DE4220429A1 - Verfahren zur Detektion und/oder Klassifizierung eines propellerbetriebenen Fahrzeugs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion und/oder Klassifizierung eines propellerbetriebenen Fahrzeugs aufgrund seines abgestrahlten Betriebsgeräuschs der im Oberbegriff des Anspruchs genannten Art.

Das Betriebsgeräusch eines Fahrzeugs wird hauptsächlich durch seine Antriebsmaschinen verursacht und als Fahrgeräusch von einem elektroakustischen Wandler empfangen und nach der Detektion für eine Peilung des Fahrzeugs und eine Klassifizierung ausgewertet. Das empfangene Geräusch weist bei Fahrzeugen, die von einem Propeller angetrieben werden, wie beispielsweise Oberflächenschiffe, U-Boote, Torpedos oder Hubschrauber und Propellerflugzeuge, periodische Lautstärkeschwankungen im Bereich von einigen Hz auf. Diese Lautstärkeschwankungen sind mit einer Amplitudenmodulation eines Rauschträgers vergleichbar und charakteristisch für jedes propellerbetriebene Fahrzeug.

Ein aus diesem empfangenen Geräusch gefiltertes und somit in seiner Frequenz auf ein Band begrenztes Rauschen wird bezüglich seiner Amplitudenmodulation demoduliert und die dadurch gewonnene Einhüllende ausgewertet. Insbesondere wird ein Frequenzspektrum der Einhüllenden gebildet und Grundfrequenzen und zugehörige Harmonische von Spektrallinien im Frequenzspektrum bestimmt. Eine solche Signalverarbeitung ist als DEMON-Verfahren (DEMON = Detection of Envelope Modulation on Noise) bekannt und beispielsweise in der US-PS 41 89 701 beschrieben. Die Anwendungen des DEMON-Verfahrens für Detektions- und Peilzwecke in der Wasserschalltechnik und Klassifizierung von Wasserfahrzeugen sind aus der DE-OS 35 31 230 und dem Aufsatz "Classification and Indentification - CAI - By Submarine Sonars", von L. Kühnle, in: Naval Forces, No. 6, 1987, bereits bekannt. Mit dem DEMON-Verfahren werden Rückschlüsse auf die Drehzahl des Propellers, die Anzahl der Propellerblätter und die Anzahl der drehenden Wellen gezogen.

Wertet man das Geräusch eines Hubschraubers aus, so stellt man fest, daß im Frequenzspektrum der Einhüllenden einerseits die Drehzahl des Hauptrotors als Grundfrequenz vorliegt, andererseits die Drehzahl des Heckrotors in einem um Vielfache höheren Frequenzbereich ebenfalls als Grundfrequenz erkannt werden kann. Zu beiden Grundfrequenzen können Harmonische festgestellt werden. Aus dem Verhältnis der beiden Grundfrequenzen wird auf den Hubschraubertyp rückgeschlossen, wie es beispielsweise in der DE-OS 39 29 077 beschrieben ist.

Aus der DE-OS 30 35 757 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Frequenz von Spektrallinien in einem Frequenzspektrum beschrieben, das es auch gestattet, dicht benachbarte Spektrallinien bezüglich ihrer Frequenz voneinander zu trennen und zu bestimmen.

Die Bestimmung der Grundfrequenz und ihrer Harmonischen wird jedoch um so problematischer, je geringer das Nutz-/Störverhältnis des empfangenen Betriebsgeräuschs ist.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs genannten Art zu schaffen, das es gestattet, auch bei gestörten Frequenzspektren eine Bewertung eines Detektions- und/oder Klassifizierungsergebnisses zu machen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs genannten Merkmale gelöst.

Fuzzy-Logiken sind im Zusammenhang mit Expertensystem bekannt (Elektronik 9, 1991, Günter Trautzel, "Mit Fuzzy-Logik näher zur Natur?").

