DE3932620A1

DE3932620A1 - Ortungssystem fuer schallimpulse

Info

Publication number: DE3932620A1
Application number: DE3932620A
Authority: DE
Inventors: Juval Dr Ing Mantel
Original assignee: Individual
Current assignee: MANTEL, JUVAL, DR.-ING., 83088 KIEFERSFELDEN, DE
Priority date: 1989-09-29
Filing date: 1989-09-29
Publication date: 1991-04-11
Also published as: US5070484A

Description

Die Ortung von Schallimpulsen erfolgt bis jetzt überwiegend im Freien und nicht in geschlossenen Räumen, z. B. durch Aufstellung von mehreren, weit voneinander entfernten Mikrophonen (Basislinie 30 bis 100 m). Die Messung der Ankunftzeiten der Schalle durch die Laufzeitdifferenzen berechnet manuell (früher) oder über einen Computer (z. B. DT 21 31 786, Schwantke) die Richtung, aus der der Schall gekommen ist.

Dies hat zur Folge, daß die Peilungssysteme für die Impulsschalle sehr groß und aufwendig waren und in keinem Fall fahr- oder tragbar (Ausnahme z. B. US 37 23 962, Hotchner, nur für in eine Richtung ausgerichtete Einrichtung oder z. B., US 37 36 557, Brynk, beide mit subjektiven menschlichen Organen Auge/Ohr).

Auch konnte die Verifizierung der Schallquelle, ob es um eine bestimmte, erwartete Schallquelle (z. B. Geschosse) oder um Fremdgeräusche ging, entwender nur subjektiv (z. B. US 37 23 962, Hotchner) oder durch spektrale Untersuchung (z. B. US 29 66 657, Price) des Schalls erfolgen.

Diese führte zwangsläufig zu einer hohen Falschalarmrate, da verschiedene Geräusche ein impulsähnliches Spektrum, bedingt durch die Eigenschaften der Impulse, haben.

Die Ankunftsreihenfolge bei diversen Sensoren (z. B. DE 29 51 345, Nishii) oder korrelative Eigenschaften der Kanalsignale (z. B. DE 34 39 386, Hechtenberg) wie auch die Differenz der Kanalsignale (z. B. US 39 76 969, Meuser), und sogar mit Windmeßkorrektur (z. B. DE 29 22 429, Born) sind bekannt und tragen wenig zum Ziel der Echtzeitkompaktpeilung bei.

Stattdessen wurde hier ein Ortungssystem für Schallimpulse konzipiert, das von seinen Ausmaßen her (z. B. auf dem Körper oder der Kleidung) getragen und daher auch von einem Luftfahrzeug aus oder unter Wasser Verwendung finden kann. Das System nimmt die Ortungsermittlung in Echtzeit - d. h. noch vor Anregung aller Sensoren bzw. ohne Wartezeit - und die Verifizierung der Schallquelle auf eine zuverlässige Weise vor, was auch zu einer geringeren Falschalarmrate führt.

Die Grundlage des Systems ist eine Integrierung von einigen Funktionen, die parallel oder sequentiell ablaufen.

So werden z. B. von dem im Kreis (z. B. DE 25 54 42, Parent) aufgestellten Mikrophonen (oder anderen akustischen Sensoren) ankommende Signale verglichen und das Mikrophon (oder ein anderer akustischer Sensor), an dem das Signal zuerst ankommt, gibt die Richtung in "realtime" - d. h. noch vor Anregung aller Sensoren bzw. ohne Wartezeit - an, noch ehe die Signale bei den anderen Mikrophonen bzw. den anderen akustischen Sensoren ankommen. Bei linearer bzw. Netzgliederung der Sensoren (z. B. 43 05 142, Springer, für Bombeneinschlagortung), wie Luftschall- oder Körperschallmikrophone, können Schallbrücken oder Abstrahlorte von Bauteilen oder in Räumen geortet werden. Dadurch daß keine Laufzeiten zu messen sind, können die Maße auf 0,5-2 m oder weniger reduziert werden. Zugleich beginnt eine Untersuchung, um die ankommenden Schalle bezüglich ihrer Pulshaltigkeit (und ihres Ursprungs) zu verifizieren. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, daß die Impulshaltigkeit durch die Quote bei der Teilung vom kurzzeitig-integrierten Signal (oder differenzierten Signal) zum langzeit-integrierten Signal gekennzeichnet wird.

Langzeit-integrierte Signale zeigen den Umgebungslärm an. Die kurzzeitigen Signale sind Indizien für eine Impulshaltigkeit. Auch ist die Dauer der Impulse bei der Identifizierung bzw. Verifizierung der Schallquelle maßgebend. Neben der spektralen Verteilung der Energie, z. B. Verhältnis von Energie im Bereich 50 bis 500 Hz im Vergleich zur Energie zwischen 1.000 und 2.000 Hz (bei US 29 66 657, Price, andere Frequenzbereiche), gibt die Impulshaltigkeit eine gute Verifizierung.

