DE69512751T2

DE69512751T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen von Objekten, welche in einem Gebiet verteilt sind

Info

Publication number: DE69512751T2
Application number: DE69512751T
Authority: DE
Inventors: Philippe Arnaud; Loic Laine
Original assignee: Giat Industries SA
Current assignee: Giat Industries SA
Priority date: 1994-12-20
Filing date: 1995-11-17
Publication date: 2000-03-02
Anticipated expiration: 2015-11-18
Also published as: NO955164L; EP0718639B1; FR2728354B1; DE69512751D1; NO955164D0; US5808969A; EP0718639A1; FR2728354A1

Description

Das Gebiet der vorliegenden Erfindung ist das der Verfahren und Vorrichtungen zum Erkennen von Objekten, in erster Linie zum Erkennen von Minen, die über eine Geländezone verteilt sind.
Man kennt Verfahren und Vorrichtungen zum Erkennen von Minen anhand von magnetischen Mitteln. Diese Vorrichtungen verwenden einen Generator sowie eine leitende Spule. Wenn sich in der Nähe der Spule ein leitendes Metall befindet, wird der in dieser Spule laufende Strom abgelenkt und ein Erkennungssignal wird über eine elektronische Verarbeitungsschaltung abgegeben.
Solche Erkennungsvorrichtungen bedingen eine Annäherung zwischen Erkennungsspule und Mine, was die mit der Handhabung des Erkennungsgeräts beauftragte Person in Gefahr bringt und die Minenräumungsarbeiten lang und schwierig gestaltet.
Außerdem kann der Minendetektor von magnetischen Objekten ausgelöst werden, die keine Minen sind, was zu Fehlalarmen führt, die die Minenräumungsarbeiten noch weiter verzögern.
Schließlich eignen sich solche Verfahren und Vorrichtungen nicht zum Erkennen moderner Minen, die praktisch keine magnetischen Materialien verwenden.
Außerdem kennt man vor allem durch das Patent FR2696573 ein Verfahren und eine Prüfvorrichtung, die das zeitliche Umkehren einer akustischen Welle verwenden.
Dieses Verfahren verwendet eine gewisse Anzahl akustischer Meßwandler (Sender / Empfänger) und erlaubt ein automatisches und praktisches Fokussieren eines akustischen Strahls auf ein Objekt, dessen Position unbekannt ist.
Die Analyse der nach einer gewissen Anzahl Wiederholungen erhaltenen Signale erlaubt es, eine Wellenstirn zu bestimmen, deren Gipfel oder Fokus die Position des Objektes angibt.
Ein solches Verfahren eignet sich besonders gut für die medizinische Bildtechnik und erlaubt zum Beispiel das Erkennen der Lage von Nierensteinen oder Tumoren im menschlichen Körper.
Diese Meßwandler sind nämlich in reduzierten Abständen (unter 200 mm) von den zu erkennenden Objekten plaziert und die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Schallwellen bleibt in etwa in alle Richtungen der zu erforschenden Zone gleich.
Dieses Verfahren eignet sich jedoch nicht zum Erkennen von Objekten im Boden, vor allem nicht auf großen Geländen (in der Größenordnung von 5 bis 10000 m²).
Die zahlreichen heterogenen Eigenschaften, die bei einer solchen Geländefläche auftreten, lassen nämlich die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten der Schallwellen in großen Proportionen variieren und führen zur Unmöglichkeit, eine Wellenstirn mit einem Gipfel zu bestimmen, dessen Position ausreichend gut definiert wäre.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Erkennungsverfahren vorzuschlagen, das solche Nachteile nicht aufweist.
Somit erlaubt es das Verfahren gemäß der Erfindung, das Erkennen von Objekten (vor allem von Minen) auf akustischem Wege sicherzustellen, die über ein Gelände verstreut sind. Es hängt nicht von der Beschaffenheit der Werkstoffe ab, die magnetisch sein können oder nicht, und die diese Objekte bilden.
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann in einer Entfernung von den zu erkennenden Objekten angewandt werden, was es ermöglicht, die Sicherheit der Operation zu steigern, falls die Objekte Minen sind.
Das Verfahren gemäß der Erfindung erlaubt das Erkennen von Objekten in einer Geländezone mit großen Ausmaßen, ohne daß dadurch das Gelände mit den Erkennungsmitteln begangen werden müßte, was die Sicherheit noch weiterhin steigert.
Wenn man es zum Erkennen von Minen verwendet wird, erlaubt es das Verfahren gemäß der Erfindung außerdem, letztere auf Entfernung zu aktivieren oder zu zerstören.
Die Erfindung hat des weiteren verschiedene Vorrichtungen zum Gegenstand, die die Durchführung eines solchen Verfahrens ermöglichen.
Diese Vorrichtungen erlauben die Gewährleistung einer schnellen Durchführung des Erkennens oder eine zuverlässige Fernerkennung für Geländezonen mit großen Ausmaßen.
Somit ist der Gegenstand der Erfindung ein Erkennungsverfahren für Objekte, in erster Linie von Minen, die über eine Geländezone verteilt sind, gekennzeichnet dadurch, daß man eine Mehrzahl akustischer Meßwandler verwendet und folgende Etappen durchführt:
- man bestimmt zuerst eine optimale Arbeitsfrequenz der Meßwandlet, die von der Bodenbeschaffenheit abhängt und eine Empfangssignalamplitude ergibt, die auf einem Großteil der Meßwandler maximal ist, wenn sie von einem von ihnen abgegeben wird,
- man sendet in den Geländeboden über mindestens einen der Meßwandler einen kurzen, nicht fokussierten Anfangsimpuls mit dieser optimalen Frequenz,
