DE2643255A1

DE2643255A1 - Anordnung zur feststellung und ortsbestimmung von eindringlingen

Info

Publication number: DE2643255A1
Application number: DE19762643255
Authority: DE
Inventors: Herman Eugene Amrine; Richard Eugene Baker
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-10-20
Filing date: 1976-09-25
Publication date: 1977-04-21
Also published as: US4001771A; DE2643255C2; IT1074174B; FR2329031B1; CH594260A5; BR7607030A; GB1515447A; CA1054251A; FR2329031A1; JPS5250200A

Description

bu-rs

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: SA 975 012

Anordnung zur Feststellung und Ortsbestimmung von Eindringlingen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung, wie sie dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.

Herkömmliche Systeme zur Feststellung von Eindringlingen innerhalb eines Sicherheitsbereichs fallen in verschiedene Klassen. Zur einen gehören akustische Systeme oder Geräte, die vom jeweiligen Eindringling ausgelösten Schall oder Geräusche erfassen. Eine andere Klasse umfasst optische Systeme, die im allgemeinen mit einer Fernsehkamera .oder ähnlichen Kameras arbeiten. Schließlich sind herkömmliche Systeme zur Erfassung quasi-seismischer Wellen mit elektroakustischen Wandlern ausgestattet, die empfindlich für Geschwindigkeit des Eindringlings und Richtung sind, in der er sich bewegt.

Die US-Patentschriften 2 435 253, 2 614 166, 3 383 690 beziehen sich auf die Erfassung von Geräuschquellen mit Hilfe von Tonfrequenz, Hochfrequenz und seismischen Wellen, wobei zwei Abfühldetektoren orthogonal zueinander an einer vorgegebenen Stelle

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Ό.

angeordnet sind, um Entfernung und Richtung zu bestimmen. Hierbei werden verschiedene Fronten der gleiche Welle analysiert, was einen dementsprechenden Aufwand erfordert.

Die US-Patentschriften 2 535 255, 3 543 261 und 3 585 581 sind auf Geräuscherfassungssysteme gerichtet, bei denen zwei Abfühldetektoren bzw. Wandler zur Ermittlung des ersten Auftretens verschiedener Fronten der gleichen Welle vorgesehen sind. Die US-Patentschrift 3 543 261 dient dabei auch zur Entfernungsermittlung mittels eines elektronischen Zeitzählkreises als Bestandteil der Detektorschaltung für die Erfassung des ersten Auftretens einer Wellenfront. Diese Anordnung ist Bestandteil eines Alarmsystems, das auf durch einen Eindringling in einem geschützten Bereich mittels Werkzeugs oder Explosivstoffen verursachten Geräuschen beruht. Hierbei werden verschiedene Frequenz-Komponenten der gleichen Welle für die selektive Ansprache bzw. Unterdrückung spezieller Information, die durch die gleiche Welle übertragen wird, bevorzugt bzw. eliminiert. Eine Schwellenwertansprache dient zur entsprechenden Diskriminierung auf Amplitudenbasis. Die US-Patentschrift 3 585 581 bezieht sich ebenfalls auf ein Alarmsystem auf der Basis der Frequenzdiskrimination, indem Abfühldetektoren oder Geophone mit deutlich unterschiedlichen Frequenzansprechbereichen verwendet werden. Auch eine derartige Anordnung erfordert einen beträchtlichen Aufwand, der aufgrund der Frequenzempfindlichkeit nur noch vergrössert wird·

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Die US-Patentschriften 3 109 165, 3 258 762, 3 525 978 beziehen sich auf Alarmsysteme, bei denen Geophone zur Erfassung des Auftretens und/oder der Entfernung von einem Bezugspunkt eines Eindringlings in einen Schutzbereich verwendet sind, indem lediglich eine quasi-seismische Welle, die von der Auslösestelle am Erdboden ausgeht, erfaßt und analysiert wird. Hierbei zeigt das US-atent 3 109 165 zwei parallel geschaltete Geophone mit ziemlich großer Bandbreite und mit einem Bandfilter variabler Bandbreite, um Eindringlinge unter weitgehender Ausschaltung von Fehlalarmen erfassen zu können. Die US-Patentschrift 3 258 762 bezieht sich auf eine Anordnung mit Schwellenwerteigenschaft, wobei unterschiedliche Anstiegszeiten der Wellenfronten einer einzigen Welle, die von einer Auslösestelle ausgeht, erfasst werden. In der Anordnung nach der US-Patentschrift 3 525 978 werden die Daten einer Analogdigitalumsetzung unterzogen, um sie in einem Digitalrechner zu analysieren. Diese Daten stammen von Geophonen, die um eine halbe Wellenlänge voneinander entfernt angeordnet sind, wobei die Bezugswellenlänge sich auf die Welle mit der höchsten Frequenz bezieht, die analysiert werden soll, wenngleich auch eine geringfügige Abweichung davon durchaus noch zulässig sein kann.

chließlich bezieht sich die US-Patentschrift 3 261 009 auf ein !Alarmsystem unter Verwendung eines einzigen Geophons im Zusammenwirken mit einem Bandfilter zur Erfassung eines Eindringlings Ln einen Sicherheitsbereich· Auch hierbei dreht es sich darum,

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Mittel anzugeben, die die Auslösung eines Fehlalarms verhindern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ausnahmslos alle bekannten Anordnungen, wie sie oben angeführt sind, sich auf die Erfassung unterschiedlicher Eigenschaften bzw. Aspekte einer einzigen Welle stützen, die von einer einzigen Störstelle als Auslösestelle oder dergleichen ausgeht und damit einen entsprechenden Aufwand erfordern bzw. zur Störanfälligkeit neigen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung der oben beschriebenen Art bereitzustellen, die bei relativ geringem Aufwand die zuverlässige Erfassung eines Eindringlings in einen Sicherheitsbereich gestattet, indem Fehlansprache weitgehend ausgeschaltet ist und die Störanfälligkeit möglichst unterdrückt ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, wie es im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben ist. Erfindungsgemäß sollen unter Eindringlingen nicht nur Menschen, Tiere und Fahrzeuge verstanden sein, sondern auch Ereignisse irgendwelcher Art, die seismische Wellen oder guasi-seismische Wellen im Boden, Wasser, Strassen, Rohrleitungen, Fussboeden oder anderen von Menschenhand geschaffenen Strukturen weiterleiten, um ebenfalls das Auftreten von Gewitter, Sturm, Regen, Hagel, Schnee und anderen meteorologi-

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sehen Phänomena bei vorhandenem Hintergrundgeräusch, verursacht durch kleine Tiere und dergleichen, deren Erscheinen in einem Sicherheitsbereich normalerweise nicht ausgeschaltet werden kann, anzeigen zu können. Vordergrundgeräusche von Menschen und Fahrzeugen, die ebenfalls Erschütterungswellen im Sicherheitsbereich hervorrufen können, lassen sich analysieren, als ob seismische Wellen mit stark reduzierter Intensität vorlagen, so daß mittels der Erfindung auch diese Störungen eliminierbar sind.

Wie ansich bekannt, kann sich ein Sicherheitssystem auf die Analyse seismischer Wellen stützen. Eine Grenzlinie kann in geschlossener Form rund um einen Sicherheitsbereich, z. B. ein Gebäude, definiert v/erden. Diese Grenzlinie stellt eine theoretische Linie dar, zu deren einer Seite alle Eindringlinge generell erfasst werden und zu deren anderer Seite lediglich der Weg, den jeweils ein Eindringling über diese Grenzlinie nimmt, festgestellt werden soll. In vielen Fällen kann es zweckmässig sein, eine Zone zwischen zwei Grenzlinien festzulegen, die gegebenenfalls auch in sich geschlossen sein kann, um Eindringungspfade innerhalb der hierdurch gebildeten Zone, die in den Sicherheitsbereich vorstossen, zu erfassen, aber alle sonstigen Wellen von Auslösestellen ausserhalb dieser Zone ignorieren. Rund um den Sicherheitsbereich werden also dem Verlauf der Grenzlinie folgend elektroakustische Wandlerpaare z. B. Geophone, in zweckmässigen Abständen zueinander angeordnet. Ein Geophon eines solchen

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elektroakustischen Wandlerpaares wird dabei in vorteilhafter Weise horizontal zum Boden orientiert angeordnet, indem eine axiale Orientierung zu einem gedachten Mittelpunkt innerhalb des Sicherheitsbereichs erfolgt. In gleicher Ebene, jedoch orthogonal hierzu, wird das zweite Geophon des elektroakus tischen Wandlerpaaares angeordnet, so daß es also tangential zur Grenzlinie orientiert ist. Elektrische Verbindungsleitungen übertragen die von den Geophonen aufgenommenen Signale auf eine zentrale Auswertungsstelle, um die infolge des Eindringens in den Sicherheitsbereich ausgelösten Signale, wie sie von den Geophonen abgegeben werden, zu analysieren. Erfindungsgemäß dient in vorteilhafter Weise jeweils ein einziges Geophonpaar zur Ermittlung des Winkels, der Entfernung und der Geschwindigkeit, die dem Eindringungsereignis zugeordnet sind. In entsprechender Weiterbildung der Erfindung dienen zwei oder mehrere Geophonpaare in entsprechendem Anschluss an die Auswerteapparatur zur Ortsbestimmung und Geschwindigkeitsermittlung mittels Triangulation, wenn Eindringlinge in spezieller Weise erfasst werden sollen.

