[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von sich einem Überwachungsbereich
nähernden Fahrzeugen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
[0002] Ein solches Verfahren wird vorzugsweise in Weckvorrichtungen eingesetzt, die dazu
dienen, autonome Systeme zur Überwachung von Geländebereichen auf und/oder zur Sicherung
von Geländebereichen gegen das Eindringen von Objekten, hier Fahrzeugen, erst dann
zu aktivieren (wecken), wenn einigermaßen sicher feststeht, daß solche Objekte im
Überwachungsbereich auftauchen und/oder daß es sich bei den auftauchenden Objekten
auch um die überwachungsspezifischen Objekte und nicht um andere handelt. Dabei muß
das Wecken mit möglichst geringer Falschalarmrate so rechtzeitig erfolgen, daß das
Objekt sich noch innerhalb des Aktionsradius des Systems befindet.
[0003] Bei einem bekannten Verfahren zur Detektion von Fußgängern, die einen Überwachungsort
passieren (DE 195 42 871 C1) werden als Sensoren ein Geophon und ein Mikrofon verwendet
und deren Ausgangssignale signaltechnisch geeignet vorverarbeitet. In den vorverarbeiteten
Ausgangssignalen des Mikrofons werden fortlaufend für vorgegebene Zeitstücke Signalspitzen
oder- impulse detektiert, und in den gleichermaßen vorverarbeiteten Ausgangssignalen
des Geophons werden Signalspitzen oder -impulse an denjenigen Stellen eliminiert,
an denen in gleichen Zeitstücken des Mikrofonausgangssignals Signalspitzen oder -impulse
auftreten. In den durch diese Impulselimination bereinigten Zeitstücken des Geophonausgangssignals
wird eine vorgegebene maximale Zahl der größten Signalspitzen oder -impulse extrahiert
und mittels der extrahierten Signalspitzen oder -impulsen die Wahrscheinlichkeit einer
Fußgängerdetektion bewertet.
[0004] Bei diesem Verfahren werden durch Eliminieren von Signaturen im Geophonausgangssignal,
die auch im Mikrofonausgangssignal auftreten, solche Schallereignisse, z.B. entfernte
Luftknalle, bei der Detektion ausgeschossen, die im Medium Luft Schallimpulse erzeugen,
die ihrerseits in den Erdboden einkoppeln und im Geophonausgangssignal eine ähnliche
Signatur hervorrufen wie die Schritte des Fußgängers. Die Detektionssicherheit wird
dadurch angehoben, daß das Detektionsergebnis nicht mehr mit einer ja/nein-Entscheidung
angezeigt, sondern hinsichtlich seiner Warscheinlichkeit bewertet wird, so daß der
Operateur aufgrund des Wahrscheinlichkeitsgrades oder Konfidenzmaßes der Detektion
nochmals die Zuverlässigkeit des Detektionsergebnisses ins eigene Kalkül einbeziehen
kann.
[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Detektion von Fahrzeugen
der eingangs genannten Art mit hoher Detektionswahrscheinlichkeit und geringer Falschalarmrate
zu schaffen, das ohne Interpretation oder Bewertung durch einen Operateur auskommt,
also vollautonom ist, und nur eine relativ einfache Signalverarbeitung erfordert,
so daß es in unbeaufsichtigten Weckvorrichtungen, die einen Massenartikel darstellen,
eingesetzt werden kann.
[0006] Die Aufgabe ist bei einem Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen
Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelößt.