- man registriert die Echosignale, die das Gelände zurücksendet und die von allen Meßwandlern empfangen werden, wobei jedes Echosignal abhängig von der Zeit gespeichert wird und als Ausgangspunkt der Zeiten den Augenblick des Senden des ursprünglichen Impulses hat,
- man wählt anhand mindestens eines Zeitfensters die Echosignale aus, die von einem ersten Objekt in der Geländezone stammen,
- man führt k aufeinanderfolgende zeitliche Umkehrungen der von den Meßwandlern empfangenen Signale durch, um die Erkennung auf ein erstes Objekt zu fokussieren und speichert die nach dem ersten zeitlichen Umkehren reflektierten Signale,
- man sucht dann die Meßwandler, bei welchen die Fortpflanzungszeiten in etwa gleich sind,
- man bestimmt mindestens eine Richtung, die Lokalisierungsrichtung genannt wird, in welcher sich das erste Objekt befindet, und die als die Mittelsenkrechte des Segments definiert wird, das zwei Meßwandler verbindet, bei welchen die Fortpflanzungszeiten in etwa gleich sind.
Gemäß einer ersten Durchführungsart der Erfindung bestimmt man eine Position des ersten Objektes an seiner Lokalisierungsrichtung, indem man die Distanzen berechnet, die die empfangenen reflektierten Wellen durchlaufen haben, die von den Meßwandlern, die die Lokalisierungsrichtung definieren, empfangenen wurden.
Gemäß einer zweiten Durchführungsart der Erfindung werden die akustischen Meßwandler entlang mindestens zwei gleichzeitig wirkenden Linien angeordnet, und dadurch, daß man eine Position des ersten Objektes als Punkt oder Schnittzone von mindestens zwei Lokalisierungsrichtungen bestimmt.
Gemäß einer Variante wählt man nach dem Empfang der ersten Echosignale das erste durch zeitliche Umkehrung behandelnde Objekt durch eine Analyse der Formwellen gemäß den verschiedenen Echos aus, die jeder Meßwandler empfangen hat, gefolgt von einem Vergleich dieser Formwellen mit einer Bibliothek charakteristischer Signaturen der wichtigsten gesuchten Objekte.
Gemäß einer Variante identifiziert man das erste Objekt nach Durchführung von k zeitlichen Umkehrungen durch eine Analyse der Formwellen gemäß den verschiedenen von jedem Meßwandler empfangenen Echosignalen und vergleicht diese Formwellen mit einer Bibliothek charakteristischer Signaturen der wichtigsten gesuchten Objekte.
Gemäß einer anderen Variante sendet man nach Lokalisierung und Auswahl eines ersten Objektes diesem mindestens ein anderes akustisches Signal, das die Form des Signals hat, das nach dem ersten zeitlichen Umkehren gespeichert wurde, wobei dieses Signal verstärkt wird und seine Intensität ausreicht, um das Objekt zu bewegen oder schwingen zu lassen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Erkennungsvorrichtung von Objekten, in erster Linie von Minen, die über eine Geländezone verteilt sind, wobei diese Vorrichtung ein solches Verfahren anwendet und dadurch gekennzeichnet ist, daß sie mindestens eine Reihe akustischer Meßwandler umfaßt, die mit einer Verarbeitungselektronik verbunden sind, wobei jeder Meßwandler von einem Träger getragen wird, der dazu bestimmt ist, in den Boden gerammt oder auf den Boden aufgelegt zu werden.
Die Erkennungsvorrichtung kann mindestens eine Reihe Träger umfassen, die ausgerichtet sind, oder mindestens zwei Reihen Träger, die auf gleichzeitig wirkenden Linien angeordnet sind.
Die Träger können mindestens mit einer Rampe verbunden sein, die von mindestens einem Fahrzeug getragen wird, deren Position so einstellbar ist, daß das Positionieren der Träger in bezug auf den Hoden möglich ist.
Jede Reihe Träger kann von einem anderen Fahrzeug getragen werden.
Die Träger können einzeln auf dem Gelände angeordnet werden, wobei Funkverbindungsmittel zwischen jedem Träger und mindestens einem Teil der Verarbeitungselektronik vorgesehen sind, so daß eine Synchronisierung der Sendungen der Meßwandler möglich ist.
Die Erfindung wird leichter beim Lesen der nachstehenden Beschreibung der besonderen Durchführungsarten verständlich, die sich auf die anliegenden Zeichnungen beziehen, und von welchen:
- die Abb. 1 ein Gelände schematisch darstellt, auf dem die zu erkennenden Objekte verteilt sind und in dessen Nähe eine Erkennungsvorrichtung gemäß der Erfindung aufgestellt ist,
- die Abb. 2 ein solches Gelände darstellt, auf dem eine Erkennungsvorrichtung gemäß einer zweiten Durchführungsart der Erfindung angebracht ist,
- die Abb. 3 ein Schaltplan der Verarbeitungselektronik ist, die mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung verbunden ist,
- die Abb. 4a eine Vorrichtung gemäß einer ersten Durchführungsart auf ein Fahrzeug montiert darstellt,
- die Abb. 4b nur die Rampe darstellt, die vom Fahrzeug der Abb. 4a verwendet wird,
- die Abb. 5 schematisch die Durchführung der Vorrichtung gemäß der Erfindung anhand von zwei Fahrzeugen darstellt,
- die Abb. 6 eine Vorrichtung gemäß einer anderen Durchführungsart der Erfindung darstellt,
- die Abb. 7 ein Schaltplan einer Elektronik ist, die mit einer anderen Durchführungsart der Erfindung kombiniert ist.
Unter Bezugnahme auf die Abb. 1 enthält eine Geländezone 1, die hier gestrichelt abgegrenzt ist, eine gewisse Anzahl Objekte 2, die vergrabene Minen sind.
