EP4594174A1 - Plattform zur detektion von unterwasserfahrzeugen - Google Patents

Plattform zur detektion von unterwasserfahrzeugen

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Publication number
EP4594174A1
EP4594174A1 EP23744120.9A EP23744120A EP4594174A1 EP 4594174 A1 EP4594174 A1 EP 4594174A1 EP 23744120 A EP23744120 A EP 23744120A EP 4594174 A1 EP4594174 A1 EP 4594174A1
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EP
European Patent Office
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platform
underwater vehicle
underwater
designed
sensor
Prior art date
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Pending
Application number
EP23744120.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Sebastian Bernhardt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tkms Atlas Elektronik GmbH
ThyssenKrupp AG
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
Atlas Elektronik GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp AG, Atlas Elektronik GmbH filed Critical ThyssenKrupp AG
Publication of EP4594174A1 publication Critical patent/EP4594174A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G01V1/16—Receiving elements for seismic signals; Arrangements or adaptations of receiving elements
    • G01V1/20—Arrangements of receiving elements, e.g. geophone pattern
    • G01V1/201—Constructional details of seismic cables, e.g. streamers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/39—Arrangements of sonic watch equipment, e.g. low-frequency, sonar
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    • G01N33/1886—Water using probes, e.g. submersible probes, buoys
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    • G01V2210/142—Receiver location
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Definitions

  • the invention relates to the detection of underwater vehicles with sensors or sensor arrangements that differ from classical sonars currently used for the detection of underwater vehicles.
  • the object of the present invention is therefore to create an improved concept for detecting underwater vehicles.
  • the concepts in the first category deal with the detection of the underwater vehicle itself.
  • the concepts in the second category and the third category each deal with the detection of the wake of the underwater vehicle, whereby the concepts in the third category use physical effects to detect the water vortices in the wake and the concepts in the second category would also be able to manage without water vortices.
  • One sensor or a plurality of sensors is used per concept, which determine a physical quantity based on a physical effect.
  • One physical effect is used per concept.
  • the sensors can be arranged individually or in any number and combination on a platform.
  • a physical effect to detect the underwater vehicle.
  • a plurality of physical effects can also be used in combination to detect the underwater vehicle. The more physical effects are used, the higher the probability of detecting the underwater vehicle.
  • it is finally disclosed how one or more of the sensors of the second or third category can be attached to the (own) underwater vehicle as a platform for detecting the (in particular enemy) underwater vehicle.
  • at least some of the concepts described can also be used to classify underwater contacts that have already been detected. That is, to determine their exact type. This is possible because different underwater vehicles produce an individual, type-dependent expression of the physical effect under consideration.
  • Embodiments of concept 1a show a platform for detecting underwater vehicles with an underwater antenna and a signal processing unit.
  • the platform can be, for example, a surface platform, for example an autonomous or conventional watercraft or a floating buoy, or an underwater platform, for example an autonomous underwater vehicle or a manned underwater vehicle (submarine) or a target-seeking torpedo or an underwater buoy.
  • the underwater antenna has a plurality of water sound transducers. The water sound transducers of the plurality of water sound transducers are designed to convert water sound into an electrical signal corresponding to the sound pressure.
  • the signal processing unit is designed to receive the electrical signals from the underwater sound transducers and to detect infrasound emitted by the underwater vehicle in the water sound. Infrasound is generated, for example, by the underwater vehicle's propulsion engines but also by the displacement of water, the flow noise.
  • the idea behind concept 1a is to detect underwater sound not only in the known sound range of classic sonars >50 Hz, but also in the infrasound range ⁇ 15 Hz, especially ⁇ 10 Hz, preferably ⁇ 7 Hz.
  • underwater sound transducers such as piezoceramic underwater sound transducers, can detect noises with these frequencies.
  • such low frequencies are filtered out in almost all modern sonar systems in order to improve the signal-to-noise ratio in the actual, higher-frequency useful band.
  • a major advantage of this concept is that the underwater vehicle can also be detected when the underwater sound transducers are outside the wake of the underwater vehicle.
  • Embodiments show that the underwater antenna has a length of at least 50 m, preferably at least 75 m, at least 100 m, at least 200 m, at least 350 m or at least 500 m. These antenna lengths allow the detection of infrasound in water according to a half-wave antenna.
  • the platform has an underwater vehicle and the underwater antenna comprises a towed antenna which is designed to be towed by the underwater vehicle.
  • the underwater antenna comprises a towed antenna which is designed to be towed by the underwater vehicle.
  • an underwater vehicle is used to detect the (enemy) underwater vehicle, it is advantageous to use a towed antenna as the underwater antenna. This makes it possible to decouple the underwater antenna from the noise of the towing underwater vehicle.
  • antenna lengths that are significantly larger than 100m can be realized and noises with frequencies less than or equal to 1 Hz can also be detected. At With a half-wave antenna this would be a length of the underwater antenna of 750m or more.
  • an antenna that is permanently mounted on the underwater vehicle for example a side-view antenna
  • the length of the underwater antenna is limited by the length of the underwater vehicle.
  • the underwater vehicle has at least one water sound transducer of the plurality of water sound transducers and the towed antenna has at least one water sound transducer of the plurality of water sound transducers, so that the underwater vehicle and the towed antenna each have a part of the underwater antenna.
  • the signal processing unit is designed to carry out beamforming based on the infrasound in order to determine a direction in which the underwater vehicle is located. It is thus possible to determine not only the presence of the (enemy) underwater vehicle, but also its position.
  • a method for detecting underwater vehicles is disclosed with the following steps: - converting water sound into an electrical signal corresponding to the sound pressure; - analyzing the electrical signal in order to detect infrasound emitted by the underwater vehicle in the water sound.
  • Embodiments of concept 1b (1st category, concept b) disclose an underwater platform (20) for detecting underwater vehicles comprising a magnetic anomaly detector (MAD) and a signal processing unit.
  • the magnetic anomaly detector is designed to detect the earth's magnetic field and to output a corresponding MAD sensor signal.
  • the signal processing unit receives the MAD sensor signal and can detect a deviation of the earth's magnetic field caused by the underwater vehicle.
  • the idea of concept 1b is to detect a distortion of the earth's magnetic field caused by the (enemy) underwater vehicle, in particular the ferromagnetic materials such as steel installed in it.
  • the effects on the earth's magnetic field are minimal, but measurable.
  • the detection of underwater vehicles from the air using MAD sensors is known. This means planes or helicopters can fly over water and detect underwater vehicles using the MAD sensors.
  • the communication between the aircraft or helicopter and the underwater platform, for example an underwater vehicle is not trivial.
  • the underwater vehicle can also detect the (enemy) underwater vehicle.
  • This method for detecting the (enemy) underwater vehicle has the great advantage that the magnetic signature of an underwater vehicle can only be reduced with great effort and therefore offers good detection options.
  • Embodiments show that the underwater platform has an underwater vehicle and a traction device.
  • the traction device is designed to be pulled by the underwater vehicle, in particular a submarine.
  • a rope or a band, or a combination of a rope or a band and a towed antenna, is suitable as a traction device.
  • the magnetic anomaly detector is arranged on the traction device so that the magnetic anomaly detector is arranged away from the underwater vehicle during operation.
  • the magnetic anomaly detector can be arranged at the end of a towed sonar. This is advantageous because it creates a very large distance between the magnetic anomaly detector and the underwater vehicle. The influence of the underwater vehicle itself on the magnetic anomaly detector is thus reduced. This means that (enemy) underwater vehicles can be detected more reliably.
  • the magnetic anomaly detector preferably has a distance of at least 100m, preferably at least 250m, more preferably at least 500m, more preferably at least 1000m or more preferably at least 1500m.
  • a method for detecting underwater vehicles is disclosed with the following steps: -detecting the earth's magnetic field using a magnetic anomaly detector and outputting a corresponding MAD sensor signal; -Detecting a deviation in the earth's magnetic field by the underwater vehicle in the MAD sensor signal.
  • Embodiments of concept 2a show a platform for detecting underwater vehicles with a sensor and a signal processing unit.
  • the sensor is designed to chemically analyze seawater and to output a proportion of at least one predefined substance in a corresponding analysis result. For example, the sensor can determine a concentration of the substance in the seawater.
  • the following exemplary embodiments describe various suitable substances that indicate the detection of an underwater vehicle, in particular a manned underwater vehicle. Since devices and methods are described in categories 2 and 3 for detecting the wake of the underwater vehicle, it is advantageous in each of these concepts continuously, i.e. at least at intervals of less than 10, preferably less than 1 second, more preferably at intervals of less than 100 milliseconds to take measurements with the sensor. This enables the platform, in particular a movable platform, to move with the sensor in the wake of the underwater vehicle and, when the wake is left, to find it again as quickly as possible.
  • the signal processing unit is designed, based on the analysis result, to determine a deviation from a previous analysis result or a deviation from an expected analysis result in order to detect the underwater vehicle.
  • a deviation, particularly a significant one, from a previous analysis result can indicate that the platform's sensor is in the The wake of the (enemy) underwater vehicle has moved in or out of it.
  • a deviation from an expected analysis result can, for example, indicate that the sensor is in the wake of an underwater vehicle, even without having previously determined a reference value.
  • the idea of concept 2a is to detect chemical substances emitted by an underwater vehicle in the wake of the underwater vehicle and to conclude that the underwater vehicle is present.
  • Embodiments show that the signal processing unit is designed to query the expected analysis result in a database based on a current position of the underwater platform.
  • the database can be, for example, a nautical chart in which concentrations of the predefined substance are entered. In this way, regional differences in the proportion of the predefined substance in the sea water can be taken into account. In this way, for example, even without a previous analysis result, it can be determined with greater accuracy whether the sensor is in the wake of an underwater vehicle or not.
  • the background level of the predefined substance can be determined so that an increased concentration can be determined based on the background level.
  • the senor is designed to determine a proportion of zinc, nickel, copper, hydrogen or hydrocarbon as a predefined substance in the seawater.
  • the signal processing unit is designed to compare the specific proportion of the predefined substance with a proportion of the predefined substance in a previous analysis result or with an expected proportion of the predefined substance in order to detect the underwater vehicle.
  • the previous analysis result is preferably the analysis result of the last, i.e. immediately preceding, measurement.
  • Zinc is suitable as a predefined substance because underwater vehicles typically have sacrificial anodes containing zinc.
  • the sacrificial anodes prevent that For example, the hull or other external parts of the underwater vehicle rust.
  • Nickel is suitable as a predefined material because pipes such as cooling water pipes of underwater vehicles that come into contact with seawater typically contain nickel.
  • Copper is suitable as a predefined material because it is also used for pipes of underwater vehicles that come into contact with seawater. Copper is also used in antifouling paint to protect the underwater vehicle against fouling and other contaminants.
  • Hydrogen is suitable as a predefined substance because it is a waste product from oxygen production. Oxygen is needed for breathing by the crew, for example.
  • the proportion of hydrogen in seawater can be determined quickly and reliably using a pH analysis of the seawater as a chemical analysis.
  • the senor in addition or as an alternative to determining the proportion of zinc, nickel, copper, hydrogen or hydrocarbon as a predefined substance in the seawater, is designed to determine a proportion of a hydrocarbon, in particular diesel, in the seawater.
  • the signal processing unit is designed to compare the determined proportion of the hydrocarbon with the proportion of the hydrocarbon in a previous analysis result or with an expected proportion of hydrocarbon in order to detect the underwater vehicle.
  • the sensor In the case of diesel-powered underwater vehicles, it is thus possible to detect small amounts of diesel in the wake of the underwater vehicle, since the diesel tanks are typically open at the bottom. Seawater can thus replace the used diesel in order to keep the change in the buoyancy of the underwater vehicle as small as possible.
  • the senor is designed to carry out atomic absorption spectroscopy, laser-induced plasma spectroscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy or at least two of the aforementioned methods in order to chemically analyze the seawater. Using the aforementioned methods, it is possible to examine the seawater for predetermined substances.
  • the senor is designed to output proportions of a plurality of predefined substances in the seawater.
  • the platform comprises a plurality of sensors, the sensor being a sensor of the plurality of sensors, the sensors of the plurality of sensors being designed to chemically analyze the seawater and, in a respective corresponding analysis result, to include a proportion of a plurality of predefined substances in the to spend more water.
  • a sensor or a plurality of sensors can determine proportions of different substances in the seawater.
  • the signal processing unit is designed to determine, based on the analysis results, a chemical signature from the plurality of predefined substances as a deviation of the proportions of the predefined substances from a previous analysis result or a deviation from an expected analysis result in order to detect the underwater vehicle, in particular classify.
  • the signal processing unit can estimate a natural occurrence of the predefined substances at the current position of the platform. The estimate may be based on a previous reading where the platform took a measurement outside the wake of a submersible. Additionally or alternatively, the estimate can be based on values from a database.
  • the database is in the form of a nautical chart in which concentrations of the predefined substances are entered at different positions.
  • the types of underwater vehicles differ, for example, in the amount of diesel that is flushed out of the fuel tanks or in the length of the pipes that are in contact with the sea water. This changes the chemical signature of the underwater vehicle.
  • the sensor or sensors are designed to determine an isotopic composition of the detected substance or substances in order to enable classification of the underwater vehicle.
  • the isotopic composition of, for example, the diesel or the detected metals makes it possible to determine the origin of the substances. Based on the origin, it is possible to assign it to an underwater vehicle, in particular to a nation to which the underwater vehicle belongs.
  • the analysis of the isotopic composition in combination with the chemical signature of the underwater vehicle enables an even more precise classification of the underwater vehicle than the respective methods allow individually.
  • a method for detecting underwater vehicles comprising the following steps: - chemically analyzing seawater to output a proportion of at least one predefined substance in an analysis result; - determining, based on the analysis result, a deviation from a previous analysis result or a deviation from an expected analysis result in order to detect the underwater vehicle.
  • Embodiments of concept 2b (2nd category, concept b) show a platform for detecting nuclear-powered underwater vehicles.
  • the platform has a sensor and a signal processing unit.
  • the sensor is designed to detect radioactive radiation and to output a corresponding radiation signal.
  • the sensor can be a Geiger counter. It is advantageous that manned underwater vehicles usually already have a Geiger counter on board. This can be mounted on the periscope, for example. The crew can use the Geiger counter to check before exiting whether the exit location is radioactive, for example due to an atomic bomb. This Geiger counter can also be used underwater to detect radioactive Radiation in the wake of the underwater vehicle can be detected. In addition or as an alternative, a separate sensor can be mounted on the platform.
  • the senor can be integrated into a pressure-tight housing that allows the radioactive radiation to pass through.
