SE506658C2

SE506658C2 - Deciding position direction or speed relative to chosen reference

Info

Publication number: SE506658C2
Application number: SE9601248A
Authority: SE
Inventors: Haakan Appelgren; Olle Kroeling
Original assignee: Scandinavian Defence Technolog
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1996-03-29
Publication date: 1998-01-26
Also published as: SE9601248D0; SE9601248L

Abstract

The method uses acoustic sound waves emanating from a turbulent gas volume extending straight behind the projectile and or emanating from a wake or monopole existing straight behind the projectile. The waves are received by acoustic sensors (S1, S2 and S3). The time differences for the arrival of the waves to the sensors are measured. The projectile position (x1 and y1) in the first plane (35) is calculated from these time differences. The hit point of the projectile in a target plane (31) through the target is determined using the calculated projectile position in the first plane.

Description

10 20 25 30 35 506 658 sig koncentriskt i måltavlan kring träffpunkten. I den amerikanska patentpublikationen US-A-5 095 433 visas ett målskjutningssystem, där en uppsättning vibrationsgivare är anordnade på olika ställen på måltavlan med kända inbördes avstånd. Vibrationsgivarna är anordnade att detektera vibrationer eller akustiska vågor i tavlan, när en kula träffat densamma, samt avge elektriska utsignaler till en mikroprocessor som en följd därav. Genom att registrera skillnader i tiden för träffrapportering från respektive givare kan mikroprocessorn genom triangulering fastställa kulans träffpunkt på måltavlan. Resultatet presenteras genom att en syntetisk röst via en högtalare meddelar skjutresultatet. System av denna typ har den nackdelen, att eftersom givarna är fast monterade i anslutning till mål- tavlan, löper de stor risk att förr eller senare träffas av en inkommande kula med åtföljande förstörelse av ifråga- varande givare som följd. 10 20 25 30 35 506 658 concentrically in the target around the point of impact. In it U.S. Patent Publication U.S. Patent No. 5,095,433 discloses one target firing systems, where a set of vibration sensors is arranged in different places on the target with known mutual distance. The vibration sensors are arranged to detect vibrations or acoustic waves in the board, when a bullet met the same, as well as emitting electrical outputs to one microprocessor as a result. By registering differences in the time for hit reporting from the respective sensor, the microprocessor can determine by triangulation the bullet's point of impact on the target. The result is presented by announcing a synthetic voice through a loudspeaker the shooting result. Systems of this type have the disadvantage that because the sensors are permanently mounted in connection with the target the board, they run a great risk of being hit sooner or later an incoming bullet with concomitant destruction of the current donor as a result.

I en annan typ av målskjutningssystem utnyttjas be- röringsfri detektering av projektilposition. Med berörings- fri detektering menas i detta fall att de för detekteringen utnyttjade givarna är anordnade på visst avstånd från måltavlan, varigenom risken för förstörelse pga kulträff reduceras avsevärt eller tom elimineras helt. Ett antal olika system för sådan beröringsfri detektering med hjälp av akustiska givare är idag kända genom exempelvis de europeiska patentpublikationerna EP-Bl-0 259 428 och EP-Bl- O 157 397, 5 247 488 och US-A-5 349 853, tionen SE-B-467 550 samt den tyska patentpublikationen DE- de amerikanska patentpublikationerna US-A- den svenska patentpublika- C2-41 06 040. Samtliga dessa uppfinningar rör detektering av s k supersoniska projektiler, dvs sådana projektiler, som färdas snabbare än ljudet i ifrågavarande medium (van- ligen luft). Sådana projektiler kan exempelvis utgöras av luftvärnsprojektiler för skjutning mot bogserade luftmål, kulor från höghastighetshandeldvapen osv. 10 15 20 25 30 35 506 658 Gemensamt för de ovan uppräknade uppfinningarna är att de alla utnyttjar den s k Mach-kon, som bildas kring en överljudsprojektil. Mach-konen är en tryck- eller bogvåg (även kallad ljudbang), som uppkommer pga av att Överljuds- projektilen ”hinner ifatt” sina egna ljudvågor, varvid en kraftig konformig tryckförândring uppkommer kring projek- tilen. Mach-konens toppvinkel beror av det s k Mach-talet M, som definieras som kvoten mellan projektilens hastighet och ljudhastigheten. När ljudbangen när respektive givare, omvandlas denna till en hastig, närmast N-formig elektrisk puls, som kan utnyttjas för att i analogi med ovan bestämma tidsskillader mellan respektive signal och därefter - exempelvis genom triangulering - bestämma projektilens position i något plan. Vissa system av denna typ utnyttjar dessutom annan akustisk information såsom träffljud eller avfyringsljud.In another type of target firing system, motionless detection of projectile position. With touch free detection in this case means that they for the detection utilized sensors are arranged at a certain distance from the target, thereby reducing the risk of destruction due to a cult hit significantly reduced or even eliminated altogether. A number of various systems for such non-contact detection using of acoustic sensors are today known by, for example, those European patent publications EP-Bl-0 259 428 and EP-Bl- O 157 397, 5,247,488 and U.S. Patent 5,349,853, SE-B-467 550 and the German patent publication DE- U.S. Patent Publications US-A- the Swedish patent public C2-41 06 040. All of these inventions relate to detection of so-called supersonic projectiles, ie such projectiles, traveling faster than the sound in the medium in question ( air). Such projectiles can, for example, consist of anti-aircraft projectiles for firing on towed air targets, bullets from high-speed handguns, etc. 10 15 20 25 30 35 506 658 Common to the inventions listed above are that they all use the so-called Mach-cow, which is formed around one supersonic projectile. The mach cone is a pressure or bow wave (also called sound bang), which arises due to the the projectile "catches up" with its own sound waves, whereby a strong conical pressure change occurs around the projectile tilen. The top angle of the Mach cone depends on the so-called Mach number M, which is defined as the ratio of projectile velocity and the speed of sound. When the sound bang reaches the respective sensor, this is converted into a fast, almost N-shaped electric pulse, which can be used to determine in analogy to the above time differences between each signal and thereafter - for example by triangulation - determine the projectile position in any plane. Some systems of this type utilize in addition, other acoustic information such as sound or firing sound.

