DE69532037T2 - Beobachtungen von unterhalb einer unruhigen wasseroberfläche - Google Patents

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C13/00—Surveying specially adapted to open water, e.g. sea, lake, river or canal
    • G01C13/002—Measuring the movement of open water
    • G01C13/004—Measuring the movement of open water vertical movement

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Beobachtungen der Umwelt, die unter Wasser durchgeführt werden können, und insbesondere auf die Nutzung von Beobachtungen von unterhalb einer unruhigen Wasseroberfläche, um Einzelheiten der Wellen der Wasseroberfläche – und darauf basierend vielfältige Oberflächen-Daten – festzustellen und zu nutzen.
  • 2. STAND DER TECHNIK
  • Obwohl der größte Teil der Erdoberfläche von Wasser bedeckt ist – hauptsächlich von Ozeanen – und Satelliten derzeit Beobachtungen von Zuständen an und oberhalb der Meeresoberfläche liefern, geben diese Beobachtungen noch keine erschöpfenden Einzeldaten zur Kennzeichnung der Meeresoberfläche und dessen, was sich in und knapp über dieser Oberfläche ereignet. Solche Daten könnten außerordentlich nützlich sein, um die Interpretation von z. B. Satelliten-Radar-Daten sowie Wettervorhersagen zu verbessern, und ebenfalls zur Optimierung der Sicherheit bei der Nutzung der Meeresregionen durch viele unterschiedliche Luft- und Wasserfahrzeuge sowie zur verbesserten Anwendung unterschiedlicher automatischer Sensor-Anordnungen.
  • Es ist wahr, dass solche Daten von bemannten oder unbemannten Ausrüstungen, die auf der Meeresoberfläche treiben, erfasst werden können, jedoch sind Stationen oder Schifte, die solche Ausrüstungen beherbergen, zerstörerischen Wetterereignissen und Wechselwirkungen beim Navigieren ausgesetzt. Eine versenkte Vorrichtung, ob auf dem Boden aufsitzend, am Boden verankert oder mobil, ist vor diesen Problemen gefeit und könnte solche Daten entweder zum Weitersenden (z. B. per Kabel) an Festland-Stationen zum nützlichen Gebrauch beschaffen und/oder zum Sammeln auf dem Meer und späteren stapelweisen Herunterladen auf Festland-Stationen und/oder sogar zur Verbesserung der Funktionen der versenkten Vorrichtung selbst.
  • Zusätzlich zur Möglichkeit, spezielle versenkte Beobachtungsvorrichtungen an vielen Plätzen auf der Welt zu positionieren, werden Unterwasserfahrzeuge bereits fortwährend in beträchtlicher Zahl eingesetzt. Auf diese Weise werden sie potentiell positioniert, um eine große Anzahl von nützlichen lokalen Mikrodaten über Wasseroberflächen – und den Raum darüber – zu sammeln, die später nützlich verwendet werden könnten mittels Abgleich mit anderen Informationen (zum Beispiel mit Satelliten-Radar-Bildern), um die Deutung jener anderen Informationen wie auch die Funktionen dieser Fahrzeuge zu verbessern. Beobachtungsbeschränkungen verhindern jedoch den wirkungsvollen Einsatz dieser großartigen möglichen Ressource.
  • Bedauerlicherweise ist eine versenkte Unterwasser-Vorrichtung stark eingeschränkt bezüglich der Fähigkeit, Zustände an oder über der Oberfläche zu ermitteln, und erst recht in ihrer Fähigkeit, Datenübertragungen von oberhalb der Oberfläche zu empfangen. Licht und andere elektromagnetische Strahlung werden stark abgeschwächt, während sie durch Wasser, insbesondere Meerwasser, dringen; akustische Übertragung ist ebenfalls in ihrer Bandbreite eingeschränkt und schwierig, sowohl zur Beobachtung als auch zur Datenübertragung.
  • Auf diese Weise ist zum Beispiel die direkte optische Beobachtung der Oberfläche von unten unzulänglich, um festzustellen, ob das Wetter oder die Wasser-Oberflächenbedingungen zufriedenstellend sind für den Betrieb von kleinen Fahrzeugen etc. an oder über der Oberfläche. Einige geplante Einsätze mögen nur dann durchführbar oder erstrebenswert sein, wenn kein starker Regen fällt oder nur mäßiger Wellengang besteht oder nur, falls sich die Windrichtung und -geschwindigkeit innerhalb eines Bereiches gewünschter Werte befinden. Als weiteres Beispiel wäre es vor dem Versetzen der Unterwasserausrüstung an die Oberfläche wünschenswert, Informationen zu besitzen, die darauf schließen lassen, dass mögliche Kollisionsgefahren in gewisser Weise minimiert werden könnten.
  • Das elektromagnetische Spektrum ermöglicht anwendbare Beobachtungs- und Kommunikationsmittel nur in zwei Wellenlängen-Bereichen: im blau-grünen Teil des sichtbaren Spektrums (und sogar dort nur über sehr kurze Entfernungen, wie wenige hundert Meter) und bei sogenannten "Extraniederfrequenzen" (ELF) im Funkspektrum.
  • Üblicherweise werden solche Objekte, wie Oberflächenfahrzeuge, nicht ohne weiteres durch Beobachtung im Extraniedertrequenzbereich des Spektrums lokalisiert. Dies ist nicht nur der Fall, weil sie normalerweise im ELF-Spektral-Bereich nur wenig ausstrahlen, und nicht nur, weil die Umgebungsstrahlungsstärke gering ist (was für die Beobachtung durch die reflektierte Umgebung als dienlich erachtet werden könnte), sondern vor allem, weil die äquivalenten Wellenlängen sich im Bereich von 100.000 Kilometern bewegen.
  • Auf diese Weise ist eine solche Strahlung über terrestrische Entfernungen inhärent ungerichtet. Akustik, die im allgemeinen zum Loten und Orten von nahen Objekten angewandt wird, ist weit stärker gerichtet als ELF-Funk, aber noch ungenau – aufgrund der Ausbreitung der Schallschwingung durch das Wasser.
  • Direkte visuelle Beobachtung durch die Luft über der Wasseroberfläche von Unterwasser-Positionen eines versenkten Fahrzeuges aus ist selbstverständlich normalerweise unmöglich wegen der Bildverzerrungswirkung der Wasseroberfläche. Einige Unterwasserausrüstungen sind gewöhnlich mit Periskopen ausgerüstet, die die Unzulänglichkeiten von Wasser als Übertragungsmedium umgehen und die Beobachtung nur durch die Luft verwenden.
  • Es könnte vermutet werden, dass eine solche Ausrüstung genutzt werden könnte, um die Schwierigkeiten zu überwinden, die in den vorangegangenen Abschnitten ausgeführt wurden. Bedauerlicherweise sind diese einfachen mechanischen Geräte nur dienlich, wenn die Ausrüstung sich innerhalb einiger Meter zur Oberfläche befindet.
  • In solch seichten Positionen befindet sich die versenkte Vorrichtung schon innerhalb des Kollisionsbereiches großer Oberflächenfahrzeuge, und selbstverständlich befindet sich das Periskop selbst innerhalb des Kollisionsbereiches aller Oberflächenfahrzeuge. Ferner ist der Betrieb von Unterwasserausrüstungen zuverlässiger und grundsätzlich in größeren Tiefen sinnvoller.
  • Was die Kommunikationstechnik betrifft, wird ein weltweites System von drahtlosen ELF-Übertragungen unterhalten, um Nachrichten unter Wasser entweder an Stationen oder Fahrzeuge zu übermitteln. Bedauerlicherweise ist die Frequenz dieser Schwingungen so niedrig – und die Anzahl von Empfängern, die dieses System teilen, so groß – dass nur extrem kurze Meldungen in irgendeinem normalen Übertragungsintervall weitergeleitet werden können, und insbesondere zu jedwedem Empfänger.
  • Übertragungen in hoher Bandbreite von oberhalb der Oberfläche können nicht von Ausrüstungen in normalen Betriebstiefen von zum Beispiel dreißig Metern oder mehr empfangen werden. Zum Beispiel könnten Signale von einem blau-grünen Laser-Peilstrahl (ausgestrahlt zum Beispiel von einem Satelliten) in Richtung auf das Wasser gesendet werden – aber sie würden schlecht und dynamisch gebrochen, und alle Bruchstücke würden von einer rauhen Wasseroberfläche dynamisch zurückgesandt oder verzerrt.
  • Unterwasserausrüstungen würden nicht wissen, in welche Richtung sie in jedem Augenblick schauen müssten, um solche Signale zu sehen. Der Großteil der Energie akustischer Nachrichten von oberhalb des Wassers würde von der Oberfläche reflektiert.
  • Somit ist ersichtlich, dass es der bisherige Stand der Technik im Bereich des Unterwasser-Betriebs versäumt hat, effiziente Möglichkeiten zur Verfügung zu stellen zur Erlangung von Informationen über Bedingungen und Einzelheiten – und zum Empfang von Nachrichtenübertragungen von Breitband-Signal-Sendern – an und oberhalb der Oberfläche.
  • Es seien einige frühere technologische Entwicklungen erwähnt, die bislang niemals mit dem Betrieb von Unterwasser-Vorrichtungen in Verbindung gebracht wurden oder mit den oben angeführten Problemen. Man überspannt die Bereiche der Astronomie und die sogenannte Pseudo-Astronomie – d. h. visuelle Verfolgung von Satelliten.
  • Eine zweite befindet sich im Bereich von satellitengestützter Datensammlung, um die Bedingungen der Meeresoberfläche zu analysieren. Ein dritter früherer Bereich bezieht sich auf Radarverarbeitung.
  • Bezüglich der ersten ist bekannt, Teleskop-Beobachtungen durch Schichten von dynamisch sich verschiebenden atmosphärischen Störungen zu verbessern, indem man entsprechende dynamische Ausgleichsanpassungen im Fokus des Teleskops vornimmt. Fokal-Kalibrierung zu diesem Zweck ist möglich mittels einer Referenz-Quelle, wie z. B. eines hellen Sterns mit bekannter Position – oder eines optischen Peilstrahls, entweder satellitengestützt oder vom Boden projiziert.
  • Der tatsächliche oder künstliche Referenz-"Leitstern" muss in einem Winkel sehr nahe dem zu beobachtenden Objekt gefunden oder positioniert werden; und der Brennpunktausgleich (Einschließen der "Konjugation" der atmosphärisch eingebrachten Störung) erfolgt durch die Nutzung adaptiver optischer Systeme, in denen ein Teleskop-Reflektor aus verschiedenen individuell servo-gelenkten reflektierenden Facetten benutzt wird. Ein anekdotischer Bericht einer solchen Arbeit erscheint in Collins, "Making Stars to See Stars ... ", 45 Physics Today 17–21 (Februar 1992).
  • Bezüglich des zweiten früheren oben genannten Arbeitsbereiches haben Cox und Munk die Verwendung von Meeresoberflächen-Beobachtungen mittels optischer Instrumente aus Flugzeugen oder dem Weltraum beschrieben, um die Energie-Spektral-Dichte von Ozeanwellen zu ermitteln. Siehe "Measurements of the Roughness of the Sea Surface from Photographs of the Sun's Glitter", 44 J. Optical Society of America 838–50 (November 1954). Ihre Arbeit benutzte die wahrnehmbare "Himmelsneigung" (Winkelabhängigkeit der sichtbaren Helligkeit des Tageshimmels) als Bezug und stützte sich auf eine Theorie des bevorzugten Reflexionsgrades bestimmter Bereiche des Himmels mittels uneinheitlicher Wellenoberflächenwinkel zur Unterstützung von Fourier-Transformationsberechnungen, die zur gewünschten Energie-Analyse führten.
  • Cox und Munk haben irgendwelche Bemühung zur Aufgliederung der wellenförmigen Neukartierung des Himmels weder empfohlen noch vorgeschlagen, um beispielsweise die Ausrichtungen von einzelnen Wellen zu erkennen oder zu nutzen. Sie haben lediglich eine mathematische Umkehrung der Gesamt-Neukartierung durchgeführt, um etwas über die Eigenschaften der Wasseroberfläche als Deformations-/Neuabbildungs-Element in ihrer Gesamtheit zu erfahren.
  • Die dritte vorher erwähnte frühere Technologie, die auf die 1960er Jahre zurückgeht, bezieht sich auf SAR-Abbildungs-Verfahren (Radar mit künstlicher Strahleröffnung). Der bemerkenswerte Aspekt dieser Arbeit ist nur, dass er ein Beispiel einer Art von Bildverarbeitung durch Analogrechner (im Unterschied zu Digitalrechnern) aufzeigt.
  • Bislang wurde keine Verbindung zwischen irgendeiner dieser drei früheren Technologien und den in den vorstehenden Absätzen dieses Dokumentes diskutierten Beobachtungs-/ Kommunikationsproblemen hergestellt.
  • Die US-A-4,988,885 legt einen einzigen optischen Wellen-Mess-Sensor offen, der versenkt werden kann unter einer unruhigen Wasseroberfläche und der durch das Wasser hindurch die Lichtintensität eines Einzelbereiches der ungleichförmigen Wasseroberfläche, die durch das Beobachtungsfeld des Sensors begrenzt ist, beobachten kann. Unter anderem werden Wellenhöhen und -amplituden berechnet.
  • Wie nun ersichtlich, hat es der Stand der Technik auf dem Gebiet der Erfindung versäumt, Lösungen für erhebliche Schwierigkeiten bei der Beobachtung der Betriebsumgebung und des Nachrichtenempfangs anzubieten.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Gewinnung und Nutzung einer Überwasser-Darstellung, die auf optischen Beobachtungen basiert, die von unterhalb der Oberfläche durchgeführt wurden, entsprechend den Ansprüchen 1 bzw. 25. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Insbesondere in einem ersten ihrer Hauptaspekte stellt die Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung und Nutzung von Informationen über eine ungleichförmige Wasseroberfläche dar. Das Verfahren empfängt solche Informationen basierend auf optischen Beobachtungen, die aus einer Entfernung von unterhalb der Oberfläche gemacht werden.
  • Zu diesem Zweck (und wegen anderer Aspekte der Erfindung, die später in diesem Dokument vorgestellt werden) ist beabsichtigt, dass der Begriff "eine Entfernung" Entfernungen einschließt, die so kurz wie vielleicht fünf oder zehn Meter sind, obwohl eine Entfernung von grob dreißig bis sechzig Metern als ideal angesehen wird. Es ist ebenfalls beabsichtigt, Entfernungen einzuschließen, die so groß sind wie vielleicht einhundert bis dreihundert Meter oder mehr, abhängig von der lokalen Wasserklarheit.
