DE3322500A1 - Verfahren zum passiven bestimmen von zieldaten eines fahrzeugs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum passiven Bestimmen von Zieldaten eines Fahrzeugs von einem Meßort aus nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Überall dort, wo Fahrzeuge beobachtet, überwacht, verfolgt oder bekämpft werden sollen, benötigt man Meßmethoden zum Erfassen von Position, Fahrzeuggeschwindigkeit und Kurs, die ohne Eigenverrat arbeiten. Beispielsweise beim Küstenschutz sollen passierende Wasserfahrzeuge eine Überwachung einer Küstenregion durch an Bord befindliche Radar- oder Sonaranlagen nicht feststellen können, um im Falle einer Invasion Verteidigungsmaßnahmen zielgerecht einleiten zu können. Das Bestimmen von Zieldaten in einem anderen Meßgebiet, z. B. offenem Seegebiet, dient bei einem anderen militärischen Anwendungsfall der Beurteilung einer Gefechtssituation und Abschätzung der Wirksamkeit taktischer Maßnahmen.

In der Wasserschalltechnik kann hierzu beispielsweise die vom Fahrzeug selbst generierte Wellenenergie, nämlich das Fahrtgeräusch, das am Meßort empfangen wird, zum Bestimmen der Zieldaten ausgenutzt werden. Ein solches Verfahren ist aus der deutschen Patentschrift 8 87 926 bekannt, bei dem aus drei Peilungen der Kurs eines Wasserfahrzeugs bestimmt wird. Wird zusätzlich z. B. die Fahrzeuggeschwindigkeit des Wasserfahrzeugs aufgrund seiner Schraubendrehzahl geschätzt, so ist auch Entfernung und Kurs berechenbar. Andererseits wird bei Vorgabe der Entfernung die dann unbekannte Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt. In der Anfangsphase der Auswertung von Horchpeilungen ist eine so gewonnene Zielbahn noch in starkem Maße von der Genauigkeit der Anfangsschätzwerte, nämlich Entfernung oder Fahrzeuggeschwindigkeit, abhängig. Erst dann, wenn nach einem Eigenmanöver mindestens drei weitere Peilungen gemessen worden sind, können die unbekannten Zieldaten unabhängig von den Schätzwerten berechnet werden. Alle zusätzlich ermittelten Peilungen bewirken einen Ausgleich der Meßfehler und bei zeichnerischen Lösungsverfahren am Plottisch auch einen Ausgleich der Zeichenungenauigkeiten beim Festlegen des Kurses durch den Auswerter. Bei einer automatischen Auswertung der Peilung und Berechnen der Zielbahn durch Regressionsverfahren nähert sich zwar die berechnete Zielbahn dem wirklichen Kurs immer genauer an, jedoch kann das Ergebnis der Rechnung unter Berücksichtigung einer meßfehlerbehafteten Peilung stärker verfälscht sein, als wenn die meßfehlerbehaftete Peilung unberücksichtigt bliebe.

Auch ist aus dieser Patentschrift bekannt, eine Peilwinkelzeitkurve einer vorgegebenen Kurvenschar zu überlagern, um das Verhältnis von Fahrzeuggeschwindigkeit und Entfernung des Fahrzeugs zu bestimmen. Eine derartige Auswertung ist besonders zeitaufwendig und in hohem Maße abhängig von der Beurteilung des Auswerters, so daß sich leicht ungenaue Zieldaten ergeben. Darüber hinaus ist die Anzahl der zu berücksichtigenden Meßwerte durch die manuelle Auswertung stark eingeschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein passives Verfahren zum Bestimmen von Zieldaten eines selbstgenerierte Wellenenergie abstrahlenden Fahrzeugs der eingangs genannten Art anzugeben, das eine Angabe der Zieldaten von einem ruhenden Meßort aus, automatisch und ohne Schätzung von Anfangsbedingungen, wie z. B. Entfernung oder Fahrzeuggeschwindigkeit, innerhalb kürzester Zeit gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung geht dabei von den physikalischen Gesetzen der Ausbreitung von Wellenenergie in einem Übertragungsmedium mit Dispersionseigenschaften aus. In aller Regel besteht ein solches Übertragungsmedium aus einzelnen Schichten mit unterschiedlichen Übertragungseigenschaften für die vom Fahrzeug abgestrahlte Wellenenergie. In einer der Schichten sind als Meßanordnung mindestens zwei Wandler installiert, die die vom Fahrzeug abgestrahlte Wellenenergie in elektrische Empfangssignale umwandelt.

Soll das erfindungsgemäße Verfahren in der Luftfahrt zur passiven Messung der Zieldaten von Flugzeugen oder auf dem Land zum Vermessen von Landfahrzeugen, z. B. Panzern, eingesetzt werden, so werden als Wandler Mikrophone in Schichtungen der Atmosphäre oder Geophone in Bodenschichten eingesetzt, die die aufgrund des Fahrtgeräusches abgestrahlte Schallenergie in der Übertragungsschicht am Meßort in elektrische Empfangssignale umwandeln. Das erfindungsgemäße Verfahren kann ebenfalls eingesetzt werden, wenn das Fahrzeug elektromagnetische Wellen, z. B. Licht, abstrahlt, das in eine Übertragungsschicht mit Dispersionseigenschaften, z. B. Eisschichtungen, eindringt und sich dort ausbreitet.

Bei dem Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Wasserschalltechnik zum passiven Bestimmen der Zieldaten von Wasserfahrzeugen werden als Wandler zwei Hydrophone in einer Wasserschicht als Übertragungsschicht angeordnet. Im einfachsten Fall ist diese Übertragungsschicht mit Dispersionseigenschaften ein Flachwasser-Schallübertragungskanal, kurz Flachwasserkanal, bei dem die Wasserschicht durch parallele Luft- und Bodenschichten als Grenzschichten begrenzt wird und die Eigenschaften des Übertragungsmediums, wie Ausbreitungsgeschwindigkeit, nahezu konstant sind. Ebenso ist aber auch das erfindungsgemäße Verfahren einzusetzen, wenn im Wasser mehrere Schichtungen mit unterschiedlichen Übertragungseigenschaften zu verzeichnen sind. Es ist nach einem Aufsatz von C. L. Pekeris, "Theory of Propagation of Explosive Sound in Shallow Water", The Geological Society of America, Memoir 27, 1948, und einem Buch von J. Tolstoy und C. S. Clay, "Ocean Acoustics: Theory and Experiment in Underwater Sound", McGraw-Hill Book Company, New York, 1966, bekannt, daß die Schallausbreitung einer im flachen Wasser befindlichen Geräuschquelle bei tiefen Frequenzen durch eine Überlagerung von Eigenwellen oder Moden beschrieben werden kann. Anschaulich kann man sich ein solches physikalisches Modell der Ausbreitung von Schall so vorstellen, daß der Schall im Flachwasserkanal an der Wasseroberfläche total und am Boden teilweise reflektiert wird, so daß sich eine zickzackförmige Ausbreitung ebener Wellenfronten über der Entfernung einstellt. Oberhalb einer kritischen Grenzfrequenz, die gleich der Wasserschallgeschwindigkeit geteilt durch etwa vierfache Höhe ist, bilden sich Eigenwellen oder sog. Moden aus. Die Anzahl der Eigenwellen ist abhängig von der Frequenz der abgestrahlten Schallenergie. Jeweils beim Überschreiten eines ungeraden Vielfachen der kritischen Grenzfrequenz kommt eine weitere Eigenwelle hinzu. Der Winkel, unter dem die Wellenfront an der Wasseroberfläche bzw. am Grund reflektiert wird, wächst mit der Ordnungszahl der Eigenwellen. Die Wellenfronten durchlaufen dann einen längeren Weg und stoßen häufiger an die Grenzschichten und erfahren dabei eine höhere Dämpfung.

Die Eigenwellen oder Moden stellen Lösungen einer partiellen Wellengleichung für den Flachwasserkanal dar. Genauer gesagt, sind es die Eigenfunktionen des Flachwasserkanals in horizontaler Richtung. Die Eigenwellen sind Zylinderwellen, die sich konzentrisch von der Schallquelle wegbewegen. Sie weisen in Ausbreitungsrichtung eine Periode auf, die um so geringer ist je höher die Frequenz der sich ausbreitenden Schallwelle ist. Die Phasengeschwindigkeit der Eigenwelle ist abhängig von der Frequenz des abgestrahlten Schalls und bei höheren Frequenzen nähert sie sich fallend der Ausbreitungsgeschwindigkeit im Wasser. Der Schalldruckverlauf in vertikaler Richtung ist von der Ordnungszahl der Eigenwelle abhängig. An der Wasseroberfläche ist der Schalldruck gleich Null, am Boden weist er stets eine endliche Größe auf, die Anzahl der dazwischenliegenden Nullstellen ist um eins geringer als die Ordnungszahl.

Durch Überlagerung mehrerer Eigenwellen entsteht im Flachwasserkanal ein Interferenzfeld. Dieses Interferenzfeld baut sich um die Schallquelle auf. In radialer Richtung zur Schallquelle sind räumliche Amplitudenschwankungen zu verzeichnen. Den Abstand zwischen gleichen Extremwerten nennt man Interferenzwellenlänge. Diese Interferenzwellenlänge ist allein abhängig von den Eigenschaften des Flachwasserkanals und der Frequenz des abgestrahlten Schalls, sie wird zu höheren Frequenzen hin größer.

Bei einem fahrenden Wasserfahrzeug wird Schall in einem breiten Frequenzbereich abgestrahlt und aufgrund der sich ausbildenden Eigenwellen entsteht im Flachwasserkanal ein Interferenzfeld. Dieses Interferenzfeld ist mit dem Wasserfahrzeug als Schallquelle verbunden.

In einem Aufsatz von Weston et al, "Interference of Wide-Band Sound in Shallow Water", Admirality Research Laboratory, Teddington, Middlesex, 1971, reproduced by National Technical Information Service, wird ein Verfahren beschrieben, mit dem Übertragungseigenschaften eines Flachwasserkanals untersucht werden. Von einem ortsfesten Hydrophon wird ein breitbandiges Geräusch einer Schallquelle empfangen. Die Schallquelle bewegt sich dabei mit geradlinigem Kurs zunächst auf das Hydrophon zu und anschließend von ihm fort. Von dem Geräusch werden nacheinander je Zeiteinheit Spektrogramme berechnet. Die Intensitäten dieser Spektrogramme werden als Funktion der Frequenz spaltenweise in Grautonschrift dargestellt. In jede Spalte, die dem jeweiligen Abstand zwischen Hydrophon und Schallquelle zugeordnet ist, wird ein Spektrogramm eingetragen. Es ergibt sich ein Intensitätsmuster, das fächerförmig zum Hydrophonort hinläuft. Dieser Grautonschrieb spiegelt das Interferenzfeld wieder, das die Schallwellen des abgestrahlten Geräusches aufgrund der Ausbreitung von Eigenwellen oder Moden hervorrufen.

Auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen von Zieldaten eines Fahrzeugs werden aus dem zeitlichen Verlauf der Empfangssignale jedes Wandlers zur Frequenzanalyse Spektrogramme erstellt und spektrale Leistungen der Empfangssignale jedes Spektrogramms, beispielsweise als Intensitätsschrieb über der Frequenz abgespeichert. Die einzelnen Intensitätsschriebe werden ihrem Meßzeitpunkt zugeordnet. Als Intensitätsschrieb kann ein Grautonbild erzeugt werden. Die abgespeicherten Spektrogramme bilden ein zweidimensionales Intensitätsmuster innerhalb eines Frequenz-Zeit-Koordinatensystems, dessen eine Achse der Frequenz und dessen andere Achse einer Zeitbasis zugeordnet ist und beispielsweise in Zeiteinheiten geteilt ist.

Aus diesem Intensitätsmuster wird erfindungsgemäß innerhalb eines vorgebbaren Frequenzbereichs ein Ausschnitt ausgewählt, der sich über ein Zeitintervall von einer vorgebbaren Anzahl von Zeiteinheiten erstreckt. Innerhalb des Ausschnitts werden benachbarte Intensitäten gleicher Stärke aufgesucht, die im Frequenz-Zeit-Koordinatensystem kontinuierliche Interferenzlinien bilden. Diese Interferenzlinien sind bei einem Kurs des Fahrzeugs, der über den Meßort führt, also bei einem Überlauf des Meßorts, nahezu Geraden, die fächerförmig durch den Ausschnitt verlaufen. Der Ursprung des Fächers ist dem Meßort zuzuordnen. Bei einem Vorbeilauf, bei dem der Kurs des Fahrzeugs einen Querabstand zum Meßort aufweist, ist eine hyperbelartige Struktur zu erkennen. Die Scheitelpunkte der Hyperbeln kennzeichnen die größte Annäherung an den Meßort. Ruht das Fahrzeug, so empfangen die Wandler je Frequenz einen bestimmten Pegel und es entsteht ein Streifenmuster aus Interferenzlinien längs den einzelnen Frequenzspuren im Ausschnitt des Intensitätsmusters. Die Steigung der Interferenzlinien ist unendlich groß. (Die Steigung wird hier relativ zur Frequenzachse gemessen.) Fährt das Fahrzeug, so verändern sich die je Frequenz empfangenen Pegel über der Zeit. Die Interferenzlinien im Intensitätsmuster krümmen sich und ihre Steigung nimmt endliche Werte an. Die Steigung der Interferenzlinien ist abhängig von der Annäherungsgeschwindigkeit des Fahrzeugs an den Meßort bzw. der radialen Geschwindigkeitskomponente der Fahrzeuggeschwindigkeit bezüglich des Meßorts. Nähert sich das Fahrzeug dem Meßort mit großer Annäherungsgeschwindigkeit, so sind die Steigungen der Interferenzlinien geringer, als wenn das Fahrzeug aus gleicher Entfernung mit niedrigerer Annäherungsgeschwindigkeit zum Meßort fahren würde. Die zugehörige tangentiale Geschwindigkeitskomponente der Fahrzeuggeschwindigkeit trägt zur Ausbildung der Intensitätsmuster nichts bei. Fährt ein Fahrzeug im Kreis mit konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit um einen Wandler herum, so entsteht ein Muster der abgespeicherten Intensitäten, das längs den Frequenzspuren keine Intensitätsunterschiede aufweist. Statt des fächerförmigen Intensitätsmusters entsteht ein Muster aus parallelen Streifen, die entlang den Frequenzspuren verlaufen, wie wenn das Fahrzeug ruhen würde. Allein eine zusätzliche radiale Geschwindigkeitskomponente führt dazu, daß die Strukturierung des Intensitätsmusters fächerförmig ist. Man kann sich das auch so vorstellen, daß das Interferenzfeld durch konzentrische Kreise um das Fahrzeug herum charakterisiert ist, die die Minima bzw. Maxima der Interferenzwellen im Abstand der Interferenzwellenlängen kennzeichnen. Bei einer Kreisfahrt erfaßt der Wandler jeweils ein und dieselbe Intensität des Interferenzfeldes. Nur durch eine radiale Geschwindigkeitskomponente sind abwechselnd Minimum und Maximum der Intensitäten am Wandler feststellbar.

