DE3204874C2

DE3204874C2 - Passives Verfahren zum Gewinnen von Zieldaten von einer Schallquelle

Info

Publication number: DE3204874C2
Application number: DE3204874A
Authority: DE
Inventors: Alwin Dipl Ing Dr Guedesen
Original assignee: Atlas Elektronik GmbH
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 1982-02-11
Filing date: 1982-02-11
Publication date: 1994-07-14
Anticipated expiration: 2002-02-12
Also published as: GB2114744A; FR2521307A1; DE3204874A1; GB2114744B; US4558439A; FR2521307B1; GB8303521D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein passives Verfahren zum Gewinnen von Zieldaten von einer in einem nicht festen Medium, wie Luft oder Wasser, sich bewegenden Schallquelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Unter Zieldaten werden Kenngrößen verstanden, welche den Zustand der Schallquelle, z. B. die Entfernung, Geschwindigkeit und ggf. die Position der Schallquelle und/oder die Art der Schallquelle, z. B. das von der Schallquelle abgestrahlte Frequenzspektrum, beschreiben.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art, das zum Objektschutz angewendet wird (US-PS 4 001 771), ist eine Vielzahl vor Meßstellen längs einer Grenzlinie angeordnet, die um das zu schützende Objekt herum gezogen ist. Jede Meßstelle weist zwei in einem Gehäuse im Boden eingelassene elektroakustische Wandler auf, die orthogonal zueinander ausgerichtet sind, so daß der eine Wandler im wesentlichen die im Boden sich ausbreitenden Transversal- oder S-Wellen und der andere Wandler im wesentlichen die im Boden sich ausbreitenden Longitudinal- oder P-Wellen empfängt. Beide Wellentypen breiten sich mit sehr unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit aus. In einem Range-Analyzind-Circuit wird die Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen der P- und S-Welle und die Dauer des Empfangsimpulses der P-Welle ermittelt. Ist die Zeitdifferenz und/oder die Dauer des Empfangsimpulses der P-Welle größer als eine vorgegebene Schwelle, wird auf Falschalarm erkannt. Ein Bearing-Analyzing-Circuit bestimmt aus den Empfangssignalen der beiden Sensoren die Peilrichtung, aus welcher die Störung oder das Geräusch empfangen wird, und zwar dadurch, daß dieser den Arcus Tangens des Verhältnisses der Signalamplituden der Empfangssignale im P- und S-Sensor berechnet. Der Ort der Geräuscherzeugung wird aufgrund allgemein bekannter geometrischer Beziehungen aus den mittels mindestens zweier Sensorpaare an zwei Meßstellen bestimmten Peilwinkeln ermittelt.

Mit dem bekannten Verfahren kann als Zieldatum die Peilung zu der sich bewegenden Schallquelle und bei Verwendung von mehr als nur einer Meßstelle auch die Position oder der Ort der Schallquelle bestimmt werden. Für den bestimmungsgemäßen Zweck des Objektschutzes sind diese Zieldaten auch ausreichend.

Für militärische Aufklärung hinter der Gefechtslinie genügen diese Zieldaten jedoch nicht, da man auch über die Art der Schallquelle Aufschluß erhalten will. Außerdem muß für solche Aufgaben das Verfahren ohne umfangreiche Vorarbeiten zu seiner Installation eingesetzt werden können.

Aus der US-PS 3 182 283 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Schiffes bekannt, das mit zwei Wandlern arbeitet, die in großer Entfernung voneinander in Fahrtrichtung des Schiffes weit vor und hinter dem Schiff angeordnet sind. Die Geschwindigkeit des Schiffes wird aus der vom Doppeleffekt herrührenden Frequenzverschiebung in den Empfangssignalen der beiden Wandler gewonnen. Mit einem solchen Verfahren läßt sich die Geschwindigkeit von Schiffen in einer fest vorgegebenen Wasserstraße bestimmen.

In der US-PS 4 158 832 ist eine Vorrichtung zur Identifizierung eines Fahrzeugs als Ketten- oder Radfahrzeug mit Hilfe eines einzigen seismischen Sensors beschrieben. Ausgenutzt wird bei dieser Vorrichtung die Tatsache, daß das Empfangssignal von einem Kettenfahrzeug eine relativ kleine Bandbreite und von einem Radfahrzeug eine relativ große Bandbreite enthält. Das komplexe Empfangssignal wird in eine Rechteckimpulsfolge transformiert, deren Frequenz der größten vorkommenden Frequenz des Empfangssignals entspricht. Ein Differenzierer formt aus der Rechteckimpulsfolge eine Serie von abwechselnd positiven und negativen Spikes, die im Integrator integriert werden. Die Wechselkomponente der integrierten Spannung ist ein Maß für die Klassifizierung. Ist sie groß, wird auf Radfahrzeug, ist sie klein, wird auf Kettenfahrzeug erkannt.

