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Die Erfindung bezieht sich auf Unterwasserschallempfänger, die die Position eines Objekts bestimmen können.
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Es gibt verschiedene Möglichkeiten mittels Unterwasserschallempfängern die Position eines Objekts zu bestimmen. Vorliegend wird eine alternative Möglichkeit beschrieben, die Position des Objekts mittels Flächenarrays von Schallwandlern zu bestimmen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein alternatives Konzept für Unterwasserschallempfänger mit Flächenarrays zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ausführungsbeispiele zeigen einen Unterwasserschallempfänger zur Bestimmung einer Position eines Objekts mit einer Vielzahl von Schallwandlern und einem Signalprozessor. Die Vielzahl der Schallwandler ist flächig angeordnet, wobei die Schallwandler einfallende Schallwellen jeweils in ein Ausgangssignal, auch Stavedaten genannt, umwandeln. In anderen Worten sind die Vielzahl der Schallwandler zu einem Flächenarray angeordnet. Ein Schallwandler wird auch als Hydrophon bezeichnet.
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Der Signalprozessor ist ausgebildet, die Ausgangssignale zu verarbeiten um ein Unterwasserschallsignal zu erhalten. Dies beinhaltet optional auch eine Richtungsbildung. Der Signalprozessor ist ferner ausgebildet, einzelne Ausgangsignale jeweils zeitverzögert zu verarbeiten, wobei die Zeitverzögerung derart gewählt ist, dass die Vielzahl der Schallwandler virtuell einen Ausschnitt einer Kugeloberfläche bilden, wobei das Unterwasserschallsignal abhängig von der virtuellen Kugeloberfläche gebildet ist. Das heißt, durch die individuelle Zeitverzögerung eines Ausgangssignals wird simuliert, dass der entsprechende Schallwandler die Schallwellen zu einem anderen Zeitpunkt, insbesondere später empfangen hat. Der Schallwandler befindet sich also virtuell weiter von dem Objekt entfernt als er es in der Realität ist. Für jeden Schallwandler der Vielzahl von Schallwandlern kann so eine individuelle Zeitverzögerung bestimmt werden, so dass die Schallwandler virtuell den Ausschnitt einer Kugeloberfläche bilden.
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Der Signalprozessor ist ferner ausgebildet, die Ausgangssignale mit einer ersten Zeitverzögerung zu verarbeiten um eine virtuelle erste Kugeloberfläche zu erhalten und ein erstes Unterwasserschallsignal zu erhalten und mit einer zweiten Zeitverzögerung zu verarbeiten, um eine virtuelle zweite Kugeloberfläche zu erhalten und ein zweites Unterwasserschallsignal zu erhalten. In anderen Worten wird die individuelle Zeitverzögerung für jeden Schallwandler zwei Mal für die gleichen Ausgangssignale bestimmt, so dass zwei unterschiedliche virtuelle Kugeloberflächen (-ausschnitte) entstehen. Die Kugeloberflächen können sich in ihrem Radius, also der Entfernung des Kugelmittelpunkts und/oder in der Position ihres Kugelmittelpunkts in einer Fläche, die durch den Radius vorgegeben ist, voneinander unterscheiden. Das heißt, der Signalprozessor ist ausgebildet, die virtuellen Kugeloberflächen mittels der Zeitverzögerung für die gleichen Ausgangssignale derart zu verändern, dass diese sich in ihrer Krümmung und in einer Richtung relativ zu der Vielzahl der Schallwandler unterscheiden. Wird vor dem Verarbeiten der Ausgangssignale mit der Zeitverzögerung eine Richtungsbildung ausgeführt, so ist die horizontale Richtung des Mittelpunkts durch die Richtungsbildung vorgegeben. Die vertikale Richtung kann mittels der Zeitverzögerung bestimmt werden. Das Verarbeiten der Ausgangssignale kann die Abtastung der Ausgangssignale umfassen.
