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Die Erfindung betrifft eine Erkennungsvorrichtung und ein Erkennungsverfahren zum Erkennen eines in einem Gewässer angeordneten und einen chemischen Stoff aufweisenden Unterwasserkörpers. Ferner betrifft die Erfindung ein System mit einem Unterwasserfahrzeug und der Erkennungsvorrichtung.
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Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Minenräumung, insbesondere der Räumung von Unterwasserminen. Unterwasserminen sind Unterwasserkörper, die als chemischen Stoff Sprengstoff aufweisen, der üblicherweise zusammen mit einem Zündmechanismus in einer Hülle des Unterwasserkörpers angeordnet ist.
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Eine Unterwassermine kann bspw. als Ankertaumine ausgebildet sein, wobei die Mine im Wasser Auftrieb hat, jedoch durch ein an einem Anker befestigen Tau bzw. durch eine Kette unterhalb einer Wasseroberfläche des Gewässers gehalten wird. Zur Räumung derartiger Ankertauminen ist es bekannt, zunächst das Ankertau bzw. die Kette mechanisch zu durchtrennen, dadurch die Mine aufschwimmen zu lassen und schließlich die Mine durch Beschuss mit einer Waffe, bspw. mit einem Maschinengewehr, zur Explosion zu bringen.
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Eine andere bekannte Möglichkeit, eine in Erwiderung auf das Erkennen einer Schiffssignatur zündende Mine zur Explosion zu bringen, besteht darin, einen Täuschkörper in die Nähe der Mine zu bringen, der eine Schiffssignatur simuliert.
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Für diese beiden bekannten Verfahren zur Minenräumung müssen die unterhalb der Wasseroberfläche positionierten Minen nicht vorher detektiert oder als Mine erkannt werden. Vielmehr reicht es aus, eine Mine erst dann visuell zu detektieren, wenn sie nach Durchtrennung des Ankertaus aufschwimmt, oder die Mine durch den o. g. Täuschkörper ohne vorherige Aufklärung zur Explosion zu bringen.
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Darüber hinaus ist es bekannt, in Gewässern angeordnete Minen mittels Sonar aufzuklären bzw. zu detektieren und anhand ihrer äußeren Form zu klassifizieren und hiernach gezielt zu entschärfen, zu bergen oder zu zerstören. Diese bekannte Aufklärung mittels Sonar bedient sich eines bildgebenden Verfahrens. Insbesondere sind typische Formen der Gehäuse von Unterwasserminen bekannt. Mittels Sonar detektierte Formen von Objekten im Gewässer können daher mit diesen bekannten Formen von Minen verglichen werden. Im Falle einer Übereinstimmung dieser Formen wird im Allgemeinen darauf geschlossen, dass es sich bei dem detektierten Objekt um einen einen chemischen Stoff aufweisenden Unterwasserkörper bzw. um eine Sprengstoff aufweisende Unterwassermine handelt.
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Wenn allerdings einen chemischen Stoff aufweisende Unterwasserkörper bzw. Sprengstoff aufweisende Unterwasserminen getarnt sind und eine für einen derartigen Unterwasserkörper bzw. für eine derartige Unterwassermine untypische oder unbekannte Form aufweisen, können derartige Unterwasserkörper bzw. Unterwasserminen zwar als irgendwelche Objekte detektiert, jedoch nicht als Minen bzw. einen chemischen Stoff bzw. Sprengstoff aufweisende Unterwasserkörper erkannt werden. Daher kann es leicht dazu kommen, dass getarnte Minen mit den bekannten Verfahren zur Minenräumung unerkannt bleiben, nicht geräumt werden und daher eine Gefahr für Wasserfahrzeuge bzw. Schiffe in einem dann nur vermeintlich von Unterwasserminen geräumten Gewässer darstellen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Erkennen von in Gewässern angeordneten und einen chemischen Stoff aufweisenden Unterwasserkörpern zu verbessern, insbesondere auch getarnte Unterwasserminen zu erkennen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einer Erkennungsvorrichtung nach Anspruch 1 und mit einem Erkennungsverfahren nach Anspruch 8 jeweils zum Erkennen eines in einem Gewässer angeordneten und einen chemischen Stoff aufweisenden Unterwasserkörpers. Ferner löst die Erfindung diese Aufgabe mit einem System nach Anspruch 7, welches ein Unterwasserfahrzeug und die Erkennungsvorrichtung aufweist.
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Die Erkennungsvorrichtung weist wenigstens einen Sensor auf, mittels dem Sensordaten, die auch Signale sein können, bereitgestellt werden. Anhand dieser Sensordaten wird der chemische Stoff kontaktlos auf indirekte Weise erkannt. Insbesondere wird der chemische Stoff klassifiziert. Ein Klassifizieren bezeichnet vorliegend das Angeben einer Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei dem chemischen Stoff um einen bestimmten chemischen Stoff oder um einen Stoff einer bestimmten Art von Stoffen, bspw. um einen Sprengstoff, handelt. Der Sensor ist dabei wie der Unterwasserkörper im Gewässer angeordnet und somit zumindest durch Wasser (des Gewässers) vom chemischen Stoff getrennt.
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Durch das Erkennen des chemischen Stoffes wird der Unterwasserkörper als diesen chemischen Stoff aufweisend erkannt. Im Unterschied zur Aufklärung mittels Sonar wird somit nicht die Hülle eines Objekts als Hülle einer Unterwassermine detektiert und dann lediglich vermutet, dass diese Hülle einen Sprengstoff aufweist. Vielmehr wird unabhängig von der Hülle bzw. von der äußeren Form der chemische Stoff erkannt und somit festgestellt, dass das Objekt ein Unterwasserkörper ist, der diesen chemischen Stoff aufweist. Dies führt zu verlässlicheren Ergebnissen bei der Erkennung von Unterwasserkörpern, die einen chemischen Stoff aufweisen bzw. von Unterwasserminen, die Sprengstoff aufweisen.
