DE4212072C2 - Verfahren zum Detektieren und Klassifizieren von Schallquellen, insbesondere von Fahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren und Klassifizieren von Schallquellen, insbesondere von Fahrzeugen, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Bei einem solchen bekannten Verfahren (DE 38 40 732 A1), das in einer auf Kettenfahrzeuge ansprechenden Weckvorrichtung zum Aktivieren von panzerbrechenden, stationären Landminen angewendet wird, wird das Kettenfahrzeug dadurch detektiert, daß der Empfangspegel des Geophons einen voreingestellten Referenzpegel übersteigt. Da der Referenzpegel so gewählt ist, daß er nicht von dem durch die leichteren Radfahrzeuge erzeugten Empfangspegel überschritten werden kann, ist damit eine Klassifizierung des detektierten Fahrzeugs als Kettenfahrzeug verbunden. Aufgrund der Abhängigkeit des Empfangspegels des Geophons von der Bodenbeschaffenheit am Ausbringungsort, muß der Referenzpegel an die Bodenbeschaffenheit adaptiert, d. h. angepaßt, werden. Ein Maß für die jeweilige Bodenbeschaffenheit ist die am Ausbringungsort gemessene seismische Ausbreitungsgeschwindigkeit. Diese kann als Kreuzkorrelationsfunktion der Ausgangssignale des Geophons und eines dazu im bekannten Abstand angeordneten zweiten Geophons bestimmt werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß trotz dieser Referenzpegeladaption mittels der am Ausbringungsort gemessenen seismischen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Bodenschallwellen die erzielbare Detektionswahrscheinlichkeit und Falschalarmrate noch unbefriedigend sind, insbesondere dann, wenn man das Verfahren auf Detektion und Klassifizierung unterschiedlicher Fahrzeuge, wie Rad- und Kettenfahrzeuge verschiedener Bauart, ausdehnen will.

Bei einem bekannten Verfahren zur Klassifizierung von Landfahrzeugen (US 4 604 738) werden ein Mikrophon und ein Geophon verwendet, die den vom Landfahrzeug erzeugten Boden- und Luftschall aufnehmen. Das vom Geophon aufgenommene seismische Signal wird mittels des vom Mikrophon aufgenommenen akustischen Signals in eine Signalkomponente, die eine Funktion des Rayleigh-Anteils des seismischen Signals ist, und in eine Signalkomponente, die eine Funktion des in den Boden einkoppelnden, akustischen Anteils des seismischen Signals ist, zerlegt. Als Kenngröße für die Fahrzeugdetektion (leichtes oder schweres Fahrzeug) wird das Verhältnis der Amplituden der beiden Signalkomponenten gebildet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art, die Adaption des Referenzpegels an die Gegebenheiten des Geophon- Ausbringungsortes so zu verbessern, daß Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Detektion und Klassifizierung wesentlich verbessert werden.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich die Erkenntnis zunutze, daß der Empfangspegel des Geophons doch mehr als bisher angenommen von der am Ausbildungsort sich aufgrund der Bodenbeschaffenheit bevorzugt ausbildenden Wellenart der Bodenschallwellen beeinflußt wird. Wie bekannt, breiten sich Bodenschallwellen als Longitudinalwellen (P- Wellen), Transversalwellen (S-Wellen) oder Oberflächenwellen (z. B. Rayleigh-Wellen) aus. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nunmehr die Wellenart bestimmt und mit diesem Parameter der anhand der gemessenen seismischen Ausbreitungsgeschwindigkeit adaptierte Referenzpegel modifiziert.