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Abschließend vergleicht der Signalprozessor das erste Unterwasserschallsignal mit dem zweiten Unterwasserschallsignal. In Abhängigkeit von einem Vergleichskriterium wird entschieden, ob die Position des Objekts im Mittelpunkt der ersten virtuellen Kugeloberfläche oder im Mittelpunkt der zweiten virtuellen Kugeloberfläche angeordnet ist. In Ausführungsbeispielen kann der Signalprozessor eine Energie als Vergleichskriterium verwenden und die Energie des ersten Unterwasserschallsignals mit der Energie des zweiten Unterwasserschallsignals vergleichen, wobei das Objekt im Mittelpunkt derjenigen virtuellen Kugeloberfläche liegt, die zu dem Unterwasserschallsignal mit der größeren Energie gehört.
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Idee ist es, sich die Ausbreitung von Schallwellen als Kugelwellen zu Nutze zu machen. Dies funktioniert insbesondere im Nahbereich, wenn sich die Kugelwelle noch nicht zu einer ebenen Wellenfront annähern lässt. Durch die virtuelle Nachbildung von Kugeloberflächen wird die Kugelwelle des schallaussendenden oder reflektierenden Objekts nachgebildet. Wird mit der virtuellen Kugeloberfläche der Radius (und somit die Entfernung des Objekts) und der Richtung des Kugelmittelpunkts getroffen, empfangen alle Schallwandler die Schallwellen, die von dem Objekt ausgesendet werden, virtuell gleichzeitig. In dem Summensignal ist das Objekt dann am lautesten, bzw. die Energie des Summensignals ist dann am größten. Durch einen Vergleich verschiedener virtueller Kugeloberflächen kann so die beste virtuelle Kugeloberfläche, in Abhängigkeit von dem Vergleichskriterium, bestimmt werden. Als Position des Objekts wird der Mittelpunkt, der zu der Kugel mit der besten virtuellen Kugeloberfläche gehört verwendet. Es sei Anzumerken, dass mittels der Schallwandler nur eine virtuelle Teil-Kugeloberfläche, d.h. ein Ausschnitt aus einer Kugeloberfläche, erzeugt wird, auf deren Basis der Mittelpunkt der korrespondierenden Kugel bestimmt wird.
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Das heißt, der Signalprozessor kann iterativ arbeiten. Er ist dann ausgebildet, die Bestimmung der Unterwasserschallsignale iterativ auszuführen und die bestimmten Unterwasserschallsignale miteinander zu vergleichen und abhängig von dem Vergleichskriterium ein Unterwasserschallsignal mit einer korrespondierenden virtuellen Kugeloberfläche auszuwählen, in deren Mittelpunkt die Position des Objekts angeordnet ist. Diese virtuelle Kugeloberfläche wird auch als beste Kugeloberfläche bezeichnet. Zur iterativen Bestimmung kann zunächst eine ungefähre Position des Objekts bestimmen werden, indem die virtuellen Kugeloberflächen derart variiert werden, dass aufeinanderfolgende virtuelle Kugeloberflächen einen Unterschied zueinander aufweisen, der größer ist als ein Schwellenwert. Das heißt, die Kugeloberfläche wird beispielsweise in Schritten von 0,5, 1 oder 2 Steradiant pro Richtung gekrümmt und es werden beispielsweise 9, 16 oder 25 Richtungen im Raum betrachtet, die beispielsweise äquidistant zueinander sind. Wird vorab eine Richtungsbildung durchgeführt, können beispielsweise 3, 4 oder 5 Richtungen in der vertikalen betrachtet werden. Das Raster der betrachteten Raumwinkel und Richtungen, in dem die Kugeloberflächen variiert werden ist also ziemlich groß, der Schwellenwert liegt dann unterhalb der Schrittweite für die Krümmung und/oder der Richtungen. Die ungefähre Position wird als Mittelpunkt der Kugel mit der besten Kugeloberfläche angesehen.
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Nach der Bestimmung der ungefähren Position des Objekts wird in der Nähe der ungefähren Position eine exakte Position des Objekts bestimmt, indem die virtuellen Kugeloberflächen derart variiert werden, dass aufeinanderfolgende virtuelle Kugeloberflächen einen Unterschied zueinander aufweisen, der kleiner ist als der Schwellenwert. In der Nähe der ungefähren Position heißt, dass die Kugeloberfläche und/oder die Richtungen um die ungefähre Position variiert werden, so dass keine weitere bereits betrachtete Kugeloberfläche erreicht wird. In anderen Worten wird das Raster nur in dem Ausschnitt um die ungefähre Position verfeinert, um die exakte Position zu bestimmen.
