EP3371621A1 - Method for determining sonar data, and underwater vehicle - Google Patents

Method for determining sonar data, and underwater vehicle

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EP3371621A1
EP3371621A1 EP16798385.7A EP16798385A EP3371621A1 EP 3371621 A1 EP3371621 A1 EP 3371621A1 EP 16798385 A EP16798385 A EP 16798385A EP 3371621 A1 EP3371621 A1 EP 3371621A1
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EP
European Patent Office
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underwater vehicle
sensor carrier
deformation
carrier
deformation sensors
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16798385.7A
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German (de)
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Inventor
Max Abildgaard
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Atlas Elektronik GmbH
Original Assignee
Atlas Elektronik GmbH
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Publication date
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Publication of EP3371621A1 publication Critical patent/EP3371621A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01S15/89—Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
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    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/34—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using electrical steering of transducer arrays, e.g. beam steering
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H3/00—Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid

Definitions

  • the invention relates to a method for determining sonar data by means of an underwater vehicle, wherein the underwater vehicle has a sensor carrier with at least two hydrophone transducers and at least two
  • Deformation sensors and the underwater vehicle is associated with a data processing unit. Furthermore, the invention relates to an underwater vehicle for determining sonar data.
  • Sonars are used to locate objects in the room and under water by means of emitted and / or received sound pulses. This is usually a
  • Hydrofonan an antenna used on a flat surface for a directional signal reception.
  • Deviations between the desired and the actual geometry of the hydrophone arrangement occur, for example, due to water flow and / or pressure on the hydrophones and / or their carriers.
  • deformation is conventionally reduced by very thick and / or rigid wing constructions, which, however, entail disadvantages due to their high weight and / or resistance.
  • the wing In wing-mounted sonar systems, the wing is subject to flow forces (up and down depending on the angle of attack of the wing) and forces from the own displacement buoyancy of the wing. The latter also changes with varying salinity, pressure and / or depth in the water. These forces result in a resilient, continuous deformation of the blade which adversely affects the result of beamforming. Due to the temporal and local variability of the deformation of their exact detection is not practically possible.
  • the object of the invention is to improve the state of the art.
  • the object is achieved by a method for determining sonar data by means of a Underwater vehicle, wherein the underwater vehicle has a sensor carrier with at least two water sound transducers and at least two deformation sensors and the underwater vehicle is associated with a data processing unit, comprising the following steps:
  • Deformation sensors is improved.
  • the senor carrier can be realized in a lighter design, since its deformation and / or the effect of deformation on the position of the waterborne sound transducer is actually detected. Consequently, a very thick and / or rigid construction of the sensor carrier for the inventive method is not necessary, so that weight and resistance disadvantages are avoided.
  • An essential idea of the invention is based on the fact that the water sound transmitters and the deformation sensors are mounted together on a sensor carrier and by means of the measured values of the deformation sensors, the real spatial arrangement of the waterborne sound transducer is determined. As a result, from the recorded waterborne sound signals by means of a data processing, the position of a
  • Sound source can be determined free of interference by a pressure and / or forces acting on the sensor carrier and / or water sonic transducer.
  • inventive method is not limited to the beamforming, but can be used for any signal processing method for determining sonar data.
  • Sonar data may in particular be raw data and / or processed data.
  • the sonar data is calculated by means of beamforming algorithms. The further processing of the data can be done in particular in the sonar itself and / or a data processing device.
  • a "sonar” is in particular a device and / or a method for locating objects in the room and under water by means of emitted and / or received sound pulses, which may in particular be an active sonar which itself emits a sound signal and receives its reflections, or a passive sonar, which radiated from objects Receives signals.
  • a sonar may be a 3D underground sonar, a multi-beam sonar, a side-scan sonar, and / or a front-view sonar.
  • An underwater vehicle is in particular a vehicle that can move or move under water, an underwater vehicle being, in particular, an unmanned or a manned submersible, an underwater vehicle being, in particular, a remotely operated underwater vehicle (ROV) vehicle or an autonomous underwater vehicle (AUV), an underwater vehicle may in particular also be an underwater glider.
  • ROV remotely operated underwater vehicle
  • AAV autonomous underwater vehicle
  • a “sensor carrier” is in particular a
  • a sensor carrier can be directly a component of an underwater vehicle, for example a fuselage section, and / or installed as a separate component on an underwater vehicle.
  • the sensor carrier can consist of one component or of several components.
  • a sensor carrier may comprise two wings on each side of the underwater vehicle or it may be arranged as a continuous wing on the top or bottom of the underwater vehicle.
  • the sensor carrier can be used in particular for up and / or down drive when driving the underwater vehicle.
  • the sensor carrier can be freely selected in its shape and / or in its construction.
  • the sensor carrier is in particular made of a non-magnetic material for example, made of carbon and / or glass fiber reinforced plastic.
  • a sensor carrier can be folded in and out, so that the drive of the
  • Underwater vehicle to location area with folded sensor carriers and thus optimized flow resistance can be done, and unfolded in the detection area of the sensor carrier for performing the method according to the invention.
  • the sensor carrier can also carry out movements itself and thus serve for arrival, up and / or downforce.
  • a "water-sound transducer” is a device that converts acoustic signals as sound pressure changes in the water into electrical signals (sound receiver) or conversely converts electrical signals into sound pressure (sound transmitter)
  • a sound transducer is in particular also a hydrophone, which is used in the sea under water This is where a hydrophone converts the water sound into an electrical quantity corresponding to the sound pressure.
  • Deformation of a body is understood to mean, in particular, the change in its shape as a result of the action of an external force
  • a "deformation sensor” is in particular a measuring device for detecting deformations, which can be, in particular, tensile and / or compressive deformations
  • a deformation sensor is in particular a pressure sensor, a strain gauge, a fiber-optic strain sensor and / or a magnetometer
  • piezoelectric, optical, inductive and / or capacitive sensors can also be used for deformation sensors
  • a deformation sensor can be used several times and / or continuously measure a deformation
  • a deformation sensor measures deformations, for example in a range from 0.1 to 1500 pm / m.
  • a "data processing unit” is, in particular, an electronic machine and / or a computer with which data are acquired and / or processed, whereby in particular the data are acquired, processed by humans and / or machines according to a predetermined method and output as a result
  • the data processing device serves, in particular, to modify the data and / or to obtain information from this data.
  • Called configuration is in particular the geometry of the positions of the Wasserschallwandler each other.
  • a "position” is in particular the position of a water sound source in the room and under water.
  • the sensor carrier has three hydrophone transducers or four Waterborne sounder or five hydrophones or other hydrophone transducers and / or three
  • an increased temporal and / or spatial resolution can be achieved by a higher number of hydrophone transducers and the beamforming method and / or another signal processing method can be improved.
  • the beamforming method and / or another signal processing method can be improved.
  • exactly focused and more accurate sonar images can be obtained, since, moreover, the spatial deformation of the sensor carrier can be more accurately determined by a high number of deformation sensors.
  • the spatial deformation of the sensor carrier can be measured and the real spatial arrangement of the hydrophone can be determined.
  • a "strain gauge” is in particular a deformation sensor and / or a measuring device for detecting straining and / or compressive deformations
  • a strain gauge is glued in particular to a component such as the sensor carrier, which deforms under load
  • a strain gage may be, in particular, a foil, wire and / or semiconductor strain gauge and a multiple strain gauge.
  • a "magnetometer” (also referred to as a tesla meter or gaussmeter) is a device for measuring magnetic flux densities, in particular a magnetometer measures the magnetic fields from sources outside the magnetometer, in particular a magnetometer comprising a single magnetic field transducer and its associated
  • a magnetometer provides an output signal proportional to the measured magnetic field.
  • a magnetometer also measures an influence of the earth's magnetic field by metallic objects in the environment.
  • a magnetometer may in particular also be an active magnetometer which actively generates a magnetic field.
  • metallic, magnetic objects in and / or on the ocean floor can also be localized with a magnetometer.
  • a magnetic field strength and / or a direction of a magnetic field along a dimension of the sensor carrier is determined by means of the magnetometer or by means of the magnetometer, so that the spatial deformation of the sensor carrier can be determined.
  • the direction of the magnetic field along, for example, the span of the sensor carrier can be determined based on the magnetometer distributed on the sensor carrier.
  • a spatial orientation relative to the surrounding magnetic field can be calculated, so that the spatial orientation and deformation of the sensor carrier can be determined.
  • the determined deformation can thus be the deviation between the target and actual geometry of the sensor carrier and / or the
  • Noise transducers are calculated and used for example in a beamforming algorithm for determining the sonar data.
  • both the deformation of the sensor carrier can be determined by means of a magnetometer and magnetic objects can be localized on and / or underground.
  • strain gauges "only” the deformation can be determined.
  • the "magnetic field strength” is a vectorial quantity which assigns to each point in space a strength and direction of the magnetic field generated by the magnetic voltage The magnetic field strength has in particular the unit A / m.