Eine Erkennungsvorrichtung 3 gemäß einer ersten Durchführungsart der Erfindung umfaßt eine gewisse Anzahl akustischer Meßwandler, die entlang einer Linie 5 verteilt sind (die verschiedenen Meßwandler tragen die Nummern 4.1, 4.2, usw., 4.i, usw., 4.n).
Die Meßwandler bestehen in herkömmlicher Weise aus piezoelektrischen Keramikplatten oder aus elektromagnetischen Meßwandlern.
Die Meßwandler werden in einem Abstand in der Größenordnung von 200 mm bis Im getrennt. Vorteilhafterweise wählt man einen Abstand aus, dessen Wert in der gleichen Größenordnung liegt wie die größte Abmessung der zu erkennenden Minen oder Objekte.
Bei gewissen Anwendungen (die weiter unten präzisiert werden) kann man einen relativ großen Abstand auswählen (in der Größenordnung von 1 bis 5 m), um eine schnelle Minensuche in einem großen Gelände durchzuführen (bis zu 100 m · 100 m).
Die Meßwandler werden so angeordnet, daß sie Schallwellen im Boden senden und empfangen können. Sie werden zum Beispiel von Trägern in Pfostenform getragen, die ihr Anbringen in optimaler Tiefe ermöglichen (zum Beispiel in der normalerweise zum Anbringen der Minen verwendeten Tiefe, nämlich 200 bis 300 mm).
Die Meßwandler könnten auch von Trägern getragen werden, die einfach auf den Boden gelegt werden. In diesem Fall gewährleistet der Träger das Andrücken der Meßwandler an den Boden. Die Schallwellen werden dabei an der Oberfläche abgegeben, sie pflanzen sich jedoch in einer Geländeschicht fort, deren Stärke 200 bis 300 mm beträgt, was das Erkennen von Minen erlaubt, die normalerweise in diesen Tiefen vergraben sind.
Die Meßwandler 4.1 bis 4.n sind mit einem Verarbeitungselektronikgehäuse 6 verbunden, das eine gewisse Anzahl Kanäle 7.1, 7.2, usw., 7.i, 7.n (ein Kanal pro Meßwandler) sowie eine gemeinsame Steuer- und Prüfeinheit 8 umfaßt.
Gemäß dem von der Erfindung vorgeschlagenen Verfahren bestimmt man zuerst eine optimale Einsatzfrequenz der Meßwandler.
Diese Frequenz hängt von der Beschaffenheit des Bodens ab, in dem die Minen vergraben sind.
Um diese Frequenz zu bestimmen, legt man an einen der Meßwandler, bevorzugt an dem, der sich in der Mitte der Linie 5 befindet, eine nicht fokussierte variable Frequenz an (zum Beispiel mit einem Wobbelfrequenzwandler) und analysiert dann die von den anderen Meßwandlern je nach der abgegebenen Frequenz empfangenen Signale.
Ausgewählt wird dann die Arbeitsfrequenz, bei der die Amplitude der von den Meßwandlern empfangenen Signale an den meisten Meßwandlern maximal ist (bei mindestens 50% der Meßwandler).
Konkret schwanken die Einsatzfrequenzen je nach Bodenbeschaffenheit meistens zwischen 10 Hz und 100 kHz.
Sobald die Arbeitsfrequenz bestimmt ist, sendet man über mindestens einen Meßwandler einen kurzen nicht fokussierten Anfangsimpuls mit dieser optimalen Frequenz in den Boden.
Dann wendet man die herkömmliche Fokussierungsmethode für Schallwellen durch zeitliche Umkehrung der Signale an.
Diese Methode ist dem Fachmann bekannt und wird vor allem in den Patenten FR2642640 und FR2696573 beschrieben und hier nicht detailliert erläutert.
Die Methode besteht in folgendem:
- Aufzeichnung der vom Gelände zurückgesendeten Echosignale, die von allen Meßwandlern empfangen werden, wobei jedes Rücklaufsignal zeitabhängig gespeichert wird und als Ursprung den Augenblick des Senden des ursprünglichen Impulses hat,
- Auswahl von mindestens einem Zeitfenster, wobei die Echosignale von einer ersten Mine 2 kommen, die sich in der Geländezone befindet,
- Durchführung von k aufeinanderfolgenden zeitlichen Umkehrungen der empfangenen Signale durch die Meßwandler, um die Erkennung auf die erste Mine zu fokussieren.
- Speicherung der nach dem letzten zeitlichen Umkehren reflektierten Signale.
Konkret führt man mindestens fünf zeitliche Umkehrungen durch, um eine ausreichende Fokussierung sicherzustellen.
Die Anzahl der zeitlichen Umkehrungen (gerade oder ungerade) hängt von der Bodenbeschaffenheit ab, man kann eine ungerade Anzahl Umkehrungen bevorzugen, um eine Symmetrie der Wellenstirn der erzielten Signale zu erhalten.
Die erzielte Fokussierung wird als ausreichend angenommen, wenn sich das von einem Ziel zurückgesendete Echo ausreichend von den anderen unterscheidet, zum Beispiel wenn seine Amplitude mindestens dreimal größer ist als die der anderen.
Nach dieser ersten Etappe hat die aus dem Gelände empfangene Wellenstirn keine ausreichend gleichförmige Kurve, um die Bestimmung eines Mittelpunkts oder Positionsfokus der Mine zu bestimmen.
In Übereinstimmung mit dem Verfahren gemäß der Erfindung sucht man die Meßwandler, bei welchen die gemessenen Fortpflanzungszeiten in etwa gleich sind.
Vorteilhafterweise wählt man aufeinanderfolgende Meßwandler, die dieser Bedingung entsprechen, auf der Linie 5 aus. Eine solche Auswahl ermöglicht die Verbesserung der Präzision der Lokalisierung. Wenn die Meßwandler nämlich nebeneinander liegen, sind die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten im Boden in etwa für alle von diesen neben einander liegenden Meßwandlern empfangenen Signale gleich.
