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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich die Detektion von Blitzereignissen
und insbesondere betrifft sie ein System zur Detektieren von Blitzen
und ein Verfahren, das Messung von optisches Bildern, Abstandsmessung
und akustische Messung für
das Reduzieren von Fehlalarm-Raten kombiniert.
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Es
ist bekannt, sowohl optische als auch akustische Sensorsysteme,
allein oder in Kombination, für
das Identifizieren von Blitzereignissen einzusetzen. Beispiele von
Systemen, die sowohl optische als auch akustische Sensoren kombinieren,
finden sich in den
US Patenten
Nr. 5970024 ,
6215731 und
6621764 , allesamt von Thomas
Smith.
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Die
grundsätzliche,
von Smith in den vorgenannten Patenten beschriebene Funktionsweise
besteht in der Verwendung einer Mikrophon-Anordnung für das Bestimmen
einer anfänglichen
Schätzung
der Richtung eines Ereignisses. Ein kardanisch aufgehängter Bildsensor
wird dann in diese Richtung gerichtet und der Ort wird während anschließender Schüsse optisch
bestätigt.
Alternativ können
mehrere optische Sensoren ein Panorama-Sichtfeld bereitstellen und
die Detektionsergebnisse des optischen und akustischen Systems stehen
zwecks erhöhter Präzision in
Beziehung zueinander.
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Die
zuvor erwähnte,
von Smith beschriebene Funktionalität ist unter Bedingungen von
wiederholtem Feuer einigermaßen
wirksam, doch nicht in der Lage, den „ersten Schuss" zuverlässig zu
detektieren. Darüber
hinaus ist es ohne jegliche Fähigkeit, den
Abstand des Blitzereignisses zu bestimmen, unmöglich, Daten des optischen
und akustischen Untersystems zuverlässig in Beziehung zueinander
zu setzen, sodass das eine Untersystem die Ausgabe des anderen Untersystems überprüft.
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Daher
besteht ein Bedarf an einem System und einem Verfahren zur Identifizierung
von Blitzereignissen, die einen geschätzten Abstand eines optisch
detektieren möglichen
Blitzereignisses bestimmen würden,
um das Vorhersagen einer erwarteten Ankunftszeit eines entsprechenden
akustischen Ereignisses zu ermöglichen,
wodurch akustische Überprüfung eines
optischen Blitzereignisses sogar bei einem einzigen Schuss möglich ist.
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Die
vorliegende Erfindung ist ein System zur Identifizierung von Blitzen
und ein Verfahren, das Messung von optischen Bildern, Abstandsmessung und
akustische Messung kombiniert.
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Gemäß den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Identifizierung von
Blitzereignissen bereitgestellt, das folgendes umfasst: (a) ein
optisches Bildgebungsmodul, das mindestens eine optische Bildgebungsanordnung einschließt, wobei
das optische Bildgebungsmodul konfiguriert ist zur Überwachung
eines Gebiets von Interesse, um mögliche Blitzereignisse zu identifizieren;
(b) ein Abstandsmodul, das mit dem optischen Bildgebungsmodul assoziiert
ist und zur Ableitung eines geschätzten Abstands zu einem Ort
des möglichen
Blitzereignisses konfiguriert ist; und (c) ein akustisches Bestätigungsmodul,
das mit dem Abstandsmodul assoziiert ist und mindestens einen akustischen
Sensor einschließt,
wobei das akustische Bestätigungsmodul
konfiguriert ist zur Bestimmung, ob ein akustisches Ereignis entsprechend dem
möglichen
Blitzereignis innerhalb eines Zeitfensters, das sich von dem geschätzten Abstand
ableitet, detektiert wird, wodurch das mögliche Blitzereignis entweder
als ein bestätigtes
Blitzereignis oder ein nicht bestätigtes Blitzereignis klassifiziert
wird.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Merkmal der vorliegenden Erfindung schließt die mindestens
eine optische Bildgebungsanordnung einen FLIR-Sensor ein.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Merkmal der vorliegenden Erfindung schließt das optische Bildgebungsmodul
eine Vielzahl von optischen Bildgebungsanordnungen ein, die zur Überwachung
eines Gebiets, das größer ist
als das Sichtfeld jeder einzelnen der optischen Bildgebungsanordnungen, eingesetzt
werden.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Merkmal der vorliegenden Erfindung schließt das Abstandsmodul
einen kardanisch aufgehängten
Abstandssensor ein.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Merkmal der vorliegenden Erfindung schließt das optische Bildgebungsmodul
eine Vielzahl optischer Bildgebungsanordnungen mit überlappenden
Sichtfeldern ein, wobei das Abstandsmodul ein bildverarbeitendes
Untersystem für
das Mit-Verarbeiten von Bildern aus der Vielzahl optischer Bildgebungsanordnungen zur
Ableitung des geschätzten
Abstands einschließt.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Merkmal der vorliegenden Erfindung schließt das Abstandsmodul
folgendes ein. (a) eine Datenspeichervorrichtung, die mindestens
ein Referenzbild hinsichtlich des Gebiets von Interesse einschließt; und (b)
ein bildverarbeitendes Untersystem zum Mit-Verarbeiten eines Bilds
der optischen Bildgebungsanordnung und dem mindestens einen Referenzbild
zur Ableitung des geschätzten
Abstands.