Emellertid färdas långt ifrån alla projektiler snabbare än ljudhastigheten (M > 1). Många enklare hand- eldvapen avlossar kulor, som färdas långsammare än ljudet.However, far from all projectiles travel faster than the speed of sound (M> 1). Many simpler hand- firearms fire bullets, which travel slower than sound.

För pistoler med 9 mm ammunition kan t ex en kulhastighet (M z 0,9) hastighet för 5,6 mm ammunition kan uppgå till 250 m/s på omkring 300 m/s förekomma, och motsvarande (M'~ 0,7). Hos salongsgevär kan så låga hastigheter som omkring 140 m/s (M'~ 0,4) förekomma. Eftersom en under- ljudsprojektil eller s k subsonisk projektil inte ger upphov till en Mach-kon eller ljudbang, är de ovan beskriv- na systemen ej tillämpliga för detektering av sådana pro- jektiler.For pistols with 9 mm ammunition, for example, a bullet speed can (M z 0.9) speed for 5.6 mm ammunition can amount to 250 m / s of about 300 m / s occur, and the equivalent (M + ~ 0.7). With saloon rifles, speeds as low as about 140 m / s (M '~ 0.4) occur. Since a sub- sound projectile or so-called subsonic projectile does not give give rise to a Mach cone or bang, the above-described systems not applicable for the detection of such jektiler.

Uppfinningen Syftet med föreliggande uppfinning är att möjliggöra beröringsfri inmätning av läge, riktning eller hastighet för en projektil - exempelvis en kula, som avlossats mot en màltavla från ett handeldvapen - utan att utnyttja vare sig avfyrings- eller träffljud för inmätningen. Speciellt in- 506 658 10 15 20 25 30 riktar sig föreliggande uppfinning på att möjliggöra en in- mätning enligt ovan för sådana projektiler, vilka färdas med en hastighet, som understiger ljudutbredningshastig- heten i aktuellt gasformigt medium (M'< 1), samt vilka därför inte ger upphov till någon ljudbang.The invention The object of the present invention is to enable non-contact measurement of position, direction or speed for a projectile - for example, a bullet fired at one target from a handgun - without using either firing or hitting sounds for the measurement. Especially in- 506 658 10 15 20 25 30 The present invention is directed to enabling an incorporation measurement as above for such projectiles, which travel at a speed which is less than the speed of sound propagation in the current gaseous medium (M '<1), and which therefore does not give rise to any sound bang.

Uppgiften löses genom ett sätt och en anordning med de särdrag, som återfinns i den kânnetecknande delen av bifogade självständiga patentkrav. Föredragna utförings- former av uppfinningen anges i tillhörande underkrav.The task is solved by a method and a device with the features, which are found in the characteristic part of attached independent claims. Preferred embodiments forms of the invention are set out in the appended subclaims.

Kort beskrivning av ritningarna Uppfinningen skall beskrivas närmare i det följande under hänvisning till de bifogade ritningarna, på vilka FIG 1 utgör en schematisk sidovy av ljudalstringen från en projektil, FIG 2 är en vy över en försöksuppställning för in- mätning av projektilens position i en dimension, FIG 3 är en schematisk vy ovanifrän av uppställningen enligt FIG 2, FIG 4 är en schematisk frontalvy över en utförings- form av uppfinningen för inmätning av projektilens position i två dimensioner samt FIG 5 är en schematisk perspektivvy över en annan ut- föringsform av uppfinningen för inmätning av projektilens position i tre dimensioner.Brief description of the drawings The invention will be described in more detail in the following with reference to the accompanying drawings, in which Fig. 1 is a schematic side view of the audio string from a projectile, Fig. 2 is a view of an experimental setup for measuring the position of the projectile in one dimension, Fig. 3 is a schematic view from above of the arrangement according to FIG. 2, Fig. 4 is a schematic frontal view of an embodiment form of the invention for measuring the position of the projectile in two dimensions as well Fig. 5 is a schematic perspective view of another embodiment; embodiment of the invention for measuring projectile position in three dimensions.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Nedan följer först en analys av de mekanismer, som ger upphov till mätbart ljud från en underljudsprojektil.Detailed description of the invention Below follows first an analysis of the mechanisms, which gives rise to measurable sound from an ultrasound projectile.

Analysen gör inte anspråk pá att vara komplett i alla teo- retiska avseenden, men den förklarar de väsentliga delarna av ljudalstringen och utgör därför en god grund för resten av beskrivningen. Därefter redogörs för en försöksupp- och slut- ställning, som illustrerar detekteringsprincipen, 10 15 20 25 30 35 5 506 658 ligen beskrivs föredragna och alternativa utföringsformer av uppfinningen.The analysis does not claim to be complete in all theories. ethical considerations, but it explains the essential elements of the sound string and therefore forms a good basis for the rest of the description. An experimental test is then reported. and final position, which illustrates the principle of detection, 10 15 20 25 30 35 5,506,658 Preferred and alternative embodiments are described of the invention.

I FIG 1 visas på schematisk form en projektil 10, som färdas med en hastighet U genom ett omgivande medium 11, t ex luft. Projektilen 10 utgörs exempelvis av en gevärs- kula. Då projektilens hastighet U understiger ljudhastig- dvs Mach-talet M'< 1, där M'= U/c, ingen ljudbang eller konformig bogvåg kring projektilen. heten c, förekommer Allmänt sett kan en projektils akustiska emission (ljudalstring) delas upp i tre huvuddelar, nämligen en avfyringsdel, en aeroakustisk del, som orsakas av ström- ningsfenomen kring projektilen under dess bana, samt en nedslags- eller träffdel. Föreliggande uppfinning utnyttjar enligt ovan varken avfyringsljud eller träffljud, varför analysen fokuseras pá den aeroakustiska delen.Fig. 1 shows in schematic form a projectile 10, which traveling at a speed U through a surrounding medium 11, eg air. The projectile 10 consists, for example, of a rifle ball. When the projectile velocity U is less than the speed of sound, i.e. the Mach number M '<1, where M' = U / c, no bang or conical bow wave around the projectile. c, occurs In general, the acoustic emission of a projectile can (sound stringing) is divided into three main parts, namely one firing part, an aeroacoustic part, caused by current phenomenon around the projectile during its orbit, and a impact or impact part. The present invention utilizes as above neither firing sound nor hitting sound, why the analysis focuses on the aeroacoustic part.