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Der chemische Stoff wird insbesondere dadurch erkannt, dass der chemische Stoff in seiner Umgebung Anomalien erzeugt, die aufgrund des chemischen Stoffes in der Nähe des Sensors von diesem Sensor sensiert werden können, und der Sensor in Erwiderung auf diese physikalisch messbaren Anomalien Signale oder Daten bereitstellt, die ebenfalls Anomalien aufweisen. Von diesen Anomalien schließt die Erfindung auf den chemischen Stoff.
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Die Erkennungsvorrichtung weist daher Anomalieerkennungsmittel auf, die Anomalien in den Sensordaten erkennen. Ferner weist die Erkennungsvorrichtung Stofferkennungsmittel auf, die den chemischen Stoff kontaktlos und indirekt mittels dieser erkannten Anomalien erkennen. Schließlich weist die Erkennungsvorrichtung Unterwasserkörpererkennungsmittel auf, mittels denen in Erwiderung auf das Erkennen des chemischen Stoffes der Unterwasserkörper als diesen chemischen Stoff aufweisend erkannt wird.
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Vorzugsweise wird der chemische Stoff nicht nur klassifiziert, sondern alternativ oder zusätzlich identifiziert. Die Erkennungsvorrichtung bestimmt in diesem Fall, dass es sich bei dem chemischen Stoff eindeutig um einen bestimmten chemischen Stoff, bspw. um Sprengstoff handelt. Für einen identifizierten chemischen Stoff ist vorzugsweise zumindest ein Hauptbestandteil und/oder eine Gruppenzugehörigkeit bestimmt. Vorzugsweise beinhaltet das Identifizieren des chemischen Stoffes das Ermitteln einer quantitativen Zusammensetzung des chemischen Stoffes auf Elementebene für ein oder für mehrere, vorzugsweise für alle in wesentlichen Anteilen, insbesondere von mehr als zehn Gewichtsprozent, im chemischen Stoff enthaltenen Elemente.
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Der Unterwasserkörper weist vorzugsweise eine Hülle auf, in welcher der chemische Stoff aufgenommen ist und durch welche der Sensor vom chemischen Stoff zusätzlich getrennt ist. Die Erkennungsvorrichtung ist derart ausgebildet, dass sie auch den innerhalb der Hülle angeordneten chemischen Stoff erkennen kann. Alternativ kann der chemische Stoff jedoch auch bspw. ein sog. Plastiksprengstoff (plastischer Sprengstoff) sein, der ohne eine Hülle auskommt.
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Vorzugsweise vergleicht die Erfindung zum Erkennen der Anomalien die vom Sensor bereitgestellten Signale oder Daten mit Referenzsignalen bzw. Referenzdaten, die verschiedenen zu erwartenden chemischen Stoffen zugeordnet sind. Insbesondere vergleicht die Erfindung aus diesen Signalen bzw. Daten gewonnene Kurven mit Referenzkurven, die verschiedenen zu erwartenden chemischen Stoffen zugeordnet sind. Auf diese Weise ordnet die Erfindung einer erkannten Anomalie über eine Referenzkurve, die nächstliegend zur ermittelten Kurve ist, den dieser Referenzkurve zugeordneten chemischen Stoff zu.
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Die Kurven und Referenzkurven sind in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Abklingkurven, insbesondere aus einem Abklingprozess detektierbarer Neutronen.
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Bevorzugt weist die Erkennungsvorrichtung eine Neutronenquelle auf, mit der im Falle ihrer zumindest durch Wasser des Gewässers vom chemischen Stoff getrennten Anordnung im Gewässer Neutronen emittiert werden können, die in diesem Wasser moderiert werden können und mit dem chemischen Stoff derart wechselwirken können, dass Neutronen, insbesondere vom chemischen Stoff, absorbiert und/oder emittiert und/oder Strahlen emittiert werden. Insbesondere ist die Neutronenquelle eine niederfrequente Neutronenröhre, die mittels Neutronenfreigabemitteln eine kontrollierte Emission von Neutronen mit einer definierten Frequenz und mit einem definierten Neutronenfluss ermöglicht. Bevorzugt verwendet die Erfindung Deuterium als Neutronenquelle. Mittels des o. g. Sensors nachweisbare Neutronen sind bevorzugt diese Neutronen oder mittelbar emittierte andere Neutronen. Die Strahlen sind bevorzugt im chemischen Stoff erzeugte β-Strahlen oder von den Neutronen durch Wechselwirkung auch mit dem Wasser erzeugte α-Strahlen.
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Vorzugsweise emittiert die Neutronenquelle Neutronen bei einer Frequenz von 20 Hz und mit einem Fluss von 100 Mio. Teilchen pro Sekunde. Die emittierten Neutronen sind vorzugsweise schnelle Neutronen, insbesondere mit einer Energie von mehr als 10 keV und einer Geschwindigkeit von mehr als 1400 km/s, die vorzugsweise gerichtet zum Wasser freigegeben werden. Die schnellen Neutronen werden im Wasser abgebremst und dadurch in langsame bzw. sog. thermische Neutronen umgewandelt, die bei einer Zimmertemperatur von 293,15 Kelvin eine Energie von ca. 0,0252 eV und eine Geschwindigkeit von ca. 2,200 km/s aufweisen. Bei hiervon abweichender Temperatur des Wassers ergeben sich entsprechend andere Werte für die Energie und die Geschwindigkeit der thermischen Neutronen. Im Einzelnen werden die Neutronen durch elastische Neutronenstreuung an den Atomen der Moleküle des Wassers elastisch gestreut, wobei sie soviel ihrer Energie und Geschwindigkeit abgeben, dass sie im Allgemeinen nach ca. 18 Stößen im Wasser zu thermischen Elektronen geworden sind.
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Diese thermischen Elektronen wechselwirken mit dem chemischen Stoff derart, dass es zu einem inelastischen bzw. kurzfristigen Neutroneneinfang bzw. einer inelastischen Streuung oder zu einem thermischen Neutroneneinfang an Teilchen des chemischen Stoffes kommt. Nach einer endlichen Zeitdauer kann dasselbe oder ein anderes Neutron von diesem Teilchen emittiert werden. Ferner kommt es zur Aussendung von γ-Quanten bzw. γ-Strahlung. Auf diese Weise werden vom chemischen Stoff Teilchen, nämlich in diesem Fall Neutronen, und/oder Strahlen, nämlich in diesem Fall γ-Quanten, emittiert.