[0007] Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß durch die Unabhängigkeit der
Weckstufen sich jede Weckstufe einfach bezüglich des benötigten Zeit- und Frequenzbereichs,
der Methode und des Umfangs für die Signalverarbeitung realisieren läßt. Die Ausnutzung
unterschiedlicher physikalicher Merkmale in den Sensorsignalen zur Detektion in den
verschiedenen Weckstufen führt zu einer deutlichen Verbesserung des Detektionsverfahrens
bezüglich seiner Zuverlässigkeit der Fahrzeugerkennung und Robustheit gegenüber Störungen
und zu einer hohen Funktionssicherheit einer mit einem solchen Verfahren betriebenen
Weckvorrichtung. Die in den einzelnen Weckstufen verarbeiteten Signale können von
einem einzigen oder von mehreren Sensoren abgenommen werden. Der Austausch der Sensoren
ist problemlos, so daß sich das Verfahren leicht an Besonderheiten des Einsatzgebietes
anpassen läßt. Die Verknüpfung der in jeder Weckstufe erzeugten Slave-Wecksignale
zu dem eigentlichen Detektions- oder Wecksignal, dem sog. Master-Wecksignal, erfolgt
nach einfachen heuristischen Regeln, die leicht geändert und an die Besonderheiten
des Einsatzgebietes angepaßt werden können und darüber hinaus leicht zu implementieren
sind. Entsprechend den Anforderungen bezüglich der Falschalarmrate und der Detektionswahrscheinlichkeit
bezogen auf den vertretbaren Aufwand kann die Zahl der vorhandenen Weckstufen frei
gewählt und verschiedene Weckstufen unterschiedlich kombiniert werden. Damit kann
eine nach dem Verfahren arbeitende Weckvorrichtung problemlos auf die gestellten Anforderungen
in einem spezifischen Einsatzgebiet sowohl technisch als auch preislich zugeschnitten
werden.
[0008] Die Verknüpfung der Slave-Wecksignale zu dem Master-Wecksignal kann z.B. durch Hintereinanderschaltung
der Weckstufen erfolgen, so daß jedes Slave-Wecksignal einer Weckstufe die nachfolgende
Weckstufe aktiviert und die in der Reihenfolge letzte Weckstufe das Master-Wecksignal
erzeugt. Dies hat den Vorteil, daß zunächst nur die Stufen mit geringem Energieverbrauch
eingeschaltet werden und die qualitativ höherwertigen Weckstufen mit entsprechend
größerem Energieverbrauch erst nach Treffen einer auf Fahrzeuge hinweisenden Vorentscheidung
aktiviert werden.
[0009] Die einzelnen Weckstufen können auch parallel betrieben werden, also gleichzeitig
eingeschaltet werden, und deren Slave-Wecksignale verknüpft werden, wobei die Verknüpfung
gewichtet entsprechend den Konfidenzmaßen der einzelnen Slave-Wecksignale erfolgt.
Dies hat den Vorteil, daß trotz geringer Signal-/Stör- Verhältnisse große Detektionsreichweiten
möglich sind und die Falschalarmrate gering gehalten wird. Zusätzlich ist ein frühzeitiges
Wecken möglich.
[0010] Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit vorteilhaften
Weiterbildungen und Ausgestalltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.
[0011] Das erfindungsgemäße Verfahren ist anhand einer in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung
zum Durchführen des Verfahrens im folgenden näher beschrieben. Dabei zeigt die Zeichnung
ein Blockschaltbild einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden, auf Fahrzeuggeräusche
ansprechenden Weckvorrichtung.
[0012] Die in der Zeichnung im Blockschaltbild dargestellte Weckvorrichtung dient zum Aktivieren
oder Wecken autonomer Systeme zur Überwachung von Geländebereichen bezüglich des Eindringens
von oder des Überfahrens durch Fahrzeuge alle Art, wobei das autonome System ein Aufklärungssystem
zur Erfassung von Truppenbewegungen oder ein Bekämpfungssystem, z.B. ein Minensystem,
zur Zerstörung aller oder selektierter Fahrzeuge sein kann.
[0013] Die zusammen mit dem autonomen System im Gelände ausgebrachte Weckvorrichtung weist
eine aktustische Antenne 10 auf, die drei um 120° gegeneinander sternförmig versetzt
angeordnete Antennenarme 11, 12 und 13 besitzt. Auf jedem Antennenarm 11 bis 13 sind
drei Mikrofone 14 im konstanten Abstand voneinander angeordnet. Im Sternpunkt der
drei Antennenarme 11 bis 13 ist ein weiteres Mikrofon 14 vorhanden.
