DE3200820C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur passiven Messung der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs, das Wellenenergie abstrahlt.

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.

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 "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.

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 Hydrophonen 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 Geschwindigkeitskomponenten 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.

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.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. 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 Übertragungseigenschaften 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 Übertragungsschicht 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 Übertragungsschicht 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 des Wassers angeordnet werden. Im einfachsten Fall handelt es sich um einen Flachwasser- Schallübertragungskanal, bei dem die Wasserschicht durch Luft- und Bodenschichten begrenzt wird. Ebenso ist aber auch das Verfahren einzusetzen, wenn im Wasser mehrere Schichtungen mit unterschiedlichen Übertragungseigenschaften 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 Überlagerung 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-Schallausbreitungskanal, im folgenden Flachwasserkanal genannt, 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. 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.

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. Sie weisen in Ausbreitungsrichtung eine Periode auf, die um so 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.

Durch Überlagerung mehrerer Eigenwellen entsteht im Flachwasserkanal ein Interferenzfeld. Dieses Interferenzfeld baut sich um die Schallquelle auf. 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.

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.

In einem Aufsatz von Weston et al, "Interference of Wide-Band Sound in Shallow Water", Admiralty Research- Laboratory, Teddington, Middlesex, 1971, reproduced by National Technical Information Service, wird ein Verfahren beschrieben, mit dem Übertragungseigenschaften 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.

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur passiven Messung der Geschwindigkeit eines Wasserfahrzeugs werden aus Empfangssignalen nur zweier Hydrophone über einen mehrere Zeiteinheiten umfassenden Zeitraum gemäß Anspruch 2 Spektrogramme erstellt und spektrale Leistungen der Empfangssignale jedes Spektrogramms beispielsweise als Intensitätsschrieb über der Frequenz abgespeichert. Die einzelnen Intensitätsschriebe werden ihrem Meßzeitpunkt zugeordnet und zeigen eine Spektralverteilung des Empfangssignals, das nach Zeit und Frequenz abgespeichert ist. Als Intensitätsschrieb kann ein Grautonbild erzeugt werden. Die so abgespeicherten Spektrogramme bilden ein zweidimensionales Intensitätsmuster, dessen eine Achse der Frequenz und dessen andere Achse einer Zeitbasis zugeordnet ist, die in Zeiteinheiten geteilt ist. Von der so abgespeicherten Spektralverteilung wird ein Ausschnitt innerhalb eines vorgebbaren Frequenzintervalls 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 abgespeicherter Spektrogramme der Empfangssignale des anderen Hydrophons innerhalb des gleichen Frequenzintervalls verglichen, indem das Intensitätsmuster des Ausschnitts gemäß Anspruch 2 über das zweite Intensitätsmuster entlang der Zeitbasis so lange verschoben wird, bis sich das innerhalb des Zeitintervalls und Frequenzintervalls momentan enthaltene zweite Intensitätsmuster und das Intensitätsmuster im Ausschnitt decken. An der Zeitbasis ist die zeitliche Verschiebung als Zeitverschiebung der Intensitätsmuster zueinander abzulesen.

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Wasserschalltechnik zum Messen der Geschwindigkeit eines Wasserfahrzeugs, 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 jedes Hydrophon je Frequenz einen bestimmten Pegel. 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 von 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.

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.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 3 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.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 4 wird das Frequenzintervall als 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 Übertragungsschicht ausbreiten und ihre Interferenz zu detektieren ist. Der Modulationsgrad wird beispielsweise dadurch bestimmt, 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.

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 Überlauf eines Wasserfahrzeugs über den Meßort bei einem Kurs aus, der auf der Verbindungslinie der Hydrophone verläuft. Hier ist der Modulationsgrad längs einer Frequenzspur der abgespeicherten Spektrogramme groß, wenn Eigenwellen im Übertragungsmedium entstanden sind. Durch Störungen bei der Ausbreitung der Eigenwellen kann aber bei einigen Frequenzen der Modulationsgrad stark zurückgehen, 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.

Um beispielsweise das erfindungsgemäße Verfahren in der Wasserschalltechnik besonders effizient einsetzen zu können, ist es vorteilhaft, Übertragungseigenschaften des Flachwasserkanals in dem zu überwachenden Seegebiet zu kennen und gemäß den Merkmalen des Anspruchs 5 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.

