DE4141562A1

DE4141562A1 - Propeller driven vehicle locating arrangement - contains extended transducer arrangement, each contg. bandpass filter, envelope curve demodulator and low-pass filter, all feeding direction former

Info

Publication number: DE4141562A1
Application number: DE19914141562
Authority: DE
Inventors: Rolf Ing Grad Wilkens
Original assignee: Atlas Elektronik GmbH
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 1991-12-17
Filing date: 1991-12-17
Publication date: 1993-06-24

Abstract

The arrangement contains an extended transducer arrangement with direction former (20) for producing a small aperture angle for evaluation of received sound waves from the vehicle. Each transducer contains a bandpass filter (50) and envelope curve demodulator (60) with a low-pass filter (61) of defined limit frequency. The pass band and limit frequency are selected so that the known propeller rotation frequency lies within them and the bandpass's centre frequency is essentially higher than the limit frequency. The max. transducer interval is half the quotient of the speed of sound and the limit frequency. All demodulator outputs are connected to inputs of the direction former. Output signals of direction channels with the highest levels define directions. USE/ADVANTAGE - E.g. for locating submarines. Small aperture angle, eliminates grating lobes and enables vehicle classification by evaluating received sound waves.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Peilen von propellerangetriebenen Fahrzeugen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.The invention relates to a device for direction finding propeller driven vehicles in the preamble of Claim 1 mentioned type.

In der Luftschalltechnik und der Wasserschalltechnik werden Fahrzeuge dadurch gepeilt, daß ihr von den Antriebsaggregaten erzeugtes, abgestrahltes Geräusch mit einer Wandleranordnung aus elektroakustischen Wandlern empfangen wird und die Richtung der einfallenden Schallwellen mit einem Richtungsbildner, der der Wandleranordnung nachgeordnet ist, bestimmt wird. Um eine möglichst genaue Peilung durchführen zu können, werden ausgedehnte Wandleranordnungen verwendet, da der Öffnungswinkel einer Richtcharakteristik einer solchen Wandleranordnung um so kleiner ist, je größer die Ausdehnung der Wandleranordnung senkrecht zur Peilrichtung ist.In airborne sound engineering and waterborne sound engineering vehicles are taken by you by the Generated, radiated noise with a transducer arrangement made of electroacoustic transducers is received and the direction of the incident Sound waves with a directional generator that the Subordinate transducer arrangement is determined. To one to be able to carry out the most accurate bearing possible extensive transducer arrangements used because of Opening angle of a directional characteristic of such The larger the transducer arrangement, the smaller it is Extension of the transducer arrangement perpendicular to the direction of direction is.

Der Öffnungswinkel ist außerdem frequenzabhängig und um so kleiner, je höher die Frequenz für den Empfang der Schallwellen gewählt ist. Schallwellen in einem höherfrequenten Bereich werden stärker bei ihrer Ausbreitung gedämpft als in einem niederfrequenten Bereich. Um bei kleinem Öffnungswinkel größe Reichweiten zu erzielen, werden deshalb in der Wasserschalltechnik beispielsweise Wandleranordnungen gewählt, die an der Längsseite des die Wandleranordnung tragenden Wasserfahrzeugs angeordnet sind, sog. Flank Arrays, oder die vom Wasserfahrzeug nachgeschleppt werden, sog. Schleppantennen.The opening angle is also frequency-dependent and all the more smaller, the higher the frequency for receiving the Sound waves is selected. Sound waves in one higher frequency range will be stronger at their Propagation dampened than in a low frequency Area. To achieve large ranges with a small opening angle are therefore achieved in waterborne sound engineering for example, transducer arrangements selected on the Long side of the one carrying the transducer arrangement Watercraft are arranged, so-called flank arrays, or which are towed by the watercraft, so-called Towing antennas.

