DE102004057547A1 - Echo signals classification method, involves visually displaying and viewing echoes in partial volumes, locating error on geographical map, and computing probability for classification as echo of small object - Google Patents

Abstract

The method involves locating echoes of a known small object, and matching necessary localization parameters e.g. speed of sound, so that the echoes of the small object are in partial volumes. The remaining echoes are located in the partial volumes. The echoes are visually displayed and viewed in the volumes and the error is located on a geographical map. The probability for classification is computed as echo of the small object. Independent claims are also included for the following: (A) a device for executing echo signals automatic classification method; and (B) a computer program product with program code unit that is stored on a machine-readable carrier.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur automatischen Klassifizierung von im aktiven sonaren Sendebetrieb hervorgerufenen Echos.The The invention relates to a method and a device for automatic Classification of echoes produced in active sonar transmission mode.

Aktive SONAR-Anlagen strahlen zur Ortung von Zielen Signale in das umgebende Medium ab, die an scharf begrenzten Dichteänderungen im Medium, vornehmlich an Oberflächen von im Medium befindlichen Körpern reflektiert werden und so der durchlaufenen Entfernung wegen nachfolgend als Echos registriert werden können. Um die reflektierenden Objekte einschätzen zu können, ordnet ein Klassifikationsprozess im Fall einer Sonaranlage nach der Detektion der Echos diese Klassen zu: z.B.: Uboot-Echo, Echo eines Wracks, Echo einer großen Bodenstruktur. Welche Klassenaufteilung sinnvoll ist, hängt dabei vom Messsystem und von der Umgebung ab.active SONAR systems emit signals to the surrounding area to locate targets Medium, the sharply limited density changes in the medium, notably on surfaces of bodies in the medium be reflected and so the distance traveled because of following can be registered as echoes. In order to be able to assess the reflective objects, a classification process arranges in the case of a sonar after the detection of echoes these classes to: for example: submarine echo, echo of a wreck, echo of a large soil structure. Which class allocation makes sense depends on the measuring system and from the environment.

Ein für diesen Zweck geeignetes Verfahren, welches aus dem FWG-Bericht KB 2001-2 „Information Processing in Low Frequency Active Sonar" bekannt ist, nutzt als Klassifizierungsmerkmal die Relativgeschwindigkeit zwischen Sensor und Ziel, die in einen Zielverfolgungsalgorithmus einsetzt, eine Unterscheidung zwischen unbeweglichen (z.B. Wracks, Bodenechos) und bewegten Zielen (z.B. Ubooten) automatisch ermöglicht. Die Anwendung der Relativgeschwindigkeit ist bei der Suche nach bewegten Zielen hilfreich (z.B. Absicherung eines Konvois), aber leider nicht anwendbar bei Überwachungseinsätzen, in denen mit ruhenden Zielen zu rechnen ist (z.B. sog. „Surveillance Operations").One For this Purpose appropriate procedure, which from the FWG report KB 2001-2 "Information Processing in Low Frequency Active Sonar "is used as a classification feature the relative speed between the sensor and the target in one Objective tracking algorithm uses a distinction between immobile (e.g., wrecks, ground echoes) and moving targets (e.g. Submarines) automatically. The application of relative velocity is in the search for moving targets (for example, securing a convoy), but unfortunately not applicable for surveillance missions, in those with dormant targets can be expected (for example, so-called "surveillance Operations ").

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bei gleichzeitiger Leistungssteigerungen für bewegte Objekte ein Verfahren anzugeben, welches die Möglichkeit zur Klassifizierung auch auf ruhende Ziele erweitert. Dies mit der Möglichkeit einer automatischen Unterscheidung für Echosignale, ob sie von einer großen Struktur oder einem kleinen Objekt stammen. Als große Struktur gilt in diesem Sinn, z.B. ein 40 Meter hoher, 300 Meter breiter und 20 km langer Unterwasserberg, eine kleine Struktur als ein Uboot oder ein auf dem Meeresboden liegendes Wrack.Of the Invention is based on the object, while increasing performance for moving objects to specify a method which has the possibility of classification extended to dormant targets. This with the possibility of an automatic distinction for echo signals, whether she's from a big one Structure or a small object. As a big structure applies in this sense, e.g. a 40 meters high, 300 meters wider and 20 km long underwater mountain, a small structure as a submarine or a wreck lying on the seabed.

