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Die Erfindung bezieht sich auf ein Sonarsystem, das beispielsweise zur Minenjagd eingesetzt werden kann.
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Die Aperturen der akustischen Wandlersysteme der Sonare, beispielsweise solche die zur Minenjagd eingesetzt werden, sind häufig mechanisch starr und unflexibel. Für den Einsatz zur Minenjagd wird das Sonarsystem am Einsatzort typischerweise aus dem Rumpf eines Wasserfahrzeugs ausgefahren. Dort erfordert das Sonarsystem einen Einbauraum, der im Wesentlichen von seiner horizontalen Apertur (zzgl. Rahmen, etc.) bestimmt wird. D.h., eine entsprechend große Öffnung und Einbautiefe im Rumpf des Wasserfahrzeugs ist notwendig. Ziel ist es jedoch, die Öffnung und Einbautiefe im Rumpf möglichst klein zu halten. Dies widerspricht jedoch dem Wunsch nach großen Antennenaperturen, die eine bessere Auflösung ermöglichen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für Überwasserwasserfahrzeuge zu schaffen; insbesondere für kleinere Einheiten mit einer Gesamtlänge unter 50m, die nur einen eingeschränkten Einbauraum zur Verfügung stellen können.
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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 ein faltbares Sonarsystem. Das Sonarsystem umfasst eine Sonarantenne, die eine Mehrzahl von flächigen Teilarrays umfasst, wobei die Teilarrays jeweils eine Vielzahl von Wasserschallwandlern aufweisen. Ein Gelenkelement ist an einer ersten Position der Sonarantenne zwischen zwei benachbarten flächigen Teilarrays der Mehrzahl von flächigen Teilarrays angeordnet, um eine Orientierung des ersten Teilarrays der zwei benachbarten flächigen Teilarrays relativ zu dem zweiten Teilarray der zwei benachbarten flächigen Teilarrays zu ändern. D.h., mittels des Gelenkelements ist die Sonarantenne faltbar. Insbesondere heißt dies, dass zwei Teilarrays der Sonarantenne, z.B. um 90°, abgewinkelt werden können. Bei dem Gelenkelement kann es sich um ein Gelenk handeln, dass einen Freiheitsgrad (z.B. ein Drehgelenk) aufweist oder mehrere Freiheitsgrade (z.B. ein Kugelgelenk) aufweist. Als ein flächiges Teilarray wird beispielsweise ein (austauschbares) Modul von Wasserschallwandlern verstanden. Das Teilarray ist flächig, wenn die Wasserschallwandler flächig, d.h. nicht linear z.B. sondern kollinear, angeordnet sind. Typischerweise ist eine Breite des Teilarrays größer als eine Höhe des Teilarrays, beispielsweise ist das Verhältnis von Breite zu Höhe mindestens 2:1, bevorzugt mindestens 3:1.
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Idee ist es, die Größe der Sonarapertur in ihrer für Stauung vorgesehenen Konfiguration, beispielsweise zum Ein- und Ausfahren aus dem Wasserfahrzeug, verkleinern zu können. Dies ist durch das Abwinkeln eines Teils der Sonarantenne möglich. Die Sonarantenne benötigt dann im eingefahrenen Zustand einen kleineren Raum, als durch die maximale horizontale Apertur vorgegeben. Ein weiterer Vorteil besteht jedoch darin, die Sonarantenne auch im Betrieb abzuwinkeln. Dann wird, unter Verringerung der horizontalen Auflösung, die vertikale Auflösung eines Sonarbilds verbessert. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn ein Objekt unter Wasser detektiert worden ist und zur Tiefenklassifikation eine bessere vertikale Auflösung benötigt wird.
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In Ausführungsbeispielen weist das Sonarsystem einen Antrieb auf. Der Antrieb ist ausgebildet, die Orientierung des ersten Teilarrays relativ zu dem zweiten Teilarray zu ändern. Der Antrieb kann mittels einer Steuerung, beispielsweise aus einem Wasserfahrzeug, angesteuert werden. Somit ist es möglich, das Sonarsystem ferngesteuert zusammen- und auseinanderzufalten. Der Antrieb kann z.B. Teil des Gelenkelements sein oder zumindest mechanisch mit dem Gelenkelement gekoppelt sein.
