DD301729A9

DD301729A9 - PROCESS AND DEVICE FOR TURNING ON FOR AUTARKE SYSTEMS

Info

Publication number: DD301729A9
Application number: DD33714290A
Authority: DD
Inventors: Eckhardt Dr-Ing Fahrun; Uwe Dipl-Ing Neumann
Original assignee: Univ Rostock
Priority date: 1990-01-16
Filing date: 1990-01-16
Publication date: 1993-08-19

Abstract

Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die energieminimale Realisierung des Einschaltmechanismus von autarken Systemen nach erfolgter automatischer Zielerkennung. Erfindungsgemäß beruht das Verfahren zum Einschalten für autarke Systeme auf der Auswertung bestimmter, alle Objekttypen charakterisierende Spektralanteile des akustischen Gesamtfrequenzspektrums. Dabei werden die Amplituden der ausgewählten Spektralanteile gleichrangig behandelt, wobei bei Überschreitung der Amplitude einer Spektrallinie über einen einstellbaren Schwellwert ein Signal zum Einschalten der Stromversorgung für die Systemelektronik erzeugt wird. Gleichzeitig wird jede der ausgewählten Spektrallinien separat ausgekoppelt und verstärkt, wobei aus den Amplituden der einzelnen Kanäle ein Datenwort gebildet wird, welches im Rechner mit vorprogrammierten Datenmustern verglichen wird und bei Nichtübereinstimmung zum Abschalten des Gesamtsystems führt. Erfindungsgemäß besteht die Vorrichtung zum Einschalten für autarke Systeme aus einem Wandler mit integrierter Primärelektronik, einem selektiven Hauptverstärker und einem Schwellwertschalter. Weiterhin existieren mehrere Kanalschwellwertschalter zur Bildung eines Datenwortes, das bei Nichtübereinstimmung mit vorprogrammierten Datenmustern ein Signal zum Abschalten des Gesamtsystems hervorruft.{autarke Systeme; Einschaltmechanismus; Energieminimierung; Objektklassenerkennung; Spektralanteile; Frequenzspektrum; Schwellwerte; Stromversorgung; Systemelektronik; Zielauffassung}The field of application of the invention is the minimum energy realization of the switch-on mechanism of self-sufficient systems after automatic target recognition. According to the invention, the method for switching on for self-sufficient systems is based on the evaluation of specific spectral components of the overall acoustic frequency spectrum characterizing all object types. In this case, the amplitudes of the selected spectral components are treated equally, wherein when exceeding the amplitude of a spectral line over an adjustable threshold, a signal for switching on the power supply for the system electronics is generated. At the same time, each of the selected spectral lines is coupled out and amplified separately, wherein from the amplitudes of the individual channels a data word is formed, which is compared in the computer with preprogrammed data patterns and leads to disabling the entire system. According to the invention, the device for switching on for self-sufficient systems consists of a converter with integrated primary electronics, a selective main amplifier and a threshold value switch. Furthermore, there are a plurality of channel threshold value switches for forming a data word which, in the event of disagreement with preprogrammed data patterns, causes a signal to shut down the entire system {self-sufficient systems; turning-; Energy minimization; Object class recognition; spectral components; Frequency spectrum; threshold values; Power supply; System electronics; Target acquisition}

Description

Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings

Field of application of the invention

Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die energieminimale Realisierung eines Einschaltmechanismus für Minenwaffen und/oder andere autarke Unterwassersysteme, der erst dann, wenn eine Information über ein mögliches Zielobjekt vorliegt, aktiviert werden soll.The field of application of the invention is the minimum energy realization of a switch-on mechanism for mines and / or other self-sufficient underwater systems, which should be activated only when information about a possible target object exists.

Die Anwendung dieser Erfindung beschränkt sich jedoch nicht nur auf Unterwassersysteme, sondern ist auch für alle anderen autarken Systeme zur Zielerkennung und -auffassung einsetzbar.However, the application of this invention is not limited to underwater systems, but is also applicable to all other self-sufficient systems for target recognition and perception.

