EP0232762A1 - Verfahren zur akustischen Erfassung von Geschossbahnen und zur Ermittlung des kürzesten Abstandes Geschoss/Ziel - Google Patents

Verfahren zur akustischen Erfassung von Geschossbahnen und zur Ermittlung des kürzesten Abstandes Geschoss/Ziel Download PDF

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EP0232762A1
EP0232762A1 EP87100842A EP87100842A EP0232762A1 EP 0232762 A1 EP0232762 A1 EP 0232762A1 EP 87100842 A EP87100842 A EP 87100842A EP 87100842 A EP87100842 A EP 87100842A EP 0232762 A1 EP0232762 A1 EP 0232762A1
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target
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pressure transducer
distance
sound
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Helmut Dipl.-Ing. Negendank
Reinhard Dipl.-Ing. Wedekind
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Rhein-Flugzeugbau GmbH
RHEIN FLUGZEUGBAU GmbH
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Rhein-Flugzeugbau GmbH
RHEIN FLUGZEUGBAU GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41J—TARGETS; TARGET RANGES; BULLET CATCHERS
    • F41J5/00—Target indicating systems; Target-hit or score detecting systems
    • F41J5/06—Acoustic hit-indicating systems, i.e. detecting of shock waves
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S367/00—Communications, electrical: acoustic wave systems and devices
    • Y10S367/906—Airborne shock-wave detection

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for acoustic projectile placement measurement, in particular for moving exercise targets, with a microphone system and evaluation devices which are intended to determine the minimum projectile / target distance while eliminating runtime errors.
  • Acoustic methods for measuring floor deposition at stationary or moving targets at subsonic speed are based on the measurement of the conical shock waves generated by supersonic projectiles using one or more microphones.
  • the relationships between the distance microphone / shock wave generation point on the projectile path and the shock wave amplitude or the shock wave duration are known.
  • the shortest storey / target distance can be derived directly from this.
  • both the spatial and the temporal course of the floor passage must be taken into account.
  • the target movement and projectile path can be a straight line and the speed frequencies are assumed to be constant.
  • a calculation is only possible if the spatial relationship of the floor track to the target track can be established. Two options are known for this.
  • DE-OS 31 22 644 describes a correction method for flying training targets, which is based on a weapon location and target location-related geometry. It requires specified, precisely adhered to flight courses, flight heights and flight speeds as well as control distances and floor speeds.
  • the microphones used must be installed in the center of the target and the entire arrangement must have an acoustic spherical characteristic.
  • a three-dimensional arrangement consisting of a microphone system with at least four microphones and an additional system, that is to say a total of at least five microphones, provides a target-specific geometry which enables independence from flight courses and flight heights.
  • the microphone arrangement can also be located outside the target center.
  • the object of the present invention is to provide an arrangement which excludes runtime errors with a minimum number of microphones and provides sufficient information for evaluation, such as signal amplitudes, signal duration and runtimes, so that only a small number of training parameters have to be defined before a shooting exercise. This object is achieved by the characterizing features of claim 1.
  • the measure according to the invention offers the possibility of determining the types and number of available information with the number of microphones and their geometric position to the center of the target. That means that depending on the mechanical and functional Boundary conditions of the unit target / microphone system an optimal system can be selected.
  • the measurement is carried out in the vicinity of the microphones, and the information is also fed to the evaluation computer by means of telemetry.
  • At least two microphones are arranged one behind the other in the direction of target movement, all microphone locations with respect to the desired target center are known.
  • the floor caliber used can be recognized within certain limits.
  • G Differences in sound propagation time between microphones are preferably carried out by forming and evaluating the cross-correlation function of the two microphone signals involved. This method provides great accuracy and further information even with high noise levels.
  • the microphones mentioned under D) are exposed to the wind noise of the target together.
  • the cross-correlation function therefore receives a maximum, from the position of which the Mach number of the target can be determined at a known speed of sound.