Man kann sagen, daß das Interferenzfeld mit dem Fahrzeug gekoppelt ist und mit Annäherungsgeschwindigkeit bzw. radialer Geschwindigkeitskomponente der Fahrzeuggeschwindigkeit über jenen Wandler gezogen wird. Wenn das Fahrzeug auf einem Kurs längs der Verlängerung der Verbindungslinie zwischen den beiden Wandlern fährt, wird jeder Momentanwert des Interferenzfeldes zuerst vom einen Wandler und wenig später vom anderen Wandler empfangen. Die Zeitverschiebung zwischen den abgetasteten Interferenzfeldern ist direkt abhängig von der Annäherungsgeschwindigkeit, sie ist ihr umgekehrt proportional, nämlich um so größer je geringer die Annäherungsgeschwindigkeit bzw. die radiale Geschwindigkeitskomponente der Fahrzeuggeschwindigkeit. Diese Zeitverschiebung wird für das erfindungsgemäße Verfahren mit Hilfe der Intensitätsmuster ermittelt. Die Intensitätsmuster der beiden Ausschnitte werden dabei so lange in Zeitrichtung gegeneinander verschoben, bis sie sich decken. Die hierzu notwendige Zeitverschiebung stellt die gesuchte Größe dar.

Außerdem wird zur Ermittlung der Zieldaten in einem der Ausschnitte die Steigung mindestens einer der Interferenzlinien, vorzugsweise der durch die Mitte des Ausschnitts verlaufenden Interferenzlinie gemessen.

Aus diesen Meßdaten - der Steigung der Interferenzlinien und der Zeitverschiebung der Intensitätsmuster aus beiden Ausschnitten - werden unter Berücksichtigung des Peilwinkels und seiner zeitlichen Änderung die Zieldaten des Fahrzeugs gemäß Anspruch 1 berechnet. Die radiale Geschwindigkeitskomponente ist gleich dem Quotienten aus Laufzeitunterschied und Zeitverschiebung multipliziert mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellenenergie im Medium. Die Entfernung zwischen Fahrzeug und Meßort wird dadurch ermittelt, daß die Steigung mit dem Laufzeitunterschied und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellenenergie multipliziert und durch die Zeitverschiebung dividiert wird. Die tangentiale Geschwindigkeitskomponente erhält man durch Multiplikation der Entfernung mit der zeitlichen Änderung des Peilwinkels.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen darin, daß unmittelbar nach der Detektion der vom Fahrzeug generierten und abgestrahlten Wellenenergie die Zieldaten kontinuierlich bestimmt werden können. Am Intensitätsmuster zeigt sich, ob nur Umgebungsgeräusch von den Wandlern empfangen wird oder ein Fahrzeug in das Meßgebiet gefahren ist, da im letztgenannten Fall dann unmittelbar eine Strukturierung des regellos aussehenden Intensitätsmusters stattfindet und sich Interferenzlinien ausbilden. Sobald Interferenzlinien erkennbar sind, ist es möglich, Steigung und Zeitverschiebung zu messen. Am einfachsten ist die Steigung einer Interferenzlinie durch Approximation einer Geraden und die Zeitverschiebung zwischen den Interferenzmustern der beiden Ausschnitte mit Hilfe der Korrelationstechnik bestimmbar. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß während eines Bewegungsvorgangs des Fahrzeugs die Bestimmung der Zieldaten vom ruhenden Meßort ohne Eigenverrat, nämlich ohne Ausstrahlen eigener Sendeenergie oder eigenes Manövrieren, möglich ist, so daß das Fahrzeug die Überwachung durch an Bord befindliche Meßanlagen nicht wahrnehmen kann. Vermessungsarbeiten zur Installation der Meßanlage werden überflüssig, wenn die Zieldaten des Fahrzeugs bezüglich des Meßorts interessieren. Die Abmessungen der Meßanordnung am Meßort sind vorteilhafterweise wesentlich geringer als das Meßgebiet, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren überwacht werden kann. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Wasserschalltechnik ist die Meßanordnung mit ihren Hydrophonen beispielsweise auf einem ruhenden Schiff oder einem U-Boot als Beobachtungsstation installiert oder an mehreren Bojen bzw. einem Gestänge, das am Meeresgrund ausgelegt ist.

Von ganz besonderem Vorteil ist es, daß die Genauigkeit der Bestimmung von Entfernung und Fahrzeuggeschwindigkeit unabhängig von der Distanz zwischen Meßort und Fahrzeug ist und mit der Detektierbarkeit auch die erste Messung vorgenommen werden kann. Außerdem ist die Bestimmung der Zieldaten unabhängig vom Kurs des Fahrzeugs. Sie sind in gleicher Weise bei einem Überlauf, bei dem der Kurs über den Meßort hinwegführt, wie bei einem Vorbeilauf, bei dem der Kurs mit Querabstand am Meßort vorbeiführt, bestimmbar. Weiterhin ist vorteilhaft, daß Manöver des Fahrzeugs die Bestimmung der Zieldaten nicht beeinflussen, wenn die radiale Geschwindigkeitskomponente sich innerhalb des Zeitintervalls nur unwesentlich ändert. Die Bestimmung von Entfernung und Fahrzeuggeschwindigkeit ist außerdem vorteilhafterweise völlig unabhängig vom Bewegungsverhalten des Fahrzeugs in vorangegangenen Zeitintervallen und in darauffolgenden Zeitintervallen, Vorgeschichte oder zukünftiges Fahrverhalten gehen also nicht in die Messung ein. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist man in der Lage, stets die momentanen Zieldaten eines Fahrzeugs festzustellen, auch wenn das Fahrzeug beliebige Kurse mit wechselnden Fahrzeuggeschwindigkeiten durchfährt. Die Fahrzeuggeschwindigkeit kann natürlich nur angegeben werden, wenn sie innerhalb des Zeitintervalls nahezu konstant war.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 2 und 3 wird ein dritter Wandler am Meßort aufgestellt, um eindeutige Peilergebnisse zu erhalten. Die Wandler werden paarweise zum Ermitteln der Laufzeitunterschiede verwendet. Aus den Laufzeitunterschieden werden Winkel gegen die Mittelsenkrechte auf den Abstand jedes Wandlerpaares berechnet und diese Winkel in Winkelwerte gegen eine gemeinsame Bezugsrichtung umgerechnet. Der Peilwinkel wird aus den Laufzeitunterschieden bestimmt, die zu gleich großen Winkelwerten gehören. Damit wird eine sogenannte Spiegelpeilung ausgeschlossen.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 4 werden die ermittelten Laufzeitunterschiede miteinander verglichen und das Wandlerpaar herausgesucht, dessen Empfangssignale den größten Laufzeitunterschied aufweisen. Die Empfangssignale dieses Wandlerpaares werden zur Ermittlung der Zeitverschiebung der Frequenzanalyse unterworfen. Die aus den Intensitätsmustern der Empfangssignale dieses Wandlerpaares ermittelte Zeitverschiebung und der Laufzeitunterschied ihrer Empfangssignale werden zur Bestimmung der radialen Geschwindigkeitskomponente und der Entfernung miteinander kombiniert. Aus den Intensitätsmustern dieser Empfangssignale wird entweder die Steigung der Interferenzlinie in der Mitte eines der beiden Ausschnitte gewonnen oder es wird der arithmetische Mittelwert der Steigungen der in beiden Ausschnitten durch die Mitte des Ausschnitts verlaufenden Interferenzlinien bestimmt.

Ebenso ist es möglich, statt der Laufzeitunterschiede der Empfangssignale jedes Wandlerpaares die Zeitverschiebung der Intensitätsmuster zu vergleichen und die Empfangssignale desjenigen Wandlerpaares für die Peilwinkel- und Zeitverschiebungsberechnung auszuwerten, dessen Intensitätsmuster die größte Zeitverschiebung zueinander aufweisen.

Durch das Auswahlverfahren nach Anspruch 4 werden Intensitätsmuster der Empfangssignale desjenigen Wandlerpaares ausgewertet, dessen Verbindungslinie mit der Verbindung zwischen Meßort und Fahrzeug am besten übereinstimmt. In die gleiche Richtung vom Fahrzeug zum Meßort weist auch die radiale Geschwindigkeitskomponente der Fahrzeuggeschwindigkeit, die die Ausbildung der Interferenzlinien und die Zeitverschiebung der Intensitätsmuster in den Ausschnitten hervorruft. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 4 liegt darin, daß die Empfangssignale desjenigen Wandlerpaares ausgewertet werden, die die größte Genauigkeit für die Bestimmung von Entfernung und Fahrzeuggeschwindigkeit gewährleisten, da die zu vermessende Zeitverschiebung zwischen beiden am größten ist. Diese Zeitverschiebung umfaßt bei einer Rasterung der Zeitachse des Frequenz-Zeit-Koordinatensystems in Zeiteinheiten die größte Anzahl von Zeiteinheiten und gewährleistet, daß der relative Fehler am kleinsten ist. Weiterhin ist von Vorteil, daß auch dann eine Bestimmung der Zieldaten möglich ist, wenn das Fahrzeug auf einem Kurs längs einer Mittelsenkrechten der Verbindungslinie eines der Wandlerpaare errichtet wird. Bei diesem Kurs liefern die Empfangssignale dieses Wandlerspaares zwar ein strukturiertes Intensitätsmuster, ein Vergleich der beiden Intensitätsmuster zum Bestimmen der Zeitverschiebung zeigt, daß die Intensitätsmuster identisch ausgebildet sind und keine Zeitverschiebung gegeneinander aufweisen, weil beide Wandler gleichzeitig das gleiche Interferenzfeld abtasten. Durch das Ausbringen von drei Wandlern und die paarweise Auswertung ihrer Empfangssignale ist eine eindeutige Bestimmung sämtlicher Zieldaten stets gewährleistet, da eines der drei Wandlerpaare stets eine solche Ausrichtung aufweist, daß eine eindeutige Bestimmung der Zieldaten gewährleistet ist.

Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 5 wird der Peilwinkel aus den Empfangssignalen desjenigen Wandlerpaares ermittelt, die den geringsten Laufzeitunterschied aufweisen. Dieses Wandlerpaar liefert im Vergleich zu den anderen die größte Meßgenauigkeit.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorteilhaft möglich, den Kurs des Fahrzeugs zu bestimmen, der einerseits durch den Peilwinkel zwischen Meßort und Fahrzeug und andererseits aus einem Geschwindigkeitswinkel bestimmt wird, wie in Anspruch 6 angegeben wird. Der Geschwindigkeitswinkel liegt zwischen der radialen Geschwindigkeitskomponente, deren Richtung zur Bezugsrichtung den Peilwinkel einschließt, und der Fahrzeuggeschwindigkeit, die in Richtung des Kurses weist. Der Kurs wird aus der Summe von Peilwinkel und Geschwindigkeitswinkel bestimmt. Der Geschwindigkeitswinkel wird entweder aus dem Verhältnis der tangentialen und radialen Geschwindigkeitskomponente der Fahrzeuggeschwindigkeit errechnet oder nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 7 durch den Arcus Tangens aus dem Produkt von Steigung und zeitlicher Änderung des Peilwinkels unter Berücksichtigung eines Faktors bestimmt. Der Vorteil des Verfahrens gemäß Anspruch 7 besteht darin, daß nicht erst die Geschwindigkeitskomponenten selbst bestimmt zu werden brauchen, sondern unmittelbar aus den gemessenen Größen, nämlich der Steigung einer Interferenzlinie im Ausschnitt des Intensitätsmusters und der zeitlichen Änderung des Peilwinkels der Kurs berechnet werden kann.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 wird für die Frequenzanalyse nur Wellenenergie in einem Frequenzbereich um eine Mittenfrequenz ausgewertet, die sich in Form von Moden ausbreitet und Interferenzen innerhalb der Übertragungsschicht hervorruft. Dieser Frequenzbereich wird dadurch ermittelt, daß längs jeder Frequenzspur eine Art Modulation der Intensitäten über der Zeit festgestellt und daraus ein Modulationsmaß ermittelt wird. Dieses Modulationsmaß würde beim Vorliegen sinusförmiger und nicht stochastischer Vorgänge der in der Literatur bekannte Modulationsgrad sein. Das Modulationsmaß gibt an, wie ausgeprägt sich die Eigenwellen in der Übertragungsschicht ausbreiten und ihre Interferenz zu detektieren ist. Der Frequenzbereich liegt im unteren Teil des Frequenzspektrums der Empfangssignale, da wegen der Dämpfung in der Übertragungsschicht nur Eigenwellen niedrigerer Frequenz über große Entfernungen meßbar sind und wegen der kleinen Interferenzwellenlänge in diesen Frequenzbereich das Intensitätsmuster fein strukturiert ist.