Characteristic of the known state of the art

Bekannte Verfahren für die Aktivierung von Minenwaffen beruhen auf der Detektion des von einem Zielobjekt (Schiff oder U-Boot) ausgestrahlten akustischen Signals innerhalb des akustischen Breitbandrauschens, was in der See vorliegt und ständig von einem Schalldrucksensor empfangen wird, wobei dieses Breitbandrauschen von den jeweilig herrschenden Umweltbedingungen abhängig ist und oftmals das zu detektierende Signal so überdeckt, daß ohne eine Filterung nicht entschieden werden kann, ob ein Signal vorhanden ist oder nicht. Um eine frühzeitige Ortung eines Zielobjektes gewährleisten zu können, ist es also unangebracht, das gesamte vom Wandler empfangene Breitbandsignal auszuwerten, wie es teilweise in bekannten Lösungen gemacht wird. Eine eindeutige Entscheidung, ob sich ein Zielobjekt im Auffassungsbereich befindet, kann erst dann gefällt werden, wenn die Signalamplitude des vom Schiff abgestrahlten akustischen Signals größer als die Rauschamplitude ist, d. h. wenn das Signal-Rausch-Verhältnis des zu detektierenden Signals gegenüber dem Breitbandrauschen größer als eins ist.Known methods for the activation of mine weapons are based on the detection of the emitted from a target object (ship or submarine) acoustic signal within the broadband acoustic noise, which is present in the sea and is constantly received by a sound pressure sensor, this broadband noise of the prevailing Environmental conditions is dependent and often covers the signal to be detected so that can not be decided without filtering whether a signal is present or not. In order to be able to ensure an early location of a target object, it is therefore inappropriate to evaluate the entire broadband signal received by the converter, as is partially done in known solutions. A clear decision as to whether a target object is in the field of vision can only be made if the signal amplitude of the acoustic signal radiated by the ship is greater than the noise amplitude, ie. H. when the signal-to-noise ratio of the signal to be detected is larger than one to the wideband noise.

Nach der US-Patentschrift 4185553 existiert eine Lösung, bei der mit Hilfe von selektiven Filtern eine Detektion des von einem Schiff ausgesandten akustischen Signals erfolgen soll. Bei dieser Lösung wird das von einem Hydrophon empfangene und vom Breitbandrauscheri überlagerte akustische Signal über eine Vielzahl von Bandfiltern geleitet. Diese Filter haben eine Bandbreite, deren Wert gleioh 5% der Resonanzfrequenz beträgt, wobei die Resonanzfrequenzen so ausgewählt wurden, daß sich die jeweils benachbsiten Durchlaßbereiche der selektiven Filter überlappen und diese Überlappung genau bei dem 6-dB-Abfall erfolgt. Diese Lösung erfordert einen großen schaltungstechnischen Aufwand und entspricht nicht der Forderung nach einer energieminimalen Lösung.According to US Pat. No. 4,185,553 there is a solution in which, with the aid of selective filters, a detection of the acoustic signal emitted by a ship is to take place. In this solution, the acoustic signal received from a hydrophone and superimposed by the broadband noise is passed through a plurality of band filters. These filters have a bandwidth whose value is equal to 5% of the resonant frequency, with the resonant frequencies chosen to overlap the respective adjacent passbands of the selective filters, and this overlap occurs exactly at the 6dB drop. This solution requires a great circuit complexity and does not meet the demand for a minimum energy solution.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und entsprechendes Verfahren zum Einschalten von autarken Systemen zu entwickeln, die mit geringem und leistungsarmen schaltungstechnischen Aufwand realisierbar sind und eine Objektklassengroberkennung vornehmen, damit im Sinne der Energieminimierung bei Nichtübereinstimmung zwischen gewünschter Objektklassenerfassung und aufgefaßter und erkannter Objektklasse das System sofort wieder abgeschaltet wird.The object of the invention is to develop a device and corresponding method for switching on self-sufficient systems that can be realized with low and low-power circuit complexity and make a Objektklassengroberkennung, so in the sense of energy minimization in case of disagreement between the desired object class detection and recognized and recognized object class the System is switched off immediately.

-2- 301729 Darlegung des Wesens der Erfindung-2- 301729 Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und entsprechendes Verfahren für ein autark arbeitendes System zu entwickeln, die es ermöglichen, die Stromversorgung des Systems für die Eloktronik der Zielauffassung und Signalverarbeitung erst dann einzuschalten, wenn die Information vorliegt, daß ein Zielobjekt im Auffassungsbereich liegt, wobei an die schaltungstechnische Realisierung des Einschalters die Forderung gestellt wird, daß er leistungsarm und mit einem großem Signal-Rausch-Verhältnis arbeiten soll.The invention has for its object to develop a device and corresponding method for a self-sufficient operating system, which make it possible to turn on the power supply of the system for the Eloktronik the Zielauffassung and signal processing only when there is the information that a target is in the field of vision , wherein the demand is made on the circuitry implementation of the power switch that he should work low power and with a large signal-to-noise ratio.

