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Verfahren zur passiven Messung der Geschwindigkeit
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eines Fahrzeugs.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur passiven Messung der Geschwindigkeit
eines Fahrzeugs, insbesondere eines Wasserfahrzeugs, das Wellenenergie abstrahlt.
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Passiv arbeitende Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs
werden immer dann eingesetzt, wenn das zu vermessende Fahrzeug die Messung nicht
durch an Bord befindliche Meßanlagen wahrnehmen soll. Am Meßort wird die vom Fahrzeug
abgestrahlte Wellenenergie, beispielsweise das Fahrgeräusch, empfangen und zum Bestimmen
der Fahrzeuggeschwindigkeit ausgewertet. Bei der Überwachung von Luft- oder Wasserstraßen,
beim Küstenschutz, bei der Lagebeobachtung von gegnerischen Fahrzeugen zum Einleiten
eigener taktischer Maßnahmen oder bei der Zielverfolgung ist es von Interesse, die
Geschwindigkeit eines sich nähernden oder vorbeifahrenden Fahrzeugs ohne Eigenverrat
zu ermitteln. Um sich bei einem passiven Verfahren, bei dem ein Verrat durch eigene
Sendeenergie nicht gegeben ist, möglichst auch nicht durch auffälliges Manövrieren
während der Messung bemerkbar machen zu müssen, ist es besonders zweckmäßig, wenn
die Messung von einer ruhenden Beobachtungsstation ausgeführt werden kann, sei es
von einer ortsfest installierten Meßanordnung oder von
einem ruhenden
Fahrzeug, beispielsweise einem U-Boot, aus.
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Ein Verfahren zur passiven Messung der Geschwindigkeit eines Wasserfahrzeugs,
bei dem mehrere Hydrophone örtlich getrennt an einem Meßort fest installiert sind,
ist bereits in einem Aufsatz t'Estimation of Differential Doppler Shifts" beschrieben,
der 1979 in dem Journal of the Acoustical Society of America, 66(5), Nov. 1979,
veröffentlicht wurde. Bewegt sich das Wasserfahrzeug relativ zu den Hydrophonen,
so weisen ihre Empfangssignale aufgrund der gekrümmten Wellenfront des empfangenen
Schalls Zeitverzögerungen gegeneinander auf. Bei konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit
sind diese Zeitverzögerungen linear von der Zeit abhängig und geben eine Differenz
der radialen Geschwindigkeitskomponenten der Fahrzeuggeschwindigkeit an, deren Richtungen
in Richtung zu einer Linie zwischen Standort des Wasserfahrzeugs und jeweiligem
Hydrophon weist. Durch den Dopplereffekt sind die Empfangssignale der Hydrophone
gegeneinander frequenzverschoben. Ihre Frequenzverschiebung ist proportional der
Differenz der radialen Geschwindigkeitskomponenten. Mit Hilfe der Fourier-Transformation
werden Frequenzspektren der Empfangssignale berechnet und ihre Frequenzverschiebung
gegeneinander bestimmt. Wenn man mehr als drei Hydrophone verwendet, so kann man
aus den paarweise ermittelten Differenzen der radialen Geschwindigkeitskomponenten
die Fahrzeuggeschwindigkeit ermitteln.
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Eine besondere Schwierigkeit bei diesem Verfahren besteht darin, daß
die Hydrophone räumlich möglichst
weit voneinander entfernt an
bekannten Positionen ausgelegt werden müssen, um großräumig messen zu können, da
meßbare Differenzen der radialen Geschwindigkeitskomponenten nur in einem Gebiet
zwischen den Hydrophonen zu verzeichnen sind, das quer zur Strecke zwischen den
H9drophonen eine Ausdehnung in der Größenordnung der Abstände der Hydrophone zueinander
aufweist. Befindet sich das Wasserfahrzeug nämlich auf der Verlängerung der Strecke
zwischen den Hydrophonen, also auf einem Kurs längs einer Verbindungslinie der Hydrophone,
so ist die Differenz der radialen Geschwindigkeitskomponenten gleich Null, obgleich
die einzelnen Frequenzspektren gegenüber einem Frequenzspektrum des abgestrahlten
Geräuschs vom ruhenden Wasserfahrzeug aus stark frequenzverschoben sind Eine relative
Frequenzverschiebung der Frequenzspektren zueinander ist jedoch Null. Da sie allein
nur meßbar ist, kann dieses Verfahren nur in einem begrenzten Gebiet eingesetzt
werden, das zwischen den Hydrophonen liegt, da nur dann die Richtungen der radialen
Geschindigkeitskomponenten stark voneinander abweichen. Darüber hinaus müssen am
Meßort mehr als drei Hydrophone installiert werden, deren genaue geographische Position
nur mit umfangreichen Vermessungsarbeiten bestimmt werden kann.
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren der
eingangs genannten Art zu schaffen, das mit einer Meßanordnung geringer räumlicher
Ausdehnung großräumig eine passive Messung der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs gestattet.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale
des
Kennzeichenteils des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung geht dabei von den physikalischen Gesetzen der Ausbreitung
von Wellenenergie in einem Übertragungsmedium mit Dispersionseigenschaften aus.
In aller Regel besteht ein solches Übertragungsmedium aus einzelnen Schichten mit
unterschiedlichen Ubertragungseigenschaften für die vom Fahrzeug abgestrahlte Wellenenergie.
In einer der Schichten sind als Meßanordnung mindestens zwei Wandler installiert,
die die vom Fahrzeug abgestrahlte Wellenenergie in elektrische Empfangssignale umwandelt.
Soll das erfindungsgemäße Verfahren in der Luftfahrt zur passiven Messung von Flugzeuggeschwindigkeiten
oder auf dem Land zum Vermessen von Landfahrzeugen, z. B. Panzern, eingesetzt werden,
so werden als Wandler Mikrophone in Schichtungen der Atmosphäre oder Geophone in
Bodenschichten eingesetzt, die die aufgrund des Fahrgeräuschs abgestrahlte Schallenergie
in der Ubertragungsschicht am Meßort in elektrische Empfangssignale umwandeln. Das
erfindungsgemäße Verfahren kann ebenfalls eingesetzt werden, wenn das Fahrzeug elektromagnetische
Wellen, z. B. Licht, abstrahlt, das in eine Ubertragungsschicht mit Dispersionseigenschaften,
z. B, Eisschichtungen, eindringt und sich dort ausbreitet. Besonders vorteilhaft
ist das erfindungsgemäße Verfahren zum passiven Messen der Geschwindigkeit von Wasserfahrzeugen
geeignet, bei dem zwei Hydrophone in einer schicht es Wassers angeordnet werden.
Im einfachsten Fall handelt es sich um einen Flachwasser-Schallübertragungskanal,
bei dem die Wasserschi ht durch Luft- und Bodenschichten begrenzt wird. Ebenso ist
aber auch das Verfahren einzusetzen, wenn in Wasser mehrere Schichtungen mit
unterschiedlichen
Ubertragungseigenschaften zu verzeichnen sind. Es ist nach einem Aufsatz von C.