Das Modulationsmaß wird beispielsweise dadurch bestimmt, daß die Varianz der Intensitäten auf jeder Frequenzspur festgestellt wird und die Varianz auf den quadrierten Mittelwert aller dort abgespeicherten Intensitäten bezogen und um die Zahl Eins vermindert wird. Die radizierte Differenz liefert dann das Modulationsmaß.

Das Modulationsmaß längs einer Frequenzspur ist nur dann groß, wenn das Empfangssignal, übertragen durch Eigenwellen, über dem Umgebungsgeräuschpegel liegt. Dann ergeben sich auf den Frequenzspuren Intensitätsextrema im Abstand der halben Interferenzwellenlänge auf der Frequenzspur. Durch Störungen bei der Ausbreitung der Eigenwellen kann aber bei einigen Frequenzen das Modulationsmaß stark zurückgehen, so daß keine durchgehende Interferenzlinie bzw. keine gleichstrukturierten Intensitätsmuster der Empfangssignale beider Wandler gefunden werden können. Deshalb wird vorteilhaft ein zusammenhängender Bereich benachbarter Frequenzspuren als Frequenzbereich ausgewählt, für den der ermittelte, vorzugsweise über der Frequenz geglättete Verlauf des Modulationsmaßes über einer vorgebbaren Schwelle liegt, um mit der größtmöglichen Sicherheit die Steigung von Interferenzlinien und die Zeitverschiebung der Intensitätsmuster in den beiden Ausschnitten bestimmen zu können.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9 werden die Empfangssignale in einem höher gelegenen Frequenzintervall als der Frequenzbereich bezüglich ihres Laufzeitunterschieds ausgewertet, um daraus den Peilwinkel zu bestimmen. Eigenwellen in diesem Frequenzintervall können die Peilung nicht verfälschen, da ihre Phasengeschwindigkeiten näherungsweise gleich der Ausbreitungsgeschwindigkeit sind.

Wie man sieht, wirken die für die Bestimmung der Steigung und Zeitverschiebung gewünschten Übertragungseigenschaften der Übertragungsschicht, die für eine Ausbreitung von Eigenwellen und deren Interferenz sorgen, für die Peilung störend. Durch die erfindungsgemäße Auswahl von Frequenzbereich und Frequenzintervall ist eine optimale Anpassung der Messung an die Übertragungseigenschaften erreicht worden.

Die Rechenvorschriften, nach denen Entfernung und Fahrzeuggeschwindigkeit aus den Meßgrößen gewonnen werden können, geben die erfindungsgemäßen Weiterbildungen gemäß Anspruch 10 und 11 an, wobei der dort aufgeführte Faktor entweder gemäß Anspruch 12 aus der Interferenzwellenlänge zweier Eigenwellen, die sich aus der abgestrahlten Wellenenergie bei der Mittenfrequenz des Frequenzbereichs einstellt, und ihrer frequenzmäßigen Ableitung berechnet wird oder gemäß den Merkmalen des Anspruchs 13 gleich dem 1,1fachen Wert der Mittenfrequenz des Frequenzbereichs festgesetzt wird. Dieser Faktor ist typisch für die Ausbreitungseigenschaften der Übertragungsschicht und kann vor Meßbeginn bereits ermittelt oder festgelegt sein. Zahlreiche Versuche haben ergeben, daß die exakte Kenntnis des Mechanismusses der Übertragungsschicht gar nicht notwendig ist, um diesen Faktor zu bestimmen, sondern daß die Näherung durch den 1,1fachen Wert der Mittenfrequenz bereits gute Meßergebnisse liefert.

Ist eine fächerförmige Struktur des Intensitätsmusters erkennbar geworden, so ist sie ein sicheres Zeichen dafür, daß eine detektierbare Schallquelle in das Meßgebiet hineingefahren ist. Selbstverständlich ist eine umgehende Messung der Zieldaten bis zur Annäherung des Fahrzeugs an den Meßort von Interesse. Die Steigung einer erkennbaren Interferenzlinie in einem Punkt des Frequenz-Zeit- Koordinatensystems des Interferenzmusters ist aber nur bestimmbar, wenn ein Teil der Interferenzlinie deutlich ausgeprägt ist. Der früheste Zeitpunkt zum Bestimmen der Steigung der Interferenzlinie ist dann gegeben, wenn das Zeitintervall gemäß Anspruch 14 so gewählt ist, daß mindestens zwei Intensitätsmaxima auf der Frequenzspur der Mittenfrequenz zu verzeichnen sind. Mit dieser Dimensionierung wird erreicht, daß in einem durch Frequenzbereich und Zeitintervall definierter Ausschnitt ein ausgeprägtes Intensitätsmuster zu verzeichnen ist, das auch für einen Vergleich der Ausschnitte bezüglich ihrer Zeitverschiebung genügend gut strukturiert ist. Selbstverständlich können auch mit kleineren oder größeren Zeitintervallen Meßergebnisse erzielt werden. Man läuft aber bei einem zu kleinen Zeitintervall Gefahr, kein genügend fein strukturiertes Intensitätsmuster im oberen Bereich des Frequenzbereichs zu erhalten, weil dort kein Intensitätsmaximum und -minimum mehr erfaßt wird. Bei einem zu groß gewählten Zeitintervall kann evtl. nicht mehr davon ausgegangen werden, daß das Fahrzeug während dieser Meßzeit mit nahezu konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit fährt, so daß dann eine Angabe über die momentane Höhe der Fahrzeuggeschwindigkeit nicht mehr gemacht werden kann.

Der Abstand der Wandler wird genauso wie das Zeitintervall abhängig von den Übertragungseigenschaften der Übertragungsschicht gewählt und gemäß den Merkmalen des Anspruchs 15 dem zu erwartenden Interferenzfeld angepaßt. Die dort angegebene Dimentionsierung eines Abstands der Wandler abhängig von der Interferenzwellenlänge zweier interferierender Eigenwellen gewährleistet, daß sich die Intensitätsmuster in den beiden Ausschnitten teilweise überlappen und eine Korrelation der Intensitätsmuster feststellbar ist. Bei einer Anwendung in der Wasserschalltechnik ergibt sich beispielsweise in einem Flachwasserkanal mit einer Tiefe von ca. 40 m und einer Mittenfrequenz von 300 Hz ein Abstand von ca. 100 m, um vernünftige Meßergebnisse zu erhalten. Hieraus ist ersichtlich, daß die Wandler am Meßort dicht benachbart bezogen auf das zu überwachende Meßgebiet angeordnet werden können, das mehr als 10 km Ausdehnung aufweisen kann. Experimente in der Wasserschalltechnik haben gezeigt, daß ein Zeitintervall von weniger als 200 s ausreicht, um die erste Messung einer Steigung einer Interferenzlinie vorzunehmen. Als Frequenzbereich hat sich eine Bandbreite von 200 Hz um die Mittenfrequenz von 300 Hz als vorteilhaft erwiesen. Die ersten Zieldaten eines Fahrzeugs, das sich dem Meßort nähert, können also nach ca. 3 min am Meßort festgestellt werden, in bezug auf Entfernung, Fahrzeuggeschwindigkeit und Kurs, nachdem das Fahrzeug detektiert wurde. Weitere Angaben über das Bewegungsverhalten sind ab dann während der gesamten Annäherungsphase des Fahrzeugs beim Überfahren oder Passieren des Meßorts und bis zum Verlassen des Meßgebiets, bis nämlich das Fahrzeug nicht mehr detektierbar ist, kontinuierlich möglich.

Durch die Dimensionierung des Abstands der Wandler und des Zeitintervalls abhängig von den Übertragungseigenschaften im Meßgebiet, wird das Meßverfahren an den Mechanismus der Entstehung der Intensitätsmuster angepaßt, wodurch eine Optimierung der Meßergebnisse erreicht wird.

Besonders vorteilhaft für die Bestimmung der Zieldaten ist es, wenn die Intensitätsmuster möglichst feingliedrig sind, da dann besonders gut die zeitliche Verschiebung der Intensitätsmuster in den beiden Ausschnitten zu detektieren ist. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 16 ist eine Verbesserung dadurch zu erreichen, daß die Wandler innerhalb der Übertragungsschicht in einer solchen Distanz parallel zur Grenzebene ausgelegt werden, bei der die Eigenfunktionen in vertikaler Richtung keine Nullstelle aufweisen und das Interferenzfeld von möglichst vielen Eigenwellen auch höherer Ordnung aufgebaut wird. Diese Distanz ist dadurch feststellbar, daß ein Wandler innerhalb der Übertragungsschicht verschiedene Positionen unterhalb der Grenzebene in der Übertragungsschicht einnimmt und jedesmal das Interferenzmuster einer Geräuschquelle aufgezeichnet wird. Die optimale Distanz ist dann gefunden, wenn die meisten Interferenzlinien im Ausschnitt liegen. Die Eigenfunktionen der Übertragungsschicht sind auch näherungsweise leicht berechenbar. Daraus läßt sich ebenfalls die Distanz für die Wandleranordnung abschätzen.

Zum Ermitteln der Zieldaten wird die vom Fahrzeug abgestrahlte Wellenenergie einer Frequenzanalyse unterworfen und ein Geräuschspektrum daraus abgeleitet, beispielsweise in Form eines Kurzzeit-Leistungsdichte- Spektrums gemäß Anspruch 17. Vorzugsweise wird das Geräuschspektrum des Fahrzeugs derart bewertet, daß es über der Frequenz dann einen konstanten Wert aufweisen würde, wenn keine Eigenwellen sich bei der Ausbreitung der Wellenenergie ausgebildet hätten. Ein solches Rechenverfahren zur entsprechenden Normalisierung eines Geräuschspektrums ist beispielsweise in einem Bericht BL 4556, Krupp Atlas-Elektronik, "Detektion von mehreren Grundfrequenzen periodischer Signale in farbigem Rauschen" von G. Hermstrüwer, 1976, beschrieben worden. Wendet man dieses Verfahren beispielsweise auf Schiffsgeräusche an, deren Geräuschspektrum über der Frequenz einen buckelförmigen Verlauf aufweist, so wird der Buckel geglättet und es stellt sich ein über der Frequenz konstanter Wert des Spektrums ein. Erst in dem Moment, wo die Ausbreitung der Wellenenergie druch Eigenwellen erfolgt, bilden sich über der Frequenz Minima und Maxima im Spektrum aus.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 18 wird die Steigung der Interferenzlinie dadurch gewonnen, daß die Interferenzlinie durch eine Gerade approximiert wird und die Steigung der Geraden die Steigung der Interferenzlinie angibt. Die Approximation ist dann erreicht, wenn die Gerade die Interferenzlinie im Ausschnitt nicht mehr schneidet, wenn also keine Intensitätsmaxima bzw. -minima mehr auf der Geraden festgestellt werden und somit die Gerade die Interferenzlinie tangiert, oder Abstände der Geraden von der Interferenzlinie im Frequenz-Zeit-Koordinatensystem ein Minimum sind. Diese Methode läßt sich besonders einfach mit Hilfe eines Computers durch Regressionsrechnung realisieren.

Zur Bestimmung der Steigung der Interferenzlinie innerhalb des Frequenz-Zeit-Koordinatensystems des Intensitätsmusters einer der Ausschnitte wird nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 19 eine Gerade beliebig im Ausschnitt angeordnet und längs dieser Geraden werden die Intensitäten gemessen. Zur Approximation wird die Gerade gedreht und so lange in Zeit- oder Frequenzrichtung verschoben, bis die gemessenen Intensitäten alle gleich sind. Dann approximiert die Gerade eine Interferenzlinie. Soll die Gerade eine aus Intensitätsmaxima gebildete Interferenzlinie approximieren, so muß sie so lange gedreht und/oder verschoben werden, bis die Intensitäten alle gleich groß sind und beispielsweise benachbarte Maximalwerte innerhalb des Ausschnitts aufweisen. Dadurch ist gewährleistet, daß die längs der Geraden gemessenen Intensitäten auch tatsächlich zu ein und derselben Interferenzlinie gehören, da sie sämtlich benachbart zueinander sind und eine kontinuierliche Linie bilden. Zur Erläuterung dieses Verfahrens stelle man sich ein dreidimensionales Koordinatensystem vor mit einer Frequenzachse, einer Zeitachse und senkrecht zu dieser Ebene einer Intensitätsachse. Die Intensitäten werden dann als Relief über der Frequenz- Zeit-Ebene dargestellt. Interferenzlinien sind in diesem Relief Höhenlinien. Durch die Gerade wird ein Schnitt durch das Höhenprofil gelegt. Wenn sämtliche Intensitäten längs der Geraden gleich sind, liegt die Gerade auf einer Höhenlinie und approximiert eine Interferenzlinie. Wenn sämtliche Intensitäten längs der Geraden Maximalwerte sind, liegt die Gerade auf einem Höhenrücken. Die Interferenzlinien sind bei einem Überlauf bis zum Erreichen des Meßorts annähernd Geraden, bei einem Vorbeilauf, bei dem der Kurs des Fahrzeugs einen Querabstand zum Meßort aufweist, Hyperbeln, deren Scheitel die dichteste Annäherung des Fahrzeugs an den Meßort kennzeichnen. Die Interferenzlinien weisen beim anschließenden Ablauf oder Entfernen des Fahrzeugs vom Meßort umgekehrte Steigung und spiegelsymmetrischen Verlauf zur Frequenzachse auf.

