DE3544289A1 - Verfahren zur verfolgung der geradlinigen bahn eines fahrzeuges - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der Vermessung der akustischen Abstrahlung (Zielpegelspektrum, Richtcharakteristik) von Fahrzeugen, beispielsweise von Landfahrzeugen, Flugkörpern oder Unterwasserfahrzeugen, stellt sich das Problem, die Bahn des vorbeilaufenden Fahrzeuges zu bestimmen. Es ist bekannt, die akustische Abstrahlung (Spektrum) nur zum Zeitpunkt des Überlaufes des Fahrzeuges über Meßgeräte aufzuzeichnen und auszuwerten. Es wird dann das Maximum eines breitbandig aufgenommenen Pegels des vom Fahrzeug abgegebenen Schallsignals bestimmt, und zwar für einen Peilwinkel von 0°. Auch ist es bekannt zum Auswerten der Spektren, den Abstand zur Bahn des Fahrzeuges aus dem Pegelabfallgesetz zu bestimmen. Dieses Verfahren führt nur bei idealen Bedingungen, d. h. bei isotroper Schallabstrahlung des Fahrzeuges und bei punktförmigen abstrahlenden Fahrzeugen, zu exakten Ergebnissen. Auch ist es bekannt Richtcharakteristiken als Echtzeitergebnisse aufzuzeichnen. Diese Verfahren erfordern nachteiligerweise einen erheblichen meßtechnischen Aufwand.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und automatisiertes Verfahren zur Verfolgung der geradlinigen Bahn eines sich mit nahezu konstanter Geschwindigkeit bewegenden Fahrzeuges zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Verfahrensschritte des Anspruchs 1 gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 beschrieben.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bzw. deren Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen 5 bzw. 6 bis 16 beansprucht.

Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß alle Meßwerte mittels einer mobilen, einfache technische Hilfsmittel aufweisenden Vorrichtung aufgezeichnet und abgespeichert werden, wobei die gespeicherten Meßwerte jederzeit eine zusätzliche Auswertung zulassen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des ermittelten und rekonstruierten Peilwinkels zwischen einer Meßbasis und einem vorbeilaufenden Fahrzeug,

Fig. 2 den aufnahmeseitigen Teil der Vorrichtung,

Fig. 3 den Auswerteteil der Vorrichtung,

Fig. 4 eine Übersichtsdarstellung für die einzelnen durchgeführten Verfahrensschritte,

Fig. 5 ein Beispiel für eine ermittelte Richtcharakteristik eines Fahrzeuges,

Fig. 6 eine auf der Basis einer Phasenmessung arbeitende Peillogik,

Fig. 7 eine auf der Basis einer sich selbst abgleichenden Phasenmessung arbeitenden Peillogik, und die

Fig. 6a bis 6e sowie 7a bis 7e Einzelheiten der Peillogiken nach den Fig. 6 und 7.

Im oberen Teil der Fig. 1 ist ein Fahrzeug 100, vorzugsweise einUnterwasserfahrzeug ersichtlich, daß auf einer geradlinigen Bahn unter dem Winkel e im Abstand a an einer Meßbasis 2 vorbeiläuft. Das Fahrzeug bewegt sich mit nahezu konstanter Geschwindigkeit und gibt ein von der Meßbasis 2 empfangenes Schallsignal ab. Zur Bestimmung des zeitlichen Aufenthaltsortes des Fahrzeugs 100 wird eine Meßbasis mit vertikaler Richtcharakteristik verwendet, wobei durch die vertikale Richtcharakteristik durch Spiegelstrahlen hervorgerufene systematische Fehler vermieden werden. Die Meßbasis 2 ermittelt den momentanen Peilwinkel ϕ zwischen dem Fahrzeug und der Meßbasis durch eine Phasenmessung kontinuierlich. In einer der Meßbasis 2 nachgeordneten Peillogik 3 (vgl. Fig. 2) wird ein Meßsignal ermittelt, das auf einem Datenträger 4 (vgl. Fig. 2 und Fig. 3) gespeichert wird. Durch Auswertung des gespeicherten Meßsignales, die vorzugsweise im Labor erfolgen kann, werden der momentane Peilwinkel ϕ und der Abstand a zwischen dem Fahrzeug 100 und der Meßbasis 2 und damit die echte Bahn des Fahrzeuges innerhalb eines vorgegebenen Meßintervalls durch eine lineare Regressionsrechnung bestimmt. Die Gleichung die dieses Problem beschreibt ist vom Typ:

Z = Ax + By + C,

wobei die Regression die Konstanten A, B und C liefert. Daraus lassen sich der Abstand a, der Winkel ε und der Überlaufzeitpunkt bestimmen.