Seismische und guasi-seismische Wellen, die mittels der Erfindung ausgenutzt werden, breiten sich innerhalb des Bodens und ähnlicher Medien in Form von longitudinalen Druckwellen, sogenannten Primae-Wellen, in Ausbreitungsrichtung und zusätzlich unter transversalen Scherungswellen, sogenannten Sekundae-Wellen, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung mit jeweils unterschiedlicher SA 975 012

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Geschwindigkeit aus. Die erfindungsgemäß ausgebildete Analyse- und Auswerteanordnung nutzt dabei die Tatsache aus, daß die Primae-Wellen, P-Wellen, und die Sekundae-Wellen, S-Wellen, unterschiedliche Fortpflanzungsgeschwindigkeiten besitzen, womit ein bedeutsamer Unterschied gegenüber den oben beschriebenen bekannten Anordnungen vorliegt. Für den Erdboden liegt die Ausbreitungsgeschwindigkeit von P-Wellen in der Größenordnung von 6 km/sec und die Ausbreitungsgeschwindigkeit von S-Wellen in der Größenordnung von 3,3 km/sec. Die Auswerte- und Analyseanordnung gemäß der Erfindung nutzt weiterhin die Polarisationseigenschaften dieser Wellen aus, um Fehlalarme, verursacht durch Rayleigh-Oberflächenwellen sowie Störungen, verursacht durch Fahrzeugverkehr ausserhalb der Sicherheitszone, weitgehend zu unterdrücken. Die Auswerte- und Analyseanordnung gemäß der Erfindung ist so eingerichtet, daß die Entfernung zum Eindringungspunkt aus der Analyse des AnkunftsZeitunterschiedes der P- und S-Wellen ermittelt wird. Richtung bzw. Azimut des Eindringungsereignisses wird also mittels eines einzigen Geophonpaares und dem angeschlossenen Riehtungsanalysator oder mit Hilfe der Triangulation von Ausgängen zweier Geophonpaare bestimmt. Die Eindringungsgeschwindigkeit lässt sich in vorteilhafter Ausnutzung der Erfindung aus zwei oder mehreren, vorzugsweise aber mehreren, Ortsbestimmungen mit Hilfe der Analyse- und Auswerteeinrichtung unter Berücksichtigung dee Zeitablaufs zwischen den beiden Ortsbestimmungen errechnen.

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Eine gewisse Identifikation der Art des Eindringlings lässt sich _; empirisch anhand von Vergleichsmustern durchführen, die aufgrund j vorbekannter Auslösequellen vorab erstellt sind. Dergleichen Ee- ' j Stimmungen aufgrund jeweils aufeinanderfolgender Beobachtungen in kurzem Zeitabstand liefern Angaben genereller Klassifizierung,

wie Fahrzeug, Fussgänger, großes Tier, gerittenes oder getrie-

benes Pferd, streunende Kuh oder streunendes Pferd und derglei- i chen.

Erfindungsgemäß ist jedes Geophonpaar über Kabel mit einem Verstärkerpaar und Detektorschaltkreisen in der Zentralstation verbunden. Eine Entfernungs-Analyseschaltungsanordnung ist mit dem Detektorschaltungspaar verbunden, das aufgrund einer Beobachtung wirksam geworden ist, um die Entfernung des Eindringungsereignisses vom betreffenden elektroakustischen Wandlerpaar zu ermitteln. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Azimut-Änalyseschaltungsanordnung mit den gleichen Detektorschaltungsanordnungen zur Richtungsbestimmung des Eindringungsereignisses mit Bezug auf das jeweilige elektroakustische Wandlerpaar verbunden. Gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Richtung aufgrund der Daten von zwei oder mehr | Entfernungsmesswerten aufgrund einer Triangulation ermittelt. I

j Jedenfalls werden die Daten, ob von der Entfernungs-Analyseschal- ;'

tung, ob von der Azimut-Analyseschaltungsanordnung, nach Bedarf ;

einem Multiplexer-Schaltkreis zugeführt, um anschliessend in ;

Zeitmultiplex einer Datenverarbeitsanlage zugeführt zu werden.

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i^lternativ hierzu kann die Multiplex-Einrichtung zwischen den Detektorschaltkreisen und der Analyseschaltungsanordnung ange- : ordnet sein.

Die erfindungageraclße -Verstärker-" und Detektorschaltungsanordnung enthält jeweils einen Vorverstärker, dem ein Bandpassverstärker folgt, dessen Mitteilfrequenz der Eigenfrequenz des jeweiligen Geophons entspricht, wobei die Bandbreite in der Größenordnung ; von 20 % der Mittenfrequenz liegt. Eine Vergleicherschaltung ' saiat einer Gleichrichterschaltung bzx?. Detektor, ist an den ; Bandpassverstärker 'angeschlossen, weil ein Anteil des Detektor- ^; ausgangs für die automatische Verstärkungsregelung abgezweigt wird.

Die Entfernungs-Analyseschaltung'sanordnung gemäß der Erfindung | enthält ein Antivalenzglied am Ausgang eines Paares von Detektor- | schaltungen zur Erfassung seismischer" oder quasi-seismischer Wellen und eine Zählerschaltungsanordnung, die zur Messung der Dauer der seismischen bzw. quasi-seismischen Wellen sowie des ÄnkunftsZeitunterschiedes der P- und S-Wellen dient. Weitere Schaltungsmassnahmen betreffen den Ausgleich von Schwankungen und den Anschluss an die Ausv;erteschaltkreise_e

Die Aziraut-Analyseschaltungsanordnung gemäß der Erfindung zur Ermittlung der Richtung von eineia Geophonpaar enthält eine üb=·

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liehe arithmetische Dividierschaltungsanordnung der digitale Daten entsprechend den Entfernungen in Form des jeweiligen Zeitablaufes zugeführt wird, um den Tangens des zu bestimmenden VJinkels zu errechnen. Ausgangssignale der Dividierschaltungsanordnung werden mit EiIfe der Datenverarbeitungsanlage, vorzugsweise mittels Tabellenlesens, jeweils in den Richtungswinkel umgesetzt.

liin Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen beschrieben.

L's zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Gebäude und Grundstück

mit einer erfinäungsgemässen Anordnung;

Fig. 2 eine Schnittansicht durch ein Beispiel eines

Geophons, wie es in einer erfindungsgemässen Anordnung verwendet werden kann;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Zeitunterschiede, die zwischen den Longitudinalwellen und den Transversalwellen in verschiedenen Abständen vom Punkt der Erschütterung zu erwarten sind;

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Fig. 4 eine graphische Darstellung des Maximalwertes des Fühlcrausgangssignals in Abhängigkeit von der Entfernung zwischen Fühler und Erschiitterungspunkt;

Fig. 5 ein Funktionsdiagramm der Analysecinrichtung einer erfindungsgemässen Anordnung;

Fig. 6. ein Blockdiagramm einer Vorverstärker- und Detektorschaltung der Analyseeinrichtung gemäss Fig. 5;

Fig. 7 ein Blockdiagramm einer Entfernungs-Analyscschaltung der Analyseeinrichtung gemäss Fig. 5;

iig: 8 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Signale, die in der beschriebenen Anordnung auftreten; ·

Fig. 9 ein Blockdiagramm, einer Richtungs-Analyseschaltung der Analyseeinrichtung gemäss Fig. 5; und

Fig. 10 das Schaltbild einer in der erfindungsgeinässen Anordnung verwendbaren Spitzendetektor schaltung.

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Die Draufsicht einer typischen Installation eines erfindungsgemässen Systems ist in Fig. 1 dargestellt. Ein Gebäude 10 ist vor Eindringlingen zu schützen. Eine Parkfläche 12, eine Zufahrt 18 und eine Stasse 20 weisen einen ziemlichen starken normalen Verkehr auf; dies sind Bereiche, von denen aus aber auch ein Eindringling eindringen kann. Ausserdem ist ein gewisser Schutz für den Parkplatz 12 erwünscht, um Diebstahl und Wandalismus zu verhindern. In dem erfindungsgemässen System ist eine Anzahl von Fühlern 21, 22, 23, 24 usw. in geeigneten Abständen in einem das Gebäude 10 umgebenden Muster in der Erde vergraben. Bei den Fühlern handelt es sich vorzugsweise um Geophone zum Abfühlen der seismischen Wellen in der Erde. Elektrische Verbindungen von den Fühlern werden unterirdisch zum Gebäude 10 geführt, wo der grösste Teil der elektronischen Anlage steht, beispielsweise an einer Stelle, die durch das Bildschirmgerät 28 des Plaripositionsanzcigers (PPI) bezeichnet ist. Für schnelle und genaue Berechnungen, die für den wirksamen Betrieb des erfindungsgemässen Systems notwendig sind, wird vorzugsweise ein Computersystem auf Zeitteilerbasis benutzt.

Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht eines typischen, zur Verwendurin der erfindungsgemässen Anordnung geeigneten Geophons. Mechanisch gesehen ist das Geophon eine unter Federspannung stehende träge Masse,

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elektrisch gesehen ist es ein Generator. Ein rohrförmigen Gehäuse 30 hat eine Grundplatte 32, die einen Kreisringflansch 34 trägt. Ein durch eine Rohrlänge aus permanent magnetischen Material gebildeter Magnet 36 ruht im Flansch 34. Eine Endplatte 38 am oberen Ende des Magneten 36 hat einen nach unten verlaufenden Kern 40, der ills Magnetpol wirkt. Die Grundplatte 32 ist aus nichtmagnetischem Material und vertieft, um das untere Ende des Polstückes 40 aufzunehmen. Am unteren Ende des Magneten 36 befindet sich ein inneres Polstück 42, das im Flansch 34 der Bodenplatte 32 aufsitzt und als hohler Kegelstumpf nach oben verläuft und innerhalb des hohlen ringförmigen Raumes im llohrmagneten 36 und ausserhalb des Polstückes 40 endet. Zwischen der Innenfläche des Polsllickes 42 und der Aussenfläche des Polstückes 40 besteht daher ein sehr starker magnetischer Fluss radial im ringförmigen Raum. Innerhalb des ringförmigen Raumes gibt es eine bewegliche Spule 44 aus paramagnetischem Material, die durch zwei Spiralfedern 46 und 47 an den Anschlusspfosten 48 und 49 gehalten wird, die isoliert gelagert sind und durch die Platte 38 verlaufen. Eine Magnetwicklung 50 ist auf die magnetische Massenspule 44 gewickelt, die um das Polstück 40 frei beweglich ist. Die elektrischen Leitungen zur Wicklung 50 werden durch die Spiralfedern 19 und 17 gebildet. Die spulenförmige Magnetmasse 44 mit der darauf befindlichen Wicklung ist vertikal frei beweglich im Ringraum zwischen den Polstücken aufgehängt und kann' sich

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innerhalb bestimmter Grenzen in einigen Fühlern auch seitlich bewegen. Sobald der Fühler durch die Wellen in der Erde betätigt wird, bewegt sich der Fühlerkörpcr als Ganzes. Die Magnetspule 44 mit der Wicklung 50 neigt jedoch dazu, durch ihre Trägheit stehen zu bleiben, und demzufolge wird in der Wicklung 50 ein kleines Spannungssignal erzeugt und an den Anschlüssen 48 und 49 zur Verfügung gestellt. Die Grundplatte 32 ist mil einem Gewincleanschluss 52 versehen, und darauf'ist eine nach unten ragende Spitze 54 geschraubt oder auch aufgegossen, wenn die Einheit oberirdisch angebracht werden soll, indem man den Stachel in die Erde steckt. Ilierxnit erhält man ein nutzbares Signal aufgrund der Rayleigh-Wellcn niedriger Intensität, die durch die Fusschritte und Körperbewegungen von. Menschen und Tieren erzeugt werden. Das ganze Instrument ist vorzugsweise fest in der Erde vergraben und bewegt sich daher mit jeder Erdbewegung. Die träge Masse der Spule 44 neigt dazu, einer Bewegung Widerstand entgegenzusetzen, und daher induziert eine Erdbewegung eine relative Bewegung zwischen dem Gehäuse 30 und dem Kern 40. Die relative Bewegung zwischen dem Gehäuse 30 und dem Kern 40 induziert eine Spannung in der Kernwicklung, die im wesentlichen der Bewegungsgeschwindigkeit proportional ist.

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Drei separate, aber im wesentlichen identische Instrumente sind vorzugsweise in einer Kernstruktur, wie dargestellt, kombiniert. Das Instrument mit dem vertikalen Kern 40, das oben beschrieben wurde, wird dazu be-

nutzt, Oberflächenwellen abzufühlcn und wird in dem crfindungsgemässen

System nicht vcrwelidet.obwohl es bei einigen korrclio.rendcn Beobachtungen nützlich ist. Die beiden Instrumente 56 und 58, in denen die Kerne parallel zur Erdoberfläche und rechtwinklig zueinander liegen, sind mit der noch zu beschreibenden Analyseeinrichtung verbunden.

Geophone sind aufgrund ihrer Konstruktion stark empfindlich für jede Art von Boden- oder Erdbewegung. Eindringungs-Erkennungssystcme sollen jedoch hur auf eine Erschütterung ansprechen, die durch einen Vorgang wie beispielsweise einen Schritt ausgelöst wird, und sie sollen nicht auf "Bewegungen ansprechen, die durch Wind, Regen oder andere Wettcrcinfltissc hervorgerufen werden. Eine grosse Anzahl unerwünschter Daten wird dadurch eliminiert, dass man die optimale Eigenfrequenz für die zu benutzenden Geophone auswählt. Praktisch alle handelsüblichen Geophone haben Eigenfrequenzen zwischen 1 und 30 Hz, und die meisten konventionelle Erkennungssysteme benutzen diese Geophone. Nicderfrequenzgeophonc sind extrem schwierig zu benutzen wegen des grossen UmgebungsStörpegels unterhalb von 50 Hz. Wind führt zu Schwingungen im Bereich von! bis 10 11/

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und llayleigli-Oberflächcnwcllen von vielen Quellen liegen zwischen 10 und 50 Hz. Oberhalb von 150 Hz ist Regen ein grösserer Störgenerator; deshalb sind Hochfrcquenzgcophone unerwünscht. Die Gcophonreaktion auf ein sinusförmiges Eingangssignal ist von der Eigenfrequenz an aufwärts im wesentlichen flach, ist aber stark gedämpft bei Frequenzen unterhalb der Eigenfrequenz. Für das erfindungsgemässe System wurden Geophone mil einer Eigenfrequenz von 100 Hz gewählt. Das Gcophonausgaiigssi gnal wird durch ein Filter geleitet, um Signale oberhalb von 110 Hz und unterhalb von 90 Hz zu dämpfen. Dadurch hat man ein Reaktionsband von 20 Hz Breite·, dessen Mittelpunkt etwa bei 100 Hz liegt und somit in einem Bereich der wenigsten Umgcbungsstörungen. Weitere Massnahmcn zur Minimuisicrung von Fehlalarmcii und dergleichen werden später beschrieben.

Seismische Wellen werden durch die Erde in Form von Lingitudinal-Wellcn (Schwingungen parallel zur Ausbreitungs richtung) und in Form von Transversal-Wellen (Schwingungen rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung) übertragen. Die Longitudinal-Wellen, in denen die Partikelbewegung parallel zur Ausbreitungsrichtung verläuft, nennt man P-Wellcn (primäre Wellen); die Transversal-Wellen, in denen die. Partikelbewcgung rechtwinklig zur Ausbreitungs richtung verläuft, nennt man S-Wcllcn (Sekundärwcllcn). Die P-Wellen und die S-Wellen laufen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit,

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wobei die Primärwellcn schneller laufen als die Sekundärwellen.. Die Zeitdifferenz nimmt proportional zum Abstand vom Fühler und zur Mediendichte zu. Messungen in der PrUfumgebung lagen zwischen 1, 9 m/ms (6, 3 Fuss/ms) in trockener harter Tonerde und 0, 6 m/ms (2 Fuss/ms) in loser gesättigter Tonerde. An der Oberfläche eines halb unbegrenzten Festkörper?·.', wie der P^rde, breitet sich auch ein dritter, bereits erwähnter AVellentyp aus, nämlich die Rayleigh-Oberflächenwelle, die nachfolgend R-Welle genannt wird. Knapp unter der Erdoberfläche vergrabene Geophone sind allen drei erwähnten Wellentypen ausgesetzt.

In einein isotrop ungebundenen elastischen Festkörper, für den die Erde eine gute Annäherung ist, breiten sich zwei bestimmte Typen elastischer Wellen aus. Die Partikelbewegung in diesen beiden Wellentypen erfolgt parallel bzw. rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung. Eine Welle, in der die Partikelbewegung parallel zur Ausbreitungsrichtung verläuft, nennt man P-Welle, eine Welle in der die Partikelbewegung rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung verläuft, nennt man S-Welle.