Eine vorteilhafte Möglichkeit zur Berechnung der Approximation gibt eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 20 an. Es werden längs einer beliebig im Frequenz- Zeit-Koordinatensystem angeordneten Geraden die Intensitäten gemessen und ihr Mittelwert gebildet. Außerdem werden diese einzelnen Intensitäten quadriert, die Summe der quadrierten Intensitäten gebildet und durch die Anzahl der längs der Geraden im Ausschnitt gemessenen Intensitäten geteilt. Es wird die Differenz aus diesem Ergebnis und dem quadrierten Mittelwert ermittelt, radiziert und durch den Mittelwert geteilt. Diese Rechenoperation liefert die relative Standardabweichung der Intensitäten längs der Geraden von ihrem Mittelwert. Die Gerade approximiert die Interferenzlinie um so genauer je kleiner die relative Standardabweichung ist, sie wird so lange im Frequenz-Zeit- Koordinatensystem gedreht und verschoben, bis die relative Standardabweichung ein Minimum ist.

Zur Erhöhung der Meßsicherheit wird nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 21 im Frequenz-Zeit-Koordinatensystem ein Muster aus einem Büschel von Geraden gebildet, die sich sämtlich beim -0,1fachen Wert der Mittenfrequenz schneiden. Diese Geraden weisen auf der Frequenzspur der Mittenfrequenz äquidistante Abstände auf. Das Büschel wird mit seinem Schnittpunkt in Zeitrichtung so lange verschoben, bis es die Interferenzlinien im Ausschnitt am besten approximiert und die Interferenzlinien nicht mehr schneidet, sondern tangiert. Anschließend wird eine Verbindung zwischen der Mitte des Ausschnitts und dem Schnittpunkt der Geraden hergestellt und die Steigung dieser Verbindung gemessen, die die Steigung der Interferenzlinie zum Bestimmen der Zieldaten liefert. Durch die Anwendung eines Büschels von Geraden wird eine Mittelung der Steigung der Interferenzlinien herbeigeführt, die einen statistisch sichereren Meßwert der gesuchten Steigung der Interferenzlinie liefert.

Zum Bestimmen der Zeitverschiebung der Intensitätsmuster in den beiden Ausschnitten wird nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 21 der Vergleich der Intensitätsmuster der Empfangssignale beider Wandler mit Mitteln der Korrelationstechnik durchgeführt. Der besondere Vorteil besteht darin, daß durch diese Signalverarbeitung eine Automation in einfacher Weise möglich ist.

Wie eingangs erläutert, beruht das erfindungsgemäße Verfahren auf dem Mechanismus der Ausbreitung von Eigenwellen in einer Übertragungsschicht mit Dispersionseigenschaften, beispielsweise einem Flachwasserkanal, und deren Interferenz. Wie bereits ausgeführt, ist die Anzahl der sich ausbildenden Eigenwellen nicht nur abhängig von der abgestrahlten Frequenz, sondern auch von der Tiefe des Flachwasserkanals bzw. der senkrechten Ausdehnung der Übertragungsschicht zu ihren Grenzebenen. Bei einem Gefälle innerhalb des Meßgebiets, d. h. wenn die Tiefe nicht konstant ist, kann es zu Fehlern in der Bestimmung der Zeitverschiebung der Intensitätsmuster und der Steigung der Interferenzlinien kommen, wenn sich das Fahrzeug an einer Stelle befindet, dessen Tiefe von der Tiefe des Meßorts differiert.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 22 wird die ermittelte radiale Geschwindigkeitskomponente der Fahrzeuggeschwindigkeit um den doppelten Betrag der relativen Tiefenänderung im Meßgebiet korrigiert. Da es sich hier nur um relative Größen handelt, braucht nicht die Tiefe selbst bekannt zu sein. Es braucht nur das Gefälle des Bodens zur Korrektur herangezogen zu werden, das beim Ausmessen der Parameter des Flachwasserkanals leicht ermittelt werden kann.

Folgende Überlegung veranschaulicht den Vorgang: Das vom Interferenzfeld umgebene Wasserfahrzeug legt mit der Fahrzeuggeschwindigkeit in einer Zeit einen Weg zurück, der gerade einer Interferenzwellenlänge entspricht. Abhängig von der Tiefe des Flachwasserkanals sind aber die Interferenzwellenlängen verschieden, nämlich je flacher der Flachwasserkanal desto kürzer der Abstand zwischen zwei Interferenzmaxima. Befindet sich das Wasserfahrzeug in einem flacheren Gebiet als am Meßort, so wird in der gleichen Zeit am Meßort das Interferenzmaximum einen größeren Weg zurücklegen als am Schiffsort, da keine Lücken im Aufbau des Interferenzfeldes entstehen können und das Interferenzfeld allein durch die Kanalparameter und nicht durch das Wasserfahrzeug bestimmt wird. Die gemessene Zeitverschiebung ist dadurch kleiner und die daraus ermittelte Fahrzeuggeschwindigkeit zu groß.

Die Steigung der Interferenzlinie wird in gleicher Weise durch Tiefenänderungen im Meßgebiet beeinflußt. Da in die Entfernungsbestimmung das Verhältnis aus Steigung und Zeitverschiebung eingeht, wird die Entfernung auch bei Tiefenänderung stets richtig ermittelt und muß nicht korrigiert werden. Der Geschwindigkeitswinkel wird mit Hilfe des entsprechend der erfindungsgemäßen Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 24 korrigierten Steigungswertes berechnet.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens ist hier vorzugsweise für die Anwendung in der Wasserschalltechnik beschrieben. In gleicher Weise sind passive Messungen der Zieldaten eines Fahrzeugs bei der Überwachung von Straßen an Land und in der Luft in Gebieten möglich, wo Schallwellen des Fahrtgeräusches in Boden- oder Luftschichten mit Dispersionseigenschaften eindringen und sich Eigenwellen ausbilden.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Meßsituation für das Verfahren zum Bestimmen von Zieldaten von einem Meßort aus,

Fig. 2 ein Blockschaltbild, in dem das Verfahren realisiert wird,

Fig. 3 eine Skizze zur Erläuterung des Verfahrens bei einem Überlauf und speziellem Vorbeilauf relativ zum Meßort,

Fig. 4 ein Ausschnitt aus Fig. 1,

Fig. 5 ein Blockschaltbild für eine in Fig. 2 dargestellte Intensitätsmustereinheit,

Fig. 6.1 und 6.2 Meßsituation und zugehöriges Frequenzzeitdiagramm mit Interferenzlinien bei einem Überlauf des Meßorts durch ein mit konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit fahrendes Fahrzeug,

Fig. 7 ein Frequenzzeitdiagramm, bei dem sich das Fahrzeug mit wechselnder Fahrzeuggeschwindigkeit dem Meßort während des Überlaufs nähert,

Fig. 8 eine geometrische Übersichtsdarstellung zur Erläuterung des Verfahrens bei einem Kurs des Fahrzeugs, der querab zum Meßort verläuft,

Fig. 9 ein Blockschaltbild eines in Fig. 2 dargestellten Interferenz-Linienrechners,

Fig. 10 eine Übertragungsschicht mit Tiefenänderung.

Fig. 1 dient zur Erläuterung des Verfahrens zum Bestimmen von Zieldaten eines Fahrzeugs 1, das auf einem Kurs 2 an einem Meßort 3 mit einer Fahrzeuggeschwindigkeit V vorbeifährt. Der Kurs verläuft unter einem Kurswinkel γ in bezug auf geographisch Nord, das im folgenden als Bezugsrichtung N bezeichnet wird. Das Fahrzeug 1 befindet sich bezüglich des Meßorts 3 unter einem Peilwinkel ϕ, der als rechtweisende Peilung in bezug auf Nord eingetragen ist. Die Fahrzeuggeschwindigkeit V und ihre zwei senkrecht zueinander stehenden Geschwindigkeitskomponenten, nämlich die radiale Geschwindigkeitskomponente V _r und die tangentiale Geschwindigkeitskomponente V _ϑ sind dargestellt. Die radiale Geschwindigkeitskomponente V _r liegt in Richtung der Verbindungslinie zwischen dem Fahrzeug 1 und dem Meßort 3. Am Meßort 3 befinden sich drei Wandler 4, 5 und 6, die ein gleichseitiges Dreieck mit der Seitenlänge d aufspannen. Zur besseren Erkennbarkeit sind die Größenverhältnisse bezüglich des Abstands d und der Entfernung zwischen Meßort 3 und Fahrzeug 1 unrealistisch dargestellt. Die Entfernung zwischen Fahrzeug 1 und Meßort 3 ist in der Regel um mehrere Ordnungen größer als der Abstand d der Wandler 4, 5, 6. Die Wandler 4, 5, 6 empfangen das vom Fahrzeug 1 abgestrahlte Fahrtgeräusch und wandeln es in Empfangssignale um. Laufzeitunterschiede τ ₁, τ ₂, τ ₃ zwischen Empfangssignalen jeweils zweier Wandler 4, 5 bzw. 5, 6 bzw. 4, 6 werden ermittelt. Aus den Laufzeitunterschieden τ ₁, τ ₂, τ ₃ werden Winkelϑ _i , ε _i (i = 1, 2, 3) gegen die Mittelsenkrechte auf die Verbindung des jeweiligen Wandlerpaares errechnet. Diese Winkel ϑ _i , ε _i sind gleich dem Arcus Sinus des Laufzeitunterschieds τ _i geteilt durch einen maximalen Laufzeitunterschied wobei d der Abstand und c die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Medium sind. Für jeden Laufzeitunterschied τ ₁, τ ₂, τ ₃ ergeben sich zwei Winkel ϑ _i und ε _i , wie in Fig. 1 eingetragen. Der Winkel ϑ _i liegt zwischen der Mittelsenkrechten und einer Verbindung zum Fahrzeug 1, gemäß Fig. 1, der Winkel ε _i kennzeichnet die sog. Spiegelpeilung und täuscht eine Zielpeilung vor, bei der das vermeintliche Ziel das an der Verbindungslinie zwischen den Wandlern gespiegelte wahre Ziel ist. Die Winkel ϑ ₁, ε ₁ werden aus Laufzeitunterschieden τ ₁ der Empfangssignale an den Wandlern 4 und 5 berechnet. Winkel ϑ ₂, ε ₂ aus Laufzeitunterschieden τ ₂ zwischen den Empfangssignalen der Wandler 5 und 6 und die Winkel ϑ ₃ und ε ₃ werden aus Laufzeitunterschieden τ ₃ der Empfangssignale an den Wandlern 4 und 6 ermittelt. Um aus den Winkeln ϑ _i und ε _i diejenigen Winkel ausscheiden zu können, die in Richtung zu spiegelbildlichen Zielen weisen, werden die Winkel ϑ ₁ und ε ₁ in Winkelwerte relativ zur Bezugsrichtung N umgerechnet. Dazu wird jeweils ein Winkel β _i mit entsprechender Indizierung, der zwischen Mittelsenkrechten und Bezugsrichtung N eingezeichnet ist, berücksichtigt. Die ermittelten Winkelwerte (ϑ _i - β _i ) bzw. (ε _i -β _i ) werden miteinander verglichen. Aus gleichen Winkelwerten (ϑ ₁-β ₁) ≈(ϑ ₂-β ₂) ≈ (ϑ ₃-β ₃) wird der Peilwinkel ϕ gegen die Bezugsrichtung bestimmt, ϕ = 360°-(ϑ ₁-β ₁). Die Winkel ϑ _i , ε _i und β _i sind in mathematisch positivem Sinne eingezeichnet, der Peilwinkel ϕ und der Kurswinkel γ werden üblicherweise als rechtweisend angegeben, d. h. in mathematisch negativem Sinne. Folgende Tabelle veranschaulicht die Ermittlung des Peilwinkels:

ϕ = 360°-37° = 323°.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild für eine Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens. Zur Ermittlung des Peilwinkels ϕ sind den Wandlern 4, 5 und 6 Hochpässe 7, 8 und 9 nachgeschaltet, über die Empfangssignale der Wandler 4, 5 und 6 an Laufzeitrechenstufen 10, 11 und 12 durchgeschaltet werden. In den Laufzeitrechenstufen 10, 11, 12 werden die Laufzeitunterschiede τ ₁, τ ₂, τ ₃ der Empfangssignale jeweils zweier Wandler 4, 5 bzw. 5, 6 bzw. 4, 6 ermittelt. Aus den Laufzeitunterschieden τ ₁, τ ₂, τ ₃ werden Winkel ϑ _i und ε _i gegen die Mittelsenkrechte auf die Verbindung des entsprechenden Wandlerpaares in nachgeschalteten Winkelrechenstufen 13, 14, 15 ermittelt. In Differenzstufen 16, 17 und 18 werden Winkelwerte (ϑ _i -β _i ) und (ε _i -β _i ) zu jedem Wandlerpaar ermittelt. Die Differenzstufen 16, 17, 18 sind mit einem Bezugswinkelgeber 19 verbunden, der die drei Winkel β ₁, β ₂, β ₃ zwischen der Bezugsrichtung N und der Mittelsenkrechten jedes Wandlerpaares bereitstellt. In einer nachgeschalteten Vergleichsstufe 20 werden die so ermittelten Winkelwerte (ϑ _i -β _i ) und ε _i -β _i ) verglichen und derjenige Winkelwert ausgegeben, der als Differenzwert dreimal in gleicher Größe auftritt. Dieser Winkelwert (ϑ _i -β _i ) wird zur Berechnung des Peilwinkels ϕ benötigt.

