DE3707854A1 - Akustische vorrichtung zur richtungsbestimmung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine akustische Vorrichtung zur Richtungsbestimmung uns insbesondere eine Vorrichtung zur Bestimmung der Peilrichtung eines Objektes bezüglich der Vorrichtung. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung, die eine solche Richtungsbestimmung benutzt, um die Position und die Bewegungsparameter eines Objektes zu erfassen.

Eine solche Vorrichtung kann verwendet werden zur Beschaffung von Informationen über Objekte, insbesondere bewegte Objekte, die Ziele eines Waffensystems bilden können.

Es ist bekannt, die Richtung eines Objektes mit Bezug auf eine Vorrichtung zu bestimmen mit Hilfe eines Paares im Abstand angeordneter Wandler (transducer), durch Bestimmung der Verzögerung zwischen deren Empfang akustischer Energie von dem Objekt.

Bei der Verarbeitung einer akustischen Energie mit einer spezifischen Frequenz besteht die Möglichkeit von Richtungs-Zweideutigkeiten, die berücksichtigt werden können, indem der Abstand der Wandler wesentlich kleiner als die akustische Wellenlänge ist, wenn die Verzögerung durch eine Signal-Phasen­ verschiebung gegeben ist. Alternativ kann ein akustisches Signal eine An­ zahl von Komponenten mit unterschiedlichen Frequenzen haben, die gleich­ zeitig als ein rauschähnliches Signal auftreten, wobei Richtungs-Zweideutig­ keiten durch eine Kreuz-Korrelation zwischen den Signalen berücksichtigt werden können, wobei alle Frequenz-Komponenten nur in der wahren Richtung korreliert werden.

Diese letztere Form ist in dem Britischen Patent Nr. 20 42 725 beschrieben und betrifft sogenannte passive Systeme, die sich auf akustische Energie­ abstrahlungen von einem interessierenden Objekt stützen, wie z. B. einem Fahrzeug, jedoch die Natur des Signales einschließlich der relativ niedrigen Frequenzen, die natürlich durch die Maschinen emittiert werden, erfordern eine solche Kreuzkorrelation über lange Zeitperioden, um eine Verwirrung durch ähnliche Strahlungsquellen zu vermeiden, mit entsprechenden Anforderungen an Signalverarbeitungskapazität und der Unfähigkeit eine schnelle Fest­ stellung oder Erfassung durchzuführen.

Eng verbunden mit der Bestimmung der Richtung ist die Entfernungsbestimmung durch Emittieren eines akustischen Signals in einen Bereich und Fest­ stellen eines Echos oder eine Reflexion des Signals, wobei die Laufzeit eines solchen Signales zwischen Sendung und Empfang ein Anzeichen für die Entfernung ist. Insbesondere ist es aus der veröffentlichten PCT-Anmeldung Nr. WO/00 456 bekannt, einen Impuls oder Impulsstoß einer frequenzmodulierten Strahlung als ein sogenanntes Zirp-Signal zu emittieren und eine Darstellung dieses Signals mit empfangenen Signalen quer zu korrelieren, um aus der Korrelationsverzögerung die Laufzeit des Zirp-Signals zu bestimmen. Es ist theoretisch bekannt, daß die Verwendung eines solchen frequenzmodulierten Zirpsignales vorteilhaft ist bei Verwendung von Kreuz-Korrelations-Techniken, da eine sehr scharfe Korrelationsspitze erhalten wird, aus der die Korrelations­ verzögerung ermittelt werden kann. Es wurde ferner vorgeschlagen, solche Entfernungs-Meßtechniken auf die Richtungsbestimmung zu erweitern. Das US-Patent Nr. 37 50 152 beschreibt die Erfassung der Laufzeit eines emittierten akustischen Impulssignales (über die Reflexion von einem Objekt) mittels zweier im Abstand liegender Empfangs-Wandler, wobei die Differenz der Laufzeiten die Verzögerung darstellt, aus der die Richtung bestimmbar ist. Obwohl diese letztgenannte Methode nicht das Erfordernis eines frequenzmodulierten Impulses beschreibt, ist sie keine materielle Verbesserung des Verfahrens, das nach wie vor nicht zufriedenstellend ist. Insbesondere muß die Korrelierung zwischen emittierten und empfangenen Signalen über lange Zeitperioden durchgeführt werden und bedingt die Arbeit mit einfachen Korrelationstechniken (mit niedriger Auflösung) oder mit großer Speicherkapazität für die Signal-Daten.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine akustische Vorrichtung zur Be­ stimmung der Richtung zu schaffen, die die obigen Nachteile vermeidet. Ferner soll eine Vorrichtung zur Bestimmung der Bewegung eines Gegenstandes geschaffen werden. Schließlich betrifft die Erfindung ein Waffensystem, das eine solche Vorrichtung zur Bestimmung der Bewegung und/oder der Richtung eines Gegenstandes aufweist.

Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist eine akustische Vor­ richtung zur Bestimmung der Bewegung vorgesehen, die eine Mehrzahl von Empfangswandlern für akustische Energie umfaßt, welche in Response auf den Empfang akustischer Energie elektrische Signale erzeugen, wobei die Wandler so angeordnet sind, daß ihre Richtungen größter Empfindlichkeit im wesentlichen in der Azimut-Ebene liegen, um wenigstens ein Paar Empfangswandler zu schaffen, die einen bekannten Abstand längs einer Achse haben, wobei die Strahlbreiten der Wandler sich überlappen, um eine gemeinsame Ansprechzone für die oder jedes Paar akustischer Sender zu schaffen, die akustische Energie in die Ansprechzone emittieren, auf welche die Empfangs-Wandler ansprechen, Steuereinrichtungen, um die Sender zu veranlassen, einen Stoß einer frequenzmodulierten akustischen Energie zu emittieren, Prozessor-Schaltungen, um Signale zu empfangen, die von den Empfangs-Wandlern geliefert werden aufgrund der Reflexion des Impulses an akustischer Energie durch einen Gegenstand in der Ansprechzone, sowie mit Kreuz-Korrelations-Mitteln, um diese Signale für einen Bereich and Zeitverschiebungen zwischen den Signalen über Kreuz zu korrelieren, in welchem Bereich die Signalempfangsverzögerung zwischen den Wandlern zu erwarten ist, um eine Kreuz-Korrelations- Funktion zu definieren und von dieser eine Verschiebungszeit abzuleiten, die repräsentativ für die Verzögerung des Signalempfanges zwischen den Empfangs-Wandlern ist und auf die Zeitverzögerung anspricht, für die Geschwindigkeit der akustischen Energie zwischen der Vorrichtung und dem Gegenstand und diesem bekannten Abstand zwischen den Wandlern, um die Größe eines Winkels zu bestimmen zwischen der Achse des Paares und dem Gegenstand, sowie mit Einrichtungen, um eine Zweideutigkeit der Richtung bezüglich der Achse des Paares zu beseitigen und ein Signal abzu­ geben, das den Azimut-Peilwinkel des Gegenstandes bezüglich der Vorrichtung anzeigt.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Bewegung eines Gegenstandes vorgesehen, welche Vorrichtung die Vorrichtung zur Bestimmung der Richtung umfaßt und mit weiteren Prozessorschaltungen versehen ist, die auf den Positionszusammenhang zwischen dem akustischen Sender und wenigstens einem Empfangswandler sowie auf eine Zeitverzögerung zwischen der Sendung eines Impulsstoßes an akustischer Energie und dem Empfang der Energie ansprechen, die von dem Gegenstand reflektiert worden ist, um die Entfernung von wenigstens einem Teil des Objektes vom Wandler zu bestimmen, ferner mit Prozessor­ schaltungen für die Bewegung des Gegenstandes, welche die Position eines Gegenstandes mit Bezug auf die Vorrichtung als Funktion der Zeit bestimmen, um aus einer zeitlichen Veränderung der Objekt­ positionen den Kurs und die Geschwindigkeit des Gegenstandes bezüglich der Vorrichtung zu ermitteln und die Position und Zeit des nächsten Annäherungspunktes des Gegenstandes an die Vorrichtung vorauszube­ stimmen.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Waffensystem vorgesehen mit einem Gehäuse, das auf der Erde angeordnet ist und einen Gefechtskopf aufweist, ferner mit einer Vorrichtung zur Bestimmung der Richtung, wie oben beschrieben, und Einrichtungen, um den Gefechtskopf abzufeuern, die auf die Vorausbestimmung des nächsten Annäherungspunktes und die Parameter des Gefechtskopfes ansprechen, um diesen zum richtigen Zeitpunkt abzufeuern, um diesen Gegenstand in seinem nächsten Annäherungs­ punkt zu zerstören.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch in Draufsicht eine Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung zeigt, die zwei Empfangswander aufweist zur Erläuterung der Arbeitsprinzipien der Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt in Draufsicht eine praktische Ausführungsform der Vorrichtung mit drei Empfangs-Wandlern.