  • Das Verfahren schließt den Schritt ein, von unterhalb der Wasseroberfläche durch das Wasser hindurch die entsprechende Lichtintensität jedes Bereiches einer großen Anzahl von Bereichen der ungleichförmigen Wasseroberfläche zu beobachten. Der Begriff "direkt durch das Wasser" (hier und in später vorgestellten Aspekten der Erfindung) bedeutet, Beobachtungen zu unterscheiden, die durch in einer Kammer gehaltene Luft hindurch erfolgen – wie zum Beispiel durch ein luftgefülltes Rohr.
  • Es versteht sich jedoch, dass ein Segment des Übertragungsweges, das sich am nächsten zum Beobachtungspunkt befindet, typischerweise einen verhältnismäßig kurzen Weg durch die Luft durchläuft, der benötigt wird, einen Durchlass aus Glas oder ähnlichem Material zu erreichen und der selbstverständlich in diesem Falle auch den Durchlass selbst durchläuft. Der Begriff "direkt durch das Wasser" ist entsprechend zu verstehen als das Einschließen von Lagebestimmungen mit kurzen, zur Übertragung durch Wasser für den Rest der oben erwähnten "Entfernung" gehörenden Strahlengangsegmenten durch Luft, Glas usw.
  • Die oben erwähnten Bereiche können einzelne Pixel eines Abbildungs-Sammelsystems sein, zum Beispiel Pixel, die von einer Scanner-Anordnung ladungsgekoppelter Detektoren (CCDs) bestimmt wurden oder bestimmt wurden als Positionen entlang fortlaufender Scannerlinien in einem Rastersystem, wie es typischerweise in Video-Kameras angewandt wird. Andererseits können die "Bereiche" Gruppierungen von solchen Pixeln sein: entweder stationäre, willkürliche Gruppierungen oder Gruppierungen, die auf Momentaufnahmen der beobachteten Beziehungen zwischen den beobachteten Intensitäten basieren oder Gruppierungen, die auf andere Weise bestimmt wurden, wie im weiteren Teil dieser Erfindungsbeschreibung vorgeschlagen wird.
  • Das Verfahren dieses ersten Aspektes der Erfindung enthält auch den Schritt des Abschätzens der Oberflächen-Neigungsgrößen und -ausrichtungen für wenigstens einige der Bereiche, basierend auf der beobachteten Lichtintensität eines jeden der Bereiche. Mannigfaltige Techniken zur Erstellung solcher Schätzungen werden bald im einzelnen beschrieben.
  • Dieses Verfahren umfasst ebenfalls die Schritte des Zusammenstellens der Informationen über die Lichtintensität wenigstens für ausgewählte Bereiche, um eine quantitative Darstellung der ungleichförmigen Wasseroberfläche zu bilden; und die Anwendung der Darstellung der Wasseroberfläche, um einen physikalischen Prozess zu steuern, der einer der folgenden ist:
    • (a) Nutzen der Darstellung zur Verbesserung von Live-Radio- und Fernseh-Wetterberichten für die Öffentlichkeit – mittels
    • (1) Kennzeichnung der Interaktion zwischen der Wasseroberfläche und Radarwellen oder anderer elektromagnetischer Strahlung, dann
    • (2) Verwenden der auf diese Weise gekennzeichneten Strahlungs-Interaktion, um die Kennzeichnung der von Satelliten über der Oberfläche gemachten Beobachtungen von elektromagnetischer Strahlung zu verfeinern, dann
    • (3) Nutzen der auf diese Weise verfeinerten Kennzeichnung der Satelliten-Beobachtung, um Wetterkennzeichnung und -Vorhersage mittels der von Satelliten durchgeführten Beobachtungen der elektromagnetischen Strahlung zu verbessern;
    • (b) Nutzen der Darstellung zur Verbesserung der Sicherheit kleiner Wasserverkehrsfahrzeuge mittels
    • (1) Kennzeichnung der Niederschlagsbedingungen über der Oberfläche, dann
    • (2) Nutzen der auf diese Weise gekennzeichneten Niederschlagsbedingungen;
    • (c) Nutzen der Darstellung, um die Sicherkeit kleiner Wasserverkehrsfahrzeuge weiter zu verbessern – mittels
    • (1) Abschätzen der Windrichtung und -geschwindigkeit über der Oberfläche, dann
    • (2) Nutzen der auf diese Weise abgeschätzten Windrichtung und -geschwindigkeit;
    • (d) Nutzen der Darstellung zur Verbesserung des Betriebes von windrichtungsempfindlichen Schallempfänger-Vorrichtungen, wie akustische Aufnehmeranordnungen – durch
    • (1) Abschätzen der Windrichtung und -geschwindigkeit über der Oberfläche,
    • (2) Nutzen der auf diese Weise abgeschätzten Windrichtung und -geschwindigkeit für die Ausrichtung von akustischen Aufnehmeranordnungen;
    • (e) Nutzen der Darstellung zur Verbesserung der Sicherheit des Bootsverkehrs in Bereichen, die von Eisbergen bedroht sind – durch
    • (1) Informationsgewinnung über das Vorhandensein von Eisbergen,
    • (2) Nutzen der auf diese Weise gewonnenen Informationen zur Unterstützung bei der Erstellung von Plänen für die Nutzung der Oberfläche durch Boote; und
    • (f) ferner Verbesserung der Sicherheit kleiner Wasserverkehrsfahrzeuge – durch
    • (1) Zuordnung der betreffenden Lichtintensität zur betreffenden Überwasserrichtung für jeden der Bereiche, indem die geschätzten Oberflächen-Neigungsgrößen und -ausrichtungen genutzt werden;
    • (2) Zusammenstellen der Lichtintensitätsinformationen als eine Funktion der Richtung wenigstens für ausgewählte Bereiche, um zu ermitteln, ob es über der Oberfläche wolkig ist,
    • (3) Verwenden der Wolkigkeitsermittlung.
  • In der vorangegangenen Aufzählung der Schritte der physikalischen Anwendung beziehen sich die Ausdrücke "kleines Verkehrsfahrzeug" und "kleine Wasserverkehrsfahrzeuge" sowohl auf den allgemeinen Luft- als auch Schiffsverkehr.
  • Das Vorausgegangene mag eine Beschreibung oder Definition des ersten Aspektes der Erfindung in ihrer breitesten oder allgemeinsten Form sein. Wie nun ohne weiteres durch Bezug auf den früheren Abschnitt dieses Dokumentes "STAND DER TECHNIK" beurteilt werden kann, bringt die Erfindung sogar in dieser breiten Form Überlegenheit und Vorteile bei der Sammlung und nutzbringenden Anwendung von Informationen über die Meeresoberfläche und die darüber befindliche Luft – Vorzüge, die bisher beim Stand der Technik nicht zur Verfügung standen.
  • Obwohl der erste Aspekt der Erfindung, so allgemein betrachtet, entscheidende Vorteile und Vorzüge bietet, wird trotzdem zur Maximierung des Genusses dieser herausragenden Vorzüge dieser Aspekt der Erfindung vorzugsweise mit gewissen zusätzlichen Merkmalen und Eigenschaften ausgestattet. Zum Beispiel wird bevorzugt, dass der Schritt des Abschätzens der Neigung den Unterschritt der Korrelation wenigstens eines bekannten Beleuchtungsmusters über der Oberfläche mit der Lichtintensität von einigen der von unterhalb der Oberfläche beobachteten Bereiche einschließt.
  • Solch ein bekanntes Beleuchtungsmuster schließt vorzugsweise die direkte Beleuchtung eines astronomischen Objektes in einer bekannten Position ein, und noch vorzüglicher ist, wenn solch ein Objekt die Sonne oder der Mond ist. Die Position der Sonne und des Mondes kann Lenkern von Unterwasserfahrzeugen sehr genau bekannt sein; und automatische Ausrüstungen können der Speicher sein und sich für die Zwecke der Erfindung auf diese Positionsdaten beziehen.
  • Auf diese Weise bringt die Korrelation der beobachteten Lichtintensitäten mit irgendeinem solchen bekannten Beleuchtungsmuster einen ersten Ansatzpunkt beim Bewerten der Neigungsausrichtungen und -größen der Wasser-Oberflächenbereiche – insbesondere jener Bereiche, in denen die Intensitäten auftreten, die vom bekannten Beleuchtungsmuster erwartet werden können. Da diese jedoch typischerweise nur ein kleiner Bruchteil aller Bereiche sein werden, werden bevorzugt andere Unterschritte in den Schritt der Neigungsabschätzung einbezogen.
  • Zum Beispiel wird bevorzugt, dass der Schritt der Neigungsabschätzung auch einen Unterschritt einschließt zum Finden von Grenzen für Neigungen einiger anderer Bereiche als jener Bereiche, in denen das bekannte Beleuchtungsmuster gesehen wird, basierend auf Vorkenntnissen über physikalische Phänomene. Ebenfalls wird bevorzugt, dass der Schritt der Neigungsabschätzung die Unterschritte der Koordination der Korrelation und Bestimmung von Grenzen einschließt, um Neigungen für noch andere Bereiche abzuschätzen.
  • In diesem Zusammenhang wird ferner bevorzugt, dass der Schritt der Neigungsabschätzung die Koordination der Unterschritte Korrelieren und Grenzbestimmung einschließt, um künftige Neigungen vorherzusagen – und die Koordination der vorhergesagten künftigen Neigungen mit späteren Korrelations- und Grenzbestimmungs-Unterschritten, um den Schritt der Neigungsabschätzung für noch spätere Beobachtungen zu verfeinern.
  • Hinsichtlich der vorgenannten "großen Anzahl von Bereichen der ungleichmäßigen Wasseroberfläche" wird bevorzugt, dass diese Zahl größer als 10.000 sei – und noch besser im Bereich von 250.000.
  • In einem zweiten der Hauptaspekte ist die Erfindung ein neuartiges Verfahren zum Sammeln von Überwasser-Daten, wenn die Wasseroberfläche ungleichförmig ist. In diesem Aspekt – genauso wie im ersten Aspekt – basiert das Verfahren auf optischen Beobachtungen, die beabstandet unterhalb der Oberfläche erfolgen.
  • Das Verfahren schließt die Schritte ein, von unterhalb der Wasseroberfläche einleitend direkt durch das Wasser die entsprechende Lichtintensität jedes einzelnen Bereiches einer großen Anzahl von Bereichen mit unruhiger Wasseroberfläche zu beobachten; und, basierend auf der beobachteten Lichtintensität jedes der Bereiche, einleitendes Abschätzen der Oberflächen-Neigungsgrößen und -ausrichtungen für wenigstens einige der Bereiche.
  • Zusätzlich schließt das Verfahren dieses zweiten Aspektes der Erfindung den Schritt ein, auf der Basis der beobachteten Lichtintensitäten und der Beurteilung der Neigungsgröße und Neigungsausrichtung einen Zeitpunkt und einen begrenzten Wasser-Oberflächenbereich vorherzusagen, wo die Bedingungen besonders günstig zur Sammlung von Überwasser-Daten sein werden. Beispiele solcher Bedingungen und entsprechender Daten werden in Kürze vorgestellt.
  • Das nun besprochene Verfahren schließt nach dem Schritt des Vorhersagens auch den Schritt ein, die Vorhersagen anzuwenden, um die selektive Beobachtung der entsprechenden Lichtintensität jedes einzelnen Bereiches einer großen Anzahl von Bereichen der ungleichförmigen Oberfläche in der vorhergesagten Region zu dem vorhergesagten Zeitpunkt direkt durch das Wasser zu steuern. Diese selektiven Beobachtungen schließen nicht notwendigerweise alle anderen Bereiche aus, sondern heben zumindest die Informationsgewinnung aus der vorhergesagten Region zu dem vorhergesagten Zeitpunkt im Verhältnis zu anderen Bereichen und/oder Zeitpunkten hervor.
  • Auf diese Weise kann zum Beispiel ein optisches System einen vorhergesagten Bereich kurz vor der vorhergesagten Zeit heranzoomen und danach kurzfristig wieder daraus zurückzoomen – und zwar auf solche Weise, dass sogar zur vorhergesagten Zeit Informationen aus einigen nahen, jedoch außerhalb der vorhergesagten Region befindlichen Bereichen gesammelt werden. Solche Umgebungsinformationen können, falls gewünscht, genutzt werden, um zum Beispiel die Informationen aus der vorhergesagten Region den Informationen aus anderen Bereichen gegenüberzustellen.
  • Alternativ können Informationen zum Beispiel mit einer größeren Dichte innerhalb der vorhergesagten Region gesammelt werden sowie mit einer geringeren Dichte im Rest des üblichen Sichtfeldes. Diese Alternativen und andere analoge Varianten befinden sich innerhalb der Bandbreite des oben genannten Schrittes der selektiven Beobachtung.
  • Das Vorangegangene kann den zweiten Aspekt der Erfindung in seiner allgemeinsten oder breitesten Art definieren oder beschreiben. Sogar in so breiter Aussage kann jedoch der Nutzen dieses Aspektes der Erfindung, bezogen auf den Stand der Technik, nun ermessen werden: dieser Aspekt der Erfindung ermöglicht einen großen Fortschritt bezüglich Effizienz, Zeit, Kosten etc. bei der Daten-Gewinnung (wie zum Beispiel bei der Anwendung der anderen Aspekte der Erfindung), da unter besonderen Bedingungen Daten fast ausschließlich für Phänomene, die von besonderem Interesse sind, gesammelt werden können.
  • Auf diese Weise bietet auch dieser zweite Aspekt, da breit abgefasst, entscheidende Nutzen und Vorteile. Dennoch wird bevorzugt, diesen Aspekt der Erfindung mit bestimmten Merkmalen oder Eigenschaften anzuwenden, wiederum zur Optimierung des Genusses dieser Nutzen und Vorteile.
  • Zum Beispiel wird es als wünschenswert betrachtet, im wesentlichen dieselben Unterschritte durchzuführen, wie vorher zum Abschätzen der Neigungen der Wasseroberfläche bei der Anwendung des ersten Aspektes der Erfindung erörtert. Bevorzugt wird ebenfalls grundsätzlich dieselbe Anzahl von Wasser-Oberflächenbereichen verwendet, wie vorher in Verbindung mit jenem ersten Aspekt genannt.
  • Zusätzlich wird bevorzugt, dass das Verfahren in diesem zweiten Aspekt der Erfindung den hinzugefügten Schritt des Abschätzens der entsprechenden Oberflächen-Neigungsgrößen und -ausrichtungen für wenigstens einige der Bereiche in der vorhergesagten Region und Zeit einschließt, basierend auf der auswahlweise beobachteten Lichtintensität für jeden Bereich innerhalb der Bereiche der vorhergesagten Region und Zeit.