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Der Sensor der Erkennungsvorrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass diese oder derartige Neutronen und/oder Strahlen und/oder Eigenschaften dieser Neutronen und/oder Strahlen direkt und/oder indirekt mittels dieses Sensors zum Erkennen, insbesondere Identifizieren, des chemischen Stoffes nachgewiesen werden können. Insbesondere kommen in der Umgebung des chemischen Stoffes in Abhängigkeit von diesem chemischen Stoff nachweisbare Neutronen und/oder γ-Quanten in einer abweichenden Anzahl und/oder mit einer abweichenden Energie und/oder Geschwindigkeit vor. Auch ein Einfluss des chemischen Stoffes auf nachweisbare α-Strahlung ist erkennbar. Auf diese Weise können Anomalien in der Umgebung des chemischen Stoffes festgestellt werden, so dass der chemische Stoff ohne direkten Kontakt erkannt bzw. identifiziert werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Sensor einen Neutronendetektor auf, mittels dem Neutronen und/oder Eigenschaften dieser Neutronen nachgewiesen werden können. Insbesondere werden mittels des Neutronendetektors Neutronen nachgewiesen, die vom chemischen Stoff und/oder vom Wasser emittiert und/oder reflektiert werden. Der Neutronendetektor weist Neutroneneinfangmittel zum Einfangen von Neutronen auf. Der Sensor weist ferner Datenerzeugungsmittel auf, mittels denen in Abhängigkeit der eingefangenen Neutronen die Sensordaten bzw. Sensorsignale erzeugt werden.
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Ein Teil der von der Neutronenquelle emittierten Neutronen wird auch ohne das Vorhandensein eines chemischen Stoffes bzw. eines zu untersuchenden Objekts im Wasser reflektiert, so dass reflektierte Neutronen wird auf den Neutronendetektor treffen und nachgewiesen werden.
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Wenn sich jedoch ein im Gewässer befindliches Objekt in der Nähe der Neutronenquelle und in der Nähe des Neutronendetektors befindet, so dass von der Neutronenquelle emittierte Neutronen mit diesem Objekt und, falls dieses Objekt einen chemisches Stoff aufweist, mit diesem chemisches Stoff in Wechselwirkung treten, wird in der Umgebung des chemischen Stoffes im Wasser bzw. zwischen dem chemischen Stoff und dem Sensor sowie im Bereich des Sensors eine Anomalie bzgl. der Anzahl, Energie und/oder Geschwindigkeit detektierbarer Neutronen hervorgerufen. Signale bzw. Daten, die von diesem Sensor erzeugt werden, weisen daher ebenfalls eine Anomalie auf. Gleiches gilt für eine Kurve, die aus diesen Signalen bzw. Daten erzeugt werden kann.
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Die Kurve ist vorzugsweise eine Abklingkurve, welche sich ergibt, wenn in einem Zeitintervall die Anzahl jeweils in einem Unterzeitintervall detektierter Neutronen über der Zeit aufgetragen wird. Insbesondere werden die Neutronen mit einer Frequenz von 20 Hz kontrolliert emittiert. Nach jeder kontrollierten Emission wird eine Abklingkurve für eine Zeitdauer von vorzugsweise etwa 2 ms ermittelt, da diese Zeit in etwa der Lebensdauer von Neutronen entspricht. Dabei erfolgt die Registrierung bzw. Detektion der Neutronen in ausgewählten Zeitfenstern, die vorzugsweise jeweils eine Länge von 32 μs aufweisen. Auf diese Weise wird der Abklingprozess der Neutronen in der Regel komplett erfasst. Die jeweils ermittelte Abklingkurve weist eine für den chemischen Stoff bzw. das untersuchte Medium typischen Verlauf auf, so dass durch einen Vergleich mit Referenzkurven der chemische Stoff erkannt werden kann.
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In einer Ausbildungsform weist die Erkennungsvorrichtung alternativ oder zusätzlich einen γ-Strahlendetektor auf, mittels dem die Erfindung zum Erkennen des chemischen Stoffes bzw. zum Erkennen von Anomalien γ-Strahlen, die, insbesondere vom chemischen Stoff, emittiert werden, und/oder Eigenschaften dieser γ-Strahlen nachgewiesen werden. Insbesondere weist die Erfindung eine Anzahl von γ-Strahlen nach, die mittels des Sensors erfasst wird.
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Das Nachweisen von Strahlen, insbesondere γ-Strahlen, ist besonders vorteilhaft, da mittels der γ-Strahlung direkt eine Wechselwirkung mit Materie bzw. dem chemischen Stoff nachweisbar ist. Insbesondere ergibt sich eine Energie der γ-Strahlen in Abhängigkeit einer Energiedifferenz zwischen angeregten und nicht angeregten Zuständen von Teilchen des chemischen Stoffes. Diese Zustände sind teilchentypisch, so dass von den emittierten γ-Strahlen auf die Teilchen geschlossen werden kann.
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Darüber hinaus können die γ-Strahlen vorteilhaft vom Sensor detektiert werden, da sie das zwischen dem chemischen Stoff und dem Sensor angeordnete Wasser im Wesentlichen ungehindert durchdringen.
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In einer alternativen oder hierauf aufbauenden Ausführungsform umfasst der Sensor alternativ bzw. zusätzlich einen α-Strahlendetektor. Mittels dieses α-Strahlendetektors weist die Erfindung mittels der Neutronen mittelbar emittierte und auf den α-Strahlendetektor treffende α-Strahlen und/oder Eigenschaften dieser Strahlen nach.
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In beiden vorstehenden Ausführungsformen weist der jeweilige Strahlendetektor Strahleneinfangmittel zum Einfangen der jeweiligen Strahlen auf. Der Sensor weist jeweils Datenerzeugungsmittel auf, welche in Abhängigkeit der jeweils eingefangenen Strahlen die Sensorsignale erzeugt. Insbesondere können die Strahlen eine physikalisch messbare Reaktion im Strahlendetektor auslösen und dadurch indirekt das Erzeugen der Sensorsignale bewirken.
