DK149725B - System til identifikation af bevaegelig lydkilde - Google Patents

Description

i 149725 Nærværende opfindelse angår et system til identifikation af en bevægelig lydkilde og omfatter et antal lydmodtagere anbragt i afstand fra hinanden på en akse, der skærer den bevægelige lydkildes bevægelsesretning, hvilke lydmodtagere 5 er forbundet til hver sit filtreringsorgan indrettet til at udtrække lydsignaler i et forudbestemt frekvensbånd, hvilke lydsignaler dannes af lyde udsendt af den bevægelige lydkilde og opfanget af lydmodtagerne, og hvor filtreringsorganerne er forbundet til en korrelationskalkulator til frembringelse 10 af et korrelationsfunktionssignal, der angiver korrelationen mellem lydsignalerne som funktion af tiden i forudbestemte korte tidsintervaller, og hvilket system endvidere omfatter en maksimum-minimum-detektor, der er indrettet til at bestemme mindst et maksimum eller minimum af korrelationsfunktions-15 signalet og tidspunkter, ved hvilke sådanne maksima og minima indtræffer, hvilke tidspunkter varierer i afhængighed af elevationsvinklen (sigteretningens højde over horisonten) for den bevægelige lydkilde, og et identifikationsorgan til at skelne mellem ændringerne i indtræffelsestidspunkterne 20 for de nævnte maksima eller minima for at identificere den bevægelige lydkilde.

For at identificere en lydkilde i bevægelse og for at bestemme indfaldsretningen for lyde fra den bevægelige lydkilde måles 25 konventionelt en "bjergformet" variation, som vist i fig.

1, af lydenes lydtryk-niveauer. Lydene er i almindelighed støj fra den bevægelige lydkilde, og variationen fremkommer som en funktion af tiden i overensstemmelse med, at lydkilden først nærmer sig og derefter fjerner sig fra målepositionen, 30 og tiden ΔΤ^ mellem punkter, hvor lydtrykkene er reduceret med en forudbestemt størrelse ocdB fra spidsværdien af den førnævnte bjergformede variation eller tiden Δhvor lydtrykkene overskrider et forudbestemt niveau, kan bestemmes med det formål, at identificere lydkilden.

Imidlertid har den førnævnte konventionelle måde en alvorlig mangel ved det, at alle lyde hidrørende fra forskellige lyd- 35 2 149725 kilder, som tilfredsstiller de ovennævnte betingelser, betragtes som de lyde, der hidrører fra den samme lydkilde uden hensyn til arten af disse forskellige lydkilder, f.eks. enten en bevægelig kilde eller en stationær kilde eller enten en 5 kilde flyvende i luften eller en kilde kørende på jorden.

Selv om man søger at udføre målingen alene på støj hidrørende fra et luftfartøj flyvende i luften, kan lignende måleresultater opnås med støj fra et køretøj, f.eks. en bil, som kører på jorden tæt ved målestedet, således at det er umuligt at 10 identificere den tilsigtede bevægelige lydkilde, der i dette tilfælde er luftfartøjet. For med sikkerhed at bestemme lydkilden, dvs. luftfartøjet, er det påkrævet at anvende et stort personale og mange arbejdstimer til målingen og desuden at identificere forskellige lydkilder ved hjælp af en menneskelig 15 observans, f.eks. høresansen.

Fra US-patentskrift nr. 2.166.991 kendes et retningsbestenrnelsessystem med et par i indbyrdes afstand placerede lydmodtagere på en akse, hvis hældning kan ændres, og hvor signalerne fra lydmodtager-20 ne korreleres i et modulationskredsløb. Endvidere kendes fra DE—patentskrift nr. 14 48 622 et apparat, scm anvender en korrelatiohsana- lyse til støjundertrykkelse, og hvor der frembringes .retnings-afhængige måleværdier, der kan anvendes til akustiske, astronomiske eller radiotekniske pejlinger.

25

Fra DE-offentliggørelsesskrift nr. 25 02 342 er det kendt at anvende mnar udstyr med vandmlkrofoner og en elektronisk retningsgiver. Mikrofonerne opfanger støj, f.eks. udstrålet fra skibe samt omgivelsesstøj på grund af søgang, omsætter lydene til elektriske 30 signaler, hvorved signalerne fra nabomikrofoner bearbejdes til et udgangssignal, idet de tillægges en kølleformet retningskarakteristik, der kan drejes elektronisk af retningsgiveren. for at stedfæste forskellige støjkilder, f.eks. forskellige skibe.

Det er formålet med den nærværende opfindelse at tilvejebringe 35 3 M9725 et apparat af den i indledningen nævnte art, der kan skelne mellem støj frembragt af et luftfartøj over jorden og støj på jorden frembragt af stationære eller bevægelige lydkilder, såsom støj fra byggepladser og køretøjer eller støj fra sta-5 tionære lydkilder i bestemte højder, f.eks. en sirene, og som kan følge en bevægelig lydkilde automatisk.

Ifølge opfindelsen tilvejebringes et system af den i indledningen nævnte art, der er ejendommeligt ved, at et udglatnings-10 organ er indrettet til at kunne udglatte korrelationsfunktionssignalet fra korrelationsfunktionskalkulatoren som funktion af tiden, således at uønskede højere frekvenskomponenter fjernes fra korrelationsfunktionssignalet, og hvilket udglatningsorgan er forbundet til et differentierende organ, indrettet til 15 differentiation af korrelationsfunktionsignalet fra udglatningsorganet og indrettet til at kunne tilføre det differentierede korrelationssignal til maksimum-minimum-detektoren. Derved opnår man, at ekstreme værdier, som kun skyldes tilfældige støjimpulser uden tilknytning til den lydkilde man ønsker 20 at identificere, fjernes fra korrelationsfunktionen forud for bestemmelsen af de søgte maksima og minima, der skal danne grundlag for identifikationen af den ukendte lydkilde. Differentieringsorganerne gør det muligt på en simpel måde at bestemme, hvornår der indtræffer maksima eller minima.