L. Pekeris, "Theory of Propagation of Explosive Sound in Shallow Water", the Geological
Society of America, Memoir 27, 1948, und einem Buch von J. Tolstoy und C. S. Clay,
"Ocean Acoustics: Theory and Experiment in Underwater Sound", Mc Graw-Hill Book
Company, New York, 1966, bekannt, daß die Schallausbreitung einer im flachen Wasser
befindlichen Geräuschquelle bei tiefen Frequenzen durch eine Uberlagerung von Eigenwellen
oder Moden beschrieben werden kann. Anschaulich kann man sich ein solches physikalisches
Modell der Ausbreitung von Schall so vorstellen, daß der Schall im Flachwasser-Schallausbreitunskanal,
im folen-
den FlachwasserkanalÇ an der Wasseroberfläche total und am Boden teilweise reflektiert
wird, so daß sich eine zickzackförmige Ausbreitung ebener Wellenfronten über der
Entfernung einstellt. Oberhalb einer kritischen Grenzfrequenz, die gleich der Wasserschallgeschwindigkeit
geteilt durch die vierfache Höhe ist, bilden sich Eigenwellen oder sog. Moden aus.
Die Anzahl der Eigenwellen ist abhängig von der Frequenz der abgestrahlten Schallenergie.
Jeweils beim Überschreiten eines ungeraden Vielfachen der kritischen Grenzfrequenz
kommt eine weitere Eigenwelle hinzu. Der Winkel, unter dem die Wellenfront an der
Wasseroberfläche bzw.
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am Grund reflektiert wird, wächst mit der Ordnungszahl der Eigenwellen.
Die Wellenfronten durchlaufen dann einen längeren Weg und stoßen häufiger an die
Grenzschichten und erfahren dabei eine höhere Dämpfung.
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Die Eigenwellen oder Moden stellen Lösungen einer
partiellen
Wellengleichung für den Flachwasserkanal dar. Genauer gesagt, sind es die Eigenfunktionen
des Flachwasserkanals in horizontaler Richtung. Die Eigenwellen sind Zylinderwellen,
die sich konzentrisch von der Schallquelle wegbewegen.
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Sie weisen in Ausbreitungsrichtung eine Periode auf, die umso geringer
ist je höher die Frequenz der sich ausbreitenden. Schallwelle ist. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit
der Eigenwelle bzw. ihre Phasengeschwindigkeit ist abhängig von der Frequenz des
abgestrahlten Schalls und bei'höheren Frequenzen größer. Der Schalldruckverlauf
in vertikaler Richtung ist von der Ordnungszahl der Eigenwelle abhängig. An der
Wasseroberfläche ist der Schalldruck gleich Null, am Boden weist er eine endliche
Größe auf, die Anzahl der dazwischen liegenden Nullstellen wird durch die Ordnungszahl
bestimmt.
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Durch Überlagerung mehrerer Eigenwellen entsteht im Flachwasserkanal
ein Interferenzfeld. Dieses Interferenzfeld baut sich um die Schallquelle auf.
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In radialer Richtung zur Schallquelle sind räumliche Amplitudenschwankungen
zu verzeichnen. Den Abstand zwischen z. B. gleichen Extremwerten nennt man Interferenzwellenlänge.
Diese Interferenzwellenlänge ist allein abhängig von den Eigenschaften des Flachwasserkanals
und der Frequenz des abgestrahlten Schalls, sie wird zu höheren Frequenzen hin größer.
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Bei einem fahrenden Wasserfahrzeug wird Schall in einem breiten Frequenzbereich
abgestrahlt und aufgrund der sich ausbildenden Eigenwellen entsteht
im
Flachwasserkanal ein Interferenzfeld. Dieses Interferenzfeld ist mit dem Wasserfahrzeug
als Schallquelle verbunden.
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In einem Aufsatz von Weston et al, "Interference of Wide-Band Sound
in ShallowWater", Admiralty Research Laboratory, Teddington, Middlesex, 1971, reproduced
by National Technical Information Service, wird ein Verfahren beschrieben, mit dem
Ubertragungeigenschaften eines Flachwasserkanals untersucht werden. Von einem ortsfesten
Hydrophon wird ein breitbandiges Geräusch einer Schallquelle empfangen. Die Schallquelle
bewegt sich dabei mit konstanter Geschwindigkeit und radialem, geradlinigem Kurs
zunächst auf das Hydrophon zu und anschließend von ihm fort. Von dem Geräusch werden
nacheinander je Zeiteinheit Spektrogramme berechnet. Die Intensitäten dieser Spektrogramme
werden als Funktion der Frequenz spaltenweise in Grautonschrift dargestellt. In
jede Spalte, die dem jeweiligen Abstand zwischen Hydrophon und Schallquelle zugeordnet
ist, wird ein Spektrogramm eingetragen. Es ergibt sich ein Intensitätsmuster, das
fächerförmig zum Hydrophonort hinläuft. Dieser Grautonschrieb spiegelt das Interferenzfeld
wieder, das die Schallwellen des abgestrahlten Geräuschs aufgrund der Ausbreitung
von Eigenwellen oder Moden hervorrufen.
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Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur passiven Messung
der Geschwindigkeit eines :asserfahrzeugs werden aus S Empfangssignalen nur zweier
Hydrophone über einen mehrere Zeiteinheiten unfassenden Zeitraum gemäß .Anspruch
2 Spektrogramrne erstellt und spektrale Leistungen der Empfangs-
signale
jedes Spektrogramms beispielsweise als Intensitätsschrieb über der Frequenz abgtspeichert.
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Die einzelnen Intensitätsschriebe werden ihrem Meßzeitpunkt zugeordnet.
Als Intensitätsschrieb kann ein Grautonbild erzeugt werden. Die so abgespeicherten
Spektrogramme bilden ein zweidimensignales Intensitätsmuster, dessen eine Achse
der Frequenz und dessen andere Achse einer Zeitbasis zugeordnet ist, die in Zeiteinheiten
geteilt ist.
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Von den so abgespeicherten Spektrogrammen wird ein Ausschnitt innerhalb
eines vorgebbaren Frequenzbereichs ausgewählt, der sich über ein Zeitintervall von
einer vorgebbaren Anzahl von Zeiteinheiten erstreckt. Zur Geschwindigkeitsmessung
wird das abgespeicherte Intensitätsmuster in dem Ausschnitt mit dem Intensitätsmuster
einer gleichen Anzahl abgespeichert er Spektrogramme der Empfangssignale des anderen
Hydrophons innerhalb des gleichen Frequenzbereichs verglichen, indem das Intensitätsmuster
des Ausschnitts gemäß Anspruch 3 über das zweite Intensitätsmuster entlang der Zeitbasis
so lange verschoben wird, bis sich das innerhalb des Zeitintervalls und Frequenzbereichs
momentan enthaltene zweite Intensitätsmuster und das Intensitätsmuster im Ausschnitt
d cken. An der Zeitbasis ist eine Zeitverschiebung der Intensitätsmuster zueinander
abzulesen.
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Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Wasserschalltechnik
zum Messen der Geschwindigkeit eines liasserfahrzt g.s, z. B. eines Oberflächenschiffs,
eines U-Boots oder Torpedos, wird mit jedem Hydrophon ein Interferenzfeld, das vom
Fahrgeräusch des Wasserfahrzeugs hervorgerufen wird, gemessen. Ruht das Wasserfahrzeug,
so empfängt je-
des Hydrophon je Frequenz einen bestimmten Pegel.
