DE3220175A1 - Verfahren und einrichtung zur akustischen korrelationspeilung - Google Patents

Description

Verfahren und Einrichtung zur akustischen Korrelationspeilung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur akustischen Korrelationspeilung gemäß dem Oberbegriff des Patentaaspruchs 'sowie auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der akustischen Korrelationspeilung werden die von einem Ziel ausgehenden akustischen Signale mit einer Peilbasis z.B. mit zwei Mikrofonen oder mit vier in den Ecken eines Tetraeders angeordneten Mikrofonen empfangen. Diese Peilbasissignale der Mikrofone werden miteinander korreliert. Bei der Korrelation werden akustische Signale, die nicht von einer Signalquelle stammen, sondern statistisch verteilt sind, so z.B. Hintergrundgeräusche wie Regen, Wind oder dergleichen, ausgemittelt, wohingegen die von einer lokalisierbaren Signalquelle herstammenden Signale durch die Integration über die Zeit aufsummiert werden, so daß in der Korrelationsfunktion diesen Signalquellen eindeutig zuzuordnende Korrelationsspitzen auftreten. Die Korrelationsspitzen geben den Wert der ZeitverSchiebung an, unter dem die von der Signalquelle auf die Mikrofone auftreffenden Signale empfangen werden. Aus dieser Zeitverschiebung wird die Richtung der Signalquelle in bezug zu der Mikrofonanordnung bestimmt.

Akustische Korrelationspeileinrichtungen werden dann verwendet, wenn akustische Signalquellen

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gepeilt werden sollen, so z.B. auf militärischem Gebiet zur Peilung von Panzern.

Panzer werden unter anderem mit sogenannter Fallmunition aus der Luft angegriffen. Die Fallmunition wird von einem Flugzeug oder aus einem Munitionsbehälter ausgestoßen und sinkt dann langsam, z.B. zunächst an einem Fallschirm und anschließend luftgebremst, zu Boden , wöbe sie zur Stabilisierung im allgemeinen um eine lotrechte Achse rotiert. Die Fallmunition weist einen Suchkopf auf, sowie von dem SuchkopfSignalen angesteuerte Steuertriebwerke, die nach Erfassen eines Zieles die Fallmunition transversal in Richtung auf das Ziel versetzen. Wünschenswert wäre, wenn der Zielsuchkopf mit einer akustischen Korrelationspeileinrichtung ausgerüstet werden könnte, da diese gegenüber sonst verwendeten elektromagnetischen Peileinrichtungen, z.B. Radar- oder Ladareinrichtungen, unkomplizierter aufgebaut und zudem billiger ist.

Bei einer akustischen Korrelationspeilung mit rotierender Peilbasis tritt jedoch ein Problem auf:

Einerseits muß die Korrelationszeit sehr kurz sein, damit sich während ihrer Dauer die Lage der Peilbasis zur Schalleinfallsrichtung nur wenig ändert;

andererseits geht jedoch mit Verkürzung der Korrelationszeit auch der Signalverarbeitungsgewinn und damit auch die Peilreichweite zurück.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur akustischen Korrelations-

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peilung der infrage stehenden Art so weiter zu entwickeln, daß -auch bei rotierender Peilbasis der Signalverarbeitungsgewinn hoch ist.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung für ein Verfahren durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale und für eine Einrichtung durch die in dem Nebenanspruch in dessen Kennzeichen erwähnten Merkmale gelöst.

Gemäß diesen Merkmalen wird der ümfangswinkel der drehenden Peilbasis in einzelne Drehwinkelabschnitte unterteilt. Diese Unterteilung wird zeitlich aus der Rotationsfrequenz der Peilbasis abgeleitet. Die für die Raumrichtungsfestigkeit der Unterteilung wichtige Drehlage und die Rotationsfrequenz liefert ein Drehlagesensor. Die innerhalb der einzelnen Drehwinkelabschnitte gemessenen Korrelationsfunktionen mit ihren/ dem ausgewählten Ziel zuzuordnenden Korrelationsspitzen werden abgespeichert und mit einem Zeitfaktor gewichtet, der eine gewisse Abklingzeit für die Korrelationsfunktion festlegt. Die Korrelationsfunktionen jeweils gleicher Drehwinkelabschnitte werden dann bei aufeinander folgenden Drehungen der Peilbasis aufaddiert. Um durch Nachintegration eine Erhöhung des Signalverarbeitungsgewinns zu erreichen, wird zudem der zeitliche Verlauf der Korrelationsspitzen während der Umdrehung der Peilbasis geglättet. Bei konstanter Rotation der Peilbasis ist der zeitliche Verlauf der Korrelationsspitze ein Sinusverlauf. Durch die Glättung und aufgrund der genauen Kenntnis der Rotationsfrequenz der Peilbasis kann die erwartete Lage der Korrelationsspitze sehr genau vorhergesagt werden. Durch

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diese Synchronisation und Steuerung aller Messungen und Auswertungen mit der Rotationsfrequenz ist der Signalverarbeitungsgewinn und damit auch die Peilreichweite sehr groß , so daß trotz der rotierenden Peilbasis eindeutige Richtungswerte für die Signalquelle ermittelt werden.

