DE4200170A1

DE4200170A1 - Verfahren und sensor zum bestimmen der zielentfernung von schallerzeugenden zielen

Info

Publication number: DE4200170A1
Application number: DE4200170A
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl Ing Dr Grosch
Original assignee: Rheinmetall GmbH
Current assignee: Rheinmetall Industrie AG
Priority date: 1992-01-07
Filing date: 1992-01-07
Publication date: 1993-07-08
Anticipated expiration: 2012-01-08
Also published as: US5317543A; FR2686157A1; FR2686157B1; DE4200170C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Sensor zum Bestimmen der Zielentfernung von schallerzeugenden Zielen nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 4.

Aus der DE-OS 39 36 359 ist es bekannt, zur Bestimmmung der Zielrichtung und -entfernung von schallerzeugenden Zielen eine aus mehreren Sensoren bestehende Sensoranordnung zu verwenden, wobei zur Zielrichtungsbestimmung akustische Sensoren eingesetzt werden. Zur Zielentfernungsbestimmung wird zusätzlich ein Seismiksensor eingesetzt, wobei eine für das Ziel charakteristische Linie im Luft- und im Boden schallspektrum gemessen und aus der Dopplerverschiebung dieser Linien und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der entsprechenden Wellen die radiale Zielgeschwindigkeit und hieraus unter Berücksichtigung des Peilwinkels die Zielentfernung berechnet wird. Abgesehen davon, daß hierbei eine Reihe von Sensoren zur Bestimmung der Zielentfernung notwendig ist, schwankt die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Bodenschallwellen relativ zur Ausbreitungsgeschwindigkeit der Luftschallwellen je nach Bodenart stark, so daß sie zu bestimmen ist, wozu das Kreuzspektrum der von zwei Sensoren empfangenen Signale zu bilden ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und einen Sensor nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 4 zu schaffen, die einfacher und damit sicherer und schneller arbeiten, ohne daß eine Richtung bevorzugt wäre.

Diese Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 und 4 gelöst.

Luftschallsignale unterliegen bei der Ausbreitung sowohl einer geometrischen, als auch einer atmosphärischen Dämpfung. Die atmosphä rische Dämpfung, deren Wert frequenzabhängig ist, kann für den inter essierenden Frequenz- und Entfernungsbereich vernachlässigt werden, so daß die Dämpfung im wesentlichen durch die geometrische Ausbreitungs dämpfung bestimmt wird. Dabei kann man die Ziele näherungsweise als Punktquellen (übliche Zielentfernungen bis ca. 300 m) und damit die sich ausbreitenden Schallwellen als Kugelwellen ansehen, deren Amplitude proportional 1/r und deren Signalleistung proportional 1/r² abfällt. Kann das von Zielen abgestrahlte Schallspektrum als konstant für Bewegungs strecken der Ziele (Panzerfahrzeuge u. dgl.) < 10 m angenommen werden, so kann über die Bestimmung der Signalleistung (Summenleistung oder spektrale Leistungsdichte) mit dem zugehörigen Phasenspektrum an zwei geeigneten Punkten die Entfernung des Ziels zum Sensor berechnet werden.

In Fig. 1 ist ein Ziel 1 dargestellt, das zum Zeitpunkt t₁ einen Abstand r₁ und zum Zeitpunkt t₂ einen Abstand r₂ von einem akustischen Sensor 2 (Mikrophon) hat, wobei die radiale Distanz zwischen den beiden Punkten Δr = r₂-r₁ ist. Durch Auswertung der Phasendif ferenz des Schallspektrums an den beiden Meßpunkten r₁ und r₂ wird Δr berechnet. Mit Δr und der Kenntnis der Signalleistungen P(r₁) und P(r₂) kann dann über das vorstehend angenommene Ausbreitungsmodell die gesuchte Zielentfernung r₁ bzw. r₂ aus den Signalen des einzigen Sensors 2 berechnet werden.

S(r₂, kF_G) und S(r₁, kf_G) seien die bereits einer Fouriertrans formation unterworfenen und daher im Frequenzraum dargestellten Schall signale zu den Zeitpunkten t₂ und t₁, wobei F_G die Frequenzauflösung und k eine Laufvariable sind. Unter der Annahme, daß das Ziel im Entfer nungsbereich r₂, r₁ akustisch gleichförmig abstrahlt, ergibt sich als Kreuzspektrum der Signale

Φ_KK(kF_G) = S * (r₁, kF_G) · S(r₂, kF_G)

wobei S* das konjugiert komplexe Spektrum des diskreten Spektrums S ist. Ausgewertet wird das Phasenspektrum O(kF_G) des Kreuzspektrums

Mit Kenntnis der Wellengeschwindigkeit, die in der Atmosphäre für Luftschallsignale näherungsweise frequenzunabhängig etwa 334 m/s beträgt, kann dann aus R(kF_G) die Distanz Δr berechnet werden:

wobei c_s die Schallgeschwindigkeit ist.