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Fährt das Wasserfahrzeug, so verändert sich dieser Pegel über der
Zeit. Das Interferenzfeld ist mit dem Wasserfahrzeug gekoppelt und wird sozusagen
mit der Fahrzeuggeschwindigkeit über jedes Hydrophon gezogen. Ein Momentanwert des
Interferenzfeldes wird zuerst vom ersten Hydrophon und wenig später vom zweiten
Hydrophon empfangen, wenn das Wasserfahrzeug auf einem Kurs längs der Verbindungslinie
der beiden Hydrophone fährt. Die Zeitverschiebung zwischen den abgetasteten Interferenzfeldern,
die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren festgestellt wird, ist ein Maß für die Fahrzeuggeschwindigkeit.
Die Fahrzeuggeschwindigkeit ist hier gleich dem Hydrophonabstand geteilt durch die
Zeitverschiebung.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin,
daß auch bei großen Entfernungen zwischen Fahrzeug und Meßort eine Fahrzeuggeschwindigkeit
ermittelt werden kann. Die Abmessung der Meßanordnung ist dabei wesentlich geringer
als das Meßgebiet, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren überwacht werden kann.
Es muß nur gewährleistet sein, daß sich das Fahrgeräusch des Fahrzeugs vom Störhintergrund
abhebt und noch detektierbar ist.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
4 wird der Vergleich der Muster der Spektrogramme der Empfangssignale beider Hydrophone
mit Mitteln der Korrelationstechnik durchgeführt. Der besondere Vorteil besteht
darin, daß
durch diese Signalverarbeitung eine Automation in einfacher
Weise möglich wird.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung gemäß den Merkmalen des Anspruchs
5 wird der Frequenzbereich um eine Mittenfrequenz herum dadurch ausgewählt, daß
längs jeder Frequenzspur ein Modulationsgrad der Intensitäten über der Zeit gemessen
wird und festgestellt wird, ob der Modulationsgrad über einer Schwelle liegt. Dieser
Modulationsgrad ist ein Maß dafür, wie ausgeprägt sich Eigenwellen in der Ubertragungsschicht
ausbreiten und ihre Interferenz zu detektieren ist. Der Modulationsgrad wird beispielsweise
dadurch bestimmt1 daß die Abweichung der Intensität je Zeiteinheit auf jeder Frequenzspur
von einem Mittelwert aller im Zeitintervall abgespeicherten Intensitäten festgestellt
wird und die Abweichung auf den Mittelwert bezogen, quadriert und um "1" vermindert
wird. Die radizierte Differenz liefert dann den Modulationsgrad.
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Gleiche Intensitäten mit gleichen Abständen längs einer Frequenzspur
kennzeichnen Intensitätsmaxima und -minima und sind ein Maß für die Interferenzwellenlänge.
Wie eingangs dargestellt, bildet sich die fächerförmige Gestalt des abgespeicherten
Intensitätsmusters beim Uberlauf eines Wasserfahrzeugs über den Meßort bei einem
Kurs aus, der auf der Verbindungslinie der Hydrophone verläuft. Hier ist der Modulationgrad
längs einer Frequenzspur rier abgespeicherten Spektrogramme groß, wenn Eigenilen
im Übertragungsmedium entstanden sind. Durch =;rnPn bei der Ausbreitung der Eigenwellen
kann aber bei einigen Frequenzen der Modulationsgrad stark zurucsgehen, so daß es
sinnvoll ist, diese
Frequenzen nicht zur Ermittlung der Zeitverschiebung
hinzuziehen. Deshalb bildet erfindungsgemäß ein zusammenhängender Bereich benachbarter
Frequenzspuren den Frequenzbereich, für den der ermittelte Modulationsgrad über
einer vorgebbaren Schwelle liegt.
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Um beispielsweise das erfindungsgemäße Verfahren in der Wasserschalltechnik
besonders effizient einsetzen zu können, ist es vorteilhaft, Ubertragungseigenschaften
des Flachwasserkanals in dem zu überwachenden Seegebiet zu kennen und gemäß den
Merkmalen des Anspruchs 6 den Hydrophonabstand am Meßort einem zu erwartenden Interferenzfeld
anzupassen. Die dort angegebene Dimensionierung des Hydrophonabstands abhängig von
der Interferenzwellenlänge zweier interferierender Eigenwellen, die sich aufgrund
der gewählten Mittenfrequenz im Flachwasserkanal mit einer Tiefe von ca. 40 Metern
ausbilden, ergibt beispielsweise bei einer Mittenfrequenz von 300 Hz einen Abstand
von ca. 100 Metern, um vernünftige Meßergebnisse zu erhalten. Hieraus ist ersichtlich,
daß die Hydrophone am Meßort dicht benachbart, bezogen auf das zu überwachende Seegebiet
oder Meßgebiet, angeordnet werden können, das mehr als zehn Kilometer Ausdehnung
aufweisen kann.
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Zur weiteren Optimierung des Verfahrens wird gemäß Anspruch 7 das
Zeitintervall bzw. die Zeitdauer eines Zeitfensters so gewählt, daß es mindestens
zwei Intensitätsmaxima bei der xli.tenfrequenz erfaßt. Mit dieser Dimensionierung
wird erreicht, daß in einem durch Frequenzbereich und @@@intervall definierten Ausschnitt
ein ausgepragtes rntensitätsmuster für den @rgleich herangezogen wird. Selbstverständlich
können
auch mit kleineren oder größeren Zeitintervallen Meßergebnisse erzielt werden. Man
läuft aber bei einem zu kleinen Zeitintervall Gefahr, kein stark ausgeprägtes Interferenzmuster
im oberen Bereich des Frequenzbereichs zu erhalten, weil dort kein Interferenzmaximum
und -minimum mehr erfaßt wird. Bei einem zu groß gewählten Zeitintervall kann evtl.
nicht mehr davon ausgegangen werden, daß das Fahrzeug während der Meßzeit mit nahezu
konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit fährt.
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Durch die Dimensionierung des Abstands der Wandler und des Zeitintervalls
abhängig von den Ubertragungseigenschaften im Meßgebiet wird das Meßverfahren an
den Mechanismus der Entstehung der zu vergleichenden Intensitätsmuster angepaßt,
wodurch eine Optimierung der Meßergebnisse erreicht wird.
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Besonders vorteilhaft für die Messung ist es, wenn die Intensitätsmuster
möglichst feingliedrig sind, da dann besonders gut die Deckung zu detektieren ist.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch
8 ist eine Verbesserung dadurch zu erreichen, daß die Meßanordnung in einer solchen
Tiefe innerhalb der Übertragungsschicht ausgelegt wird, bei der die Eigenfunktionen
in vertikaler Richtung keine Nullstelle aufweisen und das Interferenzfeld von möglichst
vielen Eigenwellen auch höherer Ordnung hervorgerufen wird.
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Die fächerförmige Gestalt der abgespeicherten Spektrograrrune erhält
man. wenn das rfahr£u
der Verbindungslinie der Hydrophone fahr;.