[0014] Eine Signalverarbeitung zur Aufbereitung und Auswertung der Ausgangssignale der Mikrofone
14 und zum Erzeugen eines Wecksignals, dem sog. Master-Wecksignal, wenn mit ausreichend
hohem Sicherheitsgrad ein Fahrzeug im Überwachungsbereich detektiert wird, ist in
drei einzelne Weckstufen 15, 16 und 17 aufgeteilt, die unabhängig voneinander arbeiten
und qualitativ unterschiedliche Merkmale, die signifikant für das Vorhandensein von
Fahrzeuggeräuschen sind, in den ihnen zugeführten Signalen extrahieren und bewerten
und bei ausreichender Konfidenz der extrahierten Merkmale jeweils ein Wecksignal,
das sog. Slave-Wecksignal erzeugen. Die Slave-Wecksignale werden einer die Weckstufen
15 bis 17 funktionell verbindenden Verknüpfungseinheit 18 zugeführt, die ihrerseits
das Master-Wecksignal generiert.
[0015] Die Verknüpfung der Slave-Wecksignale kann in unterschiedlicher Weise erfolgen. Im
einfachsten Fall werden die Weckstufen 15 bis 17 durch die Verknüpfungseinheit 18
hintereinander geschaltet, d. h. das Slave-Wecksignal der Weckstufe 15 wird zum Aktivieren
der Weckstufe 16 und das Slave-Wecksignal der Weckstufe 16 zum Aktivieren der Weckstufe
17 verwendet. Das Slave-Wecksignal der letzten Weckstufe 17 ist dann das Master-Wecksignal.
Die Reihenfolge der Aktivierung der Weckstufen 15 bis 17 kann dabei getauscht werden.
Vorteilhaft wird dabei die Weckstufe mit dem geringsten Energieverbrauch (hier die
Weckstufe 15) zuerst eingeschaltet und die nachfolgenden Stufen mit qualitativ höherwertiger
Signalverarbeitung und damit wesentlich größerem Energieverbrauch erst dann eingeschaltet,
wenn jeweils in der vorhergehenden Weckstufe eine weitere Vorentscheidung in Richtung
auf die Warscheinlichkeit einer Fahrzeugdetektion getroffen worden ist.
[0016] Durch die Verknüpfungseinheit 18 können die Weckstufen 15 bis 17 auch parallel geschaltet
werden, d. h. die Slave-Wecksignale der gleichzeitig arbeitenden Weckstufen 15 bis
17 werden in der Verknüpfungseinheit 18 unter Gewichtung ihrer Konfidenz nach vorgegebenen
Regeln miteinander verknüpft und das Master-Wecksignal wird aus der konfidenzgewichteten
Verknüpfung generiert.
[0017] Die Weckstufe 15 ist mit einem einzigen Mikrofon 14 der akustischen Antenne 10 verbunden,
die Weckstufe 16 ist mindestens an die auf einem Antennenarm 11, 12, 13 angeordneten
Mikrofone 14 angeschlossen, im Ausführungsbeispiel an alle drei Antennenarme 11 bis
13, und die Weckstufe 17 ist mit allen Mikrofonen 14 der akustischen Antenne 10 verbunden.
