DE2928279C2

DE2928279C2 - Method and device for acoustic echolocation and detection of objects

Info

Publication number: DE2928279C2
Application number: DE19792928279
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Phys. Dr. 6000 Frankfurt Beuter
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1979-07-13
Filing date: 1979-07-13
Publication date: 1983-10-27
Also published as: DE2928279A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur akustischen Echoortung und Detektion von Objekten durch den Menschen mit Hilfe von abwärts frequenzmodulierten Signalen sowie Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens. The invention relates to a method for acoustic echolocation and detection of objects by humans with the help of downward frequency-modulated signals and devices for carrying out this method.

Signalgeber zur Unterstützung der aktiven Echoortung durch den Menschen, insbesondere für Blinde und Taucher, sowie für Sonarsysteme mit akustischer Anzeige existieren bereits in vielfachen Formen, z.B. Klickschaltequellen, Reinton- oder frequenzmodulierte Pfeiftonquellen. Signale im UltraschaUbereich werden auch verwendet. Ferner sind Vorrichtungen bekannt, die nach dem Differenztonprinzip arbeiten (GB-PS 978 741; US-PS 366922).Signal generator to support active echolocation by humans, especially for the blind and divers, as well as for sonar systems with acoustic display already exist in many forms, e.g. click switch sources, Pure tone or frequency modulated whistle sources. Signals in the ultrasonic range are also used. Devices are also known which work on the difference tone principle (GB-PS 978 741; US-PS 366922).

Bei dem Differenztonverfahren macht die Umsetzung von Entfernungen in Tonhöhen die Auswertung durch ungeübte Personen schwierig. Hinzu kommt, daß der im Kopfhörer ständig vorhandene Echoton einen Teil des Hörvermögens blockiert und als eine Belastung empfunden werden kann. Ferner bringt die Erfassung komplexer unbekannter Situationen eine Fülle akustischer Reize. Sie sind auch von Geübten nur schwer zu analysieren. Klickschaltequellen erfordern eine hohe Schalleistung und können Menschen in der U mgebung belästigen. Reintonquellen haben den Nachteil, daß die über ein breites Frequenzband verteilte Echoinformation durch sie nicht unmittelbar erfaßt werden kann.In the case of the difference tone method, the conversion of distances into pitches makes the evaluation difficult for inexperienced people. In addition, the echo sound that is constantly present in the headphones is a part of the Hearing blocked and can be perceived as a burden. It also makes the capture more complex an abundance of acoustic stimuli in unknown situations. They are difficult to analyze, even for experienced people. Click switch sources require a high sound power and can annoy people in the vicinity. Pure tone sources have the disadvantage that they do not make the echo information distributed over a wide frequency band directly can be detected.

In der Literatur wurde bereits in allgemeiner Form, ohne spezielle Signale anzugeben, die Möglichkeit diskutiert, den psychoakustischen ImpuisverdichtungsefTektIn the literature, the possibility has already been discussed in a general form, without specifying specific signals, the psychoacoustic impulse compression effect

