DE102019201174A1 - Verfahren und Empfangsanlage zum Ermitteln einer Entfernung zu einer Unterwasser-Schallquelle - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Empfangsanlage, welche automatisch die Entfernung zu einer Unterwasser-Schallquelle (8) zu ermitteln vermögen. Jede Schalleinfallsrichtung (SR.1, SR.2, SR.3) der Schallwellen, die auf eine Unterwasserantenne (11) der Empfangsanlage auftreffen, wird ermittelt. Jede Schalleinfallsrichtung (SR.1, SR.2, SR.3) weist eine horizontale und eine vertikale Komponente auf. Dann, wenn mindestens zwei ermittelte Schalleinfallsrichtungen (SR.1, SR.2, SR.3) dieselbe horizontale Komponente, aber unterschiedliche vertikale Komponenten aufweisen, wird entschieden, ob diese mindestens zwei Schalleinfallsrichtungen von derselben Schallquelle (8) oder von verschiedenen Unterwasser-Schallquellen (8, 9) verursacht werden. Dann, wenn entschieden wird, dass mindestens zwei Schalleinfallsrichtungen (SR.1, SR.2) mit unterschiedlichen vertikalen Komponenten von derselben Unterwasser-Schallquelle (8) verursacht werden, wird die Entfernung zwischen der Unterwasserantenne (11) und dieser Unterwasser-Schallquelle (8) unter Verwendung dieser mindestens zwei Schalleinfallsrichtungen (SR.1, SR.2) und eines vorgegebenen Schallausbreitungs-Modells (106) ermittelt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Empfangsanlage, welche automatisch die Entfernung zu einer Unterwasser-Schallquelle zu ermitteln vermögen.
• Verfahren, um unter Verwendung einer Unterwasserantenne eine Unterwasser-Schallquelle zu peilen, sind beispielsweise aus DE 102007022563 A1 und DE 102015120752 A1 bekannt.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Empfangsanlage bereitzustellen, welche die Entfernung zwischen einer Unterwasserantenne einer Empfangsanlage und einer Unterwasser-Schallquelle mit größerer Sicherheit als bekannte Verfahren und Empfangsanlagen zu ermitteln vermögen.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und eine Empfangsanlage mit den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
• Die erfindungsgemäße Empfangsanlage umfasst mindestens eine Unterwasserantenne. Die Empfangsanlage vermag sowohl die horizontale als auch die vertikale Komponente einer Schalleinfallsrichtung von Schallwellen, welche auf die oder mindestens eine Unterwasserantenne auftreffen, zu ermitteln und hierfür Signale von der oder mindestens einer Unterwasserantenne auszuwerten. Das erfindungsgemäße Verfahren wird unter Verwendung einer solchen Empfangsanlage durchgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Empfangsantenne vermögen automatisch eine Entfernung zu einer Unterwasser-Schallquelle zu ermitteln.
• Ein rechnerauswertbares Modell für die Schallausbreitung unter Wasser wird vorgegeben. Dieses Schallausbreitungs-Modell ist in rechnerauswertbarer Form in einem Datenspeicher der Empfangsanlage abgespeichert.
• Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, welche automatisch durchgeführt werden:
• - Jede Schalleinfallsrichtung der auf die Unterwasserantenne auftreffenden Schallwellen wird ermittelt. Jede ermittelte Schalleinfallsrichtung weist jeweils eine horizontale und eine vertikale Komponente auf.
• - Wenn mindestens zwei ermittelte Schalleinfallsrichtungen dieselbe horizontale Komponente, aber unterschiedliche vertikale Komponenten aufweisen, wird entschieden, ob diese mindestens zwei Schalleinfallsrichtungen von derselben Schallquelle oder von verschiedenen Unterwasser-Schallquellen verursacht werden. Möglich ist nämlich, dass Schallwellen von derselben Unterwasser-Schallquelle auf mindestens zwei verschiedenen Wegen dieselbe Unterwasserantenne der Empfangsanlage erreichen (Mehrwege-Ausbreitung, multi-path propagation).
• - Mindestens dann, wenn mindestens zwei Schalleinfallsrichtungen mit unterschiedlichen vertikalen Komponenten von derselben Unterwasser-Schallquelle verursacht werden, wird die Entfernung zwischen der Unterwasserantenne und dieser Unterwasser-Schallquelle ermittelt. Für diese Ermittlung der Entfernung werden die mindestens zwei Schalleinfallsrichtungen mit derselben horizontalen Komponente, welche von derselben Unterwasser-Schallquelle verursacht werden, sowie das vorgegebene Schallausbreitungs-Modell verwendet.
• Die lösungsgemäße Empfangsanlage vermag sowohl die horizontale als auch die vertikale Komponente der Schalleinfallsrichtung zu ermitteln. Um die Entfernung zur Unterwasser-Schallquelle zu ermitteln, wird zusätzlich zu der horizontalen Komponente auch die vertikale Komponente einer Schalleinfallsrichtung verwendet. Diese Merkmale ermöglichen es in vielen Fällen, folgende beide Situationen sicher voneinander zu unterscheiden:
• - Schallwellen von derselben Unterwasser-Schallquelle erreichen auf mindestens zwei unterschiedlichen Wegen die Unterwasserantenne, beispielsweise auf dem direkten Weg und auf einem Weg, bei dem die Schallwellen mindestens einmal reflektiert werden, beispielsweise an der Wasseroberfläche und / oder am Gewässerboden. Die horizontale Komponente der Schalleinfallsrichtungen ist in der Regel für jeden Weg identisch, während die unterschiedlichen Wege zu unterschiedlichen vertikalen Komponenten der Schalleinfallsrichtungen führen.
• - Schallwellen von unterschiedlichen Unterwasser-Schallquellen erreichen die Unterwasserantenne, wobei die Schalleinfallsrichtungen von den unterschiedlichen Schallquellen wenigstens zeitweise dieselbe horizontale Komponente aufweisen. In der Regel sind diese unterschiedlichen Schallquellen an Bord von zwei verschiedenen Wasserfahrzeugen montiert.
• Lösungsgemäß wird entschieden, ob mehrere Schalleinfallsrichtungen mit derselben horizontalen Komponente von derselben Unterwasser-Schallquelle oder von verschiedenen Unterwasser-Schallquellen stammen. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird diese Entscheidung wie folgt durchgeführt: Jeweils ein paarweiser Vergleich zwischen jeweils zwei Schalleinfallsrichtungen mit gleicher horizontalen Komponente und verschiedenen vertikalen Komponenten wird durchgeführt.
• Bei diesem Vergleich zwischen zwei Schalleinfallsrichtungen werden die folgenden Schritte durchgeführt:
• - Für beide Schalleinfallsrichtungen wird unter Verwendung von Signalen der Unterwasserantenne jeweils mindestens eine Messwertreihe erzeugt. Bevorzugt beschreibt jede erzeugte Messwertreihe ein Maß für die Schallintensität der auftreffenden Schallwellen, beispielsweise den Schallpegel, als Funktion einer veränderlichen physikalischen Größe, beispielsweise der Zeit, der Frequenz oder der möglichen Entfernung zwischen Unterwasserantenne und Schallquelle.
• - Ein Maß für die Übereinstimmung zwischen diesen beiden Messwertreihen wird berechnet.
• - Die Entscheidung, ob die beiden Schalleinfallsrichtungen von derselben Unterwasser-Schallquelle stammen, wird unter Verwendung des Übereinstimmungs-Maßes getroffen.