  • the housing can be made of glass, for example, so that the radioactive radiation can penetrate the housing.
  • Gamma radiation in particular can penetrate glass.
  • the signal processing unit is configured to receive the radiation signal and determine a deviation from a previous radiation signal or a deviation from an expected radiation signal to detect the underwater vehicle.
  • the expected radiation signal may include or consist of the terrestrial radiation at the location.
  • the previous radiation signal may originate from a measurement outside the wake of a nuclear-powered underwater vehicle in the vicinity of the current location.
  • the idea of concept 2b is to be able to detect nuclear-powered underwater vehicles such as nuclear submarines, even if they emit no or very little noise. Since nuclear-powered underwater vehicles inevitably emit at least small amounts of radioactivity, such as gamma radiation, this can be detected in the water.
  • the platform is designed as a (particularly stationary) underwater platform or at least includes the same.
  • the underwater platform is arranged on the bottom of the water or attached to the bottom of the water, in particular the seabed. This means that the underwater platform can have a greater density than water and sink to the bottom of the water.
  • the underwater platform can be attached there, for example anchored.
  • the underwater platform can also be neutral in buoyancy or have a lower density than the surrounding (sea) water.
  • the underwater platform can be attached to the bottom of the water, for example by means of a rope.
  • the underwater platform is preferably arranged in the fairway, for example in a narrow water passage, such as in a strait. This has the advantage of forcing underwater vehicles to pass close to the underwater platform.
  • the underwater platform is then inevitably arranged in the vicinity of the underwater vehicle. It is thus possible to receive atomic radiation emitted directly from the underwater vehicle and thus to carry out a classification of the underwater vehicle, for example based on an isotope study of the radioactive radiation. Radioactive radiation can also be detected at greater distances, but then only indirectly via water molecules ionized by the radioactive radiation. This makes it possible to differentiate between nuclear or conventionally powered submarines, but not a more precise distinction.
  • a method for detecting nuclear-powered underwater vehicles comprising the following steps: -detecting radioactive radiation and outputting a corresponding radiation signal; Determining a deviation from a previous radiation signal or a deviation from an expected radiation signal to detect the underwater vehicle.
  • Embodiments of concept 2c (2nd category, concept c) show a platform for detecting underwater vehicles with a temperature sensor and a signal processing unit.
  • the temperature sensor is designed to detect a temperature with an accuracy of less than or equal to 0.1 °C, preferably less than or equal to 0.5 °C, more preferably less than or equal to 0.01 °C. This means that the temperature sensor is highly sensitive to temperature changes.
  • the signal processing unit is designed to continuously receive the temperature of the temperature sensor and to determine a rate of change of the temperature in order to detect the underwater vehicle.
  • the idea of concept 2c is to detect rapid temperature changes in the wake of the underwater vehicle, which result from the mixing of water layers triggered by the underwater vehicle. This results in frequent, rapid changes in temperature. This means that a dynamic temperature change takes place. Furthermore, the underwater vehicle heats the surrounding water is minimal. This results in a static temperature change. Both effects can be detected with a continuous temperature measurement.
  • Embodiments show that the temperature sensor is designed to detect at least 90% of a temperature change of 0.1 °C within a maximum of 5 ms, preferably within a maximum of 2 ms, more preferably within 1 ms. This makes it possible to track the dynamic temperature change at the necessary speed.
  • the signal processing unit is designed to carry out a statistical analysis of the temperature measurements over time in order to determine a deviation of the temperature from a usual temperature.
  • a method for detecting underwater vehicles is disclosed with the following steps: -continuously detecting a temperature with an accuracy of less than 0.1 ° C; -Determining a rate of change in temperature to detect the underwater vehicle.
  • Embodiments of concept 2d (2nd category, concept d) show a platform for detecting underwater vehicles with a sensor and a signal processing unit.
  • the sensor is designed to determine a refractive index of the water surrounding the platform and to output a corresponding electrical signal.
  • the sensor comprises or is, for example, a refractometer.
  • the signal processing unit is designed to detect a change in the refractive index of the water surrounding the platform based on the electrical signal of successive measurements in order to detect the wake of the underwater vehicle.
  • the idea of concept 2d is to detect a changed refractive index in the wake caused by the underwater vehicle.
  • the refractive index changes, for example, due to a change in the temperature of the (sea) water. But there are other factors that change the refractive index. For example, a change in salinity or chemicals in the wake.
  • the salt content can vary due to the mixing of water layers. Chemicals can enter the water from the underwater vehicle.
  • the determination of the refractive index therefore represents both an alternative to the temperature measurement of concept 2c and a useful addition to enable more robust detection of the underwater vehicle through mixing water layers.
  • a method for detecting underwater vehicles is disclosed with the following steps: -Continuously determining a refractive index of the water surrounding the platform and outputting a corresponding electrical signal; -Detecting, based on the electrical signal of successive measurements, a change in the refractive index of the water surrounding the platform to detect the underwater vehicle.
  • Embodiments of concept 2e show a platform for detecting underwater vehicles with a sensor and a signal processing unit.
  • the sensor is designed to detect light and output a corresponding electrical signal.
  • the sensor is a photodiode or the sensor has the photodiode, or the sensor is or includes a, preferably electronic, light image sensor, e.g. a CCD sensor (charge-coupled device) or similar.
  • the signal processing unit is designed to output a recommendation based on the electrical signal as to whether the electrical signal contains components of bioluminescence.
  • the idea behind concept 2e is to detect bioluminescence triggered by the underwater vehicle.
  • the underwater vehicle triggers this when it drives through an area in which special microorganisms such as algae live, which are stimulated by pressure and begin to glow.
  • the senor is designed to detect spectral components of the light. This is possible, for example, if the sensor is a spectrometer
  • the signal processing unit is designed to detect, based on the spectral components, whether spectral components of bioluminescence are present in order to issue a recommendation as to whether the electrical signal contains components of bioluminescence. This is advantageous in bright surroundings, for example in daylight or a full moon, in order to be able to reliably detect the bioluminescence despite the bright surroundings.
  • the sensor advantageously has a light image sensor in order to be able to analyze both the spectrum and the real light image.
  • the senor is designed to take sequential light images of the environment of the platform in order to detect the light.
  • the light images are preferably recorded using an electronic sensor, e.g. a CCD sensor. Based on the sequence of light images, it is possible to detect the onset of bioluminescence. A comparison with other parameters, for example the time of day or the current position, makes it possible to rule out other causes for the onset of illumination.
  • the signal processing unit is designed to process data that assigns the occurrence of pressure-luminescent creatures to locations for different locations.
  • the signal processing unit has access to a nautical chart on which luminescent creatures are mapped.
  • the signal processing unit can then determine the occurrence of pressure-luminescent creatures for the current location of the platform and take this information into account when issuing the recommendation as to whether the electrical signal contains elements of bioluminescence. This means that if lighting is detected in an area in which luminescent creatures are known to occur, the probability that this is bioluminescence is significantly higher than in an area in which it is known that such creatures do not exist or at least it is not known that the luminescent creatures exist.
  • a method for detecting underwater vehicles is disclosed with the following steps: -Detecting light and outputting a corresponding electrical signal; -Issuing a recommendation as to whether the electrical signal contains elements of bioluminescence to detect the underwater vehicle.
  • Exemplary embodiments of concept 3a show a platform for detecting turbulences caused by the wake of underwater vehicles.
  • the platform includes a laser Doppler anemometer and a signal processing unit.
  • the laser Doppler anemometer is designed to measure a flow property in the water surrounding the platform and to output a corresponding electrical signal.
  • the laser Doppler technique is based on determining the Doppler shift of the scattered light of a moving object that is illuminated with laser light. Flow properties include, for example, whether the water flows calmly or turbulently, how fast the water flows or in which direction the water flows.
  • the signal processing unit is designed to receive the electrical signal and analyze the measured flow property in order to detect the underwater vehicle.
  • the platform advantageously comprises a plurality of laser Doppler anemometers.
  • By measuring using the laser it is only possible to determine the speed and optionally the direction of the surrounding water at specific points.
  • several laser Doppler anemometers several points in a volume can be examined with regard to their flow speed and, optionally, direction. This makes it possible, for example, to recognize whether it is a turbulent flow or a linear flow.
  • the idea of concept 3a is to detect turbulence in the water, which indicates the wake of an underwater vehicle.
  • Various techniques are available for this.
  • One of these is laser Doppler anemometry. This is based on the Doppler shift of scattered light from one or more laser beams generated by particles in the water.
  • the laser Doppler anemometer is designed to measure the flow properties in a backscatter arrangement. This means that the detector for receiving the scattered light is arranged on the same side of the measuring volume as the associated laser (or the associated lasers in a two-beam measuring system).
  • the transmitting optics With the backward scattering arrangement, it is possible to construct the transmitting optics in such a way that they simultaneously record the receiving optics, so that there is no need for complex adjustment between the transmitting and receiving units.
  • the intensity of the scattering signal with this arrangement is an order of magnitude smaller than with the forward scattering arrangement.
  • backward scattering is particularly preferred for moving platforms, especially underwater vehicles. This makes it possible to operate the laser on the bow facing forward. Since the measurement volume is then located in front of the moving platform, the measurement will have little or no influence on the flow properties by the moving platform.
  • a method for detecting turbulence caused by the wake of underwater vehicles comprising the following steps: - measuring a flow property in the water surrounding the platform using a laser Doppler anemometer and outputting a corresponding electrical signal; - analyzing the measured flow property in order to detect the underwater vehicle.
  • Embodiments of concept 3b show a platform for detecting turbulences caused by the wake of underwater vehicles.
  • the platform includes a distance flow meter and a signal processing unit.
  • the flow meter is designed to measure a flow property in the water surrounding the platform and to output a corresponding electrical signal.
  • the signal processing unit is designed to receive the electrical signal and analyze the measured flow property in order to detect the underwater vehicle.
  • the distance current meter comprises an ultrasonic Doppler profile current meter (Acoustic Doppler Current Profiler - ADCP).
  • the distance of scattered particles in the water can be detected via the transit time and the speed via the Doppler shift.
  • High-frequency sound pulses are typically used for this, in particular frequencies typically greater than 500 kHz, preferably greater than 1 MHz. Such frequencies cannot be detected by typical passive sonars, so that the risk of being located by the emitted sound is low. Furthermore, such high frequencies are also strongly attenuated in the water, so that the range is very small and lies at most in the range of a few hundred meters.
  • a method for detecting turbulences caused by the wake of underwater vehicles is disclosed with the following steps: measuring a flow property in the water surrounding the platform using a distance flow meter and outputting a corresponding electrical signal; -Analyzing the measured flow characteristic to detect the underwater vehicle.
  • Exemplary embodiments of concept 3c show a platform for detecting turbulences caused by the wake of underwater vehicles.
  • the platform includes a thermal anemometer and a signal processing unit.
  • the thermal anemometer is designed to measure a flow property, in particular a flow direction and/or a flow velocity, in the water surrounding the platform and to output a corresponding electrical signal.
  • the thermal anemometer uses the cooling effect that the surface of a warm body experiences in a colder flowing medium as a measuring effect.
  • the warm body is preferably heated electrically, so that a measurable change in the body's resistance occurs directly via the change in temperature of the body.
  • the signal processing unit receives the electrical signal and analyzes the measured flow velocity in order to detect the underwater vehicle.
  • the idea of concept 3c is to be able to detect turbulences in the water, which indicate the wake of an underwater vehicle, even without water vortices or particles in the water. This can be done reliably using a thermal anemometer.
  • the thermal anemometer has a hot film or a hot wire (or a combination of both).
  • the hot-wire anemometer comprises at least two hot wires arranged perpendicular to one another. This makes it possible to determine a two-dimensional flow direction.
  • both four hot films and three or four hot wires are preferably used per thermal anemometer.
  • a three-dimensional flow direction can be determined with three hot wires arranged perpendicular to one another, and a backflow can also be determined using a fourth wire.
  • four hot film anemometers can be arranged on four sides of a body, for example a pipe, in order to be able to determine a three-dimensional flow direction including backflow.
  • the hot film anemometer is advantageous when used on mobile platforms (e.g.
  • the platform has a temperature sensor configured to determine a current temperature of the water surrounding the platform.
  • the thermal anemometer is designed to adjust a current flow through a sensor element (ie, for example, hot wire or hot film) such that a measuring temperature of the thermal anemometer has a constant temperature compared to the temperature of the water surrounding the platform, regardless of the flow properties of the water.
  • This procedure is also known as constant temperature anemometry. If a reference sensor is needed to determine the temperature of the water, sensors already installed on the platform, for example an underwater vehicle such as a submarine, or the temperature sensor according to concept 2c can be used. Alternatively, the thermal anemometer is designed to ensure a constant current flow through the sensor element, so that the flow properties of the water are measured via the temperature change. This procedure is also known as constant current anemometry.
  • a method for detecting turbulences caused by the wake of underwater vehicles is disclosed with the following steps: measuring a flow property in the water surrounding the platform using a thermal anemometer and outputting a corresponding electrical signal; -Analyzing the measured flow properties to detect the underwater vehicle.
  • Embodiments of concept 3d show a platform for detecting turbulence caused by the wake of underwater vehicles with a sensor and a signal processing unit.
  • the sensor is designed to detect a magnetic field surrounding the sensor and to output a corresponding electrical signal.
  • the signal processing unit is designed to receive the electrical signal and, based on successive measurements, to determine magnetic field changes caused by turbulence in the wake of accelerated ions as a superposition of the static earth's magnetic field. It is thus possible to determine the entry into the wake of an underwater vehicle.
  • the sensor is preferably designed to determine the magnetic field of the accelerated ions in at least two, in particular three spatial directions. Here, the typical rotating magnetic field of the turbulence present in the wake of the underwater vehicle can then also be determined.
  • the idea of the 3d concept is to detect the ions naturally contained in seawater due to the salt content in the wake of the underwater vehicle. Due to their charge, the ions generate a magnetic field when they move. However, this is superimposed by the earth's magnetic field, which makes the measurement more difficult. For this reason, the signal processing unit analyses a temporal progression of the magnetic field in order to detect a change in the magnetic field. In the wake of the underwater vehicle, a change in the magnetic field is then only measurable with a multi-dimensional magnetic field sensor.
  • the magnetic field sensor is therefore preferably part of an array of (preferably similar) magnetic field sensors.
  • the magnetic field sensor or the array of magnetic field sensors is preferably arranged in front of the underwater vehicle. Furthermore, the magnetic field sensor has a detection threshold of preferably less than.
