DE3215479C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Bestimmen von Zeitspannen, welche ein Fahrzeug benötigt, um den Weg zwischen dem Meßort und seiner augenblicklichen Position zurückzulegen, wobei das Fahrzeug selbstgenerierte Wellen­ energie abstrahlt.

Bei der Überwachung von Luft- und Wasserstraßen, beim Küstenschutz oder bei der Zielverfolgung ist es bei­ spielsweise von Interesse, die Zeitspanne zu kennen, die noch vergehen wird, bis ein Fahrzeug bei einem Überlauf einen bestimmten Ort erreichen wird oder wann das Fahrzeug bei einem Vorbeilauf diesem Ort am dichtesten sein wird und ihn im Querabstand passieren wird. Abhängig von dieser Zeitspanne können taktische Maßnahmen, z. B. Zünden einer Mine, oder Warnungen z. B. vor unter Wasser befindlichen Hindernissen, wie Wracks, eingeleitet werden.

Eine Anordnung zum Messen der Zeitspanne, die ein Maß für einen Abstand zwischen einem Flugkörper und sei­ nem Ziel angibt und zum Auslösen eines Annäherungszünd­ ders dient, ist beispielsweise in der deutschen Patent­ schrift 12 51 828 beschrieben. Am Ziel als Meßort be­ finden sich ein Sender zum Abstrahlen von elektroma­ gnetischen Wellen mit zwei unterschiedlichen Sendefre­ quenzen und ein Empfänger zum Empfang der vom sich nähernden Flugkörper reflektierten Empfangssignale und zum Auswerten von Dopplerfrequenzanteilen der Empfangssignale durch Phasenvergleich. Die Sendefrequenzen sind so ausgewählt, daß bei Annäherung des Flugkör­ pers zu bestimmten Zeiten die Phasenverschiebungen der Dopplerfrequenzanteile gleich Null sind. Diese Zeiten entsprechen Abständen, die Vielfache der Wellenlänge der Sendefrequenzen sind. Zur Abwehr des Flugkörpers wird beispielsweise zum Zeitpunkt der größten Annäherung am Ziel ein Zündbefehl gegeben. Die größte An­ näherung ist bei einem Anlaufen der Zeitpunkt des Über­ laufs, bei einem Vorbeilauf der Zeitpunkt des Errei­ chens des Querabstands. Befindet sich die Anordnung zum Messen der Zeitspanne nicht am Ziel, sondern auf dem Flugkörper, so dient sie dem Feststellen des Zünd­ zeitpunkts bei Angriff auf das Ziel.

Der Nachteil einer solchen Anordnung liegt insbesondere darin, daß für die Messung am Meßort Sendeenergie ab­ gestrahlt und aus reflektierten Empfangssignalen die Zeitspanne ermittelt wird, so daß der Meßort selbst leicht durch andere Verfahren erkannt, geortet und vernichtet werden kann.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem für die Messung nur die vom Fahrzeug selbst generier­ te oder betriebsbedingt abgestrahlte Wellenenergie am Meßort ausgewertet wird, d. h. ohne Verwendung von Sen­ deenergie vom Meßort aus, so daß ein Eigenverrat bei der Messung auszuschließen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil der Ansprüche 1 bis 5 gelöst. Die Erfindung geht da­ bei von den physikalischen Gesetzen der Ausbreitung von Wellenenergie in einem Übertragungsmedium mit Dis­ persionseigenschaften aus. In aller Regel besteht ein solches Übertragungsmedium aus einzelnen Schichten mit unterschiedlichen Übertragungseigenschaften für die vom Fahrzeug abgestrahlte Wellenenergie. In einer der Schichten wird ein Wandler installiert, der die vom Fahrzeug abgestrahlte Wellenenergie in elektrische Empfangssignale umwandelt. Soll das erfindungsgemäße Verfahren in der Luftfahrt zum Bestimmen der Zeit­ spanne eines sich dem Meßort nähernden Flugkörpers oder auf dem Land zum Bestimmen der Zeitspanne eines sich dem Meßort nähernden Landfahrzeugs, z. B. Pan­ zers, eingesetzt werden, so wird als Wandler ein Mi­ krophon in Schichtungen der Atmosphäre oder ein Geo­ phon in Bodenschichten eingesetzt, der die aufgrund des Fahrgeräusches in die Übertragungsschicht abgestrahlte Wellenenergie am Meßort in elektrische Empfangssignale umwandelt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann eben­ falls eingesetzt werden, wenn das Fahrzeug elektroma­ gnetische Wellen, z. B. Licht, abstrahlt, das in eine Übertragungsschicht mit Dispersionseigenschaften, z. B. Eisschichten, eindringt und sich dort ausbreitet.

Ein Beispiel für einen Anwendungsfall des erfindungsge­ mäßen Verfahrens besteht darin, die Zeitspanne bei ei­ nem Überlauf oder einem Vorbeilauf eines Wasserfahr­ zeugs bezüglich des Meßorts zu bestimmen. Zur Messung wird ein Hydrophon in einer Schicht des Wassers verwen­ det. Im einfachsten Fall besteht das Meßgebiet, das ei­ ne Übertragungsschicht mit Dispersionseigenschaften auf­ weist, aus einem Flachwasser-Schallübertragungskanal, bei dem die Wasserschicht durch Luft- und Bodenschichten begrenzt wird und die Übertragungsschicht darstellt. Ebenso ist aber auch das Verfahren einzusetzen, wenn im Wasser mehrere Schichtungen mit unterschiedlichen Übertragungseigenschaften zu verzichten 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 be­ findlichen Geräuschquelle bei tiefen Frequenzen durch eine Überlagerung von Eigenwellen oder Moden beschrie­ ben werden kann. Anschaulich kann man sich ein solches physikalisches Modell der Ausbreitung von Schall so vorstellen, daß der Schall im Flachwasser-Schallaus­ breitungskanal, im folgenden Flachwasserkanal genannt, an der Wasseroberfläche total und am Boden teilweise reflektiert wird, so daß sich eine zickzackförmige Aus­ breitung ebener Wellenfronten über der Entfernung ein­ stellt. 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 Eigen­ welle hinzu. Der Winkel, unter dem die Wellenfront an der Wasseroberfläche bzw. am Grund reflektiert wird, wächst mit der Ordnungszahl der Eigenwellen. Die Wel­ lenfronten durchlaufen dann einen längeren Weg und stoßen häufiger an die Grenzschichten und erfahren dabei eine höhere Dämpfung.

Die Eigenwellen oder Moden stellen Lösungen einer par­ tiellen Wellengleichung für den Flachwasserkanal dar. Genauer gesagt, sind es die Eigenfunktionen des Flach­ wasserkanals in horizontaler Richtung. Die Eigenwellen sind Zylinderwellen, die sich konzentrisch von der Schallquelle wegbewegen. Sie weisen in Ausbreitungs­ richtung 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 verti­ kaler Richtung ist von der Ordnungszahl der Eigenwel­ le abhängig. An der Wasseroberfläche ist der Schall­ druck gleich Null, am Boden weist er eine endliche Größe auf, die Anzahl der dazwischen liegenden Null­ stellen wird durch die Ordnungszahl bestimmt.

Durch Überlagerung mehrerer Eigenwellen entsteht im Flachwasserkanal ein Interferenzfeld. Dieses Inter­ ferenzfeld baut sich um die Schallquelle auf. In ra­ dialer Richtung zur Schallquelle sind räumliche Ampli­ tudenschwankungen zu verzeichnen. Den Abstand zwischen z. B. gleichen Extremwerten nennt man Interferenzwel­ lenlänge. Diese Interferenzwellenlänge ist allein ab­ hängig 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 ei­ nem breiten Frequenzbereich abgestrahlt und aufgrund der sich ausbildenden Eigenwellen entsteht im Flach­ wasserkanal ein Interferenzfeld. Dieses Interferenz­ feld ist mit dem Wasserfahrzeug als Schallquelle ver­ bunden.