Dabei werden nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die beiden Wellenarten, die einen signifikanten Empfangspegel erzeugen, Kennlinien gemessen und als seismische Ausbreitungsmodelle abgespeichert, die die Abhängigkeit des Geophon- Ausgangspegels, bezogen auf eine definierte Schnelle des Geophons, z. B. 1 cm/sec, von der seismischen Ausbreitungsgeschwindigkeit wiedergeben. Mit der gemessenen seismischen Ausbreitungsgeschwindigkeit am Geophon-Ausbringungsort wird nunmehr aus demjenigen Ausbreitungsmodell, das der ermittelten Wellenart zugehörig ist, ein Pegeladaptionswert entnommen, mit dem der vorgegebene Referenzpegel variiert wird, um die Detektions- und Klassifizierungsschwelle optimal an die Bodenbeschaffenheit am Ausbringungsort anzupassen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Will man Schallquellen detektieren, die sich auf einem vorgegebenen Fahrweg bewegen, so ist es zur Verbesserung des Empfangspegels vorteilhaft, das zweite Geophon zusätzlich so auszurichten, daß seine Empfangsrichtung parallel zum Fahrweg liegt. Außerdem sollte der Ausbringungsort für beide Geophone möglichst nahe an dem Fahrweg liegen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich bei der Detektion und Klassifizierung zuverlässig Rad- und Kettenfahrzeuge trennen, wenn - wie gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung - ein oberer und unterer Referenzpegel vorgegeben werden, wobei der obere Referenzpegel so eingestellt wird, daß er ausschließlich von dem von Kettenfahrzeugen ausgelösten Empfangspegel überschritten wird. Der untere Referenzpegel ist soweit angehoben, daß er nicht von Empfangspegeln, die von anderen schwächeren Geräuschquellen als Radfahrzeugen ausgelöst werden, z. B. Fußgängern, überschritten wird. Durch Vorsehen von dazwischenliegenden Referenzpegeln können leichte und schwere Radfahrzeuge und leichte und schwere Kettenfahrzeuge erkannt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Blockschaltbilds im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild von Funktionsmodulen zur Durchführung des Verfahrens zur Detektion und Klassifikation von Schallquellen,

Fig. 2 ein Diagramm des relativen Geophon-Ausgangspegels als Funktion der seismischen Ausbreitungsgeschwindigkeit für P- und Rayleigh-Wellen.

In dem in Fig. 1 zur Erläuterung des Verfahrens zum Detektieren und Klassifizieren von Fahrzeugen als Beispiel für Schallquellen dargestellten Blockschaltbild sind des besseren Verständnisses wegen einzelne Funktionsmodule angegeben, welche den einzelnen Verfahrensschritten vom Empfang der von dem Fahrzeug ausgelösten Bodenschallwellen bis hin zur Anzeige des Klassifikationsergebnisses zugeordnet sind.

Im einzelnen sind an dem in Fig. 1 mit 10 angedeuteten Ausbringungsort zwei Geophone 11 und 12 vorhanden, deren Richtung maximaler Empfindlichkeit (im folgenden kurz Empfangsrichtung genannt) rechtwinklig zueinander ausgerichtet sind. Die Geophone 11 und 12 werden nahe einer Wegstrecke, zum Beispiel einer Straße, die überwacht werden soll, in den Erdboden so eingegraben, daß die Empfangsrichtung des Geophons 11 vertikal und die des Geophons 12 horizontal und parallel zur Wegstrecke ausgerichtet ist (z- und x-Achse in Fig. 1). In einem vorgegebenen Abstand d von dem ersten Geophon 11 wird ein drittes Geophon 13 mit vertikaler Empfangsrichtung ebenfalls in den Boden eingegraben. Die Eingrabtiefe der Geophone 11 bis 13 ist gering, so daß diese nahe der Bodenoberfläche liegen. Die Geophone 11 und 12 können in einem Behälter zusammengefaßt werden, der dann am Ausbringungsort 10 entsprechend ausgerichtet in den Erdboden eingesetzt wird. Die Ausgangssignale der drei Geophone 11, 12 und 13 werden einer Signalverarbeitung nach folgendem Signalverarbeitungs- und Auswerteverfahren unterzogen:
Bei den Ausgangssignalen des ersten und dritten Geophons 11 und 13 wird deren zeitlicher Versatz zueinander bestimmt und aus dem bekannten Abstand d dieser Geophone 11 und 13 und dem ermittelten Zeitversatz die seismische Ausbreitungsgeschwindigkeit c des Bodenschalls am Ausbringungsort 10 bestimmt (Modul 14 zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit). Der Zeitversatz kann beispielsweise durch Bildung der Kreuzkorrelationsfunktion der beiden Ausgangssignale gewonnen werden, wie dies in der DE 38 40 732 A1 beschrieben ist. Der Geschwindigkeitswert c ergibt sich dann durch Division des Abstandes d zwischen den Geophonen 11 und 13 durch den ermittelten Zeitversatz. Zur Gewinnung eines verbesserten Schätzwertes der seismischen Ausbreitungsgeschwindigkeit werden mehrere Messungen durchgeführt und die Meßwerte gemittelt (Modul 15 zur Mittelung der Geschwindigkeitswerte).