Fig. 3 zeigt in Draufsicht schematisch eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung mit vier symmetrisch angeordneten Empfangs-Wandlern, von denen jeder mit einem Sende-Wandler gekoppelt ist, ferner mit einer Prozessorschaltung zur Bestimmung der Entfernung des Objektes.

Fig. 4 zeigt in Draufsicht eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung zur Bestimmung der Richtung mit vier asymmetrisch angeordneten Empfangswandlern.

Fig. 5a zeigt im Schnitt die Vorrichtung nach Fig. 3, wobei die Anordnung der Wandler in dem Gehäuse der Vorrichtung dargestellt ist.

Fig. 5b zeigt einen Schnitt durch die Vorrichtung, ähnlich demjenigen nach Fig. 5a, wobei eine alternative Anordnung der Wandler außer­ halb der Gehäusevorrichtung gezeigt ist.

Fig. 6 zeigt in Draufsicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Position des Objektes einschl. der Richtungs-Bestimmungs-Vor­ richtung nach Fig. 3 und weiteren Prozessorschaltungen zur Bestimmung der Entfernung des Objektes.

Fig. 7a und 7b zeigen entsprechend Zeit-Bereichs-Wellenformen des emittierten Impulses an akustischer Energie und der Empfangsenergie nach der Reflexion von einem Objekt, das eine komplexe Oberflächenstruktur hat, wobei die Objektive angezeigt wird.

Fig. 7c zeigt die Kreuz-Korrelations-Funktion der einfachen Emission und des komplexen Rücksignales der Fig. 7a und 7b.

Fig. 8 zeigt schematisch in Draufsicht die Vorrichtung zur Bewegungs­ bestimmung, die die Vorrichtung zur Positionsbestimmung nach Fig. 6 verwendet.

Fig. 9 zeigt schematisch im Schnitt ein Waffensystem in Form einer Erdmine, die mit der Vorrichtung nach Fig. 8 ausgerüstet ist.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Richtungsbestimmung mit zwei Wandlern 11, 12 zum Empfang akustischer Energie, die auf den Empfang von Energie mit Ultraschall-Frequenzen ansprechen und elektrische Signale erzeugen, die repräsentativ für die momentane Stärke der akustischen Energie sind. Die Wandler 11, 12 sind bezüglich einer Oberflächenebene 13 des Vorrichtungs­ gehäuses so angeordnet, daß ihre Richtungen maximaler Empfindlichkeit, die durch Pfeile 14 angezeigt sind, im wesentlichen in der Azimut-Ebene liegen, d. h. nominal horizontal, wenn die Vorrichtung in wirksamer Stellung angeordnet ist.

In dieser Beschreibung beziehen sich die Zusammenhänge zwischen den Wandlern und der Azimut-Ebene auf die Annahme, daß die Vorrichtung sich in wirksamer Stellung oder Arbeitsstellung befindet. Die Richtungen der maximalen Empfindlichkeit erstrecken sich, wie dargestellt, in parallelen Richtungen, obwohl dies nicht notwendig ist, und die Wandler sind als Wandler-Paar gruppiert, wie durch die gestrichelte Linie 15 angezeigt ist, und sie haben einen bekannten Abstand längs einer Paar-Achse 16. Die Wandler haben Empfangsstrahlbreiten, die sich überlappen, um eine ge­ meinsame Ansprechzone 19 zu bilden, die in der Anordnung nach Fig. 1 hauptsächlich auf der linken Seite der Achse 16 liegt, wobei der genaue Umfang der Zone abhängt von den Ansprechverläufen der Empfangs-Wandler.

Es sind akustische Sendeeinrichtungen 20 vorgesehen, die einen Oszillator/ Treiber 21 umfassen, einen Sende-Wandler 22, der bei Erregung eine akustische Energie im Ultraschall-Frequenzband emittiert, in welchem die Empfangs-Wandler empfindlich sind. Die Wandler können in der Aszimut- Ebene in allen Richtungen senden, vorzugsweise jedoch mit begrenzter Strahlbreite in der Höhe. Die Azimut-Strahlbreite der Emission kann durch mechanische Mittel so begrenzt werden, daß die Sendeeinrichtung in der Lage ist, im wesentlichen nur in der Ansprechzone 19 zu senden.

Steuereinrichtungen 23 veranlassen die Sendeeinrichtung, in Intervallen einen Impuls oder Stoß an akustischer Energie in Form einer Ultraschall- Frequenz zu erzeugen, die als Zirp-Signal moduliert ist. Das heißt, es gibt keine akustischen Schwingungen mit konstanter Frequenz.

Die Richtungs-Bestimmungs-Vorrichtung umfaßt weiterhin eine Prozessorschaltung 24, die Signale empfängt, die von den Wandlern 11, 12 aufgrund des Empfanges des emittierten Ultraschall-Zirp-Signales erzeugt werden nach der Reflexion von einem Objekt in der Ansprechzone. Die Prozessorschaltung 24 arbeitet vorzugsweise digital und hat Analog/Digital-Umformer 25, um die Signale abzutasten und sie in digitale Form für die Verarbeitung umzuwandeln.

Es kann vorgesehen werden, daß die Vorrichtung nur auf Objekte innerhalb eines spezifizierten Entfernungsbereiches von der Vorrichtung anspricht, d. h. die Reflexions-Signale innerhalb eines spezifischen Zeitbereichs nach der Emission erzeugen, und es können daher Entfernungs-Verarbeitungsein­ richtungen einfacher Form vorgesehen werden, die die Verarbeitung von Signalen nur innerhalb eines Bereiches von Zeitintervallen zulassen, nachdem das Zirpen emittiert worden ist. Alternativ kann der Bereich be­ grenzt sein auf einen Maximalwert durch Wählen der Frequenz der Ultra­ schall-Energie in Übereinstimmung mit ihren atmosphärischen Dämpfungs­ eigenschaften, so daß Objekte von jenseits dieses gewählten Grenzbereiches keine nutzbaren Signalpegel zurückwerfen.

Betrachtet man die Reflexion eines Ultraschall-Zirpens von einem Objekt 26 in der Ansprech- oder Erfassungszone 19, so wird angenommen, daß der Abstand zwischen dem Objekt und der Vorrichtung so groß ist im Vergleich mit dem Abstand zwischen den Empfangswandlern 11 und 12, daß das reflek­ tierte Signal eine im wesentlichen ebene Wellenfront hat, wie durch die Linie 27 beispielsweise angegeben ist, welche normal zu ihrer Ausbreitungs­ richtung mit Bezug auf irgendeinen Teil der Vorrichtung liegt. Diese An­ nahme kann gestützt oder erreicht werden durch Begrenzen des Mindestarbeits­ bereiches durch eine Bereichsschaltung, wie oben erwähnt. Ferner wird ange­ nommen, daß der Abstand der Empfangs-Wandler klein ist in Bezug auf die Abmessungen des reflektierenden Objektes, so daß sie praktisch von diesem dasselbe Signal empfangen. Die reflektierte Zirp-Energie, die mit einer Geschwindigkeit c läuft, erreicht den Wandler 11 zu einem Zeitpunkt (D.cosβ)/c, ehe sie den Wandler 12 erreicht, wobei D der Abstand der Wandler und β der Winkel zwischen der Objektrichtung der Achse 16 ist.

Der Winkel β kann leicht aus der Kenntnis der Werte c und D berechnet werden, sowie aus der Bestimmung der Zeitverzögerung zwischen dem Empfang der reflektierten Zirp-Signale durch die Wandler 11 und 12.

Die Geschwindigkeit der akustischen Energie durch die Atmosphäre kann als konstant angenommen werden und ein repräsentativer Wert bei 28 gespeichert werden, oder die Größe der Geschwindigkeit kann als Funktion gemessener Parameter berechnet werden, wie z. B. des Luftdruckes und der Temperatur durch die Einheit 28 in bekannter Weise.

Wenn das Objekt beispielsweise ein Fahrzeug ist, kann es beträchtliche Mengen an akustischer Energie reflektieren, obwohl gewöhnlich nicht im Ultraschall-Frequenzbereich. Ferner kann ein Objekt, das eine Reflexion bewirkt, komplexe Oberflächenstrukturen haben, die diskrete Reflexionen aus unterschiedlichen Entfernungen von der Vorrichtung bewirken und als Verschmierung des reflektierten Zirp-Signales sich darstellen. Ferner können die akustischen Signale über mehrere Wege empfangen werden, einschl. weiterer Reflexionen. Der größte Anteil der empfangenen akustischen Energie resultiert jedoch aus der Reflexion des emittierten Zirp-Signales.