[0018] Im einzelnen werden in der Weckstufe 15 in zwei getrennten Signalverarbeitungskanälen
21, 22 zwei zeitabhängige Pegelsignale erzeugt, indem in beiden Signalverarbeitungskanälen
21, 22 das verstärkte Mikrofonausgangssignal gefiltert, gleichgerichtet und integriert
wird, wobei im ersten Signalverarbeitungskanal 21 eine auf das Fahrzeuggeräusch abgestimmte
breitbandige Filterung in einem Bandpaß 23 mit einer Bandbreite, die dem Frequenzbereich
von Fahrzeuggeräuschen bei einem guten Nutz-/Störverhältnis (Signal Noise Ratio SNR)
entspricht (im folgenden kurz Frequenzbereich von Fahrzeuggeräuschen genannt), und
die Integration nach Gleichrichtung mit einer großen Zeitkonstante im Block 24 erfolgt,
während das verstärkte Mikrofonausgangssignal im zweiten Signalverarbeitungskanal
22 breitbandig gefiltert wird (Bandpaß 25 mit einer großen Bandbreite, in der typischerweise
von prädiktiven Ereignissen im Überwachungsgebiet, z.B. Knall, Windboen u. dgl., hervorgerufene
schmale Peaks liegen), und im Block 26 nach Gleichrichtung mit einer kleinen Zeitkonstante,
integriert wird. Die große Zeitkonstante entspricht der Zeitbewertung FAST (F) und
die kleine Zeitkonstante entspricht der Zeitbewertung IMPULS (I) oder kürzer gemäß
DIN IEC 651. Die beiden Pegelsignale werden einer Analyse- und Bewertungseinheit 27
zugeführt. Hier wird das zweite Pegelsignal aus dem Signalverarbeitungskanal 22 auf
Signalspitzen (Peaks) analysiert und die Konfidenz der Peakerkennung bewertet. In
dem ersten Pegelsignal aus dem Signalverarbeitungskanal 21 wird sowohl der Hintergrundpegel
als auch die Anteile von Fahrzeuggeräuschen geschätzt und die Konfidenz der Fahrzeuggeräusch-Erkennung
bewertet. Das Verhalten der zur Schätzung benutzten Schätzfilter wird dabei bezüglich
ihrer Funktionsweise, ihrer einzustellende Funktionsparameter sowie ihre Entscheidungsschwellen
durch die Konfidenzen von Peakerkennung und Fahrzeuggeräusch-Erkennung beeinflußt.
Von der Analyse- und Bewertungseinheit 27 wird schließlich bei ausreichender Konfidenz
der Fahrzeugerkennung das Slave-Wecksignal an die Verknüpfungseinheit 18 ausgegeben.
[0019] Die beiden Signalverarbeitungskanäle 21, 22 können alternativ auch jeweils getrennt
an je einem Mikrofon 14 der akustischen Antenne 10 angeschlossen sein.
[0020] Die zweite Weckstufe 16 weist drei parallele Signalverarbeitungskanäle 31, 32, 33
auf, die in einer Analyse-und Bewertungseinheit 34 zusammengeführt sind. Jeder Signalverarbeitungskanal
31 bzw. 32 bzw. 33 ist an die Mikrofone 14 eines Antennenarms 12 bzw. 13 bzw. 14 der
akustischen Antenne 10 angeschlossen. In jedem Signalverarbeitungskanal 31 bzw. 32
bzw. 33 werden die verstärkten Ausgangssignale der Mikrofone 14 mittels eines Addierers
35 aufaddiert und mittels eines Bandpasses 38 bzw. 39 bzw. 40 im Frequenzbereich von
Fahrzeuggeräuschen gefiltert. In der Analyse- und Bewertungseinheit 34 werden die
Spektren der digitalisierten Summensignale gebildet und darin schmalbandige Signalanteile,
sog. Linien, detektiert und die Konfidenz der Linienerkennung ermittelt. Bei ausreichender
Konfidenz generiert die Analyse- und Bewertungseinheit 34 das Slave-Wecksignal. Ein
hierfür geeignetes Verfahren zur Bildung normalisierter Spektren und Extraktion von
Linien ist in der DE 30 35 757 C2 beschrieben. Ein Verfahren zur Ermittlung des Konfidenzmaßes
zeigt die DE 195 42 871 C2. In einer vereinfachten Ausführungsform der zweiten Weckstufe
16 können ein oder zwei der parallelen Signalverarbeitungskanäle 31 bis 33 entfallen,
so daß sich der Aufwand für die Signalverarbeitung reduziert.