Erfindungsgemäß beruht das Verfahren zum Einschalten auf der Auswertung einiger bestimmter, die einzelnen Objekttypen charakterisierende Spektralanteile des akustischen Frequenzspektrums. Ein dem Wandler mit Primärelektronik nachgeschalteter selektiver Verstärker wählt aus dem Gesamtobjektspektrum nur eine kleine Anzahl von Spektrallinien aus, deren Amplituden verstärkt und weiter verarbeitet werden. Die Anzahl und die Bandbreite der ausgewählten Spektralanteile richtet sich nach den aufzufassenden Zielobjekten.According to the invention, the method for switching on is based on the evaluation of some specific spectral components of the acoustic frequency spectrum which characterize the individual object types. A selective amplifier connected downstream of the converter with primary electronics selects only a small number of spectral lines from the overall object spectrum whose amplitudes are amplified and processed further. The number and the bandwidth of the selected spectral components depend on the target objects to be handled.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Amplituden der ausgewählten Spektralanteile gleichrangig behandelt, wobei bei Überschreitung der Amplitude einer Spektrallinie über einen einstellbaren Schwellwert ein Signal erzeugt wird, das die Information über das Vorhandensein eines Zielobjektes beinhaltet und das die Stromversorgung für die gesamte Systemelektronik der Signalaufbereitung und -verarbeitung einschaltet.According to a further feature of the invention, the amplitudes of the selected spectral components are treated equally, wherein when exceeding the amplitude of a spectral line over an adjustable threshold, a signal is generated, which includes the information about the presence of a target object and the power supply for the entire system electronics signal processing and processing turns on.

Nach einem dritten Merkmal der Erfindung wird jede Spektrallinie zusätzlich separat ausgekoppelt und verstärkt, wobei bei Überschreitung der Amplitude dieses Spektralanteils übor einen weiteren einstellbaren Schwell wert ein Signal erzeugt, das eine Teilinformation über die Objektklasse beinhaltet, wobei dieses Signal zwischengespeichert wird und bei logischer Verknüpfung mit den Signalen der anderen Spektralkanäle die Information ühor die Objektklasse liefert, die im Rechner ausgewertet wird, wobei bei Nichtübereinstimmung mit der gewünschten und deshalb vorprogrammierten Objektklasse das autarke Gesamtsystem wieder abgeschaltet wird.According to a third feature of the invention, each spectral line is additionally separately coupled and amplified, wherein when exceeding the amplitude of this spectral above another adjustable threshold value generates a signal containing a partial information on the object class, this signal is cached and logical connection with the information ühor provides the signals of the other spectral channels, the object class, which is evaluated in the computer, which in case of disagreement with the desired and therefore preprogrammed object class, the autonomous overall system is switched off again.

Erfindungsgemäß besteht die Vorrichtung aus einem Wandler mit integrierter Primärelektronik, einem selektiven Hauptverstärker und einem Schwellwertschalter, der bei Eintritt eines Zielobjektes in den Auffassungsbereich des autarken Systems vom Verstärker so angesteuert wird, daß an seinem Ausgang bei Überschreitung eines Schwellwertes ein positiver Sprung erzeugt wird, der die Stromversorgung der Systomelektronik einschaltet.According to the invention, the device consists of a converter with integrated primary electronics, a selective main amplifier and a threshold value, which is controlled by the input of a target object in the field of self-sufficient system of the amplifier so that at its output when exceeding a threshold value, a positive jump is generated, the turns on the power to the Systomelektronik.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht die Vorrichtung aus mehreren separaten Kanalschwellwertschaltern, deren Schwellwerie kleinor als eier des Summenschwellwertschalters sind und die in logischer Verknüpfung ein Datenwort bilden, das bei Nichtübereinstimmung mit vorprogrammierten Datenmustern ein Signal erzeugt, welches das System ausschaltet.According to a further feature of the invention, the device consists of several separate channel threshold switches whose thresholds are smaller than those of the sum threshold switch and which logically form a data word which, in the event of disagreement with preprogrammed data patterns, generates a signal which turns the system off.

