DE3929077C2 - Verfahren und Einrichtung zur akustischen Identifikation und Klassifikation von Hubschraubern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2.

Mit der Einführung von Kampfhubschraubern ist für zukünftige Verteidigungskampfhandlungen eine neue wesentliche Bedrohung entstanden.

Die besondere Gefährlichkeit dieser Waffenart ergibt sich aus deren Fähigkeit ganz besonders tief fliegen zu können und vorzugsweise hinter Baumgruppen oder andere Hindernissen Deckung zu nehmen.

Wegen dieser Hindernisse versagen bisher favorisierte Aufspürtechniken wie Mikrowellen- Radar oder Infrarot-Darstellungen. Eine über die einfache Detektierung hinausgehende Identifizierung, um welches Hubschraubermuster es sich handelt, ist bisher gänzlich unmöglich.

Der für diese Techniken wegen der verwendeten kurzen Wellenlängen benötigte Sichtkontakt zum aufzuklärenden Objekt ist nicht mehr notwendig, wenn die Frequenzebene, die zur Detektion z. B. eines Hubschraubers dienen soll, in die des Schalls gelegt wird (hier vorzugsweise in den Bereich des Infra- und Hörschalls).

Aus der DE 35 10 469 A1 ist ein Verfahren zur akustischen passiven Erfassung von Hubschraubern bekannt, welches Signale im Frequenzband 300 Hz bis 3500 Hz auswertet.

Das bekannte Verfahren geht davon aus, das von einem Fluggerät und seiner Umgebung ausgehende Geräusch mittels eines elektroakustischen Wandlers aufzufangen und dieses Signal in einem Frequenzband von 300-3500 Hz zu amplitudendemodulieren, um das Ergebnis einer Spektralanalyse zu unterziehen.

Als Anzeichen für das Vorhandensein eines Fluggerätes dienen dann charakteristische periodische Modulationskomponenten.

Außer dem sich durch die Zusammenschaltung mehrerer konventioneller Einrichtungen ergebenden Signal-/Rausch-Verhältnis wird darüber hinaus dessen Verbesserung nicht angestrebt.

Aufgrund der Lage der fluggerätetypischen Frequenzen im Rauschpegel, erfordert dieses System deshalb eine große Aufmerksamkeit und Erfahrung des Auswerters.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine beträchtliche Steigerung des Signal-/Rausch- Verhältnisses einer solchen Einrichtung zu schaffen, um die Selektierbarkeit eines Hubschraubertyps aus einem undefinierten Frequenzgemisch heraus sicher zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patenansprüche 1 und 2 gelöst.

Im einzelnen wurden dazu zwei speziell aufgebaute Mikrocomputersysteme so von einem in einem permanenten Speicher abgelegten Programm gesteuert, daß entsprechend dem Verfahren nach Anspruch 1 von einem Mikrophon empfangener Schalldruck, der von verschiedenen Signalquellen, u. a. auch von einem Hubschrauber, ausgesendet sein kann, nach einer Digitalisierung in die Frequenzebene transformiert wird, um hieraus eine Leistungsspektrumberechnung durchzuführen.

Hierzu wird das in die Frequenzebene aus der Zeitebene transferierte Spektrum durch Multiplikation der reellen mit den zugehörigen komplexen Spektralanteilen überführt.

Programmgemäß wird durch ein geeignetes Verschieben seiner y-Achse das Leistungsspektrum positiviert.

Die Verschiebung der y-Achse ist notwendig, da nur anhand eines positiven Spektrums die Ausgleichsfunktion zur Ermittlung des Mittelwertverlaufes des Leistungsspektrums berechnet werden kann.

Der Mittelwertverlauf dient als neue Null-Linie eines neuen, von flugsituationsbedingten Anteilen reduzierten Spektrums, des hier sogenannten Differenzleistungsspektrums.

Zu seiner Bildung wird die Differenz, Leistungsspektrum minus Ausgleichsfunktion, errechnet.

Das Koordinatensystem des positivierten Leistungsspektrums und des von den flugsituationsspezifischen Anteilen reduzierten Leistungsspektrums haben dieselben Achsenbezeichnungen wie das Leistungsspektrum. D. h. die y-Achse trägt die Bezeichnung "Amplitudenwerte" und die x-Achse die Einheit "Frequenz".

Da die für die Schallquelle charakteristischen Frequenzinformationen als Modulation der situationsabhängigen lokalen Mittelwerte im Differenzleistungsspektrum enthalten sind, wird es als das für den Klassifikations-Identifikationsvorgang notwendige Spektrum betrachtet, welches weiter zu bearbeiten ist.

Nachdem das Differenzleistungsspektrum (DLS) zur Grundlage der eigentlichen Klassifikation definiert worden ist, werden aus diesem die Merkmalskomponenten extrahiert.

Diese Weiterverarbeitung soll dabei die für die Klassifikation grundlegenden Eigenschaften der Spektren berücksichtigen, bzw. noch besser hervorheben. Aus diesen Gründen bietet sich die Berechnung der Frequenzabstände des DLS an, da in deren Häufigkeiten die etwaigen Harmonischen einer Frequenz berücksichtigt werden. Die in den Leistungsspektren von Hubschraubern signifikant hohe Anzahl der Harmonischen der Hauptrotor- und Heckrotorfrequenzen weist in der Häufigkeitsverteilung der Frequenzabstände ein für Hubschraubersignale typisches Bild auf.