[0021] Für den Fall, daß die Mikrofone 14 der akustischen Antenne 10 nicht auf drei sternförmig
ausgerichteten, linienförmigen Antennenarmen 11, 12, 13 angeordnet, sondern räumlich
beliebig in einem Array plaziert sind und jeder Signalverarbeitungskanal 131, 132,
133 an einer Gruppe von Mikrofonen 14 angeschlossen ist, die beispielsweise jeweils
ein Drittel der Gesamtzahl der Mikrofone 14 umfaßt, so erfolgt eine Aufaddierung der
kohärenten Ausgangssignale der der Gruppe zugehörigen Mikrofone 14, wozu jeder Addierer
35 bzw. 36 bzw. 37 durch einen sog. Beamformer ersetzt wird, in dem die Mikrofonausgangssignale
geeignet phasenverschoben und anschließend aufaddiert werden.
[0022] Alternativ kann jeder oder aber auch nur ein Signalverarbeitungskanal 31 - 33 der
Weckstufe 16 an nur einem Mikrofon 14 angeschlossen sein, wobei dann lediglich die
Addierer 35 - 37 entfallen.
[0023] In der dritten Weckstufe 17 werden die Ausgangssignale aller Mikrofone 14 der akustischen
Antenne 10 in dem Frequenzbereich von Fahrzeugen gefiltert, wozu ein Bandpaß 41 mit
einer schmalen Bandbreite im Frequenzbereich von Fahrzeuggeräuschen vorgesehen ist.
Die so gefilterten Ausgangssignale werden digitalisiert und einem sog. Beamformer
42 zugeführt, der durch entsprechende Zeitverzögerung und Addition der zeitverzögerten,
digitalisierten Signale Empfangsrichtungen größter Empfindlichkeit, sog. preformed
beams, bildet. In der Analyse- und Auswerteeinheit 43 wird das Maximum des Emfangspegels
in den verschiedenen preformed beams ermittelt, und durch die Richtung des preformed
beams mit dem maximalen Emfangspegel ist die Einfallsrichtung eines Fahrzeuggeräusches
und damit der Peilwinkel zum Fahrzeug festgelegt. In der Analyse- und Auswerteeinheit
43 wird nunmehr eine Peilverfolgung durchgeführt und deren Konfidenz bewertet. Bei
ausreichender Konfidenz wird das Slave-Wecksignal ausgegeben. Die von den drei Analyse-
und Bewertungseinheiten 27, 34 und 43 ausgegebenen Slave-Wecksignale werden in der
Verknüpfungseinheit 18 in der vorstehend beschriebenen Weise miteinander verknüpft,
und am Ausgang der Verknüpfungseinheit 18 ist das sog. Master-Wecksignal abnehmbar,
das zur Aktivierung eines autonomen Überwachungs- oder Bekämpfungssystem benutzt werden
kann.
