DE3510469A1 - Verfahren und vorrichtung zur passiven akustischen erfassung von fluggeraeten, insbesondere helikoptern - Google Patents

Description

Die Erfassung von Helikoptern wird dadurch erschwert, daß diese in geringer Höhe fliegen und die Erfassung daher stark von den topographischen Bedingungen abhängt. Die passive akustische Erfassung kann eine Radar-Erfassung zweckmäßig ergänzen.

Es ist bereits eine Erfassungsvorrichtung bekannt, durch welche die Infraschallenergie ausgewertet wird, die im Schallspektrum des von einem Helikopter erzeugten Ge­ räuschs enthalten ist. Die angewendete Verarbeitung be­ steht darin, die Infraschall-Frequenzlinien im Grundbe­ reich herauszulösen, welche durch die periodische Dreh­ bewegung der Flügel des Hauptrotors erzeugt werden.

Bei dieser Technik ist von Vorteil, daß im Infraschall­ bereich große Wellenlängen auftreten. Auf diese Weise wird auch die Erfassung von Fluggeräten hinter Bergen ermöglicht, während unter gleichen topographischen Be­ dingungen eine Radarerfassung nicht möglich ist.

Der größte Teil der Schallenergie, die von der natürli­ chen Umgebung und von Störquellen ausgeht (Straßenfahr­ zeuge, Panzerfahrzeuge, Wind ...), ist jedoch in einer Spektralzone verteilt, die einige hundert Hertz kaum überschreitet. Durch diese Geräusche werden die Infra­ schallkomponenten überdeckt und wird das Signal/Rausch- Verhältnis im ausgewerteten Bereich beträchtlich vermin­ dert.

Es ist praktisch unmöglich, diese Verminderung des Si­ gnal/Störgeräusch-Verhältnisses durch Anwendung von Richtantennen zu kompensieren. Bei Infraschallfrequenzen kann nämlich die Richtwirkung nur mit groben Strukturen erreicht werden, deren Abmessungen mit einer raumsparen­ den Ausführung, die auf einem Fahrzeug mitgeführt werden kann, unverträglich wären.

Die vorliegende Erfindung behebt diese Schwierigkeiten durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur akustischen passiven Erfassung von Fluggeräten, insbesondere Heli­ koptern, bei denen Geräte von ausreichend kleinen Ab­ messungen verwendet werden, um eine Mitführung auf Fahr­ zeugen zu ermöglichen, und dennoch wird eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Umgebungs- und Störgeräuschen erreicht, die beispielsweise durch in der Erfassungszone befindliche Fahrzeuge verursacht werden.

Durch die Erfindung wird ein Verfahren zur passiven aku­ stischen Erfassung von Fluggeräten, insbesondere Heli­ koptern geschaffen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß nacheinander:

• - das von dem Fluggerät und von der Umgebung ausgehende Geräusch mittels eines elektroakustischen Wandlers er­ faßt wird, der ein amplitudenmoduliertes Signal lie­ fert,
• - dieses Signal im Frequenzband von etwa 300 Hz bis etwa 3500 Hz amplitudendemoduliert wird,
• - eine Spektralanalyse des demodulierten Signals vorge­ nommen wird,
• - und die charakteristischen Frequenzlinien herausgefun­ den werden, die periodischen Komponenten von Relativ­ modulationen entsprechen, insbesondere von rotierenden Elementen der Fluggeräte.

Die durch die Erfindung geschaffene Vorrichtung zur Durchführung des oben angegebenen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß sie in aufeinanderfolgender Zuordnung enthält:

• - wenigstens einen elektroakustischen Wandler, der ein amplitudenmoduliertes Signal aufnimmt,
• - Mittel zum Demodulieren dieses Signals im Frequenzband von etwa 300 bis 3500 Hz,
• - Mittel zur Spektralanalyse des demodulierten Signals.

In überraschender Weise wird durch die Erfindung die Amplitudenmodulation ausgenutzt, welche durch bestimmte rotierende Elemente eines Fluggerätes, insbesondere durch die Drehbewegung der Flügel bei einem Helikopter, auf das "breitbandige Rauschen" ausgeübt wird, das in höheren Frequenzgebieten erzeugt wird. Die so modulierte Spek­ tralzone erstreckt sich von etwa 300 bis etwa 3500 Hz. Gegenüber der bekannten Technik ist es von Vorteil, dieses höherfrequente Spektrum, das von den Helikoptern erzeugt wird, auszuwerten, da in diesem Frequenzgebiet eine Richtwirkung der Antenne leichter erhalten werden kann. Auf diese Weise wird das schwierige Problem ver­ mieden, welches durch das Fehlen von isolierten periodi­ schen Komponenten aufgeworfen wird, die ausreichend signi­ fikant in diesem höheren Frequenzband des typischen Schallspektrums eines Helikopters sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm des Amplitudenverlaufs des von einem Helikopter erzeugten Schallsignals in Abhängigkeit von seiner Frequenz,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur akustischen Erfassung und

Fig. 3 das Spektrum des von einem Helikopter erzeugten Schallsignals nach Amplitudendemodulation.

