DE102018212415A1

DE102018212415A1 - Unterwasserantenne mit einem Auslenkungs-Messmittel sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Unterwasserantenne

Info

Publication number: DE102018212415A1
Application number: DE102018212415.9A
Authority: DE
Inventors: Robert Munde; Christian Sohrt; Klaus Renken
Original assignee: ThyssenKrupp AG; Atlas Elektronik GmbH; ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp AG; Atlas Elektronik GmbH; ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Priority date: 2018-07-25
Filing date: 2018-07-25
Publication date: 2019-06-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Unterwasserantenne für ein Unterwasserfahrzeug (10), ein Unterwasserfahrzeug (10) mit einer solchen Unterwasserantenne sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Unterwasserantenne. Die Unterwasserantenne umfasst einen Antennenträger (1), einen ersten Unterwasser-Schallempfänger (2.1), mindestens einen zweiten Unterwasser-Schallempfänger (2.2, ...), ein erstes Messelement (8.1), mindestens ein zweites Messelement (8.2, 8.3, ...) und ein Messmittel (3, 13). Eine Bewegung des ersten Messelements (8.1) korreliert mit einer Auslenkung des ersten Unterwasser-Schallempfängers (2.1). Eine Bewegung des zweiten Messelements (8.2, 8.3, ...) korreliert mit einer Auslenkung des zweiten Unterwasser-Schallempfängers (2.2, ...). Das Messmittel (3, 13) misst eine Relativ-Bewegung des zweiten Messelements (8.2, 8.3, ...) relativ zum ersten Messelement (8.1). Das Messmittel (3, 13) leitet rechnerisch aus der gemessenen Relativ-Bewegung zwischen den beiden Messelementen (8.1, 8.2, 8.3, ...) ein Maß für die Auslenkung des zweiten Unterwasser-Schallempfängers (2.2, ...) relativ zum ersten Unterwasser-Schallempfänger (2.1) her und gibt es aus.

Description

Die Erfindung betrifft eine Unterwasserantenne für ein Unterwasserfahrzeug, ein Unterwasserfahrzeug mit einer solchen Unterwasserantenne sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Unterwasserantenne.
Bekannt ist, an den Fahrzeug-Körper eines Unterwasserfahrzeugs eine langgestreckte oder zylindrische Unterwasserantenne zu montieren. Mindestens zwei Unterwasser-Schallempfänger dieser Unterwasserantenne sind räumlich beabstandet zueinander auf einem Antennenträger montiert, und der Antennenträger ist am Fahrzeug-Körper befestigt. Eine Auswerteeinheit wertet die Signale von den Unterwasser-Schallempfängern aus und generiert daraus eine Information über eine räumlich entfernte Schallquelle unter Wasser.
In DE 102015118819 A1 wird ein autonomes Unterwasserfahrzeug 101 beschrieben, welches ein Objekt im Wasser oder auf dem Meeresgrund zu lokalisieren vermag. An der Druckhülle des autonomen Unterwasserfahrzeugs 101 ist ein Trägerflügel 104 quer zur Fahrtrichtung angeordnet, der in beide Richtungen über die Druckhülle übersteht, vgl. 1. In jedem überstehenden Bereich des Trägerflügels 104 sind jeweils ein 3D-Untergrundsonar 105 mit mehreren Hydrophonen 106 sowie jeweils drei Dreiachs-Magnetometer 107 angeordnet. Jedes Magnetometer 107 misst seine eigene räumliche Ausrichtung gegenüber dem umgebenden Magnetfeld. Die Signale von den sechs Magnetometern 107 werden ausgewertet, um eine räumliche Ausrichtung und Durchbiegung des Trägerflügels 104 beim Einsatz unter Wasser zu berechnen. Aus der berechneten räumlichen Durchbiegung des Trägerflügels 104 wird eine Abweichung zwischen der Soll-Geometrie und der Ist-Geometrie der Hydrophonen 106 ermittelt. Hieraus wird die tatsächlich räumliche Anordnung der Hydrophone 106 bestimmt. Eine Datenverarbeitungseinheit 108 wertet die Wasserschallsignale aus, welche die Hydrophone 106 empfangen haben, und verwendet für die Auswertung die ermittelten räumlichen Anordnungen der Hydrophone 106.
Aus US 20100014385 A1 ist eine Schleppantenne mit einer Abfolge von Hydrophonen bekannt, die ein Wasserfahrzeug hinter sich her zieht. Die Schleppantenne ist in mehrere Segmente unterteilt, die gelenkig miteinander verbunden werden. Jeweils ein Sensor pro Gelenk misst den Abknick-Winkel zwischen zwei benachbarten Segmenten. Aus diesen Abknick-Winkeln und weiteren geometrischen und sonstigen Informationen wird die jeweilige Position eines Hydrophons in der Schleppantenne berechnet.
In US 20080068927 A1 wird ein Verfahren beschrieben, um eine Antenne 14 eines U-Boots 13 zu kalibrieren. Die Antenne ist beispielsweise eine passive Sonaranlage, welche die Richtung zu entdecken vermag, aus der Schallwellen von einer Schallquelle auftreffen. Bei der Kalibrierung erzeugt eine Schallquelle aus verschiedenen tatsächlichen Richtungen Schallwellen, und die zu kalibrierende Antenne 14 berechnet aus den auftreffenden Schallwellen eine geschätzte Richtung. Die Schallquelle (noisemaker 12) wird von einem Überwasserschiff 11 durchs Wasser gezogen, vgl. 1. Das Überwasserschiff 11 fährt entlang eines geradlinigen Kurses, das U-Boot 13 entlang eines nicht geradlinigen Kurses, beispielsweise im Kreis, vgl. 2. Jede tatsächliche Richtung, aus der Schallwellen die Antenne 14 erreichen, wird mit der geschätzten Richtung verglichen, welche die Antenne 14 liefert, und der Schätzfehler (bias and standard deviation) wird verwendet, um die Ortungs-Ergebnisse der Antenne 14 zu verbessern.
In DE 102013104009 A1 werden verschiedene Ausgestaltungen beschrieben, um die Verformung eines lang gestreckten Kabels zu messen. Das Kabel kann zu einer Schleppantenne gehören, die von einem Wasserfahrzeug durchs Wasser gezogen wird. Erwähnt werden resistive, kapazitive, induktive und optische Sensoren, welche die Verformung des Kabels messen können.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Unterwasserantenne mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 15 bereitzustellen, bei denen die Unterwasserantenne trotz variabler Umgebungsbedingungen mit einer geringeren Fehlerrate zu arbeiten vermag als bekannte Unterwasserantennen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Unterwasserantenne mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und ein Verfahren mit den in Anspruch 15 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Die erfindungsgemäße Unterwasserantenne ist dafür ausgestaltet, an Bord eines Unterwasserfahrzeugs eingesetzt zu werden. Die Unterwasserantenne umfasst

- einen Antennenträger,
- einen ersten Unterwasser-Schallempfänger,
- mindestens einen zweiten Unterwasser-Schallempfänger,
- ein erstes Messelement,
- mindestens ein zweites Messelement und
- ein Messmittel.

Die beiden oder mindestens zwei Unterwasser-Schallempfänger sind räumlich beabstandet zueinander am Antennenträger befestigt. Das erste Messelement ist mit dem ersten Unterwasser-Schallempfänger mechanisch verbunden. Das zweite Messelement ist mit dem zweiten Unterwasser-Schallempfänger mechanisch verbunden. Eine Bewegung des ersten Messelements korreliert mit einer Auslenkung des ersten Unterwasser-Schallempfängers. Eine Bewegung des zweiten Messelements korreliert mit einer Auslenkung des zweiten Unterwasser-Schallempfängers.
Das Messmittel vermag folgende Schritte durchzuführen:

- Das Messmittel misst eine Relativ-Bewegung des zweiten Messelements relativ zum ersten Messelement.