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Vorzugsweise ist die Erkennungsvorrichtung derart ausgebildet, dass der erkannte, insbesondere klassifizierte und/oder identifizierte, chemische Stoff zum Detektieren und/oder Klassifizieren und/oder Identifizieren des Unterwasserkörpers herangezogen wird bzw. heranziehbar ist. Das Erkennen des Unterwasserkörpers als den chemischen Stoff aufweisend umfasst somit vorzugsweise ein Detektieren, dass bspw. ein gesuchter Unterwasserkörper in der Nähe des Sensors angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Erkennen des Unterwasserkörpers vorzugsweise ein Klassifizieren, dass es sich bei dem Unterwasserkörper mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit bspw. um irgendeine Mine oder um eine bestimmte Art von Mine handelt. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Erkennen des Unterwasserkörpers ein Identifizieren dieses Unterwasserkörpers, also bspw. das Ermitteln, dass es sich sicher um einen bestimmten Minentyp handelt, bzw. das Ermitteln, dass der Unterwasserkörper sicher Sprengstoff enthält. Vorzugsweise bestimmt die Erfindung, dass der Unterwasserkörper mit einer definierten Wahrscheinlichkeit oder sicher eine bestimmte Menge Sprengstoff und/oder Zusammensetzung von verschiedenen Sprengstoffen enthält.
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In einer besonderen Ausführungsform weist die Erkennungsvorrichtung wenigstens einen Akustiksensor auf, mittels dem, insbesondere im Falle seiner zumindest durch Wasser des Gewässers vom chemischen Stoff getrennten Anordnung im Gewässer, Wasserschallsignale empfangen werden können, die vom Unterwasserkörper emittiert oder reflektiert werden. Insbesondere wird auf diese Weise der Unterwasserkörper mittels Sonartechnik als ein im Wasser befindliches Objekt detektiert. Vorteilhaft ist es, auf diese Weise zunächst akustisch und/oder optisch zu erkennen, wo überhaupt ein Objekt vorhanden ist und dieses Objekt dann mittels des Neutronendetektors und/oder mittels des γ-Strahlendetektors und/oder mittels des α-Strahlendetektors genauer daraufhin zu untersuchen, ob es sich bei dem Objekt um einen Unterwasserkörper handelt, der einen bestimmten chemischen Stoff, insbesondere Sprengstoff, aufweist. Somit nutzt die Erfindung nach einer Detektion bspw. durch den Akustiksensor, die in bestimmten Ausführungsformen auch in einer Entfernung des chemischen Stoffs vom Akustiksensor von mehr als 10 m oder sogar vielen Kilometern erfolgen kann, den Sensor, insbesondere Neutronendetektor und/oder Strahlendetektor, zum Klassifizieren und/oder Identifizieren des chemischen Stoffes.
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Alternativ detektiert die Erfindung den Unterwasserkörper nicht vorab, sondern erkennt den chemischen Stoff und schließt daraus auf die Existenz und ggf. auf eine Entfernung zum Sensor und/oder auf eine Lage des den chemischen Stoff aufweisenden Unterwasserkörpers, insbesondere relativ zum Sensor bzw. relativ zu einem den Sensor aufweisenden Unterwasserfahrzeug. Alternativ oder zusätzlich ermittelt die Erkennungsvorrichtung unter Nutzung eines Positionsbestimmungssystems eine absolute Position des Unterwasserkörpers.
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Die Erkennungsvorrichtung ist in einer Weiterbildung derart ausgebildet, dass sie mittels des Akustiksensors empfangene Wasserschallsignale zum Klassifizieren und/oder Identifizieren des Unterwasserkörpers heranziehen kann bzw. heranzieht. Insbesondere kann die mittels des Akustiksensors und bildgebender Verfahren ermittelte Form des Unterwasserkörpers unterstützend Aufschlüsse darüber geben, um welche Art von Mine es sich bspw. bei dem Unterwasserkörper handelt und welche Art von Sprengstoff der Unterwasserkörper möglicherweise enthält.
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Eine geometrische Anordnung des Sensors und/oder Akustiksensors relativ zum Unterwasserobjekt ist vorzugsweise so gewählt, dass, insbesondere in Verbindung mit einem Positionsbestimmungssystem, welches eine Position des Sensors bzw. eines den Sensor tragenden Objekts ermitteln kann, eine Positionsbestimmung des Unterwasserobjekts durchgeführt werden kann. In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Erkennungsvorrichtung daher ein Positionsbestimmungssystem auf.
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Das erfindungsgemäße Erkennungsverfahren weist Verfahrensschritte auf, wie sie von der erfindungsgemäßen Erkennungsvorrichtung durchführbar sind. Darüber hinaus wird in einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens der Unterwasserkörper zunächst bspw. akustisch und/oder optisch detektiert und vorzugsweise seine absolute und/oder relative Position zum Sensor bestimmt, bevor nachfolgend der Sensor, vorzugsweise einschließlich der Neutronenquelle, mit einem Unterwasserfahrzeug bis auf einen vorgegebenen oder vorgebbaren Abstand an den Unterwasserkörper herangefahren wird, bevor nachfolgend der chemische Stoff erkannt, insbesondere klassifiziert und/oder identifiziert wird.
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Das Unterwasserfahrzeug ist vorzugsweise ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug, das autonom und/oder ferngesteuert das Erkennungsverfahren zumindest teilweise durchführt. Das Unterwasserfahrzeug kann über einen eigenen Antrieb verfügen und angetrieben sein oder alternativ geschleppt werden. Es kann kabelgebunden oder autonom agieren. Ferner kann es unter die Wasseroberfläche abtauchen und dort ohne Räder oder Ketten und ohne Kontakt zum Grund des Gewässers bewegt werden bzw. sich selbsttätig bewegen.
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Teile des Verfahrens, insbesondere was die Auswertung von Daten bzw. das Erkennen von Anomalien und das Erkennen des chemischen Stoffes sowie des Unterwasserkörpers betrifft, können ganz oder teilweise außerhalb dieses Unterwasserfahrzeugs, nämlich bspw. an Bord eines begleitenden Wasserfahrzeugs oder bemannten Unterwasserfahrzeugs, stattfinden, auf dem somit in diesem Fall ein Teil der Erkennungsvorrichtung angeordnet ist.