• Gemäß dieser Ausgestaltung werden zwei Schalleinfallsrichtungen mit übereinstimmender horizontaler Komponente miteinander verglichen, wofür zwei Messwertreihen miteinander verglichen werden. In einer Ausführungsform dieser Ausgestaltung werden die folgenden Schritte durchgeführt:
• - Die eine Messwertreihe wird relativ zur anderen Messwertreihe probeweise um eine Zeitspanne verschoben.
• - Mindestens eine Korrelation zwischen der probeweise verschobenen einen Messwertreihe und der anderen Messwertreihe wird berechnet.
• - Die Entscheidung wird unter Verwendung der oder jeder berechneten Korrelation gefällt, indem entschieden wird, ob die Korrelation ein vorgegebenes Korrelations-Kriterium erfüllt oder nicht. Bevorzugt wird entschieden, ob die oder eine Korrelation oberhalb einer vorgegebenen Korrelations-Schranke liegt. Wenn ja, so wird entschieden, dass die beiden Messwertreihen und somit die beiden Schalleinfallsrichtungen von derselben Unterwasser-Schallquelle verursacht werden. Ansonsten wird entschieden, dass sie von zwei verschiedenen Unterwasser-Schallquellen stammen.
• Falls die Schallwellen von derselben Unterwasser-Schallquelle auf mindestens zwei unterschiedlichen Wegen die Unterwasserantenne erreichen, so sind diese beiden Wege in der Regel unterschiedlich lang. Daher benötigen die Schallwellen auf diesen unterschiedlichen Wegen auch unterschiedliche Laufzeiten. Dieser Laufzeit-Unterschied ist in der Regel vorab nicht bekannt. Indem die eine Messwertreihe probeweise relativ zu der anderen Messwertreihe zeitlich verschoben wird, wird dieser Laufzeit-Unterschied probeweise rechnerisch kompensiert. Falls eine probeweise durchgeführte zeitliche Verschiebung annähernd gleich dem tatsächlichen Laufzeit-Unterschied ist, so wird zwischen der einen Messwertreihe, die annähernd um den Laufzeit-Unterschied zeitlich verschoben ist, und der anderen Messwertreihe eine hohe Korrelation auftreten. Falls hingegen keine probeweise durchgeführte zeitliche Verschiebung zu einer ausreichend hohen Korrelation führt, so stammen die beiden Messwertreihen von unterschiedlichen Unterwasser-Schallquellen. Falls die Messwertreihen sich auf die Frequenz als der physikalischen Variablen beziehen, so werden aus den Signalen der Unterwasserantenne bevorzugt zwei Frequenzverläufe für unterschiedliche Zeitspannen berechnet und miteinander verglichen.
• Gemäß dieser Ausführungsform wird die Korrelation zwischen der einen Messwertreihe, die probeweise um eine Zeitspanne verschoben ist, und der anderen Messwertreihe berechnet. In einer Fortbildung dieser Ausführungsform wird abhängig von der probeweise vorgegebenen Zeitspanne ein Dämpfungs-Unterschied berechnet. Dieser Dämpfungs-Unterschied resultiert aus unterschiedlichen Dämpfungen der Schallintensität der Schallwellen auf zwei unterschiedlich langen Wegen. Dieser Weglängen-Unterschied führt zu einem Unterschied in den Laufzeiten von Schallwellen auf diesen beiden Wegen. Die unterschiedlichen Laufzeiten führen wiederum zu unterschiedlichen Dämpfungen der Schallintensitäten. Der Dämpfungs-Unterschied wird so berechnet, dass er von einem Laufzeit-Unterschied verursacht wird, welcher gleich der Zeitspanne ist. Beim Vergleich der beiden Messwertreihen wird dieser Dämpfungs-Unterschied berücksichtigt.
• Diese Ausgestaltung berücksichtigt die Tatsache, dass Schallwellen auf einem Weg von der Unterwasser-Schallquelle zu der Unterwasserantenne gedämpft werden und dass diese Dämpfung von der Länge des Weges abhängt. Daher werden Schallwellen von derselben Unterwasser-Schallquelle auf einem längeren Weg in der Regel stärker gedämpft als auf einem kürzeren Weg.
• In einer Ausgestaltung wird für jede Schalleinfallsrichtung jeweils mindestens eine Frequenz der aus dieser Schalleinfallsrichtung auftreffenden Schallwellen berechnet. Bei dem Schritt, den Dämpfungs-Unterschied zu berechnen, wird der Einfluss dieser Frequenzen auf die Dämpfung berücksichtigt. Bekanntlich werden Schallwellen einer höheren Frequenz stärker gedämpft als Schallwellen einer niedrigeren Frequenz.
• Erfindungsgemäß wird durch das lösungsgemäße Verfahren und die lösungsgemäße Empfangsanlage die Entfernung zu einer Unterwasser-Schallquelle ermittelt. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Tauchtiefe der oder derjenigen Unterwasserantenne der Empfangsanlage gemessen, auf welche die Schallwellen von der Unterwasser-Schallquelle auftreffen. Beispielsweise wird die Tauchtiefe eines Unterwasserfahrzeugs, welches die Unterwasserantenne umfasst, oder die Eintauchtiefe der an einem Überwasserfahrzeug montierten oder von einem Fahrzeug durchs Wasser gezogenen Unterwasserantenne gemessen. Um die Entfernung zu ermitteln, wird zusätzlich die gemessene Tauchtiefe verwendet. Insbesondere ist die Tauchtiefe bevorzugt ein Parameter des verwendeten Schallausbreitungs-Modells. Bekanntlich variiert die Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Schallwellen im Wasser mit der Wassertiefe. Möglich ist, weitere Parameter zu messen, die einen Einfluss auf die Fortpflanzungsgeschwindigkeit haben, beispielsweise die Wassertemperatur und / oder der Salzgehalt, und zusätzlich diese Parameter zu verwenden, insbesondere als Parameter des Schallausbreitungs-Modells.
• Lösungsgemäß wird die Entfernung zu einer Unterwasser-Schallquelle ermittelt, wofür mindestens zwei Schalleinfallsrichtungen verwendet werden, welche von derselben Unterwasser-Schallquelle verursacht werden und dieselbe horizontale Komponente, aber unterschiedliche vertikale Komponente aufweisen. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden beim Ermitteln der Entfernung zusätzlich die folgenden Schritte durchgeführt, und hierbei wird bevorzugt eine Position der Unterwasser-Schallquelle relativ zur Unterwasserantenne ermittelt:
• - Mindestens zwei Wege von Schallwellen durch das Wasser zu der oder einer Unterwasserantenne der Empfangsanlage werden rechnerisch rekonstruiert - präziser: jeweils ein Weg pro Schalleinfallsrichtung. Die mindestens zwei zu rekonstruierenden Wege beginnen in derselben Unterwasser-Schallquelle, deren Position relativ zur Unterwasserantenne gesucht ist, und führen zu den beiden Schalleinfallsrichtungen mit derselben horizontalen Komponente und den unterschiedlichen vertikalen Komponenten.
• - Die rechnerische Rekonstruktion beginnt in der Unterwasserantenne, welche der gemeinsame Endpunkt der mindestens zwei Wege ist, und wird entgegen der Richtung der Schallfortpflanzung auf diesen Wegen auf die gesuchte Unterwasser-Schallquelle zu durchgeführt. Für die rechnerische Rekonstruktion eines Wegs werden das vorgegebene Schallausbreitungs-Modell und die jeweilige Schalleinfallsrichtung und optional die Tauchtiefe verwendet.