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 Übertragungseigen­ schaften eines Flachwasserkanals untersucht werden. Von einem ortsfesten Hydrophon wird ein breitbandi­ ges Geräusch einer Schallquelle empfangen. Die Schall­ quelle bewegt sich dabei mit konstanter Geschwindig­ keit und radialem, geradlinigem Kurs zunächst auf das Hydrophon zu und anschließend von ihm fort. Von dem Geräusch werden nacheinander je Zeiteinheit Spektro­ gramme berechnet. Die Intensitäten dieser Spektro­ gramme werden als Funktion der Frequenz spaltenweise in Grautonschrift dargestellt. In jede Spalte, die dem jeweiligen Abstand zwischen Hydrophon und Schall­ quelle zugeordnet ist, wird ein Spektrogramm einge­ tragen. Es ergibt sich ein Intensitätsmuster, das fächerförmig zum Hydrophonort hinläuft. Dieser Grau­ tonschrieb spiegelt das Interferenzfeld wieder, das die Schallwellen des abgestrahlten Geräusches aufgrund der Ausbreitung von Eigenwellen oder Moden hervorrufen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung von Zeitspannen, die bei einem Überlauf bzw. Vorbeilauf des Fahrzeugs bis zur Annäherung an den Meßort ver­ gehen werden, werden aus dem zeitlichen Verlauf der Empfangssignale des Wandlers über einen mehrere Zeit­ einheiten umfassenden Zeitraum Spektren zweidimensional nach Zeit und Frequenz abgespeichert. Die Spektren sind z. B. spektrale Leistungen der Emp­ fangssignale, die beispielsweise als Intensitätsschrieb über der Frequenz abgespeichert werden. Die einzelnen Intensitätsschriebe werden ihrem Meß­ zeitpunkt zugeordnet. Als Intensitätsschrieb kann ein Grautonbild erzeugt werden. Die abgespeicherten Spektrogramme bilden eine zweidimensionale Spektralverteilung, im folgenden Intensi­ tätsmuster genannt, innerhalb eines Frequenz-Zeit-Koordinatensy­ stems, dessen eine Achse der Frequenz und dessen andere Achse einer Zeitbasis zugeordnet ist, die in Zeit­ einheiten geteilt ist.

Aus diesem Intensitätsmuster wird innerhalb eines vor­ gebbaren Frequenzintervall ein Ausschnitt ausgewählt, der sich über ein Zeitintervall von einer vorgebbaren Anzahl von Zeiteinheiten erstreckt. Innerhalb des Ausschnitts werden aus benachbarten Intensitäten gleicher Stärke Linien erzeugt, die im folgenden als Interferenzlinien bespannt sind. Sie sind frequenzabhängig. Diese Interferenzli­ nien sind bei einem Überlauf nahezu Geraden, die fächer­ förmig durch den Ausschnitt verlaufen, der Ursprung des Fächers ist dem Meßort zuzuordnen. Bei einem Vor­ beilauf ist eine hyperbelartige Struktur zu erkennen, deren Scheitelpunkte die größte Annäherung an den Meß­ ort kennzeichnen. Erfindungsgemäß wird die frequenz­ mäßige Änderung mindestens einer Interferenzlinie an mindestens einem Auswerte-Punkt im Ausschnitt bestimmt.

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Wasserschalltechnik wird mit dem Hydrophon ein In­ terferenzfeld, das vom Fahrgeräusch des Wasserfahrzeugs hervorgerufen wird, gemessen. Ruht das Wasserfahrzeug, so empfängt das Hydrophon je Frequenz einen bestimmten Pegel und es entsteht ein Streifenmuster längs den ein­ zelnen Frequenzspuren. Fährt das Wasserfahrzeug, so ver­ ändert sich dieser Pegel über der Zeit. Das Interferenz­ feld ist mit dem Wasserfahrzeug gekoppelt und wird so­ zusagen mit der Annäherungsgeschwindigkeit über das Hydrophon gezogen.

Die Steigung der Interferenzlinien ist abhängig von der Annäherungsgeschwindigkeit und um so größer, je langsamer das Fahrzeug fährt. Bei ruhendem Fahrzeug sind die Interferenzlinien Geraden, die im Frequenz- Zeit-Koordinatensystem des Intensitätsmusters längs den Frequenzspuren parallel zur Zeitachse verlaufen und eine Steigung von "unendlich" aufweisen. Nähert sich das Fahrzeug dem Meßort mit großer Annäherungs­ geschwindigkeit, so sind die Steigungen der Interfe­ renzlinien geringer, als wenn sich das Fahrzeug vom gleichen Ort mit niedrigerer Annäherungsgeschwindig­ keit dem Meßort nähern würde. Die Zeitspanne, die noch vergehen wird, bis das Fahrzeug den Meßort er­ reicht hat, verhält sich so wie die Steigerungen der Interferenzlinien. Bei bekannter Annäherungsgeschwindig­ keit gibt die ermittelte Zeitspanne unmittelbar die Entfernung zwischen Fahrzeug und Meßort an.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß am Intensitätsmuster unmittelbar mit der Detektierbarkeit der vom Fahrzeug generierten und abgestrahlten Wellenenergie auch die Zeitspanne bis zur Annäherung an den Meßort bestimmt werden kann und fer­ ner das Messen von Zeitspannen während eines Bewegungs­ vorgangs des Fahrzeugs ohne Eigenverrat möglich ist, so daß das Fahrzeug die Messung nicht durch an Bord befindlichen Meßanlagen wahrnehmen kann. Ein Verrat durch eigene Sendeenergie ist nicht gegeben, die Mes­ sung erfolgt ohne auffälliges Manövrieren von einem ruhenden Meßort aus, an dem nur ein einziger Wandler und eine zugehörige Auswertungseinrichtung für die Emp­ fangssignale vorzusehen sind. Umfangsreiche Vermessungs­ arbeiten sind überflüssig, weil nur das Bewertungsver­ halten des Fahrzeugs bezüglich dieses Meßorts interes­ siert.

Zur Bestimmung der Zeitspanne wird die die Steigung der Interferenzlinie im Auswerte-Punkt approximierende Gerade mit einer zwei­ ten Geraden zum Schnitt gebracht, die im Frequenz- Zeit-Koordinatensystem parallel zur Zeitachse verläuft und die Frequenzachse bei dem -0,1fachen Wert der Frequenz am Auswerte-Punkt schneidet. Diese Frequenz ist vorzugsweise die Mittenfrequenz des Ausschnitts. Der Schnitt­ punkt dieser beiden Geraden im Frequenz-Zeit-Koordi­ natensystem und der Zeitpunkt des Auswerte-Punktes zu dem das Spektro­ gramm in der Mitte des Ausschnitts abgespeichert wur­ de, geben die Zeitspannen an. Dieses einfache geo­ metrische Verfahren ermöglicht eine schnelle Ermitt­ lung der Zeitspanne. Es ist mit einfachen rechner­ technischen Mitteln zu realisieren. Auch bei einem Anlauf, bei dem der Meßwert querab zum Kurs des Fahr­ zeugs liegt, erhält man richtige Meßergebnisse, so­ lange Meßort und Fahrzeug mindestens doppelt so weit voneinander entfernt sind, wie der Querabstand zum Kurs des Fahrzeugs. Wesentlich für die Meßgenauigkeit ist, daß die Annäherungsgeschwindigkeit und die Fahr­ zeuggeschwindigkeit annähernd gleich groß sind und die Interferenzlinien noch nahezu Geraden sind. Dies ist um so besser erreicht, wenn Meßort und Fahrzeug weit voneinander entfernt sind. Für jeden Anwendungsfall ist das Bestimmen der Zeitspanne insbesondere dann von Interesse, wenn die Entfernung zwischen Meßort und Fahrzeug noch groß ist. Die Messung der Zeitspan­ ne wird erst ungenau, wenn die Steigung der Interfe­ renzlinie mit zunehmender Annäherung nicht mehr ab­ nimmt. Eine Approximation der Geraden an die Inter­ ferenzlinie führt in diesem Fall zu großen Abweichun­ gen, da die Interferenzlinie nunmehr einen hyperbel­ förmigen Verlauf angenommen hat. Befindet sich das Fahrzeug im Querabstand, so ist die Steigung der In­ terferenzlinie unendlich groß, da der Scheitelpunkt der hyperbelförmigen Interferenzlinie ereicht ist. Das Aussetzen des Bestimmens der Zeitspanne ist vor­ teilhafterweise der Form der Interferenzlinie im In­ terferenzmuster entnehmbar, so daß mit der Bestimmung selbst gleichzeitig auch eine Sicherheit über die Ge­ nauigkeit des Meßwerts ablesbar ist. Solange die In­ terferenzlinien im Ausschnitt nur wenig gekrümmt sind, ist das Bestimmen der Zeitspanne zuverlässig.

