DE1231444B - System zur Bestimmung der Einfallrichtung von Wellen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOIc

Deutsche Kl.: 42 c-39/20

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

N18186IXb/42c
20. April 1960
29. Dezember 1966

Die Erfindung betrifft ein System zur Bestimmung der Einfallrichtung von Wellen mittels einer Vielzahl entlang einer Basis verteilter Empfänger, aus deren Signalen in einem Summierverstärker ein Durchschnittswert gebildet wird. Die Wellen können von einem aktiven Strahler ausgehen, jedoch bezieht sich die Erfindung auch auf die Rückstrahlpeilung.

Die Richtungsbestimmung bereitet in einem solchen System Schwierigkeiten, wenn das Signal-Rausch-Verhältnis der ankommenden Wellen klein ist, insbesondere wenn die Intensität des Nutzsignals nur etwa so groß wie die Rauschintensität ist.

Aus dem Werk S. Goldman »Information Theory«, Prentice-Hall Inc., New York, Kapitel 8, ist es bekannt, daß bei periodischen Wellen das Signal-Rausch-Verhältnis durch Kreuzkorrelation verbessert werden kann, wobei als Vergleichssignal eine kohärente Hilfswelle verfügbar sein muß.

Erfindungsgemäß wird dieses Kreuzkorrelationsverfahren auf ein Peilsystem der eingangs genannten Art angewendet, wobei es noch um die Bereitstellung eines geeigneten Vergleichssignals geht.

Die vollständige Lösung nach der Erfindung besteht darin, daß zwischen die Empfänger und den Summierverstärker ein Kreuzkorrelator eingefügt ist, der Kreuzkorrelationsfunktionen zwischen allen Signalen und einem der Signale bildet. Bei einem Rückstrahlpeilsystem werden nach der Erfindung die Kreuzkorrelationsfunktionen zwischen allen Signalen und dem Sendesignal gebildet.

Durch diese Art der Kreuzkorrelation erhält man ein vergleichsweise einfach aufgebautes System, das eine erhebliche Verbesserung der Richtungsbestimmung erlaubt.

Die Theorie der Erfindung geht aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung hervor.

F i g. 1 zeigt eine Basis von Empfangsorganen und

F i g. 2 ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung des erfindungsgemäßen Systems.

Zur Vereinfachung der mathematischen Behändlung ist in F i g. 1 eine Zeile von Empfangsorganen dargestellt, beispielsweise eine Dipolzeile oder eine Mikrophonzeile, bei der die Empfangsantennen oder ' ■ Empfangsmikrophone (nachstehend als Empfangsorgane bezeichnet) in gleichen gegenseitigen Ab- ständen auf einer geraden Linie angeordnet sind. Es wird vorausgesetzt, daß jedes Empfangsorgan nach allen Richtungen empfindlich ist und alle Organe gleiche Empfindlichkeit besitzen.

Gemäß Fig. 1 sind die η Empfangsorgane in einer Linie in gleichen Abständen voneinander angeordnet. Die Ausgangsspannung h_e(t) eines beliebigen System zur Bestimmung der Einfallrichtung von
Wellen

Anmelder:

Nippon Electric Company Limited, Tokio

Vertreter:

Dipl.-Ing. M. Bunke, Patentanwalt,

Stuttgart W., Schloßstr. 73 B

Als Erfinder benannt:
Masao Kumano, Tokio

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 21. April 1959 (12 892)

Empfangsorgans ist gegeben durch

h_e(t) = S_e(t) +. Ne(t) ,

wobei t die Zeit, S_e(i) der Anteil des Nutzsignals und N_e(t) die Rauschspannung ist.

Die Nutzsignalausgangsspannung S_e(t) ist gegeben durch

Se(t) = A sin ((W₀ 1 + a_e) ) ,^

«e = k(e — l)dsiny, J

wobei A die Amplitude, ω₀ die Kreisfrequenz, α_β die Phase, k die Wellenlänge und γ der Einfallwinkel der ankommenden Wellen in bezug auf die Empfangsrichtung der Empfängerzeile sind. Die Phase tx_e eines beliebigen Empfängers wird auf das Empfangssignal des Empfängers 1 mit X₁ — 0 bezogen.

