DE3524753A1

DE3524753A1 - Schallmesssystem

Info

Publication number: DE3524753A1
Application number: DE19853524753
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Rer Nat Gruschel; Norbert Dr Ing Erbes
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Thales Deutschland GmbH
Priority date: 1985-07-11
Filing date: 1985-07-11
Publication date: 1987-01-29
Anticipated expiration: 2005-07-12
Also published as: DE3524753C2

Description

Aus der DE-OS 31 16 586 ist ein Schallmeßsystem mit einer Zentrale und zwei Meßstellen bekannt, bei dem jede Meßstelle je ein Kreuz aus vier dicht benachbarten Mikrofonen, eine Auswerteschaltung zur Bestimmung eines Peilwinkels und Mittel zur Funkübertragung der Peilwinkel zur Zentrale enthält. Die Peilwinkel sind durch den Arcus- Tangens des Verhältnisses der Laufzeiten zwischen diametral gegenüberliegenden Mikrofonen gegeben. Zur Bestimmung der Laufzeiten enthält jede Meßstelle Mittel zur Berechnung des Maximums der Kreuzkorrelationsfunktionen der von den Mikrofonen jedes Mikrofonpaares abgegebenen Signale. Dazu ist die Multiplikation der fouriertransformierten Signale und die Rücktransformation der Produktfunktionen notwendig. In der Zentrale werden aus den beiden Peilwinkeln und den Koordinaten der Meßstellen die Koordinaten der Schallquelle ermittelt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Schallmeßsystem anzugeben, das insbesondere hinsichtlich der Meßstellen weniger aufwendig ist als das bekannte.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen Mitteln. Weitere Ausgestaltungen sind im Anspruch 2 und ein vorteilhaftes Verfahren zur Bestimmung der Laufzeitdifferenzen im Anspruch 3 enthalten.

Das neue Schallmeßsystem zeichnet sich durch besonders einfach aufgebaute Meßstellen aus. Die Einrichtung und Bedienung der Meßstellen stellt keine besonderen Anforderungen an die Qualifikation des Personals.

Das neue Verfahren zur Bestimmung der Differenzen der Schallaufzeiten zu zwei Schallwandlern benötigt weniger Rechenoperationen als das bekannte, und ist im Gegensatz zu diesem unempfindlich gegenüber zeitabhängigen Phasendrehungen der von den Schallwandlern abgegebenen Signale.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch ein Schallmeßsystem beim Einsatz zur Artillerieaufklärung

Fig. 2 Einzelheiten einer Meßstelle.

Das Schallmeßsystem nach Fig. 1 zeigt zwei Meßstellen 1, eine Zentrale 2 und zwei Geschütze 3 als Schallquellen. Jede Meßstelle 1 enthält drei Schallwandler 11, die über je eine Leitung 12 mit einer Einrichtung 13 verbunden sind. Die Schallwandler 11 wandeln Schall in ein analoges elektrisches Signal um. Zur Aufklärung von Artillerie sind nur niederfrequente Signale (< Hz) von Interesse. Jede Einrichtung 13 enthält daher Tiefpaßfilter. Ferner enthält sie Mittel zur Digitalisierung der analogen Signale und Mittel zur schmalbandigen Übertragung der digitalen Signale zur Zentrale 2.

Die Schallwandler 11 sind an den Ecken eines gedachten Dreiecks angeordnet. Die Abstände der Schallwandler 11 einer Meßstelle 1 untereinander ist klein gegen die Abstände zwischen den Meßstellen 1. Der Abstand zweier Meßstellen 1 voneinander ist von derselben Größenordnung wie die Abstände zwischen den Geschützen 3 und den einzelnen Meßstellen 1.