Der Vorteil des Einsatzes von Fuzzy-Logiken bei der Auswertung eines Frequenzspektrums der Einhüllenden eines demodulierten, bandbegrenzten Rauschens nach dem DEMON-Verfahren bezüglich seiner Grundfrequenzen und Harmonischen bringt den Vorteil mit sich, daß zur Erkennung der Spektrallinien keine festen Schwellen bezüglich Amplitude und Frequenzintervall vorgegeben werden müssen, sondern über Zugehörigkeitsfunktionen definiert wird, wann es plausibel erscheint, daß im Frequenzspektrum eine Spektrallinie vorliegt und diese Spektrallinie nicht zum allgemeinen Rauschen, sondern Bestandteil einer Schar von Harmonischen oder deren Grundfrequenz selber ist. Indem einzelnen Meßgrößen Zugehörigkeitsfunktionen zugeordnet werden und miteinander verknüpft werden, ist es möglich, den gefundenen Grundfrequenzen und Harmonischen und den daraus gewinnbaren Ergebnissen für Detektion und Klassifizierung Glaubwürdigkeitswerte zuzuordnen, so daß unmittelbar anhand dessen ihre Zuverlässigkeit abgelesen werden kann.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels für den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Wasserschalltechnik im Zusammenhang mit einer Sonaranlage näher beschrieben.

Mit einer Anordnung 10 aus einer Sonarbasis und einem nachgeordneten Richtungsbildner werden richtungselektiv Geräusche empfangen. Ein solches empfangenes Geräusch wird einem Bandpaß 11 zugeführt, an dessen Ausgang ein bandbegrenztes Rauschen ansteht. Die Mittenfrequenz des Bandpasses 11 liegt beispielsweise bei 1000 Hz. In einem nachgeordneten Hüllkurvendemodulator 12 wird die Einhüllende des bandbegrenzten Rauschens bestimmt. In einem diesem nachgeschalteten Fast-Fourier-Transformator 13 wird das Frequenzspektrum der Einhüllenden bestimmt. Nach einer Normalisierung des Frequenzspektrums in einer Normalisierungsschaltung 14 wird das normalisierte Frequenzspektrum in einem System aus Fuzzy-Logiken 15 ausgewertet. Für die Grundfrequenzen und deren Harmonische sind Zugehörigkeitsfunktionen gewählt, die im Bereich von 1 Hz bis 10 Hz von 0 auf 1 in ihrem Wert ansteigen, von 10 Hz bis 15 Hz den Wert 1 aufweisen und von 15 Hz bis 20 Hz wieder abfallen. Diese Frequenzen entsprechen Drehzahlen für den Propeller von 60 U/min bis 1200 U/min.

Das Ergebnis der Auswertung nach dem DEMON-Verfahren ist in einer Darstellung 16 gezeigt. Z. B. wird unter einer Peilung von 300 ein Schiff detektiert, dessen Propeller mit einer Drehzahl von 294 U/min bis 297 U/min dreht und eine Blattzahl von 5 aufweist. Die Drehzahl schwankt, wie es im normalen Betrieb von Schiffen üblich ist. Jeder Drehzahlbestimmung wird ein Glaubwürdigkeitswert zugeordnet. Die Glaubwürdigkeitswerte liegen zwischen 0 und 1. Solange das detektierte Schiff weit entfernt ist, ist der Glaubwürdigkeitswert sehr gering, da das Nutz-/Störverhältnis im empfangenen Geräusch sehr schlecht ist. Mit zunehmender Annäherung steigt der Glaubwürdigkeitswert. Wenn jedoch andere Störungen während der Beobachtungszeit auftreten, kann der Glaubwürdigkeitswert unterschiedliche Größen annehmen. Im betrachteten Beobachtungszeitraum traten Glaubwürdigkeitswerte bis zu 0,36 auf.

Claims (1)

1. Verfahren zur Detektion und/oder Klassifizierung eines propellerbetriebenen Fahrzeugs aufgrund seines abgestrahlten Betriebsgeräuschs, das mit einem elektroakustischen Wandler empfangen, gefiltert und als bandbegrenztes Rauschen bezüglich seiner Einhüllenden demoduliert wird, das Frequenzspektrum der Einhüllenden bestimmt und Spektrallinien dieses Frequenzspektrums ausgewertet werden, gekennzeichnet durch die Verwendung von Fuzzy-Logiken zur Bestimmung und/oder Auswertung von Grundfrequenzen der Spektrallinien und/oder deren Harmonischen unter Zuordnung von Zugehörigkeitsfunktionen aus Plausibilitätsmaßen für die Spektrallinien und Ausgabe von Glaubwürdigkeitswerten.