SE455136B - Forfarande for bestemning av ett flertal ljudkellors koordinatlegen - Google Patents

Description

455 136 och gruppvis Lagring av lägen, som inom givna toleranser är Lika. Dessa lika lägen får representera ljudkällornas sanna lägen.

Med detta förfarande är det emellertid möjligt att bestämma läget endast för ett litet antal ljudkällor, eftersom antalet faktiska lägen annars blir så ohanterligt stort, att beräkningstiden blir orimligt lång och ris- ken för att godkänna falskt Läge som sant Läge blir stor.

REDOGÜRELSE FÖR UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning avser ett förfarande, som såsom framgår av ingres- sen till patentkravet 1 i likhet med den kända metoden innefattar kombine- ring av för ett antal mikrofoner registrerade ankomsttider för ett flertal ljudvâgor och sortering för framtagning av ljudkällornas sanna lägen. Sor- teringen sker dock inte genom att lika lägesangivelser sorteras ut och anses vara sanna lägen utan genom att omöjliga ankomsttider först sorteras bort för att nedbringa antalet tidskombinationer och därefter med hjälp av tester falska tidskombinationer tills en enda, unik kombination, den sanna återstår för varje ljudkälla. Härigenom möjliggöres högre kapacitet och erhålles säkrare lägesbestämning. Vid förfarandet enligt uppfinningen erfordras endast en mikrofonbas för målkoordinatbestämning.

Dessa fördelar har kunnat vinnas genom det i huuvdsak utmärkande för upp- finningen, vilket anges i patentkravets 1 kännetecknande del. Varje ljud- källa identifieras alltså genom riktningen från en vald utgångspunkt mot ljudkällan angiven med en riktningsvinkel mot en referenslinje. Pâ nâgot sätt måste varje bestämd riktning kunna paras med sammanhörande, vid mik- rofonbasen avkända ljudsignal. Enligt uppfinningen sker detta genom att den utvalda utgångspunkten läggs nära en av mikrofonbasens mikrofoner, lämpligen en som är någorlunda centralt belägen i basen, och att tiden för varje ljudsignals ankomst till utgångspunkten registreras och kopplas till den bestämda riktningen. Ankomsttiden vid nämnda mikrofon blir då nästan lika den vid utgångspunkten och kan identifieras. Enligt uppfinningen bestäms riktningen mot respektive ljudkälla med särskild fördel medelst en mindre grupp av nära varandra placerade mikrofoner, som fungerar som utpe- kare. Riktningsvinkeln bestäms med hjälp av en ljudsignals ankomsttider 455 136 vid utpekarens mikrofoner och dessas koordinater. Företrädesvis ges utpe- karen anknytning till mikrofonbasen genom att dennas närbelägna mikrofon ingår även i utpekaren, varigenom de fâr en gemensam ankomsttid.

Utpekarens smâ avstånd mellan mikrofonerna gör det lätt att identifiera för en och samma ljudsignal registrerade ankomsttider vid dessa.

Utpekaren utgörs med fördel av tre mikrofoner, som grupperas att bilda hörnen i en likbent eller företrädesvis liksidig triangel. Den senare ger nämligen konstant mätnoggrannhet i alla riktningar. Som utpekare kan ock- så grupperas fyra mikrofoner i form av ett Y. En sâdan ger högre mätnog- grannhet än den triangelformade. För att nedbringa antalet kombinationer av alla de för mikrofonbasens mikrofoner registrerade ankomsttiderna görs för varje bestämd riktningsvinkel bland alla dessa tider förval av tider, som med hänsyn till satta avståndsgränser och den med riktningen samman- hörande ankomsttiden vid den för mikrofonbasen och utpekaren gemensamma mikrofonen är möjliga för vägens ankomst till övriga mikrofoner.

Efter förvalet görs en sektorsortering. Med de som möjliga utvalda tider- na bildas alla möjliga kombinationer, som sammanställda med ankomsttiden vid den gemensamma mikrofonen används för bestämning av alla tänkbara mâl- lågen, dvs ljudkällelägen. Kring riktningslinjen mot målet läggs, lämp- ligen symmetriskt, en smal sektor och de tänkbara mållägena testas, om de ligger inom sektorn. Om så är fallet testas om mâlläget ligger mellan de satta avstândsgränserna. De mâllägen som ej klarar dessa tester förkas- tas. Om sâ behövs upprepas proceduren med nya snävare avstândsgränser.