25

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser en konventionel kurve til identifikation af en 30 bevægelig lydkilde, fig. 2 viser et blokdiagram over en foretrukken udformning af systemet til identifikation af en bevægelig lydkilde ifølge opfindelsen, fig. 3 viser (a), (b), (c), (d) og (e) kurver over successive stadier af variationen af en bølge af korrelationsfunktionssignalet frembragt af den i fig. 2 viste udformning, 35 149725 4 fig. 4 viser kurver, der angiver hvorledes opløsningsevnen afhænger af afstanden mellem de to mikrofoner i den i fig.

2 viste udformning, 5 fig. 5 viser en kurve, der angiver hvorledes afstanden fra målestedet til en lydkilde anbragt på jorden afhænger af højden over jord for midtpunktet mellem de to mikrofoner, fig. 6 viser et blokdiagram over en anden foretrukken udformning 10 af systemet til identifikation af en bevægelig lydkilde ifølge opfindelsen, fig. 7 (a) viser et blokdiagram, der er et eksempel på kredsløbsarrangementer med et udglatningskredsløb, en differentiator, 15 en maksimum-minimum-detektor og et lydkildeidentifikationskreds løb, der alle anvendes i udformningerne vist i fig. 2 og 6, fig. 7 (b) viser et blokdiagram over opbygningen af udglatningskredsløbet anvendt i kredsløbsarrangementerne vist i 20 fig. 7 (a), fig. 7 (c) viser et blokdiagram over en udformning af diffe-rentiatoren og maksimum-minimum-detektoren, der indgår i kredsløbsarrangementerne vist i fig. 7 (a), 25 fig. 7 (d) viser et blokdiagram over en udformning af lydkilde-identifikationskredsløbet, der indgår i kredsløbsarrangementerne vist i fig. 7 (a) og anvendes til at bestemme indfaldsretningen af lyden hidrørende fra lydkilden, og 30 fig. 7 (e) viser et blokdiagram over en udformning af lydkildeidentifikationskredsløbet, der indgår i kredsløbsarrangementerne vist i fig. 7 (a), og anvendes til identifikation af en bevægelig eller stationær lydkilde ved sammenligning af suc-35 cessive resultater ved bestemmelse af indfaldsretningen, som vist i fig. 7 (d).

149725 5 I fig. 2 er der vist et eksempel på en udformning af systemet til identifikation af en bevægelig lydkilde. I diagrammet i fig 2 er to mikrofoner 1 og 2, som fortrinsvis har kuglekarakteristik, anbragt på en akse vinkelret på jorden med 5 en indbyrdes afstand Tq, og en højde over jorden på henholds vis r^ og To lydsignaler svarende til lydene, som opfanges af mikrofonerne 1 og 2, og som hidrører fra en fjern lydkilde, f.eks. et luftfartøj 9, der flyver i luften, eller en bil 10, der kører på jorden, tilføres to spektralfiltre 3 og 4.

10 I disse spektralfiltre 3, 4, hvis frekvenskarakteristikker falder sammen med lydspektret for den tilsigtede lydkilde, f.eks. det flyvende luftfartøj 9, udtrækkes de frekvenskomponenter, der er karakteristiske for den tilsigtede lydkilde.

De udtrukne frekvenskomponenter tilføres en krydskorrelati-15 onsfunktionskalkulator 5, hvori der på kendt måde beregnes en korttids-krydskorrelationsfunktion for de to lydsignaler fra den tilsigtede lydkilde. I kryds-korrelationsfunktionskalkulatoren 5 samples de ovennævnte frekvenskomponenter fra de to lydkildesignaler fra de to mikrofoner 1, 2 i en forud-20 bestemt periode, f.eks. på 100 μβ, og to grupper af en række samplesignalniveauer, der hver især kan repræsentere signalet i et forudbestemt kort tidsinterval af passende længde, registreres i en successiv hukommelse, f.eks. i et skifteregister.

25 Derpå udregnes til hvert måletidspunkt, der er valgt med hensigtsmæssige mellemrum, respektive produkter mellem successive samplesignalniveauer, som afgives parallelt fra hukommelsen, og som tilhører den ene gruppe af samplesignalniveauer svarende til den ene af mikrofonerne, f.eks. mikrofonen 2, og som lig-30 ger før eller efter et samplesignalniveau midt i den anden gruppe af samplesignalniveauer for den anden mikrofon 1, og som er afledt fra hukommelsen som en standard, - og dette standardiserede signalniveau. Som et resultat af de ovennævnte udregninger fås krydskorrelationsfunktionen mellem to lyd-35 signaler fra mikrofonerne 1 og 2 i for af en ensemble middelværdi for de ovennævnte udregnede produkter i det førnævnte 6 149726 forudbestemte korte tidsinterval.

I det følgende forklares først og fremmest en autokorrelationsfunktion af et informationssignal, f.eks. et lydsignal.

5

Hvis repræsenterer en funktion, der viser en stationær stokastisk proces, er en ensemble middelværdi ψ, . af x7J_. ·χ/Λ.. .

(x) (t) (t+τ) defineret ved 10 ψ = x ·χ,. . Γ y(x) (t) (t+τ) som kaldes en autokorrelationsfunktion af x^j, der er en størrelse, der viser, hvor tæt korrelation, der mellem to værdier af den stationær stokastiske procesfunktion x^j, 15 hvilke to værdier er frembragt til hver sit tidspunkt, adskilt af tidsintervallet τ . Hvis de to værdier for de to tidspunkter adskilt af tidsintervallet ikke har nogen korrelation overhovedet, nemlig hvis de er uafhængige af hinanden, fås f.eks.

20 __ ^(x) = x(t) ' X(t+T) således at x(t) = x(t+r) = 0 25 hvor det antages, at både og χ(^.+τ) ikke indeholder nogen DC-komponent. På den anden side er funktionen x(tj stationær og følgelig ændres størrelsen af ensemble-middelværdien ψ ( τ) ikke ved at substituere t-»t+r , således at 30 *(T) “ x(W-x(t+x> ’ X(t-T)-X(t) ' *(-τ) dvs. at den førnævnte autokorrelationsfunktion er en lige funktion med hensyn til sampletidsforskellen τ.