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Ebenso
wird gemäß den Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Identifizierung von Blitzereignissen
bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst: (a) Einsetzen
mindestens einer optischen Bildgebungsanordnung zur Überwachung
eines Gebiets von Interesse zur Identifizierung eines möglichen
Blitzereignisses; (b) Ableiten eines geschätzten Abstands zu einem Ort
des möglichen
Blitzereignisses; (c) Definieren, beruhend auf dem geschätzten Abstand,
eines erwarteten Ankunftszeitfensters eines akustischen Ereignisses
entsprechend dem möglichen
Blitzereignis; (d) Verwenden mindestens eines akustischen Sensors
zur Überwachung
eines akustischen Ereignisses entsprechend dem möglichen Blitzereignis innerhalb des
erwarteten Ankunftszeitfensters; und (e) wenn ein akustisches Ereignis
innerhalb des erwarteten Ankunftszeitfensters detektiert wird, Klassifizieren des
möglichen
Blitzereignisses als ein bestätigtes Blitzereignis.
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Für ein besseres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung und um zu zeigen, wie dieselbe umgesetzt
werden kann, wird nun anhand von Beispielen auf die beigefügten Zeichnungen
Bezug genommen, wobei:
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1 eine
schematische Illustration eines Systems zur Identifizierung von
Blitzereignissen ist, das gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung konstruiert ist und dieselben operativ
ausführt;
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2 ein
Blockdiagramm ist, das die Komponenten einer bevorzugten Ausführungsform
des Systems aus 1 zeigt;
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3 ein
Flussdiagramm ist, das die Funktionsweise des Systems aus 1 zeigt;
und
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die 4A–4C schematische
Illustrationen von drei alternativen Implementierungen des Abstandmoduls
aus 1 sind.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zur Detektion
von Blitzen und ein Verfahren, das Messung von optischen Bildern,
Abstandsmessung und akustische Messung kombiniert.
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt 1 schematisch
ein System zur Identifizierung von Blitzereignissen, das im Allgemeinen
als 10 bezeichnet wird. Allgemein ausgedrückt schließt das System 10 ein
optisches Bildgebungsmodul 12, das zur Überwachung eines Gebiets von
Interesse konfiguriert ist, um ein mögliches Blitzereignis zu identifizieren,
ein Abstandsmodul 14, das zur Ableitung eines geschätzten Abstands
zu einem Ort des möglichen
Blitzereignisses konfiguriert ist, und ein akustisches Bestätigungsmodul 16,
das zur Bestimmung, ob ein akustisches Ereignis entsprechend dem
möglichen
Blitzereignis innerhalb eines Zeitfensters, das von dem geschätzten Abstand
abgeleitet ist, detektiert wird, konfiguriert ist, wodurch das mögliche Blitzereignis
entweder als ein bestätigtes
Blitzereignis oder ein nicht bestätigtes Blitzereignis klassifiziert wird,
ein. Die Ergebnisse des akustischen Bestätigungsmoduls 16 werden
typischerweise an eine Ausgabe-Schnittstelle 18 übermittelt.
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2 zeigt
schematisch eine bevorzugte, strukturelle Implementierung dieser
Hauptkomponenten. Im Besonderen schließt das optische Bildgebungsmodul 12 mindestens
eine optische Bildgebungsanordnung (z. B. Anordnung 20a und
Anordnung 20b) ein, die Bilddaten an ein bildverarbeitendes
Untersystem 22 übermittelt.
Bei der optischen Bildgebungsanordnung kann es sich optional um
ein Weitwinkel-Bildgebungssystem
oder ein Panorama-Bildgebungssystem handeln. Das Abstandsmodul 14 schließt typischerweise
zusätzliche
Abstandskomponenten, die als 24 bezeichnet werden, und
ein Abstandsprozessor-Untersystem 26 ein. Mehrere spezifische
Implementierungen von Abstandsmodul 14 werden untenstehend
mit Bezugnahme auf die 4A–4C diskutiert.