  • a "dimension” is in particular a characteristic length dimension of the sensor carrier, for example the span of a sensor carrier vane can be used as the dimension.
  • the sensor carrier has a streamlined shape.
  • a "streamlined shape” is understood to mean, in particular, a profile as a cross section through the sensor carrier in the flow direction lower flow resistance and thus lower acting forces and / or pressures to achieve.
  • an up and / or downforce and / or an angle of incidence range can be adjusted in particular via the streamlined shape.
  • the aerodynamic shape may be, in particular, a symmetrical profile, semi-symmetrical profile, profile with flat underside, normal profile, lobe profile and / or S-impact profile.
  • the object is achieved by an underwater vehicle for determining sonar data, wherein the underwater vehicle has a sensor carrier with at least two water sound transducers and at least two deformation sensors and the underwater vehicle is assigned a data processing unit, wherein by means of the underwater vehicle a previously described Method is feasible.
  • the sensor carrier comprises three waterborne sound transducers or four waterborne sound transducers or five waterborne sound transducers or further waterborne sound transducers and / or three deformation sensors and / or four deformation sensors and / or five deformation sensors and / or further deformation sensors.
  • the underwater vehicle has at least one magnetometer.
  • the magnetometer can be used on the one hand as a deformation sensor and, on the other hand, can be used at the same time or one after the other to locate magnetic objects in and / or at the bottom of the water.
  • the magnetometer can be used on the one hand as a deformation sensor and, on the other hand, can be used at the same time or one after the other to locate magnetic objects in and / or at the bottom of the water.
  • the sensor carrier is arranged substantially transversely to a direction of travel of the underwater vehicle.
  • magnetometers can be located remotely from a metallic hull or metallic components of the underwater vehicle, thus reducing disturbances in the measurement of the magnetometer.
  • the sensor carrier is arranged substantially at right angles (90 ° angle) to a direction of travel of the underwater vehicle. “Substantially” also includes smaller deviations from the 90 ° angle, for example the sensor carrier is arranged at an angle of 85 ° to 95 ° to a direction of travel of the underwater vehicle and / or the longitudinal axis of the underwater vehicle.
  • the sensor carrier is designed as a carrier wing.
  • Flow resistance, the dynamic up and / or down, the pitch range, the displacement buoyancy and the stall are set. It is particularly advantageous that the acting forces and their deformation can be minimized via the shape of the carrier wing, and thus the quality of the determined sonar data can be improved.
  • a “carrier wing” (also called wing or wing) is in particular a component of
  • the carrier wing may in particular be arranged on the upper side, the lower side and / or laterally on the underwater vehicle.
  • the carrier wing can be designed to be foldable and unfolded, for example, to reduce the flow resistance in the folded state of the underwater vehicle when crossing.
  • the carrier wing can be designed as a movable wing and, for example, continuously perform up and down movements while the underwater vehicle is moving.
  • the carrier wing is made in particular of non-magnetic materials such as glass fiber reinforced plastic or aluminum.
  • Waterborne sound transducers and / or deformation sensors are attached to an underside of the carrier wing and / or an extension of the carrier wing.
  • water sound signals can optimally receive and / or objects are located on and / or in the seabed.
  • the magnetometers on extensions of the carrier wing (spikes) in order to minimize interference by magnetic components of the carrier wing and / or the underwater vehicle and thus to exclude magnetic interference fields.
  • the edge vortex at the wing ends can be reduced by an extension or several extensions, the edge vortex at the wing ends, thus reducing the resistance.
  • Underwater vehicle the underwater vehicle, the data processing unit, so that by means of the underwater vehicle autonomously sonar data can be evaluated and / or used.
  • the underwater vehicle can be operated autonomously and the data processing unit can be linked to the control and / or navigation unit of the underwater vehicle.
  • the acquired sonar data can also be used for navigation and the underwater vehicle can operate independently of a water or land support platform.
  • Figure 1 is a highly schematic representation of an autonomous underwater vehicle with a carrier wing.
  • An autonomous underwater vehicle 101 has a carrier wing 104 transversely to its longitudinal direction.
  • a propeller 102 is arranged at the rear end of the autonomous underwater vehicle 101 and batteries 103 associated within the fuselage.
  • a data processing unit 108 and a control and navigation unit 109 are arranged within the hull of the autonomous underwater vehicle 101.
  • the autonomous underwater vehicle 101 has a width of Im, a length of 5m and the carrier wing 104 has a span of 2.5m.
  • a 3D underground sonar 105 is arranged on each wing side, each having five hydrophones 106, which are in contact with the surrounding water.
  • three three-axis magnetometers 107 are respectively arranged on extensions of the carrier wing 104.
  • the autonomous underwater vehicle 101 is driven by the propeller 102 and the batteries 103 and moves through the water.
  • water sound signals are continuously received, which are emitted from various unknown sources in the water.
  • unknown magnetic objects are located in and on the seabed.
  • the following operations are carried out with the autonomous underwater vehicle 101: [68]
  • the strength and the direction of the magnetic field along the span of the carrier wing 104 are measured by means of the three-axis magnetometer 107.
  • a spatial orientation relative to the surrounding magnetic field is calculated.
  • the geomagnetic field is represented as parallel field lines. Consequently, a spatial orientation and deflection of the carrier wing 104 is determined on the basis of the measured values of the three-axis magnetometer 107 mounted along the span of the carrier wing 104.
  • the deviation between the nominal and actual geometry of the hydrophones 106 is determined and thus determines the spatial arrangement of the hydrophones 106.
  • the received hydrophone signals of the hydrophones 106 are evaluated using the respective spatial arrangement of the hydrophones 106 by means of the data processing unit 108 and introduced in a beamforming algorithm.
  • the position of an unknown waterborne sound source in the water is determined very precisely and the position data are taken over into the control and navigation unit 109 of the underwater vehicle 101 so that the autonomous underwater vehicle 101 self-propelled approaches this position for the purpose of exploring the emitting sound source.

Abstract

The invention relates to a method for determining sonar data by means of an underwater vehicle, wherein the underwater vehicle has a sensor carrier having at least two waterborne sound transducers and at least two deformation sensors, and the underwater vehicle has an associated data processing unit, having the following steps: – a three-dimensional deformation of the sensor carrier is determined by means of the deformation sensors, – a physical arrangement of the waterborne sound transducers is determined, – waterborne sound signals are captured by means of the waterborne sound transducers and the waterborne sound signals are evaluated by means of the data processing unit using the determined physical arrangement of the waterborne sound transducers, so that a position of a waterborne sound source is determinable in a manner free from disturbance by a deformation of the sensor carrier. Furthermore, the invention relates to an underwater vehicle for determining sonar data.

Description

Verfahren zum Ermitteln von Sonardaten  Method for determining sonar data
Unterwasserfahrzeug  Underwater vehicle
[Ol] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Sonardaten mittels eines Unterwasserfahrzeuges, wobei das Unterwasserfahrzeug einen Sensorträger mit mindestens zwei Wasserschallwandlern und mindestens zweiThe invention relates to a method for determining sonar data by means of an underwater vehicle, wherein the underwater vehicle has a sensor carrier with at least two hydrophone transducers and at least two
Verformungssensoren aufweist und dem Unterwasserfahrzeug eine Datenverarbeitungseinheit zugeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Unterwasserfahrzeug zum Ermitteln von Sonardaten. Deformation sensors and the underwater vehicle is associated with a data processing unit. Furthermore, the invention relates to an underwater vehicle for determining sonar data.
[02] Sonare dienen zur Ortung von Gegenständen im Raum und unter Wasser mittels ausgesandter und/oder empfangener Schallimpulse. Hierzu wird üblicherweise eine[02] Sonars are used to locate objects in the room and under water by means of emitted and / or received sound pulses. This is usually a
Hydrofonanordnung einer Antenne auf einer ebenen Fläche für einen richtungsabhängigen Signalempfang verwendet. Für die Verarbeitung der empfangenen Schallsignale ist es wichtig, dass die Position jedes einzelnen Hydrofons in der Anordnung exakt bekannt ist, da das von einem Objekt ausgesandete Schallsignal mit jeweils unterschiedlicher Laufzeit bei den einzelnen Hydrofonen ankommt. Hydrofonanordnung an antenna used on a flat surface for a directional signal reception. For the processing of the received sound signals, it is important that the position of each individual hydrophone in the arrangement is known exactly, since the sound signal emitted by an object arrives at the individual hydrophones, each with a different transit time.