Aus der US-PS 4 122 432 ist eine Vorrichtung zur Klassifizierung von Geräuschquellen bekannt. Hier empfängt ein einziger breitbandiger Schallwandler das von der Geräuschquelle abgestrahlte Geräusch. Von dem empfangenen Geräusch wird ein Zeitabschnitt einer Transformation in den Frequenzbereich, einer Logarithmierung und einer Rücktransformation in den Zeitbereich unterzogen. Das Ergebnis ist eine Pseudo-Autokorrelationsfunktion, in deren Verlauf die Information über das Grundgeräusch der Geräuschquelle steckt. Dieses Grundgeräusch wird mit einer Vielzahl von in einem Speicher abgelegten typischen Grundgeräuschen bekannter Geräuschquellen verglichen und so die Geräuschquelle identifiziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das geeignet ist, mit geringem Installationsaufwand ausreichend viele Zieldaten zur hinreichend genauen Interpretation des Ziels in ausreichender Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit zu gewinnen.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.

Das Verfahren hat den Vorteil, von einer einzigen, räumlich begrenzten Meßstelle aus eine Schallquelle mit genügender Zuverlässigkeit hinsichtlich Entfernung, Lage, Geschwindigkeit, abgestrahlter Schallfrequenz, Frequenzspektrum u. dgl. zu erfassen. Aus der Vielfalt der erfaßten Zieldaten lassen sich Rückschlüsse auf die Schallquelle ziehen, und diese kann somit klassifiziert oder identifiziert werden. Das Verfahren läßt sich mit relativ geringem technischen Aufwand realisieren. Die Vorarbeiten zur Ausbringung des Schallaufnehmers sind minimal. Dadurch wird eine hohe Mobilität gewährleistet. Nach Ausbringen des Schallaufnehmers ist das nach dem Verfahren arbeitende Überwachungssystem funktionsbereit und kann selbsttätig und langfristig arbeiten. Durch Anlegen einer Vielzahl von Meßstellen und durch das Vorsehen einer zentralen Datenabrufstation läßt sich auf einfache Weise eine unbegrenzte Anzahl von Gebietssektoren auf auftretende Schallquellen oder Schallereignisse überwachen.

Mit dem Verfahren lassen sich insbesondere Truppenbewegungen hinter der Gefechtslinie, z. B. auf Nachschubwegen, überwachen und damit wertvolle Daten für die Gefechtsfeldaufklärung gewinnen. Da Truppenbewegungen vornehmlich über befestigte Wege und Straßen erfolgen, werden die Schallaufnehmer in der Nähe der Nachschubwege ausgebracht. Die ausgebrachten Schallaufnehmer sind nur schwer entdeckbar und haben nur geringen Energiebedarf, so daß sie langzeitig eingesetzt werden können. Der Datenabruf von den Meßstellen erfolgt per Funk von einer vor Feindeinwirkung geschützten zentralen Datenabruf- und Informations-Sammelstelle aus, in welcher auch die Daten ausgewertet werden. Dabei lassen sich nicht nur Einzelfahrzeuge und Fahrzeugkolonnen erfassen, sondern auch Fahrzeuganzahl und Fahrzeugtyp bestimmen, so daß der Umfang der gegnerischen Bewegungen erkannt werden kann.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Gemäß der in Anspruch 2 angegebenen Weiterbildung des Verfahrens werden Schallquellen ohne weiteren Vergleich ihrer Frequenzspektren mit den gespeicherten Musterspektren als Kettenfahrzeuge klassifiziert, wenn die Frequenzspektren der Empfangssignale beider Wandler jeweils mindestens zwei ausgeprägte Harmonischenfolgen aufweisen. Die Identifikation des Kettenfahrzeugs erfolgt anhand der Kettengliedfrequenz, welche diejenige Frequenz des Frequenzspektrums ist, die sich aus der Spektrallinienpaarung mit der größten Amplitude der beiden Frequenzspektren ergibt.

Anspruch 3 gibt dabei eine besonders zweckmäßige Bestimmung des Frequenzspektrums der Schallquelle aus den Frequenzspektren der Empfangssignale an. Die auf die Mittenfrequenz f′ bezogene relative Breite Δ f/f′ wird entweder geschätzt oder nach

mit

berechnet, wobei v die Geschwindigkeit der Schallquelle, c_{1, 2} die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen, d der Abstand zwischen der Schallquelle und der Meßstelle im Punkt der größten Annäherung an die Meßstelle und x die Entfernung der Schallquelle von diesem Punkt der größten Annäherung ist. x läßt sich aus der Entfernung R ermitteln, wenn die Bewegungsrichtung der Schallquelle bekannt und die Entfernung R zum Abstand d sehr groß ist. Bei kleiner Entfernung R ist ein Peilwinkel von der Meßstelle zur Schallquelle mit einzubeziehen. Als Geschwindigkeit v der Schallquelle wird eine maximal mögliche angenommen, je nachdem welche Art einer sich bewegenden Schallquelle detektiert werden soll.

