Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von sich einem Überwachungsbereich nähernden Fahrzeugen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
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.
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.
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.
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.
Die Aufgabe ist bei einem Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelößt.
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.
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.
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.
Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestalltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die beiden Signalverarbeitungskanäle 21, 22 können alternativ auch jeweils getrennt an je einem Mikrofon 14 der akustischen Antenne 10 angeschlossen sein.
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.
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.
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.
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.