Sensorvorrichtung und Überwachungssystem
[Ol] Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Aufnahme von akustischen Signalen unter Wasser, wobei die Sensorvorrichtung einen Anker, ein Ankerseil und einen Auftriebskörper aufweist, im eingerichteten Zustand der Auftriebskörper durch das Ankerseil in einer Wassersäule gehalten wird und das Ankerseil an dem Anker befestigt ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Überwachungssystem, insbesondere zur Überwachung von Schiffsverkehr in einem Küstengewässer .
[02] International ist es in vielen Ländern üblich, eine Küstenüberwachung durchzuführen. Diese hat insbesondere eine verkehrsregelnde und -überwachende Funktion.
[03] Üblicherweise werden hierzu Radarsysteme mit Tracker eingesetzt, wobei letztere die einzelnen Positionsmeldungen des Radars zu kompletten Bewegungsspuren (Tracks) zusammensetzen und dadurch ermöglichen, das Verhalten und das Bewegungsmuster eines beobachteten Objekts zu erkennen.
[04] Hierzu werden typischer Weise Rundsuch-Radargeräte eingesetzt, um das relevante Überwachungsgebiet nach Schiffen abzusuchen. Trifft der Abtaststrahl des Radargerätes auf ein Objekt, wird die Position des Objektes vom Radargerät zum Tracker geliefert. Dabei setzt sich die Positionsangabe üblicherweise zusammen aus der Winkelstellung der Antenne zum Zeitpunkt zu dem das Objekt entdeckt wurde und der Entfernung des Objektes zum Radar, welche aufgrund der Laufzeit des Radarpulses zum Objekt und zurück berechnet werden kann.
[05] Nachteilig am Radarsystem basierend auf einen Tracker ist, dass nur Überwasserschiffe entdeckt werden können und der Überwachungsradius aufgrund des AbtastStrahls begrenzt ist.
[06] Ähnliche Beschränkungen bestehen bei der Überwachung des Schiffsverkehrs aus dem Luftraum heraus. Zudem ist hier auch ein aufwändiger Einsatz von Flugzeugen und/oder Hubschraubern notwendig .
[07] Um Überwasserschiffe und insbesondere auch
Unterwasserschiffe zu überwachen, werden üblicherweise Schiffe mit entsprechenden Sonaranlagen an Bord eingesetzt. Nachteilig sind hierbei die Eigenbewegung des Überwachungsschiffes (Unter- oder Überwasserschiff) und der ständige hohe Aufwand an Personal- und Betriebsmitteln für eine kontinuierliche Überwachung von Küstengewässern.
[08] Allgemein ist die Detektion eines Objektes von einem Unterwasserschiff oder -fahrzeug aus schwierig durchzuführen, da sowohl die Entfernung als auch die Peilung (Richtung) bestimmt werden müssen. Je weiter entfernt das zu defektierende Objekt ist, desto größer wirken sich etwaige Fehler in der Bestimmung des Peilungswinkels
(Richtungswinkels) aus.
[09] Des Weiteren besteht die Möglichkeit, lokal Sonarbojen einzusetzen. Hierbei handelt es sich um spezielle Bojen, welche mit Hydrophonen (Unterwassermikrofonen) ausgestattet sind, um Schiffe oder andere Schallquellen unter Wasser aufzuspüren .
[10] Sonarbojen werden meist von Flugzeugen (oder Hubschraubern) abgeworfen, wobei durch den Aufschlag das Hydrophon freigegeben wird und an einen Draht in eine vorgegebene Wassertiefe fällt. Eine Entkopplung der Bewegung des Hydrophons vom Seegang wird durch ein dehnbares Gummiband im Draht erzielt. Die von der Boje empfangenen Signale werden im UKW-Bereich an das Flugzeug gesendet. Zur Charakterisierung des Schiffstyps kann eine Frequenzanalyse an Bord des Flugzeuges durchgeführt werden. Eine Abschätzung der Position,
beispielsweise eines Schiffes, kann nur durch den aufwändigen Abwurf mehrerer Sonarbojen erreicht werden.
[11] Nachteilig ist, dass mit mehreren Sonarbojen lediglich die ungefähre Position und nach längerer Beobachtung gegebenenfalls auch der Kurs und die Fahrt des Ziels bestimmt werden können.
[12] Neben dem aufwändigen Einsatz von mehreren Bojen, ist auch der Einsatz eines Flugzeuges (oder Hubschraubers) bei der Überwachung nachteilig, da dadurch höhere Kosten und logistische Aufwände entstehen.
[13] Des weiterem ist der zeitliche Einsatz eines Luftfahrzeuges begrenzt, sodass eine kontinuierliche Überwachung einen Einsatz von mehreren Luftfahrzeugen mit einer entsprechenden Logistik erfordert.
[14] Zudem wird immer nur ein lokales und temporäres Lagebild erstellt, wie dies auch durch ein Schiff mit eigener Trackerfunktion erzeugt werden kann. Hierbei ist die Reichweite und somit das Lagebild der Umgebung eingeschränkt.
[15] Häufig reicht die Reichweite somit nicht aus, um mehrere kilometerlange Küstenabschnitte zu überwachen und ein einziges Lagebild zu erzeugen.
[16] Zudem werden in den genannten Verfahren mobile Überwachungsgeräte wie Sonarbojen oder Fahrzeuge eingesetzt, deren Eigenbewegungen, insbesondere bei einer gewünschten zusätzlichen Peilung, korrigiert werden müssen.
[17] Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern .
[18] Gelöst wird die Aufgabe durch eine Sensorvorrichtung zur Aufnahme von akustischen Signalen unter Wasser, wobei die Sensorvorrichtung einen Anker, ein Ankerseil und einen
Auftriebskörper aufweist, im eingerichteten Zustand der Auftriebskörper durch das Ankerseil in einer Wassersäule gehalten wird und das Ankerseil an dem Anker befestigt ist, wobei die Sensorvorrichtung eine Hydrophon-Anordnung zur Peilung von Unterwassergeräuschen aufweist.
[19] Dadurch kann in einer Sensorvorrichtung unter Wasser mittels Hydrophon-Anordnung direkt eine Peilung von Unterwassergeräuschen durchgeführt werden.
[20] Zudem kann über die räumliche Anordnung von Hydrophonen die Reichweite und die Peilungsqualität verbessert werden.
[21] Folglich kann mit einer Sensorvorrichtung oder mehreren Sensorvorrichtungen unter Wasser eine Küstenüberwachung erfolgen .
[22] Vorteilhaft ist die Sensorvorrichtung oder sind die Sensorvorrichtungen stationär am Meeresgrund installiert, sodass eine kontinuierliche Überwachung eines
Küstenabschnittes ermöglicht wird. Dadurch wird ein weitreichendes und gesamtes Lagebild des Küstenabschnittes möglich .
[23] Zudem kann die Sensorvorrichtung durch den Auftriebskörper in einer definierten Position in der Wassersäule positioniert werden .
[24] Es ist vorteilhaft, dass keine Unter- oder Überwasserfahrzeuge oder Luftfahrzeuge zur Küstenüberwachung eingesetzt werden müssen, welche beständig einen hohen Personal- und Betriebsmittelbedarf aufweisen.
[25] Somit ist ein Orten, Verfolgen und Klassifizieren von Wasserfahrzeugen über eine einmal installierte
Sensorvorrichtung unter Wasser möglich.
[26] Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass, entgegen dem angegebenen Stand der Technik, eine Sensorvorrichtung mit einer Hydrophon-Anordnung zur Peilung von Unterwassergeräuschen stationär am Meeresgrund über einen Auftriebskörper und ein Ankerseil an einem Anker positioniert wird, wobei die Position der Hydrophon-Anordnung in der Wassersäule einstellbar ist.
[27] Folgendes Begriffliche sei erläutert:
[28] Eine „Sensorvorrichtung" ist insbesondere eine Vorrichtung zur Aufnahme von akustischen Signalen unter Wasser. Insbesondere erlaubt die Sensorvorrichtung durch eine Hydrophon-Anordnung eine Aufnahme, Identifikation und/oder Peilung von Unterwassergeräuschen.
[29] Ein „Anker" ist insbesondere eine Einrichtung, mit der über ein Ankerseil die weiteren Bestandteile der Sensorvorrichtung auf dem Meeresgrund festgemacht werden, um nicht durch Wind, Strömung, Wellen oder anderen Einflüssen abgetrieben zu werden. Ein Anker erfüllt seine Funktion insbesondere aufgrund seines Gewichts und/oder seiner Form. Im einfachsten Fall kann ein Anker insbesondere ein schwerer Stein oder Betonklotz sein. Bei einem Anker kann es sich insbesondere auch um die üblichen in der Schifffahrt eingesetzten Anker handeln, wie zum Beispiel aus korrosionsbeständigen Metallen. Auch kann es sich beim Anker insbesondere um ein Fundament handeln, wie dies üblicherweise in der Offshore-Industrie eingesetzt wird.
[30] Ein „Ankerseil" ist insbesondere ein aus zusammengedrehten Natur- oder Kunstfasern oder Drähten bestehendes, längliches, biegeschlaffes, elastisches Element, welches insbesondere zur Verbindung der Bestandteile der Sensorvorrichtung und zur Übertragung von Zugkräften verwendet wird. Beim Ankerseil kann es sich um ein herkömmliches Seil, eine Leine und/oder eine Metallkette handeln. Insbesondere kann das Ankerseil am einen
Seilende am Anker und am anderen Seilende am Auftriebskörper der Sensorvorrichtung befestigt sein.
[31] Bei einem „Auftriebskörper" (auch Schwimmkörper genannt) handelt es sich insbesondere um einen Gegenstand, welcher aufgrund seines Auftriebs durch Verdrängung nach dem archimedischen Prinzip selbstständig schwimmfähig ist. Ein Auftriebskörper kann insbesondere an sich schwimmfähiges Material, wie Holz oder Kork, aufweisen oder ist hohl ausgeführt, wobei der Hohlraum häufig mit Luft oder mit einem leichten Feststoff, beispielsweise einem möglichst geschlossenporigen Kunststoffschäum, gefüllt ist.
[32] Unter „eingerichteten Zustand" wird insbesondere die Verbindung des Auftriebskörpers über ein Ankerseil mit einem Anker im Wasser verstanden, sodass der Auftriebskörper insbesondere eine bestimmte Position in einer Wassersäule einnimmt .
[33] Unter „Wassersäule" wird insbesondere die vertikale Ausrichtung eines Unterwasserkörpers von der Wasseroberfläche bis zu dem Grund (Meeresboden) bezeichnet.
[34] Eine „Hydrophon-Anordnung" ist insbesondere die räumliche Anordnung von mehreren Hydrophonen. Hierbei wird unter Hydrophon-Anordnung insbesondere verstanden, dass mehrere
( Einzel- ) Hydrophone in einem bestimmten Abstand aneinander gesetzt werden, sodass sich beispielsweise eine lange Hydrophonkette bildet. Die Hydrophon-Anordnung kann insbesondere unterschiedliche Formen wie eine gestreckte Kette oder einen Kreis annehmen.