Die Zentrale 2 enthält Mittel zum Empfang der von den Einrichtungen 13 gesendeten Signale, Mittel zum Speichern der Koordinaten der Schallwandler 11 jeder Meßstelle 1, und Mittel zur Bestimmung je eines Peilwinkels a aus den von einer Meßstelle 1 empfangenen Signalen. Unter dem Peilwinkel a ist der Winkel zwischen der Nordrichtung und der Richtung zu einem Geschütz 3 zu verstehen. Ein Algorithmus zur Bestimmung des Peilwinkels ist weiter unten angegeben.

Die Zentrale 2 enthält ferner Mittel zur Berechnung der Koordinaten der Schallquellen 3 aus den Koordinaten der Schallwandler 11 und den Peilwinkeln. Dazu enthält sie außerdem Mittel zur Speicherung aller empfangenen Signale über einen bestimmten Zeitraum, Mittel zur Detektion von "lohnenden Signalen" unter den vielen gespeicherten Signalen, Mittel zur Bestimmung des Anfangszeitpunkts von Signalen, die bei der Detektion von "lohnenden Signalen" die Anfangszeitpunkte der "lohnenden Signale" bestimmen, und Mittel zur Prüfung, die anhand der Anfangszeitpunkte prüfen ob die berechneten Koordinaten der Schallquelle 3 richtig sein können, oder ob fälschlicherweise Peilwinkel miteinander kombiniert wurden, die von verschiedenen Schallquellen stammen. Halten die berechneten Koordinaten der Schallquelle dieser Prüfung stand, erfolgt deren Ausgabe über geeignete Ausgabemittel und die Löschung der zugehörigen, in den Speichermitteln gespeicherten Signale.

Fig. 2 zeigt eine Meßstelle mit drei Schallwandlern 11. Die Schallwandler 11 sind jeweils auf in der Länge verstellbaren Pflöcken 14 befestigt. An den Pflöcken 14 ist je eine eine Wasserwaage 15 enthaltende Visiereinrichtung 16 befestigt. Damit ist die zur Vermeidung von Meßfehlern erforderliche Nivellierung der drei Schallwandler 11 einer Meßstelle 1 möglich.

Nachstehend wird der Algorithmus zur Bestimmung eines Peilwinkels angegeben. Dazu ist zunächst die Bestimmung der Differenzen der Schallaufzeiten von der Schallquelle zu den Schallwandlern 11 einer Meßstelle 1 erforderlich. Aus den Signalen der drei Schallwandler 11 können drei und müssen mindestens zwei Laufzeitdifferenzen t _ÿ berechnet werden.

Die Rechnung für t ₁₂, d. h. die Laufzeitdifferenz zu dem ersten Schallwandler 11 einer Meßstelle 1, der ein Signal x(t), und dem zweiten Schallwandler 11 derselben Meßstelle 1, der ein Signal y(t) abgibt, ist nachstehend angegeben.

Zuerst werden die Fouriertransformierten X(f), Y(f) der Signale x(t), y(t) danach die Größe R(f) = X ^*(f)·Y(f-) berechnet, wobei R(f) die Fouriertransformierte der Kreuzkorrelationsfunktion der Signale x(t), y(t) ist. Betrachtet man die Schallwellen als ebene Wellen (räumlich dicht benachbarte Schallwandler) so läßt es sich zeigen, daß die Lage des Schwerpunkts S der quadrierten Kreuzkorrelationsfunktion q(t) = r(t)·r ^*(y) identisch ist mit der Laufzeit t ₁₂, nach welcher das Signal x(t) in das Signal y(t) = x(t-t ₁₂) übergeht. Der Schwerpunkt S ist wie folgt definiert S = m/A, wobei

Ferner läßt sich zeigen, daß gilt Somit gilt d. h. die Laufzeitdifferenz t ₁₂ kann direkt aus den komplexen Frequenzspektren X(f), Y(f) ermittelt werden.