Durch das Zuschalten von Sensoren, z. B. Mikrophonen, die erste dann zugeschaltet werden, wenn das Signal in einem Sensorenbereich angekommen ist, kann eine feine Peilung der Richtung des ankommenden Schalls erreicht werden. So werden z. B. im Bild 1, wenn Schall beim Mikrophon Nr. 8 ankommt, sofort bestimmte Mikrophone, z. B. solche, die auf einem Durchmesser senkrecht zur vermuteten Ankunftslinie liegen, nämlich die Mikrophone 2 und 6, zugeschaltet (im Gegensatz z. B. zu US 41 43 351, Orieux, wo die Sensoren alle gepaart werden), und durch die Zeitdifferenzen der Ankunftssignale in diesen zwei Mikrophonen kann die Richtung des Schalls mit höchster Genauigkeit sogar mit analogen Mitteln in "realtime", d. h. noch vor Ankunft des Schalls in der gesamten Meßeinrichtung, bestimmt werden.

In ähnlicher Weise kann bei Aufstellung von akustischen Sensoren, z. B. Mikrophonen in zwei konzentrischen Kreisen (z. B. US 46 61 938, Jones, für Einzelfrequenz und in Resonanz unter Wasser) (Bild 2), die Ankunft eines Schalles zuerst beim Mikrophon Nr. A8 (bzw. A2) und zur Zuschaltung des Mikrophons Nr. 19 (bzw. 12 bei winkelversetztem, innerem Mikrophonkreis) erfolgen, wobei durch die Laufzeitdifferenz bzw. die Autokorrelationsfunktion die Richtung genau bestimmt wird. Die Laufzeit A8 bis A4 ist auch anwendbar.

Zusätzliche Sensoren, wie Mikrophone, können zur Bildung eines Referenz- bzw. Bezugssignals verwendet werden, das für die Verarbeitung des Signals bzw. der Sensorsignale Vorteile bringt. So können z. B. bei der Bildung eines Referenzsignals duch Summierung einzelner Sensorspannungen Interferenzen zu falschen Ergebnissen führen.

Die Verwendung einer zusätzlichen Sensorengruppe, z. B. wenn jedem Sensor der ersten Gruppe ein Sensor der zweiten Gruppe in Richtung der Schallausbreitung, aus der der Schall kommt, zugeordnet wird, kann der entsprechende Sensor der zweiten Gruppe durch Torschaltung bzw. Empfindlichkeitseinstellung des entsprechenden Sensors der ersten Gruppe dahin optimieren, daß ein optimiertes Rauschverhältnis bei dem Signal erzielt wird, eine vergrößerte Dynamik entsteht und durch die Koinzidenz oder die Korrelationstechnik die Ortungsgenauigkeit und -sicherheit erhöht wird.

Durch räumliche Verteilung der Mikrophone, z. B. auf zwei senkrecht zueinander liegende Halbkreise, kann die Richtung räumlich in einem Halbraum festgestellt werden, wie es bei Fluggeräten notwendig ist (Schallortung am Boden), oder bei der Ortung in einem gesamten Raum, wie es unter Wasser verlangt wird (z. B. US 41 19 942, Merklinger, einfache räumliche Hydrophonaufstellung, nicht in Echtzeit).

Die Entfernung der Schallquelle kann durch die Verwendung von Sensoren für verschiedene Schallübertragungsmedien (z. B. DE 32 04 874, Güdesen) dadurch ermittelt werden (Luft, Wasser, Boden), daß die unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten in unterschiedlichen Medien (oder in einem Medium bei unterschiedlichen Frequenzen) zu unterschiedlichen Ankunftszeiten des Schalls führen.

Bei komplexen Schallen, die eine Ursache haben (z. B. Schußlärm), jedoch an unterschiedlichen Orten (Mündungsgeschoß und in der Luft entstehender Knall) entstehen, kann bei unterschiedlicher Laufzeit dieser zwei Schalle, gemessen an den gleichen Sensoren, z. B. Mikrophonen, die die Entfernung bestimmen lassen (z. B. US 33 41 810, Wallen), eine Abtastung (z. B. DE 22 19 678, Faugeras) zwecks Verarbeitung in einem Rechner erfolgen (z. B. DE 3 51 12 488, Jacobi). Jedoch ist die Anordnung von Mikrophonen oder anderen akustischen Sensoren, z. B. im Kreis, vorzugsweise circular in einer oder/und gleichzeitig in beiden Richtungen abzutasten.

Dies führt zu einer einfachen Peilungsprozedur, auch wenn Linearisierungschaltungen empfehlenswert werden, um die Projektion der Kreise auf dem Schallausbreitungsweg zu berücksichtigen.