Nach dem erfindungs­ gemäßen Verfahren gemäß Anspruch 2 werden auf der Frequenzspur der Frequnez des Auswerte-Punktes zu zwei Zeitpunkten die Steigungen der dort befindlichen Interferenzli­ nien bestimmt. Diese Zeitpunkte können im selben Aus­ schnitt oder in unterschiedlichen Ausschnitten liegen. Die Zeitspanne ist dann gleich der zum ersten Zeitpunkt bestimmten Steigung multipliziert mit der Zeitdiffe­ renz zwischen den beiden Zeitpunkten und geteilt durch die Steigungsdifferenz der ermittelten Steigungen. Hier ist es möglich, mit nur zwei Steigungen und der zugehörigen Zeitdifferenz rechnerisch die Zeitspanne anzugeben, die die Annäherung an den Meßort kennzeich­ net.

Laufen die Messungen über eine längere Zeit, so werden dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Anspruch 3 die er­ mittelten Steigungen den Zeitpunkten zugeordnet in ei­ nem Zeit-Steigungsdiagramm als Meßpunkte aufgetragen. In diesem Diagramm wird nach dem Regressions­ verfahren eine Gerade durch die Meßpunkte gelegt, deren Schnittpunkt mit der Zeitachse zusammen mit dem Zeit­ punkt der zuletzt ermittelten Steigung die Zeitspanne angibt. Mit jeder nächsten Steigungsbestimmung ist un­ mittelbar die neue Zeitspanne abgebbar.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Anspruch 4 wird nur an einem einzigen Auswerts-Punkt, vorzugsweise in der Mitte des Ausschnitts, die Steigung der dort befindlichen Interferenzlinie bestimmt und mit einem Quotienten multipliziert. Der Quotient wird vor der Messung aus den Übertragungseigenschaften der Übertragungsschicht ermittelt. Die für die Übertragungsschicht charakteristischen Interferenzwellenlängen sind, wie oben ausgeführt, abhängig von der Frequenz der abgestrahlten Wellenenergie. Erfindungsgemäß wird die Interferenzwellenlänge bei der Frequenz des Auswerte-Punktes und die Ableitung der Interferenzwellenlänge nach der Frequenz bestimmt und der Quotient aus beiden gebildet. Dieser Quotient wird mit der am Auswerte-Punkt ermittelten Steigung der Interferenzlinie im Ausschnitt multipliziert und gibt unmittelbar die Zeitspanne an.

Die Interferenzwellenlänge und ihre Ableitung nach der Frequenz können bereits vor der Messung bestimmt werden, da die Interferenzwellenlänge auch für die Festlegung des Zeitintervalls gemäß Anspruch 7 ermittelt wird, so daß die Zeitspanne nach Ablauf des Zeitintervalls sofort aus der gemessenen einen Steigung ermittelt werden kann.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Anspruch 5 wird lediglich eine einzige Messung durchgeführt, nämlich die Steigung der Interferenzlinie am Auswerte-Punkt, der vorzugsweise bei der Mittenfrequenz im Ausschnitt liegt, und mit dem 1,1fachen Wert der Frequenz am Auswerte-Punkt multipliziert. Zahlreiche Versuche haben ergeben, daß der Quotient ungefähr gleich dem 1,1fachen Wert der Frequenz am Auswerte-Punkt ist. Es bedarf also auch nicht mehr der Kenntnis der Interferenzwellenlänge und ihrer frequenzmäßigen Ableitung, um die Zeitspanne festzustellen.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung gemäß den Merk­ malen des Anspruchs 6 wird der Frequenzbereich um eine Mittenfrequenz herum die gleich der Frequenz am Auswerte-Punkt ist, dadurch ausgewählt, daß längs je­ der 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 detektiren ist. Der Modulations­ grad wird beispielsweise dadurch bestimmt, daß die Abweichung der Intensität je Zeiteinheit auf jeder Frequenzspur von einem Mittelwert aller im Zeitintervall dort abgespeicherten Intensitäten festgestellt wird und die Abweichung auf den Mittelwert bezogen, quadriert und um die Zahl "1" vermindert wird. Die radizierte Differenz liefert dann den Modulationsgrad.

Gleiche Intensitäten mit gleichen Abständen längs ei­ ner Frequenzspur kennzeichnen Intensitätsmaxima und -minima und sind ein Maß für die Interferenzwellenlän­ ge. Wie eingangs dargestellt, bildet sich die fächer­ förmige Gestalt des abgespeicherten Intensitätsmusters während eines An- oder Ablaufs eines Wasserfahrzeugs über den Meßort bei radialem Kurs aus. Als radialer Kurs wird hier ein Kurs bezeichnet, der geradlinig ist und durch den Meßort verläuft. Hier ist der Mo­ dulationsgrad längs einer Frequenzspur der abgespei­ cherten Spektrogramme groß, wenn Eigenwellen im Über­ tragungsmedium entstanden sind. Durch Störungen bei der Ausbreitung der Eigenwellen kann aber bei einigen Frequenzen der Modulationsgrad stark zurückgehen, so daß keine durchgehende Interferenzlinie gefunden wer­ den kann. Deshalb bildet erfindungsgemäß ein zusammen­ hängender Bereich benachbarter Frequenzspuren den Frequenzbereich, für den der ermittelte Modulations­ grad über einer vorgebbaren Schwelle liegt.

Ist eine fächerförmige Struktur des Interferenzmusters erkennbar geworden, so ist sie ein sicheres Zeichen dafür, daß innerhalb des Meßgebietes eine detektier­ bare Schallquelle aufgetreten ist, also ein Fahrzeug in das Meßgebiet hineingefahren ist. Selbstverständlich ist eine umgehende Messung der Zeitspanne bis zur Annäherung des Fahrzeugs an den Meßort von Interesse. Die frequenzmäßige Änderung einer erkennbaren Inter­ ferenzlinie an einem Punkt des Frequenz-Zeit-Koordi­ natensystem des Interferenzmusters ist aber nur be­ stimmbar, wenn ein Teil der Interferenzlinie deutlich ausgeprägt ist. Der früheste Zeitpunkt zum Bestimmen der Zeitspanne ist dann gegeben, wenn das Zeitinter­ vall gemäß Anspruch 7 so gewählt ist, daß mindestens zwei Intensitätsmaxima auf der Frequenzspur der Mit­ tenfrequenz zu verzeichnen sind. Experimente in der Wasserschalltechnik haben gezeigt, daß ein Zeitinter­ vall von weniger als 200 sec ausreicht, um die erste Messung einer Zeitspanne vorzunehmen. Als Fre­ quenzbereich hat sich eine Bandbreite von 200 Hz um eine Mittenfrequenz von 300 Hz in einem Flachwasser­ gebiet mit einer Tiefe von ca. 40 Metern als vor­ teilhaft erwiesen.

Ein Beispiel verdeutlicht die Effizienz des erfindungs­ gemäßen Verfahrens:

Wenn ein Wasserfahrzeug beispielsweise 15 Knoten fährt, ist davon auszugehen, daß es in einer Entfernung von mehr als 10 km schon detektierbar ist. Nach ca. 3 Mi­ nuten wird dann am Meßort festgestellt, daß das Fahr­ zeug eine Zeitspanne von ca. 20 Minuten benötigen wird, bis es bei konstanter Geschwindigkeit den Meßort er­ reicht hat. Während der gesamten Annäherungsphase ist zur weiteren Beobachtung des Fahrzeugs kontinuierlich die verbleibende Zeitspanne mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelbar.

Besonders zweckmäßig ist es, zum Bestimmen der fre­ quenzmäßigen Änderung gemäß Anspruch 9 nur Interfe­ renzlinien zu benutzen, die durch Intensitätsmaxima und-minima gebildet werden, da diese Interferenz­ linien am einfachsten innerhalb des Ausschnitts auf­ zufinden sind, und gemäß Anspruch 10 die Interferenz­ linie auszuwählen, die durch die Mitte des Ausschnitts verläuft, da diese Interferenzlinie am längsten ist.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 11 wird die frequenz­ mäßige Änderung der Interferenzlinie dadurch gewon­ nen, daß die Interferenzlinie durch eine Gerade approxi­ miert wird und die Steigung der Geraden die frequenz­ mäßige Änderung angibt.

Die Approximation ist gemäß Anspruch 12 dann erreicht, wenn die Gerade die Inter­ ferenzlinie im Ausschnitt nicht mehr schneidet, wenn also keine Intensitätsmaxima bzw. -minima mehr auf der Geraden festgestellt werden und somit die Gerade die Interferenzlinie tangiert.