Die unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der zueinander rechtwinkligen S-Wellen, P-Wellen und R-Wellen sind durch die nachfolgenden Gleichungen gegeben.

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Vp = ( [κ + 4G/3J	/p)	1/2	(1)
V_s = (G/p) ^]/²			(2)
V_n = C (G/p) ¹A			(3)

Darin ist K der Masseninodul des Festkörpers, G der Schermodul, ρ die Dichte und C eine Konstante etwas unter 1 (zwischen etwa 0, 90 und

Die Geschwindigkeit der P-Wellcn liegt grob in der Grösscnordnung von 6 km/s (20 000 Fuss/Sek. ) und die Geschwindigkeit von S-Wellen in der Grösscnordnung von 4,2 km/s (14 000 Fuss/Sek.). Die Geschwindigkeitsdifferenz beträgt daher grob 1,8 m/ms (6 Fuss/rns). Diese Zahlen, basieren auf Erdbebendaten und stellen durchschnittliche Geschwindigkeiten in vielen verschiedenen Medien dar. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit eine Funktion der Dichte des Mediums ist, kann man eine radikale Geschwindigkeitsdifferenz erwarten, wenn der Boden beispielsweise wechselt von losem Sand in harten Felsstcin. Für eine Prüfinstallation wurden Werte zwischen 0, 6 und 2 m/ms (2 bis 6, 3 Fuss/ms) gemessen. Eine grössere Abweichung der GeSchwindigkeitsdifferenz bildet kein ernstes Problem für das Erkennungssystem, da jedes Geophonpaar unabhängig von allen anderen arbeil' Eindringlings-Abstandsmcssungcn in verschiedenen Medien verlangen nur

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die Anpassung einer Multiplikationskonstanten im zugehörigen Computer oder Datenvcrarbeitungsprogramin.

Die graphische Darstellung in Fig. 3 zeigt die verschiedenen Laufzeiten, die bei Erschütterungen zu erwarten sind, die in unterschiedlichen Abstanden vom Fühler auftreten. Wie aus den Kurven 60 und 61 zu sehen ist, nimmt die Laufzeitdiffercnz proportional zur Entfernung der Erschütterung vom Fühler zu.

Durch einen Aufschlag (eine Erschütterung) erzeugte seisiriische Wellen laufen kugelförmig vom Aufschlagpunkt nach aussen. Der Energiegehalt der Welle wird als Funktion der Entfernung durch geometrische Streuung und durch die Dämpfungscharakteristik des Mediums verbraucht. Wenn eine Medienschnittstelle auftritt, wird der Encrgicgchalt der Wellen weiter verbraucht, da ein Teil davon reflektiert wird. Wenn eine Schnittstelle fehlt, nimmt im allgemeinen die Energie und daher die Grosse des Fühlersignals exponentiell mit der Entfernung ab, wie es durch eine Kurve 62 in Fig. 4 gezeigt ist. Für die in der Prüf installation verwendeten Fühler lagen die Signalspitzen bei annähernd 100 mV für einen Fusschritt bei 0 Meter Abstand und etwa 100 Mikrovolt für einen Fusschritt bei 6 Meter (20 Fuss) Ab stand vom Fühler.

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Die P-S-LaufzeJtdifferenz wird in einem Prüf- oder Eichaufbau gemessen. Messungen werden an verschiedenen isolierten Geophonpaaren und unter verschiedenen Winkeln vorgenommen. Das allgemeine Verfahren besteht darin, den Grund in einer bekannten Entfernung und einem bekannten Winkel mit einem kleinen Holzstück leicht zu beaufschlagen, um einen seismischen Inipuls zu erzeugen, und dann die Differenz in den Ankunftszeiten der P-Welle und der S-Welle am Geophonpaar zu messen. Die Schläge erfolgen vorzugsweise in Abständen von 1, 5 m (5 Fuss) von 0 bis 9 m (30 Fuss) entlang einer Linie, die rechtwinklig zur Periphcrielinie verläuft (90 ). In harter gepackter Tonerde mit einem Wassergehalt von praktisch 0 gewonnene Daten zeigten eine Geschwindigkeitsrlifferenz von 1, 9 m/ms (6, Z9 Fuss/ms), In lose gepacktem und gesättigtein Boden gewonnene Daten ergaben eine Geschwindigkeitsdifferenz von ungefähr 0,6 m/ms (Z Fuss/ms).

Messungen der Auflösungsfähigkeit werden für eine bestimmte Strecke vorgenommen. Im Idealfall sollten diese genau gleichzeitig erfolgen. Der günstigste Fall trat in einer Prüfung bei 4, 6 m auf (15 Fuss) (0,2 5 ms) und der ungünstigste bei 1, 5 m (5 Fuss) (1,25 ms). Das legt nahe, dass ein zur Lokalisierung der Entfernung eines Eindringlings benutzter Einzelpunkt einen Fehler von 0, 3 bis 1, 2 m (1 bis 4 Fuss) haben kann.

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In Fig. 5 ist ein Funktionsdiagramm des erfindungsgcmässcn Eindringling-Feststellungssystems gezeigt. Mehrere Paare von Gcojjhoncn 64 sind um das zu schützende Gebäude angeordnet und durch mehrere viuradrige Kabel mit einer Vorverstärker- und Detektorschaltung 66 verbunden. Die Daten von einem Geophonpaar werden nach der Verarbeitung an eine Entiemungsanalyseschaltung 68 und an eine Richtungsanalyseschaltung , 70 angelegt. Die Daten von der Detektorschaltung 66 können bei Bedarf nach Art des vorliegenden Problemes auch an andere Analyseschaltungen angelegt werden. Die Daten können z.13. an eine Rechnerschaltung übertragen werden, die für die Datenumsetzung durch trigonometrische Berechnungen programmiert ist; dann wird die Richtungsanalyseschaltung natürlich nicht gebraucht. Die Ausgabesignale von der Entfernungsanalyseschaltung 68 und der Richtungsanalyseschaltung 70 werden an"eine Multi-'plexerschaltung 72 gesendet. .Daten von der Multiplexerschaltung werden schliesslich an ein Bildschirmgerät 28 ' übertragen, das die Position im Plan anzeigen kann, was bei einem erfindungsgemässen System besonders vorteilhaft ist. Daten von der Multiplexerschaltung 72 werden an eine Schnittstelle und/oder ein Datenverarbeitungssystem 74 übertragen, das die Daten für die Bildschirmanzeige 28' bestimmt und erzeugt.

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Die Daten können auch an die Fernbedienung von Suchlamipen und/oder Hausfernsch-Ueberwachungskameras und dergleichen übertragen werden. Mit der Entfernungsanalyseschaltung sind eine Bildanzeiger-Alarmschaltung 76 und eine Codier/Decodierschaltung 78 für die Steueradressc gekoppelt, um Adressdaten für die Entfernungsanalyseschaltung und den Richtungsanalysator 70 und die Schnittstelle zum Datenverarbeitungssystem 74 zu erzeugen.

Ein Kanal der Vorverstärker- und Detektorschaltung 66 ist funktionsgcmäss in Fig. 6 gezeigt. Ein Geophon 64' ist durch zwei Leiter eines elektrischen Kabels mit einem Vorverstärker 80 verbunden, dessen Ausgang an einen Bandpassfilter 82 angelegt wird, dessen Bandbreite von 20 Hz vorzugsweise bei 100 Hz zentriert ist. Zwischen den Bandpassfilter 82 und einen Verstärke 86 mit Einheitsverstärkung ist ein Impedanzelcment 84 zur autoinatischen Verstärkungsregulierung gelegt. Der Ausgang des Verstärkers 86 ist mit einer Vergleicher schaltung 88 und diese wiederum mit einem Zwei weg-Glcic) richter 90 verbunden. Mit dem Aus gangs signal dieses Zweiweg-Glcichrichter wird die Verstärkung automatisch geregelt. Es wird an eine automatische Verstärkungs-Regelschaltung 92 angelegt, deren Ausgangs signal wiederum an das Impcdanzclement 84 geführt wird, um den Nebenschlusswider stand für den Wechselstrom-Kopplungskreis zwischen dem Bandpassfiltcr 82

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und dem Verstärker 86 entsprechend zu verändern. Das Ausgangssignal vom Zweigweg-Gleichrichter 90 zur automatischen Verstärkungsregelung ist natürlich eine Analog-Spannungswelle, die die Illillkurve derjenigen elektrischen Welle ist, die vom Geophon 64' erzeugt wird. Dieses Signal steht am Anschluss 94 zur Verfügung. Ein Vcrglcicher 96 ist mit dem Zweigweg-Gleichrichter 90 verbunden, um eine digitale Aus gangs spannung aus dem Vergleich mit einer veränderlichen Schwellenwertspannung zu entwickeln, die am Anschluss 9S angelegt wird, (wobei diese Gleichspannimg von einer manuellen Steuerung an der Bildschirmkonsolc angelegt wird). Ein digitales Ausgangs signal wird ausscrdcm zwischen einem Anschluss und Erde abgegeben.