I modsætning hertil er krydskorrelationsfunktionen af x^tj defineret ved 35 7

T4972S

ψ1,2( τ) = xl(t) X2(t+ τ) I det tilfælde, hvor to mikrofoner har ens karakteristik og 5 disse to mikrofoner er fjernet tilstrækkeligt fra en lydkilde, kan to lydsignaler, der er dannet af hver sin lyd (fra den samme fjerne lydkilde) opfanget af hver sin mikrofon, betragtes som det samme signal med en vis indbyrdes faseforskel. Følgelig kan krydskorrelationsfunktionen mellem disse to lydsig-10 naler behandles som autokorrelationsfunktionen af et lydsignal afgivet fra en enkelt mikrofon, hvor dette lydsignal er sammensat af to komponenter med samme bølgeform og en lille indbyrdes tidsforskel.

15 I det tilfælde, hvor lydkilden 10, f.eks. er anbragt i et horisontalt plan, som ligger vinkelret på aksen gennem de to mikrofoner 1, 2 og indeholder deres midtpunkt, skal det bemærkes, at en lyd fra lydkilden 10 ankommer samtidigt til de to mikrofoner 1, 2, og at de to bølgef ormer ^ og Xjit) 20 af lydsignalerne fra de to mikrofoner er identiske. Heraf følger xl(t) = X2(t) 25 således at beregningen i krydskorrelationsfunktionskalkulatoren giver: Ψ(τ) = X1(t)*x2(t+τ ) = X1(t)*X1(t+τ ) 30

Hvis lydkilden 9 dermed er anbragt i en retning, der danner en vinkel Θ med en normalplan til aksen, gennem de to mikrofoner 1, 2, ses det, at den opfangede lyd, f.eks. af mikrofonen 2 omdannes til et lydsignal med en bølgeform, som er 35 identisk med, men tidsforskudt Tg i forhold til et standardiseret bølgelydsignal omdannet fra den lyd, der opfanges af den anden mikrofon 1, hvor 149725 8 r0 τ0 - lydhastighed 5ΐηθ og x2(t) = Xl(t-r0) 5 Følgelig kan krydskorrelationsfunktionen mellem de to lydsignaler fra mikrofonen 1 og 2 i dette tilfælde udregnes som følger.

10 ψ1,2(τ) = xl(t)*X2(t+τ) = xl(t)*xl(t+T-T0) 15 = ΨΚτ-τ0)

Hvis det observeres, at samtidigt frembragte lyde registreres af de to mikrofoner 1 og 2 omtrent samtidigt, (ligesom i det tilfælde, hvor lydkilden 10 er anbragt på jorden, som vist i fig. 2), vil bølgeformerne af lydsignalerne afgivet af dis- 20 se to mikrofoner henholdsvis 1 og 2 følgelig være identiske.

Når sampletidsforskellen τ sættes til nul, dvs.r =0, udviser størrelsen af den førnævnte ensemble middelværdi af respektive produkter mellem respektive signalniveauer samplet samtidigt, f.eks. mellem samplesignalniveauer midt i de to grupper af samplesignalniveauer for hver sin mikrofon 1, 2, den største krydskorrelationsværdi, og størrelsen af krydskorrelationen aftager i overensstemmelse med stigende sampletidsforskel τ.

30

Hvis det derimod konstateres, at samtidigt frembragte lyde registreres af de to - i indbyrdes afstand anbragte - mikrofoner 1 og 2 med en tidsforskel svarende til vejforskellen mellem vejlængderne fra lydkilden til hver af de to mikro-foner 1, 2 (på samme måde som i tilfældet med lydkilden 9, der er et luftfartøj, der flyver i luften som vist i fig.

2), vil krydskorrelationen mellem respektive samplesignal- 9 143725 niveauer med en sampletidsforskel svarende til vejlængdeforskellen være nøjagtig den samme som den ovennævnte krydskorrelation, der opnås, når sampletidsforskellenτ =0 og lydkilden 10 er anbragt på jorden. Det vil således gælde, at 5 den største krydskorrelationskoefficient opnås, når sampletids forskellen er lig med den, der svarer til den førnævnte vejlængdeforskel .

Med hensyn til lyde, der kommer oppefra, afviger korrelations-10 graden imidlertid fra den, der vedrører lydkilden anbragt på jorden, på grund af, at den fra jorden reflekterede lyd adderes til den lyd, der kommer oppefra. Følgelig er den førnævnte største værdi, dvs. maksimum af krydskorrelationen kun en af respektive maksima af krydskorrelationen, der skyldes 15 virkningen af den yderligere indfaldende lyd. Med andre ord er bølgeformen af krydskorrelationsfunktionssignalet for den lyd, der kommer fra jorden, "bjergformet” dvs. såkaldt unimodal, når sampletidsforskellenτ=0, som vist i fig. 3 (a). Tilsvarende gælder for det tilfælde, hvor lyden kommer fra en lyd-20 kilde f.eks. et flyvende luftfartøj anbragt uendeligt langt væk oppe i luften. Bølgeformen af krydskorrelationsfunktionssignalet for lyd, der kommer fra et luftfartøj, der flyver forholdsvis tæt på mikrofonerne og dermed på jorden, viser derimod, som det ses i fig. 3 (c), to maksima på hver side 25 af τ=0.

Den ovennævnte sampletidsforskel τ, som giver et maksimum af krydskorrelationsfunktionssignalet, varierer med variationen af forskellen i ankomsttid til de to separate mikro-30 foner for lyden fra det flyvende luftfartøj, hvilken varia tion skyldes luftfartøjets bevægelse, ligesom den sampletidsforskel *r , der bevirker et minimum mellem de førnævnte maksima, varierer på samme måde samtidig.

35 Følgelig kan det ud fra forekomsten af maksima og minima af krydskorrelationsfunktionssignalet og den sampletidsforskel, der bevirker disse værdier, og deres variation, identificeres 149725 ίο eller bestemmes, om den indkommende lyd hidrører fra en bevægelig lydkilde, f.eks. et flyvende luftfartøj eller ej, og i hvilken retning en bevægelig lydkilde befinder sig.