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In weiteren Ausführungsbeispielen ist das Gelenkelement derart mit dem ersten und dem zweiten flächigen Teilarray verbunden, dass eine Wasserschallhauptempfangsrichtung unabhängig von der Orientierung des ersten flächigen Teilarrays zu dem zweiten flächigen Teilarray konstant ist. In anderen Worten bleibt eine Normalenrichtung auf das sich bewegende (erste bzw. zweite) flächige Teilarray unverändert. D.h. die Wanderflächen des ersten und des zweiten flächigen Teilarrays zeigen auch nach dem Einfalten in die gleiche Richtung, in die sich auch vor dem Einfalten gezeigt haben.
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Weiterhin zeigen Ausführungsbeispiele, dass das Sonarsystem ein weiteres Gelenkelement aufweist, das an einer zweiten Position der Sonarantenne zwischen zwei benachbarten flächigen Teilarrays der Mehrzahl von flächigen Teilarrays angeordnet ist, um eine Orientierung des ersten Teilarrays der zwei benachbarten flächigen Teilarrays relativ zu dem zweiten Teilarray der zwei benachbarten flächigen Teilarrays zu ändern. Die zweite Position ist von der ersten Position verschieden. D.h., es ist nunmehr möglich, die Sonarantenne an zwei Stellen abzuwinkeln. Zwischen der ersten und der zweiten Position, d.h. zwischen den Gelenkelementen, ist mindestens ein fixiertes flächiges Teilarray angeordnet. Das fixierte flächige Teilarray kann optional geneigt werden. Es ändert jedoch seine Orientierung nicht, wenn die Sonarantenne ein- oder ausgefaltet wird. Es ergeben sich damit insgesamt drei Teilaperturen (zwei Schenkel und das fixierte flächige Teilarray), deren relative Orientierung zueinander variabel ist.
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Weitere Ausführungsbeispiele zeigen das faltbare Sonarsystem mit einer Sendeantenne. Die Sendeantenne ist ausgebildet, Wasserschall auszusenden. Die Sonarantenne ist ausgebildet, Reflexionen des von der Sendeantenne ausgesendeten Wasserschalls zu empfangen. Die Sonarantenne kann in diesem Szenario auch als Empfangsantenne bezeichnet werden.
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Vorteilhafterweise ist die Sendeantenne zwischen der ersten und der zweiten Position angeordnet. Insbesondere ist die Sendeantenne (horizontal) mittig von der Sonarantenne angeordnet. Beispielsweise ist die Sendeantenne oberhalb oder unterhalb der Sonarantenne angeordnet. Bevorzugt ist die Sendeantenne jedoch in räumlicher Nähe zu der Sonarantenne angeordnet. Optional ist es möglich, eine oder mehrere weitere Sendeantennen vorzusehen. Somit kann das Sonarsystem mit einer Mehrzahl von Mittenfrequenzen verwendet werden. Die Sonarantenne ist dann bevorzugt eine Antenne, die derart breitbandig ausgelegt ist, dass sie die Frequenzen der Sendeantenne empfangen kann.
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In Ausführungsbeispielen weist die Sonarantenne einen veränderlichen Anstellwinkel aufweist, so dass das Sonarsystem ausgebildet ist die Wasserschallhauptempfangsrichtung eines flächigen Teilarrays, das bei einer Änderung der Orientierung benachbarter flächiger Teilarrays fixiert ist, sowohl in Richtung des Gewässerbodens als auch parallel zu dem Gewässerboden auszurichten. D.h., die Wandlerflächen liegen parallel zum Gewässergrund oder senkrecht zum Gewässergrund. Andere Orientierungen sind ebenfalls möglich. Dies ermöglicht es beispielsweise, bei einer eingefalteten Sonarantenne, die eingefalteten flächigen Teilarrays, d.h. die Schenkel, so auszurichten, dass diese horizontal ausgerichtet sind.