Zur weiteren Optimierung des Verfahrens wird gemäß Anspruch 6 das Zeitintervall bzw. die Zeitdauer eines Zeitfensters so gewählt, daß es mindestens zwei Intensitätsmaxima bei der Mittenfrequenz erfaßt. Mit dieser Dimensionierung wird erreicht, daß in einem durch Frequenzbereich und Zeitintervall definierten Ausschnitt ein ausgeprägtes Intensitätsmuster für den Vergleich 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.

Durch die Dimensionierung des Abstands der Wandler und des Zeitintervalls abhängig von den Übertragungseigenschaften im Meßgebiet wird das Meßverfahren an den Mechanismus der Entstehung der zu vergleichenden Intensitätsmuster angepaßt, wodurch eine Optimierung der Meßergebnisse erreicht wird.

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 7 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.

Die fächerförmige Gestalt der abgespeicherten Spektrogramme erhält man, wenn das Wasserfahrzeug längs der Verbindungslinie der Hydrophone fährt. 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 9 zum Überwachen eines Verkehrsweges, beispielsweise 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.

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 10 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 11 der Quotient aus Hydrophonabstand und Zeitverschiebung multipliziert mit dem Sinus des Peilwinkels eine radiale Geschwindigkeitskomponente der Fahrzeuggeschwindigkeit. Die radiale Geschwindigkeitskomponente ist nach Anspruch 12 gleich der Annäherungsgeschwindigkeit, wenn die Peilung zum Wasserfahrzeug über einen mehrere Zeiteinheiten umfassenden Zeitraum steht.

In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, mit einem akustischen Verfahren zu peilen, bei dem gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 13 Schall bei höheren Frequenzen als der Frequenzbereich des Ausschnitts ausgewertet wird. Die Peilungen werden beispielsweise von einer passiven Panorama-Sonar-Anlage geliefert. Peilergebnisse für Schall innerhalb des Frequenzbereichs des Ausschnitts würden wegen der unterschiedlichen Phasengeschwindigkeit der Eigenwellen im Flachwasserkanal zu fehlerhaften Winkeln führen. Aus diesem Grund wird die Peilung bei höheren Frequenzen durchgeführt, die erfindungsgemäß in einem solchen Abstand zur Mittenfrequenz gewählt werden, daß Phasengeschwindigkeiten der Schallwellen 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 Phasengeschwindigkeiten können deshalb die Peilung und diesen Frequenzintervall nicht mehr verfälschen. Wie man sieht, wirken die für die Bestimmung der Zeitverschiebung gewünschten Übertragungseigenschaften 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.

Besonders vorteilhaft ist es, die beiden Hydrophone 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 14 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 besondere Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß nur zwei Hydrophone am Meßort ausgelegt und mit diesen beiden Hydrophonen allein sämtliche Parameter zum Bestimmen der radialen Geschwindigkeitskomponente 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 Messung die Meßgenauigkeit der Positionsbestimmung bei der Auslegung der Meßanordnung ohne Belang ist.

Mit 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 Spektrogramme nichts beiträgt. Allein die radiale Geschwindigkeitskomponente läßt das Interferenzfeld, das sich in dem Muster der abgespeicherten Spektrogramme widerspiegelt, 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. 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. Minima der Interferenzwellenlängen kennzeichnen. Bei einer Kreisfahrt um den Wandler würde der Wandler jeweils ein und dieselbe Intensität des Interferenzfeldes erfassen und keinen Wechsel an Intensitäten feststellen können. Nur durch eine radiale Geschwindigkeitskomponente sind Minima und Maxima der Intensität am Wandler feststellbar.

Bei einem Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens 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 Verbindungslinie der Hydrophone errichtet wird, führt ebenfalls zu keinem Ergebnis, obwohl die abgespeicherten Spektrogramme der Empfangssignale beider Hydrophone eine ausgeprägte fächerförmige Struktur der zu vergleichenden Muster liefern. Da aber an beiden Hydrophonen gleichzeitig durch gleichgroße radiale Geschwindigkeitskomponenten das gleiche Interferenzfeld abgetastet wird, ist keine Zeitverschiebung zwischen den Mustern vorhanden. Um diese Mängel zu beheben, ist nach einer Weiterbildung 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 zum Ermitteln von Zeitverschiebung und Peilung verwendet. Die ermittelten Zeitverschiebungen werden miteinander verglichen und die größte zur Ermittlung der radialen Geschwindigkeitskomponente ausgewählt. Damit ist auf einfache Weise gewährleistet, daß dasjenige Hydrophonpaar zur Auswertung der Spektrogramme verwendet wird, dessen Verbindungslinie die geringste Abweichung von der Peilung aufweist, also den größten Winkel zwischen Mittelsenkrechte und Peilung einschließt. Bei einer solchen Hydrophonanordnung kann das Wasserfahrzeug beliebige Kurse fahren. Eins der drei Hydrophonpaare weist stets eine solche Ausrichtung auf, daß eine exakte Messung gewährleistet ist.

