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PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zum Ermitteln von Geschützstandorten von Messorten aus, deren Entfernungen voneinander in der Grössenordnung der Entfernung zum Geschütz sind und im Kilometerbereich liegen, mittels Laufzeitauswertung von an den Messorten empfangenen Mündungsknallen mit jeweils einem Kreuz aus vier Mikrophonen an mindestens zwei Messorten, wobei eine Achse des Kreuzes auf eine beliebige azimutale Bezugsrichtung ausgerichtet ist und die Mikrophone am Messort voneinander einen wesentlich geringeren Abstand als die Entfernung zwischen den Messorten aufweisen, und mit einem Peilwinkelrechner an jedem Messort, in welchem zwei Laufzeiten zwischen sich jeweils diametral gegenüberliegenden Mikrophonen eines Kreuzes ermittelt, zueinander in ein Verhältnis gesetzt und dessen Arcus Tangens bestimmt werden, der ein Peilwinkel zur Bezugsrichtung ist,
wobei aus den an den beiden Messorten ermittelten Peilwinkeln unter Berücksichtigung ihrer Positionen und ihrer gegenseitigen Entfernung der Geschützstandort bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der Laufzeit in jeweils einer Auswerteschaltung (12) für die Empfangssignale gegenüberliegender Mikrophone Rechenschaltungen (28,29) zum fortlaufenden Umwandeln der Empfangssignale der Mikrophone (20, 22) jeweils innerhalb eines gleichen vorgebbaren Zeitintervalls in komplexe Frequenzspektren, eine daran anschliessende Multiplikationsschaltung (30) zur konjugiert komplexen Multiplikation der komplexen Frequenzspektren der Empfangssignale sich jeweils diametral gegenüberliegender Mikrophone,
eine nachgeschaltete Rechenstufe (31) zur Rücktransformation und eine daran anschliessende Bewertungsschaltung (32) zur Ermittlung der Lage des Maximums des Betrags der Rücktransformierten gerechnet vom Anfang des Zeitintervalls vorgesehen sind, an deren Ausgang die vorzeichenrichtige Laufzeit für den Peilwinkelrechner (33) ansteht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Rechenschaltungen (28) mit einem Betragsbildner (40) verbunden ist, dem eine Rechenstufe (41) zum Bestimmen der Schwerpunktsfrequenz des Betragsspektrums nachgeschaltet ist, und dass die Rechenstufe (41) und eine Frequenzeingabe (43) für eine vorgebbare Frequenz mit einem die Multiplizierschaltungen (30) ansteuernden Vergleicher (42) verbunden sind zur Freigabe der Multiplikation derjenigen Frequenzspektren zur Laufzeitermittlung, für die die Schwerpunktsfrequenz gleich oder kleiner als die vorgegebene Frequenz ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass den Bewertungsschaltungen (32) ein Berechnungsteil (50) zum Bilden der Wurzel aus der Summe der quadrierten, an einem Messort ermittelten Laufzeiten nachgeschaltet ist, dass dem Berechnungsteil (50) eine Vergleichsstufe (51) nachgeordnet ist, deren zweiter Eingang mit einem Wertgeber (52) verbunden ist, und dass im Wertgeber ein Wert einstellbar ist, der gleich einem Quotienten aus dem Abstand der sich diametral gegenüberliegenden Mikrophone (20, 22) und der Ausbreitungsgeschwindigkeit (c) von Schallwellen ist, zum Vergleich mit der Wurzel und zur Auswahl einer Weiterverarbeitung nur solcher Laufzeiten, für die die Wurzel gleich oder kleiner als der eingestellte Wert ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Berechnungsteil (50) für die Wurzel und dem Wertgeber (52) eine Prüfstufe (53) nachgeschaltet ist zum Ansteuern einer Tabellenvergleichsschaltung (54), wenn die Wurzel kleiner als der Quotient ist, zur Ermittlung eines Elevationswinkels der Schallwellen, wobei die Wurzel geteilt durch den Quotienten den Cosinus des Elevationswinkels angibt.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln von Geschützstandorten von Messorten aus, deren Entfernungen voneinander in der Grössenordnung der Entfernung zum Geschütz sind und im Kilometerbereich liegen, mittels Laufzeitauswertung von an den Messorten empfangenen Mündungsknallen.
Aufgabe jeder Artillerieaufklärung ist es, der eigenen Truppenführung Unterlagen über Gliederung und Stärke eines Feindes zu liefern. Durch Zielortung und Gefechtsfeld überwachung erhält man einen Überblick über die momentane Lage und kann darüber hinaus Rückschlüsse auf evtl.
feindliche Absichten ziehen. Dabei haben Verfahren der akustischen Aufklärung für die Ortung von Geschützstellungen eine zunehmende Bedeutung erlangt, insbesondere für Kämpfe bei Sichtbehinderung. Selbst gut getarnte Geschütze verraten sich bekanntlich durch ihren nicht vermeidbaren Mündungsknall. Die Ausnutzung dieses Knalles zur Ortung des Geschützes bringt den Vorteil, dass man den Knall akustisch passiv ausmachen kann, ohne sich selbst verraten zu müssen.
