit über ein Mittel, das weder versucht, den Spitzenwert der Magnitude der Korrelationsfunktion hinsichtlich der Lage zu suchen, noch die Phase unter dem Spitzenwert zu bestimmen, sondern eher alle verfügbaren Korrelationen in deren vollständiger komplexer Form aufnimmt, um den wahrscheinlichsten Geschwindigkeitsvektor zu bestimmen. Zusätzlich müssen Komplikationen angesprochen werden, die die Werte des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) und die mögliche Sensorhöhen- und Roll- bzw. Schwimmänderungen zwischen Senden und Empfangen betreffen. Zum Beispiel sind die Winkel α und β auf eine "effektive" Seebettneigung und/oder Wandlerneigung aufgrund der Schiffsbewegung unterzogen. Die Winkel α und β enthalten auch Informationen bezüglich der Strahlmuster des Senders und der Empfänger, wie auch der Winkelstreustärke des Seebettes. Diese zusätzlichen Komplikationsfaktoren neigen dazu, die α- und β-Winkel zu "effektiven" α- und β-Winkeln geringfügig zu modifizieren, die geringfügig verschieden von den physikalischen Winkeln sind, die geometrisch auf das Sensorkoordinatensystem hinsichtlich des Seebettkoordinatensystems bezogen sind. Daher besteht ein Schlüssel zu einer erfolgreichen Korrelationssonar- Geschwindigkeitslogfunktion der vorliegenden Erfindung in der optimalen Bestimmung des unbekannten dreiachsigen Geschwindigkeitsvektors aus den verschiedenen komplexen Kreuzkorrelationsfunktionen, die aus den Daten gebildet werden, die durch die verschiedenen Empfänger gesammelt werden.
Nimmt man nun auf Fig. 6 Bezug, bietet die Anwendung eines codierten Impulses beim vorliegend bevorzugten Korrelationssystem Autokorrelationseigenschaften, die ermöglichen, das Code-Unterabschnitte ähnlich, jedoch nicht notwendigerweise identisch sind. Darüberhinaus wird eine solche Codierung nicht zum Erzielen einer verbesserten räumlichen Auflösung verwendet (sie wird zum Verbessern des Rauschmittelns verwendet), und daher ist die Wellenform nicht codiert, um so die gleiche Funktion wie ein wiederholter Impuls zu erzielen. Tatsächlich sind nicht identische Code-Abschnitte manchmal absichtlich konstruiert, Nullen an jeder Seite des gewünschten Autokorrelations-Spitzenwertversatzes vorzusehen, was die Verschlechterung von Geschwindigkeitsabschätzungen verringert, was durch Autokorrelations-Nebenbereichsverfälschungen verursacht werden kann.
Impulscodiertechniken sind in der Lage, mehr Energie in das Wasser zu bringen, die zum Streuen verfügbar ist, wobei die erforderlichen Korrelationseigenschaften bei einem Zeitversatz τc beibehalten werden. Es ist möglich, einen Vorteil aus dieser Technik zu ziehen, um den Energiegehalt des Impulspaketes zu erhöhen, während die hohe Bandbreite des Systems beibehalten bleibt. Das Einbringen von mehr Energie pro Ping in das Wasser ist wesentlich, um die Bereichsleistungsfähigkeit des vorliegenden Korrelationssonarsystems zu erhöhen.
Fig. 6 stellt einen bevorzugten codierten Impuls dar. Die vorliegend verwendete primäre Impulscodiertechnik umfaßt Pseudo-Zufallscodes, die nun durch ein Codefindungsprogramm erzeugt werden. Die Länge des Code wird zusammen mit der gewünschten Zeitverzögerung für die Korrelation bestimmt. Das offline bzw. getrennt vom Sonarsystem laufende Computerprogramm sucht dann nach der optimalen codierten Impulssequenz. Das Programm führt viele Optimierungssuchläufe durch und verliert das beste Ergebnis nicht aus dem Auge. Die entsprechende Lösung wird dann zu einer Platte geschrieben. Das vorliegend bevorzugte Modulationsverfahren ist ein Zweiphasen- Codierungsschema. Die Trägerphase wird moduliert, um für jedes Element 0 oder 180º anzunehmen. Fig. 6 stellt eine beispielhafte 300-elementige Impulscodeabfolge dar, die einen Autokorrelations-Nebenbereichsspitzenwert mit einer 101- elementigen Verzögerung bewirkt. Vorzugsweise stellt jedes Impulselement mehr als zwei und weniger als zehn Trägerzyklen dar.
Der vorliegend bevorzugte Codefindungsprozeß wird beschrieben, wie folgt. Zuerst wird unter Verwendung bekannter Verfahren ein Zufallscode erzeugt. Die Autokorrelationsfunktion für den anfänglichen Zufallscode wird berechnet. Dann wird aufgrund der Autokorrelationsfunktion eine Kenngröße bzw. die Steilheit berechnet. Die Kenngröße ist auf die Summe von Quadraten aller Höhen geteilt durch das Quadrat der Höhe bei einem gewünschten Spitzenwert oder einer Zeitverzögerung für die Korrelation bezogen. Die besten Werte für die Kenngröße sind niedrig und i. a. nahe 1.
Es werden viele Versuche durchgeführt, wobei jeder Versuch mit einem neuen Zufallscode beginnt. Innerhalb jedes Versuchs kann der Code verändert werden und eine neue Kenngröße, die auf dem mutierten bzw. veränderten Code beruht, wird mit der besten Kenngröße für diesen Versuch verglichen. Falls herausgefunden wird, daß der Code besser als der beste für diesen Versuch ist, werden die Codeelemente mit einer geringen Rate verändert, gewöhnlich eines pro Zeiteinheit, und eine sorgfältigere Suche wird in der Nähe des Code durchgeführt. Falls keine Verbesserung gefunden wird, wird die Anzahl von Codeelementen, die verändert werden, allmählich erhöht, bis eine vorbestimmte Anzahl von Codeelementen erreicht ist. Jedesmal wenn ein neuer Versuchsbestwert gefunden wird, wird der Prozeß verlangsamt, um ein Element zu verändern, um in der Nachbarschaft besser suchen zu können. Nach einer vorbestimmten Anzahl von Veränderungen wird der Bestwert von dem momentanen Zufallscode gesichert, und die Prozedur beginnt durch das Erzeugen eines neuen Zufallscode wieder ganz von vorne.
Wenn in jedem zufällig gesetzten Versuch ein bester Code gefunden wurde, ist es möglich, bei dem Ende eine Nachführung hinsichtlich einiger Codeelemente zu versuchen, was die Verzögerungen bzw. Lags an jeder Seite des gewünschten Spitzenwertes zu Null zwingen wird. Manchmal hat diese Prozedur keine Lösung, und der Code wird verworfen. Falls dies möglich ist, werden die Codeelemente an den besten Code angefügt, und die Kenngröße für den neu ausgebildeten Code wird mit dem vorliegenden Gesamtbestwert von allen Versuchen verglichen und falls dieser überlegen ist, wird er als der neue vorherrschende Bestwert gesichert.
Fig. 7 verdeutlicht ein beispielhaftes Echosignal von einem Sonarsstem im Wasser mit dem Seebett 104 (Fig. 5) bei einer Tiefe von 34 m. Nach der Übertragung eines codierten Impulses zeichnet jeder Empfänger des Korrelationssonarsystems Echodaten auf. Bevor irgendwelche Korrelationen oder eine Geschwindigkeitsabschätzung auftreten können, müssen die Daten durchsucht werden, um den Abstand zum Seebett zu bestimmen, und daher der Teil der zu verarbeitenden Daten. Das Seebett wird durch Untersuchen der Amplitude der Antwort als eine Funktion der Zeit erfaßt. Im allgemeinen wird das Rückkehrsignal aus dem Wasservolumen aufgrund der sphärischen Streuung und von Absorptionsverlusten abnehmen. Der Impuls wird bei einigen Punkten vom Seebett reflektiert, was zu einem großen Anstieg der zurückgestreuten Intensität führt.
Eine angepaßte Filterannäherung wird verwendet, um den Bodenbereich aus dem reflektierten Signal zu bestimmen. Das vorliegend bevorzugte angepaßte Filterverfahren ist eine modifizierte Version von dem, das im US-Patent Nr. 5,122,990 für Deines et al. beschrieben ist, was hiermit unter Bezugnahme aufgenommen wird.
Die Beispielsfelddaten der Fig. 7 tragen den Logarithmus bzw. Log der Amplitude des empfangenen Signals als eine Funktion der erscheinenden Tiefe auf, die durch Multiplizieren von ½ der Geschwindigkeit des Schalls mal der Zeit abgeleitet wird. Das aus dem Wasser rückkehrende Signal verringert sich am Anfang des Datenstroms schnell, und zwar in diesem Fall aufgrund der Verwendung einer Betriebsfrequenz von 76,8 kHz und der Reinheit des Wassers. Bei einem Bereich von etwa 34 m beginnt die Seebettreflexion. Bei dem Zweifachen der ersichtlichen Entfernung gibt es einen zweiten "bump" bzw. Stoß, der einer zweiten Reflexion des anfänglich übertragenen Impulses entspricht, und zwar hinunter zum Seebett, wieder zurück zur Wasser-Luft-Grenzfläche, erneut hinunter zum Seebett, wo er zum Empfänger zurückreflektiert wurde. Abhangig von der übertragenen Energie, der Absorption und der Tiefe des Seebettes können gelegentlich multiple Reflexionen der dritten und höheren Ordnung beobachtet werden. Die Breite bzw. Dauer des Rückkehrsignals ist eine Funktion der Länge des übertragenen Impulses und des Bereichs zum Seebett. Aufgrund thermischen Rauschens, Umgebungsrauschens im Wasser und Strömungsgeräuschen erzeugt der Empfänger stets ein bestimmtes bzw. finites Signal, das einem Störpegel entspricht.

