DE19539068A1 - Acoustic monitoring system - Google Patents

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DE19539068A1
DE19539068A1 DE19539068A DE19539068A DE19539068A1 DE 19539068 A1 DE19539068 A1 DE 19539068A1 DE 19539068 A DE19539068 A DE 19539068A DE 19539068 A DE19539068 A DE 19539068A DE 19539068 A1 DE19539068 A1 DE 19539068A1
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Peter John Malvern Soilleux
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Lokalisierung und Spurverfolgung von Fluggeräten durch Erfassen der akustischen Signale, die von dem Ziel abgestrahlt werden an mehreren Stellen und durch Durchführung verschiedener Verarbeitungen der akustischen Signale, um die gewünschte Information abzuleiten. Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Klassifizierung und Identifizierung von Hubschraubern.The present invention relates to a system for locating and tracking aircraft by detecting the acoustic signals radiated from the target at multiple locations and performing various processing of the acoustic signals to derive the desired information. A second aspect of the present invention enables the classification and identification of helicopters.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur automatischen akustischen Lokalisierung, Zielverfolgung und Klassifizierung von in der Luft fliegenden Zielen.The The present invention relates to a system for automatic acoustic Localization, tracking and classification of in the air flying goals.

Überwachungssysteme können in zwei Hauptklassen unterteilt werden, nämlich in aktive und in passive Systeme.monitoring systems can be divided into two main classes, namely in active and in passive systems.

Die wichtigsten aktiven Systeme sind die Radarsysteme. Sie bieten eine Lokalisierungs- und Zielverfolgungserfassung auf großen Reichweiten und unter den meisten herrschenden Bedingungen, aber wie bei allen aktiven Systemen, sind sie auch leichter zu erfassen als passive Systeme und sind somit angreifbarer.The The most important active systems are the radar systems. They offer one Localization and tracking tracking on large Reaches and under most prevailing conditions, but how in all active systems, they are also easier to detect than passive systems and are thus more vulnerable.

Passive Systeme umfassen:

  • 1) Infrarotabbildungen,
  • 2) optische Überwachung durch Satelliten und ferngesteuerte Fortbewegungsmittel (RPVs),
  • 3) elektromagnetische Kennsignalerkennung und
  • 4) akustische und seismische Überwachungssysteme.
Passive systems include:
  • 1) infrared pictures,
  • 2) optical monitoring by satellites and remote-controlled means of transport (RPVs),
  • 3) electromagnetic identification signal recognition and
  • 4) acoustic and seismic monitoring systems.

Die größten mit Infrarot- und optischen Systemen verbundenen Nachteile sind, daß sie Sichtkontakt zwischen dem Sensor und dem Ziel erfordern (d. h. sie können nicht Objekte erfassen, die durch Hindernisse verdeckt sind); ihre jeweilige Leistungsfähigkeit wird durch widrige Umstände wie z. B. Niederschlag vermindert. Darüber hinaus sind sie teuer.The largest associated with infrared and optical systems Disadvantages are that they have visual contact between the sensor and the destination (that is, they can not be objects capture obscured by obstacles); their respective performance is caused by adverse circumstances such. B. reduced precipitation. In addition, they are expensive.

Passive elektromagnetische Kennsignalerkennung ist eine nützliche Technik zur Erfassung und Erkennung einer geringen Anzahl von Flugzeugen. Wenn jedoch eine große Anzahl von niedrig fliegenden Zielen zusammen mit Störsignalen auftreten, wird die Klassifizierung der Ziele schwierig. Diese Technik erfordert ebenfalls einen Sichtkontakt zwischen dem Ziel und dem Empfänger.passive Electromagnetic identification is a useful Technology for detecting and detecting a small number of aircraft. If however, a large number of low-flying targets occur together with interfering signals, the classification becomes the goals difficult. This technique also requires visual contact between the target and the recipient.

Die Verwendung phasengesteuerter Anordnungen in beispielsweise der Radartechnik ist gut bekannt. Typisch wird eine Anordnung von Antennen verwendet, um einen Abtaststrahl zu senden und zu empfangen und um durch die Veränderung der Phase des Signals bei jeder Antenne die Richtung des gesendeten Strahls zu kontrollieren.The Use of phased arrays in, for example, radar technology is well known. Typically, an array of antennas is used to send and receive a scanning beam and to pass through the Change the phase of the signal at each antenna To control the direction of the transmitted beam.