  • the shape of the Mach cone generated by the projectile is taken into account when determining the projectile path, there is no approximation by a flat wavefront. However, the shape is idealized. Errors that are known to occur at small intervals are corrected by the evaluation computer. Isotropic properties of the microphones are still assumed. The evaluation computer also corrects actual deviations from this.
  • the microphone arrangement is assumed to be static.
  • the microphone and target center are, however, not the actual, but "arithmetical" locations that are determined from the order of the sound, from measured time differences and the target speed.
  • the shape of the Mach cone is taken into account. Only the locations calculated in this way are included in the floor path calculation.
  • the microphone M 1 is first sonicated, the microphone M 2 after the measured time difference ⁇ t m .
  • the well-known microphone distance M 1 M * 2 is then the distance V z . Reduce ⁇ t m (V z : target speed) or extend it in the reverse order of the sound.
  • the speed of sound c then applies and for the Doppler-corrected pulse duration to be calculated from the measured pulse duration T m
  • the target center and two microphones are on the target movement axis Z. Because of its rotational symmetry, such a one-dimensional arrangement is not able to clearly define a projectile path, but essential information is available. _
  • FIG. 3 Such a rotational hyperboloid is shown in FIG. 3.
  • G and G * are any generatrix of the two groups. It can be seen that the rotational symmetry can be used to derive the same information from any generatrix about the distance to a target center point Z located arbitrarily on the Z axis. This distance E min determined as a rotating vector family, it can be determined from the sign of its z component whether the projectile passage was in front of or behind the center of the target (front-rear detection).
  • Any projectile path G that is conveniently located in the coordinate system can be selected for the calculations, since the distance to be determined is the same for all paths.
  • the microphone K is in the coordinate origin, the microphone L at the end of the vector L on the Z axis.
  • the computed location of the microphone L is therefore in vector notation
  • the distance vector R 1 is placed in the X - Z plane for the sake of simplicity and is therefore called
  • Using a third microphone outside the Z axis creates a two-dimensional microphone system. It is thus possible to select two tracks from the projectile track sets described above which are mirror-symmetrical to the microphone plane, each of the two track sets providing a solution.
  • the desired target center no longer has to lie on the Z axis, but can be moved to the microphone plane.
  • the search for the pair of projectile paths is carried out by selecting any projectile path from the family and a mathematical rotation of M around the Z axis until the conditions of a system of equations are met.
  • This coordinate transformation is shown in FIG. 6 as a projection into the XY plane.
  • the selected floor trajectory is by the distance vectors R 1 and R Given 2 , the distance vectors of the actual floor path and result from the opposite rotation of R 1 and R 2 by the angle sought Is known M , is measured
  • the floor track pair can also be determined using a different approach.
  • the Mach cone is used for this A (see Fig. 5) introduced.
  • the rotation of M is then carried out so that A and G include the Mach angle ⁇ .
  • this fourth microphone N is, for example, in the YZ plane at the computed microphone location N shown.
  • the aid of the measured distance and the scalar product with the two possible path vectors or by means of arithmetical rotation of N around the Z axis results in a double solution which is symmetrical to the YZ plane, of which only one is identical to a solution which was obtained with the aid of the microphone M.
  • the target center can be set arbitrarily in space with the solutions resulting from the above approaches, and therefore a target body can be defined in the evaluation computer under all bombardment situations.

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Abstract

Anordnung zur akustischen Geschossablagemessung, insbesondere für mit Unterschallgeschwindigkeit bewegte Übungsziele, die unter Ausschaltung von Laufzeitfehlern mittels eines Mikrophonsystems und einer Auswerteeinrichtung den tatsächlichen Minimalabstand Geschoss/Ziel liefert. Die Anordnung ist je nach gewünschter Aussagekraft mit minimaler Mikrophonanzahl ausgeführt, wobei sich keines der verwendeten Mikrophone im Zielmittelpunkt befinden muss. Je nach Ausführung kann vom Anwender ein Zielpunkt, eine Zielfläche oder ein Zielkörper definiert werden. Die Festlegung von Zielkurs und/oder -höhe sowie -geschwindigkeit ist nicht erforderlich. Die Verwendung dieser Anordnung ist ebenso für ruhende Übungsziele möglich.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur akustischen Geschoßablagemessung, insbesondere für bewegte Übungsziele, mit einem Mikrophonsystem und Auswerteeinrichtungen, die den Minimalabstand Geschoß/ Ziel unter Ausschaltung von Laufzeitfehlern ermitteln sollen.