II. BESCHREIBUNG DER KORRELATIONSSONARHARDWARE

Wie vorstehend angemerkt, kann die vorliegende Erfindung als ein Korrelationssonarsystem ausgeführt werden, das Momentanprofilierungs- und Bodennachführungsfunktionen aufweist. Die Fig. 8a, 8b und 8c stellen Geschwindigkeitsmessungen in einem Wasserprofil gemäß einer bevorzugten Momentanprofilierungsfunktion der vorliegenden Erfindung dar. Fig. 9a stellt eine Seitenansicht der mechanischen Anordnung, allgemein mit 202 bezeichnet, dar, die die Elektromechanik der Wandler aufnimmt und schützt, die zum Umsetzen des vorliegend bevorzugten Korrelationssonars der Erfindung verwendet wird. Eine EIN/AUS- bzw. I/O- Verbindungseinrichtung (nicht dargestellt) ist an der Rückseite der Wandleranordnung 202 so angeordnet, daß Daten über ein Übertragungskabel 220 zu den beiden anderen Untersystemen des Korrelationssonarsystems 200 (Fig. 10) übertragen werden können.
Eine Draufsicht des vorderseitigen Endes der Wandleranordnung 202 ist in Fig. 9b dargestellt. Das Ausführungsbeispiel der Anordnung 202, die dargestellt ist, weist eine Betriebsfrequenz von 22 kHz auf. Jedoch ist die Wandleranordnung 202 als eine modulare Einheit aufgebaut, so daß andere Frequenzen unter Verwendung verschiedener Anordnungsgehäuse entsprechend den verschieden bemessenen Wandlern bestimmt werden können, wenn dies durch die ausgewählte Frequenz vorbestimmt wird. Sieben Wandlerelemente sind zusammen in einer hexagonalen Anordnung gepackt (ein Wandler in der Mitte des Hexagons). Alle sieben der hexgepackten Elemente (fünf mit 208 bezeichnet und zwei mit 210 bezeichnet) werden als Senderwandler verwendet. Zwei der hexgepackten Elemente 210 und sechs andere getrennte Elemente, die in der Anordnung entsprechend einer Optimierung von Vektordifferenzen zwischen Wandlern angeordnet sind, werden als Empfängerwandler 210 verwendet. Jedes Wandlerelement 208, 210 hat einen Durchmesser von etwa 2". Natürlich können auch andere Anzahlen, Größen, räumliche Trennungen und Sender/Empfänger- Zuweisungen der Wandler konfiguriert werden.
Die verdeutlichte Wandleranordnung 202 weist bei einem Gewicht von weniger als 150 Pfund einen Durchmesser von etwa 18" und eine Länge von etwa 11" auf und hat einen Momentanprofilierungsbereich (bei einer Bin-Auflösung, die etwas geringer als die eines Dopplersystems ist) von etwa 1.200 m, etwa dem Doppelten der Tiefe eines konventionellen 75kHz-Dopplersystems. Zum Vergleich, der Bodennachführungsbereich von einem 75kHz-Dopplersystem mit einem Gewicht von etwa 350 Pfund und mit einer Länge von etwa 1 m beträgt etwa 1.500 m. Jedoch beträgt der Bodennachführungsbereich des vorliegend bevorzugten 22kHz-Systems 5.000 m oder 16.000 Fuß.
Ein funktionelles Blockdiagramm des bevorzugten Korrelationssonarsystems 200 umfaßt die in Fig. 9 dargestellte Wandleranordnung 202 und eine Elektronikanordnung 204, die an einen Hostcomputer 214 gekoppelt ist. Andere Aufbauformen können ein mikroprozessorbasiertes System innerhalb der Elektronikanordnung 204 umfassen, um die Notwendigkeit des getrennten Hostcomputers 214 zu vermeiden. Im allgemeinen wird das Korrelationssonarsystem auf einem Schiff, beispielsweise dem in Fig. 5 dargestellten Schiff 100, befördert; jedoch sind auch Unterwasserfahrzeuge oder feststehende Befestigungseinrichtungen, wie eine Plattform oder Bojenbefestigungen, möglich.
Die Wandleranordnung 202 weist die Wandlerelemente 208, 210 auf, die zum übertragen von Codeabfolgen elektrische Energie in akustische Energie umwandeln, und empfangene akustische Energie für eine Analyse in elektrische Energie umwandeln. Die Anordnung 202 weist ferner einen Satz von Tunern bzw. Abstimmvorrichtungen 216 zum Abstimmen der Wandlerelemente auf, um sie mit einer geeigneten Betriebsfrequenz und Impedanz zu betreiben, und für die empfangenden Wandlerelemente einen Satz von Empfängern bzw. Receiver 218, um das empfangene Signal für eine Übertragung zur Elektronikanordnung 204 durch ein Unterwasserkabel 220, das vorliegend ein 19mm-Mehrfachabschirmungskabel ist, das mit der I/O- Verbindungseinrichtung (nicht dargestellt) der Wandleranordnung 202 verbunden ist, auf den geeigneten Pegel zu verstärken.
Die Elektronikanordnung 204 umfaßt einen Satz aus vier Demodulatorplatten 222, wobei jede Platte 222 einen Sinus- und einen Cosinus-Kanal für zwei der empfangenden Wandler 210 aufweist. Die Demodulatorplatten 222 wandeln das empfangene Signal in digitale Basisband-(Niederfrequenz-)-Frequenzen, wobei sie so eine Analog-digital-(A/D-)-Schaltungsanordnung aufnehmen. Vorliegend sind die komplexen Daten eng beschränkt, und jeder Abtastwert weist einen von vier binären Zuständen auf, die in zwei Bit enthalten sind, und zwar ein Bit pro Quadraturkomponente der Wellenform. Das Zeitintervall zwischen Abtastwerten hängt von der Abtastrate ab. Die Abtastrate ist vom Anwender wählbar und wird normalerweise als ein Mehrfaches des Faktors der Bandbreite der zu berücksichtigenden Wandlerelemente gewählt. Typischerweise beträgt die Abtastrate das Zwei- bis Achtfache der Bandbreite. Beim 22kHz-System beträgt die Bandbreite z. B. etwa 18 % der Frequenz, und jedes codierte Element weist sechs Trägerzyklen auf, wobei aufgrund des Abschneidens alle 1,5 Trägerzyklen ein Abtastwert genommen wird. Die Bandbreite kann erhöht werden, um mehr Informationen zu erhalten, dies jedoch aufgrund einer entsprechenden Erhöhung beim Rauschen bzw. Störgeräusch auf Kosten des verringerten Bereichs.
Ein Digital-Signalprozessor (DSP) 230, der vorzugsweise ein 16-Bit-Texas-Instruments-TMS320E15 ist, akkumuliert die Abfolgen. Der DSP 230 führt Kreuzkorrelationen der Abfolgen durch, die von den acht Empfängern in zwei oder mehr 8x8- Matrizen empfangen werden, d. h. ein Korrelationskoeffizient pro Empfänger-Wandlerpaar bei jeder der Zeitverzögerungen, typischerweise 0 und τc.
Ein Taktgenerator 232 steuert einen Leistungsverstärker 226 zum Erzeugen des geeigneten codierten Impulses, der über die sendenden Wandler 208 im Wasser erzeugt wird. Die Elektronikanordnung 204 wird mittels einer Leistungsquelle 236, die durch einen Leistungsregler 234 geregelt wird, mit Leistung versorgt. Das bevorzugte Korrelationssonarsystem 200 benötigt weniger als 100 W Leistung.
Der Betrieb bestimmter anderer Funktionsblöcke, primär der Demodulatoren 222, des DSP 230 und des Taktgenerators 232 wird in der elektronischen Anordnung 204 mittels eines Mikrocomputers oder einer CPU 228 koordiniert, die vorzugsweise ein CMOS-68000-Mikroprozessor ist, der bei einer Anzahl von Vertreibern, einschließlich Motorola, verfügbar ist. Der Hostcomputer bzw. Hauptcomputer 214 kommuniziert mit der Elektronikanordnungs-CPU 228 über eine Leitung 238, vorliegend eine serielle RS-232-Verbindungsleitung, und zwar über einen EIN/AUS-Anschluß 240. Der EIN/AUS-Anschluß bzw. I/O-Anschluß oder die serielle I/O-Platte 240 stellt eine Verbindung zu einem Computer oder PC 242 bereit. Es ist auch möglich, die CPU 228 gegen eine Schnittstellenkarte für die Elektronikanordnung auszutauschen. Diese Schnittstellenkarte wird dann mittels eines Kabels mit einer PC-Schnittstellenplatine verbunden, die im Hauptcomputer 214 angeordnet ist. Die Kommunikation zwischen dem Hauptcomputer 214 und verschiedenen Elektronikmodulen (z. B. DSP 230, Taktgenerator 232, Demodulatoren 222) ist dann ohne die Verwendung einer CPU-Karte 228 möglich. Der Computer 242 umfaßt auch ein zweites bzw. sekundäres Datenspeichermedium 244, vorzugsweise entweder eine 100-Megabyte-Festplatte, eine 44-Megabyte-Bernoulli-Box oder eine optische Platte. Der Computer 242 umfaßt vorzugsweise einen Gleitpunktprozessor und ist vorwiegend mit einer Number-Smasher-860-Platte, verfügbar bei Microway of Kingston, Massachusetts, konfiguriert, die einen Intel-i860-64-Bit-, RISC-Architektur-Mikroprozessor umfaßt.
Der Computer 214 bietet durch das Steuern verschiedener Aspekte des Sendens, Empfangens, Speicherns und der Analyse von Daten eine praktische Schnittstelle zwischen dem Anwender und dem Korrelationssonarsystem 200. Der Computer 214 ermöglicht dem Anwender, einen Übertragungsimpuls bzw. Sendeimpuls aus einer Reihe von codierten Abfolgen auszuwählen, die auf der Datenspeichereinrichtung 244 abgespeichert sind, wie auch die Länge des abzutastenden Empfangssignals zu bestimmen. Das empfangene Signal wird dann in bereichsausgetastete Bins geteilt, wobei jedes Bin eine Wassergeschwindigkeit enthält, die mittels einer Maximum-Likelihood-Signalverarbeitung abgeschätzt wurde, die nachfolgend beschrieben ist.