Die Fortpflanzungszeitgleichheit wird zum Beispiel durch Vergleichen von gepaarten Signalen bewertet und indem man zwei Meßwandler auswählt, bei welchen der Unterschied zwischen zwei Echos minimal ist. Konkret gesehen bestimmt man die Unterschiede zwischen Signalpaaren und wählt die aus, bei welchen dieser Unterschied minimal ausfällt.
Man bestimmt dann eine Richtung D, die Lokalisierungsrichtung genannt wird, auf der sich im Prinzip die erste Mine befindet. Diese Richtung wird als Mittelsenkrechte eines Segments definiert, das zwei Meßwandler vereint, bei welchen die Fortpflanzungszeiten in etwa gleich sind.
Jede Fortpflanzungszeit wird von der Steuereinheit 8 als der zeitliche Unterschied gemessen, der bei einem bestimmten Meßwandler das Senden eines Signals und die Rückkehr des entsprechenden Echos von der Mine trennt.
Unter Bezugnahme auf Abb. 1 wurde eine Lokalisierungsrichtung D dargestellt, die der Mittelsenkrechten zwischen den Meßwandlern 4.(n-1) und 4.n entspricht. In Wirklichkeit befindet sich die Mine nicht obligatorisch auf der Richtung D, sondern in einem Streifen 9 (schraffiert), der senkrecht zur Verteilungslinie der Meßwandler liegt. Dieser Streifen ist auf die Richtung D zentriert und seine Breite entspricht dem doppelten Abstand, der die Meßwandler trennt.
Aus praktischen Gründen nimmt man an, daß sich die Mine auf der Richtung D befindet und / oder im Streifen 9 und in einer Entfernung d von der Linie 5, die als Hälfte des Verhältnisses der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Schallwelle im Boden bezogen auf die Fortpflanzungszeit festgelegt wird.
Um diese Berechnung durchzuführen, wird die Fortpflanzungsgeschwindigkeit im Boden von einer spezifischen Messung geschätzt. Zum Beispiel wird diese Messung während der ersten Etappe durchgeführt, bei der man die optimale Arbeitsfrequenz festlegt. In der Tat ist es bei dieser Etappe einfach, die verschiedenen Verhältnisse zwischen den Abständen zwischen den Sendemeßwandlern und jedem Empfangsmeßwandler sowie die gemessenen Fortpflanzungszeiten zu bestimmen.
Die geschätzte Fortpflanzungsgeschwindigkeit kann als Mittelwert der verschiedenen gemessenen Fortpflanzungsgeschwindigkeiten ausgewählt werden.
Man kann die Position der Mine auf der Richtung D auch durch die Berechnung des Schnittpunktes der Kreise bestimmen, die auf jeden der zwei betrachteten Meßwandler zentriert sind, wobei die Durchmesser dieser Kreise als dem Verhältnis der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Schallwelle im Boden bezogen auf die für den in Betracht gezogenen Meßwandler gemessene Fortpflanzungsgeschwindigkeit errechnet werden.
Diese Berechnungsart ist genauer, wenn die ausgewählten Meßwandler nicht nebeneinander liegen.
Das Konzept zur Auswahl eines Zeitfensters ist in den oben zitierten Dokumenten bekannt. Es besteht darin, bei der Umkehrung nur Signale wiederzusenden, die aus einer gewissen Geländezone stammen, in der sich potentiell eine Mine befindet.
In herkömmlicher Art wird das Zeitfenster ausgehend vom ersten Echosignal ausgewählt, das die Vorrichtung erhält. Gewöhnlich sendet man die Signale zurück, die gewisse Maxima umgeben, die an den Echos festgestellt werden und im Prinzip einer von einem Objekt reflektierten Welle entsprechen.
Aufgrund der Größe des zu erforschenden Geländes befaßt man sich zuerst mit Objekten, die den Meßwandlern am nächsten liegen, das Zeitfenster ignoriert somit die Echos, die von weiter entfernt liegenden Objekten stammen.
Vorteilhafterweise kann man die Formwellen analysieren, die den verschiedenen Rückkehrechos folgen, von jedem Meßwandler empfangen werden und diese Formwellen mit einer Bibliothek charakteristischer Signaturen der wichtigsten gesuchten Minen vergleichen.
Eine solche Bibliothek läßt sich problemlos durch Eichen der Vorrichtung auf einem bekannten Gelände herstellen, in das nacheinander die verschiedenen bekannten Minen, die man eventuell zu suchen hat, vergraben werden.
Der Vergleich zwischen den Formwellen und der Signaturbibliothek erfolgt bevorzugt anhand von Neuronenschaltungen. Solche Schaltungen sind dem Fachmann bekannt und erlauben die schnelle Durchführung von Formerkennungsberechnungen.
Der Vorteil des Einsatzes des Wiederholungsverfahrens der zeitlichen Umkehrung der Signale ermöglicht es, eine Fokussierung des Signals auf eine spezifische Mine sicherzustellen. Man eliminiert dabei Störsignale und steigert die Lokalisierungspräzision der Meßwandler. Das Isolieren von mindestens zwei nebeneinander liegenden Meßwandlern, bei welchen die Fortpflanzungszeiten in etwa gleich sind, wird einfach.
Nach der Durchführung von k aufeinanderfolgenden zeitlichen Umkehrungen kann man eine zweite Identifizierung der Mine mit einem höheren Präzisionsniveau durchführen.
Dazu führt man einen weiteren Vergleich der Formwellen, die auf die von jedem Meßwandler empfangenen Echosignale folgen, mit der Signaturbibliothek der Minen durch.
Abb. 3 zeigt eine Durchführungsart eines Elektronikverarbeitungsgehäuses 6, das das Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens erlaubt. Diese Verarbeitungselektronik umfaßt die Verarbeitungskanäle 7.1, usw., 7.i, usw., 7.n sowie eine gemeinsame Steuereinheit 8.