[35] Als „Hydrophon" wird insbesondere ein Gerät zur Wandlung von Wasserschall in eine dem Schalldruck entsprechende elektrische Spannung verstanden. Hydrophone werden insbesondere im Meer eingesetzt, um dort Wasserschallgeräusche aufzunehmen. Der verwendete Frequenzbereich im Meer liegt
zwischen ca. 10 Hz und 1 MHz. Insbesondere sind Hydrophone aber auch als Unterwasserschallquelle nutzbar, sodass insbesondere auch eine aktive Peilung erfolgen kann. Hierzu kann ein Hydrophon insbesondere sowohl als Schallsender als auch als Schallempfänger genutzt werden oder einzelne Hydrophone können als Schallsender und andere als Schallempfänger genutzt werden. Ein Hydrophon weist insbesondere als Bauteil ein akustisches Wandlerelement auf, welches akustische Signale als Schallwechseldrücke in elektrische Spannung umwandelt oder umgekehrt elektrische Spannung in akustische Signale umwandelt. Als akustisches Wandlerelement werden insbesondere Piezokeramiken und Piezokompositkeramiken eingesetzt .
[36] Je größer die Anzahl der Hydrophone in der Hydrophon- Anordnung ist, desto besser können Frequenzen und/oder Richtungen aufgelöst werden.
[37] Als „Peilung" wird insbesondere eine Methode verstanden, mit welcher der Winkel zwischen der Richtung nach einem gepeilten Objekt und einer Bezugsrichtung gemessen wird. Auch kann insbesondere der ermittelte Winkel selbst als Peilung bezeichnet werden. Somit wird insbesondere zu einem Bezugspunkt die Richtung zur Unterwasserschallquelle bestimmt. Vorliegend sind Richtungen sowie Peilungen synonym zu verstehen .
[38] „Unterwassergeräusche" sind insbesondere Geräusche, welche von natürlichen oder künstlichen Gegenständen unter Wasser als Schallwellen ausgesendet werden. Beispielsweise kann es sich um den Antrieb eines Schiffes handeln. Bei
Unterwassergeräuschen kann es sich aber auch um zuvor ausgesandte Unterwassersignale handeln, welche an Gegenständen unter Wasser reflektiert wurden.
[39] In einer weiteren Ausführungsform weist die Sensorvorrichtung eine Halterung auf, wobei die Halterung mit
dem Auftriebskörper verbunden ist und die Hydrophon-Anordnung aufweist .
[40] Somit kann die Halterung der Hydrophon-Anordnung eine definierte Form aufprägen.
[41] An der Halterung können nicht nur die Hydrophone befestigt werden, sondern die Halterung gibt der Hydrophon-Anordnung auch Stabilität und mechanischen Schutz. Beispielsweise kann die Halterung als Metallring ausgeführt werden.
[42] Dadurch, dass die Halterung zusammen mit der Hydrophon- Anordnung mit dem Auftriebskörper verbunden ist, kann die Position der Halterung und somit der Hydrophon-Anordnung mittels des Auftriebskörpers eingestellt werden. Hierbei kann die Halterung direkt beispielsweise mittels eines Seils oder Schäkels mit dem Auftriebskörper verbunden sein und/oder die Halterung kann indirekt am Auftriebskörper befestigt sein, indem beispielsweise die Halterung an einem Seil befestigt ist, welches wiederum zum Auftriebskörper führt. In beiden Fällen ändert sich mit der vertikalen Position des Auftriebskörpers auch die vertikale Position der Halterung mit der Hydrophon-Anordnung.
[43] Zudem richtet der Auftriebskörper , welcher über das Ankerseil wiederrum mit dem Anker verbunden ist, die Halterung und die Hydrophon-Anordnung sowohl horizontal als auch vertikal aus .
[44] Zur vertikalen Positionierung ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn der Auftriebskörper sich ca. 100m unter der Wasseroberfläche befindet, um ein Algenaufwuchs zu minimieren, da Licht für die Photosynthese durch die obere Wasserschicht abgeschwächt wird.
[45] Auch kann die Halterung mit der Hydrophon-Anordnung nicht direkt unter dem Auftriebskörper befestigt sein, sondern
beispielsweise bei einem Auftriebskörper , welcher in einer Wassertiefe von 100m sitzt, kann sich die Hydrophon-Anordnung in einer Wassertiefe von 1.400m befinden, während der Anker beispielsweise auf dem Meeresgrund in 2.000m Tiefe sitzt.
[46] Durch eine tiefe Positionierung in der Wassersäule, insbesondere tiefer als 20m von der Wasseroberfläche, können Störgeräusche vermieden werden, wie diese beispielsweise durch den Wellenschlag verursacht werden.
[47] Bei einer „Halterung" handelt es sich insbesondere um ein Verbindungselement, welche andere Bauteile in einer bestimmten Position hält. Insbesondere handelt es sich bei der Halterung um eine Aufnahme für die Hydrophon-Anordnung. Beispielsweise kann es sich bei der Halterung um einen Metallring oder einen Metallstab handeln.
[48] Um eine hohe Reichweite bei der Peilung zu erzielen, weist die Hydrophon-Anordnung eine Gesamtlänge von 20m bis 250m insbesondere von 40 m bis 120 m auf.
[49] Je länger eine Hydrophon-Anordnung ist, desto tiefere Frequenzen können empfangen werden.