  • Ebenso wird bevorzugt, in dieses Verfahren andere Schritte einzuschließen, zum Beispiel den Schritt des Verbindens der auswahlweise beobachteten betreffenden Intensität mit der betreffenden Überwasser-Höhe und des Azimuts für wenigstens einige Bereiche der vorhergesagten Region und Zeit durch Nutzung der abgeschätzten entsprechenden Oberflächen-Neigungsgrößen und -ausrichtungen für wenigstens einige Bereiche der vorhergesagten Region und Zeit. (Dieser Schritt wird später als analog zum Schritt des Verbindens im dritten Aspekt der Erfindung erkannt – jedoch nur ausgeführt hinsichtlich der auswahlweise beobachteten Intensitäten.)
  • Zusätzlich wird unter einigen Umständen bevorzugt, dass die vorhergesagte Zeit und Region zusammen mit der Bildung einer relativ großen Welle identifiziert werden. In diesem Fall befindet sich der Teil der Überwasserszene, für den die Bedingungen zur Datensammlung besonders vorteilhaft sein werden, in einem relativ niedrigen Erhebungswinkel über dem Horizont – eine günstige Region, da sie relativ weit entfernten Objekten entspricht.
  • Unter anderen Bedingungen wird es als vorzuziehen angesehen, dass die vorhergesagte Zeit und Region mit der Bildung eines relativ glatten Oberflächenbereiches identifiziert werden. In diesem Fall können Daten für einen Teil des Überwasserraumes mit minimaler Entstörungs-Notwendigkeit und lediglich mit der Notwendigkeit – falls die Position dieses Teils wichtig ist für die momentane Anwendung – der Korrektur der Ablenkung der eingehenden Informationen durch Brechung an der glatten Oberfläche gewonnen werden.
  • In bevorzugten Ausführungsbeispielen eines dritten ihrer Aspekte ist die Erfindung eher ein Verfahren zur Erlangung und Nutzung von Überwasser-Oberflächeninformationen, wenn die Wasseroberfläche ungleichförmig ist, als von Informationen über die Oberfläche selbst, wie bereits im ersten Aspekt der Erfindung besprochen. Dieses Verfahren basiert jedoch ebenfalls auf optischen Beobachtungen, die beabstandet von unterhalb der Oberfläche gemacht werden.
  • Wie die beiden ersten Verfahren schließt dieses Verfahren die Schritte ein, von unterhalb der Wasseroberfläche direkt durch das Wasser die entsprechende Lichtintensität jedes einzelnen Bereiches einer großen Anzahl von Bereichen der ungleichförmigen Wasseroberfläche zu beobachten und, basierend auf der beobachteten Lichtintensität jedes der Bereiche, Oberflächen-Neigungsgrößen und -ausrichtungen für wenigstens einige der Bereiche abzuschätzen.
  • Zusätzlich schließt dieses Verfahren den Schritt des Verbindens der entsprechenden Lichtintensität mit entsprechender Überwasserhöhe und Azimut für dieselben "wenigstens einigen" Bereiche ein. Dieser Verbindungsschritt wird direkt durch die Nutzung der geschätzten Oberflächen-Neigungsgrößen und -ausrichtungen durchgeführt, indem das wohlbekannte Snell-Gesetz angewandt wird, um die Ablenkung der Lichtwege durch Brechung zu berücksichtigen.
  • Das heißt, jeder der "wenigstens einigen" Bereiche wird entlang einem klar definierten Strahlengang direkt durch das Wasser beobachtet und besitzt eine geschätzte Neigungsgröße und -ausrichtung. Der Winkel zwischen dem Strahlengang und jeder Oberflächensenkrechten ergibt zusammen mit der Berücksichtigung des Snell-Gesetzes die erfolgte Ablenkung des durch diesen Bereich eintretenden und ihn passierenden Lichtes.
  • Diese Ablenkung ergibt, zusammen mit der Berücksichtigung des Lichtweges durch das Wasser, einen geschätzten Weg durch die Luft, während sie sich demselben Oberflächenbereich nähert. Die Höhe und der Azimut dieses Weges werden als Überwasserhöhe und Azimut genommen, mit denen die entsprechende Lichtintensität im "Verbindungsschritt" verbunden wird, die durch denselben Oberflächenbereich beobachtet werden sollte.
  • Hierbei werden viele individuelle kleine Teile des Überwasserraumes mit entsprechenden Intensitätsinformationen zusammengefügt. Das Verfahren dieser dritten Phase oder dieses dritten Aspektes der Erfindung schließt auch den Schritt des Zusammenstellens der Lichtintensitätsinformationen als eine Funktion der Überwasserhöhe und des Azimuts ein, wenigstens für ausgewählte Bereiche, um eine Überwasser-Darstellung zu bilden – typischerweise eine Datenanordnung.
  • In gewisser Weise ist dieser Schritt des "Zusammenstellens" ein Schritt des Wieder-Zusammenstellens, da die Überwasserinformationen während des Passierens der vielen Wasser-Oberflächenbereiche oder -Facetten als auseinandergezogen oder fragmentiert betrachtet werden können, anscheinend zufallsorientiert. Wie ersichtlich sein wird, sind die Ausrichtungen nicht wirklich zufällig, und bei der Anwendung der Erfindung können wichtige Beziehungen zwischen den Ausrichtungen von nahen Bereichen zur Unterstützung des vorgenannten Neigungsabschätzens erkannt und genutzt werden.
  • Neben all diesen Bedeutungen versucht die Erfindung, nahezu echte Höhen- und Azimut-Werte mit den Lichtintensitäten, die durch jeden von vielen kleinen Wasser-Oberflächenbereichen erlangt wurden, zu bestimmen oder zu verknüpfen. Die Erfindung nutzt dann diese Verknüpfungen, um die Überwasser-Darstellung zu bilden.
  • Ein weiterer Schritt des dritten Aspektes oder Verfahrens der Erfindung ist die Anwendung der Darstellung, um einen physikalischen Prozess zu steuern. Der Prozess ist einer der folgenden:
    • (a) selektives Sammeln und Interpretieren optischer Information von einem Teil von dem, was sich über der Oberfläche befindet und eine optische Informationsquelle beinhaltet, um Informationen von der Quelle zu empfangen,
    • (b) basierend auf der Darstellung Entscheiden, ob von unterhalb der Oberfläche zur Oberfläche bewegt wird, und dann Bewegen oder Nichtbewegen von unterhalb der Oberfläche zur Oberfläche gemäß der Entscheidung,
    • (c) basierend auf der Darstellung Bestimmen, ob noch unterhalb der Oberfläche bewegt wird oder nicht, um einen Zusammenstoß mit einem Objekt zu vermeiden, das wenigstens teilweise unter Wasser und beabstandet ist, und dann Bewegen oder Nichtbewegen gemäß der Bestimmung, und
    • (d) Anzeigen einer visuellen Abbildung, die Lichtintensität als eine Funktion der Höhe und des Azimuts im wesentlichen gemäß der Darstellung besitzt.
  • Das Vorausgegangene kann als Beschreibung oder Definition des dritten Aspektes der Erfindung in seiner breitesten oder allgemeinsten Form angesehen werden. Sogar in dieser allgemeinen oder breiten Form löst, wie nun ersichtlich, der dritte Aspekt der Erfindung viele der Probleme, unter denen die Nutzer des Standes der Technik leiden.
  • Genauer gesagt, ermöglicht die Erfindung in diesem dritten Aspekt eine nutzbare, unter Wasser gefertigte Darstellung des Überwasserraumes. Solch eine Darstellung kann rein gefühlsmäßig als sichtbare Abbildung verstanden werden – jedoch werden stattdessen andere Formen, die sich auf speziell benötigte Daten-Relationen konzentrieren, für einige Aufgaben oder Anwendungen sichtbaren Merkmalen als solchen vorgezogen werden.
  • Falls der physikalische Vorgang eine Bildanzeige enthält, gibt es einige Prioritäten:
    • – Das Verfahren schließt am besten einen weiteren Schritt ein, nämlich – vor oder während des Anzeigeschrittes – die Modifizierung der Darstellung, um die Höhenverzerrung, die während des Verbindungsschrittes auftritt, zu kompensieren;
    • – um die Fähigkeiten der Erfindung zu erweitern, schließt das Verfahren vorzugsweise vor dem Anzeigeschritt der sichtbaren Abbildung die Schritte Aufzeichnen der Darstellung oder sichtbaren Abbildung und dann Wiedergewinnen der aufgezeichneten Darstellung oder Abbildung zur Nutzung beim Anzeigeschritt ein; und
    • – wenn solche Aufzeichnungen angewandt werden, wird eine geeignete Aufzeichnung am besten mittels Photographie, Videoband, digitalem Datenband, Computerdisk oder Speicherbaustein durchgeführt.
  • Allgemeiner gesagt und wie weiter oben in diesem Dokument vorgeschlagen, umfasst der Schritt der Intensitätskopplung bevorzugt die Unterschritte des Bestimmens eines Beobachtungswinkels für jeden der Bereiche und die Anwendung des Snell-Gesetzes auf die ermittelten Beobachtungswinkel und abgeschätzten Neigungen. Insbesondere in diesem Zusammenhang schließt der Schritt der Intensitätskopplung ferner auch die Unterschritte des Bestimmens der Beobachtungstiefe und dann das Zulassen einer Intensitätsabschwächung aufgrund der Ausbreitungsdistanz durch Wasser für jeden von wenigstens einigen Bereichen ein.
  • In einem vierten der Hauptaspekte stellen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung Vorrichtungen zur Gewinnung und Nutzung einer Überwasser-Oberflächendarstellung zur Verfügung, wenn die Wasseroberfläche ungleichförmig ist, basierend auf beabstandet von unterhalb der Oberfläche gemachten optischen Beobachtungen. Es ist hier davon auszugehen, dass die ungleichförmige Oberfläche eine Störwirkung auf das hat, was sich über dem Wasser befindet, wenn dies aus der "Distanz" unterhalb der Wasseroberfläche betrachtet wird.
  • Die Vorrichtung schließt einige Mittel zur Anordnung in einem Abstand unterhalb der Oberfläche ein, um direkt durch das Wasser hindurch Licht von der Oberfläche zu empfangen und unter Ansprechen darauf Signale zu generieren, die der Intensität des empfangenen Lichtes als Funktion des Empfangswinkels entsprechen. Diese Mittel funktionieren mittels optischer Abtastung, und wegen der Allgemeinheit und Breite der Beschreibung der Erfindung werden sie hier einfach die "optischen Erfassungsmittel" genannt.
  • Zusätzlich schließt die Vorrichtung einige Mittel zum Verarbeiten der Signale ein, um wenigstens einen Teil der Störwirkung der Oberfläche zu analysieren und zu korrigieren und so eine Darstellung wenigstens eines Teiles dessen, was sich über dem Wasser befindet, zu bilden. Diese Mittel schließen wenigstens einen programmierten Prozessor ein, und – hier ebenfalls wegen der Allgemeinheit und Breite – werden die "programmierten Prozessormittel" oder einfach die "Prozessormittel" genannt.
  • Ferner schließt die Vorrichtung dieses vierten Aspektes der Erfindung einige Mittel zur Nutzung der Darstellung zum Steuern eines physikalischen Prozesses ein. Diese Mittel, wiederum wegen der Allgemeinheit und Breite, werden "Anwendungsmittel" genannt.
  • Es wird nachvollziehbar sein, dass dieser so breit gespannte vierte Aspekt der Erfindung viele Vorteile und Nutzen bietet, einschließlich jener des dritten Aspektes der Erfindung – und weitere ebenfalls, da das Anwendungsmittel hier die Darstellung nutzen kann, um andere als die im dritten Aspekt aufgezählten physikalischen Prozesse und deren Entsprechungen zu steuern. Auch hier wird die Erfindung bevorzugt in Verbindung mit weiteren Eigenschaften oder Merkmalen, die ihre Nutzen und Vorteile verbessern, angewendet.
  • Zum Beispiel wird bevorzugt, dass die Sensormittel einige Mittel zum Generieren elektronischer Signale einschließen und die Prozessormittel wenigstens einen elektronischen Prozessor enthalten. Die Erfindung ist jedoch geeignet, mit einer oder mehreren anderen Arten von Prozessoren zu arbeiten – wie zum Beispiel einem optischen Prozessor.
  • Die Sensormittel enthalten bevorzugt Mittel zum Generieren von digitalen Signalen, und die Prozessormittel enthalten wenigstens einen digitalen Prozessor. Wieder kann die Erfindung jedoch betrieben werden, indem eine oder weitere andere Arten von Prozessoren verwendet werden – wie zum Beispiel analoge Prozessoren.
  • Des weiteren wird bevorzugt, dass die Prozessormittel einige Mittel zum Bilden einer ersten Signalmatrix enthalten, entsprechend der Intensität des empfangenen Lichtes als Funktion des Empfangswinkels; sowie einige Mittel zum Analysieren der ersten Signalmatrix, um die Oberflächen-Neigungsgrößen und Ausrichtungen einer großen Anzahl von Bereichen der ungleichförmigen Wasseroberfläche abzuschätzen.
  • In diesem Falle wird auch bevorzugt, dass die Prozessormittel einige Mittel zum Interpretieren der ersten Signalmatrix einschließen, indem sie die abgeschätzten Oberflächen-Neigungsgrößen und -Ausrichtungen verwenden, um eine zweite Signalmatrix entsprechend der Intensität des empfangenen Lichtes zu bilden als eine Funktion von Höhe und Azimut dessen, was sich oberhalb des Wassers befindet, wenigstens für ausgewählte Bereiche.
  • Obwohl die Nutzungsmittel in diesem vierten Aspekt der Erfindung irgendwelche aus einer großen Vielzahl von Formen annehmen können, wird bevorzugt, dass die Anwendungsmittel wenigstens eines der folgenden einschließen:
    • – Mittel zur Nutzung der zweiten Signalmatrix als eine Darstellung von wenigstens einem Teil dessen, was sich über dem Wasser befindet, um eine physikalische Interaktion mit Elementen dessen, was sich oben befindet, zu steuern; oder
    • – Mittel zum Verwenden der Darstellung, um eine sichtbare Abbildung anzuzeigen, die intuitiv von einem Menschen als visuelles Abbild von zumindest einem Teil dessen, was sich über dem Wasser befindet, genutzt werden kann; in welchem Falle der "physikalische Prozess" die Anzeige ist.