• - Ein gemeinsamer Ausgangspunkt dieser mindestens zwei rekonstruierten Wege wird ermittelt. Dieser gemeinsame Ausgangspunkt ist die Position der gesuchten Schallquelle relativ zu der Unterwasserantenne. Als die gesuchte Entfernung wird die Entfernung zwischen diesem gemeinsamen Ausgangspunkt und der Unterwasserantenne verwendet. Bevorzugt wird als Entfernung der horizontale Abstand verwendet.
• In einer anderen Ausgestaltung, um die Entfernung zu ermitteln, wird mindestens eine Schallausbreitungs-Simulation durchgeführt. Die oder jede Schallausbreitungs-Simulation umfasst die folgenden Schritte:
• - Probeweise wird eine virtuelle Schallquelle relativ zur Unterwasserantenne positioniert. Die virtuelle Schallquelle wird so positioniert, dass jede Schalleinfallsrichtung von dieser virtuellen Schallquelle die ermittelte gemeinsame horizontale Komponente aufweist.
• - Berechnet wird, welche Schalleinfallsrichtungen, die von der virtuellen Schallquelle an dieser Relativ-Position verursacht werden, erwartet werden. Um die erwarteten Schalleinfallsrichtungen zu berechnen, wird das vorgegebene Schallausbreitungs-Modell verwendet.
• - Die berechneten erwarteten Schalleinfallsrichtungen werden mit den ermittelten tatsächlichen Schalleinfallsrichtungen mit gleicher horizontaler Komponente verglichen, welche von derselben (realen) Unterwasser-Schallquelle verursacht werden.
• Falls bei einer Schallausbreitungs-Simulation der Vergleich zwischen den berechneten erwarteten und den ermittelten tatsächlichen Schalleinfallsrichtungen ein vorgegebenes Übereinstimmungs-Kriterium erfüllt, wird die Entfernung unter Verwendung der Relativ-Position der virtuellen Schallquelle ermittelt. Bevorzugt wird eine erwartete Messwertreihe mit einer tatsächlichen Messwertreihe verglichen.
• Lösungsgemäß wird die Entfernung zu einer Unterwasser-Schallquelle ermittelt. In einer Ausgestaltung wird bei der Ermittlung der Entfernung ein Ray-Tracing-Algorithmus angewendet, und hierfür wird das vorgegebene Schallausbreitungs-Modell verwendet.
• Lösungsgemäß wird die Entfernung zu einer Unterwasser-Schallquelle ermittelt. In einer Ausgestaltung wird zusätzlich zur aktuellen Entfernung mindestens eine weitere Information über die Unterwasser-Schallquelle ermittelt. Um diese weitere Information zu ermitteln, werden die mindestens zwei Schalleinfallsrichtungen mit übereinstimmender horizontaler Komponente und unterschiedlichen vertikalen Komponenten verwendet und außerdem das vorgegebene Schallausbreitungs-Modell. Diese weitere Information über die Unterwasser-Schallquelle ist beispielsweise
• - eine zeitliche Veränderung der Entfernung zur Unterwasser-Schallquelle,
• - der Ort der Unterwasser-Schallquelle relativ zu der Unterwasserantenne, d.h. die Unterwasser-Schallquelle wird geortet,
• - eine zeitliche Veränderung des Orts,
• - die Tauchtiefe der Unterwasser-Schallquelle,
• - die zeitliche Veränderung dieser Tauchtiefe,
• - die Richtung einer geraden Linie zwischen der Unterwasser-Schallquelle und der Unterwasserantenne,
• - eine Information über die Frequenz und / oder die Amplitude, mit welcher die Unterwasser-Schallquelle Schallwellen aussendet, oder
• - eine Information über den zeitlichen Verlauf der Frequenz und / oder der Amplitude.
• Lösungsgemäß werden sowohl die jeweilige horizontale Komponente als auch die jeweilige vertikale Komponente jeder Schalleinfallsrichtung ermittelt. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird zunächst die jeweilige horizontale Komponente jeder Schalleinfallsrichtung ermittelt. Typischerweise umfasst die Unterwasserantenne eine Vielzahl von Unterwasser-Schallempfängern, beispielsweise von Hydrophonen. Um die horizontale Komponente jeder Schalleinfallsrichtung zu ermitteln, reicht es aus, Signale von einem Teil dieser Unterwasser-Schallempfänger zu verarbeiten, beispielsweise die Signale von einer horizontalen Reihe oder zwei Reihen von Unterwasser-Schallempfängern. Bevorzugt wird ein horizontales Beamforming mit Signalen von dieser Reihe oder diesen beiden Reihen durchgeführt. Für jede ermittelte horizontale Komponente einer Schalleinfallsrichtung wird die oder jede vertikale Komponente ermittelt, bevorzugt durch ein vertikales Beamforming. Möglich ist, dass zur derselben horizontalen Komponente mehrere unterschiedliche vertikalen Komponenten ermittelt werden. Die Ausgestaltung, zunächst jede horizontale und dann jede vertikale Komponente zu ermitteln, spart Rechenzeit ein.
• Die oder mindestens eine Unterwasserantenne, welche für die lösungsgemäße Ermittlung der Entfernung verwendet wird, ist in einer Ausgestaltung an einer Außenhülle eines Wasserfahrzeugs montiert, z. B. an einem Druckkörper oder einer sonstigen Außenhülle eines Unterwasserfahrzeugs oder an einem Bereich der Außenhülle eines Überwasserfahrzeugs, wobei dieser Bereich beim regulären Einsatz dauerhaft unter Wasser bleibt. Die oder eine Unterwasserantenne kann auch ein Bestandteil einer Schleppantenne sein, welche von einem Wasserfahrzeug oder einem Luftfahrzeug durch das Wasser gezogen wird. Eine Auswerteeinheit, welche Signale von der oder jeder Unterwasserantenne auswertet, kann insbesondere an Bord des Wasserfahrzeugs oder des Luftfahrzeugs angeordnet sein.
• Nachfolgend werden das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Empfangsanlage anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigen:
• 1 schematisch mehrere Wege, auf denen Schallwellen unter Wasser eine Flächenantenne erreichen, und die verursachten Schalleinfallsrichtungen;
• 2 einen Ausschnitt aus einer Flächenantenne;
• 3 einen Ausschnitt aus einer zylinderförmigen Unterwasserantenne;
• 4 die horizontalen und vertikalen Komponenten von mehreren Schalleinfallsrichtungen;
• 5 drei beispielhafte Messwertreihen für drei Schalleinfallsrichtungen mit übereinstimmender horizontaler Komponente;
• 6 einen beispielhaften Bestandteil eines Schallausbreitungs-Modells.
• Im Ausführungsbeispiel wird die Erfindung an Bord eines Unterwasserfahrzeugs, beispielsweise eines bemannten Unterseeboots 10, eingesetzt, vgl. 1. Dieses Unterseeboot 10 fährt in eine Fahrtrichtung, die senkrecht oder schräg auf der Zeichenebene von 1 steht und vom Betrachter weg zeigt, und besitzt eine Empfangsanlage mit einer an der Backbordseite des Bootskörpers angeordneten ersten Flächenantenne 11, einer an der Steuerbordseite angeordneten zweiten Flächenantenne 12 und einer nicht gezeigten weiteren Unterwasserantenne, die annähernd die Form eines Segments der Mantelfläche eines Zylinders aufweist und / oder an die Form des Bugs angepasst ist. Außerdem umfasst die Empfangsanlage eine datenverarbeitende Auswerteeinheit 110, welche die Signale von den Unterwasserantennen 11, 12 auszuwerten vermag und Lesezugriff auf einen weiter unten beschriebenen Datenspeicher 109 aufweist.