För en underljudsprojektil innehåller denna del tre bidrag enligt den s k Lighthills teori för aeroakustisk ljudalstring (se t ex Mats Åbom, "Kompendium i strömnings- teknik", Institutionen för teknisk akustik, KTH, Stockholm, 1991). Det första bidraget utgörs av en s k akustisk mono- pol 12, vilken bildas väsentligen rakt bakom projektilen 10. Ett s k dipolbidrag som uppkommer genom den s k vak 13, 14 orsakas av den instationära virvelavlösning, som uppstår vid projektilens bakkant. Slutligen uppkommer ett s k kvad- rupolbidrag 15 genom den fria turbulens, som bildas i vaken 13 bakom projektilen 10. iMonopolbidraget 12 skall först studeras. Enligt refe- rensen ovan kan ljudtrycket p från en monopolkälla i linjär förflyttning uttryckas som PON) = i POQ åt 47tRh__M2sin2® 506 658 20 25 30 35 där po år vilodensiteten i aktuellt medium, Q år monopolens volymflöde, M'år Mach-talet, t är tiden, R är avståndet mellan projektil och mâtpunkt samt sin(®) = h/R, där h är avståndet mellan projektil och mätpunkt vid t = 0.For an ultrasound projectile, this part contains three contribution according to the so-called Lighthills theory of aeroacoustic sound stringing (see for example Mats Åbom, "Compendium in flow technology ", Department of Technical Acoustics, KTH, Stockholm, 1991). The first contribution consists of a so-called acoustic mono- pole 12, which is formed substantially directly behind the projectile 10. A so-called dipole contribution which arises through the so-called wake 13, 14 is caused by the stationary vortex relief, which occurs at the rear edge of the projectile. Finally, a so-called quadrature arises. rupol contribution 15 through the free turbulence formed in the wake 13 behind the projectile 10. The monopoly grant 12 must first be studied. According to the above, the sound pressure p from a monopole source can be linear movement is expressed as PON) = i POQ ate 47tRh__M2sin2® 506 658 20 25 30 35 where po is the rest density in the current medium, Q is the monopoly volume flow, M 'is the Mach number, t is the time, R is the distance between projectile and measuring point and sin (®) = h / R, where h is the distance between projectile and measuring point at t = 0.

Volymflödet Q utgörs av volymtillskottet per tids- enhet i vaken 13, och om vaken har tvärsnittsarean A och projektilen färdas med hastigheten U, fås Qi= A-U <2) Ur (1) och (2) samt geometriska omskrivningar fås = p,,UA a 1 :_ pouw 4” å' J(Uf)“+(1-M')h* 4»{(U:)=+(1-M*)h'}3” ' (s) Om ljudtrycket p plottas som funktion av tiden t med typis- ka värden på A, po, U och c, erhålls en N-formig kurvform, som visar att ljudtrycket p uppgår till flera tiondels Pa vid avståndet h = Dipol- och kvadrupolbidragen orsakas enligt ovan av 1 m samt flera hundradels Pa vid h = 3 m. den turbulens, som bildas bakom projektilen. En viss andel rhk av den energi hçnﬂ som omvandlas till turbulens, över- går till akustisk energi Nm = ndywàd, vilken utstràlas i form av ljudvágor. Wdw kan beräknas mha luftmotståndsko- efficienten cd, som definieras enligt 2 E=CJ'AIPOU 9 (4) där Fd är den på projektilen 10 verkande luftmotstånds- kraften. Därefter fås d _ __q¿JACF Wpm_NIïIIU_OT. cd kan uppskattas genom mätningar. För en viss projektiltyp kan man exempelvis finna, att cd = 0,21. Beträffande rhk kan 10 15 20 25 30 35 506 658 man i facklitteraturen (se t ex Beranek, ”Noise and McGraw-Hill, 1971) finna uppgifter om att rhk z lülfs vid U = 200-250 m/s vad beträffar kvadrupol- delen. Dipoldelen förhåller sig till kvadrupoldelen som 1/hf, vilket här ungefär motsvaras av en faktor 2. Således Vibration Control", är det befogat att anta, att nak ligger i intervallet [lO'ï 1o'“] _ Ljudtrycket på visst avstånd h från projektilen 10 kan, om emissionen antas vara sfärisk, uttryckas som pﬂcrldwrra 4n'h2 ' (6) (ﬁz) = pocíuïí = {ekv. (4)} = där () betecknar ett medelvärde över en sfär och ~ beteck- nar ett effektivvärde. För en 9 mm projektil med A = 6,4-1o'S m* och cd = 0,21 ger ekvation (s) wpm = 126 w för U = 250 m/s respektive %”°==8l W för U = 200 m/s. Med hjälp av ekvation (6) kan därefter ljudtryckets medelvärde på olika avstånd h från projektilen beräknas. Exempelvis, för U = 250 m/s och h = 2 m fås ett ljudtryckmedelvârde på o,o1o-o,1o Nz/mz, for U = 250 m/s och h = 3 m fås o,oo46- 0,046 Nz/mz, för U = zoo m/s och h = 2 m fås o,oo65-o,o6s Nz/mz ssmf för U = zoo m/s och h = 3 m fås o,oo29-o,o29 N2/m2.The volume flow Q consists of the volume addition per time unit in the wake 13, and if the wake has the cross-sectional area A and the projectile travels at speed U, available Qi = A-U <2) From (1) and (2) as well as geometric paraphrases are available = p ,, UA a 1: _ pouw 4 ”å 'J (Uf)“ + (1-M') h * 4 »{(U:) = + (1-M *) h '} 3”' (s) If the sound pressure p is plotted as a function of time t with typical values of A, po, U and c, an N-shaped waveform is obtained, which shows that the sound pressure p amounts to several tenths Pa at the distance h = The dipole and quadrupole contributions are caused as above by 1 m and several hundredths Pa at h = 3 m. the turbulence that forms behind the projectile. A certain proportion of the energy hçn ﬂ converted to turbulence, goes to acoustic energy Nm = ndywàd, which is radiated in form of sound waves. Wdw can be calculated using air resistance efficient cd, defined as 2 E = CJ'AIPOU 9 (4) where Fd is the air resistance acting on the projectile 10 the power. Then available d _ __q¿JACF Wpm_NIïIIU_OT. CD can be estimated by measurements. For a certain type of projectile for example, one can find that cd = 0.21. Regarding rhk can 10 15 20 25 30 35 506 658 man in non-fiction (see eg Beranek, “Noise and McGraw-Hill, 1971) find information on that rhk z lülfs at U = 200-250 m / s in terms of quadrupole parts. The dipole part relates to the quadrupole part as 1 / hf, which here roughly corresponds to a factor of 2. Thus Vibration Control ", is it justified to assume that naked is in the range [10'ï 1o '“] _ The sound pressure at a certain distance h from the projectile 10 can, if the emission is assumed to be spherical, be expressed as p ﬂ crldwrra 4n'h2 '(6) (ﬁ z) = pocíuïí = {eq. (4)} = where () denotes an average value over a sphere and ~ denotes reaches an effective value. For a 9 mm projectile with A = 6.4-1o'S m * and cd = 0.21 give equation (s) wpm = 126 w for U = 250 m / s and% ”° == 8l W for U = 200 m / s. With using equation (6) can then the average value of the sound pressure at different distances h from the projectile is calculated. For example, for U = 250 m / s and h = 2 m a sound pressure average of o, o1o-o, 1o Nz / mz, for U = 250 m / s and h = 3 m are obtained o, oo46- 0.046 Nz / mz, for U = zoo m / s and h = 2 m are obtained o, oo65-o, o6s Nz / mz ssmf for U = zoo m / s and h = 3 m are obtained o, oo29-o, o29 N2 / m2.

