DE4212072C2 - Verfahren zum Detektieren und Klassifizieren von Schallquellen, insbesondere von Fahrzeugen - Google Patents
Verfahren zum Detektieren und Klassifizieren von Schallquellen, insbesondere von FahrzeugenInfo
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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 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 Padapt
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 Pmax). Der Empfangspegel
Pmax wird zur Detektion und Klassifikation von Rad- und
Kettenfahrzeugen mit zwei Referenzpegeln Pref verglichen
(Modul 20 für Klassifikation), die so festgelegt sind, daß
der obere Referenzpegel Pref ausschließlich von solchen
Empfangspegeln Pmax überschritten wird, die von
Kettenfahrzeugen ausgelöst werden, und der untere
Referenzpegel Pref auch von solchen Empfangspegeln Pmax
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 Pref, 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 Padapt korrigiert (Modul 22
für Korrektur). Übersteigt der Empfangspegel Pmax des
Geophons 11 den so gewonnenen unteren und oberen
Referenzpegel Pref, so wird auf Kettenfahrzeug erkannt.
Übersteigt der Empfangspegel Pmax nur den unteren
Referenzpegel Pref, so wird auf Radfahrzeug erkannt.
Dieses Klassifizierungsergebnis wird dargestellt (Modul 23
"Anzeige").
Eine verfeinerte Klassifizierung kann dann durchgeführt
werden, wenn noch zwei weitere Referenzpegel Pref
eingeführt werden, die charakteristisch zur Unterscheidung
zwischen leichten und schweren Kettenfahrzeugen bzw.
Radfahrzeugen sind, so daß insgesamt vier gestaffelte
Referenzpegel Pref vorgegeben sind, mit denen der
Empfangspegel Pmax des Geophons 11 verglichen wird. Auch
diese vier Referenzpegel Pref sind das Korrekturergebnis
von vier entsprechenden Norm-Referenzpegeln, die im
Speichermodul 21 abgelegt sind und mit dem
Adaptions-Pegel Padapt 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 (Pref) auf Überschreitung
verglichen und zur Adaption des Referenzpegels (Pref)
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 (Pref)
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
(Padapt) entnommen und damit der Referenzpegel (Pref)
korrigiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß mehrere Referenzpegel (Pref) so
vorgegeben werden, daß der obere Referenzpegel nur
von solchen Empfangspegeln (Pmax) am Geophon (11)
überschritten wird, die von Kettenfahrzeugen
verursacht werden, und daß der untere Referenzpegel
bereits von Empfangspegeln (Pmax) 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 (Pref) 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.
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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Owner name: RHEINMETALL DEFENCE ELECTRONICS GMBH, 28309 BREMEN |
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