Akustische und seismische Systeme sind nützlich zur Erfassung, Klassifizierung und Lokalisierung von Zielen bis zu einer Entfernung von 20 km, insbesondere tieffliegende Flugzeuge – und sie sind komplementär zu anderen Sensortypen. Sie liefern eine gute Rundumerfassung, verwenden relativ einfache Sensoren und Prozessoren und sind wirksam, selbst wenn das Ziel durch die Topographie, Bäume, Rauch oder Niederschlag o. dgl. verdeckt wird.acoustic and seismic systems are useful for detection, classification and localization of targets up to a distance of 20 km, in particular low flying planes - and they are complementary to other sensor types. They provide a good all-round detection, use relatively simple sensors and processors and are effective, even if the goal is through the topography, trees, smoke or Precipitation o. The like. Is covered.

Erfindungsgemäß weist ein System zur automatischen akustischen Lokalisierung und Zielverfolgung eines Ziels auf:

  • (i) Mittel zum Empfangen akustischer Signale von einem Ziel an mehreren Stellen;
  • (ii) Mittel zum sequentiellen Abtasten des empfangenen Signals an jeder Stelle;
  • (iii) Mittel zum Umwandeln von Abtastsignalen in digitale Form;
  • (iv) Mittel zur Verarbeitung der digitalen Daten, um eine Angabe über den Bereich, den Azimut und die Höhe eines jeden erfaßten Ziels zu liefern und
  • (v) Mittel zum Übertragen der verarbeiteten Daten.
According to the invention, a system for automatic acoustic localization and target tracking of a target comprises:
  • (i) means for receiving acoustic signals from a destination at multiple locations;
  • (ii) means for sequentially sampling the received signal at each location;
  • (iii) means for converting sample signals to digital form;
  • (iv) means for processing the digital data to provide an indication of the range, the azimuth and the height of each detected target, and
  • (v) means for transmitting the processed data.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das System ferner Mittel zur weiteren Verarbeitung der digitalen Daten, wodurch das Ziel klassifiziert wird, dahingehend, ob es sich um einen Hubschrauber handelt und um einen solchen so klassifizierten Hubschrauber zu identifizieren.According to one preferred embodiment comprises the system further means for further processing the digital data, thereby the target is classified, as to whether it is a helicopter and about such a classified helicopter identify.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Mittel zum Empfangen akustischer Signale eine rechtwinklige Tetraederanordnung von Mikrophonen auf.According to one Another preferred embodiment, the means for receiving acoustic signals a rectangular tetrahedral arrangement of microphones.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das System eine Vielzahl von Untersystemen auf, wobei jedes Untersystem ein oben beschriebenes System aufweist und die Untersysteme untereinander und mit einem zentralen Sender verbunden sind.According to one another preferred embodiment, the system has a Variety of subsystems, each subsystem one above described system and the subsystems with each other and are connected to a central transmitter.

Die Erstübertragung des Verarbeitungssystems ist die zu einem transparenten Relais, der einen Zwischenempfänger/Sender darstellt, von wo aus die Übertragung stattfindet.The Initial transmission of the processing system is the one to transparent relay, an intermediate receiver / transmitter represents from where the transfer takes place.

Typischerweise wird in einem Erfassungssystem eine Signalschwelle vorgegeben und die Erfassung hängt davon ab, ob diese Schwelle überschritten wird. Wenn diese Schwelle zu hoch gesetzt ist, werden echte Ziele nicht erfaßt. Wenn jedoch die Schwelle zu niedrig gelegt ist, werden Rauschsignale Ziele vortäuschen, die nicht vorhanden sind (falscher Alarm). Der Schwellenwert wird mit Bezug auf ROC-Kurven (Receiver-Operating Characteristic) festgelegt (siehe z. B. Robert J. Ulrick "Principles of Underwater Sound", 2. Auflage, 1975, McGraw-Hill ). Diese Kurven zeigen die Beziehung zwischen der Wahrscheinlichkeit, daß ein echtes Ziel erfaßt wird und ein falscher Alarm bei verschiedenen Schwellenwerten ausgelöst wird.Typically, in a detection system, a signal threshold is given and the detection depends on whether this threshold is exceeded. If this threshold is set too high, real goals will not be detected. However, if the threshold is set too low, noise signals will mimic targets that are not present (false alarm). The threshold is set with reference to Receiver-Operating Characteristic (ROC) curves (see, for example, Robert J. Ulrick "Principles of Underwater Sound", 2nd edition, 1975, McGraw-Hill ). These curves show the relationship between the probability that a true target will be detected and a false alarm will be triggered at different thresholds.