Bei den beiden Ausgangssignalen des ersten und zweiten Geophons 11 und 12 wird die Phasendifferenz zwischen diesen Ausgangssignalen bestimmt (Modul 16 zur Phasendifferenzbestimmung) und aus der Phasendifferenz die am Ausbringungsort 10 vorherrschende Wellenart des Bodenschalls bestimmt, die den Empfangspegel an den Geophonen 11 und 12 im wesentlichen beeinflußt (Modul 17 zur Bestimmung der Schallwellenart). Sind die Ausgangssignale der Geophone 11 und 12 in Phase oder in Gegenphase (Phasendifferenz etwa 0° oder 180°), so wird auf Longitudinal- oder P-Welle geschlossen. Beträgt die Phasendifferenz ca. 90° oder 270°, so wird die am Ausbringungsort 10 vorherrschende Bodenschallwelle als Oberfläche- oder Rayleigh-Welle bestimmt.

In einem Speicher 18 (Modul "seismisches Ausbreitungsmodell") ist für die Wellenart oder den Wellentyp "P-Welle" und für den Wellentyp "Rayleigh-Welle" jeweils eine Kennlinie abgespeichert, die die Abhängigkeit des Geophon-Ausgangspegels relativ zu einer Bezugsschnelle des Geophons von der seismischen Ausbreitungsgeschwindigkeit angibt. Diese durch eine Vielzahl von Messungen bestimmten Kennlinien für die beiden genannten Wellenarten sind in Fig. 2 dargestellt. Deutlich ist zu sehen, daß der relative Ausgangspegel des Geophons bei Ausbreitung der von der Schallquelle ausgelösten Schallwellen als Rayleigh-Wellen sehr viel größer ist als bei den als P-Wellen sich ausbreitenden Bodenschallwellen der gleichen Schallquelle. Anhand des, wie vorstehend beschrieben, bestimmten Wellentyps, der sich am Ausbringungsort 10 bevorzugt ausbildet, wird im seismischen Ausbreitungsmodell der Fig. 2 die relevante Kennlinie aufgesucht und aus dieser Kennlinie mit Hilfe der, wie vorstehend beschrieben, gemittelten seismischen Schallgeschwindigkeit c ein sog. Adaptions-Pegel P_adapt entnommen.

Aus dem Ausgangssignal eines der Geophone 11 oder 12, hier des Geophons 11, wird der Spitzenwert des vom Geophon gemessenen Empfangspegels detektiert (Modul 19 zur Bestimmung des Empfangspegels P_max). Der Empfangspegel P_max wird zur Detektion und Klassifikation von Rad- und Kettenfahrzeugen mit zwei Referenzpegeln P_ref verglichen (Modul 20 für Klassifikation), die so festgelegt sind, daß der obere Referenzpegel P_ref ausschließlich von solchen Empfangspegeln P_max überschritten wird, die von Kettenfahrzeugen ausgelöst werden, und der untere Referenzpegel P_ref auch von solchen Empfangspegeln P_max überschritten wird, die von Radfahrzeugen herrühren.

In einem Speichermodul 21 (Modul "klassenspezifische Referenzpegel") sind für eine vorgegebene Norm-Bodenbeschaffenheit Norm-Referenzpegel für diese Fahrzeuge abgelegt. Zur Gewinnung der vorgenannten Referenzpegel P_ref, die an die besondere Bodenbeschaffenheit am Ausbringungsort 10 optimal angepaßt sind, wird jeder der Norm-Referenzpegel mit dem aus dem seismischen Ausbreitungsmodell (Modul 18 bzw. Fig. 2) abgeleiteten Adaptionspegel P_adapt korrigiert (Modul 22 für Korrektur). Übersteigt der Empfangspegel P_max des Geophons 11 den so gewonnenen unteren und oberen Referenzpegel P_ref, so wird auf Kettenfahrzeug erkannt. Übersteigt der Empfangspegel P_max nur den unteren Referenzpegel P_ref, so wird auf Radfahrzeug erkannt. Dieses Klassifizierungsergebnis wird dargestellt (Modul 23 "Anzeige").