Es mag sein, daß die empfangenen Signale, obwohl effektiv identisch für die beiden relativ nahe beieinanderliegenden Empfangs-Wandler, bezüglich des emittierten Zirp-Signales so verzerrt sein können, daß es schwierig ist, korrespondierende Teile des Signales zu identifizieren zur Bestimmung ihres Empfangs und der Zeitverzögerung zwischen ihnen.

Die Prozessorschaltung 24 hat Einrichtungen 29, um aufeinanderfolgende Zeitabschnitte der empfangenen Signale aufzunehmen, d. h. Anzahlen von Proben oder Abtastungen, um ggf. eine digitale Schnell-Fourier-Transformation (FFT) durchzuführen, wobei die Signale effektiv in den Frequenzbereich gebracht werden, und Kreuz-Korrelations-Einrichtungen 29′ führen eine Multiplikation zwischen den Proben der beiden Signale für eine Mehrzahl von kleinen Zeitverschiebungen (τ-Werte) aus, um eine Kreuz-Korrelations- Funktion abzuleiten als ein Satz von Kreuz-Korrelations-Koeffizien, die individuell den τ-Werten zugeordnet sind. Am Ende des entsprechenden Zeitabschnittes der Abtastung empfangener Signale werden die Kreuz- Korrelations-Koeffizienten geprüft. Der τ-Wert oder die Zeitverschiebung, die einem ausgewählten Wert der Funktion zugeordnet ist, beispielsweise der größte Kreuz-Korrelations-Koeffizient, wird als Repräsentation der Zeitverzögerung zwischen den empfangenen reflektierten Zirp-Signalen ge­ nommen. Die Prozessorschaltung kann den Verzögerungswert bei 30 abgeben oder intern den Wert β berechnen, der dann am Ausgang 30 anliegt.

Durch das Aussenden eines Signales zwecks Reflexion durch ein Zielobjekt als frequenzmodulierter Impuls erzeugt jeder Empfangs-Wandler ein Signal zum Ableiten einer leicht diskriminierbaren maximalen Kreuz-Korrelation und zur Ausführung der Kreuz-Korrelation zwischen den beiden empfangenen Signalen, ohne bezug ihres Zusammenhanges mit dem gesendeten Signal, wobei die Korrelations-Intervall-Zeitabschnitte, für welche Korrelations-Ver­ zögerungen (τ-Werte) anzupassen sind und für die die zugehörigen Rechen­ ergebnisse, die gespeichert werden, entsprechend zahlenmäßig reduziert werden oder mit größerer Auflösung definierbar sind, ohne übermäßige Zunahme der Kapazität.

Die Signalverarbeitung, die eine Abtastung des Signales und die Ausführung der Kreuz-Korrelation umfaßt, wird somit praktisch ausgeführt unter Ver­ wendung digitaler Techniken und Schaltungen mit solcher Schnelligkeit, daß sie in realer Zeit bewirkt wird und in Intervallen, die jedem Zeit­ abschnitt entsprechen aufdatiert werden kann.

Der Signalwert, welcher die Richtung β bezüglich der Achse 16 angibt, und der daher auf jede andere Achse durch die Vorrichtung in der Azimut­ ebene bezogen ist, kann zur Bestimmung der Objektposition und ihrer Bewegungsparameter verwendet werden, wie nachfolgend noch beschrieben wird.

Es wird unterstellt, daß der Winkel β eine Größe bezüglich der Achse 16 im dreidimensionalen Raum ist, d. h. der geometrische Ort der Richtungs­ vektoren beschreibt die Oberfläche eines Teils eines Konus, der um die Achse 16 erzeugt wird. Jedoch durch Begrenzung der Strahlbreiten der Sende- und oder Empfangswandler in der Höhe (elevation) oder durch Korrelation des Winkels, der in dieser Vorrichtung bestimmt worden ist, mit anderen Winkeln oder mit Bestimmungen von anderen Vorrichtungen, kann die Vorrichtung zwischen Objekten unterscheiden, die sich auf der Erde befinden und Objekten, die sich in der Luft befinden, und deshalb den Richtungswinkel interpretieren, der bestimmt wird als auf dem Erdniveau befindlich, und als Objektrichtung mit Bezug auf die Achse der Wandler in der Azimutebene. Beispielsweise können solche andere Vorrichtungen die Geschwindigkeit messen und feststellen, daß sie größer ist als dies für Erdfahrzeuge möglich ist, oder durch Emissionen vom Objekt feststellen, ob es ein Bodenfahrzeug oder ein Luftfahrzeug ist.

Die Empfangs-Wandler 11 und 12, auch bei einer ausgeprägten Richtungs­ antwort (response) wie bei Ultraschall-Frequenzen üblich, sprechen nur schwach auf Signale an, die aus allen Richtungen empfangen werden und es kann schwierig sein, aus den Signalen zu bestimmen, auf welcher Seite der Achse 16 das Objekt liegt.

Die Richtungszweideutigkeit kann ggf. behoben werden durch meachsnische Mittel, z. B. Leitbleche o. dgl., um die Abmessungen der Ansprechzone 19 oder den Emissions-Strahl des Ultraschall-Zirp-Signales zu begrenzen. Alternativ kann die Richtungs-Zweideutigkeit behoben werden durch die Verwendung von mindestens einem weiteren Empfangs-Wandler, um mit einem oder beiden der vorhadenen Wandler wenigstens ein weiteres Paar von Empfangs­ wandlern längs einer weiteren Achse zu schaffen, deren Signale wie oben verarbeitet werden, um ein weiteres Paar zweideutiger Peilwinkel bezüglich der oder jeder weiteren Paar-Achse zu schaffen, wobei die Zusammenhänge zwischen den Peilwinkeln und den Paar-Achsen Richtungen in der Vorrichtung (d. h. den Achsen zwischen den Wandlerpaaren) durch die Prozessorschaltung 24 verglichen werden, um die Zweideutigkeit der Peilrichtung zu beseitigen.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung ist nur begrenzt nutzbar, da sie nur eine begrenzte Ansprechzone aufweist, während allgemein eine Ansprechzone mit einem Azimutwinkel von 360° erwünscht ist.

Fig. 2 zeigt in Draufsicht eine alternative Form der Richtungs-Bestimmungs- Vorrichtung 40, die eine Richtungsbestimmung über 360° erlaubt.

Die Vorrichtung 40 hat drei Empfangs-Wandler 41, 42, 43 für akustische Ultraschall-Energie, die relativ zueinander und zur Vorrichtung so ange­ ordnet sind, daß sie in Betrieb in der Azimut-Ebene liegen und eine Mehr­ zahl von Empfangs-Wandlerpaaren 44, 45 und 46 bilden, wobei die Wandler jedes Paares einen Abstand längs einer zugeordneten Paar-Achse 47, 48 und 49 haben. Die drei Wandler sind symmetrisch im Abstand voneinander angeordnet und ihre Richtungen maximaler Empfindlichkeit sind durch die Pfeile 51, 52 und 53 angegeben und sie liegen in dieser Azimut-Ebene, die durch die Vor­ richtung definiert ist, und sie sind wechselweise divergent. Die Strahl­ winkel-Breiten der Wandler betragen wenigstens 300° im Azimut, so daß sie sich zur Richtung der maximalen Empfindlichkeit jedes benachbarten Wandlers erstrecken. Somit wird für jedes Paar eine gemeinsame Ansprechzone definiert zwischen ihnen und für die drei Paare benachbarter Wandler ergeben sich drei Ansprechzonen, die sich individuell über wenigstens 120° erstrecken, und sie sind begrenzt durch die sensitiven Achsen 51, 52 und 53.