Der Quotient aus Hydrophonabstand und Zeitverschiebung ist gleich der Fahrzeuggeschwindigkeit
des Wasserfahrzeugs. Das abgespeicherte Intensitätsmuster verändert sich, wenn das
Wasserfahrzeug einen Kurs parallel zu dieser Verbindungslinie aufweist. Aus der
fächerförmigen Struktur werden hyperbelähnliche Linien. Nach einer Weiterbildung
des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 10 zum Uberwachen eines Verkehrsweges,
beispeilsweise einer Wasserstraße, parallel zur Verbindungslinie der Hydrophone
liefert der Quotient aus Hydrophonabstand und Zeitverschiebung wieder die Fahrzeuggeschwindigkeit,
da bei konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit sich die radiale Geschwindigkeitskomponente
und die gemessene Zeitverschiebung beide mit dem Sinus eines Winkels zwischen Mittelsenkrechte
auf den Hydrophonabstand und einer Verbindungslinie zum Wasserfahrzeug ändern, so
daß die Fahrzeuggeschwindigkeit unabhängig vom Winkel gleich Hydrophonabstand geteilt
durch Zeitverschiebung ist. Dadurch ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine
Überwachung von Wasserstraßen möglich, bei denen der Meßort weit entfernt installiert
werden kann und eine Entdeckung durch Dritte auszuschließen ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch zur Überwachung eines Einmündungsgebietes
zu einer Wasserstraße mit Vorteil einsetzbar, der sich die Wasserfahrzeuge auf geradem
Kurs nähern. Der Meßort wird
nach einer erfindungsgemäßen Weiterbildung
gemäß Anspruch 11 an den Anfang der Wasserstraße gelegt, wobei vorteilhaft die Verbindungslinie
der Hydrophone in Richtung der Wasserstraße weist, weil dann die zu erwartenden
Zeitverschiebungen am größten sind. Ein Quotient aus Hydrophonabstand und Zeitverschiebung
ist proportional einer Annäherungsgeschwindigkeit des Wasserfahrzeugs. Der Proportionalitätsfaktor
ist konstant wegen des einzuhaltenden Kurses und abhängig von einem Winkel zwischen
einer Bezugsrichtung am Meßort und dem Kurs des Wasserfahrzeugs. Dieser Winkel kann
beispielsweise durch eine andere Peilanlage als stehende Peilung festgestellt werden
und die Annäherungsgeschwindigkeit unmittelbar mit Hilfe dieses konstanten Winkels
ausgerechnet werden Das erfindungsgemäße Verfahren ist ebenfalls vorteilhaft einsetzbar,
wenn ein großes Seegebiet überwacht werden soll und das Wasserfahrzeug einem beliebigen
Kurs folgt. Bei Verwendung einer Peilanordnung, die einen Peilwinkel zwischen Mittelsenkrechte
der Verbindungslinie der Hydrophone als Bezugsrichtung und der Peilung zum Wasserfahrzeug
liefert, gibt gemäß Anspruch 12 der Quotient aus Hydrophonabstand und Zeitverschiebung
multipliziert mit dem Sinus des Peilwinkels eine radiale Geschwindigkeitskomponente
der Fahrzeuggeschwindigkeit. Die radiale Geschwindigkeitskomponente ist nach Anspruch
13 gleich der Annäherungsgeschwindigkeit, wenn die Peilung zum Wasserfahrzeug über
ei-
nen mehrere Zeiteinheiten umfassenden Zeitraum steht.
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In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, mit einem akustischen
Verfahren zu peilen, bei dem gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
nach Anspruch 14 Schall in einem höheren Frequenzintervall als der Frequenzbereich
ausgewertet wird. Die Peilungen werden beispielsweise von einer passiven Panorama-Sonar-Anlage
geliefert. Peilergebnisse für Schall innerhalb des Frequenzbereichs würden wegen
der unterschiedriechen Phasengeschwindigkeit der Eigenwellen im Flachwasserkanal
zu fehlerhaften Winkeln führen.
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Aus diesem Grund wird die Peilung in einem höheren Frequenzintervall
durchgeführt, das erfindungsgemäß in einem solchen Abstand zur Mittenfrequenz gewählt
wird, daß Phasengeschwindigkeiten der Schallwellen innerhalb dieses Frequenzintervalls
annähernd konstant sind und gleich der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls im
Wasser. Bei den Entfernungen, bei denen die Messung durchgeführt wird, und dem betrachteten
hohen Frequenzintervall sind nur noch Eigenwellen niedriger
Ordnung
am Meßort nachweisbar. Eigenwellen höherer Ordnung werden stärker gedämpft als die
niedrigerer Ordnung, ihre unterschiedlichen Phasengeschwindigleiten kannen deshalb
die Peilung und diesen Frequenzintervall nicht mehr verfälschen. Wie man sieht,
wirken die für die Bestimmung der Zeitverschiebung gewünschten Ubertragungseigenschaften
des Flachwasserkanals für die Peilung störend, durch die erfindungsgemäße Auswahl
von Frequenzbereich und Frequenzintervall zum Bestimmen der Geschwindigkeit und
der Peilung ist eine optimale Anpassung an die Übertragungseigenschaften gewährleistet.
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Besonders vorteilhaft ist es, die beiden Mydrophone am meßort auch
gleichzeitig als akustische Sensoren zum Peilen zu verwenden, und aus ihren Empfangssignalen
nicht nur die Zeitverschiebung zu ermitteln. Dann ist nach einer Weiterbildung des
erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 15 die radiale Geschwindigkeitskomponente
der Fahrzeuggeschwindigkeit gleich einem Laufzeitunterschied der Empfangssignale
geteilt durch die Zeitverschiebung der Intensitätsmuster und multipliziert mit der
Schallgeschwindigkeit im Wasser. Die Richtung der radialen Geschwindigkeitskomponente
wird durch den Peilwinkel angegeben, der gleich dem Arcus-Sinus des Quotienten aus
Laufzeitunterschied geteilt durch den Hydrophonabstand und multipliziert mit der
Schallgeschwindigkeit ist. Der besonderer Vorteil dieser Anordnung besteht darin,
daß nur zwei Hydrophone am Meßort ausgelegt und .mit diesen beiden Hydrophonen allein
sämtliche Parameter zum Bestimmen der radialen Gesch"rindigkeitskomponente ermittelt
werden. Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, daß das Meßergebnis für die Größe
der
radialen Geschwindigkeitskomponente unabhängig vom Hydrophonabstand
ist, so daß für diese lessung die Meßgenauigkeit der Positionsbestimmung bei der
Auslegung der Meßanordnung ohne Belang ist.
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Illit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist man in der Lage, die radiale
Geschwindigkeitskomponente der Fahrzeuggeschwindigkeit zu bestimmen. Die zugehörige
tangentiale Geschwindigkeitskomponente ist nicht meßbar, da sie zur Ausbildung des
musters der abgespeicherten Spektrogranime nichts beiträgt.
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Allein die radiale Geschwindigkeitskomponente läßt das Interferenzfeld,
das sich in dem Muster der aogespeicherten Spektrogramme wiederspiegelt, an den
beiden Wandlern vorbeiziehen. Würde ein Fahrzeug im Kreis um einen Wandler mit konstanter
Geschwindigkeit herumfahren, so würde ein Muster der abgespeicherten Spektrogramme
entstehen, das längs den Frequenzspuren keine Modulation aufweist.
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Statt des fächerförmigen musters entsteht ein muster aus parallelen
Streifen, die entlang den Frequenzspuren verlaufen. Allein eine zusätzliche radiale
Geschwindigkeitskomponente führt zu einer fächerförmigen Strukturierung des Musters.
Man kann sich das auch so vorstellen, daß das Interferenzfeld durch konzentrische
Kreise um das Fahrzeug herum charakterisiert ist, die die Maxima bzw.
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Minima der Interferenzwellenlä.ngen kennzeichnen.