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 16 aus der radialen Geschwindigkeitskomponente und einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente bestimmbar, die aus der Entfernung zwischen Meßort und Grenze und aus der zeitlichen Änderung 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 Maßnahmen von Interesse ist.

Steht für die Messung der radialen Geschwindigkeitskomponente keine Peilanlage zur Verfügung, so kann nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 17 die radiale Geschwindigkeitskomponente durch vier Hydrophone und deren paarweise ermittelten Zeitverschiebungen bestimmt werden, die besonders einfach gemäß Anspruch 18 und 19 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 Geschwindigkeitskomponente an.

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. wenn die Tiefe nicht konstant ist, kann es zu Fehlern in der Bestimmung der radialen Geschwindigkeitskomponente kommen, wenn sich nämlich das Wasserfahrzeug an einer Stelle befindet, dessen Tiefe von der Tiefe des Meßorts differiert.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 20 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.

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.

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 Überwachung 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.

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 Intensitäten abgespeicherter Spektrogramme über der Frequenz und der Zeit,

Fig. 3 eine schematisch Darstellung einer Meßsituation im Einmündungsbereich einer Wasserstraße,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Meßorts parallel zu einer Wasserstraße,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Meßsituation zur Überwachung eines Seegebietes 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. 8 eine Prinzipskizze eines Meßgebiets, bei dem der Flachwasserkanal unterschiedliche Wassertiefen aufweist.

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 (Aliasing-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 6, 7, 8 und 9 sind zur Ansteuerung mit dem Taktgeber 5 verbunden. In der Speicherschaltung 8 bzw. 9 werden 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 Zeit als Ordinate und der Frequenz als Abszisse, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Als Zeitbasis ist die Uhrzeit eingetragen, die in Zeiteinheiten T geteilt ist. Im Takt der Zeiteinheiten T aus dem Taktgeber 5 werden zeilenweise die Spektrogramme als Intensitäten über der Frequenz in einem Grautonschrieb dargestellt. Innerhalb eines Frequenzbereichs von 100 bis 400 Hz, der als Frequenzfenster Δ f um eine Mittenfrequenz f₀=250 Hz eingetragen ist, und innerhalb einer Zeitdauer von 2 min, die als Zeitfenster Δ 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 Δ t gebildet. Die Steuerschaltung 100 ist mit der Speicherschaltung 9 verbunden.

Ein Korrelator 10 ist den Speicherschaltungen 8 und 9 nachgeordnet. In dem Korrelator 10 wird die zeitliche Intensitätsverteilung längs einer Frequenzspur des einen Intensitätsmusters innerhalb des Zeitfensters Δ t mit der zeitlichen Intensitätsverteilung der gleichen Frequenzspur im zweiten Intensitätsmuster korreliert, d. h. multipliziert und integriert. Diese Signalverarbeitung wird für sämtliche Frequenzspuren zwischen 100 und 400 Hz durchgeführt. Die dadurch gewonnenen Korrelationsfunktionen werden in einem Zwischenspeicher 11 abgelegt. Über alle Korrelationsfunktionen wird in einem Mittelwertbildner 12 eine gemittelte Korrelationsfunktion gebildet und aus der Lage ihres Maximums die Zeitverschiebung τ _IK der Intensitätsmuster abgelesen.

Die Zeitverschiebung τ _IK liefert bei bekanntem Hydrophonabstand d unmittelbar eine Fahrzeuggeschwindigkeit

eines Wasserfahrzeugs, wenn das Wasserfahrzeug einen Kurs entlang einer Verbindungslinie zwischen den Hydrophonen 1 und 2 aufweist, wie es in Fig. 3 für das Wasserfahrzeug 30 dargestellt ist. In einer Quotientenstufe 13 gemäß Fig. 1, die dem Mittelwertbildner 12 nachgeschaltet ist, wird der Quotient aus Hydrophonabstand d und Zeitverschiebung τ _IK gebildet, der die Fahrzeuggeschwindigkeit V angibt.