Die Vorrichtung 40 emittiert einen Impulsstoß akustischer Energie, ein Ultraschall-Zirpen, in allen Richtungen in der Azimut-Ebene. Dies kann erfolgen mittels einer Steuereinrichtung 54 durch einen Oszillator/Treiber und einen einfachen Allrichtungs-Wandler, wie z. B. bei 55 dargestellt. Da jedoch Sende-Wandler, die mit Ultraschall-Frequenzen arbeiten, nicht ohne weiteres mit einer Strahlbreite von 360° im Azimut verfügbar sind und die Kosten und Komplexität spezieller Geräte vermieden werden soll, können, wie Fig. 2 zeigt, für die Sender drei Sende-Wandler 56, 57 und 58 vorge­ sehen werden, von denen je einer nahe bei den Empfangs-Wandlern 41, 42 und 43 entsprechend angeordnet ist und jeder eine im wesentlichen gleich ausgedehnte Azimut-Strahlbreite hat und mit dem zugeordneten Empfangs-Wandler richtungs­ mäßig ausgerichtet ist, oder es können Empfangs-Wandler mit Doppelfunktion, d. h. Sende/Empfangs-Funktion verwendet werden. Es ist zweckmäßig auch bei einer solchen Konstruktion, die Empfangs- und Sendeaspekte der Wandler separat zu berücksichtigen. Jeder Sende-Wandler kann seinen eigenen Oszillator/Treiber 59, 60, 61 separat durch die Steuereinrichtung 54 adressieren lassen, wodurch jeder Wandler in der Lage ist, einen ein­ deutigen Impuls-Stoß an Ultraschallenergie mit einer eindeutigen Ultra­ schall-Frequenz zu erzeugen oder einen Bereich von Frequenzen, über welchen der Impulsstoß moduliert wird, um ein Zirp-Signal zu bilden, oder durch eine eindeutige Modulations-Rate. Alternativ können alle Sende-Wandler identische Impuls-Stöße akustischer Energie erzeugen. In diesem letzteren Fall können die Wandler von derselben Quelle ange­ steuert werden.

Vorzugsweise werden die Ultraschall-Zirp-Signale von den drei Wandlern gleichzeitig emittiert, wobei das Frequenz-Wobbeln des Zirp-Signales die Interferenz zwischen den Signalen der akustischen Energie minimalisiert. Wenn es jedoch erwünscht ist, daß der emittierte Impuls nicht zirpen soll oder eine Konfusion entsteht zwischen den empfangenen Zeitverzögerungen für die reflektierte akustische Emission zwischen einem oder dem anderen Paar der Empfangs-Wandler, können die Sendeeinrichtungen so ausgebildet oder angeordnet sein, daß Ultraschall-Signale von jedem der drei Wandler emittiert werden, und zwar eines zu einem jeweiligen Zeitpunkt mit einem Intervall zwischen ihnen, das größer ist als die maximale Empfangsver­ zögerung zwischen irgend einem Paar der Empfangs-Wandler. Die Signalver­ arbeitungsschaltung 62 entspricht im wesentlichen der Schaltung 24 nach Fig. 1 und sie wird mit Bezug auf diese beschrieben, außer daß sie die drei empfangenen Signale verarbeitet in Zuordnung zu den drei Paaren von Empfangswandlern, wobei die Verarbeitung für jedes Paar parallel oder sequentiell ausgeführt wird, wenn entsprechende Verarbeitungszeit zur Verfügung steht.

Die oben beschriebene Anordnung stellt die Mindestzahl von Wandlern dar, die eine unzweideutige 360°-Azimut-Richtungsbestimmung für ein Erd-Objekt schaffen kann und die symmetrische Anordnung der Empfangs- (und Sende-) Wandler minimalisiert die erforderliche Strahlbreite für jeden.

Vorzugsweise sind die Strahlbreiten der einzelnen Empfangs-Wandler nicht wesentlich größer als 300°, so daß die Ansprechzonen sich nicht beträcht­ lich überlappen. Wie sich jedoch aus der Diskussion der Ausführungsform nach Fig. 1 ergibt, ist es wahrscheinlich, daß die Ultraschall-Energie in einigem Umfang von außerhalb der Strahlbreite erfaßt wird und eine Richtungszweideutigkeit bezüglich des Richtungswinkels auftreten kann, der in Bezug auf irgendeine der Achsen der Wandler-Paare bestimmt worden ist. Wie jedoch oben beschrieben, kann durch Winkelbestimmungen für wenigstens zwei, vorzugsweise die drei Wandlerpaare eine Richtungszwei­ deutigkeit leicht beseitigt werden.

Es kann sein, daß Wandler mit einer 300° Strahlbreite nicht immer zur Verfügung stehen, und deshalb eine größere Anzahl von Wandlern mit entsprechender schmalerer Azimut-Strahlbreite verwendet wird.

Fig. 3 zeigt in Draufsicht eine entsprechende Anordnung 65, bei der vier symmetirsch angeordnete Empfangs-Wandler 56-69 verwendet werden, von denen jeder eine effektive Azimut-Strahlbreite von mindestens 180° hat und jeder benachbart zu einem Sende-Wandler angeordnet ist, wie oben beschrieben wurde. Die empfindlichen Achsen 70-73 sind wiederum wechsel­ weise in der operativen Azimut-Ebene divergent und die Empfangswandler bilden vier benachbarte Wandlerpaare 74-77. In übriger Hinsicht ist die Wirkungsweise im wesentlichen dieselbe, wie bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2, mit der Ausnahme, daß eine Steuerschaltung 78 vorgesehen ist, welche eine Sendeeinrichtung mit vier Sende-Wandlern (emitter transducer) und einer Signalverarbeitungs-Schaltung 79 ansteuert, welche die Signale von den vier Paaren von Empfangs-Wandlern verarbeitet.

Eine höchste Genauigkeit wird erreicht durch Maximieren des Abstandes zwischen den Wandlern jedes Paares und es ist zweckmäßig, diese Empfangs- Wandler, und wenn geeignet, auch die Sende-Wandler symmetrisch längs des Umfangs eines Gehäuses 80 (Fig. 3) der Vorrichtung anzuordnen. Jedoch, wenn gewünscht, oder wenn die Abmessung der Vorrichtung hierzu nicht ge­ eignet ist, können die Empfangs-Wandler auch asymmetrisch angeordnet werden, vorausgesetzt, daß die Wandler jedes Paares einen Abstand voneinander haben.

Ein extremes Beispiel einer solchen Anordnung ist in Fig. 4 dargestellt, bei der die Empfangs-Sende-Wandler in einem langgestreckten Gehäuse 81 untergebracht sind. Vier Empfangs-Wandler 82-85 sind in Zweiergruppen angeordnet, wie dargestellt, wobei die empfindlichen Richtungen jeder Gruppe sich gegenüberliegen und durch Pfeile 86-89 entsprechend angegeben sind.

Wandlerpaare 90-93 sind vorgesehen, wie oben, wobei das Paar 90 (Wandler 82 und 83) eine gemeinsame Ansprechzone 94 hat, die hauptsächlich oben links der Achse des Paares liegt, das Paar 91 (Wandler 83 und 84) hat eine gemeinsame Ansprechzone 95 unten links, das Paar 92 (Wandler 84 und 85) hat eine gemeinsame Ansprechzone 96, hauptsächlich unten rechts und das Paar 93 (Wandler 85 und 86 hat eine gemeinsame Ansprechzone 97, hauptsäch­ lich oben rechts. Die von den Wandlern empfangenen Signale werden wie oben beschrieben verarbeitet, obwohl die Paar-Achsen nunmehr im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Wenn jedoch alle Wandler ansprechen unabhängig auf welcher Seite der Achsen das akustisch reflektierende Objekt liegt, können die relativen Stärken der Signalpegel in den Wandler- Paaren benutzt werden, um die Richtungszweideutigkeit zu beheben.

Die Auflösung oder Genauigkeit, mit der die Richtung bestimmt wird, hängt vom Abstand der Empfangs-Wandler ab. Eine Zunahme des Abstandes führt zu einem längeren Verzögerungsintervall, das mit größerer Genauigkeit ge­ messen werden kann, wogegen zur Erzeugung identischer Signale für die Erfassung der Wirkungen der Objektgröße und des Abstandes vom Objekt ein möglichst kleiner Abstand zwischen den Wandlern erforderlich ist, d. h. sie sollten effektiv zusammenfallen. Diese letzte Forderung wird etwas gemildert, wenn die Frequenz der akustischen Energie zunimmt, sowie im Ultraschallbereich und für entfernte Objekte, kann der Abstand der Wandler erhöht werden für eine wahlweise Winkelauflösung jenseits der Abmessungen des Gehäuses. Um in Betrieb einen solchen Abstand zu erreichen, können einige oder alle der Empfangs-Wandler auf einem Träger montiert sein, um sie außerhalb der Umgrenzung der Vorrichtung anzuordnen.