Anders als bei den üblichen Wahrscheinlichkeitsverteilungen werden dabei aber nicht die Summen aller Wahrscheinlichkeiten (Amplituden des DLS) einem bestimmten Frequenzabstandswert zugeordnet, sondern noch eine Wichtungsoperation durchgeführt.

Um stark verrauschten Spektren ein möglichst effizientes Wahrscheinlichkeitsdiagramm abzugewinnen, werden dabei die Amplituden der zu den jeweiligen Frequenzabständen gehörigen Differenzleistungswerte miteinander multipliziert und ihre Produkte auf die jeweilige Wahrscheinlichkeit, wie sie im Frequenzintervall im DLS zu finden ist, aufsummiert, wodurch ein Hervorhebung der periodischen oberwellenbehafteten Geräuschteile gegenüber dem stochastischen Hintergrundrauschen erreicht wird.

Für die numerische Berechnung der multiplikativen Häufigkeitsverteilung wird dabei die folgende Vorgehensweise gewählt:

Ausgehend vom kleinsten auflösbaren Frequenzabstand bildet das Programm das Produkt der zu diesem Frequenzabstand gehörenden Amplituden, verschiebt das Frequenzintervall um eine Abstandslänge, bildet wieder das Amplitudenprodukt und verfährt so fort, bis das gesamte Spektrum durchlaufen ist. Anschließend erfolgt programmgemäß eine Addition der errechneten Produkte und Zuordnung zum kleinsten Frequenzabstandswert. Im nächsten Schritt wird der Frequenzabstandswert um eine Auflösungseinheit erhöht und die Berechnung der Produktsumme für diesen Frequenzabstand wie die für den kleinsten Frequenzabstand wiederholt. Sukzessive entsteht schließlich ein Diagramm, in dem die verschiedenen Frequenzabstände gegen deren Produktsummen aufgetragen sind. Die Abzisseneinheit ist dabei (Hz), die Ordinateneinheit eine Häufigkeit in (log. Ein.).

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden dabei nur die positiven Amplitudenprodukte berücksichtigt und als maximaler Frequenzabstandswert 200 Hz gewählt. Diese spezielle Häufigkeitsverteilung wird als Grundlage des Klassifikationsvorganges unter der Bezeichnung "multiplikativ gewichtete Frequenzabstandshäufigkeitsverteilung des Differenzleistungsspektrums" (Kurzbezeichnung: mFD-Spektrum) laut Verfahren weiterbenutzt.

Aus Prinzip tauchen im mFD-Spektrum auch immer die Harmonischen der Produktsummen auf, wobei deren Amplituden durch die geringere Anzahl der sie bildenden Summanden mit steigender Harmonischenordnung bei nicht zu großer Relativ- Geschwindigkeitskomponente des Systems Sensor-Geräuschquelle natürlich fallen müssen.

Ist dieses der Fall, so existieren im Schallspektrum zwei unterschiedliche Schallquellen, wobei die eine gerade mit einem ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz der niederfrequenteren schwingt.

Anhand des mFD-Spektrums wäre die Klassifizierung "Hubschrauber" bzw. "Nicht Hubschrauber" möglich, weil zwei verschiedene Lärmquellen im Spektrum auftauchen, nämlich die des Hauptrotors und die des Nebenrotors. Um die Klassifizierung aber effizienter zu machen, liegt eine Weiterverarbeitung des mFD-Spektrums nahe. Ziel dieser Weiterverarbeitung soll dabei erst einmal sein, die eigentlichen Lärmquellen bzw. ihre Grundfrequenzen aus dem mFD-Spektrum zu extrahieren.

Da alle Hubschrauber zur Vermeidung von Resonanzen Heckrotorfrequenzen aufweisen, die nicht einer Harmonischen der Hauptrotorfrequenzen entsprechen, wird die Häufigkeitsverteilung (das mFD-Spektrum) so weiterverarbeitet, daß nur noch die eigentlichen Grundfrequenzen der Lärmquellen dargestellt werden, ohne daß die eventuelle Heckrotorfrequenz anhand eines erhöhten mFD-Amplitudenwertes ermittels werden müßte (hierbei ist natürlich eine Frequenzauflösung vorausgesetzt, die gering genug ist, diese Unterschiede noch zu berücksichtigen). Die eventuell immer noch vorhandene Unterdrückung der eigentlichen Haupt- bzw. Nebenrotorfrequenzen zugunsten einer ihrer Harmonischen wird in diesem Verarbeitungsschritt dabei noch einmal berücksichtigt und behoben. Dies ist bei einer hohen Relativ-Geschwindigkeitskomponente des Systems Sensor-Geräuschquelle der Fall.

Diese Weiterverarbeitung geschieht so, daß aus dem Häufigkeitsdiagramm mFD ein weiteres Häufigkeitsdiagramm (Häufigkeitsdiagramm zweiter Stufe) gebildet wird, in dem alle Amplitudenwerte der Harmonischen des Frequenzabstandes Δf_i auf den Amplitudenwert von Δf_i aufsummiert und die Amplitudenwerte der Harmonischen im Spektrum gleich Null gesetzt werden.