Wenn die Nutzsignalausgangsspannung S_e(t) mit einem starken Rauschpegel N_e(t) gemeinsam auftritt, ist es unmöglich, die Einfallrichtung der ankommenden Wellen allein durch Drehung der Empfangszeile oder durch Phasenverschiebung der einzelnen Ausgangsspannungen zu bestimmen.

Das erfindungsgemäße System nach dem Blockschaltbild. in Fig. 2 ermöglicht jedoch, die Nutzsignale auch aus einem starken Rauschpegel herauszufiltern, so daß die Einfallrichtung ankommender Wellen auch dann bestimmt werden kann, wenn der Nutzsignalpegel in der Größe des Rauschpegels liegt. Das Kernstück des erfindungsgemäßen Systems ist

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3 4

ein Kreuzkorrelator Γ, in dem die Kreuzkorrelations- fangsorgans 1 und der Ausgangsspannung je eines

funktionen zwischen einer bestimmten Eingangs- der übrigen Empfangsorgane e gebildet und über

spannung und den übrigen Eingangsspannungen eine Ausgangsschaltung 3' einem Summierverstärker 4'

gebildet werden. Die Ausgangsspannungen h_e(t) der zugeleitet, der die aufgenommenen Signale in üblicher einzelnen Empfangsorgane 1 ... η werden dem Kreuz- 5 Weise über Wähler, Entzerrer, Phasenschieber usw.

korrelator Γ über eine Eingangsschaltung 2' zu- zu einem gemeinsamen Ausgangssignal R kombiniert,

geführt. Es werden die Kreuzkorrelationsfunktionen Definitionsgemäß ist die Kreuzkorrelationsfunktion

Φ_Α, _fo (τ) zwischen der Ausgangsspannung des Emp- zwischen einer Funktion A₁(O und h_e(t) gegeben durch

+ τ
1 Γ

0H₁)Ie(V = Lim / h-Si)h_e(t + τ)dt

τ+™ 2TJ

- τ

+ T

= Lim — [[S₁(I) + JV₁(O) (S_e(f + τ) + N_e(t + r)}dt

7--+OO 2TJ

- T

+ T +T

= Lim— [S₁(I)Se^ + V dt + Lim— [S₁(I)Ne(I + τ)dt

- T -T

+ T +T

+ Lim— [ N₁(I)Se(I + T)di + Lim— [ N₁(^NeCt + τ) dt T+*,2TJ Γ*» 2Τ J

-T -T

Wenn ein statistisches Rauschen vorliegt und das zwei nicht kohärenten Wellenzügen verschwindet. Rauschen nicht mit dem Signal kohärent ist, was im Damit fallen die drei letzten Glieder der soeben allgemeinen vorausgesetzt werden kann, und wenn abgeleiteten Gleichung für die Kreuzkorrelationsferner angenommen wird, daß die Rauschspannungen funktion weg, und es ergibt sich
selbst nicht miteinander kohärent sind, so ergibt sich 35 φ (_τ\ = φ μ (Κ)

0S₁Ne(V = 0N₁Se(V = 0N₁Ne(V = 0, ρ.^ QJ^J^g _{kaQn dmch Emsetzen yon G}l_ei.

weil bekanntlich die Kreuzkorrelationsfunktion von chung (2) umgeschrieben werden:

+ r

1 Γ

ι= Lim j A²sma)₀tsm{(o₀(t + τ) + k(e— l)dsmy}dt

T-co 2T J

+ τ
1 Γ A^z

= Lim / cos{o)₀T + A:(e — l)dsiny}di

T+oD 2T J 2

+ τ

1 CA²·

— Lim I —cos{2co₀i + ω_οτ + k(e — l)dsiny}di

r-«, 2TJ 2

- τ

+ T

1 Γ A²

= Lim / cos{cü₀T + k(e — l)dsiny}di

T-+oo2Tj 2

- τ

A² = cos {co_o τ + k (e — 1) dsin γ}.