Ein sogenanntes Schallmesssystem zur Ermittlung der Standorte von Geschützen ist in Mathematische Methoden der Schallortung von K. Nixdorff, 1. Auflage, Braun schweig:Vieweg, 1977, beschrieben. Der Mündungsknall wird von Einzelmikrophonen, die an mehreren Messorten aufgestellt sind, empfangen, sein zeitlicher Schalldruckverlauf an eine Zentrale übertragen und dort als Knallbild aufgezeichnet. Abhängig von unterschiedlichen Laufzeiten, die der Knall benötigt, um zu den einzelnen Messorten zu gelangen, wird der Standort des Geschützes bestimmt, indem Laufzeitdifferenzen zwischen zwei Messorten durch Aufsuchen homologer Punkte auf den Knallbildern ermittelt werden. Der geometrische Ort für Schallquellen, deren Laufzeitdifferenzen zwischen zwei Messorten jeweils gleich sind, ist der Ast einer Hyperbel.
Zur Standortbestimmung benötigt man mindestens drei Mikrophone, um zwei unabhängige Hyperbeln bestimmen zu können, deren Schnittpunkt den Standort des Geschützes liefert.
Die Registrierung der Knallbilder zur Auswertung erfolgt z.B. auf einem Papierstreifen oder Film. Um nur interessierende Schallereignisse aufzuzeichnen und auszuwerten, wird ein erfahrener Beobachter, ein sogenannter Vorwarner, zwischen den Messorten und der feindlichen Linie eingesetzt, der nach Gehör das Einschalten der Registriergeräte veranlasst, da aus Nachschubgründen eine ständige Registrierung aller bei den Messorten ankommenden Geräusche nicht tragbar ist.
Eine besondere Schwierigkeit des beschriebenen Schallmesssystems liegt darin, dass aus den als meterlangen Diagrammen vorliegenden Schalldruckverläufen der aufgezeichneten Schallereignisse zu allererst offenbar zueinandergehörende Knallbilder aufgefunden werden müssen.
Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich, wenn zum Zwecke der eigentlichen Laufzeitermittlung innerhalb der als zusammengehörig vermuteten Knallbilder homologe Punkte aufgefunden werden müssen. Die Knallbilder an den Messorten sind abhängig von den unterschiedlichen Ausbreitungsbedingungen des Knalls sehr unterschiedlich verformt, sei es durch Wettereinflüsse - Wind, Böen, Turbulenzen - oder durch unterschiedliche Ausbreitungswege (Luftschichtungen), so dass eine richtige gegenseitige Zuordnung der Knallbilder einer gemeinsamen Schallquelle ausseror
dentlich schwierig sein kann. Insbesondere das Windfeld sorgt für einen unterschiedlichen zeitlichen Verlauf des an den verschiedenen Messorten empfangenen Knalls. Das Windfeld ist ein Wirbelfeld mit unregelmässig verteilten Wirbeln, deren Durchmesser bis zu 1000 mund grösser sind und deren Windgeschwindigkeitsschwankungen mehrere Meter pro Sekunde betragen können. Daraus ergibt sich nach der oben genannten Literaturstelle eine Dimensionierungsvorschrift für die geringste Entfernung zwischen zwei Messorten von mindestens 1500 m entsprechend einer Laufzeitdifferenz von ca. 5 s, andernfalls wird die Genauigkeit der Aufklärung zu gering.
Eine weitere Schwierigkeit bei der Auswertung besteht in der Verwechslungsmöglichkeit zwischen Höhenschallstrahlen und Bodenschallstrahlen. Der Knall kann sich einerseits längs des Bodens vom Geschütz zum Messort ausbreiten - man spricht dann von Bodenschallstrahlen - und/ oder andererseits über Reflexionen oder Beugungen an Schichtungen der Atmosphäre - man spricht dann von Höhenschallstrahlen. Die Länge der Ausbreitungswege, die der Schall zurücklegt, und die Ausbreitungsgeschwindigkeiten längs dieses Weges sind unterschiedlich, wobei auch berücksichtigt werden muss, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit mit abnehmender Dichte der Atmosphäre grösser wird, so dass durchaus die Laufzeiten für beide Ausbreitungswege vom Geschütz zum gleichen Messort von gleicher Grösse sein können.
Betrachtet man die Knallbilder auf den Diagrammen der verschiedenen Messorte, so ist bei der Auswertung eine Verwechslung zwischen Boden- und Höhenschallstrahlen derselben Schallquelle nicht auszuschliessen, bzw. eine Trennung apriori häufig nicht möglich.
Bei einer Auswertung, vor allem von Höhenstrahlen, führen Windrichtung und -stärke, Wirbel und Unstetigkeitsflächen in der Atmosphäre zu Fehlern bei der Standortbestimmung. Da diese Einflüsse bei der Höhenschallstrahlung kaum erfassbar und rechnerisch nur unzulänglich auswertbar sind, erfolgt die Auswertung möglichst an Bodenschallstrahlen, da hier die Auswirkungen der Wettereinflüsse besser erfassbar und damit mathematisch zu berücksichtigen sind.
Um die Ortungsgenauigkeit durch Mitteilung verbessern zu können, werden vier oder mehr Mikrophone an unterschiedlichen Messorten aufgestellt. Der Auswerter in der Zentrale kann an der Form und Grösse eines errechneten Fehlervielecks abschätzen, ob alle ausgewerteten Knallbilder von Bodenschallstrahlen stammen.
In jedem Falle sind umfangreiche geodätische Vermessungsarbeiten für nun mindestens vier Messorte erforderlich, da die Genauigkeit der Positionsbestimmung der vier und mehr Messorte unmittelbar in die Bestimmung der Hyperbeln und deren Schnittpunkte eingeht. Lange Auswertezeiten erschweren ein sofortiges taktisches Reagieren.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Zuordnung und Auswertung der an den Messorten empfangenen Schallereignisse unabhängig von Wettereinflüssen gewährleistet ist.