Fig. 5a zeigt schematisch einen Querschnitt der Vorrichtung 65 nach Fig. 3, wobei das Gehäuse 80 auf dem Boden 98 angeordnet ist und die obere Fläche des Gehäuses 80′ (entsprechend der Ebene 13 von Fig. 1) definiert in seiner Betriebsanordnung eine Azimut-Ebene, auf der die Empfangswandler ange­ ordnet sind, von denen drei 66, 67 und 69 sichtbar sind, und die Richtung der maximalen Empfindlichkeit des Wandlers 66 normal zur Zeichenebene liegt. Die Wandler sind in den dargestellten relativen Positionen fixiert und die Abstände zwischen ihnen auf einen bekannten Wert eingestellt mit großer Genauigkeit während der Herstellung und bleiben so nach der Aufstellung des Gehäuses. Wenn ein größerer Wandler-Abstand erforderlich ist, dann können, wie Fig. 5b zeigt, die Wandler auf einem Träger mit Armen 99 montiert sein, die sich über die Umgrenzung des Gehäuses hinaus erstrecken, beispielsweise durch Schwenken oder durch teleskopische Aus­ lenkung während oder nachfolgend auf die Aufstellung der Vorrichtung 65.

Obwohl jede Messung zur Richtungsbestimmung auf der Basis der Emission eines einzigen Impuls-Stoßes an akustischer Energie durchgeführt wird, die von einem Objekt in der Ansprechzone reflektiert wird, arbeitet die Steuereinrichtung derart, daß allgemein Impulsstöße aus akustischer Energie periodisch abgegeben werden, bis und ggf. nachdem ein Objekt erfaßt und seine Peilung bezüglich der Vorrichtung bestimmt worden ist. Wenn die Richtungsbestimmung auf ein Objekt begrenzt werden soll, das akustische oder eine andere Energie abgibt, wie z. B. ein Fahrzeug, können Detektor­ einrichtungen für diese emittierte Energie, beispielsweise ein Mikrofon, in der Vorrichtung vorgesehen sein, das auf die Feststellung des Vorhanden­ seins eines solchen emittierenden Objektes anspricht und die Richtungs­ bestimmung der Vorrichtung aktiviert.

Diese Wirkungsweise kann vorgezogen werden, wenn Emissionen von der Vorrichtung fehlen, bis ein Objekt geeigneter Form vorhanden ist, wo­ durch der Energieverbrauch auf ein Minimum gedrückt und demgegenüber die Lebens- oder Betriebszeit der Vorrichtung maximalisiert wird und meßbare Impulse von Energie nicht unnötigerweise emittiert werden.

Bisher wurde davon ausgegangen, daß irgendein Objekt durch die Emission eines Impulses aus Ultraschall-Energie festgestellt wird. Man trifft je­ doch häufig auf Situationen, bei denen es notwendig ist, ein neu ange­ kommenes und ggf. sich bewegendes Objekt zu erfassen.

Häufig unterscheidet sich auch die Form des empfangenen Signales beträchtlich von derjenigen des emittierten Signales, da es ein Gemisch aus Reflexionen von umgebenden Objekten in unterschiedlichen Abständen ist, und daher zu unterschiedlichen Zeiten und mit variierenden Amplituden ankommt. Wenn ein zusätzliches Objekt eingeführt wird, wird das von beiden Wandlern empfangene komplexe Signal durch sie modifiziert und die Kreuz-Korrelations- Funktion, die zwischen ihnen abgeleitet wird, erlaubt in der Theorie eben­ falls die Bestimmung der Richtung des Objektes. Es ist jedoch unwahrschein­ lich, daß die von jedem Wandler von Umgebungsobjekten empfangenen Signale gleich sind, daher kann die Kreuz-Korrelations-Funktion als Ganzes eine geringe Korrelation anzeigen, trotz starker Korrelation des Signalteils, der eine Folge der Reflexion von dem neu eingeführten Objekt ist. Um diesen Effekten zu begegnen, wenn die Vorrichtung zum erstenmal zum Ein­ satz gelangt, kann es zweckmäßig sein, die Umgebung zu beobachten oder abzutasten mit einem oder vorzugsweise einer Reihe von Emissionen und beispielsweise durch Summierung der empfangenen Signale, die Form des reflektierten Signales zu bestimmen, das bei Abwesenheit irgendeines eindringendes Objektes zu erwarten ist. Die Ergebnisse einer solchen Umgebungsüberwachung können dann als ein repräsentatives Rücksignal ge­ speichert werden.

Wenn danach, beispielsweise durch Triggerung eines zusätzlichen Sensors, die Vorrichtung erneut eines oder mehr Ultraschall-Zirp-Signale emittiert, kann die Form des von jedem Wandler empfangenen Signales verglichen werden mit dem gespeicherten Signal, z. B. durch einfache Subtraktion, wodurch ein Signal einfacher Form für das Verfahren der Kreuz-Korrelierung übrigbleibt.

Die Auflösung oder Bestimmung der Azimut-Richtungs-Zweideutigkeiten mit Hilfe von Paaren von Wandlern, die längs geneigter Achsen in der Azimut­ ebene angeordnet sind, kann erweitert werden auf die Bestimmung von Höhen-Zweideutigkeiten, beispielsweise um nur auf Erd-Objekte anzusprechen, durch Verwendung von wenigstens einem Empfangswandler, der gegen die Ebene der anderen Wandler versetzt ist, um mit einem oder mehr von diesen wenigstens ein weiteres Wandlerpaar zu bilden, dessen oder deren Achsen sich aus der Azimut-Ebene hinauserstrecken. Die Erweiterung der Messung von der Azimut- Ebene auf den dreidimensionalen Raum bedingt nur bekannte geometrische Änderungen und erfordert keine weitere Beschreibung.

Die beschriebene Azimut-Richtungs-Bestimmungsvorrichtung kann benutzt werden als Fern-Meßgerät, um eine Objektpeilung an einen entfernten zentralen Auswertungsplatz zu geben, über Kabel oder drahtlos. Die vorbeschriebene Vorrichtung erlaubt eine Richtungsbestimmung bezüglich einer Achse, z. B. der Achse eines Wandler-Paares in der Vorrichtung. Der Apparat kann hierzu in vorgegebener Ausrichtung angeordnet werden oder er kann einen Kompaß o. dgl. enthalten, um die Richtung der Vorrichtung bezüglich der Erdkoordinaten in der Azimut-Ebene zu bestimmen. Alternativ kann er in einer Vorrichtung zur Bestimmung der Objekt-Position eingebaut sein, welche außer der Be­ stimmung der Azimut-Richtung bezüglich einer oder mehr Achsen den Abstand des Objektes von der Vorrichtungs längs der Peilrichtung bestimmt, d. h. seine Entfernung.

Eine solche Positions-Bestimmungs-Vorrichtung ist in Fig. 6 bei 100 darge­ stellt und sie umfaßt die Richtungs-Bestimmungs-Vorrichtung nach Fig. 3, deren Elemente dieselben Bezugszeichen haben.

Zusätzlich zu der letzteren ist eine weitere Prozessorschaltung 101 vorge­ sehen zum Empfang von Signalen, die von wenigstens einem der Empfangs- Wandler eines Paares geliefert werden, zweckmäßigerweise über die Prozessor­ schaltung 79, von der die Objektrichtung bestimmt wird.

Jeder Empfangswandler hat oder ist benachbart angeordnet zu einem Sende- Wandler (emitter transducer) und für jedes Ultraschall-Zirp-Signal, das von dem Sender emittiert wird, liefert der empfangende Wandler ein Empfangs­ signal mit einer Zeitverzögerung Null. Dieses Signal kann an die weitere Prozessorschaltung als ein Bezugssignal gelegt werden, das repräsentativ ist für die Form des emittierten Zirp-Signales, vorzugsweise und insbesondere wenn jeder Empfänger und jeder Sender durch eine einzige Wandler-Komponente gegeben ist, wird das Bezugssignal als Aufzeichnung seiner Form in einem nichtgezeigten Speicher gespeichert, der in der Prozessorschaltung 101 enthalten ist. Wenn der empfangende Wandler dann Energie von dem Zirpen empfängt, das von einem Objekt reflektiert worden ist, welches ein Energie- Signal empfangen hat, wird es außer an die Prozessorschaltung 79 auch an die weitere Prozessorschaltung 101 gelegt.