[50] Zudem steigt mit der Länge der Hydrophon-Anordnung bei gleichartiger Bauweise der einzelnen Hydrophone auch die Anzahl der Hydrophone. Je mehr Hydrophone auf einer Halterung eingesetzt werden können, desto besser können die Frequenzen und/oder die Richtungen aufgelöst werden.
[51] Zudem ist es vorteilhaft, dass die Hydrophon-Anordnung so ausgeführt ist, dass diese in alle Richtungen Schallsignale empfangen und/oder aussenden kann. Beispielsweise ist die Hydrophon-Anordnung als Kreisgebilde ausgeführt, sodass der gesamte Winkelbereich von 360° akustisch abgedeckt wird.
[52] In einer weiteren Ausführungsform weist die Sensorvorrichtung ein Lagesensor (GPS und/oder Gyroskop) auf,
sodass eine Position und/oder eine Ausrichtung der Sensorvorrichtung und/oder der Hydrophon-Anordnung bestimmbar ist oder sind.
[53] Dadurch sind die geographische Lage und die Ausrichtung in der Wassersäule der Sensorvorrichtung und/oder der Hydrophon- Anordnung bestimmbar.
[54] Zudem kann für eine Entfernungsmessung und eine Peilung die notwendige Position der Sensorvorrichtung und/oder der Hydrophon-Anordnung bestimmt werden. Zudem können
Wellenbewegungen, welche trotz der Befestigung der Hydrophon- Anordnung an dem am Ankerseil gespannten Auftriebskörpers auftreten können, erfasst und bei der Richtungsbestimmung und Peilung berücksichtigt werden.
[55] Insbesondere kann dadurch auch ein Kippen und/oder Abdriften der Sensorvorrichtung frühzeitig erkannt werden, beispielsweise wenn aufgrund eines Defektes ein Befestigungsseil reißt.
[56] Ein „Lagesensor" ist insbesondere ein Sensor, welcher die Position und/oder die Ausrichtung der Sensorvorrichtung und/oder der Hydrophon-Anordnung im dreidimensionalen Raum bestimmt. Bei einem Lagesensor handelt es sich insbesondere um ein Gyroskop (auch Kreiselinstrument genannt), welches insbesondere ein sich rasch drehenden symmetrischen Kreisel aufweist, welcher sich in einem beweglichen Lager dreht. Aufgrund der Drehimpulserhaltung weist der Kreisel insbesondere ein hohes Beharrungsvermögen gegenüber Lageänderungen im Raum auf. Auch kann es sich bei einem Lagesensor insbesondere um einen Drehratensensor handeln, welcher keinen Kreisel aufweist, oder um ein GPS. Durch den Lagesensor können insbesondere Richtungsänderungen gemessen und Positionsbestimmungen ermöglicht werden.
[57] Um einen größeren Auftrieb zu erzielen, weist die Sensorvorrichtung ergänzend zu dem Auftriebskörper eine Plattform auf, wobei der Auftriebskörper mit einem Befestigungsseil an der Plattform befestigt ist.
[58] Dadurch kann ein Befestigungsseil und/oder das Ankerseil stärker gespannt werden, sodass weniger Beweglichkeit des Auftriebskörpers in vertikaler und/oder horizontaler Richtung besteht .
[59] Zudem kann durch den zusätzlichen Auftriebskörper einer Plattform der notwendige Auftrieb entsprechend des Gewichtes der Sensorvorrichtung und/oder seiner Bestandteile, insbesondere der Hydrophon-Anordnung und des Lagesensors, freier angepasst werden.
[60] Auch kann die Halterung mit der Hydrophon-Anordnung nach oben und/oder unten über Seile zusätzlich abgespannt sein, wobei die Seile unter- und/oder oberhalb des Auftriebskörpers am zentralen Ankerseil und/oder dem Befestigungsseil befestigt sein können.
[61] Ein „Befestigungsseil" ist insbesondere ein aus zusammengedrehten Natur- oder Kunstfasern oder Drähten bestehendes, längliches, biegeschlaffes, elastisches Element, welches insbesondere zur Verbindung des Auftriebskörpers mit der Plattform verwendet wird. Beim Befestigungsseil kann es sich um ein herkömmliches Seil, eine Leine und/oder eine Metallkette handeln. Insbesondere kann das Befestigungsseil am einen Seilende am Auftriebskörper und am anderen Seilende an der Plattform befestigt sein.
[62] Für Wartungs zwecke ist oder sind die Halterung und/oder die Hydrophon-Anordnung über ein Befestigungsmittel an dem Auftriebskörper und/oder an dem Befestigungsseil an eine Wasseroberfläche verbringbar.
[63] Dadurch kann die Halterung und/oder die Hydrophon-
Anordnung derart mit dem Auftriebskörper verbunden sein, dass über ein Befestigungsmittel die Halterung und/oder die Hydrophon-Anordnungen von der Wasseroberfläche aus direkt aus der Wassertiefe zu Wartungszwecken geborgen werden kann oder können .
[64] Bei einem auf der Wasseroberfläche schwimmenden Auftriebskörper kann beispielsweise das Befestigungsmittel ein Schäkel sein, über den die Halterung und/oder ein mit der Halterung verbundenes Seil an einer Öse des Auftriebskörpers befestigt ist.