• 1 zeigt weiterhin ein erstes Unterwasserfahrzeug 20 mit einem Propeller 8 sowie ein zweites Unterwasserfahrzeug 21 mit einem Propeller 9. Der Propeller 8 fungiert als eine erste Unterwasser-Schallquelle, der Propeller 9 als eine zweite Unterwasser-Schallquelle. Schallwellen von der ersten Unterwasser-Schallquelle 8 erreichen auf zwei unterschiedlichen Wegen die erste Flächenantenne 11 auf der Backbordseite des Unterseeboots 10, nämlich
• - zum einen auf einem direkten Weg W.1 und
• - zum anderen auf einem weiteren Weg W.2, der eine Reflexion von unten an der Wasseroberfläche WO umfasst.
• Auch der direkte Weg W.1 ist nicht notwendigerweise ein linearer Weg, sondern gekrümmt oder geknickt, weil die Schallwellen wegen unterschiedlicher Wasserschichten gebeugt werden.
• Im gezeigten Beispiel erreichen Schallwellen von der zweiten Unterwasser-Schallquelle 9 nur auf einem Weg W.3 die Flächenantenne 11. Dieser Weg W.3 umfasst eine Beugung an einer Trennlinie TL zwischen zwei unterschiedlichen Wasserschichten.
• Gezeigt werden weiterhin die Schalleinfallsrichtung SR.1, mit der diejenigen Schallwellen auf die Flächenantenne 11 auftreffen, welche auf dem Weg W.1 die Flächenantenne 11 erreichen, die Schalleinfallsrichtung SR.2 für den Weg W.2 und die Schalleinfallsrichtung SR.3 für den Weg W.3. Im gezeigten Beispiel liegen alle drei Schalleinfallsrichtungen SR.1, SR.2, SR.3 in der Zeichenebene von 1, die senkrecht auf der Wasseroberfläche WO steht. Alle drei Schalleinfallsrichtungen SR.1, SR.2, SR.3 haben daher dieselbe horizontale Komponente. Wie in 1 zu sehen ist, haben die drei Schalleinfallsrichtungen SR.1, SR.2, SR.3 drei unterschiedliche vertikale Komponenten. Die Empfangsanlage an Bord des Unterseeboots 10 ermittelt diese drei Schalleinfallsrichtungen SR.1, SR.2, SR.3.
• In 2 wird eine beispielhafte Flächenantenne gezeigt, welche N Reihen R(1), ..., R(N) mit jeweils mehreren Unterwasser-Schallempfängern umfasst, wobei N größer oder gleich zwei ist. 3 zeigt eine Unterwasserantenne, die ein Segment einer Zylinder-Mantelfläche einnimmt und ebenfalls N Reihen R(1), ..., R(N) aufweist. Bei einer üblichen Schwimmlage des Unterseeboots 10 sind diese N Reihen horizontal übereinander angeordnet. Jede Reihe R(i) (i=1,..., N) besitzt im Ausführungsbeispiel jeweils eine Abfolge mit M Unterwasser-Schallempfängern, wobei M größer oder gleich zwei ist, so dass insgesamt M Spalten S(1),..., S(M) von Unterwasser-Schallempfängern gebildet werden. Diese M Spalten sind vertikal oder schräg angeordnet. Möglich ist auch, dass eine Reihe mehr Unterwasser-Schallempfänger als eine andere Reihe besitzt.
• Zwischen zwei benachbarten Unterwasser-Schallempfängern i.l und i.l+1 einer Reihe R(i) tritt ein Abstand d auf (i=1,...,N; l=1, ... , M-1). Im Ausführungsbeispiel ist dieser Abstand für alle benachbarten Unterwasser-Schallempfänger gleich.
• In einer möglichen Implementierung der gezeigten Ausführungsform werden M übereinander angeordnete Unterwasser-Schallempfänger von einem Träger getragen. Die M übereinander angeordneten Unterwasser-Schallempfänger an einem Träger sind elektrisch zusammengeschaltet, so dass ein so genannter Stave gebildet wird. In 1 und 2 wird mit i.l der Unterwasser-Schallempfänger in der Reihe R(i) und der Spalte S(I) bezeichnet (i=1,...,N; l=1, ... , M). Mit St.l wird der Träger (Stave) in der Spalte S(I) bezeichnet (l=1, ... , M).
• Jeder Unterwasser-Schallempfänger i.l (i=1,...,N; I=1, ... , M) umfasst bevorzugt ein Hydrophon und vermag abhängig von der zeitlich veränderlichen Schallintensität von auftreffenden Unterwasser-Schallwellen elektrische oder optische Signale zu erzeugen. Die Auswerteeinheit 110 der Empfangsanlage vermag die Signale von den N*M Unterwasser-Schallempfängern automatisch zu verarbeiten und dadurch eine räumlich entfernte Unterwasser-Schallquelle zu orten. Unter „Orten“ wird der Vorgang verstanden, einerseits die Unterwasser-Schallquelle zu peilen, also die Richtung einer Linie von der Unterwasser-Schallquelle zu dem Unterseeboot 10 zu ermitteln, und andererseits den Abstand zwischen der Unterwasser-Schallquelle und dem Unterseeboot 10 zu ermitteln.
• Die Empfangsanlage des Ausführungsbeispiels vermag sowohl die horizontale Komponente als auch die vertikale Komponente einer Schalleinfallsrichtung, aus der Schallwellen auf die Flächenantenne 11, 12 und / oder eine zylinderförmige oder anderweitig gekrümmte Unterwasserantenne des Unterseeboots 10 auftreffen, zu ermitteln. Die horizontale Komponente einer Schalleinfallsrichtung ist die Projektion dieser Schalleinfallsrichtung auf eine horizontale Referenzebene Ref, die in der Zeichenebene von 1 und senkrecht auf der Zeichenebene von 2 steht. Die vertikale Komponente ist die Projektion in eine vertikale Referenzebene E_s, die in der Zeichenebene von 2 liegt und senkrecht auf der Referenzebene Ref und senkrecht auf der Zeichenebene von 1 steht. Im Ausführungsbeispiel werden für jede Flächenantenne 11, 12 jeweils n_h horizontale Haupt-Blickrichtungen (Vorzugs-Richtungen) und n_v vertikale Haupt-Blickrichtungen vorgegeben. Die Bezeichnungen „horizontal“ und „vertikal“ beziehen sich auf eine normale Schwimmlage des Unterseeboots 10. Im Ausführungsbeispiel beträgt n_h = 200 und n_v = 20.
• 4 zeigt schematisch acht Kombinationen von jeweils einer horizontalen und einer vertikalen Haupt-Blickrichtung in der Betrachtungsrichtung von 2. Gezeigt wird eine Spalte mit M Unterwasser-Schallempfängern. Sowohl die horizontale Referenzebene Ref als auch die vertikale Referenzebene E_s stehen senkrecht auf der Zeichenebene von 4. Beispielsweise wird die Kombination aus der horizontalen Haupt-Blickrichtung Nr. 150 und der vertikalen Haupt-Blickrichtung Nr. 15 gezeigt (mit HB_h.150, HB_v.15 bezeichnet, zeigt nach links oben).
• Wie bereits dargelegt, erreichen im Beispiel von 1 die Schallwellen von der ersten Unterwasser-Schallquelle 8 auf den beiden Wegen W.1 und W.2 die Flächenantenne 11, und die Schallwellen von der zweiten Unterwasser-Schallquelle 9 erreichen auf einem Weg W.3 die Flächenantenne 11. Im Ausführungsbeispiel ermittelt die Auswerteeinheit 110 an Bord des Unterseeboots 10 drei verschiedene Schalleinfallsrichtungen SR.1, SR.2, SR.3, die von den drei Wegen W.1, W.2 und W.3 stammen und in dem gezeigten Beispiel die gleiche horizontale Komponente, aber unterschiedliche vertikale Komponenten aufweisen.