1. Verfahren zum Detektieren von sich einem Überwachungsbereich nähernden Fahrzeugen,
bei dem die Ausgangssignale mindestens eines zum Empfang der Fahrzeuggeräusche im
Überwachungsbereich ausgelegten Sensors signaltechnisch aufbereitet und bezüglich
fahrzeuggeräuschspezifischer Merkmale analysiert werden und bei Auffinden solcher
Merkmale ein eine Fahrzeugdetektion anzeigendes elektrisches Detektions- oder Wecksignal
ausgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalanalyse in mehreren, voneinander
unabhängigen Weckstufen (15, 16, 17) nach qualitativ unterschiedlichen Merkmalen durchgeführt
und in jeder Weckstufe(15, 16, 17) nach Extrahieren eines solchen Merkmals mit ausreichender
Konfidenz ein Slave-Wecksignal generiert wird und daß die Slave-Wecksignale zu einem
das Detektions- oder Wecksignal darstellenden Master-Wecksignal verknüpft werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verknüpfung derart erfolgt,
daß das Slave-Wecksignal einer Weckstufe (15 bzw. 16) jeweils die nachfolgende Weckstufe
(16 bzw. 17) aktiviert und das Slave-Wecksignal der in der Reihenfolge letzten Weckstufe
(17) das Master-Wecksignal darstellt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verknüpfung derart erfolgt,
daß die Slave-Wecksignale der Weckstufen (15, 16, 17) durch eine konfidenzgewichtete
Verknüpfung das Master-Wecksignal generieren.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor
eine akustische Antenne (10) mit einer Vielzahl von Mikrophonen (14) verwendet wird
und die Weckstufen (15,16,17) an den Mikrophonausgang eines Mikrophons (14) und/oder
an die Mikrophonausgänge mindestens einer Mikrophongruppe (11 bzw. 12 bzw. 13) angeschlossen
werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Ausgangsignal eines
Mikrofons (14) zwei zeitabhängige Pegelsignale erzeugt werden, von denen das erste
Pegelsignal durch eine breitbandige Filterung, Gleichrichtung und Integration mit
einer an Fahrzeuggeräuschen angepaßten langen Zeitkonstante und das zweite Pegelsignal
durch eine schmalbandige Filterung, Gleichrichtung und Integration mit einer an ein
prädiktives Ereignis im Überwachungsbereich, z. B. Knall oder Windböen, angepaßten
langen Zeitkonstanten gewonnen wird, daß das zweite Pegelsignal auf Signalspitzen
(Peaks) analysiert und die Konfidenz der Peakerkennung bewertet wird, daß in dem ersten
Pegelsignal der Hintergrundpegel und die Anteile von Fahrzeuggeräuschen geschätzt
und die Konfidenz der Fahrzeuggeräusch-Erkennung bewertet wird, wobei die Schätzung
durch die Konfidenzen von Peakerkennung und Fahrzeugeräuscherkennung beeinflußt wird,
und daß das Slave-Wecksignal bei ausreichender Konfidenz der Fahrzeuggeräuscherkennung
ausgegeben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere oder alle Ausgangssignale
der Mikrofone (14) mindestens einer Mikrofongruppe (11 bzw. 12 bzw. 13) der akustischen
Antenne (10) kohärent aufaddiert und die Summensignale im Frequenzbereich von Fahrzeuggeräuschen
gefiltert werden, daß im Spektrum der digitalisierten Summensignale schmalbandige
Signalanteile, sog. Linien, detektiert werden und daß die Konfidenz der Linienerkennung
ermittelt und bei ausreichender Konfidenz das Slave-Wecksignal ausgegeben wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrofone (14) auf drei
sternförmig angeordneten, um gleiche Drehwinkel zueinander versetzten, stabförmigen
Antennenarmen (11, 12, 13) mit Abstand voneinander nebeneinander aufgereit werden
und daß jeweils die auf einem Antennenarm (11 bzw. 12 bzw. 13) plazierten Mikrofone
(14) zu einer Mikrofongruppe zusammengefaßt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, d.h. daß das Ausgangssignal mindestens eines Mikrofons
(14) im Frequenzbereich von Fahrzeuggeräuschen gefiltert wird, daß im Spektrum des
digitalisierten Ausgangssignals schmalbandige Signalanteile, sog. Linien, detektiert
werden und daß die Konfidenz der Linienerkennung ermittelt und bei ausreichender Konfidenz
das Slave-Wecksignal ausgegeben wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale
aller Mikrofone (14) der akustischen Antenne (10) in dem Frequenzbereich von Fahrzeuggeräuschen
gefiltert und durch Addition der entsprechend zeitverzögerten, digitalisierten Signale
Richtungen größter Emfangsempfindlichkeit, sog. preformed beams, gebildet werden,
daß die Einfallsrichtung von Fahrzeuggeräuschen bestimmt (gepeilt) wird und daß eine
Peilverfolgung durchgeführt und deren Konfidenz bewertet und bei ausreichender Konfidenz
das Slave-Wecksignal ausgegeben wird.