DE102004062127A1 - Moving diver detection procedure transmits constant frequency continuous sound waves and compares reflected spectrum within set limits with threshold - Google Patents

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Abstract

A moving diver detection procedure transmits constant frequency continuous wave sound waves and analyses the reflected signal within time windows to give a frequency spectrum for threshold comparison of level, amplitude or power in a preset frequency range and triggering of an acoustic or optical warning.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren vom im Wasser sich bewegenden Objekten, insbesondere von schwimmenden Tauchern, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.The The invention relates to a method of detecting in water moving objects, in particular of floating divers, the in the preamble of claim 1 defined genus.

Zum Schutze von ankernden oder im Hafen vertauten Schiffen und von Hafeneinfahrten gegen Anschläge, die von Tauchern ausgeführt werden, sind sog. Taucher-Detektionssonare bekannt, die – an der Schiffswand angehängt oder an die Hafeneinfahrt begrenzenden Molen angeordnet – sich nähernde Taucher oder Kampfschwimmer erkennen und entsprechende Warnsignale ausgeben. Diese Taucher-Detektionssonare sind aktive Sonarsysteme, die Schallsignale aussenden und aus dem Wasser zurückkehrende Schallsignale empfangen. Die Empfangssignale werden daraufhin untersucht, ob darin Echosignale enthalten sind, die von Reflexionen des Sendesignals an Objekten im Wasser herrühren. Hierzu wird ein elektroakustischer Sendewandler mit einem frequenzmodulierten elektrischen Sendesignal angesteuert, der ein entsprechendes akustisches Signal ins Wasser abstrahlt. Das elektrische Empfangssignal, das aus dem im Wasser zurückgekehrenden akustischen Signal mittels eines elektroakustischen Empfangswandlers erhalten wird, wird mit dem Sendesignal korreliert und das Korrelationsergebnis mit einer Schwelle verglichen. Wird die Schwelle überschritten, wird auf Taucherdetektion erkannt. Da mit einem solchen Taucher-Detektionssonar alle im Wasser befindlichen oder im Wasser sich nähernden oder sich entfernenden Objekte erfasst werden und die Detektion nicht auf spezifische Eigenschaften von Tauchern abgestimmt ist, werden neben Tauchern auch alle anderen Objekte im Überwachungsgebiet detektiert, so dass sich eine relativ hohe Falschalarmrate ergibt.To the Protection of anchoring or docked vessels and port entrances against attacks, that run by divers are known, so-called. Taucher detection sonar, the - at the ship's wall attached or at the harbor entrance bounding jetties - approaching divers or Recognize fighters and issue appropriate warning signals. These diver detection sonars are active sonar systems that produce sound signals send out and returning from the water Receive sound signals. The received signals are then examined whether it contains echo signals that reflect reflections of the transmitted signal due to objects in the water. For this purpose, an electro-acoustic transmitting transducer with a frequency-modulated driven electrical transmission signal, the corresponding acoustic Signal radiates into the water. The electrical reception signal, the from the water returning acoustic signal by means of an electro-acoustic receiving transducer is correlated with the transmission signal and the correlation result compared with a threshold. If the threshold is exceeded, is detected on diver detection. Because with such a diver detection sonar all in water or in water approaching or withdrawing Objects are detected and detection is not limited to specific properties divers are tuned, besides divers also all other objects in the surveillance area detected, so that there is a relatively high false alarm rate.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Detektieren von im Wasser sich bewegenden Objekten, insbesondere von schwimmenden Tauchern anzugeben, das nur speziell interessierende Objekte, wie z.B. Taucher, zuverlässig detektiert und somit eine niedrige Falschalarmrate aufweist.Of the Invention is based on the object, a method for detecting of moving objects in the water, in particular of floating ones Specify divers who only use objects of interest, such as e.g. Diver, reliable detected and thus has a low false alarm rate.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.The Task is inventively by the features in claim 1 solved.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die für die Detektion interessierenden Objekte durch Einbeziehung der von den Objekten im Empfangssignal hervorgerufenen Dopplerverschiebung des Sendesignals bei der Detektion aufgrund ihrer spezifischen Geschwindigkeit erkannt werden. Objekte, deren Geschwindigkeit typischerweise außerhalb des den Detektionsobjekten zugemessenen Geschwindigkeitsbereichs liegen, wie z.B. motorgetriebene Unterwasserfahrzeuge oder ruhende oder sich entfernende Objekte, werden nicht detektiert, so dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Falschalarmrate bei der Detektion ausgewählter Objekte recht niedrig ist.The inventive method has the advantage that for the detection of objects of interest by incorporating the the objects in the received signal caused Doppler shift the transmission signal at the detection due to their specific speed be recognized. Objects whose speed is typically outside the speed range assigned to the detection objects lie, such as motor-driven underwater vehicles or stationary or removing objects are not detected, so that with the method according to the invention the false alarm rate when detecting selected objects is quite low is.

Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.Expedient embodiments the method according to the invention with advantageous developments and refinements of the invention result from the other claims.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:The Invention is based on an embodiment shown in the drawing closer in the following described. Show it:

1 ein Blockschaltbild eines Taucher-Detektionssonars, 1 a block diagram of a diver detection sonar,

2 zwei elektrische Sendesignale des Detektionssonars in 1, 2 two electrical transmission signals of the detection sonar in 1 .

3 beispielhaft ein Frequenzspektrum eines Empfangssignals im Detektionssonar gemäß 1. 3 exemplarily a frequency spectrum of a received signal in the detection sonar according to 1 ,

Das in 1 im Schaltbild dargestellte Taucher-Detektionssonar arbeitet aktiv, d.h. es sendet in Schallsignale gewandelte elektrische Sendesignale in ein Wassergebiet aus und empfängt aus dem Wassergebiet zurückkehrende Schallsignale und wandelt diese in elektrische Empfangssignale um. Als elektrische Sendesignale werden sog. CW-Signale (continous wave signals) mit einer Sendefrequenz f0 und einer Impulslänge L verwendet, die in einem Sendegenerator 10 erzeugt werden und aufeinanderfolgend mit dazwischenliegenden Sendepausen an einen elektroakustischen Sendewandler 11 angelegt werden. Wie in 2 dargestellt ist, ist zur Erzielung einer möglichst geringen Bandbreite des Sendesignals jedes CW-Signal innerhalb der Impulslänge L einer Amplitudenstaffelung, einem sog. Shading, unterzogen.This in 1 shown in the diagram diver-detection sonar works actively, ie it sends out in sound signals converted electrical transmission signals in a water area and receives from the water area returning sound signals and converts them into electrical reception signals. As electrical transmission signals so-called. CW signals (continuous wave signals) with a transmission frequency f 0 and a pulse length L used in a transmission generator 10 be generated and successively with intermediate transmission pauses to an electro-acoustic transmitting transducer 11 be created. As in 2 is shown, is to achieve the lowest possible bandwidth of the transmission signal each CW signal within the pulse length L of a amplitude graduation, a so-called. Shading subjected.

Im Ausführungsbeispiel der 2 ist hierzu das CW-Signal mit einer Sinusfunktion multipliziert, deren Periode der zweifachen Impulslänge L des Sendesignals entspricht. Eine Hanning- oder Hamming-Staffelung ist ebenfalls möglich.In the embodiment of 2 For this purpose, the CW signal is multiplied by a sine function whose period corresponds to twice the pulse length L of the transmission signal. A Hanning or Hamming stagger is also possible.

Aus dem Wassergebiet zurückkehrende Schallsignale werden auf der Empfangsseite des Detektionssonars mittels eines elektroakustischen Empfangswandlers 12, z.B. eines Hydrofons oder einer Hydrofonanordnung, in elektrische Empfangssignale gewandelt, die zwecks Detektion von evtl. in das Überwachungsgebiet eindringenden Tauchern einer Signalverarbeitung unterzogen werden. Bei der Signalverarbeitung werden in jedem Empfangssignal von durch ein Zeitfenster begrenzten Signalabschnitten des Empfangssignals Frequenzspektren gebildet, wobei das Zeitfenster mit einer Überlappung, z.B. von 75%, sukzessive über das Empfangssignal geschoben wird. Hierzu wird das Empfangssignal in einem Multiplizierer 13 sukzessive mit einer Fensterfunktion, z.B. einer Hanning- oder Hammingfunktion, multipliziert, deren Fensterbreite vorzugsweise der Impulslänge L des Sendesignals entspricht. Die Fensterfunktion wird in einem Funktionsgenerator 14 erzeugt und mit zeitlichem Versatz sukzessive an den Multiplizierer 13 gegeben. Dem Multiplizierer 13 ist ein Fast-Fourier-Transformator 15 nachgeordnet, der von den einzelnen Signalabschnitten deren Frequenzspektren generiert, wie eines beispielhaft in 3 dargestellt ist. Jede Spektrallinie ist dabei mit ihrem Pegel angegeben. Alternativ kann auch die Amplitude oder die Leistung des Frequenzspektrums herangezogen werden. Aus den Frequenzspektren werden mittels eines dem Fast-Fourier-Transformator 15 nachgeordneten Frequenzselektors 16 nur solche Spektrallinien an einen Komparator 17 gelegt, deren Frequenzen innerhalb eines Frequenzbereiches oder Frequenzbandes liegen. Dieser Frequenzberiech ist im Frequenzselektor 16 durch eine untere Grenzfrequenz fuG und eine obere Grenzfrequenz foG festgelegt. Die untere und obere Grenzfrequenz sind dabei anhand einer zu erwartenden kleinsten und größten Geschwindigkeit, mit welcher ein schwimmender Taucher sich auf das Detektionssonar zubewegen kann, bestimmt. Ist die maximale Geschwindigkeit des Tauchers vmax und die minimale Geschwindigkeit des Tauchers vmin so berechnen sich die Grenzfrequenzen gemäß