Für die Messung der Drehlage und der Rotationsfrequenz der Peilbasis kann in einfacher Weise das Erdmagnetfeld ausgenutzt werden. Ein Erdmagnetfeldsensor, im einfachsten Falle eine Spule / liefert, wenn die Spulenachse senkrecht zur Rotationsachse der Peilbasis steht, bei der Rotation im Erdmagnetfeld eine sinusförmige Spannung, deren Frequenz mit der Rotationsfrequenz der Peilbasis identisch ist. Dies erfolgt immer , wenn die Rotationsachse des Magnetfeldsensors nicht genau mit der räumlichen Magnetfeldrichtung zusammenfällt. Die sinusförmige Ausgangsspannung des Magnetfeldsensors wird mit Hilfe einer Nachlaufsynchronisation mit Phasenverriegelung in ihrer Frequenz vervielfacht . Mit Hilfe dieses frequenzvervielfachten Signales wird der Umfangswinkel der drehenden Peilbasis in einzelne raumrichtungsfeste Drehwinkelabschnitte unterteilt. Ebenso wird mit diesem frequenzvervielfachten Signal die synchronisierte Korrelationsauswertung vorgenommen .

Eine Korrelationspeileinrichtung besteht aus einer akustischen Peilbasis mit zwei Mikrofonen, deren Signale analog verarbeitet werden und einem Korrelator, vorzugsweise einem Binär-Korrelator, dem die Signale zugeführt werden; ferner einem Sensor zur Messung von Magnetflußänderungen, durch den ein Sinussignal entsprechend der Drehlage und der Rotationsfrequenz der Peilbasis und nach weiterer Verarbeitung in einer phasenverriegelten Frequenzvervielfachungsstufe ein Steuersignal für die Aufteilung des Umfangswinkels der Peilbasis in einzelne

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raumrichtungsfeste Drehwinkelabschnitte sowie zur Steuerung des Auswerteprozesses geliefert wird; und schließlich aus einem Mikrocomputer/ in dem die Korrelationsfunktionen abgespeichert, mit einem Abklingfaktor multipliziert und aufaddiert werden. In dem Mikrocomputer wird ferner der sinusförmige Verlauf der Korrelationsspitzenposition geglättet. Das aus der Rotationsfrequenz abgeleitete Frequenzvervielfachungssignal steuert den Mikrocomputer, der entsprechend den Binär-Korrelator abliest und neu startet, die Korrelationsfunktionen speichert, wichtet und addiert und ferner aus dem geglätteten Sinusverlauf der Korrelationsspitzenposition ständig die Richtung zur Signalquelle bestimmt. Besteht die Peilbasis aus zwei Mikrofonen, so ist beim Nulldurchgang des geglätteten Sinusverlaufs die Zielrichtung senkrecht zur Peilbasis. Aus der Maximalamplitude dieses Sinusverlaufs ergibt sich der Winkel zwischen Rotationsachse der Peilbasis und Zielrichtung. Wird die Korrelationspeileinrichtung in einer rotierenden Fallmunition verwendet, so steuert der Mikrocomputer auch die Maßnahmen zur Zielbekämpfung.

Eine Korrelationspeileinrichtung gemäß der Erfindung eignet sich insbesondere für den Einsatz in zielsuchender Munition zur Bekämpfung von akustische Signale abgebenden Zielen, wenn die Munition einigermaßen stabil um ihre Achse rotiert, relativ langsam fließt und allenfalls intermittierend angetrieben wird.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der ein Ausführungsbeispiel anhand der einzigen Figur näher erläutert ist, in der ein schematisches Blockschaltbild einer Korrekationspeileinrichtung gemäß der Erfindung dargestellt ist. 35

Die in der Figur dargestellte Korrelationspeileinrichtung ist in einer hier nicht gezeigten von einem Trägerflugzeug

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oder dergleichen abwerfbaren Pallmunition zur Bekämpfung von Panzern eingebaut. Die Fallmunition rotiert langsam um eine lotrechte Achse A und weist eine zu dieser Achse A senkrechte Peilbasis b mit zwei Mikrofonen 2 und 3 auf.