Diese Aufgabe ist bei einer Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art erfindungsgemäss durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Durch diese entfallen alle Probleme, die mit der Auswertung der Schallereignisse nach herkömmlicher Art verbunden sind, insbesondere das Auffinden und die Zeitangabe homologer Punkte bei Schallereignissen ein und derselben Schallquelle, da hier der gesamte zeitliche Verlauf des Knalls, der an diametral gegenüberliegenden Mikrophonen empfangen wird, miteinander korreliert wird. Die Vorrichtung ist mit einfachen Mitteln der digitalen Rechnertechnik zu realisieren.
Die konjugiert komplexe Multiplikation der beiden Frequenzspektren bringt den Vorteil mit sich, dass eine Anfangsphase, die durch die zeitliche Lage des Zeitintervalls bezüglich des Verlaufs der Empfangssignale hervorgerufen wird, herausfällt, so dass der Betrag der Rücktransformierten unmittelbar dazu benutzt werden kann, die Laufzeit zu bestimmen. Der Betrag der Rücktransformierten weist über der Zeit im Abstand der Laufzeit bezogen auf den Beginn des betrachteten Zeitintervalls ein deutliches Maximum auf, das zur Laufzeitbestimmung ausgenutzt wird.
Der Einsatz eines sog. Vorwarners ist nicht erforderlich, da eine Registrierung der Knallbilder auf Diagrammen entfällt.
Ein Auswerter zum Bestimmen der Laufzeit durch Ablesen auf den Diagrammen jedes Messorts ist ebenfalls nicht nötig.
da nur die schon am Messort automatisch ermittelten Peilwinkel in der Zentrale ausgewertet werden.
Rechenzeiten zum Bestimmen des Peilwinkels sind unvergleichbar kürzer als manuelle Auswertezeiten der Knallbilder auf den Diagrammen und z.B. bereits zwischen zwei Schüssen abgeschlossen.
Auch wenn hintereinander Bodenschallwellen und Höhenschaliwellen vom gleichen Mündungsknall empfangen werden, werden dennoch zwei gleiche Peilwinkel ermittelt, die den einen geometrischen Ort des Geschützes beschreiben. Wenn vom gleichen Mündungsknall am zweiten Messort z.B. nur Höhenschallwellen empfangen werden, wird dort ebenfalls ein Peilwinkel bestimmt, der den anderen geometrischen Ort des Geschützes liefert. Es ist also nicht nötig, Höhen- und Bodenschallwellen als solche zu erkennen und unterschiedlich auszuwerten. vielmehr ist stets eine korrekte Standortbestimmung gewährleistet, gleichgültig, ob an dem einen Messort Empfangssignale von Bodenschallstrahlen und an dem anderen Messort Empfangssignale von Höhenschallstrahlen der gleichen Schallquelle ausgewertet werden.
Stets wird der Azimut des Schalleinfallswinkels bestimmt, nämlich der Peilwinkel, da sich durch die Verhältnisbildung der Laufzeiten die Elevation des Schalleinfallswinkels herauskürzt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung (gemäss Anspruch 2) wird eine Schwerpunktsfrequenz für das Betragsspektrum eines der komplexen Frequenzspektren gewonnen. Eine Möglichkeit zum Bestimmen der Schwerpunktsfrequenz liegt darin, das Maximum des Betragsspektrums aufzusuchen, dessen zugehörige Frequenz die Schwerpunktsfrequenz angibt. Auch ist es möglich, durch Berechnen einer Fläche, die durch den Verlauf des Betragsspektrums und die Frequenzachse begrenzt wird und Bestimmen des Schwerpunktes dieser Fläche sowie Aussuchen der zugehörigen Frequenz, die Schwerpunktsfrequenz zu bestimmen. Diese Schwerpunktsfrequenz wird mit einer vorgebbaren Frequenz verglichen, die signifikant für die Schwerpunktsfrequenz des Mündungsknalls von Geschützen ist.
Diese Frequenz liegt in einem tieferen Frequenzbereich als beispielsweise die eines Betragsspektrums von Maschinengewehrsalven, Geschossknallen oder von Umweltgeräuschen, wie z.B. allgemeiner Gefechtslärm oder Vogelstimmen. Es werden nur diejenigen Frequenzspektren zur Laufzeitermittlung ausgewertet, für die die Schwerpunktsfrequenz gleich oder kleiner als die vorgegebene Frequenz ist. Der besondere Vorteil dieser Auswertung liegt darin, dass nur relevante Schallereignisse, nämlich Empfangssignale, die von Mündungsknallen eines Geschützes herrühren, ausgewertet werden. Empfangssignale an den Mikrophonen, die auf andere Umweltgeräusche zurückzuführen sind, werden somit automatisch aus der Auswertung ausgeschieden, so dass eine Übermittlung von Peilwinkeln, die die Lage von Geräuschquellen kennzeichnen würden, ausgeschaltet ist.
Die Funktion eines Vorwarners - Klassifi zierung der Schallereignisse - wird durch die Auswertung der
Schwerpunktsfrequenz automatisiert.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung (gemäss Anspruch 3) gewährleistet eine weitgehende Störbe freiung.
Die an den Messorten ermittelten Laufzeiten werden jeweils quadriert, addiert und aus der Summe die Wurzel gezogen. Diese Summe wird mit einem Quotienten aus dem Abstand der sich diametral gegenüberliegenden Mikrophone und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen verglichen. Es werden nur Laufzeiten ausgewertet, für die die Wurzel gleich oder kleiner als der Quotient ist. Die zugehörigen Empfangssignale gehören zu Schallwellen, die sich über dem Boden mit bekannter Ausbreitungsgeschwindig keit ausgebreitet haben.