Das akustische Bestätigungsmodul 16 schließt mindestens
einen akustischen Sensor 28 und eine Einheit zur Verarbeitung von
akustischer Eingabe 30 ein. Optional können das bildverarbeitende
Untersystem 22, das Abstandsprozessor-Untersystem 26 und
das System zur Verarbeitung von akustischer Eingabe 30 als
Teile eines gemeinsamen Verarbeitungssystems 32 unter Verwendung
entweder von geteilten oder separaten Prozessoren implementiert
werden. Bei den Prozessoren kann es sich um geeignete Hardware,
Firmware oder Prozessoren für
allgemeine Zwecke handeln, die mit geeigneter Software in einem
geeigneten Betriebssystem arbeiten, wie dies alles im Stand der Technik
hinreichend bekannt ist. Ausgaben vom Verarbeitungssystem 32 können an
eine Benutzer-Schnittstelle 34 und/oder an ein automatisiertes Antwortsystem 36 übermittelt
werden, das für
das Durchführen
weiterer Handlungen wie etwa Senden von Meldungen an einen fernen
Ort oder Auslösen
eines Systems von Gegenmaßnahmen
oder eines Systems von Gegenfeuer konfiguriert ist.
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Die
grundlegende Funktionsweise von System 10 und das entsprechende
Verfahren gemäß den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden in 3 illustriert.
Im Besonderen setzt das Verfahren zur Identifizierung von Blitzereignissen
zuerst mindestens eine optische Bildgebungsanordnung 20a, 20b zur Überwachung
eines Gebiets von Interesse ein, um ein mögliches Blitzereignis zu identifizieren
(Schritt 40). Optional kann das mögliche Blitzereignis unmittelbar
auf der Benutzer-Schnittstelle 34 angezeigt oder an das
automatisierte Antwortsystem 36 ausgegeben werden, um die
Vorbereitung von weiteren Handlungen nach der Bestätigung zu ermöglichen.
Dann wird ein geschätzter
Abstand von dem System oder genauer gesagt von dem akustischen Sensor 28 zu
einem Ort des möglichen
Blitzereignisses abgeleitet (Schritt 42) und basierend
auf diesem geschätzten
Abstand wird ein erwartetes Ankunftszeitfenster für ein akustisches
Ereignis entsprechend dem Blitzereignis definiert (Schritt 44). Der
akustische Sensor 28 wird dann zur Überwachung eines akustischen
Ereignisses entsprechend dem möglichen
Blitzereignis innerhalb des erwarteten Ankunftszeitfensters verwendet
(Schritt 46). Wenn ein akustisches Ereignis innerhalb des
erwarteten Ankunftszeitfensters detektiert wird, dann wird das mögliche Blitzereignis
als ein bestätigtes
Blitzereignis klassifiziert (Schritt 48). Wenn kein entsprechendes
akustisches Ereignis detektiert wird, wird das Ereignis bevorzugt
als ein Fehlalarm zurückgewiesen.
Alternativ kann ein solches nicht bestätigtes Ereignis als ein fragwürdiges Blitzereignis
dafür vorgesehen
sein, gemeinsam mit anschließenden
Daten verarbeitet oder dem Benutzer als ein fragwürdiges Blitzereignis
präsentiert
zu werden.
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Bei
diesem Punkt sei anzumerken, dass die vorliegende Erfindung tiefgreifende
Vorteile gegenüber
dem oben angeführten
System nach Smith bereitstellt. Im Besonderen sagt das System durch
die Ableitung eines geschätzten
Abstands basierend auf einem von dem optischen Bildgebungsmodul
gemessenen Ereignis das erwartete Ankunftszeitfenster des akustischen
Ereignisses vorher, sodass die Ankunft oder ausbleibende Ankunft
eines entsprechenden akustischen Ereignisses innerhalb des Zeitfensters
die Bestätigung
bezüglich
der Art des Ereignisses liefert. Diese Synergie von Funktionsweise
zwischen dem optischen und akustischen System ist bei der Reduzierung
falscher optischer Blitzereignisse (wie etwa spiegelnde Reflektion
von Sonnenlicht an beweglichen reflektierenden Oberflächen) und
falscher akustischer Ereignisse (wie etwa mechanisches Aufprallen
und dergleichen) hochwirksam und stellt typischerweise eine bestätigte Ausgabe
bereit, sogar von einem ersten einzigen Schuss.
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Hierin
wird auf „Blitzereignisse" Bezug genommen.