Om vid testerna sâ många kombinationer förkastas som falska, att blott en återstår har en unik kombination erhållits och motsvarande mâlläge god- känns som varande sant. Om mer än en kombination återstår efter alla tes- ter lagras tiderna i de för fortsatt sortering godkända kombinationerna ordnade efter mikrofonposition. Sedan görs en positionssortering för att erhålla en unik kombination för varje bestämd riktning. Den beskrivs när- mare nedan.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall nu närmare beskrivas i anslutning till bifogade rit- ning, där 455 156 Fig 1 visar en mikrofonbas för målkoordinatbestämning, bestående av fyra mikrofoner, kombinerad med en utpekare i form av en liksi- dig triangel.

Fig 2 illustrerar bestämning av tidsgränser som vid viss riktnings- vinkel svarar mot de satta avståndsgränserna.

Fig 3 visar exempel på sektorval och Fig 4 visar en större mikrofonbas med sju mikrofoner.

BESKRIVNING AV HIKROFOPJGRUPPERING OCH FÖRFARINGSSÄTT I ett ljudmâtsystem med flerskottskapacitet enligt föreliggande uppfinning begagnas tre nära varandra placerade mikrofoner, som fungerar som utpeka- re. Med de av dessa mikrofoner uppfångade ljudsignalerna beräknas en vin- kel, som bestämmer riktningen mot målet.

Utpekarens mikrofoner grupperas lämpligen ungefär i form av en liksidig triangel med en mikrofon i varje hörn. I ljudmätsystemet för koordinat- bestämning väljes lämpligen den mittre mikrofonen, som en av utpekarens mikrofoner, jfr fig 1 på figurblad 1. Av praktiska skäl väljes här ett koordinatsystem med origo vid M1 och med y-axeln så riktad att den går genom mittpunkten på sträckan M5 till M6. Triangeln görs tämligen liten.

Med en sidlângd 20 till 40 m erhålles tillfredsställande noggrannhet för mätningar inom alla praktiskt möjliga målavstånd.

I fig 1 på figurblad 1 bestämmer vinkeln B riktningen mot målet. Förut- satt att triangelns sida är liten i förhållande till målavståndet kan 8 enkelt beräknas sålunda: B = Bg + A BV B t x - A x6 = arc an - Vs _ ^Ye r i? 6 - 1 w . cos (u + B ) Aßvgarcsin V g t rïvl 21:21.. 455 136 UI '* 'JIII F11 ' där t1, ts, tó = Ljudvâgens ankomsttider tiLL M1, M5, M6 u = vindstyrkan u = vindvektorns bâringsvinkeL vid s k a -vind : vt = Ljudhastigheten vid vindstyrkan noLL É ßg = vinkeln utan vindkompensation ABV = vindkorrigering Genom att jämföra storLeken pâ tiderna t1 och t6 göres tester medförande att arctanfunktionen ger rått kvadrant i det använda koordinatsystemet.

Urk..

Vid utpekning av mål för radar, används B direkt eLLer omräknas B tiLL bäring, om detta år LämpLigt.

Vid användning av utpekaren i Ljudmätsystem för koordinatbestämning använ- des B för beräkning av tidsintervalter för möjliga ankomsttider för Ljud- vägen tiLL övriga mikrofoner - förvaL, jfr nedan. Vidare användes B vid sektorsortering, som beskrives nedan, varvid ett Litet vinkeLintervaLL Lägges kring varje bestämt B-värde. VinkeLintervaLLet B 1 AB ges LämpLig s storLek.

FÖRVAL Då ett mål uppträder i en viss riktning med riktningsvinkeln , erhâLLes vissa bestämda tider t1, ts och tó vid respektive M1, M5 och M6. Risken för förväxLing av dessa tider är Liten, då Ljudvägens passagetid av de triangelgrupperade mikrofonerna år Liten, ca 0,1 s.

