| GB2114744A | 1983-08-24 | |||
| DE3705981A1 | 1988-09-08 | |||
| US3995223A | 1976-11-30 |
| 1. | Verfahren zur Bestimmung der Zielrichtung und Zielent¬ fernung von schallerzeugenden Zielen (2), wie Rad oder Kettenfahrzeugen, mit Hilfe einer aus mehreren Senso¬ ren (10, 11) bestehenden Sensoranordnung (1), wobei zur Zielrichtungsbestimmung (Peilwinkelbestimmung) akusti¬ sche Sensoren (11) verwendet werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Zielentfernungs¬ messung zusätzlich zu den akustischen Sensoren (11) ein Seismiksensor (10) verwendet wird, daß für eine für das Ziel (2) charakteristische Signalquelle jeweils eine im Luftschall als auch im Bodenschallspektrum charakteri¬ stische Linie gemessen wird, und daß aus der Dopplerver¬ schiebung dieser Linien und der Ausbreitungsgeschwindig¬ keit (C) der entsprechenden Wellen die radiale Zielge schwindigkeit (VZ/r) und hieraus unter Berücksichti¬ gung des Peilwinkels ( C ) die Zielentfernung (r) be¬ rechnet wird. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e kennzeichnet, daß zur Messung der Dopplerverschiebung nur Linien im Bodenschallspektrum < 100 Hz herange¬ zogen werden. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Messung der Dopplerverschiebung im Bodenschall und Luftschall¬ spektrum nur Linien etwa gleicher Frequenz herangezogen werden, so daß gilt £Q (Luft)/fo (Boden) ~^ 1, wobei D (Luft) , die Frequenz der zielcharakteristischen Linie im Luftspektrum und f~) (Boden) die Frequenz der zielcharakteristischen Linie im Bodenspektrum bedeutet. |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Zielrichtung und Zielentfernung von schallerzeugenden Zielen, wie Rad- oder Kettenfahrzeugen, wie es im Ober¬ begriff des Anspruchs 1 näher charakterisiert ist.
Für die Realisierung von Flächenverteidigungsminen sind Sensoren erforderlich, die potentielle Ziele (Rad- und Kettenfahrzeuge) mit ausreichender Genauigkeit so auf¬ klären, daß die Munition zur Wirkung gebracht werden kann. In Abhängigkeit vom Verbringungssystem (WurfSystem etc.) und der Munition (z. B. konventionelle Munition, zielsen- sierende Munition) sind Entfernung und Richtung zum Ziel zu bestimmen. Typische Entfernungsbereiche sind - je nach Munitionskonzept - 40 bis 300 m.
Aus der DE-PS 31 40 728 ist beispielsweise ein Verfahren zur Bestimmung der Zielrichtung und Zielentfernung be¬ kannt, wobei die Zielerfassung mit einem aus vier Mikro¬ fonen bestehenden Luftschallsensor erfolgt. Die Entfer¬ nungsbestimmung erfolgt mit Hilfe eines aktiven Zielsen¬ sors, bestehend aus einer Schallquelle und dem erwähnten Luftschallsensor. Nachteilig bei dieser Anordnung ist vor allem, daß die Zielerfassungseinrichtung selbst eine Schallquelle enthalten muß. Außerdem sind derartige aktive Sensoren einfach aufzuklären.
Aus der DE-PS 36 01 053 ist eine Auslöseanordnung für eine starre Richtmine mit einem Laserentfernungsmesser bekannt. Auch in diesem Fall handelt es sich um einen aktiven Sen¬ sor, der einfach aufzuklären ist.
Die DE-OS 37 05 981 offenbart eine Vorrichtung für die Zielerkennung und Zündauslösung mit einem Seismiksensor und einem akustischen, aus zwei Richtmikrofonen bestehen¬ den Sensor. Der Seismiksensor dient in diesem Fall zur Aktivierung der Richtmikrofone, stellt also einen soge¬ nannten Wecksensor dar. Mit Hilfe der Richtmikrofone wird dann der Peilwinkel ermittelt. Eine Zielentfernungsmessung erfolgt mit dieser bekannten Vorrichtung nicht.
Schließlich ist auch aus der DE-OS 38 04 495 eine elektro¬ nische Zündeinrichtung für Panzerabwehrminen bekannt, die einen Seismiksensor und drei Magnetfeldsensoren enthält. Der Seismiksensor dient auch in diesem Fall wiederum als Wecksensor.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Verfahren so weiterzuentwickeln, daß die Bestimmung der Zielrichtung und der Zielentfernung lediglich mit passiven Sensoren erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 gelöst.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens wer¬ den in den Unteransprüchen offenbart.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt also den Effekt, daß Rad- und Kettenfahrzeuge den Luft- und Bodenschallkanal
durch das Antriebsaggregat sowie die Kettenabrollgeräusche in gleicher Weise anregen. Der Peilwinkel dU zum Ziel wird vorzugsweise über ein Korrelationsverfahren aus dem Luft¬ schallkanal gewonnen. Hierzu sind mindestens drei Mikrofo¬ ne, vorzugsweise als gleichseitiges Dreieck, anzuordnen.