Ausführungsbeispielembodiment

An einem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigenIn one embodiment, the invention will be explained in more detail. In the accompanying drawings show

Fig. 1: das Blockschaltbild für die Vorrichtung zum Einschalten einer Mine Fig. 2: das Blockschaltbild des Hauptverstärkers Fig.3: das Blockschaltbild des Schwellwertschalters.Fig. 1: the block diagram for the device for turning on a mine Fig. 2: the block diagram of the main amplifier Figure 3: the block diagram of the threshold.

Das von einem Schiff abgestrahlte akustische Breitbandsignal wird von einem piezoelektrischen Wandler mit integrierter Primärelektronik 1 empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Der nachgeschaltete selektive Hauptverstärker 2 wurde entsprechend der Forderung nach einem großen Signal-Rausch-Verhältnis als Mehrfachresonanzvers'.ärker mit vier ausgewählten Frequenzen in diskreter Schaltungstechnik zur Realisierung des Low-power-Betriebes entwickelt, wobei die Gesamtverstärkung von Differenzverstärker 9, Verstärker 10, Parallelgeschwindigkeit 11,12,13 bzw. 14 und Nachverstärker 15,16,17 bzw. 18 an den Resonanzstellen 6OdB beträgt. Die vier ausgewählten Resonanzfrequenzen liegen bei 25,200,340 und 460 Hertz. Diese Frequenzen treten in den Frequenzspektren der einzelnen Schiffstypen immer wieder auf, wenn auch mit unterschiedlicher Amplitude. Das heißt nicht, daß für alle Schiffstypen immer die gleichen Spektralanteile vorhanden sind, denn die Frequenzspektren sind sowohl typen- als auch geschwindigkeitsabhängig. Von den ausgewählten Frequenzen taucht aber jeweils mindestens eine im Frequenzspektrum der einzelnen Schiffstypen bei den unterschiedlichsten Geschwindigkeiten auf, die jedoch nicht unbedingt die das Spektrum «m meisten charakterisierende Frequenz sein muß. Die Anzahl und die Größe der Resonanzfrequenzen richten sich nach den aufzufassenden Schiffstypen und können beliebig erhöht bzw. verkleinert werden. Die Größe der Gesamtverstärkung an den Resonanzstellen des Hauptverstärkers 2 richtet sich nach der gewünschten minimalen Entfernung zwischen Minenkörper und Auffassungsort des Zielobjektes mit dem kleinsten ausgesandten Schalldruckpegel. Dementsprechend muß auch der Schwellwertschalter 3 eingestellt sein, so daß erst bei Überschreitung dieses Schwellwertes durch die Ausgangsamplitude des Hauptverstärkers 2 am Ausgang des Summierers 19 ein Signal gebildet wird, das die Information beinhaltet, daß sich ein Zielobjekt im Auffassungsradius befindet. Dieses Signal schaltet das Schaltnetzteil 4 für die Stromversorgung der Minenelektronik für die Zielauffassung, Signalverarbeitung und Zündentscheidung, d. h. die Zentrale Verarbeitungseinheit 8, ein, so daß die Mine sich im aktivierten Zustand befindet, !m Sinne einer Energieminimierung wird die Mine sofort wieder ausgeschaltet, wenn das aufgefaßte Zielobjekt nicht dem vorprogrammierten Schiffstyp entspricht. Dazu ist es notwendig, daß der beschriebene Mechanismus nicht nur die Mine einschaltet, sondern auch eine Schiffsklassengroberkennung vornimmt. Dazu werden die Ausgangssignale der Parallelschwingkreise 11,12,1? bzw. 14 zusätzlich ausgekoppelt und mit Hilfe der Kanalvorverstärker 23 so verstärkt, daß die Ausgangsamplituden ebenfalls bezüglich der Eingangsamplitude eine Verstärkung von 6OdB aufweisen. Für jeden Kanal ist ein separater Schwellwertschalter 6 vorgesehen, wobei das Schaltungskonzept dieser vier Kanalschwellwertschalter 6, dia jeweils aus einem Kanalschaltverstärker 24, einem Kanalgleichrichter 25 und einem Kanalschalter 26 bestehen, dem des Summenschwellwertschalters 3, aufgebaut aus einem Schaltverstärker 20, einem Gleichrichter 21 und einem spannungsgesteuerten Schalter 22 entspricht, die einzelnen Schwellwerte aber kleiner als der des Summenschwellwertschalters 3 sind.The broadband acoustic signal emitted by a ship is received by a piezoelectric transducer with integrated primary electronics 1 and converted into an electrical signal. The downstream selective main amplifier 2 has been developed according to the requirement for a large signal-to-noise ratio as Mehrfachresonanzvers''ärker with four selected frequencies in discrete circuit technology to realize the low-power operation, the overall gain of differential amplifier 9, amplifier 10, parallel speed 11,12,13 and 14 and post amplifiers 15,16,17 and 18 at the resonance points 6OdB. The four selected resonant frequencies are 25,200,340 and 460 Hertz. These frequencies occur again and again in the frequency spectrums of the individual ship types, albeit with different amplitudes. This does not mean that the same spectral components are always present for all ship types, because the frequency spectra are both type-dependent and speed-dependent. However, at least one of the selected frequencies appears in the frequency spectrum of the individual ship types at the most different speeds, but this does not necessarily have to be the frequency characterizing most of the spectrum. The number and size of the resonance frequencies depend on the type of vessel to be handled and can be increased or decreased as desired. The magnitude of the total gain at the resonance points of the main amplifier 2 depends on the desired minimum distance between the mine body and the detection location of the target object with the smallest emitted sound pressure level. Accordingly, the threshold value switch 3 must be set so that only when this threshold is exceeded by the output amplitude of the main amplifier 2 at the output of the summer 19, a signal is formed which includes the information that a target object is in the survey radius. This signal switches the switching power supply 4 for the power supply of the mine electronics for the target detection, signal processing and ignition decision, d. H. the central processing unit 8, a, so that the mine is in the activated state,! m in the sense of energy minimization, the mine is immediately turned off again when the conceived target object does not correspond to the preprogrammed ship type. For this purpose, it is necessary that the mechanism described not only turns on the mine, but also makes a Schiffklassengroberkennung. For this purpose, the output signals of the parallel resonant circuits 11,12,1? or 14 additionally coupled and amplified by means of the channel preamplifier 23 so that the output amplitudes also have a gain of 6OdB with respect to the input amplitude. For each channel, a separate threshold value switch 6 is provided, the circuit concept of these four channel threshold 6, dia each consisting of a channel switching amplifier 24, a channel rectifier 25 and a channel switch 26, the sum of the threshold 3, constructed of a switching amplifier 20, a rectifier 21 and a voltage-controlled switch 22 corresponds, but the individual thresholds are smaller than that of the sum threshold switch 3.