An den Anschluss 98 wird eine Steuer-Gleichspannung von 0 bis 6 Volt so angelegt, dass die Bedienungskraft Umgebungsänderungen, wie Regen, Schnee, Temperatur und Wind kompensieren kann, die die Empfindlichkeit aller Geophone beeinflussen. Permanente Umwcltbcdingungcn, die einzelne Fühler beeinflussen, werden in erster Näherung kompensiert durch Verändcr ung des Verstärkungswiderstandes im Eingang zur Filterstufc 82. Eine komplexere Kompensation wird im allgemeinen vom Computerprogramm vorgenommen.

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Eine erfindungsgemässe Entfernungs-Analyseschaltung ist im Funktionsdiagramm der Fig. 7 dargestellt. Zwei Geophone eines Gcophonpaars zur Abfühlung der primären und sekundären seismischen Wellen an einem gegebenen Punkt sind einzeln über die EingangsanschlUsse 102, 104 mit einem Paar UND-Gliedern 106 und 108 verbunden. Ein Taktsignal von einer System quelle wird an den Rtickstellanschluss 110 eines bistabilen Kippgli.cd.es 112 angelegt, das wiederum mit einem anderen bislabilen Kippglied 114 verbunden ist, das ein positives Lese-Anfordcrungssignal an den Anschluss 11b für die Steuerschaltung und gleichzeitig ein Potential abgibt, um die UND-Glieder 106 und 108 zu schalten. Die UND-Glieder 10 6 und 108 sind mit den Eingangsleitungen eines Antivalenz-Gliedes 118 verbunden, dessen Ausgang an den Steucranschluss eines bistabilen Zähl-Kippgliedes 120, an ein UND-Glied 122 und an ein ODER-Glied 124 angelegt wird. Ein Ruckstell-"signal (oder ein negatives Leseaufforderungs-Signal) vom Kippglied 114 wird an den Rückstcll-Anschluss des Kippgliedes 120 über ein ODER-Glied 126 angelegt. Der komplementäre P-Ausgangsanschluss des Kippgliedes 120 ist mit dem ODER-Glied 124 und einem weiteren ODER-Glied 128 verbunden. Ein positiver logischer Signalpegel wird über einen Widerstand 130 an das UND-Glied 122 so angelegt, dass dieses ein aktives Ausgangssignal nur erzeugt, wenn das Ausgangs signal des Antivalenzglicdes 118 auf diesen positiven logischen Pegel ansteigt. Der Ausgang von 122 ist mit dem

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•rt.

ODER-Glied 128 und einem weiteren ODER-Glied 132 verbunden, das mit einem weiteren Eingang an den Q-Ausgangsanschluss des bistabilen Kippgliedes 120 angeschlossen ist« Ein an den Anschluss 134 angelegter Rückstellimpuls wird auch an das ODER-Glied 126 und von dort an den Rlickstelleingang oder denR-Eingangsanschluss des Kippgliedes 120 gelegt. Die bisher beschriebenen Komponenten befinden sich zu der im nachfolgend beschriebenen Zeitdiagramm, mit t~ bezeichneten Zeit im Ruhezustand.

Die graphische Darstellung in Fig. 8 zeigt idealisierte AVcllenzugc, wie sie in der in den Figuren 5, 6 und 7 gezeigten Schaltung auftreten. Zu einem Zeitpunkt zwischen der Zeit tQ und ti erzeugt ein Aufschlag auf die Erde ein zugehöriges Paar primärer und sekundärer seismischer "Wellen, wie sie durch die Kurven 142 und 144 dargestellt sind, die sich ausbreiten. Am •Ausgang der Detektorschaltung 90 werden die Hüllkurven der Kurven 142 und 144 abgegeben, die durch die Kurven 146 und 148 dargestellt sind. Die Vergleicherschaltung 96 ist" ein- gesättigter Verstärker, der durch die an den Anschluss 98 angelegte Schwellenwertspannung (Th) vorgespannt ist und Rechteckwellen am Ausgangsanschluss 100 erzeugt, die durch die Kurven 152 und 154 dargestellt sind. Diese Rechteck-Wellen werden an die Anschlüsse 102 und 104 der Entfernungs- Analy scschaltung angelegt. Das Ausgangssignal des Antivalcnzgliedes ist dargestellt durch eine Kurve

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und das Komplcmcntärsignal durch eine Kurve 158. Das Ausgangssignal des ODER-Gliedes 132 zum Einschalten der Zählschaltimgen ist dargestellt durch eine Kurve 160.

Irgendwann zwischen t„ und t. erzeugt also ein an der Peripherie auftretender Aufschlag ein P/S-Wellcnpaar. Zur Zeit ti ist das durch die Kurve 146 dargestellt P-Analogsignal gross genug, um die Detektorverglcicher-Schwcllcnspannung zu erreichen und das Signal auf der P-Digitalleitung wird angehoben. Es bleibt hoch bis zur Zeit t*, zu der das Analog-Signal wieder unter die Schwellenspannung zurückfällt. Zur Zeit t^ ist das S-Analogsignal gross genug, um die Verglcichcr-Schwellenspannung zu erreichen, und das Signal auf der S-Digitalleitung wird angehoben. Es bleibt hoch bis zur Zeit t,, zu der das Analogsignal wieder unter die Vergleicherschwelle abfällt. P-Digital und S-Digital werden als Eingangs signale für den PJntfernungsanalysator benutzt. Sie werden Über ein Sperrglied an das Antivalenz-GIied 118 geleitet. Das "+ANTIVAL. "-Ausgangssignal des Antivalenzgliedes ist hoch, so bald sich P und S unterscheiden und steigt somit mit +P, fällt mit dein Ansteigen von +S, steigt wieder mit dem Abfallen von +P und geht herunter mit dem Abfallen von +S. Dieses Signal schaltet das Kippglied 120 ein, dessen Ausgangs signal über das ODER-Glied 132 drei Zähler 161, 162 und 163 einschaltet. Hierbei handelt es sich um in

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Reihe geschaltete Vier-Bit-Zähler, die effektiv einen 12-Bit-Binärzähler bilden. Die Zähler werden von einem ersten Taktimpulszug Cl gespeist, der an den Anschluss 164 angelegt wird und aus Mikrosckundcnimpulscn besteht, die in Intervallen von 400 Mikrosekundcn auftreten. Während der Zeit t, - t. wird kontinuierlich gezählt; diese"Zählzeit" ist dargestellt durch die Kurve 160 im Zeitdiagramm. Das Kippglied 120 und das ODER-Gleid 118 halten das Signal auf der Zählzeitleitung hoch.

Die Zähler sind direkt mit den Registern 181, 182 und 183 verbunden, und so enthalten diese immer das binäre Aequivalcnt der seit der Ankunft der P-Welle verstrichenen Zeit. Die Register 181, 182 und 183 sind auf parallele Eingabe- und Ausgabebetrieb geschaltet. Sie werden durch das Abfallen des ersten Taktimpulses des Taktsignals C2 geladen, das an den Anschuss 184 angelegt wird, nachdem die Zähler 161 . . . 164 eingeschaltet sind. Der Takt C2 ist ein verzögerter Takt Cl. Das erste Register 181 soll mit der Zeitdifferenz zwischen der Ankunft der P-Welle und der S-Wcllc und die anderer beiden Register 182, 183 mit der Gesamtdauer der P-Welle geladen werden. Die Register werden eingeschaltet durch die Kippglieder 186 und 112, welche ihrerseits eingeschaltet werden durch die monostabilen Kippglieder 187, 188 und das an die Anschlüsse 110 gelegte Taktsignal C4. Das monostabile Kippglied 187 wird getriggert durch den Ein- Zustand des Kippgliedes 120 und

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das Ende des ersten Impulses der Kurve 158. Das monoslabile Kippglicd 188 wird getriggert durch den Q-Ausgang des Kippglicdcs 120 und den Anfang des zweiten Impulses der Kurve 158. Obwohl in diesem Beispiel angenommen wird, dass der mit dem Anschluss 102 verbundene Fühler zuerst betätigt wird, arbeitet die Schaltung genauso, wenn der andere Fühler zuerst beteiligt wird.

Mit dem Abfallen des Kippgliedcs 112 wird das Kippglied 114 "Lesen Anforderung" eingeschaltet. Das Signal "Plus Lesen Anforderung" betätigt die PPI-Bildanzeigc und veranlasst die Absendung einer Unterbrechungsanforderung an das Datenverarbeitungssystem. "Minus Lesen Anforderung" wird benutzt, um eine binäre Adresse abzuleiten, die auch an das Datcnverarbcitungs sy stein gesendet wird, und um (Kurve 174) jedes weitere P-Eingangssignal und S-Eingangssignal zu sperren, bis der Analysator zurückgestellt wurde (Kurve 173). Die Zähldaten auf der Rcgisterausgangsleitung gehen direkt zum Multiplexer und bleiben gültig, bis der Analysator zurückgestellt wurde.