Das heißt: für die Signalausgangsspannung .Se(O, zeigt sich, daß

AZ bei Übereinstimmung von / und τ die Kreuzkorre-

^a₁ he (^T) = —{cos (O₀ τ + k(e — l)dsiny}. lationsfunktion zwischen der Ausgangsspannung h_x(t)

2 des Empfangsorgans 1 und der Ausgangsspannung

0) 65 he(i) eines beliebigen Empfangsorgans e auch bei Gegenwart von Rauschen im wesentlichen den

Vergleicht man diese Gleichung für die Kreuz- gleichen Wert hat wie eine rauschfreie Ausgangskorrelationsfunktion 0J₁₁Ue(T;) mit der Gleichung (2) spannung eines Empfängers e, nur statt der Ampli-

A²
tude A eine Amplitude -=- und statt der Phasenlage

einer Sinusfunktion die Phasenlage einer Kosmusfunktion auftritt. Auf Grund des Verschwindens der Kreuzkorrelationsfunktion nichtkohärenter Wellen sind die vom Kreuzkorrelator 1' gelieferten Ausgangsspannungen, nämlich die Kreuzkorrelationsfunktionen, rauschfrei und können in bekannter Art in einem Summierverstärker weiterverarbeitet werden, selbst wenn das einfallende Signal sich aus dem Rauschpegel überhaupt nicht heraushebt.

Hieraus ergibt sich auch, daß das Richtdiagramm des Systems durch Bildung der Kreuzkorrelationsfunktionen nicht geändert wird. Ein System zur Bestimmung der Einfallrichtung von Wellen kann also unter Beibehaltung des ursprünglichen Richtdiagramms auch bei sehr hohem Rauschpegel störungsfrei arbeiten. Hierbei dient der Kreuzkorrelator als ideales Rauschfilter.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde ao angenommen, daß die Empfangsorgane in einer Zeile, d. h. in einer geraden Linie in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind. Das ist selbstverständlich nur eine Möglichkeit; die Empfangsorgane können auch auf einer kreisförmigen Basis as oder in anderer gegenseitiger Lagebeziehung aufgestellt sein. Darüber hinaus brauchen die Empfangsorgane auch nicht nach allen Richtungen und untereinander gleiche Empfindlichkeit aufweisen, sondern sie können vielmehr bereits selbst eine gewisse Riehtcharakteristik aufweisen.

Schließlich ist bei Erläuterung der Arbeitsweise des Systems nach Fig. 2 angenommen worden, daß die Kreuzkorrelationsfunktionen zwischen der Ausgangsspannung eines Empfangsorgans und den Ausgangsspannungen der übrigen Empfangsorgane gebildet werden. Statt dessen können auch die Kreuzkorrelationsfunktionen zwischen einer örtlich gebildeten Welle mit den Signalen von den einzelnen Empfangsorganen gebildet werden, sofern nur die örtlich gebildete Welle mit den empfangenen Wellen kohärent ist, wie das beispielsweise bei Echoloten oder Radaranlagen der Fall ist, wo die empfangene Welle der von einem Objekt reflektierte Anteil der abgestrahlten Welle ist.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. System zur Bestimmung der Einfallrichtung von Wellen mittels einer Vielzahl entlang einer Basis verteilter Empfänger, aus deren Signalen in einem Summierverstärker ein Durchschnittswert gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Empfänger (e) und den Summierverstärker (4') ein Kreuzkorrelator (1') eingefügt ist, der Kreuzkorrelationsfunktionen zwischen allen Signalen und einem der Signale bildet.

2. System zur Bestimmung der Einfallrichtung von reflektierten Wellen bei der Rückstrahlpeilung mittels einer Vielzahl entlang einer Basis verteilter Empfänger, aus deren Signalen in einem Summierverstärker ein Durchschnittswert gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Empfänger (e) und den Summierverstärker (4') ein Kreuzkorrelator (1') eingefügt ist, der Kreuzkorrelationsfunktionen zwischen allen Signalen und dem Sendesignal bildet.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 524 318.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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