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Weitere Ausführungsbeispiele zeigen, dass das Gelenkelement ausgebildet ist, bei einer eingefalteten Sonarantenne ein oder mehrere flächige Teilarrays, die die Schenkel bilden, nach außen zu drehen, so dass die Wasserschallhauptempfangsrichtungen des oder der flächigen Teilarrays des ersten Schenkels und des oder der flächigen Teilarrays des zweiten Schenkels in gegenüberliegende Richtungen zeigen. In Verbindung mit der entsprechenden Neigung der Sonarantenne sind die Schenkel dann horizontal angeordnet und die dort angeordneten flächigen Teilarrays können seitlich Wasserschall empfangen. Dies ermöglicht beispielsweise die Nutzung als Seitensichtsonar (SSS) oder als synthetisches Apertursonar (SAS).
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Darüber hinaus ist ein Wasserfahrzeug mit dem faltbaren Sonarsystem offenbart. Das faltbare Sonarsystem ist mittels eines Ausfahrmechanismus mit dem Wasserfahrzeug verbunden. Der Ausfahrmechanismus ist ausgebildet, das Sonarsystem aus einem Rumpf des Wasserfahrzeugs auszufahren und das ausgefahrene Sonarsystem in den Rumpf des Wasserfahrzeugs einzufahren. In dieser Form ist es beispielsweise zur Minenjagd geeignet.
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Analog ist ein Verfahren zum Betrieb des faltbaren Sonarsystems mit folgenden Schritten offenbart: a) Ausfahren des faltbaren Sonarsystems aus einem Rumpf eines Wasserfahrzeugs im zusammengefalteten Zustand; b) Auseinanderfalten des faltbaren Sonarsystems, so dass die flächigen Teilarrays linear angeordnet sind; c) Aufnehmen von Sonardaten mit dem Sonarsystem; d) Zusammenfalten des faltbaren Sonarsystems; e) Einfahren des zusammengefalteten Sonarsystems in den Rumpf des Wasserfahrzeugs.
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Optional können nach Schritt a) oder nach Schritt c) bei einem faltbaren Sonarsystem mit zwei Gelenkelementen folgende weiteren Schritte ausgeführt werden: x1) Anordnen der flächigen Teilarrays derart, dass ein Gelenkelement abgewinkelt ist um ein teilweise abgewinkeltes Sonarsystem zu erhalten; x2) Aufnehmen von Sonardaten mit dem Sonarsystem, wobei die aus den Sonardaten erhaltenen Sonarbilder eine bessere vertikale Auflösung aufweisen als Sonarbilder aus den Sonardaten aus Schritt c). Anschließend kann Schritt b) oder Schritt d) folgen. Auch eine wechselweise Abfolge der Schritte c) und x2) ist möglich. So kann sich z.B. die Abfolge a), [x1), x2)], b), c), x1), x2), b), c), [x1), x2)], d), e) ergeben. Die eckigen Klammern deuten weitere Optionen in der Abfolge an.
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Weiter optional kann das Verfahren nach dem Schritt d) bei einem faltbaren Sonarsystem mit zwei Gelenkelementen folgende weiteren Schritte aufweisen: y1) Anordnen der flächigen Teilarrays derart, dass die Wasserschallhauptempfangsrichtung der beiden Schenkel in die entgegengesetzte Richtung zeigen; y2) Neigen des oder der ungefalteten flächigen Teilarrays, so dass deren Wasserschallhauptempfangsrichtung in Richtung Meeresboden zeigt; y3) Aufnehmen von Sonardaten mit dem Sonarsystem. Somit wird das Sonarsystem als Seitensichtsonar oder als synthetisches Apertursonar verwendet.
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Es sei angemerkt, dass die Begriffe „falten“ und „abwinkeln“ synonym verwendet werden.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1: eine schematische Vorderansicht eines faltbaren Sonarsystems mit einem Gelenkelement, wobei der auseinandergefaltete Zustand in 1a und der zusammengefaltete bzw. abgewinkelte Zustand in 1b dargestellt ist;
- 2: eine schematische Vorderansicht des faltbaren Sonarsystems mit zwei Gelenkelementen, wobei der auseinandergefaltete Zustand in 2a, ein teilweise abgewinkelter/zusammengefalteter Zustand in 2b und der (vollständig) zusammengefaltete bzw. abgewinkelte Zustand in 2c dargestellt ist und wobei 2d verschiedene optionale Drehachsen der Teilarrays offenbart;
- 3: eine schematische Vorderansicht eines Rumpfes eines Wasserfahrzeugs mit dem faltbaren Sonarsystem in der Darstellung gemäß 2c.