Fehler, die beispielsweise auftreten, wenn ausser dem Knall noch Windgeräusche durch unterschiedliche Luftturbulenzen an jedem Mikrophon empfangen werden, werden erkannt und unterdrückt, da dann die Wurzel grösser als der Quotient ist. Immer wenn die Wurzel nicht gleich oder kleiner als der Quotient ist, kann man mit Sicherheit davon ausgehen, dass die Laufzeiten nicht zu Empfangssignalen eines Mündungsknalls eines Geschützes gehören, sondern durch Störungen verursacht werden, beispielsweise auch durch Störungen in den verwendeten Auswertegeräten.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung (gemäss Anspruch 4) können bei exakter horizontaler Lage des Kreuzes auch Elevationswinkel von Schallwellen ausgewertet werden. Der Arcus Cosinus der radizierten Summe der quadrierten Laufzeiten geteilt durch den Quotienten gibt den Elevationswinkel an. Falls nur Ziele unter Elevationswinkeln innerhalb vorgebbarer Winkelgrenzen in Betracht gezogen werden sollen, ist eine Ausschaltung der übrigen durch einen einfachen Vergleich mit vorgegebenen Werten für den Cosinus möglich. Damit kann beispielsweise die Auswertung eines Überschallknalls und damit die Anzeige von Flugzeugen ausgeschaltet werden.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer angenommenen Gefechtslage,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Auswerteschaltung für die Vorrichtung zum Bestimmen von Geschützstandorten.
Von Messorten 1 und 2 gemäss Fig. 1 werden Geschütze 3, 4 und 5 akustisch gepeilt und ihre Standorte in einer Zentrale 6 bestimmt. An jedem Messort 1 oder 2 befindet sich ein Kreuz 10 bzw. 11 mit je vier Mikrophonen, deren Abstände d wesentlich kleiner als die Entfernung zwischen den Messorten 1 und 2 und zu den Geschützen 3,4 und 5 sind. Die Mikrophone jedes Kreuzes 10 bzw. 11 sind jeweils mit einer Auswerteschaltung 12 bzw. 13 verbunden. Die Positionen der Messorte 1, 2 sind in der Zentrale 6 auf einer Lagekarte eingetragen.
Die Orientierung einer Bezugsachse des Kreuzes 10 bzw. 11 bezüglich Nord wird am Messort 1 bzw. 2 ermittelt und in die Auswerteschaltung 12 bzw. 13 eingegeben, in der aus Laufzeiten zwischen sich diametral gegenüberliegenden Mikrophonen Peilwinkel (pt bzw.3 bezogen auf Nord ermittelt und über Funk an die Zentrale 6 übertragen werden.
In der Zentrale 6 werden in der Lagekarte an die Positionen der Messorte 1, 2 die Peilwinkel < pi,Xi (i = 3, 4, 5) als Schenkel eingetragen, deren Schnittpunkte die Standorte der Geschütze 3,4 und 5 liefern. Da in aller Regel die Geschütze 3, 4 und 5 nicht gerade so zeitlich feuern, dass ihre Mündungsknalle gleichzeitig am Messort 1 empfangen werden, ist die Trennung zweier Geschützpeilungen gewährleistet. Das
Eintragen von Scheinzielen auf der Lagekarte an Schnitt punkten 16, 17 und 18 wäre dadurch zu vermeiden, dass wäh rend der Gefechtsaufklärung, beispielsweise der Messort 1, eine andere Position einnimmt.
Die Peilwinkel zu den Geschützen 3,4 und 5 ändern dann ihre Werte, die Standorte der Geschütze 3, 4 und 5 bleiben die gleichen, nur die Scheinziele verändern ihre Lage und sind dadurch von den Geschützen zu unterscheiden. Die
Abmasse des Kreuzes würden eine Installation auf einem
Fahrzeug erlauben, so dass eine Positionsveränderung leicht vorzunehmen wäre.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild für eine Auswerteschaltung
12 am Messort 1, die genauso auch als Auswerteschaltung 13 am Messort 2 eingesetzt werden kann. Empfangssignale von sich diametral gegenüberliegenden Mikrophonen 20,22 bzw.
21, 23 des Kreuzes 10 werden in gleich aufgebauten Verarbei tungskanälen I bzw. II ausgewertet.
Die Mikrophone 20 und 22 sind über Analog/Digital Wandler 24,25, Speicher 26,27 und Rechenschaltungen 28,
29 zum Berechnen eines komplexen Frequenzspektrums ver bunden. Digitalisierte Empfangssignale, die innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls vom Mikrophon 20 empfangen wurden, sind im Speicher 26 abgespeichert und werden beispielsweise nach dem Algorithmus der Fast-Fourier-Trans formation in ein komplexes Frequenzspektrum gewandelt.
Die gleiche Signalverarbeitung wird für Empfangssignale des
Mikrophons 22 vorgenommen. Die komplexen Frequenzspektren der Empfangssignale der Mikrophone 20 und 22 werden in einer Multiplizierschaltung 30 konjugiert kom plex miteinander multipliziert. Der Multiplikationsschaltung 30 ist eine Rechenstufe 31 zum Bilden der Rücktransformierten des konjugiert komplexen Produkts nachgeschaltet.
In einer sich anschliessenden Bewertungsschaltung 32 wird der Betrag der Rücktransformierten gebildet und eine Laufzeit Tl ermittelt, bei der das Maximum des Betrags liegt.