Das von einem Mikrophon erfaßte akustische Signal ist durch lokale Geräusche aufgrund von Wind überlagert. Wind hat eine Frequenzcharakteristik, die um 6 dB pro Oktave fällt, d. h., daß das von diesem Signal abgeleitete Frequenzleistungsspektrum, welches an jedem Mikrophon empfangen wird, eine Grundlinie hat, die um diesen Betrag abgestuft ist.The microphone-detected acoustic signal is superimposed by local noise due to wind. Wind has a frequency characteristic tik, which falls by 6 dB per octave, ie, that the frequency power spectrum derived from this signal, which is received at each microphone, has a baseline that is graded by that amount.

Dieses Problem kann durch die Verwendung eines Kompensationsfilters reduziert werden. Eine solche Vorrichtung hat ein Responseverhalten, welches mit der Frequenz ansteigt, wodurch der Effekt lokaler Windgeräusche kompensiert wird.This Problem can be reduced by using a compensation filter become. Such a device has a response behavior which increases with frequency, reducing the effect of local wind noise is compensated.

Die Dämpfung eines akustischen Signals, welches durch die Luft transportiert wird, wächst mit der Frequenz und somit werden bei einem Signal aus mehreren Komponenten die Hochfrequenzkomponenten stärker gedämpft als die Niederfrequenzkomponenten. Somit wird zum Zeitpunkt, in dem das Signal ein Empfängersystem erreicht, welches weit von der Quelle entfernt ist, verzerrt, so daß die hochfrequenten Bestandteile eine niedrigere relative Intensität haben als das Signal am Ort der Quelle.The Attenuation of an acoustic signal passing through the air is transported, grows with the frequency and thus become for a signal of several components, the high frequency components more damped than the low frequency components. Thus, at the time the signal becomes a receiver system reached, which is far from the source, distorted, so that the high frequency components have a lower relative Have intensity as the signal at the place of the source.

Dieses Phänomen kann ausgewertet werden, indem das erhaltene Spektrum eines identifizierten Ziels mit dem Spektrum verglichen wird, welches am Ort der Geräuschquelle erwartet wird und indem eine Bereichsabschätzung aus dem Grad der beobachteten Verzerrung abgeleitet wird.This Phenomenon can be evaluated by the obtained spectrum of an identified target is compared to the spectrum which is on the Location of the noise source is expected and by an area estimate is derived from the degree of observed distortion.

Im folgenden wird die Erfindung beispielsweise und mit Bezug auf die folgenden Figuren näher erläutert. Darin zeigen:in the The following is the invention, for example, and with reference to the following figures explained in more detail. Show:

1 ein Flußdiagramm, welches die Verarbeitung von Signalen nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert, 1 a flow chart illustrating the processing of signals according to a preferred embodiment of the invention,

2 einen Sensor, der bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, 2 a sensor used in a preferred embodiment of the invention,

3 ein Blockdiagramm der in einem Ausführungsbeispiel verwendeten Datenverarbeitungshardware; 3 a block diagram of the data processing hardware used in an embodiment;

4a und 4b den Effekt einer "split window normalisation" eines Frequenzleistungsspektrums; 4a and 4b the effect of a split window normalization of a frequency power spectrum;

5a bis 5c die Methode, die verwendet wird, um den Azimut und die Höhe des Ziels nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zu bestimmen; 5a to 5c the method used to determine the azimuth and the height of the target according to a preferred embodiment of the invention;

6 einen typischen Datensatz, der verwendet wird, um den Bereich, in dem sich ein Zielflugzeug aufhält, abzuschätzen und eine Reihe von empfangenen Spektren von einem typischen Hubschrauber aufweist, während dieser sich der Aufnahmestelle nähert und diese überfliegt;
und
6 a typical data set used to estimate the range in which a target aircraft resides and having a series of received spectra from a typical helicopter as it approaches and flies over the receiving location;
and

7 eine Vielzahl von Untersystemen, die untereinander und mit einem zentralen Sender verbunden sind. 7 a plurality of subsystems connected to each other and to a central transmitter.

Gemäß 1 kann die Hauptbearbeitung gestartet werden (Schritt 1), wenn der integrale Geräuschdruckpegel (OASPL) in einem gewählten Frequenzbereich eine vorgegebene Schwelle überschreitet. Für die meisten Hubschrauber wird der Bereich so gewählt, daß er die Fundamentalschwingung und die vierte Harmonische der Rotorblattfrequenzen des Haupt- und des Heckrotors enthält, wobei dieser Bereich typischerweise zwischen 5 und 520 Hz liegt.According to 1 the main processing can be started (step 1) if the integral noise pressure level (OASPL) in a selected frequency range exceeds a predetermined threshold. For most helicopters, the range is selected to include the fundamental and fourth harmonics of the rotor blade frequencies of the main and tail rotor, which range is typically between 5 and 520 Hz.