  • Im letzteren Falle wird ferner bevorzugt, dass die sichtbare Abbildung eine Lichtintensität als eine Funktion von Höhe und Azimut aufweist, die im wesentlichen wenigstens einem Teil der Darstellung entspricht. In dieser Hinsicht ist es ebenfalls als vorzuziehen zu betrachten, dass die Anwendungsmittel einige Mittel zum Modifizieren der Darstellung vor oder während der Anzeige einschließen, um Höhenverzerrungen in der Darstellung zu korrigieren.
  • Hinsichtlich des vierten Aspektes der Erfindung im allgemeinen wird bevorzugt, dass die Vorrichtung der Erfindung ferner eine bewegliche Unterwasserausrüstung einschließt, die die bereits genannte Vorrichtung in Position zum Lichtempfang von der Wasseroberfläche trägt, zumindest wenn sich die Ausrüstung mit Abstand unterhalb der Wasseroberfläche befindet. In diesem Falle enthalten die Anwendungsmittel vorzugsweise Mittel, um die Darstellung der Überwasser-Szene zur Steuerung der Funktionen der Ausrüstung zu nutzen.
  • Zum Beispiel und vorzugsweise steuern die Mittel zur Nutzung der Darstellung eine oder mehrere dieser Funktionen: Lenken der Ausrüstung in jedwede von drei Dimensionen und Nachrichtenempfang von wenigstens einer diskreten Quelle oberhalb der Oberfläche.
  • Alle der vorangegangenen Funktionsprinzipien und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden noch uneingeschränkter geschätzt werden, wenn die folgende eingehende Beschreibung unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen berücksichtigt wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung in Betrieb;
  • 2 ist ein Diagramm, das zeigt, wie bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung eine bekannte Position der Sonne nutzen, um Meeresneigungen abzuschätzen;
  • 3 ist ein Diagramm, das zeigt, wie die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung Grenzen für die Neigungen abschätzen;
  • 4 ist eine Graphik von Ist-Daten, die einen Rahmen einer eindimensionalen Meeres-Simulation für die Verwendung in einer eindimensionalen Computer-Simulation und Auswertung von bevorzugten Ausführungsbeispielen darstellen;
  • 5 ist ein Diagramm, das die allgemeine Anordnung und die Dimensionen eines angenommenen Sensors zur Anwendung in eben dieser Simulation zeigt;
  • 6 ist eine Graphik der Eingangsintensität als eine Funktion des Sichtwinkels zur Anwendung in der Simulation;
  • 7 ist eine Wiedergabe von im wesentlichen Ausgangsdaten, die in derselben Simulation auf dem Empfänger erscheinen;
  • 8 ist eine Graphik der Kohärenz zwischen den abgeschätzten Neigungen in der Simulation und den wahren (angenommenen) Eingangsneigungen;
  • 9 ist eine Darstellung wie 1, die jedoch andere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung in Betrieb zeigt;
  • 10 ist eine ähnliche Darstellung von noch weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung in Betrieb;
  • 11 ist ein Blockdiagramm der Vorrichtung der Erfindung;
  • 12 ist eine Graphik der zurückgewonnenen Abbildung sowie wahren (angenommenen) Eingangsabbildung in derselben Simulation;
  • 13 ist eine Graphik der Integrationszeit, die benötigt wird, um für zwei verschiedene Wasserarten Oberflächenobjekte in Übereinstimmung mit derselben Simulation aufzuzeichnen;
  • 14 ist eine sehr schematische Darstellung einer Feldanordnung zur Prüfung und Auswertung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung in zwei Dimensionen; und
  • 15 ist ein Fluss-Diagramm, das Software und andere Operationen für bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • 15 fasst die Verfahrensweisen der Erfindung zusammen und soll für Sachkundige – im Licht der in diesem Text vorgestellten Beschreibungen und Erläuterungen – selbsterklärend sein. Während des Schreibens wurde die Erfindung in einer vereinfachten und vorläufigen, nicht endgültigen oder praktisch nutzbaren Form nachgestellt und diese Simulation geprüft.
  • 1. NUTZUNG VON OBERFLÄCHENEIGENSCHAFTEN ZUR ABLEITUNG ATMOSPHÄRISCHER BEDINGUNGEN OBERHALB DER OBERFLÄCHE
  • Die nachfolgenden Abschnitte dieses Kapitels beschreiben, wie eine sehr eingehende Abschätzung von Oberflächenwellen 11 (1) auf dem Ozean 12 gestaltet werden kann. In gewissem Sinn stellt das Abschätzen den Kern der Erfindung dar, weil es die Gewinnung aller anderen Daten von Interesse ermöglicht. Solch eine gewonnene Abschätzung der Meeresoberfläche kann einen großen Teil von Informationen über Wind 13, Niederschlag 14, Temperatur, Vorhandensein (in Meereszonen fern vom Äquator) von Eisbergen 15 etc. eröffnen, wie bereits ausgeführt.
  • Höhe, Dichte, Kohärenzgrad und Richtung der Wasserwellen 11 zum Beispiel werden Meteorologen über Geschwindigkeit und Beschaffenheit des Windes 13 über der Oberfläche informieren. Oberflächenunterbrechungen geringen Ausmaßes zeigen Niederschlag 14 an, der die Wasseroberfläche 11 erreicht, und die Art solcher Unterbrechungen gibt Aufschluss über das Ausmaß und die Dichte des Niederschlages 14.
  • Am Ausmaß und der Dichte kann auch die Art des Niederschlages 14 (Regen, Hagel oder Schnee) erkannt werden. Die Wellen-Dynamik wird auch erkennen lassen, ob sich die Oberfläche kurz vor der Vereisung befindet, oder allgemeiner gesagt, welche Temperatur die Wasseroberfläche hat.
  • Durch die Zusammenstellung all dieser Daten ist das Aussenden von Informationen für einen sehr begrenzten Raum an die Führer kleiner Fahrzeuge möglich, wodurch die Bewegungen solcher Fahrzeuge zu ihrer Sicherheit gesteuert werden können – entweder mittels Vorschriften oder auf der Basis von Empfehlungen. Bei der Sammlung solcher Daten mittels eines Sensorsystems 22 bzw. Verarbeitungssystems, die an einer tauchfähigen oder in einer anderen mobilen Unterwasserausrüstung 21m angebracht sind, können Wetterdaten auch genutzt werden, um die Entscheidung zu unterstützen, ob der Zeitpunkt günstig ist, die Ausrüstung an die Oberfläche 11 zu bewegen. Wolkigkeit 19 über der Oberfläche 11 kann mittels der Darstellungstechniken, die in Abschnitt 6 dieses Kapitels beschrieben sind, für genau die gleichen Zwecke bestimmt und genutzt werden.
  • Zusätzlich können all die oben beschriebenen Informationen mit gleichzeitig gesammelten Informationen von Flug- oder Umlauf-Ausrüstungen 23 verglichen werden, zum Beispiel Radar-Ausrüstungen oder optische Kameras, um solches Datensammeln 24 aus großer Höhe im wesentlichen zu kalibrieren. Die Ergebnisse – vorher erwähnt bezogen auf die "Kennzeichnung" der Radardaten 24 – werden viel aussagekräftigere Radar-Informationen sein sowie eine sehr viel sinnvollere Nutzung dieser Informationen, wie zum Beispiel in Live-Wetterberichten 25 für die Allgemeinheit 26.
  • 2. UNTERBRINGUNG DER VORRICHTUNG DER ERFINDUNG
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele des ersten und vierten Aspektes der Erfindung, wie ersichtlich in 1, können entweder eine feste oder bewegliche Unterwasser-Installation 21 einschließen. Hier liegt der Schwerpunkt auf dem Sammeln von Informationen über die Umgebung, wie zum Beispiel in abgelegenen Meeresgebieten (mehr als die Überlegung, welche Ausrüstung die Vorrichtung der Erfindung beherbergt); solche Informationen können mittels elektrischer oder optischer Datenkabel 33 an Küsteneinrichtungen 32 weitergeleitet 31 werden.
  • Falls das Dual-Sensorsystem 22 und Verarbeitungssystem in befestigten Ausrüstungen untergebracht sind, kann die Installation 21b in Meeres-Untiefen auf dem Meeresboden 34 erfolgen; in tieferen Zonen kann stattdessen eine im Boden verankerte Installation 21t verwendet werden. Jede dieser Anordnungen schützt die Installation vor Wellen 11 und Wetter 13/14 und verhindert gegenseitige Beeinflussung mit Oberflächenfahrzeugen.
  • Bei einer befestigten Installation 21b/21t, die Wetterdaten und ähnliches weitergibt 31, sind die Zeitbedingungen für die Rücksendung von Daten keineswegs streng. Präferenzen können für das Referenzobjekt entsprechend entwickelt werden, wie zwischen der Nutzung der Sonne, des Mondes oder eines optischen Peilstrahls. Schnellere Verarbeitung und unterschiedliche Präferenzen bezüglich des Referenz-Objektes können für den zweiten und dritten Aspekt der Erfindung nützlich sein, dessen Zweckmäßigkeit mehr der Verbesserung der Bewegungen, Nachrichtenversendung etc. von mobilen Ausrüstungen 21m entspricht, die die Vorrichtung 22 der Erfindung hält; sogar in diesen Fällen können die Speicherung von Daten und eine relativ langsame Verarbeitung jedoch zu nützlichen Informationen in angemessen kurzen Gesamtzeiten, wie zum Beispiel Minuten, führen.
  • Das Sensorsystem kann Informationen durch allgemein 60° bis 65° ungefähr senkrecht sammeln 35 (das ist im allgemeinen über einen insgesamt 120°- bis 130°-Konus), aber für Umgebungsmeldungen kann ein engerer Sammel-Winkel ausreichen, da das Zwischenziel ist, nur den Zustand der Wasseroberfläche 11 zu erkennen. Dieser Zustand kann durchaus angemessen mittels einer kleineren Abtastung der Oberfläche dargestellt werden.
  • Kabel 73 (11) übermitteln 74 die gesammelten Informationen an einen Daten-Prozessor 75, der zunächst eine dynamische Abschätzung von Wasser-Oberflächenneigungen entwickelt und danach, indem er diese Abschätzungen analysiert, abstraktere Eigenschaften der Oberflächenwellen davon ableitet sowie eine Datendarstellung der Oberfläche oder dessen, was oben ist, durchführt. Die Darstellung selbst kann einfach eine Daten-Anordnung innerhalb eines Verarbeitungssystems 75 oder eines angeschlossenen Datenspeichers oder Daten-Aufzeichnungssystems 76 sein, das Teil der Vorrichtung im vierten Aspekt der Erfindung ist.
  • Auf diese Weise kann die Daten-Anordnung sich in einem flüchtigen Speicher im Prozessoroder Speichersystem 75, 76 befinden. Wahlweise kann sie in einem nichtflüchtigen Speicher 76, zum Beispiel in Gestalt eines digitalen Datenbandes, einer Computerdiskette, eines Videobandes, einer Photographie und eines Speicherbausteines, bewahrt werden.
  • Wie bereits dargelegt, kann die praktische Anwendung der Erfindung die Verwendung von Informationen über Windrichtung und -geschwindigkeit einschließen, um Entscheidungen zu unterstützen über kleine Fahrzeuge 17 (1) oder die Bewegungen anderer Ausrüstungen und um solche Bewegungen entsprechend der so getroffenen Entscheidungen durchzuführen. Wie in 1 dargestellt, kann dieser Teil der praktischen Anwendung der Erfindung durch eine Küsteneinrichtung 32, auf Wunsch mit menschlicher Beteiligung an einer solchen Einrichtung, durchgeführt werden – oder wahlweise können die gewonnenen Daten lediglich (falls notwendig) zur direkten Auswertung und Verwendung durch Bedienpersonen der zu bewegenden Ausrüstung 17 gefunkt 16 werden.
  • Bezüglich der Windrichtung ist ein Ausrüstungstyp, dessen Bewegungen durch die Anwendung der Erfindung optimiert werden können, eine akustische Empfängeranordnung 28 – typischerweise eine auf der Meeresoberfläche 11 schwimmende Leichtgewicht-Ausrüstung. Solche Horchgeräte 28, die für vielerlei Zwecke genutzt werden, sind für das Aufnehmen von Geräuschen des Windes 13 ungünstig empfindlich.
  • Solche Beeinträchtigungen durch Windgeräusche können jedoch durch die optimale Ausrichtung der Anordnung 28 hinsichtlich der Windrichtung minimiert werden. Die geeignete Automatisierung der Ausrichtung wird durch eine unabhängige Ermittlung der Richtung des Windes 13 unterstützt – wie sie die Vorrichtung 21t, 22, 29 der Erfindung zur Verfügung stellt.
  • 3. ABSCHÄTZEN DER MEERESOBERFLÄCHE
  • Um diese Daten über die Welt oberhalb einer Wasseroberfläche, wie z. B. die Meeresoberfläche, basierend auf Beobachtungen, die von unterhalb der Oberfläche gemacht werden, zu gewinnen, werden ein geeigneter Sensor 22 und eine damit verbundene Betriebsvorrichtung zusammen versenkt. Zum Beispiel kann vorzugsweise der Sensor 22, wie dargestellt, eine Zusammenstellung von zwei oder mehr beabstandeten Anordnungen 29 von ladungsgekoppelten Detektoren (CCDs) sein. Jede Anordnung 29 sollte eine nichtabgetastete zweidimensionale Anordnung sein.
  • Jede einzelne der zwei oder mehr Anordnungen 29 entspricht einer kompletten CCD-Kamera und ist vorzugsweise durch geeignete Linsenmittel 71 (11) auf die Meeresoberfläche 11 scharfgestellt, so dass jedes Sensor-Element (z. B. jeder einzelne CCD), innerhalb jeder Anordnung 29 Licht von einem entsprechend kleinen Bereich der Wasseroberfläche 11 empfängt. Für diese Überlegungen sind die Begriffe "Anordnung", "Sensor-Anordnung" und "Kamera" austauschbar. Die zwei (oder mehr) Anordnungen 29 sind jeweils im wesentlichen auf eine gemeinsame Gesamt-Oberflächenregion scharfgestellt, obwohl eine gewisse periphere Nicht-Überlappung im allgemeinen vorkommen kann. Der Grund für die Nutzung vieler Anordnungen wird gleich klarer werden.
  • Entsprechend der Erfindung wird zunächst diese Ausrüstung verwendet, um bestimmte Eigenschaften der Meeresoberfläche 11 abzuschätzen. Insbesondere wird die Größe und Ausrichtung der Meeresneigungen abgeschätzt – indem eine Kombination von drei Techniken angewendet wird.