  • Akustische Verfahren zur Geschoßablagemessung an ruhenden oder mit Unterschallgeschwindigkeit bewegten Übungszielen beruhen auf der Vermessung der von überschallschnellen Geschossen erzeugten kegelförmigen Stoßwellen unter Verwendung eines oder mehrerer Mikrophone. Die Zusammenhänge zwischen der Entfernung Mikrophon / Stoßwellenerzeugungspunkt auf der Geschoßbahn und der Stoßwellenamplitude oder der Stoßwellendauer sind bekannt. Bei nicht bewegten Zielen kann hieraus der kürzeste Abstand Geschoß / Ziel direkt abgeleitet werden.
  • Weiterhin ist bekannt, daß bei bewegten Zielen die direkte Messung fehlerhaft ist, so daß sich - abhängig von den vektoriellen Größen Geschoß-, Ziel- und Schallgeschwindigkeit - nur in seltenen Sonderfällen das richtige Ergebnis ergibt.
  • Zur Vermeidung dieser Fehler muß sowohl der räumliche als auch der zeitliche Verlauf der Geschoßpassage berücksichtigt werden. Für einen solchen Passagevorgang können wegen der Kürze dieses Vorgangs die Zielbewegungs- und Geschoßbahn als eine Gerade und die Geschwin digkeiten als konstant angenommen werden. Eine Rechnung ist jedoch nur dann möglich, wenn der räumliche Bezug der Geschoßbahn zur Zielbahn hergestellt werden kann. Hierzu sind zwei Möglichkeiten bekannt.
  • In der DE-OS 31 22 644 ist ein Korrekturverfahren für fliegende Übungsziele beschrieben, das auf einer waffenort- und zielortbezogenen Geometrie basiert. Es erfordert festgelegte, genau einzuhaltende Flugkurse, Flughöhen und Fluggeschwindigkeiten sowie Bekämpfungsentfernungen und Geschoßgeschwindigkeiten. Die verwendeten Mikrophone müssen im Zielmittelpunkt installiert sein, und die gesamte Anordnung muß eine akustische Kugelcharakteristik aufweisen.
  • Eine andere Möglichkeit wird in der EU-PS 0 003 095 beschrieben. Dort liefert eine dreidimensionale Anordnung, bestehend aus einem Mikrophonsystem mit mindestens vier Mikrophonen und einem Zusatzsystem, also insgesamt mindestens fünf Mikrophonen, eine zielbezogene Geometrie, welche die Unabhängigkeit von Flugkursen und Flughöhen ermöglicht. Die Mikrophonanordnung kann sich auch außerhalb des Zielmittelpunktes befinden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen, die Laufzeitfehler bei minimaler Mikrophonanzahl ausschließt und zur Auswertung hinreichende Informationen, wie Signalamplituden, Signaldauer und -laufzeiten liefert, so daß nur eine geringe Zahl von Übungsparametern vor einer Schießübung festzulegen sind. Diese Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Maßnahme bietet die Möglichkeit, Arten und Anzahl der verfügbaren Informationen mit der Anzahl der Mikrophone und ihrer geometrischen Lage zum Zielmittelpunkt zu bestimmen. Das bedeutet, daß in Abhängigkeit der mechanischen und funktionellen Randbedingungen der Einheit Ziel / Mikrophonsystem ein optimales System ausgewählt werden kann.
  • Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 eine Prinzipdarstellung zur Ermittlung der Minimalentfernung Geschoß / Ziel,
    • Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung der Dopplerkorrektur und des rechnerischen Mikrophonortes,
    • Fig. 3 ein Rotationshyperboloid,
    • Fig. 4 ein Raumdiagramm mit einem Mikrophon im Koordinatenursprung und einem am Ende eines Vektors in einer Raumachse liegenden Mikrophon,
    • Fig. 5 ein Raumdiagramm mit drei in einer Ebene liegenden Mikrophonen,
    • Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Koordinatentransformation und
    • Fig. 7 ein Diagramm für ein dreidimensionales Mikrophonsystem mit vier Mikrophonen.
  • In der Prinzipdarstellung nach Fig. 1 befindet sich der Zielmittelpunkt ZM zum Zeitpunkt t = 0 im Koordinatenursprung und bewegt sich in Richtung der Z-Achse. Das Geschoß befindet sich zum gleichen Zeitpunkt am Ende des Ortsvektors R (t = 0), und es bewegt sich in Richtung G.
  • Es gilt also:
    • Ziel bahn
      Figure imgb0001
    • Geschoßbahn
      Figure imgb0002
  • Die Momentanentfernung Ziel - Geschoß ist dann
    Figure imgb0003
    Figure imgb0004
  • Diese Entfernung wird minimal, wenn
    Figure imgb0005
    wird.
  • Die kürzeste Entfernung Emin liegt also zum Zeitpunkt
    Figure imgb0006
    vor:
  • Dieser Wert ist in *) einzusetzen und Emin zu berechnen.
  • Bevor die Systeme im Einzelnen beschrieben werden, folgen zunächst einige Erklärungen und Vereinbarungen, die für alle Systeme gemeinsam gelten:
    • A) Der kürzeste Abstand Geschoß / Ziel wird in vier Schritten ermittelt:
      • 1. Erfassen und Übertragen der erforderlichen akustischen Daten,
      • 2. Berechnung der räumlichen Lage der Geschoßbahn oder der Geschoßbahnschar, deren Elemente in Bezug auf die Zielbahn alle den gleichen Informationsgehalt haben,
      • 3. Berechnung der Zeitparameter auf Geschoß- und Ziel bahn,
      • 4. Berechnung des kürzesten Abstandes Geschoß / Ziel.
        Die Zeitparameter sind elementar aus Geschoß-, Ziel- und Schallgeschwindigkeit sowie dem Abstand zum ersten beschallten Mikrophon ableitbar. Die Geschoßbahnberechnungen werden im weiteren Verlauf ausführlich dargestellt.
    • B) Die Mikrophonsignale werden mittels eines geeigneten Telemetrieverfahrens einem Auswertungscomputer, der die erforderlichen Berechnungen durchführt, zugeführt.
    • C) Sollen Temperatur- und Höheneinflüsse berücksichtigt werden, erfolgt die Bestimmung der aktuellen Schallgeschwindigkeit aus der Temperatur 4 nach der bekannten Beziehung
      Figure imgb0007
  • Die Messung erfolgt in der Nähe der Mikrophone, die Information wird ebenfalls mittels Telemetrie dem Auswertungscomputer zugeführt.
  • D) Mindestens zwei Mikrophone sind hintereinander in Zielbewegungsrichtung angeordnet, alle Mikrophonorte in Bezug auf den gewünschten Zielmittelpunkt sind bekannt.
  • E) Die Abstände Mikrophon / Geschoßbahn werden über die bekannten Zusammenhänge zwischen Abstand und Stoßwellenamplitude bzw. -dauer bestimmt.
  • Bei Auswertung beider Informationen ist in bestimmten Grenzen die Erkennung des verwendeten Geschoßkalibers möglich.
  • F) Bei schnell bewegten Zielen ist eine Dopplerkorrektur der gemessenen Impulsdauer erforderlich. Der hierzu benötigte Einfallwinkel der Schallwellenfront in Bezug auf die Zielbewegungsrichtung wird aus einer Schallaufzeit-Differenzmessung zwischen den unter D) genannten Mikrophonen ermittelt.