Die Ableitung der tatsächlichen Geschwindigkeit der Schallquelle aus der ermittelten radialen Geschwindigkeitskomponente erfolgt gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch, daß die Schallquelle gepeilt wird und aus dem Peilwinkel und der radialen Geschwindigkeitskomponente die tatsächliche Geschwindigkeit in der in Anspruch 4 angegebenen Weise berechnet wird.

Da insbesondere im Erdboden die Schallausbreitungsgeschwindigkeit der verschiedenen Wellentypen infolge geologischer Gegebenheiten, wie Bodenbeschaffenheit, Schichtungen u. dgl., in verschiedenen Bereichen des Überwachungsgebietes, in welchen Meßstellen vorgesehen werden sollen, sehr stark differieren können, ist es von Vorteil, auch die Schallgeschwindigkeiten aufgrund von Meßergebnissen bestimmen oder die unbekannten Schallgeschwindigkeiten bei der Berechnung der Zieldaten eliminieren zu können. Hierzu wird gemäß der Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 8 eine zweite Meßstelle vorgesehen, die einen bekannten Abstand von der ersten Meßstelle hat und identisch aufgebaut ist. Mit den beiden Meßstellen lassen sich somit zweimal Meßergebnisse auf verschiedenen Ausbreitungsstrecken gewinnnen. Bei der Erfassung einer sich bewegenden Schallquelle kann man die Frequenzen der Empfangssignale der vier an zwei Meßstellen angeordneten Wandler bestimmen und daraus anhand der vorstehend angegebenen Gleichungen die Schallgeschwindigkeiten c₁ und c₂ oder unmittelbar die Kenndaten ermitteln.

Unter Berücksichtigung der Gleichung

erhält man bei sehr großer Entfernung der Schallquelle von der Meßstelle, also bei sehr großem x/d und damit

ein lösbares Gleichungssystem aus vier Gleichungen mit vier Unbekannten. Bei kurzer Entfernung hingegen erhält man ein lösbares Gleichungssystem aus sechs Gleichungen mit sechs Unbekannten. Die einzelnen Größen haben die gleiche Bedeutung wie zu Gl. (2) beschrieben, wobei f_o die von der Schallquelle abgestrahlte Frequenz und v_r die radiale Geschwindigkeitskomponente der Schallquelle ist.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht (oben) und einer Draufsicht (unten) einer Anordnung einer Meßstelle in einem Überwachungsgebiet,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines an der Meßstelle gemäß Fig. 1 auszubringenden Schallaufnehmers,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Anordnung einer Meßstelle in einem Überwachungsgebiet in der gleichen Darstellung wie Fig. 1,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Auswerteschaltung für die Empfangssignale des Schallaufnehmers.

In Fig. 1 sind die räumlichen Verhältnisse bei der Überwachung einer Verkehrsstraße 10 mittels des Verfahrens zum Gewinnen von Zieldaten von sich bewegenden Schallquellen, hier von Kraftfahrzeugen 11, skizziert. Unter Zieldaten werden hier Daten verstanden, welche Zustand und Art der Schallquelle beschreiben und welche - insoweit sie charakteristisch für die Schallquelle sind - zur Klassifizierung und Identifizierung der Schallquelle dienen. Typische Zieldaten sind hierbei die Geschwindigkeit der Schall quelle, sowohl in Fahrtrichtung als auch in auf die Meßstelle weisender Radialrichtung, die oder das von der Schallquelle abgestrahlte Frequenz oder Frequenz spektrum, die Entfernung der Schallquelle von der Meßstelle, was insbesondere bei Vermessung von im wesentlich ruhenden Schallquellen von Interesse ist, und ggf. der Peilwinkel von der Meßstelle zur Schall quelle.