Dieser Begriff wird hierin in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet,
um auf Ereignisse, die einen transienten optischen Blitz, der typischerweise
kennzeichnend ist für
das Abfeuern einer Waffe, erzeugt. Der „optische Blitz" kann in sichtbaren
Wellenlängen
des elektromagnetischen Spektrums und/oder in nicht sichtbaren Wellenlängen wie etwa
IR und UV vorliegen. Bei den bevorzugtesten Implementierungen handelt
es sich bei den optischen Sensoranordnungen der vorliegenden Erfindung
um FLIR-Senor-Anordnungen, die insbesondere in dem Bereich von 2–4 μm sensitiv
sind. Geeignete Sensoren sind bekannt und in Systemen wie etwa dem
Vectored Infrared Personal Engagement and Return-fire („VIPER") vom US Naval Research
Laborstory im Handel erhältlich.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beziehen sich in erster Linie, allerdings
nicht ausschließlich,
auf Waffen mit relativ kurzer Reichweite wie etwa leichte Feuerwaffen,
Raketenwerfer, RPGs und dergleichen, wobei der Ort des Abfeuerns typischerweise
dem Zielort ausreichend nahe liegt, um das Geräusch des Ereignisses des Abfeuerns
in der Nähe
des Zielorts hören
zu können. „Mögliche Blitzereignisse" können Fehlalarme,
die durch nicht explosive Ereignisse wie etwa Sonnenreflexion von reflektierenden
Objekten in Bewegung hervorgerufen werden, einschließen.
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Abhängig von
der Größe des Gebiets,
der von dem optischen Bildgebungsmodul überwacht werden soll, kann
es bevorzugt werden, eine Vielzahl optischer Bildgebungsanordnungen
zur Überwachung
eines Gebiets, das größer ist
als das Sichtfeld jeder einzelnen der optischen Bildgebungsanordnungen,
einzusetzen. Als ein Extrem kann es sich insbesondere bei mobilen
Systemen bei der optischen Reichweite um eine 360° Panorama-Azimut-Reichweite
handeln. Bei an einem festen Ort lokalisierten Systemen kann das Überwachen
eines spezifischen geographischen Gebiets die Verwendung eines relativ
kleinen Sichtfelds ermöglichen.
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Mehrere
bevorzugte Optionen für
das Implementieren eines Abstandsmoduls als Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung werden in den 4A–4C schematisch
illustriert. Unter Bezugnahme auf 4A zuerst
kann das Abstandsmodul vorteilhafterweise als ein kardanisch aufgehängter Abstandssensor
implementiert werden, der einen Abstandssensor 50, der
auf einem kardanischen Mechanismus 52 montiert ist, einschließt. Geeignete Technologie
bezüglich
Abstandsmessung schließt die
Messung der Flugzeit von reflektiertem Laser ein, ist aber nicht
darauf beschränkt.
Solche Sensoren weisen eine schnelle Antwortzeit auf, sind kostengünstig und
stellen gute Präzision
bereit. Um eine ausreichend schnelle Antwort für das Lenken des Abstandssensors
zu dem möglichen
Blitzereignis, das Messen des Abstands und das Vorhersagen der erwarteten
Ankunftszeit des akustischen Ereignisses vor dem Start dieses Fenster
bereitzustellen, ist eine kardanische Aufhängung, die hohe Geschwindigkeiten
ermöglicht,
notwendig. Bevorzugter, um Kurzstrecken-Blitzereignisse anzupassen,
bei denen das akustische Ereignis sehr schnell auf das optische
Ereignis folgt, können
die akustischen Signale kontinuierlich überwacht und in einem Daten-Zwischenspeicher
gespeichert werden, und das Zeitfenster kann für die gespeicherten Daten angewandt
werden. Gemäß einer
weiteren Option kann eine Karte der Abstände, die mit dem Sichtfeld
assoziiert ist, Offline bestimmt werden (d. h. vor dem Betrieb),
sodass jedes Pixel des Bilds bereits ihm zugeordnete Abstandsdaten
aufweist. All diese Optionen können
ebenfalls bei weiteren Implementierungen des Abstandsensors wie
etwa jene, die untenstehend beschrieben werden, angewandt werden.
Jedenfalls ist die Funktionsweise des Systems ausreichend schnell,
damit die Information bezüglich
des bestätigten
Blitzereignisses dem Benutzer im Wesentlichen umgehend nach dem Ende
des akustischen Ankunftszeitfensters zugänglich ist (typischerweise
in weniger als einer Sekunde).