Während der Drehung der Peilbasis um die Achse A empfangen die beiden Mikrofone das von einem Ziel abgestrahlte akustische Signal mit periodisch sich ändernder Zeitverschiebung. Bei stabiler Rotation und bei konstanter Schalleinfallsrichtung beschreibt die Zeitverschiebung einen Sinus, dessen Frequenz mit der Rotationsfrequenz der Fallmunition identisch ist, dessen Amplitude - außer vom Mikrofonabstand b und von der Schallgeschwindigkeit - vom Winkel zwischen Rotationsachse A und Schalleinfallsrichtung abhängt und dessen Phase durch die Drehlage der Peilbasis gegenüber der durch die Rotationsachse und die Schalleinfall sr ichtung definierten Ebene bestimmt ist. Die beiden Mikrofonsignale werden jeweils in einer Signalaufbereitungs stufe 4 bzw. 5 vorverstärkt, bandbegrenzt, weiß gemacht, hartbegrenzt , anschließend abgetastet und zur Bestimmung der Zeitverschiebung zwischen den Signalen in einem Binär-Korrelator 6 miteinander binär korreliert. Die Korrelation erfoLjt innerhalb kleiner Drehwinkelabschnitte längs des ümfangswinkels der rotierenden Peilbasis b, während denen sich die Lage der Peilbasis zur Schalleinfallsrichtung nur wenig ändert.

Die Korrelation und anschließende Auswertung erfolgt taktgesieuert, wobei das Taktsignal aus der Rotationsfrequenz entwickelt wird. Hierzu ist in der Fallmunition ein Erdmagnetfeldsensor, in diesem Falle eine Spule 7, vorgesehen, die in der Fallmunition fest in einer Lotebene montiert ist und mit ihrem Durchmesser in der Rotationsachse A liegt. Dreht sich die Fallmunition in dem durch den Pfeil angedeuteten Sinne um die Rotationsachse A , so liefert die

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Spule 7 eine sinusförmige Ausgangsspannung, deren Frequenz mit der Rotationsfrequenz der Fallmunition identisch ist. Die Ausgangsspannung wird in einer Signalaufbereitungsschaltung 8 verstärkt und anschließend einer phasenverriegelten Frequenzvervielfacherschaltung 9 zugeführt. Das mit der Rotationsfrequenz nachlauf synchronisier te Ausgangssignal der Frequenzvervielfacherschaltung 9 wird nach entsprechender Signalverarbeitung als Taktimpulssignal für einen Mikrocomputer bzw. Rechner 10 verwendet. Durch dieses Taktsignal wird die Größe der einzelnen Drehwinkelabschnitte festgelegt, innerhalb denen die Mikrofonsignale binär korreliert werden. Der Mikrocomputer steuert im gleichen Takt den Binär-Korrelator 6 und übernimmt von diesem die innerhalb der einzelnen Drehwinkelabschnitte ermittelten Korrelationsfunktionen. Die Korrelationsfunktionen mit ihren jeweiligen Korrelatjonsspitzen werden in dem Mikrocomputer abgespeichert. Die Werte der Korrelationsfunktionen werden mit einem Zeitfaktor gewichtet, so daß die übernommenen Korrelationsfunktionen entsprechend dieses Zeitfaktors abklingen. Nach jeweils genau einer Umdrehung der Peilbasis mit den beiden Mikrofonen 2 und 3 werden die jetzt ermittelten Korrelationsfunktionen jeweils gleicher Drehabschnitte mit den abgespeicherten und gewichteten Korrelationsfunktionen in dem Speicher des Rechners addiert.

Durch diese Addition werden die Korrelationsspitzen, die einem Ziel zuzuordnen sind, verdeutlicht. Der zeitliche Verlauf der Korrelationsspitzen während der Rotation der Fallmunition beschreibt bei konstanter Rotationsfrequenz einen Sinus.«Der zeitliche Verlauf der Korrelationsspitzenposition wird einem Filterungsprozeß unterworfen und so zu dem erwarteten Sinusverlauf geglättet. Aus diesem geglätteten Sinusverlauf wird dann die Zielrichtung bestimmt. Jeweils beim Nulldurchgang ist das Ziel senkrecht zur Peilbasis. Die Amplitude dieses Sinusverlaufes ist umso ausgeprägter, je