!5 einzusetzen (J. J. G. McCue, Aural Pulse Compression by Bats and Humans, J. Acoust. Soc. Amer. 40, 545-548, 1966; G. K. Strother, Comments on Aural Pulse Compression in Bats and Humans, J. Acoust Soc. Amer. 41,529, 1967). Diese Möglichkeit wurde jedoch nach vorläufigen Experimenten abgelehnt (W. A. van Bergejk, Sonic Pulse Compression in Bats and People, Acoust. Soc. Amer. 36, 594-597, 1964). Ferner wurde beschrieben, daß bei Ratten und Fledermäusen bestimmte Frequenzmodulationen verbesserte Detektierarbeit bewirken (A. R. Moller, Coding of Sounds with Rapidly Varying Spectrum in the Cochlear nucleus, J. Acoust. Soc. Amer. 55, 631-640, 1974; M. Vater, P. Schlegel, Auditory Neur<ipgysiology of the Inferior Colliculus of Two Molossid Bats).
In der DE-AS 1 273 830 wird ein Gerät als Orientierungshilfe für Blinde beschrieben, das nach dem Differenztonverfahren arbeitet, bei dem die Entfernungen in Tonhöhen umgesetzt werden. Hierbei ist eine Überlappung deranhaltenden Referenz- und Echosignale notwendig. Gleichzeitig wird eine sägezahnförmige Frequenzmodulation vorgenommen. Dabei kann eine psychoakustische Impulsverdichtung nicht erzielt werden.! 5 (JJG McCue, Aural Pulse Compression by Bats and Humans, J. Acoust. Soc. Amer. 40, 545-548, 1966; GK Strother, Comments on Aural Pulse Compression in Bats and Humans, J. Acoust Soc. Amer . 41,529, 1967). However, this possibility was rejected after preliminary experiments (WA van Bergejk, Sonic Pulse Compression in Bats and People, Acoust. Soc. Amer. 36, 594-597, 1964). It has also been described that certain frequency modulations cause improved detection work in rats and bats (AR Moller, Coding of Sounds with Rapidly Varying Spectrum in the Cochlear nucleus, J. Acoust. Soc. Amer. 55, 631-640, 1974; M. Vater, P. Schlegel, Auditory Neurology of the Inferior Colliculus of Two Molossid Bats).
DE-AS 1 273 830 describes a device as an orientation aid for the blind, which works according to the difference tone method in which the distances are converted into pitches. An overlap of the sustained reference and echo signals is necessary here. At the same time, a sawtooth-shaped frequency modulation is carried out. Psychoacoustic impulse condensation cannot be achieved here.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile bekannter Verfahren zu überwinden und ein Verfahren anzugeben, bei dem akustische Signale durch den Menschen gut detektiert und erkannt werden können. Akustische Signale sollen dem menschlichen Hörvermögen so angepaßt werden, daß sie auch noch bei geringer intensität und hohem Störpegel wahrgenommen werden können. Ferner soll der Hörer noch wichtige Parameter, wie den Eintreffzeitpunkt und eventuelle Abweichungen des Echos vom ausgesendeten Signal durch Einflüsse des Übertragungsweges erkennen können.The present invention is based on the object of overcoming the disadvantages of known methods and to provide a method in which acoustic signals are well detected and recognized by humans can. Acoustic signals should be adapted to the human hearing ability in such a way that they can also be used with low intensity and high interference level can be perceived. Furthermore, the listener should also have important parameters such as the time of arrival and possible deviations of the echo from the transmitted signal due to influences recognize the transmission path.

Es hat sich nun gezeigt, daß sich diese Aufgabe in technisch fortschrittlicher Weise mit dem Verfahren der eingangs genannten Art lösen läßt, wenn erfindungsgemäß ein gepulstes Signal verwendet ist und das Bandbreitezeitprodukt dieses Signal bei gleichbleibender Dauer des Pulses durch monotone Frequenzmodulation mit einer Modulationsrate von mehr als 1 kHz/ms höher enstellbar ist. It has now been shown that this task can be achieved in a technically advanced manner with the method of the opening paragraph Can solve mentioned type if according to the invention a pulsed signal is used and the bandwidth time product this signal can be set higher with a constant pulse duration by monotonic frequency modulation with a modulation rate of more than 1 kHz / ms.

Vorzugsweise beträgt die Dauer des Signals 5 bis 15 ms, insbesondere 10 ms. Die Frequenz des Signals wird während der Dauer des Pulses von 12 kHz bis 500Hz moduliert. Eine gleichzeitige Amplitudenmodulation ist vorteilhaft, um bestimmte Frequenzbereiche hervorzuheben und eventuell störende Nebeneffekte auszuschalten.The duration of the signal is preferably 5 to 15 ms, in particular 10 ms. The frequency of the signal is during the duration of the pulse is modulated from 12 kHz to 500 Hz. Simultaneous amplitude modulation is advantageous, to highlight certain frequency ranges and to eliminate any annoying side effects.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Mittenfrequenz des Signals in den UltraschaUbereich gelegt und die empfangenen Echos werden durch multiplikatives Mischen wieder in den hörbaren Frequenzbereich verschoben.In a further embodiment of the method according to the invention, the center frequency of the signal is in The ultrasound area is placed and the received echoes become audible again through multiplicative mixing Frequency range shifted.