Wie oben erwähnt, ist das Prinzip der Bestimmung der Laufzeit eines reflektierten, frequenzmodulierten Zirp-Impulses durch Kreuz-Korrelierung gesendeter und empfangener Signale an sich bekannt und in der oben ge­ nannten PCT-Anmeldung WO 81/00 456 beschrieben. Die Richtungsbestimmung- Vorrichtung, die hier beschrieben ist, ist geeignet, eine Entfernungs­ messung durchzuführen unter Verwendung dieser Prinzipien, wie nachfolqend beschrieben wird und sie ermöglicht die Ausführung weiterer Schritte oder Merkmale, die Gebrauch von der Richtungsbestimmung und der Ent­ fernungsmessung einschl. der Position machen. Das Verfahren zur Hand­ habung des empfangenen reflektierten Signales und des Bezugssignales ist zunächst ähnlich demjenigen, das durch die Verarbeitungsschaltung ausgeführt wird, d. h. jedes empfangene Signal wird digitiert in zeit­ bezogene Abtastwerte mit der Option zur Durchführung einer digitalen Schnell-Fourier-Transformation. Wenn das Bezugssignal in der Prozessor­ schaltung gespeichert wird, können einer oder beide dieser Schritte für das Bezugssignal weggelassen werden durch Speicherung des letzteren in entsprechender Form. Insoweit diese anfänglichen Verarbeitungsschritte gemeinsam sind für die Prozessorschaltung und die weitere Prozessor­ schaltung brauchen sie nur einmal ausgeführt zu werden und die weitere Prozessorschaltung wird mit der geeigneten digitalen Darstellung des Bezugssignales und der reflektierten Signale für den oder jeden Empfangs- Wandler versorgt.

Die weitere Prozessorschaltung macht dann eine digitale Kreuz-Korrelierung für eine Mehrzahl von Zeitsetzungen, aus der die Zeitversetzung (τ-Wert) entsprechend der gesamten Laufzeit des reflektierten Zirp-Signales bestimmt werden kann. Die weitere Prozessorschaltung differiert dann insoweit als sie die Hälfte der gemessenen Laufzeit mit der Geschwindigkeit der Ultra­ schall-Energie durch die Atmosphäre multipliziert, deren Wert gespeichert oder bei 102 berechnet wird, um die Entfernung des Objektes vom Empfänger zu bestimmen. Die Abmessungen der Vorrichtungen sind klein mit Bezug auf die Entfernungen des Objektes und die gemessene Entfernung vom Empfangs­ wandler kann betrachtet werden als geeignete Repräsentierung der Entfernung von jedem Teil der Vorrichtung. Alternativ kann der Abstand zwischen irgend­ einem besonderen Teil der Vorrichtung und dem empfangenden Wandler, und falls notwendig irgendein Abstand zwischen Sender und Empfänger, bei der Bestimmung der Entfernung genauer berücksichtigt werden.

Ferner kann die Entfernung in mehr als einem Wandler bestimmt werden, sowohl wenn ein praktisch koinzidenter Sende-Wandler und ein separater Sende-Wandler wirksam sind.

Das oben beschriebene Verfahren zur Entfernungsbestimmung unterstellt, daß die Kreuz-Korrelierung einfach die Zeitverzögerung zwischen dem Empfang der emittierten und reflektierten Ultraschall-Zirp-Signale bestimmt. Fig. 7a zeigt eine typische Zeitbereichs-Wellenform eines frequenzmodulierten Ultraschall-Zirp-Signales. Es kann nicht erwartet werden, daß die Form des empfangenen Signales ein entsprechendes und leicht identifizierbares Zirp-Signal enthält und außer den Reflexionen von Umgebungsobjekten, wie oben diskutiert, kann es noch andere Anteile enthalten und es kann verschmiert oder verzerrt sein infolge eines mehr­ fachen oder mehrbahnigen Empfangs und prinzipiell auch wegen einer mehrfachen Reflexion an verschiedenen Oberflächenteilen eines drei­ dimensionalen Objektes unterschiedlicher Tiefen, d. h. akustisch re­ flektierender Oberflächen, die leicht unterschiedliche Entfernungen von der Vorrichtung haben. Es ist zweckmäßig, diese Effekte der statischen Umgebungsobjekte zu ignorieren, welche leicht entfernt werden können durch bezug auf ein Bezugsrücksignal, das bei einer anfänglichen Beobachtung und Oberprüfung der Umgebung gespeichert worden ist. Berücksichtigt man die Effekte eines neu angekommenen Objektes, wenn dieses beispielsweise ein Fahrzeug ist, so kann das reflektierte Signal in der Praxis die in Fig. 7b gezeigte Form haben, die praktisch eine Reihe von reflektierten Zirp-Signalen umfaßt infolge dieser Oberflächen mit unterschiedlichen Tiefen, die in leicht unterschiedlichen Zeiten und mit unterschiedlichen Amplituden ankommen. Wenn das Objekt eine besonders komplexe Oberflächen­ struktur hat, können die reflektierten Zirp-Signale noch komplexer sein.

Während die Form der empfangenen Signale die Richtungsbestimmung nicht berührt, da dasselbe Signal von beiden Empfangs-Wandlern eines Paares gerade mit einer Zeitverzögerung empfangen wird, ist es bei der Bestimmung der Entfernung notwendig, eine Kreuz-Korrelierung zwischen dem sauberen emittierten Zirp-Signal und dem nach der Reflexion verschmierten empfangenen Zirp-Signal vorzunehmen.

Durch die Kreuz-Korrelierung zwischen dem emittierten und dem reflektierten Zirp-Signal wird eine Korrelations-Funktion erzeugt, die schematisch in Fig. 7c gezeigt ist.

Man erkennt, daß die Korrelierungs-Funktion eine Reihe von gut abgegrenzten Spitzen aufweist, welche in unterschiedlichen Korrelierungs-Zeit-Versetzungen (τ-Werten) vorhanden sind, bezogen auf die Laufzeiten der individuell reflektierten Zirp-Signale, die zu dem Gesamtsignal im Empfangs-Wandler führen.

Die Prozessorschaltung 101 kann so ausgeführt sein, daß sie den τ-Wert auswählt, der dem höchsten Wert der Korrelierungs-Funktion zugeordnet ist, d. h. effektiv die am stärksten reflektierende Oberfläche, um die Position des Objektes zu definieren. Das Verfahren zur Bestimmung der Entfernung ist mit Ausnahme der detaillierten Bestimmung der Kreuz-Korrelations-Funktion, im wesentlichen wie in der oben erwähnten Anmeldung WO 81/00 456. Gemäß der Erfindung können andere oder zusätzliche Kriterien benutzt werden, um zu bestimmen, welcher τ-Wert ausgewählt wird zur Bestimmung der Objektposition. Wenn beispielsweise angenommen wird, daß das Objekt ein Fahrzeug ist, das reflektierte Ultraschall-Signale von seinem Hauptkörper und irgendwelchen Anhängseln in der Größenordnung der Hälfte seiner Tiefe abgibt, dann kann der größte τ-Wert (übereinstimmend mit einem Bereich von τ-Werten, die auf die Größenordnung der Fahrzeugabmessungen bezogen werden können) ausge­ wählt werden als dem Abstand der Mitte des Objektes entsprechend.

Andere Kriterien können angewendet werden zur Festlegung eines τ-Wertes ab­ hängig von irgendeiner anderen Messung oder Annahmen, die mit Bezug auf die Struktur oder Größe des Objektes gemacht werden. Beispielsweise können Korrelierungs-Koeffizienten oberhalb eines Schwellwertes, d. h. der Spitzen, auf τ-Werte bezogen werden, und mit Gruppen von τ-Werten für die Korrelierungs-Koeffizienten bekannter Objekte verglichen werden, um aus den reflektierten Signalen den Typ des Objektes zu erkennen und damit den Abstand irgendeines Punktes an einem solchen Objekt.

Die Messung der Entfernung an sich ist effektiv die Messung einer Laufzeit zwischen einem direkt empfangenen emittierten Zirp-Impuls oder einem ge­ speicherten Äquivalent und reflektierten Zirp-Signalen, und diese Messung kann durch jede geeignete Methode ausgeführt werden.

Die Messung der Entfernung kann ausgeführt werden durch Verarbeitung von Signalen, die von mehr als einem Empfangs-Wandler empfangen werden auf­ grund der Emission eines spezifischen Zirpsignales, und aus Veränderungen zwischen den Laufzeiten oder den hieraus bestimmten Entfernungen können Durchschnitte gebildet werden oder anderweitig kombiniert werden, um eine verbesserte Entfernungsmessung zu erreichen.

Merkmale, die den verschiedenen Prozessorschaltungen gemeinsam sind, brauchen im allgemeinen nicht doppelt durchgeführt zu werden. Wenn jedoch die Ver­ arbeitungszeiten nicht von Wichtigkeit sind, können die Korrelierungs­ operationen für die Richtung und die Entfernung vorzugsweise gleichzeitig durchgeführt werden, und aus diesem Grund werden sie am besten in einem programmierten digitalen Computer ausgeführt, der auch die anderen einfachen mathematischen Beziehungen durchführt, die notwendig sind, um die abgeleiteten Zeitverzögerungen in Peilwinkel und Entfernung umzurechnen.