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Der vorgegebene oder vorgebbare Abstand, auf den der Sensor bzw. das Unterwasserfahrzeug mit dem Sensor an den Unterwasserkörper herangefahren wird, beträgt vorzugsweise zwischen 0,1 m und 4,0 m. Besonders bevorzugt beträgt dieser Abstand zwischen 0,2 m und 2,0 m. Dies sind Abstände, innerhalb derer Anomalien in der Umgebung des Unterwasserkörpers vorteilhaft nachgewiesen werden können. Insbesondere werden Neutronen ausreichend moderiert, und es erreichen ausreichend Neutronen den Unterwasserkörper, um eine messbare Anomalie zu erzeugen.
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Das erfindungsgemäße System mit dem Unterwasserfahrzeug weist die erfindungsgemäße Erkennungsvorrichtung auf, wobei die Erkennungsvorrichtung ganz oder teilweise Teil des Unterwasserfahrzeugs ist. Insbesondere weist das Unterwasserfahrzeug zumindest den o. g. Sensor auf. Das System ist ferner derart ausgebildet, dass mittels des Systems der Unterwasserkörper detektierbar ist. Darüber hinaus ist das System vorzugsweise derart ausgebildet, dass nachfolgend der Sensor mittels des Unterwasserfahrzeugs, welches vorteilhafterweise ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug ist, auf den genannten vorgegebenen oder vorgebbaren Abstand an den Unterwasserkörper herangefahren werden kann und nachfolgend der chemische Stoff mittels der Erkennungsvorrichtung erkannt, insbesondere klassifiziert und/oder identifiziert, werden kann bzw. wird.
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Das System ist vorzugsweise ferner derart ausgebildet, dass mittels dieses Systems das erfindungsgemäße Erkennungsverfahren durchgeführt werden kann.
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Teile des Systems, insbesondere Teile der Erkennungsvorrichtung, sind vorzugsweise abseits des Unterwasserfahrzeugs angeordnet. Vorteilhafterweise ist eine Bedien- und Auswerteeinheit zum Steuern des Verfahrens und zum Auswerten von Verfahrensergebnissen, insbesondere der Sensorsignale bzw. Sensordaten, an einem anderen Wasserfahrzeug oder Unterwasserfahrzeug oder an einem Fahrzeug zu Land oder in der Luft oder an einer festen Station angeordnet. Eine Verbindung zum Austausch von Signalen und/oder Daten zwischen der Bedien- und Auswerteeinheit sowie ggf. einer Bedien- und Kontrolleinheit für das Unterwasserfahrzeug ist vorzugsweise über eine Kabelverbindung gegeben.
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Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus den anhand der Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Systems und einer Erkennungsvorrichtung samt ihrer Komponenten sowie eines Erkennungsverfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
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2 ein System und eine Erkennungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt ein System 1 mit einem Unterwasserfahrzeug 2, wobei das System 1 eine Erkennungsvorrichtung 4 aufweist. Ein erster Teil der Erkennungsvorrichtung 4 ist im bzw. am Unterwasserfahrzeug 2 angeordnet. Ein zweiter Teil der Erkennungsvorrichtung 4 ist in bzw. an einem Wasserfahrzeug 6 angeordnet. Eine Kommunikation des ersten Teils der Erkennungsvorrichtung mit dem zweiten Teil der Erkennungsvorrichtung bzw. eine Kommunikation zwischen dem Unterwasserfahrzeug 2 und dem Wasserfahrzeug 6 findet in diesem speziellen Ausführungsbeispiel drahtlos mittels eines Kommunikationssignals 8 statt. Insbesondere werden mittels dieses Kommunikationssignals 8 Informationen vom Unterwasserfahrzeug 2 an das Wasserfahrzeug 6 gesendet. Die Kommunikation erfolgt bspw. akustisch mittels Schall im Wasser oder über Funk, wenn das Unterwasserfahrzeug 2 bspw. am Ende eines Einsatzes mit einer Funkantenne aufgetaucht ist.
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Das Unterwasserfahrzeug 2 ist unterhalb der Wasseroberfläche 10 eines – Wasser und einen Grund umfassenden – Gewässers 14 angeordnet, welches ein Binnengewässer, insbesondere ein See oder Fluss, oder ein Meer o. ä. ist. Im Wasser des Gewässers kann sich das Unterwasserfahrzeug 2 autonom bewegen. Hierfür verfügt es über einen nicht dargestellten Antrieb und über nicht dargestellte Einrichtungen, die eine Orientierung erlauben. Das Wasserfahrzeug 6 schwimmt hingegen auf dem Gewässer 14 und ist somit zum Teil im Wasser und zum Teil oberhalb der Wasseroberfläche 10 angeordnet.
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Im Gewässer 14 ist ein Unterwasserkörper 16 angeordnet. Ein Unterwasserkörper 16 ist zumindest in dem Fall als im Gewässer 14 angeordnet zu verstehen, wenn Wasser des Gewässers 14 an diesen Unterwasserkörper 16 angrenzt. Insbesondere kann der im Gewässer 14 angeordnete Unterwasserköper 16 auch teilweise im Grund des Gewässers 14 eingesunken sein und/oder ganz oder teilweise von einer Schicht von Sedimenten, Muscheln und/oder anderen organischen Materialien bedeckt sein. Diese Schicht ist vorzugsweise jedoch zumindest teilweise dünner als 10 cm, vorteilhafter dünner als 2 cm.
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Der Unterwasserkörper 16 weist eine Hülle 18 auf, die einen Innenraum 20 umschließt und hermetisch vom Wasser des Gewässers 14 trennt. Der Unterwasserkörper 16 ist eine getarnte Unterwassermine. Von der äußeren Form des Unterwasserkörpers 16 nicht erkennbar, weist dieser Unterwasserkörper 16 nämlich in seinem Innenraum 20 einen chemischen Stoff 22, nämlich Sprengstoff, auf. Ferner ist im Innenraum 20 des Unterwasserkörpers 16 noch eine nicht dargestellte Zündvorrichtung angeordnet, welche in der Lage ist, eine Schiffssignatur in der Umgebung des Unterwasserkörpers 16 zu erkennen und in Erwiderung auf eine erkannte Schiffssignatur den chemischen Stoff bzw. Sprengstoff 22 zu zünden bzw. zur Explosion zu bringen.