5 Nærværende opfindelse bygger på den ovennævnte identifikation af den bevægelige lydkilde.

Som vist i fig. 2, tilføres korrelationsfunktionssignalet, der dannes i korrelationsfunktionskalkulatoren 5 til et ud-10 glatningskredsløb 6, hvori kun den frekvenskomponent, der udviser den ovennævnte variation i bølgeformen af korrelationsfunktionssignalet, udtrækkes ved at udglatte de uønskede frekvenskomponenter, der er ekstremt høje sammenlignet med sampleperioden. Grunden hertil er, at den opnåede bølgeform af kor-15 relationsfunktionssignalet vedrørende den ovennævnte identi fikation eller adskillelse i forbindelse med korrelationsfunktionssignalet i praksis ikke udviser en simpel eller glat unimodal form, som vist i fig, 3 (a), på grund af den tilbageblevne yderligere støjkomponent, som der er på grund af den 20 alt for korte integrationstid svarende til lydsignalets sample tidsperiode.

Det udglattede korrelationsfunktionssignal, der kommer fra udglatningskredsløbet 6, påtrykkes en differentiator 7, der 25 frembringer et signal, der svarer til differentialkvotienten af det udglattede korrelationsfunktionssignal, og som så påtrykkes en maksimum-minimum-detektor 8. I maksimum-minimum-detektoren 8 detekteres de førnævnte maksima og minima af det udglattede korrelationsfunktionssignal på tidsaksen svar-30 ende til hældningsretningen af det førnævnte differential kvotientsignal .

I systemet til identifikation af en bevægelig lydkilde ifølge opfindelsen kan en vinkelψ bestemmes som funktion af sample-35 tidsforskellen τ, ved hvilken de førnævnte maksima og minima frembringes.φ er vinklen mellem den lodrette akse gennem de to mikrofoner 1, 2 og en linie gennem midtpunktet mellem de to mikrofoner og den tilsigtede bevægelige lydkilde 9, som 143725 11 vist i fig. 2, dvs. den retning, som den tilsigtede bevægelige lydkilde 9 befinder sig i i måleøjeblikket. Ud fra den karakteristiske bølgeform af korrelationsfunktionssignalet, der viser de førnævnte maksima og minima eller variationen 'af 5 den førnævnte vinkel ψ, der omgiver retningen til den tilsigtede lydkilde, kan det bestemmes, om den tilsigtede lydkilde bevæger sig.

Identifikationen af den bevægelige lydkilde skal forklares 10 i detaljer for det tilfælde, hvor den tilsigtede bevægelige lydkilde er et luftfartøj, der passerer lige over målestedet, hvor de to mikrofoner er anbragt, den ene lodret over den anden.

15 Som vist i fig. 2, er mikrofonerne 1 og 2 anbragt på en lodret akse i højderne henholdsvis r^ og r^ over jorden og med en indbyrdes afstand på rQ. Retningen mod det flyvende luftfartøj er angivet ved en vinkel f, der er komplementærvinklen til højdevinklen θ. I dette tilfælde er forskellen mellem 20 afstanden fra hver af de to mikrofoner 1, 2 til det flyvende luftfartøj 9 i det væsentlige lig med r^ cosØ>, således at der fremkommer en forskel i ankomsttid på rn ·- _ cos'fø sekunder, 25 c r hvor c er lydhastigheden, mellem de respektive udgangslydsignaler fra mikrofonerne 1 og 2, hvilke lydsignaler -omdannes af hver sin mikrofon og hidrører fra de samme lyde frembragt 30 samtidig af det flyvende luftfartøj 9.

Som tidligere nævnt - i afhængighed af sampletidsforskellen τ svarende til den førnævnte forskel i ankomsttid - udregnes krydskorrelationsfunktionen som en ensemble middelværdi af 35 de respektive produkter mellem de respektive samplesignal- niveauer, der består af de førnævnte lydsignaler· afledt fra henholdsvis mikrofonen 1 og 2, hvilken krydskorrelationsfunktion viser de førnævnte maksima. Sampletidsforskellen τ-svar- 149725 12 ende til disse maksima - varieres i afhængighed af variationen af den førnævnte forskel i ankomsttid på

Tq cosø> 5 “

Variationen skyldes det flyvende luftfartøj 9's bevægelse.

I det tilfælde, hvor det flyvende luftfartøj 9, som repræ-10 senterer den bevægelige lydkilde, bevæger sig i horisontal retning ved successive måletidspunkter t^, t2, tg, t^, t,. osv., som vist i fig. 2, vil bølgeformen af korrelationsfunktionssignalet, der dannes af korrelationsfunktionskalkulatoren 5, varierer efterhånden, som vist i fig. 3 (a) til (e).

15 I det tilfælde, hvor den førnævnte vinkelΨ = 0, hvilket vil sige, at det flyvende luftfartøj 9 befinder sig lige over de to mikrofoner 1, 2 og passerer den lodrette akse, dvs. til måletidspunktet tg, har korrelationsfunktionssignalet 20 bølgeformen som vist i fig. 3 (c), hvor den første spids p^ af bølgeformen fremkommer ved en forskel i ankomsttid r _0 c 25 mellem de lyde, som ankommer henholdsvis til mikrofonen 1 og 2 direkte fra det flyvende luftfartøj 9. Den anden spids P2 åf bølgeformen fremkommer som følge af forskellen i ankomsttid mellem de lyde, der ankommer direkte, og de, der ^ ankommer, efter at være reflekteret af jorden.

Hvis den indfaldende lyd kun hidrører fra det flyvende luftfartøj indikerer korrelationsfunktionssignalet som ovenfor beskrevet spidsværdien p. svarende til sampletidsforskellen 35 1 τ, der har en vis tidslængde, som varieres 1 afhængighed af den tilsigtede lyds forskel i ankomsttid, hvilken variation skyldes den tilsigtede lydkildes bevægelse, dvs. det flyvende 13 149725 luftfartøjs. Følgelig udviser korrelationsfunktionssignalet den unimodale bølgeform som vist i fig. 3 (a), eftersom forskellen i ankomsttid kan betragtes som i det væsentlige nul, da det flyvende luftfartøj er anbragt næsten uendeligt lagt 5 væk.

Når forskellen i ankomsttid bliver forholdsmæssig større som følge af, at det flyvende luftfartøj nærmer sig, får korrelationsfunktionssignalet en bimodal bølgeform, som vist i fig. 3 (b).