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In Ausführungseispielen ist der Signalprozessor ausgebildet, eine Detektion und optional eine Klassifikation, in den Ausgangssignalen durchzuführen um ein Objekt, das Schallwellen aussendet, zu erkennen und nur Bereiche der Ausgangssignale, die das Objekt aufweisen, zur Bildung der Unterwasserschallsignale zu verwenden. Das heißt, in den Ausgangssignalen wird zunächst eine Detektion, vorteilhafterweise sogar eine Klassifikation von Objekten durchgeführt. Mittels der Detektion werden solche Frequenzanteile zur weiteren Signalverarbeitung herausgefiltert, in denen ein Objekt detektiert wird. Ein Objekt wird häufig anhand von lauten bzw. dominanten Frequenzen erkannt, beispielsweise solchen Frequenzen deren Signal-RauschVerhältnis (SNR) oberhalb eines Schwellenwertes liegt. Bei der Klassifikation wird eine Detektion mit bekannten Frequenzmustern verglichen. Somit können zwei Objekte, die sich in etwa der gleichen Richtung befinden, erkannt werden. Bei der alleinigen Detektion kann es passieren, dass beide Objekte zu einem Objekt verschmelzen. Dadurch, dass mittels der Detektion das Ausgangssignal auf die Frequenzen reduziert ist, in denen eine Detektion vorliegt, wird die Signalverarbeitung vereinfacht, insbesondere ist weniger Rechenleistung notwendig.
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Analog ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Objekts mit folgenden Schritten offenbart: Umwandeln einfallender Schallwellen mittels flächig angeordneter Schallwandler in jeweils ein Ausgangssignal; Verarbeiten der Ausgangssignale um ein Unterwasserschallsignal zu erhalten, wobei einzelne Ausgangsignale jeweils zeitverzögert verarbeitet werden, wobei die Zeitverzögerung derart gewählt ist, dass die Vielzahl der Schallwandler virtuell einen Ausschnitt aus einer Kugeloberfläche bilden, wobei das Unterwasserschallsignal abhängig von der virtuellen Kugeloberfläche gebildet ist; Verarbeiten der Ausgangssignale mit einer ersten Zeitverzögerung, um eine virtuelle erste Kugeloberfläche zu erhalten und ein erstes Unterwasserschallsignal zu erhalten; Verarbeiten der Ausgangssignale mit einer zweiten Zeitverzögerung um eine virtuelle zweite Kugeloberfläche zu erhalten und ein zweites Unterwasserschallsignal zu erhalten; Vergleichen des ersten Unterwasserschallsignals mit dem zweiten Unterwasserschallsignal; Entscheiden, in Abhängigkeit von einem Vergleichskriterium, die Position des Objekts im Mittelpunkt der ersten virtuellen Kugeloberfläche oder im Mittelpunkt der zweiten virtuellen Kugeloberfläche anzuordnen.
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Ferner ist ein entsprechendes Computerprogramm mit einem Programmcode zur Ausführung des Verfahrens auf einem Computer offenbart.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1: zeigt eine schematische Darstellung eines Unterwasserschallempfängers in einer perspektivischen Darstellung; und
- 2: zeigt eine schematische Blockdarstellung einer Signalverarbeitungseinheit des U nterwasserschallem pfängers.