Dadurch gelangt man zu einem zweiten Spektrum, das nur noch die Grundfrequenzen (repräsentiert durch die Frequenzabstände zwischen den Harmonischen) der Lärmquelle enthält und auf das die Prüfvorschrift "Hubschrauber"/"Nicht-Hubschrauber" angewendet werden kann.

Anhand der aus diesem Spektrum ermittelten Frequenzen werden die detektierten Haupt- und Heckrotorfrequenzen definiert.

Für die Identifikation der Hubschraubertypen ist das genaue dopplerunabhängige Verhältnis zwischen Hauptrotor- und Heckrotorfrequenz notwendig. Dabei muß dieses Verhältnis möglichst genau bestimmt werden, da sich bei einigen Hubschraubertypen die Drehzahlen für beide Rotoren und damit auch ihr Verhältnis nur sehr geringfügig voneinander unterscheiden.

Nimmt man z. B. eine UH-1D und eine HIND, so liegen die Differenzen zwischen diesen Frequenzen bei der verwendeten Meßeinrichtung unter der Auflösung des Fourieranalysators, so daß eine Identifizierung nur anhand des Frequenzspektrums a priori unmöglich erscheint. Um die beiden Hubschraubertypen dennoch voneinander zu unterscheiden, können aber die Oberwellen der von den Rotorblättern erzeugten Schwingungen, die mit derselben Auflösung wie die Grundwelle erfaßt werden, ausgewertet werden. Da man bei der Division der Frequenz dieser Oberwelle durch ihre Ordnung immer die Frequenz der Grundwelle erhält, werden daher selbst Grundfrequenzen detektiert, deren Wert unter der Auflösung des verwendeten Systems liegt.

Um in diesem Verfahren eine Grundschwingung nicht mit der ersten geraden Harmonischen zu verwechseln, wird bei der Erarbeitung der Frequenzabstandswahrscheinlichkeit zweiter Stufe, der zu berechnende Frequenzabstand mit den Werten (0.1, 0.2, . . . 0.5mal der Auflösung) multipliziert und dieser Wert wiederum mit ganzzahligen Vielfachen multipliziert.

Immer wenn ein ganzzahliges Vielfaches der unter der Auflösungsgenauigkeit liegenden Frequenz durch diese Multiplikation erzeugt wird, wird der zugehörige Amplitudenwert der gerade zu detektierenden Frequenz (dem gerade zugehörigen Frequenzabstand) zugeordnet (aufsummiert), wodurch im Spektrum schließlich die "wahre" Frequenz als die größte Amplitude erkennbar wird.

Die Anwendung der eigentlichen der Klassifikation zugrunde liegenden Prüfvorschrift spaltet sich in zwei Teilklassifikationen auf. Während der Klassifikation "Strahlflugzeug", "Panzer", "Maschinenkanone", "KFZ" als Teil der Oberklasse "Nicht Hubschrauber" über das mFD-Spektrum erfolgt, kann die Klassifikation "Motor", "Propellermaschine" ("Eisenbahn") als Teil der Oberklasse "Nicht Hubschrauber" bzw. "Hubschrauber" nur anhand des TTY-Spektrums erfolgen.

Im mFD kommt ein Klassifikationsalgorithmus zur Anwendung, in dem die Breiten der Amplituden mit signifikant erhöhter Leistung bestimmt und zur Anwendung herangezogen werden.

Prüfbedingung 1

Dazu läuft man mit einer Fensterfunktion über das gesamte mFD-Spektrum und bestimmt die Anfangs- und Endpunkte der erhöhten Leistungswerte. Die Differenz stellt dann den speziellen Meßwertevektor dar, auf den die Prüfvorschrift so angewendet wird, daß das größte Intervall erhöhter Leistung im Bereich 0-100 Hz ermittelt wird und die Geräuschquelle als "Nicht Hubschrauber" klassifiziert wird. Wenn dieses Intervall größer dem Frequenzwert 6 Hz ist, wird es bei Nichtfilterung zur Berechnung des mFD- Spektrums an den nächsten Programmteil übergeben.

Die Klassifikation des mFD-Spektrums wird durch die Anwendung dreier weiterer Prüfvorschriften vollzogen.

Im einzelnen bedeutet dabei:

• i) die Anwendung der 2. Prüfvorschrift: Im Häufigkeitsspektrum mFD existiert nur ein signifikanter Frequenzabstandswert Δf. Dies entspricht der Aussage, daß die Harmonische der vorherrschenden Grundfrequenz des betrachteten Spektrums nur eine geringe (2-3) Anzahl von Harmonischen hat, d. h. aber, daß das Signal als "Nicht Hubschrauber (Motor)" zu klassifizieren ist. Unter ungünstigen Aufnahmesituationen (geringe Intensität der Lärmquellen, mehrere Lärmquellen) kann es vorkommen, daß ein Motor in dieser Verarbeitungsstufe noch nicht als "Nicht Hubschrauber" klassifiziert wird.
• ii) die Anwendung der 3. Prüfvorschrift, daß der häufigste Frequenzabstandswert Δf und damit die als Hauptrotor in Frage kommende Frequenz über die Frequenzwerte (einschließlich der möglichen Dopplerverschiebung) der bekannten Hubschrauber liegen. Es handelt sich dann meist um Strahlflugzeuge, so daß eine Klassifikation als "Nicht Hubschrauber" erfolgt.
• iii) die Anwendung der 4. Prüfvorschrift, daß die Linienbreite des häufigsten Frequenzabstandes Δf_i für eine Klassifikation "Hubschrauber" zu breit ist, d. h. der Abfall der Amplitude oberhalb und unterhalb des häufigsten Frequenzintervalls Δf_i (und somit der wahrscheinlichen Hauptrotorfrequenz) so langsam erfolgt, daß eine Klassifikation als "Nicht Hubschrauber" erfolgen kann.

