DE3543793C2 - Verfahren zur Ortsbestimmung von Knallquellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ortsbestimmung von Knallquellen, insbesondere von Mündungsknallen von Geschützen, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (DE-OS 32 04 874) wird der Standort einer Knallquelle, z. B. der Mündungsknall einer Panzerkanone, durch Entfernungsbestimmung von zwei in Abstand voneinander angeordneten Meßstellen ermittelt. An jeder Meßstelle ist ein Geophon mit Dipolcharakteristik in den Boden eingesenkt und ein Mikrophon mit Rundumcharakteristik aufgestellt. Beide Schallaufnehmer oder Schallsensoren sind möglichst dicht benachbart anzuordnen. An jeder Meßstelle wird der Zeitunterschied Δt zwischen dem Empfang des Knallereignisses in dem Geophon und in dem Mikrophon bestimmt und daraus und aus der bekannten Schallausbreitungsgeschwindigkeit c_L bzw. c_B in Luft bzw. im Erdboden die Entfernung R zu der Knallquelle berechnet gemäß:

Aus der bekannten Lage der Meßstellen und den berechneten Entfernungen R₁, R₂ ergibt sich unter Berücksichtigung der Plausibilität der Standort der Knallquelle nach einfachen geometrischen Beziehungen.

Bei dem bekannten Verfahren wird auch schon vorgeschlagen, anstelle des oberhalb des Erdbodens aufgestellten Mikrophons mit Rundumcharakteristik ein weiteres Geophon mit Dipolcharakteristik in den Boden einzusenken. In diesem Fall müssen die beiden Geophone so ausgerichtet werden, daß ihre Empfangsrichtungen rechtwinklig zueinander liegen und eine der Empfangsrichtungen im wesentlichen in Vertikalrichtung weist.

Bei dem bekannten Verfahren müssen an jeder Meßstelle immer zwei Schallaufnehmer möglichst nahe beieinander und zudem noch entweder in unterschiedlichen Medien (Luft/Erdboden) oder in bestimmter Ausrichtung zueinander und zu der Bodenoberfläche angeordnet werden. Neben dem Mehraufwand von zwei kompletten Schallaufnehmern mit der Notwendigkeit von zwei Sendeeinrichtungen zur Übertragung der Empfangssignale an eine Auswertezentrale erfordert dieses Verfahren einen immensen Installationsaufwand der aus Schallaufnehmer und Sendeeinrichtung bestehenden Meßsonden, da diese in den meist kilometerweit auseinanderliegenden Meßstellen manuell eingesetzt und hierzu die Meßstellen angefahren werden müssen. Ein automatisches Verbringen der Meßsonden, z. B. durch Verschießen, ist wegen der zuvor erwähnten Einbauerfordernisse der Schallaufnehmer nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur Ortsbestimmung von Knallquellen der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Meßsonden einfach aufgebaut sind und sich zeitsparend, vorzugsweise durch einfaches Verschießen, an die einzelnen Meßstellen verbringen lassen. Dabei soll die Genauigkeit des Verfahrens gegenüber dem bekannten Verfahren nicht verschlechtert werden.

Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zur Ortsbestimmung von Knallquellen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist für jede Meßstelle jeweils nur ein einziges Geophon erforderlich, das bezüglich der Ausrichtung seiner Dipol-Empfangscharakteristik keinerlei Beschränkungen unterliegt. Zur Übertragung der Empfangssignale an eine zentrale Auswertestelle ist nur eine einzige Sendeeinrichtung nötig, die mit dem Geophon zu einer kompakten Baueinheit zusammengefaßt werden kann. Damit sind die Voraussetzungen für ein einfaches Verbringen der Meßsonden gegeben, die entweder verschossen oder von einem fliegenden, fahrenden oder schwimmenden Fahrzeug ausgeworfen werden können und dabei, wie erforderlich, in den Boden eindringen. Die Lagekoordinaten der einzelnen Meßstellen nach Verbringung der Meßsonden lassen sich in einfacher Weise durch jeweils einen Probeknall an zwei verschiedenen Orten, deren Koordinaten bekannt sind, relativ genau bestimmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren führt im Vergleich zu dem bekannten Verfahren, bei welchem ein Mikrophon und ein Geophon als Schallaufnehmer eingesetzt werden, mit einfacheren Mitteln zu wesentlich besseren Meßergebnissen, da Störungen des Empfangssignals wie im Mikrophon durch Windgeräusche, die zu erheblichen Meßverfälschungen führen, wenn sie nicht durch beträchtlichen Schaltungsaufwand eliminiert werden, von vornherein entfallen. Zudem ist die aktive Schalleinkopplungsfläche eines Geophons wesentlich größer als die von Mikrophonen, so daß ein stark verbessertes Nutz-/Störverhältnis eine genauere Auswertung der Empfangssignale gestattet.

Luftschallwellen und Bodenschallwellen lassen sich im Empfangssignal sehr zuverlässig voneinander unterscheiden. Die Luftschallwelle mit ihrer etwas höheren Frequenz und wesentlich niedrigeren Ausbreitungsgeschwindigkeit hebt sich deutlich von einer tieffrequenten Bodenschallwelle mit sehr viel größerer Ausbreitungsgeschwindigkeit ab. Beide sind damit schon aufgrund des Zeitpunkts ihres Auftretens im Empfangssignal zu unterscheiden. Bei grundwassergesättigten Böden ist die Bodenschallwelle, die sich z. B. als P-Welle mit einer Geschwindigkeit von ca. 1400 m/s ausbreitet, im Empfangssignal meist schon abgeklungen bis die Luftschallwelle, die sich mit einer Geschwindigkeit von ca. 340 m/s ausbreitet, im Empfangssignal erscheint. Bei den Bodenschallwellen ist grundsätzlich sowohl eine Longitudinalwelle (P-Welle) oder Transversalwelle (S-Welle) als auch eine Rayleigh-Welle (Oberflächenwelle) detektierbar, die sich durch unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten und damit zeitlich versetztes Auftreten im Empfangssignal unterscheiden. Je nach zufälliger Lage des Geophons wird die P-Welle oder S-Welle, deren Ausbreitungsgeschwindigkeiten sich etwa um den Faktor 2 unterscheiden, besser detektierbar sein. Bevorzugt wird jedoch wegen ihrer größeren Ausbreitungsgeschwindigkeit auf die Detektion der P-Welle zurückgegriffen. Die Rayleigh- Welle zeichnet sich durch eine besonders große Amplitude aus.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus Anspruch 3. Durch das Vorsehen von mindestens zwei gleichen Meßstellen läßt sich nicht nur die Entfernung der Meßstelle zur Knallquelle, sondern auch die genaue Ortsangabe der Knallquelle bestimmen. Mit zwei Meßstellen ist der eine von zwei Schnittpunkten der um jeweils eine Meßstelle gezogenen Entfernungskreise der Ort der Knallquelle. Der scheinbare Ort der Knallquelle läßt sich in bezug auf die Lage der Meßstellen durch Plausibilitätserwägungen eliminieren. Mit drei Meßstellen läßt sich eine eindeutige Ortsbestimmung erreichen.