[03] Für die Berechnung von Sonarbildern mittels Beamforming-Algorithmen ist es deshalb von größter Wichtigkeit, dass die genaue räumliche Geometrie der Hydrofone/Schallwandler der Antenne bekannt ist, da ansonsten errechnete Sonarbilder unklar/unscharf und/oder schlecht fokussiert sind. Bei einem Sedimentsonar-System zur Erkundung des Meeresbodens bewirkt bereits eine Abweichung von wenigen Millimetern zwischen Soll- und Ist- Geometrie der angeordneten Schallwandler eine deutliche Verschlechterung des Beamforming und somit der Qualität der ausgewerteten Sonardaten. For the calculation of sonar images using beamforming algorithms, it is therefore of utmost importance that the exact spatial geometry of the hydrophones / acoustic transducers of the antenna is known, since otherwise calculated sonar images are unclear / blurred and / or poorly focused. In a sediment sonar system For the exploration of the seabed, even a deviation of a few millimeters between the setpoint and actual geometry of the arranged sound transducers causes a significant deterioration of the beamforming and thus the quality of the evaluated sonar data.
[04] Abweichungen zwischen der Soll- und der Ist-Geometrie der Hydrofonanordnung treten beispielsweise durch Wasserströmung und/oder -druck auf die Hydrofone und/oder deren Träger auf. Bei flügelmontierten Sonarsystemen wird herkömmlicherweise eine Verformung durch sehr dicke und/oder steife Flügelkonstruktionen vermindert, welche jedoch Nachteile aufgrund des hohen Gewichtes und/oder Widerstandes mit sich bringen. [04] Deviations between the desired and the actual geometry of the hydrophone arrangement occur, for example, due to water flow and / or pressure on the hydrophones and / or their carriers. In wing-mounted sonar systems, deformation is conventionally reduced by very thick and / or rigid wing constructions, which, however, entail disadvantages due to their high weight and / or resistance.
[05] Bei flügelmontierten Sonarsystemen unterliegt der Flügel Strömungskräften (Auf- und Abtrieb in Abhängigkeit des Anstellwinkels des Flügels) und Kräften aus dem eigenen Verdrängungsauftrieb des Flügels. Letzterer ändert sich zudem mit variierendem Salzgehalt, Druck und/oder Tauchtiefe im Wasser. Diese Kräfte führen zu einer elastischen, kontinuierlichen Verformung des Flügels, welche das Ergebnis des Beamforming beeinträchtigt. Aufgrund der zeitlichen und lokalen Variabilität der Verformung ist deren genaue Erfassung bisher praktisch nicht möglich. In wing-mounted sonar systems, the wing is subject to flow forces (up and down depending on the angle of attack of the wing) and forces from the own displacement buoyancy of the wing. The latter also changes with varying salinity, pressure and / or depth in the water. These forces result in a resilient, continuous deformation of the blade which adversely affects the result of beamforming. Due to the temporal and local variability of the deformation of their exact detection is not practically possible.
[06] Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern . [06] The object of the invention is to improve the state of the art.
[07] Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Ermitteln von Sonardaten mittels eines Unterwasserfahrzeuges, wobei das Unterwasserfahrzeug einen Sensorträger mit mindestens zwei Wasserschallwandlern und mindestens zwei Verformungssensoren aufweist und dem Unterwasserfahrzeug eine Datenverarbeitungseinheit zugeordnet ist, mit folgenden Schritten: [07] The object is achieved by a method for determining sonar data by means of a Underwater vehicle, wherein the underwater vehicle has a sensor carrier with at least two water sound transducers and at least two deformation sensors and the underwater vehicle is associated with a data processing unit, comprising the following steps:
- Ermitteln einer räumlichen Verformung des Sensorträgers mittels der Verformungssensoren, Determining a spatial deformation of the sensor carrier by means of the deformation sensors,
- Ermitteln einer räumlichen Anordnung der Wasserschallwandler, Determining a spatial arrangement of the hydrophone,
- Erfassen von Wasserschallsignalen mittels der Wasserschallwandler und Auswerten der Wasserschallsignale mittels der Datenverarbeitungseinheit unter Verwenden der ermittelten räumlichen Anordnung der Wasserschallwandler, sodass eine Position einer Wasserschallquelle frei von einer Störung durch eine Verformung des Sensorträgers ermittelbar ist. - Recording of water sound signals by means of the Wasserschallwandler and evaluating the Wasserschallsignale by means of the data processing unit using the determined spatial arrangement of the Wasserschallwandler so that a position of a water sound source is free from interference by deformation of the sensor carrier can be determined.
[08] Somit wird ein Verfahren bereitgestellt, mit welchem die Qualität von Sonardaten durch Berücksichtigung der realen Geometrie des Sensorträgers und somit der Anordnung der Wasserschallwandler zueinander mittels[08] Thus, a method is provided with which the quality of sonar data by taking into account the real geometry of the sensor carrier and thus the arrangement of the Wasserschallwandler each other means
Verformungssensoren verbessert wird. Deformation sensors is improved.
[09] Folglich können fokussierte und/oder klare Sonarbilder errechnet und dargestellt werden. Dadurch wird ebenfalls die Positionsbestimmung von insbesondere unbekannten Schallquellen im Wasser verbessert. [10] Zudem kann die Form und die Beweglichkeit eines Sensorträgers frei gewählt werden. Trotz unterschiedlicher Kräfte an verschiedenen Positionen des Sensorträgers können qualitativ hochwertige Sonardaten ermittelt werden. Dadurch ist es möglich, dass der Sensorträger weit über den Rumpf eines Unterwasserfahrzeuges hinausragt und somit eine räumlich-weite Beobachtung erlaubt. [09] Consequently, focused and / or clear sonar images can be calculated and displayed. This also improves the position determination of, in particular, unknown sound sources in the water. In addition, the shape and the mobility of a sensor carrier can be freely selected. Despite different forces at different positions of the sensor carrier, high-quality sonar data can be determined. As a result, it is possible for the sensor carrier to protrude far beyond the hull of an underwater vehicle, thus allowing a spatially wide observation.
[11] Neben der Berücksichtigung der Abweichung zwischen Soll- und Ist-Geometrie der Schallwandler ist es somit möglich, weitgespannte Sensorträger mit einer entsprechend höheren Anzahl von Wasserschallwandlern und/oder einem größeren Abstand zwischen Wasserschallwandlern zu verwenden. Durch die höhere Zahl von Wasserschallwandlern wird zusätzlich die Auflösung und/oder Qualität der Sonardaten verbessert. Ebenso bewirkt ein größerer Abstand zwischen Schallwandlern eine Verbesserung, da durch größere Laufzeitunterschiede der empfangenen Schallsignale die zeitliche Auflösung verbessert wird. In addition to the consideration of the deviation between the target and actual geometry of the sound transducer, it is thus possible to use wide-span sensor carrier with a correspondingly higher number of water sound transducers and / or a greater distance between water sound transducers. Due to the higher number of waterborne sound transducers, the resolution and / or quality of the sonar data is additionally improved. Likewise, a greater distance between transducers causes an improvement, since the temporal resolution is improved by greater transit time differences of the received sound signals.
[12] Zudem kann der Sensorträger in einer leichteren Bauform realisiert werden, da seine Verformung und/oder die Auswirkung der Verformung auf die Position der Wasserschallwandler real erfasst wird. Folglich ist eine sehr dicke und/oder steife Konstruktion des Sensorträgers für das erfindungsgemäße Verfahren nicht notwendig, sodass Gewichts- und Widerstandsnachteile vermieden werden. In addition, the sensor carrier can be realized in a lighter design, since its deformation and / or the effect of deformation on the position of the waterborne sound transducer is actually detected. Consequently, a very thick and / or rigid construction of the sensor carrier for the inventive method is not necessary, so that weight and resistance disadvantages are avoided.
[13] Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass die Wasserschallsender und die Verformungssensoren zusammen auf einem Sensorträger montiert sind und mittels der Messwerte der Verformungssensoren die reale räumliche Anordnung der Wasserschallwandler bestimmt wird. Dadurch kann aus den aufgenommenen Wasserschallsignalen mittels einer Datenverarbeitung die Position einer[13] An essential idea of the invention is based on the fact that the water sound transmitters and the deformation sensors are mounted together on a sensor carrier and by means of the measured values of the deformation sensors, the real spatial arrangement of the waterborne sound transducer is determined. As a result, from the recorded waterborne sound signals by means of a data processing, the position of a
Wasserschallquelle frei von einer Störung durch einen Druck und/oder wirkende Kräfte auf den Sensorträger und/oder Wasserschallwandler ermittelt werden. Sound source can be determined free of interference by a pressure and / or forces acting on the sensor carrier and / or water sonic transducer.
[14] Selbstverständlich ist das erfinderische Verfahren nicht auf das Beamforming beschränkt, sondern kann für jedes signalverarbeitende Verfahren zur Ermitteln von Sonardaten verwendet werden. Of course, the inventive method is not limited to the beamforming, but can be used for any signal processing method for determining sonar data.