Fig. 4 zeigt ein Wasserfahrzeug 40, 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 V _r der Fahrzeuggeschwindigkeit V wird das Interferenzfeld am Hydrophon 1 bzw. 2 vorbeigezogen. Es wird eine Zeitverschiebung τ _IK der Intensitätsmuster festgestellt, als wenn die Hydrophone 1 und 2 im Abstand a=d · sind ϑ parallel zu einer Linie 44 zwischen Wasserfahrzeug 40 und Mitte des Hydrophonabstands d liege, die mit der Mittelsenkrechten 45 einen Winkel ϑ einschließt. Es ist die Zeitverschiebung

Aufgrund der geometrischen Verhältnisse ist die radiale Geschwindigkeitskomponente V _r abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit V und dem Winkel ϑ und ergibt sich zu V _r=V · sinϑ. Wenn man die beiden Gleichungen für die radiale Geschwindigkeitskomponente V _r gleichsetzt, erhält man die Fahrzeuggeschwindigkeit

Da der Hydrophonabstand d durch die Installation der Meßanordnung am Meßort bekannt ist, wird die Fahrzeuggeschwindigkeit V allein durch die ermittelte Zeitverschiebung t _IK bestimmt.

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 τ _IK wird durch eine Annäherungsgeschwindigkeit V _A des Wasserfahrzeugs 31 verursacht und von einer fiktiven Meßanordnung gemessen, die parallel zur Verbindungslinie 32 weist und einen fiktiven Abstand von a=d · sinϑ aufweist. Durch einen Quotienten erhält man einen Geschwindigkeitsanteil A, der gleich der Annäherungsgeschwindigkeit V _A geteilt durch den Sinus des Winkels ϑ ist.

Um die Annäherungsgeschwindigkeit

selbst zu erhalten, muß dieser Geschwindigkeitsanteil

mit sinϑ multipliziert werden.

Der Winkel ϑ kann mit einer beliebigen Peilanordnung bestimmt werden. Befinden sich die Hydrophone 1 und 2 beispielsweise auf einem U-Boot, so ist der Winkel ϑ beispielsweise durch eine Panoramasonaranlage bekannt. Bei einer Installation der Hydrophone 1 und 2 am Grund der Wasserstraße 33 ist es besonders vorteilhaft, die Empfangssignale der Hydrophone 1 und 2 auch für die Peilung zum Wasserfahrzeug 31 auszuwerten.

Fig. 1 zeigt eine Auswertung der Empfangssignale der Hydrophone 1 und 2 zur Ermittlung eines Peilwinkels ϑ.

Die Empfangssignale werden über Hochpässe 20, 21 einer Korrelationsschaltung 23 zugeführt. Der Durchlaßbereich der Hochpässe 20, 21 liegt weit über der oberen Grenzfrequenz f=400 Hz des Frequenzfensters Δ f. In der Korrelatorschaltung 23 wird ein Laufzeitunterschied

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 Δ t liegt, der zur ermittelten Zeitverschiebung τ _IK gehörige Laufzeitunterschied τ _GK von der Korrelatorschaltung 23 ausgegeben, die dazu mit der Steuerschaltung 100 verbunden ist. Die Annäherungsgeschwindigkeit V _A ist jetzt besonders einfach zu bestimmen, indem der Laufzeitunterschied τ _GK durch die Zeitverschiebung τ _IK 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 V _A des Wasserfahrzeugs 31.

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 ϑ zur Mittelsenkrechten 51 auf den Hydrophonabstand d. Ein Quotient liefert einen Geschwindigkeitsanteil V _f, der durch die radiale Geschwindigkeitskomponente V _r verursacht wird und in Richtung zur Verbindungslinie der Hydrophone 1 und 2 weist:

Bei Kenntnis des Peilwinkels ϑ ist hieraus die radiale Geschwindigkeitskomponente V _r=V _f · sinϑ bestimmbar. Ist aus anderen Messungen ein Kurswinkel α zum Wasserfahrzeug 50 bezogen auf einen Querabstand q zwischen Kurslinie und Mitte des Hydrophonabstands d bekannt, so ist aus der radialen Geschwindigkeitskomponente V _r mit Hilfe des Kurswinkels α die Fahrzeuggeschwindigkeit

bestimmbar.