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größer der Winkel zwischen der Richtung zum Ziel und der Rotationsachse der Fallmunition ist. Ist die Amplitude Null, so weist die Fallmunition mit der Rotationsachse direkt auf das Ziel. Ist dieses nicht der Fall/ so gibt der Mikrocomputer 10 aufgrund der Zielrichtungsbestimmung Steuersignale an eine Triebwerkssteuerung 11 der Fallmunition. Die Fallmunition weist z.B. längs ihres ümfangs verteilt mehrere Triebwerke, z.B. Gasgeneratoren auf, mit Hilfe derer die Fallmunition bei entsprechender Ansteuerung transversal versetzt werden kann. Dies erfolgt so lange, bis die Amplitude des Korrelationsspitzenverlaufs den Wert Null erreicht.

Selbstverständlich kann die beschriebene Korrelationspeileinrichtung auch in Verbindung mit anderen Anwendungsfällen und nicht nur mit einer rotierenden Fallmunition eingesetzt werden.

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Claims (9)

1. Patentansprüche

   Verfahren zur akustischen Korrelationspeilung, bei dem die von einer Signalquelle stammenden akustischen Signale von Aufnehmern einer Peilbasis mit Zeitverschiebung empfangen und diese Peilbasissignale zur Bestimmung der Zeitverschiebung und damit der Schallrichtung miteinander korreliert werden, dadurch gekennzeich net , daß bei einer mit einer konstanten Drehzahl rotierenden Peilbasis der Peilbasissignale in aufeinander folgenden Drehwinkelabschnitten der Peilbasis korreliert werden, daß die so gewonnenen Korrelationsfunktionen mit den der Signalquelle zuzuordnenden

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   Korrelationsspitzen abgespeichert und mit einem eine Abklingzeit bestimmenden Abklingfaktor gewichtet werden, daß die Korrelationsfunktionen jeweils gleicher Drehwinkelabschnitte aufaddiert werden und daß der zeitliche Verlauf der KorrelationsSpitzenpositionen geglättet und die· Schallrichtung aus diesem geglätteten Verlauf bestimmt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

   mit Hilfe der Signale eines Drehlagesensors und einer nachlaufsynchronisierten Frequenzvervielfachung der Rotationsfrequenz der Umfangswinkel der Peilbasis bei der Drehung in einzelne raumrichtungsfeste Drehwinkelabschnitte unterteilt wird, in denen die Korrelationsfunktionen bestimmt werden.
3. 3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelationsfunktionen einzelner Drehwinkelabschnitte lediglich im Bereich der Korrelationsspitzen addiert werden.
4. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Peilbasissignale zeitgesteuert digital korreliert und ausgewertet werden, und daß die Taktimpulse für die Zeitsteuerung aus einer Frequenzvervielfachung der Rotationsfrequenz der Peilbasis gewonnen werden.
5. 5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur akustischen Korrelationspeilung mit mehreren auf einer Peilbasis angeordneten Mikrofonen, einem mit den Mikrofonen verbundenen Korrelator und einem Rechner zur Auswertung der Korrelationsfunktionen hinsichtlich der Zeitverschiebung der Mikrofonsignale und damit hinsichtlich der Schallrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer

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   rotierenden Peilbasis (b) diese.einen die Drehlage und die Rotationsfrequenz der Peilbasis messenden Drehlagesensor (7) aufweist, dessen Ausgang mit einer nachlaufsynchronisierten, phasenverriegelten Frequenzvervielfacherschaltung (9) verbunden ist, die als Taktgeber den Rechner {10} steuert, der in den durch die Taktsignale bestimmten Drehwinkelabschnitten der Peilbasis die Korrelationsfunktionen aus dem Korrelator (6) übernimmt und mit einem einer Abklingzeit entsprechenden Zeitfaktor wichtet, sowie schließlich die Korrelationsfunktionen jeweils gleicher Drehabschnitte aufaddiert, und daß der Rechner den zeitlichen Verlauf der Korrelationsspitzen der den Drehwinkelabschnitten zugeordneten Korrelationsfunktionen glättet und aus diesem zeitlichen Verlauf die Schallrichtung bestimmt.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrelator ein Binär-Korrelator (6) ist.
7. 7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehlagesensor (7) der rotierenden Peilbasis ein Sensor, im einfachsten Fall eine Spule, für Magnetflußänderungen ist, der die Drehlage im Erdmagnetfeld mißt..
8. 8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Peilbasis (b) lediglich zwei Mikrofone (2, 3) aufweist.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehlagesensor eine Spule (7) ist.