- Das Messmittel leitet rechnerisch aus der gemessenen Relativ-Bewegung zwischen den beiden Messelementen ein Maß für die Auslenkung des zweiten Unterwasser-Schallempfängers relativ zum ersten Unterwasser-Schallempfänger her.
- Das Messmittel gibt das hergeleitete Maß für die Relativ-Auslenkung aus.

Das lösungsgemäße Verfahren legt fest, wie eine lösungsgemäße Unterwasserantenne betrieben wird, und umfasst die entsprechenden Schritte.
Die lösungsgemäße Unterwasserantenne lässt sich in einer Anordnung verwenden, welche mindestens eine Information über eine Schallquelle zu ermitteln vermag, wobei die Schallquelle unter Wasser Schallwellen aussendet und in einem räumlichen Abstand zur Unterwasserantenne angeordnet ist. Die oder eine gesuchte Information ist beispielsweise die Richtung von der Unterwasserantenne zu der Schallquelle oder die Entfernung zwischen der Unterwasserantenne und der Schallquelle oder auch eine geschätzte Tauchtiefe oder eine Klassifizierung der Schallquelle. Außerdem sollen unter Wasser Schallwellen, die von dieser Schallquelle stammen, von Hintergrundgeräuschen sowie von Schallwellen, die von anderen Schallquellen stammen, unterschieden werden. Daher umfasst die lösungsgemäße Unterwasserantenne mindestens zwei Unterwasser-Schallempfänger, die räumlich voneinander beabstandet zueinander an dem Antennenträger befestigt sind. Diese Befestigung kann eine direkte oder eine mittelbare Befestigung sein.
Dank des Abstandes zwischen den beiden Unterwasser-Schallempfängern erreichen die Schallwellen von derselben Schallquelle wegen der unterschiedlichen Laufzeiten zu unterschiedlichen Zeitpunkten die beiden Unterwasser-Schallempfänger. Um möglichst große Unterschiede in den Laufzeiten der Schallwellen zu erhalten, erstreckt sich die Unterwasserantenne häufig entlang eines erheblichen Teils der gesamten Längsausdehnung eines Unterwasserfahrzeugs. Möglich ist auch, die Unterwasserantenne an einem Turm des Unterwasserfahrzeugs zu montieren, so dass die Unterwasserantenne einen erheblichen Teil der vertikalen Abmessung des Unterwasserfahrzeugs einnimmt.
Um die Information über die Schallquelle korrekt zu ermitteln, müssen die Abstände zwischen den Schallempfängern sowie die Ausrichtung einer Abfolge von Unterwasser-Schallempfängern relativ zu einer Schallwellenfront bekannt sein. Die Schallempfänger sind in der Regel am Antennenträger oder direkt an einem Fahrzeug-Körper montiert oder auf mehrere Antennenträger verteilt. Der oder jeder Antennenträger ist am Fahrzeug-Körper oder am Turm des Unterwasserfahrzeugs montiert. In der Regel wird die jeweilige genaue Position jedes Schallempfängers gemessen, bevor das Unterwasserfahrzeug in Dienst gestellt wird. Dank der Erfindung ist es nicht erforderlich, als Antennenträger eine Schleppantenne (towed array) zu verwenden, die hinter einem Wasserfahrzeug geschleppt wird. In manchen Situationen lässt sich solch eine Schleppantenne überhaupt nicht oder nur mit Risiko verwenden.
Das Unterwasserfahrzeug mit der lösungsgemäßen Unterwasserantenne ist in der Regel dazu ausgestaltet, in unterschiedlichen Wassertiefen betrieben zu werden. Die Unterwasser-Schallempfänger der Unterwasserantenne sind lösungsgemäß am Antennenträger befestigt, und der Antennenträger wird vom Fahrzeug-Körper des Unterwasserfahrzeugs mechanisch gehalten. Der Druck des umgebenden Wassers verformt zwangsläufig den Fahrzeug-Körper, drückt ihn beispielsweise zusammen. Die Verformung des Fahrzeug-Körpers hängt von der Tauchtiefe des Unterwasserfahrzeugs ab und variiert daher in der Regel im Laufe eines Einsatzes. Außerdem können relevante Wasserströmungen den Fahrzeug-Körper verbiegen. Oft soll die Unterwasserantenne des Unterwasserfahrzeugs auch im aufgetauchten Zustand oder in geringer Tauchtiefe betrieben werden. Dort können ebenfalls Wasserströmungen sowie Wellenbewegungen auftreten, die ebenfalls den Fahrzeug-Körper verbiegen können. Die Verformung des Fahrzeug-Körpers bewirkt in der Regel, dass ein Antennenträger, der die beiden Schallempfänger der Unterwasserantenne trägt, ausgelenkt und / oder verformt wird oder dass direkt ein Schallempfänger relativ zu einem anderen Schallempfänger bewegt wird.
Der Einsatz des Unterwasserfahrzeugs kann dazu führen, dass der erste Unterwasser-Schallempfänger relativ zu dem zweiten Unterwasser-Schallempfänger ausgelenkt wird, so dass eine signifikante Abweichung von den vermessenen anfänglichen Positionen der beiden Schallempfänger auftritt. Falls diese Auslenkung eines Schallempfängers im laufenden Einsatz nicht berücksichtigt wird, so kann die Auswertung der Signale zu einer fehlerhaften Information über eine räumlich entfernte Schallquelle führen.
Die Erfindung zeigt einen Weg auf, wie im laufenden Betrieb eine Verformung des Fahrzeug-Körpers und / oder eine auf andere Weise bewirkte Verformung des Antennenträgers und / oder ein sonstiges Ereignis, welches zu einer Auslenkung eines Schallempfängers relativ zu einem anderen Schallempfänger führen kann, automatisch ermittelt wird. Die Erfindung ermöglicht es, dass diese Auslenkung automatisch berücksichtigt wird, beispielsweise wenn die Signale von den beiden Unterwasser-Schallempfängern ausgewertet werden und hierbei insbesondere die unterschiedlichen Laufzeiten verwendet werden, um beispielsweise die Richtung zur Schallquelle zu ermitteln. Wenn die hergeleitete Relativ-Auslenkung berücksichtigt wird und bevorzugt deren Einfluss kompensiert wird, so werden bessere Ergebnisse erzielt, als wenn bei der Signalauswertung lediglich die anfänglich vermessenen Positionen der Unterwasser-Schallempfänger berücksichtigt werden würde.
Die Erfindung erfordert keinen Sensor, der direkt einen Umgebungseinfluss oder eine Umgebungsbedingung misst, insbesondere keinen Magnetfeld-Sensor, der das Magnetfeld der Erde misst, oder einen Sensor für die Wasserströmung des Wassers in der Nähe des Unterwasserfahrzeugs. Ein solcher Sensor liefert in vielen Anwendungsfällen Ergebnisse mit höheren Messfehlern. Dank der Erfindung lässt sich die Unterwasserantenne auch an Bord eines Unterwasserfahrzeugs ohne einen solchen Sensor verwenden.
Die Erfindung ermöglicht es, erfordert aber nicht notwendigerweise, dass im laufenden Betrieb direkt eine Auslenkung eines Unterwasser-Schallempfängers relativ zu einem anderen Unterwasser-Schallempfänger gemessen wird. Eine solche direkte Messung ist oft überhaupt nicht oder nicht mit ausreichender Genauigkeit möglich.
Lösungsgemäß wird vielmehr die Bewegung des zweiten Messelements relativ zu dem ersten Messelement gemessen. Die beiden Messelemente lassen sich so im oder am Antennenträger oder an einem weiteren Bestandteil eines Unterwasserfahrzeugs mit der Unterwasserantenne positionieren, dass das Messmittel im laufenden Einsatz eine Relativ-Bewegung zwischen den beiden Messelementen mit ausreichender Genauigkeit messen kann. Weil die Bewegung jeweils eines Messelements mit der Auslenkung eines Unterwasser-Schallempfängers korreliert ist, liefert die gemessene Relativ-Bewegung zwischen den beiden Messelementen ein Maß für die zur Auswertung verwendete Relativ-Auslenkung zwischen den beiden Unterwasser-Schallempfängern.