Im mittleren Teil von Fig. 1 ist eine ermittelte Peilwinkelkurve innerhalb eines vorgegebenen Meßintervalles in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Die an das Meßintervall anschließenden Bereiche sind in Folge von Rauschvorgängen für eine direkte Ermittlung des Peilwinkels nicht geeignet. Jedoch läßt sich für diese Bereiche der Peilwinkel und damit die Bahn des Fahrzeuges 100 durch lineare Regressionsrechnung rekonstruieren (unterer Teil von Fig. 1). Hierbei ist es möglich, daß für die Festlegung des Zeitintervalls zur Regressionsrechnung das vorgegebene Meßintervall verändert und mehrfach durchlaufen wird. Aufgrund der veränderten Meßintervalle werden rekonstruierte Bahnkurven aufgezeichnet, aus denen die am besten angepaßte, rekonstruierte Bahnkurve ausgewählt wird.

Bei gleichzeitiger Aufzeichnung von breitbandigem Pegel und Peilwinkel können Richtcharakteristiken für das vermessene Fahrzeug 100 dadurch erstellt werden, daß der momentane Pegelwert mit dem zugehörenden Abstand zwischen Fahrzeug 100 und Meßbasis 2, der aus der Bahnkurve gewonnen wird, normiert wird. Ein Beispiel einer Richtcharakteristik ist aus Fig. 5 ersichtlich.

Die oben beschriebenen einzelnen Verfahrensschritte sind aus dem Blockdiagramm gemäß Fig. 4 ersichtlich.

Die aus Fig. 2 ersichtliche Meßbasis 2 besteht aus zwei parallelen, in einem vorgegebenen Abstand zueinander angeordneten Trägern 201 und 202. Jeder Träger enthält eine gleiche Anzahl von zeichnerisch nicht dargestellten Meßwertaufnehmern, vorzugsweise Piezokeramiken, durch deren spezielle Anordnung sich die theoretische Richtcharakteristik ergibt. Der vertikale Öffnungswinkel der Meßbasis 2 kann etwa 30° betragen für die vorliegende Einsatzbedingung. Bei der Anwendung auf ein Unterwasserfahrzeug werden die Spiegelstrahlen von der Wasseroberfläche ausgeblendet. Sie würden ansonsten die Phasenmessung erheblich verfälschen. Hingegen wird ein horizontaler Öffnungswinkel (Meßbereich) der Meßbasis 2 von etwa 90° verwendet. Die zugelassenen Vorbeilaufabstände sind vom Signal-ZU-Rauschverhältnis abhängig. Hingegen hängt der Abstand der beiden Träger 201 und 202 von der verwendeten Peilfrequenz ab, beispielsweise 5 KHz bei einer Basisbreite von 15 cm.

Die beiden Ausgänge der Meßbasis 2 sind an zwei Eingänge einer Peillogik 3 elektrisch angeschlossen, deren Ausgang an den Aufnahmeeingang einer Bandspeichermaschine 4 angeschlossen ist. In Fig. 3 ist gezeigt, daß zur Auswertung des gespeicherten Meßsignales der Bandspeichermaschine 4 ein Analog/Digitalwandler 5 beispielsweise ein Zweikanal-Speicheroszillograph und eine Auswerteeinheit 6, beispielsweise ein handelsüblicher Rechner, nachgeschaltet sind.

Um die oben erwähnten Richtcharakteristiken für das vermessene Fahrzeug 100 zu erstellen, weist die Aufnahmevorrichtung gemäß Fig. 2 ein kalibriertes Hydrophon 7 auf, das zur Aufzeichnung des breitbandigen Pegels dient. Das Hydrophon 7 ist an einen zweiten Aufnahmeeingang der Bandspeichermaschine 4 angeschlossen. Es werden somit insgesamt zwei Signale von der Bandspeichermaschine 4 aufgezeichnet, wobei die Auswertung des breitbandigen Pegels die Anordnung von zusätzlichen Filtermitteln 8 zwischen der Bandspeichermaschine 4 und dem Analog/Digitalwandler 5 erforderlich macht, wie in Fig. 3 dargestellt ist.