[15] Folgendes Begriffliche sei erläutert: [15] The following terminology is explained:
[16] „Sonardaten" sind insbesondere Daten von[16] "Sonar data" are in particular data from
Schallsignalen, welche mittels Schallwandler aufgenommen und/oder abgegeben, gemessen, ermittelt, ausgewertet und/oder errechnet sind. Bei Sonardaten kann es sich insbesondere um Rohdaten und/oder um aufbereitete Daten handeln. Insbesondere erfolgt ein Berechnen der Sonardaten mittels Beamforming-Algorithmen . Die Weiterverarbeitung der Daten kann insbesondere im Sonar selbst und/oder ein einer Datenverarbeitungseinrichtung erfolgen . Sound signals which are recorded by means of sound transducers and / or delivered, measured, determined, evaluated and / or calculated. Sonar data may in particular be raw data and / or processed data. In particular, the sonar data is calculated by means of beamforming algorithms. The further processing of the data can be done in particular in the sonar itself and / or a data processing device.
[17] Ein „Sonar" ist insbesondere ein Gerät und/oder ein Verfahren zur Ortung von Gegenständen im Raum und unter Wasser mittels ausgesandter und/oder empfangener Schallimpulse. Dabei kann es sich insbesondere um ein aktives Sonar handeln, welches selbst ein Schallsignal aussendet und dessen Reflexionen empfängt, oder um ein passives Sonar, welches die von Objekten ausgestrahlten Signale empfängt. Bei einem Sonar kann es sich insbesondere um ein 3D-Untergrundsonar , ein Mehrstrahlsonar , ein Seitensichtsonar und/oder ein Frontsiehtsonar handeln. [17] A "sonar" is in particular a device and / or a method for locating objects in the room and under water by means of emitted and / or received sound pulses, which may in particular be an active sonar which itself emits a sound signal and receives its reflections, or a passive sonar, which radiated from objects Receives signals. In particular, a sonar may be a 3D underground sonar, a multi-beam sonar, a side-scan sonar, and / or a front-view sonar.
[18] Ein „Unterwasserfahrzeug" ist insbesondere ein Fahrzeug, welches sich unter Wasser bewegt oder bewegen kann. Bei einem Unterwasserfahrzeug kann es sich insbesondere um ein unbemanntes oder ein bemanntes Unterwasserfahrzeug handeln. Ein Unterwasserfahrzeug ist insbesondere auch ein ferngesteuertes Unterwasserfahrzeug (ROV, remotely operated vehicle) oder ein autonomes Unterwasserfahrzeug (AUV, autonomous underwater vehicle) . Bei einem Unterwasserfahrzeug kann es sich insbesondere auch um einen Unterwassergleiter handeln. [18] An underwater vehicle is in particular a vehicle that can move or move under water, an underwater vehicle being, in particular, an unmanned or a manned submersible, an underwater vehicle being, in particular, a remotely operated underwater vehicle (ROV) vehicle or an autonomous underwater vehicle (AUV), an underwater vehicle may in particular also be an underwater glider.
[19] Ein „Sensorträger" ist insbesondere ein[19] A "sensor carrier" is in particular a
Bauteil, welches einen Sensor oder mehrere Sensoren trägt. Ein Sensorträger kann insbesondere direkt ein Bestandteil eines Unterwasserfahrzeuges sein, beispielsweise eine RumpfSektion, und/oder als separates Bauteil an einem Unterwasserfahrzeug installiert sein. Der Sensorträger kann aus einem Bauteil oder aus mehreren Bauteilen bestehen. Beispielsweise kann ein Sensorträger zwei Flügel auf jeder Seite des Unterwasserfahrzeuges umfassen oder dieser kann als durchgehender Flügel auf der Ober- oder Unterseite des Unterwasserfahrzeuges angeordnet sein. Der Sensorträger kann insbesondere zum Auf- und/oder Abtrieb bei der Fahrt des Unterwasserfahrzeuges dienen. Insbesondere kann der Sensorträger in seiner Form und/oder in seiner Bauausführung frei gewählt werden. Der Sensorträger besteht insbesondere aus einem nicht-magnetischen Material beispielsweise aus karbon- und/oder glasfaserverstärktem Kunststoff. Insbesondere kann ein Sensorträger ein- und ausklappbar sein, sodass die Fahrt desComponent which carries one or more sensors. In particular, a sensor carrier can be directly a component of an underwater vehicle, for example a fuselage section, and / or installed as a separate component on an underwater vehicle. The sensor carrier can consist of one component or of several components. For example, a sensor carrier may comprise two wings on each side of the underwater vehicle or it may be arranged as a continuous wing on the top or bottom of the underwater vehicle. The sensor carrier can be used in particular for up and / or down drive when driving the underwater vehicle. In particular, the sensor carrier can be freely selected in its shape and / or in its construction. The sensor carrier is in particular made of a non-magnetic material for example, made of carbon and / or glass fiber reinforced plastic. In particular, a sensor carrier can be folded in and out, so that the drive of the
Unterwasserfahrzeuges zum Ortungsgebiet mit eingeklappten Sensorträgern und somit optimierten Strömungswiderstand erfolgen kann, und im Ortungsgebiet der Sensorträger zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeklappt wird. Insbesondere kann der Sensorträger jedoch auch selbst Bewegungen ausführen und somit zum An-, Auf- und/oder Abtrieb dienen. Underwater vehicle to location area with folded sensor carriers and thus optimized flow resistance can be done, and unfolded in the detection area of the sensor carrier for performing the method according to the invention. In particular, however, the sensor carrier can also carry out movements itself and thus serve for arrival, up and / or downforce.
[20] Ein „Wasserschallwandler" ist ein Gerät, welches akustische Signale als Schallwechseldrücke im Wasser in elektrische Signale umwandelt (Schallempfänger) oder umgekehrt elektrische Signale in Schallwechseldrücke umwandelt (Schallsender) . Ein Schallwandler ist insbesondere auch ein Hydrofon, welches im Meer unter Wasser eingesetzt wird, um dort Wasserschallgeräusche aufzunehmen. Hierbei wandelt ein Hydrofon den Wasserschall in einen den Schalldruck entsprechende elektrische Größe. [20] A "water-sound transducer" is a device that converts acoustic signals as sound pressure changes in the water into electrical signals (sound receiver) or conversely converts electrical signals into sound pressure (sound transmitter) A sound transducer is in particular also a hydrophone, which is used in the sea under water This is where a hydrophone converts the water sound into an electrical quantity corresponding to the sound pressure.
[21] Unter „Verformung" (auch Deformation genannt) eines Körpers wird insbesondere die Änderung seiner Form infolge der Einwirkung einer äußeren Kraft verstanden. Unter einer Verformung wird insbesondere eine elastische Verformung[21] "Deformation" of a body is understood to mean, in particular, the change in its shape as a result of the action of an external force
(auch reversible Verformung) verstanden. Bei sehr hohen wirkenden Kräften kann jedoch auch eine plastische und somit irreversible Verformung auftreten. Bei einer Verformung kann es sich beispielsweise um das Hochbiegen der äußeren „Enden" eines Sensorträgerflügels handeln. [22] Ein „Verformungssensor" ist insbesondere eine Messeinrichtung zur Erfassung von Verformungen. Hierbei kann es sich insbesondere um dehnende und/oder stauchende Verformungen handeln. Ein Verformungssensor ist insbesondere ein Drucksensor, ein Dehnungsmessstreifen, ein faseroptischer Verformungssensor und/oder ein Magnetometer. Als Verformungssensoren können insbesondere auch piezoelektrische, optische, induktive und/oder kapazitive Sensoren verwendet werden. Bevorzugt kann ein Verformungssensor mehrmals verwendet werden und/oder kontinuierlich eine Verformung messen. Bevorzugt misst ein Verformungssensor Verformungen beispielsweise in einem Bereich von 0,1 bis 1500pm/m. (also reversible deformation) understood. At very high forces, however, a plastic and therefore irreversible deformation can occur. Deformation may be, for example, the bending up of the outer "ends" of a sensor carrier wing. [22] A "deformation sensor" is in particular a measuring device for detecting deformations, which can be, in particular, tensile and / or compressive deformations A deformation sensor is in particular a pressure sensor, a strain gauge, a fiber-optic strain sensor and / or a magnetometer In particular, piezoelectric, optical, inductive and / or capacitive sensors can also be used for deformation sensors Preferably a deformation sensor can be used several times and / or continuously measure a deformation Preferably, a deformation sensor measures deformations, for example in a range from 0.1 to 1500 pm / m.
[23] Eine „Datenverarbeitungseinheit" ist insbesondere eine elektronische Maschine und/oder ein Computer, mit welchem Daten erfasst und/oder bearbeitet werden. Hierbei werden insbesondere die Daten erfasst, nach einem vorgegebenen Verfahren durch Menschen und/oder Maschinen verarbeitet und als Ergebnis ausgegeben. Die Datenverarbeitungseinrichtung dient insbesondere dazu die Daten zu verändern und/oder Informationen aus diesen Daten zu gewinnen. [23] A "data processing unit" is, in particular, an electronic machine and / or a computer with which data are acquired and / or processed, whereby in particular the data are acquired, processed by humans and / or machines according to a predetermined method and output as a result The data processing device serves, in particular, to modify the data and / or to obtain information from this data.