Jeder Meßwandler 41 ist mit einem Verarbeitungskanal 7.i verbunden (hier ist nur ein Kanal dargestellt)
Jeder Kanal 7.i umfaßt einen Probenehmer 10, der dazu bestimmt ist, Analogproben des vom Meßwandler 4.i empfangenen Signals an die Frequenz eines Taktgebers 11 der Steuereinheit 8 weiterzugeben. Die Probenahmefrequenz, die vom Taktgeber erzeugt wird, hängt von der optimalen Arbeitsfrequenz ab. Bevorzugt ist sie höher als R/dxV, Ausdruck, bei welchem R die Auflösung oder die Anzahl der Signalpunkte (zum Beispiel 100) ist, d die Hauptabmessung des kleinsten gesuchten Objektes und V die mittlere Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Wellen im Boden.
Die Zeitintervalle während welcher der Probenehmer arbeitet, werden von einem Taktgeber 12 festgelegt (der ebenfalls zur Steuereinheit 8 gehört). Der Taktgeber ermöglicht das Festlegen des Zeitfensters, in welchem die Echosignale von den verschiedenen Probenehmern betrachtet werden. Die Dauer des Zeitfensters wird ausreichend groß bemessen, so daß jeder Meßwandler ein der Mine entsprechendes Rückkehrecho empfangen kann.
In bekannter Art wurde dieses Zeitfenster nach Empfang der ersten Echosignale bestimmt, so daß alle gewünschten Maxima enthalten sind, die der ersten Mine entsprechen.
Sollte dieser Abstand zwischen den Extremen (1 und n) groß sein (über 50 m), kann man verschiedene Zeitfenster für mehrere Meßwandlergruppen festlegen, so daß jedes Fenster eine ausreichend kleine Breite hat, um unerwünschte Echos zu eliminieren und die Fokussierung zu verbessern.
Das oder die Zeitfenster wird (werden) vom Benutzer durch eine Einwirkung auf den Taktgeber 12 mit einem Rechner 13 ausgewählt (der ebenfalls zur Steuereinheit 8 gehört) und mit einer geeigneten Benutzerschnittstelle versehen ist (Tastatur, Bildschirm, usw.).
Für einen bestimmten Kanal 7.i folgt auf den Probenehmer 10 ein Analog-/Digital-Wandler 14. Im allgemeinen reicht eine Umwandlung auf 10 Bits, um die Echos zufriedenstellend darzustellen. Die eine Probe darstellenden Wörter werden in einem Speicher 15 gespeichert, der als Wartestapel organisiert ist (zum Beispiel Last In - First-Out).
Die Kapazität dieses Speichers wird ausreichend groß angelegt, um darin die während der Dauer des zeitlichen Fensters empfangenen Proben zu speichern.
Der Taktgeber 12 ist auch dazu vorgesehen, das Senden einer Wellenstirn hervorzurufen, die kurze Zeit nach dem Ende des Empfangs des Echos zurückgesendet wird (einige Millisekunden).
Jeder Kanal 7.i muß das Wiedersenden eines Digital-/ Analog-Wandlers 16 erlauben, auf den eventuell ein Verstärker 17 folgt, dessen Ausgang den dazugehörenden Meßwandler 4.i treibt.
Eine Erregerschaltung 20 ermöglicht es, an einen oder mehrere der Meßwandler den kurzen anfänglichen Impuls, der nicht auf die optimale Frequenz fokussiert ist, anzulegen.
Man kann diese Erregerschaltung auch zur Bestimmung der optimalen Arbeitsfrequenz verwenden.
Die Schaltung 20 ist an alle Meßwandler angeschlossen dargestellt. In Wirklichkeit sind Mittel (die nicht dargestellt werden) vorgesehen, um diese Schaltung an einen oder mehrere Meßwandler nach· Wahl des Benutzers anzuschließen.
Ein solches elektronisches Verarbeitungsgehäuse 6 ist in den Patenten FR2642640 und FR2696573 beschrieben.
Der Rechner 13 wird an alle Kanäle 7.i angeschlossen, die den verschiedenen Meßgebern zugewiesen sind. Das gilt auch für die Taktgeberuhr 11 und den Taktgeber 12. Die Synchronisierung der verschiedenen Kanäle ist wesentlich zur Gewährleistung des guten Funktionierens der Fokussierungsvorrichtung durch zeitliche Umkehrung der Echos. In 34 wurden die Anschlüsse schematisch dargestellt, die die Steuer- und Kontrolleinheit 8 mit den verschiedenen Verarbeitungskanälen 7.i verbinden.
Der Rechner 13 führt den Vergleich der empfangenen Signale mit der Minenbibliothek durch und enthält daher die Speicher mit der Signaturenbibliothek sowie die Neuronenschaltungen, die erforderlich sind.
Der Rechner 13 bestimmt auch (nach Durchführung der zeitlichen Umkehrungen) die Meßwandler, für die die Wegzeit gleich ist. Er definiert die Lokalisierungsrichtung und/oder den Lokalisierungs-streifen.
Er berechnet die Entfernung d, in der sich die Mine befinden muß. Ein Anzeigebildschirm kann die Nutzung der Daten durch den Benutzer erleichtern (Anzeige der Richtungen und/oder der Streifen sowie der theoretischen Position der Minen).
Nach Erkennen und Lokalisierung einer ersten Mine wird das Verfahren gemäß der Erfindung so wiederholt, daß eine andere Mine erkannt und lokalisiert wird. Dafür wählt man ein anderes Zeitfenster aus.
Nach der Erkennung von mindestens vier Minen ist es möglich, an diesen ersten vier Minen die Anwesenheit eines Verlegungsmusters zu erkennen, d. h. einer elementaren Vermaschung, die gewöhnlich beim Vergraben der Minen regelmäßig über das Gelände wiederholt wird.
Die Bestimmung dieses Musters ermöglicht es, die Suche der anderen Minen zu beschleunigen, indem eine schnelle Definition der Zeitfenster erlaubt wird, die den Geländezonen entsprechen, auf welchen theoretisch eine Mine liegen kann, wenn die Vermaschung richtig ist.