  • G) Schallaufzeit-Differenzmessungen zwischen Mikrophonen werden vorzugsweise durch Bildung und Auswertung der Kreuzkorrelationsfunktion der beteiligten beiden Mikrophonsignale durchgeführt. Dieses Verfahren liefert auch bei hohem Störgeräuschpegel große Genauigkeit und weitere Information. So werden die unter D) genannten Mikrophone gemeinsam vom Windgeräusch des Zieles beschallt. Die Kreuzkorrelationsfunktion erhält daher ein Maximum, aus dessen Lage bei bekannter Schallgeschwindigkeit die Machzahl des Zieles bestimmt werden kann.
  • H) Die Berechnungen erfolgen nach den Prinzipien der geometrischen Akustik. Das Ausbreitungsmedium Luft wird als ruhend und homogen angenommen.
  • Die Form des vom Geschoß erzeugten Machkegels wird bei der Bestimmung der Geschoßbahn berücksichtigt, es erfolgt keine Näherung durch eine ebene Wellenfront. Die Form wird jedoch idealisiert angenommen. Fehler, die bekanntlich bei kleinen Abständen auftreten, werden vom Auswertungscomputer korrigiert. Es werden weiterhin isotrope Eigenschaften der Mikrophone angenommen. Tatsächliche Abweichungen hiervon korrigiert ebenfalls der Auswertungscomputer.
  • I) Um die geometrischen Darstellungen zu vereinfachen, wird die Mikrophonanordnung ruhend angenommen. Die Mikrophon- und Zielmittelpunktsorte sind jedoch nicht die tatsächlichen, sondern "rechnerische" Orte, die aus der Reihenfolge der Beschallung, aus gemessenen Zeitdifferenzen und der Zielgeschwindigkeit ermittelt werden. Die Form des Machkegels wird hierbei berücksichtigt. Nur die so berechneten Orte fließen in die Geschoßbahnberechnung ein.
  • In Fig. 2 ist ein Beispiel zur Erläuterung der Punkte F und I dargestellt. Das Mikrophon M1 wird zuerst beschallt, Mikrophon M2 nach der gemessenen Zeitdifferenz Δtm. Der bekannte Mikrophonabstand M1M*2 ist dann um die Strecke Vz . Δtm (Vz: Zielgeschwindigkeit) zu verringern bzw. bei umgekehrter Reihenfolge der Beschallung zu verlängern.
  • Für den Einfallswinkel ß der Stoßwelle gilt dann mit der Schallgeschwindigkeit c
    Figure imgb0008
    und für die aus der gemessenen Impulsdauer Tm zu berechnende dopplerkorrigierte Impulsdauer
    Figure imgb0009
  • Die Vorkenntnis der aktuellen Schallgeschwindigkeit ist für diese Korrektur nicht notwendig.
  • Beim einfachsten System befinden sich Zielmittelpunkt und zwei Mikrophone auf der Zielbewegungsachse Z. Eine solche eindimensionale Anordnung ist auf Grund ihrer Rotationssymmetrie nicht in der Lage, eine Geschoßbahn eindeutig festzulegen, es sind jedoch wesentliche Informationen verfügbar. _
  • Bei einer gedachten Rotation der Geschoßbahn um die Z-Achse entstehen die rotationssymmetrischen Flächen zweiter Ordnung, die geradlinige Erzeugende haben, also im allgemeinen Fall ein einschaliges Rotationshyperboloid mit zwei Erzeugendenscharen. Nur dieses wird im Folgenden betrachtet, die einfachen Sonderfälle Kreiskegel und -zylinder mit je einer Schar sind eingeschlossen.