Dä tiden t1 även användes vid koordinatberäkningen, kan man beräkna de möjLiga tidsintervaLLen för Ljudvâgens ankomst tiLL mikrofonerna M2, M3 och M4. Ett praktiskt rimLigt värde för minsta mâLavstånd, R1 min, vät- jes. Vidare väljes ett största möjLiga mâLavstând med hänsyn tiLL Ljudets möjLighet att nä fram tiLL mikrofonerna, R1 max.

For en godtyckLig mikrofon Mn bestäms ett t1ds1ntervaLL tn min tiLL tn max inom viLken tid eLLer tider, som kan höra ihop med t1 mäste kunna återfin- nas. Med hänvisning tiLL figurbLad 1, fig 2 inses: 455 136 Ri t _ = - då R = R _ a1 min V1 1 1 min R r .=-“daR=R . an min vn 1 1 min “1 t = - då R = R a1 max v1 1 1 max Rn t an max _ v; då R1 _ R1 max V1 = vt + H . sin (B + u) R .sinß-yn v = v + u . sin (arctan --------+ a) n t R . cosB~ x 1 n Dessa samband ger: t .=t+t -t -At n min 1 an max a1 max t =t+t .-1: . +Åt n max 1 an min a1 min där At är en tidsmarignal, som våljes empiriskt med hänsyn till osäkerhet i tidsbestämningarna.

SEKTORSORTERING Vid denna sortering har med ljudmâtsystemets utpekare (mikrofonernan M1, M5 och M6) bestämts vinkeln 8, som definierar riktningen för en Linje ge- nom origo och som passerar genom mâlläget eller nära detsamma, jfr fig 3 på figurblad 2. Symmetriskt kring denna linje lägges en smal sektor med bredden 2 A8. vinkeln B motsvarar en bestämd tid för ljudvâgens ankomst till M1. Genom att utnyttja förval, enligt ovan, kan man då bestämma vilka ankomsttider, som är möjliga för vägens ankomst till övriga mikrofonerna. Det antas att antalet nz ankomsttider är möjliga vid M2 och n3 vid M3 och n¿ vid M4. 455 136 Med de genom förvalet utvalda tiderna bildas nz . n3 . n4 kombinationer. Med tiderna ingående i var och en av kombinationerna be- stämmes ett målläge. Ett test, om det beräknade målläget ligger inom sek- torn 8 : AB , utföres. Om målläget kommer utanför sektorn förkastas kom- binationen. Om målläget faller inom sektorn, testas om målet är beläget inom avståndsintervallet R1 min till R . Om därvid målläget blir be- 1 max läget inom dessa gränser, godkännes kombinationen. I annat fall förkastas den.

Beräknings- och testproceduren enligt ovan genomföres för alla de nz . n3 . nâ kombinationerna.

Om bland de nz . n3 . n¿ kombinationerna blott en återstår efter testerna, har en unik kombination erhållits och målet godkännes som äkta mål.

Om mer än en kombination återstår efter testerna, upprepas förvalet med nya gränser för radialavståndet. Såsom R1 min väljes det minsta radialav- “ ståndet bland utfallen av godkända kombinationer och som R1 max det störs- ta. Om efter det förnyade förvalet någon eller några av de n?, n3 eller n tiderna bortfallit, testas om någon eller nâgra av de godkända kombina- 4 tionerna innehåller bortfallen tid. Om kombinationler) med bortfallen tid påträffas, förkastas den (de).

Om efter förnyat förval mer än en kombination återstår, undersökes om in- formation finns a priori om mål i den aktuella riktningen.

Om information ej finns a priori lagras data om godkända kombinationer för oositionssortering, jfr nedan.

Om a priori information finns genom att ett målläge nyligen bestämts i den aktuella riktningen i ett tillräckligt antal inmåtningar (exvis två inmät- ningar inom en halv minut), väljes nya gränser för radialavståndet för ett förnyat förval. Lämpligen väljes R = ca 80 Z av tidigare erhållet 1 min medelvärde för radialavståndet och R1 max = 120 Z av samma medelvärde.