Somit ist das Festlegen eines Erforschungsalgorithmus des Geländes möglich, der es erlaubt, schnell ein Verteilungsbild der Minen auf dem Gelände anzulegen.
Abb. 2 zeigt eine Geländezone 1, die eine gewisse Anzahl vergrabene Minen 2 enthält.
Gemäß dieser Durchführungsart der Erfindung umfaßt die Erkennungsvorrichtung 3 akustische Meßwandler, die entlang zweier gleichzeitig wirkender Linien 5a und 5b verteilt sind.
Die Meßwandler sind wie folgt numeriert:
4.1a, 4.2a, ... 4.1a, ... 4.na für die Linie 5a.
4.1b, 4.2b, ... 4.1b, ... 4.nb für die Linie 5b.
Jede Meßwandlerlinie wird von ihrem eigenen elektronischen Verarbeitungsgehäuse 6a, 6b gesteuert.
Jedes Gehäuse 6a und 6b umfaßt wie zuvor die Verarbeitungskanäle (7.1a, ... 7.1a, ... 7. na und 7.1b, ... 7.ib, 7.nb) sowie eine gemeinsame Steuer- und Prüfeinheit 8a oder 8b.
Die Verarbeitungsgehäuse 6a und 6b sind mit einem gemeinsamen Steuermodul 19 verbunden.
Das Funktionieren dieser Variante der Vorrichtung ist von der zuvor in bezug auf die Abb. 1 beschriebenen Variante abgeleitet.
Nach Bestimmen der optimalen Arbeitsfrequenzen für jede der Meßwandlerlinien steuert das Steuermodul 19 zuerst die Fokussierung durch zeitliche Umkehrung der Meßwandler der ersten Linie 5a auf eine erste Mine. Diese erste Etappe führt zur Festlegung einer Lokalisierungsrichtung Da, die als Mittelsenkrechte des Segments festgelegt ist, das die beiden Meßwandler (bevorzugt nebeneinanderliegende) vereint und bei welchen die Fortpflanzungszeiten der Signale in etwa gleich sind.
In Abb. 2 wurde die Lokalisierungsrichtung Da dargestellt, die der Mittelsenkrechten zwischen den Meßwandlern 4.(n-1)a und 4. na entspricht.
Danach, während die erste Linie 5a im Stillstand ist, steuert das Steuermodul 19 die Fokussierung durch zeitliche Umkehrung der Meßwandler der zweiten Linie 5b auf die gleiche erste Mine.
Es wird ein geeignetes Zeitfenster ausgewählt, um sicherzugehen, daß die Fokussierung tatsächlich für die gleiche Mine erfolgt. Diese Auswahl erfolgt anhand einer Einschätzung der tatsächlichen Entfernung zwischen der ersten Lokalisierungsrichtung Da und der Linie 5b. Die tatsächlichen Positionen der Linien werden anhand geeigneter Mittel festgestellt, die zum Beispiel Trägheitsplattformen, GPS-Systeme (Positionierung im Raum über Satelliten), Telemeter kombinieren.
Für die Linie 5b werden wieder die Meßwandler festgestellt, bei welchen die Fortpflanzungszeiten der Signale in etwa gleich sind, was zur Festlegung einer Lokalisierungsrichtung Db führt, die als Mittelsenkrechte des Segments definiert wird, das diese beiden Meßwandler vereint.
In Abb. 2 wurde die Lokalisierungsrichtung Db dargestellt, die der Mittelsenkrechten zwischen den Meßwandlern 4.1b und 4.2b entspricht.
Die theoretische Position der Mine 2 wird als Schnittstelle der beiden Lokalisierungsrichtungen Da und Db gewertet.
Die Mine liegt nicht unbedingt an der Schnittstelle der beiden Lokalisierungsrichtungen Da und Db, sondern in einer Zone Z, die an der Schnittstelle der Streifen 9.a und 9.b (schraffiert) liegt.
Jeder Streifen ist zur betroffenen Richtung Da oder Db parallel und auf letztere zentriert. Die Breite jedes Streifens ist doppelt so groß wie der Abstand, der die Meßwandler trennt.
Der Vorteil dieser Variante besteht darin, daß man keine Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Schallwellen im Boden mehr zu bestimmen hat. Die erzielte Präzision ist somit höher.
Die Elektronikverarbeitungsgehäuse 6, die das Durchführen dieses Verfahrens erlauben, sind gleich wie die zuvor in bezug auf die Abb. 3 beschriebenen.
Um die Homogenität der Funktionsweisen der verschiedenen Meßwandler sicherzustellen, kann man vorteilhafterweise eine Steuer- und Prüfeinheit 8 verwenden, die für die beiden Meßwandlerlinien gilt, dieser Elektronikverarbeitungsteil ist somit im Steuermodul 19 enthalten.
Ein gemeinsamer Rechner gewährleistet die Bestimmung der verschiedenen Richtungen und/oder Lagestreifen und leitet daraus die Positionen der verschiedenen Minen als Schnittstellen zwischen diesen Richtungen und/oder Streifen ab.
Die Verbindungen zwischen den Gehäusen 6a, 6b und dem Steuermodul 19 können aus Drähten bestehen oder aber aus Funkkanälen oder optischen Kanälen.
Die Abb. 4a zeigt ein Raupenfahrzeug 21, das eine Rampe 22 zeigt, auf der die Träger 23.1, 23.2, ... 23.n befestigt sind, die hier in Form von Pflöcken ausgeführt wurden. Diese Rampe ist in Abb. 4b allein dargestellt. Jeder Pflock 23.i trägt einen Meßwandler 4.i. Die Pflöcke ermöglichen das Positionieren aller Meßwandler in der gleichen Tiefe im Boden.
Die Position der Rampe und somit das Eindringen der Pflöcke ist anhand eines ersten Zylinders 24 (hydraulisch oder elektrisch) anpaßbar, so daß man die Neigung der Arme 25 zum Stützen der Rampe in bezug auf das Fahrzeug 21 einstellen kann.
Dieser erste Zylinder wird zwischen dem Fahrzeug und einem Abstandsstück 26 befestigt, das fest mit den Armen 25 verbunden ist. Ein zweiter Zylinder 27 wird zwischen das Abstandsstück 26 und die Rampe 22 plaziert. Er ermöglicht es, die Rampe in bezug auf die Arme 25 zu schwenken und damit den Eindringwinkel der Pflöcke 23 in den Hoden einzustellen. Fühler, die nicht dargestellt wurden, ermöglichen das Messen der Position der Pflöcke in bezug auf den Boden (Winkel und Eindringtiefe). Das Fahrzeug 21 trägt das Verarbeitungsgehäuse 6, das eventuell per Funk mit einem Steuermodul verbunden ist, das dann mindestens einen Teil der Verarbeitungselektronik enthält.