Ovan har visats att ljud alstras från en underljuds- projektil med sådan effekt, att det kan detekteras även på flera meters avstånd från projektilen. Nedan undersöks i korthet ljudets energiinnehåll vid olika frekvenser, vilket är av stor betydelse för upplösningen vid den nedan beskrivna detekteringen enligt uppfinningen.It has been shown above that sound is generated from an ultrasound projectile with such an effect that it can also be detected on several meters away from the projectile. Below is examined in shortness the energy content of the sound at different frequencies, which is of great importance for the resolution at the one below described detection according to the invention.

Det är erfarenhetsmässigt rimligt att anta, att alstrat ljudspektrum är bredbandigt med bruskaraktär samt att övertonhalten är mycket större än undertonhalten (spektrumet är skevt). Spektrumet bör ha en topp vid pro- jektilens s k Strouhal-frekvens fu (se tidigare nämnda 506 658 8 W U N Ä N ß referenslitteratur) , där fst z 0,2U/d och d är projektilens tvärdiameter. Vidare kan antas att spektrumets amplitud- envelopp kan approximeras med en exponentialfunktion.It is empirically reasonable to assume that generated sound spectrum is broadband with a noise character as well that the harmonic content is much greater than the undertone content (spectrum is skewed). The spectrum should have a peak at the so-called Strouhal frequency fu of the jectile (see previously mentioned 506 658 8 W U N Ä N ß reference literature), where fst z 0.2U / d and d are projectile cross diameter. Furthermore, it can be assumed that the amplitude of the spectrum envelope can be approximated with an exponential function.

Således betraktas en funktion v(t) = Ae"“'u(t) som efter Fourier-transformering ger VUCU )= íAe""'e'f°'d1 = A o a+jm Effekten i bruset under en enhetstid står i relation till F; =if |VUw )|* dw ”O och effekten inom ett visst frekvensområde blir ÅF; = à |V(jw jzdw Med <1 = rost = Znfst = wo fås följande förhållande mellan effekten i nämnda frekvensområde och den totala effekten êå_ 2{l_mnqlï m F; ”w w (7) 0 0 ml Den totala effekten har tidigare beräknats på avståndet 3 m, och med hjälp av ekvation (7) fås att den tillgängliga ljudeffekten i ett ultraljudområde mellan 30 kHz och 50 kHz ligger på omkring 40 dB (relativt 20 pPa) på avståndet 3 m.Thus a function is considered v (t) = Ae "“ 'u (t) which after Fourier transformation gives VUCU) = íAe "" 'e'f °' d1 = A o a + jm The effect of the noise during a unit time is related to F; = if | VUw) | * dw "O and the effect within a certain frequency range becomes ÅF; = à | V (jw jzdw With <1 = rust = Znfst = wo the following relationship is obtained between the power in said frequency range and the total power êå_ 2 {l_mnqlï m F; ”W w (7) 0 0 ml The total effect has previously been calculated on the distance 3 m, and by means of equation (7) it is made available the sound power in an ultrasonic range between 30 kHz and 50 kHz is about 40 dB (relative to 20 pPa) at a distance of 3 m.

Härmed har visats att ljud alstras från underljudsprojek- tiler med tillräcklig effekt i ett högfrekvent område för l0 15 20 25 30 35 9 506 658 att detektering enligt nedan skall kunna utföras på flera meters avstånd från projektilen samt med hög noggrannhet. 1: E 1 . . .It has thus been shown that sound is generated from subsonic projects. tiler with sufficient power in a high frequency range for l0 15 20 25 30 35 9,506,658 that detection as below should be able to be performed on several meters distance from the projectile and with high accuracy. 1: E 1. . .

I FIG 2 visas en försöksuppstâllning för åskådlig- görande av detekteringsprincipen enligt föreliggande upp- finning. En projektil 10 visas i figuren på sin färd mot en máltavla, som ej visas i FIG 2 men som representeras av hänvisningen 30 i FIG 4 och 5. Två akustiska givare eller sensorer S1 och S2, vardera innefattande för aktuell till- lämpning passande elektronik för förstärkning, signalan- passning etc, är anordnade på ett par meters avstånd från varandra på ömse sidor om projektilens färdriktning.Fig. 2 shows an experimental setup for illustrative application of the detection principle according to the present finding. A projectile 10 is shown in the figure on its journey towards one painting board, not shown in FIG. 2 but represented by reference 30 in FIGS. 4 and 5. Two acoustic sensors or sensors S1 and S2, each comprising for the current application suitable electronics for amplification, signal fitting etc, are arranged at a distance of a few meters from each other on either side of the projectile's direction of travel.