10

Afstanden mellem de to spidser af korrelationsfunktionssignalets bimodale bølgeform stiger, når det flyvende luftfartøj nærmer sig og i overensstemmelse dermed falder signalniveauet af korrelationsfunktionssignalet gradvist midt mellem de to spid-15 ser af den bimodale bølgeform, dvs. når tidsforskellen τ= 0. Når det flyvende luftfartøj befinder sig lige over de to mikrofoner, således at forskellen i ankomsttid er lig med r0 20 c har det lave signalniveau i midten i det væsentlige nået minimum, og er ubetydeligt sammenlignet med spidsniveauet p^.

25 Eftersom sampletidsforskellenτ for den første frembragte spids p^ af korrelationsfunktionssignalet ændrer sig med bevægelsen af det flyvende luftfartøj 9, (som repræsenterer den bevægelige lydkilde), kan identifikation af den tilsigtede lyd fra den bevægelige lydkilde udføres ved at bestemme variationen 30 af sampletidsforskellen τ, svarende til den frembragte første spids . Følgelig kan lyde fra en stationær lydkilde, f.eks. en sirene, let skelnes fra støjlyde fra det flyvende luftfartøj, selv om den stationære lydkilde er anbragt oppe i luften, ligesom det flyvende luftfartøj.

Med hensyn til lyde fra en bevægelig lydkilde på jorden, f.eks. en kørende bil, som befinder sig i det væsentlige i samme 35 149725 14 højde på jorden som lydmodtagerne, nemlig de to mikrofoner, bliver den førnævnte vinkel i forhold til den lodrette akse 90°, nemlig φ = 90°, således at de respektive vinkler, hvorunder lyden fra den ovennævnte på jorden kørende lydkilde 5 ankommer, i det væsentlige er lige store, uanset om lydkilden bevæger sig på jorden eller ej. Da der følgelig ikke kan være en forskel i ankomsttid mellem de samme lyde opfanget af de to mikrofoner, fremkommer det førnævnte maksimum af krydskorrelationsfunktionen af de ovennævnte samme lyde kun, når 10 sampletidsforskellen τ= 0.

Selv i det tilfælde, hvor både en lydkilde 9 bevæger sig oppe i luften, f.eks. det flyvende luftfartøj, og en bevægelig eller stationær lydkilde 10 befinder sig på jorden, og er 15. til stede samtidig, og endvidere, hvis begge støjlydene fra hver sin lydkilde 9 henholdsvis 10 ankommer til målestedet med sammenlignelige lydtryksniveauer i en blanding, kan systemet let detektere, de førnævnte spidser svarende til sampletidsforskellen hidrørende alene fra lydkilden, der bevæger 20 sig oppe i luften, ved at adskille de ønskede komponenter fra de uønskede komponenter i signalerne fra mikrofonerne ved hjælp af de respektive karakteristikker fra spektralfil-trerne 3 og 4.

25 Da sampletidsforskellen τ - svarende til den førnævnte spids-p^ af korrelationsfunktionssignalet - bestemmes i afhængighed af forskellen i ankomsttid r0 cosjp 30 c mellem de to mikrofoner 1, 2, som modtager lyden fra den bevægelige lydkilde 9 oppe i luften, kan opløsningsevnen, dvs. evnen til at adskille sampletidsforskellen mellem de førnævnte 35 maksima og minima af korrelationsfunktionssignalet, forøges ved at forøge afstanden rg mellem de to mikrofoner 1, 2, idet de andre målebetingelser fastholdes uændrede.

149725 15

Ifølge eksperimentelle resultater baseret på opbygningen vist i fig. 2, og hvis højdevinklen Θaf retningen til den bevægelige lydkilde oppe i luften sættes til en værdi på 10°, fremkommer den første spids p1 af korrelationsfunktionssignalet som 5 vist i fig. 3 (c) med sampletidsforskellen τ = 0,5 msek., P1 når afstanden Tq mellem mikrofonerne 1 og 2 er sat til en værdi på 1 m, og disse spidser p^ fremkommer med sampletidsforskelle τ = 2,5 msek., når afstanden rn er sat til 5 m.

Pi u 10 således at opløsningsevnen i sidstnævnte tilfælde er forøget betydeligt.

Bredden af den unimodale form, der er vist i fig. 3 (a), be-15 stemmes af frekvensbåndbredderne af lydsignalerne, og hvis disse båndbredder er for brede, sænkes signalniveauerne svarende til sampletidsforskellen τ= 0 ikke tilstrækkeligt som vist i fig. 3 (b). Selv i et sådant tilfælde kan de første spidser p^ imidlertid adskilles fra hinanden, som vist i fig. 3 (c), 20 ved at forøge afstanden r^ mellem de to mikrofoner 1 og 2 f.eks. til 5 m.

Hvis rg gøres meget stor, opstår der en væsentlig forskel i ankomsttider (de tidspunkter, hvor lyden når frem til hen-25 holdsvis den ene og anden mikrofon), selv for lyd fra en bevægelig lydkilde på jorden, og det bliver vanskeligt at adskille lyd fra et luftfartøj flyvende oppe i luften og lyd fra en lydkilde, der bevæger sig på jorden.

30 Følgelig er det påkrævet ved anbringelsen af mikrofonerne at fastsætte de respektive højder over jorden og den indbyrdes afstand på en sådan måde, at "sænkningsvinklen" (den nedadgående retning) mod en lydkilde, der bevæger sig på jorden, kan negligeres i forhold til højdevinklen mod en lydkilde, 35 der flyver oppe i luften. For at kunne skelne mellem lyd fra et flyvende luftfartøj, som ligger i en højdevinkel. Θ på lige over 10°, må en uønsket lydkilde, der bevæger sig på jorden, 16 149726 befinde sig i en afstand på over 29 m fra målestedet, hvis afstanden rg mellem de to mikrofoner er 5 m.

Pig. 4 viser, hvorledes sampletidsforskellene for spids-5 værdierne af korrelationsfunktionssignalet afhænger af afstanden rg mellem mikrofonerne for forskellige værdier af højdevinklen Ømod den bevægelige lydkilde oppe i luften.

TPi svarer til opløsningsevnen eller muligheden for at adskil-10 le spidserne p^.

