DE3543792A1 - Verfahren zur detektion von fahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Fahrzeugen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genann­ ten Art.

Bei einem bekannten Verfahren zur Detektion von Schif­ fen werden die insbesondere von den Antriebsaggregaten des Schiffes abgestrahlten Geräusche mit mindestens einem in Wasser eingesetzten Hydrophon empfangen. Das Empfangssignal wird einem Hüllkurvendetektor zugeführt, die Einhüllende des Empfangssignals einer Frequenzana­ lyse unterzogen und das Frequenzspektrum der Einhüllen­ den auf Vorhandensein von Spektrallinien mit einer von Null abweichenden Frequenz untersucht. Werden solche Spektrallinien gefunden, so wird dies als Erkennung eines Wasserfahrzeugs ausgegeben.

Bei dem bekannten Verfahren werden dabei zur Detektion des Schiffes meist die von drehenden Schrauben oder Propellern erzeugten Signalanteile herangezogen, die von der Drehzahl der Schraube und von der Zahl der An­ triebsblätter der Schraube abhängt. Ist die Schraube z. B. vierflügelig und dreht sich mit der Rotations­ frequenz f ₀, so finden sich in dem Antriebsgeräusch des Schiffes die Frequenz f ₀ und die Frequenz 4 f₀ mit entsprechenden Harmonischen. Bei den relativ langsam laufenden Schiffsschrauben können insbesondere bei kleiner Fahrt des Schiffes zur Detektion des Schiffes im Flachwasser meist nur höhere Harmonische der Fre­ quenz f ₀ bzw. 4 f₀ ausgewertet werden, da zumindest die Grundwelle mit der Frequenz f ₀ kleiner ist als die untere Grenzfrequenz des Flachwasserkanals und sich daher nicht in diesem ausbreiten kann und somit im Empfangs­ signal des Hydrophons nicht enthalten ist. Damit ist bei dem bekannten Verfahren die Detektionsreichweite abhängig von der Dämpfung, welche die Harmonischen von f ₀ bzw. 4 f₀ auf ihrem Ausbreitungsweg durch das Wasser erfahren. Da höherfrequente Schallwellen sehr viel stärker gedämpft werden als tieffrequente, ist die Detektionsreichweite bei Anwendung des bekannten Verfahrens im Flachwasser wesentlich geringer als die theoretisch mögliche.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Detektion von Fahrzeugen der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß neben der Erzielung einer größeren Detektionsreichweite auch die Möglichkeit zur Detektion verschiedenartiger Fahrzeugtypen, wie Schiffe, Luftkissenfahrzeuge oder Hubschrauber, vergrößert wird.

Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich einer­ seits tieffrequente Signalanteile im Geräusch von Was­ serfahrzeugen, die aufgrund der Eigenschaft des Flach­ wasserkanals bislang nicht detektierbar waren, auf­ fassen und andererseits auch Geräuschquellen in sehr großer Entfernung detektieren. Mit dem erfindungsgemä­ ßen Verfahren lassen sich sowohl größere Detektions­ reichweiten erzielen, als auch solche Fahrzeuge, wie Luftkissenfahrzeuge, detektieren, deren Detektion auf­ grund ihrer charakteristischen, nur tieffrequenten Signalanteile bislang nicht möglich war.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich dabei die Er­ kenntnis zunutze, daß tieffrequente Signalanteile, deren Frequenz unterhalb der unteren Grenzfrequenz des Flachwasserkanals liegen, sich zwar nicht im Flach­ wasserkanal ausbreiten können, aber andererseits in den Meeresboden einkoppeln und als Bodenschallwellen (P-Wellen, S-Wellen, Rayleigh-Wellen) sich über große Entfernungen ausbreiten. Die Rayleigh-Wellen, auch Oberflächenwellen genannt, sind dabei wegen ihres gro­ ßen Energiegehaltes besonders gut zu erfassen. Damit wird die Möglichkeit eröffnet, z. B. Luftkissenfahr­ zeuge, deren Antriebsgeräusche charakteristische Fre­ quenzen zwischen 1 bis 2 Hz enthalten, überhaupt zu detektieren und dies zudem noch über recht große Ent­ fernung. Damit wird weiter die Möglichkeit eröffnet, schraubengetriebene Wasserfahrzeuge über sehr viel größere Entfernung zu detektieren und zu erkennen, als dies bislang mit dem Einsatz von Hydrophonen möglich war, und zwar dadurch, daß nunmehr tieffrequente Sig­ nalanteile, die unterhalb der unteren Frequenzgrenze des Flachwasserkanals liegen, empfangen und ausgewer­ tet werden. Da diese tieffrequenten Signalanteile auf ihrem Ausbreitungsweg weit weniger gedämpft werden, können sie in sehr viel größerer Entfernung mit noch ausreichendem Nutz-/Störverhältnis erfaßt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch zur Detektion von Hubschraubern über sehr große Entfer­ nungen. Hierbei macht man sich ebenfalls die Erkennt­ nis zunutze, daß die im Antriebsgeräusch des Hub­ schraubers enthaltene niederfrequente Grundwelle der Rotorfrequenz (ca. 10 bis 20 Hz) in den Erdboden ein­ koppelt und sich überwiegend in Form einer Oberflächen­ welle relativ wenig gedämpft über große Entfernungen ausbreitet. Somit kann ein Hubschrauber bereits über ein Vielfaches der Entfernung detektiert werden, wie dies bislang mittels Mikrophonen möglich war. Die De­ tektionsmöglichkeit ist dabei unabhängig von der Ge­ ländebeschaffenheit. Eine Abschattung des vom Hub­ schrauber erzeugten Geräusches durch Bergketten, Wäl­ der und dergl., die bei der bislang durchgeführten De­ tektion des Hubschraubers mittels Mikrophonen die De­ tektionsreichweite erheblich reduzierte, spielt hier keinerlei Rolle. Durch das Eingraben der Geophone in den Boden in 10 bis 30 cm Tiefe ergibt sich gegenüber den durch Windgeräusche gestörten Mikrophonen ein besseres Nutz-/Störverhältnis. Zudem ist die aktive Schalleinkopplungsfläche der Geophone wesentlich grö­ ßer als die von Mikrophonen, was eine erhöhte Empfind­ lichkeit bewirkt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist anhand der Zeichnung im folgenden an zwei Ausführungsbeispielen näher be­ schrieben. Es zeigen, jeweils in schematischer Dar­ stellung:

Fig. 1 einen Geländeschnitt mit einer im Erdboden eingelassenen Meßsonde zur Detektion von Hubschraubern,

Fig. 2 eine Draufsicht eines Küstenabschnittes mit einer am Strand angeordneten Ein­ richtung zur Detektion und Peilung von Wasserfahrzeugen.

Wie in Fig. 1 illustriert ist, wird zur Detektion von Hubschraubern in einem Geländeabschnitt mindestens eine Meßsonde 10 in den Erdboden 11 eingegraben. Die Meß­ sonde 10 kann über eine aus dem Erdboden 11 heraus­ ragende Antenne 12 mit einer weiter nicht dargestellten Auswertezentrale kommunizieren. Die Meßsonde 10 weist ein Geophon 13 auf, das in einem Abstand a von ungefähr 10 bis 30 cm von der Erdoberfläche 14 in beliebiger Ausrichtung im Erdboden 11 angeordnet ist. Dem Geo­ phon 13 ist ein Tiefpaßfilter 15 nachgeschaltet, dessen Grenzfrequenz zur Ortung von Hubschraubern etwa 100 bis 200 Hz beträgt. Das Tiefpaßfilter 15 ist ausgangs­ seitig an einem Schwellwertschalter 16 angeschlossen, der seinerseits mit einer Sendeeinrichtung 17 ver­ bunden ist. Der Schwellwertschalter 16 aktiviert die Sendeeinrichtung 17, sobald an seinem Eingang ein den Schwellwert übersteigendes Signal anliegt. Die Sende­ einrichtung 17 generiert ein Detektions- oder Melde­ signal, das über die Antenne 12 zu der Zentrale ge­ sendet wird. Die elektrische Stromversorgung für die Meßsonde 10 ist in der Sendeeinrichtung 17 integriert. Zur Installation der Meßsonde 10 kann es zweckmäßig sein, Tiefpaßfilter 15, Schwellwertschalter 16 und Sendeeinrichtung 17 in einem gemeinsamen Gehäuse 18 zusammenzufassen, mit dem das Geophon 13 über ein Ka­ bel 19 verbunden ist.