• Bevorzugt ermittelt die Auswerteeinheit 110 zunächst die übereinstimmende horizontale Komponente - allgemeiner: diejenige horizontale Komponente jeder Schalleinfallsrichtung, die von einer Unterwasser-Schallquelle und nicht vom Hintergrundrauschen verursacht wird. Hierfür führt die Auswerteeinheit 110 bevorzugt ein horizontales Beamforming über den gesamten horizontalen akustischen Blickwinkel der Flächenantenne 11 durch, beispielsweise mit n_h = 200 horizontalen Haupt-Blickrichtungen. Anschließend ermittelt die Auswerteeinheit 110 die oder jede vertikale Komponente einer Schalleinfallsrichtung, welche die zuvor ermittelte horizontale Komponente aufweist. Im gezeigten Beispiel ermittelt die Auswerteeinheit 110 also drei unterschiedliche vertikale Komponenten der drei Schalleinfallsrichtungen SR.1, SR.2, SR.3 für die drei Wege W.1, W.2 und W.3. Bevorzugt führt die Auswerteeinheit 110 hierfür ein vertikales Beamforming durch, beispielsweise mit den n_v = 20 vertikalen Haupt-Blickrichtungen, und verwendet hierfür die bereits ermittelte übereinstimmende horizontale Komponente der drei Schalleinfallsrichtungen SR.1, SR.2, SR.3. Möglich ist auch, dass die Empfangsanlage die horizontalen Komponenten und die vertikalen Komponenten zeitlich überlappend oder sogar gleichzeitig ermittelt.
• Im Ausführungsbeispiel entscheidet die Auswerteeinheit 110 nunmehr, wie viele verschiedene Unterwasser-Schallquellen diese drei Schalleinfallsrichtungen SR.1, SR.2, SR.3 mit übereinstimmender horizontale Komponente, aber unterschiedlichen vertikalen Komponenten verursachen. Hierfür berechnet die Auswerteeinheit 110 für jede Schalleinfallsrichtung SR.1, SR.2, SR.3 jeweils eine Messwertreihe. Diese Messwertreihe gibt ein Maß für die Schallintensität der aus dieser Schalleinfallsrichtung SR.1, SR.2, SR.3 auftreffenden Schallwellen als Funktion einer physikalischen Variablen an. Das Maß für die Schallintensität ist beispielsweise der Schallpegel in Dezibel [dB] oder ein absolutes Maß für den Schalldruck, und die physikalische Variable ist beispielsweise die Zeit oder die Frequenz. Die Auswerteeinheit 110 berechnet die Messwertreihe, wofür sie Signale von den Unterwasser-Schallempfängern der Flächenantenne 11 auswertet.
• 5 zeigt drei beispielhafte Messwertreihen MW.1, MW.2, MW.3 für die drei Schalleinfallsrichtungen SR.1, SR.2, SR.3 mit übereinstimmender horizontaler Komponente. Die Auswerteeinheit 110 führt nunmehr jeweils einen Vergleich zwischen zwei Messwertreihen durch. Im Beispiel von 1 und 5 sind das drei Vergleiche, nämlich zwischen MW.1 und MW.2, zwischen MW.1 und MW.3 sowie zwischen MW.2 und MW.3. Bei diesem Vergleich verschiebt die Auswerteeinheit 110 probeweise die eine Messwertreihe um eine Zeitspanne und berechnet anschließend eine Korrelation zwischen der probeweise zeitlich verschobenen einen Messwertreihe und der nicht verschobenen anderen Messwertreihe. Die Auswerteeinheit 110 vergleicht die berechnete Korrelation mit einer vorgegebenen Korrelations-Schranke. Im Beispiel von 5 berechnet die Auswerteeinheit 110 eine hohe Korrelation, also eine Korrelation oberhalb der Korrelations-Schranke, wenn die erste Messwertreihe MW.1 ungefähr um die Zeitspanne ΔT zeitlich nach hinten verschoben wird und die Korrelation zwischen der um die Zeitspanne ΔT nach hinten verschobenen Messwertreihe MW.1 und der nicht verschobenen Messwertreihe MW.2 berechnet wird. Diese Zeitspanne ΔT entspricht im gezeigten Beispiel gerade einem Laufzeit-Unterschied, der aus dem Unterschied zwischen den Längen der beiden Wege W.1 und W.2 resultiert. Zwischen MW.1 und MW.3 sowie zwischen MW.2 und MW.3 tritt hingegen keine Korrelation oberhalb der Korrelations-Schranke auf, egal um welche Zeitspanne die eine Messwertreihe MW.1 oder MW.2 relativ zur anderen Messwertreihe MW.3 verschoben wird. Daher entscheidet die Auswerteeinheit 110 automatisch, dass die beiden Messwertreihen MW.1 und MW.2 und somit die beiden Schalleinfallsrichtungen SR.1 und SR.2 von derselben Unterwasser-Schallquelle S_x verursacht werden und die Messwertreihe MW.3 von einer anderen Unterwasser-Schallquelle S_y.
• Möglich ist auch, dass die Messwertreihen das Maß für die Schallintensität als Funktion der Frequenz angeben. In diesem Falle bezieht sich jede frequenzabhängige Schallintensität auf einen Zeitraum. Für die eine Messwertreihe wird dieser Zeitraum verschoben, und die verschobene eine Messwertreihe, welche die Schallintensität als Funktion der Frequenz in dem verschobenen Zeitraum beschreibt, wird mit der anderen Messwertreihe verglichen, d.h. die Korrelation im Frequenzband wird erzeugt, und geprüft wird, ob die Korrelation ein vorgegebenes Korrelations-Kriterium erfüllt, beispielsweise größer als eine vorgegebene Korrelations-Schranke ist.
• Nunmehr ortet die Auswerteeinheit 110 die Unterwasser-Schallquelle S_x, welche zu den beiden Schalleinfallsrichtungen SR.1 und SR.2 mit übereinstimmender horizontaler Komponente und unterschiedlichen vertikalen Komponenten führt, wobei diese beiden Schalleinfallsrichtungen SR.1 und SR.2 die beiden Messwertreihen MW.1 und MW.2 verursacht haben. Hierfür verwendet die Auswerteeinheit 110 in einer Ausgestaltung ein vorgegebenes Schallausbreitungs-Modell, welches in einer rechnerauswertbaren Form in dem Datenspeicher 109 an Bord des Unterseeboots 10 abgespeichert ist, vgl. 1. 6 zeigt einen Bestandteil dieses Schallausbreitungs-Modells. Dieser Bestandteil umfasst ein Profil 106, welches die Schallausbreitungs-Geschwindigkeit 104 im Wasser als Funktion der Wassertiefe 105 beschreibt, und ist in einem Meeresgebiet 101 gültig. Das Profil kann zusätzlich z.B. von der Jahreszeit und / oder von weiteren Parametern abhängen. Möglich ist, dass in dem Datenspeicher 109 für verschiedene Meeresgebiete unterschiedliche Profile 106 abgespeichert sind. Die Schallausbreitungs-Geschwindigkeit in [m/sec] ist auf der x-Achse aufgetragen, die Wassertiefe in [m] auf der nach unten zeigenden y-Achse. Das Profil 106 umfasst sechs charakteristische Punkte 107 sowie drei weitere Punkte 108. Möglich ist auch, dass das Profil der Schallausbreitungs-Geschwindigkeit am Einsatzort und während des Einsatzes der Empfangsanlage gemessen wird.
• In einer Ausführungsform rekonstruiert die Auswerteeinheit 110 rechnerisch die beiden Wege W.1 und W.2, auf denen die Schallwellen von derselben Unterwasser-Schallquelle S_x die Flächenantenne 11 erreichen und die zu den beiden Schalleinfallsrichtungen SR.1 und SR.2 führen. Hierfür verwendet die Auswerteeinheit 110 die beiden ermittelten Schalleinfallsrichtungen SR.1 und SR.2 sowie die gemessene aktuelle Tauchtiefe des Unterseeboots 10, wobei aus der Tauchtiefe ein bestimmter Abstand zwischen der Flächenantenne 11 und der Wasseroberfläche WO resultiert. Optional verwendet die Auswerteeinheit 110 zusätzlich den Laufzeit-Unterschied aus der Korrelation zwischen den Messwertreihen. Die flächige Ausdehnung der Flächenantenne 11 ist vernachlässigbar klein im Vergleich zu der Entfernung zwischen der Flächenantenne 11 und der Unterwasser-Schallquelle S_x, weswegen die Flächenantenne 11 bei der Rekonstruktion der Wege als punktförmig angenommen werden kann. Bei einem Beamforming wird selbstverständlich die räumliche Ausdehnung der Flächenantenne 11 berücksichtigt.