    • (a) Korrelation mit einem Referenz-Obiekt – Die erste davon ist, die Sonne 36 zu benutzen, oder nachts den Mond, falls er am Horizont sichtbar ist.
      Figure 00210001
      (2) ω2 = 2 ng/λ Wenn der Standort der Unterwasserausrüstung und der Zeitpunkt gegeben sind, sind die Standorte der Sonne 36 und des Mondes bekannt. Prinzipiell können andere Objekte mit bekannter Position benutzt werden, falls sie in Sicht und hell genug sind. (Zum Beispiel könnte ein Satelliten-Laserpeilstrahl möglicherweise für diesen Zweck hell genug erstellt werden, insbesondere, wenn er mit einem auffälligen Kennungssignal moduliert wäre, das bei der Erfassung behilflich ist.) Lediglich zur Vereinfachung und ohne die Absicht, die Allgemeingültigkeit möglicher Referenz-Objekte herabzusetzen, wird auf die Sonne 36 als Referenz-Objekt Bezug genommen. Wenn eine Abbildung der Sonne auf irgendeinem einzelnen Sensor-Element 22' erscheint, kann ein automatischer Prozessor schnell die Neigung 37 des Meeresteils 38 ermitteln, der gerade die Sonnenstrahlen 36' zu diesem Sensor-Element 22' übermittelt 36''. Die Meeresneigung 37 wird ermittelt, indem das Snell-Gesetz angewandt wird, das verwendet wurde, um Gleichung (1) abzuleiten. In dieser Gleichung, wie 2 zeigt, stellt α den Erhebungswinkel dar, in dem die Sonne im Sensor-Element wahrgenommen wird, und θsun ist der bekannte, tatsächliche Erhebungswinkel der Sonne am Himmel. Die Sensor-Elemente 22' werden vorzugsweise in Relation zur Sensor-Anordnung 29 befestigt; solange die Winkel-Ausrichtung der Anordnung 29 selbst stillgehalten wird, ist deshalb der Wahrnehmungswinkel α jeweils eine Konstante für jedes Sensor-Element 22'. Jedenfalls weicht α einfach um einen konstanten Winkelversatz vom Gesamthöhenwinkel der Anordnung 29 ab (in 2 ist dieser Winkel mit Null dargestellt, d. h. die Anordnung ist horizontal). Falls die Abbildung der Sonne 36 in mehr als einem einzelnen Sensor-Element 22' erscheint (was in mehr als einer der Anordnungen der Fall sein kann) oder mit anderen Worten, bei mehr als einem kleinen Bereich 38 der Wasseroberfläche 11, dann kann die Neigung 37 bei jedem dem dieser entsprechenden kleinen bei Oberflächen-Bereiche 38 auf genau dieselbe Weise gefunden werden. Da die zwei oder mehr Anordnungen 29 üblicherweise weit genug auseinander plaziert sind, verhindert die Parallaxe, dass die Sonne 36 auf gemeinsamen kleinen Bereichen 38 der Oberfläche erscheint, wie aus den beiden Anordnungen jeweils ersichtlich; daher wird jede Anordnung 29 von Sensoren 22' Schätzungen der Neigung 37 für verschiedene Gruppen von Oberflächen-Bereichen 38 abgeben. Dieses Verfahren ist eingeschränkt, da es nicht funktionieren wird, wenn die Sonne nicht scheint (zum Beispiel an einem wolkigen Tag). Dieses Verfahren hat nichtsdestoweniger seine Vorzüge: wenn es angewandt werden kann, führt es zu ausgezeichneten Abschätzungen der Meeresneigung 37, und es benötigt Informationen lediglich von einem einzigen Sensor-Element 22' (zum Beispiel CCD).
    • (b) Einfangen der Neigungswerte zwischen zwei oder mehr Grenzgebieten – Ein zweites Verfahren erlaubt das Abschätzen von Meeresneigungen überall, aber nicht mit der Genauigkeit, die möglich ist durch Nutzen eines Referenz-Objektes. Um diesen Teil der Erfindung zu verstehen, zeigt 3 eine Zusammenstellung 22 von wenigstens zwei Sensor-Anordnungen/-Kameras 29, einschließlich einer linken Anordnung 44 und einer rechten Anordnung 45. Hier ist der Gedanke, dass Meeresneigungen an jedem Punkt eingegrenzt werden können, indem man zwei physikalische Regeln anwendet:
    • – Ozeanwellen können keine Neigungen größer als ungefähr 0,5 haben, ohne zu brechen.
    • – Das Wissen, dass Licht in einem Sensor-Element empfangen wurde, nachdem es einen bestimmten Punkt im Ozean durchlaufen hat, begrenzt die Neigungen an diesem Punkt: falls die Neigung sich nicht innerhalb der Ränder befände, hätte das Licht einen anderen Weg als zum Sensor-Element genommen. Hinsichtlich des zweiten dieser Punkte ist der Himmel 41 (3) i. a. viel heller als die Meeresoberfläche und alles andere in der Nähe. Diese Tatsache kann genutzt werden, um bemerkenswert enge Grenzen an die Neigungen der Wellenoberflächen anzulegen. Falls zum Beispiel ein besonders kleiner Oberflächenbereich 38 dunkel erscheint, muss dieser Bereich auf eine solche Weise schräggestellt werden, dass er sich entlang einer Bahn von einem Teil des Wassers oder irgendetwas im oder nahe am Wasser in Richtung zur linken oder rechten Sensor-Anordnung 44 oder 45 bricht. Auf den ersten Blick erscheint dieser Umstand nicht als sehr einschränkend, da im allgemeinen die Hälfte aller möglichen Licht-Einfallsrichtungen vom Wasser 12 herrühren. Jedoch ist die Spanne von Oberflächen-Ausrichtungswinkeln, die diese Bedingung und auch die Begrenzung auf die 0,5-Neigung erfüllen, verhältnismäßig beschränkt. Die Einbeziehung der Neigungsbegrenzung zwingt daher die Brechung von Licht-Einfallsrichtungen auf weit weniger als die Hälfte, da Licht von außerhalb der rfläche kommen muss, nicht aus dem WellenobeOzean selbst. Eine eingehende Analyse gibt Aufschluss darüber, dass die Einschränkungskombination basierend auf den zwei Prinzipien die Sichtwege 42, 43 weit von der Vertikalen besonders einengen. Falls umgekehrt ein bestimmter Bereich 38 hell erscheint, muss dieser Bereich verdreht werden, damit ein Teil des Himmels 41 in Richtung der Sensor-Anordnung 44 oder 45 gebrochen wird. Wiederum ergibt diese anscheinend lockere Anforderung, wenn sie verbunden wird mit der Begrenzung der Neigung auf nicht mehr als 0,5, eine Oberflächenwinkel-Ausrichtungsspanne 46 oder 47 (entsprechend für die linke oder rechte Kamera 44 oder 45), die sinnvoll eng ist, insbesondere für die Wege 42, 43, die von der Vertikalen recht weit entfernt sind. Sobald die Sensoren in jeder Anordnung/Kamera 44, 45 die betreffenden Grenzen 46, 47 für die Meeresneigungen an jedem Punkt 38 abgeschätzt haben, werden die den beiden Anordnungen 44, 45 entnommenen Grenzen verbunden, um eine geschätzte Neigung an jedem Punkt der Meeresoberfläche zu bekommen. 3 zeigt, wie dies geschieht. Für Licht, das vom Himmel zur rechten Kamera 44 übertragen werden soll, ist nur eine begrenzte Spanne 47 (dargestellt durch dünn gestrichelte Linien) von Meeresneigungen möglich. Das Gleiche gilt für die linke Kamera 45, jedoch mit einer anders begrenzten Spanne 46 (dargestellt durch fett gestrichelte Linien). Wegen des beträchtlichen Zwischenraumes zwischen den zwei Sensoren sind die beiden Bereiche 46, 47 recht unterschiedlich – sie sollten sich jedoch wenigstens leicht überlappen, da sie ein- und derselben physikalischen Neigung 37 der Wasseroberfläche 11 entsprechen. Diese tatsächliche Neigung 37 muss beiden Begrenzungsgruppen gerecht werden, oder mit anderen Worten, muss sich innerhalb des viel engeren Bereiches 48 befinden, der durch Kombination dieser Grenzen erstellt wird, wie 3 darlegt.
    • (c) Anwendung der bekannten Dynamik von Oberflächenwellen – Ein drittes Verfahren ist die Anwendung einer zeitlichen Integration, oder einfacher gesagt, auf dem laufenden zu sein über das Verhalten von bestimmten Oberflächen-Bereichen und sogar bestimmten Wellen während einer Zeitspanne. Dieser zusätzliche Schritt ermöglicht die Verbesserung der Neigungsschätzungen, die sich aus den ersten beiden Verfahren ergeben haben. Ozeanwellen gehorchen einer Dispersionsbeziehung: wenn Wellen mehr bezogen auf ihre Höhe als ihre Neigung dargestellt werden, dann werden die Wellenlänge λ und temporäre Dichte ω einer Welle mit Gleichung (2) in Beziehung gesetzt, wobei g die Akzeleration aufgrund der Schwerkraft darstellt. Es ist möglich, diese Beziehung auszunutzen, um das Abschätzen der Wellen zeitlich vorzuverlegen – und die Kalman-Filterung mit neuen Schätzungen durchzuführen, um die vorherige Abschätzung der Meeresoberfläche zu verbessern. Die Kalman-Filterung ist ein konventionelles lineares Vorhersageverfahren. In diesem Verfahren ist der Input im wesentlichen ein Zufalls-Signal, das typischerweise durch weißes Rauschen oder ähnliches erzeugt wird, und das Verfahren erstellt einen vorhergesagten Output, in dem der mittlere quadratische Fehler, bezogen auf den tatsächlichen Output, minimiert wird. Informationen bezüglich der Kalman-Filterung erscheinen in Gelb, Edition Applied Optimal Estimation (MIT Press 1974).
  • Die Kombination von allen drei Schätzverfahren ergibt sehr gute Wellenschätzungen, wie in den eindimensionalen Simulationsergebnissen gezeigt, die im nächsten Teil dieses Abschnittes vorgestellt werden.
  • 4. SIMULATION DES OBERFLÄCHENWELLEN-ABSCHÄTZENS ENTSPRECHEND DER ERFINDUNG
  • Um diese und andere Konzepte zu testen, wurde eine eindimensionale Software-Simulation der Erfindung vorbereitet und durchgeführt. Die Abschnitte dieser Simulation, die sich auf das Wellen-Abschätzen und den ersten Aspekt der Erfindung beziehen, haben drei Hauptteile:
    • a) (Ozean-Simulator – Der erste Teil ist ein Ozean-Simulator. Er besteht aus Gaußschen Zufallsamplituden mit einem Phillips-Spektrum (siehe Phillips, The Dynamics of the Upper Ocean, Cambridge University Press 1977). Das angenommene Spektrum entspricht einer Zehn-Meter-pro-Sekunde-Windgeschwindigkeit und ist eine moderat rauhe See. Die einzelne Dimension ist ein Schnitt durch das Meer in Windrichtung. 3 zeigt ein Beispiel der Ozean-Simulation. Dieser Modell-Ozean wird mit einer Zwanzig-Zentimeter-Auflösung bei 1.024 Punkten auf einer Gesamt-Stückgröße von ungefähr zweihundert Metern abgetastet. (Da die Simulation eindimensional ist, wird hier das Wort "Stück" benutzt, das sich schlicht auf eine abgetastete Lange des Ozeans bezieht; aber in einem praktischen zweidimensionalen Ausführungsbeispiel wird jedes "Stück" ein Bereich sein.)
    • (b) Sensor – 5 zeigt einen Teil des simulierten Sensors: eine nicht abgetastete lineare Zusammenstellung 22, zehn Meter lang, von CCD-Anordnungen 29. Diese Anordnungen 29, jede mit einem 130°-Gesamt-Sichtfeld 49, befinden sich einen halben Meter entfernt entlang der Zusammenstellung, mit ingesamt einundzwanzig Elementen – von denen 5 beispielhaft acht zeigt – alle werden vierzig Meter unterhalb der Meeresoberfläche 11 gehalten.
    • (c) Eingangs-"Umgebungs"-Simulator – ein zusätzlicher Teil der Simulation ist eine angenommene oder gegebene Eingangsbeleuchtung. Zur Oberflächenwellen-Abschätzung, wie in 6 dargestellt, kann das Muster dieser Beleuchtung aus gerade zwei Komponenten bestehen: einem simulierten Himmel 41' mit einheitlicher Intensität der Einheit und einer Punkt-Sonnenquelle 36' mit einer Intensität von 104. (Ein weiteres Element dieser Simulation wird in einem späteren Teil dieses Abschnittes erklärt.)
    • (d) VORWÄRTS-Strahlenaufzeichnung – Der nächste Teil der Simulation verbindet die vorherigen, indem er schlicht der Eingangsbeleuchtung folgt durch die Brechung an vielen Oberflächen-Facetten, um auf dem simulierten Sensor ein simuliertes Beleuchtungsmuster zu bilden, etwa wie in 7 dargestellt. Bis zu diesem Punkt ist alles, was simuliert ist, die Erstellung des Beleuchtungsmusters auf einer Unterwasser-Sensor-Anordnung. Diese simulierte Beleuchtung auf der Anordnung entstand aus der simulierten Eingangsbeleuchtung der 6, aber natürlich stark zerhackt durch Brechung in unzähligen divergierenden Oberflächenwellen-Winkeln. Bislang war keine Bemühung auf das Analysieren dieses Musters gerichtet, um Oberflächen-Neigungen abzuleiten. Bei gesundem Menschenverstand ist ein gewisses Verständnis der repräsentativen Datensammlung der 7 möglich. Ein einzelner Sensor stellte zum Beispiel die simulierte Eingangs-Sonne 36'' ein paar Grad abseits der Senkrechten direkt wieder her. Der Rest der Daten entspricht der intuitiven Erwartung allgemeiner Unterwasser-Beleuchtung: die meisten Datenpunkte 51 sind Himmelslicht, das von der Wasseroberfläche gebrochen wird, fast einheitlich über eine Winkelbreite von ungefähr 45° in beiden Richtungen von der Senkrechten, und sich abstufend 52 – aufgrund der Abschwächung im Meerwasser – hin zu viel dunkleren Werten 53 in den restlichen 15° an jedem Ende der Winkelbreite. Nützliche Informationen für die in Teil 1 dieses Abschnittes sowie in den vorherigen Abschnitten dieses Dokumentes beschriebenen Zwecke sind aus dem Sichtstudium der Daten, die in 7 vorgestellt werden, schwer, wenn nicht unmöglich, zu entnehmen. Die Simulation erstellte eine Reihe von zerhackten Beleuchtungsmustern, wie im Beispiel der 7. Zwanzig solcher Muster wurden erstellt während einer Gesamt-Beobachtungszeit von ungefähr einer Sekunde.