Givarna är förbundna med en styrenhet 20, exempelvis en konventionell persondator av PC-kompatibel typ med till- hörande tangentbord 21. Det skall dock poängteras, att de funktioner och det arbete, som styrenheten 20 är anordnad att utföra och som beskrivs närmare nedan, kan utföras på en mängd olika hård- och mjukvarumässiga vis, vilket är uppenbart för fackmannen inom det tekniska området. Styr- enheten 20 är förbunden med en presentationsenhet 22, som i detta fall utgörs av en konventionell datorbildskärm.The sensors are connected to a control unit 20, for example one conventional personal computer of the PC-compatible type with hearing keyboard 21. It should be pointed out, however, that they functions and the work that the control unit 20 is arranged to perform and as described in more detail below, can be performed on a variety of hardware and software modes, which is obvious to those skilled in the art. Steering the unit 20 is connected to a presentation unit 22, as in this case consists of a conventional computer monitor.

Givarna S1 och S2 har till uppgift att detektera positionen för projektilen 10, då denna passerar förbi givarna genom ett plan, som är beläget på visst avstånd frán en màltavla och som företrädesvis är parallellt med ett målplan genom nämnda màltavla. Positionen är möjlig att detektera på akustisk väg såväl för en underljuds- som en överljudsprojektil enligt resultaten från ovanstående analys.Sensors S1 and S2 have the task of detecting the position of the projectile 10 as it passes by the donors through a plane, which is located at a certain distance from a tablet and which is preferably parallel to a target plan through said target. The position is possible to detect in an acoustic way for both an audible and a supersonic projectile according to the results from above analysis.

I FIG 3 visas den ovan beskrivna situationen sedd ovanifràn. För att kunna detektera projektilpositionen i ett väldefinierat plan har givarna med fördel riktnings- verkan, dvs de har en känslighet, som är stor i en omedel- bar närhet av planet men som är väsentligt mindre utanför 506 658 10 15 20 25 30 10 detsamma. En sådan riktningsberoende givare kan exempelvis konstrueras genom att arrangera ett antal mikrofonelement, exempelvis sju stycken, i en s k mikrofonarray, dvs ett arrangemang där mikrofonelementen är anordnade med givna inbördes avstånd på ett sådant sätt, att detekterings- bidragen från varje mikrofonelement förstärker varandra för sådana ljudvågor, som infaller i den önskade kânslighets- riktningen (här: detekteringsplanet) respektive motverkar varandra för sådana ljudvågor, som infaller från annat håll. Bidragen från respektive mikrofonelement kan vidare viktas på elektronisk våg. Mikrofonelementen kan vara av konventionell keramisk typ, som utnyttjar piezoelektriska effekter i elementmaterialet. Att åstadkomma riktnings- beroende givare genom att sammankoppla ett antal givar- element, vilka tillsammans ger den önskade riktningsverkan, är välkänt inom närliggande tekniska områden - såsom exempelvis radarteknik - och beskrivs därför inte närmare här.Fig. 3 shows the situation described above seen from above. To be able to detect the projectile position in a well-defined plan, the donors advantageously have directional effect, ie they have a sensitivity which is high in an immediate bare proximity of the plane but which is significantly less outside 506 658 10 15 20 25 30 10 the same. Such a direction-dependent sensor can, for example constructed by arranging a number of microphone elements, for example seven pieces, in a so-called microphone array, ie one arrangements where the microphone elements are arranged with given spacing in such a way that the detection the contributions from each microphone element reinforce each other for such sound waves, which fall within the desired probability the direction (here: the detection plane) respectively counteracts each other for such sound waves, which fall from another hold. The contributions from each microphone element can further weighted on electronic scale. The microphone elements may be off conventional ceramic type, which utilizes piezoelectric effects in the elemental material. To achieve directional dependent sensors by connecting a number of sensor elements, which together give the desired directional effect, is well known in related technical fields - such as for example radar technology - and is therefore not described in more detail here.

Givarna har med fördel en känslighetstopp i ultra- ljudområdet mellan, såg, 30 kHz och 50 kHz. Detta är för- delaktigt av flera skäl. i görligaste mån förhindra störande inverkan från exempel- För det första är det önskvärt att vis avfyringsknallar. Även om sådana avfyringsstörningar har ett mycket brett ljudspektrum - även långt upp i ultra- ljudomràdet - avtar högfrekventa ljud kraftigt med avstån- det, och om givarna placeras långt bort från avfyrings- platsen (dvs nära målet) och dessutom arbetar i det hög- frekventa området, kan graden av störande inverkan från avfyringsljud minimeras. Vidare möjliggör höga frekvenser en hög detekteringsupplösning. Dessutom är högfrekvent brus enklare att avskärma än lågfrekvent brus.The sensors advantageously have a sensitivity peak in ultra- sound range between, saw, 30 kHz and 50 kHz. This is involved for several reasons. prevent, as far as possible, the disruptive effects of exemplary First, it is desirable that show firecrackers. Although such firing disturbances has a very wide sound spectrum - even far up in the ultra- sound range - high-frequency sounds decrease sharply with distance and if the sensors are placed far away from the firing the site (ie close to the destination) and also works in the frequent range, the degree of interference from firing noise is minimized. Furthermore, high frequencies enable a high detection resolution. In addition, high frequency noise easier to shield than low frequency noise.

Varje givare detekterar vid en viss förstärkningsgrad ljud inom en rymdvinkel w och har således varsin detekte- ringslob 31, 32. Den relativa detekteringskânsligheten har markerats i figuren för respektive lob. För att inmätning W U 20 25 30 35 506 658 ll av positionen skall kunna ske, måste båda givarna regist- rera ljud från projektilen, och således kan inmätning ske inom den romboid, som begränsas av de streckade linjerna.Each sensor detects at a certain degree of gain sound within a space angle w and thus each has a lobe 31, 32. The relative detection probability has marked in the figure for each lobe. To measurement W U 20 25 30 35 506 658 ll of the position, both donors must register noise from the projectile, and thus measurement can take place within the rhomboid, which is bounded by the dashed lines.