Skulle härefter unik kombination uppstå godkännes målet som äkta. Om mer än en kombination kommer att âterstå, lagras informationen om godkända kombinationer för positionssortering. 455 136 POSITIONSSORTER ING För att kLarLågga begrepp och förfarande vid positionssortering väLjes att beskriva denna med ett exempet. Vi betecknar tiderna vid var och av mik- rofonerna med 1, 2, 3 osv i den tidsfötjd de när mikrofonerna.

Tid vid Tid vid Tid vid Tid vid M1 M2 MB M4 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 6 6 6 6 7 7 7 7 8 8 8 8 En kombination av tider kan då vara: 8 5 4 7 position 1 position 2 position 3 position 4 Efter förvat och sektorsortering av första signat, som när de trianget- grupperade mikrofonerna, godkännes föLjande kombinationer: 1 3 1 4 1 3 2 2 1 3 3 2 I position 2 ingår btott tiden 3. Position 2 betecknas unik.

Efter samma procedur för den andra signalen - riktning 2 - återstår: 2 1 1 2 2 2 1 4 2 4 2 2 I den tredje riktningen fâs: LNUIUJLN UJbl-fi-I Nl-I-*JFIU U10~fUV1 455 136 I riktningarna 1 och 2 är position 4 antingen 2 eller 4. Position 4 säger vi vara halvunik och dithörande ankomsttider kan därför ej ingå i annan riktning. Därför utgår andra kombinationen i riktning 3.

P8 Liknande sätt kan tredjedels- och fjärdedelsunika positioner definie- F85.

Genom att position 2 i riktning 1 är unik utgår 1 riktning 3 den tredje och fjärde kombinationen.

Nu âterstâr alltså: 1 3 1 4 1 3 Z 2 1 3 3 2 _: __: Unik kombination har erhållits i riktning 3 och motsvarande tider utgår i riktning 1 och 2.

Nu återstår kombinationerna: _\ lU-ß I riktning 2 blir 2 2 1 4 unik, varför i riktning 1 kombinationen 1 3 1 4 utgår och kombinationen 1 3 3 2 blir unik.

SORTERING VID STÖRRE INMÄTNINGSSYSTEM En gruppering för ett större Ljudmätsystem än det som ovan behandlats, visas i fig 4 på figurblad 2. I detta fall göres förval av möjliga an- komsttider för mikrofonsignalerna från M7, M8 och M9 samtidigt som förva- Let sker för H1, M2, M3 och M4. Vi antar att antalet utvalda tider vid respektive mikrofon blir nz, ns, na, n7, ng och n9. De tillkommande ti- derna n ns och n behandlas var för sig. Det är likgiltigt med vilken 7' 9 455 136 10 grupp denna sorteringsfas inleds. Här väljes gruppen n7. I algoritmen för utvärdering ersätts koordinaterna för M2 med H7:s koordinater. Anta- let n kombinationer bildas och sortering som beskrivits ovan genomföres. 7 Pâ samma sätt förfares med M8 och M9.

För en komplett sortering i en bestämd riktning erfordras därför beräkning av n . n + n + n + n "z'347s<; kombinationer.

SORTERING AV TIDER VID HYPERBELSYSTEM Denna typ av ljudmätsystem grupperas med mikrofonerna ungefär jämt förde- lade utefter en ungefär rät linje.

Då hyperbelsystemet är uppbyggt av ett jämt antal mikrofoner, bildas lämp- ligen en triangelgrupp genom att tvâ extra mikrofoner grupperas vid en av de båda mittre mikrofonerna.

Vid udda antal mikrofoner i hyperbelkedjan bildar man lämpligen triangel- gruppen vid den mittre mikrofonen.

Det är pâ intet sätt ett villkor, att triangelgruppen lägges mot mitten av hyperbelkedjan, då det är möjligt att välja en godtycklig mikrofon i den- samma som ena hörnet i triangeln.

Hyperbelsystem ger normalt tvetydighet i positionsbestämningen. Om det äkta eller falska mâlläget beräknas, bestäms av ett teckenval i algoritmen för utvärdering. Med kännedom om vinkeln B, som triangelgruppen utpekar, styres i första hand teckenvalet i algoritmen. Därefter utnyttjas B för förval och sektorsortering såsom tidigare beskrivits.