    • (e) RÜCKWÄRTS-Strahlenaufzeichnung – zur Abschätzung der Neigung – Als nächstes wurden die zwanzig Simulationsbilder (7) dem Meeresoberflächen-Abschätzungs-Rechenvorgang unterworfen, wie oben in Teil 3 dieses Abschnittes beschrieben. Es ist interessant zu bemerken, dass in gewissem Sinne dieser Teil der Versuche nicht Teil der Simulation als solcher ist, sondern eine Art Anwendung der Erfindung – d. h. eine tatsächliche Anwendung von Software entsprechend der Erfindung, wenn auch in einer eindimensionalen Weise, auf einen simulierten Datensatz.
    • (f) Ergebnisse der Abschätzung der Neigung – 8 zeigt die Qualität der Schritte der Neigungs-Abschätzung, wie auf die simulierten Daten angewandt. Diese Graphik zeigt eine hohe Kohärenz zwischen den abgeschätzten Meeresneigungen und den vom Ozean-Simulator erstellten Input- (oder sozusagen "tatsächlichen") Meeresneigungen, wie oben in Absatz (a) beschrieben. Mit Kohärenz ist das relative Ausmaß der Korrelation zwischen den Phasen von zwei Wellen gemeint, aber für den vorliegenden Zweck kann der Begriff einfach als Maß der Nützlichkeit der im Stadium der Neigungs-Abschätzung erstellten Daten verstanden werden.
  • 5. SELEKTIVE DATENSAMMLUNG
  • 9 zeigt Sonderbedingungen, deren Entwicklung erkannt werden kann und die dadurch mit der oben besprochenen Oberflächenwellen-Analyse vorhergesagt werden können. Es wird selbstverständlich sein, dass eine solche Anwendung der Grundsätze der Erfindung sich nicht auf die zwei gezeigten Beispiele beschränkt.
  • Eine dieser Bedingungen ist eine vorübergehend bestehende relativ glatte Region 11' der Oberfläche 11. Solch eine Region 11' kann nützliche direkte, aber vorübergehende Betrachtungen dessen, was sich oberhalb des Wassers befindet, erlauben.
  • Wie früher erwähnt, kann die Wellen-Analyse der Erfindung mittels Anwendung über den regulären Bereich 35 der Eingangsempfangswinkel das Zufallsauftreten solcher Regionen 11' vorhersagen. Wenn sie dann auftreten, können die Datensammelquellen der Erfindung zur Verbesserung der Nutzung dieser Region 11' in einer viel engeren (in zwei Dimensionen) Winkelweite 54 konzentriert werden, die im allgemeinen der Ausdehnung der vorhergesagten Region 11' entspricht.
  • Eine Möglichkeit, die Datensammlung für diesen Zweck auf den Bedarf zuzuschneiden, ist das Justieren 72 (11) der Linsenmittel 71. Auf jeden Fall entspricht die entstehende engere Sicht-Trajektorie 54 innerhalb des Wassers über der Oberfläche 11 einer anderen Sichtlinie bzw. einem anderen Sicht-Konus 55 – der durch Brechung, bezogen auf den Unterwasser-Weg 54, abgelenkt ist.
  • Die Qualität solcher Beobachtung wird mit dem relativen Grad der Glätte der Oberfläche, die tatsächlich angetroffen wird, stark abweichen sowie mit Größe, Entfernung und Art von Dingen 17', die außerhalb der relativ ruhigen Region 11' (typischerweise) am Himmel zu sehen sind. Aus diesen Gründen ist diese Art der Nutzung der Grundsätze der Erfindung als zweitrangig anzusehen.
  • Signifikanter ist eine andere Sonderbedingung, in gewisser Weise die Umkehrung der ersten: hierbei zeigt die Wasseroberfläche begrenzt und kurzzeitig die Form einer relativ hohen Welle 11''. An der Oberfläche einer solchen Welle (im Vergleich zur nahegelegenen Oberfläche 11 mit kürzeren Wellen oder Tälern) kann Licht 57 aus relativ flachen Erhebungswinkeln oberhalb der umgebenden Oberfläche 11 empfangen werden.
  • Etwas von dem aus solch flachen Winkeln empfangenen Licht 57 wird dann nach unten 56 umgeleitet zu den Sensoren 22 hin und kann entsprechend anderen Aspekten der Erfindung gesammelt und analysiert werden. Auf diese Weise entwickelte Daten können zu Informationen über relativ entfernte Merkmale 15' über der Oberfläche 11 führen.
  • Wie bei dem vorherigen Beispiel entsteht diese besondere Beobachtungsbedingung, ob erwartet oder nicht. Auf diese Weise werden einige relativ kleine Bruchstücke der gesammelten Daten sogar durch Fortführung des Betriebes der Erfindung in ihrer regulären empfangenden Winkelweite 35 nützliche Informationen über die gerade erwähnten flachen Objekte 15' einschließen.
  • Die Gelegenheit wird jedoch verbessert, indem die durch den Betrieb der Erfindung über ihre übliche Empfangsweite 35 empfangenen Daten genutzt werden, um die hohe Welle 11'' vorherzusagen. Dann wird für die Dauer der hohen Welle 11'' das Datensammeln auf die viel kleinere (in zwei Dimensionen) Winkelweite 56, in der die Welle 11'' erwartet wird, konzentriert. Das Ergebnis kann in genaueren Details der Flach-Winkel-Informationen liegen.
  • 6. EINE DATENDARSTELLUNG DESSEN, WAS SICH ÜBER DER OBERFLÄCHE BEFINDET
  • Zusätzlich zur Nutzung der Kennzeichnung von Wellenbewegungen, um meteorologische Informationen abzuleiten, wie oben in Teil 1 dieses Abschnittes beschrieben, ermöglicht das Abschätzen von Oberflächenwellen auch die sehr direkte Anfertigung einer Darstellung von Datenanordnungen der Bedingungen über der Oberfläche. Zu diesem Zweck werden Strahlen, die ein einzelnes Sensor-Element erreichen, als erstes vom Sensor zu einem kleinen Bereich der Meeresoberfläche zurückverfolgt und als zweites von diesem Bereich zurück zum Ursprungspunkt jedes Strahles.
  • Dieser zweite Schritt wird durchgeführt unter Berücksichtigung der nun bekannten (abgeschätzten) Oberflächenneigung 37 (1) jedes Strahles und unter Anwendung des Snell-Gesetzes, um die Richtung der Quelle zu finden. Schliesslich wird die auf diese Weise gefundene Richtung der Quelle verknüpft mit der beobachteten Lichtintensität desselben Sensors, um eine Gegenüberstellung der Bedingungen der Lichtintensität zur Richtung der Quelle zu erstellen.
  • Bei der Nutzung dieser Datenanordnung können zusätzlich zu den oben vorgestellten verschiedene nützliche Funktionen erzielt werden. Auf diese Weise können, zum Beispiel falls sich eine optische Informationsquelle, wie ein Nachrichten-Leuchtfeuer 61, über der Oberfläche 11 befindet, optische Informationen 62 auswahlweise von dieser Quelle 61 gesammelt (8) werden, um Nachrichten-Informationen von der Quelle zu bekommen – wodurch die Unterwasser-Ausrüstung (zum Beispiel einschließlich im Boden verankerter automatischer Ausrüstungen 21t, 1 und 9) in die Lage versetzt wird, aktualisierte Anweisungen zu empfangen.
  • Die Nachrichtenquelle kann in Umlauf- oder Flugbahn sein. In diesen Fällen kann sie, muss aber nicht, dieselbe wie der früher erwähnte Referenz-Peilstrahl sein – oder kann sich an einer nahegelegenen Küste oder auf einem nahen Oberflächenfahrzeug befinden.
  • Die auszugsweise Sammlung und Interpretation von optischen Nachrichten-Informationen braucht nicht eine von Menschen lesbare Abbildung einzuschließen, da die Verarbeitungsvorrichtung, die als Teil der Erfindung zur Verfügung steht, auch in der Lage sein sollte, automatisch aus der Datendarstellung den Teil 61 dessen, was sich über der Oberfläche befindet und von Interesse ist, zu erkennen – und anschließend lediglich die Nachrichtendaten 62 aus diesem Teil zu sammeln.
  • Der Nachrichtenempfang von solch einer Quelle kann erheblich verstärkt werden durch das Sammeln einer großen Anzahl von Bruchteilen der gestrahlten optischen Energie, die den Sensor 22 (Zusammenstellung von Anordnungen) über die Brechung durch eine entsprechend große Anzahl von unterschiedlichen Bereichen der Wasseroberfläche erreicht. Dies kann sogar zutreffen, wenn die Nachrichtenquelle sich am Himmel befindet und sogar, wenn es sich um dieselbe (oder eine an dieselbe Quelle angrenzende) Quelle handelt, wie ein Referenz-Leuchtfeuer, das in Betrieb ist – weil das Signal-Störverhäanis zu Nachrichtenempfangszwecken, insbesondere bei hohen Datenraten, viel empfindlicher sein kann hinsichtlich der Stärke der gesammelten Signalkraft als das Signal-Störverhältnis zu dem Zweck, den Peilstrahl lediglich zu identifizieren.
  • Die Analyse der Daten-Darstellung kann auch im Falle einer beweglichen Ausrüstung 21m die Entscheidung unterstützen, ob von unterhalb der Oberfläche an die Oberfläche gewechselt werden soll, um den Zusammenstoß mit einem sich schnell bewegenden Objekt 17'' an der Oberfläche zu verhindern – oder ob unterhalb der Oberfläche bewegt werden soll oder nicht, um einem Oberflächen-Objekt 63 auszuweichen, das unter Wasser in eine beträchtliche Tiefe 64 ragt und beabstandet ist. Diese Entscheidungen können dann verwirklicht werden.
  • Auch dieser Prozess erfordert nicht notwendigerweise die Beobachtung einer Akbildung durch Menschen. Einfache Sicherheitsüberlegungen und andere Daten-Analyse-Kriterien zur Durchführung oder Ermöglichung dieser Entscheidung können an die Informationen in der gebildeten Datendarstellung angelegt werden.
  • Solche weiteren Analysen können mit eigener Anwendungsprogrammierung 75' im Prozessor 75 oder einem separaten Prozessorbereich 75' in diesem Prozessor 75 oder einem vollkommen separaten Prozessor 75' durchgeführt werden. Hierzu können gewünschte Funktionen automatisch oder halbautomatisch den Betriebssteuerungen der beweglichen Ausrüstung 21m durch Schnittstellen 79 hinzugefügt werden. Menschliche Beteiligung kann jedoch hilfreich oder zu bevorzugen sein und fällt unter den Schutzbereich der Erfindung.
  • Allgemeiner gesagt, kann die Datendarstellung verwendet oder erstellt werden in Form einer Abbildung (zum Beispiel auf einem Computer-Monitor 77), die Menschen verständlich ist und Lichtintensität als eine Funktion von Höhe und Azimut im wesentlichen entsprechend der Datendarstellung hat. Innerhalb dieser Beschreibung kann die Anzeige unter Verwendung einer nicht-linearen Funktion der Anzeige-Intensität oder des Kontrastes bezüglich der gesammelten Intensitäten erzeugt werden – zur leichtesten Verständlichkeit für Betrachter. Im Falle von unbesetzten Ausrüstungen kann solch eine Anzeige nach Übertragung 78 der notwendigen Daten zu einer entfernten Bodenstation 32 (1) dort aktualisiert werden.
  • Wie 10 vorschlägt, kommt der früher vorgestellte zweite Aspekt der Erfindung ins Spiel, falls die Nachrichtenquelle 61 oder andere interessante Merkmale 17'', 63 besonders nahe am Horizont sind. Viel bessere Informationen über ein Objekt können mithilfe der Erfindung gesammelt werden als direkt durch das Wasser. In diesem Fall wird die Nutzung einer relativ großen Welle zur Bereitstellung der lichtdurchlässigen Wasser-Oberflächenbereiche die Erzielung guter Daten für das Merkmal erleichtern.
  • Begleitende Berechnungen, die über die gesammelten Daten der Gesamtszene mit der vorherigen Vorhersage erstellt werden, können die Formation und Lage einer solchen Welle voraussehen. Dann kann in angemessenen Abständen das Datensammeln im erwarteten Wellenformationsbereich konzentriert werden.
  • 7. SIMULATION DER BILDUNG EINER DATENDARSTELLUNG ENTSPRECHEND DER ERFINDUNG
    • (a) Eingangs-"Umgebung" – Zu diesem Zweck kommt das früher erwähnte zusätzliche Element der Eingangs-Beleuchtungs-Simulation aktiver ins Spiel. Es ist ein simuliertes Objekt 51' mit der Intensität von 0,1 am simulierten Horizont – alles wie in 6 dargestellt. Das Objekt 51' soll fünfzehn Meter hoch und in einer simulierten Position einen Kilometer vom Sensor 22 (Zusammenstellung von Kameras) der Erfindung entfernt sein. Die Wirkungen der Einbeziehung dieses Elements 51' in die Input-Simulation sind bereits in den früher besprochenen zwanzig Output-Beleuchtungsmustern vorhanden. Weil es viel dunkler als der Himmel ist, stört es die früher beschriebenen Annahmen in den Neigungs-Begrenzungs-Prozessen nicht. Auf diese Weise bezieht sich die vorliegende Besprechung auf eine Erweiterung der eindimensionalen Form der Erfindung auf einen weiteren Analyse-Status eines Simulations-Datensatzes, der das simulierte Objekt 51' einschließt.