III. MAXIMUM-LIKELIHOOD-SIGNALVERARBEITUNG

Nach der Übertragung eines phasenmodulierten Impulses zeichnet jeder der Empfänger 210 (Fig. 10) einkommende Druckwellen (komplexe Spannungswerte) als eine Funktion der Zeit auf. Die Daten werden in Bins geteilt, wobei jedes Bin zum Berechnen einer Geschwindigkeitsabschätzung verwendet wird. Das in diesem Abschnitt umrissene Verfahren wird bei der Bestimmung der Geschwindigkeit als ausgezeichnet angesehen; jedoch stellt es sehr hohe computertechnische Anforderungen.
Bei der ganzen hier dargebotenen Analyse wird angenommen, daß der hereinkommende Druck eine komplexe Gaußsche Zufallsvariable als eine Funktion der Zeit ist. Dies ist wegen der Kopplung zwischen dem zentralen Beschränkungstheorem und der großen Anzahl zufällig gesetzter Streuzentren in dem Bereichsbin gerechtfertigt, von dem die Wassergeschwindigkeit bestimmt wird. Der allgemeine Ausdruck für die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF) beim Beobachten des Datenvektors z, der die Parameter im Zustand e annimmt, ist für n komplexe Datenpunkte
wobei R die n x n Korrelationsmatrix ist, die beschreibt, wie Datenpunkt zi mit Datenpunkt zj korreliert ist, R die Determinante von R ist und p(z;Θ) die Wahrscheinlichkeit des Erhaltens von z ist, vorausgesetzt, daß die Parameter im Zustand Θ sind. Mit a-priori-Annahmen, die die Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Parameter betreffen, kann der wahrscheinlichste Satz von Parametern durch das Lösen nach
erhalten werden kann, wobei p(Θ;z) die Wahrscheinlichkeit ist, daß die Parameter im Zustand e sind, vorausgesetzt, die Daten wurden als z betrachtet.
Ein geschlossener analytischer Ausdruck für die Form der Kreuzkorrelationsfunktion für Rückkehrsignale einer Wassersäule ermöglicht, die Modell-Korrelationsmatrix R als eine Funktion der unbekannten Parameter (einschließlich der Geschwindigkeit) zu berechnen. Diese R-Matrix kann kann zusammen mit der Datenkorrelationsmatrix zi, zj* verwendet werden, um die Wahrscheinlichkeitsfunktion auszubilden. Die Werte der unbekannten Parameter können dann bei einer iterativen Suche nach dem Maximum der Wahrscheinlichkeitsfunktion variiert werden, was äquivalent zum Lösen des Satzes simultaner Gleichungen ist, die durch Gleichung (2) dargestellt werden. Die Erweiterung umfaßt unendliche Summen über halbganzzahlige sphärische Besselfunktionen und Legendrepolynome. In der Praxis können die Summen nach mehreren Termen abgeschnitten werden, um eine geeignete Näherung bzw. Approximation zu erhalten. Zur Vereinfachung der Berechnung wird der natürliche Logarithmus aus Gleichung (1) angewendet und die Gleichung wird, da ein Minimum gewünscht ist, mit -1 multipliziert, so daß die Funktion unbekannter Parameter g zu wird. Der erste Term kann bei der Berechnung ignoriert werden, da er eine Versatz- bzw. Offsetkurve betrifft. Bei einem vorliegend bevorzugten System 200 ist der Satz unbekannter Parameter wie folgt:
vx = die Wassergeschwindigkeit längs der x-Achse;
vy = die Wassergeschwindigkeit längs der y-Achse;
vz = die Wassergeschwindigkeit längs der z-Achse;
SNRτ = 0 = das Signal-Rausch-Verhältnis bei einer Verzögerung τ=0;
SNRτ=τc = das Signal-Rausch-Verhältnis bei einer Verzögerung τ=τc;
α = effektiver relativer Winkel des Azimut (Fig. 5);
β = effektive relative Seebettneigung gegenüber der Vertikalen;
W = Weitenparameter der Winkelstreufunktion; und
a = Flügel- bzw. Schenkelparameter der Winkelstreufunktion.
Bei der Maximum-Likelihood-Methode werden die unbekannten Parameter so variiert, um die Funktion g zu minimieren und dadurch die Wahrscheinlichkeit des Beobachtens der empfangenen Daten in einem spezifizierten Parameterzustand zu maximieren.