Figure 00050001
wobei f0 die Sendefrequenz und c die mittlere Schallgeschwindigkeit im Wasser ist.Sound signals returning from the water area are detected on the receiving side of the detection sonar by means of an electroacoustic receiving transducer 12 , For example, a hydrophone or a hydrophone arrangement, converted into electrical received signals, which are subjected to signal processing for the purpose of detection of divers who may penetrate into the monitoring area. In the signal processing frequency spectra are formed in each received signal of limited by a time window signal portions of the received signal, wherein the time window is slid with an overlap, for example, of 75%, successively on the received signal. For this purpose, the received signal is in a multiplier 13 successively multiplied by a window function, eg a Hanning or Hamming function, whose window width preferably corresponds to the pulse length L of the transmission signal. The window function is in a function generator 14 generated and with time offset successively to the multiplier 13 given. The multiplier 13 is a fast fourier transformer 15 downstream, which generates the frequency spectrum of the individual signal sections, such as an example in 3 is shown. Each spectral line is indicated by its level. Alternatively, the amplitude or the power of the frequency spectrum can be used. From the frequency spectra are by means of a fast Fourier transformer 15 downstream frequency selector 16 only such spectral lines to a comparator 17 whose frequencies lie within a frequency range or frequency band. This Frequenzberiech is in the frequency selector 16 determined by a lower limit frequency f uG and an upper limit frequency f oG . The lower and upper cutoff frequencies are determined on the basis of an expected minimum and maximum speed with which a swimming diver can move toward the detection sonar. If the maximum speed of the diver is v max and the minimum speed of the diver v min, then the cutoff frequencies are calculated according to
Figure 00050001
where f 0 is the transmission frequency and c is the mean velocity of sound in the water.

Der Komparator 17 ist mit einer Schwelle belegt, deren Höhe abhängig von der zugelassenen Falschalarmrate gewählt ist. Im Komparator 17 werden die Pegel der Spektrallinien, die innerhalb des durch die Grenzfrequenzen vorgegebenen Frequenzbereichs oder Frequenzbandes liegen mit der Schwelle verglichen. Übersteigt mindestens der Pegel einer Spektrallinie die vorgegebene Schwelle, so generiert der Komparator 17 ein Ausgangssignal, das in einer Anzeigeeinheit 18 ein akustisches und/oder optisches Warnsignal auslöst.The comparator 17 is assigned a threshold whose level is selected depending on the allowed false alarm rate. In the comparator 17 For example, the levels of the spectral lines that lie within the frequency range or frequency band given by the cutoff frequencies are compared to the threshold. If at least the level of a spectral line exceeds the predetermined threshold, then the comparator generates 17 an output signal in a display unit 18 an acoustic and / or visual warning signal triggers.

Ein Warnsignal wird damit immer nur dann ausgelöst, wenn ein schwimmender Taucher sich dem Detektionssonar nähert. Da der Taucher anhand der von ihm beim Schwimmen im Empfangssignal hervorgerufenen Dopplerverschiebung identifiziert wird, und der Taucher nicht in der Lage ist, aus dem ihm spezifisch zuerkannten Geschwindigkeitsbereich auszuscheren, so wird ausschließlich ein dem Detektionssonar sich nähernder Taucher detektiert. Schwimmt der Taucher in eine Richtung weg vom Detektionssonar, so ist die gegenüber der Sendefrequenz dopplerverschobene Empfangsfrequenz kleiner als die Sendefrequenz und fällt damit aus dem vom Frequenzselektor 16 definierten Frequenzbereich heraus. Ein vom Detektionssonar wegschwimmender Taucher wird somit nicht detektiert. Das gleiche gilt für einen zum Schutzobjekt parallel schwimmenden Taucher, da er in diesem Fall keine zum Taucher-Detektionssonar weisende radiale Geschwindigkeitskomponente besitzt. Auch sich nähernde Schiffe werden nicht detektiert, da deren zum Detektionssonar gerichtete radiale Geschwindigkeitskomponente üblicherweise immer größer ist als die zur Festlegung der oberen Grenzfrequenz f0G angenommene maximale Geschwindigkeit vmax eines Tauchers, und lösen somit keinen Falschalarm aus.A warning signal is always triggered when a swimming diver approaches the detection sonar. Since the diver is identified on the basis of the Doppler shift caused by him when swimming in the received signal, and the diver is unable to move out of the speed range specifically assigned to him, only a diver approaching the detection sonar is detected. If the diver swims in a direction away from the detection sonar, then the reception frequency Doppler-shifted with respect to the transmission frequency is smaller than the transmission frequency and thus falls out of that of the frequency selector 16 defined frequency range. A diver swimming away from the detection sonar is thus not detected. The same applies to a diver parallel to the object to be protected, since in this case he has no radial velocity component pointing to the diver detection sonar. Also ships approaching are not detected, since their radial velocity component directed towards the detection sonar is usually always greater than the maximum velocity v max of a diver assumed for determining the upper limit frequency f 0G , and thus does not trigger a false alarm.