Eine weitere Möglichkeit zum Bestimmen der Fahrzeuggeschwindigkeit V besteht darin, die radiale und tangentiale Geschwindigkeitskomponente V _r und V _ϑ zu bestimmen, wenn gemäß Fig. 5 eine Entfernung r zwischen Meßort und Wasserfahrzeug 50 bekannt ist. Zum Bestimmen der tangentialen Geschwindigkeitskomponente V _j wird, wie in Fig. 1 dargestellt, der Peilwinkel ϑ aus dem Laufzeitunterschied τ _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 ϑ 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 _ϑ . 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 V _r² und V _j ², die gleich der Fahrzeuggeschwindigkeit V ist.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Meßsituation, bei der am Meßort drei Hydrophone 1, 2, ¹/₂ ein gleichseitiges Dreieck mit der Seitenlänge d aufspannen. Mit den Hydrophonen 1 und 2 wird eine Zeitverschiebung τ _{IK 1} aufgrund der radialen Geschwindigkeitskomponente V _r und ein Peilwinkel ϑ₁ zwischen der Mittelsenkrechten auf den Hydrophonabstand und einer Peillinie zum Wasserfahrzeug 60 ermittelt. Mit den Hydrophonen 2 und ¹/₂ werden eine Zeitverschiebung τ _{IK 2} aufgrund der radialen Geschwindigkeitskomponente V _r und ein Peilwinkel ϑ₂ ermittelt, der auf die Mittelsenkrechte des Hydrophonabstandes dieser beiden Hydrophone 2, ¹/₂ bezogen ist. Mit den Hydrophonen 1 und ¹/₂ werden in gleicher Weise eine Zeitverschiebung τ _{IK 3} aufgrund der radialen Geschwindigkeitskomponente V _r und ein Peilwinkel ϑ₃ bezogen auf die zugehörige Mittelsenkrechte ermittelt. Dazu wird eine Anordnung entsprechend dem Blockschaltbild gemäß Fig. 1 in dreifacher Ausführung aufgebaut. Die radiale Geschwindigkeitskomponente V _r wird in dem gezeigten Beispiel aus der Zeitverschiebung τ _{IK 3} ermittelt, da τ _{IK 3} größer als τ _{IK 2} und τ _{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 τ _{IK 3}< τ _{IK 1}<τ _{IK 2}, zum anderen aber auch durch einen Vergleich der Peilwinkel ϑ₂<ϑ₁/ϑ₃ 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 τ _IK aber nur gering ist und in der Größenordnung der Meßgenauigkeit liegt. Mit diesem Verfahren ist also jeweils ein optimaler Einsatz der Hydrophonpaare zu erwirken, wenn man für die Ermittlung der radialen Geschwindigkeitskomponente V _r die größte Zeitverschiebung τ _IK und für die Ermittlung der Richtung den kleinsten Peilwinkel ϑ wählt, da die Peilgenauigkeit mit Hilfe einer Laufzeitmessung am genausten im Bereich der Mittelsenkrechten ist.

Fig. 7a zeigt am Meßort eine Meßanordnung mit vier Hydrophonen H₁, H₂, H₃, H₄, bei der eine radiale Geschwindigkeitskomponente V _r 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 β schneiden. Die Hydrophone H₁ und H₂, die im Abstand d auf einer der Diagonalen liegen, werden zur Ermittlung einer Zeitverschiebung τ _{IK 1} herangezogen, die Hydrophone H₃, H₄ auf der anderen Diagonalen zur Ermittlung der Zeitverschiebung τ _{IK 2}.

Setzt man für den Winkel ϑ₂=β-ϑ₁, so erhält man nach einigem Umformen einen Ausdruck für die radiale Geschwindigkeitskomponente V _r:

der unabhängig von den Winkeln ϑ₁ und ϑ₂ und nur noch abhängig von den Meßgrößen τ _{IK 1}, t _{IK 2}, β ist. Bei quadratischer Anordnung der Hydrophone H₁, H₂, H₃, H₄ gemäß Fig. 7b beträgt der Winkel β zwischen den Diagonalen gerade 90° und der Ausdruck für die radiale Geschwindigkeitskomponente V _r vereinfacht sich zu:

Da die Summe der Winkel ϑ₁ und ϑ₂ gleich 90° ist, ergeben sich für die vorher genannten Zeitverschiebungen t _{IK 1} und τ _{IK 2} folgende Zusammenhänge:

Aus dem Verhältnis wird der Winkel ϑ₁ ermittelt ϑ₁=arctan =arctan , der die Richtung der radialen Geschwindigkeitskomponente V _r angibt.