Nach dem Start wird ein vorgefiltertes Signal von jedem akustischen Kanal eingegeben (Schritt 2) und diese analogen Daten werden digitalisiert (Schritt 3), bevor eine komplexe schnelle Fourier-Transformation mit diesen Daten ausgeführt wird (Schritt 4), um ein entsprechendes Frequenzleistungsspektrum zu erzeugen, welches eine Angabe der Komponentenfrequenzen ist, die das Zeitsignal mit den zugehörigen Intensitäten darstellen.To the startup will be a prefiltered signal from each acoustic channel entered (step 2) and these analog data are digitized (step 3) before a complex fast Fourier transform with these Data is executed (step 4) to a corresponding Frequency power spectrum to generate, which is an indication of the component frequencies is that the time signal with the associated intensities represent.

Nachdem eine "Split-window-Normalisierung" des Frequenzleistungsspektrums (Schritt 5) durchgeführt wurde, hängt die Klassifizierung des Ziels als ein Hubschrauber (Schritt 6) von der Erfassung der fundamentalen Rotorblattfrequenzlinien des Haupt- und des Heckrotors zusammen mit deren Harmonischenserien in dem Frequenzbereich ab.After this a "split window normalization" of the frequency power spectrum (Step 5), the classification depends of the target as a helicopter (step 6) from capturing the fundamental rotor blade frequency lines of the main and the tail rotor together with their harmonic series in the frequency domain.

Es wird ein Schwellenwert für eine Linie des Frequenzbereiches ausgesucht, um die Klassifikation auszuführen und um eine gewisse Erfassungswahrscheinlichkeit bei einer gegebenen Fehlalarmrate anzugeben. Dies erfolgt unter Bezug auf Receiver-Operator-Kurven.It becomes a threshold for a line of the frequency range chosen to perform the classification and one certain probability of detection at a given false alarm rate specify. This is done with reference to receiver operator curves.

Einmal erfaßt wird der Hubschrauber identifiziert (Schritt 7), indem die Fundamentalfrequenz der Hauptrotorblattfrequenz mit der des Heckrotors verglichen wird. Dieses Verhältnis schwankt für einen vorgegebenen Hubschraubertyp sehr wenig (eine 1%ige Variation ist typisch) und wird nicht durch den Dopplereffekt beeinträchtigt. Das Verhältnis wird dazu verwendet, einen Hubschrauber zu charakterisieren, indem es mit Verhältnissen anderer bestimmter Hubschrauber in einer Nachschlagtabelle verglichen wird. Typischerweise liegen die Rotorblattfrequenzen in einem Bereich zwischen 10 und 20 Hz für den Hauptrotor und zwischen 50 bis 130 Hz für den Heckrotor. Verhältnisse, die sich im Laufe der Zeit nicht verändern, werden als von dem selben Ziel herstammend betrachtet.once is detected the helicopter is identified (step 7), by the fundamental frequency of the main rotor blade frequency with the of the tail rotor is compared. This ratio varies for a given helicopter type very little (a 1% Variation is typical) and is not affected by the Doppler effect. The ratio is used to a helicopter to characterize by dealing with circumstances of others certain helicopters in a lookup table is compared. Typically, the rotor blade frequencies are within a range between 10 and 20 Hz for the main rotor and between 50 up to 130 Hz for the tail rotor. Relationships that do not change over time are considered as of Considering the same goal.

Die Bestimmung der Azimuth- und Höhenwinkel eines Ziels (Schritt 8) hängt von der Ableitung der relativen Phasenwinkel bei jedem Mikrophon von den komplexen schnellen Fourier-Transformationsdaten ab. Die Zeitverzögerung zwischen jedem der Mikrophone kann von den differentiellen Phasenwinkeln an jedem Mikrophon bestimmt werden und diese Information wird zusammen mit der Kenntnis der Geschwindigkeit der fortschreitenden akustischen Wellenfronten dazu verwendet, einzige unzweideutige Azimut- und Höhenwinkel abzuleiten. Durch die Bestimmung der Haupt- und Heckrotorfrequenzen mit den gleichen Azimut- und Höhenwinkeln ist eine zweite Methode zur Identifizierung der Signale von dem gleichen Ziel verfügbar.The determination of the azimuth and elevation angles of a target (step 8) depends on the derivation of the relative phase angles of each microphone the complex fast Fourier transform data. The time delay between each of the microphones can be determined from the differential phase angles at each microphone, and this information, along with knowledge of the velocity of the advancing acoustic wavefronts, is used to derive only unambiguous azimuth and elevation angles. By determining the main and tail rotor frequencies with the same azimuth and elevation angles, a second method of identifying the signals from the same target is available.