  • the magnetic anomaly detector according to Concept 1 b is suitable as a magnetic field sensor array, provided it has sufficient measuring speed to detect the water eddies.
  • the magnetic field sensor array according to concept 1 b it should be taken into account that it is advantageously towed and thus the towing underwater vehicle also generates water vortices.
  • a method for detecting turbulence caused by the wake of underwater vehicles comprising the following steps: - detecting a magnetic field and outputting a corresponding electrical signal; - determining, based on successive measurements, magnetic field changes caused by turbulence in the wake of accelerated ions as a superposition of the static earth's magnetic field.
  • Embodiments of concept 3e show a platform for detecting turbulences caused by the wake of for detecting underwater vehicles with a bending sensor and a signal processing unit.
  • the bending sensor is designed to detect turbulences in the water surrounding the bending sensor and to output a corresponding electrical signal.
  • the signal processing unit is designed to receive the electrical signal and to detect the turbulences caused by the wake of the underwater vehicle based on the electrical signal from successive measurements.
  • Turbulence caused by the wake of the underwater vehicle is characterized, for example, by the fact that it forms a track and can therefore be detected using a variety of measurements. It is also possible if the turbulence at one moving platform can no longer be detected, the turbulence, ie the track, can be found again by taking measurements in the vicinity of the last measuring location.
  • the idea of concept 3e is to be able to detect water currents using a highly sensitive bending sensor, based on the whiskers of seals.
  • the bending sensor has a curvature, in particular a turn, preferably a plurality of turns.
  • the bending sensor is designed in a helical shape. It is possible for the sensory element to have this shape; alternatively, it is also possible for the bending sensor to comprise a carrier shape onto which the sensory element is applied. This shape is advantageous in order to achieve a low inherent rigidity and thus enable a high sensitivity of the bending sensor.
  • the bending sensor comprises a piezo element.
  • the piezo element can be applied to the carrier shape of the bending sensor. Application is possible, for example, in the form of a coating or a film. Alternatively, the piezo element can be rod-shaped. This means that the bending sensor can do without a carrier shape. In a further alternative, the carrier shape can be based on the piezo element. Depending on the set sensitivity of the carrier shape, the pressure exerted by the carrier shape on the piezo element varies at the same water speed.
  • the bending sensor can comprise a strain gauge.
  • the strain gauge can be applied to the carrier form of the bending sensor.
  • the bending sensor preferably has a plurality of strain gauges. This allows compression and stretching of the carrier form in different directions to be detected as best as possible.
  • the same principle can also be applied with piezo elements applied to the carrier form.
  • Further embodiments show the bending sensor, in particular the carrier form of the bending sensor, with a length that is at least 20 times, preferably at least 50 times, particularly preferably at least 100 times as large as a thickness (ie a diameter in the case of a round cross-section) of the bending sensor. Such a design also enables a high sensitivity of the bending sensor.
  • the bending sensor is a bending sensor of a plurality of bending sensors, wherein the bending sensor and a further bending sensor of the plurality of bending sensors have a maximum sensitivity at different turbulence frequencies.
  • the sensitivity of the bending sensors can be obtained, for example, via a material of the bending sensor, in particular a material of the carrier shape, different lengths of the bending sensor, in particular of the carrier shape, or different winding steepnesses of the bending sensor, in particular of the carrier shape.
  • a method for detecting turbulences caused by the wake of underwater vehicles comprising the following steps: - detecting turbulences with a bending sensor and outputting a corresponding electrical signal; - detecting turbulences caused by the wake of the underwater vehicle based on the electrical signal of successive measurements.
  • a platform is understood as a mobile or (quasi) stationary, i.e. essentially stationary, platform.
  • the platform is essentially stationary, for example, if it is connected to the bottom of the water, e.g. the seabed, by means of a rope. The radius of movement is thus restricted to a predetermined extent.
  • a buoy in particular an underwater buoy, can be used as an essentially stationary platform.
  • a mobile platform can have its own drive or be moved by an external force, for example towed.
  • An externally moved platform can be, for example, a towed antenna or another towed body.
  • a platform with its own drive is, for example, a manned or unmanned (e.g. autonomous) underwater vehicle.
  • Unmanned underwater vehicles also include underwater moving bodies (torpedoes).
  • the advantage of a powered platform is that it does not require its own power supply, but can be powered by a towing device, such as an electrical cable.
  • a towing device such as an electrical cable.
  • an unmanned surface vehicle can pull a towed body underwater and optionally supply it with power.
  • a platform can be used with one or any combination of the concepts described above. This means that the platform is, for example, equipped with different sensors that can detect the underwater vehicle according to the concepts described above.
  • the use of multiple concepts reduces the probability of misdetection, i.e. a false negative or false positive detection result.
  • the platforms can have a communication unit for this purpose.
  • the platforms can at least send data packets and optionally also receive them.
  • the sensors record measured values continuously. This makes it possible, for example, with concepts in categories 2 and 3 to follow the wake, i.e. in particular to detect when a sensor is in the wake or outside the wake. With concepts in category 1, it is also possible to follow the path of the underwater vehicle to be detected.
  • the direction of the gradient indicates in which direction the measured physical effect weakens and in which direction it becomes stronger. That means it can be done using the gradient in particular, it can be determined in which direction the wake is left.
  • at least 3 or 5 sensors for example straight (3) or arranged in a cross (5), are used for this purpose. Any other sensor arrays can of course also be used, which make it possible to detect a gradient in one, preferably two, spatial directions.
  • the signal processing unit can determine the gradient.
  • the signal processing unit can use a sensor result or any combination of the sensor results of the concepts described above.
  • the signal processing unit can perform the detection using a computer-implemented classification.
  • Well-known classifiers include the Bayes classifier or neural networks. Training data and evaluation data are required to train the classifier. These can be obtained, for example, by equipping one or preferably a large number of platforms with one or more of the sensors of the concepts described and knowingly recording data both outside and knowingly inside the wake of various underwater vehicles. This is of course easier in peacetime, as the actual position of underwater vehicles can be detected here, e.g. using active sonar.
  • Locate means that the platform determines at least one direction, preferably a position, ie direction and distance, of the underwater vehicle.
  • Classify means that the platform recognizes which underwater vehicle it is. The classification can, for example, include the determination of one or any combination of the following findings: a friend-enemy distinction, an origin (nationality), a type of underwater vehicle. Detection of the underwater vehicle is possible using the measurement result of one or more sensors of the concepts described. Locating the underwater vehicle in the Category 2 and Category 3 concepts is possible, for example, by tracking the wake. Classification can be made based on Category 3 concepts by examining the structure of the turbulence in the wake. For example, the spatial extent of the turbulence, ie a diameter of the wake, as well as speed or an average direction of rotation can enable a classification.
  • FIG. 1 Concept-based embodiments that can be used with one or any combination of the concepts described above show an underwater vehicle, in particular a submarine, for detecting another underwater vehicle with a measuring head and a deployment device.
  • the measuring head has a sensor.
  • the sensor is designed to detect a feature of the underwater vehicle under water.
  • the measuring head is also designed to be extended from the deployment device in such a way that the sensor is located in front of the underwater vehicle.
  • a pipe for example, is suitable as a deployment device.
  • the pipe can have guide means, for example guide grooves, on the walls.
  • the idea of these conceptual exemplary embodiments is to provide one or more sensors for an underwater vehicle, the 1 . are not exposed to contamination, e.g. from algae or mussels, when not in use and 2. are not influenced by turbulence from the moving underwater vehicle.
  • the first advantage is achieved in that the measuring head can be extended from the dispensing device.
  • the second advantage is achieved in that the measuring head for a measurement or a series of measurements is arranged in front of the underwater vehicle in the main direction of travel.
  • the deployment device can be designed to release unmanned underwater vehicles, in particular underwater running bodies, from the underwater vehicle.
  • the deployment device can be a torpedo tube. This is advantageous because torpedo tubes are also present on existing underwater vehicles and therefore, at least when they are near the bow are arranged, can also be used to deploy the measuring head. Retrofitting existing manned underwater vehicles is therefore possible.
  • the measuring head can further comprise a fixing means which extends into a pipe of the deployment device and is connected to the underwater vehicle in order to fix the measuring head to the underwater vehicle.
  • a fixing means which extends into a pipe of the deployment device and is connected to the underwater vehicle in order to fix the measuring head to the underwater vehicle.
  • An example of how the fixing means can be designed is a telescopic rod.
  • the measuring head can be part of an unmanned underwater vehicle, in particular a remotely controlled underwater vehicle.
  • the unmanned underwater vehicle is trained to drive ahead of the underwater vehicle.
  • the remotely operated vehicle (ROV) can be controlled manually, automatically or semi-automatically from the deploying underwater vehicle. In the case of an automatic or semi-automatic control, this can be set so that the remote-controlled underwater vehicle follows the changes in direction of the launching underwater vehicle, so that the remote-controlled underwater vehicle moves ahead of the launching underwater vehicle.
  • the unmanned underwater vehicle can be connected to the launching underwater vehicle by means of a communication cable in order to transmit the measurement results of the sensor(s) of the measuring head.
  • the control cable for the remotely controlled underwater vehicle can be integrated into the communication cable.
  • the unmanned underwater vehicle is preferably connected to the underwater vehicle by means of a traction device.
  • the communication cable and/or the control cable can be integrated into the traction device.
  • the underwater vehicle has a retrieval device which is designed to retrieve the unmanned underwater vehicle to the deployment device by means of the traction device.
  • the retrieval device can retrieve the traction device, e.g. roll it up, and thus retrieve the unmanned underwater vehicle to the deployment device.
  • the deployment device is designed as a pipe
  • the retrieval device can preferably pull the unmanned underwater vehicle into the pipe.
  • the pipe can be supplemented with an energy-absorbing funnel so that the unmanned underwater vehicle can be retrieved into the pipe without damaging the underwater vehicle or the unmanned underwater vehicle.
  • a method for detecting a further underwater vehicle with an underwater vehicle is disclosed with the following steps: - extending a measuring head from a deployment device of the underwater vehicle in such a way that a sensor of the measuring head is located in front of the underwater vehicle, the sensor being designed to be a feature of the underwater vehicle underwater to detect.
  • Fig. 2 a schematic perspective view of a bending sensor according to concept 3e;
  • Fig. 3 a schematic side view of an underwater vehicle with a deployment device for deploying a measuring head, which can be equipped, for example, with one or any combination of the sensors according to one of the concepts described.
  • Fig. 1 shows a schematic block diagram of a platform 20, in particular a manned or unmanned underwater vehicle, for detecting an underwater vehicle 22.
  • the platform comprises a sensor 24 according to one of the concepts described above and a signal processing unit 26 according to one of the concepts described above.
  • Sensor data or measured values can be transmitted from the sensor to the signal processing unit 26 via an electrical connection 27 in the form of an electrical signal.
  • a controlled preamplifier can already be integrated in the sensor, which can transmit an amplification factor or similar via the electrical connection.
  • Fig. 2 shows a schematic perspective view of the sensor 24 in a design as a bending sensor according to concept 3e.
  • a carrier form 28 is based on a (sensor) layer 30 comprising a material that converts a pressure into an electrical output voltage.
  • the material is in particular a piezoelectric material, for example lead zirconate titanate (PZT).
  • PZT lead zirconate titanate
  • the layer 30 can be applied to a semiconductor substrate 34.
  • An optional cavity 36 can then be introduced, in particular etched, into the semiconductor substrate 34.
  • a vibration of the carrier mold 28 can be detected, but also a 3-dimensional movement, i.e. also a movement up and down in the illustration in Fig. 2.
  • an electrical circuit 34a can be formed directly in the semiconductor substrate 34. This can be, for example, the signal processing unit or can include data preprocessing. One or more further layers can be applied to the substrate, in particular between the substrate 34 and the layer 30.
  • Fig. 3 shows a schematic side view of an underwater vehicle 20 as a platform.
  • the underwater vehicle 20 comprises a deployment device 38.
  • a measuring head 40 can be extended from the underwater vehicle by the deployment device 38 in such a way that it is located in front of the underwater vehicle.
  • the measuring head has a sensor for detecting environmental information of the underwater vehicle.
  • the sensor is a sensor of the concepts described above.
  • aspects have been described in connection with a device, it is understood that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Analogously, aspects that have been described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or details or feature of a corresponding device.

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Abstract

Es ist eine Plattform (20) zur Detektion von Unterwasserfahrzeugen (22) mit einer Unterwasserantenne (24) und einer Signalverarbeitungseinheit (26) offenbart. Die Unterwasserantenne (24) weist eine Vielzahl von Wasserschallwandlern auf, wobei die Wasserschallwandler der Vielzahl von Wasserschallwandlern ausgebildet sind, Wasserschall in ein dem Schalldruck entsprechendes elektrisches Signal (27) umzuwandeln. Die Signalverarbeitungseinheit (26) ist ausgebildet, die elektrischen Signale der Wasserschallwandler zu erhalten und von dem Unterwasserfahrzeug (22) ausgesendeten Infraschall in dem Wasserschall zu detektieren.

Description

Plattform zur Detektion von Unterwasserfahrzeugen
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf die Detektion von Unterwasserfahrzeugen mit Sensoren bzw. Sensoranordnungen, die sich von klassischen Sonaren, die derzeit für die Detektion von Unterwasserfahrzeugen eingesetzt werden, unterscheiden.
Klassische Sonare können je nach Konfiguration Wasserschall mit Frequenzen zwischen 50Hz und 100kHz aussenden (Aktivsonar) und/oder empfangen (Aktiv- und Passivsonar). Moderne Unterwasserfahrzeuge werden jedoch immer leiser und emittieren auf Schleichfahrt kaum noch Wasserschall. Somit wird die Detektion und Ortung mittels Passivsonar deutlich erschwert. Die Ortung mittels Aktivsonar hat den Nachteil, dass der Schallsender leicht zu detektieren ist. Eine Ortung des (insbesondere feindlichen) Unterwasserfahrzeug mittels eines (eigenen) Unterwasserfahrzeugs ist somit nicht möglich, ohne seine eigene Position zu offenbaren. Dies ist jedoch grade nicht erwünscht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für das Detektieren von Unterwasserfahrzeugen zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Es werden nunmehr eine Vielzahl von Konzepten offenbart, die sich in drei Kategorien einteilen lassen. Die Konzepte der ersten Kategorie befassen sich mit der Detektion des Unterwasserfahrzeugs an sich. Die Konzepte der zweiten Kategorie und der dritten Kategorie befassen sich jeweils mit der Detektion des Kielwassers des Unterwasserfahrzeugs, wobei die Konzepte der dritten Kategorie physikalische Effekte zur Detektion der Wasserwirbel in dem Kielwasser ausnutzen und die Konzepte der zweiten Kategorie auch ohne Wasserwirbel auskommen würden. Pro Konzept wird ein Sensor oder eine Mehrzahl von Sensoren eingesetzt, der bzw. die eine physikalisch Größe basierend auf einem physikalischen Effekt bestimmen. Pro Konzept wird ein physikalischer Effekt ausgenutzt.