Die Peillogik gemäß Fig. 6 weist zwei an die beiden Ausgänge der Meßbasis 2 angeschlossene Eingangszweige auf, die jeweils einen Verstärker 11 bzw. 12, einen Filter 13 bzw. 14 sowie einen Begrenzer 15 bzw. 16 enthalten. Die Ausgänge der Begrenzer 15 und 16 sind jeweils mit einem Eingang eines Verknüpfungsgliedes 17 verbunden, an dessen Ausgang ein RMS-Converter 18 und ein Spannungs-Frequenz-Converter 19 mit einem ersten Ausgang I angeschlossen sind. Die Verbindung zwischen den Convertern 18 und 19 ist mit einem Multiplizierer 20 mit einem zweiten Ausgang II verbunden. Der Steuereingang des Multiplizierers 20 wird von einer Einrichtung zur Phasenerkennung 21 gespeist, deren Eingänge mit den Ausgängen der Begrenzer 15 und 16 elektrisch leitend verbunden sind.

Diese Peillogik arbeitet auf der Basis einer Phasenmessung. Dazu werden die beiden Signale, die von einer angepaßten Meßbasis 2 empfangen wurden, verstärkt und dann gefiltert. Die so gewonnenen Signale werden in einem Begrenzer 15, 16 zu Rechtecksignalen geformt, und in einer Pegelanpassung auf TTL-Signale normiert (siehe Fig. 6a, 6b). In dem nachfolgenden Verknüpfungsglied 17 (LOGIK I) werden die Signale XOR-verknüpft. Das hat zur Folge, daß der Ausgang der Logik "logische High" wird, wenn die Eingangssignale 180° phasengedreht anliegen, bzw. "logische Low", wenn die Eingangssignale 0° phasengedreht anliegen (siehe Fig. 6e). Zur weiteren Verarbeitung werden die logisch-verknüpften Signale auf den RMS-Converter 18 gegeben. In dieser Stufe wird aus dem TTL-Signal ein DC-Signal erzeugt und gleichzeitig geglättet. Die Einrichtung zur Phasenerkennung 31 (LOGIK II) erkennt, welches der beiden Eingangssignale in der Phase vor-, bzw. nacheilt (siehe Fig. 6d). Werden nun die Ausgangssignale vom RMS-Converter 18 und von der Logik II auf den Multiplizierer 20 gelegt, so ergibt der Ausgang des Multiplizierers 20 ein Signal, das sowohl eine Funktion des Winkels als auch das Vorzeichen ist (siehe Fig. 6c). Ferner ist das Ausgangssignal proportional dem Peilwinkel.

Die Peillogik gemäß Fig. 7 weist ebenfalls zwei an die beiden Ausgänge der Meßbasis 2 angeschlossene Eingangszweige auf, die jeweils einen Verstärker 23 bzw. und einen Filter 25 bzw. 26 enthalten. Den Filter 25 des ersten Eingangszweiges sind eine Phasenumkehrstufe 27 und ein Begrenzer 28 nachgeordnet, während dem Filter 26 des zweiten Eingangszweiges ein spannungsgesteuerter Phasenschieber 29 und ein Begrenzer 30 nachgeordnet sind. Die Ausgänge der Begrenzer 28 und 30 sind zum einen an jeweils einen Eingang eines Verknüpfungsgliedes 31.1 und zum anderen an die Eingänge einer Einrichtung zur Phasenerkennung 32 angeschlossen. Das Verknüpfungsglied 31 enthält weiterhin einen RMS-Converter 31.2, einen Spannungs-Frequenz-Converter 31.1 und ist mit seinem Ausgang an einen digitalen Zähler 33 angeschlossen. Der digitale Zähler 33 wird von der Einrichtung zur Phasenerkennung 32 gesteuert und liefert ein digitales Ausgangssignal an einen Digital/Analogwandler 34. Das erhaltene Analogsignal steuert den steuerbaren Phasenschieber 29 und ist am Schaltungsausgang Out abgreifbar. Das digitale Ausgangssignal des Zählers wird ebenfalls auf eine digitale Anzeige 35 gegeben und ermöglicht eine direkte Ablesung des Peilwinkels.