Mit der beschriebenen Meßsonde 10 wird ein Hubschrau­ ber 20, der beispielsweise auf der von der Meßsonde 10 abgekehrten Seite einer bewaldeten Hügelkette 21 liegt, bereits detektiert, obwohl er von der Meßstelle aus weder sichtbar noch hörbar ist und auch nicht über ein Mikrophon erkannt werden kann. In dem vom Hubschrauber 20 abgestrahlten Geräusch ist - ähnlich wie bei Schif­ fen - die Rotationsfrequenz f ₀ des Rotors mit ent­ sprechenden Harmonischen enthalten. Diese Rotorfre­ quenz f ₀ liegt zwischen 10 und 20 Hz. Das vom Hub­ schrauber erzeugte Geräusch (Schall) koppelt aufgrund des porösen Mediums in den Erdboden 11 ein und brei­ tet sich dort zum überwiegenden Teil in Form von Ober­ flächenwellen (Rayleigh-Wellen) aus. Diese Oberflächen­ wellen laufen entlang der Erdoberfläche 14, wobei sie auch längs der Kontur der Hügelkette 21 verlaufen, und gelangen zu dem Geophon 13 der Meßsonde 10. Bei der Ausbreitung im Erdboden 11 wird dabei die Grundwelle der Rotorfrequenz f ₀ aufgrund ihrer sehr niedrigen Fre­ quenz von 10 bis 20 Hz nur sehr wenig gedämpft und kann von dem Geophon 13 mit noch gutem Nutz-/Störverhält­ nis in großer Distanz vom Hubschrauber 20 empfangen werden. Diese Grundwelle läßt sich im Empfangssignal des Geophons 13 aufgrund ihrer großen Amplitude sehr zuver­ lässig detektieren. Hierzu wird das Empfangssignal des Geophons 13 tiefpaßgefiltert, um störende höherfre­ quente Signalanteile zu unterdrücken, und dem Schwell­ wertschalter 16 zugeführt. Das Eingangssignal am Schwellwertschalter 16 übersteigt den vorgegebenen Schwellwert, wodurch die Sendeeinrichtung 17 aktiviert wird. Die Sendeeinrichtung 17 generiert das Melde­ signal, das von der Antenne 12 abgestrahlt und von der Zentrale empfangen wird. Aufgrund des Meldesig­ nals wird in der Zentrale die Hubschraubererkennung registriert.

In Fig. 2 ist zur Detektion und Peilung eines in einem Flachwassergebiet 30 fahrenden Luftkissenfahrzeugs (Hovercraft) 31 eine Detektions- und Peileinrichtung 32 vorgesehen, die an einer Meßstelle am Küstenrand 33 aufgestellt ist. Die Detektions- und Peileinrichtung 32 weist ein Geophonarray 34 aus einer Vielzahl von längs einer Geraden äquidistant nebeneinander angeordneten einzelnen Geophonen 35 auf. Im Beispiel der Fig. 2 sind neun Geophone 35, die einen Abstand d voneinander aufweisen, zu dem Geophonarray 34 zusammengefaßt. Das Geophonarray 34 ist in den Erdboden 36 ca. 10 bis 30 cm unterhalb der Erdoberfläche angeordnet.

An jedem Geophon 35 ist ein Verarbeitungskanal ange­ schlossen, in welchem ein Tiefpaßfilter 37 und ein Zeitverzögerungsglied 38 angeordnet sind. Alle Verar­ beitungskanäle werden einem Summierer 39 zugeführt, dessen Ausgang mit einem Maximumsucher 40 verbunden ist. Am Ausgang des Maximumsuchers 40 ist der Peilwinkel ϑ zu einer Signal- oder Geräuschquelle, wie sie das Luft­ kissenfahrzeug 31 darstellt, abnehmbar.