IV. MODELL-KORRELATIONSMATRIX

Die Modell-Korrelationsmatrix RModell oder bloß R in diesem Abschnitt, kann unter Verwendung eines Ausdrucks in der geschlossenen Form für die räumliche Korrelationsfunktion R berechnet werden. Während Rückkehrsignale aus dem Wasservolumen und Rückkkehrsignale vom Boden aufgrund der Seebettneigung und der Seebettrauheit-Ergebnisse eine etwas verschiedene Verarbeitung erforderlich machen, stellt die nachfolgende Erörterung einen Ausdruck für die räumliche Korrelationsfunktion dar, die mit Rückkehrsignalen aus dem Wasservolumen verwendet wird, gefolgt von mehreren Ausdrücken für die räumliche Korrelationsfunktion, die mit Rückkehrsignalen vom Boden verwendet wird. Die Ausdrücke, die mit Rückkehrsignalen vom Boden verwendet werden, unterscheiden sich, wie folgt: der erste Ausdruck nimmt an, daß das Seebett eine Lambertsche Streufunktion zeigt, d. h. cos(Θ); der zweite Ausdruck nimmt an, daß das Seebett eine Kirchhoffsche Approximations-Streufunktion zeigt, d. h. (Θ); und der dritte Ausdruck ist ein heuristischer, der die Berechnungen für R sehr vereinfacht.
Beim vorliegend bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Aufbau von R in der folgenden Art und Weise bestimmt. Die hereinkommenden Druckdatenpunkte werden hinsichtlich der Zeit für Daten zu einem Zeitpunkt t=0 für Empfänger 1-8 entsprechend mit 1-8 numeriert und mit 9-16 entsprechend für Daten zum Zeitpunkt t=τc für Empfänger 1-8; dann mit 17-24 für Daten zu einem Zeitpunkt t=Δt (wobei Δt das Abtastintervall ist) und mit 25-32 für Daten zu einem Zeitpunkt t=τc+Δt wieder entsprechend für Empfänger 1-8 usw.. Eine sehr große Korrelationsmatrix der Größe 8m x 8m wird dann für ein System erzeugt, das acht Empfänger aufweist und zeitabhängig "m" Datenpunkte bei einem Abtastintervall von Δt aufnimmt. Der Wert für "m" hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, die die Höhe, die Wasserprofilierungs-Binauflösung und die Anzahl von übertragenen Codeelementen umfassen können. Zur Vereinfachung wird angenommen, daß das Abtastintervall Δt zur Systembandbreite angemessen bestimmt ist, so daß jeder Abtastwert hinsichtlich der Zeit unabhängig ist. Dann ist leicht zu sehen, daß die 8m x 8m große Matrix tatsächlich eine diagonale Blockmatrix mit 16x16-Untermatrizen unterhalb der Hauptdiagonalen und ansonsten mit Nullen ist. Das heißt, die Datenpunkte 1-8 werden mit sich selber korreliert (räumliche Korrelationsfunktion mit einer 0-Zeitverschiebung), und sie werden mit Einträgen 9-16 (räumliche Korrelationsfunktion mit τc-Zeitverschiebung) korreliert, aber sie werden mit allen anderen Datenpunkten nicht korreliert. Gleicherweise bilden Einträge 17-32 eine 16x16-Untermatrix und so fort. Da bei der Monoimpulsannäherung typischerweise alle Streupunkte in dem Strahlmuster gleichzeitig mit Sonar abgetastet werden, ist die Natur bzw. der Aufbau jeder 16x16-Untermatrix längs der Hauptdiagonalen der gleiche, d. h., jede 16x16-Untermatrix längs der Hauptdiagonalen der großen 8mx8m-Matrix repräsentiert die räumliche Korrelationsfunktion hinsichtlich der Zeit entwickelt. Ein Vorteil des strahlenthaltenden Monoimpulsverfahrens besteht jedoch darin, daß die räumliche Korrelationsfunktion stationär wird, d. h. keine Funktion der Zeit aufweist. Daher braucht für R nur eine einzelne 16x16-Untermatrix betrachtet werden. Die räumliche Korrelationsfunktion bei einer Null-Zeitverschiebung ist in dem oberen linken 8x8- und dem unteren rechten 8x8-Teil von R enthalten. Die räumliche Korrelationsfunktion mit einer τc-Zeitverschiebung ist in dem oberen rechten 8x8- und dem unteren linken 8x8-Teil von R enthalten. R ist natürlich hermitesch.
Wie in der Wandlertechnologie bekannt ist, kann das Strahlmuster W(Θ), wobei Θ der Winkel der gemessenen Energie weg von der Achse der Wellenfortschreitung ist, als eine endliche Reihe von Legendrepolynomen mit Koeffizienten dargestellt werden, was so ermöglicht, daß die räumliche Korrelationsfunktion eine Funktion von Summen aus Integralen ist, die den n-ten Term des Strahlmusters umfassen. (Eine Beschreibung von Legendrepolynomen ist in Mathematical Methods for Physicists von George Arfen, Academic Press, New York, S. 534-608 beschrieben). Jedes dieser Integrale Rn wird aufgerufen,
wobei J eine Besselfunktion und P ein Legendrepolynom ist. So ist die räumliche Korrelationsfunktion die Summe von Integralen, wie folgt:
wobei jedes bn ein Legendrepolynom-Koeffizient ist und wobei
ψ = k[vx(a&sub4;-a&sub1;)+vy(a&sub5;-a&sub2;)+vz(a&sub6;-a&sub3;)]/c der Ausdruck für eine Korrektur der Phase entsprechend der Streckenbzw. Wegdifferenzen der Ordnung v/c ist, wobei v die Wassergeschwindigkeit und c die Schallgeschwindigkeit in Wasser ist,
k = 2π/λ ist,
c = Schallgeschwindigkeit im Wasser ist,
λ = Wellenlänge der fortschreitenden Schallwelle ist und wobei ferner der erste und der zweite Empfänger im Sensorrahmen bei (A&sub1;, A&sub2;, 0) bzw. (A&sub4;, A&sub5;, 0) angeordnet sind. Da der Sensor zwischen dem Zeitpunkt des Sendens und dem Zeitpunkt des Empfangs die Höhe ändern kann, muß eine Rotationsmatrix angewendet werden, um die Empfängerlagen im Koordinatensystem des Sensors beim Zeitpunkt des Sendens geeignet zu halten:
Unvorteilhafterweise sind die Legendrepolynome hinsichtlich des Intervalls (-π/2, π/2) orthogonal und nicht hinsichtlich des Integrationsintervalls von (0, π/2). Jedoch kann nach einiger weiterer mathematischer Arbeit an der Gleichung gezeigt werden, daß der geschlossene Ausdruck für Rn wie folgt ist:
Abhängig von der Parität des Strahlmusterterms, der berücksichtigt wird, d. h., n ist gerade oder ungerade, ist nur eine der Summen in Gleichung (8) zu verwenden. Die Gesamtstrecke weg vom bistatischen Punkt in allen drei Dimensionen ist 6, und E ist ein Phasenwinkel, der den relativen Beitrag vom vertikalen und horizontalen Versatz beschreibt. In der Praxis können die Summen in Gleichung (8) nach wenigen Termen abgeschnitten werden, um eine geeignete Approximation für Rn zu erhalten. Dann wird Gleichung (5) verwendet, um über die Koeffizienten des Strahlmusters zu summieren, um den letztendlichen Gesamtkorrelationswert zu erhalten.
Eine räumliche Korrelationsfunktion zum Modellieren von Rückkehrsignalen vom Boden, die von einem Seebett kommen, ist auch wichtig, jedoch sollte eine solche Funktion das Vorliegen eines geneigten Seebettes berücksichtigen, wie dies z. B. in Fig. 5 dargestellt ist. Ein geschlossener Ausdruck mit vier Variablen ist nachfolgend bereitgestellt:
wobei
und wöbei Ringgeometriekoeffizienten definiert sind als:
In Gleichung (12), wo l und j Dummy- bzw. Platzhalterindices sind, über die summiert wird, wird angenommen, daß die Seebettstreuung einem Lambertschen Gesetz folgt (d. h., die Intensität ist proportional zu cose) und daß die Funktion die kombinierte Wirkung einer Reihe von Ringen von Θ&sub1; bis Θ&sub2; umfaßt. Falls das Winkelstreugesetz des Seebetts nicht cose, sondern anstelle dessen (Θ) entspricht, dann muß (Θ) in Gleichung (12) für cose substituiert werden. Der Ausdruck von Gleichung (11) kann für viele Echtzeitanwendungen zu kompliziert sein, so daß eine Zweivariablenannäherung abgeleitet wurde, wie folgt:
Unvorteilhafterweise kann die Streufunktion unter bestimmten Seebettrauheitszuständen nicht einem Lambertschen Gesetz folgen. Dies kann gelten, falls die Streufunktion des Seebettes vom Winkel des Strahls stark abhängig ist, am stärksten bei schmalen Winkeln nahe dem Nadirwinkel. Daher können einige alternative zur Lambertschen Funktion erforderlich sein, um die akustische Streuung an einem Seebett genauer vorherzusagen.
Die Kirchhoffannäherung nimmt an, daß die Seebettoberfläche sich langsam ändert, so daß der Krümmungsradius viel größer als eine Wellenlänge ist. Einige Forscher, einschließlich Clay, C.S. und Medwin, H. 1977, Acoustical Oceanography, John Wiley and Sons Publishing, haben bemerkt, daß die Kirchhoffannäherung unter einer Vielzahl von realistischen Situationen zuverlässig funktioniert, vorausgesetzt, die Einfallswinkel nähern sich nicht den Glanzwinkeln bzw. streifenden Winkeln an. Vorteilhafterweise liegt der größte Teil des Schalls für nahezu jegliche denkbare Korrelationssonargeometrie näher an dem senkrechten Einfallen als am streifenden Einfallen.
Der Ausdruck für den Rückstreuungsquerschnitt pro Einheitsfläche pro Einheitsraumwinkel für das diffuse Streufeld kann unter der Kirchhoffannäherung abgeleitet werden (der Entwicklung von Jackson et al. in "Application of the Composite Roughness Model to High-Frequency Bottom Backscattering", J. Acoust. Soc. Am. 79 (5), Mai 1986 folgend) und ist definiert wie folgt:
wobei die Strukturfunktion D(r) anstelle der Korrelationsfunktion verwendet wird und die Strukturfunktion als D(r) = 2[B(0) - B(r)] definiert ist, wobei B(r) die räumliche Autokorrelationsfunktion des Seebettes und Rf0 ein Reflexionskoeffizient ist.
Die meisten Daten der Bodenrauheit werden aus Tiefseelotung bzw. Tiefseemessung abgeleitet und weisen eine Auflösung von 100 m oder mehr auf. Zweidimensionale Rauheitsspektren mit einer Auflösung im Bereich der Zentimeterskala wurden durch Akal, T. und Hovem, J. gemessen, 1978, "Two-dimensional space series analysis for seafbor roughness", Marine Geotechnol. 3, 171-182. Andere in der Literatur haben eindimensionale Rauheitsspektren mit einer Zentimeterskalenauflösung bereitgestellt. Die Daten vom Verlauf und feine Seebettrauheitsmessungen führen zu einem Leistungsgesetz- Rauheitsspektrum. Daher nimmt dieses Modell an, daß die zweidimensionalen Seebettrauheitsstatistiken gaußisch und isotrop mit einem räumlichen Leistungsspektrum der Form
Φ(k) = βk-γ (14)
sind, wobei k ein zweidimensionaler Wellenvektor mit einem Betrag gleich der Wellenzahl k ist, und β und γ Parameter sind, die ein bestimmtes Leistungsspektrum des Seebettes beschreiben. Das β und das γ, die in Gleichung (14) verwendet werden, sind verschieden zu dem β- und dem γ-Winkel, die früher verwendet wurden und sollten nicht verwechselt werden. Die genannten Daten mit hoher Auflösung weisen den nachfolgenden Annäherungsbereich für γ: 3 < γ< 3,5 auf.
Nach dem Beziehen der Strukturfunktion auf das räumliche Leistungsspektrum und nachdem die Substitution von α = (γ/2)-1 durchgeführt ist, dann gilt:
D(r) = C²h r2α (15)
wobei
wobei Ch eine Strukturkonstante ist, die manchmal auch als ein Strukturfunktionsparameter bezeichnet wird, und P(x) die Gammafunktion ist. Wiederum sollte α nicht mit dem α-Winkel, der vorstehend verwendet wird, verwechselt werden. Die letztendliche Rückstreugleichung kann durch Aufnehmen der Strukturfunktion, die in Gleichung (15) gegeben ist, in Gleichung (13) und Vereinfachen abgeleitet werden, um
zu erzielen, wobei
wobei q eine willkürliche Variable ist, die zum Vereinfachen der Gleichung gewählt ist. Die Gleichungen (16) und (17) können numerisch berechnet werden, um den Rückstreuquerschnitt pro Einheitsfläche pro Raumwinkel als eine Funktion des Winkels Θ zu erzielen.
Obwohl die Kirchhoffapproximation eine genaue Abschätzung der Streuung zu bieten scheint, wurde beim Untersuchen der verschiedenen Streukurven, die zu verschiedenen Winkeln der Seebettrauheit gehören, eine Heuristik für die räumliche Korrelationsfunktion R entdeckt. Die Heuristik wird als ein alternativer Ausdruck verwendet, wenn es bei der Verarbeitung bestimmte Echtzeitbeschränkungen gibt. Die Heuristik ist eine allgemeine Funktion für Bandformen bzw. Bandzustände, wie sie z. B. in Spectral Analysis von James Blackburn gefunden werden können. Der Betrag des komplexen R, die räumliche Korrelationsfunktion des Ausdruckes, ist wie folgt:
wobei X&sub0; die Mitte der Kurve ist, W der Weitenparameter ist, der als das Zweifache der Strecke von der Mitte zum ½- Kurvenhöhenpunkt ist und a ein Steilheitsparameter ist, der das Ausmaß der Krümmungssteilheit spezifiziert. RSpitze ist entweder anfänglich auf 0,9 gesetzt oder wird aus den Amplitudendruckdaten des Rückkehrsignals vom Seebett relativ zum Störpegel bestimmt, und a wird auf ½ gesetzt. Es wird angemerkt, daß die Kurve eine Gaußsche Kurve ist, falls a auf gesetzt ist, und die Kurve eine Lorentz-Kurve ist, falls a auf 1 gesetzt ist. Zusätzlich zum Betrag der komplexen R, die in Gleichung (18) dargestellt ist, umfaßt die Heuristik einen Phasenwinkelfaktor, der auf die Magnitude bzw. den Betrag angewendet wird, um die vollständige heuristische Komplexe R zu erzeugen. Der Phasenwinkelfaktor ist wie folgt:

V. BETRIEB DES KORRELATIONSSONARS

Eine Maximum-Likelihood-Verarbeitung, die für das Ausführungsbeispiel der vorliegend bevorzugten akustischen Korrelations-Strömungsprofil-Meßeinrichtung (Korrelationssonar) des Korrelationssonarsystems spezifisch ist, wird unter allgemeinem Bezug auf Fig. 11 und 12 geboten. In den Figuren erscheinen die Funktionsnamen, die bei der bevorzugten Software verwendet werden, rechts von deren entsprechenden Zustandsbeschreibungen. Die Software für das vorliegende System ist in der FORTRAN-Sprache beschrieben. Die hier beschriebene Software, insbesondere der im beiliegenden Microfiche-Anhang aufgelistete Teil, wurde unter Verwendung des NDP-FORTRAN- Version-4.0b-Compilers, lizensiert von Microway, von dem Quellcode in einen maschinenlesbaren Objektcode übersetzt. Nichtsdestotrotz wird ein Fachmann erkennen, daß die Schritte in den beiliegenden Ablaufdiagrammen durch das Verwenden irgendeiner aus einer Anzahl verschiedener Computersprachen und Sprachübersetzern implementiert werden kann.
Nun ist unter Bezugnahme auf insbesondere Fig. 11 die Korrelationssonarsoftware dargestellt, die i. a. mit 250 bezeichnet ist, die in dem Speicher (nicht dargestellt) des Hostcomputers 214 (Fig. 10) gespeichert ist, und die die Signalerzeugung und Echoabtastung steuert und eine Analyse der abgetasteten Daten leitet, um Geschwindigkeitsmessungen zu erzielen. Beim Einschalten beginnend, tritt das Korrelationssonar in einen Startzustand 252 und schreitet zum Zustand 254 fort, um die Software durch das Erzeugen von Datenstrukturen und das Lesen von Parametern aus Dateien von der Platte 244 zu initialisieren, und bei einem Zustand 256 werden Daten in Registern gespeichert, um die Hardware zu initialisieren.
Vorliegend ist einer der Software-Initialisierungsparameter, der durch den Anwender bestimmt wird, die "Bodennachführbetriebsart". Falls der Parameter wahr ist, wurde eine Bodennachführung gefragt, und der Ausführungsablauf schreitet den rechten Teil des Ablaufdiagramms nach unten hin fort; andernfalls wurde ein Wasserprofil gefragt, und der Ausführungsablauf schreitet den linken Teil des Ablaufdiagramms nach unten hin fort. Natürlich wird ein Fachmann verstehen, daß die Betriebsarten für eine Programmierannehmlichkeit gewählt sind und daß die Funktionalität von beiden Betriebsarten kombiniert werden könnte, so daß Bodennachführung und Strömungsprofilieren "zusammen" durchgeführt werden. Auf diese Art und Weise könnte die Erdbezugsgeschwindigkeit der Wasserströmungen innerhalb des Korrelationssonars 200 durch Subtrahieren der Bodennachführungs- oder Schiffsgeschwindigkeit von den Strömungsgeschwindigkeiten vollständig erhalten werden.
Da der rechte und der linke Teil des Ablaufdiagramms in Fig. 11 hinsichtlich der meisten Funktionen überlappen, wird hier auf einer Zustand-für-Zustand-Basis nur die linke Seite erörtert. Unter der Annahme, daß der Anwender Messungen für ein Wasserprofil bestimmt hat, wie beim Beispiel, das in Fig. 8 dargestellt ist, tritt das Korrelationssonar so in den Zustand 260 ein, um einen bestimmten Code zu wählen, der zum Steuern des Taktgenerators 232 (Fig. 10) verwendet wird, und daher einen codierten Impuls vom Sender-Wandler 208 zu erzeugen. Die Sequenzdaten bzw. Abfolgedaten, die das Echosignal anzeigen, werden von den Demodulatoren 222 (Fig. 10) mittels der CPU 228 empfangen und zum Hostcomputer 214 vorgegeben. Das Korrelationssonar 200 tritt dann in einen Zustand 264 ein, um die Abfolgedaten zu entpacken. Im einzelnen werden die binären Sinus- und Cosinusdaten für zwei Empfängerwandler 210 und ein Byte aus Amplitudendaten, die mit einer geringeren Rate abgetastet wurden, für jeden Wandler 210 alle in die digitale Abfolge gepackt. Daher werden die unterschiedlichen Daten und Daten von verschiedenen Quellen beim Zustand 264 herausgezogen. Fortschreitend zum Zustand 266 wird die Kreuzkorrelationsmatrix R(0) für eine Zeitverzgerung von 0 für alle acht der empfangenden Wandler 210 (Fig. 9 und 10) erzeugt, so daß eine 8x8-Matrix erzeugt wird, wobei jede Zeile und Spalte zu einem Empfängerwandler gehört. Nachfolgend wird bei einem Zustand 268 die Kreuzkorrelationsmatrix R(τ) für eine Zeitverzgerung für τc als eine andere 8x8-Matrix erzeugt. Dann wird ein "Startparameter" für die Maximum-Likelihood-Signalverarbeitung bei einem Zustand 270 erzeugt. Hier ist die Genauigkeit nicht so sehr zu berücksichtigen wie das Bereitstellen einer anfänglichen Abschätzung für die Unbekannten der Wassergeschwindigkeit vx, vy und vz. Dies wird durch das Verwenden einer angepaßten 3x3-Filterannäherung hinsichtlich der R(τ)-Matrix zum Mitteln der Inhalte von jeweils neun benachbarten Amplitudenkorrelationskoeffizienten durchgeführt. Dann wird eine Technik für den ersten Moment verwendet, und die Ergebnisse werden durch 2τ geteilt, um eine anfängliche Abschätzung von vx und vy zu erhalten. Die Geschwindigkeit vz könnte zu Null gesetzt werden. Bevorzugter kann jedoch die Phasenverschiebung des höchsten Korrelationskoeffizienten verwendet werden, um vz abzuschätzen.
Zwei Wandlerpaare, eins vom Ursprung ausgehend und eins nach rechts vom Ursprung, werden verwendet, um die R(0)-Matrix zu indizieren, um so eine effektive Sensorneigung oder Seebettwinkel α und β abzuschätzen. Die Phasenverschiebungen zeigen die Richtung der Schallfortpflanzung in zwei Dimensionen an.
Die anfängliche SNR&sub0;-Abschätzung kann aus der Amplituden Druckdatenbeziehung des Störpegels erhalten werden, oder sie kann willkürlich auf einen hohen Wert, beispielsweise 10, gesetzt werden. Die SNRτ -Abschätzung kann durch Auswählen des höchsten Korrelationskoeffizienten aus der R(τ)-Matrix und dann Anwenden der nachfolgenden Gleichung:
1/Magnitude(p) = 1 + 1/SNR (19)
bestimmt werden.
Nach dem Setzen der vorstehend genannten geschätzten Parameter tritt das Korrelationssonar 200 in einen Zustand 272 ein, um die Maximum-Likelihood- (ML) -Signalverarbeitung handzuhaben. Die Eingangsdaten in den Zustand 272 können in drei Gruppen kategorisiert werden, wobei Gruppe 1 die nachfolgenden Eingabewerte enthält: α, β, SNR&sub0;, SNRτ, vx, vy und vz, (w und a sind für eine Bodennachführung auch eingeschlossen), die im Zustand 270 berechnet wurden. Gruppe 2 enthält die Änderungen bei den Parametern der Grüppe 1. Anfänglich werden diese Werte aufgrund begründbarer Schätzungen bestimmt. Gruppe 3 enthält Kreuzkorrelationsmatrizen R(0) und R(τ). Die Ausgangswerte des ML-Zustands 272 werden die neuen Parameter der Gruppe 1. Die ML-Verarbeitung wird beim Hostcompunter 214 (Fig. 10) ausgeführt, nachdem entweder die Rohdaten empfangen und die Korrelationsmatrizen ausgebildet wurden, oder die Kreuzkorrelationsmatrizen direkt vom DSP 230 der Elektronikanordnung 204 empfangen wurden. Die Funktion des Zustands 272 wird nachfolgend unter Bezug auf Fig. 12 erörtert.
Unter Bezug auf Fig. 11 fortfahrend, bewegt sich das Korrelationssonar 200 nach dem Abschließen der ML- Signalverarbeitung (Zustand 272) zu einem Zustand 274, um die Ausgangswerte zu speichern: α, β, SNR&sub0;, SNRτ, vx, vy und vz (und w und a für die Bodennachführung), und zwar in die Datenspeichereinheit 244 (Fig. 10). Auch -ln(P) wird abgespeichert, was ein Anzeigemittel einer Güte der Anpassung ist. Dann wird bei einem Zustand 276 ein codierter Impuls ausgewählt, welcher nicht notwendigerweise der Default- bzw. Vorgabecode ist, der bei Zustand 260 ausgewählt wurde. Tatsächlich wird der Code entsprechend der relativ gemessenen Geschwindigkeit des Wassers und, im Fall der Bodennachführung, der momentan geschätzten Höhe zum Seebett ausgewählt.
Die Pseudo-Zufallscodes werden primär aufgrund der Länge und der Korrelationsverzögerungszeit ausgewählt. Die Länge ist für die beiden nachfolgenden Nachführkriterien wichtig:
(i) für die Wassernachführung, da sie die räumliche Auflösung von jedem Wasserbin bestimmt. Lange Codes werden beim Profilieren der Strömungsgeschwindigkeit eine grobe Auflösung erzeugen. Sie haben jedoch den Vorteil des Absetzens des größten Anteils von Energie in das Wasser und ermöglichen einen maximalen Bereich. Kürzere Codes würden eine bessere Auflösung (bis zu einem Punkt, bei dem die Strahlbreitengeometrie die Bin-Profilauflösung zu dominieren beginnt) ermöglichen, jedoch setzen sie nicht soviel Energie in das Wasser.
(ii) Für die Bodennachführung wird die Codelänge so gewählt, daß sie lang genug ist, um typischerweise die gesamten Streupunkte innerhalb des Strahlmusters auf dem Seebett per Sonar zu erfassen und eine ausreichende Zeit zu ermöglichen, um die erforderlichen Kreuzkorrelationen durchzuführen.