Ebenfalls ist es möglich, zur Approxidation gemäß An­ spruch 13 die Abweichungen der Geraden von der Inter­ ferenzlinie festzustellen, die gemäß Anspruch 14 Ab­ stände im Frequenz-Zeit-Koordinatensystem des Inter­ ferenzmusters zwischen Gerade und Interferenzlinie sind, und die Gerade so lange innerhalb des Ausschnitts zu verschieben bis diese Abstände ein Minimum sind. Diese Methode läßt sich besonders einfach mit Mitteln der Rechnertechnik durch Regressionsrechnung realisieren.

Zur Bestimmung der Steigung der Interferenzlinie inner­ halb des Frequenz-Zeit-Koordinatensystems des Intensi­ tätsmusters wird nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 15 eine Gerade beliebig im Ausschnitt angeordnet und längs dieser Geraden die Intensitäten gemessen. Zur Approxi­ mation wird die Gerade so lange in Zeit- und Frequenz­ richtung verschoben, bis die gemessenen Intensitäten alle gleich sind. Dann approximiert die Gerade eine Intensitätslinie. Soll die Gerade eine aus Intensi­ tätsmaxima gebildete Interferenzlinie approximieren, so muß sie so lange verschoben werden, bis die Inten­ sitäten alle gleich groß sind und Maximalwerte inner­ halb des Ausschnitts aufweisen. Dadurch ist gewähr­ leistet, daß die längs der Geraden gemessenen Inten­ sitäten auch tatsächlich zu ein und derselben Inter­ ferenzlinie gehören, da sie sämtlich benachbart zuein­ ander sind und eine kontinuierliche Linie bilden. Zur Erläuterung dieses Verfahrens stelle man sich ein drei­ dimensionales Koordinantensystem vor, mit einer Fre­ quenzachse, einer Zeitachse und senkrecht zu dieser Ebene einer Intensitätsachse. Die Intensitäten werden dann als Relief über der Frequenz-Zeit-Ebene darge­ stellt. Interferenzlinien sind in diesem Relief Höhen­ linien. Durch die Gerade wird ein Schnitt durch das Höhenprofil gelegt. Wenn sämtliche Intensitäten längs der Geraden gleich sind, liegt die Gerade auf einer Höhenlinie und approximiert eine Interferenzlinie. Wenn sämtliche Intensitäten längs der Geraden Maxi­ malwerte sind, liegt die Gerade auf einem Höhenrücken. Die Interferenzlinien sind bei einem Überlauf bis zum Erreichen des Meßorts annähernd Geraden, so daß eine Verlängerung der Geraden im Ausschnitt bis zu einem Zeitpunkt des Frequenz-Zeit-Koordinatensystems, der das Erreichen des Meßorts angibt, statthaft ist. Die Interferenzlinien weisen beim anschließenden Ablauf umgekehrte Steigung und spiegelsymmetrischen Verlauf zur Frequenzachse auf.

Eine Möglichkeit zur Berechnung der Approximation gibt eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 16 an. Es werden längs der Geraden die Intensitäten gemessen und ihr Mittelwert gebildet. Außerdem werden die einzelnen Intensitäten quadriert, die Summe der quadrierten Intensitäten gebildet und durch die Anzahl der längs der Geraden im Ausschnitt gemessenen Intensitäten geteilt. Es wird die Differenz aus diesem Ergebnis und dem Mittelwert ermittelt, radiziert und durch den Mit­ telwert geteilt. Diese Rechenoperation liefert die relative Standardabweichung der Intensitäten längs einer Geraden von ihrem Mittelwert. Die Geraden appro­ ximiert die Interferenzlinie um so genauer je klei­ ner die relative Standardabweichung ist.

Diese Berechnungsmethode wird auch auf anderen Ge­ bieten der Physik zur Auswertung von Meßdaten ange­ wendet, so daß eine rechnertechnische Realisierung keine besonderen Schwierigkeiten mit sich bringt.

Die in Anspruch 17 angegebenen Weiterbildung des er­ findungsgemäßen Verfahrens dient zur Erhöhung der Meßsicherheit. Es wird in einem Frequenz-Zeit-Koor­ dinatensystem ein Muster aus einem Büschel von Ge­ raden erstellt, die sich sämtlich beim -0,1fachen Wert der durch den Ausschnitt festgelegten Mitten­ frequenz schneiden und bei der Mittenfrequenz äqui­ distante Abstände zueinander aufweisen. Dieses Muster und das Intensitätsmuster im Ausschnitt werden mitein­ ander zur Deckung gebracht, indem sie gegeneinander längs der Zeitbasis verschoben werden. Nur bei ei­ nem einzigen Zeitpunkt wird eine Deckung zwischen den Intensitätslinien im Ausschnitt und den Geraden des Büschels festgestellt werden. In diesem Zeitpunkt approximieren die Geraden die Interferenzlinien inner­ halb des Ausschnitts am besten. Die Differenz zwischen diesem Zeitpunkt und dem Zeitpunkt, zu dem das Spek­ trogramm in der Mitte des Ausschnitts abgespeichert wurde, gibt die Zeitspanne an. Eine weitere Schätz­ sicherheit wird gemäß Anspruch 18 dann erreicht, wenn längs jeder dieser Geraden der Mittelwert der Inten­ sitäten gebildet wird. Diese Mittelwerte werden über der Zeitbasis aufgetragen. Die Zeitspanne wird um so genauer bestimmt, je größer die Welligkeit dieser Mit­ telwerte um einen gemeinsamen Wert ist. Diese Wellig­ keit kann man dadurch feststellen, daß man beispiels­ weise einen Modulationsgrad der Mittelwerte ermittelt.

Zusammenfassend ist zu bemerken, daß die erfindungsgemäßen Verfahren unabhängig von der Entfernung zwischen Meßort und bewegtem Fahrzeug stets Zeitspannen liefert, die noch vergehen werden, bis das Fahrzeug den Meßort erreichen wird, oder nach Verlassen des Meßorts vergangen sind. Diese Verfahren arbeiten zuverlässig, solange Interferenzlinien detektierbar sind, die bei Überläufen über den Meßort nahezu ge­ radlinig sind und bei Vorbeiläufen erst unmittelbar vor Erreichen des Querabstands stark gekrümmt sind, so daß dann eine Approximation durch eine Gerade zu Fehlern führt. Mit den erfindungsgemäßen Verfahren werden die Interferenzlinien durch Geraden ersetzt und die Steigung dieser Geraden dazu verwendet, die Zeitspanne zu ermitteln. Eine Messung von Zeitspan­ nen ist immer dann möglich, wenn das Fahrzeug eine radiale Geschwindigkeitskomponente zum Meßort auf­ weist, die bei einem Überlauf gleich der Fahrzeug­ geschwindigkeit ist. Bei einem Überlauf ist diese Zeitspanne bis zum Erreichen des Meßorts angebbar, bei einem Vorbeilauf nur so lange, wie die Annähe­ rungsgeschwindigkeit noch ungefähr gleich der Fahr­ zeuggeschwindigkeit ist, oder bis die Geschwindigkeit zu gering ist und nur nahezu senkrechte Streifen als Interferenzlinien zu verzeichnen sind, die auf den Frequenzspuren verlaufen. Da an der Struktur des In­ tensitätsmusters aber auch die Meßbarkeit erkennbar ist, ist über jede Angabe einer Zeitspanne auch deren Genauigkeit einkalkulierbar. Die Ermittlung ist exakt, wenn eine gute Approximation der Interferenzlinien durch die Geraden erreicht wird.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Verfahren ist hier vorzugsweise für die Anwendung in der Wasserschall­ technik beschrieben. In gleicher Weise ist die Über­ wachung von Landgebieten oder Lufträumen möglich, näm­ lich überall dort, wo Schallwellen des Fahrgeräusches in Boden- oder Luftschichten mit Dispersionseigenschaften eindringen und sich Eigenwellen ausbilden.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher be­ schrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild für das Ver­ fahren zum Bestimmen von Zeit­ spannen,