Eine multistatische Anordnung besteht bei diesen Dimensionen aus mehreren Sendern und Empfängern in Abständen von mehr als einem Kilometer, wobei die Abstände zwischen jeweils einem Sender-Empfänger-Paar auch kleiner sein kann. Wenn innerhalb eines Sender-Empfänger-Paares der Abstand untereinander groß (d.h. größer als ein Kilometer) ist, heißt diese Anordnung bistatisch. Ein spezieller Fall der bistatischen Anordnung, die nicht in der Definition einer multistatischen Anordnung enthalten ist, ist gegeben, wenn der Empfänger aus einer Reihe räumlich getrennter Sensoren besteht, z.B. zwei Antennen im Abstand von 200 m, bzw. wenn der Empfänger einen Sensor mit einer sehr großen räumlichen Apertur (z.B. eine 500m lange Antenne) hat.A Multistatic arrangement consists of several in these dimensions Senders and receivers at intervals of more than one kilometer, with the distances between each one transmitter-receiver pair can also be smaller. If within a transceiver pair the Distance between each other is large (i.e. greater than one kilometer) is called this arrangement is bistatic. A special case of the bistatic Arrangement not in the definition of a multistatic arrangement is given if the receiver is spatially separated from a series Sensors consists, e.g. two antennas at a distance of 200 m, resp. if the receiver a sensor with a very large spatial Aperture (for example, a 500m long antenna) has.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst und auf einer Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 2, die gesteuert wird von einem Computerprogramm gem. der Merkmale das Anspruchs 3, welches als Computerprogrammprodukt auf eine maschinenlesbaren Träger gem. dem Anspruch 5 gespeichert ist und welches gem. dem Unteranspruch 4 ausgebildet ist, ausgeführt.The The object is achieved by a method having the features of the claim 1 solved and on a device with the features of claim 2, which are controlled is gem. by a computer program. the features of the claim 3, which as a computer program product according to a machine-readable carrier. is stored in claim 5 and which gem. the dependent claim 4 is formed executed.

Die moderne Theorie zur Zielverfolgung aus stochastischen Messungen mit Hilfe der Verarbeitung sogenannter Zielattribute erlaubt das Zusammenführen mehrerer zeitlich separater Messungen zu einem Klassifizierungs- bzw. Zielspurergebnis. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert Zielattribute in einer Form, wie sie von den bestehenden Verfahren weiterverwendet werden können (Literatur: S. Blackman, R. Popoli, Design and Analysis of Modern Tracking Systems, Artech House, 1999).The modern theory for target tracking from stochastic measurements using the processing of so-called target attributes allows the bring together several time-separated measurements into a classification or target result. The method according to the invention provides target attributes in a form as used by existing procedures can be (Literature: S. Blackman, R. Popoli, Design and Analysis of Modern Tracking Systems, Artech House, 1999).