Um eine möglichst genaue Bestimmung des Peilwinkels ϕ zu gewährleisten, ist den Laufzeitrechenstufen 10, 11 und 12 ein Minimumdetektor 21 nachgeschaltet, in dem festgestellt wird, welcher der drei Laufzeitunterschiede τ ₁, τ ₂, τ ₃ betragsweise am geringsten ist. Wenn sich das Fahrzeug 1 genau auf der Mittelsenkrechten auf die Verbindung eines der Wandlerpaare befindet, würde der Laufzeitunterschied gleich Null sein. Da der Sinus des Peilwinkels ϕ vom Laufzeitunterschied abhängig ist, ist die Berechnung des Peilwinkels ϕ um so genauer, je geringer die Abweichung des Peilwinkels ϕ von der Mittelsenkrechten ist, da der Sinus im Bereich um seinen Nullpunkt die größten Änderungen seines Funktionswertes aufweist. Aus dem minimalen Laufzeitunterschied τ ₃ werden in einer weiteren Winkelrechenstufe 22 die Winkel ϑ ₃ und ε ₃ ermittelt. In einer nachgeschalteten Differenzstufe 23, die mit dem Bezugswinkelgeber 19 verbunden ist, werden unter Berücksichtigung des Winkels β ₃ zwischen Bezugsrichtung N und Mittelsenkrechten die Winkelwerte (ϑ ₃-β ₃) und (ε ₃-β ₃) berechnet und mit dem Ausgangssignal der Vergleichsstufe 20 in einem Vergleicher 24 verglichen. Der Winkelwert (ϑ ₃-β ₃) erscheint am Ausgang des Vergleichers 24 und wird in einer nachgeschalteten Subtraktionsstufe 25 von 360° abgezogen, die den Peilwinkel ϕ = 360°-(ϑ ₃-β ₃) liefert.

Zum Bestimmen des Peilwinkels ϕ werden die Empfangssignale der Wandler 4, 5, 6 wie beschrieben zuerst in Hochpässen 7, 8, 9 gefiltert. Um eine möglichst genaue Bestimmung des Peilwinkels ϕ zu gewährleisten, darf das Empfangssignal nur in einen Frequenzintervall ausgewertet werden, in dem die Phasengeschwindigkeiten der Eigenwellen nahezu gleich sind. Das ist nur bei höheren Frequenzen der Fall. Hier sind die Phasengeschwindigkeiten außerdem ungefähr gleich der Ausbreitungsgeschwindigkeit c des Mediums. Die Trennung zwischen gewünschtem oberen Frequenzintervall und unerwünschtem unteren Frequenzbereich nehmen die Hochpässe 7, 8 und 9 vor.

Die untere Grenzfrequenz dieser Hochpässe 7, 8, 9 ist den soeben beschriebenen Erfordernissen angepaßt. Statt der Hochpässe 7, 8, 9 können auch vorteilhaft Bandpässe eingesetzt werden. Durch die obere Bandbegrenzung kann das Nutz-/Störverhältnis verbessert werden.

Die Wandler 4, 5 und 6 sind jeweils mit einer Intensitätsmustereinheit 30, 31, 32 verbunden. Die Empfangssignale werden darin einer Frequenzanalyse unterworfen und der zeitliche Verlauf der je Frequenz ermittelten Intensitäten der Empfangssignale in einem Frequenz-Zeit-Koordinatensystem abgespeichert. Es entsteht ein Intensitätsmuster in Abhängigkeit von der Frequenz und der Zeit, das bei Ausbreitung der vom Fahrzeug 1 abgestrahlten Wellenenergie in Form von Eigenwellen und Bewegung des Fahrzeugs 1 einen fächerförmigen oder hyperbelförmigen Verlauf gleicher Intensitäten aufweist. In jeder Intensitätsmustereinheit 30, 31, 32 wird gleichzeitig ein Ausschnitt des Intensitätsmusters über einen vorgebbaren Frequenzbereich und ein wählbares Zeitintervall erstellt. Diese Ausschnitte weisen zeitverschoben gleiche Muster auf. Die Zeitverschiebung wird u. a. durch die radiale Geschwindigkeitskomponente V _r der Fahrzeuggeschwindigkeit V verursacht.

Anhand von Fig. 3 wird die Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit V erläutert, und zwar für die Spezialfälle des Überlaufs oder Passierens des Meßorts 3, bei dem der Kurs parallel zur Verbindungslinie zwischen einem Wandlerpaar weist. Beim Überlauf nähert sich das Fahrzeug 1 dem Meßort 3 längs eines Kurses auf einer Verlängerung der Verbindungslinie zwischen den Wandlern 5 und 6 mit konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit V = V _r , nämlich mit der Annäherungsgeschwindigkeit V _a , die gleich der radialen Geschwindigkeitskomponente V _r ist. Die tangentiale Geschwindigkeitskomponente V _ϑ ist gleich Null. Das das Fahrzeug 1 umgebende Interferenzfeld wird zuerst vom Wandler 6 und nach einer Zeit, die vom Abstand d und der radialen Geschwindigkeitskomponente V _a = V _r = V abhängt, vom Wandler 5 empfangen. Diese Zeit ist gleich einer Zeitverschiebung τ _IK- der Intensitätsmuster der Empfangssignale von den Wandlern 5 und 6. Da der Abstand d der Wandler 5 und 6 bekannt ist, sind alle Größen zum Bestimmen der Fahrzeuggeschwindigkeit V ermittelt:
V ergibt sich aus

In Fig. 3 ist ein weiteres Fahrzeug 1′ auf einem Kurs parallel zur Verbindungslinie zwischen den Wandlern 5 und 6 dargestellt. Hier wird das Interferenzfeld mit der radialen Geschwindigkeitskomponente V _r der Fahrzeuggeschwindigkeit V an den Wandlern 5 bzw. 6 "vorbeigeschoben". Es wird eine Zeitverschiebung τ _IK der Intensitätsmuster festgestellt, als wenn die Wandler 5, 6 im Abstand a = d·sinϑ auf der Verbindung zwischen Meßort 3 und Fahrzeug 1′ liegen würden. Diese Verbindung und die Mittelsenkrechte auf den Abstand d zwischen den Wandlern 5, 6 schließen einen Winkel ϑ ein. Es ergibt sich die Zeitverschiebung zu

Die Fahrzeuggeschwindigkeit V ergibt sich aufgrund der geometrischen Verhältnisse aus

V _r ist aus der Zeitverschiebungs-Messung als bekannt und es läßt sich die Fahrzeuggeschwindigkeit zu ermitteln. Der Abstand d und die Zeitverschiebung τ _IK sind gemessene Größen, aus denen somit die Fahrzeuggeschwindigkeit V ohne Kenntnis des Laufzeitunterschieds τ ₂ oder des Winkels ϑ bestimmt werden kann.

Fig. 4 dient zur Erläuterung der Fahrzeuggeschwindigkeits- Bestimmung unter der Annahme, daß der Kurs 2 einen beliebigen Verlauf bezüglich des Meßorts 3 aufweist. In Fig. 4 ist ein Ausschnitt der Meßsituation gemäß Fig. 1 dargestellt. Der Ausschnitt zeigt die Wandler 5 und 6 und das Fahrzeug 1, das den Kurs 2 verfolgt. Wie bereits in Fig. 1 dargestellt und beschrieben, schließt die Verbindungslinie zwischen dem Fahrzeug 1 und der Mitte des Abstands d der Wandler 5, 6 einen Winkel ϑ ₂ ein, dessen Ergänzung zu 180° mit ϑ bezeichnet ist. Dieser Winkel ϑ ist ebenfalls in einem Dreieck am Meßort 3 eingetragen, dessen Grundlinie der Abstand d zwischen den Wandlern 5, 6 bildet und dessen eine Kathete gleich d·sinϑ ist. Diese Ausschnittsdarstellung dient zur Erläuterung des Bestimmens der radialen Geschwindigkeitskomponente V _r der Fahrzeuggeschwindigkeit V des Fahrzeugs 1. Die gemessene Zeitverschiebung τ _IK der Intensitätsmuster wird durch die radiale Geschwindigkeitskomponente V _r des Fahrzeug 1 verursacht und könnte von einer fiktiven Meßanordnung gemessen worden sein, deren Verbindungslinie in Richtung der radialen Geschwindigkeitskomponente V _r weist und den Abstand d sinϑ aufweist. Die radiale Geschwindigkeitskomponente V _r könnte also aus dem Quotienten von Abstand einer fiktiven Meßanordnung 5′, 6′ und Zeitverschiebung τ _IK berechnet werden. Die Zeitverschiebung τ _IK wird gemessen. Der Abstand der fiktiven Meßanordnung 5′, 6′ wird mit Hilfe des zusätzlich zu messenden Laufzeitunterschieds τ ₂ bestimmt. Mit Hilfe dieses Laufzeitunterschieds τ ₂ kann der sinϑ bestimmt werden, und zwar nach der Beziehung:

Damit ergibt sich der Abstand der fiktiven Meßanordnung 5′, 6′ der aber mit d·sin ϑ angegeben worden ist, zu

Die Formel für die radiale Geschwindigkeitskomponente V _r lautet damit:

Die Zeitverschiebung τ _IK der Intensitätsmuster zweier Empfangssignale wird mit Hilfe einer Korrelatorschaltung 33 gemäß Fig. 2 festgestellt. Über einen steuerbaren Umschalter 34 sind die beiden Eingänge der Korrelatorschaltung 33 mit zwei der drei Intensitätsmustereinheiten 30, 31 bzw. 31, 32 bzw. 30, 32 verbunden. Der Umschalter 34 ist mit seinem Steuereingang mit dem Ausgang eines Maximumdetektors 35 zusammengeschaltet, der den drei Laufzeitrechenstufen 10, 11 und 12 nachgeschaltet ist. Im Maximumdetektor 35 wird die größte Laufzeit τ ₂ ermittelt und festgestellt, daß die Laufzeit τ ₂ zwischen den Empfangssignalen der Wandler 5 und 6 liegt. Vom Umschalter 34 werden die Ausschnitte der Intensitätsmuster der Empfangssignale des gleichen Wandlerpaares am Ausgang der Intensitätsmustereinheiten 31 und 32 an die Korrelatorschaltung 33 weitergeschaltet. Es werden die Intensitätsmuster der Empfangssignale dieser beiden Wandler 5 und 6 zur Bestimmung ihrer Zeitverschiebung τ _IK benutzt, da ihre Zeitverschiebung τ _IK größer ist als die Zeitverschiebungen der Intensitätsmuster der Empfangssignale der anderen beiden Wandlerpaare. Damit ist gewährleistet, daß die relative Genauigkeit der Bestimmung der Zeitverschiebung τ _IK am größten ist.

In der Korrelatorschaltung 33 wird die zeitliche Intensitätsverteilung längs einer Frequenzspur des einen Intensitätsmusters innerhalb des Zeitintervalls Δ t mit der zeitlichen Intensitätsverteilung der gleichen Frequenzspur im zweiten Intensitätsmuster in einer Korrelationsstufe 36 korreliert, d. h. für jede Zeiteinheit multipliziert und integriert. Diese Signalverarbeitung wird für sämtliche Frequenzspuren im Frequenzbereich Δ f durchgeführt. Die dadurch gewonnenen Korrelationsfunktionen werden in einem in der Korrelatorschaltung 33 enthaltenen Zwischenspeicher 37 abgelegt. Über alle Korrelationsfunktionen wird in einem nachgeschalteten Mittelwertbildner 38 eine gemittelte Korrelationsfunktion gebildet und aus der Lage ihres Maximums die Zeitverschiebung τ _IK der Intensitätsmuster ermittelt.

Die Korrelatorschaltung 33 und ein weiterer Ausgang des Maximumdetektors 35 für den maximalen Laufzeitunterschied τ ₂ sind mit einer Rechenschaltung 40 verbunden, in der die radiale Geschwindigkeitskomponente berechnet wird. Es wird in der Rechenschaltung 40 der Quotient aus Laufzeitverschiebung τ ₂ und Zeitverschiebung τ _IK der Intensitätsmuster der Empfangssignale des gleichen Wandlerpaares mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit c multipliziert.