  • In Fig. 3 ist ein solches Rotationshyperboloid dargestellt. G und G* sind je eine beliebige Erzeugende der beiden Scharen. Es wird ersichtlich, daß durch die Rotationssymmetrie aus jeder beliebigen Erzeugenden die gleiche Information über den Abstand zu einem auf der Z-Achse beliebig gelegenen Zielmittelpunkt Z ableitbar ist. Wird dieser Abstand E min als rotierende Vektorschar ermittelt, kann aus dem Vorzeichen seiner z-Komponente bestimmt werden, ob die Geschoßpassage vor oder hinter dem Zielmittelpunkt erfolgte (Vorn-Hinten-Erkennung).
  • Für die Berechnungen kann eine beliebige, rechentechnisch im Koordinatensystem günstig gelegene Geschoßbahn G ausgewählt werden, da der zu ermittelnde Abstand bei allen Bahnen gleich ist.
  • In Fig. 4 befindet sich das Mikrophon K im Koordinatenursprung, das Mikrophon L am Ende des Vektors L auf der Z-Achse. Der rechnerische Ort des Mikrophons L ist daher in Vektorschreibweise
    Figure imgb0010
     Der Abstandsvektor R 1 wird zur Vereinfachung in die X - Z - Ebene gelegt und lautet daher
    Figure imgb0011
  • Er steht wie Vektor R 2 senkrecht auf der Geschoßbahn G. Für R2 kann keine Komponente zu Null angenommen werden.
    Figure imgb0012
  • Der Abstand von R1 und R2 auf G ist
    Figure imgb0013
  • Mit dem Machwinkel a , der Machzahl des Geschosses MG und der Geschwindigkeit VG gilt bekanntlich
    Figure imgb0014
  • Ist Δtldie gemessene Zeitdifferenz zwischen der Beschallung der Mikrophone K und L, legt das Geschoß die Strecke ΔtL.VG zurück. Es gilt daher
    Figure imgb0015
  • Bekannt sind die Größen c, VG9 MG und L, die Größen |R 1|, |R 2| und ΔtL werden gemessen. Hieraus sind die Komponenten von R 1 und R 2 zu berechnen, die gesuchte Geschoßbahn liegt damit fest.
  • Gemäß Fig. 4 ist folgendes Gleichungssystem ansetzbar:
    Figure imgb0016
    Figure imgb0017
    Figure imgb0018
    Figure imgb0019
    Figure imgb0020
  • Die Lösung dieses Gleichungssystems liefert die 5 unbekannten Komponenten
    Figure imgb0021
    Figure imgb0022
    Figure imgb0023
    Figure imgb0024
    Figure imgb0025
  • Die Lösung zeigt, daß die für die Vorn-Hinten-Erkennung erforderliche z-Komponente der Abstände eindeutig bestimmt ist.
  • Die Vorzeichen von x1 und y2 sind frei wählbar, das Vorzeichen von x 2 muß dem von xl gleich sein, da x1 in x2 enthalten ist.
  • Es existieren also durch den gewählten Ansatz vier explizite Lösungen mit der Eigenschaft der Spiegelsymmetrie zur X-Z-Ebene bzw. zur Y-Z-Ebene. Keine der Lösungen muß jedoch die tatsächliche Geschoßbahn sein. Für die Berechnung des kürzesten Abstahdes kann eine beliebige Bahn
    Figure imgb0026
    ausgewählt werden.
  • Durch Verwendung eines dritten Mikrophons außerhalb der Z-Achse entsteht ein zweidimensionales Mikrophonsystem. Es ist damit möglich, aus den vorstehend beschriebenen Geschoßbahnscharen zwei Bahnen zu selektieren, die spiegelsymmetrisch zur Mikrophonebene sind, jede der zwei Bahnscharen liefert eine Lösung. Der gewünschte Zielmittelpunkt muß nicht mehr auf der Z-Achse liegen, sondern kann in die Mikrophonebene verlegt werden. Es ist auch möglich, in dieser Ebene Zielflächen, zum Beispiel in Form von Fahrzeugsilhouetten im Auswertecomputer zu definieren. Erfolgt der Beschuß des Ziels nur aus einem der Halbräume, die durch die Mikrophonebene festgelegt werden, ist die Geschoßbahn sogar eindeutig festlegbar, und es kann ein Zielkörper definiert werden.