[24] Die „räumliche Anordnung" (auch räumliche[24] The "spatial arrangement" (also spatial
Konfiguration genannt) ist insbesondere die Geometrie der Positionen der Wasserschallwandler zueinander. Called configuration) is in particular the geometry of the positions of the Wasserschallwandler each other.
[25] Eine „Position" ist insbesondere die Lage einer Wasserschallquelle im Raum und unter Wasser. [25] A "position" is in particular the position of a water sound source in the room and under water.
[26] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens weist der Sensorträger drei Wasserschallwandler oder vier Wasserschallwandler oder fünf Wasserschallwandler oder weitere Wasserschallwandler und/oder drei[26] In a further embodiment of the method, the sensor carrier has three hydrophone transducers or four Waterborne sounder or five hydrophones or other hydrophone transducers and / or three
Verformungssensoren und/oder vier Verformungssensoren und/oder fünf Verformungssensoren und/oder weitere Verformungssensoren auf. Deformation sensors and / or four deformation sensors and / or five deformation sensors and / or other deformation sensors on.
[27] Somit kann durch eine höhere Anzahl von Wasserschallwandlern eine verbesserte zeitliche und/oder örtliche Auflösung erzielt sowie das Beamforming-Verfahren und/oder ein anderes Signalverarbeitungsverfahren verbessert werden. Dadurch können exakt fokussierte und genauere Sonarbilder gewonnen werden, da zudem durch eine hohe Anzahl von Verformungssensoren die räumliche Verformung des Sensorträgers exakter bestimmt werden kann. Thus, an increased temporal and / or spatial resolution can be achieved by a higher number of hydrophone transducers and the beamforming method and / or another signal processing method can be improved. As a result, exactly focused and more accurate sonar images can be obtained, since, moreover, the spatial deformation of the sensor carrier can be more accurately determined by a high number of deformation sensors.
[28] Um die räumliche Verformung des Sensorträgers zu messen, werden als Verformungssensoren ein[28] To measure the spatial deformation of the sensor carrier, are used as deformation sensors
Dehnungsmessstreifen oder mehrere Dehnungsmessstreifen und/oder ein Magnetometer oder mehrere Magnetometer verwendet . Strain gages or multiple strain gauges and / or a magnetometer or multiple magnetometers used.
[29] Somit kann die räumliche Verformung des Sensorträgers gemessen und die reale räumliche Anordnung der Wasserschallwandler ermittelt werden. [29] Thus, the spatial deformation of the sensor carrier can be measured and the real spatial arrangement of the hydrophone can be determined.
[30] Besonders ist es vorteilhaft, dass die räumliche Verformung des Sensorträgers kontinuierlich gemessen wird, sodass zu jedem Zeitpunkt die räumliche Anordnung und somit die exakten Positionen der Wasserschallwandler bekannt sind. Somit können die Wasserschallsignale kontinuierlich erfasst und ausgewertet werden, sodass auch die Bewegung eines schallaussendenden Objektes verfolgt werden kann. [31] Bei einem „Dehnungsmessstreifen" handelt es sich insbesondere um einen Verformungssensor und/oder eine Messeinrichtung zur Erfassung von dehnenden und/oder stauchenden Verformungen. Ein Dehnungsmessstreifen wird insbesondere auf ein Bauteil wie den Sensorträger geklebt, welches sich unter Belastung verformt. Die Verformung des Bauteils führt zu einer Veränderung des Widerstands des Dehnungsmessstreifens. Bei einem Dehnungsmessstreifen kann es sich insbesondere um einen Folien-, Draht-, und/oder Halbleiter-Dehnungsmessstreifen sowie um einen Mehrfach- Dehnungsmessstreifen handeln. [30] It is particularly advantageous that the spatial deformation of the sensor carrier is measured continuously, so that at any time the spatial arrangement and thus the exact positions of the water sonic transducers are known. Thus, the water sound signals can be continuously detected and evaluated so that the movement of a sound emitting object can be tracked. [31] A "strain gauge" is in particular a deformation sensor and / or a measuring device for detecting straining and / or compressive deformations A strain gauge is glued in particular to a component such as the sensor carrier, which deforms under load A strain gage may be, in particular, a foil, wire and / or semiconductor strain gauge and a multiple strain gauge.
[32] Ein „Magnetometer" (auch als Teslameter oder Gaußmeter bezeichnet) ist ein Gerät zum Messen der magnetischen Flussdichten. Insbesondere misst ein Magnetometer die Magnetfelder von Quellen außerhalb des Magnetometers. Ein Magnetometer umfasst insbesondere einen einzelnen Magnetfeld-Messwertaufnehmer sowie zugehörigen[32] A "magnetometer" (also referred to as a tesla meter or gaussmeter) is a device for measuring magnetic flux densities, in particular a magnetometer measures the magnetic fields from sources outside the magnetometer, in particular a magnetometer comprising a single magnetic field transducer and its associated
Elektronikschaltungen. Ein Magnetometer liefert insbesondere ein zum gemessenen Magnetfeld proportionales Ausgangssignal. Ein Magnetometer misst insbesondere auch eine Beeinflussung des Erdmagnetfeldes durch metallische Objekte in der Umgebung. Bei einem Magnetometer kann es sich insbesondere auch um ein aktives Magnetometer handeln, welches aktiv ein Magnetfeld erzeugt. Mit einem Magnetometer können insbesondere auch metallische, magnetische Objekte im und/oder am Meeresgrund lokalisiert werden . Electronic circuits. In particular, a magnetometer provides an output signal proportional to the measured magnetic field. In particular, a magnetometer also measures an influence of the earth's magnetic field by metallic objects in the environment. A magnetometer may in particular also be an active magnetometer which actively generates a magnetic field. In particular, metallic, magnetic objects in and / or on the ocean floor can also be localized with a magnetometer.
[33] Besonders vorteilhaft ist es, dass mit einem Magnetometer zeitgleich oder nacheinander die Verformung des Sensorträgers ermittelt und ein Lokalisieren eines magnetischen Objektes in und/oder am Meeresgrund durchgeführt werden kann. [33] It is particularly advantageous that with a magnetometer at the same time or successively the deformation determined the sensor carrier and a localization of a magnetic object in and / or on the seabed can be performed.
[34] In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens wird mittels des Magnetometers oder werden mittels der Magnetometer eine Magnetfeldstärke und/oder eine Richtung eines Magnetfeldes entlang einer Abmessung des Sensorträgers bestimmt, damit die räumliche Verformung des Sensorträgers ermittelbar ist. [34] In a further embodiment of the method, a magnetic field strength and / or a direction of a magnetic field along a dimension of the sensor carrier is determined by means of the magnetometer or by means of the magnetometer, so that the spatial deformation of the sensor carrier can be determined.
[35] Somit kann die Richtung des Magnetfeldes entlang beispielsweise der Spannweite des Sensorträgers anhand der am Sensorträgers verteilten Magnetometer bestimmt werden. Für jedes Magnetometer kann eine räumliche Ausrichtung gegenüber dem umgebenden Magnetfeld errechnet werden, sodass die räumliche Ausrichtung und Verformung des Sensorträgers ermittelt werden kann. Anhand der ermittelten Verformung kann somit die Abweichung zwischen Soll- und Ist-Geometrie des Sensorträgers und/oder der[35] Thus, the direction of the magnetic field along, for example, the span of the sensor carrier can be determined based on the magnetometer distributed on the sensor carrier. For each magnetometer, a spatial orientation relative to the surrounding magnetic field can be calculated, so that the spatial orientation and deformation of the sensor carrier can be determined. On the basis of the determined deformation can thus be the deviation between the target and actual geometry of the sensor carrier and / or the
Wasserschallwandler errechnet und beispielsweise in einem Beamforming-Algorithmus zum Ermitteln der Sonardaten verwendet werden. Noise transducers are calculated and used for example in a beamforming algorithm for determining the sonar data.
[36] Es ist besonders vorteilhaft, dass mittels Magnetometer sowohl die Verformung des Sensorträgers ermittelt als auch magnetische Objekte am und/oder im Untergrund lokalisiert werden können. Im Gegensatz dazu kann mit Dehnungsmessstreifen „nur" die Verformung ermittelt werden. [37] Die „Magnetfeldstärke" ist insbesondere eine vektorielle Größe, welche jedem Raumpunkt eine Stärke und Richtung des durch die magnetische Spannung erzeugten Magnetfeldes zuordnet. Die Magnetfeldstärke weist insbesondere die Einheit A/m auf. [36] It is particularly advantageous that both the deformation of the sensor carrier can be determined by means of a magnetometer and magnetic objects can be localized on and / or underground. In contrast, with strain gauges "only" the deformation can be determined. [37] In particular, the "magnetic field strength" is a vectorial quantity which assigns to each point in space a strength and direction of the magnetic field generated by the magnetic voltage The magnetic field strength has in particular the unit A / m.