Die Verzögerungszeit bzw. Lagzeit τc ist wichtig, da die Lage des Spitzenwertes ungefähr durch 2τc Geschwindigkeit gegeben wird. Daher wird τc aufgrund der Geschwindigkeit so gewählt, daß die Peak- bzw. Spitzenwertlage hinsichtlich der konfigurierten Anordnung von Empfängern verbleibt, andernfalls würde die Genauigkeit bei der abgeschätzten Geschwindigkeit gefährdet. Falls τc jedoch zu gering gewählt wird, wodurch der Spitzenwert auf der Anordnung sogar für hohe Geschwindigkeiten scheinbar garantiert würde, neigt die Genauigkeit bei der Abschätzung dazu verlorenzugehen. Diese beiden Überlegungen müssen fortwährend überwacht werden, und Abstriche müssen gemacht werden, um bei einer geeigneten Auswahl der Verzögerungszeit anzukommen.
Der Ping für den ausgewählten Code wird bei einem Zustand 278 in der gleichen Art und Weise erzeugt, wie dies vorstehend unter Bezug auf den Zustand 262 beschrieben wurde. Beim Empfangen des Echosignals für eine Strömungsprofilierung wird das Echo-Rückkehrsignal hinsichtlich des Bereiches geführt (oder aquivalent zeitgeführt) und zwar durch eine Schleifenführung über die Zustände 280-294, wobei Zustand 280 ein Zählerzustand zum Inkrementieren der Bin- oder Zellennummer ist. Die Bin-Nummer wird entsprechend der Länge des Impulses berechnet, und die Geschwindigkeitsauflösung wird durch den Anwender bestimmt. Die Schleife wird letztendlich beim Zustand 294 verlassen, wenn ein Test des Bin-Zählers anzeigt, daß alle Bins für diesen Ping verarbeitet wurden. Es sollte angemerkt werden, daß vorzugsweise eine Wichtungsfunktion, die auf der Tiefe beruht, zum Bestimmen der Anzahl von Profil-Bins verwendet wird. Zum Beispiel bietet das Programm DETPRO im Microfiche-Anhang ein gewichtetes Bin-Profil. Geschwindigkeitsmessungen aufgrund eines neuen Ping werden wieder beim Zustand 276 eingeleitet, und sie werden fortgesetzt, bis das Korrelationssonar 200 entweder zurückgesetzt wird oder hinsichtlich der Leistung herunterge fahren ist.
Bei der Erörterung von Fig. 11 zum rechten Teil des Ablaufdiagramms zurückkehrend, das sich auf die Bodennachführungs-Betriebsart des Betriebs bezieht, sind die meisten Zustände mit der gleichen Nummer wie beim linken Teil (Strömungsprofilierungs-Betriebsart) bezeichnet, wobei ihnen eine Markierung (') zum Anzeigen identischer oder ähnlicher Funktionalität folgt. Jedoch umschließen die Zustände auch Zustände 296, 298 und 300, die im linken Teil nicht dargestellt sind. Im einzelnen wird Zustand 296 nach einem anfänglichen Ping (Zustand 262') betreten, um das Seebett zu finden. Falls das Seebett nicht gefunden wird, wird ein neuer Code ausgewählt, und ein Ping wird erzeugt, bis dieses gefunden ist. Dieser Zustand wird unter Verwendung einer angepaßten Filterannäherung durchgeführt, die einer modifizierten Version des Prozesses entspricht, der i. a. vom Rechtsnachfolger vorstehend genannten Patentes offenbart ist. Die Schleife aus Zuständen 276'-292' wird kontinuierlich ausgeführt, solange das Seebett nicht gefunden wird, das Schiff z. B. über einen Graben hinüberfährt. In diesem Fall schreitet das Korrelationssonar 200 von Zustand 298 zum Zustand 300, um den Verlust der Nachführung zu berichten, und die Bodennachführungs- Initialisierung (Zustand 260', 262', 296) wird erneut ausgeführt.
Eine vorliegend bevorzugte Funktion für die Maximum-Likelihood(ML)-Signalverarbeitung ist in Fig. 12 diagrammartig dargestellt. Es wird angemerkt, daß Parameter, die die Seebettrauheit kennzeichnen, z. B. der Breitenparameter W und der Steilheitsparameter a, die beide vorstehend erörtert wurden, in Fig. 12 nicht dargestellt sind, jedoch durch einen Fachmann in der relevanten Technologie leicht darin aufgenommen werden könnten.
Im allgemeinen verwendet die Funktion eine duale Anpassungsannäherung, es werden nämlich drei Parameter für eine Wasserprofilierung oder fünf Parameter für eine Bodennachführung angepaßt, und dann werden die verbleibenden vier Parameter angepaßt. Insbesondere beruhen die effektiven Neigungswinkel α und β und das Signal-Rausch-Verhältnis bei einer zeitverzögerung 0, SNR&sub0; natürlich in dem 0-verzögerungskorrelationsraum. Gleichfalls beruhen natürlich SNRτ und die Wassergeschwindigkeiten vx, vy, und vz auf dem τ-Verzögerungskorrelationsraum.
Die ML-Funktion, die in den Zuständen 272, 290, 272', 290' (Fig. 11) verwendet wird, wird durch das Korrelationssonar 200 (Fig. 10) beim Startzustand 310 betreten. Ob der Durchlauf für erste oder zweite Parameter berechnet wird, hängt von FITFLG (Anpassungsmerker) ab, der anfänglich beim Zustand 312 auf wahr gesetzt wird, um anzuzeigen, daß α, β und SNR&sub0; angepaßt werden. Da die Multivariations-, Nichtlinear-Programmierungsoptimierung auf dem bekannten Simplexalgorithmus beruht, wird ein Vier(Sechs- für Bodennachführung)-Vertex-Polyeder durch Bestimmen des Negativen des natürlichen Logarithmus der Wahrscheinlichkeitsfunktion 91 bei den Modellparametern ausgebildet und bei jedem Parameter, der durch einen Offset verändert wird, wie folgt (Klammern bezeichnen zusätzliche Parameter, die für eine Bodennachführung erforderlich sind):
Wichtig ist anzumerken, daß die Offsets bzw. Versätze geschätzt werden. Falls die Offsets zu groß sind, kann das Simplexverfahren, das sich längs der Kanten des Polyeders iterativ bewegt, anstelle zum gewünschten Globalminimum in ein lokales Minimum fehlgeführt werden. Falls die Offsets andererseits zu klein sind, kann das Simplexverfahren zu lange brauchen, um abzuschließen, da der Startpunkt der Iteration vom globalen Optimum weit entfernt ist und die inkrementelle Änderung bei jeder Iteration so klein ist.
Das Simplexverfahren im Korrelationssonar 200 wird vorliegend in einer FORTRAN-Subroutine mit dem Namen AMOEBA implementiert (da das Verfahren längs der Ränder des Tetraeders "entlangsickert"). Die Subroutine beruht auf dem Sirnplexverfahren, das in "Numerical Recipes, The Art of Scientific Computing", von Press, Flannery, Teukolsky und Vetterling, insbesondere beschrieben in Abschnitt 10.4 mit dem Titel "Downhill Simplex Method in Multidimension"; Press Syndicate of the University of Cambridge, gegeben wird. Einer der Parameter in der Subroutine ist ITER, die Anzahl von Iterationen, die durch AMOEBA durchzuführen ist. Bei jeder Iteration werden die unbekannten Parameter α, β und SNR&sub0; (und [w&sub0;, a&sub0;] für Bodennachführung) in 91 bestimmt, wie folgt:
wobei A eine 8x8-Matrix ist, die hinsichtlich der Struktur gleich R(0) ist. Daher wird eine anwenderdefinierte maximale Anzahl von Iterationen eine endlose Iteration über den Suchraum verhindern, und beim Zustand 318 wird ein Test durchgeführt, um zu bestimmen, ob die maximale Anzahl von Iterationen überschritten wurde. Falls dies so ist, wird ein Bericht des Zustands auf die Video-Anzeige des Hostcomputers 214 (Fig. 10) geschrieben, und der ML-Prozeß schließt mit unvollständigen Ergebnissen bei einem Zustand 322 ab.
Falls das Simplexverfahren andernfalls (Zustand 316) innerhalb der vorbestimmten Anzahl von Iterationen konvergiert, wird das vermutete globale Optimum für den Satz unbekannter Parameter in der ersten Gammafunktion g&sub1; bei einem Zustand 324 in den Systemspeicher gespeichert. Dann wird FITFLG auffalsch gesetzt, und zwar bei einem Zustand 326, um anzuzeigen, daß der zweite Satz unbekannter Parameter paßt. In diesem Fall werden bei einem Zustand 328 die unbekannten Parameter SNRτ, vx, vy und vz entsprechend der zweiten Gammafunktion 92 angepaßt, wie folgt:
Ein Fünf-Vertex-Simplex wird durch Bestimmen von 92 bei den fünf Pararnetersätzen bestimmt, die durch Variieren der Offsets bestimmt werden, und zwar ähnlich dem Verfahren, das beim Zustand 314, der vorstehend beschrieben ist, verwendet wird. Beim Berechnen von 92 wird eine 16x16-Matrix P (oder RHO) erzeugt, wobei die Matrix als vier 8x8-kornplexe Submatrizen aufweisend beschrieben werden kann. Die oberste linke Submatrix ist R(0), die oberste rechte Submatrix ist R(τ), die unterste linke Subrnatrix ist die komplex konjugierte von R(τ), und die untere rechte Submatrix ist R(0). Diese spezielle Matrixstruktur ermöglicht eine schnelle Matrixinversion.
Das Simplexverfahren wird wieder angewendet, um einen multivarianten Parameterraurn zu durchsuchen, dieses Mal einen Raum mit fünf Parametern bei einem Zustand 330. Falls bestimmt wird, daß die maximale Anzahl von Iterationen bei einem Schritt 332 überschritten wurde, dann wird ein Bericht gegeben (Zustand 334), und das Korrelationssonar 200 verläßt die ML-Prozedur bei einem Zustand 336. Alternativ wurde vom Zustand 332 zum Zustand 338 fortfahrend eine Lösung gefunden, und der Steuerablauf fährt damit fort, die sieben (neun für Bodennachführung) Parameter in den Systemspeicher zurückzugeben. Der ML-Prozeß gibt dann den Steuerablauf zum Ablauf der obersten Ebene des Korrelationssonars zurück, wie dies diagrammartig in Fig. 11 dargestellt ist.