Pig. 5 viser den mindste afstand til en støjkilde på jorden som funktion af højden mellem de to mikrofoners midtpunkt over jorden for forskellige værdier af sænkningsvinklen mod en uønsket bevægelig lydkilde (kommer støjkilden inden for denne mindsteafstand, vil den forstyrre tolkningen af krydskorrelationskurven}.

Fig. 6 viser et andet eksempel på en udformning af et system 20 til identifikation af en bevægelig lydkilde. Udformningen vist i fig. 6 svarer omtrent til den, der er vist i fig. 2, men et konventionelt forsinkelseskredsløb med variabel forsinkelse er indskudt mellem spektralfilteret 3 og korrelationsfunktionskalkulatoren 5. Ligesom ved udformningen vist i fig.

25 2 opfanges den indfaldende lyd fra den tilsigtede bevægelige lydkilde af mikrofonerne, der er indrettet til at identificere den bevægelige lydkilde. Tidsforsinkelsen, frembringes af det førnævnte variable forsinkelseskredsløb 11, styres i afhængighed af udgangssignalet fra maksimum-minium-détektoren 30 8, for at forskyde de respektive sampletidspunkter fra hin anden, dvs. de tidspunkter, ved hvilke lydsignalerne fra mikrofonerne 1, 2 samples. Forskydningen eller forsinkelsen styres således, at forsinkelsen når maksimalværdien på 35 r fo c 149725 17 når det tilsigtede flyvende luftfartøj befinder sig lige over mikrofonerne 1, 2, således at forsinkelsen svarer til forskellen i ankomsttid for lydsignaler fra det tilsigtede flyvende fartøj 9, eller alternativt, når det tilsigtede flyv-5 ende luftfartøj 9 passerer mikrofonerne i den nærmest mu lige position, vil forsinkelsen antage sit første maksimum svarende til forskellen i ankomsttid. Tidsforsinkelsen styres således i afhængighed af sampletidsforskellen for korrelationsfunktionens maksima og minima. Følgelig er det muligt, at 10 følge det tilsigtede flyvende fartøj, der repræsenterer en typisk bevægelig lydkilde, ved at bestemme vinklenφ eller højdevinklen θ mod det flyvende luftfartøj 9 i overensstemmelse med kalibreringen af den ovennævnte styrede tidsforsinkelse.

15 I stedet for den ovennævnte elektriske automatiske forfølgelse ved hjælp af det tilføjede variable forsinkelseskredsløb 11 er det endvidere muligt også at følge det tilsigtede flyvende fartøj 9 mekanisk, ved at dreje retningen af den akse, 20 hvorpå de to mikrofoner er anbragt.

Fig. 7 (a) viser et eksempel på kredsløbsarrangementer til udførelse af den førnævnte identifikation og automatiske forfølgelse af den bevægelige lydkilde ifølge nærværende opfind-25 else med udglatningskredsløbet 6, differentiatoren 7 og mak-simum-minimum-detektoren 8, som vist i fig. 2, og med en ekstra lydkildeidentifikationsenhed inkluderet i det hele.

I identifikationssystemet ifølge nærværende opfindelse ud-30 føres udregninger på sampleværdier af lydsignalniveauerne for at danne krydskorrelationsfunktionen af det tilsigtede lydsignal, og man ønsker endvidere at formindske og lette kredsløbsarrangementerne ifølge opfindelsen ved anvendelse af integrerede kredsløb. Det foretrækkes derfor, at digitali-35 sere korrelationsfunktionssignalet, der dannes i korrelationsfunktionskalkulatoren 5. Følgelig er kredsløbsarrangementerne vist i fig. 7 (a) indrettet til behandling af det digitale 149725 18 korrelationsfunktionssignal.

I blokdiagrammet vist i fig. 7 (a) er styresystemerne vist med enkelte punkterede linier og adressesystemerne er vist 5 med dobbelte punkterede linier og de dele af blokdiagrammet vist i fig. 7 (a), som svarer til udglatningskredsløbet 6, differentiatoren 7, maksimum-minimum-detektoren 8 og lydkildeidentifikationskredsløbet er individuelt vist i fig.

7 (b) til 7 (e), hvor de tilsvarende dele er indikeret af fuldt optrukne linier.

Blokdiagrammet i fig. 7 (b) svarer til udglatningskredsløbet 6, hvor de digitaliserede korrelationsfunktionssignaler, der påtrykkes til indgangsterminalen 12, indlæses successivt i 15 en korrelationsudgangshukommelse 13 via en indgangsomskifter 25. Derefter adderes tre eller fem udgangsdata i nærheden af hinanden i et additionskredsløb 15 for at fjerne støjkomponenter fra de udgangsdata, der afgives fra hukommelsen 13 for med den størst mulige nøjagtighed at bestemme korrelation-20 en, ved at udglatte korrelationsfunktionssignalets bølgeform. Disse udglattede data, der kommer fra additionskredsløbet 15, tilføres til den anden indgangsterminal af indgangsomskifteren 25, der styres af en central styreenhed 14, for at tilbageføre disse udglattede udgangsdata til korrelations-25 udgangshukommelsen 13 og så successivt registrerer disse udglattede data i stedet for de oprindelige data.

Differentiatoren 7, som vist i fig. 7 (c), tilføres de udglattede udgangsdata fra korrelationsudgangshukommelsen 13 30 successivt til et subtraktionskredsløb 16, hvori data, der er en sampleperiode tidligere, successivt subtraheres fra efterfølgende data. Hvis det subtraherede resultat er "+", afgives et udgangssignal på "1" fra subtraktionskredsløbet 16, og hvis det subtraherede resultat er , afgives et ud-35 gangssignal på "0" fra subtraktionskredsløbet 16, og disse udgangssignaler indlæses successivt i en polaritetstabelhukommelse 17. Udgangssignalerne på "1" eller "0" afgives fra 149725 19 polaritetstabelhukoiranelsen 17 og tilføres successivt til et sammenfaldidentifikationskredsløb 18 for at skelne maksimale og minimale værdier af korrelationsudgangsdata. I sammenfaldsidentifikationskredsløbet 18 detekteres et vendepunkt, hvorved 5 korrelationsudgangsdata ændres fra "+" eller "1" til eller "0" og en adresse svarende til vendepunktet registreres i en adressehukommelse 19 for maksima og minima som et maksimum. I modsætning dertil registreres et andet vendepunkt, hvorved korrelationsudgangsdata ændres fra eller "0" til 10 "+" eller "1" i sammenfaldsidentifikationskredsløbet 18 og en anden adresse svarende til det andet vendepunkt registreres i adressehukommelsen for maksima-minima.