Die Signale aus den einzelnen Mikrophonen oder anderen akustischen Sensoren können gleich wichtig behandelt werden, jedoch können sie zur Richtungsangabe auch gewichtet werden, wobei diese Wichtung durch Multiplikation der Sensorenausgangsspannung oder durch eine Versetzung der Signalfrequenz oder durch das Einführen eines Kanalcodes bei Übertragung mit Kanalmodulationen erreicht wird, sei es Pulsader-Modulation (z. B. US 27 21 314, Snyder) oder Pulscode-Modulation (PCM).

So z. B. läßt sich aus dem Verhältnis der Summensignale sämtlicher Sensoren die Peilrichtung ermitteln, und zwar durch Bildung des Quotienten (Q) der bewerteten Kanalsignalsumme zur unbewerteten Kanalsignalsumme, bei Verwendung einer z. B. multiplikativen Bewertung des Kanalsignals:
Für Einzelkanalsignale U₁ bis U_n und Wichtung K₁ bis K_n ist der Faktor

bestimmt.

Claims

1. Ein kompaktes Ortungssystem für den Einsatz unter Wasser, am Boden oder in der Luft, das fahrbar und sogar tragbar ist (z. B. auf dem Körper oder der Kleidung), für einen Echtzeit-Betrieb mit geringer Falschalarmrate, gekennzeichnet dadurch, daß das Signal am ersten einer Gruppe von Sensoren, die z. B. im Kreis aufgestellt sind, ankommt und z. B. folgendes betätigt:

a) sofortige Ortung in einer Ebene oder räumlich mit direkten Richtungsangaben oder relativer Angabe, z. B. gegenüber Norden. Dies erfolgt dadurch, daß der Sensor, an dem das Signal zuerst ankommt, andere Sensorkanäle durch eine elektronische Ausschlußschaltung blockiert und der Sensor, an dem das Signal zuerst ankommt, angezeigt wird.
b) Betätigung von Impulsschallquellenart und -ort gleichzeitig oder sequenziell nach a) oben, dadurch daß diverse akustische Parameter untersucht werden, wobei festgestellt wird, ob ein bestimmtes Signal, z. B. Schießlärm, bestätigt werden kann.
Das kann z. B. dadurch geschehen, daß
- I. die Anstiegszeit des Pulses untersucht wird, dadurch daß das Verhältnis zwischen ankommendem Signal und integriertem bzw. differenziertem Signal verglichen wird, um das Hervorheben aus dem allgemeinen Grundpegel zu erleichtern und die Impulshaltigkeit zu bestätigen.
- II. Filter mit schneller Anstiegszeit verwendet werden, wie Hochpaß-Filter, um das Verhältnis der Energieanteile in verschiedenen Frequenzbereichen zu untersuchen, zur Bestätigung, ob die ankommenden Signale tatsächlich der Quelle angehören, wie z. B. Unterscheidung zwischen Mündungsknall und im höheren Frequenzbereich liegender Geschoßlärm;
- III. die Dauer der Impulse untersucht wird und dadurch Feststellung, ob es sich um kurzzeitige Impulse wie Geschoßlärm oder zufällig gleichzeitig länger auftretende, störende Geräusche, wie z. B. In-die- Hände-Klatschen oder Gespräche handelt.
c) Feines Richtungsorten der Impulsschallquelle durch das Zuschalten von Sensoren oder Sensorgruppen und/oder Schaltkreisen, um eine feinere Schallquellenimpulsortung zu ermöglichen. So z. B.:
- I. Nach einer ersten Impulsschallquellenortung durch Ankuft des akustischen Signals beim ersten Sensor einer Sensorengruppe, die z. B. im Kreis oder auf einer kugelartigen Oberfläche verteilt sind, und nach einer Bestätigung und/oder einer feineren Ortung dadurch, daß der erste betätigte Sensor eine andere Gruppe (z. B. ein Sensorpaar) von Sensoren an einem anderen Ort betätigt (z. B. auf einem Durchmesser eines Kreises oder auf einem Kreis, dessen Durchmesser senkrecht zur Richtung zum ersten Sensor ist, wenn der erste Sensor und das später zugeschaltete Sensorenpaar auf einem Kreis oder auf einer Kugel plaziert sind).
- II. Durch Verwendung unterschiedlicher akustischer Sensoren: Druck- oder Geschwindigkeitsmikrophone oder Intensitäts- oder andere, z. B. Richtungsmikrophone, Beschleunigungsaufnehmer, Geophone, Hydrophone oder deren Kombination.

2. Kompaktes Ortungssystem nach Anspruch 1, jedoch durch Verwendung von Referenzsensoren (Beispiel: Mitte des Kreises) oder durch Verarbeitung der Signale (z. B. durch Summierung der einzelnen Kanalsignale) zu einer Referenz, wodurch eine verbesserte Signalverarbeitung möglich wird.