In dem Artikel "Classification and Identification by Submarine Sonars" in Naval Forces, Nr. 6, 1987, Seite 27 bis 31, ist ein Sonarsystem für ein U-Boot gezeigt, das bin Flank-Array (FAS) und eine Schleppantenne (TAS) auiweist. Das Frequenzspektrum eines von einem propellergetriebenen Fahrzeugs abgestrahlten Fahrgeräuschs ist in Fig. 1 gezeigt. Man sieht aus dem allgemeinen Rauschen herausragende Spektrallinien. Aus den Spektrallinien im niederfrequenten Bereich sind nach dem dort beschriebenen LOFAR-Verfahren Schiffe bzw. Fahrzeuge zu detektieren, peilen und klassifizieren, da die Spektrallinien durch die Antriebssysteme und sonstigen Maschinen an Bord des Fahrzeugs verursacht werden. Insbesondere zur Detektion und Peilung ist dieser niederfrequente Bereich sehr geeignet, da die niederfrequenten Spektrallinien eine geringere Dämpfung erfahren als das Fahrgeräusch im höherfrequenten Bereich.In the article "Classification and Identification by Submarine Sonars" in Naval Forces, No. 6, 1987, pages 27 to 31, a sonar system for a submarine is shown, the bin flank array (FAS) and a tow antenna (TAS) asks. The frequency spectrum of a driving noise emitted by a propeller-driven vehicle is shown in FIG. 1. Outstanding spectral lines can be seen from the general noise. From the spectral lines in the low-frequency range, ships or vehicles are to be detected, bearing and classified according to the LOFAR method described there, since the spectral lines are caused by the drive systems and other machines on board the vehicle. This low-frequency range is particularly suitable for detection and direction finding, since the low-frequency spectral lines experience less damping than the driving noise in the higher-frequency range.

Um nach der Detektion genaueren Auf schlug über das Fahrzeug zu erhalten, ist die sog. Demonanalyse bekannt, bei der in einem höherfrequenten Bereich des empfangenen Geräuschs über einen Bandpaß und Hüllkurvendemodulator ein bandbegrenztes Rauschen demoduliert wird, wie es beispielsweise in der DE-OS 35 31 230 beschrieben ist. Die Demonanalyse liefert Auskunft über die Anzahl der antreibenden Propeller, ihre Drehzahl und die Blattzahl, aus denen auf den Fahrzeugtyp geschlossen werden kann.In order to be more precise after the detection on the To get the vehicle, the so-called demon analysis is known, at which in a higher frequency range of the received Noise via a bandpass and envelope demodulator band-limited noise is demodulated like it is described for example in DE-OS 35 31 230. The Demon analysis provides information about the number of driving propeller, their speed and the number of blades, from which the vehicle type can be concluded.

Das Demon- und das LOFAR-Verfahren nutzen die durch Propeller verursachten Geräusche des Fahrzeugs. Das LOFAR-Verfahren ist leicht zu stören, da Spektrallinien mit Rauschhintergrund von einem Störer leicht nachzuahmen sind. Das Demon-Verfahren hingegen ist schwerer zu stören, da das analysierte Geräusch durch Kavitation an den Propellerspitzen verursacht wird. Diese Kavitationsgeräusche führen zu einer Amplitudenmodulation des gesamten Fahrgeräuschs, insbesondere im höherfrequenten Bereich.The Demon and LOFAR processes use the Propellers caused vehicle noise. The LOFAR process is easy to disrupt because of spectral lines easily mimicked by a jammer with a noise background are. The Demon process, on the other hand, is more difficult to disrupt since the analyzed noise by cavitation on the Is caused. These Cavitation noises lead to amplitude modulation of the total driving noise, especially in higher frequency range.