Lösungsgemäß wird eine Relativ-Bewegung zwischen den beiden Messelementen ermittelt. Diese Relativ-Bewegung kann direkt oder auch indirekt ermittelt werden, beispielsweise indem die Bewegung beider Messelemente relativ zu einem dritten Messelement gemessen wird. Aus dieser ermittelten Relativ-Bewegung lässt sich die Relativ-Auslenkung zwischen den beiden Unterwasser-Schallempfängern oft wesentlich genauer ableiten, als wenn lediglich die aktuelle Tauchtiefe des Unterwasserfahrzeugs gemessen wird und die Verformung aus dem Wasserdruck abgeleitet wird, der aus dieser Tauchtiefe resultiert. Die Erfindung ermöglicht es, dass zusätzlich der Einfluss weiterer Umgebungs-Bedingungen rechnerisch kompensiert wird, wenn die Signale von den Unterwasser-Schallempfängern bei einer Signalverarbeitung ausgewertet werden. Beispiele für solche Umgebungs-Bedingungen sind Wellenbewegungen und Wasserströmungen. Diese Einflüsse brauchen dank der Erfindung nicht direkt gemessen zu werden, sondern werden indirekt mit Hilfe der Messelemente ermittelt.
Die Erfindung lässt sich mit relativ geringem Aufwand in eine bereits vorhandene Unterwasserantenne integrieren. In der Regel reicht es aus, die beiden Messelemente und das Messmittel zu ergänzen, das Messmittel mit einer bereits vorhandenen Auswerteeinheit zu verbinden und die Software der Auswerteeinheit so abzuändern, dass sie Signale des Messmittels verarbeitet.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Messmittel einen Messkörper, der die beiden oder wenigstens zwei Messelemente umfasst. Eine Verformung des Antennenträgers bewirkt eine Verformung dieses Messkörpers. Eine Messkörper-Vermessungseinheit des Messmittels vermag diese bewirkte Verformung des Messkörpers zu messen.
Dank des Messkörpers ist es nicht erforderlich, direkt eine Auslenkung eines Unterwasser-Schallempfängers zu messen oder ein Messelement direkt an einem Unterwasser-Schallempfänger anzubringen.
Der Messkörper lässt sich an die räumliche Ausdehnung der Unterwasserantenne, an die Positionen der Unterwasser-Schallempfänger, an den zur Verfügung stehenden Platz sowie an die Umgebungseinflüsse, denen das Unterwasserfahrzeug ausgesetzt ist, insbesondere der Strömung und dem Wasserdruck des umgebenden Wassers, anpassen.
Möglich ist, den Messkörper so auszugestalten, dass er die gesamte flächige Ausdehnung der Unterwasserantenne abdeckt und daher die jeweilige Auslenkung jedes Unterwasser-Schallempfängers zu entdecken vermag.
Die Ausgestaltung mit dem Messkörper ermöglicht es in besonders einfacher Weise, direkt eine Verformung des Antennenträgers zu messen. Eine Bewegung des Antennenträgers relativ zu dem Fahrzeug-Körper eines Unterwasserfahrzeugs, zu welchem die Unterwasserantenne gehört, beeinflusst die Messung nicht, auch wenn der Antennenträger an diesem Fahrzeug-Körper mechanisch befestigt ist.
Der Messkörper lässt sich an die gesamte Ausdehnung des Antennenträgers anpassen. Der Messkörper lässt sich so ausgestaltet, dass er die Funktion der Unterwasser-Schallempfänger überhaupt nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt.
Der Messkörper ist beispielsweise mechanisch mit dem Antennenträger der Unterwasserantenne, direkt mit einem Fahrzeug-Körper eines Unterwasserfahrzeugs oder direkt mit den beiden Unterwasser-Schallempfängern verbunden.
Bevorzugt überdeckt dieser Messkörper in mindestens eine Richtung mindestens die gesamte Ausdehnung des Antennenträgers. In dieser oder in mindestens eine Richtung kann der Messkörper sogar eine größere Abmessung als der Antennenträger aufweisen.
Je größer die Ausdehnung des Messkörpers ist, desto größer sind die RelativBewegungen, die mit einer Relativ-Auslenkung eines Unterwasser Schallempfängers korreliert sind. Größere Bewegungen lassen sich mit einer geringeren Fehlerrate messen als kleinere Bewegungen.
In einer Ausgestaltung hat der Messkörper sogar eine größere Ausdehnung als der Antennenträger. Dies ist insbesondere bei einem relativ kleinen Antennenträger, beispielsweise für ein relativ kleines unbemanntes Unterwasserfahrzeug, von Vorteil.
In einer Ausgestaltung ist die Unterwasserantenne als eine Linearantenne ausgestaltet. In einer anderen Ausgestaltung ist die Unterwasserantenne eine flächig ausgebildete Antenne, erstreckt sich also in einer Fläche. Die Unterwasserantenne umfasst mindestens drei Unterwasser-Schallempfänger, die räumlich zueinander beabstandet an dem Antennenträger montiert sind und die eine Ebene definieren. Dies bedeutet, dass diese drei Unterwasser-Schallempfänger nicht auf einer Linie liegen. Eine flächige Unterwasserantenne mit mindestens drei Schallempfängern vermag nicht nur verschiedene horizontale Einfallsrichtungen von Unterwasserschall zu unterscheiden, sondern auch verschiedene vertikale Einfallsrichtungen - vorausgesetzt die drei Schallempfänger liegen nicht auf einer Linie. Diese Ausgestaltung der Unterwasserantenne reduziert die Fehlerrate bei der Ermittlung einer Information über eine Schallquelle. Insbesondere vermag die Unterwasserantenne eine Mehrwege-Ausbreitung von einer Schallquelle besser von unterschiedlichen Schallquellen zu unterscheiden.
Der Messkörper ist in der Fläche der Unterwasserantenne angeordnet, und zwar bevorzugt gewunden. Bevorzugt ist der Messkörper schlangenlinienförmig in der Fläche der Unterwasserantenne angeordnet. Der Messkörper gemäß der Ausgestaltung ist gewunden, insbesondere schlangenlinienförmig, in derjenigen Fläche angeordnet, welche die Unterwasserantenne einnimmt. Vorzugsweise deckt der schlangenlinienförmige Messkörper einen großen Teil dieser Fläche ab, beispielsweise mindestens drei Viertel oder neun Zehntel. Dadurch vermag das Messmittel mit dem schlangenlinienförmigen Messkörper die jeweilige Auslenkung jedes einzelnen Unterwasser-Schallempfängers zu messen.
In einer Ausgestaltung umfasst die Unterwasserantenne sogar mindestens vier Unterwasser-Schallempfänger. Hierbei sind jeweils mindestens zwei Schallempfänger nebeneinander und mindestens zwei Schallempfänger übereinander angeordnet. Der Messkörper deckt mindestens den Bereich zwischen diesen vier Schallempfängern ab.
In einer Ausgestaltung umfasst der Messkörper ein Faser-Bragg-Gitter oder ein Glasfaserkabel oder einen Dehnungsmessstreifen.
In einer Ausgestaltung erstreckt sich der Messkörper entlang einer Längsachse. Die Vermessungseinheit des Messkörpers umfasst mehrere Messelemente, welche bevorzugt die Form von resistiven, kapazitiven und/oder induktiven Sensoren haben. Die Messkörper-Vermessungseinheit misst eine Verformung des Messkörpers und verwendet hierfür Signale von diesen Sensoren.
Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die Sensoren im Messkörper anzubringen. Der Messkörper schützt die Sensoren vor Umgebungseinflüssen. Die Sensoren lassen sich so ausgestalten, dass sie überhaupt nicht oder nur unwesentlich von anderen Komponenten der Unterwasserantenne oder von sonstigen Bestandteilen des Unterwasserfahrzeugs beeinträchtigt werden.