Bei dem Verfahren wird ein breitbandiges frequenzmoduliertes Signal benützt, das einer psychoakustischen Impulsverdichtung unterliegt. Die Momentanfrequenz alsThe method uses a broadband frequency-modulated signal, which is a psychoacoustic signal Subject to impulse compression. The instantaneous frequency as

Funktion der Zeit besitzt einen linear hyperbolisch oder exponentiell abfallenden Verlauf und überdeckt den größten Teil des menschlichen Hörbereichs. Die Modulations-.■ate und Bandbreite werden so eingestellt, daß ein charakteristischer klickartiger Ton empfunden wird. Diese Empfindung kann z. B. mit einer hyperbolischen. Frequenzmodulation für eine Signaldauer von 10 ms und eine Periodenmodulationsrate von 0,2 bei einer ArJangsperiode von 0,1 ms auftreten.Function of time possesses a linear or hyperbolic exponentially decreasing course and covers most of the human hearing area. The modulation. ■ ate and bandwidth are adjusted so that a characteristic click-like sound is felt. This sensation can e.g. B. with a hyperbolic. Frequency modulation for a signal duration of 10 ms and a period modulation rate of 0.2 with an operating period of 0.1 ms occur.

Die besondere Wirkung des Gegenstands der Erfindung beruht demzufolge auf dem psychoakustiscnen Impulsverdici.lungseffekt, den der Mensch empfindet, wenn das Signal auf die beschriebene Weise moduliert ist. Das Signal wird bei der richtigen Modulation nicht als Abwärtspfeifton empfunden, sondern als trockener scharfer Klick. Das besondere Merkmal des dem Hörsystem angepaßten Signals liegt in der Signalüberhöhung, die im Empfänger (Hörsystem) im Vergleich mit anderen nicht angepaßten Signalen erreicht wird. Gegenüber nicht angepaßten Signalen gleicher Energie kann diese Verbesserung einem Amplitudenverhältnis in der Größenonlnung des Bandbreite-Zeitproduktes von ca. 100 entsprechen. Dadurch wird die Detektierarbeit erhöht Veränderungen der Signalform werden ebenfalls wahrgenommen.The special effect of the object of the invention is therefore based on the psychoacoustic Impulse amplification effect that humans feel when the signal is modulated in the manner described. With the right modulation, the signal is not considered to be Downward whistle felt, but as a dry, sharp click. The special feature of the hearing aid adjusted signal lies in the signal increase, which in the receiver (hearing system) in comparison with others is not matched signals is achieved. This improvement can be compared to signals that have not been matched with the same energy correspond to an amplitude ratio in the order of magnitude of the bandwidth-time product of approx. 100. Through this the detection work is increased. Changes in the signal shape are also perceived.

Das Verfahren kann mit Vorrichtungen durchgeführt werden, die aus einem Pulsgeneratorteil und einem Sendeteil bestehen. In dem Pulsgeneratorteil sind ein Pulsgenerator und ein Pulsformer vorgesehen, wobei der Pulsformer die Amplituden- und Frequenzmodulationsfuktion für einen nachgeschalteten Sinusgenerator erzeugt. Die Ausgangssignale des Sinusgenerators werden in dem Sendeteil leistungsverstärkt und über einen Wandler abgestrahlt.The method can be carried out with devices consisting of a pulse generator part and a Transmission part exist. In the pulse generator part, a pulse generator and a pulse shaper are provided, the Pulse shaper the amplitude and frequency modulation function for a downstream sine generator generated. The output signals of the sine wave generator are power-amplified in the transmitter and via a converter radiated.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 6 gekennzeichnet.The device for performing the method according to claim 1 is characterized by the features of the characterizing part of claim 6 characterized.