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Bei einer Kreisfahrt um den Wandler würde der Wandler jeweils ein
und dieselbe Intensität des Interferenzfeldes erfassen und keinen Wechsel an Intensitäten
feststellen können. ur durch eine radiale Geschwindigkeitskomponente sind Minima
und Maxima der Intensität am Wandler feststellbar.
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Bei einem Einsatz des erfindungsgemäßen Vertahrens.in der Wasserschalltechnik
wäre jedoch anhand des Musters festzustellen, daß das Wasserfahrzeug keine radiale
Geschwindigkeitskomponente zum Meßort aufweist. Das Wasserfahrzeug macht entweder
eine Kreisfahrt um den Meßort oder es ruht. Eine Fahrt des Wasserfahrzeugs auf der
Mittelsenkrechten, die auf die Mitte der Veroindungslinie der Hydrophone errichtet
wird, führt ebenfalls zu keinem Ergebnis, obwohl die aogespeicherten Spektrogramme
der Empfangssignale beider Hydrophone eine ausgeprägte fächerförmige Struktur der
zu vergleichenden uster liefern. Da aber an beiden Hydrophonen gleichzeitig durch
gleich große radiale Geschwindigkeitskomponenten das gleiche Interferenzfeld abgetastet
wird, ist keine Zeitverschiebung zwischen den Mustern vorhanden.
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Um diese Mängel zu beheben, ist nach einer Ceiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens nach Anspruch 15 ein drittes Hydrophon in der Horizontalen am Meßort
vorgesehen, das vorzugsweise mit den anderen beiden Hydrophonen ein gleichseitiges
Dreieck aufspannt. Paarweise werden die Hydrophone zurn Ermitteln von Zeitverschiebung
und Peilung verwendet. Die ermittelten Zeitverschiebungen werden miteinander verglichen
und die größte zur Ermittlung der radialen Geschwindigskeitskomponenten ausgewählt.
Damit ist auf einfache Weise gewährleistet, daß dasjenige Hydrophonpaar zur Ausrertung
der Spektrogramme verwendet wird, dessen Verbindungslinie die geringste Bleichung
von der Peilung aufweist, also den größten Winkel zwischen Mittelsenkrechte und
Peilung einschließt. Bei einer solchen Hydrophonanordnung kann das Wasserfahrzeug
beliebige aurse fahren. Eins der drei Hydropflonpaare weist stets eine solche Ausrichtung
auf,
daß eine exakte Messung gewährleistet ist.
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Ein weiteres Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
in der Überwachung eines Meßgebiets zu sehen, dessen äußere Grenze markierbar ist,
beispielsweise durch ausgelegte Sensoren, die ein Überfahren eines zu vermessenden
Wasserfahrzeugs an eine Auswertestelle übermitteln. Die Fahrzeuggeschwindigkeit
des Wasserfahrzeugs ist dann gemäß Anspruch 17 aus der radialen Geschwindigkeitskomponente
und einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente bestimmbar, die aus der Entfernung
zwischen Meßort und Grenze und aus der zeitlichen Anderung des Peilwinkels errechnet
wird. Durch geometrische Addition der beiden Geschwindigkeitskomponenten erhält
man die resultierende Fahrzeuggeschwindigkeit und durch Integration den innerhalb
einer oder mehrerer Zeiteinheiten zurückgelegte Weg, der dann zusammen mit der Entfernung
den nächsten Abstand zwischen Meßort und Wasserfahrzeug angibt, aus dem zusammen
mit den dort bestimmten Geschwindigkeitskomponenten die momentane resultierende
Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt wird. Der Vorteil besteht darin, daß außer der
resultierenden Fahrzeuggeschwindigkeit auch gleichzeitig ohne Eigenverrat der Abstand
zwischen Meßort und Wasserfahrzeug bestimmt wird, der für viele taktische 1aßn.;amen
von Interesse ist.
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Steht für die Messung der radialen Geschwindigkeitskomponente keine
Peilanlage zur Verfügung, so kann nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens gemäß Anspruch 18 die radiale Geschwindigkeitskomponente durch vier Hydrophone
und deren paarweise ermittelten Zeitverschiebungen bestimmt
werden,
die besonders einfach gemäß Anspruch 19 und 20 dann ist, wenn die Hydrophone ein
Quadrat aufspannen. Die radizierte Summe der quadrierten Zeitverschiebung gibt den
Betrag und der Arcustangens des Quotienten der Zeitverschiebungen die Richtung der
radialen Geschwindigkeitskompo nente an.
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Wie eingangs erläutert, beruht das erfindungsgemäße Verfahren auf
dem Mechanismus der Ausbreitung von Eigenwellen im Flachwasserkanal und deren Interferenz.
Wie bereits ausgeführt, ist die Anzahl der sich ausbildenden Eigenwellen nicht nur
abhängig von der abgestrahlten Frequenz, sondern auch von der Tiefe des Flachwasserkanals.
Bei einem Bodengefälle innerhalb des Meßgebiets, d. h.
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wenn die Tiefe nicht konstant ist, kann es zu Fehlern in der Bestimmung
der radialen Geschwindig keitskomponente kommen, wenn sich nämlich das Wasserfahrzeug
an einer Stelle befindet, dessen Tiefe von der Tiefe des Meßorts differiert.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
gemäß Anspruch 21 wird die ermittelte Geschwindigkeit um den doppelten Betrag der
relativen Tiefenänderung im Meßgebiet korrigiert. Da es sich hier nur um relative
Größen handelt, braucht nicht die Tiefe selbst bekannt zu sein. Es braucht nur das
Gefälle des Bodens zur Korrektur herangezogen zu werden, das beim Ausmessen der
Parameter des Flachwasserkanals leicht ermittelt werden kann.
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Folgende Überlegungen veranschaulichen den Vorgang Das vom Interferenzfeld
umgebene Wasserfahrzeug
legt mit der Fahrzeuggeschwindigkeit in
einer Zeit einen Weg zurück, der gerade einer Interferenzwellenlänge entspricht.
Abhängig von der Tiefe des Flachwasserkanals sind aber die Interferenzwellenlängen
verschieden, nämlich je flacher der Flachwasserkanal desto kürzer der Abstand zwischen
zwei Interferenzmaxima. Befindet sich das Wasserfahrzeug in einem flacheren Gebiet
als am Meßort, so wird in der gleichen Zeit am Meßort das Interferenzmaximum einen
größeren Weg zurücklegen als am Schiffsort, da keine Lücken im Aufbau des Interferenzfeldes
entstehen können und das Interferenzfeld allein durch die Kanalparameter und nicht
durch das Wasserfahrzeug bestimmt wird. Die gemessene Zeitverschiebung ist dadurch
kleiner und die daraus ermittelte Fahrzeuggeschwindigkeit zu groß.
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Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens ist hier vorzugsweise
für die Anwendung in der Wasserschalltechnik beschrieben. In gleicher Weise sind
passive Messungen der Fahrzeuggeschwindigkeit bei der UMerwachung von Straßen an
Land und in der Luft in Gebieten möglich, wo Schallwellen des Fahrgeräuschs in Boden-
oder Luftschichten mit Dispersionseigenschaften eindringen und sich Eigenwellen
ausbilden.
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Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild für das Verfahren
zur Geschwindigkeitsmessung eines Wasserfahrzeugs, Fig. 2 ein Muster von Intensität
abgespeicherter Spektrogramme über der Frequenz und der Zeit, Fig. 3 eine schematische
Darstellung einer Meßsituation im Einmündungsbereich einer Wasserstraße, Fig. 4
eine schematische Darstellung eines Meßort parallel zu einer Wasserstraße, Fig.