Das Antriebsgeräusch des Luftkissenfahrzeugs 31 ent­ hält eine charakteristische Frequenz f ₀, die zwischen 1 bis 2 Hz liegt. Das Geräusch koppelt sowohl in das Flachwasser 30 als auch in den Meeresboden ein. Auf­ grund der relativ geringen Tiefe des Flachwassers 30 (<400 m) kann sich im Flachwasser nicht die Grundwelle der Frequenz f ₀, sondern können sich nur deren höhere Harmonische ausbreiten. Im Meeresboden hingegen kann sich auch die Grundwelle der Frequenz f ₀ ausbreiten, und zwar vorzugsweise als Rayleigh-Welle und wegen ihrer tiefen Frequenz relativ wenig gedämpft. An der weit entfernt liegenden Meßstelle wird diese Grundwelle der Frequenz f ₀ mit relativ gutem Nutz-/Störverhältnis (S/N-Verhältnis) von den Geophonen 35 empfangen. Die Empfangssignale der einzelnen Geophone 35 werden zwecks Ausblendung höherfrequenter Störungen tiefpaßgefiltert, wobei die einzelnen Tiefpässe 37 eine obere Grenzfre­ quenz von ca. 20 Hz aufweisen. Mittels der Zeitverzö­ gerungsglieder 38 und des Summierers 39 wird das aus der Sonartechnik bekannte "Beamforming" durchgeführt, wobei die von der Summe der Empfangssignale gebilde­ te Richtcharakteristik des Geophonarrays 34 durch ent­ sprechende Einstellung der einzelnen Zeitverzögerungs­ glieder 38 mit ihrer Richtung größter Empfangsempfind­ lichkeit (Hauptkeule) um ca. 180° über das Flachwas­ sergebiet 30 um diskrete Winkelschritte geschwenkt werden kann. Mittels des Maximumsuchers 40 wird die­ jenige Empfangsrichtung eliminiert, in welcher der Empfangspegel bzw. die Empfangsamplitude am größten ist. Die Empfangsrichtung mit maximalem Empfangspegel wird als Peilwinkel ϑ am Ausgang des Maximumsuchers 40 ausgegeben.

Zur Detektion und Peilung des Luftkissenfahrzeugs 31 kann das Geophonarray 34 auch an beliebiger Stelle des Meeresgrundes angeordnet werden. In gleicher Weise könnte natürlich eine Detektions- und Peileinrichtung 32 an Uferrändern von Flüssen vorgesehen werden. Zur Detektion von Schiffen in Flüssen vom Ufer aus genügt - wie in Fig. 1 - das Eingraben eines einzigen Geo­ phons in das Ufer oder nahe des Ufers in den Erdboden.

Anstelle eines Luftkissenfahrzeugs 31 kann selbstver­ ständlich jedes andere Wasserfahrzeug, wie ein Schiff, detektiert und/oder gepeilt werden, wenn nur das vom Wasserfahrzeug abgegebene Antriebsgeräusch einen charak­ teristischen tieffrequenten schmalbandigen Signalan­ teil aufweist, wie dies bei schraubengetriebenen Schif­ fen immer der Fall ist.

Claims (2)

1. Verfahren zur Detektion von Fahrzeugen, bei welchem vom Fahrzeug abgestrahltes Betriebsgeräusch an ei­ nem fahrzeugfernen Ort empfangen und ein Fahrzeug aufgrund von in dem Empfangssignal enthaltenen schmal­ bandigen Signalanteilen erkannt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Geräuschempfang mit mindestens einem Dipolcharakteristik aufweisenden Geophon (13; 35) durchgeführt wird, das in den Boden (11; 36) eingesenkt ist, und daß die Fahrzeugerkennung mit­ tels der tieffrequenten Signalanteile im Empfangs­ signal vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Geräuschempfang mit einer Vielzahl von an­ einandergereihten Geophonen (35) durchgeführt wird, daß die Empfangssignale der einzelnen Geophone (35) zur Peilung des Fahrzeugs in an sich bekannter Wei­ se einer Laufzeitbewertung (38) unterzogen werden, die bewerteten Empfangssignale aufsummiert werden und die Summe mit der größten Empfangsamplitude er­ mittelt wird.