Kredsløbet vist i fig. 7 (d) er indrettet til bestemmelse 15 af retningen, i hvilken den tilsigtede lyd befinder sig. I

kredsløbet vist i fig. 7 (d) subtraheres standardiserede korrelationsudgangsdata, registreret ved adressen svarende til sampletidsforskellenτ = 0 og afgivet fra korrelationsudgangshukommelsen 13, fra korrelationsudgangsdata fra korrelations-20 udgangshukommelsen 13 for adresser svarende henholdsvis til sampletidsforskellen τ-^ og i^og som f0l9e heraf fremkommer den førnævnte første spids p^ og den anden spids p2 af korrelationsfunktionssignalet, hvilken adresse afgives fra adressehukommelsen for maksima-minima 19 og tilføres så til korre-25 lationsudgangshukommelsen 13 via en adresselinieomskifter 26 i subtraktionskredsløbet 16. Hvis det subtraherede resultat er positivt, dvs. ψ(τ^)>ψ(τ0) , er det identificeret, at den tilsigtede lydkilde befinder sig oppe i luften, således at adressen svarende til henholdsvis sampletidsforskellen 30 τ·^ og τ2 i adressehukommelsen for maksimum-minimum 19 ikke ændres, medens det, hvis det subtraherede resultat er negativt, dvs. ψ(τ^)<ψ(τ0) , er identificeret, at den tilsigtede lydkilde befinder sig på jorden, således at de førnævnte a-dresser i adressehukommelsen for maksimum-minimum 19 ændres 35 til den for Tq.

Resultaterne af den ovennævnte identifikation af retningen, i hvilken den tilsigtede lydkilde befinder sig, afgives fra 149725 20 en udgangsterminal 21 via en udgangport 29 og spidsværdien af de udglattede korrelationsudgangsdata afgives fra en udgangs-terminal 20 via en udgangsport 28.

5 Endvidere i afhængighed af successive tilføringer af korre lationsudgangsdata fra indgangsterminalen 12 til korrelationsudgangsdata fra indgangsterminalen 12 til korrelationsudgangshukommelsen 13 gentages de successive behandlinger af korrelationsudgangsdata som nævnt i forbindelse med fig. 7 (a) 10 til (d) og for hver af disse gentagelser fornyes successivt de førnævnte adresser registreret i adressehukommelsen for maksimum-minimum 19.

Kredsløbet vist i fig. 7 (e) er indrettet til at skelne, om 15 den tilsigtede lydkilde bevæger sig eller er stationær ved hjælp af organer til sammenligning af successivt fornyede adresser én efter én, hvilket svarer successivt til sampletidsforskellene for spidsværdierne af de frembragte korrelationsudgangsdata. I kredsløbet vist i fig. 7 (e) tilføres de suc-20 cessivt fornyede adresser fra adressehukommelsen for maksi mum-minimum 19 successivt til et subtraktionskredsløb 27, hvor subtraktionen udføres successivt mellem disse fornyede adresser én efter én. Hvis det subtraherede resultat er nul, dvs. hvis ingen ændring forekommer mellem de successivt fornyede 25 adresser successivt, svarende til sampletidsforskelle for de frembragte spidsværdier af korrelationsudgangsdata identificeres det, at den tilsigtede lydkilde er stationær, medens hvis det subraherede resultat ikke er lig nul, dvs. hvis en vis ændring fremkommer mellem successivt fornyede adresser 30 identificeres det, at den tilsigtede lydkilde bevæger sig.

Disse subtraherede resultater afgives fra en udgangsterminal 22 via en udgangsport 30, så de kan anvendes til den førnævnte automatiske, elektriske eller mekaniske forfølgelse af den tilsigtede lydkilde på en sådan måde, at det subtraherede 35 resultat hele tiden holdes lig med nul.

149725 21

For i praksis at udføre en fuldstændig automatisk forfølgelse af en bevægelig lydkilde er det påkrævet at udføre den ovennævnte behandling af korrelationsudgangsdata både med hensyn til et vertikalt og et horisontalt arrangement af mindst to 5 mikrofoner, således at både højdevinklen og pejlingen mod den tilsigtede lydkilde bestemmes.

Følgelig er det som ovenfor nævnt ifølge nærværende opfindelse muligt at identificere støjlyd hidrørende fra den tilsigtede lydkilde og at udføre en automatisk forfølgelse af den indkom-mende retning mod den tilsigtede støjlyd, selv hvis baggrundsstøjniveauet ved målestedet er ekstremt højt, således at det er muligt at tilvejebringe systemet til identifikation af den bevægelige lydkilde, hvorved identifikationen af den tilsigtede bevægelig lydkilde kan udføres automatisk og konti-15 nuert over en ekstrem lang tid, selv om målestedet befinder sig i vanskelige omgivelser som tidligere nævnt i forbindelse med opfindelsens formål, hvilket system kan anvendes til automatisk overvågningssystem mod periferistøj fremkaldt af luftfartøj, til hvilket der er meget strenge krav i dag.

20

Ved at anvende systemet til identifikation af en bevægelig lydkilde ifølge opfindelsen til modtagelse af udsendte signaler, kan passende præventive forholdsregler tages for at undgå forstyrrelser af støj fra et flyvende luftfartøj f.eks. på 25 en sådan måde, at lydstyrken, der genereres af en modtager, forøges tilstrækkeligt til at overvinde støjen i afhængighed af den tidlige detektion af det flyvende luftfartøj, der kommer nærmere.

Ifølge nærværende opfindelse er det endvidere muligt at skelne en lydkilde, der bevæger sig i en vertikal imaginær plan tæt ved målestedet fra en anden lyd, der bevæger sig i en anden vertikal imaginær plan i afstand fra målestedet, og at skelne bevægelige lydkilder fra stationære lydkilder, og det er 35 således også muligt at udføre en automatisk måling af støj

Claims (7)

149726 frembragt af en bil, kørende på en vej i en omgivende støj, f.eks. af anlægsarbejder, ved anvendelse af to mikrofoner anbragt horisontalt langs vejen.