[65] Im Falle eines getauchten Auftriebskörpers kann beispielsweise das Befestigungsseil ein Flaschenzug sein, welcher die Halterung am Auftriebskörper und/oder am Befestigungsseil befestigt. Zur Bergung der Halterung und der Hydrophon-Anordnung wird dann von der Wasseroberfläche aus Lose auf den Flaschenzug gegeben, während der Auftriebskörper durch das Ankerseil und/oder das Befestigungsseil in seiner Position gespannt gehalten wird. Es wird solange Lose auf das tragende Seil des Flaschenzuges gegeben, bis dessen Länge ausreicht, um die Befestigung an der Halterung mittels eines Hochziehseils hochzuziehen.
[66] Ein „Befestigungsmittel" ist insbesondere Mittel, welches Bauteile der Sensorvorrichtung miteinander befestigt. Insbesondere handelt es sich bei dem Befestigungsmittel um eine feste Verbindung, welche die Beweglichkeit zwischen zwei Bauteilen zumindest teilweise einschränken. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Befestigungsmittel gelöst werden kann, beispielsweise zu Wartungszwecken. In einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist oder sind der Auftriebskörper und/oder die Plattform derart eingerichtet, dass der Auftriebskörper und/oder die Plattform teilweise oberhalb der Wasseroberfläche ist oder sind, und der
Auftriebskörper und/oder die Plattform eine
Energiegewinnungseinrichtung aufweist oder aufweisen.
[67] Dadurch wird sichergestellt, dass der Auftriebskörper und/oder die Plattform teilweise oberhalb der Wasseroberfläche angeordnet ist oder sind, sodass auf diesem in der Umgebungsluft liegenden Teiles des Auftriebskörpers und/oder der Plattform weitere Einrichtungen und Geräte angeordnet werden können.
[68] Insbesondere kann dadurch eine Energiegewinnungseinrichtung oberhalb der Wasseroberfläche angeordnet werden. Bei einer Solarzelle als Energiegewinnungseinrichtung wird somit eine optimale Sonnenbestrahlung ermöglicht.
[69] Somit ist die Energiegewinnungseinrichtung oder eine weitere Einrichtung nicht der Korrosion durch Meerwasser sowie anderen Einflüssen, wie beispielsweise Algenbewuchs, ausgesetzt .
[70] Es ist vorteilhaft, wenn die Energiegewinnungseinrichtung elektrische Energie ohne Verwendung von fossilen Rohstoffen gewinnt. Insbesondere kann die Sensorvorrichtung autark betrieben werden, wenn die Energiegewinnungseinrichtung die Sonnenstrahlung, den Wind und/oder die Wellenbewegung zur Gewinnung von elektrischer Energie verwendet.
[71] Somit können elektrische Verbraucher, wie beispielsweise die Hydrophon-Anordnung, innerhalb der Sensorvorrichtung mit Strom versorgt werden.
[72] Eine „Energiegewinnungseinrichtung" ist insbesondere eine Einrichtung, welche elektrische Energie erzeugt. Dies kann insbesondere durch Umwandlung der Energie der Sonnenstrahlung und/oder des Windes und/oder der Wellen in elektrische Energie erfolgen. Die Energiegewinnungseinrichtung kann insbesondere
die elektrischen Verbraucher direkt versorgen und/oder die elektrische Energie kann zwischengespeichert werden.
[73] Um die elektrische Energie zwischenzuspeichern sowie die aufgenommenen Signale zu verarbeiten und weiterzuleiten, weist die Sensorvorrichtung eine Versorgungseinrichtung und/oder eine Signalverarbeitungseinrichtung und/oder eine
Kommunikationseinrichtung auf.
[74] Durch die „Versorgungseinrichtung", beispielsweise eine wiederaufladbare Batterie, kann die gewonnene elektrische Energie der Energiegewinnungseinrichtung zwischengespeichert werden und die elektrischen Verbraucher der Sensorvorrichtung können unabhängig von dem Betrieb der
Energiegewinnungseinrichtung versorgt werden.
[75] Die „Signalverarbeitungseinrichtung" kann die von der Hydrophon-Anordnung aufgenommenen Signale analysieren und kann mögliche Ziele anhand ihrer Geräuschsignaturen erkennen (detektieren) . Außerdem kann die Peilung der Ziele ermittelt werden. Die gemessenen Eigenschaften der detektierten Ziele, wie beispielsweise die Peilung mit Zeitbezug und die akustischen Signaturen, können über die
Kommunikationseinrichtung an ein Überwachungssystem übertragen werden .
[76] Die Signalverarbeitungseinrichtung kann empfangene Signale einer Überwachungsstation verarbeiten und an die Hydrophon- Einrichtung weitergeben, zum Beispiel um ein akustisches Signal einer bestimmten Frequenz auszusenden. Umgekehrt können die elektrischen Signale der Hydrophone an die Signalverarbeitungseinrichtung zur weiteren Verarbeitung der Signale weitergegeben werden. Über die
„Kommunikationseinrichtung" erfolgt die Signalübertragung, beispielsweise zu einer zentralen Überwachungsstation.
[77] Es ist vorteilhaft, wenn die Versorgungseinrichtung und/oder die Signalverarbeitungseinrichtung und/oder eine Kommunikationseinrichtung auf dem Auftriebskörper und/oder der Plattform oberhalb der Wasseroberfläche angeordnet sind. Somit sind diese nicht der mechanischen Belastung durch den Wind und die Wellenbewegung oder weiteren physikalischen, chemischen und/oder biologischen Einflussfaktoren ausgesetzt, wie beispielsweise biologischer und chemischer Korrosion.
[78] Des Weiteren ist durch die Anordnung oberhalb der Wasseroberfläche eine Kommunikation, beispielsweise
Satellitenkommunikation, und/oder eine Ortung wie GPS und ungestörter möglich.