Zur Durchführung des Verfahrens, bei dem die Mittenfrequenz des Signals in den Ultraschallbereich gelegt wird, wird zwischen dem Pulsgeneratorteil und dem Sendeteil eine Einrichtung zur Frequenzverschiebung eingefügt. Ferner wird ein Empfängerteil vorgesehen, in dem das Echo von Mikrophonen aufgenommen und durch Frequenzverschiebungseinrichtungen wieder in den hörbaren Bereich gelegt wird.To carry out the procedure in which the center frequency of the signal is placed in the ultrasonic range, a device for frequency shifting is inserted between the pulse generator part and the transmitting part. Furthermore, a receiver part is provided in which the echo is picked up by microphones and through frequency shifting devices is put back into the audible range.

Das Verfahren eignet sich insbesondere für akustische Blindenhilfen, Kommunikationssysteme bei hohem Störpegel und für Signalgeber zur akustischen Identifikation von Objekten durch Echoauswertung bei Blinden und Tauchern. Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß der Suchton der Informationsverarbeitungskapazität des Hörsystems angepaßt ist. Die optimale Anpassung erlaubt die Ausnutzung der gesamten, durch die relativ lange Signaldauer hohen Signalenergie. Damit erhöht sich die Detektierarbeit schwacher Signale auch bei Störungen durch die Umgebung. Die hohe Bandbreite des Signals verbessert gleichzeitig die Fähigkeit des Ohrs zur Echostrukturauswertung und damit zur Zielerkennung. Die Echos sind ohne weitere technische Hilfsmittel binaural verwertbar. Die Richtungsinformation bleibt deshalb erhalten und ein akustisches Abtasten eines Objektes wird ermöglicht. Die kurze Pulsdauer vermeidet die dauernde akustische Blokkierung des Hörsystems. Auch bei Verwendung einer Ultraschallträgerfrequenz können die Echos optimal im Gehör verarbeitet werden.The method is particularly suitable for acoustic aids for the blind, communication systems with a high level of interference and for signal transmitters for the acoustic identification of objects through echo evaluation in the case of the blind and Divers. The advantages achieved by the invention are essentially to be seen in the fact that the search tone Information processing capacity of the hearing system is adapted. The optimal adaptation allows the utilization the entire signal energy, which is high due to the relatively long signal duration. This increases the detection work weak signals even if there is interference from the environment. The high bandwidth of the signal improves at the same time the ability of the ear to evaluate the structure of the echo and thus to recognize the target. The echoes are binaurally usable without further technical aids. The direction information is therefore retained and on acoustic scanning of an object is made possible. The short pulse duration avoids permanent acoustic blocking of the hearing system. Even when using an ultrasonic carrier frequency, the echoes can be optimally in the Hearing are processed.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.In the following the invention is explained in more detail with reference to drawings.

Es zeigen in schematischer VereinfachungIt show in schematic simplification

Figur 1Figure 1

den Grundaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung der Ortungslaute undthe basic structure of the device according to the invention for generating the locating sounds and

Figur 2Figure 2

den Grundaufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Mittenfrequenz des Signals in den Ultraschallbereich gelegt wird.the basic structure of a device according to the invention, at which the center frequency of the signal is placed in the ultrasonic range.

Ein amplituden- und frequenzmoduliertes gepulstes Signal hat die FormAn amplitude and frequency modulated pulsed signal has the form

5(0 =5 (0 =

o(i)- cos(<p(r)) fiirOSrS
ο sonsto (i) - cos (<p (r)) forOSrS
ο otherwise

wobei ι die Zeit und T die Dauer des Signals bedeuten. a (O ist die Amplitudenmodulationsfunktion bzw. die Umhüllende, φ (0 ist die Phase. Sie ergibt sich aus der Frequenzmodulationsfunktion/(O nach folgender Formelwhere ι is the time and T is the duration of the signal. a (O is the amplitude modulation function or the envelope, φ (0 is the phase. It results from the frequency modulation function / (O according to the following formula

m(t) = 2 π [ /(O dl + const. m (t) = 2 π [ / (O dl + const.