Den efter förval och sektorsortering följande positionssorteringen utföres analogt med beskrivningen ovan. Även om uppfinningen närmast är tänkt som ett förfarande för bestämning av ljudkällors lägen och närmast är avsedd att användas för militära ändamål vid mâlbestämning av platser för ljudknallar inses att uppfinningen kan H) 455 136 11 komma till användning för andra ändamâl, där flera signalkällor kan behöva särskiljas. Detta kan då gälla även för andra signaler än ljudsignaler, varvid annan typ av sensorer än mikrofoner används. Exempelvis kan radar- signaler avkännas med en mätbas för Lokalisering av t ex flygplan och vid sammanblandning av sådana radarsignalers ankomsttider kan dessa sârskiljas genom det uppfinningsenliga förfarandet. Det begärda patentskyddet avses därför omfatta även sådana användningsområden. nu..

Claims (6)

455 156 12 fl. .i Patentkrav: 1.41

1. Förfarande för bestämning av ett flertal ljudkällors från varandra skilda koordinatlågen medelst ljudmätning av i tät tidsföljd av ljudkäl- lorna genererade, likartade ljudsignaler, vilka avkänns av ett antal i kända positioner grupperade mikrofoner, utgörande en mikrofonbas för re- gistrering av deras ankomsttider vid dessa och inmatning av tiderna i en kalkylator/dator programmerad med en algoritm, som innefattar kombinering av ankomsttider för lägesbestämning och sortering för framtagning av sanna lägesangivelser för ljudkällorna, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att för varje av en bland mikrofonerna utvald mikrofon avkänd ljudsignal bestäms riktningen mot den ljudsignalen genererande ljudkällan från en utgångspunkt belägen åtminstone i nära anslutning till den utvalda mikro- fonen, vilken riktning läggs till grund för sorteringen, i första hand för att reducera antalet kombinationer av ankomsttider.

2. Förfarande enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att riktningarna mot respektive ljudkällor bestäms genom att ett antal . mikrofoner grupperas att med små inbördes avstånd bilda en utpekargrupp vid nämnda, utvalda mikrofon, vilken företrädesvis tilldelas även utpe- kargruppen som en för denna och mikrofonbasen gemensam mikrofon och varje ljudsignals ankomsttider vid dessa mikrofoner registreras och används för beräkning av en riktningsvinkel.

3. Förfarande enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att den gemensamma mikrofonen väljs som utgångspunkt för riktningsbestäm- ningen.

4. Förfarande enligt något av patentkraven 1-3, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att för varje riktningsbestämning mot ljudkälla därmed samman- hörande ljudsignals ankomsttid vid nämnda, utvalda mikrofon identifieras . och att som ett led i sorteringen förval görs bland de registrerade an- komsttiderna vid mikrofonbasens övriga mikrofoner av de ankomsttider vid f dessa, som med hänsyn till satta, radiella avståndsgränser för ljudkällor- nas lägen och den identifierade ankomsttiden kan vara möjliga för nämnda ljudsignal. 455 156 13

5. Förfarande enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k n a t a v sek- torsortering innebärande, att för varje riktningsbestämning mot ljudkälla kombineras inom en eller var och en av flera inom mikrofonbasen utvalda mikrofonkombinationer de som möjliga förvalda ankomsttiderna vid respekti- ve mikrofoner till bildande av alla de kombinationer av ankomsttider som erfordras för att sammanställda med den för riktningen identifierade an- komsttiden vid den utvalda mikrofonen möjliggöra bestämning av alla möj- ligen sanna lägen inom de satta avstândsgränserna för den riktningsbe- ståmda ljudkällan samt att dessa lägen bestäms och testas med avseende pâ befintlighet inom en kring riktningen vald sektor för utsortering av ett antal för fortsatt sortering godkända tidskombinationer eller eventuellt unik sådan.

6. Förfarande enligt patentkravet S, k å n n e t e c k n a t a v posi- tionssortering innebärande, att falska tidskombinationer, som vid före- gående sortering kan ha godkänts tillsammans med den sanna kombinationen utsorteras genom tillbakablickande pâ de för respektive riktnings-bestäm- ningar godkända kombinationerna med utnyttjande av regeln att en ankomst- tid vid en mikrofonposition fâr förekomma i endast en tidskombination och då i den sanna kombinationen.