[79] Des Weiteren können der Auftriebskörper und/oder die Plattform und/oder die Halterung weitere Einrichtungen aufweisen, wie beispielsweise weitere Messgeräte zur Bestimmung des Wellenwiderstandes oder zur Messung von physikalischen, chemischen und/oder biologischen Parametern.
[80] Eine „Versorgungseinrichtung" versorgt insbesondere die elektrischen Verbraucher der Sensorvorrichtung mit den notwendigen Betriebsmitteln. Insbesondere handelt es sich bei einer Versorgungseinrichtung um eine wiederaufladbare Batterie, sodass die elektrischen Verbraucher kontinuierlich und auch unabhängig vom Betrieb der
Energiegewinnungseinrichtung mit Strom versorgt werden können.
[81] Die „Signalverarbeitungseinrichtung" verarbeitet insbesondere die Signale der zentralen Überwachungsstation und/oder der Hydrophon-Anordnung sowie weiterer Messgeräte der Sensorvorrichtung. Somit können insbesondere Steuerbefehle der zentralen Überwachungsstation über die
Signalverarbeitungseinrichtung an die Hydrophon-Anordnung weitergegeben werden oder die elektrischen Signale der Hydrophon-Anordnung werden von der
Signalverarbeitungseinrichtung weiterverarbeitet, um die
Peilung auszuwerten sowie nach Übertragung an eine zentrale Überwachungsstation ein gesamtes Lagebild zu ermöglichen.
[82] Die „Kommunikationseinrichtung" überträgt und tauscht insbesondere Signale und Daten zwischen der Sensorvorrichtung und einer zentralen Überwachungsstation und/oder einem anderen Empfänger aus. Insbesondere weist die
Kommunikationseinrichtung Sender und/oder Empfänger zur Satellitenkommunikation und einen GPS-Empfänger zum Bestimmen des Ortes auf.
[83] In einer weiteren Ausführungsform ist oder sind die Hydrophon-Anordnungen und/oder der Lagesensor über mindestens ein Kabel zur Stromversorgung und/oder Datenübertragung mit dem Auftriebskörper und/oder mit der Plattform verbunden.
[84] Somit können die Bauteile der Sensorvorrichtung, welche unter Wasser angeordnet sind, insbesondere die Hydrophon- Anordnung und der Lagesensor von dem Auftriebskörper und/oder der Plattform mit Strom versorgt und die Daten zur Signalverarbeitungseinrichtung auf dem Auftriebskörper und/oder der Plattform übertragen werden.
[85] Um ein Verdrillen mit dem Ankerseil und/oder Befestigungsseil unter Wasser zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn das Kabel oder die Kabel an dem Auftriebskörper und/oder der Plattform unter leichter Zugspannung gehalten werden.
[86] Somit kann die elektrische Energie direkt von der Energiegewinnungseinrichtung oder von der
Versorgungseinrichtung über ein Stromkabel zu den Verbrauchern unter Wasser, insbesondere der Hydrophon-Anordnung und dem Lagesensor, geführt werden.
[87] Des Weiteren können Steuerungsbefehle einer zentralen Überwachungsstation über die Signalverarbeitungseinrichtung
mittels des Datenübertragungskabels an die Hydrophon-Anordnung weitergegeben werden und umgekehrt elektrische Signale der Hydrophon-Anordnung und/oder des Lagesensors und/oder anderer Messgeräte unter Wasser an die Signalverarbeitungseinrichtung übertragen werden. Des Weiteren können Satellitensignale von der Signalverarbeitungseinrichtung empfangen werden.
[88] Damit die Sensorvorrichtung autark eine Peilung vornehmen kann, sind die mittels der Signalverarbeitungseinheit aufgenommenen akustischen Signale der Hydrophon-Anordnung auswertbar und/oder ist eine Detektion eines akustische Signale aussendenden Schiffes und/oder eine Peilung zu dem aussendenden Schiff durchführbar.
[89] Somit wird eine Sensorvorrichtung bereitgestellt, welche mittels unter Wasser angeordneten Hydrophon direkt eine Entfernungsmessung und Peilung von Schiffen durchführen kann.
[90] Dadurch kann sie Sensorvorrichtung auch autark und autonom betrieben werden, wobei ein eigenständiges Lagebild der Umgebung erstellt werden kann.
[91] In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Überwachungssystem, insbesondere zur Überwachung von Schiffsverkehr in einem Küstengewässer, wobei das Überwachungssystem mindestens eine Sensorvorrichtung wie zuvor beschrieben aufweist.
[92] Dadurch kann ein Überwachungssystem mit stationären Sensorvorrichtungen unter Wasser bereitgestellt werden. Zudem sind Luftfahrzeuge, Über- und Unterwasserfahrzeuge für die Funktion des Überwachungssystems nicht notwendig.
[93] Durch die Sensorvorrichtung mit Hydrophon-Anordnung unter Wasser steht ein kontinuierliches Überwachungssystem mit langer Reichweite zur Verfügung.
[94] Insbesondere kann das Überwachungssystem mehrere Sensorvorrichtungen unter Wasser aufweisen, sodass bei langer Reichweite über jede Sensorvorrichtung ein entsprechend langer Küstenabschnitt überwacht werden kann.
[95] Hierbei können die vorverarbeiteten Daten der einzelnen Sensorvorrichtungen zusammengefasst und zu einem gemeinsamen Lagebild durch das Überwachungssystem verarbeitet werden.