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Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
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1 zeigt eine schematische, perspektivische Darstellung eines Unterwasserschallempfängers 20. Der Unterwasserschallempfänger 20 weist eine Vielzahl von Schallwandlern 24 und einen Signalprozessor 26 auf. Die Vielzahl der Schallwandler 24 erzeugen jeweils ein (elektrisches) Ausgangssignal 30, das einfallende (Wasser-) Schallwellen 28 erzeugen. Die Schallwandler werden auch als Hydrophon bezeichnet. Die Schallwandler 28 können, wie in 1 gezeigt, äquidistant in einem Raster (ebenen) angeordnet sein. Der Anordnung der Schallwander ist jedoch nicht auf die gezeigte Form beschränkt. Insbesondere sind auch Anordnungen der Schallwandler möglich, die beispielsweise an die (Rumpf-) Form eines Wasserfahrzeugs anpasst, ist an der die Schallwandler 28 angeordnet sind. Die Schallwellen 28 werden von einem Objekt 22 erzeugt oder von diesem reflektiert. Die Signalverarbeitungseinheit 26 empfängt die Ausgangssignale 30 zur weiteren (Signal-) Verarbeitung. Nach der Signalverarbeitung gibt die Signalverarbeitungseinheit 26 ein Signal 31 aus, das eine Position des Objekts 22 aufweist. In einem Unterwasserszenario gibt es ferner häufig mehrere Objekte 22 im Empfangsbereich der Unterwasserschallempfänger, so dass die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet ist, eine Position für jedes detektierte Objekt zu bestimmen und in dem Signal 31 auszugeben.
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2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der Signalverarbeitungseinheit 26. Typischerweise erfolgt die Verarbeitung der Ausgangssignale 30 im Frequenzbereich, so dass zunächst mittels eines Moduls 32 eine Zeit-Frequenz-Transformation erfolgt. Die Zeit-Frequenz-Transformation wird typischerweise für jedes Ausgangssignal 30 separat durchgeführt. Anschließend, oder auch vorab, können die Vielzahl von Schallwandler mittels Richtungsbildung in einem Richtungsbildner 33 bereits flächig in (horizontale) Richtung gedreht werden. Somit entfällt die Suche der horizontalen Position des Mittelpunkts der Kugeloberfläche. In Ausführungsbeispielen kann eine Detektion von Zielen mittels eines Detektionsmoduls 34 folgen, optional ferner eine Klassifikation mittels eines Klassifikationsmoduls 36. Somit wird die Anzahl der zu verarbeitenden Frequenzen reduziert, wodurch sich der Rechenaufwand für die weitere Signalverarbeitung ebenfalls reduziert. Das heißt, die Suche der Position des Objekts wird nur für die detektierten bzw. klassifizierten Ziele durchgeführt.
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Verzögerungsglieder 40 verzögern nun die Verarbeitung der einzelnen Ausgangssignale 30. Eine Verzögerungszeit, mit der die Verarbeitung der einzelnen Ausgangssignale 30 verzögert wird, wird für jedes Ausgangssignal 30 (und somit für jeden zugehörigen Schallwandler) mittels eines Kugeloberflächenprozessors 38 individuell bestimmt. Der Kugeloberflächenprozessor 38 kann somit verschiedene Radien virtueller Kugeloberflächen der Schallwandler 24 mittels der individuellen Verzögerungszeiten der einzelnen Ausgangssignale 30 einstellen. Ferner kann der Kugeloberflächenprozessor 38 mittels der Einstellung der Verzögerungszeiten die Ausrichtung des Kugelmittelpunkts im Raum einstellen. Für jede Wahl der Verzögerungszeiten, die eine Kugeloberfläche abbilden, wird ein Unterwasserschallsignal 41 erzeugt. Ein Vergleicher 42 ermittelt anhand eines Vergleichskriteriums, beispielsweise der Energie der Unterwasserschallsignale, den besten Kugelmittelpunkt. In anderen Worten wird der Kugelmittelpunkt ausgewählt, der das Vergleichskriterium aller Unterwasserschallsignale am besten erfüllt.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein. Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
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Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahingehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein. Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
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Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahingehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahingehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Unterwasserschallempfänger
- 22
- Objekt
- 24
- Schallwandler
- 26
- Signalprozessor
- 28
- Schallwellen
- 30
- Ausgangssignale
- 31
- Position des Objekts
- 32
- Modul zur Zeit-Frequenz-Transformation
- 34
- Modul zur Detektion
- 36
- Modul zur Klassifikation
- 38
- Modul zur Berechnung der Kugeloberflächen
- 40
- Verzögerungsglieder
- 41
- Unterwasserschallsignal
- 42
- Vergleicher