• In einer Ausgestaltung verwendet die Auswerteeinheit 110 weitere Umgebungsbedingungen, welche gemessen werden und bevorzugt verschiedene Parameter des Schallausbreitungs-Modells darstellen, beispielsweise
• - den Salzgehalt und / oder die Temperatur des Wassers, welche von der Tauchtiefe abhängen, zeitlich veränderlich sein können und ebenfalls die Schallausbreitungs-Geschwindigkeit beeinflussen,
• - die Wassertiefe an der gemessenen Geoposition des Unterseeboots, also den Abstand zwischen der Wasseroberfläche WO und dem Meeresboden,
• - Wellenbewegungen an der Wasseroberfläche WO, welche das Reflexionsverhalten von Schallwellen, die von unten die Wasseroberfläche WO erreichen, beeinflussen können,
• - ein Profil des Meeresbodens - dieses Profil kann ebenfalls das Reflexionsverhalten beeinflussen,
• - eine sonstige Eigenschaft des Meeresbodens, welche das Reflexionsverhalten von Schallwellen, die vom Meeresboden reflektiert werden, beeinflussen kann.
• Bei der Rekonstruktion rechnet die Auswerteeinheit 110 rückwärts von der als punktförmig angenommenen Flächenantenne 11 auf die gesuchte Unterwasser-Schallquelle S_x zu und rekonstruiert schrittweise den Weg W.1, der zu der Schalleinfallsrichtung SR.1 führt, und den Weg W.2, der zu der Schalleinfallsrichtung SR.2 führt. Für diese Rekonstruktion verwendet die Auswerteeinheit 110 die Schalleinfallsrichtungen SR.1 und SR.2, die Tauchtiefe der Flächenantenne 11, das Profil 106 für die Schallausbreitungs-Geschwindigkeit als Funktion der Wassertiefe sowie optional weitere gemessene Umgebungsbedingungen.
• Die rechnerische Rekonstruktion der beiden Wege W.1 und W.2 liefert idealerweise einen Schnittpunkt der beiden Wege, der räumlich von der Flächenantenne 11 entfernt ist und somit der Ausgangspunkt der beiden Wege W.1 und W.2 zu der Flächenantenne 11 ist. In der Praxis lassen sich die beiden Wege W.1 und W.2 nur näherungsweise rekonstruieren, und die Auswerteeinheit 110 findet zwei Punkte auf den beiden rekonstruierten Wegen, welche einen Abstand voneinander haben, der kleiner als eine vorgegebene Abstands-Schranke ist, wobei beide Punkte einen ausreichend großen Abstand von der Flächenantenne 11 aufweisen.
• Im Idealfall liefert der Schnittpunkt die gesuchte Position der Unterwasser-Schallquelle S_x relativ zur Flächenantenne 11. In der Praxis liefern in manchen Fällen die beiden Punkte mit dem geringen Abstand zueinander näherungsweise die gesuchte Relativ-Position. In anderen Fällen werden mehrere Punkte ermittelt, die sich beispielsweise durch verschiedene Laufzeiten zur Flächenantenne 11 unterscheiden. Der Ausgangspunkt, also die gesuchte Position, wird mit Hilfe der gemessenen Laufzeitunterschiede ermittelt. Die Empfangsanlage mit der Flächenantenne 11 und der Auswerteeinheit 110 hat damit die gesuchte Unterwasser-Schallquelle S_x, welche im Beispiel von 1 der Propeller 8 des Unterwasserfahrzeugs 20 ist, geortet.
• Aus der Relativ-Position leitet die Auswerteeinheit 110 die gesuchte Entfernung her, bevorzugt als den horizontalen Abstand. Optional leitet die Auswerteeinheit 110 weitere Informationen über die Unterwasser-Schallquelle S_x ab, beispielsweise die folgenden Informationen:
• - die Tauchtiefe der Unterwasser-Schallquelle S_x,
• - den zeitlichen Verlauf der Tauchtiefe,
• - einen zeitlichen Verlauf der Entfernung, wofür die Auswerteeinheit 110 die beiden Wege W.1, W.2 wiederholt an aufeinanderfolgenden Abtast-Zeitpunkten rekonstruiert und wiederholt den jeweiligen gemeinsamen Ausgangspunkt der Wege ermittelt,
• - eine Frequenz oder ein Frequenzband, welches die Schallwellen von der Schallquelle S_x aufweisen,
• - einen zeitlichen Verlauf dieser Frequenz oder dieses Frequenzbandes,
• - eine Amplitude, welche die Schallwellen von der Schallquelle S_x aufweisen,
• - einen zeitlichen Verlauf dieser Amplitude.
• In einer anderen Ausgestaltung führt die Auswerteeinheit 110 mindestens eine Schallausbreitungs-Simulation durch. Dieses Verfahren lässt sich auch als Anwendung eines Ray-Tracing-Verfahrens bezeichnen. Schallausbreitungs-Simulationen werden beispielsweise in DE 102007022563 A1 und DE 102015120752 A1 beschrieben.
• Bei jeder Schallausbreitungs-Simulation gemäß der lösungsgemäßen Ausgestaltung positioniert die Auswerteeinheit 110 mindestens einmal probeweise eine virtuelle Schallquelle relativ zu der als punktförmig angenommenen Flächenantenne 11. Die Relativ-Position der virtuellen Schallquelle ist so gewählt, dass eine Linie von der Flächenantenne 11 zu der virtuellen Schallquelle eine horizontale Komponente aufweist, die gleich der ermittelten übereinstimmenden horizontalen Komponente der beiden Schalleinfallsrichtungen SR.1 und SR.2 ist. Die gemessene Tauchtiefe des Unterseeboots 10 unter der Wasseroberfläche WO und die Meerestiefe begrenzen die Tiefe, in welcher die virtuelle Schallquelle positioniert werden kann.
• Bei der Schallausbreitungs-Simulation verwendet die Auswerteeinheit 110 das Schallausbreitungs-Modell und berechnet die Ausbreitung von Schallwellen unter Wasser von der virtuellen Schallquelle auf die Flächenantenne 11 zu. Die Auswerteeinheit 110 berechnet jede erwartete Schalleinfallsrichtung, mit welcher Schallwellen von der virtuellen Schallquelle, die an dieser Relativ-Position positioniert ist, auf die Flächenantenne 11 auftreffen. Jede berechnete erwartete Schalleinfallsrichtung weist eine horizontale Komponente auf, die gleich der übereinstimmenden horizontalen Komponente von beiden Schalleinfallsrichtungen SR.1 und SR.2 ist, und eine erwartete vertikale Komponente. Die Auswerteeinheit 110 vergleicht jede erwartete vertikale Komponente mit jeder ermittelten tatsächlichen vertikalen Komponente. In einer Ausgestaltung berechnet die Auswerteeinheit 110 für jede erwartete Schalleinfallsrichtung zusätzlich eine erwartete Messwertreihe und vergleicht die erwartete Messwertreihe mit den berechneten Messwertreihen MW.1 und MW.2 von 5.
• Die Auswerteeinheit 110 prüft automatisch, ob die erwarteten Schalleinfallsrichtungen mit den ermittelten Schalleinfallsrichtungen SR.1, SR.2 und optional die erwarteten Messwertreihen mit den berechneten Messwertreihen MW.1, MW.2 ausreichend gut übereinstimmen. Falls eine Schallausbreitungs-Simulation zu erwarteten Ergebnissen führt, welche gut mit den ermittelten tatsächlichen Ergebnissen übereinstimmen, so befindet sich die gesuchte Unterwasser-Schallquelle S_x wenigstens annähernd an dieser probeweise vorgegebenen Position der virtuellen Schallquelle relativ zur Flächenantenne 11. Diese Relativ-Position der virtuellen Schallquelle liefert eine Ortung der gesuchten Schallquelle S_x. Ansonsten wird die virtuelle Schallquelle probeweise an eine andere Position gesetzt.
• Bezugszeichenliste