Durch den Entfernungsanalysator werden automatisch zwei Arten von Fehlalarmen ausgesiebt. Fehlalarme treten auf, wenn das Intervall zwischen der Ankunft der P-Wellc und derjenigen der S-WcIIc zu gross ist, oder wenn die Gesamtdauer zu lang ist.

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Fehlalarmc des ersten Typs (wenn das Zeitintervall zu lang ist), haben zwei Grundursachen: Elektrische Störungen oder Einkopplungen von einer Ausscnquelle induzieren ein Signal entweder auf dein P-Kanal oder auf dem S-Kanal. In diesem Fall kommt nur ein digitales Signal am Analysator an und die Zeitdifferenz ist unendlich. Eine andere Ursache ist eine zu grosse Entfernung der Störungsquelle von der Peripherie. Als Beispiele dafür seien in der Nähe fahrende Züge, Lastzüge, und Erdbeben genannt. Diese blinden Alarme werden ausgesiebt, indem man über das UND-Glied 190 bciVorliegcn des Antivalenz-Impulses und beim Ueberlauf des Zählers 161 das Flipflop 120 zurückstellt. Da 17 Zählintervalle von je 400 Mikrosekundenvorhanden sind, heisst das, dass die Bedingung ungültig wird, wenn die zweite Welle nicht innerhalb von 6, 8 Millisekunden eintrifft. Li Entfernung ausgedrückt entspricht das einem Abstand zwischen ungefähr '4 m und 13 m (14 und 4Z Fuss) vom interessanten Umkreis, abhängig von der Ausbreitungsgeschwindigkeit im jeweiligen Gelände. Diese Zeiteinteilung ist dadurch verstellbar, dass man den Haupttaktgeber einstellt. Die obigen Zahlen basieren auf einem Takt von 400 MikroSekunden, das Taktpulsintervall kann jedoch auf jeden gewünschten Wert zwischen 200 Mikrosekunden und einer Millisekunde eingestellt werden.

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Wenn die Gcsamldauer der Wellen zu gross ist, werden Fchlalarmc durch grosse Aufschläge, beispielsweise Explosionen, an die Laderampe anstosscnde Lastzüge oder in der Nähe fallende grosse Gegenstände ausgelöst. Wenn der letzte Zähler überläuft (Z, 5 Sekunden bei einer Takteinstellung von 400 Mikrosekunden), wird das für die Zeitdauer zuständige monostabile Kippglicd gesperrt und das Kippglicd 120 durch das UND-Glied 192 über das ODER-Glied 126 zurückgestellt.

Obwohl vom zweiten und dritten Register darstellungsgemäss acht Ausgangsleitungen verfügbar sind, müssen nur vier an den Multiplexer angeschlossen werden. Welche vier Leitungen ausgewählt werden, ist nicht vorgeschrieben und hängt ab von der Grosse der Zeitschritte, die in der Muster erkennung und ähnlicher Programmierung an einer bestimmten Stelle berücksichtigt werden sollen.

Von einem an die Anschlüsse 102 und 104 angeschlossenen Geophonpaar wird ein Geophon als erstes Geophon (P) und das andere als zweites Geophon (S) bezeichnet. Bei einem Aufschlag, der in einer Linie auftritt, die rechtwiiiklig zur Peripherie verläuft und ihren Ursprung an einem Geophonpaar hat, empfängt das P-Geophon eine reine primäre oder P-Welle und das S-Geophon eine reine Sekundär- oder S-Welle. Für Aufschläge auf

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einer Linie, die irgendeinen anderen Winkel zur Peripherie bildet, erscheint ein Teil der P-Welle auch am S-Gcophon. Diese Wcllcnkomponcnten ändern sich mit dem Sinus .des Winkels. Bei 90° liegt die volle P-WeHc auf dem P-Geophon und die volle S-Wclle auf dem. S-Geophon. Bei 67,5° (in demselben Abstand) fällt die P-Komponente am P-Geophon auf ungefähr 90% ab und eine P-Komponente gleich ungefähr 38% der vollen P-Welle erscheint gleichzeitig auf dem S-Geophon. In ähnlicher Weise erscheint auf dem P-Geophon gleichzeitig eine S-Komponcnte von etwa 38% und die S-Welle am S-Geophon ist um ungefähr 10% reduziert. Bei 45° empfangen beide Geophone auf ungefähr 70 % des Spitzenwertes, der bei 90° auftritt, reduzierte Wellen. Somit arbeitet eine erfindungsgemässe Schaltung iur P- und S-Weilen, die aus jeder beliebigen Richtung ankommen, vollwertig.

•Die Richtungsanalysesc.haltung 70 hat die Aufgabe, digitale Information an den Multiplexer zu liefern, aus der die Richtung des Aufschlags relativ zu einem Geophonpaar bestimmt werden kann. Diese Bestimmung erfolgt durch zwei Analog/Digital-Umsctzer und Rcgisterschaltungcn, wie sie in den Figuren 5, 6 und 7 gezeigt sind. Im wesentlichen besteht der Richtung sanalysator aus konventionellen Schaltungsteilen, die nach Darstellung in Fig. 9 verbunden sind. Die analogen P- und S-Welleii, dargestellt durch die Kurven 146, 148 werden an die Anschlüsse 202 und 204 angelegt. Die

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UND-Glieder 206 und 208 arbeiten wie in der Entfornungsanalyscschaltung. Die Analog/Digital-Umsctzerschaltung ist durch die Funktionsblocke 212 und214 dargestellt. Bei Freigabe durch einen Impuls vom Loseanforderungs-Kippglied 114 am Anschluss 116, angelegt an den Anschluss 216 des Richtungsanalysators, werden digitale Daten in eine konventionelle Dividier schaltung 218 übertragen, vorzugsweise in einen Teil des programmierten Datenverarbeitungssystems. Die Ausgabadatender Dividierschaltung 218 werden dann, vorzugsweise im Datenverarbeitungssystem in einer Tabcllenvcrarbeitungscinrichtung 220, in die Peildaten (Winkelwert) umgewandelt, und die Peildatcn werden an die Ausgangsa.nschlüsse 222 geliefert, die mit dem Multiplexer verbunden sind. Ein definitiver Vorteil der Tabellenverarbeitung für diese Anwendung ist die Möglichkeit, für bcstimmlt Peilwinkel (z.B. zwischen 0 und 5 ) eine feinere Auflösung anzuwenden und so denselben Wirkungsgrad in der Bestimmung der Eindringstelle zu erreichen, wie für andere Peilwinkel (z.B. zwischen 70 und 90°).

Wie schon kurz besprochen wurde, ändern sich die Grosse der P-Wellenkomponcnte auf dem S-Kanal und die Grosse der S-Wellenkomponente auf dem P-Kanal, entsprechend dem Sinus des Winkels von einer der Achsen, die durch das orthogonale Geophonpaar gebildet werden. Wenn die Peripherie (Richtung des S-Gcophons) mit 0° angenommen wird, dann hat die recht-

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- aar-

'ty

winkling dazu in Richtung des P-Geophones verlaufende Linie 90°. Der Spitzenwert der S-Wcllcnkomponentc ändert sich mit dem Sinus des AVinkel.s, gemessen von 0 oder mit dem Kosinus des Winkels, gemessen von 90° aus. Die Grosse der P-Wellenkomponente ändert sich mit dem Sinus des Winkels, gemessen von 90 ; das Verhältnis der Grossen, die beim Höchstwert der P-Welle vorliegen, ergibt daher den Tangens des Winkels, gemessen von 90°·.

Analogsignale von den Detektorschaltungcn werden im A/D-Umsctzer im 3-Bit-Digitaldarstellung umgewandelt. Das ergibt acht mögliche Winkelwerte pro Quadrant. Diese Information reicht aus, um die Richtung bis auf 11° zu bestimmen. Genauere Peilungen erhält man leicht durch Vergrösserung des A/D-Umsetzers und der Verarbeitungsschaltung. Das Digitalregister wird geladen, wenn die Spitze des ersten Analogsignales ankommt. Die Anordnung bestimmt die zuerst ankommende Welle durch Vergleich der Spi tjs enw e r te.