Die Momentanperiode des Signals istThe instantaneous period of the signal is

. ^m = W) . ^m = W)

Für die erfindungsgemäß verwendete Frequenzmodulation werden folgende Funktionen vorgeschlagen:The following functions are proposed for the frequency modulation used according to the invention:

1 fit\-f- 1 fit \ -f-

r = Frequenzmodulationsrate
j. _{= Anfangs}f_requenz r = frequency modulation rate
j . _{= Initial} _frequency

als lineare Frequenzmodulation.as linear frequency modulation.

2. /(O =2. / (O =

r = Periodenrnodulationsrate r = period modulation rate

als hyperbolische Frequenzmodulation.as hyperbolic frequency modulation.

3. /(O = /je-¹ 3rd / (O = / each- ¹

= Abfallzeitkonstante = Fall time constant

als exponentiell Frequenzmodulation.as exponential frequency modulation.

Die Umhüllende a(i) sollte einen glatten Verlauf besitzen, z. B. glockenförmig oder mit cos-förmigem Anstieg oder Abfall.The envelope a (i) should have a smooth course, e.g. B. bell-shaped or with a cos-shaped rise or fall.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht aus den Blöcken elektronischer Signalgenerator 1 und Sendeteil 2. Der elektronische Signalgenerator besteht z. B. aus einem astabilen Multivibrator bzw. Pulsgenerator 3 mit einstellbarer Pulsfolgefrequenz/ und einstellbarer Pulsdauer T. Die Ausgangssignale werden im Pulsformer 4 tiefpaßgefiltert und danach als Amplitudenmodulationssignal α (0 für einen amplhudenmodulierbaren (VCA) Sinusgenerator 5 benutzt. Gleichzeitig wird der Rechteckpuls des Multivibrators 3 durch Differentiation mit einstellbarer Zeitkonstante τ in ein exponentiell abfallendes Signal umgewandelt. Dieses Signal wird durch Nachverstärkung in seiner Steilheit verändert und durch Addition einer Gleichspannung wird seine Nullage verschoben. Das resultierende Signal /(O dient zur Steuerung der Momentanfrequenz des elektrisch frequenz- (VCO)- und amplitudenmodulierbaren (VCA) Sinusgenerators 5. Durch Veränderung der Zeitkonstante Γ des Pulsförmers 3 läßt sich die Form der Frequenzmodulationsfunktion verändern; durch die Nachverstärkung die Frequenzmodulationsrate rund die Bandbreite sowie durch die addierte Spannung die Lage der Mittenfrequenz/, des Ausgangssignals s(t) des Sinusgenerators 5. Das gewünschte frequenz- und amplitudenmodulierte pulsförmige Generatorsignal mit Pulsdauer T und Wiederholrate/wird um einen einstellbaren Faktor verstärkt und einem elektroakustischen Wandler 7, der ein Lautsprecher oder ein Hydrophon ist, zugeführt.The device shown in Fig. 1 consists of the blocks electronic signal generator 1 and transmission part 2. The electronic signal generator consists, for. B. from an astable multivibrator or pulse generator 3 with adjustable pulse repetition frequency / and adjustable pulse duration T. The output signals are low-pass filtered in the pulse shaper 4 and then used as an amplitude modulation signal α (0 for an amplitude modulated (VCA) sine wave generator 5) converted into an exponentially decreasing signal by differentiation with an adjustable time constant τ . This signal is changed in its steepness by amplification and its zero position is shifted by adding a DC voltage. The resulting signal / (O is used to control the instantaneous frequency of the electrical frequency (VCO) - and amplitude modulable (VCA) sine wave generator 5. By changing the time constant Γ of the pulse shaper 3, the shape of the frequency modulation function can be changed; the frequency modulation rate around the bandwidth through the amplification and the position of the M through the added voltage center frequency /, of the output signal s (t) of the sine wave generator 5. The desired frequency and amplitude modulated pulse-shaped generator signal with pulse duration T and repetition rate / is amplified by an adjustable factor and fed to an electroacoustic transducer 7, which is a loudspeaker or a hydrophone.