Gleichzeitig mit der Minenaktivierung durch den positiven Amplitudenoprung am Ausgang des Schwellwertschalters 3 werden die Ausgangszustände der separaten Kanalschwellwertschalter β im Latch mit Interface 7 zwischengespeichert und durch die Zentrale Verarbeitungseinheit 8 der Minenelektronik für die Signalauffassung, Signalverarbeitung und Zündentscheidung abgerufen, die das eingelesene Datenwort mit den die Schiffstypen charakterisierenden Datenmustern vergleicht und bei Nichtübereinstimmung des Datenwortes mit den Datenmustern die Mine wieder ausschaltet.Simultaneously with the mine activation by the positive Amplitudenoprung at the output of the threshold switch 3, the output states of the separate Kanalschwellwertschalter β are latched in the latch with Interface 7 and retrieved by the central processing unit 8 of the mine electronics for signal interpretation, signal processing and Zündentscheidung that the read data word with the Comparing ship types characterizing data patterns and off in case of mismatch of the data word with the data patterns, the mine again.

Claims

1. A method for switching on for self-sufficient systems, characterized in that selected from the total acoustic spectrum of an object only a small number of the individual objects characterizing spectral lines whose amplitudes are amplified and treated equally, so that upon entry of a target object in the scope of the overall system the amplitude of a spectral line is exceeded by an adjustable threshold value and a signal for switching on the power supply for the entire system electronics is generated.

2. The method according to claim 1, characterized in that each spectral line is additionally coupled and amplified separately and that when exceeding the amplitude of each spectral component via a further adjustable threshold value, a signal which contains a TeHinformation on the object class, cached and logically linked with the signals of the other spectral channels in case of disagreement with the desired and preprogrammed data, the system shuts off.

3. Device * jm switching self-sufficient systems, characterized in that when entering a target object in the field of self-sufficient system, the transducer with integrated primary electronics (1) receives its acoustic signal and a selective main amplifier (2) a threshold value is controlled, the output is connected to the switching power supply (4) for the system electronics of the target recognition and tracking.

3. Apparatus according to claim 3, characterized in that each separate channel threshold value switch (6) whose threshold values are smaller than that of the threshold value switch (3), in each case a channel signal arrives and that their outputs form a data word on the central processing unit (8 ) is given.