    • (b) RÜCKWÄRTS-Strahlenaufzeichnung zur Ermittlung der Quelle – Nach der Verwendung bei der Abschätzung der Neigung, wie oben in Teil 3 dieses Abschnittes beschrieben, wurden dieselben zwanzig Output-Beleuchtungsmuster in Verbindung mit den empfangenen Beleuchtungsmustern (7) in Verbindung mit den geschätzten Neigungen 37 bei dem Versuch, eine Datendarstellung des Input-Beleuchtungsmusters zu rekonstruieren, wieder verwendet. Dies wird erreicht mittels Strahlenaufzeichnung, wie ebenfalls in Teil 3 beschrieben. 12 zeigt solch eine Darstellung 81 (zum Vergleich auf die feststehende Linie 82 aufgesetzt, die das Input-Muster wiedergibt) zur Analyse der früher erwähnten zwanzig Datenrahmen. Der Prozess läuft bei dieser Rekonstruktion mit einem Signal-Störverhältnis von ungefähr fünfundzwanzig Dezibel gut. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse ist es möglich, den Umfang der Integrationszeit abzuschätzen, die benötigt wird, um innerhalb der Output-Darstellung Objekte (wie das in der Simulation benutzte 51') in unterschiedlichen Entfernungen zu erkennen. Eine mengenmäßige Abschätzung erscheint in 13: in dieser Graphik ist "Typ 1"-Wasser ziemlich klar und "Typ 3"-Wasser trübe. 13 zeigt, dass die Wahrnehmung von Objekten in den Output-Daten bei Entfernungen bis und möglicherweise über fünf Kilometer hinaus bei klarem Wasser möglich ist, während bei schmutzigem Wasser die tatsächliche Entfernung etwas kürzer ist. Diese eindimensionale Simulation zeigt auf diese Weise, dass die Unterwasser-Wiedergabe-Erfindung machbar ist.
  • 8. PRÜFUNG DER ERFINDUNG UNTER REALEN EINSATZBEDINGUNGEN
  • Eine volle zweidimensionale Simulation wird das Verfahren noch genauer prüfen und auch dazu beitragen, einen tatsächlichen Sensor zur Verwendung in einem Feldversuch zu entwerfen. Ein erstes Entwurfskonzept für diesen Versuchs-Sensor wird sich nach den in Tabelle 1 zusammengestellten Sensor-Anforderungen richten. Für einen praktischen Versuch scheinen diese Anforderungen eher auf Verwendung eines Clusters von CCD-Anordnungen hinauszulaufen als auf eine einzelne CCD-Anordnung. Ein Grund für diese Schlussfolgerung ist, dass eine komplette Rekonstruktion der Meeresoberfläche erfordert, dass Licht aus einer sehr breiten Winkelweite eindringen muss: das Sichtfeld sollte etwa 60° bis 65° aus der Senkrechten sein und den vorher erwähnten Gesamtkonus von 120° bis 130° abdecken.
  • Tabelle 1: Anforderungen an den Sensor
    Figure 00320001
  • Handelsübliche Unterwasser-Linsen werden dieses Sichtfeld nicht unterstützen, und für einen Feldversuch erscheint es weniger kostspielig, multiple Anordnungen zu haben als eine Maß-Linse zu entwerfen und herzustellen – jedoch bleibt diese Wahl für ein Produktionssystem offen. Tabelle 2 zeigt ein erstes Entwurfskonzept für Komponenten, die in einem Sensor-Cluster verwendet werden sollen.
  • Der geplante Feldversuch wird nahe einem Turm 83 (14) in relativ flachem Wasser durchgeführt, etwa fünfunddreißig Meter tief. Der CCD-Cluster 84 wird auf einer am Boden befestigten Plattform 85 angebracht, durch ein Glasfaserkabel 86 mit der Elektronik und Datenverarbeitungs-Ausrüstung 88 auf dem Turm verbunden.
  • Der untersuchte Oberflächenbereich über der Plattform 85 ist in 14 symbolisch mit 87 dargestellt. Es ist geplant, Daten zu sammeln (als Video vom CCD-Cluster 84 bei einer Datenrate von zehn Hertz) und die Datenqualität vor Ort zu prüfen. Nach den physikalischen Prüfungen wird die geplante Analyse sich auf die Identifikation von unerwarteten Physik- oder Sensor-Problemen konzentrieren, die die Bildung der Darstellungen dessen, was sich über der Oberfläche befindet, und insbesondere die Rekonstruktion sichtbarer Abbildungen beeinträchtigen. Falls irgendwelche dieser Probleme überwunden werden können und die Anzeigen ansonsten zufriedenstellend sind, besteht eine andere geplante Aufgabe aus der Entwicklung eines Algorithmus, der den gesamten Prozess in Echtzeit oder wenigstens annähernd so durchführen kann: Dies wird ein Schlüssel-Modul in einem Produktionssystem sein.
  • Tabelle 2: Cluster-Entwurf
    Figure 00330001
  • 9. BETRIEB VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
  • Wie oben beschrieben, wurde eine Software erstellt und in Betrieb genommen zur praktischen eindimensionalen Umsetzung der Erfindung, und diese Software wurde erprobt, indem sie auf einen in einer Simulation entwickelten eindimensionalen Datensatz angewandt wurde. Um Mitarbeiter mit üblichen Fähigkeiten bei der eindimensionalen Anwendung der Erfindung zu unterstützen, entweder als Simulation oder mittels Daten, die bei tatsächlichen physikalischen Licht-Sammlungsprozessen erhoben wurden, wird vorgeschlagen, dass solche Mitarbeiter auf ähnliche Weise mit eindimensionaler Darstellung beginnen und ihre Ergebnisse mit der simulierten Datensatz-Entwicklung und der darauffolgenden oben beschriebenen -und insbesondere dargestellten- Analyse vergleichen.
  • Der Code für die in diesem Dokument beschriebenen Zwecke kann günstigerweise in der Microsoft-Version der geläufigen Programmiersprache "Fortran" geschrieben werden, die auf einem IBM-kompatiblen Universal-Desktop-Computer, wie die im Handel bekannten Typen mit den Bezeichnungen "386" und "486", läuft. Mit fünf Empfängern und 1.024 Stammstrahlen je Eingangsort sollte eine eindimensionale Analyse entsprechend der Erfindung typischerweise eine Rechenzeit von ungefähr dreißig bis fünfundvierzig Minuten je Datensatz erfordern.
  • Erfahrungsgemäß werden jedoch, grob geschätzt, neunzig Prozent dieser Zeit verbraucht bei der Erstellung des simulierten Eingangs-Beleuchtungsmusters auf simulierten Sensoren. Zweidimensionaler Betrieb in nahezu Echtzeit wird, wo benötigt, leistungsfähigere Rechenausrüstungen erfordern – vorzugsweise mit Parallel-Prozessoren – um einen, sehr grob geschätzt, einhundert- bis eintausendmal größeren Datendurchsatz zu erhalten.
  • Es wurde keine Hardware eigens hierfür gebaut. Hinsichtlich der Hardware jedoch werden die folgenden Aussagen für ausreichend erachtet, um den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung anzuwenden.
  • Herkömmliche CCD- oder andere Sensor-Anordnungen wären sowohl für die ein- als auch zweidimensionale Anwendung der Erfindung geeignet. Solche Anordnungen sind im Handel erhältlich, und ihre Signal-Output-Eigenschaften sind allgemein bekannt und in handelsüblichen Produkt-Spezifikationen und dazugehöriger Literatur ausführlich beschrieben. (Diese Tatsachen weisen ebenfalls darauf hin, dass den Simulationsergebnissen sehr viel Glauben geschenkt werden kann.) Ferner werden die oben vorgestellten Daten – und insbesondere jene in den Tabellen 1 und 2 dieses Dokumentes – hilfreich sein bei der Auswahl und Inbetriebnahme solcher Ausrüstungen.
  • Hinsichtlich der Hardware ist ein weiteres Einzelteil eine Unterwasser-Linse oder ein Linsensystem, das in der Lage ist, die Meeresoberfläche auf jede Detektor-Anordnung (Kamera) des Gesamtsensors abzubilden. Wie bereits erwähnt, können konventionelle und im Handel erhältliche Linsen durchaus adäquat bei unterteilten Anordnungen verwendet werden – womit das Bedürfnis nach kundenspezifischer Linsen-Konstruktion oder -Fertigung am Anfang umgangen wird. In späteren Stadien der Produkt-Fertigung wird jedoch die Sonderanfertigung größerer Linsen in wirtschaftlich sinnvoller Produktion durchaus innerhalb des üblichen fachmännischen Könnens auf dem Gebiet der Fertigung von Unterwasser-Linsen machbar sein.
  • Der höchste Genuss des Nutzens des zweiten Aspektes (selektive Datenerfassung) der Erfindung erfordert einstellbare Fokal-Konstruktionen, die wenigstens einige der CCD-Anordnungen in die Lage versetzen, sich in einen relativ kleinen Bereich zu zoomen, in dem die besonders günstigen Beobachtungsbedingungen erwartet werden. Die optomechanischen Anforderungen an solch ein System mögen etwas strenger sein als üblich, falls die Anordnungen, Linsen und damit zusammenhängenden Konstruktionen in regelrechten Unterwasser-Ausrüstungen eingebaut werden und Meerwasser ausgesetzt sind, aber dennoch durchaus innerhalb des Standes der Technik. Eine Alternative, ebenso innerhalb des Standes der Technik ist, all diese Einzelteile des Systems unter transparenten Planarhüllen zu betreiben.
  • Hinsichtlich der Software zur Durchführung der Erfindung eher in zwei Dimensionen als in einer Dimension ist das Schreiben einer solchen Software nach dem Stand fortgeschrittener Programmier-Künste möglich und kann ohne zusätzlichen schöpferischen Beitrag bewerkstelligt werden. Idealerweise sollte diese Aufgabe von der Besprechung und repräsentativen Ergebnissen, die oben für den eindimensionalen Fall vorgestellt wurden, geleitet werden, und ebenso von der Erkenntnis, dass es sich um mehr handelt, als lediglich zwei orthogonale eindimensionale Systeme gleichzeitig laufen zu lassen.
  • Insbesondere ist es bei der eindimensionalen Variante der Erfindung notwendig, die zweidimensionalen Eigenschaften der Wellenneigungen zu berücksichtigen – wie beim Rückblick auf zum Beispiel 2 oben ersichtlich ist. Analog ist es sowohl im Stadium des Neigungs-Abschätzens als auch bei der Anwendung der Neigung während der Durchführung der Erfindung in einer zweidimensionalen Weise notwendig, die dreidimensionalen Eigenschaften der Wellen zu berücksichtigen.
  • Dies bedeutet nicht nur, dass das System die Ausrichtung sowie die Größe jeder Neigung erkennen (und nutzen) muss, sondern auch, dass das System die Wellenausbreitung in Richtungen entlang der Meeresoberfläche, die nicht mit den Achsen des Koordinatensystems der Erfindung ausgerichtet sind, berücksichtigen muss. Hierzu kann es für Programmierer mit allgemeinen Fähigkeiten hilfreich sein, wenn wissenschaftliche Mitarbeiter zunächst die benötigten Gleichungen erstellen und dabei besser eine sogenannte "komplexe Exponential"-Funktion verwenden als die wissenschaftliche (Vektor)-Darstellung; die so formulierten Gleichungen werden Programmierern mit allgemeinen Fähigkeiten in diesen Wissenschaften, wie Strömungsmechanik, Ozeanografie oder Bau-Ingenieurwesen, leichter zugänglich sein – insbesondere, da die Fortran-Programmiersprache eine komplexe Exponentialfunktion "CEXP" einschließt.
  • Bei der Verfeinerung des Fortran-Code fanden sich einige Schwierigkeiten in den Kalkulationen, die durch Erstellen der vorliegenden Software gelöst wurden. Einige der vorgefundenen schwierigen Punkte werden nun kurz vorgestellt.
  • Es ist möglich, dass einige Lichtstrahlen die Sensoren der Erfindung erreichen, nachdem sie zunächst auf einer Seite einer Welle in die Ozeanmasse eingetreten sind, dann durch eine gegenüberliegende Seite dieser Welle entlang einem Aufwärtspfad austreten, und danach entlang diesem selben Aufwärtspfad durch eine nächste Welle wieder in die Ozeanmasse zurückkehren. Die Erfindung kann diese "Karambolage-Aufnahmen" nicht so genau einordnen wie bei einzelnen Eintritten, und eine verhältnismäßig lange Zeit zur Berechnung (und Programm-Ausarbeitung) ist bei diesen Bemühungen notwendig. Somit ist eine effiziente Weise, mit der verhältnismäßig kleinen Datenmenge umzugehen, die in dieser Kategorie optischer Erscheinungen eingeschlossen ist, sie zu löschen, d. h. Strahlen zu ignorieren, die anscheinend entlang Aufwärtspfaden eingetreten sind (negativer Einfallswinkel).
  • Zusätzlich wurde das Auftreten von Singularitäten oder Artefakten in den Berechnungen, die sich mit horizontalen Strahlen befassten, erkannt – typischerweise aufgrund von Versuchen, kleine Unterschiede zwischen großen Zahlen zu finden, nachdem eine oder beide jener Zahlen gerundet worden waren. Dies ist ungünstig, da horizontale Strahlen einigen einfachen optischen Fällen entsprechen, für die Ausgangsdaten als Überprüfung der Arbeitsweise des Systems erwünscht wären. In Anbetracht der beobachteten Schwierigkeiten bei der algorithmischen Behandlung dieser Fälle werden dennoch horizontale Strahlen sowie auch Strahlen innerhalb der Rundungsspanne (oder innerhalb ½° oder 1°) der Horizontalen ebenfalls am besten gestrichen. Eine Ausnahme sollte gemacht werden zur Sammlung solcher Strahlen mittels der "hohe Welle"-Strategie (beschrieben in Teil 5 dieses Abschnittes), wofür besondere Vorkehrungen getroffen werden sollten, um wiedereintretende sowie Oberflächen-reflektierte Strahlen auszusondern.
  • Ein weiterer besonderer optischer Fall, für den sich die Notwendigkeit einer sorgfältigen Handhabung zur Vermeidung von störenden Ausgangsdaten herausgestellt hat, entspricht einem Strahl, der sehr nah an einer Grenze zwischen angrenzenden Ozean-Oberflächen-Teilen eintritt, die ausgeprägt unterschiedliche Neigungen haben. Die tatsächliche Oberflächenneigung in einer solchen Region ist nicht eindeutig definiert, aber in einigen Fällen wird eine adäquate Bearbeitung durchgeführt, indem der Strahl proportional zwischen den zwei Teilen aufgeteilt wird. Eine andere, einfachere Vorgehensweise ist, Daten zu verwerfen, die einem Strahldurchtritt sehr nahe an so einer Grenze entsprechen.
  • Es versteht sich, dass die vorangegangene Offenlegung lediglich beispielhaft sein soll und die Anwendungsbreite der Erfindung nicht begrenzen soll – die unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche bestimmt werden soll.