Es läßt sich ferner zeigen, daß zeitabhängige Phasendrehungen des Signals y(t) gegenüber dem Signal x(t) gemäß der Beziehung y(t) = exp(-i2π f ₀ t) · x(t-t ₁₂), wobei 1/f ₀ die Periode des Phasenterms darstellt, keinen Einfluß auf die berechnete Laufzeitdifferenz t ₁₂ hat. Ist die Phasendrehung nicht zeitperiodisch, so kann sie durch harmonische Analyse immer in zeitperiodische Anteile zerlegt werden.

Die Rechnungen für t ₁₃ und t ₂₃ verlaufen entsprechend.

Um Signale auszuschließen die durch Störungen verursacht sind, darf eine Größe W, die aus den Laufzeiten t _ÿ berechenbar ist, nur bestimmte Werte annehmen. Wenn h der Elevationswinkel der Schallwelle und h _F ein Grenzwinkel ist, oberhalb dessen man annehmen kann, daß es sich nicht um Geschütze sondern um Flugobjekte handelt, und c die Schallgeschwindigkeit ist, gilt bei Anordnung der Schallwandler an den Ecken eines
- gleichseitigen Dreiecks der Seitenlänge d - beliebigen Dreiecks mit den Seitenlängen b ₁, b ₂, b ₃ und den gegenüberliegenden Winkeln B1, B2, B3

Aus den Laufzeitdifferenzen t ₁₂, t ₁₃ und t ₂₃ werden die Peilwinkel a berechnet. Unter der Annahme, daß die Abstände der Schallwandler untereinander klein sind gegen die Abstände zu den Schallquellen, gilt für den Peilwinkel a bei Anordnung der Schallwandler an den Ecken eines
- gleichseitigen Dreiecks der Seitenlänge d - beliebigen Dreiecks mit den Seitenlängen b ₁, b ₂, b ₃ und den gegenüberliegenden Winkeln B1, B2, B3 wobei der Peilwinkel a auf die ins Innere des Dreiecks gerichtete Senkrechte auf der Seite b ₃ bezogen ist, lediglich die Laufzeitdifferenzen t ₁₂ und t ₃₁ berücksichtigt sind, und die Numerierung der Seiten in mathematisch positivem Sinn vorgenommen ist.

Der oben beschriebene Algorithmus ist sinngemäß auch anwendbar, wenn eine Meßstelle mehr als drei Schallwandler enthält.

Claims

1. Schallmeßsystem zur Bestimmung der Koordinaten einer Schallquelle mit einer Zentrale und mehreren Meßstellen beschrieben bei dem
- jede Meßstelle (1) drei Schallwandler (11), Mittel zur Digitalisierung der von den Schallwandlern abgegebenen Signale und Mittel zur Übertragung der digitalen Signale zur Zentrale (2) enthält
- die Differenzen der Schallaufzeiten zu den einzelnen Schallwandlern jeder Meßstelle, hieraus ein Peilwinkel (a) pro Meßstelle und aus den Peilwinkeln und den Koordinaten der Schallwandler die Koordinaten der Schallquelle ermittelt werden
- die gesamte Berechnung der Koordinaten der Schallquelle (3) in der Zentrale (2) erfolgt.

2. Schallmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß jeder Schallwandler (11) an einem Pflock (14) befestigt ist, daß an mindestens einem Pflock (14) einer Meßstelle (1) eine Visiereinrichtung (16) mit Wasserwaage (15) zum Nivellieren der Schallwandler (11) der Meßstelle (1) bezüglich der Horizontalen befestigbar ist, und daß mindestens zwei Pflöcke (14) jeder Meßstelle (1) in der Länge verstellbar sind.

3. Verfahren zur Ermittlung der Differenzen der Schallaufzeiten zu zwei Schallwandlern mittels der Kreuzkorrelationsfunktion der von den Schallwandlern abgegebenen Signale insbesondere zur Verwendung in einem Schallmeßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeitdifferenzen durch Berechnung des Schwerpunkts des Betragsquadrats der Kreuzkorrelationsfunktion ermittelt sind.