Erfolgt keine Klassifikation des mFD-Spektrums als "Nicht Hubschrauber", so wird das mFD-Spektrum zur Berechnung des Häufigkeitsdiagramms zweiter Stufe an den nächsten Programmteil übergeben.

Wurde das mFD-Spektrum nicht als "Nicht Hubschrauber" klassifiziert, so erfolgt seine weitere Verarbeitung zum Häufigkeitsdiagramm zweiter Stufe. Die beiden Abzissenwerte der zwei größten Amplitudenwerte werden dabei als Hauptrotor- und Heckrotorfrequenz angenommen und nach einem Test, der das Spektrum dieser Werte auf ihre Signifikanz überprüft, einem Identifikationsteil übergeben.

Zu diesem Test gehört die Anwendung der Prüfvorschrift auf Signifikanz des Signales (S/N-Verhältnis) was hier bedeutet, daß die beiden größten Amplitudenwerte mit dem Mittelwert aller im Häufigkeitsdiagrammn zweiter Stufe vorhandenen Amplituden verglichen werden. Liegen die Amplituden der angenommenen Haupt- und Heckrotorfrequenz dabei nicht um den Faktor 1,5 über diesem Mittelwert, so wird das Spektrum als "zu verrauscht" klassifiziert, d. h. der Klassifikationsvorgang wird mit der Aussage "Signal ist nicht zu klassifizieren" abgebrochen (der Faktor 1,5 stellt dabei einen Erfahrungswert dar).

Liegt die Amplitude der angenommenen Heckrotorfrequenz unter dem Wert 1,5 - Mittelwert des Spektrums -, so wird das Signal vorläufig als "Nicht Hubschrauber" klassifiziert, da es sich dann um einen zu kleinen Amplitudenwert für einen angenommenen Heckrotor handelt.

Mit diesem Klassifikationsschritt ist die erste "Verarbeitungszone" des Klassifikations-/ Identifikationsverfahrens abgeschlossen. Bei der Klassifikation "Hubschrauber" erfolgt ein Identifikationsversuch, d. h. das Verfahren wird nicht gestoppt. Ebenso wird bei einer zu niedrigen Heckrotoramplitude das Signal noch einmal nach der beschriebenen Art weiterverarbeitet.

Im Klassifikationsteil wurde ein beliebiges Geräusch als "Hubschrauber" bzw. "Nicht Hubschrauber" klassifiziert. Erfolgte die Zuordnung des Signals zur Klasse der Hubschrauber, so wird das Häufigkeitsdiagramm zweiter Stufe einem weiteren Verfahrensschritt übergeben, in dem das Muster des Signals mit einem gespeicherten Lernmuster verglichen wird und ggf. einem bestimmten Hubschraubertyp zugeordnet wird. Nach erfolgter Identifikation ist es ferner möglich, auch aus einer einzelnen Aufnahme die Zuordnung "kommender Hubschrauber vom Typ x" oder "gehender Hubschrauber vom Typ x" zu treffen.

Grundlage der Hubschrauberidentifikation ist das dopplerunabhängige, für jeden Hubschrauber charakteristische feste Verhältnis von der Hauptrotorfrequenz zur Heckrotorfrequenz. Dieses Verhältnis wird aus dem Häufigkeitsdiagramm zweiter Stufe errechnet und einem Gedächtnisteil übergeben, der dann anhand seiner Lernmuster überprüft, ob das detektierte Verhältnis einem gespeicherten Verhältnis (Lernmuster) entspricht. Ist der Hubschrauber identifiziert, so wird verfahrensgemäß die Meldung "Hubschrauber des Typs x" angezeigt.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird bei bekannter Hauptrotofrequenz die Heckrotorfrequenz in bestimmten, durch die Lernmuster festgelegten Bereichen gesucht. Dadurch wird vermieden, daß bei Aufnahmen mit mehreren Geräuschquellen z. B. zwei verschiedene Hauptrotorfrequenzen als Haupt- und Nebenrotorfrequenz ein und desselben Hubschraubers definiert werden.

Wurde ein mFD-Spektrum zwar als "Hubschrauber" klassifiziert, konnte aber nicht identifiziert werden, oder wurde die ermittelte Heckrotorfrequenz als zu verrauscht erkannt, wird in einem weiteren Verfahrensschritt versucht, durch eine weitere Aufarbeitung des mFD-Spektrums doch noch zu einer Identifikation zu gelangen. Grundgedanke der Weiterverarbeitung ist dabei entweder eine andere Hauptrotorfrequenz zu definieren oder aber das mFD-Spektrum zu glätten, um einen nur sehr schwachen signifikanten Signalteil besser herauszuarbeiten.