Die erfinderische Lösung gelingt durch die Anwendung des Reflexionsgesetz, das besagt, dass ein Strahl an einer Oberfläche so reflektiert wird, dass gilt: Einfallswinkel sei gleich Ausfallswinkel. Wenn eine große Struktur angestrahlt wird, dann gilt dieses Gesetz für jede Facette ihrer Oberfläche. Auch wenn das Strahlenmodell nur eine grobe Vereinfachung der realen Prozesse der Reflexion darstellt, lässt sich doch die Aussage des Gesetzes für die Belange in der praktischen Anwendung so formulieren, dass die maximale Signalenergie von jeder Facette genau in eine Richtung abgestrahlt wird. Wenn die Signalenergie, die außerhalb des Reflexionswinkels abgestrahlt wird, klein ist, wenn die aktiven Sendesignale aufgrund von Dispersion im Übertragungsmedium in unterschiedliche geneigte Strahlen für unterschiedliche Frequenzen aufgespalten wird oder wenn sich durch die räumliche geometrische Anordnung der zur Verfügung stehenden multistatischen Sender und Empfänger unterschiedliche Glanzpunkte der Reflektion ergeben, und wenn dann ein Sendesignal von einer großen Struktur reflektiert wird, detektierten räumlich unterschiedlich orientierte Sensoren die Echos unterschiedlicher Facetten der Oberfläche der großen Struktur mit unterschiedlichen Frequenzen, d.h. es entstehen Detektionen an unterschiedlichen Positionen, denn die Winkellage der Facette in der Sender/Empfänger-Geometrie und relativ zum Auftreffwinkel des Schallstrahls, der zu einer Frequenz gehört, ist entscheidend. In einer derartigen Situation kann ein Sensor mit großer räumlicher Apertur den Glanzpunkt weiter auflösen. Im Gegensatz zum großen Objekt, konzentriert sich der Ort der Reflektion bei einem kleinen Objekt, dessen Echo in allen (oder von einer Auswahl der) Frequenzen auch an den Sensoren detektierbar ist, deutlich auf nur eine Stelle.The inventive solution succeeds through the application of the law of reflection, which states that a ray is reflected on a surface in such a way that the angle of incidence is equal to the angle of reflection. When a large structure is illuminated, this law applies to every facet of its surface. Even though the radiation model is only a rough simplification of the real processes of reflection, the statement of the law for the interests in practical application can be formulated in such a way that the maximum signal energy of each facet is radiated exactly in one direction. When the signal energy radiated outside the reflection angle is small when the active transmission signals are split into different inclined beams for different frequencies due to dispersion in the transmission medium, or when the spatial arrangement of the available multistatic transmitters and receivers has different highlights reflect reflection, and then when a transmission signal is reflected from a large structure, spatially differently oriented sensors detected the echoes of different facets of the surface of the large structure with different frequencies, ie there are detections at different positions, because the angular position of the facet in the transmitter / Receiver geometry and relative to the angle of incidence of the sound beam belonging to a frequency is crucial. In such a situation For example, a sensor with a large spatial aperture can further resolve the highlight. In contrast to the large object, the location of the reflection in a small object whose echo is detectable in all (or by a selection of) frequencies also at the sensors, clearly focuses on only one place.

Bei Messungen treten immer Lokalisierungsfehler auf. Das bedeutet, dass grundsätzlich nicht eindeutig entschieden werden kann, ob zwei sich in der Frequenz unterscheidende Echos von genau demselben kleinen Objekt stammen oder von mehreren Facetten einer großen Struktur. Der Lokalisierungsfehler entsteht durch die a-priori unbekannten Bedingungen der Schallausbreitung. Allerdings können für eine bekannte (Echo-)Signalquelle eines kleinen Objektes in der Nähe der großen Struktur alle Detektionen in unterschiedlichen Frequenzen und von unterschiedlichen Sender-Empfänger-Geometrien bei der Nachauswertung auf einen Punkt gelegt werden. Das entspricht der Idee einer Autofokussierung in der Optik. Dadurch wird sozusagen eine lokale maximale Lokalisierungsgenauigkeit erzwungen. Dabei kann bei genügend vorliegender Dispersion oder genügendem Abstand der Sender und Empfänger innerhalb der multistatischen Anordnung oder bei genügend hoher Auflösung eines Empfangssensor mit großer Apertur für die Clutter-Echos der großen Bodenstruktur keine so genaue Überlagerung der Echos unterschiedlicher Frequenzen erreicht werden.at Measurements always occur localization errors. It means that in principle can not be decided clearly whether two are in frequency differing echoes originate from exactly the same small object or of several facets of a large structure. The localization error arises from the a priori unknown conditions of sound propagation. However, you can for one known (echo) signal source of a small object in the vicinity of the large structure all detections in different frequencies and of different ones Transmitter-receiver geometries be placed on a point in the re-evaluation. Corresponding the idea of autofocusing in optics. This will, so to speak enforced a local maximum localization precision. there can be enough present dispersion or sufficient Distance between transmitter and receiver within the multistatic arrangement or at sufficiently high resolution a reception sensor with large Aperture for the clutter echoes of the large soil structure no such precise overlay the echoes of different frequencies can be achieved.