Der Bereich des Ziels, welches identifiziert worden ist, kann geschätzt werden (Schritt 9), indem aufeinanderfolgende Frequenzspektren des Ziels beobachtet werden, wenn sich dieses nähert und indem diese mit den Aufzeichnungen dieses Zieltyps über bekannte Bereiche verglichen wird.Of the The area of the target that has been identified can be estimated be (step 9) by successive frequency spectra of the Target is observed when this approaches and by this with the records of this target type about known ranges is compared.

Die verarbeiteten Daten werden dann übertragen (Schritt 10).The processed data is then transmitted (step 10).

2 zeigt den in der vorliegenden Ausführungsform verwendeten akustischen Sensor, der vier Mikrophone 1 aufweist, die in einer rechtwinkligen Tetraederanordnung angeordnet sind. Die Mikrophone sind entweder extern polarisierte Kondensormikrophone oder Electretmikrophone, die jeweils einen integrierten Vorverstärker (nicht gezeigt) aufweisen. 2 shows the acoustic sensor used in the present embodiment, the four microphones 1 has, which are arranged in a rectangular tetrahedral arrangement. The microphones are either externally polarized condenser microphones or electret microphones, each having an integrated preamplifier (not shown).

3 zeigt die verwendete Hardware, die zur Durchführung der Verarbeitung verwendet wird und die einen modifizierten Personal-Computer aufweist. Analoge Signale von jedem der vier Mikrophone laufen durch Niederfrequenz-Responseverstärker 2. Jeder Verstärker hat an jedem Eingang einen Glättungsfilter (nicht gezeigt) zusammen mit einem Filter, der niedrige Frequenzen abschneidet (nicht gezeigt). Die verstärkten Signale werden sequentiell durch einen Multiplexer 3 abgetastet, der durch eine asynchrone Uhr (nicht gezeigt) gesteuert wird, die mit einer Frequenz von 100 kHz läuft. Von dort laufen die Signale durch einen 12 Bit (72 dB) Analog-Digital-Umwandler 4 und werden als Zwischensignale in einem Kilopoint 16 Bit FIFO Zwischenspeicher 5 gespeichert. Wenn dieser FIFO 512 Worte enthält, d. h., wenn er halbvoll ist, erfolgt ein Befehl durch eine "Dataavailable-Flag", wonach die Daten über den 8 Bit Datenbus 7 dem PC-Speicher 6 über vier einzelne 2k Zwischenspeicher (einen für jeden Eingang) zugeführt wird. Dieses Zeitsignal kann, falls erforderlich, angezeigt werden. Die Daten werden dann zu dem 1k × 16 FIFO 8 geschickt, welches tatsächlich ein 1k × 16 Datenspeicher ist. Eine "Data-ready-Flag" wird gesetzt, um die 1k Point Datenblöcke vom Eingang des FIFO 8 zum digitalen Signalprozessor 9 laufen zu lassen, der die komplexe schnelle Fourier-Transformation durchführt, die die entsprechenden Daten im Frequenzbereich liefert. Ein Beispiel eines Prozessors, der in der Lage ist, die notwendige Fourier-Transformation durchzuführen, ist beispielsweise ein Data-Axquisition-Prozessor Nr. DAP 2400e/4 von der Firma Amplicon Liveline Ltd., Centenary Industrial Estate, Hollingdean Road, Brighton, UK. 3 shows the hardware used which is used to perform the processing and which has a modified personal computer. Analog signals from each of the four microphones pass through low frequency response amplifiers 2 , Each amplifier has a smoothing filter (not shown) at each input along with a filter that cuts low frequencies (not shown). The amplified signals are sequentially passed through a multiplexer 3 which is controlled by an asynchronous clock (not shown) running at a frequency of 100 kHz. From there, the signals pass through a 12-bit (72 dB) analog-to-digital converter 4 and are used as intermediate signals in a kilo point 16 bit FIFO buffer 5 saved. If this FIFO contains 512 words, that is, if it is half full, a command is issued by a "Data Available Flag", whereafter the data is sent over the 8 bit data bus 7 the PC memory 6 via four single 2k buffers (one for each input). This time signal can be displayed if necessary. The data then becomes the 1kx16 FIFO 8th sent, which is actually a 1k × 16 data memory. A "Data-ready flag" is set to the 1k point data blocks from the input of the FIFO 8th to the digital signal processor 9 which performs the complex fast Fourier transform that supplies the corresponding data in the frequency domain. An example of a processor capable of performing the necessary Fourier transform is, for example, a Data Axquisition Processor No. DAP 2400e / 4 from Amplicon Liveline Ltd, Centenary Industrial Estate, Hollingdean Road, Brighton, UK ,

Die Frequenzbereichsdaten werden an den Ausgang des 16 Bit FIFO 10 gelegt, wenn eine Output-empty-Flag gesetzt wird und die Daten gelangen auf den PC-Bus 7, wenn eine Outputdata-available-Flag besetzt ist.The frequency domain data is sent to the output of the 16-bit FIFO 10 when an output-empty-flag is set and the data reaches the PC-bus 7 when an output data available flag is busy.