In einem ersten Verfahrensschritt wird deshalb eine neue Hauptrotorfrequenz gesucht, bei der es sich meist um eine Harmonische der in der ersten Ebene als Hauptrotorfrequenz definierte Frequenz handelt.

Führt dies auch zu dem Ergebnis "nicht identifizierbar", so wird das mFD-Spektrum mit der schon besprochenen Ausgleichsfunktion geglättet und das schon dann erhaltene geglättete mFD-Spektrum derselben Verarbeitung wie das DLS unterzogen.

Führen diese Verarbeitungsschritte nicht zu einer Identifizierung oder zu einer Klassifikation als "Nicht Hubschrauber", so wird das Verfahren mit der Meldung "Hubschrauber unbekannter Identität" abgebrochen.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der erfindungsmäßigen Einrichtung erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 in einem vereinfachten Blockschaltbild die erfindungsgemäße Einrichtung mit allen Funktionselementen,

Fig. 2 in einem vereinfachten Blockschaltbild die erfindungsgemäße Lösung des Klassifikationsteils mit all seinen Funktionselementen,

Fig. 3 in einem vereinfachten Blockschaltbild die erfindungsgemäße Lösung des Identifikationsteils mit seinen Funktionselementen und

Fig. 4 die schematische Berechnung eines multiplikativ gewichteten Frequenzabstandshäufigkeitsspektrums des Differenzleistungsspektrums (mFD).

Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild zeigt die erfindungsgemäße Einrichtung, die sich aus einem Mikrophon zum Empfang der den Sensor umgebenden Geräusche und weiteren Funktionselementen zusammensetzt. Das Mikrophon 7 kann dabei von Rundrum- auf Richtcharakteristik umgestaltet werden. Der Mikrophonsignalausgang ist, gesteuert von einer Identifikationseinrichtung, an eine 1. Verarbeitungsstufe A gekoppelt, die mindestens über Funktionselemente Schalter 0, Teil 1, Bandpaß 34, Analog-/Digitalwandler 2, einen Mikroprozessor 3, einen Zeitgeber 4, einen Taktgeber 5 und einen Schalter 6 im Datenbus an die folgende Funktionsstufe B verfügt.

In dieser so gebildeten Funktionsstufe A erfolgt eine Fouriertransformation vorzugsweise im Bereich 0-1600 Hz, für die Anwendung der Einrichtung zur Identifikation von anderer Objekten sind die jeweils angegebenen Frequenzen selbstverständlich entsprechend den Aufgaben veränderbar und mit 1 Hz Auflösung durchgeführt.

Ein anderer für die originäre Aufgabe der erfindungsgemäßen Einrichtung bevorzugter Bereich ist 0-800 Hz mit einer Auflösung von 0,5 Hz.

Der Mikroprozessor I, Funktionsteil 3, ist dabei per Programm so konditioniert, daß er die Fouriertransformation entsprechend durchführt und das Leistungsspektrum, wie in der Erfindungsbeschreibung erklärt, berechnet und per Programm dann zum Transfer zur Signalaufbereitung über den Schalter 1, Teil 6, an die der Funktionsstufe A folgende weitere Funktionsstufe B weitergibt.

Die Funktionsstufe B verfügt über die Funktionselemente Mikroprozessor II 14, Datenbus 8, Zeitgeber 9, Taktgeber 10, Speicher für Leistungsspektrum (I) 11, für die gefundene Ausgleichskurve (II) 12 und für ein positiv logarithmisches Frequenzspektrum (III) 13. Per Programm ist die Stufe befähigt, das Leistungsspektrum in positive Werte mit dB- Skaleneinteilung der y-Werte umzurechnen und durch das positive Leistungsspektrum eine Ausgleichskurve zu legen.

Weiter vollzieht diese Funktionsstufe B die Subtraktion Leistungsspektrums minus Ausgleichsfunktion, um hieraus die multiplikativ gewichtete Frequenzabstandshäufigkeitsverteilung des Differenzleistungsspektrums (mFD) zu bilden, welche zur Verwendung in dem Klassifikationsteil 16 und Identifikationsteil 17 über den Schalter 2, Teil 15, an diese weitergegeben wird. Die ermittelten Daten dieser Funktionsteile wurden zur Information an eine ablesbare Anzeigeeinrichtung 18 gegeben.

In Fig. 2 wird in einem vereinfachten Blockschaltbild der erfindungsgemäße Aufbau des Klassifikationsteils 16 gezeigt. Dieser Teil wird aus den Funktionselementen Filter 2 für die Prüfung 6 Hz Teil 19, Filter 3 für die Prüfung 60 Hz, Teil 20, Filter 4 für die Verhältnisprüfung der Werte 3, 3, 1,5, Teil 21, vorgestellten Schaltern 3, 4, 5, Teile 22, 23, 24, einer Anzeigeeinheit "Nicht Hubschrauber" 25, einem Schalter 6, Teil 26, zur Signalweitergabe an den Identifikationsteil 17 und einem Programmspeicher, der den Mikroprozessor II 14 so steuert, daß er im Sinne des Verfahrens nach Anspruch 1 aus dem mFD die Breite der größten Amplitude ermittelt und diese über den Schalter 3, Teil 22, an den Filter 2, zur Prüfung der Frequenzlage größer gleich 6 Hz, Teil 19, gibt.