Zur Zielentfernungsbestimmung werden mittels Fouriertrans- formation die akustischen und seismischen Signale in den Frequenzbereich transformiert. In beiden Linienspektren werden dann je eine Linie im Luftschall- und Bodenschall¬ spektrum identifiziert, die von der selben Signalquelle des Fahrzeuges herrühren (z. B. Grundlinie des Motors). Mit der Kenntnis des Peilwinkels c und der im Verfahren automatisch bestimmten Ausbreitungsgeschwindigkeit CR der Rayleighwelle des Bodenschalls kann dann über die Auswer¬ tung des Dopplereffektes im Luft- und Bodenschallkanal die radiale Zielgeschwindigkeit V Zfr bestimmt werden. Aus der radialen Zielgeschwindigkeit kann dann über den Peilwin¬ kel die Zielentfernung r berechnet werden.
Das hier offenbarte Verfahren ermittelt Peilung und Entfer¬ nung zum Ziel ausschließlich durch Auswertung von Luft- und Bodenschallsignalen, also nur mit passiven Sensoren.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles und mit Hilfe von Figuren beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 einen sich relativ zur Sensoranordnung bewe¬ genden Panzer; und
Fig. 2 das Blockschaltbild einer Sensoranordnung mit elektronischer Auswertevorrichtung.
In Fig. 1 ist mit 1 eine Sensoranordnung und mit 2 ein sich auf der Geraden 3 bewegender Panzer, dessen Entfer¬ nung ermittelt werden soll, dargestellt. Das Ziel 2 bewegt sich nacheinander von dem Ort 4 über den Ort 5 zum Ort 6. Die entsprechenden Peilwinkel sind mit Ct. 1 , (X 2 und o 3 gekennzeichnet, während die Richtung der Zielbewegung mit * bezeichnet ist. Die entsprechenden Zielentfernungen der Sensoranordnung 1 von den Zielpunkten 4, 5 und 6 sind mit rl, r2 und r3 gekennzeichnet.
In Fig. 2 ist noch einmal die Sensoranordnung 1 sowie eine der Sensoranordnung zugeordnete Auswerteelektronik 20 dar¬ gestellt, die die entsprechenden Zündsignale erzeugt.
Die Sensoranordnung 1 enthält einen Seismiksensor 10 (Geophon) sowie einen Luftschallsensor 11, der im wesent¬ lichen aus drei Mikrofonen, die vorzugsweise in der Anord¬ nung eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind, be¬ steht.
In der Auswerteelektronik 20 erfolgt mit Hilfe der Funk¬ tionseinheiten 21 und 22 eine Fouriertransformation der entsprechenden, von der Sensoranordnung kommenden Signale. Anschließend erfolgt in der Funktionseinheit 23 eine Linienidentifizierung, damit sichergestellt wird, daß lediglich Frequenzen < 100 Hz auf ihre Dopplerverschie¬ bung hin analysiert werden, wobei es sich um Linien han¬ deln muß, die charakteristisch für Signalquellen des Zie¬ les sind. Insbesondere kommt als Signalquelle des Ziels die Grundlinie des Motors oder das Kettengeräusch in Be¬ tracht. Dieses bedeutet, daß die Linienidenti izierung der zueinandergehδrenden Linien im Luft- und Bodenschallkanal auf einfache Weise durchgeführt werden kann.
Wesentliche Vorteile ergeben sich dadurch, daß im Boden- und Luftschallkanal zwei zugehörige Linien näherungsweise gleicher Frequenz identifiziert werden können, weil dann gilt:
f D (Luft) »1 t-Q (Boden)
Die Linienidentifizierung wird mit der Funktionseinheit 23 derart durchgeführt, daß im Spektrum des Bodenschallsig¬ nals eine Linie gesucht wird, die zur Linie mit der höch¬ sten spektralen Leistung im Luftschallkanal eine Frequenz¬ lage aufweist, die gegenüber der Linie im Luftschallkanal um einen Wert von < J10...15 Hz|verschoben ist. Kann eine solche Linie nicht identifiziert werden, wird das Verfah¬ ren mit der Linie der nächsthöchsten spektralen Leistung wiederholt.
Mit Hilfe der Funktionseinheit 24 erfolgt die Ermittlung der Ausbreitungsgeschwindigkeit CR der von dem Geophon 10 gemessenen Rayleighwelle, wobei über die Leitung 25 der entsprechende Peilwinkelwert eingegeben wird. Die Be¬ stimmung von C~> wird weiter unten näher erklärt.In der Funktionseinheit 26 wird dann aus den Dopplerfrequenz- verschiebungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ray¬ leighwelle, der Schallgeschwindigkeit und dem Peilwinkel die Zielentfernung berechnet. Aus der Zielentfernung und dem Peilwinkel werden dann entsprechende Kriterien für den Zündzeitpunkt gewonnen, so daß über die Leitung 28 entspre¬ chende Zündsignale an den nicht dargestellten Waffenträger weitergegeben werden können.