Zum Bestimmen des auf der Straße 10 fahrenden Kraft fahrzeuges 11 - als eine in dem nicht festen Medium Luft 34 sich bewegende Schallquelle - von einer Meß stelle 12 aus, wird in seitlichem Abstand von z. B. zwei bis drei Metern von der Straße 10 ein in einem Behälter 19 untergebrachter Schallaufnehmer 13 in den Erdboden 14 eingegraben. Die Tiefe der Eingra bung ist gering, so daß der Schallaufnehmer 13 nahe der Bodenoberfläche 15 liegt. Der in Fig. 2 im De tail dargestellte Schallaufnehmer 13 weist drei rechtwinklig zueinander ausgerichtete elektroakusti sche Wandler auf, die hier als Geophone 16, 17, 18 ausgebildet sind. Geophone zeichnen sich dadurch aus, daß sie eine sog. Dipolcharakteristik aufweisen, d. h., ihr Richtdiagramm hat die Form einer Acht. Durch die rechtwinklige Anordnung stehen die Richtcharakteristi ken senkrecht aufeinander, so daß die Richtungen maximaler Emp findlichkeit ein kartesisches Koordinatensystem auf spannen. Der die Geophone 16 bis 18 enthaltende Be hälter 19 kann auch einen Teil der weiter unten beschriebenen Auswerteschaltung 20 für die Empfangs signale der Geophone 16 bis 18 aufnehmen. Der Behäl ter 19 wird an der Meßstelle 12 so in den Erdboden 14 eingesetzt, daß das Geophon 16 annähernd vertikal ausgerichtet ist. Die Geophone 17 und 18 liegen dann rechtwinklig zueinander in einer horizontalen Ebene.

Über eine die Bodenoberfläche 15 durchstoßende An tenne 21 können aus den Empfangssignalen der Geopho ne 16 bis 18 abgeleitete Zwischenwerte zum Bestimmen der Zieldaten oder die Zieldaten selbst per Funk von einer nicht dargestellten Abrufstation aus abge fragt werden.

Sobald das die Straße 10 befahrende Fahrzeug 11 in den Empfangsbereich des Schallaufnehmers 13 gelangt, wer den von den Geophonen 16 bis 18 Signale empfangen. Mittels der Auswerteschaltung 20 werden nunmehr einer seits die Frequenzen der Empfangssignale der Geopho ne 16 und 17 ermittelt und daraus, wie noch beschrie ben wird, Geschwindigkeit und Schallabstrahlfrequenz des Fahrzeugs 11 ermittelt und andererseits wird der zeitliche Unterschied des Signalempfangs an den Geo phonen 16 und 17 gemessen und daraus die Entfernung des Fahrzeugs 11 von der Meßstelle 12 bestimmt. Das dritte Geophon 18 dient in Verbindung mit dem in der gleichen Horizontalebene rechtwinklig hierzu lie genden Geophon 17 zur Peilung des momentanen Stand ortes des Fahrzeugs 11.

Die Auswerteschaltung 20 ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Die Ausgänge der Geophone 16 und 17 sind - ggf. über Verstärker - mit jeweils einem FFT- Prozessor 22 (FFT=Fast-Fourier-Transformation) ver bunden. Die an den Ausgängen der FFT-Prozessoren 22 abnehmbaren Frequenzspektren der Empfangssignale wer den über jeweils einen Schwellwertdetektor 23, der das Grundrauschen unterdrückt, einem Liniendetek tor 24 mit Fensterfunktion zugeführt. Im Liniendetek tor 24 werden fortlaufend Spektrallinien des einen Empfangssignals mit Spektrallinien des anderen Sig nals bezüglich ihrer Frequenz verglichen und die Fre quenzen einander zugehöriger Spektrallinien getrennt ausgegeben. Das Vergleichskriterium liefert die Fen sterfunktion des Liniendetektors 24. Dabei wird ein Fenster mit einer anhand einer maximal vorgegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit vorgegebenen Fensterbreite über die Frequenzspektren geschoben und Spektral linien dann als einander zugehörig erkannt, wenn die jeweilige Spektrallinie in beiden Frequenzspek tren innerhalb des Frequenzfensters liegt.

Die Fensterbreite Δf des Frequenzfensters ist fre quenzabhängig. Ihre auf die Mittenfrequenz f′ be zogene relative Breite Δf/f′ wird für eine angenom mene maximale Fahrgeschwindigkeit v_max der zu erfas senden Fahrzeuge 11 geschätzt oder genauer berechnet nach:

mit

d ist hierbei der Abstand der Meßstelle 12 von dem Punkt der größten Annäherung des Fahrzeugs 11 an die Meßstelle (Fig. 1), x die Entfernung des Fahrzeugs 11 von diesem Punkt der größten Annäherung im Moment der Signalerfassung,
c_1,2 die noch weiter unten erläuterten Schallausbrei tungsgeschwindigkeiten.

Bei Werten von c₁=300 m/s, c₂=90 m/s, x/d=6 und v_max=40 km/h ergibt sich eine relative Fenster breite =0,13. Bei einer Mittenfrequenz f₁ von z. B. 100 Hz würden Spektrallinien nur dann als ein ander zugehörig erkannt und ihre Frequenz f₁, f₂ an den Ausgang des Liniendetektors 24 ausgegeben, wenn ihre Frequenz zwischen 93,5 und 106,5 Hz liegt. Bei diesem Beispiel werden aber nur Fahrzeuge 11 richtig erfaßt, wenn sie nicht wesentlich schneller als 40 km/h fahren.