Aus dem auf unterschiedliche Frequenzen bezogene Abstand der Detektionen kann ein Maß für eine Wahrscheinlichkeit berechnet werden, die Grundlage ist, die am jeweiligen Sensor registrierten Echosignale zu klassifizieren. Das Ergebnis dieser Klassifizierung zusammen mit der Wahrscheinlichkeit der Richtigkeit dieser Klassifizierung werden dann an nachfolgende Verarbeitungsschritte übergeben.Out the reference to different frequencies distance of the detections can be a measure of a probability The basis is the echo signals registered at the respective sensor to classify. The result of this classification together with the probability of correctness of this classification are then transferred to subsequent processing steps.

Damit eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren in besonderer Weise, Echos kleiner Ziele auch innerhalb einer Umgebung mit großen Bodenstrukturen von deren Echos (sog. Clutter) automatisch unterscheiden zu können, womit eine signifikante Minderung der Falschalarmrate in aktiven SONAR- Anlagen beim Einsatz in Clutter-Gebieten erreichbar wird. Darüber hinaus ist eine verbesserte automatische Zielverfolgung möglich, wenn die Klassifizierungsinformation zusammen mit ihrer statistischen Gewichtung im Zielverfolgungsalgorithmus verwendet wird. Dabei bedeutet „verbessert", dass bei im schlechtesten Fall nur unwesentlich veränderter Verfolgungswahrscheinlichkeit des richtigen Zieles die Anzahl der Spuren für Falschziele reduziert wird.In order to the method according to the invention is suitable in a special way, echoes of small targets even within an environment with big Soil structures whose echoes (so-called clutter) automatically distinguish to be able to with a significant reduction of the false alarm rate in active SONAR systems can be reached when used in clutter areas. Furthermore improved automatic tracking is possible if the classification information together with its statistical Weighting is used in the tracking algorithm. Here, "improved" means that at worst Case only insignificantly changed Persecution probability of the right target the number of Traces for False goals is reduced.

Das neue Verfahren ist unter Ausnutzung einer meist ohnehin bestehenden Hardware, lediglich mittels dem erfinderischen Verfahren entsprechender Software leicht umzusetzen.The new process is taking advantage of a mostly already existing Hardware, only by means of the inventive method corresponding software easy to implement.

Mit der Übergabe der Klassifizierung wird auch ein Maß für die Wahrscheinlichkeit der Richtigkeit der vorgenommenen Klassifizierung übergeben. Da diese stochastische Information in nachfolgenden Verarbeitungsschritten mit verarbeitet wird, kann deren Leistungsfähigkeit deutlich gesteigert werden im Vergleich zu herkömmlichen Vorgehensweisen, die sich auf diese Klassifizierungsinformation noch nicht stützen konnten.With the handover The classification will also be a measure of the probability of Passed the correctness of the classification. Because this stochastic Information processed in subsequent processing steps can, their performance be significantly increased compared to conventional approaches that are could not yet rely on this classification information.

Im Folgenden wird die Ausführungsform für SONAR-Anlagen, detailliert beschrieben und in einem Blockschaltbild 1 dargestellt.In the following, the embodiment for SONAR systems is described in detail and in a block diagram 1 shown.

1 zeigt schematisch den Signalfluss der sich beim Vollzug des Verfahrens ergibt. 1 schematically shows the signal flow resulting in the completion of the process.