Lobbredden, och därmed sträckan c i figuren, har av tydlig- hetsskäl överdrivits. I verkligheten, vid en detekterings- frekvens på, säg, 40 kHz och ett avstånd på 4 m mellan givarna, blir sträckan c = 200 mm.The lobe width, and thus the distance c in the figure, has clearly exaggerated reasons. In reality, at a detection frequency of, say, 40 kHz and a distance of 4 m between sensors, the distance c = 200 mm.

De av respektive givare S1 och S2 registrerade akus- tiska signalerna omvandlas till elektriska signaler, som vidarebefordras till styrenheten 20. Konventionella för- stärkande och filtrerande organ kan givetvis utnyttjas efter behov. Styrenheten 20 är anordnad att ur de från res- pektive givare mottagna signalerna bestämma en tidsför- skjutning, svarande mot skillnaden i gångtid för projektil- ljudet till respektive givare, vilken i sin tur (eftersom ljudutbredningshastigheten kan antas vara konstant inom aktuella tids- och avståndsintervall) är direkt represen- tativ för avstånden a resp b från projektilens passerings- punkt i mätplanet till respektive givare S1 och S2.The acoustics registered by the respective sensors S1 and S2 the electrical signals are converted into electrical signals, which forwarded to the control unit 20. Conventional strengthening and filtering means can of course be used based on needs. The control unit 20 is arranged so that from the the respective sensor received signals determine a time delay firing, corresponding to the difference in running time of the projectile the sound to the respective sensor, which in turn (because the speed of sound propagation can be assumed to be constant within current time and distance intervals) are directly represented alternatives for the distances a and b respectively from the projectile point in the measuring plane to the respective sensors S1 and S2.

Tidsskillnaden kan bestämmas genom signalbehandling i styrenheten 20, företrädesvis genom att beräkna korrela- tionsfunktionen R(t) = Ä Sl(t)°S2(t-I) dt där Sl(t) och S2(t) ger som resultat en skattning av hur väl signalerna stämmer är givarsignalerna. Korrelationen överens, när den ena av dem tidsförskjuts relativt den kan den sökta tidsskill- naden erhållas genom värdet på I. Signalkorreleringen kan andra, och när R(I) når maximum, alternativt utföras i frekvensplanet genom lämplig trans- formering, exempelvis Fourier-transformering, av de elektriska signalerna. När tidsskillnaden fastställts, kan sidavstànden a och b bestämmas, om ljudhastigheten är känd.The time difference can be determined by signal processing in control unit 20, preferably by calculating the correlation function R (t) = Ä Sl (t) ° S2 (t-I) dt where S1 (t) and S2 (t) gives as a result an estimate of how well the signals are correct are the sensor signals. The correlation agree, when one of them is time-shifted relative to it the requested time difference obtained by the value of I. The signal correlation can others, and when R (I) reaches the maximum, alternatively performed in the frequency plane by appropriate formation, for example Fourier transformation, of the the electrical signals. Once the time difference is determined, the side distances a and b are determined, if the speed of sound is known.

Eftersom man i allmänhet emellertid inte kan förutsätta att 10 U 20 25 30 35 506 658 12 projektilen passerar exakt i höjd med givarna S1 och S2, kan man med hjälp av ett givarpar enligt ovan endast bestämma en skara möjliga passagepunkter, som utgör en hyperbel. Sådana hyperbler indikeras i FIG 4.Because in general, however, one can not assume that 10 U 20 25 30 35 506 658 12 the projectile passes exactly at the height of the sensors S1 and S2, can be done with the help of a pair of sensors as above only determine a crowd of possible passage points, which constitute one hyperbola. Such hyperbolas are indicated in FIG.