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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 Vorderansicht eines faltbaren Sonarsystems 20. Das faltbare Sonarsystem 20 weist eine Sonarantenne 22 auf, die aus einer Mehrzahl von flächigen Teilarrays 24 gebildet ist. Die Teilarrays 24 werden jeweils aus einer Vielzahl von Wasserschallwandlern 26 aufgespannt, wobei die Wasserschallwandler 26 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur in 1a schematisch dargestellt sind. Die dargestellte Sonarantenne 22 weist fünf flächige Teilarrays 24a, 24b, 24c, 24d, 24e auf.
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Das Sonarsystem 20 umfasst ferner ein Gelenkelement 28. Das Gelenkelement 28 ist an einer ersten Position 30 der Sonarantenne 22 zwischen den beiden benachbarten flächigen Teilarrays 24b, 24c der Mehrzahl von flächigen Teilarrays 24 angeordnet. Mittels des Gelenkelements 28 kann eine Orientierung des ersten Teilarrays 24b der zwei benachbarten flächigen Teilarrays relativ zu dem zweiten Teilarray 24c der zwei benachbarten flächigen Teilarrays verändert werden.
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Optional ist in 1 ferner eine Sendeantenne 32 als Teil des Sonarsystems 20 dargestellt. Die Sendeantenne ist beispielhaft mittig von der Sonarantenne 22 angeordnet. Ferner ist die Sendeantenne 32 oberhalb der Sonarantenne 22 angeordnet. Die Sendeantenne 32 kann mittels eines Stabs 34 mit der Sonarantenne 22 verbunden sein. Der Stab 34 kann ferner dazu verwendet werden, das Sonarsystem 20 mit einem Wasserfahrzeug, insbesondere mechanisch, zu verbinden.
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Optional weist das Sonarsystem 20 eine neben dem Gelenkelement einen weiteren Freiheitsgrad, die Möglichkeit zur Rotation, auf. Diese Rotation des Stabs 34 ist durch den Drehpfeil 33a dargestellt. Die Rotation kann z.B. durch eine entsprechende Anordnung, insbesondere Mechanik, innerhalb des Wasserfahrzeugs erreicht werden. Durch die Rotation des Stabs 34 kann die Sonarantenne 22 in einer horizontalen Ebene bewegt, insbesondere rotiert, werden. Ein Anstellwinkel gegenüber dem Gewässerboden bleibt konstant.
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Ebenso optional weist das Sonarsystem 20 neben dem Gelenkelement einen weiteren Freiheitsgrad, die Möglichkeit zur Neigung, auf. Diese Neigung der Sonarantenne ist durch den Drehpfeil 33b sowie die korrespondierende Drehachse 33c dargestellt. Durch das Einstellen der Neigung kann ein Anstellwinkel der Sonarantenne 22 gegenüber dem Gewässerboden eingestellt werden. Beispielsweise kann die Neigung zwischen 0° und 90° betragen. Bei einer Neigung von 0° kann die Wasserschallhauptempfangsrichtung parallel zum Gewässerboden verlaufen. Bei einer Neigung von 90° kann die Wasserschallhauptempfangsrichtung auf den Gewässerboden gerichtet sein. Zur Einstellung der Neigung kann ein zweites Gelenkelement (nicht gezeigt) zwischen der Sonarantenne 22 und dem Stab 34 angeordnet sein.
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Ferner können die beiden flächigen Teilarrays 24a, 24b, die einen Schenkel der eingefalteten Sonarantenne und die beiden flächigen Teilarrays 24d, 24e, die den anderen Schenkel der eingefalteten Sonarantenne bilden, nach außen gedreht werden. Die Wasserschallhauptempfangsrichtung der flächigen Teilarrays 24a, 24b zeigt dann in die gegenüberliegende Richtung wie die Wasserschallhauptempfangsrichtung der beiden flächigen Teilarrays 24d, 24e. Zusammen mit der Neigung der Sonarantenne, so die Wasserschallhauptempfangsrichtung des ungefalteten Teils der Sonarantenne, das flächige Teilarray 24c, in Richtung Gewässergrund zeigt, ergibt sich die Möglichkeit die beiden Schenkel als Seitensichtsonar zu verwenden. Ebenso ist es möglich, die Schenkel für den Einsatz als synthetisches Apertursonar zu verwenden.