Mit mindestens zwei Meßstellen läßt sich mit der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 4 auch der Ort der Knallquelle unabhängig von der Kenntnis der Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Boden bestimmen. Dies ist insbesondere deshalb von Vorteil, da im Gegensatz zu der weitgehend konstanten Schallgeschwindigkeit in Luft die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Bodenschallwellen von der Bodenstruktur und von der Bodenbeschaffenheit abhängig ist und in relativ weiten Grenzen variiert. Zur schallgeschwindigkeitsunabhängigen Bestimmung der Entfernung zur Schallquelle wird zusätzlich noch die Zeitdifferenz des Auftretens des gleichen Schallwellentyps, also der Luft- und/oder der Bodenschallwelle, im Empfangssignal der Geophone an der einen und an der anderen Meßstelle bestimmt. Je nachdem, ob die Zeitdifferenzbestimmung bei den Luftschallwellen oder bei den Bodenschallwellen durchgeführt worden ist, ergeben sich die in Anspruch 4 angegebenen, von der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls im Boden unabhängigen Gleichungen zur Berechnung der Entfernung.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist anhand der Zeichnung im folgenden als ein Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer räumlichen Verteilung von Meßsonden und einer Knallquelle im Gelände,

Fig. 2 ein Diagramm beispielhafter Empfangssignale von zwei an verschiedenen Meßstellen angeordneten Geophonen.

Wie in Fig. 1 dargestellt, sind an drei Meßstellen 1, 2 und 3 drei Meßsonden 11, 12, 13 ausgebracht. Die Koordinaten der Meßstellen 1, 2, 3 sind bekannt und im Beispiel in einem Polarkoordinatensystem, dessen Ursprung die Meßstelle 1 bildet, durch die Abstände d₁₂, d₁₃ und die Winkel ϕ₂, ϕ₃ festgelegt. Jede Meßsonde 11, 12, 13 weist ein Geophon 14, 15, 16 eine Sende- und Empfangseinrichtung 17, 18, 19 und eine entsprechende Stromversorgung für Geophon und Sende- und Empfangseinrichtung auf. Die Sende- und Empfangseinrichtungen 17 bis 19 werden von einer Zentrale 20 aus aktiviert und übermitteln die Empfangssignale der einzelnen Geophone 14 bis 16 an die Zentrale 20, wo diese zur Ortsbestimmung einer Knallquelle 21 ausgewertet werden.

Jedes an einer Meßstelle 1 bis 3 angeordnete Geophon 14 bis 16 weist eine Dipolcharakteristik auf. Der Aufbau eines Geophons ist in der US-PS 40 01 771 (vgl. dort Fig. 2) beschrieben. Während dort in einem einzigen Gehäuse drei jeweils mit ihren Empfangscharakteristiken rechtwinklig zueinander ausgerichtete Geophone vorgesehen sind, ist hier in jeder Meßsonde 11 bis 13 nur ein einziges Geophon mit Dipolcharakteristik angeordnet, bei welchem die Ausrichtung der Empfangscharakteristik beliebig ist. Die Geophone 14 bis 16 sind im Boden ca. 10 bis 30 cm versenkt.

Bei der vorstehend beschriebenen Meßkonfiguration wird das Verfahren zur Ortsbestimmung der Knallquelle 21 wie folgt durchgeführt:

Die von dem Knall der Knallquelle 21 ausgelösten Schallwellen gelangen zum einen über die Luft und zum anderen durch Einkopplung in den Erdboden zu den Geophonen 14 bis 16. Sie breiten sich dabei mit sehr unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit in dem Medium Luft und in dem Medium Erdboden aus.

In dem Empfangssignal eines jeden Geophons 14 bis 16 werden nunmehr die zu unterschiedlichen Zeitpunkten empfangenen Schallwellentypen, also mindestens eine Bodenschallwelle und die Luftschallwelle, detektiert. In Fig. 2 ist beispielhaft das Empfangssignal des Geophons 14 in der Meßstelle 1 oben und das Empfangssignal des Geophons 15 in der Meßstelle 2 unten, jeweils nach Knallauslösung, dargestellt. Deutlich sind in den beiden Empfangssignalen zunächst die niederfrequente P-Welle, die zum Zeitpunkt t₁₁ bzw. t₁₂ an dem Geophon 14 bzw. 15 eintrifft, die durch den Pegel sich hervorhebende, ebenfalls niederfrequente Rayleigh-Welle und die zum Zeitpunkt t₂₁ am Geophon 14 und zum Zeitpunkt t₂₂ am Geophon 15 eintreffende Luftschallwelle zu erkennen. Für das Empfangssignal des Geophons 16 an der Meßstelle 3 gilt Entsprechendes.