Das Ausgangssignal in Form eines Frequenzleistungsspektrums durchläuft eine Split-window-Normalisierung, bevor ein Frequenzlinienschwellenwert durch den PC festgelegt wird. Der Ausgangsdatenstrom hat dann die Form aufeinanderfolgender Bereiche im Frequenzbereich und enthält Einsen und Nullen. Alternative Zustände zeigen das Vorhandensein von Frequenzlinien bzw. das Nichtvorhandensein an.The Passes output signal in the form of a frequency power spectrum a split-window normalization before a frequency-line threshold determined by the PC. The output data stream then has the Form of successive areas in the frequency domain and contains Ones and zeros. Alternative states show the presence of frequency lines or lack of presence.

Dem Fachmann ist es bekannt, daß die Daten zur Identifikation eines Hubschraubers durch die Verwendung nur eines Mikrophons erhalten werden können.the It is known to those skilled in the art that the data for identification of a helicopter obtained by using only a microphone can be.

4a zeigt ein Frequenzleistungsspektrum vor (A) und nach (B) der Split-window-Normalisierung. 4a shows a frequency power spectrum before (A) and after (B) the split-window normalization.

Dies ist ein Verfahren, während dessen ein Fenster durch das Frequenzleistungsspektrum läuft und bei dem der mittlere Leistungspegel zu beiden Seiten dieses Fensters erfaßt wird und von allen Werten innerhalb dieses Fensters subtrahiert wird.This is a procedure during which a window through the Frequency power spectrum runs and in which the middle Power level detected on both sides of this window is subtracted from all values within this window becomes.

4b zeigt, daß für ein Fenster einer gegebenen Breite n das Mittel über alle Datenpunkte über eine ähnliche Breite vor dem Fenster und über eine ähnliche Breite nach dem Fenster von allen Datenpunkten innerhalb des Fensters abgezogen wird. Der Wert n ist so gewählt, daß er größer ist als eine typische Spitzenbreite, aber klein genug, um eine Mehrzahl von Spitzen zu enthalten. 4b Figure 5 shows that for a window of given width n, the average of all data points over a similar width is subtracted before the window and a similar width after the window from all data points within the window. The value n is chosen to be larger than a typical peak width but small enough to contain a plurality of peaks.

Die Anzahl der Datenpunkte innerhalb eines Fensters einer gegebenen Weite im Frequenzleistungsspektrum hängt von der erforderlichen Auflösung ab und dies bestimmt das Abtastintervall, welches in der ursprünglichen Datenerfassung im Zeitbereich erforderlich ist. Eine nützliche Auflösung erfordert ein nicht akzeptabel langes Abtastintervall (z. B. erfordert eine Auflösung 1/4 Hz ein Abtastintervall von 4 s). Dieses Problem wird bewältigt, indem akzeptiert wird, daß die Abtastintervalle, die jedem Datenpunkt entsprechen, überlappen dürfen.The Number of data points within a window of a given Width in the frequency power spectrum depends on the required Resolution and this determines the sampling interval, which required in the original time domain data collection is. A useful resolution does not require one acceptable long sampling interval (eg requires a resolution 1/4 Hz, a sampling interval of 4 s). This problem is overcome by accepting that the sampling intervals that each Correspond to data point, may overlap.

5a zeigt eine Darstellung einer rechtwinkligen tetraedischen Anordnung von Mikrophonen auf einen Satz kartesischer Achsen. Der rechtwinklige Scheitelpunkt des Tetraeders entspricht dem Nullpunkt und das dort angeordnete Mikrophon trägt die Bezeichnung M0. Die verbleibenden Mikrophone sind mit Mx, My und Mz entsprechend den kartesischen Achsen bezeichnet, auf denen sie liegen. Die Entfernung zwischen M0 und den anderen Mikrophonen ist mit d bezeichnet. 5a shows a representation of a rectangular tetrahedral arrangement of microphones on a set of Cartesian axes. The right-angled vertex of the tetrahedron corresponds to the zero point and the microphone arranged there carries the designation M 0 . The remaining microphones are designated M x , M y and M z corresponding to the Cartesian axes on which they are located. The distance between M 0 and the other microphones is denoted by d.