Die Entfernung x läßt sich aus der Entfernung R zwi schen der Meßstelle 12 und dem Fahrzeug 11 zum Zeit punkt des Signalempfangs, die wie weiter unten be schrieben berechnet wird, und aus dem Peilwinkel ϕ zwischen Meßstelle 12 und dem Fahrzeug 11 zum Zeit punkt des Signalempfangs, der ebenfalls wie weiter unten beschrieben erhalten wird, berechnen. Bei gro ßen Entfernungen R kann der Peilwinkel in erster An näherung unberücksichtigt bleiben.

Die an den Ausgängen des Liniendetektors ausgegebenen Frequenzen f₁ und f₂ einander zugeordneter Spektral linien werden einem Rechner 25 zugeführt. Aus den Frequenzen f₁, f₂ berechnet der Rechner 25 die ra diale, d. h. auf die Meßstelle 12 weisende Komponente der Fahrzeuggeschwindigkeit v_r und die von dem Fahrzeug abgestrahlte Frequenz f_o nach folgenden Gleichungen:

Die Ausbreitungsgeschwindigkeiten c₁ von Longitudinal wellen und die Ausbreitungsgeschwindigkeit c₂ von Transversalwellen im Erdboden sind bekannt und lassen sich ggf. am Ort der Meßstelle 12 durch eine Test schallquelle ermitteln. Diese Werte werden dem Rech ner 25 als konstante Größen eingegeben.

Zum Messen des zeitlichen Unterschieds des Signal empfangs an den beiden Geophonen 16 und 17 sind die se mit einem Korrelator 26 verbunden. Der Korrela tor 26 ermittelt in bekannter Weise die aufgrund un terschiedlicher Ausbreitungsgeschwindigkeiten ent stehende Zeitdifferenz Δt zwischen den Empfangssig nalen und gibt diese an einen Entfernungsrechner 27. Der Entfernungsrechner 27 berechnet die Entfernung R des Fahrzeugs 11 von der Meßstelle 12 anhand der Gleichung

c₁ und c₂ sind wiederum die Ausbreitungsgeschwindig keiten von Longitudinal- und Transversalwellen im Erdboden 14, die als konstante Größen dem Entfer nungsrechner 27 eingegeben werden.

Die Ausgänge der Geophone 17 und 18 sind mit einem Winkelrechner 28 verbunden, der aus den Amplituden der Empfangssignale der beiden in der Horizontal ebene liegenden, rechtwinklig zueinander ausgerich teten Geophone 17 und 18 den Peilwinkel ϕ in einem durch die Ausrichtung der Geophone 17 und 18 vorge gebenen Koordinatensystem nach der Gleichung

berechnet. Durch entsprechende Ausrichtung des Schall aufnehmers 13 ist das Koordinatensystem so gewählt, daß eine Koordinate senkrecht bzw. parallel zur Straße 10 verläuft. A₁ und A₂ sind dabei jeweils der Mittelwert der Signalamplituden.

Die Ausgänge des Rechners 25 und des Winkelrechners 28 sind mit einem Geschwindigkeitsrechner 29 verbunden, welcher aus dem ihm zugeführten Winkelwert ϕ und der ihm zugeführten radialen Komponente der Fahrzeugge schwindigkeit v_r die Fahrzeuggeschwindigkeit in Fahrt richtung nach

berechnet. Am Ausgang des Geschwindigkeitsrechners 29 ist die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit v ab nehmbar. Die Fahrzeuggeschwindigkeit kann nunmehr zur Normierung des am Ausgang des Rechners 25 abnehmba ren, von dem Fahrzeug 11 abgestrahlten Frequenzspek trums herangezogen werden, wodurch sich der stark streuende Einfluß der jeweiligen Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs 11 auf das Spektrum eliminieren läßt. Das so normierte Frequenzspektrum läßt durch Ver gleich mit bekannten und als Muster abgelegten Fre quenzspektren ein Rückschluß auf die Art des Fahr zeugs zu.

Zur Identifizierung von Kettenfahrzeugen sind zusätz lich die in Fig. 4 strichlinierten Baugruppen einge schaltet. Das Spektrum von Kettenfahrzeugen ist cha rakterisiert durch eine Harmonischenfolge mit sehr ausgeprägten Spektrallinien großer Amplitude. Diese Harmonischenfolge wird verursacht durch das rhyth mische Aufschlagen der Kettenglieder der Ketten auf den Boden. Die Amplituden dieser Harmonischenfolge sind wesentlich größer als z. B. die Amplituden ei ner Harmonischenfolge, die von der Zündfolge des Mo tors hervorgerufen wird und die auch im Frequenz spektrum von Radfahrzeugen enthalten ist.