Bei Nichtfilterung wird der Mikroprozessor II veranlaßt, daß die Lage der größten Amplitude im mFD berechnet wird, der Schalter 4, Teil 23, geöffnet wird und der Wert der Lage durch das Filter 3, Teil 20, auf kleiner gleich 60 Hz geprüft wird.

Bei Nichtfilterung wird der Mikroprozessor II 14 veranlaßt, daß das Verhältnis der drei größten Amplituden des Intervalls (0-60) Hz des mFD-Spektrums gebildet wird, der Schalter 5, Teil 24, geöffnet wird und durch das Filter 4, Teil 21, die Verhältniswerte 3,3 und 1,5 überprüft werden. Bei Nichtfilterung wird daraufhin das mFD-Spektrum an den Identifikationsteil 17 über den Schalter 6, Teil 26, zur weiteren Auswertung übergeben.

Bei Filterung der vorgenannten Signalprüfung erscheint auf dem Anzeigenteil 25 als Ergebnis des Klassifikationsvorganges "Nicht Hubschrauber" oder ein sinnentsprechender Worlaut.

In diesem Fall werden auch alle Speicher gelöscht und das Empfangsmikrophon 7 für 1 sec an den Eingang der Funktionsstufe A gegeben.

Die Fig. 3 zeigt in einem vereinfachten Blockschaltbild den Identifikationsteil 17. Dieser Teil besteht aus den Funktionselementen Gedächtnisspeicher 27, einer alphanumerischen Anzeige 28, einem Filter zur Prüfung des gefundenen Haupt- zu Heckrotorfrequenzverhältnisses auf den Wert kleiner gleich 1,5, Teil 29, und dem aus der Funktionsstufe II bekannten Mikroprozessor II mit zum Vollzug des Verfahrens nach Anspruch 1 in besonderen Speichern abgelegtem Programm.

Per Programm wird der Mikroprozessor so gesteuert, daß er das Häufigkeitsdiagramm zweiter Stufe aus dem mFD ermittelt und es in einem Speicher ablegt.

Aus diesem Spektrum wird dann verfahrensgemäß das Verhältnis der beiden größten Amplituden ermittelt und der Schalter 6, Teil 30, geöffnet und das Verhältnis mit Filter 5, Teil 29, auf den Wert kleiner gleich 1,5 geprüft. Bei Nichtfilterung wird der Mikroprozessor veranlaßt, daß das Verhältnis der Frequenzwerte mit einem im Gedächtnisspeicher 27 abgelegten Verhältnis bekannter Hubschraubertypen verglichen wird.

Wenn eine Übereinstimmung festgestellt ist, wird der Identifikationsname über Schalter 7, Teil 31, an der Anzeige 2, Teil 32, geschaltet und entsprechend angezeigt.

Nach einer Zeitverzögerung und Auslösung einer Alarmglocke 33 wird ein Signal weiter an den Schalter 0, Teil 1, gegeben, um das Mikrophon 7 für 1 sec an den Eingang der Funktionsstufe A zu legen.

In der Fig. 4 ist die Berechnung eines mFD-Spektrums schematisch dargestellt. Ausgehend von einem Beispielspektrum (a) werden die Teilspektren für die verschiedenen Spangenweiten markiert (b, e, h), die Amplitudenwerte multipliziert (c, f, i) und die Produkte aufsummiert (d, g, j). Die Auftragung der so ermittelten Merkmalkomponenten ergibt dann ein Zwischen-mFD-Spektrum (k). Diese Berechnungen werden dann, ausgehend vom nächsten Frequenzwert des Beispielspektrums, wiederholt (l, m), und so wird sukzessive das gesamte Beispielspektrum abgegriffen. Die additive Zusammenfassung aller Teil-FD-Spektren ergibt dann das eigentliche mFD-Spektrum. Die in der Fig. 4 verwendeten Symbole sollen die Rechenschritte symbolisieren.

Bezugszeichenliste

 1 Schalter 0
 2 Analog-/Digitalwandler
 3 Mikroprozessor I
 4 Zeitgeber A
 5 Taktgeber A
 6 Schalter 1
 7 Mikrophon
 8 Datenbus
 9 Zeitgeber B
10 Taktgeber B
11 Speicher für Leistungsspektrum (I)
12 Speicher für die ggf. Ausgleichskurve II
13 Speicher für ein positiv logarithm. Frequenzspektrum III
14 Mikroprozessor II
15 Schalter 2
16 Klassifikationsteil
17 Identifikationsteil
18 Anzeigeeinrichtung
19 Filter 2 6 Hz
20 Filter 3 60 Hz
21 Filter 4 für Verhältniswertprüfung
22 Schalter 3
23 Schalter 4
24 Schalter 5
25 Anzeigeeinheit "Nicht Hubschrauber"
26 Schalter 6
27 Gedächtnisspeicher 1
28 Speicher VI
29 Filter 5 Haupt- zu Heckrotorverhältnis
30 Schalter 6
31 Schalter 7
32 Anzeigeeinheit 2 "Hubschrauber+Typ"
33 Alarmglocke mit Verzögerung
34 Bandpaß 0-1600 Hz
35 Speicher IV
36 Zählstufe 1