Im zweiten Verarbeitungskanal II werden Empfangssignale der diametral gegenüberliegenden Mikrophone 21, 23 des Kreuzes 10 zur Ermittlung einer Laufzeit T2 verarbeitet.
In einem Peilwinkelrechner 33 wird das Verhältnis der Laufzeiten Tl zu T2 und der arctan
TI
T2 quadrantentreu berechnet, der gleich dem Peilwinkel zpl ist.
Über ein Tor 34 wird der Peilwinkel (p an die Zentrale 6 übermittelt.
Die Ausgänge der Rechenschaltung 28 für Real- und Imaginärteil des komplexen Frequenzspektrums der Empfangssignale des Mikrophons 20 sind mit einem Betragsbildner 40 zum Berechnen eines Betragsspektrums verbunden, dem eine Rechenstufe 41 zum Bestimmen einer Schwerpunktsfrequenz des Betragsspektrums nachgeschaltet ist. Ein anschliessender Vergleicher 42 ist mit einer Frequenzeingabe 43 verbunden, in der eine für Frequenzspektren von Mündungsknallen signifikante Schwerpunktsfrequenz f vorgebbar ist. Der Vergleicher 42 gibt ein Steuersignal ab, wenn die in der Rechenstufe 41 ermittelte Schwerpunktsfrequenz kleiner oder gleich der in der Frequenzeingabe 43 vorgegebenen Schwerpunktsfrequenz f ist. Der Vergleicher 42 steuert die Multiplikationsschaltungen 30 in den Verarbeitungskanälen I und II an.
Nur wenn ein Steuersignal vorhanden ist, werden Frequenzspektren für eine Weiterverarbeitung zugelassen, da sie von Mündungsknallen stammen.
Beim Empfang anderer Umweltgeräusche werden die Multiplikationsschaltungen 30 durch den Vergleicher 42 gesperrt.
Die Ausgänge der Verarbeitungskanäle I und II sind mit einem Berechnungsteil 50 verbunden, in dem die Laufzeiten TI und T2 quadriert, ihre Summe
EMI4.1
ist für Mündungsknalle, die von der gleichen Schallquelle über den gleichen Ausbreitungsweg empfangen wurden, gleich einem Quotienten d = d der gebildet ist aus dem Abstand d zweier diametral gegen überliegender Mikrophone 20, 22, bzw. 21, 23, geteilt durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit c des Schalls.
In einer Vergleichsstufe 51, die mit einem Wertgeber 52 für den Quotienten T* verbunden ist, wird geprüft, ob die radizierte Summe z kleiner oder gleich dem Quotienten T* ist. Die Vergleichsstufe 51 ist mit dem Tor 34 verbunden und öffnet das Tor 34 für Peilwinkel zp, wenn die Bedingung T4T* erfüllt ist, da diese Peilwinkel zu nicht durch Störungen Geschütze vortäuschen, sondern den Standort eines Geschützes liefern.
Alle Peilwinkel (p, für die die radizierte Summe T grösser als der Quotient l* ist, werden nicht in die Zentrale 6 übermittelt, da sie durch Störungen verursacht werden.
In einer Prüfstufe 53, die dem Berechnungsteil 50 für die radizierte Summe T nachgeschaltet ist, wird festgestellt, ob die radizierte Summe T kleiner als der Quotient t* ist. Für diese Werte von z wird eine nachgeschaltete Tabellenvergleichsschaltung 54 aktiviert, in der der Wert der radizierten Summe T in die Gleichung
T ± = arc cos * eingesetzt wird und mit einer Wertetabelle verglichen wird.
Das Ergebnis liefert einen Elevationswinkel r, der in einer Vergleichsstufe 55 mit einem vorgebbaren maximalen Elevationswinkel ss verglichen wird. Die Vergleichsstufe 55 ist mit dem Tor 34 verbunden. Es werden nur Peilwinkel < p an die Zentrale 6 übertragen, wenn der zugehörige Elevationswinkel ± unter dem vorgegebenen maximalen Elevations winkels liegt.
Die in Fig. 2 dargestellten Rechenschaltungen 28, 29, die Multiplizierschaltung 30 und die Rechenstufe 31 in der Auswerteschaltung 12 können durch einen Rechner ersetzt werden, in den die digitalisierten Empfangssignale der Mikrophone 20, 22 als Real- und Imaginärteil zur Fourier Transformation eingelesen werden und in dem daraus das komplexe Frequenzspektrum gebildet, nach einem Sortierprogramm für eine Rücktransformation aufbereitet und rücktransformiert wird. Ein solches Rechenverfahren ist beispielsweise in dem Buch Theory and Application of Digital Signal Processing von Lawrence R. Rabiner und Bernard Gold 1975, BellTelephone Laboratories, Inc. Prentice-Hall, Inc. New Jersey, auf den Seiten 58 ff beschrieben.
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PATENT CLAIMS
1.Device for determining gun locations from measuring sites whose distances from one another are in the order of magnitude of the distance to the gun and are in the kilometer range by means of the runtime evaluation of muzzle blows received at the measuring sites, each with a cross of four microphones at at least two measuring sites, one axis of the cross is aligned with any azimuthal reference direction and the microphones at the measurement location are at a significantly smaller distance from each other than the distance between the measurement locations, and with a bearing angle calculator at each measurement location, in which two transit times between diametrically opposite microphones of a cross are determined placed in a ratio and its arc tangent determined, which is a bearing angle to the reference direction,
The gun location is determined from the bearing angles determined at the two measuring locations, taking into account their positions and their mutual distance, characterized in that, in order to determine the transit time, computing circuits (28, 29) for the received signals of opposing microphones are used to continuously calculate Converting the received signals of the microphones (20, 22) into complex frequency spectra within the same predefinable time interval, a subsequent multiplication circuit (30) for conjugate complex multiplication of the complex frequency spectra of the received signals of diametrically opposed microphones,
A downstream arithmetic stage (31) for reverse transformation and an adjoining evaluation circuit (32) for determining the position of the maximum of the amount of the reverse transformers calculated from the beginning of the time interval are provided, at the output of which the correct running time for the bearing angle computer (33) is present.