In einer Ausgestaltung erstreckt sich die Unterwasserantenne entlang einer Längsachse. Entlang dieser Längsachse ist eine Abfolge von Unterwasser-Schallempfängern räumlich beabstandet zueinander angeordnet. Der Messkörper erstreckt sich mindestens entlang der gesamten Abfolge. Die Abmessung des Messkörpers kann größer sein als die Abmessung der Unterwasserantenne entlang dieser Längsachse.
Eine Unterwasserantenne mit einer Abfolge aus einer Vielzahl von Unterwasser-Schallempfängern vermag eine gesuchte Information über die Schallquelle mit einer größeren Genauigkeit und einer geringeren Fehlerrate zu liefern als lediglich zwei einzelne Unterwasser-Schallempfänger.
Weil der Messkörper sich entlang der gesamten Abfolge erstreckt, lässt sich eine Bewegung jedes Unterwasser-Schallempfängers relativ zu jedem anderen Unterwasser-Schallempfänger entdecken. Dies wäre mit einem Messkörper, der nur einen kleinen Teil der Abfolge überdeckt, überhaupt nicht oder nur mit einem größeren Messfehler möglich.
Je größer die Ausdehnung des Messkörpers ist, desto größer sind die bewirkten Bewegungen der Messelemente. Diese bewirkten Bewegungen lassen sich mit einer geringeren Fehlerrate messen als kleinere Bewegungen.
In einer Ausgestaltung umfasst das Messmittel einen berührungslos arbeitenden Abstandsmesser. Dieser Abstandsmesser vermag berührungslos zu messen, wie sich der Abstand zwischen den beiden oder zwischen mindestens zwei Messelementen und / oder die Richtung einer gedachten Linie von dem einem Messelement zu dem anderen Messelement verändert.
Der berührungslos arbeitende Abstandssensor verwendet beispielsweise Laser oder Schall oder Funk, um den Abstand berührungslos zu messen.
Ein berührungslos arbeitender Abstandsmesser wird in vielen Fällen weniger stark als eine andere Ausgestaltung eines Sensors von Umgebungseinflüssen beeinträchtigt. In einer Ausgestaltung ist die lösungsgemäße Unterwasserantenne an einem Fahrzeug-Körper eines Unterwasserfahrzeugs montiert. Möglich ist, den Abstandsmesser im Inneren des Fahrzeug-Körpers des Unterwasserfahrzeugs anzubringen, beispielsweise im Innenbereich eines innen hohlen Druckkörpers. Der Abstandsmesser ist daher nicht dem umgebenden Wasser und dem herrschenden Wasserdruck ausgesetzt. Im Falle eines bemannten Unterwasserfahrzeugs kann dieser Druckkörper ein Raum sein, in dem sich die Besatzungsmitglieder aufhalten.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung mit einer lösungsgemäßen Unterwasserantenne und einer Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit vermag elektrische oder optische oder sonstige Signale von den mindestens zwei räumlich voneinander beabstandeten Unterwasser-Schallempfängern auszuwerten. Bei dieser Auswertung verwendet die Auswerteeinheit die rechnerisch ermittelte Relativ-Auslenkung zwischen den beiden Unterwasser-Schallempfängern, die das Messmittel hergeleitet hat. Bei dieser Auswertung ermittelt die Auswerteeinheit in der Regel Unterschiede in den jeweiligen Zeitpunkten, an denen eine Schallwelle von der Schallquelle die Unterwasser-Schallempfänger erreicht, beispielsweise bei einem Beamforming.
Die Auswerteeinheit berücksichtigt automatisch die Relativ-Auslenkung, welche die Verformung des Fahrzeug-Körpers und / oder des Antennenträgers bewirkt. Die Auswerteeinheit berücksichtigt die Relativ-Auslenkung, wenn die Auswerteeinheit die Signale der Unterwasser-Schallempfänger auswertet. Weil die Auswerteeinheit bei der Verarbeitung der Signale von den Unterwasser-Schallempfängern die bewirkte Relativ-Auslenkung berücksichtigt, liefert die Auswerteeinheit bessere Ergebnisse, als wenn die Auswerteeinheit lediglich die anfänglich vermessenen Positionen der Unterwasser-Schallempfänger berücksichtigen würde.
Die Erfindung ermöglicht es, dass die Auswerteeinheit bei der Auswertung der Signale zusätzlich den Einfluss weiterer Umgebungsbedingungen rechnerisch kompensiert, beispielsweise Wellenbewegungen und Wasserströmungen, ohne diese Einflüsse direkt messen zu müssen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Unterwasserfahrzeug mit einem Fahrzeug-Körper und einer lösungsgemäßen Unterwasserantenne. Der Antennenträger dieser Unterwasserantenne ist an dem Fahrzeug-Körper montiert.
In einer Ausgestaltung sind die beiden Messelemente am Fahrzeug-Körper des Unterwasserfahrzeugs befestigt. Das Ereignis, dass der Fahrzeugkörper verformt wird, führt dazu, dass der eine Unterwasser-Schallempfänger relativ zum anderen Unterwasser-Schallempfänger ausgelenkt wird. Die beiden Messelemente sind dergestalt am Fahrzeug-Körper befestigt, dass die Verformung des Fahrzeugkörpers zusätzlich eine Relativ-Bewegung zwischen den Messelementen bewirkt.
Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die Auslenkung eines Unterwasser-Schallempfängers direkt am Ort der Ursache zu messen, nämlich an dem Fahrzeug-Körper, der verformt wird.
In einer Ausgestaltung umfasst der Fahrzeugkörper einen Druckkörper mit einer Innenwand. Diese Innenwand umschließt einen Innenbereich des Druckkörpers, der es Besatzungsmitgliedern des Unterwasserfahrzeugs und anderen Personen ermöglicht, sich in diesem Innenbereich aufzuhalten. Die beiden Messelemente sind an dieser Innenwand positioniert.
Im Einsatz des Unterwasserfahrzeugs wird der Fahrzeug-Körper z.B. durch den Wasserdruck oder durch Wellenbewegungen verformt. Der Fahrzeug-Körper hält mechanisch die Unterwasser-Schallempfänger. Daher kann eine Verformung des Fahrzeug-Körpers eine Auslenkung eines Schallempfängers am Fahrzeug-Körper relativ zu einem anderen Unterwasser-Schallempfänger bewirken.
In vielen Fällen wird die Relativ-Auslenkung zwischen den Unterwasser-Schallempfängern im Wesentlichen durch eine Verformung des Fahrzeug-Körpers bewirkt, welche sich auf den Antennenträger überträgt. Eine Bewegung eines Antennenträgers relativ zum Fahrzeug-Körper kann in vielen Anordnungen vernachlässigt werden. Die Ausgestaltung, dass die beiden Messelemente am Fahrzeug-Körper montiert sind, ermöglicht es, direkt ein Maß für die Verformung des Fahrzeug-Körpers zu messen.
In der Regel legt der Fahrzeug-Körper die Abmessungen des Unterwasserfahrzeugs fest. Wenn die beiden Messelemente am Fahrzeug-Körper positioniert sind, lässt sich der größtmögliche Abstand zwischen den beiden Messelementen erzielen. Dies vergrößert die Messgenauigkeit verglichen mit zwei dicht beieinanderliegenden Messelementen.
In einer Ausgestaltung sind beide Messelemente am Fahrzeug-Körper selber positioniert. In dieser Ausgestaltung wird eine Verformung des Fahrzeug-Körpers direkt gemessen. Aus der gemessenen Verformung des Fahrzeug-Körpers und der Anordnung der Unterwasser-Schallempfänger am Fahrzeug-Körper vermag die Auswerteeinheit automatisch die jeweilige Auslenkung jedes Unterwasser-Schallempfängers und damit die benötigte Relativ-Auslenkung abzuleiten.