Claims (3)

1. Verfahren zur akustischen Identifikation und Klassifikation von Hubschraubern aufgrund ihres Haupt- zu Heckrotorfrequenzverhältnisses, bei dem der Umgebungsschall wiederholt erfaßt wird und einer elektrischen Einrichtung zugeführt wird, welche die empfangenen akustischen Signale aus dem Zeitspektrum in die Frequenzebene transferiert,
dadurch gekennzeichnet,
daß unter Verwendung einer programmgesteuerten digitalen Einrichtung folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

• a) aus den durch Fouriertransformation aus dem Zeitraum in den Frequenzraum transformierten Schallspektrum unter Bildung der Summen der Quadrate der realen und jeweils imaginären Fourier-Spektralteile ein Leistungsspektrum berechnet wird, welches dann logarithmiert wird,
• b) eine Ausgleichskurve, die aus der Berechnung der lokalen Mittelwerte des logarithmierten Leistungsspektrums in einem variablen Frequenzintervall resultiert, berechnet wird und diese vom logarithmierten Leistungsspektrum abgezogen, ein Differenzleistungsspektrum DLS bildet, welches nur noch die zur Klassifikation/Identifikation relevanten Informationen enthält,
• c) das DLS in ein Frequenzdifferenzleistungsspektrum mFD überführt wird, indem alle die Amplitudenwerte des DLS, die in einem vorwählbaren Frequenzintervall ein und denselben Frequenzabstand voneinander haben, jeweils paarweise miteinander multipliziert werden und diese Produkte einem Frequenzwert, der dem Betrage nach gerade dem Frequenzabstandswert entspricht, dergestalt zugeordnet werden, daß die verschiedenen Produkte aufsummiert werden und durch die Variation des Frequenzabstandes von einem Minimalwert nahe 1 Hz und einem Maximalwert größer 200 Hz ein das DLS demodulierende Spektrum entsteht,
• d) aus dem mFD der Frequenzwert mit dem größten Amplitudenwert ausgewählt wird, die Amplitudenwerte der Harmonischen dieses Frequenzwertes auf den größten Amplitudenwert aufaddiert werden und die Harmonischen Amplituden anschließend auf den Wert Null gesetzt werden, mit dem zweithöchsten Amplitudenwert des Restspektrums dieser Berechnungsschritt wiederholt wird und die beiden Frequenzwerte, deren Amplitudenwerte so aufsummiert wurden, dergestalt dem Haupt- und Heckrotor eines Hubschraubers zugeordnet werden, daß der im Betrag kleinere Frequenzwert mit der Hauptrotorfrequenz gleichgesetzt wird, während der im Betrag höhere Frequenzwert der Heckrotorfrequenz gleichgesetzt wird, der Haupt- und der Heckrotorfrequenzwert ins Verhältnis gesetzt wird und zu diesem gebildeten Verhältnis aus einem gespeicherten Verhältnisvorrat von typbezogenen Haupt- und Heckrotorverhältnissen ein passendes Verhältnis als Typ des aufgefaßten Hubschraubers angezeigt, wobei gleichzeitig zusätzlich zur Klassifikation unterschiedlicher Schallerzeuger in einem anderen Verfahrensschritt auch ein Vergleich des generellen Amplitudenverlaufes des mFD′s vollzogen wird, um anhand von ebenfalls gespeicherten Amplitudenverläufencharakteristika bekannte Schallerzeuger zu klassifizieren und das Klassifikationsergebnis anzuzeigen.

2. Einrichtung zur akustischen Identifikation und Klassifikation von Hubschraubern aufgrund ihres Haupt- zu Heckrotorfrequenzverhältnisses,
umfassend,