Selbstverständlich muß es sich bei den vorstehend erwähn¬ ten Funktionseinheiten 21, 22, 23 und 24 nicht um hardware¬ mäßige Baueinheiten handeln. Vielmehr können diese Einhei¬ ten auch durch einen entsprechend programmierten Rechner realisiert werden.
Im folgenden wird etwas näher auf die Berechnung der Ziel¬ entfernung aufgrund der gemessenen Dopplerfrequenzverschie- bungen und der Peilwinkel eingegangen:
Bewegt sich das Ziel 2 (Fig. 1) relativ zu der Sensoranord¬ nung 1 mit der Geschwindigkeit V Z/r (Bewegung des Ziels 2 im Abstand r in Richtung z), so verschieben sich die ziel¬ charakteristischen Lienen durch den Dopplereffekt wie folgt:
für die Rayleighwelle: z,r fD,R - fR (1 + ) (1)
CR (f R ) - V Z/r
f D,R Dopplerfrequenz fR Frequenz ohne Dopplerverschiebung CR Ausbreitungsgeschwindigkeit der Rayleighwelle.
für die Schallwelle: r z,r fD,S = f S ( 1 + (2)
C S (fs> - Vz,r
mit f D,S = Dopplerfrequenz fg = Frequenz der Schallwelle ohne
Dopplerverschiebung Cg = Schallgeschwindigkeit.
Aus (1) und (2) ergibt sich für die Geschwindigkeit:
fDS _ 1
CS(fS, ( fDR
(3)
Für die Berechnung der Geschwindigkeit V 2/r ist ferner die Ermittlung der Ausbreitungsgeschwindigkeit CR der Rayleigh¬ welle bei der entsprechenden Frequenz erforderlich. Die Be¬ stimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit CR einer Rayleigh¬ welle ist im Prinzip nur unter Auswertung der vom Fahrzeug abgestrahlten, genügend breitbandigen Signale möglich. Wird zwischen den in den Frequenzbereich transformierten Signalen von zwei Sensoren das Kreuzspektrum gebildet, so kann über den Phasenwinkel (Ξ> des Kreuzspektrums:
Im[S 1 *(k.F G ).S 2 (k.F G )] © (k.F G ) = arctg
Re[S 1 *(k.F G ).S 2 (k.F G )]
die Ausbreitungsgeschwindigkeit bestimmt werden:
d.k.F G .27T
CR(k.F G ) = . cos cC
Θ (k.F G )
Dabei bedeuten: k = Laufvariable
F G = Frequenzauflösung eines diskreten Frequenzspektrums Sτ_* = konjugiert komplexes Spektrum eines diskreten Signals S S 2 = diskretes Signal im
Frequenzraum d = Abstand von 2 Geophonen
Mit Hilfe von CR, ς und v z,r wird die Zielentfernung r wie folgt berechnet:
τ 1 (0)e^ cC 1 +|V Z | . Ti . = r 2 (Ti) . i 2 ,
r 2 Ti)ei* 2 + |V Z | . T . eUl = r 3 (2Ti)e^ 3 /
Z r ( r2 ) = |V Z | . cos ( oC 2 - % )
V z (r 3 ) = |V Z | . cos(# 3 - )
(V z .Ti) 2 = r 1 2 (0)+r 2 2(τ i ) - 2 rl (0) . r 2 (Ti) . cos((t j_-α 2 )
Hierin bedeutet T die Zeit, die das Fahrzeug für die Fahrstrecke von 4 nach 5 bzw. 5 nach 6 (Fig. 1) benötigt.
Bezuσszeichenliste
1 Sensoranordnung
2 Ziel, Panzer
3 Gerade
4 Orte des Zieles auf der Geraden 3
5 zu verschiedenen Zeiten
10 Seismiksensor, Geophon 1 Luftschallsensor
0 Auswerteelektronik, Rechner 1 Funktionseinheit zur Durchführung von Fouriertransformation 2 Funktionseinheit zur Durchführung von Fouriertransformation 3 Funktionseinheit zur Linienidentifizierung 4 Funktionseinheit zur Ermittlung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Rayleighwelle 5 Leitung, über die der Peilwinkel eingegeben wird 6 Einheit zur Berechnung von V Z/r und des Zündzeitpunktes 7 Leitung, über die der Peilwinkel eingegeben wird. 8 Leitung, über die Zündsignale an den Waffenträger geleitet werden
Next Patent: METHOD FOR RADIATION DETECTION AND MEASUREMENT