Claims (35)

  1. Verfahren, umfassend die Schritte: automatisches Beobachten einer entsprechenden Lichtintensität aus einer Distanz unterhalb einer ungleichförmigen Wasseroberfläche direkt durch das Wasser hindurch von jeweils einer großen Anzahl von Bereichen der ungleichförmigen Wasseroberfläche in einer wenigstens im wesentlichen gleichzeitigen Weise mittels wenigstens einem Einzelsensor, der an einer einzigen Position angeordnet ist; basierend auf der beobachteten Lichtintensität für jeden der Bereiche, automatisches Abschätzen der Oberflächen-Neigungsgrößen und -Ausrichtungen für wenigstens einige der Bereiche; und automatisches Zusammenstellen der Lichtintensitätsinformation wenigstens für ausgewählte Bereiche, um eine quantitative Multipixel-Darstellung der ungleichförmigen Wasseroberfläche zu bilden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend den Schritt der Anwendung der Wasseroberflächen-Darstellung zum Steuern eines physikalischen Prozesses, der ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus: Verwenden der Darstellung für Live-Radio- und Fernsehwetterberichte für die Öffentlichkeit durch kennzeichnende Interaktion zwischen der Oberfläche und elektromagnetischer Strahlung, dann Verwenden der so gekennzeichneten Strahlungsinteraktion, um Kennzeichnung von elektromagnetischen Strahlungsbeobachtungen von Satelliten über der Oberfläche zu verfeinern, und dann Verwenden der so verfeinerten Satellitenbeobachtungskennzeichnung, um Wetterkennzeichnung und -Vorhersage durch satellitengestützte, elektromagnetische Strahlungsbeobachtungen zu verbessern; Verwenden der Darstellung für die Sicherheit kleiner Wasserverkehrsfahrzeuge durch Kennzeichnung von Niederschlagsbedingungen über der Oberfläche, und dann Verwenden der so gekennzeichneten Niederschlagsbedingungen; Verwenden der Darstellung für die Sicherheit kleiner Wasserverkehrsfahrzeuge durch Abschätzen von Windrichtung und -Geschwindigkeit über der Oberfläche, und dann Vennrenden der so abgeschätzten Windrichtung und -Geschwindigkeit; Verwenden der Darstellung zum Betrieb von windsensitiven Schallempfängervorrichtungen durch Abschätzen von Windrichtung und -Geschwindigkeit über der Oberfläche, und Verwenden der so abgeschätzten Windrichtung und -Geschwindigkeit zur Ausrichtung von akustischen Aufnehmeranordnungen; Verwenden der Darstellung zur Sicherheit von Bootsverkehr in von Eisbergen gefährdeten Bereichen durch Informationsgewinnung über das Vorhandensein von Eisbergen, und Verwenden der so erhaltenen Information zur Planung der Oberflächennutzung durch Boote; und Verwenden der Darstellung zur Sicherheit kleiner Wasserverkehrsfahrzeuge durch Koppeln der entsprechenden Lichtintensität mit entsprechender Überwasserrichtung für jeden der Bereiche durch Nutzung der abgeschätzten Oberflächen-Neigungsgrößen und -Ausrichtungen; Zusammenstellen der Lichtintensitätsinformation als eine Funktion der Richtung wenigstens für ausgewählte Bereiche, um zu bestimmen, ob es über der Oberfläche wolkig ist, und Verwenden der Wolkigkeitsbestimmung.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Verwendung der Darstellung für die Sicherheit kleiner Wasserfahrzeuge ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus: (1) Bewegen kleiner Fahrzeuge von einem Platz zu einem anderen, (2) Ausrichten von Booten im wesentlichen an einem Platz, und (3) einer Kombination aus (1) Bewegen und (2) Ausrichten.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend die Schritte: Vorhersage einer Zeit und einer begrenzten Wasseroberflächenregion, in der Bedingungen zum Sammeln von Überwasserdaten besonders günstig erscheinen, basierend auf den beobachteten Lichtintensitäten und auf den Abschätzungen der Neigungsgrößen und Neigungsausrichtungen, und basierend auf der quantitativen Darstellung der ungleichförmigen Wasseroberfläche; nach dem Vorhersageschritt, Anwenden der Vorhersagen zum Steuern selektiver Beobachtung von unterhalb der Wasseroberfläche durch das Wasser direkt hindurch der entsprechenden Lichtintensität von jeweils einer großen Anzahl der Bereiche der ungleichförmigen Wasseroberfläche in der vorhergesagten Region zur vorhergesagten Zeit.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, weiterhin umfassend die Schritte: basierend auf der selektiv beobachteten Lichtintensität für jeden der Bereiche in der vorhergesagten Region und Zeit, Abschätzen entsprechender Oberflächen-Neigungsgrößen und -Ausrichtungen für wenigstens einige der Bereiche in der vorhergesagten Region und Zeit.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, weiterhin umfassend die Schritte: Koppeln der selektiv beobachteten, entsprechenden Intensität mit entsprechender Überwasser- Höhe und -Azimut für wenigstens einige der Bereiche in der vorhergesagten Region und Zeit durch Nutzen der abgeschätzten, entsprechenden Oberflächen-Neigungsgrößen und Ausrichtungen für wenigstens einige der Bereiche in der vorhergesagten Region und Zeit; und Zusammenstellen der Lichtintensitätsinformation als eine Funktion der Höhe und des Azimuts wenigstens für ausgewählte Bereiche, um eine Datenansammlung für wenigstens einen Teil eines Überwasserraums zu bilden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die vorhergesagte Zeit und Region durch Bildung einer relativ großen Welle identifiziert werden und der Teil eines Überwasserraums, für welchen die Datenansammlung gebildet wird, in einem relativ niedrigen Erhebungswinkel über dem Horizont ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Teil in einem relativ niedrigen Erhebungswinkel relativ entfernte Objekte im Überwasserraum enthält.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die vorhergesagte Zeit und Region durch Bildung eines relativ sehr glatten Oberflächenbereiches identifiziert werden und der Teil eines Überwasserraums, für welchen die Datenansammlung gebildet wird, ein Teil ist, der über dem glatten Bereich entlang einer im wesentlichen geraden, aber brechungsabgelenkten Linie angeordnet ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend die Schritte: Verbinden der entsprechenden Lichtintensität mit entsprechender Überwasser-Höhe und Azimut für wenigstens einige der Bereiche durch Nutzung der abgeschätzten Oberflächen-Neigungsgrößen und -Ausrichtungen; und Zusammenstellen der Lichtintensitätsinformation als eine Funktion der Höhe und des Azimuts wenigstens für ausgewählte Bereiche, um eine Überwasser-Darstellung zu bilden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, weiterhin umfassend den Schritt der Nutzung der Darstellung, um einen physikalischen Prozess zu steuern, der ausgewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus: selektives Sammeln und Interpretieren optischer Information von einem Teil von dem, was sich über der Oberfläche befindet und eine optische Informationsquelle beinhaltet, um Informationen von der Quelle zu empfangen, basierend auf der Darstellung, Entscheiden, ob von unterhalb der Oberfläche zur Oberfläche bewegt wird, und dann Bewegen oder Nichtbewegen von unterhalb der Oberfläche zur Oberfläche gemäß der Entscheidung, basierend auf der Darstellung, Bestimmen, ob unterhalb der Oberfläche bewegt wird oder nicht, um einen Zusammenstoß mit einem Objekt zu vermeiden, das wenigstens teilweise unter Wasser und beabstandet ist, und dann Bewegen oder Nichtbewegen gemäß der Bestimmung, und Anzeigen einer visuellen Abbildung, die die Lichtintensität als eine Funktion der Höhe und des Azimuts im wesentlichen gemäß der Darstellung besitzt.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Neigungsabschätzens die Korrelation wenigstens eines bekannten Überwasserflächen-Beleuchtungsmusters mit der Lichtintensität einiger der von unterhalb der Oberfläche beobachteten Bereiche umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das bekannte Beleuchtungsmuster die direkte Beleuchtung von einem astronomischen Objekt in bekannter Position beinhaltet.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das bekannte Beleuchtungsmuster eine geometrische Verteilung gestreuter Beleuchtungen von einem astronomischen Objekt in einer bekannten Position beinhaltet.
  15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Neigungsabschätzens den Unterschritt des Bestimmens von Grenzen für Neigungen einiger Bereiche umfasst, die anders sind als jene Bereiche, in denen bekannte Beleuchtungsmuster erkannt werden, basierend auf vorheriger Kenntnis physikalischer Phänomene.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Neigungsabschätzens die Koordination der Korrelations- und Grenzbestimmungs-Unterschritte umfasst, um Neigungen für noch weitere Bereiche abzuschätzen.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Neigungsabschätzens umfasst: Koordination der Korrelations- und Grenzbestimmungs-Unterschritte, um zukünftige Neigungen vorherzusagen; und Koordinieren der vorhergesagten, zukünftigen Neigungen mit späteren Korrelations- und Grenzbestimmungs-Unterschritten, um den Schritt des Neigungsabschätzens für noch spätere Beobachtungen zu verfeinern.
  18. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt der Intensitätskopplung die Unterschritte umfasst: Bestimmen eines Beobachtungswinkels für jeden der Bereiche; und Anwenden des Snell-Gesetzes auf die bestimmten Beobachtungswinkel und abgeschätzten Neigungen.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schritt der Intensitätskopplung ferner die Unterschritte umfasst: Bestimmen der Beobachtungstiefe; und Zulassen einer Intensitätsabschwächung gemäß der Ausbreitungsdistanz durch Wasser für jeden von wenigstens einigen Bereichen.
  20. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die große Anzahl größer als 10.000 ist.
  21. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die große Anzahl im Bereich von 250.000 ist.
  22. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der physikalische Prozess das Anzeigen einer Abbildung umfasst und vor oder während des Anzeigeschrittes den weiteren Schritt beinhaltet, die Darstellung zu modifizieren, um die beim Verbindungsschritt entstehende Höhenverzerrung zu kompensieren.
  23. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der physikalische Prozess das Anzeigen einer Abbildung umfasst und weiterhin vor dem Anzeigeschritt die Schritte beinhaltet: Aufzeichnen der Darstellung oder Abbildung und dann Wiedergewinnen der aufgezeichneten Darstellung oder Abbildung zur Nutzung beim Anzeigeschritt.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei der Aufzeichnungsschritt das Herstellen einer Aufzeichnung durch Mittel umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus digitalem Datenband, Computerdisk, Videoband, Photographie und Speicherbaustein.
  25. Vorrichtung zur Gewinnung und Nutzung einer Überwasseroberflächen-Darstellung bei ungleichförmigen Bereichen der Wasseroberfläche, basierend auf optischen Beobachtungen, die im wesentlichen gleichzeitig und beabstandet von unterhalb der Oberfläche durchgeführt werden; wobei die ungleichförmigen Oberflächenbereiche eine Störwirkung für das, was sich über dem Wasser befindet, haben, wenn dies aus der Distanz unterhalb der Oberfläche betrachtet wird; wobei die Vorrichtung umfasst: wenigstens einen Einzelsensor an einer Einzelposition als optisches Erfassungsmittel, zur Anordnung in einem Abstand unterhalb der Oberfläche, um Licht von den Oberflächenbereichen durch das Wasser direkt zu empfangen, und um in Ansprechen darauf Signale zu generieren, die der Intensität des empfangenen Lichtes als eine Funktion von Oberflächen-Neigungsgrößen und -Ausrichtungen von wenigstens einigen der Bereiche entsprechen, und programmierte Prozessormittel zum Verarbeiten der Signale, um wenigstens einen Teil der Störwirkung der Oberflächenbereiche zu analysieren und zu korrigieren, und so eine Multipixel-Darstellung von wenigstens einem Teil von dem, was sich über dem Wasser befindet, zu bilden.
  26. Vorrichtung nach Anspruch 25, weiterhin umfassend: Anwendungsmittel zur Nutzung der Darstellung, um einen physikalischen Prozess zu steuern.
  27. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die Sensormittel Einrichtungen zum Erzeugen elektronischer Signale umfassen und die Prozessormittel wenigstens einen elektronischen Prozessor enthalten.
  28. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die Prozessormittel umfassen: Mittel zum Bilden einer ersten Signalmatrix entsprechend der Intensität des empfangenen Lichts als eine Funktion des Empfangswinkels; Mittel zum Analysieren der ersten Signalmatrix, um die Oberflächen-Neigungsgrößen und Ausrichtungen für eine große Anzahl der Bereiche der ungleichförmigen Wasseroberfläche abzuschätzen; und Mittel zum Interpretieren der ersten Signalmatrix unter Verwendung der abgeschätzten Oberflächen-Neigungsgrößen und -Ausrichtungen, um eine zweite Signalmatrix entsprechend der Intensität des empfangenen Lichts als eine Funktion der Höhe und des Azimuts der Überwasserszene, wenigstens für ausgewählte Bereiche zu bilden.
  29. Vorrichtung nach Anspruch 28, weiterhin umfassend Mittel zur Nutzung der zweiten Signalmatrix als eine Darstellung von wenigstens einem Teil über dem Wasser, um eine physikalische Interaktion mit Elementen über dem Wasser zu steuern.
  30. Vorrichtung nach Anspruch 25, weiterhin umfassend Mittel zum Verwenden der Darstellung, um eine intuitiv vom Menschen nutzbare Abbildung als visuelles Abbild von wenigstens einem Teil von dem, was sich über dem Wasser befindet, anzuzeigen.
  31. Vorrichtung nach Anspruch 30, wobei die Abbildung die Lichtintensität als eine Funktion der Höhe und des Azimuts im wesentlichen entsprechend zu wenigstens einem Teil der Darstellung aufweist.
  32. Vorrichtung nach Anspruch 31, weiterhin umfassend Mittel zum Modifizieren der Darstellung vor oder während der Anzeige, um Höhenverzerrungen in der Darstellung zu korrigieren.
  33. Vorrichtung nach Anspruch 25, in weiterer Kombination mit beweglicher Ausrüstung, die die Vorrichtung in Position zum Lichtempfang von der Wasseroberfläche trägt, wenigstens wenn sich diese mit Abstand unterhalb der Wasseroberfläche befindet.
  34. Vorrichtung nach Anspruch 33, weiterhin umfassend Mittel zur Nutzung der Darstellung, um den Betrieb der Ausrüstung zu steuern.
  35. Vorrichtung nach Anspruch 34, wobei die Nutzungsmittel Mittel zur Nutzung der Darstellung beinhalten, um den Betrieb der Ausrüstung zu steuern, wobei die Betriebsarten ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Lenken und Nachrichtenempfang.
DE69532037T 1994-08-22 1995-08-18 Beobachtungen von unterhalb einer unruhigen wasseroberfläche Expired - Lifetime DE69532037T2 (de)

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