5 eine schematische Darstellung einer Meßsituation zur Überwachung eines Seegebiets
mit zwei am Meßort installierten Hydrophone, Fig. 6 eine weitere schematische Darstellung
einer Meßsituation zur Überwachung eines Seegebiets mit drei am Meßort installierten
Hydrophonen, Fig. 7a und 7b eine schematische Darstellung für das Bestimmen einer
radialen Geschwindigkeitskomponente mit vier Hydrophonen, die am Meßort installiert
sind,
Fig. õ eine Prinzipskizze eines Meßgebiets, bei dem der Flachwasserkanal
unterschiedliche Wassertiefen aufweist.
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Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur passiven 'Messung der Geschwindigkeit
eines Wasserfahrzeugs. Zwei Hydrophone 1 und 2 sind im Abstand d zueinander am Meßort
angeordnet. Jedem Hydrophon 1 bzw. 2 ist ein Speicher 3 bzw. 4 nachgeschaltet, in
dem jeweils in Zeiteinheiten T Empfangssignale der Hydrophone 1 bzw. 2 eingespeichert
werden. Ein Taktgeber 5 steuert die Speicher 3 und 4 entsprechend an. Den Speichern
3 und 4 sind Rechenschaltungen 6 und 7 nachgeordnet, in denen nach notwendiger Filterung
(Xliasing-Filter) entsprechend dem Algorithmus der Fast-Fourier-Transformation Spektrogramme
der in den Speichern 3 und 4 abgespeicherten Empfangssignale erstellt werden. Den
Rechenschaltungen 6 und 7 sind Speicherschaltungen 8 und 9 nachgeschaltet. Die Rechen-
und Speicherschaltungen o, 7, 8 und 9 sind zur Ansteuerung mit dem Taktgeber 5 verbunden.
In der Speicherschaltung 8 bzw. 9 erden die Spektrogramme über einer Zeitbasis,
die in Zeiteinheiten T gerastert ist, zeilenweise abgespeichert, indem je Zeile
die Intensitäten über der Frequenz abgelegt werden. In jeder Speicherschaltung 8
oder 9 entsteht ein Intensitätsmuster in Zuordnung zu der
als Ordinate und der
als Abszisse, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Als Zeitbasis ist die Derzeit eingetragen,
die in Zeiteinheiten T geteilt ist. Im Takt der Zeiteinheiten T aus dem Taktgeber
5 werden zeilenweise die Spektrogramme als Intensitäten über der Freouenz in einem
Grautonschrieb dargestellt. Innerhalb eines Freauenzbereichs von 100
bis
400 Hz der als Frequenzfenster #f um eine 'littenfreauenz f = 250 Hz eingetragen
ist, und inner-0 halb einer Zeitdauer von 2 min, die als Zeitfenster #t dargestellt
ist, wird ein Ausschnitt des Intensitätsmusters in der Speicherschaltung 9 gebildet.
In einer Steuerschaltung 100, die mit dem Taktgeber 5 verbunden ist, wird eine vorgegebene
Anzahl von Zeiteinheiten T gezählt und dadurch das Zeitfenster #t gebildet. Die
Steuerschaltung 100 ist mit der Speicherschaltung 9 verbunden.
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Ein Korrelator 10 ist den Speicherschaltungen 3 und 9 nachgeordnet.
In dem Korrelator 10 wird die zeitliche Intensitätsverteilung längs einer Frespur
des einen Intensitätsmusters innerhalb des Zeitfensters #t mit der zeitlichen Intensitätsverteilung
der gleichen Frequenzspur im zweiten Intensitätsmuster korreliert, d.h. multipliziert
und integriert. Diese Signalverarbeitung wird für samtliche Frequenzspuren zwischen
100 und 400 Hz durchgeführt. Die dadurch gewonnenen Korrelationsfunktionen werden
in einem Zwischenspeicher 11 abgelegt. Uber alle Korrelationsfunktionen wird in
einem Mittelwertbildner 12 eine gemittelte Korrelationsfunktion gebildet und aus
der Lage ihres Maximums die Zeitverschiebung tIK der Intensitätsmuster abgelesen.
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Die Zeitverschiebung T 1K liefert bei bekanntem Hydrophonabstand d
unmittelbar eine Fahrzeuggeschwindigkeit V = d eines Wasserfahrzeugs, #IK wenn das
Wasserfahrzeug einen Kurs entlang einer Verbindungslinie zwischen den Hydrophonen
1 und 2 aufweist, wie es in Fig. 3 für das ~iasserfahrzeug 30 dargestellt ist. In
einer Quotientenstufe 13
gemäß Fig. 1, die dem Mittelwertbildner
12 nachgeschaltet ist, wird der Quotient aus Hydrophonabstand d und Zeitverschiebung
#IK gebildet, der die Fahrzeuggeschwindigkeit V angibt.
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Fig. 4 zeigt ein Wasserfahrzeug i0, das längs einer Wasserstraße 41
mit einer Fahrzeuggeschwindigkeit V fährt. Parallel zur Wasserstraße 41 sind als
Meßanordnung die Hydrophone 1 und 2 im Hydrophonabstand d auf ihrer Verbindungslinie
42 dargestellt. Mit einer radialen Geschwindigkeitskomponente Vr der Fahrzeuggeschwindigkeit
V wird das Interferenzfeld am Hydrophon 1 bzw. 2 vorbeigezogen. Es wird eine Zeitverschiebung
#IK der Intensitätsmuster festgestellt, als wenn die Hydrophone 1 und 2 im Abstand
a=d.sin # # parallel zu einer Linie 4i zwischen Wasserfahrzeug 40 und Mitte des
Hydrophonabstands d liegen, die mit der Mittelsenkrechten 45 einen Winkel # einschließt.
Es ist die d.sin# Zeitverschiebung #IK = bzw. die radiale Ge-Vr d.sin# schwindigkeitskomponente
Vr = . Aufgrund #IK der geometrischen Verhältnisse ist die radiale Geschwindigkeitskomponente
Vr abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit V und dem Winkel # und ergibt sich zu
V = V.sin#. Wenn man die beiden Gleichungen für die radiale Geschwindigkeitskomponente
Vr gleichsetzt, erhält man die Fahrzeuggeschwindigkeit V= T d . Da der Hydrophonabstand
d durch die In Installation der Meßanordnung am Meßort bekannt ist, wird die Fahrzeuggeschwindigkeit
V allein durch die ermittelte Zeitverschiebung #IK bestimmt.
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Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient zur
Feststellung des Fahrverhaltens
von Wasserfahrzeug 30 und 31 im
Einmündungsgebiet zu einer Wasserstraße 33, wie es beispielsweise in Fig. 3 dargestellt
ist. Die Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit V des Wasserfahrzeugs 30 ist bereits
beschrieben worden. Das Wasserfahrzeug 31 fährt auf einem Kurs 32 zum Meßort mit
den Hydrophonen 1 und 2, der am Anfang einer Wasserstraße 33 installiert ist. Die
Verbindungslinie der Hydrophone 1 und 2 liegt in Fahrtrichtung. Die gemessene Zeitverschiebung
TI19 wird durch eine AnnäherungsgeschlfindigReit VA des Wasserfahrzeugs 31 verursacht
und von einer fiktiven Meßanordnung gemessen, die parallel zur Verbindungslinie
32 weist und einen fiktiven Abstand von a = d.sin# aufweist. Durch einen Quotienten
Td erhält man einen Geschwindigkeitsanteil A, der 1K gleich der Annäherungsgeschwindigkeit
VA geteilt durch den Sinus des Winkels # ist. Um die Annäherungsgeschwindigkeit
selbst zu erhalten, muß dieser Geschwindigkeitsd anteil A = mit sin# multipliziert
werden.