Die Sensoren können einzeln oder in einer beliebigen Anzahl und Kombination an einer Plattform angeordnet sein. In anderen Worten ist es möglich, einen physikalischen Effekt zur Detektion des Unterwasserfahrzeugs zu nutzen. Es können aber auch eine Mehrzahl von physikalischen Effekten in Kombination verwendet werden, um das Unterwasserfahrzeug zu detektieren. Je mehr physikalische Effekte verwendet werden, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, das Unterwasserfahrzeug zu detektieren. Ebenso ist es möglich, den oder die verwendeten Sensoren zusammen mit einem klassischen Sonar, bevorzugt einem Passivsonar, zu verwenden. Ferner wird abschließend in einem Ausführungsbeispiel offenbart, wie einer oder mehrere der Sensoren der zweiten oder dritten Kategorie an dem (eigenen) Unterwasserfahrzeug als Plattform zur Detektion des (insbesondere feindlichen) Unterwasserfahrzeugs befestigt werden können. Weiter können zumindest einige der beschriebenen Konzepte ebenfalls dazu verwendet werden, bereits detektierte Unterwasserkontakte zu klassifizieren. Das heißt, ihren genauen Typ zu bestimmen. Dies ist möglich, da unterschiedliche Unterwasserfahrzeuge eine individuelle, typabhängige Ausprägung des betrachteten physikalischen Effekts erzeugen.
Kategorie 1 :
Ausführungsbeispiele des Konzepts 1a (1. Kategorie, Konzept a) zeigen eine Plattform zur Detektion von Unterwasserfahrzeugen mit einer Unterwasserantenne und einer Signalverarbeitungseinheit. Als Plattform kann in diesem sowie auch den folgenden Konzepten jeweils beispielsweise eine Überwasserplattform, beispielsweise ein autonomes oder konventionelles Wasserfahrzeug oder eine Schwimmboje bzw. eine Unterwasserplattform, beispielsweise ein autonomes Unterwasserfahrzeug oder ein bemanntes Unterwasserfahrzeug (U-Boot) oder ein zielsuchender Torpedo oder eine Unterwasserboje angesehen werden. Die Unterwasserantenne weist eine Vielzahl von Wasserschallwandlern auf. Die Wasserschallwandler der Vielzahl von Wasserschallwandlern sind ausgebildet, Wasserschall in ein dem Schalldruck entsprechendes elektrisches Signal umzuwandeln. Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, die elektrischen Signale der Wasserschallwandler zu erhalten und von dem Unterwasserfahrzeug ausgesendeten Infraschall in dem Wasserschall zu detektieren. Infraschall wird beispielsweise durch die Antriebsmaschinen des Unterwasserfahrzeugs aber auch durch die Verdrängung des Wassers, dem Strömungsrauschen (engl. flow noise), erzeugt.
Idee des Konzepts 1a ist es, Wasserschall nicht nur im bekannten Schallbereich von klassischen Sonaren >50 Hz zu detektieren, sondern auch im Infraschallbereich <15 Hz, insbesondere <10 Hz, bevorzugt <7 Hz. Prinzipiell können Wasserschallwandler, beispielsweise piezokeramische Wasserschallwandler, Geräusche mit diesen Frequenzen detektieren. Allerdings werden derart niedrige Frequenzen bei nahezu allen modernen Sonaranlagen herausgefiltert, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis im eigentlichen, höherfrequenten Nutzband, zu verbessern. Es fehlt außerdem an einer geeigneten Signalverarbeitung. Ein großer Vorteil dieses Konzepts ist es, dass das Unterwasserfahrzeug auch detektiert werden kann, wenn sich die Wasserschallwandler außerhalb des Kielwassers des Unterwasserfahrzeugs befinden.
Ausführungsbeispiele zeigen, dass die Unterwasserantenne eine Länge von zumindest 50m, bevorzugt zumindest 75m, zumindest 100m, zumindest 200m, zumindest 350m oder zumindest 500m aufweist. Diese Antennenlängen erlauben die Detektion von Infraschall im Wasser gemäß einer Halbwellenantenne.
Weitere Ausführungsbeispiele zeigen, dass die Plattform ein Unterwasserfahrzeug aufweist und die Unterwasserantenne eine Schleppantenne umfasst, die ausgebildet ist, von dem Unterwasserfahrzeug gezogen zu werden. Wird ein Unterwasserfahrzeug zur Detektion des (feindlichen) Unterwasserfahrzeugs verwendet, ist es vorteilhaft, als Unterwasserantenne eine Schleppantenne zu verwenden. Somit ist es möglich, die Unterwasserantenne von den Geräuschen des schleppenden Unterwasserfahrzeugs zu entkoppeln. Ferner können so auch Antennenlängen realisiert werden, die deutlich größer als 100m sind und somit auch Geräusche mit Frequenzen kleiner oder gleich 1 Hz detektiert werden können. Bei einer Halbwellenantenne wäre dies eine Länge der Unterwasserantenne von 750m oder mehr.
Ebenso ist es möglich, beispielsweise eine fest an dem Unterwasserfahrzeug montierte Antenne, beispielsweise eine Seitensichtantenne, als Unterwasserantenne zu verwenden. Hier ist die Länge der Unterwasserantenne jedoch durch die Länge des Unterwasserfahrzeugs begrenzt.
Darüber hinaus ist es möglich, eine Antenne aus Wasserschallwandlern der fest an dem Unterwasserfahrzeug montierten Antenne sowie der Schleppantenne zu bilden, um noch größere Längen der Unterwasserantenne realisieren zu können. D.h., in einem Ausführungsbeispiel weist das Unterwasserfahrzeug zumindest einen Wasserschallwandler der Vielzahl von Wasserschallwandlern und die Schleppantenne zumindest einen Wasserschallwandler der Vielzahl von Wasserschallwandlern auf, so dass das Unterwasserfahrzeug und die Schleppantenne jeweils einen Teil der Unterwasserantenne aufweisen.
In weiteren Ausführungsbeispielen ist die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet, eine Richtungsbildung (beamforming) basierend auf dem Infraschall durchzuführen um eine Richtung, in der sich das Unterwasserfahrzeug befindet, zu bestimmen. Somit ist möglich, nicht nur die Anwesenheit des (feindlichen) Unterwasserfahrzeugs, sondern auch dessen Position zu bestimmen.
Analog ist ein Verfahren zur Detektion von Unterwasserfahrzeugen mit folgenden Schritten offenbart: -Umwandeln von Wasserschall in ein dem Schalldruck entsprechendes elektrisches Signal; -Analysieren des elektrischen Signals um von dem Unterwasserfahrzeug ausgesendeten Infraschall in dem Wasserschall zu detektieren.
Ausführungsbeispiele des Konzepts 1b (1. Kategorie, Konzept b) offenbaren eine Unterwasserplattform (20) zur Detektion von Unterwasserfahrzeugen umfassend einen Magnet-Anomalie Detektor (MAD) sowie eine Signalverarbeitungseinheit. Der Magnet-Anomalie Detektor ist ausgebildet, das Erdmagnetfeld zu detektieren und ein entsprechendes MAD-Sensorsignal auszugeben. Die Signalverarbeitungseinheit erhält das MAD-Sensorsignal und kann eine Abweichung des Erdmagnetfeldes durch das Unterwasserfahrzeug detektieren.
Idee des Konzepts 1b ist es, eine durch das (feindliche) Unterwasserfahrzeug, insbesondere den darin verbauten ferromagnetischen Werkstoffen wie z.B. Stahl, hervorgerufene Verzerrung des Erdmagnetfelds zu detektieren. Die Auswirkungen auf das Erdmagnetfeld sind zwar nur minimal, aber messbar. Bekannt ist die Detektion von Unterwasserfahrzeugen mittels MAD Sensoren aus der Luft. So können Flugzeuge oder Hubschrauber Gewässer überfliegen und mittels der MAD Sensoren Unterwasserfahrzeuge detektieren.
Nun ist die Kommunikation zwischen Flugzeug bzw. Hubschrauber und Unterwasserplattform, beispielsweise einem Unterwasserfahrzeug, nicht trivial. Insoweit ist es vorteilhaft, zur Erstellung des Lagebilds für das Unterwasserfahrzeug, dass auch das Unterwasserfahrzeug das (feindliche) Unterwasserfahrzeug detektieren kann. Dieses Verfahren zur Detektion des (feindlichen) Unterwasserfahrzeugs hat den großen Vorteil, dass die magnetische Signatur eines Unterwasserfahrzeugs nur äußerst aufwendig reduziert werden kann und sich insofern gute Detektionsmöglichkeiten bieten.
Ausführungsbeispiele zeigen, dass die Unterwasserplattform ein Unterwasserfahrzeug und ein Zugmittel aufweist. Das Zugmittel ist ausgebildet, von dem Unterwasserfahrzeug, insbesondere einem U-Boot, gezogen zu werden. Als Zugmittel eignet sich z.B. ein Seil oder ein Band oder auch eine Kombination aus einem Seil bzw. einem Band und einer Schleppantenne. Der Magnet-Anomalie Detektor ist an dem Zugmittel angeordnet, so dass der Magnet-Anomalie Detektor im Betrieb entfernt von dem Unterwasserfahrzeug angeordnet ist. Beispielsweise kann der Magnet-Anomalie Detektor am Ende eines Schleppsonars angeordnet sein. Dies ist vorteilhaft, da somit eine sehr große Distanz zwischen Magnet-Anomalie Detektor und Unterwasserfahrzeug geschaffen wird. Der Einfluss des eigenen Unterwasserfahrzeugs auf den Magnet-Anomalie Detektor werden somit reduziert. So können (feindliche) Unterwasserfahrzeuge zuverlässiger detektiert werden. Bevorzugt weist der Magnet-Anomalie Detektor einen Abstand von mindestens 100m, bevorzugt mindestens 250m, weiter bevorzugt mindestens 500m, weiter bevorzugt mindestens 1000m oder weiter bevorzugt mindestens 1500m auf.
Analog ist ein Verfahren zur Detektion von Unterwasserfahrzeugen mit folgenden Schritten offenbart: -Detektieren des Erdmagnetfelds mittels eines Magnet-Anomalie Detektors und Ausgeben ein entsprechendes MAD-Sensorsignals; -Detektieren von einer Abweichung des Erdmagnetfeldes durch das Unterwasserfahrzeug in dem MAD-Sensorsignal.
Kategorie 2:
Ausführungsbeispiele des Konzepts 2a (2. Kategorie, Konzept a) zeigen eine Plattform zur Detektion von Unterwasserfahrzeugen mit einem Sensor und einer Signalverarbeitungseinheit. Der Sensor ist ausgebildet, Meerwasser chemisch zu analysieren und in einem entsprechenden Analyseergebnis einen Anteil zumindest eines vordefinierten Stoffes auszugeben. Beispielsweise kann der Sensor eine Konzentration des Stoffes in dem Meerwasser bestimmen. In den folgenden Ausführungsbeispielen werden verschiedene, geeignete Stoffe beschrieben, die auf die Detektion eines Unterwasserfahrzeugs, insbesondere eines bemannten Unterwasserfahrzeugs, hinweisen. Da in Kategorie 2 und 3 Vorrichtungen und Verfahren beschrieben werden, um das Kielwasser des Unterwasserfahrzeugs zu detektieren, ist es vorteilhaft, in jedem dieser Konzepte kontinuierlich, d.h. zumindest in Abständen von weniger als 10, bevorzugt weniger als 1 Sekunde, weiter bevorzugt in Abständen von weniger als 100 Millisekunden, Messungen mit dem Sensor vorzunehmen. Dies ermöglicht es der Plattform, insbesondere einer beweglichen Plattform, sich mit dem Sensor im Kielwasser des Unterwasserfahrzeugs zu bewegen und wenn das Kielwasser verlassen wird, dieses schnellstmöglich wieder zu finden.
Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, basierend auf dem Analyseergebnis, eine Abweichung zu einem vorherigen Analyseergebnis oder eine Abweichung zu einem erwarteten Analyseergebnis zu ermitteln, um das Unterwasserfahrzeug zu detektieren. Eine, insbesondere signifikante, Abweichung zu einem vorherigen Analyseergebnis kann anzeigen, dass sich der Sensor der Plattform in das Kielwasser des (feindlichen) Unterwasserfahrzeugs hinein oder aus diesem herausbewegt hat. Eine Abweichung zu einem erwarteten Analyseergebnis kann z.B. anzeigen, dass sich der Sensor in dem Kielwasser eines Unterwasserfahrzeugs befindet, auch ohne vorher einen Referenzwert ermittelt zu haben.
Idee des Konzepts 2a ist es, von einem Unterwasserfahrzeug abgesonderte chemische Stoffe im Kielwasser des Unterwasserfahrzeugs zu detektieren und auf die Anwesenheit des Unterwasserfahrzeugs zu schließen.
Ausführungsbeispiele zeigen, dass die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet ist, basierend auf einer aktuellen Position der Unterwasserplattform, in einer Datenbank das zu erwarteten Analyseergebnis abzufragen. Bei der Datenbank kann es sich beispielsweise um eine Seekarte handeln, in der Konzentrationen des vordefinierten Stoffs eingetragen sind. So können regionale Unterschiede des Anteils des vordefinierten Stoffs in dem Meerwasser berücksichtigt werden. Somit kann beispielsweise auch ohne vorheriges Analyseergebnis mit größerer Genauigkeit bestimmt werden, ob sich der Sensor im Kielwasser eines Unterwasserfahrzeugs befindet oder nicht. In anderen Worten kann der Hintergrundpegel des vordefinierten Stoffs bestimmt werden, so dass eine erhöhte Konzentration basierend auf dem Hintergrundpegel bestimmt werden kann.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Sensor ausgebildet, als vordefiniertem Stoff einen Anteil von Zink, Nickel, Kupfer, Wasserstoff oder Kohlenwasserstoff als vordefiniertem Stoff in dem Meerwasser zu bestimmen. Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, den bestimmten Anteil des vordefinierten Stoffs mit einer einem Anteil des vordefinierten Stoffs in einem vorherigen Analyseergebnis oder mit einem erwarteten Anteil des vordefinierten Stoffs zu vergleichen, um das Unterwasserfahrzeug zu detektieren. Bevorzugt ist das vorherige Analyseergebnis das Analyseergebnis der letzten, d.h. unmittelbar vorangegangenen, Messung.