Diese Peillogik arbeitet auf der Basis einer sich selbstabgleichenden Phasenmessung. Dazu werden die beiden Signale, die von einer angepaßten Meßbasis 2 empfangen wurden, verstärkt und gefiltert. Das eine Signal wird jetzt auf die Phasenumkehrstufe 27 und das andere Signal auf einen spannungsgesteuerten Phasenschieber 29 gegeben. Danach werden die Signale in dem Begrenzer 28 und 30 in Rechtecksignale umgeformt und durch Pegelanpassung auf TTL-Pegel normiert (siehe Fig. 7a, 7b). In dem nachfolgenden Verknüpfungsglied 31.1 (LOGIK I) werden die beiden Signale XOR-verknüpft. Das hat zur Folge, daß der Ausgang der Logik "logische High" wird, wenn die Eingangssignale 180° phasenverschoben anliegen bzw. "logische Low", wenn die Eingangssignale 0° phasenverschoben anliegen (siehe Fig. 7e). Zur weiteren Verarbeitung werden die logisch-verknüpften Signale auf dem RMS-Converter 31.2 gegeben. In dieser Stufe wird aus den TTL-Signalen ein DC-Signal erzeugt und geglättet. Dieses DC-Signal wird in dem U/f-Converter 31.3 in ein Frequenzsignal umgesetzt. Dieses Signal wird benutzt, um den digitalen Zähler 33 anzusteuern. Das digitale Ausgangssignal des Zählers 33 wird in einem DA-Wandler 34 in ein DC-Signal gewandelt und steuert damit den spannungsgesteuerten Phasenschieber 29. Die Einrichtung zur Phasenerkennung 32 (LOGIK II) erkennt aus den Signalen der Begrenzerstufen 28, 30, welches der beiden Eingangssignale in der Phase vor- bzw. nacheilt. Dieses logische Signal (siehe Fig. 7d) wird dazu benutzt, den Zähler 33 aufwärts oder abwärts zählen zu lassen. Das Signal, welches den Phasenschieber 29 steuert, ist proportional dem Peilwinkel (siehe Fig. 7c).

Claims (15)

1. Verfahren zur Verfolgung der geradlinigen Bahn eines sich mit nahezu konstanter Geschwindigkeit bewegenden, ein Schallsignal abgebenden Fahrzeuges, insbesondere eines Unterwasserfahrzeuges, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) zur Bestimmung des zeitlichen Aufenthaltortes des Fahrzeuges (100) wird mittels einer Meßbasis (2) mit vertikaler Richtcharakteristik der momentane Peilwinkel (ϕ) zwischen dem Fahrzeug (100) und der Meßbasis (2) durch eine Phasenmessung kontinuierlich meßtechnisch ermittelt,
• b) in einer der Meßbasis (2) nachgeordneten Peillogik (3) wird ein Meßsignal ermittelt,
• c) das Meßsignal wird auf einem Datenträger (4) gespeichert, und
• d) durch Auswertung des gespeicherten Meßsignales werden der Peilwinkel (4) und der Abstand (a) zwischen dem Fahrzeug (100) und der Meßbasis (2) und damit die echte Bahn des Fahrzeuges (100) innerhalb eines vorgegebenen Meßintervalls durch eine lineare Regressionsrechnung bestimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die außerhalb des Meßintervalls liegende Bahn des Fahrzeuges (100) durch die lineare Regressionsrechnung rekonstruiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Festlegung des Zeitintervalls zur Regressionsrechnung das vorgegebene Meßintervall verändert und mehrfach durchlaufen wird, daß die aufgrund der veränderten Meßintervalle rekonstruierten Bahnkurven aufgezeichnet werden, und daß aus den aufgezeichneten Bahnkurven die am besten angepaßte, rekonstruierte Bahnkurve ausgewählt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichzeitiger Aufzeichnung von breitbandigem Pegel und Peilwinkel Richtcharakteristiken für das vermessene Fahrzeug (100) dadurch erstellt werden, daß der momentane Pegelwert mit dem zugehörenden Abstand zwischen Fahrzeug (100) und Meßbasis (2) der aus der Bahnkurve gewonnen wird, normiert wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der der Meßbasis (2) mit vertikaler Richtcharakteristik nachgeordneten Peillogik (3) an den Aufnahmeeingang einer Bandspeichermaschine (4) angeschlossen ist, und daß zur Auswertung des gespeicherten Meßsignales der Bandspeichermaschine (4) ein Analog- Digitalwandler (5) und eine Auswerteeinheit (6) nachgeschaltet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Speicheroszillographen mit Rechnerausgang zum Digitalisieren der gefilterten Meßsignale.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Verwendung eines handelsüblichen Rechners als Auswerteeinheit (6).