Im Gegensatz zu der Analogtechnik kann der Signalgeneratorteil auch in Digitaltechnik ausgeführt sein. DieIn contrast to analog technology, the signal generator part can also be implemented using digital technology. the

gewünschte Wellenform wird in einem Digitalspeicher vorgespeichert und mit fester Geschwindigkeit und wählbarer Wiederholrate ausgelesen und digital analog gewandelt. desired waveform is pre-stored in a digital memory and at a fixed speed and selectable Repetition rate read out and converted from digital to analog.

Das Trägerfrequenzverfahren kann nach der in Fig. 2 dargestellten Weise durchgeführt werden und ermöglicht die Benutzung von Ultraschallsignalen mit Trägerfrequenz/. Es unterscheidet sich von dem oben beschriebenen Verfahren dadurch, daß das aus der Nachrichtentechnik bekannte Trägerfrequenzverfahren (multiplikative Mischung mit dem Trägerfrequenzsignal cos (2 rrfj) eingesetzt wird, um das Generatorsignal in ein Ultraschallfrequenzband zu verlegen und das über zwei ausein-The carrier frequency method can be carried out according to the manner shown in FIG. 2 and enables the use of ultrasonic signals with carrier frequency /. It differs from the method described above in that the carrier frequency method known from communications technology (multiplicative mixing with the carrier frequency signal cos (2 rrfj) is used to shift the generator signal into an ultrasonic frequency band and to separate this over two

anderliegende Mikrophone empfangene Echo wieder in das ursprüngliche Frequenzband zurückzuverschieben. Hierzu wird zwischen dem den Pulsgenerator, Pulsformer und Sinusgenerator enthaltenden Generatorteil 1 und der den Verstärker und den Wandler enthaltenden Endstufe 2 ein Mischer 8 und ein Hochpaßfiller 9 vorgesehen. Zwischen den das Echo empfangenden Mikrophonen 10 und 11 und den Hörern 12 und 13 werden ebenfalls Mischer 14 und Tiefpaßfilter 15 eingefügt. Damit kann das Echo vom Beobachter ebenso wie in der in Fig. 1 dargestellten Ausrührungsform ausgewertet werden. Durch die Verwendung zweier Empfangskanäle und Rückspielung mit Ohrhörern wird die binaurale Auswertung gewährleistet.shift the received echo back into the original frequency band. For this purpose, between the generator part 1 containing the pulse generator, pulse shaper and sine wave generator and the The amplifier and the converter containing output stage 2, a mixer 8 and a high-pass filler 9 are provided. Between the microphones 10 and 11 receiving the echo and the earphones 12 and 13 also become mixers 14 and low-pass filter 15 inserted. In this way, the echo from the observer can just as in the embodiment shown in FIG. 1 be evaluated. By using two reception channels and playing back with earphones the binaural evaluation is guaranteed.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Method for acoustic echolocation and detection of objects by humans Using downward frequency modulated signals, characterized in that a pulsed signal is used and that the bandwidth-time product of this signal with constant duration of the pulse higher adjustable through monotonic frequency modulation with a modulation rate of more than 1 kHz / ms is

2. The method according to claim 1, characterized in that the duration of the signal 5-15 ms, preferably 10 ms.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the frequency of the signal during the duration of the pulse is modulated from 12 kHz to 500 Hz.

4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the amplitude of the signal is modulated so that certain frequency ranges can be emphasized.

5. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the center frequency of the signal in the ultrasound area is placed and the received echoes by multiplicative mixing back into the audible frequency range can be shifted.

6. Apparatus for performing the method according to claim 1 to 4, characterized in that a pulse generator (3) and a pulse shaper (4) are provided in a pulse generator part (1), the Pulse shaper (4) the amplitude and frequency modulation function for a downstream sine generator (5) generated, the output signals of which can be power amplified in a transmitting part (2) and via a Converter (7) can be emitted.

7. Apparatus according to claim 6 for performing the method according to claim 5, characterized in that that between the pulse generator (1) and the transmitting part (2) a device (8, 9) for frequency shifting is inserted and that a receiver part is provided in which the echo from microphones (10, 11) can be picked up and returned to audible by frequency shifting devices (14, 15) Area can be laid.