Microflown AVISA

Akustische Vektor-Sensoren ermöglichen 3D-Schallquellenlokalisierung mit UAV

UAV-Aufklärungstechnologie basiert hauptsächlich auf optischer Sen-

sorik. In der Praxis gibt es jedoch viele Ereignisse, die leicht zu hören wären, al-lerdings rein optisch trotz modernster Ka-meratechnik schnell zu übersehen sind. Microflown AVISA hat eine weltweit ein-zigartige Akustik-Sensorik entwickelt, die Schallquellen im dreidimensionalen Raum lokalisieren kann. Der folgende Artikel beschreibt die Technologie und deren revolutionäre Anwendungsmög-lichkeiten mit UAV-Plattformen.

Das Microflown AVISA-Team hat Mitte dieses Jahres erstmalig in Zusam-menarbeit mit niederländischen Militär erfolgreich Thunderflash-Explosionen von einem fliegenden UAV aus geortet. Als Plattform diente ein Hartschaum-Skywalker mit einem integrieren 24-Bit-Audiorekorder, der die Signale des weltweit einzigartigen Akustik Vektor Sensors (AVS) aufzeichnete. Im Nach-gang wurden die Audioaufnahmen ana-lysiert und trotz Wind- und Antriebsge-räuschen der Plattform war es möglich, klare Audiosignale zu gewinnen und die Schallquellen am Boden zu lokalisieren.

Die technische Lösung

Das Herzstück – der patentiere Micro-flown-Sensor – funktioniert nach dem Hitzdrahtprinzip und besteht aus zwei

winzigen Drähten. Im Vergleich zu einem Mikrofon, das die weltweit anerkannte Dimension – den nicht richtungsgebun-denen Schalldruck – misst, messen Mi-croflown-Sensoren eine bisher militärisch nicht genutzte Größe, die richtungsge-bundene Luftschnelle.

Wenn ein Luftstrom nacheinander auf die beiden hoch erhitzten Sensordräht-chen trifft, entsteht eine messbarere Temperaturdifferenz, die ein Maß für die Luftschnelle ist. Durch die extrem schnell messbaren Fluktuationen reagiert die Sensorik auf Akustik – und zwar rich-tungsgebunden.

Ein AVS ist im Kern eine Konstellation aus drei sieben Millimeter großen Mi-croflown-Elementen, die zusammen ei-nen 3D-Raum (drei Achsen) abdecken. Zusätzlich ist der Sensorkopf mit einem konventionellen Mikrofon ausgerüstet. Der einzigartige Vorteil der Microflown-Sensorelemente ist die richtungsgebun-dene und breitbandige Funktionsweise (0,1 Hz bis 20 kHz) im dreidimensionalen Raum, die in deutschen als auch interna-tionalen Automobilentwicklungslaboren seit 2004 wertgeschätzt wird.

Die Natur als Vorbild

Die Natur als ideales Vorbild: Der Mensch hört und ortet kontinuierlich mit seinen Ohren. Erst bei abnormen akustischen Wahrnehmungen verifiziert er bei Inter-esse mit seinen Augen – durch Optik. Der Mensch hat durch den Abstand seiner Ohren eine richtwirkende akustische Wahrnehmung. In der Technik lässt sich diese Methode durch eine Vielzahl von Mikrofonen, mit sogenannten „Arrays“, verfeinern.

Traditionelle Mikrofonarrays sind fre-quenzabhängig und arbeiten mit Lauf-zeitunterschieden des Schalldrucks. Je tiefer die zu ortende Frequenz ist, desto größer die Abmessungen des passenden Arrays. Um z. B. Mörserabschüsse und -einschläge mit herkömmlicher Mikro-fontechnologie zu lokalisieren, betra-gen die Außenmaße des Arrays bis zu 15 Meter, ein Einsatz auf UAV ist somit technisch unmöglich.

Die Limitierung – zur Ortung von ver-schiedenartigen Schallquellen verschie-dengroße Arrays nutzen zu müssen – ent-fällt mit der Nutzung eines einzigen AVS. Durch den Einsatz von akustischen Vek-torsensoren lässt sich das menschliche Aufklärungskonzept in heutige Techno-logie übertragen und sogar verbessern.

Neue Anwendungsmöglichkeiten

Optische Sensoren lassen sich in Echtzeit in die Detektionsrichtung ausrichten. Die Laufzeitunterschiede zwischen Schall und Licht (Kameras)

UAV Plattformen, wie z.B. die LUNA von EMT oder Quadcopter der Firma

AirRobot, werden vielfach zum Konvoischutz oder zur Aufklärung genutzt.

Es geht um schnelle und präzise Lageeinschätzungen mit Zuhilfenahme von

live gesendeten Stummfilmen der UAV. Eine Einschränkung, die auch die

kreativen Köpfe der Bundeswehr seit Jahren herausfordert, aber mit keiner

herkömmlichen Technologie zu lösen war – bis heute.