[96] Folglich kann ein weitreichendes Gesamtlagebild des Schiffsverkehrs erzeugt werden.
[97] Das „Überwachungssystem" dient insbesondere der Überwachung von Schiffsverkehr in einem Küstengewässer, wobei das Überwachungssystem mindestens eine Sensorvorrichtung aufweist. Insbesondere verarbeitet das Überwachungssystem die bereits durch die Sensorvorrichtung vorverarbeitete Daten um aus der Defektion/ Identifikation der Schiffe und der Peilung ein gesamtes Lagebild des Küstengewässers zu erstellen.
[98] Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung einer
Sensorvorrichtung mit einer teilweise oberhalb einer Wasseroberfläche angeordneten Schwimmkugel ,
Figur 2 eine stark schematische Darstellung einer
Sensorvorrichtung mit einer Hohlkugel unter Wasser und einer teilweise oberhalb der Wasseroberfläche angeordneten, schwimmenden Plattform und
Figur 3 eine stark schematische, nicht maßstabgetreue
Darstellung eines Küstenüberwachungssystems.
[99] Eine Sensoreinrichtung 101 weist eine Schwimmkugel 104 auf, welche im Meer teilweise oberhalb der Wasseroberfläche 121 angeordnet ist. Die Schwimmkugel 104 ist über eine Kette 103 mit einem Betonklotz 102 am Meeresboden befestigt.
[100] Die Schwimmkugel 104 ist als runder, hohler
Schwimmkörper ausgeführt und weist auf seiner Oberfläche außerhalb des Wassers oben eine Solarzelle 110 auf. Innerhalb der Schwimmkugel 104 sind eine Batterie 111, ein Datenauswerterechner 112 und eine Satellitenkommunikation 113 angeordnet .
[101] Unterhalb der Schwimmkugel 104 ist an der Kette 103 eine Hydrophon-Anordnung 107 über eine Halterung 106 angeordnet. Die Hydrophon-Anordnung 107 weist eine Vielzahl von Piezokeramischen Schallwandlern 108 auf, wobei aufgrund der Schnittdarstellung nur 10 einzelne Piezokeramische Schallwandler sichtbar sind. An der Halterung 106 ist ein Gyroskop 109 angeordnet. Über das Stromkabel 114 und das Datenübertragungskabel 115 sind das Gyroskop 109 und die Hydrophon-Anordnung 107 mit der Batterie 111, mit der Datenauswerterechner 112 und der Kommunikationseinrichtung 113 verbunden .
[102] Die Hydrophon-Anordnung 107 befindet sich in 150m
Tiefe und der Betonklotz 102 in 750m Wassertiefe auf dem Meeresgrund 120 aufliegend.
[103] Die Solarzelle 110 der Schwimmkugel 104 gewinnt aufgrund der Sonneneinstrahlung elektrische Energie, welche über ein nicht gezeigtes Kabel zu der Batterie 111 zwecks Zwischenspeicherung sowie direkten Versorgung des Gyroskops 109 und der Hydrophon-Anordnung 107 geleitet wird.
[104] Zwecks Entfernungsmessung und Peilung unbekannter
Schiffe empfängt die Hydrophon-Anordnung 107 reflektierte sowie von unbekannten Schiffen ausgesendete akustische
Signale. Die Signale werden über das Datenübertragungskabel 115 an den Datenauswerterechner 112 übertragen, welche die Signale analysiert und mögliche unbekannten Schiffe detektiert. Außerdem wird die Peilung zu den unbekannten Schiffen ermittelt. Die vorverarbeiteten Daten werden von der Satellitenkommunikation 113 an eine nicht gezeigte zentrale Überwachungsstation übermittelt.
[105] Nach drei Monaten Betriebszeit registriert der
Datenauswerterechner 112 den Ausfall von drei Piezokeramischen Schallwandlern 108. Ein Boot fährt zur Wartung zur Sensorvorrichtung 101. Über einen nicht gezeigten Flaschenzug an der Schwimmkugel 104 wird die Halterung 106 mit der Hydrophon-Anordnung 107 bis an die Schwimmkugel 104 hochgezogen und anschließend an Bord des Bootes aufgenommen. Die drei defekten Piezokeramischen Schallwandlern 108 werden vor Ort ausgetauscht und anschließend wird die Halterung 106 mit der Hydrophon-Anordnung 107 wieder mit dem nicht gezeigten Flaschenzug auf die ursprüngliche Wassertiefe abgelassen, sodass bei Funktion aller Piezokeramischen Schallwandlern 108 wieder ein vollständiges Lagebild aufgenommen wird.
[106] Eine Sensorvorrichtung 201 weist eine schwimmende
Plattform 205 und eine Hohlkugel 204 unterhalb der Wasseroberfläche 221 auf.
[107] Auf der schwimmenden Plattform sind oberhalb der
Wasseroberfläche 221 eine Batterie 211, eine
Signalverarbeitungseinrichtung 212 und eine
Kommunikationseinrichtung 213 nebeneinander angeordnet. Oben auf diesen Einrichtungen ist eine Solarzelle 210 angeordnet.
[108] An der Plattform 205 ist mittels eines
Befestigungsseils 216 die Hohlkugel 204 unter Wasser befestigt. Auf der Unterseite ist die Hohlkugel 204 über einen Stahldraht 203 mit einem Schwerkraftfundament 202 verbunden,
wobei das Schwerkraftfundament 202 auf dem Meeresgrund 220 sitzt .