In einer Ausgestaltung sind die beiden Messelemente am Fahrzeug-Körper montiert und mechanisch mit dem Antennenträger verbunden. Wenn eine Verformung des Fahrzeug-Körpers eine Auslenkung des einen Unterwasser-Schallempfängers relativ zum anderen Unterwasser-Schallempfänger bewirkt, so bewirkt diese Verformung zusätzlich eine Relativ-Bewegung zwischen den Messelementen.
In der Regel sind die beiden Unterwasser-Schallempfänger dergestalt mechanisch an einem Antennenträger befestigt, dass praktisch keine Auslenkung eines Schallempfängers relativ zum Antennenträger auftritt. Die Bewegung eines Messelements, der am Antennenträger montiert ist, ist daher in der Regel stark korreliert mit der Auslenkung des zugeordneten Schallempfängers.
Eine mögliche Bewegung des Antennenträgers relativ zum Fahrzeug beeinflusst den Vorgang, die Relativ-Auslenkung der Schallempfänger zu ermitteln, nicht, wenn die Messelemente am Antennenträger montiert sind.
Das Unterwasserfahrzeug kann einen eigenen Antrieb aufweisen oder dazu ausgestaltet sein, durch das Wasser geschleppt zu werden. Das Unterwasserfahrzeug kann bemannt sein oder autonom operieren (autonomous underwater vehicle) oder aus der Ferne gesteuert werden (remotely operated underwater vehicle). Es kann für militärische und / oder zivile Zwecke ausgestaltet sein.
Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Unterwasserantenne anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 schematisch in einer Seitenansicht ein U-Boot mit einem Seiten-Sonar-Array und einem Glasfaserkabel, welches die Verformung des Seiten-Sonar-Arrays misst;
2 einen Beamforming, welches die Positionen der Unterwasser-Schallempfängern ausnutzt;
3 zwei berührungslos arbeitende Abstandsmesser.

In 1 wird ein Unterseeboot (U-Boot) 10 gezeigt, welches in eine Fahrtrichtung FR (in 1 von links nach rechts) durchs Wasser fährt und einen Druckkörper 11 und einen Turm 12 aufweist. Am Druckkörper 11 sind eine Ruderanlage 5 sowie ein nicht gezeigter Propeller montiert, am Turm 12 ein ausfahrbarer Mast und mindestens ein Sehrohr. An der rechten Seite des Druckkörpers 11 ist unterhalb des Turms 12 ein längliches rechtes Seiten-Sonar-Array 6 montiert, an der linken Seite ein korrespondierendes linkes Seiten-Sonar-Array (nicht gezeigt). Jedes Seiten-Sonar-Array hat z.B. die Form eines Expanded Flank Array Sonars (EFAS). Am Druckkörpers 11 und / oder am Turm 12 können weitere Sonar-Arrays montiert sein.
Im Ausführungsbeispiel umfasst jedes Seiten-Sonar-Array 6 jeweils eine Abfolge von M Hydrophon-Stäben (Staves) 2.1, 2.2, ..., die sich in einer Längsachse entlang des Druckkörpers 11 erstreckt und eine Länge I aufweist. Die Längsachse ist annähernd parallel zur Fahrtrichtung FR. Jeder Hydrophon-Stab (Stave) 2.1, 2.2, ... umfasst eine Abfolge von Hydrophonen, die übereinander angeordnet sind, sowie eine feste und akustisch transparente Masse, welche die Hydrophone umgibt, beispielsweise eine Vergussmasse aus Polyurethan. Jeder Hydrophon-Stab 2.1, 2.2, ... ist mit einer eigenen Halterung befestigt. Die Halterungen gehören zu einer Halterungs-Anordnung 1, welche die Hydrophon-Stäbe 2.1, 2.2, ... des Seiten-Sonar-Arrays 6 am Druckkörper 11 hält. Zwischen den Hydrophon-Stäben 2.1, 2.2, ... und dem Druckkörper 11 sind vorzugsweise ein akustischen Reflektor und ein Dämpfungskörper angeordnet. Über Datenleitungen sind die Hydrophone jedes Seiten-Sonar-Arrays 6 mit einer elektronischen Auswerteeinheit 4 im Inneren des Druckkörpers 11 verbunden. Die Auswerteeinheit 4 empfängt Signale von den Hydrophonen und wertet sie automatisch aus.
Die Richtung und bevorzugt die Entfernung zu einem Schall aussendenden Objekt, z.B. zu einem Überwasserfahrzeug oder ein Unterwasserfahrzeug, soll ermittelt werden, um das Objekt zu orten. Hierfür wertet die Auswerteeinheit 4 elektrische oder optische Signale aus, welche mindestens einige der Hydrophone am Druckkörper 11 des U-Boots 10 als Reaktion darauf erzeugen, dass Unterwasser-Schallwellen auf diese Hydrophone auftreffen. Um die Richtung und Entfernung zum Objekt bestimmen zu können, wertet die Auswerteeinheit 4 Unterschiede in den Laufzeiten und / oder Phasen in den Signalen aus, welche die Hydrophone liefern. Bevorzugt führt die Auswerteeinheit 4 insbesondere ein Beamforming durch. Um diese Unterschiede korrekt auswerten zu können, verwendet die Auswerteeinheit 4 insbesondere die Abstände zwischen verschiedenen Hydrophonen, die Signale liefern, die von Schallwellen von demselben Ziel stammen, sowie bevorzugt weitere räumliche Informationen über diese Hydrophone.
2 veranschaulicht ein Beamforming. In dieser Darstellung wird eine Linearantenne gezeigt, die sich entlang einer Längsachse LA erstreckt und eine Abfolge 7.1, 7.2, ... von Unterwasser-Schallempfängern aufweist. Zwischen zwei benachbarten Unterwasser-Schallempfängern 7.k und 7.k+1 (k=1, 2, ...) tritt ein Abstand d auf. Jede Zeile der Flächenantenne von 1 bildet eine solche Linearantenne. Vorgegeben werden mehrere horizontale Haupt-Blickrichtungen, die in der Zeichenebene von 2 liegen, darunter die drei horizontalen Haupt-Blickrichtungen HB_h.1, HB_h.2 und HB_h.3. Die kugelförmige Ausbreitung der Schallwellen wird hier vernachlässigt. Die Haupt-Blickrichtung HB_h.100 steht annähernd senkrecht auf der Längsachse LA. Zwischen der querab angeordneten Haupt-Blickrichtung HB_h.2 und der Wellen-Richtung WR tritt ein Winkel Θ auf. Dieser Winkel Θ tritt auch zwischen der als Linie angenommenen Wellenfront WF und der Längsachse LA auf.
Wie in 2 zu sehen ist, beträgt der Laufzeitunterschied, mit denen die Wellenfront WF zwei benachbarte Unterwasser-Schallempfänger 7.k und 7.k+1 der Linearantenne erreicht, d * sin(Θ) / c, wobei c die Geschwindigkeit ist, mit der sich die Wellenfront WF im Wasser fortpflanzt. In einem Summations-Netzwerk der Auswerteeinheit 4 werden diese Laufzeitunterschiede kompensiert, beispielsweise indem jedes Signal vom Unterwasser-Schallempfänger 7.k um den Betrag d * (M-k) * sin(Θ) / c zeitverzögert wird (k=1, 2, ...).
Um diese Abstände und weitere räumliche Informationen zu verwenden, wertet die Auswerteeinheit 4 Informationen über die Positionen der Hydrophone der beiden Seiten-Sonar-Arrays 6 relativ zueinander aus. Vorzugsweise verwendet die Auswerteeinheit 4 die jeweilige Position jedes Hydrophons in einem Referenzsystem, beispielsweise in einem dreidimensionalen Koordinatensystem, dessen Ursprung beispielsweise im Inneren des Druckkörpers 11 liegt. Dieses Koordinatensystem wird mit dem U-Boot 10 mit bewegt. In der Ausführungsform, die in 1 gezeigt wird, erhält die Auswerteeinheit 4 diese Positions-Informationen von einer Glasfaserkabel-Vermessungseinheit 13, die weiter unten beschrieben wird.