2. Device according to claim 1, characterized in that one of the computing circuits (28) is connected to an absolute value generator (40), which is followed by a computing stage (41) for determining the center of gravity frequency of the magnitude spectrum, and that the computing stage (41) and one Frequency input (43) for a predeterminable frequency are connected to a comparator (42) which drives the multiplier circuits (30) in order to enable the multiplication of those frequency spectra for the determination of the transit time for which the center frequency is equal to or less than the predetermined frequency.
3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the evaluation circuits (32) is followed by a calculation part (50) for forming the root from the sum of the squared running times determined at a measurement location that the calculation part (50) Comparison stage (51) is arranged, the second input of which is connected to a value transmitter (52), and that a value can be set in the value transmitter that is equal to a quotient from the distance between the diametrically opposed microphones (20, 22) and the propagation speed (c ) of sound waves is, for comparison with the root and for the selection of further processing only those run times for which the root is equal to or less than the set value.
4. The device according to claim 3, characterized in that the calculation part (50) for the root and the value transmitter (52) is followed by a test stage (53) for driving a table comparison circuit (54) when the root is smaller than the quotient for Determination of an elevation angle of the sound waves, the root divided by the quotient indicating the cosine of the elevation angle.
The invention relates to a device for determining gun locations from measuring sites whose distances from one another are in the order of magnitude of the distance to the gun and are in the kilometer range by means of the runtime evaluation of muzzle blasts received at the measuring sites.
The task of any artillery reconnaissance is to provide its own troop leadership with documents on the structure and strength of an enemy. Through target location and battlefield surveillance you get an overview of the current situation and can also draw conclusions about possible
draw enemy intentions. Acoustic reconnaissance methods have become increasingly important for the location of gun emplacements, especially for battles with visual impairment. As is well known, even well-camouflaged guns reveal themselves through their unavoidable muzzle blast. Using this bang to locate the gun has the advantage that you can make the bang acoustically passive without having to give yourself away.
A so-called sound measurement system for determining the locations of guns is described in Mathematical Methods of Sound Locating by K. Nixdorff, 1st edition, Braunschweig: Vieweg, 1977. The muzzle blast is received by individual microphones, which are set up at several measuring locations, its temporal sound pressure curve is transmitted to a control center and recorded there as a bang image. Depending on the different run times that the bang needs to get to the individual measuring locations, the location of the gun is determined by determining the running time differences between two measuring locations by looking for homologous points on the bang images. The geometric location for sound sources, the runtime differences of which are the same between two measurement locations, is the branch of a hyperbola.
To determine the location, at least three microphones are required to determine two independent hyperbolas, the intersection of which provides the location of the gun.
The registration of the bang images for evaluation takes place e.g. on a strip of paper or film. In order to record and evaluate only sound events of interest, an experienced observer, a so-called prewarner, is deployed between the measuring locations and the enemy line, who, by ear, prompts the recording devices to be switched on, since, for reasons of replenishment, a constant registration of all noises arriving at the measuring locations is not portable .
A particular difficulty of the described sound measurement system lies in the fact that from the sound pressure curves of the recorded sound events, which appear as meter-long diagrams, it is first of all necessary to find bang images that clearly belong together.
A further difficulty arises if, for the purpose of actually determining the runtime, homologous points have to be found within the bang images suspected of belonging together. The bang images at the measuring locations are deformed very differently depending on the different propagation conditions of the bang, be it due to weather influences - wind, gusts, turbulence - or through different propagation paths (air layers), so that a correct mutual assignment of the bang images to a common sound source is out of the question
can be difficult. The wind field in particular ensures that the bang received at the various measurement locations varies over time. The wind field is a vortex field with irregularly distributed vortices, the diameters of which are up to 1000 m and larger and whose wind speed fluctuations can be several meters per second. According to the above-mentioned reference, this results in a dimensioning rule for the smallest distance between two measuring locations of at least 1500 m, corresponding to a transit time difference of approx. 5 s, otherwise the accuracy of the clarification becomes too low.
Another difficulty with the evaluation is the possibility of confusion between vertical sound beams and floor sound beams. The bang can spread on the one hand along the ground from the gun to the measuring location - one speaks then of ground sound beams - and / or on the other hand about reflections or diffractions from layers of the atmosphere - one then speaks of high-sound beams. The length of the propagation paths that the sound travels and the propagation speeds along this path are different, whereby it must also be taken into account that the propagation speed increases with decreasing density of the atmosphere, so that the transit times for both propagation paths from the gun to the same location from can be the same size.
If one looks at the bang images on the diagrams of the different measuring locations, a confusion between floor and vertical sound beams of the same sound source cannot be ruled out during the evaluation, or a separation a priori is often not possible.
When evaluating, especially vertical rays, wind direction and strength, vortices and discontinuities in the atmosphere lead to errors in determining the location. Since these influences are hardly detectable in the case of vertical sound radiation and can only be inadequately evaluated by calculation, the evaluation is carried out as far as possible on ground sound beams, since here the effects of the weather influences can be better recorded and thus taken into account mathematically.