Zink ist als vordefinierter Stoff geeignet, da Unterwasserfahrzeuge typischerweise zinkhaltige Opferanoden aufweisen. Die Opferanoden verhindern, dass beispielsweise die Hülle oder andere, außenliegende Teile des Unterwasserfahrzeugs rosten.
Nickel ist als vordefinierter Stoff geeignet, da Rohre wie z.B. Kühlwasserleitungen von Unterwasserfahrzeugen, die mit dem Meerwasser in Berührung kommen, typischerweise nickelhaltig sind.
Kupfer ist als vordefinierter Stoff geeignet, da dieser ebenfalls für Rohre von Unterwasserfahrzeugen, die mit dem Meerwasser in Berührung kommen eingesetzt wird. Ebenfalls ist Kupfer auch in Antifouling-Farbe verwendet, um das Unterwasserfahrzeug gegen Bewuchs und andere Verunreinigungen zu schützen.
Wasserstoff ist als vordefinierter Stoff geeignet, da dieser als Abfallprodukt bei der Sauerstoffherstellung anfällt. Sauerstoff wird z.B. zum Atmen für die Besatzung benötigt. Der Anteil an Wasserstoff im Meerwasser lässt sich beispielsweise mittels einer pH-Wert Analyse des Meerwassers als chemischer Analyse schnell und zuverlässig bestimmen.
In einem Ausführungsbeispiel, ergänzend oder alternativ zu der Bestimmung des Anteils von Zink, Nickel, Kupfer, Wasserstoff oder Kohlenwasserstoff als vordefiniertem Stoff in dem Meerwasser, ist der Sensor ausgebildet, einen Anteil von einem Kohlenwasserstoff, insbesondere Diesel, in dem Meerwasser zu bestimmen. Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, den bestimmten Anteil des Kohlenwasserstoffs mit einer dem Anteil des Kohlenwasserstoffs in einem vorherigen Analyseergebnis oder mit einem erwarteten Anteil von Kohlenwasserstoff zu vergleichen, um das Unterwasserfahrzeug zu detektieren. So ist es möglich bei dieselbetriebenen Unterwasserfahrzeugen kleine Mengen an Diesel in dem Kielwasser des Unterwasserfahrzeugs zu detektieren, da die Dieseltanks typischerweise unten offen sind. Somit kann Meerwasser den verbrauchten Diesel ersetzen, um die Änderung des Auftriebs des Unterwasserfahrzeugs möglichst gering zu halten. Zwar schwimmt der überwiegende Teil des Diesels aufgrund der geringeren Dichte gegenüber Meerwasser oben auf, allerdings lässt es sich nicht vermeiden, dass sich geringe Mengen des Diesels auch mit dem Meerwasser vermischen und so in das Kielwasser des Unterwasserfahrzeugs gelangen. In Ausführungen ist der Sensor ausgebildet, eine Atomabsorptionsspektroskopie, eine laserinduzierte Plasmaspektroskopie, eine energiedispersive Röntgenspektroskopie oder zumindest zwei der vorgenannten Verfahren durchzuführen, um das Meerwasser chemisch zu analysieren. Mittels der vorgenannten Verfahren ist es möglich, das Meerwasser auf vorbestimmte Stoffe zu untersuchen.
In weiteren Ausführungsbeispielen ist der Sensor ausgebildet, Anteile einer Mehrzahl von vordefinierten Stoffen in dem Meerwasser auszugeben. Alternativ umfasst die Plattform eine Mehrzahl von Sensoren, wobei der Sensor ein Sensor der Mehrzahl von Sensoren ist, wobei die Sensoren der Mehrzahl von Sensoren ausgebildet sind, das Meerwasser chemisch zu analysieren und in einem jeweiligen entsprechenden Analyseergebnis einen Anteil einer Mehrzahl von vordefinierten Stoffen in dem Mehrwasser auszugeben. In anderen Worten kann ein Sensor oder eine Mehrzahl von Sensoren Anteile von verschiedenen Stoffen in dem Meerwasser bestimmen.
Die Signalverarbeitungseinheit ist in diesen Ausführungsbeispielen ausgebildet, basierend auf den Analyseergebnissen eine chemische Signatur aus der Mehrzahl von vordefinierten Stoffen als Abweichung der Anteile der vordefinierten Stoffe zu einem vorherigen Analyseergebnis oder eine Abweichung zu einem erwarteten Analyseergebnis zu ermitteln, um das Unterwasserfahrzeug zu detektieren, insbesondere zu klassifizieren. In anderen Worten kann die Signalverarbeitungseinheit ein natürliches Vorkommen der vordefinierten Stoffe an der aktuellen Position der Plattform schätzen. Die Schätzung kann auf einem vorherigen Messwert basieren, bei dem die Plattform außerhalb des Kielwassers eines Unterwasserfahrzeugs eine Messung durchgeführt hat. Ergänzend oder alternativ kann die Schätzung auf Werten einer Datenbank basieren. Beispielsweise ist die Datenbank in Form einer Seekarte ausgeführt, in der Konzentrationen der vordefinierten Stoffe an verschiedenen Positionen eingetragen sind.
Basierend auf der chemischen Signatur ist eine robustere Detektion des Unterwasserfahrzeugs möglich. Ferner ist es möglich, mittels der chemischen Signatur eine Klassifikation des Unterwasserfahrzeugs vorzunehmen. So unterscheiden sich die Typen von Unterwasserfahrzeugen beispielsweise in der Menge an Diesel, der aus den Treibstofftanks ausgeschwemmt wird oder in der Länge der Rohrleitungen, die in Kontakt mit dem Meerwasser stehen. Dadurch ändert sich die chemische Signatur des Unterwasserfahrzeugs.
Ferner weist ist der Sensor bzw. die Sensoren ausgebildet, eine Isotopenzusammensetzung des detektierten Stoffes bzw. der detektierten Stoffe zu ermitteln, um eine Klassifizierung des Unterwasserfahrzeugs zu ermöglichen. Die Isotopenzusammensetzung z.B. des Diesels oder der detektierten Metalle ermöglicht es, die Herkunft der Stoffe zu ermitteln. Basierend auf der Herkunft ist eine Zuordnung zu einem Unterwasserfahrzeug, insbesondere einer Nation, der das Unterwasserfahrzeug gehört, möglich.
Die Analyse der Isotopenzusammensetzung in Kombination mit der chemischen Signatur des Unterwasserfahrzeugs ermöglicht eine noch genauere Klassifikation des Unterwasserfahrzeugs als es die jeweiligen Verfahren einzeln ermöglichen.
Analog ist ein Verfahren zur Detektion von Unterwasserfahrzeugen mit folgenden Schritten offenbart: -chemisches Analysieren von Meerwasser um in einem Analyseergebnis einen Anteil zumindest eines vordefinierten Stoffes auszugeben; - Ermitteln, basierend auf dem Analyseergebnis, einer Abweichung zu einem vorherigen Analyseergebnis oder einer Abweichung zu einem erwarteten Analyseergebnis, um das Unterwasserfahrzeug zu detektieren.
Ausführungsbeispiele des Konzepts 2b (2. Kategorie, Konzept b) zeigen eine Plattform zur Detektion von Unterwasserfahrzeugen mit Atomantrieb. Die Plattform weist einen Sensor und eine Signalverarbeitungseinheit auf. Der Sensor ist ausgebildet, radioaktive Strahlung zu detektieren und ein entsprechendes Strahlungssignal auszugeben. Bei dem Sensor kann es sich um einen Geiger Zähler handeln. Hierbei ist vorteilhaft, dass bemannte Unterwasserfahrzeuge üblicherweise bereits einen Geiger zähler an Bord haben. Dieser kann beispielsweise am Periskop montiert sein. Mit dem Geiger Zähler kann die Besatzung vor dem Ausstieg prüfen, ob der Ausstiegsort, beispielsweise durch eine Atombombe, radioaktiv verstrahlt ist. Dieser Geiger Zähler kann auch unter Wasser verwendet werden, um radioaktive Strahlung in dem Kielwasser des Unterwasserfahrzeugs zu detektieren. Ergänzend oder alternativ kann auch ein separater Sensor an der Plattform montiert werden. Optional kann der Sensor in einem druckdichten Gehäuse, welches die radioaktive Strahlung passieren lässt, integriert sein. An den relevanten Stellen, an denen das Gehäuse die Strahlung passieren lassen soll, kann das Gehäuse beispielsweise aus Glas bestehen, damit die radioaktive Strahlung in das Gehäuse eindringen kann. Insbesondere Gammastrahlung kann Glas durchdringen.
Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, das Strahlungssignal zu erhalten und eine Abweichung zu einem vorherigen Strahlungssignal oder eine Abweichung zu einem erwarteten Strahlungssignal zu ermitteln, um das Unterwasserfahrzeug zu detektieren. Das erwartete Strahlungssignal kann die terrestrische Strahlung an dem Ort umfassen oder daraus bestehen. Das vorherige Strahlungssignal kann aus einer Messung außerhalb des Kielwassers eines atomar angetriebenen Unterwasserfahrzeugs in der Nähe das aktuellen Ortes stammen.
Idee des Konzepts 2b ist es, atomar angetriebene Unterwasserfahrzeuge wie z.B. Atom U-Boote detektieren zu können, auch wenn sie keine oder nur sehr geringe Geräusche abgeben. Da atomar angetriebene Unterwasserfahrzeuge zwangsläufig zumindest kleine Mengen an Radioaktivität, beispielsweise Gammastrahlung, abstrahlen, kann diese im Wasser detektiert werden.
In Ausführungsbeispielen ist die die Plattform als (insbesondere stationäre) Unterwasserplattform ausgebildet oder umfasst dieselbe zumindest. Die Unterwasserplattform ist auf dem Gewässergrund angeordnet oder an dem Gewässergrund, insbesondere Meeresgrund, befestigt. D.h. die Unterwasserplattform kann eine größere Dichte aufweisen, als Wasser und auf den Gewässergrund absinken. Dort kann die Unterwasserplattform befestigt, beispielsweise verankert, sein. Alternativ kann die Unterwasserplattform auch auftriebsneutral sein oder eine geringere Dichte aufweisen als das umgebende (Meer-) Wasser. In diesem Fall kann die Unterwasserplattform, beispielsweise mittels eines Seils, an dem Gewässergrund befestigt sein. Bevorzugt ist die Unterwasserplattform in der Fahrrinne, beispielsweise in einer engen Wasserpassage, wie in einer Meerenge angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass Unterwasserfahrzeuge gezwungen sind, in der Nähe der Unterwasserplattform vorbeizufahren. Ferner ist die Unterwasserplattform dann zwangsläufig in der Nähe des Unterwasserfahrzeugs angeordnet. So ist es möglich, direkt von dem Unterwasserfahrzeug ausgestrahlte atomare Strahlung zu empfangen und so eine Klassifikation des Unterwasserfahrzeugs, beispielsweise basierend auf einer Isotopenuntersuchung der radioaktiven Strahlung, durchzuführen. Zwar kann radioaktive Strahlung auch noch in größerer Entfernung detektiert werden, dann jedoch nur mittelbar über durch die radioaktive Strahlung ionisierte Wassermoleküle. Hierdurch ist eine Unterscheidung bezüglich nuklear oder konventionell angetriebenen U-Booten möglich, jedoch keine genauere Unterscheidung.
Analog ist ein Verfahren zur Detektion von Unterwasserfahrzeugen mit Atomantrieb mit folgenden Schritten offenbart: -Detektieren radioaktiver Strahlung und Ausgeben eines entsprechenden Strahlungssignals; Ermitteln einer Abweichung zu einem vorherigen Strahlungssignal oder einer Abweichung zu einem erwarteten Strahlungssignal, um das Unterwasserfahrzeug zu detektieren.
Ausführungsbeispiele des Konzepts 2c (2. Kategorie, Konzept c) zeigen eine Plattform zur Detektion von Unterwasserfahrzeugen mit einem Temperatursensor und einer Signalverarbeitungseinheit. Der Temperatursensor ist ausgebildet, eine Temperatur mit einer Genauigkeit von weniger oder gleich 0,1 °C, bevorzugt weniger oder gleich 0,5°C, weiter bevorzugt weniger oder gleich 0,01 °C zu detektieren. Das heißt, der Temperatursensor ist hoch sensitiv für Temperaturänderungen. Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, kontinuierlich die Temperatur des Temperatursensors zu erhalten und eine Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur zu ermitteln, um das Unterwasserfahrzeug zu detektieren.
Idee des Konzepts 2c ist es, schnelle Temperaturänderungen im Kielwasser des Unterwasserfahrzeugs zu detektieren, die aus der durch das Unterwasserfahrzeug ausgelöste Durchmischung von Wasserschichten resultiert. Hierbei kommt es zu einer häufigen, schnellen Änderung der Temperatur. D.h. es findet eine dynamische Temperaturänderung statt. Ferner erwärmt das Unterwasserfahrzeug das umgebende Wasser minimal. Dies resultiert in einer statischen Temperaturänderung. Beide Effekte sind bei einer kontinuierlichen Temperaturmessung detektierbar.
Ausführungsbeispiele zeigen, dass der Temperatursensor ausgebildet ist, zumindest 90% einer Temperaturänderung von 0,1 °C innerhalb von maximal 5ms, bevorzugt innerhalb von maximal 2ms, weiter bevorzugt innerhalb von 1 ms zu detektieren. Dies ermöglicht es, die dynamische Temperaturänderung auch mit der nötigen Geschwindigkeit nachzuverfolgen.
In weiteren Ausführungsbeispielen ist die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet, eine statistische Analyse der Temperaturmessungen über der Zeit durchzuführen, um eine Abweichung der Temperatur von einer üblichen Temperatur festzustellen.
Analog ist ein Verfahren zur Detektion von Unterwasserfahrzeugen mit folgenden Schritten offenbart: -kontinuierlich Detektieren einer Temperatur mit einer Genauigkeit von weniger als 0,1 °C; -Ermitteln einer Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur, um das Unterwasserfahrzeug zu detektieren.
Ausführungsbeispiele des Konzepts 2d (2. Kategorie, Konzept d) zeigen eine Plattform zur Detektion von Unterwasserfahrzeugen mit einem Sensor und einer Signalverarbeitungseinheit. Der Sensor ist ausgebildet, einen Brechungsindex des die Plattform umgebenden Wasser zu bestimmen und ein entsprechendes elektrisches Signal auszugeben. Der Sensor umfasst oder ist beispielsweise ein Refraktometer. Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, basierend auf dem elektrischen Signal aufeinanderfolgender Messungen eine Änderung des Brechungsindexes des die Plattform umgebenden Wassers zu erfassen, um das Kielwasser des Unterwasserfahrzeuges zu detektieren.