Eine Spitzendetektorschaltung die für die erfindungsgeinässe Anordnung geeignet ist, ist funktionell in Fig. 10 gezeigt. Eine Analogwelle (Kurve 142 oder 144, oder aber vorzugsweise die Htillkurve 146 oder 148) wird an die EingangsanschlUsse 230 angelegt. Ein aus den Widerständen 232 und 233

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bestellender Spannungsteiler koppelt die Welle an die Gleichrichterdiode 236. Ein Pegeleinstellpotential wird über einen Begrenzungswiderstand 238 angelegt, urn das resultierende Signal an eine AR-Verstärkcrschallung 240 zu geben. Das Ausgangs signal derselben wird über eine weitere Diode 242 an einen Spitzcnsignal-Speicherkondensator 244 gegeben. Dieser wird auf Null oder eine vorbestimmte Ladung zurückgestellt durch Anlegen eines Rückstellimpulses an einen Anschluss 234 (wie beim Anschluss 134 des Richtungsanalysators) über einen Inverter 246. Die Ladung vom Kondensator wird an eine andere AR-Vcrstärkerschaltung 248 angelegt, und deren Ausgangs signal, das ein Mass des integrierten Bereiches unter der Hüllkurve 146 oder 148 ist, wird an die Ausgangsklemmen 250 gegeben.

Viele unerwünschte Daten, wie sie durch Wind, Regen und Raylei gh-Oberflächenwellen hervorgerufen werden, würden ebenfalls abgefühlt, werden aber dadurch eliminiert, dass man die optimale Eigenfrequenz der Geophom wählt. Für das hier beschriebene System wurden Geophone mit einer Eigenfrequenz von 100 Hz gewählt. Das Geophonaus gangs signal wird durch ein Filter geleitet, um Signale über 110 Hz und unter 90 Hz zu dämpfen, und so erhält man ein Reaktionsband, das um 100 Hz zentriert ist und somit im Bereich der kleinsten Umgcbungsstörung liegt. Die dargestellte Spitzendctcktorschallung wird zur Bestimmung der Art des Eindringlings in einem

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Mustererkennungsprozess benutzt. Der Integralwert des Bereichs unter der Kurve, wie er an die Ausgangsklemmen 250 gelegt wird, stellt die -Masse oder das Gewicht des Eindringlings dar. Ein Mann lässt sich auf diese Weise in der Vorhersage von einem Pferd unterscheiden usw. Die Spitzcnsignalgrössc, die von den in einem System benutzten Geophoncn abgcfühlt wurde, lag zwischen 100 Millivolt fur einen Fusschritt bei 0 m bis etwa 100 Mikrovolt für einen Fusschritt bei 6 m (ZO Fuss).Entfernung. Die Dauer lag zwischen 10 und 500 ms. Messungen wurden in einem Abstand von 300 m (ca. 1000 Fuss) von den Fühlern vorgenommen.

In Fig. 1 ist eine Grenzlinie mit mehreren Fühlern oder Geophonpaaren 21, 22, 23, 24 gezeigt, die einen Teil der Umkreisgrenze (Peripherie) um das Gebäude 10 bilden. Diese einfache Anordnung ist angemessen als Schutz gegen Eindringlinge, die von einer Seite der Linie auf die andere Seite kommen und umgekehrt. Die in unterbrochenen Linien, dargestellte trigonometrische Auswertung zeigt klar die Zweideutigkeit der Lage des Eindringlinges. Solange man von einem Eindringling wissen will, ob er eintritt oder sich in der geschützten Zone befindet, reicht diese Anordnung · aus. In'vielen Fällen will man jedoch die Leute innerhalb der Zone zu bestimmten Zeiten oder während der Geschäftsstunden ignorieren. In einem solchen Fall werden die Geophone abgestuft oder in zwei Reihen verlegt, wie

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es für die Gcophonpaarc 321, 322, 323 und 32-1 gezeigt ist. Mit dieser einfachen Acnderung lösen Daten von drei Geophonpaaren die anderweitig vorhandene Zweideutigkeit fehlerfrei.

Ein anderes Merkmal dieses Peripherie-Schutzsystems besteht darin, dass eine geschützte Zone willkürlicher Breite leicht festgelegt und dazu benutzt werden kann, Fehlalarme von ausscrhalb der Zone zu verhindern. Ein Aufschlag, beispielsweise ein Fusschritt an einem Punkt innerhalb der durch die Linien 326, 328 abgegrenzten Zone oder an einem Punkt ausserhalb dieser Zone erzeugt seismische Wellen, die von den Geophonpaaren abgefühlt werden; die Zeitdifferenz in den P-S-Wellen, hervorgerufen durch einen Aufschlag an der Innenseite, ist jedoch notwendigerweise wesentlich kürzer als die Zeitdifferenz die sich bei einem 'Aufschlag ausserhalb der Zone ergibt. Das ist einfach darauf zurückzuführen, dass die Zeitdifferenz bei den Ankunftszeiten proportional ist dein linearen Abstand von der'Quelle zu den Fühlern. Die Zonung erfolgt durch Auswahl einer beliebigen Zeit entsprechend der gewünschten Zonenbreitc so, dass Zeitunterschiede, die kleiner sind als die gewählte Zeit, als gültig akzeptiert werden und Zeitunterschiede, die grosser sind, ignoriert werden.

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Zusammenfassung:

Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst in eincmm System zur AbfUhlung mehrerer unterschiedlich-fortschreitender ErschuUcrungswclleii, die von einem Eindringling ausgelöst werden, durch Analyse der Wellen auf Unterschiede in der Geschwindigkeit, Intensität, Dauer und Richtung der Ausbreitung , durch Unterscheidung zwischen falschen und echten Alarmen, und bei letzteren durch Bestimmung des EintriUorles und des Typs des Eindringlings.

Der Ausdruck seismische oder Erschütterungswelle, soweit er verwendet wird, soll nicht nur Wellen in der PJrde oder einem gleichen elastischen Material umfassen, die durch Erdbeben oder Explosionen erzeugt werden, sondern auch andere Wellen und Medien, auf die die Prinzipien der Erkennung seismischer Wellen anwendbar sind. Als Beispiel hierfür seien Wellen genannt, die in der Erde einschliesslich der relativ grossen Wassermassen und in erdähnlichen. Medien ausgelöst werden durch Personen, Maschinen, Tiere und meteorologische Störungen. Insbesondere ist die erfindungsgemässe Anordnung bestimmt zur Abfüh-lung seismischer Wellen in der Erde, im Wasser, in der Strassendecke, in Rohrleitungen, Böden und anderen Bestandteilen künstlicher Bauwerke, bei Auftreten von Gewittern, Wind, Regen, Hagel, Schnee und derartigen meteorologischen Erscheinungen im Hintergrund und in Gegenwart niedriger Lebewesen aller

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Arten, für die Erkennung von Personen und durch Menschen gesteuerte Fahrzeuge im Vordergrund, die zu einer Bewegung von Wellen durch das Medium führen, die dann analysiert werden können wie seismische Wellen stark reduzierter Intensität.

Ein Sicherheilssystem lässt sich vorteilhaft auf der Analyse seismischer Wellen aufbauen. Um eine zu schützende Stelle, beispielsweise ein Gebäude und seine Umgebung, wird eine Peripherielinie gewählt £lio eine theoretische Linie sein kann), auf deren einer Seite alle Eindringungen untersucht werden, und auf deren anderer Seite nur der Weg eines die Periphcrielinie überschreitenden Eindringlinges verfolgt wird. Häufiger wird eine Zone zwischen zwei konzentrischen Peripherielinien festgelegt. Alle Wellen, die von Erschütterungen ausscrhalb der Zone stammen, werden ignoriert; Erschütterungen mit Bahnen innerhalb der Zone, die in das Innere der Peripherie laufen, werden jedoch untersucht.

Mehrere Fühlcrpaare, beispielsweise Geophone, werden an der Peripherie des zu schützenden Bereiches plaziert. Ein Geophon eines jeden Paares ist, bezogen auf die Erde oder ein anderes Material, durch das die seismischen Wellen sich ausbreiten, horizontal und mehr oder weniger radial zu einer zentralen Stelle innerhalb des geschützten Gebietes angeordnet. Das andere

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Geophon eines jeden Paares liegt in derselben Ebene, jedoch orthogonal zu dem ersten Geophon und daher tangential zur Peripherie oder zum Zonen streifen. Elektrische Leitungen von den Gcophonon enden an der zentralen Stelle in einem elektronischen Gerät das die von den Geophonen bei Auslösung durch einen Eindringling erzeugten elektrischen Signale auswertet. Ein einzelnes Paar Geophone wird zur Bestimmung von Richtung, Entfernung und Geschwindigkeit gcrnäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung benutzt. Zwei oder mehr Geophonpaare sind mit einem Gerät zur Bestimmung des Ortes und der Geschwindigkeit durch trigonometrische Analyse nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung verbunden. Seismische und quasi-seismische Wellen, mit denen die Erfindung zu tun hat, werden durch die Erde und ähnliche Medien in Longitudinal-Druckwellen (P-Wellen, parallel zur Fortpflanzungsrichtung) und in transversalen Scherwellen (S-Wellen, rechtwinklig zur Fortplanzungi richtung) übertragen. Die crfindungsgemässc elektronische Schaltung nutzt die Tatsache, dass P-Wellcn und S-Wellen sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ausbreiten, um Eindringungs-Erkcnnungs sy steine mit Geophonen stark zu verbessern. Die Geschwindigkeit der P-Wcllcn in der Erde liegt in der Grössenordnung von 6 km/s und die Geschwindigkeit der S-Wellcn bei 3,3 km/s. Die erfindungsgemässc Schaltung benutzt auch die Polarisationseigcnschaft, um durch Oberflächenwelle!! und Störungen wie

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.η.