Das beschriebene Verfahren kann auch zur Detektion andere Unterwasserobjekte als Taucher eingesetzt werden. Voraussetzung ist, dass diese Unterwasserobjekte einen spezifischen Geschwindigkeitsbereich abdecken, der sie von anderen Unterwasserobjekten unterscheidet.The described method may also be used to detect other underwater objects be used as a diver. Condition is that these underwater objects to cover a specific speed range that will take you from different underwater objects.

Claims (7)

Verfahren zum Detektieren von im Wasser sich bewegenden Objekten, insbesondere von schwimmenden Tauchern, bei dem in Schallsignale gewandelte elektrische Sendesignale in ein Wassergebiet abgestrahlt werden und aus dem Wassergebiet zurückkehrende Schallsignale empfangen und in elektrische Empfangssignale gewandelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Sendesignale CW-(continous wave)Signale mit konstanter Sendefrequenz und konstanter Impulslänge verwendet werden, dass in jedem elektrischen Empfangssignal von durch ein Zeitfenster begrenzten Signalabschnitten die Frequenzspektren gebildet werden, und dass der Pegel, die Amplitude oder die Leistung aller innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs der Frequenzspektren auftretenden Spektrallinien mit einer Schwelle verglichen und ein Überschreiten der Schwelle als Detektion eines Objekts ausgewiesen wird.Method for detecting objects moving in water, in particular floating divers, in which electrical transmission signals converted into sound signals are emitted into a water area and sound signals returning from the water area are received and converted into electrical reception signals, characterized in that CW signals are transmitted as electrical transmission signals. (continuous wave) signals with constant transmission frequency and constant pulse length are used, that in each electrical received signal of limited by a time window signal sections, the frequency spectra are formed, and that the level, the amplitude or the power of all appearing within a predetermined frequency range of the frequency spectra spectral lines with a threshold and a crossing of the threshold is detected as detection of an object. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Detektion eines Objekts ein akustisches und/oder optisches Warnsignal ausgegeben wird.Method according to claim 1, characterized in that that upon detection of an object, an acoustic and / or optical Warning signal is output. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Zeitfensters gleich der Impulslänge des CW-Signales bemessen wird.Method according to claim 1 or 2, characterized that the length of the time window equal to the pulse length of the CW signal becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzbereich durch eine untere Grenzfrequenz (fuG) und eine obere Grenzfrequenz (foG) definiert wird und dass die untere Grenzfrequenz (fuG) anhand einer kleinstmöglichen Geschwindigkeit (vmin) und die obere Grenzfrequenz (foG) anhand einer größtmöglichen Geschwindigkeit (vmax) der zu detektierenden Objekte festgelegt wird.Method according to one of Claims 1-3, characterized in that the frequency range is defined by a lower limit frequency ( fμG ) and an upper limit frequency (f oG ) and in that the lower limit frequency (f uG ) is determined on the basis of a lowest possible speed (v min ) and the upper limit frequency (f oG ) is determined based on the highest possible speed (v max ) of the objects to be detected. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfrequenzen (fuG, foG) gemäß
Figure 00080001
festgelegt werden, wobei f0 die Sendefrequenz, v die Objektgeschwindigkeit und c die mittlere Schallgeschwindigkeit im Wasser ist.
A method according to claim 4, characterized in that the cut-off frequencies (f uG , f oG ) according to
Figure 00080001
where f 0 is the transmission frequency, v the object speed and c the mean velocity of sound in the water.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass das CW-Signal innerhalb seiner Impulslänge einer Amplitudenstaffelung (Shading) unterzogen wird.Method according to one of claims 1-5, characterized in that that the CW signal within its pulse length of a amplitude graduation (Shading). Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitfenster einer Zeitfunktion gehorcht, die an die Amplitudenstaffelung des CW-Signals angepasst ist.Method according to Claim 6, characterized that the time window obeys a time function that corresponds to the amplitude graduation the CW signal is adjusted.
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