Idee des Konzepts 2d ist es, einen durch das Unterwasserfahrzeug verursachten geänderten Brechungsindex in dem Kielwasser zu detektieren. Der Brechungsindex ändert sich beispielsweise durch eine Änderung der Temperatur des (Meer-) Wassers. Es gibt aber noch weitere Faktoren, die den Brechungsindex verändern. So beispielsweise ein veränderter Salzgehalt oder Chemikalien in dem Kielwasser. Der Salzgehalt kann durch die sich durchmischenden Wasserschichten variieren. Chemikalien können von dem Unterwasserfahrzeug in das Wasser gelangen. Somit stellt die Bestimmung des Brechungsindex sowohl eine Alternative zu der Temperaturmessung des Konzepts 2c dar als auch eine sinnvolle Ergänzung, um eine robustere Detektion des Unterwasserfahrzeugs durch sich vermischende Wasserschichten zu ermöglichen.
Analog ist ein Verfahren zur Detektion von Unterwasserfahrzeugen mit folgenden Schritten offenbart: -Kontinuierlich Bestimmen eines Brechungsindex des die Plattform umgebenden Wassers und Ausgeben eines entsprechenden elektrischen Signals; -Erfassen, basierend auf dem elektrischen Signal aufeinanderfolgender Messungen, einer Änderung des Brechungsindexes des die Plattform umgebenden Wassers, um das Unterwasserfahrzeug zu detektieren.
Ausführungsbeispiele des Konzepts 2e (2. Kategorie, Konzept e) zeigen eine Plattform zur Detektion von Unterwasserfahrzeugen mit einem Sensor und einer Signalverarbeitungseinheit. Der Sensor ist ausgebildet, Licht zu detektieren und ein entsprechendes elektrisches Signal auszugeben. Beispielsweise ist der Sensor eine Photodiode bzw. der Sensor weist die Photodiode auf, oder der Sensor ist ein bzw. umfasst einen, bevorzugt elektronischen, Lichtbildsensor, z.B. einen CCD-Sensor (charge-coupled device (dt.: ladungsgekoppeltes Bauteil)) o.ä.. Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, basierend auf dem elektrischen Signal eine Empfehlung auszugeben, ob das elektrische Signal Anteile von Biolumineszenz enthält. Abhängig von der Tageszeit (insbesondere bei Nacht) und bei einer Unterwasserplattform auch der Tauchtiefe (je größer die Tauchtiefe desto weniger Licht dringt zur Plattform vor) kann es ausreichen, das bloße Auftreten von Licht zu detektieren, um auf Biolumineszenz schließen zu können.
Idee des Konzepts 2e ist es, durch das Unterwasserfahrzeug ausgelöste Biolumineszenz zu detektieren. Das Unterwasserfahrzeug löst diese aus, wenn dieses durch ein Gebiet fährt, in dem spezielle Kleinstlebewesen wie z.B. Algen leben, die auf Druck angeregt werden und zu leuchten beginnen.
In Ausführungsbeispielen ist der Sensor ausgebildet, Spektralanteile des Lichts zu detektieren. Dies ist beispielsweise möglich, indem der Sensor ein Spektrometer aufweist. Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, anhand der Spektralanteile zu detektieren, ob Spektralanteile von Biolumineszenz vorhanden sind, um die Empfehlung auszugeben, ob das elektrische Signal Anteile von Biolumineszenz enthält. Dies ist beispielsweise bei einer hellen Umgebung, beispielsweise bei Tageslicht oder Vollmond vorteilhaft, um die Biolumineszenz trotz der hellen Umgebung zuverlässig detektieren zu können. Vorteilhafterweise weist der Sensor ergänzend zu dem Spektrometer einen Lichtbildsensor auf, um sowohl das Spektrum als auch das reale Lichtbild analysieren zu können.
In weiteren Ausführungsbeispielen ist der Sensor ausgebildet, sequentiell Lichtbilder von der Umgebung der Plattform zu machen, um das Licht zu detektieren. Bevorzugt werden die Lichtbilder mittels einem elektronischen Sensor, z.B. einem CCD-Sensor aufgenommen. Anhand der Sequenz von Lichtbildern ist es möglich, einsetzende Biolumineszenz zu erkennen. Ein Abgleich mit weiteren Parametern, beispielsweise der Uhrzeit oder der aktuellen Position, ermöglicht es, andere Ursachen für eine einsetzende Beleuchtung auszuschließen.
Weitere Ausführungsbeispiele zeigen, dass die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet ist, Daten zu verarbeiten, die für verschiedene Orte ein Aufkommen von auf Druck lumineszierenden Lebewesen den Orten zuweist. Beispielsweise hat die Signalverarbeitungseinheit Zugriff auf eine Seekarte, in der lumineszierende Lebewesen kartiert sind. Die Signalverarbeitungseinheit kann dann für den aktuellen Standort der Plattform das Aufkommen der auf Druck lumineszierenden Lebewesen ermitteln und diese Information bei der Ausgabe der Empfehlung, ob das elektrische Signal Anteile von Biolumineszenz enthält, berücksichtigen. Das heißt, wird eine Beleuchtung in einem Gebiet detektiert, in denen ein Vorkommen von lumineszierenden Lebewesen bekannt ist, ist die Wahrscheinlichkeit, dass es sich hierbei um Biolumineszenz handelt, deutlich größer als in einem Gebiet, in dem bekannt ist, dass es solche Lebewesen nicht gibt oder es zumindest nicht bekannt ist, dass es die lumineszierenden Lebewesen gibt.
Analog ist ein Verfahren zur Detektion von Unterwasserfahrzeugen mit folgenden Schritten offenbart: -Detektieren von Licht und Ausgeben eines entsprechenden elektrischen Signals; -Ausgeben einer Empfehlung, ob das elektrische Signal Anteile von Biolumineszenz enthält um das Unterwasserfahrzeug zu detektieren.
Kategorie 3:
Ausführungsbeispiele des Konzepts 3a (3. Kategorie, Konzept a) zeigen eine Plattform zur Detektion von Verwirbelungen durch das Kielwasser von Unterwasserfahrzeugen. Die Plattform umfasst ein Laser-Doppler Anemometer sowie eine Signalverarbeitungseinheit. Das Laser-Doppler Anemometer ist ausgebildet, eine Strömungseigenschaft in dem die Plattform umgebenden Wasser zu messen und ein entsprechendes elektrisches Signal auszugeben. Die Laser- Doppler-Technik basiert auf der Bestimmung der Dopplerverschiebung des Streulichtes eines bewegten Objektes, das mit Laserlicht beleuchtet wird. Als Strömungseigenschaft wird beispielsweise verstanden, ob das Wasser ruhig oder turbulent fließt, wie schnell das Wasser fließt oder in welche Richtung das Wasser fließt. Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, das elektrische Signal zu erhalten und die gemessene Strömungseigenschaft zu analysieren, um das Unterwasserfahrzeug zu detektieren.
Vorteilhafterweise umfasst die Plattform eine Mehrzahl von Laser-Doppler Anemometern. Durch die Messung mittels des Lasers ist nur eine punktuelle Bestimmung der Geschwindigkeit und optional Richtung des umgebenden Wassers möglich. Bei der Verwendung von mehreren Laser-Doppler Anemometern können so mehrere Punkte in einem Volumen hinsichtlich ihrer Strömungsgeschwindigkeit und optional -richtung untersucht werden. Somit ist es beispielsweise möglich, zu erkennen, ob es sich um eine turbulente Strömung oder eine lineare Strömung handelt.
Idee des Konzepts 3a ist es, Turbulenzen im Wasser zu erkennen, die auf das Kielwasser eines Unterwasserfahrzeugs hindeuten. Hierzu bieten sich verschiedene Techniken an. Eine davon ist die Laser Doppler Anemometrie. Diese basiert auf der Dopplerverschiebung von durch Partikel im Wasser erzeugtes Streulicht von einem oder mehreren Laserstrahlen. In Ausführungsbeispielen ist das Laser-Doppler Anemometer ausgebildet, die Strömungseigenschaft in einer Rückwärtsstreuanordnung (backscatter) zu messen. Das heißt, der Detektor zum Empfang des Streulichts ist auf der gleichen Seite des Messvolumens angeordnet, wie der zugehörige Laser (bzw. die zugehörigen Laser bei einem Zweistrahl Messsystem). Bei der Rückwärtsstreuanordnung ist es möglich, die Sendeoptik so zu konstruieren, dass sie gleichzeitig die Empfangsoptik mit aufnimmt, sodass eine aufwendige Justierung zwischen Sende- und Empfangseinheit entfällt. Allerdings ist die Intensität des Streusignals bei dieser Anordnung um eine Größenordnung kleiner, als bei der Vorwärtsstreuanordnung. Dennoch wird die Rückwärtsstreuung insbesondere bei beweglichen Plattformen, insbesondere Unterwasserfahrzeugen, bevorzugt. So ist es möglich, den Laser am Bug nach vorne gerichtet zu betreiben. Da das Messvolumen sich dann vor der fahrenden Plattform befindet, wird die Messung keine oder nur eine geringe Beeinflussung der Strömungseigenschaft durch die sich bewegende Plattform erfahren.
Analog ist ein Verfahren zur Detektion von Verwirbelungen durch das Kielwasser von Unterwasserfahrzeugen mit folgenden Schritten offenbart: -Messen einer Strömungseigenschaft in dem die Plattform umgebenden Wassers mittels eines Laser-Doppler Anemometers und Ausgeben eines entsprechenden elektrischen Signals; -Analysieren der gemessenen Strömungseigenschaft um das Unterwasserfahrzeug zu detektieren.
Ausführungsbeispiele des Konzepts 3b (3. Kategorie, Konzept b) zeigen eine Plattform zur Detektion von Verwirbelungen durch das Kielwasser von Unterwasserfahrzeugen. Die Plattform umfasst einen Distanz-Strömungsmesser und eine Signalverarbeitungseinheit. Der Strömungsmesser ist ausgebildet, eine Strömungseigenschaft in dem die Plattform umgebenden Wasser zu messen und ein entsprechendes elektrisches Signal auszugeben. Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, das elektrische Signal zu erhalten und die gemessene Strömungseigenschaft zu analysieren, um das Unterwasserfahrzeug zu detektieren.
Idee des Konzepts 3b ist es, Turbulenzen im Wasser, die auf das Kielwasser eines Unterwasserfahrzeugs hindeuten, zu erkennen. In Ausführungsbeispielen umfasst der Distanz-Strömungsmesser ein Ultraschall- Doppler-Profil-Strömungsmesser (Acoustic Doppler Current Profiler - ADCP). Unter Verwendung von reflektierten, ausgesendeten Schallimpulsen kann über die Laufzeit die Entfernung und über die Dopplerverschiebung die Geschwindigkeit von Streupartikeln im Wasser detektiert werden. Typischerweise werden hierfür hochfrequente Schallimpulse eingesetzt, insbesondere Frequenzen von typischerweise größer als 500kHz, bevorzugt größer als 1MHz. Solche Frequenzen können von typischen Passivsonaren nicht detektiert werden, so dass die Gefahr der Ortung durch den ausgesendeten Schall gering ist. Ferner werden solche hohen Frequenzen im Wasser auch stark gedämpft, so dass die Reichweite sehr gering ist und maximal im Bereich von wenigen hundert Metern liegt.
Analog ist ein Verfahren zur Detektion von Verwirbelungen durch das Kielwasser von Unterwasserfahrzeugen mit folgenden Schritten offenbart: -Messen einer Strömungseigenschaft in dem die Plattform umgebenden Wassers mittels eines Distanz-Strömungsmessers und Ausgeben eines entsprechenden elektrischen Signals; -Analysieren der gemessenen Strömungseigenschaft, um das Unterwasserfahrzeug zu detektieren.
Ausführungsbeispiele des Konzepts 3c (3. Kategorie, Konzept c) zeigen eine Plattform zur Detektion von Verwirbelungen durch das Kielwasser von Unterwasserfahrzeugen. Die Plattform umfasst ein thermisches Anemometer und eine Signalverarbeitungseinheit. Das thermische Anemometer ist ausgebildet, eine Strömungseigenschaft, insbesondere eine Strömungsrichtung und/oder eine Strömungsgeschwindigkeit, in dem die Plattform umgebenden Wasser zu messen und ein entsprechendes elektrisches Signal auszugeben. Das thermische Anemometer nutzt als Messeffekt die Abkühlung, die die Oberfläche eines warmen Körpers in einem kälteren strömenden Medium erfährt. Bevorzugt wird der warme Körper elektrisch erwärmt, so dass über die Temperaturänderung des Körpers direkt eine messbare Widerstandsänderung des Körpers erfolgt. Die Signalverarbeitungseinheit erhält das elektrische Signal analysiert die gemessene Strömungsgeschwindigkeit, um das Unterwasserfahrzeug zu detektieren. Idee des Konzepts 3c ist es, Turbulenzen im Wasser, die auf das Kielwasser eines Unterwasserfahrzeugs hindeuten, auch ohne Wasserwirbel oder Partikel im Wasser detektieren zu können. Dies ist mittels eines thermischen Anemometers zuverlässig möglich.
Ausführungsbeispiele zeigen, dass das thermische Anemometer einen Heißfilm oder einen Hitzdraht (oder eine Kombination aus beidem) aufweist. Das Hitzdraht- Anemometer umfasst zumindest zwei senkrecht zueinander angeordnete Hitzdrähte. Somit ist es möglich, eine zweidimensionale Strömungsrichtung zu ermitteln. Bevorzugt werden jedoch sowohl vier Heißfilme als auch drei oder vier Hitzdrähte pro thermischem Anemometer eingesetzt. Mit drei jeweils senkrecht zueinander angeordneten Hitzdrähten kann eine dreidimensionale Strömungsrichtung ermittelt werden, mittels eines vierten Drahts kann auch eine Rückströmung bestimmt werden. Ebenso können vier Heißfilm-Anemometer an vier Seiten eines Körpers, beispielsweise eines Rohrs, angeordnet sein, um eine dreidimensionale Strömungsrichtung inkl. Rückströmung bestimmen zu können. Das Heißfilm- Anemometer ist vorteilhaft bei dem Einsatz an fahrbaren Plattformen (z.B.
Unterwasserfahrzeugen) oder Plattformen, die sich direkt in einer Wasserströmung befinden, da dieses robust ist und dem Wasserwiderstand gut widerstehen kann.