  • In Fig. 5 ist ein ebenes Mikrophonsystem dargestellt. Es entspricht dem aus Fig. 4 mit dem zusätzlichen dritten Mikrophon M. Um die Rechnung zu vereinfachen, liegt es in der X-Z-Ebene mit dem Vektor M zum rechnerischen Mikrophonort
    Figure imgb0027
    • R 3 ist der Abstandsvektor von M und der Geschoßbahn G. Der Abstand zwischen R 1 und R 3 auf G ist
      Figure imgb0028
    • Δ tM ist die gemessene Zeitdifferenz zwischen der Beschallung der Mikrophone K und M, |R 3| wird ebenfalls gemessen. Δ M und Δ L liegen beide auf Gi es gilt daher
      Figure imgb0029
      und
      Figure imgb0030
      Ist G zur X-Y-Ebene parallel, wird |Δ L| = 0. Da R 1 in der X-Z-Ebene angenommen ist, muß Δ M parallel zur Y-Achse liegen, und es ist ein vereinfachter Ansatz ohne Berechnung von Q möglich. Im Folgenden wird nur der komplizierte Fall |Δ L|≠ 0 betrachtet.
  • Die Festlegung des gesuchten Geschoßbahnpaares erfolgt durch Auswahl einer beliebigen Geschoßbahn aus der Schar und eine rechnerische Rotation von M um die Z-Achse, bis die Bedingungen eines Gleichungssystems erfüllt sind.
  • Die Koordinaten des um den Winkel ψ zu drehenden Mikrophons sind dann
    Figure imgb0031
  • In Fig. 6 ist diese Koordinatentransformation als Projektion in die X-Y-Ebene dargestellt. Die ausgewählte Geschoßbahn ist durch die Abstandsvektoren R 1 und R 2 gegeben, die Abstandsvektoren der tatsächlichen Geschoßbahn
    Figure imgb0032
    und
    Figure imgb0033
    ergeben sich durch entgegen- gesetzte Rotation von R1 und R2 um den gesuchten Winkel
    Figure imgb0034
    Bekannt ist M, gemessen wird |R 3| und ΔtM, xMψ und yMψ sind gesucht.
  • Gemäß Fig. 5 und 6 ist folgendes Gleichungssystem ansetzbar:
    Figure imgb0035
    Figure imgb0036
    Figure imgb0037
    Es liefert als Lösung
    Figure imgb0038
    Figure imgb0039
     Für yMψ existieren, bedingt durch die Spiegelsymmetrie zur X-Z-Ebene, zwei Lösungen. Die in Fig. 6 dargestellte Projektion der Lösung in die X-Y-Ebene ist also noch an der X-Achse zu spiegeln (R 1", R 2").
  • Die Festlegung des Geschoßbahnpaares kann auch über einen anderen Ansatz erfolgen. Hierzu wird die Machkegelerzeugende A (siehe Fig. 5) eingeführt. Die Rotation von M wird dann so durchgeführt, daß A und G den Machwinkel α einschließen. |R 3| muß dann nicht gemessen werden.
  • Wird das zweidimensionale Mikrophonsystem durch ein viertes Mikrophon außerhalb der Mikrophonebene X-Z erweitert, kann eine Geschoßbahn eindeutig bestimmt werden. In Fig. 7 ist dieses vierte Mikrophon N beispielsweise in der Y-Z-Ebene am rechnerischen Mikrophonort N dargestellt. Es sind mehrere Lösungsansätze möglich, zum Beispiel, wie bereits ausgeführt, mit Hilfe des gemessenen Abstandes und des Skalarproduktes mit den beiden möglichen Bahnvektoren oder durch rechnerische Rotation von N um die Z-Achse. Mit dem letzteren Ansatz ergibt sich dann eine zur Y-Z-Ebene symmetrische Doppellösung, von denen eine einzige identisch ist mit einer Lösung, die mit Hilfe des Mikrophons M gewonnen wurde.