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 τ _{IK 1} sich um einen Drehwinkel β dreht und eine zweite Messung zum Bestimmen der Zeitverschiebung τ _{IK 2} durchführt. Aus diesen beiden Zeitverschiebungen τ _{IK 1} und t _{IK 2} wird dann in gleicher Weise die radiale Geschwindigkeitskomponente V _r nach Betrag und Richtung bestimmt.

Befindet sich der Meßort mit den Hydrophonen in einem Flachwassergebiet, das keine konstante Wassertiefe aufweist, so ist die Bestimmung der radialen Geschwindigkeitskomponente V _r aus der Zeitverschiebung t _IK nicht mehr unabhängig vom Schiffsort und der am Schiffsort vorherrschenden Wassertiefe.

Fig. 8 zeigt eine Prinzipskizze eines Flachwasserkanals, bei dem der Einfachheit halber eine kontinuierliche Tiefenvariation durch zwei Wassertiefen H₁ und H₂ mit einem Sprung dargestellt wird. Anhand dieses Modells soll eine Korrektur der Geschwindigkeitsmessung erläutert werden. In diesem modellhaften Flachwasserkanal interferieren zwei Eigenwellen miteinander, die im Gebiet mit der Wassertiefe H₁ eine 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 im Bereich mit der Wassertiefe H₁, so wird am Meßort eine Zeitverschiebung τ _{IK 1} gemessen, die zusammen mit dem Abstand d der Hydrophone 1 und 2 die Fahrzeuggeschwindigkeit V liefert.

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 Interferenzwellenlänge X₂ ist.

Befindet sich das Wasserfahrzeug 80 im Bereich mit der Wassertiefe H₂, so wird mit Fahrzeuggeschwindigkeit V ein Interferenzmaximum in einer Zeit t₂ 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 Fahrzeuggeschwindigkeit V und ist

Setzt man t₂ in die Gleichung für X₁ ein, so erhält man

Löst man diese Gleichung nach der gemessenen Geschwindigkeit V* auf, so erhält man

Aus der Zeitverschiebung τ _IK*, die am Meßort M gemessen wird, wenn sich das Wasserfahrzeug 80 im Bereich mit der Wassertiefe H₂ befindet, ist die gemessene Geschwindigkeit V* bekannt. Diese gemessene Geschwindigkeit V* ist größer als die Fahrzeuggeschwindigkeit V, nämlich

Aus dem Aufsatz von Weston ist bekannt, daß sich die Interferenzwellenlängen X₁, X₂ wie die Quadrate der Wassertiefen H₁, H₂ verhalten:

Es ergibt sich dann ein Schätzfehler für die Geschwindigkeit V zu

für Δ H=H₁-H₂.

Vernachlässigt man den zweiten Term dieser Gleichung, so erhält man einen vorzeichenrichtigen Korrekturfaktor, der allein vom Gefälle des Bodens abhängt und gleich der doppelten relativen Tiefenänderung ist.

Claims (20)