In order to be able to improve the location accuracy by communication, four or more microphones are set up at different measuring locations. The evaluator at the head office can use the shape and size of a calculated error polygon to estimate whether all of the analyzed bang images originate from ground-borne beams.
In any case, extensive geodetic surveying work is now required for at least four measuring locations, since the accuracy of the position determination of the four and more measuring locations directly affects the determination of the hyperbolas and their intersections. Long evaluation times make immediate tactical reactions difficult.
It is an object of the present invention to provide a device of the type mentioned at the outset, in which the assignment and evaluation of the sound events received at the measurement locations is ensured independently of weather influences.
This object is achieved according to the invention in a device of the type specified in the preamble of claim 1 by the features specified in the characterizing part of claim 1. This eliminates all the problems associated with the evaluation of sound events in the conventional manner, in particular the finding and the time indication of homologous points in sound events of one and the same sound source, since here the entire time course of the bang, which is received on diametrically opposed microphones, is correlated with each other. The device can be implemented using simple means of digital computer technology.
The conjugate complex multiplication of the two frequency spectra has the advantage that an initial phase, which is caused by the temporal position of the time interval with respect to the course of the received signals, falls out, so that the amount of the back-transformed can be used directly to determine the transit time . The amount of the back-transformed shows a clear maximum over time at the interval of the transit time in relation to the beginning of the time interval under consideration, which is used to determine the transit time.
The use of a so-called prewarning is not necessary, since there is no need to register the bang images on diagrams.
An evaluator to determine the running time by reading the diagrams of each measuring location is also not necessary.
since only the bearing angles that are automatically determined at the measuring location are evaluated in the control center.
Computing times for determining the bearing angle are incomparably shorter than manual evaluation times of the bang images on the diagrams and e.g. already completed between two shots.
Even if bottom sound waves and height sound waves are received in succession from the same muzzle blast, two identical bearing angles are nevertheless determined, which describe the one geometrical location of the gun. If, for example, the same muzzle blast at the second location only sound waves are received, a bearing angle is also determined there, which provides the other geometric location of the gun. It is therefore not necessary to recognize height and ground sound waves as such and to evaluate them differently. rather, correct location determination is always ensured, irrespective of whether received signals from ground sound beams are evaluated at one measuring point and received signals from vertical sound beams from the same sound source are evaluated at the other measuring point.
The azimuth of the sound incidence angle is always determined, namely the bearing angle, since the elevation of the sound incidence angle is shortened by the ratio of the transit times.
In an advantageous development of the invention (according to claim 2), a center of gravity frequency is obtained for the magnitude spectrum of one of the complex frequency spectra. One way of determining the center of gravity frequency is to seek out the maximum of the magnitude spectrum, the associated frequency of which indicates the center of gravity frequency. It is also possible to determine the center of gravity frequency by calculating an area that is limited by the course of the magnitude spectrum and the frequency axis and determining the center of gravity of this area and selecting the associated frequency. This center of gravity frequency is compared with a predeterminable frequency that is significant for the center of gravity of the muzzle blast of guns.
This frequency lies in a lower frequency range than, for example, that of a magnitude spectrum of machine gun volleys, bullet blasts or environmental noises, such as e.g. general battle noise or bird sounds. Only those frequency spectra for runtime determination are evaluated for which the center of gravity frequency is equal to or less than the specified frequency. The particular advantage of this evaluation lies in the fact that only relevant sound events, namely received signals, which originate from the muzzle blast of a gun, are evaluated. Received signals on the microphones, which can be attributed to other environmental noises, are thus automatically eliminated from the evaluation, so that a transmission of bearing angles, which would characterize the location of noise sources, is switched off.
The function of a pre-warning - classification of the sound events - is evaluated by the
Center of gravity automated.
Another advantageous embodiment of the invention (according to claim 3) ensures extensive Störbe exemption.
The running times determined at the measuring locations are squared, added and the root is taken from the sum. This sum is compared with a quotient of the distance between the diametrically opposed microphones and the speed of propagation of the sound waves. Only runtimes are evaluated for which the root is equal to or less than the quotient. The associated received signals belong to sound waves that have spread over the floor at a known speed of propagation.
Errors that occur, for example, when wind noise is received on every microphone due to different air turbulences in addition to the bang, are recognized and suppressed, since the root is then larger than the quotient. Whenever the root is not equal to or less than the quotient, one can safely assume that the transit times do not belong to the reception signals of a muzzle blast from a gun, but are caused by faults, for example also by faults in the evaluation devices used.
According to an advantageous further development of the invention (according to claim 4), with an exact horizontal position of the cross, elevation angles of sound waves can also be evaluated. The arc cosine of the rooted sum of the squared terms divided by the quotient indicates the elevation angle. If only targets at elevation angles within predefinable angular limits are to be taken into account, the others can be switched off by a simple comparison with predetermined values for the cosine. For example, the evaluation of a sonic boom and thus the display of aircraft can be switched off.
The invention is described below with reference to an embodiment shown in the drawing. Show it:
1 is a schematic representation of an assumed combat situation,
Fig. 2 is a block diagram of an evaluation circuit for the device for determining gun locations.
Guns 3, 4 and 5 are acoustically dipped from measuring sites 1 and 2 according to FIG. 1 and their locations are determined in a control center 6. At each measuring point 1 or 2 there is a cross 10 or 11 with four microphones each, the distances d of which are significantly smaller than the distance between the measuring points 1 and 2 and the guns 3, 4 and 5. The microphones of each cross 10 and 11 are each connected to an evaluation circuit 12 or 13. The positions of the measuring locations 1, 2 are entered in the control center 6 on a location map.