Eine Kombination von Peilung und Demonanalyse ist in der DE-OS 35 31 230 bereits beschrieben, bei der hinter jedem Richtungskanal einer Zylinderbasis ein Bandpaß mit Hüllkurvendemodulator vorgesehen ist, um festzustellen, ob das gepeilte Fahrzeug ein propellerangetriebenes Fahrzeug ist. Die Reichweite einer solchen Peilanlage ist aber wesentlich geringer als die einer Peilanlage mit einem Flank-Array oder mit einer Schleppantenne. Da typischerweise diese Antennen im niederfrequenten Bereich betrieben werden, ist es nicht möglich, hinter ihren Richtungsbildnern eine Demonanalyse durchzuführen, da das für die Demonanalyse benötigte Frequenzband wesentlich höher liegt als die niederfrequenten Spektrallinien, für deren Empfang diese Anlagen konzipiert sind. Würde man eine Richtungsbildung im höherfrequenten Bereich durchführen, wären die Abstände der Schleppantenne oder des Flank-Arrays nicht mehr klein gegen die Wellenlänge des empfangenen Signals und es würde zum Ausbilden von sog. Grating-Lobes kommen. Dieser Effekt führt dazu, dar Ziele unter Grating-Lobe-Winkeln am Ausgang des Richtungsbildners das gleiche Ausgangssignal erzeugen, als wenn sie mit der Hauptkeule der Richtcharakteristik erfaßt werden.A combination of bearing and demon analysis is in the DE-OS 35 31 230 already described, in which behind each Directional channel of a cylinder base with a bandpass Envelope demodulator is provided to determine if the direction-finding vehicle is a propeller-driven vehicle is. The range of such a DF system is however much lower than that of a DF system with one Flank array or with a trailing antenna. There typically these antennas in the low frequency range operated, it is not possible behind their Direction formers to perform a demon analysis, because the frequency band required for demon analysis essential is higher than the low frequency spectral lines, for the reception of which these systems are designed. You would a direction formation in the higher frequency range would be the distances of the trailing antenna or of the flank array is no longer small against the wavelength of the received signal and it would be used to form so-called grating praise come. This effect leads to Aim at grating-lobe angles at the exit of the Directional generator produce the same output signal as if it is detected with the main lobe of the directional characteristic will.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, mit jeder der durch die ausgedehnte Wandleranordnung kleine Öffnungswinkel im niederfrequenten Bereich für die Peilung erhalten bleibt, Grating-Lobes vermieden werden und trotzdem eine Klassifizierung durch Demonauswertung der empfangenen Schallwellen möglich ist.The object of the present invention is a device of the type mentioned in the preamble of claim 1 create with each of the extended Transducer arrangement with small opening angles in the low frequency Bearing area preserved, grating praise can be avoided and still classified by Demon evaluation of the received sound waves is possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.This object is achieved by the im Characteristic part of claim 1 resolved features.

Nur empfangene Schallwellen, die eine Amplitudenmodulation durch die Propellerdrehung im höherfrequenten Bereich des empfangenen Geräuschs aufweisen, werden für die Richtungsbildung zugelassen. Die Richtungsbildung erfolgt jedoch im tieffrequenten Bereich mit den demodulierten Signalen, für dar die Wandlerabstände so dimensioniert sind, dar sich keine Grating-Lobes ausbilden, die das Peilergebnis verfälschen könnten. Eine zusätzliche Zylinderbasis ist für die Klassifizierung nicht erforderlich. Es wird für Peilung und Demonanalyse dieselbe Wandleranordnung verwendet, so dar keine Zuordnung zwischen Klassifizierungsergebnis und durch unterschiedliche Wandleranordnungen ermittelte Peilungen erfolgen muß.Only received sound waves that have an amplitude modulation due to the propeller rotation in the higher frequency range of the received noise, are for the Direction formation permitted. The direction is formed however in the low frequency range with the demodulated ones Signals for which the transducer distances are dimensioned in this way that grating praise does not form that Could distort the bearing result. An additional Cylinder base is not for classification required. It is used for direction finding and demon analysis uses the same transducer arrangement, so none Assignment between classification result and through different bearing arrangements determined bearings must be done.

Bei der vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 2 ist eine Umschaltung von der LOFAR-Peilung zur Peilung mit DEMON-Signalen vorgesehen. In the advantageous development of the invention Apparatus according to claim 2 is a switchover from the LOFAR bearing intended for bearing with DEMON signals.

Der Vorteil besteht insbesondere darin, daß für beide Peilverfahren die gleiche Wandleranordnung und der gleiche Richtungsbildner verwendet werden können. Zuerst wird man wegen der größeren Reichweite im tieffrequenten Bereich eine Suche nach Fahrzeugen durchführen und die Wandler über den Tiefpaßfilter mit dem Richtungsbildner verbinden. Ist ein Fahrzeug detektiert und gleichzeitig seine Peilung bekannt, wird umgeschaltet auf die Bandpässe mit den nachgeordneten Hüllkurvendemodulatoren und nach der Demodulation unter der gleichen Peilung ein Signal gesucht. Bei Bestätigung der Peilung ist ein Fahrzeug erkannt und gleichzeitig klassifiziert. Wird kein Signal unter der Peilung ermittelt, handelt es sich um einen Störer, der ein Geräusch mit ggfs. starken Spektrallinien sendet. Besonders vorteilhaft ist es gemäß der erfindungsgemäßen Weiterbildung nach Anspruch 3, für jeden Richtungskanal einen Spektralanalysator vorzusehen, der eine weitere Untersuchung des die empfangenen Schallwellen aussendenden Fahrzeugs gestattet, um das Fahrzeug zu identifizieren.The particular advantage is that for both DF method the same transducer arrangement and the same Directional formers can be used. First you will because of the greater range in the low-frequency range perform a search for vehicles and the converters Connect to the direction generator via the low-pass filter. Is a vehicle detected and at the same time its bearing known, will be switched to the band passes with the downstream envelope demodulators and after the Demodulation under the same bearing a signal searched. When the bearing is confirmed there is a vehicle recognized and classified at the same time. No signal determined under the bearing, it is a Interferer, which is a noise with strong spectral lines sends. It is particularly advantageous according to the Training according to the invention according to claim 3, for everyone Directional channel to provide a spectral analyzer that a further investigation of the sound waves received sending vehicle allowed to the vehicle identify.