Fig. 2 ein Intensitätsmuster, das bei einem Überlauf aufgezeichnet wurde,

Fig. 3 ein Intensitätsmuster, das bei einem Vorbeilauf aufgezeichnet wurde,

Fig. 4 eine Prinzipskizze zur Approximation von Interferenzlinien,

Fig. 5 ein Zeit-Steigungs-Diagramm,

Fig. 6 eine Modifizierung des Blockschalt­ bildes gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild für eine Anordnung, mit der Zeitspannen bestimmt werden, die bei einem Anlauf eines Fahrzeugs zu einem Meßort vergehen wer­ den, bis das Fahrzeug den Meßort erreicht, bzw. bei einem Ablauf vergangen sind, seitdem das Fahrzeug den Meßort verlassen hat. Innerhalb eines Meßgebiets wird ein Wandler 1 in einer Schicht mit Dispersionseigen­ schaften angeordnet. Empfangssignale des Wandlers 1 werden in einen Speicher 2 eingespeichert. Der zeit­ liche Verlauf des Empfangssignals innerhalb einer Zeiteinheit T wird in einer nachgeschalteten Rechen­ schaltung 3 einer Frequenzanalyse unterzogen. Die Rechenschaltung 3 arbeitet beispielsweise nach dem Algorithmus der Fast-Fourier-Transformation. Am Aus­ gang der Rechenschaltung 3 stehen je Zeiteinheit T In­ tensitäten über der Frequenz an. Der Speicher 2 und die Rechenschaltung 3 werden von einem Taktgeber 4 für die Zeiteinheiten T angesteuert. Die Intensitäten über der Frequenz am Ausgang der Rechenschaltung 3 werden in eine Speicherschaltung 5 übernommen und dort zeilenweise je Zeiteinheit T abgespeichert. In der Speicherschaltung 5 bildet sich als Intensitätsmuster eine Spektralverteilung in Abhängigkeit von der Frequenz als Abszisse und von der Zeit als Ordinate aus. Dieses Intensitätsmuster weist eine Form auf, wie sie in Fig. 2 bzw. Fig. 3 als Schwarz-Weiß-Schrieb dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt eine Spektralverteilung als Intensitätsmuster bei einem Überlauf eines Fahrzeugs, d. h. das Fahrzeug weist einen radialen Kurs zum Meßort hin auf. Im Intensitätsmuster sind schräg verlaufenden Linien, im folgenden Interferenzlinien genannt erkennbar, die sich dadurch auszeichnen, daß sie benachbarte Inten­ sitäten gleicher Stärke aufweisen. Die Interferenz­ linien sind nahezu Geraden, die vorhandene Krümmung der Interferenzlinie ist kaum wahrnehmbar.

Fig. 3 zeigt ein Intensitätsmuster, das vom Wandler 1 bei einem Vorbeilauf des Fahrzeugs am Meßort aufge­ nommen wurde. Die Interferenzlinien sind hier Hyper­ beln, deren Scheitelpunkte auf der Frequenzachse lie­ gen. Die Frequenzachse schneidet hier die Zeitachse zum Zeitpunkt t _CPA (CPA = closest point of approach) der größten Annäherung des Fahrzeugs an den Meßort. Auch hier ist erkennbar, daß die Interferenzlinien nahezu geradlinig sind. Sie sind weitgehend durch Gera­ den zu approxmieren. Erst in einem niedrigen Frequenz­ bereich und in einem Zeitraum um den Zeitursprung des Frequenz-Zeit-Koordinatensystems herum, der dem Meß­ ort zuzuordnen ist, nehmen die Interferenzlinien einen ausgeprägt hyperbelförmigen und stark gekrümmten Ver­ lauf an.

Bei einem praktischen Anwendungsfall muß man sich vor­ stellen, daß nur im unteren Bereich des Diagramms ge­ mäß Fig. 2 bzw. im oberen Bereich des Diagramms gemäß Fig. 3 ein Intensitätsmuster zur Verfügung steht, bei­ spielsweise innerhalb eines Zeitintervalls von 200 Se­ kunden. Bereits aus einem kleinen Ausschnitt des sich aufbauenden Intensitätsmusters kann die frequenzmäßige Änderung einer der sich ausprägenden Interferenzlinien bestimmt werden, aus der die Zeitspanne berechnet wird. Die durch die Mitte eines Ausschnitts mit einem Zeitin­ tervall Δ t=200 s und einem Frequenzintervall Δ f um eine Mittenfrequenz f₀ verlaufende Interferenzlinie soll für die Bestimmung ausgewählt werden.

In einer Zeitsteuerschaltung 6 in Fig. 1 wird das Zeit­ intervall Δ t=200 s vorgegeben, die mit der Speicher­ schaltung 5 verbunden ist. Das Zeitintervall Δ t ist so gewählt, daß mindestens zwei Intensitätsmaxima auf der Frequenzspur der Mittenfrequenz f₀ zu verzeichnen sind. In einer Frequenzsteuerschaltung 7 wird das Frequenzintervall oder der Frequenzbereich Δ f festgelegt, die auch die Speicherschaltung 5 ansteuert. Der Frequenzbereich Δ f mit der Mittenfre­ quenz f₀ wird in der Frequenzsteuerschaltung 7 so fest­ gelegt, daß der Modulationsgrad längs sämtlichen Fre­ quenzspuren innerhalb des Frequenzbereichs oberhalb einer vorgebbaren Schwelle liegt. Es wird ein Frequenz­ bereich von Δ f=200 Hz und eine Mittenfrequenz f₀=300 Hz in der Frequenzsteuerschaltung 7 eingestellt. Das Inten­ sitätsmuster in diesem Ausschnitt wird in einem der Speicherschaltung 5 nachgeordneten Approximationsrech­ ner 8 ausgewertet. Es werden innerhalb des Ausschnitts benachbarte Intensitäten gleicher Stärke aufgesucht, die die Interferenzlinien bilden. In enem Simulationsrech­ ner 9 wird in einem Frequenz-Zeit-Koordinatensystem eine Gerade simuliert. Diese Gerade wird im Approximations­ rechner 8 mit der durch die Mitte des Ausschnitts ver­ laufenden Interferenzlinie verglichen. Die Gerade im Simu­ lationsrechner 9 wird so lange in Zeit- und Frequenz­ richtung verschoben, bis Abweichung der Interferenz­ linie von der Geraden ein Minimum sind. Diese Abweichungen können Zeit- und Frequenzabweichun­ gen zwischen den Koordinaten der Interferenzlinie und denen der Gerade sein. Es ist aber ebenfalls möglich, im Approximationsrechner 8 nicht durch Regression zu approximieren, sondern durch Vergleich von Intensitäten, die im Interferenzmuster längs der Geraden auftreten. Die Gerade approximiert die Interferenzlinie, wenn sämtliche längs der Geraden gemessenen Intensitäten gleich groß sind und vor­ zugsweise Maximal- und Minimalwerte aufweisen.

Sind Gerade und Interferenzlinie zur Deckung gebracht, so gibt der Approximationsrechner 8 ein Freigabesi­ gnal an eine Ergebnisschaltung 10, die mit dem Simu­ lationsrechner 9 und der Zeitsteuerschaltung 6 ver­ bunden ist. Die Ergebnissschaltung 10 übernimmt aus dem Simulationsrechner 9 die Gerade im Frequenz-Zeit­ Koordinatensystem und bestimmt die Steigung =t₁′ dieser Geraden. Aus der Zeitsteuerschaltung 6 erhält sie den Zeitpunkt t₁, der in der Mitte des Zeitin­ tervall liegt, da im Approximationsrechner 8 die sich in der Mitte des Ausschnitts befindliche Inter­ ferenzlinie durch die Gerade approximiert wurde. Die­ ser Zeitpunkt t₁ und die Steigung =t₁′ der Geraden werden an eine Rechenstufe 11 geschaltet, die das Ergebnis abspeichert. Nun wird durch die Zeitsteuer­ schaltung 6 ein zweiter Ausschnitt in der Speicher­ schaltung 5 gebildet und erneut die in der Mitte die­ ses Ausschnitts befindliche Interferenzlinie im Ap­ proximationsrechner 8 durch eine im Simulationsrech­ ner 9 erzeugte Gerade t₂ approximiert, deren Stei­ gung t₂′ zusammen mit dem Zeitpunkt t₂ in der Mitte des zweiten Ausschnitts an die Rechenstufe 11 durch die Ergebnisschaltung 10 ausgegeben werden. In der Rechenstufe 11 wird die zuerst ermittelte Steigung t₁′ mit einem Quotienten aus der Differenz der beiden Zeitpunkte (t₂-t₁) geteilt durch die Differenz der beiden Steigungen (t₂′-t₁′) multipliziert. Es ergibt sich die Zeitspanne τ, die vergehen wird, bis das Fahrzeug den Meßort erreichen wird.