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4B illustriert
eine alternative Implementierung des Abstandsmoduls basierend auf
dem Mit-Verarbeiten von überlappenden
stereoskopischen Bildern von optischen Bildgebungsanordnungen 20a, 20b des
optischen Bildgebungsmoduls. In diesem Fall ist das Abstandsprozessor-Untersystem 26 effektiv
mit dem bildverarbeitenden Untersystem 22 kombiniert und
dient dem Mit-Verarbeiten der Bilder aus der Vielzahl optischer
Bildgebungsanordnungen zur Ableitung des geschätzten Abstands. Geeignete Verarbeitungstechniken
für Korrelation
und Ableitung von Tiefeninformation der überlappenden Sichten sind im
Stand der Technik hinreichend bekannt. Abhängig von den implizierten Abständen und der
erforderlichen Präzision
der Information bezüglich
des Abstands muss der Abstand zwischen den Bildgebungssensoren üblicherweise
nicht groß sein. In
den meisten Fällen
ist eine Abtrennung von mindestens einem Meter zwischen den Sensoren
ausreichend, um die Ableitung des Abstands bei der vorliegenden
Erfindung zu ermöglichen.
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Schlussendlich,
unter Bezugnahme auf 4C, zeigt dieselbe eine Implementierung
des Abstandsmoduls ähnlich
derjenigen aus 4B, bei der jedoch das Mit-Verarbeiten von stereoskopischen Bildern
relativ zu dem mindestens einen Referenzbild hinsichtlich des Zielgebiets,
das in einer Datenspeichervorrichtung 54 gespeichert ist,
ausgeführt
wird. Bei dem gespeicherten Referenzbild kann es sich um ein optisches
Bild handeln, das zu einem früheren Zeitpunkt
von einer nahen Position aus aufgenommen wurde oder es kann sich
um eine reale oder simulierte Sicht handeln, die vom Sichtpunkt
eines Flugzeugs oder Satelliten aus aufgenommen wurde. Insbesondere
bei dieser Implementierung kann die Bildkorrelation auf einem Videoframe
vor oder nach dem Frame, der den „Blitz" enthält, ausgeführt werden, sodass es sich
dabei um eine bessere „Übereinstimmung" mit dem Referenzbild
handelt.
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Nach
der Ableitung des Abstands des möglichen
Blitzereignisses wird das erwartete Ankunftszeitfenster basierend
auf der Schallgeschwindigkeit berechnet. In einem idealen Gas liegt
die Schallgeschwindigkeit in Meter pro Sekunde bei ungefähr 20 × √T, wobei
es sich bei T um die absolute Temperatur des Gases handelt. Für Umgebungstemperaturen
in dem Bereich von –40 °C bis 30 °C entspricht
dies 300–350
m/s. Optional kann ein fester Wert von zum Beispiel 340 m/s für die Berechnungen
verwendet und das Zeitfenster ein wenig ausgedehnt werden, um Temperaturvariation
der Schallgeschwindigkeit zu ermöglichen.
Alternativ kann ein Temperatursensor (oder ein grobe manuelle Einstellung)
hinzugefügt
und geeignete Korrektur in die Berechnung eingeschlossen werden.
Das Zentrum des Zeitfensters ist bevorzugt ungefähr der Abstand dividiert durch
die Schallgeschwindigkeit und die Periode des Zeitfensters sollte
mindestens den Fehlerbereich bei der Schätzung des Abstands und jegliche
Approximation, die unter Berücksichtigung
der Schallgeschwindigkeit vorgenommen wurde, abdecken. In den meisten
Fällen
ist ein Fenster von ±10
% des zentralen Zeitwerts geeignet. Wenn der unter Verwendung einer
Approximation von 340 m/s Schallgeschwindigkeit geschätzte Abstand
eines möglichen
Blitzereignisses bei 1000 Metern liegt, würde das Zentrum des geschätzten Zeitfensters
bei 2,94 Sekunden liegen und der ±10 % Bereich würde bei
2,65 bis 3,23 Sekunden liegen. Wenn die Temperaturkorrektur der Schallgeschwindigkeit
hinzugefügt
wird, kann vernünftigerweise
ein schmälerer
Bereich von ±5
% verwendet werden. In dem Fall, dass die Signatur des optischen
Blitzes indikativ für
ein Ereignis mit einer längeren akustischen
Signatur ist (z. B. Abfeuern einer Rakete), wird der Start des akustischen
Fensters wie oben berechnet, doch das Fenster wird für die erwartete
Dauer des entsprechenden akustischen Ereignisses offen gelassen.
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Es
sei anzumerken, dass die obenstehenden Beschreibungen lediglich
als Beispiele dienen sollen und dass einige weitere Ausführungsformen
innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung wie in den
angehängten
Ansprüchen
definiert möglich
sind.