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zum Peilen von propellerangetriebenen Fahrzeugen mit einer ausgedehnten Wandleranordnung näher beschrieben. Fig. 1 zeigt hierfür ein Blockschaltbild.The invention is described in more detail in an exemplary embodiment for a device for direction finding of propeller-driven vehicles with an extensive converter arrangement. Fig. 1 shows a block diagram therefor.

Eine Wandleranordnung 10 mit im Abstand d äquidistant zueinander angeordneten elektroakustischen Wandlern ist über gleich viele Verarbeitungskanäle 101, 102, . . ., 10n mit einem Richtungsbildner 20 zum Bilden einer schwenkbaren oder mehrerer fächerartig angeordneter Richtcharakteristiken verbunden. Dem Richtungsbildner 20 ist eine Anzeige 21 für seine Richtungskanäle nachgeordnet, auf der über der Peilung R Ausgangssignale jedes Richtungskanals als Pegel dargestellt werden. Parallel dazu ist ein Spektralanalysator 22 vorgesehen, in dem Frequenzspektren der Ausgangssignale berechnet und ausgewertet werden. Die Verarbeitungskanäle 101, 102, . . .10n sind alle gleich aufgebaut und bestehen aus zwei Verarbeitungszweigen, die über Schalter 11, 12 wahlweise an die Wandleranordnung 10 und den Richtungsbildner 20 geschaltet werden. Die Schalter 11, 12 in den Verarbeitungskanälen 101, 102, . . ., 10n werden von einer Steuereinrichtung 30 angesteuert. Zur Detektion verbinden die Schalter 11, 12 ein im oberen Verarbeitungszweig angegebenes Tiefpaßfilter 40 eingangsseitig mit dem jeweiligen Wandler der Wandleranordnung 10 und ausgangsseitig mit dem Richtungsbildner 20. Über diesen Verarbeitungszweig wird eine Peilung im tieffrequenten Bereich durchgeführt. In diesem Frequenzbereich liegen Propellerdrehfrequenzen von propellergetriebenen Fahrzeugen, z. B. U-Booten, Oberflächenschiffen oder Hubschraubern. Die Grenzfrequenz f_g der Tiefpaßschaltung 40 und der Abstand d der Wandler ist so gewählt, dar die zugehörige Wellenlänge λ gerade gleich dem doppelten Abstand d ist. Die Grenzfrequenz f_g ist für die Schallgeschwindigkeit cA transducer arrangement 10 with electroacoustic transducers arranged equidistantly from one another at a distance d can be processed via the same number of processing channels 101 , 102,. . ., 10n connected to a directional generator 20 for forming a pivotable or a plurality of directional characteristics arranged in a fan-like manner. The directional generator 20 is followed by a display 21 for its directional channels, on the bearing R output signals of each directional channel are shown as a level. In parallel, a spectral analyzer 22 is provided in which frequency spectra of the output signals are calculated and evaluated. The processing channels 101 , 102,. . .10n are all constructed the same and consist of two processing branches, via switches 11, 12 selectively applied to the transducer assembly 10 and the beamformer are switched 20th The switches 11 , 12 in the processing channels 101 , 102,. . ., 10n are controlled by a control device 30 . For detection, the switches 11 , 12 connect a low-pass filter 40 specified in the upper processing branch on the input side to the respective converter of the converter arrangement 10 and on the output side to the direction generator 20 . A bearing in the low-frequency range is carried out via this processing branch. In this frequency range are propeller rotation frequencies of propeller-driven vehicles, e.g. B. submarines, surface ships or helicopters. The cut-off frequency f _{g of} the low-pass circuit 40 and the distance d between the transducers are selected such that the associated wavelength λ is just twice the distance d. The limit frequency f _g is for the speed of sound c