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#IK Der Winkeln kann mit einer beliebigen Peilanordnung bestimmt
werden. Befinden sich die Hydrophone 1 und 2 beispielsweise auf einem U-Boot, so
ist der Winkeln # beispielsweise durch eine Panoramasonaranlage bekannt. Bei einer
Installation der Hydrophone 1 und 2 zum Grund der Wasserstraße 33 ist es besonders
vorteilhaft, die Empfangssignale der Hydrophone 1 und 2 auch für die Peilung zum
Wasserfahrzeug 31 auszuwerten.
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Fig. 1 zeigt eine Auswertung der Empfangs signale der Hydrophone 1
und 2 zur Ermittlung eines Peilwinkels #.
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Die Empfangssignale werden über Hochpässe 20, 21 einer Korrelatorschaltung
23 zugeführt. Der Durchlaßbereich der Hochtässe 20, 21 liegt weit über der oberen
Grenzfreauenz f= 400 Hz des Frequenzfensters #f. In der Korrelatorschaltung 23 wird
ein Laufzeitunterschied #GK = d/c . sin# zwischen den Empfangssignalen der Hydrophone
1 und 2 festgestellt. Im Abstand der Zeiteinheiten T wird jeweils zu einem Zeitpunkt,
der in der Mitte des Zeitfensters #t liegt, der zur ermittelten Zeitverschiebung
1k; gehörige Laufzeitunterscnied #GK von der Korrelatorschaltung 23 ausgegeben,
die dazu mit der Steuerschaltung 100 verbunden ist. Die Annäherungsgeschwindigkeit
VA ist jetzt besonders einfach zu bestimmen, indem der Laufzeitunterschied #GK durch
die Zeitverschiebung 1K geteilt und mit der Schallgeschwindigkeit c multipliziert
wird. Dazu ist eine Multiplizierschaltung 24 mit dem Mittelwertbildner 12 und der
Korrelatorschaltung 23 verbunden, die von einem Geber 25 für die Schallgeschwindigkeit
c gespeist wird. Am Ausgang dieser Multiplizierschaltung 24 erscheint die Annäherungsgeschwindigkeit
VA des Wasserfahrzeugs 31.
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Fig. 5 dient zur Erläuterung des Verfahrens, wenn das Wasserfahrzeug
einen beliebigen Kurs in Bezug auf die Verbindungslinie der Hydrophone 1 und 2 aufweist.
Ein Wasserfahrzeug 50 befindet sich unter einem Peilwinkel# zur Mittelsenkrechten
51 auf d den Hydrophonabstand d. Ein Quontient liefert IIi einen Geschwindigkeitsanteil
Vf, der durch die radiale Geschwindigkeitskomponente Vr verursacht wird und in Richtung
zur Verbindungslinie der Hydropho-V ne 1 und 2 weist: Vf = r . Bei Kenntnis des
Peilwinkels
nh ist hieraus die radiale Geschwindigkeitskomponente Vr = Vf.sin# bestimmbar. Ist
aus anderen Messungen ein Kurswinkel α zum Wasserfahrzeug 50 bezogen auf einen
Querabstand o zwischen Kurslinie und Mitte des Hydrophonabstands d bekannt, so ist
aus der radialen Geschwindigkeitskomponente Vr mit Hilfe des Kurswinkels α
die Fahrd sin# zeuggeschwindigkeit V = bestimmbar.
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# sin α 1K Eine weitere Möglichkeit zum Bestimmen der Fahrzeug
-geschwindigkeit V besteht darin, die radiale und tangentiale Geschwindigkeitskomponente
Vr und V# zu bestimmen, wenn gemäß Fig. 5 eine Entfernung r zwischen Meßort und
Wasserfahrzeug 50 bekannt ist.
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Zum Bestimmen der tangentialen Geschwindigkeitskomponente V wird,
wie in Fig. 1 dargestellt, der Peilwinkel# aus dem Laufzeitunterschied #GK durch
eine Rechenschaltung 26, die mit der Korrelatorschaltung 23 und einer Eingabeschaltung
27 für den Quotienten aus Hydrophonabstand d und Schallgeschwindigkeit c verbunden
ist, ermittelt. Eine zeitliche Änderung des Peilwinkels # je Zeiteinheit T wird
in einer nachgeschalteten Differenzierstufe 28 festgestellt. Eine anschließende
Multiplizieranordnung 29, die als weitere Eingangsgröße die Entfernung r erhält,
liefert die tangentiale Geschwindigkeitskomponente V# . Eine geometrische Addierstufe
300 ist mit der Multiplizieranordnung 29 und der Multiplizierschaltung 24 verbunden
und bildet die radizierte summe aus den quadrierten radialen und tangentialen Geschwindigkeitskomponenten
Vr² und V#² , die gleich der Fahrzeuggeschwindigkeit V ist.
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Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Meßsituation, bei
der am feßort drei Hydrophone 1, 2, 1/2 ein gleichseitiges Dreieck mit der Seitenlänge
a
aufspannen. Mit den Hydrophonen 1 und 2 wird eine Zeitverschiebung
#IK1 aufgrund der radialen Geschwindigkeitskomponente Vr und ein Peilwinkel 81 zwischen
der Mittelsenkrechten auf den Hydrophonabstand und einer Peillinie zum Wasserfahrzeug
60 ermittelt. Mit den Hydrophonen 2 und 1/2 werden eine Zeitverschiebung #IK2 aufgrund
der radialen Geschwindigkeitskomponente Vr und ein Peilwinkel #2 ermittelt, der
auf die Mittelsenkrechte des Hydropnonabstanues dieser beiden Hydrophone 2, 1/2
bezogen ist. Mit den Hydrophonen 1 und 1/2 werden in gleicher Weise eine Zeitverscniebung
#IK3 aufgrund der radialen Geschwindigkeitskomponente Vr und ein PeibqinkelA" bezogen
auf die zugehörige 3 Mittelsenkrechte ermittelt. Dazu wird eine Anordnung entsprechend
dem Blockschaltbild gemäß Fig. 1 in dreifacher Ausführung aufgebaut. Die radiale
Geschwindigkeitskomponente Vr wird in dem gezeigten Beispiel aus der Zeitverschiebung
#IK3 ermittelt, da # 3 größer als tIK2 und #IK 1 ist bzw. die Verbindungslinie zwischen
den Hydrophonen 1 und 1/2 mit der Peilrichtung vom Meßort zum Wasserfahrzeug 60
am besten übereinstimmt. Das kann einmal durch einen Vergleich der Zeitverschiebungen
#IK3 IN > #IK2, zum anderen aber auch durch einen Vergleich der Peilwinkel #2<#1<#3
ausgewählt werden. Die Geschwindigkeitsmessung ist am ungenausten je näher das Wasserfahrzeug
60 der Mittelsenkrechten auf den Hydrophonabstand d ist, da dann zwar eine ausgeprägte
Struktur der abgespeicherten Spektrogramme feststellbar ist, ihre Zeitverschiebung
r IN aber nur gering ist und in der Größenordnung der Meßgenauigkeit liegt. xylit
diesem Verfahren ist also jeweils ein optimaler Einsatz der Hydrophonpaare zu erwirken,
wenn man für die Ermittlung
der radialen Geschwindigkeitskomponente
Vr die größte Zeitverschiebung #IK und für die Ermittlung der Richtung den kleinsten
Peilwinkel#wählt, da die Peilgenauigkeit mit Hilfe einer Laufzeitmessung am genauesten
im Bereich der Mittelsenkrechten ist.