The orientation of a reference axis of the cross 10 or 11 with respect to the north is determined at the measurement location 1 or 2 and input into the evaluation circuit 12 or 13, in which the bearing angle between the diametrically opposed microphones is determined (pt or 3 relative to the north and can be transmitted via radio to the control center 6.
In the control center 6, the bearing angles <pi, Xi (i = 3, 4, 5) are entered in the position map at the positions of the measuring locations 1, 2, the intersections of which provide the locations of the guns 3, 4 and 5. Since guns 3, 4 and 5 generally do not fire in time so that their muzzle blasts are received at location 1 at the same time, the separation of two gun bearings is guaranteed. The
Entering fictitious targets on the location map at intersection points 16, 17 and 18 would have to be avoided by taking a different position during combat reconnaissance, for example measurement location 1.
The bearing angles to the guns 3, 4 and 5 then change their values, the locations of the guns 3, 4 and 5 remain the same, only the apparent targets change their position and can therefore be distinguished from the guns. The
Dimensions of the cross would be an installation on one
Allow vehicle so that it would be easy to change position.
2 shows a block diagram for an evaluation circuit
12 at location 1, which can also be used as an evaluation circuit 13 at location 2. Receive signals from diametrically opposed microphones 20, 22 or
21, 23 of the cross 10 are evaluated in processing channels I and II of the same structure.
The microphones 20 and 22 are via analog / digital converters 24, 25, memories 26, 27 and computing circuits 28,
29 connected to calculate a complex frequency spectrum. Digitized received signals that were received by the microphone 20 within a predeterminable time interval are stored in the memory 26 and are converted, for example, into a complex frequency spectrum according to the algorithm of the Fast Fourier transform.
The same signal processing is used for received signals from the
Microphones 22 made. The complex frequency spectra of the received signals of the microphones 20 and 22 are conjugated in a multiplier circuit 30 multiplied complex. The multiplication circuit 30 is followed by a computing stage 31 for forming the inverse of the conjugate complex product.
In a subsequent evaluation circuit 32, the amount of the back-transformed is formed and a running time T1 is determined, at which the maximum of the amount is.
In the second processing channel II, received signals from the diametrically opposite microphones 21, 23 of the cross 10 are processed to determine a transit time T2.
The ratio of the running times T1 to T2 and the arctan is shown in a bearing angle calculator 33
TI
T2 calculated quadrant-true, which is equal to the bearing angle zpl.
The bearing angle (p is transmitted to the control center 6 via a gate 34.
The outputs of the arithmetic circuit 28 for the real and imaginary parts of the complex frequency spectrum of the received signals of the microphone 20 are connected to an absolute value generator 40 for calculating an absolute value spectrum, which is followed by a computing stage 41 for determining a center of gravity frequency of the absolute value spectrum. A subsequent comparator 42 is connected to a frequency input 43 in which a center of gravity f that is significant for frequency spectra of muzzle blasts can be specified. The comparator 42 outputs a control signal when the center of gravity frequency determined in the computing stage 41 is less than or equal to the center of gravity frequency f specified in the frequency input 43. The comparator 42 drives the multiplication circuits 30 in the processing channels I and II.
Frequency spectra are only permitted for further processing if a control signal is present, since they originate from muzzle blasts.
When other environmental noises are received, the multiplication circuits 30 are blocked by the comparator 42.
The outputs of the processing channels I and II are connected to a calculation part 50 in which the running times TI and T2 are squared, their sum
EMI4.1
is for mouth bangs, which were received from the same sound source over the same propagation path, equal to a quotient d = d which is formed from the distance d between two diametrically opposed microphones 20, 22 and 21, 23 divided by the propagation speed c des Sound.
A comparison stage 51, which is connected to a value transmitter 52 for the quotient T *, checks whether the square root z is less than or equal to the quotient T *. The comparison stage 51 is connected to the gate 34 and opens the gate 34 for DF angle zp if the condition T4T * is fulfilled, since these DF angles do not pretend to be guns by interference, but rather provide the location of a gun.
All bearing angles (p for which the rooted sum T is greater than the quotient l *) are not transmitted to the control center 6, since they are caused by disturbances.
In a test stage 53, which is connected downstream of the calculation part 50 for the rooted sum T, it is determined whether the rooted sum T is smaller than the quotient t *. For these values of z, a downstream table comparison circuit 54 is activated, in which the value of the rooted sum T in the equation
T ± = arc cos * is used and compared with a table of values.
The result provides an elevation angle r, which is compared in a comparison stage 55 with a predeterminable maximum elevation angle ss. The comparison stage 55 is connected to the gate 34. Only bearing angles <p are transmitted to the control center 6 if the associated elevation angle is below the predetermined maximum elevation angle.
The computing circuits 28, 29 shown in FIG. 2, the multiplier circuit 30 and the computing stage 31 in the evaluation circuit 12 can be replaced by a computer into which the digitized received signals of the microphones 20, 22 are read in as real and imaginary parts for Fourier transformation and in which the complex frequency spectrum is formed, processed according to a sorting program for a back transformation and back transformed. Such a calculation method is described, for example, in the book Theory and Application of Digital Signal Processing by Lawrence R. Rabiner and Bernard Gold 1975, BellTelephone Laboratories, Inc. Prentice-Hall, Inc. New Jersey, on pages 58 ff.