[38] Eine „Abmessung" ist insbesondere ein kennzeichnendes Längenmaß des Sensorträgers. Als Abmessung kann beispielsweise die Spannweite eines Sensorträgerflügels verwendet werden. [38] A "dimension" is in particular a characteristic length dimension of the sensor carrier, for example the span of a sensor carrier vane can be used as the dimension.
[39] Damit die Hydrodynamik des Unterwasserfahrzeuges eingestellt und trotzdem eine hohe Auflösung der Sonardaten erzielt wird, weist in einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens der Sensorträger eine strömungsgünstige Form auf . [39] So that the hydrodynamics of the underwater vehicle are adjusted and nevertheless a high resolution of the sonar data is achieved, in a further embodiment of the method the sensor carrier has a streamlined shape.
[40] Dadurch kann die Verformung des Sensorträgers und somit die Abweichung der Wasserschallwandler von der Soll- Geometrie minimiert und somit die Qualität der ermittelten Sonardaten verbessert werden. [40] As a result, the deformation of the sensor carrier and thus the deviation of the Wasserschallwandler can be minimized by the target geometry and thus the quality of the determined sonar data can be improved.
[41] Neben der Verminderung des Strömungswiderstandes und des Druckes kann durch die gewählte Form des Sensorträgers auch ein Auftrieb verbessert und/oder ein möglichst großer Anstellwinkel-Bereich eines Sensorträgers ohne[41] In addition to the reduction of the flow resistance and the pressure can be improved by the selected shape of the sensor carrier and a buoyancy and / or the largest possible pitch range of a sensor carrier without
Strömungsabriss ermöglicht werden. Stall be enabled.
[42] Unter einer „strömungsgünstigen Form" wird insbesondere ein Profil als Querschnitt durch den Sensorträger in Strömungsrichtung verstanden. Die strömungsgünstige Form dient insbesondere dazu einen geringeren Strömungswiderstand und somit geringere wirkende Kräfte und/oder Drücke zu erreichen. Zudem kann insbesondere über die strömungsgünstige Form ein Auf- und/oder Abtrieb und/oder ein Anstellwinkelbereich eingestellt werden. Bei der strömungsgünstigen Form kann es sich insbesondere um ein symmetrisches Profil, halbsymmetrisches Profil, Profil mit flacher Unterseite, Normalprofil, Keulenprofil und/oder S-Schlagprofil handeln. [42] A "streamlined shape" is understood to mean, in particular, a profile as a cross section through the sensor carrier in the flow direction lower flow resistance and thus lower acting forces and / or pressures to achieve. In addition, an up and / or downforce and / or an angle of incidence range can be adjusted in particular via the streamlined shape. The aerodynamic shape may be, in particular, a symmetrical profile, semi-symmetrical profile, profile with flat underside, normal profile, lobe profile and / or S-impact profile.
[43] In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Unterwasserfahrzeug zum Ermitteln von Sonardaten, wobei das Unterwasserfahrzeug einen Sensorträger mit mindestens zwei Wasserschallwandlern und mindestens zwei Verformungssensoren aufweist und dem Unterwasserfahrzeug eine Datenverarbeitungseinheit zugeordnet ist, wobei mittels des Unterwasserfahrzeuges ein zuvor beschriebenes Verfahren durchführbar ist. In a further aspect of the invention, the object is achieved by an underwater vehicle for determining sonar data, wherein the underwater vehicle has a sensor carrier with at least two water sound transducers and at least two deformation sensors and the underwater vehicle is assigned a data processing unit, wherein by means of the underwater vehicle a previously described Method is feasible.
[44] Dadurch wird ein Unterwasserfahrzeug bereitgestellt, mit dem qualitativ hochwertigere Sonardaten ermittelt werden. Zudem kann aufgrund des Sensorträgers des Unterwasserfahrzeuges eine größere Anordnung von Schallwandlern verwendet und trotz Verformung des Sensorträgers aufgrund seiner großen Spannweite eine exaktere Position einer schallaussendenden Quelle im Wasser bestimmt werden. [44] This will provide an underwater vehicle to detect higher quality sonar data. In addition, due to the sensor carrier of the underwater vehicle, a larger array of transducers used and despite deformation of the sensor carrier due to its large span a more exact position of a sound-emitting source can be determined in the water.
[45] Um die Auflösung und/oder Empfindlichkeit der Wasserschallsignale zu erhöhen und/oder die Verformung des Sensorträgers exakter zu ermitteln, weist der Sensorträger drei Wasserschallwandler oder vier Wasserschallwandler oder fünf Wasserschallwandler oder weitere Wasserschallwandler und/oder drei Verformungssensoren und/oder vier Verformungssensoren und/oder fünf Verformungssensoren und/oder weitere Verformungssensoren auf. In order to increase the resolution and / or sensitivity of the waterborne sound signals and / or to determine the deformation of the sensor carrier more accurately, the sensor carrier comprises three waterborne sound transducers or four waterborne sound transducers or five waterborne sound transducers or further waterborne sound transducers and / or three deformation sensors and / or four deformation sensors and / or five deformation sensors and / or further deformation sensors.
[46] In einer weiteren Ausführungsform des[46] In a further embodiment of the
Unterwasserfahrzeuges weist das Unterwasserfahrzeug mindestens ein Magnetometer auf. Underwater vehicle, the underwater vehicle has at least one magnetometer.
[47] Dadurch kann das Magnetometer zum einen als Verformungssensor verwendet werden und zum anderen zeitgleich oder nacheinander zum Lokalisieren von magnetischen Objekten im und/oder am Gewässergrund genutzt werden. Somit ist lediglich ein einziger Sensor für zwei unterschiedliche Messaufgaben notwendig. As a result, the magnetometer can be used on the one hand as a deformation sensor and, on the other hand, can be used at the same time or one after the other to locate magnetic objects in and / or at the bottom of the water. Thus, only a single sensor for two different measurement tasks is necessary.
[48] Um unabhängig vom Rumpf des Unterwasserfahrzeuges eine Anordnung von Schallwandlern für eine hohe zeitliche und/oder räumliche Auflösung zu nutzen, ist der Sensorträger im Wesentlichen quer zu einer Fahrtrichtung des Unterwasserfahrzeuges angeordnet. [48] In order to use an arrangement of sound transducers for a high temporal and / or spatial resolution independent of the hull of the underwater vehicle, the sensor carrier is arranged substantially transversely to a direction of travel of the underwater vehicle.
[49] Somit können beidseitig der Längsrichtung des Unterwasserfahrzeuges Schallsignale empfangen und/oder ausgesendet werden. Es ist besonders vorteilhaft, dass zudem in den Bereichen seitlich vom Unterwasserfahrzeug der Untergrund auf metallische Objekte mittels der am Sensorträger installierten Magnetometer abgesucht werden kann . [49] Thus sound signals can be received and / or transmitted on both sides of the longitudinal direction of the underwater vehicle. It is particularly advantageous that, moreover, in the areas laterally of the underwater vehicle, the substrate can be searched for metallic objects by means of the magnetometers installed on the sensor carrier.
[50] Dadurch, dass der Sensorträger quer zu einer Fahrtrichtung des Unterwasserfahrzeuges angeordnet ist, können insbesondere Magnetometer entfernt von einem metallischen Rumpf oder metallischen Bestandteilen des Unterwasserfahrzeuges angeordnet werden, sodass Störungen der Messung des Magnetometers vermindert werden. [50] Because the sensor carrier is arranged transversely to a direction of travel of the underwater vehicle, In particular, magnetometers can be located remotely from a metallic hull or metallic components of the underwater vehicle, thus reducing disturbances in the measurement of the magnetometer.
[51] Unter „im Wesentlichen quer" wird insbesondere verstanden, dass der Sensorträger im Wesentlichen rechtwinkelig (90° Winkel) zu einer Fahrtrichtung des Unterwasserfahrzeuges angeordnet ist. Unter „im Wesentlichen" sind insbesondere auch geringere Abweichungen vom 90° Winkel umfasst, beispielsweise dass der Sensorträger in einem Winkel von 85° bis 95° zu einer Fahrtrichtung des Unterwasserfahrzeuges und/oder der Längsachse des Unterwasserfahrzeuges angeordnet ist. [51] By "essentially transversely" is meant in particular that the sensor carrier is arranged substantially at right angles (90 ° angle) to a direction of travel of the underwater vehicle. "Substantially" also includes smaller deviations from the 90 ° angle, for example the sensor carrier is arranged at an angle of 85 ° to 95 ° to a direction of travel of the underwater vehicle and / or the longitudinal axis of the underwater vehicle.