Zur Identifizierung der Kettenfahrzeuge aufgrund der von ihnen erzeugten sog. Kettengliedfrequenz f_KG ist zwischen den Schwellwertdetektoren 23 und dem Liniendetektor 24 jeweils ein Maximumsucher 30 ein geschaltet, der Spektrallinien mit größter Amplitude eliminiert. Durch diesen Maximumsucher werden an den Rechner 25 die Frequenzen f₁ und f₂ geliefert, die der jeweils dopplerverschobenen ersten Harmonischen der Kettengliedfrequenz f_KG entsprechen. In diesem Fall wird am Ausgang des Rechners 25 die Ketten gliedfrequenz f_KG ausgegeben. Diese Kettengliedfre quenz f_KG und die am Ausgang des Geschwindigkeits rechners 29 abgenommene Geschwindigkeit v werden einem Dividierer 31 zugeführt, an dessen Ausgang die Kettengliedlänge 1 als Quotient aus Geschwin digkeit v und Kettengliedfrequenz f_KG abgenommen werden kann. Die Kettengliedlänge 1 ist charakte ristisch für verschiedene Arten von Kettenfahrzeugen, so daß mit Hilfe der Kettengliedlänge 1 das von der Meßstelle 12 erfaßte Kettenfahrzeug identifiziert werden kann.

Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren und der hierzu erforderlichen Vorrichtung kann an der Meß stelle 12 anstelle des in den Erdboden 14 einge grabenen Schallaufnehmers 13 (Fig. 2) auch ein elek troakustischer Wandler mit Dipolcharakteristik, hier ebenfalls ein Geophon 32, und ein elektroakustischer Wandler mit Rundumcharakteristik, hier als Mikro phon 33 ausgebildet, verwendet werden. Während das Geophon 32 wiederum dicht unterhalb der Oberfläche 15 in den Erdboden 14 diesmal in beliebiger Ausrichtung eingegraben wird, wird das Mikrophon 33 dicht ober halb der Oberfläche 15 angeordnet, so daß die beiden Wandler 32, 33 sich in unterschiedlichen Medien, einerseits in dem festen Medium Erdboden 14 und an dererseits in dem nicht festen Medium Luft 34 be finden. Die Auswerteschaltung 20 ist ganz oder teil weise in einem Gehäuse 35 untergebracht und die Ziel daten bzw. Zwischenwerte hiervon werden über die Antenne 21 abgerufen. Soll auch im vorliegenden Fall eine Standortbestimmung der Schallquelle durch zu sätzliche Peilung dieser vorgenommen werden, so ist, wie bereits beschrieben, auch hier das weitere Geo phon 18 vorzusehen, das dann mit dem Geophon 32 in einer Horizontalebene liegt und rechtwinklig zu die sem angeordnet werden muß. Die Auswerteschaltung 20 bleibt unverändert. Lediglich der eine Eingang muß anstelle des Geophons 16 mit dem Mikrophon 33 und der andere Eingang statt mit dem Geophon 17 mit dem Geophon 32 verbunden werden.

Wie in Fig. 3 schematisch skizziert ist, läßt sich mit dem beschriebenen Verfahren der Standort einer Schallquelle, z. B. des Geschützknalls eines Pan zers 11′ durch Entfernungsmessung von zwei in Ab stand voneinander angeordneten Meßstellen 12 und 12′ bestimmen. Hierbei kann sowohl die in Fig. 3 gezeigte Anordnung aus einem Geophon 32 und einem Mi krophon 33 oder der in Fig. 1 und 2 dargestellte Schallaufnehmer 13 aus den Geophonen 16 und 17 ver wendet werden. An jeder Meßstelle 12 und 12′ wird die Entfernung R zu der Schallquelle oder dem Schall ereignis bestimmt. Aus der bekannten Lage der Meß stellen 12 und 12′ läßt sich dann nach einfachen geometrischen Beziehungen der Standort der Schall quelle ermitteln.

Bei der Verwendung von zwei in verschiedenen Me dien 14, 34 angeordneten Wandlern wie des Mikro phons 33 und des Geophons 32 (Fig. 3), sind dem Rech ner 25 und dem Entfernungsrechner 27 als bekannte Größen c₁ und c₂ die Schallgeschwindigkeiten in den beiden Medien Luft 34 und Erdboden 14 einzugeben. Die diesbezüglichen Werte c₁ und c₂ in den oben an geführten Gleichungen entsprechen dann den jeweili gen Werten der Schallgeschwindigkeit in Luft und im Boden. Die jeweilige Schallgeschwindigkeit kann auch hier durch Verwendung einer Testschallquelle an ei ner bekannten Position empirisch bestimmt werden.