In Fig. 5 ist ein prinzipieller Aufbau der Intensitätsmustereinheit 30 dargestellt. Die Intensitätsmustereinheiten 31 und 32 sind genauso realisierbar. Dem Wandler 4 ist über einen Tiefpaß 39 ein Analog-Digital-Wandler mit nachgeschaltetem Speicher 41 nachgeordnet. Die Grenzfrequenz des Tiefpasses ist so bemessen, daß sie unterhalb der Grenzfrequenz der Hochpässe 7, 8, 9 liegt. Jeweils in Zeiteinheiten T wird der zeitliche Verlauf des gefilterten, digitalisierten Empfangssignals eingespeichert. Ein Taktgeber 42 steuert den Analog- Digital-Wandler und den Speicher 41 entsprechend an. In einer nachgeordneten FFT-Rechenschaltung 43 werden aus den abgespeicherten Empfangssignalen nach notwendiger Filterung (Aliasing-Filter) entsprechend dem Algorithmus der Fast-Fourier-Transformation und anschließender Betragsquadrat-Bildung und Normalisierung Spektrogramme erstellt und abgespeichert. Der FFT-Rechenschaltung 43 ist eine Speicherschaltung 44 nachgeschaltet, die mit einer Frequenzsteuerschaltung 45 und Zeitsteuerschaltung 480 zum Bilden des Ausschnitts verbunden ist. In der Speicherschaltung 44 werden die Spektrogramme über einer Zeitbasis, die in Zeiteinheiten T gerastert ist, zeilenweise abgespeichert, indem je Zeile die Intensitäten über der Frequenz f abgelegt werden. Die Speicherschaltung 44 ist mit dem Taktgeber 42 verbunden. Es entsteht ein als Grautonschrieb dargestelltes Intensitätsmuster in Zuordnung zu der Zeit t als Ordinate und der Frequenz f als Abszisse.

In der Frequenzsteuerschaltung 45 wird ein Frequenzbereich Δ f um eine Mittenfrequenz f _o so festgelegt, daß ein Modulationsmaß der Intensitäten längs sämtlicher Frequenzspuren innerhalb des Frequenzbereichs Δ f oberhalb einer vorgebbaren Schwelle liegt. Die Frequenzsteuerschaltung 45 enthält eine Mittelwertschaltung 46, einen Differenzbildner 47, einen Modulationsrechner 48 und einen Schwellwertrechner 49. Die Frequenzsteuerschaltung 45 ist mit der FFT-Rechenschaltung 43 verbunden. In der Mittelwertschaltung 46 werden die Intensitäten I _i längs jeder Frequenzspur aufsummiert und durch ihre Anzahl N geteilt. Man erhält den Mittelwert der Intensitäten je Frequenzspur. In dem nachgeschalteten Differenzbildner 47 wird je Frequenzspur die Varianz σ ² berechnet, indem die Differenz zwischen den Intensitäten I _i auf der Frequenzspur und dem Mittelwert der Intensitäten auf der gleichen Frequenzspur gebildet, quadriert und summiert wird. In dem nachgeordneten Modulationsrechner 48 wird das Modulationsmaß der Intensitäten jeder Frequenzspur bestimmt. Das Modulationsmaß M berechnet sich zu:

Dem Modulationsmaßrechner 48 ist der Schwellwertrechner 49 nachgeordnet, in dem festgestellt wird, für welche benachbarten Frequenzspuren das ggf. geglättete Modulationsmaß über einer vorgebbaren Schwelle liegt. Am Ausgang des Schwellwertrechners 49 wird die Mittenfrequenz f _o und der Frequenzbereich Δ f angegeben, innerhalb dessen das Modulationsmaß für jede Frequenzspur oberhalb der Schwelle liegt, z. B. ein Frequenzbereich Δ f = 200 Hz um eine Mittenfrequenz f _o = 300 Hz.

Die Speicherschaltung 44 wird von der Frequenzsteuerschaltung 45 zum Bilden des Ausschnitts angesteuert. Außerdem ist die Speicherschaltung 44 mit der Zeitsteuerschaltung 480 zusammengeschaltet.

In der Zeitsteuerschaltung 480, die vom Taktgeber 42 angesteuert wird, wird ein Zeitintervall Δ t von beispielsweise 200 s vorgegeben. Das Zeitintervall Δ t umfaßt mehrere Zeiteinheiten T und ist so gewählt, daß mindestens eine Interferenzwellenlänge erfaßt wird und z. B. zwei Intensitätsmaxima auf der Frequenzspur der Mittenfrequenz f _o zu verzeichnen sind.

Die Frequenzsteuerschaltung 45 und Zeitsteuerschaltung 480 steuern die Speicherschaltung 44 an und definieren den Ausschnitt des Intensitätsmusters. Das Intensitätsmuster in diesem Ausschnitt wird außerdem über den Umschalter 34 in Fig. 2 in einem Interferenzlinienrechner 50 ausgewertet. Der Interferenzlinienrechner 50 in Fig. 2 besteht aus einem Approximationsrechner 51, der von der gerade mit dem Umschalter 34 verbundenen Intensitätsmustereinheit 31 gespeist wird, einem Simulationsrechner 52 und einem Steigungsrechner 53. Im Approximationsrechner 51 werden innerhalb des Ausschnitts benachbarte Intensitäten gleicher Stärke aufgesucht, die Interferenzlinien bilden. Im Simulationsrechner 52, der mit dem Approximationsrechner 51 zusammengeschaltet ist, wird in einem Frequenz-Zeit-Koordinatensystem eine Gerade simuliert. Diese Gerade wird im Approximationsrechner 51 mit der durch die Mitte des Ausschnitts verlaufenden Interferenzlinie verglichen. Die Gerade im Simulationsrechner 52 wird so lange gedreht und in Zeitrichtung verschoben, bis Abweichungen der Interferenzlinie von der Geraden ein Minimum sind. Der Drehpunkt der Geraden wird vorzugsweise auf einer Frequenzspur von -0,1 f _o in Zeitrichtung verschoben. Diese Abweichungen können Zeit- und Frequenzabweichungen zwischen den Koordinaten der Interferenzlinie und denen der Geraden sein. Diese Gerade stellt die gesuchte Regressionsgerade dar. Es ist aber ebenfalls möglich, im Approximationsrechner 51 nicht durch Regression zu approximieren, sondern durch Vergleich von Intensitäten, die im Interferenzmuster längs der Geraden auftreten. Die Gerade approximiert die Interferenzlinie, wenn sämtliche längs der Geraden gemessenen Intensitäten gleich groß sind und vorzugsweise Maximal- oder Minimalwerte aufweisen.

Sind Gerade und Interferenzlinie zur Deckung gebracht, so gibt der Approximationsrechner 51 ein Freigabesignal an den Steigungsrechner 53, der mit dem Simulationsrechner 52 verbunden ist. Der Steigungsrechner 53 übernimmt aus dem Simulationsrechner 52 die Gerade im Frequenz-Zeit-Koordinatensystem und bestimmt ihre Steigung die die gesuchte Steigung der Interferenzlinie angibt.

Dem Interferenzlinienrechner 50 ist ein Entfernungsrechner 55 nachgeordnet, der die Entfernung r zwischen Fahrzeug 1 und Meßort 3 aus der Steifung t′, der Zeitverschiebung τ _IK und dem Laufzeitunterschied τ ₂ bestimmt. Der Ausgang der Korrelatorschaltung 33 und der zweite Ausgang des Maximumdetektors 35 sind ebenfalls mit Eingängen des Entfernungsrechners 55 verbunden.

Im folgenden wird im Zusammenhang mit den Fig. 6.1, 6.2 und Fig. 7 die Entfernungsbestimmung näher erläutert.

Fig. 6.1 zeigt eine Meßsituation für einen Überlauf, bei dem sich das Fahrzeug 1 auf direktem oder radialem Kurs dem Meßort 3 mit konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit V bzw. Annäherungsgeschwindigkeit V _a = V _r = V nähert. Zum Zeitpunkt t _o befindet sich das Fahrzeug 1 in einer Entfernung r zum Meßort 3, wenn es mit konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit V seinen Kurs beibehält. Zum Zeitpunkt t _CPA wird es den Meßort 3 erreicht haben.

Mit dem Verfahren zum Bestimmen von Zieldaten soll die Entfernung r, die Fahrzeuggeschwindigkeit V, der Peilwinkel ϕ und der Kurswinkel γ bestimmt werden. Bei diesem Bewegungsfall sind die Interferenzlinien annähernd Geraden, die fächerförmig im Frequenz-Zeit-Koordinatensystem verlaufen. Fig. 6.2 zeigt in einer Prinzipskizze den Verlauf von solchen Interferenzlinien im Frequenz-Zeit-Koordinatensystem für die Anlaufphase. Die Interferenzlinien sind in Wirklichkeit schwach gekrümmt, hier aber als Geraden G 1, G 2, ..., Gn schematisch angegeben. Bewegt man sich auf der Frequenzspur der Mittenfrequenz f _o , so sind die Abstände zwischen den Geraden G 1, G 2, ..., Gn durch die Interferenzwellenlänge X(f _o ) bestimmt und abhängig von der Annäherungsgeschwindigkeit V _a = V _r = V. Der Abstand ist um so kleiner je größer die Annäherungsgeschwindigkeit V _a = V _r ist. Betrachtet man ein Intensitätsmaximum auf einer der Interferenzlinien, z. B. den Punkt auf der Geraden G 1 zum Zeitpunkt t _o bei der Mittenfrequenz f _o , so kann man sagen, daß in einer Zeitspanne Δτ = t _o -t _CPA gerade k Intensitätsmaxima im Abstand auftreten. Auf der Frequenzspur f sind ebenfalls k Intensitätsmaxima bis zu der Geraden G 1 zu ermitteln. Das k-te Intensitätsmaximum liegt für die Frequenz f auf der Geraden G 1 bei einer Zeit t vor, die Abstände zwischen den Intensitätsmaxima betragen hier Die Zeitspannen bis zum Erreichen des Meßorts 3 sind:

Die Gleichung für t _o -t _CPA wird nach k aufgelöst und in die Gleichung für t-t _CPA eingesetzt. Es ergibt sich für t:

Differenziert man diese Gleichung nach der Frequenz f, so erhält man die Steigung der Geraden G 1

Löst man diese Gleichung nach t _o -t _CPA auf, so erhält man für die Mittenfrequenz f _o

Diese Zeitspanne t _o -t _CPA ist gerade aber die Zeit, die vergeht, bis das Fahrzeug 1 den Meßort 3 mit der Annäherungsgeschwindigkeit V _r erreicht hat. Es gilt also:

In diesem speziellen Bewegungsfall ist die Annäherungsgeschwindigkeit V _a = V _r gleich der Fahrzeuggeschwindigkeit V, die in Richtung der Verbindungslinie zwischen Fahrzeug 1 und Meßort 3 weist, wie sonst bei jedem allgemeinen Bewegungsfall die radiale Geschwindigkeitskomponente V _r .

Gemäß dem Blockschaltbild in Fig. 2 ist aber die radiale Geschwindigkeitskomponente V _r bereits in der Rechenstufe 40 berechnet worden, die hier gleich der Annäherungsgeschwindigkeit V _a = V _r ist:

In diesem Spezialfall der Annäherung ist und damit

Die Entfernung r ist im Entfernungsrechner 55 aus Gl. (A) und Gl. (B) wie folgt zu berechnen:

Die Interferenzwellenlänge X(f _o ) wird durch Kenntnis der Übertragungsschicht, in der sich der Meßort 3 befindet, vorab bestimmt. Ebenso ist die Ableitung der Interferenzwellenlänge X(f) nach der Frequenz f berechenbar und vorher für die Mittenfrequenz f _o zu ermitteln. Somit weist die Gl. (C) nur meßbare Größen auf. Zahlreiche Versuche haben ergeben, daß der Quotient unabhängig von der Tiefe der Übertragungsschicht stets ungefähr gleich 1,1·f _o ist, obwohl die Interferenzwellenlänge X(f) selbst von der Tiefe sehr stark beeinflußt wird, wobei die Tiefe die Ausdehnung der Übertragungsschicht zwischen ihren Grenzebenen angibt.

Fig. 7 zeigt ein Frequenz-Zeit-Diagramm, bei dem sich das Fahrzeug 1 mit zwei unterschiedlichen Fahrzeuggeschwindigkeiten dem Meßort 3 bei einem Überlauf gemäß Fig. 6.1 nähert. Anhand dieses Prinzipdiagramms soll das Verfahren und seine Funktionstüchtigkeit auch bei sich ändernder Annäherungsgeschwindigkeit V _a beschrieben werden. Die Interferenzlinien wurden durch Geraden approximiert. Wir sehen im unteren Bereich des Diagramms Geraden, deren Steigung größer ist als im oberen Bereich. Nach einer Zeit von 600 s ab Meßbeginn hat das Fahrzeug 1 seine Fahrzeuggeschwindigkeit V vergrößert, da die Steigung der Geraden abgenommen hat. Der Abstand zwischen den einzelnen Interferenzlinien ist in diesem Bereich nur noch halb so groß wie im unteren Bereich des Diagramms. Daraus kann man schließen, daß die Fahrzeuggeschwindigkeit V verdoppelt wurde. Die erste Messung wird beispielsweise nach einer Zeit von 100 s begonnen. Es wird ein Frequenzbereich von Δ f = 200 Hz betrachtet, der um eine Mittenfrequenz von f _o = 300 Hz angeordnet ist. Das Zeitintervall beträgt Δ t = 200 s, der Ausschnitt des Interferenzmusters im ersten Meßfall ist mit dem Buchstaben Y gekennzeichnet. Ein solcher Ausschnitt des Intensitätsmusters ist in jeder der Intensitätsmustereinheiten 30, 31 oder 32 gebildet worden. Wir nehmen an, daß mit Hilfe der Korrelatorschaltung 33 eine Zeitverschiebung τ _IK = 20 s zwischen zwei Intensitätsmustern gemessen wird. Der Laufzeitunterschied der Empfangssignale desselben Wandlerpaares, beispielsweise Wandler 4 und 5, sei gemessen zu τ ₁ = 0,067 s, wobei wegen des Überlaufs gemäß Fig. 6.1, wobei der Abstand der Wandler d = 100 m, die Schallgeschwindigkeit beträgt. Im Interferenzlinienrechner 50 wird die Steigung t′ der Interferenzlinie, die durch die Mitte des Ausschnits Y verläuft, bestimmt. Sie beträgt t′ = 6,36 s/Hz. Der Quotient bestimmt sich zu:

Aus diesen Meßgrößen wird die Entfernung r gemäß Gl. (C) wie folgt berechnet:

Die Annäherungsgeschwindigkeit V _r bzw. Fahrzeuggeschwindigkeit V wird gemäß Gl. (B) berechnet:

Der Peilwinkel ϕ ergibt sich aus dem Laufzeitunterschied τ ₁ zu

Der Kurswinkel γ ist ebenfalls gleich 90°, da eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente nicht vorliegt.