Als Variante könnten die Pflöcke auch von Trägern ersetzt werden, die nicht in den Boden eindringen, sondern das Positionieren der Meßwandler in Berührung mit dem Boden ermöglichen.
Abb. 5 zeigt die schematische Darstellung der Durchführung der Vorrichtung gemäß der Erfindung anhand von zwei Fahrzeugen 21a und 21b.
Das Fahrzeug 21a trägt eine Rampe 22a, auf der Träger befestigt sind, die die Meßwandler halten sowie auch Pflöcke.
Das Fahrzeug 21b trägt eine Rampe 22b, auf der ebenfalls Träger mit den Meßwandlern befestigt sind.
Die Rampe 22b ist seitlich am Fahrzeug 21b angeordnet (mit einer geeigneten Arm- und Zylindermontage), so daß das Weiterfahren des Fahrzeugs entlang einer Richtung A mit einer Mindestanzahl Manöver ermöglicht wird. Es wäre natürlich auch möglich, eine bei beiden Fahrzeugen die gleiche Rampenmontage. Die Neupositionierung jedes Fahrzeugs wird erleichtert, indem man es mit Lokalisierungsmitteln (Trägheitszentrale, GPS-System) versieht.
Eine solche Anordnung ermöglicht das Durchführen des zuvor in bezug auf Abb. 2 beschriebenen Verfahrens.
Es wird hiermit eine sehr weite Geländezone 1 erforscht, indem das Fahrzeug 21a stehenbleibt und das Fahrzeug 21b entlang der Richtung A weiterfährt. Die Minensuche erfolgt nacheinander in nebeneinanderliegenden Geländeabschnitten (P1, P2,... P1,... Pn).
Nach der Bearbeitung aller Abschnitte P1, verstellt man das Fahrzeug 21a in Richtung B, um einen anderen Teil der Zone 1 zu erforschen.
Die Operationen werden vom Steuermodul 19 koordiniert, das bevorzugt per Funk mit jedem Fahrzeug in Verbindung steht.
Die Abb. 6 und 7 zeigen eine Vorrichtung gemäß einer anderen Durchführungsart der Erfindung.
Bei dieser Durchführungsart werden die Meßwandler wieder von pflockförmigen Trägern 23 getragen, jedoch wird jeder Pflock einzeln auf der Geländezone 1 installiert. Die Geländezone 1 wurde mit Pflöcken 23 umgeben, die auf zwei gleichzeitig wirkende Linien verteilt wurden. Diese Durchführungsart der Erfindung bringt wieder das in bezug auf Abb. 2 beschriebene Verfahren zum Einsatz.
Die Abstände zwischen den verschiedenen Pflöcken werden beim Anbringen der Pflöcke genau ausgemessen.
Jeder Pflock 23.1a oder 23.1b trägt ein Gehäuse 28.1a oder 28.1b, das den Verarbeitungskanal 7.i, der zum Meßwandler 4.i auf dem Pflock gehört (siehe auch Abb. 7).
Das Gehäuse 28.i enthält ebenfalls einen Funkempfänger/-sender 29.i und eine Antenne 30. i.
Das Steuermodul 19 wird in Entfernung von der Geländezone 1 aufgestellt. Es enthält ebenfalls einen Funkempfänger/-sender 31, der mit einer Antenne 32 gekoppelt ist.
Das Steuermodul umfaßt einen Verarbeitungselektronikteil. Es gewährleistet das Funktionieren der gemeinsamen Steuer- und Prüfeinheit 8, die zuvor in Bezugnahme auf Abb. 3 beschrieben wurde. Somit umfaßt es eine Taktgeberuhr 11, einen Taktgeber 12 und einen Rechner 13. Der Einsatz einer gemeinsamen Taktgeberuhr und eines gemeinsamen Taktgebers sowie einer Funkverbindung ermöglicht es, die Synchronisierung der Sendungen der verschiedenen Meßwandler zu gewährleisten, und zwar auch für eine große Anzahl Meßwandler und große Entfernungen. Ein Dekodierer 33 ermöglicht das Umwandeln der von den verschiedenen Pflöcken gesendeten Funkdaten in Daten, die der Rechner verarbeiten kann.
Wie dies bereits in Bezugnahme auf Abb. 2 beschrieben wurde, führt das Steuermodul 19 zuerst eine Fokussierung durch zeitliche Umkehrung ausgehend von einer ersten Meßwandlerlinie 5a aus und danach unabhängig eine Fokussierung ausgehend von der zweiten Meßwandlerlinie 5b.
Diese Durchführungsart der Erfindung ermöglicht es, in nur einem Durchgang große Geländeflächen (über 10 m · 10 m) zu bearbeiten. Jedoch ist das Anbringen länger, und diese Vorgehensweise ist Räumungsoperationen nach einem Konflikt vorbehalten.
Auch hier kann man Träger verwenden, die nicht in den Boden eindringen, sondern das Positionieren der Meßwandler in Berührung mit dem Boden erlauben.
Bei allen Durchführungsarten der Erfindung, die zuvor beschrieben wurden, kann man nach Erkennen einer Mine deren Zünden oder deren Bewegung hervorrufen, was ihre Erkennung durch die Veränderung des Aussehens des Bodens, die sich dabei ergibt, erleichtert.
Dazu fokussiert man unter Verwendung der letzten gespeicherten Echosignale eine große akustische Energie auf die Mine. Dann sendet man ein letztes zeitlich umgekehrtes Signal auf sie, dessen Amplitude jedoch beachtlich anhand eines geeigneten Leistungsgenerators verstärkt wird (zum Beispiel in einem Verhältnis von 1000 : 100.000, je nach Beschaffenheit, Härte oder Mobilität des Bodens).
Die Erfindung wurde im Rahmen ihrer Anwendung auf die Erkennung von Landminen beschrieben. Sie kann natürlich auch zum Erkennen von Seeminen, seien diese nun vergraben oder nicht, angewandt werden oder aber zur Erkennung von vergrabenen Objekten oder Erforschung von Bodenheterogenitäten.