Claims

1. Korrelationssonarsystem (200) mit einem sendenden Wandler (208) zum Aussenden akustischer Energie auf eine reflektierende Oberfläche zu, einer Irnpulserzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines einzelnen Impulses (110) aus elektrischer Energie zu dem sendenden Wandler, einer Vielzahl von empfangenden Wandlern (210) zum Empfangen eines Impulsechos (110') von der reflektierenden Oberfläche, einer Vielzahl von Demodulatoren (222), wobei jeder Demodulator mit einem der empfangenden Wandler verbunden ist und einen Satz von Werten erzeugt, und einer Maximumwahrscheinlichkeitseinrichtung zum Schätzen der Geschwindigkeit unter Verwendung korrelierter Werte, gekennzeichnet ferner durch das Einschließen einer Einrichtung (230) zum Autokorrelieren der Werte für jeden empfangenden Wandler und Kreuzkorrelieren zwischen verschiedenen empfangenden Wandlern mit einer oder mehreren vorbestimmten Zeitverzögerungen, die kürzer als die Impulsdauer sind.

2. System nach Anspruch 1, wobei der Impuls eine Vielzahl codierter Elemente aufweist.

3. System nach Anspruch 2, wobei jedes codierte Element eine Vielzahl von Trägerzyklen aufweist.

4. System nach Anspruch 3, wobei jedes codierte Element mehr als zwei und weniger als zehn Trägerzyklen aufweist.

5. System nach Anspruch 2, wobei die codierten Elemente phasencodiert sind.

6. System nach Anspruch 5, wobei die codierten Elemente mit jeweils 0-Grad- und 180-Grad-Phasen codiert sind.

7. System nach Anspruch 2, wobei der Impuls Sätze nichtidentischer Codeelemente umfaßt, so daß Nullen an jeder Seite einer vorgewählten Autokorrelationsspitzenverzögerung vorgesehen werden.

8. System nach Anspruch 1, wobei der Impuls eine zeitweilige Autokorrelationsspitze bei der vorbestimmten Zeitverzögerung aufweist.

9. Korrelationssonarsystem (200) mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Impulses (110) in eine Flüssigkeit mit reflektierenden Oberflächen, einer Vielzahl von Wandlern (210) zum Empfangen des Echosignals (110'), das durch den Impuls erzeugt wird, der auf die reflektierenden Oberflächen trifft, und mit einer Maximumwahrscheinlichkeitseinrichtung zum Maximieren der Wahrscheinlichkeit eines Satzes vorgewählter Parameter, einschließlich zumindest einer Geschwindigkeitskomponente, mit Sätzen von Korrelationen, die einen Parameterzustand zeigen, wobei das System ferner gekennzeichnet ist durch das Aufweisen einer Korrelationseinrichtung zum Ausbilden von Korrelationen des Echosignals, das durch jeden Wandler mit einer vorbestimmten Zeitverzögerung empfangen wird, wobei das Echosignal durch den gleichen Wandler zu einer oder mehreren anderen Zeitverzögerungen empfangen wird und wobei die Echosignale durch die anderen Wandler mit einer oder mehreren der anderen Zeitverzögerungen empfangen werden, wobei die Korrelationen die räumliche Beziehung der Wandler bereitstellen.