Der Höhenwinkel α des Ziels T ist definiert als der Winkel zwischen der Linie OT und der XY-Ebene und der Azimut θ is definiert als der Winkel zwischen der Y-Achse und der Linie OS, wobei S die Projektion des Ziels T auf der XY-Ebene ist.Of the Elevation angle α of the target T is defined as the Angle between the line OT and the XY plane and the azimuth θ is defined as the angle between the Y-axis and the line OS, where S is the projection of the target T on the XY plane.

5b zeigt die XY-Ebene, die die Mikrophone M0, Mx und My enthält. Das Ziel T, welches über dieser Ebene liegt, ist auch gezeigt (wobei die Abstände nicht maßstabsgetreu sind). 5b shows the XY plane containing the microphones M 0 , M x and M y . The target T which is above this level is also shown (with the distances not to scale).

Das von dem Ziel T austretende akustische Signal hat die Form von Wellenfronten P, die am Ort des Sensors planar sind. Die Zeit tx, die zwischen einer Wellenfront P verstreicht, die das Mikrophon Mx erreicht und bis die Wellenfront das Mikrophon M0 erreicht, ist gegeben durch tx = (ϕx – ϕ0)/ω(1) ,wobei ϕx usw. die Phasenwinkel des Signals am Mikrophon Mx usw. bedeuten und ω die Winkelfrequenz des Signals ist.The acoustic signal emerging from the target T has the form of wavefronts P which are planar at the location of the sensor. The time t x that elapses between a wavefront P that reaches the microphone M x and until the wavefront reaches the microphone M 0 is given by t x = (φ x - φ 0 ) / ω (1), where φ x , etc. mean the phase angles of the signal at the microphone M x , etc., and ω is the angular frequency of the signal.

tx kann ebenfalls in Ausdrücken der aktuellen Entfernung, die die Wellenfront P zurückgelegt hat und der Geschwin digkeit, mit der die Wellenfront fortschreitet (C = die Schallgeschwindigkeit in Luft): tx = dsinθcosa/C (2). t x can also be expressed in terms of the actual distance traveled by the wavefront P and the rate at which the wavefront progresses (C = the speed of sound in air): t x = dsinθcosa / C (2).

Kombiniert man die beiden Ausdrücke für tx, die durch die Gleichungen (1) und (2) gegeben sind, so ergibt sich sinθ = {C(ψx – φ0)}/(ωdcosα) (3). Combining the two expressions for t x given by equations (1) and (2) yields sinθ = {C (ψ x - φ 0 )} / (ωdcosα) (3).

Durch einen ähnlichen Ansatz kann die Phasendifferenz zwischen My und MD verwendet werden, um den Ausdruck abzuleiten: cosθ = {C(ϕu – ϕ0)}/(ωdcosα) (4). By a similar approach, the phase difference between M y and M D can be used to derive the expression: cosθ = {C (φ u - φ 0 )} / (ωdcosα) (4).

Gleichungen (3) und (4) werden dann kombiniert, um θ unzweideutig zu bestimmen: tanθ = sinθ/cosθ = (ϕx – ϕ0)/(ϕy – ϕ0) (5). Equations (3) and (4) are then combined to unambiguously determine θ: tanθ = sinθ / cosθ = (φ x - φ 0 ) / (Φ y - φ 0 ) (5).

5c ist eine Darstellung der Ebene, die M0, Mz und das Ziel T enthält. 5c is a representation of the plane containing M 0 , M z and the target T.

Die Zeit tz , die verstreicht, bis eine ebene Wellenfront P Mz und M0 erreicht, ist gegeben durch tz = (ϕz – ϕ0)/ω (6). The time t z , which elapses until a plane wave front reaches PM z and M 0 , is given by t z = (φ z - φ 0 ) / ω (6).

Die Zeit tz ist ebenfalls gegeben durch tz = (dsinα)/C (7). The time t z is also given by t z = (dsinα) / C (7).

Eine Kombination der Gleichungen (6) und (7) ergibt sinα = c(φz0)/ωd (8). A combination of equations (6) and (7) yields sinα = c (φ z 0 ) / ωd (8).

Da 0° ≤ α ≤ 90° ist, führt die Gleichung (8) zu einer unzweideutigen Bestimmung von α.There 0 ° ≤ α ≤ 90 ° leads the equation (8) for an unambiguous determination of α.