1. System til identifikation af en bevægelig lydkilde og omfattende et antal lydmodtagere (1,2) anbragt i afstand fra hinanden på en akse, der. skærer den bevægelige lydkildes (9, 15 10) bevægelsesretning, hvilke lydmodtagere er forbundet til hver sit filtreringsorgan (3, 4), indrettet til at udtrække lydsignaler i en forudbestemt frekvensbånd, hvilke lydsignaler dannes af lyde udsendt af den bevægelige lydkilde (9, 10. og opfanget af lydmodtagerne (1, 2), og hvor filtrerings-20 organerne (3, 4) er forbundet til en korrelationsfunktionskalkulator (5) til frembringelse af et korrelationsfunktionssignal, der angiver korrelationen mellem lydsignalerne som funktion af tiden i forudbestemte korte tidsintervaller, og hvilket system endvidere omfatter en maksimum-minimum-detektor 25 (8), der er indrettet til at bestemme mindst ét maksimum eller minimum af korrelationsfunktionssignalet, og tidspunkter, ved hvilke sådanne maksima og minima indtræffer, hvilke tidspunkter varierer i afhængighed af elevationsvinklen (sigte-retningens højde over horisonten) for den bevægelige lydkilde, 30 og et identifikationsorgan til at skelne mellem ændringer i indtræffelsestidspunkterne for de nævnte maksima eller minima for at identificere den bevægelige lydkilde, kendetegnet ved, at korrelationsfunktionskalkulatoren (5) er forbundet til et udglatningsorgan (6), der er indrettet 35 til at kunne udglatte korrelationsfunktionssignalet som funktion af tiden, således at uønskede højere frekvenskomponenter fjernes fra korrelationsfunktionssignalet, og hvilke udglatningsorgan (6) er forbundet til et differentierende organ 149725 (7), indrettet til differentiation af korrelationsfunktionssignalet fra udglatningsorganet (6) og indrettet til at kunne tilføre det differentierede korrelationssignal til mak-simum-minimum-detektoren (8). 5

2. System til identifikation af en bevægelig lydkilde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at identifikationsorganet identificerer bevægelsesretningen for den bevægelige lydkilde (9, 10) i forhold til aksen, hvorpå lydmodtagerne (1, 2) er 10 anbragt, ved at vurdere variationen af de respektive tidspunkter, ved hvilke der forekommer maksima eller minima af korrelationsfunktionssignalet.

3. System til identifikation af en bevægelig lydkilde ifølge 15 krav 1, kende te gnet ved, at aksen, hvorpå lydmodtagerne (1, 2) er anbragt, er udlagt i en retning i det væsentlige vinkelret på jorden for på den måde at kunne identificere et flyvende luftfartøj (9) som den bevægelige lydkilde (9, 10). 20

4. System til identifikation af en bevægelig lydkilde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at aksen, hvorpå lydmodtagerne (1, 2) er anbragt, er udlagt i det væsentlige horisontalt på jorden for at identificere et køretøj i bevægelse 25 på jorden som den bevægelige lydkilde (9, 10).

5. System til identifikation af en bevægelig lydkilde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at korrelationsfunktionskalkulatoren (5) omfatter mindst ét skifteregisterorgan, i 30 hvilket et antal grupper af sampleniveauer frembragt ved sampling af lydsignalerne i det forudbestemt, korte tidsinterval registreres successivt, hvilken korrelationsfunktionskalkulator (5) beregner produkter mellem successive sampleniveauer, som hører til en af sampleniveaugrupperne, henholds-35 vis før og efter et standardiseret sampleniveau, der ligger midt i en anden sampleniveaugruppe, og det standardiserede 149725 sampleniveau, hvilke successive sampleniveauer afgives parallelt fra skifteregisterorganerne for på den måde at frembringe en krydskorrelationsfunktion mellem lydsignalerne som en indstillingsmiddelværdi af de respektive produkter. 5

5 Endvidere er det også muligt ifølge nærværende opfindelse i stor udstrækning at forbedre nøjagtigheden og pålideligheden af forskellige former for automatiske støjmålinger. Patentkrav. 10 --------------------

6. System til identifikation af en bevægelig lydkilde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det omfatter et forsinkelsesorgan (11), der er indrettet til at forsinke lydsignalet, der udtrækkes fra et af filtreringsorganerne (3, 4) lø og til at tilføre det forsinkede lydsignal til korrelations funktionskalkulatoren (5), hvilket forsinkelsesorgans (11) forsinkelsestid styres af et udgangssignal fra maksimum-mi-nimum-detektororganerne (8), for at muliggøre en bestemmelse af den bevægelige lydkildes bevægelsesretning i forhold til 15 aksen, hvorpå lydmodtagerne er anbragt, og i overensstemmelse med tidsforsinkelsen.

7. System til identifikation af en bevægelig lydkilde ifølge krav 6, kendetegnet ved, at det omfatter organer 2ø til automatisk at følge den bevægelige lydkilde ved at tilpasse tidsforsinkelsen af forsinkelsesorganerne (11). System til identifikation af en bevægelig lydkilde ifølge krav 1, kendetégnet ved, at udglatningsorganerne 25 (6), differentiationsorganerne (7) og maksimum-minimum-detek- tionsorganerne (8) er kredsløb, som mindst omfatter et hukommelsesorgan (13) til successivt at opbevare korrelationsfunkt ion s signal et, som afgives fra korrelationsfunktionskalkulatoren (5), og som er digitaliseret, et additionsorgan 3ø (15) til at udglatte korrelationsfunktionssignalet, der af gives fra hukommelsesorganet (13) ved at addere successive digitaliserede komponenter af korrelationsfunktionssignalet og til at indsætte de udglattede korrelationsfunktionssignaler i stedet for det oprindelige korrelationsfunktionssig-35 nal, der opbevares i hukommelsesorganet (13), et subtraktions organ (16) til successivt at subtrahere hver digital komponent