In Ausführungsbeispielen weist die Plattform einen Temperatursensor auf, der ausgebildet ist, eine aktuelle Temperatur des Wassers, das die Plattform umgibt, zu bestimmen. Das thermische Anemometer ist ausgebildet, einen Stromfluss durch ein Sensorelement (d.h. z.B. Hitzdraht oder Heißfilm) derart einzustellen, dass eine Messtemperatur des thermischen Anemometers unabhängig von der Strömungseigenschaft des Wassers eine konstante Temperatur gegenüber der Temperatur des Wassers, das die Plattform umgibt, aufweist. Dieses Verfahren wird auch als Konstant-Temperatur-Anemometrie bezeichnet. Wird ein Referenzsensor benötigt, um die Temperatur des Wassers zu bestimmen, kann hierzu auf bereits an der Plattform, beispielsweise einem Unterwasserfahrzeug wie einem U-Boot, verbaute Sensoren oder auf den Temperatursensor gemäß Konzept 2c zurückgegriffen werden. Alternativ ist das thermische Anemometer ausgebildet, einen konstanten Stromfluss durch das Sensorelement zu gewährleisten, so dass über die Temperaturänderung die Strömungseigenschaft des Wassers gemessen wird. Diese Verfahren wird auch als Konstant-Strom-Anemometrie bezeichnet.
Analog ist ein Verfahren zur Detektion von Verwirbelungen durch das Kielwasser von Unterwasserfahrzeugen mit folgenden Schritten offenbart: -Messen einer Strömungseigenschaft in dem die Plattform umgebenden Wassers mittels eines thermischen Anemometers und Ausgeben eines entsprechenden elektrischen Signals; -Analysieren der gemessenen Strömungseigenschaft um das Unterwasserfahrzeug zu detektieren.
Ausführungsbeispiele des Konzepts 3d (3. Kategorie, Konzept d) zeigen eine Plattform zur Detektion von Verwirbelungen durch das Kielwasser von Unterwasserfahrzeugen mit einem Sensor und einer Signalverarbeitungseinheit. Der Sensor ist ausgebildet, ein den Sensor umgebendes Magnetfeld zu detektieren und ein entsprechendes elektrisches Signal auszugeben. Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, das elektrische Signal zu erhalten und basierend auf aufeinanderfolgenden Messungen Magnetfeldänderungen durch Verwirbelungen in dem Kielwasser beschleunigten Ionen als Überlagerung des statischen Erdmagnetfelds zu bestimmen. Somit ist es möglich, den Eintritt in das Kielwasser eines Unterwasserfahrzeugs zu bestimmen. Bevorzugt ist der Sensor ausgebildet ist, das Magnetfeld der beschleunigten Ionen in zumindest zwei, insbesondere drei Raumrichtungen zu bestimmen. Hier kann dann auch im Kielwasser des Unterwasserfahrzeugs das typische rotierende Magnetfeld der dort vorhandenen Turbulenzen bestimmt werden.
Idee des Konzepts 3d ist es, die durch den Salzgehalt natürlich im Meerwasser enthaltenen Ionen im Kielwasser des Unterwasserfahrzeugs zu detektieren. Durch ihre Ladung erzeugen die Ionen, wenn sie sich bewegen ein Magnetfeld. Dieses wird jedoch betragsmäßig von dem Erdmagnetfeld überlagert, was die Messung erschwert. Aus diesem Grund analysiert die Signalverarbeitungseinheit einen zeitlichen Verlauf des Magnetfelds, um eine Magnetfeldänderung zu detektieren. Im Kielwasser des Unterwasserfahrzeugs ist eine Magnetfeldänderung dann nur noch mit einem mehrdimensionalen Magnetfeldsensor messbar. Der Magnetfeldsensor ist demnach bevorzugt Teil eines Arrays von (bevorzugt gleichartigen) Magnetfeldsensoren. Bei einer fahrbaren Plattform, beispielsweise einem Unterwasserfahrzeug, ist der Magnetfeldsensor bzw. das Array von Magnetfeldsensoren bevorzugt vor dem Unterwasserfahrzeug angeordnet. Ferner weist der Magnetfeldsensor eine Detektionsschwelle von bevorzugt weniger als auf.
Optional eignet sich als Magnetfeldsensorarray beispielsweise der Magnet-Anomalie Detektor gemäß Konzept 1 b, sofern dieser eine ausreichende Messgeschwindigkeit aufweist, um die Wasserwirbel zu detektieren. Allerdings ist bei dem Magnetfeldsensorarray gemäß Konzept 1 b zu berücksichtigen, dass dieser vorteilhafterweise geschleppt wird und somit auch das schleppende Unterwasserfahrzeug Wasserwirbel erzeugt.
Analog ist ein Verfahren zur Detektion von Verwirbelungen durch das Kielwasser von Unterwasserfahrzeugen mit folgenden Schritten offenbart: -Detektieren eines Magnetfelds und Ausgeben eines entsprechenden elektrischen Signals; -Bestimmen, basierend auf aufeinanderfolgenden Messungen, Magnetfeldänderungen durch Verwirbelungen in dem Kielwasser beschleunigter Ionen als Überlagerung des statischen Erdmagnetfelds.
Ausführungsbeispiele des Konzepts 3e (3. Kategorie, Konzept e) zeigen eine Plattform zur Detektion von Verwirbelungen durch das Kielwasser von zur Detektion von Unterwasserfahrzeugen mit einem Biegesensor und einer Signalverarbeitungseinheit. Der Biegesensor ist ausgebildet, Verwirbelungen in dem den Biegesensor umgebenden Wasser detektieren und ein entsprechendes elektrisches Signal auszugeben. Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, das elektrische Signal zu erhalten und basierend auf dem elektrischen Signal aufeinanderfolgender Messungen die Verwirbelungen durch das Kielwasser des Unterwasserfahrzeugs zu detektieren. Verwirbelungen, die durch das Kielwasser des Unterwasserfahrzeugs hervorgerufen werden zeichnen sich beispielsweise dadurch aus, dass diese eine Spur bilden und somit über eine Vielzahl von Messungen detektiert werden können. Ferner ist es möglich, wenn die Verwirbelungen bei einer sich bewegenden Plattform nicht mehr detektiert werden können, durch Messungen im nahen Umkreis um den letzten Messort die Verwirbelungen, d.h. die Spur, wieder aufzufinden.
Idee des Konzepts 3e ist es, mittels eines hochempfindlichen Biegesensors, in Anlehnung an die Schnurrhaare von Seehunden, Wasserströmungen detektieren zu können.
In Ausführungsbeispielen weist der Biegesensor eine Krümmung, insbesondere eine Windung, bevorzugt eine Vielzahl von Windungen, auf. Beispielsweise ist der Biegesensor helixförmig ausgebildet. Es ist möglich, dass das sensorische Element diese Form aufweist, alternativ ist es auch möglich, dass der Biegesensor eine Trägerform umfasst, auf die das sensorische Element aufgebracht ist. Diese Form ist vorteilhaft, um eine geringe Eigensteifigkeit zu erreichen und somit eine hohe Empfindlichkeit des Biegesensors zu ermöglichen.
In weiteren Ausführungsbeispielen umfasst der Biegesensor ein Piezoelement. Das Piezoelement kann auf der Trägerform des Biegesensors aufgebracht sein. Das Aufbringen ist beispielsweise in Form einer Beschichtung oder einer Folie möglich. Alternativ kann das Piezoelement stabförmig ausgebildet sein. So kann der Biegesensor ohne Trägerform auskommen. In einer weiteren Alternative kann die Trägerform auf das Piezoelement fußen. Abhängig von der eingestellten Empfindlichkeit der Trägerform variiert der Druck, der durch die Trägerform auf das Piezoelement ausgeübt wird, bei gleicher Wassergeschwindigkeit.
Ergänzend oder alternativ zu dem Piezoelement kann der Biegesensor einen Dehnungsmessstreifen umfassen. Der Dehnungsmessstreifen kann auf der Trägerform des Biegesensors aufgebracht sein. Bevorzugt weist der Biegesensor eine Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen auf. Somit können Stauchungen und Streckungen der Trägerform in verschiedenen Richtungen bestmöglich detektiert werden. Das gleiche Prinzip kann auch mit auf die Trägerform aufgebrachten Piezoelementen angewendet werden. Weitere Ausführungsbeispiele zeigen den Biegesensor, insbesondere die Trägerform des Biegesensors, mit einer Länge, die mindestens 20 mal, bevorzugt mindestens 50 mal, besonders bevorzugt mindestens 100 mal so groß ist wie eine Dicke (d.h. ein Durchmesser bei einem runden Querschnitt) des Biegesensors. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht ebenfalls eine große Empfindlichkeit des Biegesensors.
In weiteren Ausführungsbeispielen ist der Biegesensor ein Biegesensor einer Mehrzahl von Biegesensoren, wobei der Biegesensor und ein weiterer Biegesensor der Mehrzahl von Biegesensoren eine maximale Empfindlichkeit bei verschiedenen Verwirbelungsfrequenzen aufweisen. Die Empfindlichkeit der Biegesensoren kann beispielsweise über ein Material des Biegesensors, insbesondere ein Material der Trägerform, unterschiedliche Längen des Biegesensors, insbesondere der Trägerform, oder unterschiedliche Windungssteilheiten des Biegesensors, insbesondere der Trägerform, erhalten werden.
Analog ist ein Verfahren zur Detektion von Verwirbelungen durch das Kielwasser von Unterwasserfahrzeugen mit folgenden Schritten offenbart: -Detektieren von Verwirbelungen mit einem Biegesensor und Ausgeben eines entsprechenden elektrischen Signals; -Detektieren von Verwirbelungen durch das Kielwasser des Unterwasserfahrzeugs basierend auf dem elektrischen Signal aufeinanderfolgender Messungen.
Konzeptübergreifend wird eine Plattform als mobile oder (quasi) stationäre, d.h. im Wesentlichen ortsfeste, Plattform verstanden. Im Wesentlichen ortsfest ist die Plattform z.B., wenn diese mittels eines Seils mit dem Gewässergrund, z.B. dem Meeresboden, verbunden ist. Somit ist der Bewegungsradius auf ein vorgegebenes Maß eingeschränkt. Beispielsweise kann eine Boje, insbesondere eine Unterwasserboje als im Wesentlichen ortsfeste Plattform eingesetzt werden. Eine mobile Plattform kann einen eigenen Antrieb haben oder fremdbewegt, beispielsweise gezogen werden. Eine fremdbewegte Plattform kann z.B. eine Schleppantenne oder ein anderer Schleppkörper sein. Eine Plattform mit eigenem Antrieb ist z.B. ein bemanntes oder unbemanntes (z.B. autonomes) Unterwasserfahrzeug. Unbemannte Unterwasserfahrzeuge umfassen auch Unterwasserlaufkörper (Torpedos). Vorteil einer fremdbewegten Plattform ist es, dass diese keine eigene Energieversorgung benötigt, sondern mittels Schleppmittels, das beispielsweise ein elektrisches Kabel aufweist, versorgt werden kann. Beispielsweise kann so ein unbemanntes Überwasserfahrzeug einen Schleppkörper unter Wasser ziehen und diesen optional mit Energie versorgen.
In einem Anwendungsfall kann eine Plattform mit einem oder einer beliebigen Kombination der vorbeschriebenen Konzepte verwendet werden. D.h., die Plattform ist beispielsweise mit unterschiedlichen Sensoren ausgestattet, die das Unterwasserfahrzeug gemäß den vorbeschriebenen Konzepten detektieren können. Die Verwendung von mehreren Konzepten verringert die Wahrscheinlichkeit einer Fehldetektion, d.h. eines falsch negativen oder falsch positiven Detektionsergebnisses.
Ferner ist es möglich, dass mehrere, unterschiedliche oder gleichartige, Plattformen verwendet werden, die miteinander oder mit einer Basisstation kommunizieren können. Hierfür können die Plattformen eine Kommunikationseinheit aufweisen.
Mittels der Kommunikationseinheit können die Plattformen zumindest Datenpakete senden, optional auch empfangen.
Bevorzugt nehmen die Sensoren kontinuierlich Messwerte auf. Dies ermöglicht es beispielsweise bei den Konzepten der Kategorie 2 und 3, dem Kielwasser zu folgen, d.h. insbesondere zu detektieren, wenn sich ein Sensor in dem Kielwasser oder außerhalb des Kielwassers befindet. Bei den Konzepten der Kategorie 1 ist es ferner möglich, einen Fahrweg des zu detektierenden Unterwasserfahrzeugs zu verfolgen.
Insbesondere bei den Sensoren der Kategorien 2 und 3 ist es vorteilhaft, eine Mehrzahl von gleichartigen Sensoren (d.h. mehrere Sensoren pro Konzept) pro Plattform zu verwenden. Dies ermöglicht es, einen Gradienten der zu detektierenden Stoffe oder physikalischen Eigenschaften (Kategorie 2) bzw. der Verwirbelungen (Kategorie 3) zu bestimmen. Die Richtung des Gradienten zeigt an, in welcher Richtung sich der gemessene physikalische Effekt abschwächt und in welcher Richtung dieser stärker wird. Das heißt, es kann mittels des Gradienten insbesondere bestimmt werden, in welcher Richtung das Kielwasser verlassen wird. Beispielsweise werden hierfür zumindest 3 bzw. 5, z.B. gerade (3) bzw. zu einem Kreuz (5) angeordnete, Sensoren verwendet. Auch beliebige andere Sensorarrays können natürlich verwendet werden, die es ermöglichen, einen Gradienten in einer, bevorzugt zwei Raumrichtungen zu detektieren. Die Bestimmung des Gradienten kann die Signalverarbeitungseinheit durchführen.
Für die Detektion des Unterwasserfahrzeugs kann die Signalverarbeitungseinheit ein Sensorergebnis oder eine beliebige Kombination der Sensorergebnisse der oben beschriebenen Konzepte verwenden. Die Detektion kann die Signalverarbeitungseinheit mittels einer computerimplementierten Klassifikation durchführen. Bekannte Klassifikatoren sind z.B. der Bayes Klassifikator oder neuronale Netze. Für das Training des Klassifikators sind Trainingsdaten und Evaluationsdaten nötig. Diese können beispielsweise gewonnen werden, indem eine oder bevorzugt eine Vielzahl von Plattformen mit einem oder mehreren der Sensoren der beschriebenen Konzepte ausgestattet sind und sowohl wissentlich außerhalb als auch wissentlich innerhalb des Kielwassers von verschiedenen Unterwasserfahrzeugen Daten aufnehmen. Dies ist natürlich in Friedenszeiten einfacher, da hier, z.B. mittels Aktivsonar die tatsächliche Position von Unterwasserfahrzeugen detektiert werden kann. Ferner ist es möglich, zumindest für die Boote befreundeter Marinen, in Testfahrten mit der Plattform hinter einem Unterwasserfahrzeug her zu fahren oder diese an stationären Plattformen entlang fahren zu lassen.