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Weiter optional sind zwei weitere Sendeantennen 35a, 35b offenbart. Diese befinden sich außenseitig an der Sonarantenne 22. Die Sonarantenne kann somit mittels der Sendeantennen 35a, 35b Schallwellen aussenden und mittels der Teilarrays 24 die ausgesendeten Schallwellen empfangen.
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1a zeigt nunmehr den ausgefalteten Zustand des Sonarsystems (und somit auch der Sonarantenne). Demgegenüber ist das Gelenkelement 28 in 1 b eingefaltet. D.h. die Teilarrays 24a, 24b sind gegenüber den anderen Teilarrays 24c, 24d, 24e abgewinkelt.
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2 zeigt das faltbare Sonarsystem aus 1 ergänzt um ein weiteres Gelenkelement 36. Mittels des weiteren Gelenkelements kann das faltbare Sonarsystem zusätzlich an einer zweiten Position 38 abgewinkelt werden. Während mit einem Gelenkelement in 1 eine „L-Form“ möglich ist, ist mit zwei Gelenkelementen eine „L-Form“ (teilweise eingefaltet) und eine „U-Form“ (vollständig eingefaltet) möglich.
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2a zeigt hier den ausgefalteten Zustand des Sonarsystems 20. 2b zeigt einen von zwei möglichen teilweise eingefalteten Zuständen des Sonarsystems 20 (L-Form - analog zu 1b). 2c zeigt ergänzend den vollständig eingefalteten Zustand des Sonarsystems 20 (U-Form).
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In 2d sind ferner Drehachsen 33d, 33f, jeweils eine für die beiden Teilarrays 24a, 24b bzw. 24d, 24e offenbart. Die zugehörigen Drehpfeile 33e, 33g zeigen mögliche Drehrichtungen der Teilarrays 24 an. Die Drehung entsprechend der Drehpfeile 33e, 33g kann ebenfalls mittels des Gelenkelements 28 bzw. des weiteren Gelenkelements 36 erfolgen.
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3 zeigt den Rumpf 40 eines Wasserfahrzeugs. Das Sonarsystem 20 ist hier vollständig eingefaltet dargestellt und kann in diesem Zustand durch eine Öffnung 42 in dem Rumpf 40 des Wasserfahrzeugs aus dem Wasserfahrzeug aus- und wieder hineingefahren werden. Dies wird durch den Pfeil 44 dargestellt.
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Die offenbarten (Wasser-) Schallwandler sind für den Einsatz unter Wasser, insbesondere im Meer, ausgelegt. Die Schallwandler können Wasserschall in eine dem Schalldruck entsprechenden elektrischen Signal (z.B. Spannung oder Strom), das Wasserschallsignal, umwandeln. Überdies ist es möglich, dass die Schallwandler eine anliegende elektrische (Wechsel-) Spannung in Wasserschall umwandeln können. Die Schallwandler können demnach als Wasserschallempfänger und/oder als Wasserschallsender verwendet werden. Als sensorisches Material können die Schallwandler ein piezoelektrisches Material, beispielsweise eine Piezokeramik, aufweisen. Die Schallwandler können für (Aktiv- und/oder Passiv-) Sonar (sound navigation and ranging, dt.: Schall-Navigation und - Entfernungsbestimmung) eingesetzt werden. Die Schallwandler sind bevorzugt nicht für medizinische Anwendungen geeignet bzw. werden nicht für medizinische Anwendungen eingesetzt.
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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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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
- faltbares Sonarsystem
- 22
- Sonarantenne
- 24
- Teilarray
- 26
- Wasserschallwandler
- 28
- (erstes) Gelenkelement
- 30
- erste Position
- 32
- Sendeantenne
- 33
- Drehpfeil / Drehachse
- 34
- Stab
- 35
- Sendeantennen
- 36
- weiteres (zweites) Gelenkelement
- 38
- zweite Position
- 40
- Rumpf des Wasserfahrzeugs
- 42
- Öffnung in dem Rumpf
- 44
- Pfeil