6 zeigt die Veränderung des erhaltenen Spektrums mit dem Abstand des Ziels für den Fall eines Hubschraubers, der die Aufzeichnungsstelle für einen Abstand größer als 5 km überfliegt. Durch Vergleich der aufeinanderfolgenden von dem Ziel erhaltenen Frequenzspektren (wobei das Ziel identifiziert worden ist) mit diesen Daten, kann der Abstand des Ziels geschätzt werden. Die insgesamte Intensität kann ebenso eine Erste-Ordnung-Abschätzung des Abstands liefern. 6 Figure 4 shows the change of the obtained spectrum with the distance of the target in the case of a helicopter flying over the record position for a distance greater than 5 km. By comparing the successive frequency spectra obtained from the target (with the target identified) with this data, the distance of the target can be estimated. The overall intensity can also provide a first-order estimate of the distance.

7 zeigt mehrere Untersysteme 11, die miteinander und mit einem zentralen Empfänger/Sender 13 gekoppelt sind. Kopplungsmittel 12 können eine Kupferüberlandleitung, ein optisches Faserkabel, eine Funkverbindung oder eine Kombination derselben sein. Jedes Untersystem weist eine in 2 dargestellte Mikrophonanordnung zusammen mit der in 3 gezeigten Datenverarbeitungshardware auf. Die verarbeiteten Daten von jedem Untersystem können jeweils mit digitalen Codes verknüpft sein, die das Untersystem identifizieren. 7 shows several subsystems 11 that communicate with each other and with a central receiver / transmitter 13 are coupled. coupling agent 12 may be a copper transmission line, an optical fiber cable, a radio link or a combination thereof. Each subsystem has an in 2 shown microphone assembly together with in 3 shown data processing hardware. The processed data from each subsystem may each be associated with digital codes that identify the subsystem.

Der Fachmann wird andere Konfigurationen der Verbindungen der Untersysteme präsent haben. Zum Beispiel könnte eine einzige Datenverarbeitungsvorrichtung zentral angeordnet sein und die für jeden Sensor erforderliche Datenverarbeitung ausführen.Of the One skilled in the art will make other configurations of the connections of the subsystems have a presence. For example, a single could Data processing device can be centrally located and for each Sensor perform required data processing.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - Robert J. Ulrick "Principles of Underwater Sound", 2. Auflage, 1975, McGraw-Hill [0014] - Robert J. Ulrick "Principles of Underwater Sound", 2nd edition, 1975, McGraw-Hill [0014]

Claims (4)

System zur automatischen Lokalisierung und Spurverfolgung eines Ziels mit: (i) Mitteln zum Empfangen akustischer Signale des Ziels an mehreren Stellen; (ii) Mitteln zum sequentiellen Abtasten der an jedem Punkt empfangenen Signale; (iii) Mitteln zum Umwandeln der abgetasteten Signale in digitale Form; (iv) Mitteln zur Verarbeitung der digitalen Daten, um einen Abstand, Azimut und eine Höhe des erfaßten Ziels anzugeben und (v) Mitteln zur Übertragung der verarbeiteten Daten.System for automatic localization and tracking a goal with: (i) means for receiving acoustic signals the destination in several places; (ii) means for sequential Sampling the signals received at each point; (iii) funds for converting the sampled signals into digital form; (Iv) Means for processing the digital data to a distance, Azimuth and a height of the target recorded and (V) Means for transmitting the processed data. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zur Weiterverarbeitung der digitalen Daten derart, daß ein Ziel danach klassifiziert wird, ob es sich um einen Hubschrauber handelt oder nicht und, falls es sich um einen Hubschrauber handelt, den Hubschraubertyp zu identifizieren.System according to claim 1, characterized by means for further processing of the digital data such that a Target is classified according to whether it is a helicopter or not and, in the case of a helicopter, the Helicopter type to identify. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Empfang akustischer Signale mindestens eine rechtwinklige Tetraederanordnung von Mikrophonen enthält.System according to claim 2, characterized in that the Means for receiving acoustic signals at least one rectangular Contains tetrahedral arrangement of microphones. System zur automatischen Lokalisierung und Spurverfolgung von Zielen mit einer Vielzahl von Untersystemen, wobei jedes Untersystem ein System nach Anspruch 1 oder 2 aufweist und wobei die Untersysteme untereinander und mit einem zentralen Sender verbunden sind.System for automatic localization and tracking of targets with a variety of subsystems, each subsystem a system according to claim 1 or 2 and wherein the subsystems connected to each other and to a central transmitter.
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Robert J. Ulrick "Principles of Underwater Sound", 2. Auflage, 1975, McGraw-Hill

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