DE3439386C2

DE3439386C2 -

Info

Publication number: DE3439386C2
Application number: DE19843439386
Authority: DE
Inventors: Kurt-Volker 8011 Eglharting De Hechtenberg
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1984-10-27
Filing date: 1984-10-27
Publication date: 1987-07-30
Also published as: FR2572538A1; DE3439386A1; FR2572538B1

Description

Die Erfindung betrifft ein passives akustisches Peilverfahren mit einer aus drei akustischen Aufnehmern bestehenden Peilbasis und einer elektronischen Signalauswertung, wobei aus den Signalen von jeweils zwei Aufnehmern Korrelationswerte gebildet werden.

Aus der US-PS 37 92 424 ist eine Einrichtung zur Positionsbestimmung eines bewegten Gegenstandes unter Wasser bekannt. Diese Einrichtung weist eine Empfangseinrichtung mit drei, an den Ecken eines gleichschenkligen Dreiecks angeordneten Ultraschallaufnehmern auf. Von einem, am Grund entlang bewegten Fahrzeug aus werden Ultraschallimpulse abgestrahlt, welche von der fest stationierten Empfangseinrichtung geortet und daraus die Position des Fahrzeuges in bezug auf den Standort der Empfangseinrichtung ermittelt wird.

Die bekannte Einrichtung ist auf den Empfang von Ultraschallimpulsen mit definierter Frequenz bzw. enger Bandbreite angewiesen, da sonst die Einrichtung durch andere Geräusche gestört und somit keine eindeutige Positionserkennung des Fahrzeuges möglich wäre.

Aus der US-PS 41 98 704 ist ein passives Peilverfahren bekannt, wobei mittels dreier in einer Linie angeordneter Hydrofone der Krümmungsradius einer Wellenfront, und daraus der Abstand der Geräuschquelle ermittelt werden soll. Die Signale von jeweils zwei Aufnehmern werden zwei Korrelatoren zugeführt und deren Ausgangssignale getrennt integriert. Eines der integrierten Ausgangssignale wird gegenüber dem anderen Ausgangssignal zeitlich verzögert, wobei die Zeitverzögerung ein Maß für die Entfernung der Hydrofone vor der Geräuschquelle ist, wenn die maximale Amplitude des verzögerten, integrierten Signals mit derjenigen des nicht verzögerten zusammenfällt.

Diese Einrichtung ermöglicht es nicht festzustellen, ob sich eine Geräuschquelle in einer vorbestimmten Richtung, also in einer bestimmten Winkelposition zu den akustischen Aufnehmern befindet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein akustisches Peilverfahren mit einer aus drei akustischen Aufnehmern bestehenden Peilbasis zu schaffen, mit welchem erkannt werden kann, ob sich eine beliebige Geräuschquelle in einer Bezugsebene bewegt und sich innerhalb dieser Ebene zusätzlich in einer Vorzugspeilrichtung befindet. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein akustisches Peilverfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung zur Durchführung des akustischen Peilverfahrens mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 3.

Das akustische Peilverfahren kann mit geringem technischem Aufwand realisiert werden, da für die Signalauswertung der drei akustischen Aufnehmer lediglich zwei bzw. drei Korrelationswerte gebildet und verglichen werden müssen.

Durch einfache, den akustischen Aufnehmern nachgeschaltete Hartbegrenzer kann die Berechnung der Korrelationswerte aus den Vorzeicheninformationen der (analogen) Aufnehmersignale erfolgen, also eine sog. Binärkorrelation durchgeführt werden.

Eine wesentliche Erhöhung der Störsicherheit des akustischen Peilverfahrens kann durch einfache, in einem Mikroprozessor realisierbare Rechenoperationen erzielt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren teilweise schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des akustischen Peilverfahrens;

Fig. 2 die räumliche Anordnung der akustischen Aufnehmer sowie die Auswirkungen einer in der Bezugsebene bewegten Geräuschquelle auf die Korrelationsfunktionen;

Fig. 3 die Häufigkeitsverteilung dreier charakteristischer Korrelationswerte sowie deren Mittelwerte und Streuung.

Der prinzipielle Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des akustischen Peilverfahrens ist in Fig. 1 dargestellt. Die von drei akustischen Aufnehmern 1, 2 und 3 abgegebenen analogen Ausgangssignale A(t), B(t) und C(t) werden verstärkt auf die Hartbegrenzer (Clipper) 4, 5 und 6 gegeben und in Binärfolgen D(t), E(t) und F(t) umgewandelt. Die digitalen Signale können dann direkt von einem Mikroprozessor 7 abgetastet und, wie nachfolgend beschrieben, verarbeitet werden. Mit den oben erwähnten oder ähnlichen, heutzutage erhältlichen Mikroprozessoren können Frequenzen bis ca 5 kHz verarbeitet werden, womit Geräuschquellen, wie z. B. Fahrzeuge u. dgl. erfaßt werden können.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind die drei Mikrofone an den Eckpunkten eines rechtwinkligen Dreiecks angeordnet. An der Kathete mit der Seitenlänge a befinden sich die akustischen Aufnehmer 1 und 2, wobei diese Kathete die Vorzugspeilrichtung angibt. Die Kathete mit der Seitenlänge b verbindet die akustischen Aufnehmer 2 und 3, wobei diese Kathete senkrecht auf der Bezugsebene steht, in der sich die relevanten Geräuschquellen bewegen können, also z. B. auf der Oberfläche eines Geländeabschnittes.