• a) eine mit dem Signal eines Schallaufnehmers über einen Schalter beaufschlagte erste Funktionsstufe, wobei dieser Schalter entweder von einem Zeit- mit Taktgeber gesteuert wird oder nach einer erfolgten Identifikation und/oder Klassifikation zur Aufnahme eines neuen Schallsignals angesteuert wird,
• b) eine auf die erste elektronische Funktionsstufe folgende zweite elektronische Funktionsstufe, die mindestens aus den elektronischen Funktionselementen Bandpaß, Stromrichter, Analog/Digitalwandler, Zeitgeber, Taktgeber, Mikroprozessor, Datenbus, einem Schalter im Ausgangsdatenbus aufgebaut ist und von einem in einem Speicher abgelegtem Programm befähigt wird, ein Leistungsspektrum aus den empfangenen Schallwellen einer angemessenen Schallquelle, im Bereich 0-1600 Hz, mit einer Auflösung von 1 Hz zu berechnen und das berechnete Leistungsspektrum über einen Schalter an eine folgende Funktionsstufe weiterleitet, wobei für dessen Berechnung und Auflösung wahlweise auch andere Werte gewählt werden können,
• c) eine auf die zweite elektronische Funktionsstufe folgende dritte elektronische Funktionsstufe, die mindestens aus den elektronischen Funktionselementen Mikroprozessor, Datenbus, Zeitgeber, Taktgeber und drei Speichern besteht, wobei das von der zweiten Funktionsstufe übertragene Leistungsspektrum in einem der Speicher abgelegt und mittels eines in einem der Speicher abgelegten Programms der Mikroprozessor befähigt wird, das Leistungsspektrum zu logarithmieren, ähnlich dem Newtonschen Ausgleichsverfahren eine Ausgleichskurve durch das logarithmierte Leistungsspektrum zu legen und diese Ausgleichskurve als neue Nullinie des Differenzleistungsspektrums DLS, welches nur noch die signalquellenspezifischen Anteile des akustischen Signals beinhaltet, zu betrachten, um dieses dann zu dem multiplikativ gewichteten Frequenzdifferenzleistungsspektrum mFD zu transformieren, aus dem die Spektralanteile, die eine Harmonischenstruktur aufweisen, ausgehend von dem größtem im mFD auftretenden Spektralwert, zur Erstellung eines neuen Spektrums, des TTY-Spektrums, benutzt und alle Harmonischenamplitudenwerte im berechneten Intervall auf deren Grundwellenamplituden aufsummiert werden und dieses Spektrum in einem Speicher abgelegt wird, wobei dieser über einen Schalter gesteuert abgerufen werden kann,
• d) eine auf die dritte elektronische Funktionsstufe folgende vierte elektronische Funktionsstufe, die das Spektrum dahingehend klassifiziert, ob es sich um ein Spektrum eines Hubschraubers handelt, und mittels einer abgelegten Datei den Hubschraubertyp als bekannt identifiziert und das Klassifikations-/ Identifikationsergebnis anzeigt, wobei diese mindestens aus den elektronischen Funktionselementen Mikroprozessor, Datenbus, Zeitgeber, Taktgeber, Gedächtnisspeicher, Speicher und einer Anzeigemimik besteht, wobei mittels eines in einem Speicher abgelegten Programms der Mikroprozessor dahingehend befähigt wird, die beiden größten Spektralwerte im TTY-Spektrum, die nicht ein und derselben Grundschwingung angehören, d. h. der zweite Spektralwert keiner Harmonischen des ersten entspricht, zu ermitteln, deren Frequenzverhältnis zu bilden und das TTY-Spektrum dahingehend zu untersuchen, ob die Form des Spektrallinienverlaufes dem im Gedächtnisspeicher abgelegten Spektralverläufen eines "Nicht Hubschraubersignals" entspricht, um bei dessen Bestätigung einen Schalter zu öffnen, um eine Anzeige "Nicht Hubschrauber" anzusteuern oder im anderen Fall das ermittelte Verhältnis mit denen im Gedächtnisspeicher abgelegten Verhältnissen zu vergleichen, um bei Übereinstimmung den mit diesem Verhältnis verknüpften Identifikationsnamen aus dem Gedächtnisspeicher mittels der Anzeigemimik anzuzeigen oder bei Nichtidentifikation das bereits errechnete mFD-Spektrum in einem weiteren Verarbeitungsschritt zum positiv logarithmierten Leistungsspektrum zu deklarieren, um aus diesem heraus zum Vollzug des Verarbeitungsschrittes der Verhältnisbildung wiederholt ein DLS- Spektrum und vom diesem ein mFD-Spektrum zu berechnen, um dieses einem erneuten Identifikationsversuch zu unterwerfen, wobei, sollte diese zweite Berechnung wiederholt erfolglos verlaufen, die Anzeige "Nicht zu identifizierender Hubschrauber" ausgelöst wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte elektronische Funktionsstufe mit einem Funktionsteil zur Geräuschquellenklassifizierung erweitert ist, der mindestens aus den zusätzlichen elektronischen Funktionselementen Filter für die Prüfung <= 6 Hz, Filter für die Prüfung <= 60 Hz, Filter für die Verhältniswertprüfung der Werte 3,3, 1,5 und einem in einem Speicher abgelegtem Programm besteht, welches den Mikroprozessor veranlaßt, aus dem mFD die Breite der größten Amplitude zu ermitteln und einen Schalter zu öffnen, so daß der Wert mittels eines Filters auf die Bedingung größer/gleich 6 Hz geprüft werden kann und bei Filterung eine Anzeige "Nicht Hubschrauber" ausgelöst wird oder bei Nichtfilterung der Mikroprozessor die Lage der größten Amplitude im mFD berechnet, um diesen Wert in einem Filter auf die Bedingung kleiner/gleich 60 Hz zu prüfen, bei Filterung eine Anzeige "Nicht Hubschrauber" ansteuert oder bei Nichtfilterung der Mikroprozessor das Verhältnis der drei größten Amplituden des Intervalls (0-60) Hz des mFD-Spektrums bildet und in einem Filter die Verhältnisse 3,3, 1,5 überprüft und im Fall der Filterung eine Anzeige "Nicht Hubschrauber" auslöst oder bei Nichtfilterung das mFD-Spektrum an den Funktionsteil nach Anspruch 2 zur Identifikation des Typs, wie dort beschrieben, freigibt.