8

Propeller des Unterwasserfahrzeugs 20, fungiert als die gesuchte Unterwasser-Schallquelle S_x

9

Propeller des Unterwasserfahrzeugs 21, fungiert als die gesuchte Unterwasser-Schallquelle S_y

10

Unterseeboot, umfasst die beiden Flächenantennen 11 und 12 und die Auswerteeinheit 110

11

Flächenantenne, an der Backbordseite des Bootskörpers des Unterseeboots 10 montiert

12

Flächenantenne, an der Steuerbordseite des Bootskörpers des Unterseeboots 10 montiert

20

Unterwasserfahrzeug, umfasst den Propeller 8

21

Unterwasserfahrzeug, umfasst den Propeller 9

101

Meeresgebiet, für welches das Profil 106 gilt

104

x-Achse des Profils 106: Schallausbreitungs-Geschwindigkeit

105

y-Achse des Profils 106: Wassertiefe

106

Profil, welches die Schallausbreitungs-Geschwindigkeit 104 im Wasser als Funktion der Wassertiefe 105 beschreibt, ist im Meeresgebiet 101 gültig, gehört zum Schallausbreitungs-Modell, ist im Datenspeicher 109 abgespeichert

107

charakteristischer Punkt des Profils 106

108

weiterer Punkt des Profils 106

109

Datenspeicher an Bord des Unterseeboots 10, in welchem das Schallausbreitungs-Modell mit dem Profil 106 abgespeichert ist

110

datenverarbeitende Auswerteeinheit an Bord des Unterseeboots 10, wertet Signale von der Flächenantenne 11, 12 aus, hat Lesezugriff auf den Datenspeicher 109

E_s

vertikale Referenzebene, auf welche sich die vertikalen Komponenten der Schalleinfallsrichtungen beziehen, steht senkrecht auf der horizontalen Referenzebene Ref

i.1, i.2,..., i.M

Unterwasser-Schallempfänger der Reihe R(i) (i=1,...,N)

M

Anzahl von Unterwasser-Schallempfängern der Reihe R(i) (i=1,...,N)

MW.1

Messwertreihe: zeitlicher Verlauf des Schallpegels der Schallwellen, die aus der Schalleinfallsrichtung SR.1 auf die Flächenantenne 11 auftreffen

MW.2

Messwertreihe: zeitlicher Verlauf des Schallpegels der Schallwellen, die aus der Schalleinfallsrichtung SR.2 auf die Flächenantenne 11 auftreffen

MW.3

Messwertreihe: zeitlicher Verlauf des Schallpegels der Schallwellen, die aus der Schalleinfallsrichtung SR.3 auf die Flächenantenne 11 auftreffen

N

Anzahl der Reihen R(i) von Unterwasser-Schallempfängern

n_h

Anzahl der horizontalen Haupt-Blickrichtungen (Vorzugs-Richtungen)

n_v

Anzahl der vertikalen Haupt-Blickrichtungen (Vorzugs-Richtungen)

Ref

horizontale Referenzebene, auf welche sich die horizontalen Komponenten der ermittelten Schalleinfallsrichtungen beziehen

R(i)

Reihe mit M Unterwasser-Schallempfängern i.1, i.2, ..., i.M (i=1,...,N)

SR.1

Schalleinfallsrichtung, mit der diejenigen Schallwellen auf die Flächenantenne 11 auftreffen, welche auf dem Weg W.1 die Flächenantenne 11 erreichen

SR.2

Schalleinfallsrichtung, mit der diejenigen Schallwellen auf die Flächenantenne 11 auftreffen, welche auf dem Weg W.2 die Flächenantenne 11 erreichen

SR.3

Schalleinfallsrichtung, mit der diejenigen Schallwellen auf die Flächenantenne 11 auftreffen, welche auf dem Weg W.3 die Flächenantenne 11 erreichen

S(j)

Spalte mit N Unterwasser-Schallempfängern 1.j, 2.j, ..., N.j (j=1,...,M)

S_x

gesuchte Unterwasser-Schallquelle, welche die beiden Schalleinfallsrichtungen SR.1 und SR.2 sowie die beiden Messwertreihen MW.1 und MW.2 verursacht, ist der Propeller 8

S_y

gesuchte Unterwasser-Schallquelle, welche die Schalleinfallsrichtung SR.3 sowie die Messwertreihen MW.3 verursacht, ist der Propeller 9

TL

Trennlinie zwischen zwei Schichten im Wasser, beugt die Schallwellen auf dem Weg W.3 vom Propeller 9 zur Unterwasserantenne 11

W.1

direkter Weg, den die Schallwellen auf dem Weg vom Propeller 8 zur Unterwasserantenne 11 nehmen

W.2

weiterer Weg, den die Schallwellen auf dem Weg vom Propeller 8 zur Unterwasserantenne 11 nehmen, umfasst eine Reflexion an der Wasseroberfläche WO

W.3

Weg, den die Schallwellen auf dem Weg vom Propeller 9 zur Unterwasserantenne 11 nehmen, umfasst eine Beugung an der Trennlinie TL

WO

Wasseroberfläche, reflektiert die Schallwellen auf dem Weg W.2 vom Propeller 8 zur Unterwasserantenne 11

• 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 102007022563 A1 [0002, 0048]
• DE 102015120752 A1 [0002, 0048]

Claims (11)