Aus den digitalisierten Ausgangssignalen der Aufnehmer 2 und 3 wird mittels der in Fig. 1 dargestellten Schaltung ein erster Korrelationswert KW _b ( τ = 0) gebildet. Auf die bekannten Methoden der Binärkorrelation soll hier nicht näher eingegangen werden; näheres hierzu kann der DE-PS 27 52 062 oder der GB-PS 11 69 923 entnommen werden. Es sei lediglich vermerkt, daß die Angabe ( τ = 0) bedeutet, daß die beiden Ausgangssignale der Aufnehmer 2 und 3 nicht gegeneinander zeitverschoben werden. Der so ermittelte Korrelationswert hat ein Maximum, wenn sich die Geräuschquelle in der Bezugsebene befindet; ist die Bezugsebene beispielsweise auf einen Geländeabschnitt ausgerichtet, so können durch die Bildung dieses Korrelationswertes z. B. alle fliegenden Geräuschquellen erkannt und ggf. ausgesondert werden. Außerdem gibt der so ermittelte Korrelationswert durch seine maximale Größe ein charakteristisches Maß für eine relevante Geräuschquelle an, mit welchem der zweite, im folgenden näher erläuterte Korrelationswert verglichen werden kann. Dieser zweite Korrelationswert KW _a ( τ = ^a/₃₃₀) wird dadurch gewonnen, daß das digitalisierte Ausgangssignal des Aufnehmers 1 um die Laufzeit, die ein direkt aus der Peilrichtung kommendes Signal vom Aufnehmer 1 zum Aufnehmer 2 benötigt, also um τ = ^a/₃₃₀ sec (a = Katheterlänge in Meter) gegenüber dem Signal des Aufnehmers 2 verzögert und korreliert wird. Diese Verzögerung kann beispielsweise mittels eines Schieberegisters realisiert werden. Dieser Korrelationswert hat sein Maximum, wenn sich eine Geräuschquelle in der Verlängerung der Kathete a, also in der Vorzugspeilrichtung befindet.

Liegen die beiden obengenannten Korrelationswerte über einem vorgegebenen Schwellwert und sind über einen vorgegebenen Zeitraum, also über eine vorgegebene Anzahl von Korrelationswertberechnungen gleich groß, so kann mit hoher Wahrscheinlichkeit auf das Vorhandensein einer Geräuschquelle in der Vorzugspeilrichtung geschlossen werden.

Eine Erhöhung der Störsicherheit kann dadurch erzielt werden, daß ein weiterer Korrelationswert aus den zeitgleich aufgenommenen und nicht zeitlich gegeneinander verschobenen Signalen der Aufnehmer 1 und 2 gewonnen wird. Dieser spezielle Korrelationswert KW _a ( τ = 0) gibt mit großer Wahrscheinlichkeit einen Mittelwert der auf allgemeines Rauschen zurückzuführenden Korrelationswerte an (ausgenommen, eine Geräuschquelle befindet sich in der Bezugsebene senkrecht zur Vorzugspeilrichtung, also in einer nicht interessierenden Richtung). Erfolgt die Berechnung eines Korrelationswertes aus N (digitalen) Abtastwerten, so läge bei weißem Rauschen der Mittelwert der Korrelationen bei N/₂. In der Regel ist jedoch das empfangene Rauschen bandbegrenzt, so daß der Mittelwert von Fall zu Fall schwankt. Die Streuung ist abhängig vom Signal-Stör- Abstand, der Bandbreite und der Integrationszeit, also der Anzahl der für die Berechnung eines Korrelationswertes verwendeten Abtastwerte.

Eine Erhöhung der Störsicherheit und damit der Funktionssicherheit des Peilverfahrens wird dadurch erzielt, wenn der Unterschied zwischen den Korrelationswerten KW _a ( τ = ^a/₃₃₀) und KW _b ( τ = 0) kleiner ist als die Streuung σ (KW _a) der dritten Korrelationswerte KW _a ( τ = 0), wenn folgende Gleichung erfüllt ist:

||KW _b ( τ = 0)| - |KW _a ( τ = ^a/₃₃₀)|| < σ (KW _-a)

Weiterhin muß der Mittelwert µ der Korrelationswerte KW _a ( τ = ^a/₃₃₀) oder der Korrelationswerte KW _b ( τ = 0) größer sein als die Summe aus dem Mittelwert µKW _a) der dritten Korrelationswerte KW _a ( τ = 0) und deren mit einem Faktor f < 1 multiplizierten Streuung σ (KW _a); also wenn folgende Gleichung erfüllt ist:

µ(KW _a ( τ = ^a/₃₃₀) bzw. KW _b ( τ = 0)) < µ(KW _a) + f- · σ (KW _a)

Die Bedeutung dieser Bedingungen ist aus Fig. 3 ersichtlich, in der die Häufigkeiten der Korrelationswerte KW _a ( τ = ^a/₃₃₀) bzw. KW _b ( t = 0) und des dritten, für nicht korrelierte Signale charakteristischen Wertes KW _a ( τ = 0) sowie dessen Streuung s (KW _a) aufgetragen sind. Auf der Ordinate sind die Anzahl n der Korrelationen aufgetragen. Diese hängt natürlich von der Anzahl N der Abtastwerte ab. Der Mittelwert µ(KW _a) wird sich, wie oben erwähnt, bei weißem Rauschen in der Nähe von ^N/₂ befinden, der Mittelwert der beiden anderen Korrelationswerte bei maximaler Korrelation (also bei einer in Vorzugspeilrichtung befindlichen Geräuschquelle) wird sich knapp unterhalb von N befinden. Bei der grob angegebenen Streuung σ (KW _a) wird ersichtlich, daß eine eindeutige Aussage über das Vorhandensein einer Geräuschquelle in Vorzugspeilrichtung dann getroffen werden kann, wenn der Faktor f aus der obigen Gleichung etwa 2 oder größer ist.

In Fig. 2 sind noch die kompletten Korrelationsfunktionen KF für zwei verschiedene Zeitpunkte t = 1 und t = 2 für eine sich in der Bezugsebene bewegende Geräuschquelle aufgezeichnet. Während die Korrelationswerte KW _b ( τ = 0) zum Zeitpunkt t = 1 und t = 2 deutlich über den anderen Korrelationswerten der Korrelationsfunktion liegen und gleich hoch sind (d. h. also, daß sich die Geräuschquelle in der Bezugsebene befindet), unterscheiden sich die Korrelationswerte KW _a ( τ = ^a/₃₃₀) zu den beiden Zeitpunkten t = 1 und t = 2 deutlich voneinander. Erst beim Zeitpunkt t = 2 befindet sich das Maximum der Korrelationsfunktion an der Stelle τ = ^a/₃₃₀, an der der Korrelationswert KW _a ( t = ^a/₃₃₀) ermittelt wird (d. h. erst zum Zeitpunkt t = 2 befindet sich die Geräuschquelle exakt in der Peilrichtung).

Für einen zu überwachenden Raumwinkel von ±10° sollten die Kathetenlänge a = 19 cm und b < 9,5 cm sein, bei einer Abtastfrequenz von f = 20 kHz.

Claims

1. Passives akustisches Peilverfahren mit einer aus drei akustischen Aufnehmern bestehenden Peilbasis und einer elektronischen Signalauswertung, wobei aus den Signalen von jeweils zwei Aufnehnern Korrelationswerte gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die akustischen Aufnehmer (1, 2, 3) an den Ecken eines rechtwinkligen Dreiecks mit den Kathetenlängen a und b angeordnet werden, daß eine Kathete (b) senkrecht zu einer Bezugsebene, in der eine Geräuschquelle erfaßt werden soll, ausgerichtet wird, daß die andere Kathete (a) auf eine Vorzugspeilrichtung innerhalb der Bezugsebene ausgerichtet wird und daß aus den Signalen je zweier auf einer Kathete angeordneter Aufnehmer (1 und 2 bzw. 2 und 3) die Korrelationswerte KW _a ( τ = ^a/₃₃₀) und KW _b ( τ = 0) ermittelt und miteinander verglichen werden; dabei bedeutet: KW _a ( τ = ^a/₃₃₀) der Korrelationswert der Signale von den beiden Aufnehmern (1, 2) der Kathete (a), wobei das Signal des einen Aufnehmers (1) gegenüber dem des anderen Aufnehmers (2) um die Zeitτ = ^a/₃₃₀ verzögert ist (a = Kathetenlänge in Meter) und KW _b ( τ = 0) der Korrelationswert der zeitgleich aufgenommenen und zeitlich nicht gegeneinander verschobenen Signale der beiden Aufnehmer (2, 3) der Kathete (b).

2. Peilverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelationswerte aus den Vorzeicheninformationen der Aufnehmersignale gebildet werden (Binärkorrelation).

3. Vorrichtung zur Durchführung des akustischen Peilverfahrens nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet durch:

a) drei an den Ecken eines rechtwinkligen Dreiecks angeordnete akustische Aufnehmer (1, 2, 3),
b) drei mit jeweils einem der Aufnehmer (1, 2, 3) verbundene Hartbegrenzer (4, 5, 6) zur Umwandlung der analogen Aufnehmersignale in Binärfolgen und
c) ein mit den Hartbegrenzern (4, 5, 6) verbundener Mikroprozessor (7) zur Ermittlung und Vergleich zumindest der Korrelationswerte KW _a ( τ = ^a/₃₃₀) und KW _b ( τ = 0).