10. System nach Anspruch 9, wobei die Korrelationseinrichtung eine Einrichtung zum Berechnen von Korrelationen des Echosignals unter Verwendung einer räumlichen Korrelationsfunktion umfaßt, die definiert ist, wie folgt:

wobei

bn ein Legendrepolynom-Koeffizient ist,

Rn eine räumliche Korrelationsfunktion ist, die den n-ten Term des Strahlmodells W(Θ) enthält,

W(Θ) das Systemstrahlmodell ist, und

Θ der Winkel der gemessenen Energie von der Achse der Wellenausbreitung weg ist.

11. System nach Anspruch 10, wobei der Ausdruck für in der geschlossenen analytischen Form definiert ist, wie folgt: gerade ungerade falls n gerade ist

wobei

n der n-te Term des Strahlmodells ist,

ψ = k[vx(a&sub4;-a&sub1;)+vy(a&sub5;-a&sub2;)+vz(a&sub6;-a&sub3;)]/c der Ausdruck für eine Korrektur hinsichtlich der Phase ist, die zu Phasendifferenzen der Größenordnung v/c gehört, wobei v die Wassergeschwindigkeit ist und c die Geschwindigkeit des Schalls in Wasser ist,

δ = (2π/λ) x die gesamte Dreiachsenstrecke die Verzögerung vorn bistatischen Punkt ist, wobei λ die Wellenlänge der sich ausbreitenden Schallwelle ist,

J eine Besselfunktion ist,

P ein Legendrepolynom ist,

&epsi; ein Phasenwinkel ist, der den relativen Beitrag einer vertikalen und horizontalen Versetzung beschreibt, und

k = 2π/λ ist, wobei λ die Wellenlänge der sich ausbreitenden Schallwelle ist.

12. System nach Anspruch 9, wobei der analytische Ausdruck in geschlossener Form für die räumliche Korrelationsfunktion eine Lambertsche Streugesetzfunktion umfaßt.

13. System nach Anspruch 12, wobei die räumliche Korrelationsfunktion definiert ist, wie folgt:

wobei

ψ = k[vx(a&sub4;-a&sub1;)+vy(a&sub5;-a&sub2;)+vz(a&sub6;-a&sub3;)]/c der Ausdruck für eine Korrektur der Phase ist, die zu Streckenunterschieden der Größenordnung v/c gehört, wobei v die Wassergeschwindigkeit und c die Geschwindigkeit des Schalls im Wasser ist,

L eine obere Grenze einer Summation ist,

bn ein Legendrepolynom-Koeffizient ist,

I = Ringgeometriekoeffizienten sind, die definiert sind, wie folgt:

wobei

l ein Platzhalterindex ist, über den summiert wird,

j ein Platzhalterindex ist, über den summiert wird,

m ein Platzhalterindex ist, über den summiert wird,

P ein Legendrepolynom ist,

β der Nadirneigungswinkel des Meeresbodens ist,

r - (2π/λ) x der gesamten Dreiachsenstrecke die Verzögerung vom bistatischen Punkt (2τvx, 2τvy, 2τvz) ist, wobei λ die Wellenlänge der sich ausbreitenden Schallwelle ist und τ eine Zeitverschiebung ist,

J eine Besselfunktion ist,

cos η das Negative der vertikalen Verzögerung von dem bistatischen Punkt weg ist,

φ&sub0;-α der Azimutwinkel ist, der zum Verhältnis der wegführenden Strecke hinsichtlich der y- Verzögerung zur x-Verzögerung ist, die vom Azimutwinkel weg aufgenommen ist, unter dem der Meeresboden geneigt ist.

14. System nach Anspruch 12, wobei die räumliche Korrelationsfunktion definiert ist, wie folgt:

wobei

r = (2π/λ) x die gesamte Dreiachsenstrecke der Verzögerung die Verzögerung vom bistatischen Punkt (2τvx, 2τvy, 2τvz) ist, wobei λ die wellenlänge der sich ausbreitenden Schallwelle und τ eine Zeitverschiebung ist,

vx die Wassergeschwindigkeit längs der x-Achse,

vy die Wassergeschwindigkeit längs der y-Achse,

vz die Wassergeschwindigkeit längs der z-Achse ist,

ψ = k[vx(a&sub4;-a&sub1;)+vy(a&sub5;-a&sub2;)+vz(a&sub6;-a&sub3;)]/c der Ausdruck für eine Korrektur hinsichtlich der Phase zu Phasendifferenzen der Ordnung vlc gehörend ist, wobei v die Wassergeschwindigkeit und c die Geschwindigkeit des Schalls im Wasser ist, L eine obere Grenze für eine Summation ist, ein Legendrepolynom-Koeffizient ist,

I Ringgeometriekoeffizienten sind, die definiert sind, wie folgt:

wobei Θ der Winkel der gemessenen Energie von der Achse der Wellenausbreitung weg ist,

m als Null angenommen wird,

l ein Platzhalterindex ist, über den summiert wird,

j ein Platzhalterindex ist, über den summiert wird,

J eine Besselfunktion ist,

P ein Legendrepolynom ist, und

cos η das Negative der vertikalen Verzögerung vom bistatischen Punkt weg ist.

15. System nach Anspruch 9, wobei der analytische Ausdruck in geschlossener Form für die räumliche Korrelationsfunktion eine Kirchhoffannäherung für die Streugesetzfunktion umfaßt.

16. System nach Anspruch 15, wobei die räumliche Korrelationsfunktion definiert ist, wie folgt:

wobei

I Ringgeometriekoeffizienten sind, die definiert sind, wie folgt:

wobei

Θ der Winkel der gemessenen Energie von der Achse der Wellenausbreitung weg ist,

Rfo ein Reflexionskoeffizient ist,

u eine Variable ist, über die integriert wird,

J eine Besselfunktion ist,

wobei q eine beliebige Variable ist, die zum Vereinfachen der Gleichung gewählt wurde,

k = 2π/λ

λ die Wellenlänge der sich ausbreitenden Schallwelle ist

Ch eine Strukturkonstante ist, die manchmal auch als ein Strukturfunktionsparameter bezeichnet wird, und

α der effektive relative Winkel des Azimuts ist.

17. System nach Anspruch 9, wobei der analytische Ausdruck geschlossener Form für die räumliche Korrelationsfunktion eine allgemeine Funktion für Bandzustände ist.

18. System nach Anspruch 17, wobei die Magnitude der räumlichen Korrelationsfunktion definiert ist, wie folgt: Spitze

wobei

RSpitze die räumliche Spitzenkorrelation ist,

a ein Schenkelparameter ist, der das Ausmaß des Kurvenschenkels spezifiziert,

X ein Wert der Krümmung ist,

X&sub0; die Mitte der Krümmung ist, und

W der Breitenparameter einer Winkelstreufunktion ist, der als das Zweifache der Strecke von der Mitte zum 1/2- Kurvenhöhenpunkt definiert ist.

19. Verfahren zum Messen von Geschwindigkeiten unter Verwendung eines Korrelationssonarsystems mit einem sendenden Wandler (208) und einer Vielzahl von empfangenden Wandlern (210), wobei das Verfahren die Schritte des Sendens eines Energieirnpulses (110) in der Richtung einer reflektierenden Oberfläche, und des Empfangens des Irnpulsenergieechos (110') bei jedem empfangenden Wandler als einen Satz empfangener Werte aufweist, wobei das Verfahren ferner eine Maximum-Likelihood-Verarbeitung zum Abschätzen der Geschwindigkeit unter Verwendung korrelierter Werte, aufweist, gekennzeichnet durch

- das Berechnen von Korrelationswerten aus den empfangenen Werten, die zu vielen der empfangenden Wandler gehören;

- Bereitstellen anfänglicher Abschätzungen eines Satzes unbekannter Parameter; und

- eine Maximum-Likelihood-Verarbeitung der Korrelationswerte und der anfänglichen Abschätzungen von Parametern zum Maximieren der Wahrscheinlichkeit des Systems, das einen bestimmten Satz von Parametern aufweist, die den Korrelationswerten zugeordnet sind.

20. Verfahren nach Anspruch 19, zusätzlich den Schritt des Auswählens eines Codes zum Codieren der Impulsenergie aufweisend.

21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Code abhängig von der relativ gemessenen Geschwindigkeit ausgewählt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Code abhängig von der Strecke zur reflektierenden Oberfläche ausgewählt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Energie zu einer Vielzahl reflektierender Oberflächen hin gerichtet wird und die Schritte wiederholt werden, bis eine bestimmte reflektierende Oberfläche lokalisiert ist.

24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Lage der bestimmten reflektierenden Oberfläche durch Anwenden eines angepaßten Filters bestimmt wird.

25. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Satz unbekannter Parameter eine Geschwindigkeitskomponente umfaßt.

26. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Maximum-Likelihood- Verarbeitungsschritt einen Simplexalgorithmus umfaßt.

27. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Maximum-Likelihood- Verarbeitungsschritt das Berechnen des natürlichen Logarithmus der Wahrscheinlichkeitsfunktion bei der anfänglichen Abschätzung von Parametern und bei jedem Parameter, durch einen Offset variiert, aufweist.

28. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die empfangenen Werte und Korrelationswerte komplexe Zahlen sind.