Zur Aussendung der Schallereignisse und Empfang der sich ergebenden Echos sind drei Low Frequency Towed Array Sonare (LFTAS) vorgesehen. Sie stellen eine Sensorik 1 dar, die breitbandige Echosignale verarbeiten kann, auf denen auch bistatisch die Echosignale eines aktiven Senders oder mehrerer aktiver Sender aufgefasst werden können. Weit diese Funktionselemente grundsätzlich fehlerbehaftet sind, ist eine Optimierung ihrer Lokalisierungsgenauigkeit entsprechend dem Stand der Technik vorteilhaft. Eine größte Genauigkeit ist durch Ausbringen von Sendern an bekannten Positionen mittels Einmessen und Berechnen ihrer systembedingten Messfehler möglich. Anstelle von LFTAS sind auch andere Sensorausführungen an U-Booten angebrachte Flank- und Towed-Array's möglich.To transmit the sound events and receive the resulting echoes, three Low Frequency Towed Array Sonars (LFTAS) are provided. They represent a sensor 1 which can process broadband echo signals on which the echo signals of an active transmitter or several active transmitters can also be bistatically understood. As far as these functional elements are fundamentally faulty, an optimization of their localization accuracy according to the prior art is advantageous. Greater accuracy is possible by deploying transmitters at known positions by measuring and calculating their system-related measurement errors. Instead of LFTAS, other sensor designs for submarine-mounted flank and towed arrays are also possible.

Wenn die Voraussetzungen geschaffen sind, erfolgt von Schallgebern ein Aussenden eines oder mehrerer aktiver Sendesignale. Die in das umgebende Medium ausgesandten Signale werden vorzugsweise an Grenzflächen im Medium vorhandener fester Objekte nach den Reflektionsgesetzen reflektiert und gelangen so an die Empfangssensoren 1, wo eine Registrierung der in verschiedene Frequenzen dispergierten Signale erfolgt. Um die reflektierenden Objekte einschätzen zu können, werden die empfangenen Echodaten sensorbezogen in einer den Sensoren nachfolgenden Verarbeitungsstufe 2 entsprechend folgender Standardsignalverarbeitungsschritte: Beamforming und Matched Filter in allen Teilbändern unter Berücksichtigung der Eigenfahrt von Sendern und Sensoren unterzogen. Für eine bekannte Echo-Signalquelle eines kleinen Objektes werden dann alle Teilbänder aller Sensoren auf einen Punkt lokalisiert und die Detektionen in unterschiedlichen Teilbändern in ein geographisches Koordinatensystem 3 eingeschrieben.If the prerequisites have been created, transducers emit one or more active transmission signals. The signals emitted into the surrounding medium are preferably reflected at interfaces in the medium of existing solid objects according to the laws of reflection and thus reach the receiving sensors 1 where registration of the signals dispersed in different frequencies takes place. In order to be able to estimate the reflecting objects, the received echo data are sensor-related in a processing stage following the sensors 2 according to the following standard signal processing steps: Beamforming and Matched Filter in all subbands under consideration of the own driving of transmitters and sensors subjected. For a known echo signal source of a small object then all subbands of all sensors are localized to a point and the detections in different subbands in a geographic coordinate system 3 enrolled.

In einer Weiterverarbeitungsstufe 4 werden die Abstände zusammengehöriger Detektionen aus den verfügbaren Sensoren 1 berechnet. Die Abstände werden mit den systembedingten Lokalisierungsfehlern der Sensoren 1 gewichtet, woraus ein Maß für die Wahrscheinlichkeit ermittelt wird, mit der die Echos z.B. von einer ausgedehnten Bodenstruktur stammen können oder von keinen Objekten herrühren. Ist zum Beispiel der Abstand der Ursprünge der Echos sehr klein, so wird auch die Wahrscheinlichkeit für die Klassifizierung als „von einer ausgedehnten Bodenstruktur stammend" sehr klein. Aus der Weiterverarbeitungsstufe 4 heraus steht das Klassifizierungsergebnis weiteren Verarbeitungsfunktionen zur Verfügung.In a finishing stage 4 become the distances of related detections from the available sensors 1 calculated. The distances become with the system-related localization errors of the sensors 1 weighted, from which a measure of the probability is determined, with which the echoes can originate eg from an extended soil structure or originate from no objects. For example, if the distance between the origins of the echoes is very small, the probability of classification as "coming from an extensive soil structure" also becomes very small 4 out the classification result is available to other processing functions.