Claims

1. Verfahren zum Erkennen von Objekten (2) und vor allem von Minen, die über eine Geländezone (1) verteilt sind, gekennzeichnet dadurch, daß man eine Mehrzahl akustischer Meßwandler (4.1,... 4.i,... 4n) verwendet und folgende Etappen durchführt:

- man bestimmt zuerst eine optimale Arbeitsfrequenz der Meßwandler, die von der Beschaffenheit des Bodens abhängt und eine Empfangssignalamplitude, die an einem Großteil der Meßwandler maximal ist, wenn sie von einem von ihnen abgegeben wird,

- man sendet in den Geländeboden über mindestens einen Meßwandlet einen kurzen, nicht fokussierten Anfangsimpuls mit dieser optimalen Frequenz,

- man registriert die Echosignale, die vom Gelände zurückgesendet und von allen Meßwandlern empfangen werden, wobei jedes Echosignal abhängig von der Zeit gespeichert wird und als Ursprung der Zeiten der Augenblick des Sendens des Anfangsimpulses verwendet wird,

- man wählt mit mindestens einem Zeitfenster die Echosignale aus, die von einem ersten Objekt in der Geländezone zurückgesendet werden,

- man führt k aufeinanderfolgende zeitliche Umkehrungen der von den Meßwandlern empfangenen Signale durch, um die Erkennung auf ein erstes Objekt zu fokussieren und speichert die nach der ersten zeitlichen Umkehrung reflektierten Signale,

- man sucht die Meßwandler, bei welchen die Fortpflanzungszeiten in etwa gleich sind,

- man bestimmt mindestens eine Richtung (D), Lokalisierungsrichtung genannt, in der sich das erste Objekt befindet, und die als die Mittelsenkrechte des Segments definiert wird, das die beiden Meßwandler vereint, bei welchen die Fortpflanzungszeiten in etwa gleich sind.

2. Erkennungsverfahren gemäß dem Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß man eine Position des ersten Objektes auf seiner Lokalisierungsrichtung (D) bestimmt, indem man die Entfernungen berechnet, die die von den Meßwandlern empfangenen reflektierten Wellen durchlaufen und die Lokalisierungsrichtung bestimmen.

3. Verfahren gemäß dem Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die akustischen Meßwandler entlang mindestens zweier gemeinsam wirkender Linien (5a, 5b) angeordnet sind, und dadurch, daß man eine Position des erstes Objektes als den Punkt oder die Schnittzone (Z) von mindestens zwei Lokalisierungsrichtungen (Da, Db) bestimmt.

4. Erkennungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß nach Empfang der ersten Echosignale ein erstes Objekt (2) ausgewählt wird, das durch zeitliche Umkehrung durch eine Analyse der Formwellen gemäß den verschiedenen von jedem Meßwandler empfangenen Rückkehrechos zu behandeln ist, gefolgt von einem Vergleich dieser Formwellen mit einer Bibliothek der charakteristischen Signaturen der wichtigsten gesuchten Objekte.

5. Erkennungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß man das erste Objekt (2) nach der Durchführung von k zeitlichen Umkehrungen durch eine Analyse der Formwellen identifiziert, und zwar gemäß den verschiedenen von jedem Meßwandler empfangenen Echosignalen und durch Vergleichen dieser Formwellen mit einer Bibliothek der charakteristischen Signaturen der wichtigsten gesuchten Objekte.

6. Erkennungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß nach Lokalisierung und Auswahl eines ersten Objektes diesem mindestens ein anderes akustisches Signal gesandt wird, das die Form des nach dem ersten zeitlichen Umkehren gespeicherten Objektes hat, wobei dieses Signal verstärkt wird und seine Intensität ausreicht, um das Objekt zu bewegen oder in Schwingung zu versetzen.

7. Erkennungsvorrichtung von Objekten (2) und vor allem von Minen, die in einer Geländezone verteilt sind, das ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 anwendet, gekennzeichnet dadurch, daß es mindestens eine Reihe akustischer Meßwandler (4.1, ... 4.i, ... 4n) verwendet, die mit einer Verarbeitungselektronik (6) verbunden sind, wobei jeder Meßwandler (4.i) von einem Träger (23.i) getragen wird, der in den Boden gerammt oder auf den Boden aufgelegt wird.

8. Erkennungsvorrichtung gemäß dem Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, daß sie' mindestens eine Reihe gefluchteter Träger (23) umfaßt.

9. Erkennungsvorrichtung gemäß dem Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, daß sie mindestens zwei Reihen Träger (23) umfaßt, die auf gemeinsam wirkende Linien verteilt sind.

10. Erkennungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Träger (23) fest mit mindestens einer Rampe (22) verbunden sind, die von mindestens einem Fahrzeug (21) getragen wird, wobei die Position der Rampe so anpaßbar ist, daß die Positionierung der Träger (23) in bezug auf den Boden ermöglicht wird.

11. Erkennungsvorrichtung gemäß den Ansprüchen 9 und 10, gekennzeichnet dadurch, daß jede Trägerreihe von einem anderen Fahrzeug (21a, 21b) getragen wird.

12. Erkennungsvorrichtung gemäß der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Träger (23) einzeln auf dem Gelände (1) angebracht werden, wobei Funkverbindungsmittel (29, 30) zwischen jedem Träger und mindestens einem Teil der Verarbeitungselektronik (6) so vorgesehen sind, daß eine Synchronisierung der Sendungen der Meßwandler (4) erlaubt wird.