Um die Positionen berücksichtigen zu können, werden die Hydrophone vor der Inbetriebnahme des U-Boots 10 exakt eingemessen. Hierdurch wird die jeweilige anfängliche Position jedes Hydrophons in dem dreidimensionalen Koordinatensystem ermittelt. Beispielsweise wird die genaue Außenkontur des Druckkörpers 11 zumindest in den Bereichen, in denen ein Seiten-Sonar-Array 6 montiert ist, gemessen, also eine anfängliche Außenkontur. Außerdem wird die anfängliche Position des Hydrophons relativ zur Außenkontur gemessen. Die jeweilige anfängliche Position jedes Hydrophons in dem Referenzsystem wird in einen Datenspeicher abgespeichert, der sich im Inneren des Druckkörpers 11 befindet und auf die Auswerteeinheit 4 Lesezugriff hat.
Außerdem wird jedes Seiten-Sonar-Array 6 vor der Inbetriebnahme kalibriert. Vorzugsweise ortet jedes Seiten-Sonar-Array 6 probeweise aus verschiedenen Richtungen ein Schall abstrahlendes Objekt, das auf dem oder im Wasser fährt oder schwimmt. Die tatsächliche Richtung der Schallquelle aus Sicht des U-Boots 10 ist bekannt und wird mit der Richtung verglichen, welche das Seiten-Sonar-Array 6 ermittelt hat. Vorzugsweise wird außerdem die bekannte tatsächliche Entfernung mit derjenigen Entfernung zwischen dem U-Boot 10 und der Schallquelle verglichen, welche das Seiten-Sonar-Array 6 gemessen hat. Bei einer Abweichung werden Parameter in der Elektronik des Seiten-Sonar-Array 6 entsprechend verändert.
Im Folgenden werden die Schritte beschrieben, die durchgeführt werden, wenn das U-Boot 10 dafür eingesetzt wird, ein Schall abstrahlendes Objekt auf dem Wasser oder im Wasser zu orten. Ein einzelner Hydrophon-Stab 2.1, 2.2, ...kann als ausreichend starr angenommen werden, d.h. eine Verformung eines Hydrophon-Stabes 2.1, 2.2, ... im laufenden Betrieb ist unerheblich. Die Hydrophone eines einzelnen Hydrophon-Stabes 2.1, 2.2, ... behalten ihre Positionen relativ zueinander. Jedoch verändern die oder einige Hydrophon-Stäbe 2.1, 2.2, ihre Positionen und Orientierung relativ zueinander. Eine wesentliche Ursache hierfür ist, dass der Druckkörper 11, an der die beiden Seiten-Sonar-Arrays 6 mit dem Hydrophon-Stäben 2.1, 2.2, ...montiert sind, im Betrieb starken Umgebungseinflüssen ausgesetzt ist. Beispielsweise schwankt der auf den Druckkörper 11 einwirkende Wasserdruck abhängig von der Tauchtiefe und der Wassertemperatur erheblich, was zu zeitlich veränderlichen Verformungen des Druckkörpers 11 führt. Der Druckkörper 11 ist Seegang und Strömungen ausgesetzt. Das Material des Druckkörpers 11 altert zwangsläufig. Möglich ist, dass das U-Boot 10 aus dem Wasser genommen und in ein Dock verbracht wird und dort gereinigt und / oder gewartet wird. Hierbei wird der Druckkörper 11 weiteren Belastungen ausgesetzt.
Viele Verformungen des Druckkörpers 11 werden auf jeden oder auf wenigstens einen Hydrophon-Stab 2.1, 2.2, ... übertragen und bewirken, dass der Hydrophon-Stab 2.1, 2.2, ...und damit die Hydrophone in diesem Hydrophon-Stab 2.1, 2.2, ... ihre Positionen im dreidimensionalen Koordinatensystem verändern. Die tatsächliche aktuelle Position eines Hydrophons im dreidimensionalen Koordinatensystem kann daher von der anfänglichen Position abweichen. Die abgespeicherten anfänglichen Positionen reichen daher nicht aus, um die Richtung und Entfernung zu einem Objekt mit ausreichender Sicherheit zu messen.
In die Halterungs-Anordnung 1 ist eine Dehnungssensorik montiert. In einer Ausführungsform umfasst diese Dehnungssensorik mindestens ein Glasfaserkabel 3 pro Seiten-Sonar-Array 6. Vorzugsweise ist das Glasfaserkabel 3 zwischen der Halterungs-Anordnung 1 und den Hydrophon-Stäben 2.1, 2.2, ... oder auch zwischen dem Druckkörper 11 und der Halterungs-Anordnung 1 angeordnet, damit das Glasfaserkabel zwar weitgehend genauso wie das Seiten-Sonar-Array 6 verformt wird, aber die auftreffenden Schallwellen möglichst wenig beeinflusst und vor Umgebungseinflüssen gut geschützt ist. Das Glasfaserkabel 3 erstreckt sich über die gesamte Länge des Seiten-Sonar-Arrays 6. Möglich ist, dass so wie in 1 gezeigt das Glasfaserkabel 3 mehrere parallele übereinander angeordnete Bahnen 3.1, 3.2, 3.3 umfasst, wobei jede Bahn 3.1, 3.2, 3.3 sich über die gesamte Länge des Seiten-Sonar-Arrays 6 erstreckt.
Eine Verformung des Druckkörpers 11 in einem Bereich, an dem ein Seiten-Sonar-Array 6 montiert ist, bewirkt auch eine Verformung des Seiten-Sonar-Arrays 6 und damit des Glasfaserkabels 3 für dieses Seiten-Sonar-Array 6. Weil das Glasfaserkabel 3 sich über die gesamte Länge des Seiten-Sonar-Arrays 6 erstreckt, bewirkt jede Verformung des Seiten-Sonar-Arrays 6 eine Verformung des Glasfaserkabels 3, egal in welchem Bereich des Seiten-Sonar-Arrays 6 dieser Verformung auftritt.
Durch jedes Glasfaserkabel 3 wird jeweils ein Lichtstrahl geschickt, und zwar vorzugsweise permanent während des gesamten Einsatzes des U-Boots 10. Die Verformungen des Glasfaserkabels 3 werden gemessen, und zwar bevorzugt sowohl eine Verformung in Längsrichtung des Glasfaserkabels 3 als auch eine Verformung quer zu dieser Längsrichtung. Eine Glasfaserkabel-Vermessungseinheit 13 erhält bevorzugt Signale von Messelementen, die entlang des Glasfaserkabels 3 positioniert sind und mit dem Glasfaserkabel 3 mit bewegt werden, und leitet aus den SensorSignalen die aktuelle Verformung des Glasfaserkabels 3 ab. In 1 werden beispielhaft drei Messelemente 8.1, 8.2 und 8.3 gezeigt. Möglich ist, dass eine größere Anzahl von Messelementen entlang des Glasfaserkabels 3 angeordnet ist.
Das Glasfaserkabel 3 ist an der Halterungs-Anordnung 1 für das Seiten-Sonar-Array 6 montiert und behält seine Position relativ zu den Hydrophon-Stäben 2.1, 2.2, ... des Seiten-Sonar-Arrays 6 im Wesentlichen bei. Die Glasfaserkabel-Vermessungseinheit 13 ermittelt die jeweilige aktuelle Position eines Hydrophons. Hierfür verwendet sie im Ausführungsbeispiel die anfängliche Position des Hydrophon eines Seiten-Sonar-Arrays 6, die in dem Datenspeicher abgespeichert ist, sowie die gemessenen Verformungen des Glasfaserkabels 3 dieses Seiten-Sonar-Arrays 6 und die bekannte und als konstant angenommene Position des Hydrophons relativ zu diesem Glasfaserkabel 3. Die Glasfaserkabel-Vermessungseinheit 13 ermittelt die jeweilige aktuelle Position des Hydrophons im laufenden Betrieb immer wieder erneut, beispielsweise mit einer festen Abtastrate. Diese ermittelten Positionen werden an die Auswerteeinheit 4 übermittelt. Die Auswerteeinheit 4 verwendet automatisch diese übermittelten aktuellen Positionen.