[52] In einer weiteren Ausführungsform des[52] In another embodiment of the
Unterwasserfahrzeuges ist der Sensorträger als Trägerflügel ausgestaltet . Underwater vehicle, the sensor carrier is designed as a carrier wing.
[53] Somit kann über den Trägerflügel derThus, on the carrier wing of the
Strömungswiderstand, der dynamische Auf- und/oder Abtrieb, der Anstellwinkelbereich, der Verdrängungsauftrieb sowie der Strömungsabriss eingestellt werden. Es ist besonders vorteilhaft, dass über die Form des Trägerflügels die wirkenden Kräfte und seine Verformung minimiert und somit die Qualität der ermittelten Sonardaten verbessert werden können . Flow resistance, the dynamic up and / or down, the pitch range, the displacement buoyancy and the stall are set. It is particularly advantageous that the acting forces and their deformation can be minimized via the shape of the carrier wing, and thus the quality of the determined sonar data can be improved.
[54] Folglich kann mittels des Trägerflügels die Fahreigenschaften des Unterwasserfahrzeuges beeinflusst, Energie eingespart und zeitgleich Sonardaten mit hoher Auflösung gewonnen werden. [55] Ein „Trägerflügel" (auch Tragfläche oder Flügel genannt) ist insbesondere ein Bauteil desConsequently, by means of the carrier wing, the driving characteristics of the underwater vehicle can be influenced, energy saved and at the same time sonar data with high resolution can be obtained. A "carrier wing" (also called wing or wing) is in particular a component of
Unterwasserfahrzeuges, welches der Erzeugung von dynamischen Auf- und/oder Abtrieb, der Verringerung des Strömungswiderstandes, der Verminderung der wirkenden Kräfte, der Einstellung des Anstellwinkelbereiches sowie des Strömungsabrisses dient. Der Trägerflügel kann insbesondere auf der Oberseite, der Unterseite und/oder seitlich an dem Unterwasserfahrzeug angeordnet sein. Zudem kann der Trägerflügel ein- und ausklappbar ausgestaltet sein, um beispielsweise bei der Überfahrt den Strömungswiderstand im eingeklappten Zustand des Unterwasserfahrzeuges zu verringern. Insbesondere kann der Trägerflügel als beweglicher Flügel ausgestaltete sein und beispielsweise während der Fahrt des Unterwasserfahrzeuges kontinuierlich Auf- und Abbewegungen durchführen. Der Trägerflügel ist insbesondere aus nichtmagnetischen Materialien wie glasfaserverstärkten Kunststoff oder Aluminium gefertigt. Underwater vehicle, which is the generation of dynamic up and / or down, the reduction of the flow resistance, the reduction of the acting forces, the adjustment of the pitch angle range and the stall serves. The carrier wing may in particular be arranged on the upper side, the lower side and / or laterally on the underwater vehicle. In addition, the carrier wing can be designed to be foldable and unfolded, for example, to reduce the flow resistance in the folded state of the underwater vehicle when crossing. In particular, the carrier wing can be designed as a movable wing and, for example, continuously perform up and down movements while the underwater vehicle is moving. The carrier wing is made in particular of non-magnetic materials such as glass fiber reinforced plastic or aluminum.
[56] Zur messtechnisch optimalen Anordnung der[56] For the metrologically optimal arrangement of the
Wasserschallwandler und/oder Verformungssensoren sind die Wasserschallwandler und/oder die Verformungssensoren an einer Unterseite des Trägerflügels und/oder einer Verlängerung des Trägerflügels angebracht. Waterborne sound transducers and / or deformation sensors, the hydrophone and / or the deformation sensors are attached to an underside of the carrier wing and / or an extension of the carrier wing.
[57] Somit können Wasserschallsignale optimal empfangen und/oder Objekte am und/oder im Meeresgrund lokalisiert werden . [58] Insbesondere ist es vorteilhaft, die Magnetometer an Verlängerungen des Trägerflügels (Stacheln) anzuordnen, um eine Beeinflussung durch magnetische Bauteile des Trägerflügels und/oder des Unterwasserfahrzeuges zu minimieren und somit magnetische Störfelder auszuschließen. Zudem können durch eine Verlängerung oder mehrere Verlängerungen die Randwirbel an den Tragflügelenden verringert und somit der Widerstand vermindert werden. Thus, water sound signals can optimally receive and / or objects are located on and / or in the seabed. In particular, it is advantageous to arrange the magnetometers on extensions of the carrier wing (spikes) in order to minimize interference by magnetic components of the carrier wing and / or the underwater vehicle and thus to exclude magnetic interference fields. In addition, can be reduced by an extension or several extensions, the edge vortex at the wing ends, thus reducing the resistance.
[59] In einer weiteren Ausführungsform des[59] In a further embodiment of the
Unterwasserfahrzeuges weist das Unterwasserfahrzeug die Datenverarbeitungseinheit auf, sodass mittels des Unterwasserfahrzeuges autonom Sonardaten auswertbar und/oder nutzbar sind. Underwater vehicle, the underwater vehicle, the data processing unit, so that by means of the underwater vehicle autonomously sonar data can be evaluated and / or used.
[60] Dadurch kann das Unterwasserfahrzeug autonom betrieben und die Datenverarbeitungseinheit kann mit der Steuer- und/oder Navigationseinheit des Unterwasserfahrzeuges verknüpft werden. As a result, the underwater vehicle can be operated autonomously and the data processing unit can be linked to the control and / or navigation unit of the underwater vehicle.
[61] Folglich können die ermittelten Sonardaten auch zur Navigation herangezogen werden und das Unterwasserfahrzeug kann unabhängig von einer auf dem Wasser oder am Land angeordneten Trägerplattform operieren. [61] Consequently, the acquired sonar data can also be used for navigation and the underwater vehicle can operate independently of a water or land support platform.
[62] Im Weiteren wird die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt [62] The invention will be explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment. It shows
Figur 1 eine stark schematische Darstellung eines autonomen Unterwasserfahrzeuges mit einem Trägerflügel . [63] Ein autonomes Unterwasserfahrzeug 101 weist quer zu seiner Längsrichtung einen Trägerflügel 104 auf. Am hinteren Ende des autonomen Unterwasserfahrzeuges 101 ist ein Propeller 102 angeordnet und innerhalb des Rumpfes zugehörige Batterien 103. Des Weiteren sind innerhalb des Rumpfes des autonomen Unterwasserfahrzeuges 101 eine Datenverarbeitungseinheit 108 und eine Steuer- und Navigationseinheit 109 angeordnet. Figure 1 is a highly schematic representation of an autonomous underwater vehicle with a carrier wing. [63] An autonomous underwater vehicle 101 has a carrier wing 104 transversely to its longitudinal direction. A propeller 102 is arranged at the rear end of the autonomous underwater vehicle 101 and batteries 103 associated within the fuselage. Furthermore, a data processing unit 108 and a control and navigation unit 109 are arranged within the hull of the autonomous underwater vehicle 101.
[64] Das autonome Unterwasserfahrzeug 101 weist eine Breite von Im, eine Länge von 5m und der Trägerflügel 104 eine Spannweite von 2,5m auf. The autonomous underwater vehicle 101 has a width of Im, a length of 5m and the carrier wing 104 has a span of 2.5m.
[65] Im Trägerflügel 104 ist auf jeder Trägerflügelseite ein 3D-Untergrundsonar 105 angeordnet, welches jeweils fünf Hydrofone 106 aufweist, welche mit dem umgebenden Wasser im Kontakt stehen. Auf beiden Seiten des Trägerflügels 104 sind jeweils drei Dreiachs-Magnetometer 107 an Verlängerungen des Trägerflügels 104 angeordnet. [65] In the carrier wing 104, a 3D underground sonar 105 is arranged on each wing side, each having five hydrophones 106, which are in contact with the surrounding water. On each side of the carrier wing 104, three three-axis magnetometers 107 are respectively arranged on extensions of the carrier wing 104.
[66] Das autonome Unterwasserfahrzeug 101 wird mittels des Propellers 102 und der Batterien 103 angetrieben und bewegt sich durch das Wasser. Mittels der Hydrofone 106 werden kontinuierlich Wasserschallsignale empfangen, welche von verschiedenen unbekannten Quellen im Wasser ausgesendet werden. Mittels der Dreiachs-Magnetometer 107 werden unbekannte magnetische Objekte im und am Meeresgrund lokalisiert . The autonomous underwater vehicle 101 is driven by the propeller 102 and the batteries 103 and moves through the water. By means of the hydrophones 106 water sound signals are continuously received, which are emitted from various unknown sources in the water. By means of the three-axis magnetometer 107 unknown magnetic objects are located in and on the seabed.