  • Ein Ansatz mit Hilfe des Machwinkels α ohne Kenntnis des Abstandes |R 4| ist ebenfalls möglich. Gemäß Fig. 7 gilt
    Figure imgb0040
    Wie in den vorstehenden Rechnungen ausgeführt, ergibt sich |Δ N| aus einer der möglichen Laufzeitdifferenzen, zum Beispiel zu Mikrophon K, die Machkegelerzeugende e folgt dann aus der Vektorsumme
    Figure imgb0041
     Erfüllt dieser Vektor das obenstehende Skalarprodukt nicht, ist die zweite Möglichkeit mit R 1" und Δ N" die damit eindeutig bestimmte Geschoßbahn.
  • Der Zielmittelpunkt kann mit den aus den vorstehenden Ansätzen sich ergebenden Lösungen beliebig im Raum festgelegt werden, und es kann daher unter allen Beschußsituationen ein Zielkörper im Auswertungscomputer definiert werden.

Claims (4)

1. Schalldruckwandleranordnung zum akustischen Erfassen von Geschoßbahnen und Geschoßablagen, insbesondere für bewegliche Übungsziele, mit einem Mikrophonsystem und einer einen Auswertealgerithmus aufweisenden Auswerteeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalldruckwandleranordnung mindestens zwei räumlich getrennte Schalldruckwandler aufweist, deren Signale in der Auswerteeinrichtung aufgrund bekannter physikalischer Zusammenhänge in Abstände und Schallaufzeitdifferenzen repräsentierende Daten umgesetzt und einem Auswertecomputer, sowohl zum Berechnen eines minimalen Abstandes Geschoß / Ziel, unter Berücksichtigung des räumlichen und zeitlichen Verlaufs der Ziel-Geschoßpassage, als auch einer Komponente des Geschoßdurchganges in Richtung der Verbindungsachse der Schalldruckwandler zugeführt werden und daß die berechneten Daten zur Bestimmung einer Vielzahl von zur Verbindungsachse der Schalldruckwandler rotationssymmetrisch verlaufenden Geschoßbahnen dienen, die in bezug auf den minimalen Abstand Ziel / Geschoß und Komponente in Richtung der genannten Verbindungsachse eindeutig ist, sind mit dem Zielmittelpunkt auf dieser Achse.
2. Schalldruckwandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Schalldruckwandler außerhalb der Verbindungsachse in einer Ebene mit den anderen Schalldruckwandlern angeordnet ist, dessen Signal zur Berechnung eines zusätzlichen Abstandes und/oder einer Schalllaufzeitdifferenz dient.
3. Schalldruckwandleranordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Schalldruckwandler so angeordnet ist, daß dieser außerhalb der Ebene liegt und daß das Signal dieses Schalldruckwandlers einen weiteren Abstand und/oder eine weitere Schallaufzeitdifferenz zur eindeutigen Berechnung der Geschoßbahn repräsentiert.
4. Verfahren zur Messung der Zielmachzahl mit Anordnungen gemäß den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei in Zielbewegungsrichtung versetzte Schalldruckwandler von einer mit dem Ziel mitbewegten, an einem bekannten Ort vor oder hinter den Mikrophonen befindlichen Schallquelle gemeinsam beschallt werden und daß die zur Berechnung der Zielmachzahl erforderliche Laufzeitdifferenz mittels Kreuzkorrelation der Signale der beiden Schalldruckwandler ermittelt wird.
EP87100842A 1986-02-08 1987-01-22 Verfahren zur akustischen Erfassung von Geschossbahnen und zur Ermittlung des kürzesten Abstandes Geschoss/Ziel Expired - Lifetime EP0232762B1 (de)

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