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Das Wasserfahrzeug 6 weist eine Sonaranlage 24 auf, von der ausgehende Wasserschallsignale 26 gesendet und eingehende Wasserschallsignale 28 mittels eines Akustiksensors 30 empfangen werden können. Der Akustiksensor 30 weist hierfür vorzugsweise eine Vielzahl von Wasserschallwandlern auf, mittels denen aus empfangenen Wasserschallsignalen elektrische Signale bzw. Daten generiert werden können, so dass die Sonaranlage 24 nach weiteren hier nicht im Detail erläuterten Operationen optisch und/oder akustisch darstellbare Abbilder der Umgebung erzeugt, aus der die eingehenden Wasserschallsignale 28 empfangen wurden.
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Mittels des Akustiksensors 30 ist die Erkennungsvorrichtung 4 in der Lage, den Unterwasserkörper 16 zu detektieren, ohne jedoch erkennen zu können, ob der Unterwasserkörper 16 den chemischen Stoff 22 mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit oder sogar sicher aufweist. Der getarnte Unterwasserkörper 16 kann allein unter Einsatz des Akustiksensors 30 somit keine Identifizierung des Unterwasserkörpers 16 vornehmen.
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Allerdings kann mittels des Akustiksensor 30 eine Position des Unterwasserkörpers 16 detektiert werden und das Unterwasserfahrzeug den Auftrag bekommen, gezielt an dieser Position nach dem Unterwasserkörper 16 zu suchen und diesen Unterwasserköper 16 weiter zu untersuchen. Alternativ kann das Unterwasserfahrzeug 2 auch unabhängig von am Wasserfahrzeug 6 ermittelten Informationen das Gewässer 14 nach dem Unterwasserkörper 16 und ggf. vorhandenen weiteren Objekten bzw. Unterwasserkörpern absuchen und diese Objekte untersuchen. Alternativ oder zusätzlich kann der Akustiksensor 30 bzw. ein weiterer Akustiksensor vorteilhafterweise als Teil einer Sonaranlage im Unterwasserfahrzeug 2 angeordnet sein.
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Das Unterwasserfahrzeug 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel als autonomes Unterwasserfahrzeug 2 ausgebildet, das zwar eine Programmierung erhalten bzw. empfangen kann, das jedoch zumindest nicht fortwährend auf eine Steuerung von außen angewiesen ist, sondern sich autonom selbst steuert und hierfür geeignete nicht dargestellte Sensoren zur Erfassung der Umgebung und/oder zur Erfassung der Eigenposition und/oder der Änderung der Eigenposition aufweist. Beispiele für derartige Sensoren sind optische Sensoren bzw. Kameras, akustische Sensoren bzw. Wasserschallwandler, magnetische Sensoren und Antennen zur Erfassung von Signalen, bspw. Signalen eines Satellitensignale empfangenden Ortsbestimmungssystems, wie des sog. Global Positioning Systems (GPS). Zum Empfangen von Signalen kann das Unterwasserfahrzeug 2 derart ausgebildet sein, dass es zeitweilig in den Bereich der Wasseroberfläche 10 auftaucht oder eine Antenne aufschwimmen lässt.
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Das Unterwasserfahrzeug 2 verfügt über nicht dargestellte Einrichtungen zur Energieversorgung der am Unterwasserfahrzeug 2 angeordneten Teile der Erkennungsvorrichtung und zur Versorgung eines ebenfalls nicht dargestellten Antriebs und einer Steuerung des Unterwasserfahrzeugs 2.
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Die Erkennungsvorrichtung 4 weist im Unterwasserfahrzeug 2 eine Neutronenquelle 32 auf, die eine niederfrequente Neutronenröhre ist, von der mittels Neutronenfreigabemitteln 33 kontrolliert Neutronen 34 mit einer Frequenz von 20 Hz und einem Fluss von 108 Teilchen pro Sekunde emittiert werden. Die Neutronen 34 verlassen als schnelle Neutronen 34 die Neutronenquelle 32 und werden im Wasser des Gewässers 14 abgebremst. Insbesondere wirkt das Wasser des Gewässers 14 als Moderator auf die schnellen Neutronen 34. Die Neutronen 34 werden an den Molekülen des Wassers elastisch gestreut, wobei sie einen Teil ihrer Energie abgeben und ihre Richtung ändern. Die Neutronen 34 werden soweit abgebremst, bis sie zu langsamen bzw. sog. thermischen Neutronen 36 geworden sind.
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Die Neutronen haben eine Lebensdauer von ca. 2 ms. Nach einer Emission schneller Neutronen 34 weist die Erfindung daher für eine Zeitdauer von etwa 2 ms in Zeitfenstern von jeweils 32 μs Neutronen 36 mittels eines Sensors 38 nach. Insbesondere werden thermische Neutronen 36 nachgewiesen, die auf einen Neutronendetektor 40 des Sensors 38 treffen. Die während eines Zeitfensters von 32 μs emittierten Neutronen 34 erreichen zu unterschiedlichen Zeiten als Neutronen 36 den Neutronendetektor 40. Der Neutronendetektor 40 weist Neutroneneinfangmittel 41 auf, welche die Neutronen 36 einfangen, so dass der Sensor 40 in Erwiderung auf das Einfangen der Neutronen 36 mittels Datenerzeugungsmitteln 41a Sensordaten erzeugt. Daraus ermittelt die Erfindung jeweils eine Abklingkurve. Diese Abklingkurve weist einen typischen Verlauf für unterschiedliche Medien auf, die auf dem Weg der Neutronenquelle 32 zum Neutronendetektor 40 von den Neutronen 36 durchdrungen werden.