Ferner ist es zur Ermittlung der Zeitspanne τ mög­ lich, der Ergebnisschaltung 10 eine Speicherstufe 12 nachzuschalten, in der ein Diagramm von den den Zeit­ punkten t₁, t₂ . . . zugeordneten Steigungen t₁′, t₂′ er­ stellt wird. Die einzelnen Meßpunkte liegen auf einer Geraden, die in der Speicherstufe 12 durch Regressions­ rechnung ermittelt wird. Der Schnittpunkt dieser Gera­ den mit der Zeitachse kennzeichnet den Zeitpunkt, zu dem das Fahrzeug am Meßort sein wird. Die Zeitspanne τ ist gleich der Differnez des Zeitpunkts t _i, zu dem zuletzt die Steigung t _i′ ermittelt wurde, und des durch den Schnittpunkt mit der Zeitachse angegebenen Zeitpunkts.

Ferner ist es möglich, der Ergebnisschaltung 10 eine Auswertungsschaltung 13 nachzuschalten, die außerdem mit einer Quotientenstufe 14 verbunden ist. Die Quo­ tientenstufe liefert einen Quotienten aus Interfe­ renzwellenlänge X (f₀) von Interferenzen, die sich durch Eigenwellen der Mittenfrequenz f₀ ausprägen, und der Ableitung dieser Interferenzwellenlänge nach der Frequenz = X′ (f₀). Die Interferenzwellenlänge in Abhängigkeit von der Frequenz ist durch die Schicht mit Dispersionseigenschaften bestimmt und vor Meßbeginn bekannt. In der Auswertungsschaltung 13 wird die Steigung t₁′ der Interferenzlinie im Aus­ schnitt des Intensitätsmusters mit dem Quotienten multipliziert und dadurch die Zeitspanne

bestimmt.

Als vierte Möglichkeit zur Bestimmung der Zeitspanne τ wird der Ergebnisschaltung 10 eine Multiplikations­ schaltung 14 nachgeschaltet, die mit der Frequenz­ steuerschaltung 7 verbunden ist. Das Produkt aus Stei­ gung t₁′ multipliziert mit 1,1 mal Mittenfrequenz f₀ wird in der Multiplikationsschaltung 14 gebildet und liefert die Zeitspanne τ.

Fig. 4 dient der Verdeutlichung der Auswertung der Ausgangssignale der Ergebnisschaltung 10 in der Re­ chenstufe 11, der Auswertungsschaltung 13 und der Multiplikationsschaltung 14. In Fig. 4 ist ein Fre­ quenz-Zeit-Koordinatensystem angegeben, in das ein Büschel von Geraden G₁, G₂, . . ., G₅ eingezeichnet ist. Dieses Büschel von Geraden G hat seinen Ursprung bei einer negativen Frequenz -0,1 f₀, wobei f₀ die Mitten­ frequenz ist. Auf der Spur der Mittenfrequenz f₀ wei­ sen die Geraden zueinander gleiche Abstände in Zeit­ richtung auf. Wir betrachten einen Zeitraum von t₁ bis t₂. Im Approximationsrechner 8 hat sich ergeben, daß die Gerade G₁ die Interferenzlinie im betrachteten Ausschnitt gut approximiert. Es wird in der Ergebnis­ schaltung 10 die zugehörige Steigung t₁′ ermittelt und zusammen mit dem Zeitpunkt t₁ an die Rechenstufe 11 gegeben. Die zu ermittelnde Zeitspanne τ ist gleich t₁-t _CPA, wobei t _CPA den Zeitkoordinatenursprung kenn­ zeichnet und den Zeitpunkt angibt, an dem das Fahr­ zeug am Meßort ist. Die geometrische Beziehung für die Steigung t₁′ der Geraden G₁ ist aus dem Dreieck A B C abzulesen und ergibt sich zu

Die Zeitspanne ist also gleich

t₁-t _CPA = t₁′ · 1,1 · f₀.

Der gleiche Vorgang gilt für die Gerade G₅, die eine weitere Interferenzlinie bei der Mittenfrequenz f₀ und dem Zeitpunkt t₂ approximiert. Auch hier wird die Steigung t₂′ bestimmt und zusammen mit dem Zeitpunkt t₂ an die Rechenstufe 11 übermittelt. Die verbleibende Zeitspanne bis zum Erreichen des Meßorts ist durch fol­ gende Gleichung charakterisiert:

t₂-t _CPA = t₂′ · 1,1 · f₀.

Löst man die Gleichung der Geraden G₁ nach t _CPA auf und setzt sie in die Gleichung für die Gerade G₅ ein, so erhält man

1,1 · f₀ · t₂′ = t₂-t₁ + t₁′ · 1,1 · f₀

Löst man diese Geraden nach 1,1 · f₀ auf, so erhält man

Setzt man dieses Ergebnis in die Gleichung für die Gerade G₁ ein, so erhält man die Zeitspanne

Diese Rechnung wird in der Rechenstufe 11 vorgenommen.

Aus der graphischen Darstellung in Fig. 4 wurden die einzelnen Steigerungen der Geraden G₁, G₂, G₃, G₄ und G₅ ermittelt und in einem Zeit-Steigungs-Diagramm in Fig. 5 den Zeitpunkten t₁ bis t₂ zugeordnet aufgetra­ gen. Man sieht, daß die einzelnen Meßpunkte auf einer Geraden liegen, die die Zeitachse schneidet. Der Schnittpunkt mit der Zeitachse kennzeichnet den Zeit­ punkt, an dem das Fahrzeug den Meßort erreicht hat. Aus der Geraden und dem zuletzt betrachteten Zeitpunkt ergibt sich dann die Zeitspanne τ.

Im folgenden sollen die Überlegungen, die zur Berech­ nung der Zeitspanne τ in der Auswertungsschaltung 13 geführt haben, erläutert werden. Wird betrachten wieder Fig. 4. Bei unseren Überlegungen gehen wir davon aus, daß sich das Fahrzeug auf einem radialen Kurs mit kon­ stanter Annäherungsgeschwindigkeit V _r dem Meßort nähert. Bei der Konstruktion der Geraden ist von diesem Bewe­ gungsfall des Fahrzeugs ausgegangen. Bewegt man sich auf der Frequenzspur der Mittenfrequenz f₀, so sind die Abstände zwischen den einzelnen Geraden G₁, . . ., G₅ durch die Interferenzwellenlänge X (f₀) bestimmt und abhängig von der Annäherungsgeschwindigkeit V _r des Fahrzeugs. Die Abstände sind um so klei­ ner je größer die Annäherungsgeschwindigkeit V _r ist. Betrachtet man ein Intensitätsmaximum auf der Gera­ den G₁ zum Zeitpunkt t₁ bei der Mittenfrequenz, f₀, so kann man sagen, daß in der Zeitspanne τ=t₁-t _CPA k Intensitätsmaxima im Abstand auftreten.

Auf der Frequenzspur f sind ebenfalls k Intensitäts­ maxima bis zu der Geraden G₁ zu ermitteln. Das k-te Intensitätsmaximumn liegt auf der Geraden G₁ bei einer Zeit t vor, die Abstände zwischen den Intensi­ tätsmaxima betragen Die Zeitspannen bis zum Erreichen des Meßorts lauten

Die Gleichung für t₁ wird nach k aufgelöst und in die Gleichung für t-t _CPA eingesetzt. Es ergibt sich:

Differenziert man diese Gleichung nach der Frequenz f, so erhält man die Steigung der Geraden G₁:

Löst man diese Gleichung nach

τ = t₁-t _CPA

auf, so erhält man für die Stelle der Mittenfrequenz f₀

Diese Gleichung weist nur meßbare Größen auf und wird in der Auswertungsschaltung 13 realisiert. Zahlreiche Versuche haben ergeben, daß der Quotient unab­ hängig von der Tiefe der Übertragungsschicht stets ungefähr gleich 1,1 · f₀ ist, obwohl die Interferenzwel­ lenlänge selbst von der Tiefe sehr stark beeinflußt wird, wobei die Tiefe die Ausdehnung der Übertragungs­ schicht zwischen ihren Grenzschichten angibt.