Beispielsweise wird für eine Vielzahl von Messelementen 8.1, 8.2, 8.3, des Glasfaserkabels 3 jeweils eine anfängliche Position dieses Messelements in dem dreidimensionalen Koordinatensystem ermittelt, also die Positionen vor der Inbetriebnahme und bevor der Druckkörper 11 Belastungen ausgesetzt ist. Aus den Verformungen des Glasfaserkabels 3 wird für jedes Messelement 8.1, 8.2, 8.3, ... jeweils ein Verschiebe-Vektor berechnet, der die Verschiebung dieses Messelements aus der anfänglichen Position dieses Messelements beschreibt. Diese Verschiebung des Messelements resultiert aus der Verformung des Druckkörpers 11 und der dadurch bewirkten Verschiebung und / oder Verformung des Seiten-Sonar-Arrays 6. Die Glasfaserkabel-Vermessungseinheit 13 berechnet die aktuelle Position jedes Hydrophons aus der anfänglichen Position dieses Hydrophons und den Verschiebe-Vektoren für benachbarte Messelemente des zugeordneten Glasfaserkabels 3.
Die aktuellen Positionen der Hydrophone lassen sich in alternativen Ausgestaltungen auch mit Hilfe von piezoelektrischen Elementen oder Dehnungsmessstreifen oder Magnetometern messen. Die Magnetometer können beispielsweise so wie in DE 102015118819 A1 beschrieben verwendet werden, um die Positionen von Hydrophonen in einem Unterwasserfahrzeug zu messen. Möglich ist auch, in die Halterungs-Anordnung 1 ein Kabel mit resistiven, kapazitiven oder induktiven Sensoren zu montieren. Falls der Druckkörper 11 verformt wird, so werden die Halterungs-Anordnung 1 und damit dieses Kabel mit verformt. Die Verformung dieses Kabels lässt sich so messen, wie es in DE 102013104009 A1 beschrieben sind.
In 3 wird eine weitere Ausgestaltung gezeigt, um eine Abweichung der aktuellen Position eines Unterwasser-Schallempfängers von einer anfänglichen Position zu messen. Mit einer gestrichelten Linie wird die anfängliche Kontur 14.1 eines Raums gezeigt, der im Inneren des Druckkörpers 11 angeordnet ist. Aufgrund einer Verformung des Druckkörpers 11 wird dieser Raum verformt, so dass er während des Einsatzes beispielsweise die Kontur 14 annimmt, welche mit einer durchgezogenen Linie gezeigt wird. Ein erster Abstandsmesser mit zwei Messelementen 9.1 und 9.2 misst berührungslos den Abstand d1 zwischen den beiden Elementen 9.1 und 9.2 und damit die Ausdehnung des Raums in einer Längsachse. Ein zweiter Abstandsmessung mit zwei Messelementen 9.3 und 9.4 misst berührungslos den Abstand d2 zwischen den beiden Messelementen 9.3 und 9.4 und damit die Ausdehnung senkrecht zur Längsachse. Vorgegeben werden der anfängliche Abstand zwischen den beiden Messelementen 9.1 und 9.2 sowie der anfängliche Abstand zwischen den beiden Messelementen 9.3 und 9.4, die bei der Kontur 14.1 aufgetreten. Aus einer Verschiebung der vier Messelemente 9.1 bis 9.4 leitet das Messmittel die Auslenkungen der Unterwasser-Schallempfänger ab.
Bezugszeichenliste

1: Halterungs-Anordnung für die Hydrophon-Stäbe 2.1, 2.2, ..., umfasst jeweils eine Halterung für jeden Wasserschall-Empfänger 2.1, 2.2, ... und einen Reflektor
2.1, 2.2,: Wasserschall-Empfänger in Form von Hydrophon-Stäben (Staves), umfassen jeweils mehrere übereinander angeordnete Hydrophone
3: Glasfaserkabel einer Dehnungssensorik, misst die Positionen der Wasserschall-Empfänger 2.1, 2.2, ..., ist an der Halterungs-Anordnung 1 montiert, umfasst die Messelemente 8.1, 8.2, ...
4: elektronische Auswerteeinheit, empfängt Signale von den Wasserschall-Empfängern 2.1, 2.2, ...
5: Ruder des U-Boots 10
6: rechtes Seiten-Sonar-Array, umfasst die Hydrophon-Stäbe 2.1, 2.2, ...
7.1, 7.2,: horizontale Abfolge von Hydrophonen, erstreckt sich in der Längsachse LA
8.1, 8.2,: Messelemente des Glasfaserkabels 3
9.1, 9.2: Messelemente eines berührungslos arbeitenden Abstandssensors, messen den Abstand d1
9.3, 9.4: Messelemente eines berührungslos arbeitenden Abstandssensors, messen den Abstand d2
10: U-Boot mit dem Druckkörper 11
11: Druckkörper des U-Boots 10, trägt das rechte Seiten-Sonar-Array 6
12: Turm des U-Boots 10
13: Glasfaserkabel-Vermessungseinheit, wertet Signale von den Messelementen 8.1, 8.2, ... im Glasfaserkabel 3 aus
14: Kontur eines Raums im Inneren des Druckkörpers 11 während eines Einsatzes des U-Boots 10
14.1: anfängliche Kontur des Raumes 14
d: Abstand zwischen zwei benachbarten Hydrophonen 7.k und 7.k+1
d1: berührungslos gemessener Abstand zwischen den beiden Messelementen 9.1 und 9.2
d2: berührungslos gemessener Abstand zwischen den beiden Messelementen 9.3 und 9.4
FR: Fahrtrichtung des U-Boots 10
I: Ausdehnung der Halterungs-Anordnung 1 für die Hydrophon-Stäbe 2.1, 2.2, .. in Längsrichtung
LA: Längsachse, entlang welcher sich die Abfolge 7.1, 7.2, ... von Hydrophonen erstreckt
M: Anzahl der Staves 2.1, 2.2, ..., zugleich Hydrophone der Abfolge 7.1, 7.2, ...
Θ: Winkel zwischen der Wellenfront WF und der Längsachse LA der Antenne, zugleich Winkel zwischen der Wellen-Richtung WR und der querab angeordneten horizontalen Haupt-Blickrichtung HB_h.2
WF: als linear angenommene Wellenfront einer auftreffenden Unterwasser-Schallwelle
WR: Wellen-Richtung der Wellenfront WF

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015118819 A1 [0003, 0078]
US 20100014385 A1 [0004]
US 20080068927 A1 [0005]
DE 102013104009 A1 [0006, 0078]

Claims

Unterwasserantenne für ein Unterwasserfahrzeug (10), wobei die Unterwasserantenne - einen Antennenträger (1), - einen ersten Unterwasser-Schallempfänger (2.1) und - mindestens einen zweiten Unterwasser-Schallempfänger (2.2, ...) umfasst, wobei die beiden Unterwasser-Schallempfänger (2.1, 2.2, ...) räumlich beabstandet zueinander am Antennenträger (1) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterwasserantenne - ein erstes Messelement (8.1, 9.1), - mindestens ein zweites Messelement (8.2, 9.2, ...) und - ein Messmittel (3, 13) umfasst, wobei das erste Messelement (8.1, 9.1) mit dem ersten Unterwasser-Schallempfänger (2.1) dergestalt mechanisch verbunden ist, dass eine Bewegung des ersten Messelements (8.1, 9.1) mit einer Auslenkung des ersten Unterwasser-Schallempfängers (2.1) korreliert ist, wobei das zweite Messelement (8.2, 9.2, ...) mit dem zweiten Unterwasser-Schallempfänger dergestalt mechanisch verbunden ist, dass eine Bewegung des zweiten Messelements (8.2, 9.2, ...) mit einer Auslenkung des zweiten Unterwasser-Schallempfängers (2.2, ...) korreliert ist und wobei das Messmittel dazu ausgestaltet ist, - eine Relativ-Bewegung des zweiten Messelements (8.2, 9.2, ...) relativ zum ersten Messelement (8.1, 9.1) zu messen, - aus der gemessenen Relativ-Bewegung zwischen den beiden Messelementen (8.1, 9.1, 8.2, 9.2, ...) rechnerisch ein Maß für die Auslenkung des zweiten Unterwasser-Schallempfängers (2.2, ...) relativ zum ersten Unterwasser-Schallempfänger (2.1) herzuleiten und - das hergeleitete Maß für die Relativ-Auslenkung auszugeben.
Unterwasserantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmittel (3, 13) - einen Messkörper (3) und - eine Messkörper-Vermessungseinheit (13) umfasst, wobei der Messkörper (3) die beiden oder wenigstens zwei Messelemente (8.1, 8.2, 9.1, 9.2, ...) umfasst, wobei eine Verformung des Antennenträgers (1) eine Verformung des Messkörpers bewirkt und wobei die Messkörper-Vermessungseinheit (13) dazu ausgestaltet ist, eine Verformung des Messkörpers (3) zu messen.
Unterwasserantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkörper (3) mindestens die gesamte Ausdehnung (I) des Antennenträgers (1) in mindestens eine Richtung (LA) überdeckt.
Unterwasserantenne nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterwasserantenne - sich in einer Fläche erstreckt und - mindestens drei Unterwasser-Schallempfänger (2.1, 2.2, 2.3) umfasst, wobei die drei Unterwasser-Schallempfänger (2.1, 2.2, 2.3) eine Ebene definieren und wobei der Messkörper (3) gewunden in der Fläche der Unterwasserantenne angeordnet ist.
Unterwasserantenne nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkörper (3) ein Faser-Bragg-Gitter oder ein Glasfaserkabel (3) oder einen Dehnungsmessstreifen umfasst.
Unterwasserantenne nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkörper (3) sich entlang einer Längsachse erstreckt und die Messkörper-Vermessungseinheit (13) - Messelemente in Form von resistiven, kapazitiven und/oder induktiven Sensoren (8.1, 8.2, ...) umfasst und - dazu ausgestaltet ist, bei der Messung einer Verformung des Messkörpers (3) Signale von diesen Sensoren (8.1, 8.2, ...) zu verwenden.
Unterwasserantenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterwasserantenne sich entlang einer Längsachse (LA) erstreckt und die beiden Unterwasser-Schallempfänger (2.1, 2.2) zu einer Abfolge von Unterwasser-Schallempfängern (2.1, 2.2, ...) gehören, welche sich entlang dieser Längsachse (LA) erstreckt, wobei der Messkörper (3) sich mindestens entlang der gesamten Abfolge erstreckt.
Unterwasserantenne nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmittel einen Abstandsmesser (9.1 bis 9.4) umfasst, wobei der Abstandsmesser (9.1 bis 9.4) dazu ausgestaltet ist, berührungslos eine Veränderung des Abstands zwischen den beiden Messelementen zu messen.
Anordnung mit - einer Unterwasserantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche und - einer signalverarbeitende Auswerteeinheit (4), wobei die Auswerteeinheit (4) dazu ausgestaltet ist, automatisch - Signale von den beiden Unterwasser-Schallempfängern (2.1, 2.2, ...) auszuwerten und - bei der Auswertung der Signale von den beiden Unterwasser-Schallempfängern (2.1, 2.2, ...) automatisch die rechnerisch hergeleitete Relativ-Auslenkung zu verwenden.
Unterwasserfahrzeug (10) mit - einem Fahrzeug-Körper (11) und - einer Unterwasserantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder einer Anordnung nach Anspruch 9, wobei der Antennenträger (1) der Unterwasserantenne am Fahrzeug-Körper (11) befestigt ist.
Unterwasserfahrzeug (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Messelemente (8.1, 9.1, 8.2, 9.2, ...) dergestalt am Fahrzeug-Körper (11) befestigt sind, dass mindestens dann, wenn eine Verformung des Fahrzeug-Körpers (11) eine Auslenkung des einen Unterwasser-Schallempfängers (2.2, ...) relativ zum anderen Unterwasser-Schallempfänger (2.1) bewirkt, die Verformung zusätzlich eine Relativ-Bewegung zwischen den Messelementen (8.1, 9.1, 8.2, 9.2, ...) bewirkt.
Unterwasserfahrzeug (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die bewirkte Relativ-Bewegung zwischen den Messelementen (8.1, 9.1, 8.2, 9.2, ...) in einem festen Verhältnis zu der bewirkten Relativ-Auslenkung zwischen den Unterwasser-Schallempfängern (2.1, 2.2, ...) steht.
Unterwasserfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrzeug-Körper (11) einen Druckkörper mit einer Innenwand umfasst, wobei die Innenwand einen Innenbereich des Druckkörpers umschließt und wobei die beiden Messelemente (8.1, 9.1, 8.2, 9.2, ...) an der Innenwand positioniert sind.
Unterwasserfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Messelemente (8.1, 9.1, 8.2, 9.2, ...) mechanisch mit dem Antennenträger (1) verbunden sind, wobei mindestens dann, wenn eine Verformung des Fahrzeug-Körpers (11) eine Auslenkung des einen Unterwasser-Schallempfängers (2.2, ...) relativ zum anderen Unterwasser-Schallempfänger (2.1) bewirkt, die Verformung zusätzlich eine Relativ-Bewegung zwischen den Messelementen (8.1, 9.1, 8.2, 9.2, ...) bewirkt.
Verfahren zum Betreiben einer Unterwasserantenne, wobei die Unterwasserantenne - einen Antennenträger (1), - einen ersten Unterwasser-Schallempfänger (2.1) und - mindestens einen zweiten Unterwasser-Schallempfänger (2.2, ...) umfasst und wobei die beiden Unterwasser-Schallempfänger (2.1, 2.2, ...) räumlich beabstandet zueinander am Antennenträger (1) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterwasserantenne - ein erstes Messelement (8.1, 9.1), - mindestens ein zweites Messelement (8.2, 9.2, ...) und - ein Messmittel (3, 13) umfasst, wobei das erste Messelement (8.1, 9.1) mit dem ersten Unterwasser-Schallempfänger (2.1) mechanisch verbunden ist, wobei das zweite Messelement (8.2, 9.2, ...) mit dem zweiten Unterwasser-Schallempfänger (2.2, ...) mechanisch verbunden ist und wobei während des Einsatzes der Unterwasserantenne automatisch die Schritte durchgeführt werden, dass - der erste Unterwasser-Schallempfänger (2.1) mindestens einmal relativ zum zweiten Unterwasser-Schallempfänger (2.2, ...) ausgelenkt wird, - eine Bewegung des ersten Messelements (8.1, 9.1) mit einer Auslenkung des ersten Unterwasser-Schallempfängers (2.1) korreliert, - eine Bewegung des zweiten Messelements mit einer Auslenkung des zweiten Unterwasser-Schallempfängers (2.2, ...) korreliert, - das Messmittel eine Bewegung des zweiten Messelements (8.2, 9.2, ...) relativ zum ersten Messelement (8.1, 9.1) misst und - das Messmittel (3, 13) aus der gemessenen Relativ-Bewegung zwischen den beiden Messelementen (8.1, 9.1, 8.2, 9.2, ...) rechnerisch ein Maß für die Auslenkung des zweiten Unterwasser-Schallempfängers (2.2, ...) relativ zum ersten Unterwasser-Schallempfänger (2.1) herleitet und ausgibt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit (4) automatisch Signale von den beiden Unterwasser-Schallempfängern auswertet, wobei die Auswerteeinheit (4) bei der Auswertung der Signale von den beiden Unterwasser-Schallempfängern (2.1, 2.2, ...) automatisch die rechnerisch hergeleitete Relativ-Auslenkung verwendet.