[109] Oberhalb der Hohlkugel 204 ist an dem
Befestigungsseil 216 eine Schlauchantenne 206 befestigt, wobei die Schlauchantenne 206 selbst unterhalb des Auftriebskörpers 204 angeordnet ist.
[110] Die Schlauchantenne 206 weist eine
Unterwassermikrophon-Anordnung 207 auf mit 70 Piezokomposit- Schallwandlern 208. Die Schlauchantenne 206 ist kreisförmig um den Stahldraht 203 geführt (nicht gezeigt aufgrund der Schnittdarstellung) . Des Weiteren weist die Schlauchantenne 206 ein Gyroskop 209 auf. Zur Versorgung mit elektrischer Energie und zur Datenübertragung ist die Schlauchantenne 206 und das Gyroskop 209 über ein Stromkabel 214 und ein Datenübertragungskabel 215 mit der Plattform 205 verbunden. Das Stromkabel 214 und das Datenübertragungskabel 215 werden auf der Plattform 205 leicht bespannt geführt, um ein Verdrillen des Stromkabels 214 und den Datenübertragungskabels 215 mit dem Befestigungsseil 216 und dem Ankerseil 203 zu vermeiden .
[111] Über die Solarzelle 210 wird aufgrund der
Sonneneinstrahlung elektrische Energie gewonnen, welche in der Batterie 211 zwischengespeichert wird. Die Batterie 211 versorgt die Unterwassermikrophon-Anordnung 207 und das Gyroskop 209 über das Stromkabel 214 mit Spannung.
[112] Aufgrund der 3600 -Anordnung der Schlauchantenne 206 kann die gesamte Umgebung der Sensoreinheit 201 akustisch überwacht werden. Zur Entfernungsbestimmung und Peilung werden von den Piezokomposit-Schallwandlern 208 akustische Signale empfangen. Die Signale werden über das Datenübertragungskabel 215 zur Datenauswerterechner 212 auf der schwimmenden Plattform 205 übertragen.
[113] Die Datenauswerterechner 212 führt eine
Vorverarbeitung der Signale durch, sodass eine
Entfernungsbestimmung eines möglichen Ziels und eine Peilung erfolgt. Mittels der Satellitenkommunikation 213 werden über die Daten an ein nicht gezeigtes Überwachungssystem zur Erstellung einer Gesamtlage des Schiffsverkehrs übertragen.
[114] Die Sensorvorrichtungen 101 und 201 sind Bestandteile eines Überwachungssystems des Küstenabschnittes zwischen Lübeck und Ueckermünde. Entlang der Küstenlinie 340 sind in einem mittleren Abstand von 15km von der Küstenlinie 240 die Sensorvorrichtung 101 und die beiden baugleichen Sensorvorrichtungen 331 und 341 unter Wasser im Küstengewässer 342 installiert. Weiter entfernt in einem mittleren Abstand von 50km sind die Sensorvorrichtung 210 und die baugleiche Sensorvorrichtung 351 unter Wasser angeordnet. An Land an der Küstenlinie 340 befindet sich eine Überwachungsstation 370.
[115] Die Sensorvorrichtungen 101, 331 und 341 haben eine
Reichweite von 20km, während die Sensorvorrichtungen 210 und 351 eine Reichweite von 200km aufweisen. Beide Sensorvorrichtungen 210 und 351 nehmen ausgesandte akustische Signale des auf die Küstenlinie 340 zulaufenden Containerschiffes 350 und des sich von der Küstenlinie 340 entfernenden Bulkers 360 auf. Die aufgenommenen akustischen Signale werden von den Sensorvorrichtungen 210 und 351 vorverarbeitet, eine Peilung zu dem Containerschiffes 350 und dem Bulker 360 wird durchgeführt und aufgrund der aufgenommenen akustischen Signale werden die Schiffstypen als Containerschiff 350 und Bulker 360 identifiziert. Die vorverarbeiteten Daten werden von den Sensorvorrichtungen 210 und 351 per Satellitenkommunikation an die Überwachungsstation 370 übertragen. Die Sensorvorrichtungen 101, 331 und 341 melden keine Ortungen in ihrer Reichweite an die Überwachungsstation 370. Die Überwachungsstation 370 erstellt aus den vorverarbeiteten Daten aller Sensorvorrichtungen 101,
201, 331, 341 und 351 ein Gesamtlagebild des Schiff erkehrs an der Küstenlinie 340.
Bezugs zeichenliste
101 Sensorvorrichtung
102 Betonklotz
103 Kette
104 Schwimmkugel
106 Halterung
107 Hydrophon-Anordnung
108 Piezokeramische Schallwandler
109 Gyroskop
110 Solarzelle
111 Batterie
112 Datenauswerterechner
113 Satellitenkommunikation
114 Stromkabel
115 Datenübertragungskabel
120 Meeresgrund
121 Wasseroberfläche
201 Sensorvorrichtung
202 Schwerkraftfundament
203 Stahldraht
204 Hohlkugel
205 schwimmende Plattform
206 Schlauchantenne
207 Unterwassermikrophon-Anordnung
208 Piezokomposit-Schallwandler
209 Gyroskop
210 Solarzelle
211 Batterie
212 Datenauswerterechner
213 Satelittenkommunikation
214 Stromkabel
215 Datenübertragungskabel
216 Befestigungsseil
220 Meeresgrund
221 Wasseroberfläche
331 Sensorvor ichtung
340 Küstenlinie
341 Sensorvorrichtung
342 Küstengewässer
350 Containerschiff
351 Sensorvorrichtung
360 Bulker
370 Überwachungsstation