Die Vorrichtung 100 für die Bestimmung der Position, d. h. Peilung und Entfernung eines akustisch reflektierenden Objektes, wie z. B. eines Fahrzeuges, kann selbst als Sensor benutzt werden, um eine Information an eine zentrale Aus­ wertungsstelle zu geben oder sie kann einen Teil einer Vorrichtung zu Be­ stimmung von Bewegungs-Parametern für ein so gemessenes oder erfaßtes Objekt bilden. Insbesondere kann eine solche Vorrichtung zur Bestimmung von Bewegungs- Parametern die Position des Objektes bezüglich der Vorrichtung in vorgegebenen Intervallen bestimmen, die so kurz sein können, daß eine kontinuierliche Be­ stimmung bewirkt wird, und sie kann Bewegungs-Verarbeitungs-Schaltungen um­ fassen, um aus den Objekt-Positionen, die in diesen Intervallen bestimmt worden sind, dessen Kurs und Geschwindigkeit bezüglich der Vorrichtung zu berechnen.

Die Vorrichtung zur Bestimmung von Bewegungs-Parametern ist schematisch in Fig. 8 bei 110 gezeigt und sie umfaßt im wesentlichen die Vorrichtung 100 nach Fig. 5 zu Bestimmung der Position mit der Verarbeitungsschaltung 79 und der weiteren Verarbeitungsschaltung 101.

Die Vorrichtung hat eine Verarbeitungsschaltung 111 für die Bewegungsparameter zum Empfang von Daten über Peilung und Entfernung des Objektes von den Prozessorschaltungen 79 und 101.

Die Position des Objektes wird wiederholt bestimmt, ausgedrückt durch seinen Peilwinkel β in bezug zu einer Achse, beispielsweise 112, die durch die Vor­ richtung definiert ist, und der Entfernung R im Peilungswinkel, angegeben durch eine Gruppe von Vektoren 113, 114, 115, 116 etc., die der Draufsicht überlagert sind, wodurch sich Positionen ergeben, die durch die Parameter β₁, R₁, β₂, R₂, β₃, R₃ etc. definiert sind.

Die Verarbeitungsschaltung für die Bewegungsparameter verwendet die Parameter in bekannter Weise, um aus einer Änderung der Objekt-Position den Kurs 107 des Objektes und aus der Rate der Änderung der Position seine Geschwindigkeit zu berechnen. Die Prozessorschaltung kann auch aus Kurs und Geschwindigkeit den nächsten Annäherungspunkt des Objektes an die Vorrichtung und die Zeit, in der das Objekt diesen Punkt erreicht, vorausbestimmen.

Die mathematischen Schritte zur Ausführung dieser Operationen bezüglich der Bewegungsparameter sind an sich bekannt und bedürfen keiner weiteren detail­ lierten Beschreibung. Auch die erforderlichen Berechnungen werden zweckmäßiger­ weise in einem digitalen Computer ausgeführt und brauchen hier nicht be­ schrieben zu werden, wobei die Art der Ausführung der Berechnungen im einzelnen von der Art des Computers abhängt.

Die Vorrichtung zur Bestimmung der Bewegungs-Parameter, die die oben ge­ schriebene Vorrichtung zur Bestimmung der Position enthält, kann beispiels­ weise in einem Waffensystem verwendet werden, z. B. in einer Landmine, die selbst detoniert oder ein separat detonierendes Geschoß abfeuert, wenn es die Annäherung eines Objektes feststellt. Fig. 9 zeigt einen Schnitt durch eine Landmine, die am Boden angeordnet ist. Die Mine 115 hat ein Gehäuse 116 mit einer Sprengladung 117. Das Gehäuse enthält die Bewegungs- Bestimmungs-Vorrichtung 110 nach Fig. 8 und es hat eine obere Fläche 118, auf der die Empfangs-Wandler 66-69 angeordnet sind, die derart angeordnet sind, daß wenn die Mine operativ in besonderer Ausrichtung angeordnet oder nur in Position angeordnet ist, eine im wesentlichen horizontale Lage an­ nimmt, um eine Azimut-Ebene für die Vorrichtung zur Richtungsbestimmung zu bilden.

Wenn anzunehmen ist, daß die Lage der Vorrichtungen insbesondere die der Ebene der Oberfläche 118 nicht in der Azimut-Ebene liegt und daher ange­ nommen werden muß, daß der gemessene Richtungswinkel nicht die Azimut- Peilung darstellt, kann die Vorrichtung mit einem Neigungsmesser versehen sein, der die Ebene der Empfangs-Wandler auf die Azimut-Ebene bezieht und die gemessene Winkelrichtungen in Azimut-Peilungen umformt.

Im Betrieb bestimmt das Waffensystem im wesentlichen aus den wiederholten Peilungs- und Entfernungsmessungen die voraussichtliche Ankunftszeit des Objektes und wann dieses innerhalb des wirksamen Bereiches der Sprengladung liegt. Zu einem Zeitpunkt, ehe das Zielobjekt den nächsten Punkt erreicht, wird die Sprengladung, die eine eigene Detonierungs-Zeitverzögerung hat, betätigt, um wirksam gegen das Objekt eingesetzt zu werden, wenn dieses den Annäherungspunkt erreicht hat. Die Berechnung dieser Zeitverzögerungen be­ dingt die Anwendung der Bewegungsgesetze, wie an sich bekannt, und obwohl abhängig von der Art der Gefechtsladung und den verwendeten Größen und Abständen, sind detaillierte Erläuterungen hier nicht erforderlich zum Ver­ ständnis einer solchen Waffe, die durch den oben beschriebenen Mechanismus der Vorrichtung zur Bestimmung der Bewegungs-Parameter charakterisiert ist.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen machen alle Gebrauch von einem Impuls akustischer Energie, der mit Ultraschall-Frequenzen und frequenz­ moduliert emittiert wird. Obwohl das Frequenz-Spektrum nicht fundamental für die Prinzipien der Wirkung ist, erlaubt die Wahl eine Optimierung der Vorrichtung für die Bestimmung der Richtung oder für die Bestimmung der Bewegungsparameter bzw. eine Optimierung einer Waffe, die eine solche Vor­ richtung enthält.

Ein Rauschen aufgrund von Umgebungsobjekten kann durch eine anfängliche Beobachtung und Abtastung der Umgebung eliminiert werden durch Unter­ scheidung des empfangenen Signals von dem Teil des akustischen Frequenz­ spektrums, das die Strahlung vom Objekt enthält, kann die Kreuz-Korrelation einfacher durchgeführt werden, und es ist eine bessere Identifizierung der relavanten Kreuz-Korrelations-Zeitverschiebung (τ-Wert) möglich.

Akustische Sender sind physikalisch nicht in der Lage, so zu schwingen, daß sie einen Energieimpuls emittieren, der kürzer ist als in der Größen­ ordnung von 100 Hz, was bedeutet, daß die Mindestdauer des Impulses auch eine Funktion der Schwingungsfrequenz ist.

Um eine Kreuz-Korrelation zwischen emittiertem und reflektiertem Impuls für die Entfernungsbestimmung zu erhalten, muß die reflektierte Zirp-Strahlung die Frequenz-Eigenschaften des emittierten Signales behalten, auch wenn das Signal durch Mehrfachreflexion beeinflußt wird, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Ferner soll der Impuls von kurzer Dauer bezüglich einer Änderung der Position des Objektes während der Reflexionszeit sein, d. h. in Bezug auf die Geschwin­ digkeit des Objektes, so daß der Impuls ganz und mit vernüftiger Genauigkeit reflektiert wird. Die Objektgeschwindigkeiten mit denen die Positionsbe­ stimmungs-Vorrichtung arbeiten kann, ist deshalb eine Funktion der Impuls­ länge und der Frequenz der akustischen Energie.

Die atmosphärische Dämpfung der akustischen Energie ist jedoch ebenfalls eine Funktion der Frequenz und stellt eine praktische obere Grenze für die nutzbaren Frequenzen dar. Eine solche obere Grenze kann in der Praxis die Entfernungsbestimmung begrenzen auf Objekt-Geschwindigkeiten unterhalb den­ jenigen, die für die meisten Luftfahrzeuge erforderlich sind, wodurch eine Begrenzung auf Erdfahrzeuge möglich wird, deren Richtungswinkel korrekt als Azimut-Peilungswinkel mit Bezug auf die Vorrichtung definiert und bestimmt werden können. Die Ultraschall-Frequenz kann gewählt werden, um den maximalen Erfassungsbereich in Übereinstimmung mit der atmosphärischen Dämpfung zu begrenzen.