3. Kompaktes Ortungssystem nach den Ansprüchen 1 und 2, durch Hinzufügen einer zusäztlichen Sensorengruppe, z. B. zur Bildung eines zusätzlichen, mit dem ersten Sensorenkreis konzentrischer zweiten Sensorenkreises, dessen Aufgabe es ist, als Torschaltungen und Empfindlichkeitseinstellungen der Sensorsignale bezüglich des Rauschverhältnisses alle Sensoren zu optimieren und/oder für Koinzidenz- oder Korrelationsschaltungskreise verwendet zu werden.

4. Kompaktes Ortungssytem nach den Ansprüchen 1 bis 3, zur Verwendung einer zweiten Sensorengruppe (z. B. als zweiter Sensorenkreis) für die Verwendung von Koinzidenz- oder Korrelationsschaltkreises.

5. Kompaktes Ortungssystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, zur Prüfung durch Messung und/oder Berechnung des Verhältnisses der Signale nach kurzzeitiger oder langzeitiger Mitteilung (bzw. Integration) des Signals oder/und Differenzierung dieser zur Bildung einer Quote, um die Impulshaltigkeit festzustellen, um Zufallsprodukte (und Verkleinerung der Falschalarmrate) zu vermeiden und um die Dynamik des Ortungssystems an die Grundgeräusche anzupassen.

6. Kompaktes Ortungssystem nach den Ansprüchen 1 bis 5, zur Untersuchung durch Messung und/oder Berechnung des Signalspektrums in verschiedenen Frequenzbereichen, z. B. in hoch- und tieffrequenten Anteilen, deren Verhältnis und zeitliche Ableitungen zur Bestätigung der Impulsschallquelle und der Verringerung der Falschalarmrate beitragen.

7. Kompaktes Ortungssystem nach den Ansprüchen 1 bis 6, zur Prüfung durch Messung und/oder Berechnung verschiedener akustischer Parameter wie die Kriterien II und III oben wie auch der zeitliche Verlauf des Signals, der Verlauf des Spektrums, Augenblicksfrequenz und deren zeitliche Ableitung (Dopplereffekt und dessen Relevanz), die Dauer des Impulses, die Ähnlichkeit zum bereits festgelegten Referenzimpuls wie auch die Kombination der Kriterien zur Bestätigung der Impulsschallquelle, z. B. eines Schußlärms. So könnte z. B. bei einem Schußlärm die Zeitdifferenz zwischen Ankunft des Mündungsknalls und des Geschoßlärms maßgebend sein.

8. Kompaktes Ortungssystem nach den Ansprüchen 1 bis 7, zur feinen Richtungsortung der Impulsschaltquelle durch Vergleich der Signale bei benachbarten Sensoren (V₁ bzw. V₂), z. B. durch den Vergleich der Signalsumme und die Differenz von benachbarten Sensoren und Bildung der Quote sowie die Ordnung der Quoten in aufsteigender oder absteigender Ordnung für die maßgeblicher Sensoren.

9. Kompaktes Ortungssystem nach den Ansprüchen 1 bis 8, durch Verwendung einer umlaufenden Abtastung der Sensoren mit Ultraschallgeschwindigkeit in einer oder zwei Umlaufrichtung werden die Peilungsphasendifferenzen, zur Richtungsortung der Impulsschallquelle, verwendet.

10. Kompaktes Ortungssystem nach den Ansprüchen 1 bis 9, durch Verwendung der Gewichtung der einzelnen Kanalsignale und z. B. durch Multiplikation (z. B. Signalspannung), Versetzung (z. B. Signalfrequenz) oder durch einen Kanalcode (z. B. Pulsbreite oder PCM) wird die Summierung der Gewichtungen und deren Verarbeitung zur Ortung der Richtung einer Impulsschallquelle erreicht.

11. Kompaktes Ortungssystem nach den Ansprüchen 1 bis 10, mit Linearisierung des georteten Winkels zu der georteten Impulsschaltquelle durch Verwendung der Linearisierungsschaltkreise oder Algorithmen.

12. Kompaktes Ortungssystem nach den Ansprüchen 1 bis 11, zur Ortung von Richtung und Entfernung zur Impulsschallquelle durch Verwendung von zwei oder mehr Sensorortungsgruppen einer einzelnen Art (z. B. Luftschallsensoren) oder der korrelativen Zeitdifferenzen in Sensoren von verschiedenen Arten (z. B. Vergleich zwischen Luft- und Bodenschallsensoren).

13. Kompaktes Ortungssystem nach den Ansprüchen 1 bis 12, wo durch Vergleich der Laufzeitdifferenzen in unterschiedlichen Frequenzen des ankommenden Signals die Entfernung zur Impulsschallquelle bestimmt wird.