Fig. 1 zeigt das von einem Helikopter erzeugte Schall­ spektrum, worin eine Zone 1 zu unterscheiden ist, in der periodische Geräusche auftreten, zu denen insbesondere Infraschallinien 2 von beispielsweise 17 Hz gehören, die der Drehbewegung des Hauptrotors und ihren Harmonischen entsprechen; ferner ist eine Zone 3 gezeigt, in der ein breitbandiges Geräusch auftritt, das etwa zwischen 300 und 5000 Hz liegt. Die Spektralanalyse der Infraschall­ zone ist aus den eingangs angegebenen Gründen nicht mög­ lich, während die Spektralanalyse in der breitbandigen Zone 3 die charakteristischen Frequenzlinien für die An­ wesenheit eines Helikopters nicht in Erscheinung treten läßt. Durch die Erfindung wird es aber ermöglicht, durch Amplitudendemodulation des in Fig. 1 gezeigten Signals im Frequenzband von etwa 300 bis 3500 Hz und Spektral­ analyse dieses demodulierten, in Fig. 3 gezeigten Signals die charakteristischen Komponenten der Drehbewegung der Flügel des Hauptrotors herauszulösen, beispielsweise die periodische Komponente bei 17 Hz, die klar erkennbar ist.

Die Fig. 2 zeigt eine passive akustische Erfassungsvor­ richtung mit einer akustischen Richtantenne 4, die bei einer besonderen Ausführungsform aus mehreren Mikropho­ nen gebildet ist, die auf einem Träger ausgerichtet sind, oder aus einem Trichter, wodurch somit ein elektroakusti­ scher Wandler gebildet ist, der ein amplitudenmoduliertes Signal liefert, das die von einem Helikopter und die von der Umgebung ausgehenden Geräusche darstellt. Das von der Antenne 4 erhaltene Signal wird in einem von 300 bis 3500 Hz reichenden Bandpaßfilter gefiltert. Das gefil­ terte Signal wird dann an einen Amplitudendemodulator 6 bekannter Art angelegt. Dieser kann beispielsweise durch einen Gleichrichter ohne Schwellwert gebildet sein, wel­ cher einem Integrator mit Bandpaßverhalten von 100 Hz oder einigen hundert Hertz zugeordnet ist, um einen Hüll­ kurvendetektor für das modulierte Signal zu erhalten. Das demodulierte Signal wird an einen Spektralanalysator 7 angelegt, beispielsweise an einen Fourier-Transformierer vom Typ BRUEL und KJAER 2031, der die periodischen Modu­ lationskomponenten hervorhebt, die auf der Drehbewegung der Rotoren beruhen. Die Spektralanalyse kann auf dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre oder graphisch wie in Fig. 3 dargestellt werden. Die Bandpaß-Filterfunktion hat einen Einfluß auf das mehr oder weniger deutliche Erscheinen der den periodischen Komponenten entsprechen­ den Frequenzlinien. Das Auffinden dieser Frequenzlinien hängt natürlich von der Entfernung zwischen Helikopter und Detektor ab; diese Entfernung kann von 2000 bis 5000 m variieren. Das in Fig. 3 gezeigte Spektrum wurde mit einem omnidirektionalen Signalaufnehmer erhalten. Eine Richtantenne, beispielsweise mit Gruppenstruktur, ermög­ licht ein noch deutlicheres Hervortreten der charakteri­ stischen Frequenzlinien.

Gemäß einer Weiterbildung wird die Wirksamkeit der Signal­ verarbeitung noch durch Vorfilterung gesteigert: insbeson­ dere durch eine räumliche Filterung mittels einer Richt­ antenne vom Gruppentyp und/oder eine elektronische Fil­ terung, durch welche das Signal/Störgeräusch-Verhältnis gesteigert wird.

Bevorzugte Anwendungen des Verfahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung sind die Erfassung von Helikoptern und die entsprechende Warnung mit Sektorbezeichnung und Iden­ tifikation, gegebenenfalls vervollständigt durch weitere Arten der Signalverarbeitung, beispielsweise autoadaptive Filterung und/oder Korrelation, wobei auch eine Integra­ tion in Systeme erfolgen kann, die mit komplementären Untersystemen wie Radaranlagen, optische Vorrichtungen oder Infrarotgeräte ausgerüstet sind. Allgemein können breitbandige Geräuschquellen erfaßt werden, bei denen eine Amplitudenmodulation durch Infraschallkomponenten auftritt.

Claims (7)

1. Verfahren zur akustischen passiven Erfassung von Flug­ geräten, insbesondere Helikoptern, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander:

• - das von dem Fluggerät und der Umgebung ausgehende Ge­ räusch mittels eines elektroakustischen Wandlers auf­ gefangen wird, der ein amplitudenmoduliertes Signal liefert,
• - dieses Signal in dem Frequenzband von etwa 300 Hz bis etwa 3500 Hz amplitudendemoduliert wird,
• - eine Spektralanalyse des demodulierten Signals vorge­ nommen wird,
• - und die charakteristischen Frequenzlinien herausgefun­ den werden, welche periodischen relativen Modulations­ komponenten, insbesondere rotierenden Elementen des Fluggerätes, entsprechen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erfaßte Signal im Frequenzband von etwa 300 bis 3500 Hz gefiltert wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie in aufeinanderfolgender Zuordnung enthält:

• - wenigstens einen elektroakustischen Wandler, der ein amplitudenmoduliertes Signal auffängt,
• - Mittel zum Demodulieren dieses Signals im Frequenz­ band von etwa 300 bis 3500 Hz,
• - Mittel zur Spektralanalyse des demodulierten Signals.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf das Bandpaßfilter folgend einen schwellen­ losen Gleichrichter, einen Integrator mit Bandpaßwir­ kung von 100 Hz oder einigen hundert Hertz und einen Spektralanalysator enthält.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wandler an einer Richtantenne, insbesondere Gruppenantenne, einander zugeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der elektroakustische Wand­ ler mit Richtwirkung im Frequenzband von 300 bis 3500 Hz ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Spektralanalysator ein Fourier- Transformiergerät ist.