Das Blockschaltbild gemäß Fig. 6 zeigt die gleichen Bausteine 1 bis 9, die bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert wurden. Der Approximationsrechner 8 enthält hier zur Ermittlung der Approximation einer Interferenzlinie im Ausschnitt des Intensitätsmusters und einer im Simulationsrechner 9 erstellten Geraden einen Mittelwertbildner 20, in dem die Intensitäten I _i längs der Geraden aufsummiert und durch ihre Anzahl N geteilt werden

In einem Quadrierer 21 werden die einzelnen Intensitäten I _i längs der Geraden quadriert und in einem nachgeschalteten Summierer 22 addiert und durch die Anzahl N geteilt. Man erhält einen quadrierten Mittelwert

Dem Mittelwertbildner 20 und Summierer 22 ist eine Rechnerschaltung 23 nachgeordnet, in der die relative Standardabweichung

der Intensitäten I _i längs der Geraden von ihrem Mittelwert ausgerechnet wird und deren Ausgang mit einer Kontrollschaltung 24 für das Freigabesignal des Approximationsrechners 8 verbunden ist. Die Kontrollschaltung 24 gibt ein Frei­ gabesignal ab, wenn die relative Standardabweichung möglichst klein ist und kleiner als ein vorgebbarer Wert, da dann die Intensitäten längs der Geraden nahe­ zu gleich sind und die Gerade die Interferenzlinie ap­ proximiert.

Die im Simulationsrechner 9 in Zusammenarbeit mit dem Approximationsrechner 8 ermittelte Gerade, die die In­ terferenzlinie in der Mitte des Ausschnitts approxi­ miert, wird anschließend im Simulationsrechner 9 mit einer Geraden zum Schnitt gebracht, die parallel zur Zeitachse verläuft und einen Abstand zur Mittenfre­ quenz f₀ aufweist, der gleich dem 1,1fachen Wert der Mittenfrequenz ist und bei einer negativen Frequenz­ spur von -0,1 f₀ verläuft. Der Schnittpunkt der beiden Geraden kennzeichnet einen Zeitpunkt t*, der über eine Torschaltung 25, die dem Approximationsrechner 8 nach­ geschaltet ist, an eine Differenzschaltung 26 durch­ geschaltet wird, wenn das Freigabesignal erscheint. In der Differenzschaltung 26, die mit dem Ausgang der Zeit-Steuerschaltung 6 für den Zeitpunkt t₀ in der Mitte des Zeitintervalls Δ t verbunden ist, wird die Differenz aus festgestelltem Zeitpunkt t* und Zeit­ punkt t₀ in der Mitte des Zeitintervalls Δ t gebildet, die die Zeitspanne τ angibt.

Zur Erhöhung der Meßsicherheit wird im Simulations­ rechner 9 ein Büschel von Geraden erstellt, die alle einen gemeinsamen Ursprung im Frequenz-Zeit-Koordi­ natensystem haben. Dieses Büschel von Geraden weist bei der Frequenzspur der Mittenfrequenz f₀ gleiche Abstände in Zeitrichtung auf, der Ursprung liegt auf einer Geraden auf der negativen Frequenzspur von -0,1 f₀. Dieses Büschel von Geraden soll mit den Interferenzlinien im Ausschnitt im Approximations­ rechner 8 zur Deckung gebracht werden. Dazu wird der Ursprung des Büschels auf der Geraden -0,1 · f₀ so lange verschoben, bis die Geraden die Interfe­ renzlinien approximieren. Dann gibt der Approxima­ tionsrechner 8 über die Kontrollschaltung 24 ein Freigabesignal an die Torschaltung 25 und der Simu­ lationsrechner 9 schaltet den Zeitpunkt t* des Schnitt­ punkts zwischen dem Büschel von Geraden und der Ge­ raden -0,1 f₀ an die Differenzschaltung 26 durch. In Fig. 2 ist ein solches Büschel von Geraden, das die Interferenzlinien im Ausschnitt approximiert, einge­ zeichnet. Der Schnittpunkt P auf der Geraden -0,1 f₀ gibt den Zeitpunkt t _CPA an, zu dem das Fahrzeug den Meßort erreichen wird.

Im Approximationsrechner 8 ist dem Mittelwertbild­ ner 20, in dem die Intensitäten längs jeder Geraden aufsummiert und durch die Anzahl geteilt werden, ein Mittelwertrechner 27 nachgeordnet. Dort werden die einzelnen Mittelwerte den Zeitpunkten , bei denen die Geraden die Frequenzspur der Mittenfrequenz f₀ schnei­ den, zugeordnet und als Mittelwert-Zeitfunktion der­ art ausgewertet, daß die Welligkeit der Mittelwerte um einen gemeinsamen Wert festgestellt wird. Es er­ gibt sich in dem Mittelwertrechner 27 ein zeitlicher Verlauf der Mittelwerte, der sinusförmig ist. Die Hübe der Mittelwerte um den gemeinsamen Wert sind um so größer, je besser die Geraden die Interferenz­ linien approximieren, sie sind beispielsweise durch Ermittlung eines Modulationsgrades dieser Mittelwert- Zeitfunktion berechenbar. Der Modulationsgrad liefert über die Kontrollschaltung 24 das Freigabesignal, wenn er über einer vorgebbaren Schwelle liegt.

Claims (18)

1. Verfahren zum Bestimmen der Zeitspanne, welche ein Fahrzeug benötigt, um den Weg zwischen dem Meßort und seiner augenblicklichen Position zurückzulegen, 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 ein Wandler zum Empfangen der ausgestrahlten Wellen angeordnet ist, welcher hieraus ein Empfangssignal erzeugt,
- 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 dieser Spektralverteilung ein Ausschnitt ausgewählt wird, welcher durch ein vorgegebenes, mehrere Zeitpunkte umfassendes Zeitintervall und ein vorgegebenes Frequenzintervall definiert ist,
- daß innerhalb des Ausschnittes der Spektralverteilung Linien gleicher Intensität erzeugt werden, indem die Punkte gleicher Intensität aufgesucht und miteinander verbunden werden,
- daß in einem im Frequenz-Zeit-Koordinatensystem vorgegebenen, auf der Linie gleicher Intensität liegenden Auswerte-Punkt die Steigung der Linie ermittelt wird,
- daß der Schnittpunkt zwischen der Geraden, welche mit der ermittelten Steigung durch den Auswerte-Punkt verläuft und einer weiteren Geraden, welche im Frequenz- Zeitkoordinatensystem parallel zu der Zeitkoordinate und von dieser um den -0,1fachen Wert der Frequenz beabstandet ist, welche dem Auswerte-Punkt zugeordnet ist, und
- daß die Differenz aus dem Zeitwert, welcher dem Schnittpunkt zugeordnet ist und jenem Zeitwert, welcher dem Auswerte-Punkt zugeordnet wird, als Zeitspanne gebildet wird.

2. Verfahren zum Bestimmen der Zeitspanne, welche ein Fahrzeug benötigt, um den Weg zwischen dem Meßort und seiner augenblicklichen Position zurückzulegen, wobei das Fahrzeug selbstgenerierte Welle in ein Meßgebiet abstrahlt, dadurch gekennzeichnet,
- daß der Meßort innerhalb einer Übertragungsschicht mit Dispersionseigenschaft für die abgestrahlte Welle liegt,
- daß am Meßort ein Wandler zum Empfangen der ausgestrahlten Wellen angeordnet ist, welcher hieraus ein Empfangssignal erzeugt,
- 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 dieser Spektralverteilung ein Ausschnitt ausgewählt wird, welcher durch ein vorgegebenes, mehrere Zeitpunkte umfassendes Zeitintervall und ein vorgegebenes Frequenzintervall definiert ist,
- daß innerhalb des Ausschnittes der Spektralverteilung Linien gleicher Intensität erzeugt werden, indem die Punkte gleicher Intensität aufgesucht und miteinander verbunden werden,
- daß in einem im Frequenz-Zeit-Koordinatensystem vorgegebenen, auf einer ersten Linie gleicher Intensität liegenden ersten Auswerte-Punkt, die Steigung der Linie ermittelt wird,
- daß in einem im Frequenz-Zeit-Koordinatensystem vorgegebenen, auf einer zweiten Linie gleicher Intensität liegenden zweiten Auswertepunkt, dem der gleiche Frequenzwert wie dem ersten Auswerte-Punkt zugeordnet ist, die Steigung dieser Linie ermittelt wird und
- daß die zum ersten Auswerte-Punkt bestimmte Steigung multipliziert wird mit der Differenz der Zeitpunkte, die dem ersten und zweiten Auswerte-Punkt zugeordnet sind, und durch die Differenz der Steigungen der Linien in den beiden Auswerte-Punkten geteilt wird und als Zeitspanne angegeben wird.