Genom att enligt FIG 4 utnyttja tre akustiska givare S1, S2 och S3, som i analogi med ovan är operativt förbund- na med styrenheten 20 och därigenom även med presentations- enheten 22, kan man utföra två parvisa mätningar med hjälp av t ex S1/S2 resp S1/S3, varvid tvâ hyperbler för möjliga passagepunkter erhålls. Styrenheten är anordnad att beräkna skärningen mellan hyperblerna för entydigt fastställande av koordinaterna (x,y) hos positionen för projektilens passage genom mätplanet. Om inte avståndet mellan mätplanet respektive givarna S1-S3 och màltavlan 30 är alltför långt, kan projektilen antas röra sig linjärt mellan mätplanet och màltavlan 30. nad att i rät vinkel projicera den inmâtta positionen på Styrenheten 20 är därför i detta fall anord- ett målplan 31 genom màltavlan 30 samt indikera det fast- ställda mätresultatet 25 pà lämpligt vis med hjälp av presentationsenheten 22. Styrenheten 20 kan också vara anordnad att avge styrsignaler till yttre utrustning såsom en fällmekanism eller annan resultatindikeringsutrustning i beroende av det fastställda mätresultatet. 1 En 3 En _ E I FIG 5 visas en föredragen utföringsform av före- liggande uppfinning. Tre akustiska givare S1, S2, S3 är i ett första plan 35 för en passerande projektil pá dess väg mot enligt ovan anordnade att inmäta positionen (xl, yl) màltavlan 30. Ytterligare tre akustiska givare S4, S5, S6 (x2, y2) i ett plan 36 mellan det första planet 35 och málplanet 31. Samt- är anordnade att inmäta motsvarande position liga akustiska givare är operativt förbundna med styr- enheten 20, som i sin tur är operativt förbunden med pre- sentationsenheten 22. Styrenheten är i analogi med vad som IO 15 20 25 30 35 506 658 13 beskrivits ovan anordnad att parvis kombinera mätsignalerna från respektive givare för fastställande av positionen (xl, yl) planet 35 resp 36. Härigenom ges möjlighet till att de- respektive (X2, y2) för projektilens passage genom tektera avvikelser från vinkelrätt infallande av projek- tilen mot måltavlan 30, eftersom styrenheten 20 är anordnad att med hjälp av nämnda inmätta positioner fastställa pro- jektilens riktning relativt målplanets normalriktning. Så- ledes är det enligt uppfinningens föredragna utföringsform möjligt att med bibehållen noggrannhet även mäta in sådana projektiler, som ej infaller i rät vinkel mot máltavlan. 1] 1 . En _ E Enligt en alternativ utföringsform av uppfinningen är systemet enligt FIG 5 försett med ej visade organ för in- mätning av gångtiden mellan projektilens passage genom planet 35 respektive 36. Med hjälp av denna gångtid samt ett känt avstånd mellan planen är styrenheten anordnad att beräkna projektilens hastighet och presentera denna på lämpligt vis via presentationsenheten.By using three acoustic sensors according to FIG S1, S2 and S3, which in analogy to the above are operationally connected with the control unit 20 and thereby also with the presentation unit 22, two pairwise measurements can be performed using of eg S1 / S2 and S1 / S3, respectively, whereby two hyperbolas are possible passage points are obtained. The control unit is arranged to calculate the intersection of the hyperbolas for the unambiguous determination of the coordinates (x, y) of the position of the projectile passage through the measuring plane. If not the distance between the measuring plane the sensors S1-S3 and the target 30, respectively, are too long, the projectile can be assumed to move linearly between the measuring plane and malt 30. to project the measured position at a right angle The control unit 20 is therefore in this case arranged a target plan 31 through the target board 30 and indicate the fixed set the measurement result 25 in an appropriate manner using the presentation unit 22. The control unit 20 may also be arranged to emit control signals to external equipment such as a folding mechanism or other result indicating equipment in depending on the determined measurement result. 1 En 3 En _ E Fig. 5 shows a preferred embodiment of the present invention. the present invention. Three acoustic sensors S1, S2, S3 are in a first plane 35 of a passing projectile on its way to as arranged above to measure the position (xl, yl) the scoreboard 30. Three more acoustic sensors S4, S5, S6 (x2, y2) in one plane 36 between the first plane 35 and the target plane 31. are arranged to measure the corresponding position acoustic sensors are operatively connected to control unit 20, which in turn is operatively connected to pre- sentation unit 22. The control unit is in analogy to what IO 15 20 25 30 35 506 658 13 described above arranged to combine the measurement signals in pairs from the respective sensor to determine the position (xl, yl) planes 35 and 36, respectively. This provides an opportunity to respectively (X2, y2) for the passage of the projectile through deviate from the perpendicular incidence of the projectile towards the target 30, since the control unit 20 is arranged to determine with the aid of said measured positions the the direction of the jet relative to the normal direction of the target plane. So- therefore, it is according to the preferred embodiment of the invention possible to measure such with maintained accuracy projectiles, which do not fall at right angles to the target. 1] 1. En _ E According to an alternative embodiment of the invention is the system according to FIG. 5 provided with means not shown for measuring the travel time between the passage of the projectile through plane 35 and 36 respectively. Using this running time as well a known distance between the planes, the control unit is arranged to calculate the velocity of the projectile and present it at appropriately via the presentation unit.

Enligt en andra alternativ utföringsform görs givarna S4-S6 i FIG 5 överflödiga genom att givarna S1-S3 utformas pà ett sådant sätt, att de var och en har två känslighets- lober i stället för en. Den ena loben utnyttjas för inmät- ning av projektilljud i det första planet 35, medan den andra loben utnyttjas för inmätning i det andra planet 36.According to a second alternative embodiment, the sensors are made S4-S6 in FIG. 5 are superfluous in that the sensors S1-S3 are designed in such a way that they each have two sensitivity lobes instead of one. One lobe is used for measuring project noise in the first plane 35, while the second lobe is used for measurement in the second plane 36.

I detta fall är planen 35 resp 36 ej parallella med var- andra. Genom att ge styrenheten kännedom om de båda planens orientering relativt varandra och relativt màlplanet 31, kan träffpunkten fastställas genom geometriska beräkningar.In this case, the planes 35 and 36, respectively, are not parallel to each other. Other. By giving the control unit knowledge of the two planes orientation relative to each other and relative to the target plane 31, the point of impact can be determined by geometric calculations.

Enligt ytterligare en alternativ utföringsform är inmätningssystemet försett med väsentligen riktnings- oberoende akustiska givare. Varje givare består i detta fall lämpligen av endast ett mikrofonelement. Styrenheten 20 är härvid anordnad att registrera det ögonblick, då N 15 20 25 30 506 658 14 tidsskillnaderna mellan mätsignalerna från respektive givare är minimala. Vid detta ögonblick âr de geometriska avstånden mellan projektilens ljudalstrande vak 13 och respektive givare minimala, vilket indikerar att vaken befinner sig i det avsedda mâtplanet. Genom att utnyttja värdena på tidsskillnaderna i detta ögonblick kan styr- enheten i analogi med ovan fastställa projektilens position.According to another alternative embodiment is the measurement system provided with substantially directional independent acoustic sensors. Each donor consists of this case of only one microphone element. The control unit 20 is hereby arranged to register the moment when N 15 20 25 30 506 658 14 the time differences between the measurement signals from the respective sensors are minimal. At this moment they are geometric the distances between the projectile's sound generating wake 13 and respective sensors minimal, indicating that awake is in the intended measuring plane. By utilizing the values of the time differences at this moment can be controlled the device in analogy with the above determine the projectile position.

Enligt en annan alternativ utföringsform är inmät- ningssystemet försett med åtminstone en mikrofon, som är riktad mot avfyringsplatsen, är anordnad att registrera direktljud, att vidarebefordra mot direktljudet svarande elektriska som uppkommer vid avfyringen, samt är anordnad signaler till styrenheten 20. Styrenheten 20 är anordnad att med hjälp av dessa signaler undertrycka direktljud- komponenter i de olika mâtsignalerna för att därigenom minska direktljudets störande inverkan på mätresultatet.According to another alternative embodiment, the equipped with at least one microphone, which is directed at the firing point, is arranged to register direct sound, to transmit to the direct sound corresponding electric which arises at the firing, and is arranged signals to the control unit 20. The control unit 20 is arranged to suppress direct sounds by means of these signals components in the various measurement signals to thereby reduce the disturbing effect of direct sound on the measurement result.