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, gegebenenfalls unter Verwendung einer Vorrichtung nach eine der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufzeichnung des breitbandigen Pegels ein kalibriertes Hydrophon (7) vorgesehen ist, dessen Ausgang an einen zweiten Aufnahmeeingang der Bandspeichermaschine (4) angeschlossen ist, und daß zwischen der Bandspeichermaschine (4) und dem Analog-Digitalwandler (5) Filtermittel (8) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbasis (2) mit vertikaler Richtcharakteristik aus zwei parallelen, in einem vorgegebenen Abstand zueinander angeordneten Trägern (201, 202) besteht, und daß jeder Träger (201 bzw. 202) eine gleiche Anzahl von Meßwertaufnehmern enthält, durch deren spezielle Anordnung sich die theoretische vertikale Richtcharakteristik ergibt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Verwendung von Piezokeramiken.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikale Öffnungswinkel der Meßbasis (2) etwa 30° beträgt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 11, gekennzeichnet durch einen horizontalen Öffnungswinkel (Meßbereich) der Meßbasis (2) von etwa 90°.

13. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Basis einer Phasenmessung arbeitende Peillogik (3) zwei an die beiden Ausgänge der Meßbasis (2) angeschlossene Eingangszweige aufweist, die jeweils einen Verstärker (11, 12), einen Filter (13, 14) sowie einen Begrenzer (15, 16) enthalten und mit jeweils einem Eingang eines Verknüpfungsgliedes (17) verbunden sind, daß dem Verknüpfungsglied (17) ein RMS-Converter (18) und ein Spannungs-Frequenz-Converter (19) mit einem ersten Ausgang (Out I) nachgeordnet sind, daß zwischen dem RMS-Converter (18) und dem Spannungs- Frequenz-Converter (19) ein Multiplizierer (20) mit zweitem Ausgang (Out II) angeschlossen ist, daß die beiden Eingangszweige zusätzlich an eine Einrichtung zur Phasenerkennung (21) angeschlossen ist, deren Ausgang mit einem Eingang eines Multiplizierers (20) verbunden ist, und daß an den Ausgängen ein Signal ansteht, das dem Peilwinkel proportional und sowohl eine Funktion des Peilwinkels als auch seines Vorzeichens ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Peillogik (3) auf der Basis einer sich selbstabgleichenden Phasenmessung arbeitet.

15. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Peillogik (3) zwei an die beiden Ausgänge der Meßbasis (2) angeschlossene Eingangszweige aufweist, die jeweils einen Verstärker und einen Filter (25, 26) enthalten, daß dem Filter (25) eines Eingangszweiges eine Phasenumkehrstufe (27) und ein Begrenzer (28) sowie dem Filter (26) des zweiten Eingangszweiges ein spannungsgesteuerter Phasenschieber (29) und ein Begrenzer (30) nachgeordnet sind, wobei die Ausgänge der Begrenzer (28, 30) zum einen an jeweils einen Eingang eines Verknüpfungsgliedes (31) und zum anderen an die Eingänge einer Einrichtung zur Phasenerkennung (32) angeschlossen sind, daß dem Verknüpfungsglied (31) ein RMS-Converter, ein Spannungs-Frequenz-Converter und ein digitaler Zähler (33) nachgeordnet sind, daß das digitale Ausgangssignal des Zählers (33) in einem Digital/ Analog-Wandler (34) in ein DC-Signal gewandelt wird und den spannungsgesteuerten Phasenschieber (29) steuert, wobei das Ausgangssignal der Einrichtung zur Phasenerkennung (32) den Zähler (33) aufwärts oder abwärts zählen läßt, und daß das den spannungsgesteuerten Phasenschieber (29) steuernde Analogsignal dem Peilwinkel proportional und an einem Schaltungsausgang (OUTPUT) abgreifbar ist.