Dabei ist zu beachten, daß Δr <λ/2 gewählt werden sollte, da die Bestimmung der Phase über mehrere Nulldurchgänge hinweg technisch schwierig realisierbar ist. Zweckmäßig wird t₂-t₁ so klein gewählt, daß Δr <λ/2 ist. Bei realen Zielen wie Panzerfahrzeugen u. dgl. sind Zielgeschwindigkeiten v_z <20 m/s zu erwarten.

Danach wird aus den beiden Signalleistungen P₂ = S²(r₂) und P₁ = S²(r₁) sowie Δr die Zielentfernung r₁ (bzw. r₂ = r₁ + Δr) bestimmt. Nach dem Kugelwellenmodell gilt:

P₁ = r₂²/r₁²P₂

Daraus errechnet sich dann die Zielentfernung

Prinzipiell können die Ergebnisse durch verschiedene Fehler beeinträchtigt werden, beispielsweise durch nicht stationäre akustische Abstrahlung des Ziels, Ausbreitungsmodellfehler, Meßfehler usw. Jedoch zeigt eine Betrachtung der zwei in diesem Fall bestimmenden Fehler, nämlich des Ausbreitungsmodellfehlers und der fehlerhaften Bestimmung des Phasenspektrums, daß in Verbindung mit Ausgleichsverfahren (Mittelungs verfahren) das beschriebene Entfernungsmeßverfahren beispielsweise in der Sensorik einer Suchzündermine geeignet ist.

Fehler des Ausbreitungsmodells führen zu einem fehlerbehafteten Ergebnis bezüglich der Entfernung, der Entfernungsfehler Δ F(r₁) der Zielentfernung r₁ als Funktion des Fehlers ΔF(P₁/P₂) berechnet sich entsprechend

Fig. 2 zeigt den Verlauf von ΔF(r₁)/ΔF(P₁/P₂) als Funktion von R₁ und Δr.

Ein fehlerbehaftetes Phasenspektrum führt allgemein zu einem Fehler F(Δr) der Strecke r. Dieser kann bezüglich der Entfernung r₁ nach der Beziehung

berechnet werden. Fig. 3 zeigt den Verlauf von ΔF(r₁)/ΔF(Δr) als Funktion von r₁ und Δr.

Bei einem mit einer entsprechenden Auswertelektronik ausge rüsteten Sensor, bei dem entsprechend den Anforderungen gegebenenfalls die ermittelten Werte einem Ausgleichsverfahren unterworfen werden, kann weiterhin die Schaltkreisanordnung zur Fourierzerlegung für die Aus wertung von Signalen von Peilsensoren, die beispielsweise von dem akustischen Sensor geweckt werden, mitbenutzt werden. Die Auswertelek tronik kann einen entsprechend programmierten Mikroprozessor umfassen. Der akustische Sensor kann mit niedrigem Bauvolumen versehen werden und ist robust und insbesondere zum Einsatz in Minen- und Aufklärungssensor systemen gut geeignet.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen der Zielentfernung von schaller zeugenden Zielen (1), vorzugsweise Rad- oder Kettenfahrzeugen, aus akustischen Signalen, die einer Fouriertransformation unterworfen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Ziel (1) an zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten (t₁, t₂), an denen es sich in einer Entfernung (r₁ bzw. r₂) von einem akustischen Sensor (2) befindet, von letzterem empfangenen akustischen Signale (S(r₂, kF_G), S(r₁, kF_G)) nach der Fouriertransformation dazu verwendet werden, durch Auswertung der Phasendifferenz des Schallspektrums die Differenz zwischen den Entfer nungen (r₁ und r₂) des Ziels (1) vom Sensor (2) zu den Zeitpunkten (t₁, t₂) zu bestimmen und dann damit die Zielentfernung nach dem Kugelwel lenmodell zu berechnen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die berechnete Zielentfernung einem Fehlerausgleich in bezug auf den Ausbrei tungsmodellfehler und/oder die fehlerhafte Bestimmung des Phasendifferenz des Schallspektrums unterworfen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Zeitpunkte (t₁-t₂) so klein gewählt wird, daß die Differenz zwischen den Entfernungen (r₁ und r₂) des Ziels (1) vom Sensor (2) kleiner als die halbe Wellenlänge der empfangenen akustischen Signale ist.

4. Akustischer Sensor zum Bestimmen der Zielentfernung von schallerzeugenden Zielen (1), vorzugsweise Rad- oder Kettenfahrzeugen, aus akustischen Signalen, mit einer Auswertelektronik, die einen Fouriertransformationkreis aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertelektronik derart ausgebildet ist, daß von dem Ziel (1) an zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten (t₁, t₂), an denen es sich in einer Entfernung (r₁ bzw. r₂) von einem akustischen Sensor (2) befindet, von letzterem empfangenen akustischen Signale (S(r₂ kF_G), S(r₁, kF_G)) nach der Fouriertransformation dazu verwendet werden, durch Auswertung der Phasendifferenz des Schallspektrums die Differenz zwischen den Entfer nungen (r₁ und r₂) des Ziels (1) vom Sensor (2) zu den Zeitpunkten (t₁, t₂) zu bestimmen und dann damit die Zielentfernung nach dem Kugelwel lenmodell zu berechnen.