Verfahren zur automatischen Klassifizierung der von einer Unterwasserschallquelle hervorgerufenen EchosignaleMethod for automatic Classification of echo signals produced by an underwater sound source

11

Sensoriksensors

22

Verarbeitungsstufeprocessing stage

33

Koordinatensystemcoordinate system

44

WeiterverarbeitungsstufeProcessing stage

Claims (5)

Verfahren zur automatischen Klassifizierung der von einer Unterwasserschallquelle hervorgerufenen Echosignale, gekennzeichnet durch, a) an bestimmten räumlich verschiedenen Orten (mindestens einem Ort) zeitsynchrones und richtungsselektives Auffassen von an bestimmten räumlich verschiedenen Orten (mindestens einem Ort) ausgesendeten ausreichend breitbandigen Schallsignalen, b) Korrektur bzw. Abschätzung im statistischen Sinn der systembedingten Signalquellenfehler, c) Aufzeichnung und Digitalisierung der Daten, d) sensorbezogenes Verarbeiten der empfangenen Echodaten entsprechend folgender Signalverarbeitungskette: 1) Beamforming, 2) Matched Filter in allen Teilbändern unter Berücksichtigung der Eigenbewegung der Sender und Sensoren, 3) lokalisieren der Echos eines bekannten kleinen Objektes oder Signals einer weiteren Schallquelle, 4) anpassen der für die Lokalisierung notwendigen Parameter (z.B. Schallgeschwindigkeit), sodass die Echos der bekannten kleinen Objektes in den Teilbändern an genau einem Geländeort liegen, 5) lokalisieren der übrigen Echos in den Teilbändern, 6) visuelle Ausgabe und Darstellung der Echos in den Teilbändern zusammen mit dem Lokalisierungsfehler auf einer geographischen Karte 7) berechnen der Wahrscheinlichkeit für eine Klassifizierung als Echo eines kleinen ObjektesMethod for automatic classification of echo signals caused by an underwater sound source, marked by, a) at certain spatial levels different places (at least one place) time-synchronous and direction-selective Grasping at certain spatially Sent sufficient places (at least one place) broadband sound signals, b) correction or estimation in statistical sense of systemic signal source errors, c) Recording and digitizing the data, d) sensor-related Processing the received echo data according to the following signal processing chain: 1) beamforming, 2) Matched filters in all subbands below consideration the proper motion of the transmitters and sensors, 3) locate the echoes of a known small object or signal another Sound source 4) adjust the parameters needed for localization (e.g., speed of sound) so that the echoes of the known small ones Object in the subbands at exactly one site location lie, 5) locate the remaining echoes in the subbands, 6) visual output and representation of the echoes in the subbands together with the localization error on a geographic map 7) calculate the probability of classification as Echo of a small object Einrichtung für den Vollzug des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: eine Empfangseinrichtungen [(z.B. LFTAS) 1]für Unterwassergeräusche, eine Signalverarbeitungsstufe (2) für Beamforming, Matched Filter, ein Koordinatensystem (3) zur Ausgabe und Anzeige der gefundenen Ziele und eine Weiterverarbeitungsstufe (4) zur Weitergabe der ermittelten Klassifizierung.Device for carrying out the method according to Claim 1, characterized by a receiving device [(eg LFTAS) 1 ] for underwater sounds, a signal processing stage ( 2 ) for beamforming, matched filters, a coordinate system ( 3 ) for output and display of the found targets and a further processing stage ( 4 ) for passing on the determined classification. Computerprogramm mit Programm-Code-Mitteln, um die Schritte a bis d gemäß dem Anspruch 1 durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.Computer program with program code means to the Steps a to d according to the claim 1 to carry out if the program is running on a computer. Computerprogramm mit Programm-Code-Mitteln gemäß dem Anspruch 3, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind.Computer program with program code means according to the claim 3, which are stored on a computer-readable medium. Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programm-Code-Mitteln, um alle Schritte a bis d gemäß dem Anspruch 1 durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.Computer program product with on a machine-readable carrier stored program code means to all steps a to d according to the claim 1 to carry out if the program is running on a computer.