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Auf diese Weise gelingt es der Erfindung nicht nur, den Unterwasserkörper 16 zu detektieren, sondern auch den darin enthaltenen chemischen Stoff 22 zu klassifizieren und zu identifizieren. Ein Teil der in einem Neutronenfeld 42 vorliegenden thermischen Neutronen 36 dringt nämlich durch die Hülle 18 des Unterwasserkörpers 16 zum chemischen Stoff 22 vor, wo die Neutronen 36 an Teilchen, insbesondere Atomkernen, des chemischen Stoffs 22 inelastisch gestreut oder von diesen Teilchen eingefangen werden. Nach einer endlichen Zeitdauer werden von den Teilchen, die Neutronen 36 eingefangen haben, jedoch wieder Neutronen 36 emittiert. Die Zeitdauer, nach der diese Neutronen 36 emittiert werden, hängt vom chemischen Stoff 22 ab. Mit dem chemischen Stoff 22 im Neutronenfeld 42 ergibt sich daher gegenüber einer Anordnung ohne den chemischen Stoff 22 im Neutronenfeld 42 zu unterschiedlichen Zeitpunkten eine unterschiedliche Anzahl mittels des Neutronendetektors 40 nachweisbarer Neutronen 36. Insbesondere ermittelt die Erfindung mit dem chemischen Stoff 22 eine in Abhängigkeit von diesem chemischen Stoff 22 andere Abklingkurve für den Neutronenzerfall.
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Neben dem Neutronendetektor 40 weist der Sensor 28 in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich einen γ-Strahlendetektor 44 und einen α-Strahlendetektor 46 auf. Wenn nämlich die Neutronen 36 zeitweilig von Teilchen des chemischen Stoffes 22 eingefangen werden, wechseln diese Teilchen zunächst in einen höheren Energiezustand und fallen hiernach unter Aussendung von γ-Strahlung 48 wieder in ihren Grundzustand zurück. Das Neutron 36 bleibt dabei zunächst im Kern erhalten, womit ein in den meisten Fällen instabiles Isotop des jeweiligen Teilchens gebildet ist. Nach einer endlichen Zeitdauer zerfällt das Neutron 36 jedoch in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino. Die vom chemischen Stoff 22 ausgehende γ-Strahlung 48 wird vom γ-Strahlendetektor 44 von Strahleneinfangmitteln 49 eingefangen. Die Datenerzeugungsmittel 41a erzeugen daraufhin Sensordaten, die zur Klassifizierung bzw. Identifizierung des chemischen Stoffes 22 herangezogen werden. Auch durch Wechselwirkung mit den Neutronen 36 freigesetzte α-Strahlung 50 kann mittels des α-Strahlendetektors 46 detektiert und zur Klassifizierung bzw. Identifizierung des chemischen Stoffes 22 herangezogen werden.
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Messergebnisse bzw. Daten des Sensors 38 werden in den Kommunikationssignalen 8 an eine Auswerteeinheit 52 der Erkennungsvorrichtung 4 gesendet. Diese Auswerteeinheit 52 ist auf dem Wasserfahrzeug 6 angeordnet. Das Senden der Kommunikationssignale 8 kann bspw. über Funk erfolgen, wenn das Unterwasserfahrzeug 2 mit einer Antenne verbunden ist bzw. eine Antenne aufweist, die über die Wasseroberfläche 10 herausragt, wobei das Wasserfahrzeug 6 in einer Ausführungsform bspw. zu einer Zeit Messungen mittels des Sensors 38 durchführt und Messergebnisse zwischenspeichert und zu einer anderen Zeit diese zwischengespeicherten Daten über die Kommunikationssignale 8 an die Auswerteeinheit 52 übermittelt. Eine Vorauswertung kann in einer besonderen Ausführungsform auch bereits am Unterwasserfahrzeug 2 erfolgen. Alternativ oder zusätzlich erfolgt abweichend von diesem Ausführungsbeispiel eine vollständige Auswertung am Unterwasserfahrzeug 2.
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Die Auswerteeinheit 52 weist Anomalieerkennungsmittel 53 auf, die Anomalien in den Sensordaten erkennt. Stofferkennungsmittel 53a erkennen aus den erkannten Anomalien, insbesondere durch Abgleich mit Daten aus einer Datenbank, den chemischen Stoff 22. Schließlich folgern Unterwasserkörpererkennungsmittel 53b, dass der Unterwasserkörper 16 den chemischen Stoff 22 mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit oder sicher aufweist und somit bspw. eine Gefahr darstellt, wenn der chemische Stoff 22 als Sprengstoff klassifiziert oder identifiziert wurde.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in Teilen dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 gleicht. Insbesondere bezeichnen gleiche Bezugsziffern gleiche oder merkmalsähnliche Teile der Erfindung. Merkmale des Ausführungsbeispiels gemäß 2 können auch beliebig mit Merkmalen des Ausführungsbeispiels gemäß 1 kombiniert werden.
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Das Unterwasserfahrzeug 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel über ein Kabel 54 mit dem Wasserfahrzeug 6 verbunden. Das Kabel 54 ist bspw. ein Lichtwellenleiter bzw. ein Glasfaserkabel. Über dieses Kabel 54 können in beide Richtungen Kommunikationssignale 8 geleitet werden. Die Kommunikationssignale 8 weisen in diesem Ausführungsbeispiel nicht nur die Signale bzw. Daten auf, welche vom Unterwasserfahrzeug 2 an das Wasserfahrzeug 6 bzw. an die Auswerteeinheit 52 übermittelt werden. Vielmehr werden über das Glasfaserkabel 54 zusätzlich Steuerbefehle an das Unterwasserfahrzeug 2 übertragen. Diese Steuerbefehle umfassen Befehle zur Steuerung der Messungen, insbesondere mittels des Sensors 38, am Unterwasserfahrzeug 2. Die Auswerteeinheit 52 ist daher als eine Bedien- und Auswerteeinheit ausgebildet, welche auch die Bedienung des Sensors 38 ermöglicht.
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Ferner werden mit den Steuerbefehlen über das Kabel 54 auch Befehle zum Steuern des Unterwasserfahrzeugs 2, insbesondere in seiner Lage, Position, Geschwindigkeit und Richtung von einer Bedien- und Kontrolleinheit 58 übermittelt. Das Unterwasserfahrzeug 2 lässt sich auf diese Weise vom Wasserfahrzeug 6 aus fernsteuern. Das Fernsteuern des Unterwasserfahrzeugs 2 wird unterstützt durch Rückmeldungen, die über das Glasfaserkabel 54 zur Kontrolle an die Bedien- und Kontrolleinheit 56 gesendet werden.