1. Verfahren zur passiven Messung der Geschwindigkeit eines Fahrzeuges, wobei das Fahrzeug selbstgenerierte Wellen in ein Meßgebiet abstrahlt, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Meßort innerhalb einer Übertragungsschicht mit Dispersionseigenschaften für die abgestrahlten Wellen liegt,
• - daß am Meßort mindestens zwei Wandler zum Empfangen der ausgestrahlten Wellen angeordnet sind, welche hieraus jeweils ein Empfangssignal erzeugen
• - daß während einer vorgegebenen Zeitdauer zu zeitlich beabstandeten Zeitpunkten jeweils das Spektrum des Empfangssignals ermittelt und als Spektralverteilung zweidimensional nach Zeit und Frequenz abgespeichert wird,
• - daß aus einer der beiden Spektralverteilungen ein Ausschnitt ausgewählt wird, welcher durch ein vorgegebenes, mehrere Zeitpunkte umfassendes Zeitintervall und ein vorgegebenes Frequenzintervall definiert ist,
• - daß die in dem Ausschnitt enthaltene Spektralverteilung mit einem das gleiche Frequenzintervall umfassenden Ausschnitt der anderen Spektralverteilung über die gesamte vorgegebene Zeitdauer verglichen wird, bis sich die im Ausschnitt enthaltenen Spektralverteilungen decken und dadurch ihre zeitliche Verschiebung bestimmt wird,
• - daß ein Quotient aus dem Abstand der Wandler und der zeitlichen Verschiebung gebildet wird und eine Geschwindigkeitskomponente des Fahrzeugs liefert, deren Richtung durch die Verbindungslinie der beiden Wandler definiert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vergleich der Spektralverteilungen ein Zeitfenster mit einer dem vorgegebenen Zeitintervall entsprechenden Fensterbreite in dem vorgegebenen Frequenzintervall über die dem zweiten Wandler zugeordneten Spektralverteilung längs der Zeitbasis verschoben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kurzzeit-Leistungsdichte- Spektren in vorgebbaren Zeiteinheiten gebildet werden, daß die Zeitbasis in Zeiteinheiten gerastert ist und das Zeitintervall eine vorgebbare Anzahl von Zeiteinheiten umfaßt, daß der Vergleich durch Korrelation der zeitlichen Intensitätsverteilungen im Ausschnitt der dem einen Wandler zugeordneten Spektralverteilung längs jeder Frequenzspur im vorgegebenen Frequenzintervall mit den zeitlichen Intensitätsverteilungen des dem anderen Wandler zugeordneten Intensitätsmusters längs der gleichen Frequenzspur über den gesamten Zeitbereich durchgeführt wird, daß die Korrelationsfunktionen aller Frequenzspuren gemittelt werden und die Lage des Maximums der gemittelten Korrelationsfunktion die zeitliche Verschiebung angibt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzintervall mit seiner Mittenfrequenz derart ermittelt wird, daß längs jeder Frequenzspur der Modulationsgrad der abgespeicherten Intensitäten innerhalb des Zeitintervalls bestimmt wird und ein Bereich benachbarter Frequenzspuren, für die der jeweils ermittelte Modulationsgrad über einer Schwelle liegt, das Frequenzintervall angibt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand kleiner als eine halbe Interferenzwellenlänge zweier in der Übertragungsschicht miteinander interferierender Eigenwellen, die sich aufgrund der gewählten Mittenfrequenz ausbilden, gewählt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall proportional einer Interferenzwellenlänge zweier in der Übertragungsschicht miteinander interferierender Eigenwellen, die sich aufgrund der gewählten Mittenfrequenz ausbilden, gewählt wird und mindestens zwei Intensitätsmaxima auf der Frequenzspur der Mittenfrequenz umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßort in eine Tiefe innerhalb der Übertragungsschicht gelegt wird, bei der auch Eigenwellen höherer Ordnung zu verzeichnen sind, und das Intensitätsmuster mehr als zwei Intensitätsmaxima auf der Frequenzspur der Mittenfrequenz aufweist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein in Richtung parallel zur Verbindungslinie zwischen den Wandlern weisender Fahrzeuggeschwindigkeitsanteil durch den Quotienten aus dem Abstand der Wandler und der festgestellten zeitlichen Verschiebung bestimmt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8 zum Messen der Geschwindigkeit eines auf einem vorgeschriebenen Verkehrsweg fahrenden Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler mit ihrer Verbindungslinie auf oder parallel zu dem Verkehrsweg angeordnet werden und die Fahrzeuggeschwindigkeit gleich dem Quotienten aus Abstand der Wandler und der festgestellten zeitlichen Verschiebung ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Messen der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs im Einmündungsgebiet zu einem vorgeschriebenen Verkehrsweg, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßort am Anfang des Verkehrswegs so angeordnet ist, daß sich jedes Fahrzeug dem Verkehrsweg auf radialem Kurs nähert, und die Annäherungsgeschwindigkeit des Fahrzeugs proportional dem Quotienten aus dem Abstand der Wandler und der festgestellten zeitlichen Verschiebung ist, wobei der Proportionalitätsfaktor durch einen Winkel zwischen einer Bezugsrichtung am Meßort und dem Kurs des Fahrzeugs bestimmt ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 10 unter Verwendung einer Peilanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Geschwindigkeitskomponente der Fahrzeuggeschwindigkeit durch den Quotienten aus dem Abstand der Wandler und der festgestellten zeitlichen Verschiebung multipliziert mit dem Sinus des Peilwinkels zwischen Peillinie und Mittelsenkrechte bestimmt wird, die in Richtung der Peillinie zum Fahrzeug bezogen auf die Mittelsenkrechte der Verbindungslinie der Wandler weist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei stehender Peilung zum Fahrzeug über einen mehrere Zeiteinheiten umfassenden Zeitraum der Quotient aus Abstand der Wandler und festgestellter Zeitverschiebung multipliziert mit Sinus des Peilwinkels die Annäherungsgeschwindigkeit angibt.