Strassenverkehr, die von aus serhalb der zu schützenden Zone stammen, ausgelöste Fchlalarme zu eliminieren.

Die erfindungsgemässe Schaltung ist so angeordnet, dass der Eindringungsbercich oder der Absland zum Eindringungspunkt durch Differenzanalyse der Ankunftszeiten der P-Welle und der S-Wcllc bestimmt wird. Die Richtung oder der Azimut werden bestimmt durch einen Richtungsanaly sator bei Verwendung der Signale nur eines Geophonpaares; oder durch trigonometrische Auswertung der Ausgangssignale \^ron zwei Fühlerpaarcn oder Geophonpaarcn. Die Laufgeschwindigkeit des Eindringlings wird errechnet aus zwei oder mehr Lagebestimmungen und dem Zeitunterschied zwischen diesen Bestimmungen. Eine Anzeige über die Art des Eindringlings kann man empirisch durch Vergleich des empfangenen Musters mit vorgegebenen Mustern gewinnen, die aus einer Reihe von Beobachtungen eines bekannten Eindringlingcs resultieren. Gleichartige Analysen, die in kurzer Zeit in aufeinander folgenden Ablesungen vorgenommen werden, ermöglichen die allgemeine Klassifikation oder Einteilung des Eindringlings, wie beispielsweise Fahrzeug, Fussgänger, grosses Tier, gerittenes Pferd, umherlaufende Kühe oder Pferde oder dergleichen.

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Jedes Geophonpaar ist durch ein Kabel mit einem Paar Verstärker - und DetcktorschaHungen in der Zentralstelle verbunden. Eine Entfernungsanalyscschaltung wird jeweils mit zwei Detektorschaltung«:! eines aktiven Fühlerpaares verbunden, uiri den Abstand der Erschütterung von den Fühlern zu bestimmen. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine R-ichtungsanaly seschaltung mit denselben beiden Detektorschaltung«!! verbunden, um die Aufschlagrichtung relativ zu den Fühlern zu bestimmen. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Richtung aus Daten von zwei oder mehr Entfernungsbestimmungen durch Triangulation gev/onnen. In jedem Fall werden Daten vom Entfernungsanalysator und vom Dichtungsanalysator (soweit ein solcher verwendet wird), an eine Multiplexerschaltung und danach im Zeitmultiplex an eine Datenverarbeitungsanlage weitergegeben, wo die Daten ausgewertet werden. Alternativ kann eine Multiplcx-Verbindung auch zwischen den Detektorschaltungcn und den Analysatorschaltungen vorgenommen werden.

Die Verstärker- und Detektorschaltungen umfassen einen Vorverstärker, an den eine Bandpass-Verstärkerschaltung angeschlossen ist mit einer Mittclfrequenz; die der Eigenfrequenz des Gcophoncs entspricht und eine Bandbreite in der Grössenordnung von 20% der Mittclfrequenz hat. Ein Verglcicher und ein Gleichrichter oder Detektor folgen dem Bandpass-

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Verstärker. Das Detektorausgangssignal wird auch zur Verstärkungsregelung rückgekoppelt.

Die EntfernungsanalyseschalLung enthält eine Antivalenzschaltung, die mit den Ausgängen dor Detektorschaltungspaare für die seismischen Wellen und mit einer Zähl schaltung verbunden ist, mit der die Dauer der seismischen Wellen und die Differenz zwischen den Ankunftszeiten der beiden Wellen gemessen werden.

Die Richtunsanalyscschaltung zur Bestimmung der Richtung einer Erschütterung bezüglich eines Geophonpaars umfasst eine, konventionelle arithmetische Dividierschaltung, an die digitale Daten, die die Abstände durch die abgelaufene Zeit darstellen, angelegt werden, und mit der der *Tangens des zu bestimmenden Winkels festgelegt wird. Der Ausgabewert der Dividier schaltung wird· durch eine Datenverarbeitungs schaltung, vorzugsweise in einer Tabellenvcrarbeitungseinrichtung, in den Richtungswert übersetzt.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Anordnung zur Peststellung und Ortsbestimmung von über eine Grenzlinie in einen Sicherheitsbereich gelangenden Eindringlingen mit Hilfe von elektroakustischen Wandlern zur Erfassung der sich von den hierdurch bedingten Auslösequellen ausbreitenden seismischen oder quasi-seismischen Wellen dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von elektroakustische-Wandlersätzen (z. B. 21, 22) dem Verlauf der Grenzlinie (z. B. 326) folgend in zweckentsprechenden Intervallen zueinander angeordnet sind, wobei die Wirkungsrichtungen eines jeweiligen Satzes senkrecht zueinander liegen, dass eine mit den elektroakustische-Wandlersätzen verbundene Messwert-Analyseeinrichtung (68, 70, 72; Fig. 5) zur Laufzeitbestimmung der seismischen Wellen, insbesondere zur Ermittlung der Laufzeitdifferenz zwischen P- und S-Wellen von der Auslösequelle zur jeweiligen Messstelle dient und dass eine Recheneinrichtung (74, 28') zur mindestens näherungsweisen Positionsermittlung unter Identifizierung der Auslösequellenart an die Messwert-Analyseeinrichtung (68, 70, 72; Fig. 5) angeschlossen ist.

2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Detektorschaltung (66; Fig. 5) vorgesehen ist, die das von einem elektroakustischen Wandler (64) zugeführte Signal in ein Zweipegelsignal um-

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ORlGiNAL IMSPECTED

wandelt, welches den einen der beiden Pegelwerte annimmt, solange die Amplitude des Wandlersignals einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwert-Analyseeinrichtung eine Entfernungsbestimraungsschaltung (68; Fig. 5) enthält, welche aufgrund der jeweils von einem Wandlerpaar (56, 58) des elektroakustische-Wandlersatzes entsprechend den P- und S-Wellen zugeführten Signale an ihrem Ausgang Daten abgibt, die ein Mass für den Zeitunterschied zwischen dem Eintreffen der Signale dieser beiden Wandler sind, und dass sie ferner eine Richtungsbestimmungschaltung (7Oy Fig. 5) aufweist, welche im Ansprechen auf die den P- und S-Wellen entsprechenden Wandlersignale an ihrem Ausgang Daten abgibt, die ein Mass für das Amplitudenverhältnis beider Wandlersignale sind.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorschaltung (66; Fig. 5) mindestens ein Bandpassfilter (82) für Wandlersignale aufweist, welches eine Mittenfrequenz hat, die gleich der Eigenfrequenz des jeweils zugeordneten elektroakustischen-Wandlers ist.

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5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Messwert-Analyseeinrichtung enthaltene Entfernungsbestimmungsschaltung (68; Fig. 5) zwei Eingänge zur Zuführung von aus den Ausgangssignalen eines Wandlerpaares abgeleiteten Zweipegelsignalen besitzt, welche mit einem Antivalenzglied (113) verbunden sind, dessen Ausgang an den Steuereingang einer bistabilen Kippschaltung (120) angeschlossen ist und dass eine Zähleinheit (161, 162, 163), die mit einer Zähltaktimpulsquelle (C1) verbunden ist, mit ihrem Steuereingang an einem Ausgang der bistabilen Kippschaltung liegt.

6. Anordnung nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Entfernungsbestimmungsschaltung (Fig. 6) Einrichtungen (126, 192) vorgesehen sind, um bei Erreichen eines vorgegebenen Zählerstandes die bistabile Kippschaltung (120) zurückzustellen.

7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerpaare (322, 323, 324, 325) abwechselnd versetzt zueinander dem Verlauf der Grenzlinie folgend angeordnet sind, deren Signale zur eindeutigen Ortsbestimmung einer trigonometrischen Auswerteeinrichtung zuführbar sind.

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709818/Q7$1

8. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerpaare zur Erfassung der P- und S-Wellen so angeordnet sind, dass die Wirkungsrichtung eines der beiden elektroakustischen Wandler in einer Geraden liegt, die auf einen Bezugspunkt des Sicherheitsbereiches weist.

9. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der elektroakustische Wandlersatz aus drei in einem Gehäuse senkrecht zueinander liegenden Tauchspulensätzen als Geophonen besteht.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Geophone eine Eigenfrequenz von ca. 100 Hz besitzen und das hierin angeschlossene Bandfilter eine Bandbreite von ca. 20 Hz aufweist.

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