Autor: Björn Behrmann Microflown AVISA, Sales Manager behrmann@microflown.com

Der Microflown-Sensor (MEMS-Technologie)

Charting sound fields

icroflown AVISA

1 cm

Microflown AVISA entwickelt innovative Produkte, basierend auf der hauseigenen und weltweit einzigarti-gen Akustik-Sensorik, für verschiedenste militärische Plattformen. Weitere Informationen finden Sie unter www.microflown-avisa.com oder rufen Sie uns an unter 0031 880 010 820.

gemessen wurde. Bei t2=42 s ist der Einschlag in ca. 3 km Entfernung zu sehen. Die Tests haben generell ein gutes „Signal-to-Noise“-Ratio ge-zeigt. Weitergehende Tests sind für das erste Quartal 2012 geplant.

Ein AVS-Sensor – 200 Gramm Extragewicht – ermöglicht einen völlig neuartigen UAV-Einsatz

Neben reiner Schallortung und Kar-tographierung der Ereignisse, kann der AVS gleichzeitig für Sense & Avoid und automatisches Landen mitgenutzt werden. Basierend auf akustisch detektierten Ereignissen kann auch die Flugroute automatisch adaptiert werden. Den optisch nicht zu erfassenden auditiven Wahrneh-mungen (außerhalb des Blickbe-reichs) entgegenzufliegen, verein-facht z. B. massiv die Schützen- und Mörsersuche.

Welche UAV-Plattformen sind für die Integration geeignet?

Der Akustik-Vektor-Sensor eignet sich besonders für niedriger fliegen-de UAV. Inwieweit die Sensorik von Wind- und Antriebsgeräuschen be-einflusst wird, ist größtenteils platt-formbedingt. Verschiedene Mes-sungen des Wind- und Antriebsge-räusches sind nötig, die von Wissen-schaftlern bei Microflown AVISA in Arnheim (20 Minuten von Emme-rich) durchgeführt werden, um eine Einschätzung über die Möglichkeiten einer AVS-Integration geben zu kön-nen.

und -einschläge konnten problemlos geortet werden. Die Grafiken zeigen einen Teil der Detektionen.

Das obere Zeit-Frequenz-Plot zeigt zwei Thunderflash-Explosionen am Boden, die während des Fluges aus ei-ner Entfernung von circa 300 Metern gemessen wurden. Die Ergebnisse führen zu der Einschätzung, dass un-sere Sensorik es ermöglicht, vergleich-bare akustische Ereignisse aus bis zu fünf Kilometer Entfernung zu orten.

Das zweite Zeit-Frequenz-Plot zeigt bei t1=8 s einen Mörserab-schuss, der aus circa 500 m Abstand

ermöglichen zudem völlig neue An-wendungen. UAV können z. B. mit einem mehrere Sekunden langen Vi-deozwischenspeicher ausgerüstet wer-den. Sobald ein akustisches Ereignis wahrgenommen wird, kann die lokal gespeicherte Videosequenz – die zum Ereignis passt – mit Lokalisierungs-markern versehen und als zusätzliche Information zur Basisstation übertra-gen werden. Solche kurzen Videose-quenzen (oder hochauflösende Fotos des akustisch detektierten Moments) können viel aussagekräftiger sein als endlose stumme Live-Videos.

Die geringen Abmessungen und der niedrige Energiebedarf der leichten Sen-sorik machen erstmalig neben perma-nenten Installationen, den Einsatz von einem akustischen Sensor auf nahezu allen mobilen militärischen Plattformen möglich. AVS-Integrationen in Fahrzeu-ge, IdZ-Systeme als auch in Unattended Ground Sensors für den Feldlagerschutz oder Grenzabsicherungen sind möglich.

Weltweit einzigartig: Akustische Ortung von Mörserdetonationen mit AVS von UAV

Als Plattform wurde ein Skywalker (Spannweite 168 cm, Länge 115 cm, Leergewicht 700 Gramm) mit einem Autopilot und einem AVS ausgestat-tet. Die Wetterbedingungen waren nicht ideal: leichter Regen bei mode-ratem Wind.

Die Versuche wurden aus 100 Me-ter Höhe über Grund bei einer Flug-geschwindigkeit von 10 m/s durchge-führt. Thunderflash Mk9 (SPL:185 dB in einem Meter Entfernung)-Explosi-onen und 81-mm-Mörserabschüsse

AVS-Signale vom UAV aus georte-ten Thundersflash-Detonationen am Boden

AVS-Signale vom UAV aus georte-ten 81-mm-Mörser-Abschuss (ca. 500 m Entfernung) und Einschlag (ca. drei km Entfernung)

t1 t2

Quelle: Mittler Report Verlag GmbH