Da besonders die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der verschiedenen Wellentypen im Boden aufgrund geolo gischer Gegebenheiten stark differieren können und die empirische Ermittlung mittels Testschallquellen mitunter zu zeitaufwendig ist, lassen sich die Schallgeschwindigkeiten der erfaßten Schallwellen auch noch auf andere Weise ermittteln. Hierzu wird, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, eine weitere Meßstelle 12′ in bekanntem Abstand von der ersten Meßstelle 12 vorgesehen. Die Ausbildung und Anordnung der Schallaufnehmer 13 in beiden Meßstellen 12, 12′ ist identisch. An beiden Meßstellen 12, 12′ werden nunmehr die Frequenzen f₁ und f₂ der Empfangssignale bestimmt, die sich aufgrund der verschiedenen geome trischen Lage der Meßstellen 12, 12′ und der damit verschiedenen Dopplerfrequenz voneinander unter scheiden. Mit den vorstehend angegebenen Gleichun gen für die Zieldaten der Schallquelle und der Be ziehung

erhält man unter Berücksichtigung der an der Meß stelle 12 bestimmten Frequenzen f₁ und f₂ und an der Meßstelle 12′ bestimmten Frequenzen f′₁ und f′₂ ein lösbares Gleichungssystem mit sechs Gleichungen und sechs Unbekannten. v_r, v_r′ sind hierbei die radialen, zur Meßstelle 12 bzw. 12′ weisenden Radialkomponenten der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 11, d, d′ der Abstand der Meßstellen von dem Punkt (CPA) der größten Annähe rung des Fahrzeugs 11 an die Meßstellen 12, 12′, x, x′ der momentane Abstand des Fahrzeugs 11 von die sem CPA-Punkt.

Ist der Abstand x, x′ des Fahrzeugs 11 von den Meß stellen 12, 12′ sehr viel größer als deren Abstän de d, d′ vom CPA-Punkt, so geht der Term

gegen 1 und man erhält ein lösbares Gleichungssystem aus vier Gleichungen mit vier Unbekannten. In beiden Fällen lassen sich aus dem Gleichungssystem die unbe kannten Größen der Schallgeschwindigkeiten der auf gefaßten Schallwellen berechnen oder aus der direk ten Berechnung der Zieldaten eliminieren.

So kann z. B. der Schallaufnehmer 13 auch aus einem Mikrophon und einem Hydrophon bestehen, wobei das Hydrophon im Wasser und das Mikrophon in der Luft angeordnet werden. Beide elektroakustische Wandler haben eine rundum empfindliche Empfangscharakteristik. Mit einer sol chen Ausgestaltung des Verfahrens lassen sich z. B. die Zieldaten eines tieffliegenden Flugzeugs von ei nem Schiff aus gewinnen. Die Auswerteschaltung ist identisch der zu Fig. 4 beschriebenen Auswerteschal tung 20. Das Geophon 16 ist lediglich durch ein Mi krophon und die Geophone 17 und 18 durch Hydrophone oder umgekehrt zu ersetzen. Wird auf Peilung verzich tet, entfällt auch hier das zweite Hydrophon bzw. das zweite Mikrophon. Der Schallaufnehmer 13 kann auch aus zwei Hydrophonen bestehen, die im Wasser in ausgeprägten Schichten unterschiedlicher Temperatur angeordnet werden. Aufgrund der unterschiedlichen Temperatur weisen diese Schichten unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten des Schalls auf. Die Auswerteschaltung 20 ist gegenüber Fig. 3 nur inso weit abzuwandeln, als alle Geophone 16 bis 18 durch Hydrophone zu ersetzen sind.

Der Schallaufnehmer kann ebenso auch zwei Mikrophone aufweisen, die in Luftschichten mit unterschiedlichen Übertragungseigenschaften für Schall ausgebracht wer den. Die Geophone 16 bis 18 der Auswerteschaltung 20 sind dann durch Mikrophone zu ersetzen.