[67] Folgende Arbeitsvorgänge werden mit dem autonomen Unterwasserfahrzeug 101 realisiert: [68] Mittels der Dreiachs-Magnetometer 107 werden die Stärke und die Richtung des Magnetfeldes entlang der Spannweite des Trägerflügels 104 gemessen. Für jedes Dreiachs-Magnetometer 107 wird eine räumliche Ausrichtung gegenüber dem umgebenden Magnetfeld errechnet. In der räumlichen Größenordnung des autonomen Unterwasserfahrzeugs 101 stellt sich das Erdmagnetfeld als parallele Feldlinien dar. Folglich wird anhand der Messwerte der entlang der Spannweite des Trägerflügels 104 angebrachten Dreiachs- Magnetometer 107 eine räumliche Ausrichtung und Durchbiegung des Trägerflügels 104 ermittelt. [67] The following operations are carried out with the autonomous underwater vehicle 101: [68] The strength and the direction of the magnetic field along the span of the carrier wing 104 are measured by means of the three-axis magnetometer 107. For each triaxial magnetometer 107, a spatial orientation relative to the surrounding magnetic field is calculated. In the spatial order of magnitude of the autonomous underwater vehicle 101, the geomagnetic field is represented as parallel field lines. Consequently, a spatial orientation and deflection of the carrier wing 104 is determined on the basis of the measured values of the three-axis magnetometer 107 mounted along the span of the carrier wing 104.
[69] Anhand der Errechnung der räumlichen Durchbiegung des Trägerflügels 104 wird die Abweichung zwischen Soll- und Ist-Geometrie der Hydrofone 106 ermittelt und somit die räumliche Anordnung der Hydrofone 106 bestimmt. On the basis of the calculation of the spatial deflection of the carrier wing 104, the deviation between the nominal and actual geometry of the hydrophones 106 is determined and thus determines the spatial arrangement of the hydrophones 106.
[70] Die empfangenen Wasserschallsignale der Hydrofone 106 werden unter Verwendung der jeweiligen räumlichen Anordnung der Hydrofone 106 mittels der Datenverarbeitungseinheit 108 ausgewertet und in einem Beamforming-Algorithmus eingebracht. Dadurch wird sehr exakt die Position einer unbekannten Wasserschallquelle im Wasser bestimmt und zur Erkundung werden die Positionsdaten in die Steuer- und Navigationseinheit 109 des Unterwasserfahrzeuges 101 übernommen, sodass das autonome Unterwasserfahrzeug 101 sich eigenangetrieben dieser Position zur Erkundung der aussendenden Schallquelle annähert. Bezugs zeichenliste [70] The received hydrophone signals of the hydrophones 106 are evaluated using the respective spatial arrangement of the hydrophones 106 by means of the data processing unit 108 and introduced in a beamforming algorithm. As a result, the position of an unknown waterborne sound source in the water is determined very precisely and the position data are taken over into the control and navigation unit 109 of the underwater vehicle 101 so that the autonomous underwater vehicle 101 self-propelled approaches this position for the purpose of exploring the emitting sound source. Reference sign list
101 autonomes Unterwasserfahrzeug (AUV) 101 autonomous underwater vehicle (AUV)
102 Propeller 102 propellers
103 Batterien  103 batteries
104 Trägerflügel 104 carrier wings
105 3D-Untergrundsonar  105 3D underground sonar
106 Hydrophone  106 hydrophones
107 Dreiachs-Magnetometer  107 three-axis magnetometer
108 Datenverarbeitungseinheit  108 data processing unit
109 Steuer- und Navigationseinheit 109 control and navigation unit

Claims

Patentansprüche : Claims:
1. Verfahren zum Ermitteln von Sonardaten mittels eines Unterwasserfahrzeuges (101), wobei das1. A method for determining sonar data by means of an underwater vehicle (101), wherein the
Unterwasserfahrzeug einen Sensorträger (104) mit mindestens zwei Wasserschallwandlern (106) und mindestens zwei Verformungssensoren (107) aufweist und dem Unterwasserfahrzeug eine Datenverarbeitungseinheit (108) zugeordnet ist, mit folgenden Schritten: Underwater vehicle having a sensor carrier (104) with at least two water sound transducers (106) and at least two deformation sensors (107) and the underwater vehicle is associated with a data processing unit (108), comprising the following steps:
- Ermitteln einer räumlichen Verformung des Sensorträgers mittels der Verformungssensoren, Determining a spatial deformation of the sensor carrier by means of the deformation sensors,
- Ermitteln einer räumlichen Anordnung der Wasserschallwandler, Determining a spatial arrangement of the hydrophone,
- Erfassen von Wasserschallsignalen mittels der Wasserschallwandler und Auswerten der Wasserschallsignale mittels der Datenverarbeitungseinheit unter Verwenden der ermittelten räumlichen Anordnung der Wasserschallwandler, sodass eine Position einer- Recording of water sound signals by means of the Wasserschallwandler and evaluating the water sound signals by means of the data processing unit using the determined spatial arrangement of the Wasserschallwandler, so that a position of a
Wasserschallquelle frei von einer Störung durch eine Verformung des Sensorträgers ermittelbar ist. Sound source is free from interference by deformation of the sensor carrier can be determined.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger drei Wasserschallwandler oder vier Wasserschallwandler oder fünf Wasserschallwandler oder weitere Wasserschallwandler und/oder drei2. The method according to claim 1, characterized in that the sensor carrier three Wasserschallwandler or four Wasserschallwandler or five Wasserschallwandler or other Wasserschallwandler and / or three
Verformungssensoren oder vier Verformungssensoren oder fünf Verformungssensoren oder weitere Verformungssensoren aufweist . Deformation sensors or four deformation sensors or five deformation sensors or other deformation sensors.
3. Verfahren nach einen der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Verformungssensoren ein Dehnungsmessstreifen oder mehrere Dehnungsmessstreifen und/oder ein Magnetometer (107) oder mehrere Magnetometer verwendet werden. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Magnetometers oder der Magnetometer eine Magnetfeldstärke und/oder eine Richtung eines Magnetfeldes entlang einer Abmessung des Sensorträgers bestimmt wird oder werden, damit die räumliche Verformung des Sensorträgers ermittelbar ist. 3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a strain gauges or a plurality of strain gauges and / or a magnetometer (107) or more magnetometers are used as deformation sensors. A method according to claim 3, characterized in that by means of the magnetometer or the magnetometer, a magnetic field strength and / or a direction of a magnetic field along a dimension of the sensor carrier is or are determined, so that the spatial deformation of the sensor carrier can be determined.
Verfahren nach einen der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger eine strömungsgünstige Form aufweist, sodass einMethod according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor carrier has a streamlined shape, so that a
Strömungswiderstand und somit der Druck auf den Sensorträger vermindert ist. Flow resistance and thus the pressure on the sensor carrier is reduced.
Unterwasserfahrzeug zum Ermitteln von Sonardaten, wobei das Unterwasserfahrzeug einen Sensorträger mit mindestens zwei Wasserschallwandlern und mindestens zwei Verformungssensoren aufweist und dem Unterwasserfahrzeug eine Datenverarbeitungseinheit zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Unterwasserfahrzeuges ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 durchführbar ist. Underwater vehicle for determining sonar data, wherein the underwater vehicle has a sensor carrier with at least two Wasserschallwandlern and at least two deformation sensors and the underwater vehicle is associated with a data processing unit, characterized in that by means of the underwater vehicle, a method according to any one of claims 1 to 4 is feasible.
Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger dreiUnderwater vehicle according to claim 6, characterized in that the sensor carrier three
Wasserschallwandler oder vier Wasserschallwandler oder fünf Wasserschallwandler oder weitere Wasserschallwandler und/oder drei Verformungssensoren oder vierWaterborne sounders or four hydrophones or five hydrophones or other hydrophones and / or three deformation sensors or four
Verformungssensoren oder fünf Verformungssensoren oder weitere Verformungssensoren aufweist. Deformation sensors or five deformation sensors or other deformation sensors.
Unterwasserfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterwasserfahrzeug mindestens ein Magnetometer aufweist. Underwater vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the underwater vehicle has at least one magnetometer.
Unterwasserfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger im Wesentlichen quer zu einer Fahrtrichtung des Unterwasserfahrzeuges angeordnet ist. Underwater vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor carrier in Essentially arranged transversely to a direction of travel of the underwater vehicle.
Unterwasserfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger als Trägerflügel ausgestaltet ist. Underwater vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor carrier is designed as a carrier wing.
Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserschallwandlern und/oder die Verformungssensoren an einer Unterseite des Trägerflügels und/oder einer Verlängerung desUnderwater vehicle according to claim 10, characterized in that the water sound transducers and / or the deformation sensors on an underside of the carrier wing and / or an extension of the
Trägerflügels angebracht sind. Carrier wings are attached.
Unterwasserfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterwasserfahrzeug die Datenverarbeitungseinheit aufweist, sodass mittels des Unterwasserfahrzeuges autonom Sonardaten auswertbar und/oder nutzbar sind. Underwater vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the underwater vehicle has the data processing unit, so that by means of the underwater vehicle autonomously sonar data can be evaluated and / or used.
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