13. Verfahren nach Anspruch 4 und einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren für die Peilung und die Wandler die gleiche vom Fahrzeug abgestrahlte Wellenenergie, insbesondere Schallwellen aufgrund des Fahrzeugeräusches, empfangen, daß zur Peilung Wellenenergie in einem höheren Frequenzbereich als dem Frequenzintervall in einem solchen Abstand von der Mittenfrequenz ausgewählt wird, daß Phasengeschwindigkeiten von Wellen innerhalb dieses Frequenzintervall annähernd konstant und gleich der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellenenergie im Medium des Meßgebiets sind.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als akustischen Sensor zur Peilung die beiden Wandler am Meßort verwendet werden und daß ein Laufzeitunterschied der Empfangssignale, der proportional dem Sinus des Peilwinkels ist, multipliziert mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls und geteilt durch die festgestellte Verschiebung die radiale Geschwindigkeitskomponente der Fahrzeuggeschwindigkeit angibt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Wandler am Meßort derart aufgestellt wird, daß die drei Wandler in der Übertragungsschicht parallel zu ihrer Grenzebene ein vorzugsweise gleichseitiges Dreieck aufspannen, daß zum Ermitteln von zeitlicher Verschiebung und Peilung die Wandler paarweise verwendet werden, daß die ermittelten zeitlichen Verschiebungen miteinander verglichen werden und die größte ausgewählt wird, aus der zusammen mit der zugehörigen Peilung die radiale Geschwindigkeitskomponente der Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Überfahren einer in bekannter Entfernung vom Meßort vorgegebenen Meßgebietsgrenze durch ein zu vermessendes Wasserfahrzeug am Meßort gemeldet wird, daß die Fahrzeuggeschwindigkeit des Wasserfahrzeugs aus der radialen Geschwindigkeitskomponente und einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente, die aus der Entfernung und der zeitlichen Änderung des Peilwinkels ermittelt wird, durch geometrische Addition bestimmt wird, daß aus der resultierenden Fahrzeuggeschwindigkeit der innerhalb einer oder mehrerer Zeiteinheiten zurückgelegte Weg bestimmt wird, der unter Berücksichtigung der Entfernung den neuen Abstand zwischen Meßort und Wasserfahrzeug angibt, und daß aus dem Abstand zusammen mit der dort bestimmten radialen Geschwindigkeitskomponente die momentane resultierende Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß am Meßort parallel zur Grenzebene der Übertragungsschicht vier Wandler angeordnet sind, die vorzugsweise ein Rechteck aufspannen, daß aus Empfangssignalen von diagonal gegenüberliegenden Wandlern zwei zeitliche Verschiebungen bestimmt werden, aus denen mit Hilfe des Cosinussatzes unter Berücksichtigung des Winkels zwischen den Diagonalen ein Betrag der radialen Geschwindigkeitskomponente bzw. Annäherungsgeschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß bei quadratischer Anordnung der Wandler die Summe der quadrierten zeitlichen Verschiebungen gebildet wird, daß der Quotient aus diagonalem Abstand der Wandler geteilt durch die radizierte Summe den Betrag der radialen Geschwindigkeitskomponente der Fahrzeuggeschwindigkeit bzw. Annäherungsgeschwindigkeit angibt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die festgestellten zeitlichen Verschiebungen ins Verhältnis gesetzt werden und aus dem Arcustangens des Verhältnisses die Richtung der radialen Geschwindigkeitskomponente bezogen auf eine der Diagonalen bestimmt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Meßgebiet mit Tiefenänderung die ermittelte Fahrzeuggeschwindigkeit abhängig von der relativen Tiefenänderung bezogen auf die Tiefe am Meßort um den doppelten Betrag der relativen Tiefenänderung korrigiert wird.