Durch geeignete Mittel wird nunmehr in jedem Empfangssignal der Geophone 14 bis 16 die Zeitdifferenz Δt₁ bzw. Δt₂ bzw. Δt₃ zwischen dem Auftreten der P-Welle und dem Auftreten der Luftschallwelle im Empfangssignal bestimmt. Mit diesen Zeitdifferenzen wird die Entfernung der jeweiligen Meßstelle 1 bis 3 von der Knallquelle 21 berechnet gemäß

Die Berechnung der Entfernungen R₁, R₂, R₃ setzt die Kenntnis der Schallgeschwindigkeit in Luft c_L und der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls im Boden c_B voraus. Da die Koordinaten der Meßstellen 1 bis 3 bekannt sind, ergeben sich die Ortskoordinaten der Knallquelle 21 im Polarkoordinatensystem durch die Schnittpunkte der jeweils um die Meßstellen 1 bis 3 gezogenen Entfernungskreise mit dem Radius R₁ bzw. R₂ bzw. R₃.

Es sei angemerkt, daß die Bestimmung der Zeitdifferenz Δt_1,2,3 auch dadurch erfolgen kann, daß man die Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten der Rayleigh- Welle und dem Auftreten der Luftschallwelle im Empfangssignal der einzelnen Geophone 14 bis 16 bestimmt.

Zur Ortsbestimmung der Knallquelle 21 genügen bereits die beiden Meßstellen 1 und 2. Zwar ergeben sich zwei Schnittpunkte der um die Meßstellen 1 und 2 mit den Radien R₁ bzw. R₂ gezogenen Entfernungskreise, doch läßt sich einer der Schnittpunkte durch Plausibilitätsüberlegungen meist eindeutig als Ort der Knallquelle 21 bestimmen. Die drei Meßstellen 1 bis 3 ergeben aber in jedem Fall eine eindeutige Ortsbestimmung der Knallquelle 21.

Wie vorstehend beschrieben, setzt die Berechnung der Entfernung nach Gl. (2) die Kenntnis der Schallausbreitungsgeschwindigkeit c_B im Boden voraus. Eine schallgeschwindigkeitsunabhängige Bestimmung der Entfernungen zwischen den Meßstellen und der Knallquelle 21 läßt sich bei Vorhandensein von mindestens zwei Meßstellen, im Beispiel Meßstelle 1 und Meßstelle 2, ohne weiteres durchführen. Hierbei ist zusätzlich die Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten des gleichen Schallwellentyps in dem Empfangssignal des Geophons 14 und in dem Empfangssignal des Geophons 15 zu bestimmen. In Fig. 2 ist die Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten der Luftschallwelle im Empfangssignal des Geophons 14 und im Empfangssignal des Geophons 15 mit τ bezeichnet. Diese Zeitdifferenz τ kann in der Zentrale 20, der über die Sendeeinrichtungen 17 und 18 die Empfangssignale beider Geophone 14 und 15 übermittelt werden, ohne weiteres bestimmt werden. Mit der Zeitdifferenz Δt₁, der Zeitdifferenz Δt₂ und der Zeitdifferenz τ läßt sich nunmehr die Entfernung R₁ von der Meßstelle 1 zur Knallquelle 21 bzw. die Entfernung R₂ von der Meßstelle 2 zur Knallquelle 21 berechnen gemäß

In gleicher Weise könnte die Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten der P-Welle im Empfangssignal des Geophons 14 an der Meßstelle 1 und im Empfangssignal des Geophons 15 in der Meßstelle 2 bestimmt werden. Diese Zeitdifferenz ist in Fig. 2 mit τ* bezeichnet. Mit dieser Zeitdifferenz τ* berechnet sich die Entfernung R₁ bzw. R₂ gemäß

Aufgrund der geringeren Ausbreitungsgeschwindigkeit c_L der Luftschallwelle läßt sich jedoch die Zeitdifferenz τ zwischen dem Auftreten der Luftschallwelle in den beiden Empfangssignalen der Geophone 14 bis 15 wesentlich genauer bestimmen, so daß diese Verfahrensweise vorzuziehen ist.