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Fig. 7a zeigt am Meßort eine Meßanordnung mit vier Hydrophonen H1,
H2, H3, H4, bei der eine radiale Geschwindigkeitskomponente Vr der Fahrzeuggeschwindigkeit
V eines Wasserfahrzeugs 70 ohne zusätzliche Peilanlage oder Laufzeitmessung ermittelt
werden soll. Die Hydrophone H1, H2, H3 und H4 spannen ein Rechteck auf, dessen Diagonalen
sich unter einem Winkel ß schneiden. Die Hydrophone H1 und H2, die im Abstand d
auf einer der Diagonalen liegen, werden zur Ermittlung einer Zeitverschiebung IKl
herangezogen, die Hydrophone H3, H4 auf der anderen Diagonalen zur Ermittlung der
Zeitverschiebung #IK2.
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d.sin#1 d.sin#2 #IK1 = und #IK2 = .
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V V r r Setzt man für den Winkel#2 = ß-#1 so erhält man nach einigem
Umformen einen Ausdruck für die radiale Geschwindigkeitskomponente Vr:
unabhängig von den Winkel#1 und#2 und nur noch abhängig von den Meßgrößen T1K1,
IK2 ' ß ist. 3ei quadratischer Anordnung der Hydrophone H1, H2, H3, H4 gemäß Fig.
7b beträgt der Winkel ß zwischen den
Diagonalen gerade 90° und
der Ausdruck für die radiale Geschwindigkeitskomponente Vr vereinfacht sich zu:
Da die Summe der Winkel # 1 und #2 gleich 900 ist, ergeben sich für die vorher genannten
Zeitverschiebungen lEl und @IK2 folgende Zusammenhänge: d.sin#1 d.sin#2 d cos#1
#IK1 = und #IK2 = = Vr Vr Vr #IK1 Aus dem Verhältnis wird der Winkel #1 er-#IK2
mittelt #IK1. Vr.d #IK1 #1 = arctan = arctan , d. #IK2.Vr #IK2 der die Richtung
der radialen Geschwindigkeitskomponente Vr angibt.
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Eine Messung, bei der am Meßort vier Hydrophone ein Rechteck oder
Quadrat mit der Diagonalen d aufspannen, kann auch dadurch realisiert werden, daß
auf einem U-Boot ein Hydrophonpaar im Abstand d angeordnet ist und das U-Boot nach
einer ersten Messung zur Ermittlung der Zeitverschiebung # IK1 sich um einen -Drehwinkel
ß dreht und eine zweite Messung zum Bestimmen der Zeitverschiebung #IK2 durchführt.
Aus diesen beiden Zeitverschiebungen #IK1 und #Ik2 wird dann in gleicher Weise die
radiale Geschwindigkeitskomponente Vr nach Betrag und Richtung bestimmt.
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Befindet sich der Meßort mit den Hydrophonen in einem Flachwassergebiet,
das keine konstante Wasser-
tiefe aufweist, so ist die Bestimmung
der radialen Geschwindigkeitskomponente Vr aus der Zeitverschiebung #IK nicht mehr
unabhängig vom Schiffsort und der am Schiffsort vorherrschenden Wassertiefe.
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Fig. 8 zeigt eine Prinzipskizze eines Flachwasserkanals, bei dem der
Einfachheit halber eine kontinuierliche Tiefenvariation durch ztei Wassertiefen
H1 und H2 mit einem Sprung dargestellt wird.
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Anhand dieses Modells soll eine Korrektur der Geschwindigkeitsmessung
erläutert werden. In diesem modellhaften Flachwasserkanal interferieren zwei Eigenwellen
miteinander, die im Gebiet mit der Wassertiefe H1eine Interferenzwellenlänge X1
und im Gebiet mit der Wassertiefe H2 eine Interferenzwellenlänge X2 aufweisen. Ein
Meßort M befindet sich im Gebiet mit der Wassertiefe H1. Befindet sich ein Wasserfahrzeug
80 in Bereich mit der Wassertiefe H1, so wird am Meßort eine Zeitverschiebung #IK1
gemessen, die zusammen mit dem Abstand d der ifydrophone 1 und 2 die Fahrzeuggeschwindigkeit
V liefert.
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Das Wasserfahrzeug 80 legt beispielsweise mit seiner Fahrzeuggeschwindigkeit
V in einer Zeit t1 einen solchen Weg zurück, der gerade gleich der Interferenzwellenlänge
X1 ist. Da das Wasserfahrzeug 80 umgeben ist von seinem Interferenzfeld, wird ein
Intensitätsmaximum im Bereich mit der Wassertiefe H2 in der Zeit t1 einen Weg S2
zurücklegen, der kleiner ist als der Weg X1 und gerade gleich der Interferenzafellenlänge
X0 ist.
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Befindet sich das Wasserfahrzeug 80 im Bereich mit der Wassertiefe@H2,
so wird mit Fahrzeuggeschwin-
digkeit V ein Interferenzmaximum
in einer Zeit t, einen Weg entsprechend der Interferenzwellenlänge X2 zurücklegen.
Gemessen wird am Meßort M, an dem in der gleichen Zeit t2 ein Interferenzmaximum
einen Weg entsprechend der Interferenzwellenlänge X1 mit einer gemessenen Geschwindigkeit
V* zurückgelegt hat: X1=V*.t2. Die Zeit t2 bestimmt sich aus der Interferenzwellenlänge
X2 und der Fahrzeug-X2 geschwindigkeit V und ist t2 - # . Setzt man t2 in die Gleichung
für X1 ein, so erhält man X1 = ## . X2 .
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Löst man diese Gleichung nach der gemessenen Ge-X1 schwindigkeit V*
auf, so erhält man V*=V. .
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X2 Aus der Zeitverschiebung #IK*, die am Meßort M gemessen wird,
wenn sich das Wasserfahrzeug 80 im Bereich mit der Wassertiefe H9 befindet, ist
die gemessene Geschwindigkeit V* bekannt. Diese gemessene Geschwindigkeit V* ist
größer als die Fahr-V.X1 zeuggeschwindigkeit V, nämlich V*= , X2 X1<X2.
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Aus dem Aufsatz von Weston ist bekannt, daß sich die Interferenzwellenlängen
X1, X2 wie die Quadrate der Wassertiefen H1, H2 verhalten: X1 H1 = ( )² X2 H2 Es
ergibt sich dann ein Schätzfehler für die Geschwindigkeit V zu # V = V-V* #H + (#H)²
.
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V* V* Hl Hl für #H = H1 - H2 .
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für #H = H1-H2.
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Vernachlässigt man den zweiten Term dieser Gleichung, so erhält man
einen vorzeichenrichtigen Korrektur faktor, der allein vom Gefälle des Bodens abhängt
und gleich der doppelten relativen Tiefenänderung ist.