3. Verfahren zum Bestimmen der Zeitspanne, welche ein Fahrzeug benötigt, um den Weg zwischen dem Meßort und seiner augenblicklichen Position zurückzulegen, 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 ein Wandler zum Empfangen der ausgestrahlten Wellen angeordnet ist, welcher hieraus ein Empfangssignal erzeugt,
- 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 dieser Spektralverteilung ein Ausschnitt ausgewählt wird, welcher durch ein vorgegebenes, mehrere Zeitpunkte umfassendes Zeitintervall und ein vorgegebenes Frequenzintervall definiert ist,
- daß innerhalb des Ausschnittes der Spektralverteilung Linien gleicher Intensität erzeugt werden, indem die Punkte gleiche Intensität aufgesucht und miteinander verbunden werden,
- daß in einem im Frequenz-Zeit-Koordinatensystem vorgegebenen auf einer ersten Linie gleicher Intensität liegenden ersten Auswerte-Punkt, die Steigung der Linie ermittelt wird,
- daß wenigstens in einem im Frequenz-Zeit- Koordinatensystem vorgegebenen, auf einer zweiten Linie gleicher Intensität liegenden zweiten Auswertepunkt, dem der gleiche Frequenzwert wie dem ersten Auswerte-Punkt zugeordnet ist, die Steigung dieser Linie ermittelt wird und
- daß die ermittelten Steigungen den Zeitpunkten zugeordnet und in einem Zeit-Steigungs-Koordinatensystem aufgetragen werden,
- daß in diesem Zeit-Steigungskoordinatensystem durch die Steigungspunkte eine Regressionsgerade gelegt, deren Schnittpunkt mit der Zeitkoordinate bestimmt wird, und die Differenz zwischen dem dem Schnittpunkt zugeordneten Zeitpunkt und dem letzten Auswerte-Punkt zugeordneten Zeitpunkt gebildet wird und als Zeitspanne angegeben wird

4. Verfahren zum Bestimmen der Zeitspanne, welche ein Fahrzeug benötigt, um den Weg zwischen dem Meßort und seiner augenblicklichen Position zurückzulegen, 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 ein Wandler zum Empfangen der ausgestrahlten Wellen angeordnet ist, welcher hieraus ein Empfangssignal erzeugt,
- 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 dieser Spektralverteilung ein Ausschnitt ausgewählt wird, welcher durch ein vorgegebenes, mehrere Zeitpunkte umfassendes Zeitintervall und ein vorgegebenes Frequenzintervall definiert ist,
- daß innerhalb des Ausschnittes der Spektralverteilung Linien gleicher Intensität erzeugt werden, indem die Punkte gleicher Intensität aufgesucht und miteinander verbunden werden,
- daß in einem im Frequenz-Zeit-Koordinatensystem vorgegebenen, auf der Linie gleicher Intensität liegenden Auswerte-Punkt die Steigung der Linie ermittelt wird,
- daß eine Interferenzwellenlänge zweier in der Übertragungsschicht interferierender Eigenwellen, die sich bei der dem Auswerte-Punkt zugeordneten Frequenz ausbilden, bestimmt wird,
- daß die Ableitung der Interferenzwellenlänge nach der Frequenz bei der dem Auswerte-Punkt zugeordneten Frequenz bestimmt wird und der Quotient aus der Interferenzwellenlänge und dieser Ableitung gebildet wird und
- daß der Quotient mit der Steigung der Linie multipliziert wird und als Zeitspanne angegeben wird.

5. Verfahren zum Bestimmen der Zeitspanne, welche ein Fahrzeug benötigt, um den Weg zwischen dem Meßort und seiner augenblicklichen Position zurückzulegen, wobei das Fahrzeug selbstgenerierte Wellen in ein Meßgebiet abstrahlt, dadurch gekennzeichnet,
- daß der Meßort innerhalb einer Übertragungsschicht mit Dispersionseigenschaft für die abestrahlte Welle liegt,
- daß am Meßort ein Wandler zum Empfangen der ausgestrahlten Wellen angeordnet ist, welcher hieraus ein Empfangssignal erzeugt,
- 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 dieser Spektralverteilung ein Ausschnitt ausgewählt wird, welcher durch ein vorgegebenes, mehrere Zeitpunkte umfasendes Zeitintervall und ein vorgegebenes Frequenzintervall definiert ist,
- daß innerhalb des Ausschnittes der Spektralverteilung Linien gleicher Intensität erzeugt werden, indem die Punkte gleicher Intensität aufgesucht und miteinander verbunden werden,
- daß in einem im Frequenz-Zeit-Koordinatensystem vorgegebenen auf der Linie gleicher Intensität liegenden Auswerte-Punkte, die Steigung der Linie ermittelt wird und
- daß das Produkt aus der ermittelten Steigung und dem 1,1fachen Wert der dem Auswerte-Punkt zugeordneten Frequenz als Zeitspanne angegeben wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzintervall mit seiner Mitten­ frequenz derart ermittelt wird, daß längs jeder Frequenzspur der Modulationsgrad der abgespei­ cherten Intensitäten innerhalb des Zeitintervalls bestimmt wird und ein Bereich benachbarter Fre­ quenzspuren, für die der jeweils ermittelte Mo­ dulationsgrad über einer Schwelle liegt, den Frequenzintervall angibt und seine Mittenfrequenz die Frequenz des Auswerte-Punkts ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall proportional einer Interfe­ renzwellenlänge 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.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler innerhalb der Übertragungsschicht in einem solchen Abstand von ihrer Grenzschicht angeordnet wird, daß aufgrund von Eigenwellen höhe­ rer Ordnung innerhalb des Ausschnitts mehr als zwei Interferenzmaxima auf der Frequenzspur der Mitten­ frequenz zu verzeichnen sind.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Linien aus Intensi­ tätsmaxima bzw. -minima zur Angabe der frequenz­ mäßigen Änderung herangezogen werden und zu deren Bestimmung die Steigung mindestens einer der im Ausschnitt befindlichen Linien ermittelt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß in der Mitte des Ausscnitts die Steigung der dort verlaufenden Linie gleicher Intensität bestimmt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steigung durch Approxima­ tion einer Geraden an die Linie ge­ wonnen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Approximation dann erreicht ist, wenn die Gerade die Linie gleicher Intensität im Aus­ schnitt nicht mehr schneidet.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Approximation Abweichungen der Geraden von der Linie gleicher Intensität festgestellt werden und die Gerade in Zeit- und Frequenz­ richtung innerhalb des Ausschnitts so lange ver­ schoben wird, bis die Abweichungen ein Minimum sind.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die Abweichungen Abstände im Frequenz- Zeit-Koordinatensystem zwischen Gerade und Linie sind.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß innerhalb des Frequenz-Zeit-Koordinaten­ system der Spektralverteilung Intensitäten längs einer beliebig im Ausschnitt angeordneten Geraden gemessen werden, daß zur Approximation der Geraden an die Linie gleicher Intensität die Gerade so lange in Zeit- und Frequenzrichtung verschoben wird, bis die längs der Geraden gemessenen Intensitäten die geringste Abweichung voneinander haben.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich­ net, daß der Mittelwert der Intensitäten, die längs der Geraden gemessen werden, gebildet wird, daß die einzelnen Intensitäten quadriert und ad­ diert werden und diese Summe durch die Anzahl der gemessenen Intensitäten geteilt wird, daß daraus die relative Standardabweichung der Intensitäten vom Mittelwert gebildet wird und daß die geringste Abweichung der Geraden von der Linie gleicher Intensität dann erreicht ist, wenn die relative Standardab­ weichung am geringsten ist.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß im Frequenz-Zeit-Koordina­ tensystem ein Muster aus einem Büschel von sich bei dem -0,1fachen Wert der Mittenfrequenz schnei­ denden Geraden mit äquidistanten Abständen auf der Frequenzspur der Mittenfrequenz erstellt wird, daß übereinstimmend mit der Frequenzspur der Mittenfre­ quenz der Ausschnitt und das Muster des Büschels längs der Zeitbasis gegeneinander verschoben werden und ein Zeitpunkt festgestellt wird, bei dem die Steigungen der Interferenzlinien innerhalb des Aus­ schnitts am besten durch die Geraden approximiert werden, und daß die Differenz des festgestellten Zeitpunkts abzüglich dem Zeitpunkt, zu dem das Spektrogramm in der Mitte des Ausschnitts abge­ speichert wurde, als Zeitspanne angegeben wird.

18. Verfahren nach den Ansprüchen 15 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der Mittelwert der längs der Geraden gemessenen Intensitäten gebildet wird, daß Hübe der über der Zeitbasis aufgetragenen Mit­ telwerte bestimmt werden und ein Maß für die Ge­ nauigkeit der Bestimmung der Zeitspanne angeben, die um so genauer ist, je größer die Hübe sind.