Enligt ytterligare en alternativ utföringsform utgörs varje akustisk givare av ett enda mikrofonelement, som är anordnat i en akustiskt reflekterande omgivning, före- trädesvis i en skálformig reflektor. Mikrofonelementet placeras på ett sådant sätt i reflektorn (t ex i dess brännpunkt). att infallande akustiska ljudvågor samverkar på mikrofonelementet. Genom att rikta reflektorns öppning åt önskat håll, dvs i detekteringsriktningen, kan en hög riktningsberoende känslighet (dvs en smal detekteringslob) uppnås. Det är vidare möjligt att i analogi med ovan skapa två detekteringslober genom en lämplig utformning av re- flektorn samt genom utnyttjande av ett företrädesvis kil- formigt organ, som anordnas ”ovanför” mikrofonelementet med uppgift att blockera rakt framifrån infallande ljudvågor men vidarebefordra snett infallande ljudvågor.According to another alternative embodiment is constituted each acoustic sensor of a single microphone element, that is arranged in an acoustically reflective environment, stepwise in a bowl-shaped reflector. The microphone element placed in such a way in the reflector (eg in its focal point). that incident acoustic sound waves interact on the microphone element. By aiming the reflector's opening in the desired direction, ie in the detection direction, a pile can directional sensitivity (ie a narrow detection lobe) achieved. It is also possible to create in analogy with the above two detection lobes through an appropriate design of the the flexor and by using a preferably wedge shaped member, which is arranged "above" the microphone element with task to block straight from the front incident sound waves but transmit skewed sound waves.

Ovanstående beskrivning av uppfinningen och dess utföringsformer har företagits i exemplifierande och ej 15 506 658 begränsande syfte. Uppfinningen kan inom ramen för bifogade patentkrav utföras på andra sätt än de ovan beskrivna.The above description of the invention and its embodiments have been undertaken in exemplary and not 15 506 658 restrictive purpose. The invention may within the scope of the appended claims claims are performed in other ways than those described above.

Claims

10 15 20 25 30 35 506 658 16 PATENT REQUIREMENTS

1. A method of relatively selected reference system freely determining the position, direction or velocity - or any (10) of its travel through a gas in the direction of a given target (30), where project combination thereof - for a projectile's position in a first plane (35) is determined at a certain distance from the target by means of at least three acoustic sensors (S1, S2, S3) arranged in the vicinity of said plane, characterized in that acoustic sound waves, originating from a turbulent gas volume (12, 13, 14, 15) extending substantially directly behind the projectile (10), by means of the said (S1, S2, S3), time differences for the arrival of the acoustic sound paths acoustic sensors to the respective acoustic sensors are measured, the position of the projectile (x, y; xl, yl) in said first plane (35) is calculated from said time differences and (25) said target (30) is determined by means of the projectile's calculation projectile's point of impact in a target plane (31) by nade position in the first plane.

Method according to claim 1, characterized in that the point of impact (25) of the projectile (10) in said target plane (31) is determined by projecting the position of the projectile (x, y; xl, yl) in said first plane at right angles to said target plane (31). 35).

3. A method according to claim 1, characterized by (10) and the target plane that the position of the projectile in one between the first (35) (31) (36) is calculated by recording acoustic sound waves and the measuring plane lying second plane of time differences in analogy with claim 1, after which the deviation of the projectile relative to the said target plane's normal direction is determined. W Ü 20 25 30 35 17 506 658

4. A method according to claim 3, characterized in that the travel time of the projectile (10) between the first (35) and the second (36) plane is measured, from which the velocity of the projectile is calculated.

A method according to claim 3 or 4, in that said at least three acoustic sensors (S1, characterized S2, S3), which are used for measuring the position (x1, yl) of the projectile (10) in said first plane (35), also used to measure the position of the projectile (x2, y2) in said second plane (36).

6. Method according to any of the above requirements, know the speed, current gas. of said projectile (10) traveling with one below the speed of sound propagation in

7. A method according to claim 6, characterized in that said projectile (10) consists of a bullet from a handgun.

Device for practicing the method according to any one of the preceding claims, characterized by (S1, S2, S3, S4, S5, S6) operatively connected control unit (20) one present with said acoustic sensor and, a present operatively connected to said control unit station (22), the acoustic sensors being arranged to detect the passage of the projectile (10) through said first and second planes (35, 36) and, depending on this, to send electrical signals to the control unit, said control unit being arranged to receive determine mutual differences. in time between respective acoustic electrical signals from each acoustic sensor, sensor detection of the passing projectile, from 506 ess 18 W Ü 20 25 30 35 determine the time difference of the projectile in the first and second plane, by means of these positions determine the point of impact of the projectile in the said target plan (31) and with the aid of the presentation unit indicate the determined meeting point. k n n e t e c k n a d S5, S6) have directional sensitivity and are arranged to only

Device according to claim 8, in that said acoustic sensors (S1, S2, S3, S4) detect sound in or in the immediate vicinity of said first (35) and second (36) planes, respectively.

Device according to claim 9, characterized in that the control unit (20) is arranged to calculate in the time or frequency domain the pairwise correlation between the electrical signals from at least some of the acoustic sensors (S1, S2, S3, S4). S5, S6), at maximum signal correlation, determine a time difference for the signal pair in question, therefrom determining a number of possible positions (10) passage through said first respect (35, 36) from each such pairwise correlation determining one for the second plane of the projectile and by combining a clear position for the projectile in the first and second planes, respectively.

ll. Device according to claim 9 or 10, characterized in that each of said acoustic sensors (S1, S2, S3, S4, elements, which are arranged with given mutual distances for S5, S6) constitute a set of microphones - providing said directional sensitivity.

Device according to claim 9 or 10, characterized in that each of said acoustic sensors (S1, S2, S3, S4, is arranged at a certain point relative to an acoustic reflector- S5, S6) is constituted by a microphone element providing a concentrating and concentrating environment for providing said directional sensitivity.

Device according to any one of claims 8 to 12, characterized in that the control unit (20) is arranged to measure the travel time of the projectile (10) between said first and second planes (35, 36) and thereby determine the velocity of the projectile. .

Device according to any one of claims 8 to 13, (20) consists of a computer and in that said presentation unit is characterized in that said control unit (22) consists of a computer monitor.