Eine verfeinerte Klassifizierung kann dann durchgeführt werden, wenn noch zwei weitere Referenzpegel P_ref eingeführt werden, die charakteristisch zur Unterscheidung zwischen leichten und schweren Kettenfahrzeugen bzw. Radfahrzeugen sind, so daß insgesamt vier gestaffelte Referenzpegel P_ref vorgegeben sind, mit denen der Empfangspegel P_max des Geophons 11 verglichen wird. Auch diese vier Referenzpegel P_ref sind das Korrekturergebnis von vier entsprechenden Norm-Referenzpegeln, die im Speichermodul 21 abgelegt sind und mit dem Adaptions-Pegel P_adapt korrigiert werden.

Claims (7)

1. Verfahren zum Detektieren und Klassifizieren von Schallquellen, insbesondere von Fahrzeugen, unter Verwendung von in den Boden eingebrachten Geophonen (11, 12) zum Empfang der von einer Schallquelle ausgelösten, in den Boden einkoppelnden Schallwellen, bei welchem ein mit mindestens einem Geophon (11) gemessener Empfangspegel mit mindestens einem an die Bodenbeschaffenheit am Ausbringungsort (10) adaptierten Referenzpegel (P_ref) auf Überschreitung verglichen und zur Adaption des Referenzpegels (P_ref) die seismische Ausbreitungsgeschwindigkeit am Ausbringungsort (10) als Maß für die Bodenbeschaffenheit gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß von den Geophonen (11, 12) am Ausbringungsort (10) ein erstes Geophon (11) mit vertikaler Empfangsrichtung und ein zweites Geophon (12) mit dazu senkrechter Empfangsrichtung angeordnet wird und daß anhand der Phasendifferenz der beiden Geophonausgangssignale die Wellenart der von den Geophonen (11, 12) empfangenen Bodenschallwellen als P- oder Rayleigh-Wellen bestimmt und als weiterer Parameter bei der Adaption des Referenzpegels (P_ref) herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die beiden Wellenarten P- und Rayleigh-Wellen der Bodenschallwellen jeweils eine Kennlinie für die Abhängigkeit des Geophon-Ausgangspegels relativ zu einer Geophon-Bezugsschnelle von der seismischen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Bodenschallwellen ermittelt und als seismisches Ausbreitungsmodell abgespeichert wird und daß mit der gemessenen seismischen Ausbreitungsgeschwindigkeit und der ermittelten Wellenart aus dem zugeordneten Ausbreitungsmodell ein entsprechender Adaptionspegel (P_adapt) entnommen und damit der Referenzpegel (P_ref) korrigiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Referenzpegel (P_ref) so vorgegeben werden, daß der obere Referenzpegel nur von solchen Empfangspegeln (P_max) am Geophon (11) überschritten wird, die von Kettenfahrzeugen verursacht werden, und daß der untere Referenzpegel bereits von Empfangspegeln (P_max) überschritten wird, die von Radfahrzeugen verursacht werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei weitere zwischen dem oberen und unteren Referenzpegel liegende Referenzpegel (P_ref) zur Trennung von leichten und schweren Rad- und Kettenfahrzeugen vorgegeben werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Phasendifferenz von ca. 90° oder 270° auf Rayleigh-Wellen und bei einer Phasendifferenz von ca. 0° oder 180° auf P-Wellen als maßgebliche Ausbreitungsart der Bodenschallwellen am Ausbringungsort (10) geschlossen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für Schallquellen, die sich auf einer vorgegebenen Bahn bewegen, verschieben der Ausbringungsort (10) der Geophone (11, 12) möglichst nahe der Bahn liegt und die Empfangsrichtung des zweiten Geophons (12) am Ausbringungsort (10) parallel zur Bahn verläuft.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein drittes Geophon (13) im vorgegebenen Abstand (d) vom Ausbringungsort (10) mit vertikaler Empfangsrichtung in den Boden eingebracht wird und daß die seismische Ausbreitungsgeschwindigkeit (c) am Ausbringungsort (10) aus dem Zeitversatz der Ausgangssignale des ersten und dritten Geophons (11, 13) und dem bekannten Geophonabstand (d) ermittelt wird.