Passive acoustic method for aircraft localization
Authors:   , Martín Román Sara-Regina 
Published: September 2023

The present thesis investigates a passive acoustic method to locate maneuvering aircraft. The method is based on the acoustical Doppler effect, as a particular effect of the signals received by a mesh of spatially distributed microphones. A one-dimensional version of the ambiguity function allows for the calculation of the frequency stretch factor that occurs between the sound signals received by a pair of microphones. The mathematical expression for this frequency stretch is a function of the aircraft position and velocity, both of them being estimated by a genetic algorithm. The method requires only a minimum of seven microphones and the prior knowledge of the aircraft position and velocity at a given time. The advantages of the method are that it is suitable for all kind of aircraft, not only propeller-driven, and is not restricted to low heights above the ground. Its applicability could be, for instance, to supplement aircraft noise monitoring systems or to supervise small airports activities. This doctoral research includes the theoretical background of the method as well as the detailed description of its implementation. To assess the performance of the method, results from computer simulations are discussed. First of all, noise propagation is considered in a lossless medium, thus only geometrical spreading influences the sound emitted by the source traveling to the receivers. The accuracy of each step of the method has been evaluated and the results obtained reveal acceptable performance. Due to the large distances between microphones and the aircraft in flight, the atmospheric attenuation plays a major roll. Therefore, computer simulations have also been carried out under the assumption of an homogeneous but non lossless medium to evaluate the influence of the atmospheric absorption on the aircraft location. Under these conditions, the performance of the method with respect to the microphone distribution is discussed. Moreover, the location method has also been tested for a possible inaccuracy on the microphones synchronization. Finally, an outdoor experimental validation of the acoustic method has been carried out with a radio control airplane. The description of the experimental test is detailed in the present work as well as the results obtained.
La tesi desenvolupa, implementa i valida un mètode acústic per a la localització d’aeronaus. El mètode es basa en l’efecte Doppler que es percep en els registres de diferents micròfons distribuïts al voltant d’un aeroport. La versió u-dimensional de la funció d’ambigüitat permet el còmput del factor de compressió o expansió que sorgeix entre els registres freqüencials d’ un parell de micròfons. Aquest factor Freqüencial es pot expressar matemàticament en funció de la posició i velocitat de l’aeronau, que s’estimen en aquesta tesi a partir d’algoritmes genètics.
El mètode només requereix de set micròfons i el coneixement previ de la posició de l’avió en un moment donat. Els principals avantatges del mètode són que és un mètode vàlid per qualsevol tipus d’aeronau, no només per avions d’hèlix o helicòpters, i que no restringeix a vols de baixa alçada. La seva aplicació podria ser, per exemple, complementar un sistema de monitorització de soroll aeri o bé supervisar l’activitat dels aeroports petits que no disposen de sistemes de radar.
Aquesta investigació inclou el desenvolupament teòric del mètode així com la descripció detallada de la seva implementació. Per tal d’avaluar l’efectivitat del mètode, es presenten i analitzen resultats obtinguts a partir de diverses simulacions. Com a primer cas, es considera que el so es propaga en un medi conservatiu, és a dir, el so que es propaga des de la font fins als receptors només es veu afectat per l’atenuació geomètrica. Sota aquest model senzill de propagació, s’ha analitzat l’accuracy de cada un dels passos del mètode i els resultats obtinguts posen de manifest una bona ... del mètode. Tenint en compte que les distàncies entre els micròfons i l’avió en vol són llargues, l’atenuació atmosfèrica influeix també en la propagació del so emès per l’avió. Per tant, el segon cas de simulacions que s’han dut a terme considera un medi de propagació homogeni i no conservatiu amb l’objectiu d’avaluar la influència de l’atenuació atmosfèrica en la localització acústica de l’aeronau.
Sota aquestes condicions, també s’ha analitzat l’eficàcia del mètode en funció de la distribució de micròfons. A més, el mètode de localització s’ha posat a prova sota possibles errors en la sincronització dels set micròfons. Finalment, s’ha dut a terme una validació experimental del mètode amb una avioneta de radio control al Club Aeronàutic Egara. La descripció d’aquest test experimental es detalla en la tesis així com els resultats obtinguts que demostren la validesa satisfactòria del mètode.