Dies kann besonders wichtig sein mit Bezug auf die oben beschriebene Waffe. Bei einer solchen Anordnung kann auch der Mindestbereich der Objektbestimmung wichtig sein und von der relativ kleinen Geschwindigkeit der akustischen Energie durch die Atmosphäre abhängig, ferner von der Dauer des emittierten Impulses und der erforderlichen Verarbeitungszeit der empfangenen Signale. Außer dem ersten können diese Parameter variiert werden bzw. optimiert durch Wahl einer hohen Frequenz (des kürzestmöglichen Impulses), die frei ist von Störungen aufgrund natürlicher Objekte.

Obwohl die vorstehende Beschreibung anhand von Ultraschall-Frequenzen ausgeführt wurde, die bei Fahrzeugen auftreten, sind die Prinzipien und Methoden der Erfindung auch für eine akustische Strahlung in jedem Frequenzband anwendbar, bei welchem ein Impuls frequenzmodulierter Energie emittiert wird, dessen Dauer einer Kreuz-Korrelierung mit den Reflexionen von einem Objekt unterzogen wird.

Claims (10)

1. Akustische Vorrichtung zum Bestimmen der Richtung eines Objektes mit einer Mehrzahl von Empfangs-Wandlern für akustische Energie, die elektrische Signale aufgrund des Empfangs dieser Energie er­ zeugen und die so angeordnet sind, daß ihre Richtungen maximaler Empfindlichkeit im wesentlichen in der Azimut-Ebene liegen, um wenigstens ein Paar-Wandler zu bilden, die einen bekannten Abstand längs ihrer Achse haben, wobei die Strahlbreiten, um die die Wandler sich überlappen, eine gemeinsame Ansprechzone für die oder jedes Paar akustischer Sender bilden, die akustische Energie in die An­ sprechzone emittieren, auf welche die Empfangs-Wandler ansprechen, ferner mit Steuerschaltungen für die Sender, um einen Impuls einer frequenzmodulierten akustischen Energie zu emittieren, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Prozessorschaltungen vorgesehen sind zum Empfang von Signalen, die von den Empfangs-Wandlern eines Paares aufgrund der Reflexion des Impulses der akustischen Energie durch ein Objekt in der Ansprechzone abgegeben werden, wobei die Prozessorschaltungen diese Signale kreuz-korrelieren, die von den Wandlern über einen Be­ reich von Zeitversetzungen zwischen den Signalen empfangen worden sind, in welchem Bereich die Signal-Empfangverzögerung zwischen Wandlern zu erwarten ist, um eine Kreuz-Korrelations-Funktion zu definieren, und von dieser eine Versetzungszeit abzuleiten, die repräsentativ für die Verzögerung des Signalempfanges zwischen den empfangenen Wandlern ist und auf die Zeitverzögerung, die Geschwindigkeit der akustischen Energie zwischen der Vorrichtung und dem Objekt und dem bekannten Abstand zwischen den Wandlern anspricht, um die Größe des Winkels zwischen der Achse der Wandler und dem Objekt zu bestimmen, ferner mit Einrichtungen, um eine Zweideutigkeit der Richtung bezüglich dieser Achse aufzuheben und ein Signal abzugeben, das den Azimut- Peilungswinkel des Objektes bezüglich der Vorrichtung anzeigt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ richtung zur Aufhebung der Richtungs-Zweideutigkeit bezüglich dieser Achse Einrichtungen aufweist, die auf Azimut-Peilungs-Signale an­ sprechen, die von wenigstens einem anderen, im Abstand liegenden Paar von Empfangs-Wandlern bestimmt worden sind, wobei die Achsen dieser Wandler-Paare relativ zueinander in einem vorgegebenen Azimut- Winkel liegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 zur Bestimmung der Richtung über einen Winkel von 300° im Azimut, gekennzeichnet durch wenigstens drei Empfangs-Wandler für akustische Energie, die symmetrisch ange­ ordnet sind und ihre Richtungen maximaler Empfindlichkeit wechsel­ weise divergent sind, wobei die Strahlbreite jedes Empfangs-Wandlers sich wenigstens zwischen den Richtungen der maximalen Empfindlichkeit jedes benachbarten Wandlers erstreckt, um mit jedem benachbarten Wandler ein Wandler-Paar zu bilden und eine Mehrzahl von Wandler- Paaren zu schaffen, deren individuelle gemeinsamen Ansprechzonen sich nicht überlappen und zusammen 360° im Azimut überdecken.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die akustischen Sender eine Mehrzahl von Sende-Wandlern umfassen, von denen jeder enthält oder wenigstens nahe bei einem individuellen Empfangs-Wandler angeordnet ist, mit einer im wesentlichen gleich ausgedehnten Strahlbreite, und daß die Steuereinrichtung die gleich­ zeitige Emission von jedem Sende-Wandler bewirkt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine periodische Emission eines Impulses akustischer Energie veranlaßt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die akustische Energie in einem Teil des Frequenz­ spektrums liegt, der gegen die normalen Betriebs-Emissionen eines zu erfassenden Objektes versetzt ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens einer der Empfangs-Wandler auf einer be­ weglichen Einrichtung montiert ist und außerhalb der Umgrenzung des Gehäuses der Vorrichtung angeordnet werden kann.

8. Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Objektes mit einer Vorrichtung zur Bestimmung der Richtung eines Objektes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Prozessorschaltung mit Einrichtungen für eine Kreuz-Korrelierung, um wenigstens eine Darstellung des emittierten Impulses akustischer Energie mit der­ jenigen über Kreuz zu korrelieren, die durch den Gegenstand über einen Bereich von Zeitversetzungen zwischen Emission und Empfang reflektiert worden ist, in welchem Bereich die Laufzeit des reflektierten Impulses zu erwarten ist, um eine Kreuz-Korrelierungs- Funktion zu definieren in Form einer Gruppe von Kreuz-Korrelierungs- Koeffizienten, die den Zeitversetzungen zugeordnet sind, und um aus der Zeitversetzung, die einem ausgewählten Wert dieser Kreuz- Korrelierungs-Funktion zugeordnet ist, die Laufzeit des reflektierten Impulses zu bestimmen, abhängig von der Geschwindigkeit der akustischen Energie zwischen Vorrichtung und Objekt und dem Abstand in der Vor­ richtung zwischen dem Sender und dem Empfangs-Wandler, sowie ab­ hängig von der Peilrichtung des Objektes bezüglich der Vorrichtung, um den Abstand des Objektes von der Vorrichtung zu bestimmen, gekennzeichnet durch Einrichtungen, um aus einer Mehrzahl von Korrelierungs-Koeffizienten, die ein Anzeichen für die Reflexion von akustischer Energie von verschiedenen Oberflächen des Objektes sind, einen Koeffizienten zu bestimmen, der repräsentativ für eine effektive Position eines Teils des Objektes relativ zur Vorrichtung ist.

9. Vorrichtung zur Bestimmung der Bewegung eines Objektes mit einer Vorrichtung zur Bestimmung der Richtung des Objektes mach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer weiteren Prozessorschaltung, die auf den Positionszusammenhang zwischen den akustischen Sendern und wenigstens einem Empfangs-Wandler anspricht, sowie auf eine Zeit­ verzögerung zwischen der Emission eines Impulses akustischer Energie und dem Empfang der Energie, die von einem Objekt reflektiert worden ist, um die Entfernung von wenigstens einem Teil des Objektes von dem Empfangs-Wandler zu bestimmen, gekennzeichnet durch eine Bewegungs- Prozessorschaltung zur Bestimmung der Position eines Objektes mit Bezug auf die Vorrichtung als Funktion der Zeit und um aus einer zeitlichen Veränderung der Objekt-Position den Kurs und die Geschwindigkeit des Objektes relativ zu der Vorrichtung zu bestimmen und die Position und die Zeit eines nächsten Annäherungspunktes des Objektes an die Vorrichtung vorauszubestimmen.

10. Waffensystem mit einem Gehäuse, mit einer Sprengladung, das operativ auf der Erde angeordnet werden kann, gekennzeichnet durch eine Be­ wegungs-Bestimmungs-Vorrichtung nach Anspruch 9, sowie mit einer Zündeinrichtung für die Sprengladung, welche auf die Vorausbe­ stimmung des nächsten Annäherungspunktes und die Arbeits-Parameter der Sprengladung anspricht, um diese zu zünden, um das Objekt in seinem nächsten Annäherungspunkt zu zerstören.