Eine erneute Messung wird nach einer Zeit von 900 s durchgeführt. Es wird in der Intensitätsmustereinheit 30 ein Ausschnitt Z gemäß Fig. 7 gebildet. Folgende Meßwerte werden festgestellt: die Steigung der Interferenzlinie   t′ = 1,36 s/Hz,
der Quotient   1,1·f _o = 1,1·300 Hz.

Mit diesen Meßdaten wird die Entfernung zu r ≈ 4500 m

und die Annäherungsgeschwindigkeit zu V _r = 10 m/s = 20 kn

festgestellt. Peilwinkel und Kurswinkel betragen: ϕ = γ = 90°.

An diesem Beispiel erkennt man, daß unabhängig vom vorangegangenen und nachfolgenden Bewegungsverhalten des Fahrzeugs die Zieldaten richtig bestimmt werden.

Als nächstes stellt sich die Frage, ob das Verfahren zum Bestimmen von Zieldaten auch dann angewendet werden kann, wenn der Kurs des Fahrzeugs 1 nicht über den Meßort 3 verläuft, sondern mit Querabstand am Meßort 3 vorbeiläuft und die Interferenzlinien dadurch einen hyperbelförmigen Verlauf aufweisen. Der Nachweis soll anhand der Prinzipskizze gemäß Fig. 8 geführt werden.

Das Fahrzeug 1 befindet sich zum Zeitpunkt t ₁ in einer Entfernung r vom Meßort 3 unter einem Peilwinkel ϕ gegen die Bezugsrichtung N. Der Kurs des Fahrzeugs 1 läuft unter einem Kurswinkel γ gegen die Bezugsrichtung N und weist zum Meßort 3 einen Querabstand q auf. Das Fahrzeug 1 fährt mit einer Fahrzeuggeschwindigkeit V und hat den Querabstand q am Ort R zum Zeitpunkt t _CPA passiert. Zwischen der Fahrzeuggeschwindigkeit V und der radialen Geschwindigkeitskomponente V _r liegt ein Geschwindigkeitswinkel α.

In der Zeit Δτ = t ₁-t _CPA hat das Fahrzeug 1 mit der Fahrzeuggeschwindigkeit V den Weg s zurückgelegt:

s = V · Δτ.

Es gilt nach dem Satz des Pythagoras folgende geometrische Beziehung:

r ² = q ² + s ² = q ² + V ² · Δτ ².

Es wird (v ² · Δτ) ausgeklammert und durch v ² · Δτ geteilt:

Außerdem gilt für das Geschwindigkeitsdreieck aus V, V _r und V _ϑ :

Für das Dreieck mit Meßort 3, Fahrzeug 1 und Ort R als Eckpunkten gilt:

Damit gilt und man erhält für die Gleichung I:

Der erste Term Δτ auf der rechten Seite der Gleichung II ist gerade die Zeit, die vergeht, wenn das Fahrzeug 1 mit der Fahrzeuggeschwindigkeit V den Weg s zurücklegt. Der zweite Term ist eine Zeitspanne Δ T, die verginge, wenn das Fahrzeug den Weg q vom Meßort 3 bis zum Ort R mit einer fiktiven Geschwindigkeit V* zurücklegen würde, die in Richtung des Querabstands q weist, wie folgende Umrechnung zeigt:
Mit

s = V · Δτ

ergibt sich

Außerdem ist nach Fig. 8 das in Gleichung III eingesetzt wird und es gilt nach Fig. 8: das nach tan α aufgelöst wird und in Gleichung IV eingesetzt wird. Es gilt also: Man kann sich jetzt vorstellen, daß das Fahrzeug 1 vom Meßort 3 mit der radialen Geschwindigkeitskomponente V _r über den Weg r nach einer Zeit seine jetzige Position erreicht hat. Andererseits kann es diese Position auch dadurch erreicht haben, daß es vom Meßort 3 den Querabstand q mit der fiktiven Geschwindigkeit V* in der Zeit und anschließend den Weg s mit der Fahrzeuggeschwindigkeit V in der Zeit Δτ = t ₁-t _CPA durchfahren hat. Da aber das Fahrzeug 1 zur Zeit t ₁ unabhängig vom eingeschlagenen Weg die eingezeichnete Position inne hat, ist Der Quotient r/V _r ist aber gerade gemäß Gleichung (A) gleich dem Produkt aus der Steigung t′ einer der Interferenzlinien im Ausschnitt bei der Mittenfrequenz f _o und dem Faktor Es gilt also auch für einen beliebigen Kurs des Fahrzeugs 1, daß aus der Steigung t′ der Interferenzlinie und der radialen Geschwindigkeitskomponente V _r die Entfernung r zwischen Meßort 3 und Fahrzeug 1 gemäß Gleichung (A) auf Seite 53 zu jedem Zeitpunkt bestimmbar ist.Im Entfernungsrechner 55 gemäß Fig. 2 wird die Entfernung r berechnet. Am Ausgang der Rechenschaltung 40 steht die radiale Geschwindigkeitskomponente V _r der Fahrzeuggeschwindigkeit V an. Die Fahrzeuggeschwindigkeit V wird aus der radialen Geschwindigkeitskomponente V _r und der tangentialen Geschwindigkeitskomponente V _ϑ gemäß dem Satz des Pythagoras in einem Fahrzeuggeschwindigkeitsrechner 60 berechnet, der eingangsseitig mit der Rechenschaltung 40 und über eine Multiplizierschaltung 61 mit dem Entfernungsrechner 55 verbunden ist: In der Multiplizierschaltung 61 wird das Produkt aus Entfernung r und der zeitlichen Änderung des Winkels ϑ berechnet. Diese zeitliche Winkeländerung wird häufig Winkelgeschwindigkeit ϑ genannt. Die geometrischen Beziehungen zwischen den Geschwindigkeitskomponenten V _r , V _ϑ , der Fahrzeuggeschwindigkeit V bezüglich des Meßorts 3 sind Fig. 4 zu entnehmen. Der Winkel ϑ wird aus dem Laufzeitunterschied τ ₂ in einem dem Maximumdetektor 35 nachgeschalteten Rechenwerk 62 gemäß der Beziehung bestimmt. Dem Rechenwerk 62 ist eine Differenzierschaltung 63 nachgeschaltet, in der die zeitliche Änderung des Winkels ϑ je Zeiteinheit T bestimmt wird. Die Multiplizierschaltung 61 ist mit ihrem zweiten Eingang mit der Differenzierschaltung 63 verbunden und berechnet das Produkt aus Entfernung r und zeitlicher Änderung des Winkels ϑ. Dieses Produkt ist gleich der tangentialen Geschwindigkeitskomponente V _ϑ = r · ϑ.Zur Berechnung des nordbezogenen Kurswinkels γ ist dem Interferenzlinienrechner 50 und der Differenzierschaltung 63 eine Winkelrechenstufe 64 nachgeschaltet, in der ein Geschwindigkeitswinkel α, wie er in Fig. 4 angegeben ist, berechnet wird. Der Geschwindigkeitswinkel α liegt zwischen der radialen Geschwindigkeitskomponente V _r und der Fahrzeuggeschwindigkeit V und lautet: Dieser Ausdruck kann aus der geometrischen Anordnung nach Fig. 4 und unter Verwendung von Gl. (C) auf folgendem Weg hergeleitet werden: Also ist Diese Beziehung nach α aufgelöst ergibt Gleichung (D).Die Fahrzeuggeschwindigkeit V kann auch aus dem Geschwindigkeitswinkel α und der radialen Geschwindigkeitskomponente V _r nach der Beziehung berechnet werden.Der Winkelrechenstufe 64 ist eine Summationsschaltung 65 nachgeschaltet, die als zweite Eingangsgröße den nordbezogenen Peilwinkel ϕ erhält, aus der gemäß Fig. 1 der nordbezogene Kurswinkel γ = ϕ-α-180° berechnet wird.Fig. 9 zeigt eine Modifikation des Interferenzlinienrechners 50. Der Approximationsrechner 51 enthält hier zur Ermittlung der Approximation einer Interferenzlinie im Ausschnitt des Intensitätsmusters und einer im Simulationsrechner 52 erstellten Geraden eine Auswahlschaltung 69, die die Intensitäten im Ausschnitt, die auf der Geraden liegen, aussucht, und einen Mittelwertbildner 70, in dem die Intensitäten I _i längs der Geraden aufsummiert und durch ihre Anzahl N geteilt werden: In einem Quadrierer 71 werden die einzelnen Intensitäten I _i längs der Geraden quadriert und in einem nachgeschalteten Summierer 72 addiert und durch die Anzahl N geteilt. Man erhält den Mittelwert der quadrierten Intensitäten: Dem Mittelwertbildner 70 und Summierer 72 ist eine Rechnerschaltung 73 nachgeordnet, in der die relative Standardabweichung σ/ der Intensitäten I _i längs der Geraden von ihrem Mittelwert nach der Formel ausgerechnet wird. Ihr Ausgang ist mit einer Kontrollschaltung 74 für das Freigabesignal des Approximationsrechners 51 verbunden. Die Kontrollschaltung 74 gibt dann ein Freigabesignal ab, wenn die relative Standardabweichung σ/ möglichst klein ist und kleiner als ein vorgebbarer Wert. Dann sind die Intensitäten I _i längs der Geraden nahezu gleich und die Gerade approximiert die Interferenzlinie am besten. Das Freigabesignal wird dem Steigungsrechner 53 zugeführt, in der die im Simulationsrechner 52 simulierte Gerade t(f) nach der Frequenz f differenziert wird. Wenn kein Freigabesignal erzeugt wird, wird die Gerade im Simulationsrechner 52 gedreht und/oder in Zeitrichtung so lange verschoben, bis die relative Standardabweichung σ/ am kleinsten ist.Ebenfalls ist es möglich, im Simulationsrechner 52 statt einer Geraden ein Büschel von Geraden zu simulieren, die sich alle bei der Frequenz -0,1·f _o schneiden und auf der Frequenzspur der Mittenfrequenz f _o gleiche Abstände aufweisen. Die Auswahlschaltung 69 sucht dann die entsprechenden Intensitäten, die zu den Koordinaten der simulierten Geraden gehören, aus dem Ausschnitt des Intensitätsmusters heraus, die im Mittelwertbildner 70 und Quadrierer 71 je Gerade weiterverarbeitet werden. Es wird für alle Geraden die relative Standardabweichung σ/ berechnet und die Geraden an die Interferenzlinien im Ausschnitt approximiert. Die Kontrollschaltung 74 erzeugt ein Freigabesignal, wenn für alle Geraden die relative Standardabweichung σ/ am kleinsten ist. Vom Simulationsrechner 52 wird die durch die Mitte des Ausschnitts verlaufende Gerade an Steigungsrechner 53 übertragen.Im folgenden soll der Fall einer Tiefenänderung in der Übertragungsschicht beschrieben werden: Befindet sich der Meßort mit den Wandlern beispielsweise in einem Flachwassergebiet, das keine konstante Wassertiefe aufweist, so ist die Bestimmung der radialen Geschwindigkeitskomponente V _r aus der Zeitverschiebung τ _IK nicht mehr unabhängig vom Schiffsort und der am Schiffsort vorherrschenden Wassertiefe.Fig. 10 zeigt eine Prinzipskizze eines Flachwasserkanals, bei dem der Einfachheit halber eine kontinuierliche Tiefenvariation durch zwei Wassertiefen H ₁ und H ₂ mit einem Sprung dargestellt wird. Anhand dieses Modells soll eine Korrektur der Geschwindigkeitsmessung erläutert werden. In diesem modellhaften Flachwasserkanal interferieren zwei Eigenwellen miteinander, die im Gebiet mit der Wassertiefe H ₁ eine Interferenzwellenlänge X ₁ und im Gebiet mit der Wassertiefe H ₂ eine Interferenzwellenlänge X ₂ aufweisen. Der Meßort 3 befindet sich im Gebiet mit der Wassertiefe H ₁. Befindet sich das Fahrzeug 1 im Bereich mit der Wassertiefe H ₁, so wird am Meßort 3 eine Zeitverschiebung τ _IK1 gemessen, die zusammen mit dem Abstand d der Wandler 4 und 5 gemäß Gleichung (B) auf Seite 54 die Fahrzeuggeschwindigkeit V _r = V liefert.Das Fahrzeug 1 legt beispielsweise mit seiner Fahrzeuggeschwindigkeit V in einer Zeit t ₁ einen solchen Weg zurück, der gerade gleich der Interferenzwellenlänge X ₁ ist. Da das Fahrzeug 1 umgeben ist von seinem Interferenzfeld, wird ein Intensitätsmaximum im Bereich mit der Wassertiefe H ₂ in der Zeit t ₁ einen Weg S ₂ zurücklegen, der kleiner ist als der Weg X ₁ und gerade gleich der Interferenzwellenlänge X ₂ ist.Befindet sich das Fahrzeug 1 im Bereich mit der Wassertiefe H ₂, so wird mit Fahrzeuggeschwindigkeit V ein Interferenzmaximum in einer Zeit t ₂ einen Weg entsprechend der Interferenzwellenlänge X ₂ zurücklegen. Gemessen wird am Meßort 3, an dem aber in der gleichen Zeit t ₂ ein Interferenzmaximum einen Weg entsprechend der Interferenzwellenlänge X ₁ mit einer gemessenen Geschwindigkeit V** zurückgelegt hat: X ₁ = V** · t ₂. Die Zeit t ₂ bestimmt sich aus der Interferenzwellenlänge X ₂ und der Fahrzeuggeschwindigkeit V und ist Setzt man t ₂ in die Gleichung für X ₁ ein, so erhält man Löst man diese Gleichung nach der gemessenen Geschwindigkeit V** auf, so erhält man Aus der Zeitverschiebung τ _IK** , die am Meßort 3 gemessen wird, wenn sich das Fahrzeug 1 im Bereich mit der Wassertiefe H ₂ befindet, ist die gemessene Geschwindigkeit V** bekannt. Diese gemessene Geschwindigkeit V** ist größer als die Fahrzeuggeschwindigkeit V, nämlich wobei X ₁ ≦ωτ X ₂ ist.Aus dem o. g. Aufsatz von Weston ist bekannt, daß sich die Interferenzwellenlängen X ₁, X ₂ wie die Quadrate der Wassertiefen H ₁, H ₂ verhalten: Es ergibt sich dann ein Schätzfehler für die Geschwindigkeit V zu mit
Δ H = H ₁-H ₂.In den meisten Anwendungsfällen ist die relative Tiefenänderung Δ H/H ₁ gering. Deshalb kann der zweite Term dieser Gleichung vernachlässigt werden. Man erhält einen vorzeichenrichtigen Korrekturfaktor, der allein vom Gefälle des Bodens abhängt und gleich der doppelten relativen Tiefenänderung ist.Wegen der Änderung der Interferenzwellenlängen werden sowohl die Interferenzliniensteigung t′ als auch die Zeitverschiebung τ _IK um den gleichen Faktor geändert. Da diese beiden Werte laut Gleichung (C) als Verhältnis in die Formel für die Entfernungsbestimmung eingehen und die übrigen Größen dieser Formel von der Tiefenvariation nicht beeinflußt werden, bedarf die Entfernung keiner Korrektur.Für die Berechnung des Geschwindigkeitswinkels α muß der Wert der Interferenzliniensteigung korrigiert werden. Es sei t′* der gemessene Interferenzliniensteigungswert und t′ der korrigierte Interferenzliniensteigungswert. Dann gilt folgende Korrektur: Der Geschwindigkeitswinkel α wird dann mit der korrigierten Steigung der Interferenzlinie aus Gleichung (D) wie folgt berechnet:

Claims (24)

1. Verfahren zum passiven Bestimmen von Zieldaten, wie Entfernung, Fahrzeuggeschwindigkeit und Kurs, eines selbst generierte Wellenenergie abstrahlenden Fahrzeugs, insbesondere eines Wasserfahrzeugs, von einem Meßort aus, bei dem die Wellenenergie am Meßort von Wandlern empfangen, in elektrische Empfangssignale gewandelt und aus den Empfangssignalen ihre Einfallsrichtung gegen eine Bezugsrichtung als Peilwinkel bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßort innerhalb eines Meßgebiets in eine Übertragungsschicht mit Dispersionseigenschaft für die vom Fahrzeug abgestrahlte Wellenenergie gelegt wird, daß am Meßort mindestens zwei Wandler im Abstand voneinander angeordnet werden, daß Empfangssignale jedes Wandlers fortlaufend einer Frequenzanalyse unterzogen werden und Intensitäten in Abhängigkeit von sowohl der Frequenz als auch der Zeit abgespeichert werden, daß jeweils aus den abgespeicherten Intensitäten der Empfangssignale jedes Wandlers ein durch einen vorgebbaren Frequenzbereich und ein vorgebbares Zeitintervall bestimmter Ausschnitt ausgewählt wird, daß innerhalb eines der Ausschnitte aus benachbarten Intensitäten gleicher Stärke frequenzabhängige Interferenzlinien gewonnen werden und die frequenzmäßige Änderung oder Steigung mindestens einer der im Ausschnitt befindlichen Interferenzlinien bestimmt wird, daß ferner eine gegenseitige Zeitverschiebung der Intensitätsmuster in den beiden Ausschnitten bestimmt wird, daß weiterhin ein Laufzeitunterschied der Empfangssignale in einem höher als der Frequenzbereich gelegenen Frequenzintervall gemessen wird und daraus der Peilwinkel und seine zeitliche Änderung berechnet wird, daß zur Bestimmung der Entfernung zwischen Meßort und Fahrzeug die aus den Intensitätsmustern in den Ausschnitten ermittelten Größen - nämlich Steigung der Interferenzlinie und Zeitverschiebung zwischen den Intensitätsmustern - dividiert und mit dem Laufzeitunterschied multipliziert werden, daß zur Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit eine radiale Geschwindigkeitskomponente der Fahrzeuggeschwindigkeit aus dem Quotienten aus Laufzeitunterschied und Zeitverschiebung und eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente der Fahrzeuggeschwindigkeit aus dem Produkt der Entfernung und zeitlichen Veränderung des Peilwinkels gewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Wandler am Meßort derart aufgestellt wird, daß die drei Wandler in der Übertragungsschicht parallel zu ihrer Grenzebene ein vorzugsweise gleichseitiges Dreieck aufspannen, daß zum Ermitteln von Zeitverschiebung und Laufzeitunterschied die Wandler paarweise verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Laufzeitunterschieden Winkel gegen die Mittelsenkrechte auf den Abstand zwischen jedem Wandlerpaar berechnet werden, daß diese Winkel in Winkelwerte gegen eine gemeinsame Bezugsrichtung umgerechnet und miteinander verglichen werden und daß der Peilwinkel aus den Laufzeitunterschieden, die zu gleichgroßen Winkelwerten gehören, bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten Laufzeitunterschiede und/oder Zeitverschiebungen miteinander verglichen werden, daß zur Berechnung der Entfernung und der Fahrzeuggeschwindigkeit der größte Laufzeitunterschied mit der aus Empfangssignalen des gleichen Wandlerpaares ermittelten Zeitverschiebung oder die maximale Zeitverschiebung mit dem aus Empfangssignalen des gleichen Wandlerpaares gewonnenen Laufzeitunterschied kombiniert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu gleichen Winkelwerten gehörenden Laufzeitunterschiede miteinander verglichen werden und aus dem geringsten Laufzeitunterschied der Peilwinkel und die zeitliche Änderung des Peilwinkels ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurs aus dem Peilwinkel zuzüglich einem Geschwindigkeitswinkel bestimmt wird, der zwischen der radialen Geschwindigkeitskomponente und der Fahrzeuggeschwindigkeit liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Geschwindigkeitswinkel mit Hilfe des Arcus Tangens aus dem Produkt von Steigung, einem Faktor und der zeitlichen Änderung des Peilwinkels berechnet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzbereich mit seiner Mittenfrequenz derart ermittelt wird, daß längs jeder Frequenzspur ein Modulationsmaß der abgespeicherten Intensitäten innerhalb des Zeitintervalls bestimmt wird und ein Bereich benachbarter Frequenzspuren, für die der frequenzmäßige Verlauf des Modulationsmaßes über einer Schwelle liegt, als Frequenzbereich gewählt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzintervall für die Peilung in einem solchen Frequenzabstand vom Frequenzbereich und seiner Mittenfrequenz gewählt wird, daß Phasengeschwindigkeiten von Wellen innerhalb dieses Frequenzintervalls in Abhängigkeit von der Frequenz annähernd konstant und gleich der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellenenergie im Medium des Meßgebietes sind.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung durch das Produkt aus Steigung, Laufzeitunterschied, Ausbreitungsgeschwindigkeit und Faktor geteilt durch die Zeitverschiebung der Intensitätsmuster der Empfangssignale des gleichen Wandlerpaares berechnet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Geschwindigkeitskomponente durch den mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit multiplizierten Laufzeitunterschied geteilt durch die zugehörige Zeitverschiebung angegeben wird und daß die Fahrzeuggeschwindigkeit durch Anwendung des Satzes des Pythagoras aus der radialen und der tangentialen Geschwindigkeitskomponente durch Quadrierung, Summierung und Radizierung errechnet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Interferenzwellenlänge zweier in der Übertragungsschicht miteinander interferierender Eigenwellen in Abhängigkeit von der Frequenz bestimmt wird und ihre frequenzmäßige Ableitung bei der Mittenfrequenz gebildet wird, daß der Faktor aus dem Quotienten von Interferenzwellenlänge bei der Mittenfrequenz und ihrer Ableitung gebildet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor gleich dem 1,1fachen Wert der Mittenfrequenz des Frequenzbereiches gewählt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall proportional der Interferenzwellenlänge zweier in der Übertragungsschicht miteinander interferierender Eigenwellen, die sich aufgrund der gewählten Mittenfrequenz ausbilden, gewählt wird und mindestens zwei Interferenzlinien auf der Frequenzspur der Mittenfrequenz umfaßt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Wandler kleiner als die halbe Interferenzwellenlänge zweier in der Übertragungsschicht miteinander interferierender Eigenwellen, die sich aufgrund der gewählten Mittenfrequenz ausbilden, gewählt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler innerhalb der Übertragungsschicht in einer solchen Distanz parallel zu ihrer Grenzebene angeordnet werden, daß aufgrund von Eigenwellen höherer Ordnung innerhalb des Ausschnitts mehr als zwei Interferenzlinien auf der Frequenzspur der Mittenfrequenz zu verzeichnen sind.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Empfangssignalen jedes Wandlers zur Frequenzanalyse Kurzzeit- Leistungsdichte-Spektren in vorgebbaren Zeiteinheiten gebildet werden und bezogen auf eine Zeitbasis jeweils als Intensitäten in Abhängigkeit von der Frequenz abgespeichert werden, daß die Zeitbasis in Zeiteinheiten gerastert ist und das Zeitintervall eine vorgebbare Anzahl von Zeiteinheiten umfaßt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung durch Approximation einer Geraden an die Interferenzlinie gewonnen wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines durch Frequenz und Zeiteinheiten gebildetes Frequenz-Zeit-Koordinatensystems des Intensitätsmusters Intensitäten längs einer beliebig im Ausschnitt angeordneten Geraden gemessen werden, daß zur Approximation der Geraden an die Interferenzlinie die Gerade gedreht und so lange in Zeit- und/oder Frequenzrichtung verschoben wird, bis die längs der Geraden gemessenen Intensitäten die geringste Abweichung voneinander haben.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Frequenz-Zeit-Koordinatensystems des Intensitätsmusters Intensitäten längs einer beliebig im Ausschnitt angeordneten Geraden gemessen werden, daß zur Approximation der Geraden an die Interferenzlinie der Mittelwert der Intensitäten, die längs der Geraden gemessen werden, gebildet wird, daß ferner die einzelnen Intensitäten quadriert und addiert werden und diese Summe durch die Anzahl der gemessenen Intensitäten geteilt wird, daß daraus die relative Standardabweichung der Intensitäten vom Mittelwert gebildet wird und daß die geringste Abweichung der Geraden von der Interferenzlinie dann erreicht ist, wenn die relative Standardabweichung am geringsten ist.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß im Frequenz-Zeit-Koordinatensystem ein Muster aus einem Büschel von sich bei dem -0,1fachen Wert der Mittenfrequenz schneidenden Geraden mit äquidistanten Abständen auf der Frequenzspur der Mittenfrequenz erstellt wird, daß übereinstimmend mit der Frequenzspur der Mittenfrequenz der Ausschnitt und das Muster des Büschels längs der Zeitbasis gegeneinander verschoben werden bis die einzelnen Geraden des Büschels die Interferenzlinien tangieren und nicht mehr schneiden, daß die Steigung der Verbindungslinie zwischen dem Schnittpunkt der Geraden und dem Mittelpunkt des Ausschnitts die Steigung der Interferenzlinie angibt.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Intensitätsverteilung im Ausschnitt des dem einen Wandler zugeordneten Intensitätsmusters längs jeder Frequenzspur im vorgegebenen Frequenzbereich mit der zeitlichen Intensitätsverteilung des dem anderen Wandler zugeordneten Intensitätsmusters längs der gleichen Frequenzspur über das gesamte Zeitintervall korreliert wird, daß die Korrelationsfunktionen aller Frequenzspuren gemittelt werden und aus der Lage des Maximums der gemittelten Korrelationsfunktion die Zeitverschiebung bestimmt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Meßgebiet mit Tiefenänderung zwischen den Grenzebenen die ermittelte radiale Geschwindigkeitskomponente abhängig von der relativen Tiefenänderung bezogen auf die Tiefe am Meßort um den doppelten Betrag der relativen Tiefenänderung korrigiert wird.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung mit einem quadrierten Quotienten aus Tiefe am Ort des Fahrzeugs und Tiefe am Meßort multipliziert wird.