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Neben der Neutronenquelle 32 ist als Teil der Erkennungsvorrichtung 4 eine Elektronik 58 dargestellt, welche die Neutronenquelle 32, insbesondere das gepulste Aussenden der Neutronen 34, steuert. Der Sensor 38 ist in diesem Fall lediglich zur Detektion von Neutronen 36 ausgebildet, wobei der Neutronendetektor 40 mehrere Neutronenempfänger als Neutroneneinfangmittel 41 aufweist. Mittels des Sensors 38 detektierte Werte, insbesondere Anzahlen von detektierten Neutronen 36 in Messintervallen bzw. deren zeitlicher Verlauf bzw. aus den Werten ermittelte Abklingkurven werden in einem Speicher 62 zwischengespeichert. Werte aus dem Speicher 62 werden in den Kommunikationssignalen 8 an die Bedien- und Auswerteeinheit 52 übermittelt.
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Das Unterwasserfahrzeug 2 bzw. die Erkennungsvorrichtung 4 weist ferner ein Navigationssystem 64 auf, welches in der Lage ist, zur Navigationsbestimmung bzw. Navigation des Unterwasserfahrzeugs 2 geeignete Daten bzw. Signale zu erzeugen und als Teil der Kommunikationssignale 8 an die Bedien- und Kontrolleinheit 56 im Wasserfahrzeug 6 zu übermitteln.
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In diesem besonderen Ausführungsbeispiel weist das Unterwasserfahrzeug 2 zusätzlich ein akustisches Tracking-System 66 auf, das bspw. mittels Sonar gewonnene Daten ggf. nach Aufbereitung und Verknüpfung mit Daten des Navigationssystems 66 an die Bedien- und Kontrolleinheit 56 übermittelt.
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Vorteilhafterweise ermittelt die Erkennungsvorrichtung 4 mittels des akustischen Tracking-Systems 66 zunächst den Unterwasserköper 16 anhand seiner Hülle 18. Dies wird mittels der Bedien- und Kontrolleinheit 56 oder einer anderen Kontrolleinheit am Wasserfahrzeug 6 erkannt. Daraufhin wird mittels der Bedien- und Kontrolleinheit 56 veranlasst, dass das Unterwasserfahrzeug 2 bis auf einen Abstand von bspw. 0,5 m an den Unterwasserkörper 16, der bis dahin lediglich detektiert, jedoch noch nicht oder nicht hinreichend klassifiziert und nicht identifiziert ist, herangefahren wird.
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Mittels der Bedien- und Auswerteeinheit 52 werden im Folgenden die Neutronenfreigabemittel 33 der Neutronenquelle 32 zum Freigeben bzw. emittieren von Neutronen 34 veranlasst bzw. es wird der Sensor 38 in Betrieb gesetzt und damit wenigstens eine Messung von Anomalien durchgeführt. Der chemische Stoff 22 im Unterwasserkörper 16 bewirkt nämlich Anomalien hinsichtlich vom Sensor 38 detektierter Neutronen 36. Am Unterwasserfahrzeug 2 oder in der Bedien- und Auswerteeinheit 52 am Wasserfahrzeug 6 werden von den Anomalienerkennungsmittel 53a Abklingkurven ermittelt und mit Referenzkurven verglichen. Die Referenzkurven sind bestimmten chemischen Stoffen zugeordnet. Im Falle der Übereinstimmung bzw. Ähnlichkeit von aus Messungen gewonnen Abklingkursen mit einer einem chemischen Stoff 22 zugeordneten Referenzkurve schließt die Erfindung mittels den Stofferkennungsmitteln 53a, dass der Unterwasserkörper 16 mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit oder sicher den chemischen Stoff 22, der dieser Referenzkurve zugeordnet ist, aufweist. Bei vergleichsweise geringer Übereinstimmung nimmt die Erfindung lediglich eine Klassifizierung mit einer Wahrscheinlichkeitsangabe vor, bei einer vergleichsweise höheren Übereinstimmung nimmt die Erfindung eine Identifizierung vor.
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In Erwiderung darauf bestimmt die Erfindung mittels den Unterwassererkennungsmitteln 53b den Unterwasserkörper 16 mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit oder sicher als den chemischen Stoff 22 aufweisend und klassifiziert bzw. identifiziert auf diese Weise den Unterwasserkörper 16 als ein im Wasser befindliches Objekt, das den bestimmten chemischen Stoff 22 mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit bzw. sicher aufweist.
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Die einzelnen Neutronenempfänger 60 sind vorzugsweise so relativ zueinander und relativ zur Neutronenquelle 32 angeordnet, dass die Erfindung eine Positionsbestimmung des Unterwasserkörpers 16 relativ zum Unterwasserfahrzeug 2 und in Verbindung mit dem Navigationssystem 64 auch eine absolute Positionsbestimmung des Unterwasserkörpers 16 durchführen kann. Diese Positionsbestimmung wird ggf. durch das akustische Tracking-System 66 sowie ggf. durch ein an Bord des Wasserfahrzeugs 6 befindliches Sonarsystem unterstützt.
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Die Erfindung ermöglicht das berührungslose Erkennen von einen chemischen Stoff 22 aufweisenden Unterwasserkörpern 16, auch wenn diese Unterwasserkörper 16 getarnt und äußerlich bspw. nicht als Minen erkennbar sind. Hierfür untersucht die Erfindung nicht die äußere Hülle des Unterwasserkörpers 16 bzw. der Mine, sondern erkennt direkt den chemischen Stoff 22 bzw. Sprengstoff. Auf diese Weise werden auch getarnte Minen erkannt, so dass eine Gefahr, die von unentdeckten Minen in vermeintlich von Minen geräumten Gewässern ausgehen könnte, mittels der Erfindung deutlich verringert wird. Die Erfindung leistet somit einen wertvollen Beitrag zur Sicherheit im Schiffsverkehr.
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Alle in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen genannten Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr sind alle Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