Bei dem beschriebenen Verfahren zur Ortsbestimmung der Knallquelle 21 ist davon ausgegangen, daß die Koordinaten der Meßstellen 1 bis 3 bekannt sind. Werden die Meßsonden 11 bis 14, z. B. von der Zentrale 20 aus, verschossen, so sind die Koordinaten der Meßstellen 1 bis 3 zunächst unbekannt. Sie lassen sich aber in einfacher Weise dadurch bestimmen, daß zu bekannten Zeitpunkten an zwei voneinander entfernten Orten mit bekannten Koordinaten jeweils ein Knall ausgelöst wird. Die Entfernung der einzelnen Meßstellen 1 bis 3 von diesen beiden Knallorten läßt sich durch Laufzeitmessung bei Kenntnis der konstanten Luftschallgeschwindigkeit c_L berechnen. Die beiden mit jedem Geophon 14 bis 16 ermittelten Entfernungswerte bestimmen die Radien von um die beiden Knallorte zu ziehenden Entfernungskreisen. Der Schnittpunkt der zu einem Geophon 14 bzs. 15 bzw. 16 zugehörigen Entfernungskreise gibt die Lage des jeweiligen Geophons 14 bzw. 15 bzw. 16 an.

Claims (5)

1. Verfahren zur Ortsbestimmung von Knallquellen, insbesondere von Mündungsknallen von Geschützen, von mindestens einer knallquellenfernen Meßstelle aus, bei welchem die Zeitdifferenz des Empfangs von Schallwellen am Meßort, die sich von der Knallquelle im Medium Luft und im Medium Boden mit unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten ausbreiten, gemessen und aus der Zeitdifferenz und aus den bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Schallwellen die Entfernung zu der Knallquelle berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwellenempfang an der mindestens einen Meßstelle (1, 2, 3) mit einem einzigen in den Boden eingesenkten, eine Dipolcharakteristik aufweisenden Geophon (14, 15, 16) durchgeführt wird und daß im Empfangssignal des Geophons (14, 15, 16) die Luftschallwelle und eine Bodenschallwelle detektiert und die Zeitdifferenz (Δt₁, Δt₂) zwischen den Zeitpunkten ihres Auftretens im Empfangssignal bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bodenschallwelle die Longitudinalwelle (P-Welle) detektiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Meßstellen (1, 2, 3) vorgesehen werden und der Standort der Knallquelle (21) als Schnittpunkt der um die Meßstellen (1, 2, 3) gezogenen Entfernungskreise (R₁, R₂, R₃) angegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdifferenz (τ) zwischen den Zeitpunkten des Auftretens der Luftschallwellen und/oder die Zeitdifferenz (τ*) zwischen den Zeitpunkten des Auftretens der Bodenschallwellen in den Empfangssignalen von zwei Meßstellen (1, 2) bestimmt wird und mit dieser Zeitdifferenz (τ, τ*) die Entfernungen (R₁, R₂) der Meßstellen (1, 2) zur Knallquelle (21) gemäß oder berechnet werden, wobei c_L die Schallausbreitungsgeschwindigkeit in Luft ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Meßstellen (1, 2, 3) in jeweils einen Abstand (d₁₂, d₁₃) voneinander angeordnet werden, der in der Größenordnung der Entfernungen (R₁, R₂, R₃) zur Knallquelle (21) liegt.