Claims

1. Passives Verfahren zum Gewinnen von Zieldaten von einer in einem nicht festen Medium sich bewegenden Schallquelle unter Verwendung eines schallquellenfernen Schallaufnehmers mit zwei in einer einzigen räumlich begrenzten Meßstelle angeordneten elektroakustischen Wandlern, die in einer solchen Weise angeordnet und ausgebildet sind, daß sie im wesentlichen jeweils eine von zwischen der Schallquelle und den Wandlern sich mit unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten fortpflanzenden Schallwellen erfassen, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstelle (12) in unmittelbarer Nähe einer der Schallquelle (11) vorgegebenen Fahrbahn (10) angeordnet wird, daß von den Empfangssignalen beider Wandler (16, 17) Frequenzspektren gebildet werden, daß aus den Frequenzspektren der Empfangssignale einander zugehörige Spektrallinien ermittelt und aus den diesen zugeordneten Frequenzen (f₁, f₂) und den bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeiten (c₁, c₂) der Schallwellen einerseits die Frequenzen (f_o) der Spektrallinien des Frequenzspektrums der Schallquelle (11) gemäß und andererseits die zur Meßstelle (12) weisende radiale Geschwindigkeitskomponente (v_r) der Schallquelle (11) gemäß berechnet werden, daß die Richtung von der Meßstelle (12) zur Schallquelle (11) bestimmt wird und mit dieser und der radialen Geschwindigkeitskomponente (v_r) die tatsächliche Geschwindigkeit (v) der auf der Fahrbahn (10) sich bewegenden Schallquelle (11) berechnet wird, daß das berechnete Fequenzspektrum der Schallquelle (11) mittels der berechneten tatsächlichen Geschwindigkeit (v) der Schallquelle (11) auf eine Geschwindigkeit bezogen, d. h. normiert, wird, die der Geschwindigkeit entspricht, bei welcher gespeicherte Musterspektren ermittelt worden sind, und daß die Schallquelle (11) durch Vergleich des normierten Frequenzspektrums mit den Musterspektren klassifiziert oder identifiziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallquelle (11) bereits ohne Vergleich von berechnetem Frequenzspektrum und Musterspektren als Kettenfahrzeug klassifiziert wird, wenn die Frequenzspektren der Empfangssignale beider Wandler (16, 17) jeweils zwei ausgeprägte Harmonischenfolgen aufweisen, daß von den berechneten Frequenzen (f_o) des Frequenzspektrums des Kettenfahrzeugs diejenige Frequenz, die sich aus der Spektrallinienpaarung mit der größten Amplitude ergibt, als Kettengliedfrequenz (f_KG) ausgegeben wird, daß durch Dividieren der tatsächlichen Geschwindigkeit (v) des Kettenfahrzeugs durch die Kettengliedfrequenz (f_KG) die Kettengliedlänge (1) berechnet und anhand der Kettengliedlänge (1) das Kettenfahrzeug indentifiziert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spektrallinien der beiden Frequenzspektren der Empfangssignale dann als einander zugehörig erkannt werden, wenn ihre zugeordneten Frequenzen (f₁, f₂) innerhalb eines Frequenzfensters mit einer vorgegebenen, auf die Mittenfrequenz (f′) bezogenen relativen Breite (Δf/f′) liegen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der Meßstelle (12) zur Schallquelle (11) durch Peilung (Peilwinkel ϕ) bestimmt wird und daraus und aus der radialen Geschwindigkeitskomponente (v_r) die tatsächliche Geschwindigkeit (v) der Schallquelle (11) gemäß berechnet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (16, 17) mit einer Dipolcharakteristik versehen und als Geophone ausgebildet werden, und daß die Wandler (16, 17) in ein an das nicht feste Medium (34) angrenzendes festes Medium (14), wie Erd- oder Meeresboden, eingebracht und dort derart ausgerichtet werden, daß die Empfangsrichtungen der Wandler (16, 17) rechtwinklig aufeinanderstehen und eine der Empfangsrichtungen im wesentlichen in Vertikalrichtung weist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Wandler (33) im nicht festen Medium angeordnet und der andere Wandler (32) in ein an das nicht feste Medium angrenzendes festes Medium (14), wie Erd- oder Meeresboden, eingebracht wird und daß der im nicht festen Medium (34) angeordnete Wandler (33) mit einer rundum empfindlichen Empfangscharakteristik versehen, als Mikrophon oder Hydrophon ausgebildet, und der im festen Medium (14) angeordnete Wandler (32) mit einer Dipolcharakteristik versehen als Geophon ausgebildet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Peilung ein weiterer elektroakustischer Wandler (18) mit Dipolcharakteristik im festen Medium deart angeordnet wird, daß er mit einem dort vorhandenen Wandler (17) mit Dipolcharakteristik, im wesentlichen in einer horizontalen Ebene und rechtwinklig zu diesem liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine identisch ausgebildete weitere Meßstelle (12′) im Abstand von der ersten Meßstelle (12) vorgesehen wird und daß mit den an der weiteren Meßstelle (12′) bestimmten Frequenzen (f₁, f₂) der Frequenzspektren der von den Wandlern (16′, 17′) empfangenen Signale die Ausbreitungsgeschwindigkeiten (c₁, c₂) der erfaßten Schallwellen ermittelt werden.