1. Verfahren zur Ermitteln einer Entfernung zu einer Unterwasser-Schallquelle (8, S_x), unter Verwendung einer Empfangsanlage, welche - mindestens eine Unterwasserantenne (11, 12) umfasst und - dazu ausgestaltet ist, sowohl die horizontale als auch die vertikale Komponente einer Schalleinfallsrichtung (SR.1, SR.2, SR.3) von Schallwellen, welche auf die oder mindestens eine Unterwasserantenne (11) auftreffen, zu ermitteln, wobei ein rechnerauswertbares Modell (106) für die Schallausbreitung unter Wasser vorgegeben wird und wobei das Verfahren die automatisch durchgeführten Schritte umfasst, dass - jede Schalleinfallsrichtung (SR.1, SR.2, SR.3) der auf die oder eine Unterwasserantenne (11) auftreffenden Schallwellen ermittelt wird, - dann, wenn mindestens zwei ermittelte Schalleinfallsrichtungen (SR.1, SR.2, SR.3) dieselbe horizontale Komponente, aber unterschiedliche vertikale Komponenten aufweisen, - entschieden wird, ob diese mindestens zwei Schalleinfallsrichtungen (SR.1, SR.2, SR.3) von derselben Schallquelle (8, S_x) oder von verschiedenen Unterwasser-Schallquellen (8, S_x, 9, S_y) verursacht werden, und - dann, wenn entschieden wird, dass die oder mindestens zwei Schalleinfallsrichtungen (SR.1, SR.2) mit unterschiedlichen vertikalen Komponenten von derselben Unterwasser-Schallquelle (8, S_x) verursacht werden, - die Entfernung zwischen der Unterwasserantenne (11) und dieser Unterwasser-Schallquelle (8, S_x) unter Verwendung dieser mindestens zwei Schalleinfallsrichtungen (SR.1, SR.2) und des vorgegebenen Schallausbreitungs-Modells (106) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Entscheidung, ob mindestens zwei Schalleinfallsrichtungen (SR.1, SR.2, SR.3) von derselben Schallquelle (8, S_x) oder von verschiedenen Schallquellen (8, S_x, 9, S_y) verursacht werden, - für jede Schalleinfallsrichtung (SR.1, SR.2, SR.3) unter Verwendung von Signalen der Unterwasserantenne (11) jeweils eine Messwertreihe (MW.1, MW.2, MW.3) erzeugt wird und - jeweils ein paarweiser Vergleich zwischen jeweils zwei Schalleinfallsrichtungen (SR.1 und SR.2, SR.1 und SR.3, SR.2 und SR.3) mit gleicher horizontalen Komponente und verschiedenen vertikalen Komponenten durchgeführt wird, wobei bei dem Vergleich der Schritt durchgeführt wird, dass ein Maß für die Übereinstimmung zwischen den beiden Messwertreihen (MW.1 und MW.2, MW.1 und MW.3, MW.2 und MW.3), die für diese beiden Schalleinfallsrichtungen (SR.1 und SR.2, SR.1 und SR.3, SR.2 und SR.3) erzeugt ist, berechnet wird, und die Entscheidung unter Verwendung des berechneten Übereinstimmungs-Maßes gefällt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim paarweisen Vergleich von zwei Schalleinfallsrichtungen (SR.1 und SR.2, SR.1 und SR.3, SR.2 und SR.3) mindestens einmal die Schritte durchgeführt werden, dass - die eine Messwertreihe (MW.1, MW.3) relativ zur anderen Messwertreihe (MW.2, MW.3) probeweise um eine Zeitspanne (ΔT) verschoben wird, - als Übereinstimmungs-Maß mindestens eine Korrelation zwischen der probeweise verschobenen einen Messwertreihe (MW.1, MW.3) und der anderen Messwertreihe (MW.2, MW.3) berechnet wird und - entschieden wird, ob die berechnete Korrelation ein vorgegebenes Korrelations-Kriterium erfüllt oder nicht.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Entscheidung, ob die erzeugte Korrelation zwischen der probeweise verschobenen einen Messwertreihe (MW.1, MW.3) und der anderen Messwertreihe (MW.2, MW.3) das Korrelations-Kriterium erfüllt, der Schritt durchgeführt wird, dass abhängig von der Zeitspanne (ΔT) ein Dämpfungs-Unterschied berechnet wird, wobei der Dämpfungs-Unterschied aus unterschiedlichen Dämpfungen der Schallintensität der Schallwellen auf zwei unterschiedlich langen Wegen (W.1, W.2) resultiert, wobei der Weglängen-Unterschied zu einem Unterschied in den Laufzeiten von Schallwellen auf diesen beiden Wegen (W.1, W.2) führt, wobei der Dämpfungs-Unterschied so berechnet ist, dass er von einem Laufzeit-Unterschied verursacht wird, welcher gleich der Zeitspanne (ΔT) ist, und wobei der Dämpfungs-Unterschied bei der Entscheidung, ob das vorgegebene Korrelations-Kriterium erfüllt ist oder nicht, berücksichtigt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Schalleinfallsrichtung (SR.1, SR.2, SR.3) jeweils mindestens eine Frequenz der aus dieser Schalleinfallsrichtung (SR.1, SR.2, SR.3) auftreffenden Schallwellen berechnet wird und bei der Berechnung des Dämpfungs-Unterschieds der Einfluss dieser Frequenzen auf die Dämpfung berücksichtigt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauchtiefe der Unterwasserantenne (11) gemessen wird und für die Ermittlung der Entfernung zusätzlich die gemessene Tauchtiefe verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt, unter Verwendung von mindestens zwei Schalleinfallsrichtungen (SR.1, SR.2), die von derselben Unterwasser-Schallquelle (8, S_x) verursacht werden, die Entfernung zu dieser Unterwasser-Schallquelle (8, S_x) zu ermitteln, unter Verwendung des Schallausbreitungs-Modells (106) zwei Wege (W.1, W.2) von Schallwellen durch das Wasser rechnerisch dergestalt rekonstruiert werden, dass diese beiden Wege (W.1, W.2) zu den beiden Schalleinfallsrichtungen (SR.1, SR.2), die von derselben Unterwasser-Schallquelle (8, S_x) verursacht sind, führen, ein gemeinsamer Ausgangspunkt (S_x) dieser beiden rekonstruierten Wege (W.1, W.2) ermittelt wird und die Entfernung zwischen diesem gemeinsamen Ausgangspunkt (S_x) und der Unterwasserantenne (11) zur Ermittlung der gesuchten Entfernung verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt, unter Verwendung von mindestens zwei Schalleinfallsrichtungen (SR.1, SR.2), die von derselben Unterwasser-Schallquelle (8, S_x) verursacht werden, die Entfernung zu dieser Unterwasser-Schallquelle (8, S_x) zu ermitteln, mindestens eine Schallausbreitungs-Simulation durchgeführt wird, wobei die oder jede Schallausbreitungs-Simulation die Schritte umfasst, dass - probeweise eine virtuelle Schallquelle relativ zur Unterwasserantenne (11) dergestalt positioniert wird, dass jede Schalleinfallsrichtung von dieser virtuellen Schallquelle die ermittelte übereinstimmende horizontale Komponente aufweist, - unter Verwendung des Schallausbreitungs-Modells (106) berechnet wird, welche Schalleinfallsrichtungen, die von der virtuellen Schallquelle an dieser Relativ-Position verursacht werden, erwartet werden, und - die berechneten erwarteten Schalleinfallsrichtungen mit den ermittelten Schalleinfallsrichtungen (SR.1, SR.2) von derselben Unterwasser-Schallquelle (8, S_x) verglichen werden, und wobei dann, wenn der Vergleich einer Schallausbreitungs-Simulation ein vorgegebenes Übereinstimmungs-Kriterium erfüllt, die Entfernung unter Verwendung der Relativ-Position der virtuellen Schallquelle ermittelt wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der Entfernung ein Ray-Tracing-Algorithmus unter Verwendung des Schallausbreitungs-Modells (106) angewendet wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung - der mindestens zwei Schalleinfallsrichtungen (SR.1, SR.2), die von derselben Unterwasser-Schallquelle (8, S_x) verursacht werden, und - des vorgegebenen Schallausbreitungs-Modells (106) zusätzlich zur Entfernung mindestens eine der folgenden Informationen über die Unterwasser-Schallquelle (8, S_x) ermittelt wird: - eine zeitliche Veränderung der Entfernung zur Unterwasser-Schallquelle (8, S_x), - die Tauchtiefe der Unterwasser-Schallquelle (8, S_x), - die zeitliche Veränderung der Tauchtiefe, - die Richtung einer geraden Linie zwischen der Unterwasser-Schallquelle (8, S_x) und der Unterwasserantenne (11), - eine Information über die Frequenz und / oder die Amplitude, mit welcher die Unterwasser-Schallquelle (8, S_x) Schallwellen aussendet.
11. Empfangsanlage umfassend - mindestens eine Unterwasserantenne (11, 12) und - einen Datenspeicher (109), wobei die Empfangsanlage dazu ausgestaltet ist, sowohl die horizontale als auch die vertikale Komponente einer Schalleinfallsrichtung (SR.1, SR.2, SR.3) von Schallwellen, welche auf die oder mindestens eine Unterwasserantenne (11) auftreffen, zu ermitteln, wobei im Datenspeicher (109) ein rechnerauswertbares Modell (106) für die Schallausbreitung unter Wasser abgespeichert ist, wobei die Empfangsanlage dazu ausgestaltet ist, automatisch eine Entfernung zu einer Unterwasser-Schallquelle (8, S_x) zu ermitteln, und wobei die Empfangsanlage weiterhin dazu ausgestaltet ist, bei der Ermittlung der Entfernung die Schritte durchzuführen, - jede Schalleinfallsrichtung (SR.1, SR.2, SR.3) der auf die oder eine Unterwasserantenne (11) auftreffenden Schallwellen zu ermitteln, - dann, wenn mindestens zwei ermittelte Schalleinfallsrichtungen (SR.1, SR.2, SR.3) dieselbe horizontale Komponente, aber unterschiedliche vertikale Komponenten aufweisen, - zu entscheiden, ob diese mindestens zwei Schalleinfallsrichtungen (SR.1, SR.2, SR.3) von derselben Schallquelle (8, S_x) oder von verschiedenen Unterwasser-Schallquellen (8, S_x, 9, S_y) verursacht werden, und - als Konsequenz der Entscheidung, dass mindestens zwei Schalleinfallsrichtungen (SR.1, SR.2) mit unterschiedlichen vertikalen Komponenten von derselben Unterwasser-Schallquelle (8, S_x) verursacht werden, - die Entfernung zwischen der Unterwasserantenne (11) und dieser Unterwasser-Schallquelle (8, S_x) unter Verwendung dieser mindestens zwei Schalleinfallsrichtungen (SR.1, SR.2) und des vorgegebenen Schallausbreitungs-Modells (106) zu ermitteln.

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