Mit dieser Anordnung werden gemäß dem LOFAR-Verfahren Spektrallinien im tieffrequenten Bereich gepeilt. Wenn einer der Richtungskanäle signifikante Ausgangssignale unter den Peilungen R₁, R₂ aufweist, wird mit der Steuereinrichtung 30 über die Schalter 11, 12 in jedem Verarbeitungskanal 101, 102, . . ., 10n auf den anderen Verarbeitungszweig umgeschaltet, der einen Bandpaß 50 und einen Hüllkurvendemodulator 60 mit Tiefpaß 61 aufweist. With this arrangement, spectral lines in the low-frequency range are aimed according to the LOFAR method. If one of the direction channels has significant output signals under the bearings R ₁ , R ₂ , the control device 30 uses the switches 11 , 12 in each processing channel 101 , 102,. . ., 10n switched to the other processing branch, which has a bandpass filter 50 and an envelope demodulator 60 with lowpass filter 61 .

Seine Grenzfrequenz ist gleich der Grenzfrequenz f_g der Tiefpaßschaltung 40. Die Mittenfrequenz des Bandpassen 50 liegt wesentlich höher als die Grenzfrequenz f_g, sein Durchlaßbereich ist gleich der doppelten Grenzfrequenz f_g. In diesem Verarbeitungszweig wird die Demonanalyse durchgeführt und das Ergebnis ebenfalls in der Anzeige 21 dargestellt. Wenn nach der Demonanalyse einer der Richtungskanäle ein Signal unter der gleichen Peilung R₁, R₂ aufweist, ist das vorher detektierte Geräusch das Geräusch eines propellerangetriebenen Fahrzeugs. In der Spektralanalyseschaltung 22 wird das unter den Peilungen R₁, R₂ empfangene demodulierte Signal untersucht und aus den ermittelten Propellerdrehfrequenzen eine Klassifizierung und Identifizierung des Fahrzeugs abgeleitet.Its cut-off frequency is equal to the cut-off frequency f _{g of} the low-pass circuit 40 . The center frequency of the bandpass 50 is substantially higher than the cut-off frequency f _g , its pass band is equal to twice the cut-off frequency f _g . The demon analysis is carried out in this processing branch and the result is also shown in the display 21 . If, according to the demon analysis, one of the directional channels has a signal under the same bearing R ₁ , R ₂ , the previously detected noise is the noise of a propeller-driven vehicle. The demodulated signal received under the bearings R ₁ , R _{2 is} examined in the spectral analysis circuit 22 and a classification and identification of the vehicle is derived from the determined propeller rotational frequencies.

Claims

1. Device for direction finding of propeller-driven vehicles with an extended transducer arrangement with directional to achieve a small opening angle when evaluating received sound waves emitted by the vehicle, characterized in that each transducer a bandpass filter ( 50 ) and envelope curve demodulator ( 60 ) with low-pass filter ( 61 ) can be specified Limit frequency (f _g ) is subordinate, the pass band of the band pass ( 50 ) and the limit frequency (f _g ) of the low pass ( 61 ) are dimensioned such that known propeller rotational frequencies are within and the center frequency of the band pass ( 50 ) is significantly higher than the limit frequency (f _g ) of the low pass, that distances (d) of the transducers are at most equal to half the quotient of the speed of sound (c) and cutoff frequency (f _g ), that outputs of all envelope curve demodulators ( 60 ) are connected to inputs of the directional generator ( 20 ), whereby output signals of directional channels with the highest levels Peilu specify (gen).

2. Device according to claim 1, characterized in that the transducers can be switched to low-pass filters ( 40 ) and the low-pass filters ( 40 ) have a cutoff frequency which is less than or equal to the speed of sound (c) divided by twice the distance (d) of the transducers , and the outputs of the low-pass filter ( 40 ) can be switched to the directional generator ( 20 ) and that a switchover from the low-pass filter ( 40 ) to the bandpass filter ( 50 ) with envelope curve demodulators ( 60 ) takes place when a low-frequency noise is detected in one of the directional channels .

3. Device according to one of the preceding claims 1 or 2, characterized in that each directional channel can be connected to a spectral analyzer ( 22 ).