Unter einer Detektion wird verstanden, dass die Plattform ermittelt, dass sich ein Unterwasserfahrzeug in der Nähe befindet. Orten meint, dass die Plattform zumindest eine Richtung, bevorzugt eine Position, d.h. Richtung und Entfernung, des Unterwasserfahrzeugs bestimmt. Klassifizieren meint, dass die Plattform erkennt, um welches Unterwasserfahrzeug es sich handelt. Die Klassifikation kann beispielsweise die Ermittlung einer oder einer beliebigen Kombination folgender Erkenntnisse umfassen: eine Freund-Feind Unterscheidung, eine Herkunft (Nationalität), einen Typ des Unterwasserfahrzeugs. Eine Detektion des Unterwasserfahrzeugs ist mittels des Messergebnisses einer oder mehrerer Sensoren der beschriebenen Konzepte möglich. Eine Ortung des Unterwasserfahrzeugs bei den Konzepten Kategorie 2 und Kategorie 3 ist beispielsweise durch Verfolgung des Kielwassers möglich. Eine Klassifikation kann basierend auf den Konzepten der Kategorie 3 erfolgen, indem die Struktur der Turbulenzen in dem Kielwasser untersucht wird. Beispielsweise kann die räumliche Ausdehnung der Turbulenzen, d.h. z.B. ein Durchmesser des Kielwassers, als auch Geschwindigkeit oder eine mittlere Drehrichtung eine Klassifikation ermöglichen.
Konzeptübergeordnete Ausführungsbeispiele, die mit einem oder einer beliebigen Kombination der vorbeschriebenen Konzepte verwendbar sind, zeigen ein Unterwasserfahrzeug, insbesondere ein U-Boot, zur Detektion eines weiteren Unterwasserfahrzeugs mit einem Messkopf und einer Ausbringvorrichtung. Der Messkopf weist einen Sensor auf. Der Sensor ist ausgebildet, ein Merkmal des Unterwasserfahrzeugs unter Wasser zu detektieren. Der Messkopf ist ferner ausgebildet, derart aus der Ausbringvorrichtung ausgefahren zu werden, dass sich der Sensor vor dem Unterwasserfahrzeug befindet. Als Ausbringvorrichtung eignet sich beispielsweise ein Rohr. Das Rohr kann an den Wänden Führungsmittel, beispielsweise Führungsnuten, aufweisen.
Idee dieser konzeptübergeordneten Ausführungsbeispiele ist es, einen oder mehrere Sensoren für ein Unterwasserfahrzeug bereitzustellen, die 1 . keiner Verunreinigung z.B. durch Algen oder Muscheln ausgesetzt sind, wenn sie nicht benutzt werden und 2. durch Verwirbelungen von dem fahrenden Unterwasserfahrzeug nicht beeinflusst werden. Der erste Vorteil wird dadurch erreicht, dass der Messkopf aus der Ausbringvorrichtung ausfahrbar ist. Der zweite Vorteil wird dadurch erreicht, dass der Messkopf für eine Messung bzw. eine Serie von Messungen, in Hauptfahrrichtung, vor dem Unterwasserfahrzeug angeordnet ist.
Die Ausbringvorrichtung kann ausgebildet sein, unbemannte Unterwasserfahrzeuge, insbesondere Unterwasserlaufkörper, aus dem Unterwasserfahrzeug abzusetzen. So kann es sich bei der Ausbringvorrichtung um ein Torpedorohr handeln. Dies ist vorteilhaft, da Torpedorohre auch bei bestehenden Unterwasserfahrzeugen vorhanden sind und diese somit, zumindest, wenn sie in der Nähe des Bugs angeordnet sind, auch für das Ausbringen des Messkopfs verwendet werden können. Eine Nachrüstung bei bestehenden bemannten Unterwasserfahrzeuge ist somit möglich.
Der Messkopf kann ferner ein Fixierungsmittel aufweisen, das in ein Rohr der Ausbringvorrichtung hineinreicht und mit dem Unterwasserfahrzeug verbunden ist, um den Messkopf an dem Unterwasserfahrzeug zu fixieren. Ein Beispiel, wie das Fixierungsmittel ausgestaltet sein kann, ist ein Teleskopstab.
Alternativ kann der Messkopf Teil eines unbemannten Unterwasserfahrzeugs, insbesondere eines ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugs, sein. Das unbemannte Unterwasserfahrzeug ist ausgebildet, vor dem Unterwasserfahrzeug voraus zu fahren. Das ferngesteuerte Unterwasserfahrzeug (engl. remotely operated vehicle, ROV) kann manuell, automatisch oder teilautomatisch aus dem aussetzenden Unterwasserfahrzeug heraus gesteuert werden. Bei einer automatischen oder teilautomatischen Steuerung kann diese so eingestellt sein, dass das ferngesteuerte Unterwasserfahrzeug den Richtungsänderungen des aussetzenden Unterwasserfahrzeugs folgt, so dass das ferngesteuerte Unterwasserfahrzeug dem aussetzenden Unterwasserfahrzeug vorausfährt. Das unbemannte Unterwasserfahrzeug kann mittels eines Kommunikationskabels mit dem aussetzenden Unterwasserfahrzeug verbunden sein, um die Messergebnisse des bzw. der Sensoren des Messkopfs zu übermitteln. Das Steuerungskabel für das ferngesteuerte Unterwasserfahrzeug kann in dem Kommunikationskabel integriert sein.
Bevorzugt ist das unbemannte Unterwasserfahrzeug mittels eines Zugmittels mit dem Unterwasserfahrzeug verbunden. In das Zugmittel kann das Kommunikationskabel und/oder das Steuerungskabel integriert sein. Das Unterwasserfahrzeug weist eine Einholvorrichtung auf, die ausgebildet ist, das unbemannte Unterwasserfahrzeug mittels des Zugmittels zu der Ausbringvorrichtung zurückzuholen. Die Einholvorrichtung kann das Zugmittel einholen, z.B. aufrollen, und somit das unbemannte Unterwasserfahrzeug zu der Ausbringvorrichtung zurückholen. Ist die Ausbringvorrichtung als Rohr ausgestaltet kann die Einholvorrichtung das unbemannte Unterwasserfahrzeug bevorzugt in das Rohr zurückholen. Das Rohr kann hierfür um einen energieabsorbierenden Trichter ergänzt werden, damit das unbemannte Unterwasserfahrzeug in das Rohr eingeholt werden kann, ohne das Unterwasserfahrzeug oder das unbemannte Unterwasserfahrzeug zu beschädigen.
Analog ist ein Verfahren Detektion eines weiteren Unterwasserfahrzeugs mit einem Unterwasserfahrzeug mit folgenden Schritten offenbart: -Ausfahren eines Messkopfes aus einer Ausbringvorrichtung des Unterwasserfahrzeugs derart, dass sich ein Sensor des Messkopfs vor dem Unterwasserfahrzeug befindet, wobei der Sensor ausgebildet ist, ein Merkmal des Unterwasserfahrzeugs unter Wasser zu detektieren.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Prinzipdarstellung einer Plattform zur Detektion eines Unterwasserfahrzeugs in einer Blockdarstellung;
Fig. 2: eine schematische perspektivische Darstellung eines Biegesensors entsprechend des Konzepts 3e; und
Fig. 3: eine schematische Seitenansicht eines Unterwasserfahrzeugs mit einer Ausbringvorrichtung zum Ausbringen eines Messkopfs, der beispielsweise mit einem oder einer beliebigen Kombination der Sensoren gemäß einem der beschriebenen Konzepte bestückt sein kann.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann. Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Plattform 20, insbesondere eines bemannten oder unbemannten Unterwasserfahrzeugs, zur Detektion eines Unterwasserfahrzeugs 22. Die Plattform umfasst einen Sensor 24 entsprechend einem der vorbeschriebenen Konzepte sowie eine Signalverarbeitungseinheit 26 entsprechend einem der vorbeschriebenen Konzepte. Sensordaten bzw. Messwerte können über eine elektrische Verbindung 27 in Form eines elektrischen Signals von dem Sensor an die Signalverarbeitungseinheit 26 übermittelt werden. Umgekehrt kann beispielsweise ein geregelter Vorverstärker bereits im Sensor integriert sein, der über die elektrische Verbindung z.B. einen Verstärkungsfaktor o.ä. übermitteln kann.
Fig. 2 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung des Sensors 24 in einer Ausgestaltung als Biegesensor gemäß Konzept 3e. Eine Trägerform 28 fußt hier auf eine (Sensor-) Schicht 30 umfassend ein Material, das einen Druck in eine elektrische Ausgangsspannung umwandelt. Das Material ist insbesondere ein piezoelektrisches Material, beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Die elektrische Ausgangsspannung kann an den Elektroden 32a, 32b abgegriffen werden.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist es optional möglich, den Biegesensor 24 als integriertes Bauteil herzustellen. Hierzu kann die Schicht 30 auf ein Halbleitersubstrat 34 aufgebracht sein. In das Halbleitersubstrat 34 kann dann ein optionaler Hohlraum 36 eingebracht, insbesondere geätzt, sein. Mittels des Hohlraums ist dann nicht nur eine Schwingung der Trägerform 28 detektiert werden, sondern eine 3-dimensionale Bewegung, also auch eine Bewegung nach oben und nach unten in der Darstellung in Fig. 2.
Ferner kann in dem Halbleitersubstrat 34 direkt eine elektrische Schaltung 34a gebildet werden. Diese kann z.B. die Signalverarbeitungseinheit sein oder eine Datenvorverarbeitung umfassen. Eine oder mehrere weitere Schichten können auf das Substrat aufgebracht werden, insbesondere zwischen dem Substrat 34 und der Schicht 30.
Fig. 3 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Unterwasserfahrzeugs 20 als Plattform. Das Unterwasserfahrzeug 20 umfasst eine Ausbringvorrichtung 38. Mittels der Ausbringvorrichtung 38 ist ein Messkopf 40 derart aus dem Unterwasserfahrzeug ausfahrbar, dass dieser sich vor dem Unterwasserfahrzeug befindet. Der Messkopf weist einen Sensor auf, um Umgebungsinformationen des Unterwasserfahrzeugs zu detektieren. Insbesondere ist der Sensor ein Sensor der vorbeschriebenen Konzepte.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Bezugszeichenliste:
20 Plattform
22 zu detektierendes Unterwasserfahrzeug 24 Sensor
26 Signalverarbeitungseinheit
27 elektrisches Signal (Sensorsignal)
28 Trägerform
30 sensorische Schicht 32 Elektroden
34 Substrat
36 Hohlraum
38 Ausbringvorrichtung
40 Messkopf

Claims

Patentansprüche
1 . Plattform (20) zur Detektion von Unterwasserfahrzeugen (22) mit folgenden Merkmalen: einer Unterwasserantenne (24), die eine Vielzahl von Wasserschallwandlern aufweist, wobei die Wasserschallwandler der Vielzahl von Wasserschallwandlern ausgebildet sind, Wasserschall in ein dem Schalldruck entsprechendes elektrisches Signal (27) umzuwandeln, einer Signalverarbeitungseinheit (26), die ausgebildet ist, die elektrischen Signale der Wasserschallwandler zu erhalten und von dem Unterwasserfahrzeug (22) ausgesendeten Infraschall in dem Wasserschall zu detektieren.
2. Plattform (20) gemäß Anspruch 1 , wobei die Unterwasserantenne (24) eine Länge von zumindest 50m aufweist.
3. Plattform (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Plattform ein Unterwasserfahrzeug aufweist und wobei die Unterwasserantenne eine Schleppantenne umfasst, die ausgebildet ist, von dem Unterwasserfahrzeug gezogen zu werden.
4. Plattform (20) gemäß Anspruch 3, wobei das Unterwasserfahrzeug zumindest einen Wasserschallwandler der Vielzahl von Wasserschallwandlern aufweist die Schleppantenne zumindest einen Wasserschallwandler der Vielzahl von Wasserschallwandlern aufweist, so dass das Unterwasserfahrzeug und die Schleppantenne jeweils einen Teil der Unterwasserantenne aufweisen.
5. Plattform (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungseinheit (26) ausgebildet ist, eine Richtungsbildung basierend auf dem Infraschall durchzuführen, um eine Richtung, in der sich das Unterwasserfahrzeug befindet, zu bestimmen.
6. Plattform (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Plattform eine Magnet-Anomalie Detektor (MAD) (24) aufweist, der ausgebildet ist, das Erdmagnetfeld zu detektieren und ein entsprechendes MAD-Sensorsignal (27) auszugeben; wobei die Signalverarbeitungseinheit (26) ausgebildet ist, das MAD- Sensorsignal zu erhalten und eine Abweichung des Erdmagnetfeldes durch das Unterwasserfahrzeug (22) zu detektieren.
7. Plattform (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Plattform einen Sensor aufweist, (24) der ausgebildet ist, Meerwasser chemisch zu analysieren und in einem entsprechenden Analyseergebnis (27) einen Anteil zumindest eines vordefinierten Stoffes auszugeben; wobei die Signalverarbeitungseinheit (26) ausgebildet ist, basierend auf dem Analyseergebnis, eine Abweichung zu einem vorherigen Analyseergebnis oder eine Abweichung zu einem erwarteten Analyseergebnis zu ermitteln, um das Unterwasserfahrzeug zu detektieren. Plattform (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Plattform zur Detektion von Unterwasserfahrzeugen (22) mit Atomantrieb einen Sensor (24) aufweist, der ausgebildet ist, radioaktive Strahlung zu detektieren und ein entsprechendes Strahlungssignal (27) auszugeben; wobei die Signalverarbeitungseinheit (26) ausgebildet ist, das Strahlungssignal (27) zu erhalten und eine Abweichung zu einem vorherigen Strahlungssignal oder eine Abweichung zu einem erwarteten Strahlungssignal zu ermitteln, um das Unterwasserfahrzeug zu detektieren. Plattform (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Plattform einen Temperatursensor (24) aufweist, der ausgebildet ist, eine Temperatur mit einer Genauigkeit von weniger als 0,1 °C zu detektieren, wobei die Signalverarbeitungseinheit (26) ausgebildet ist, kontinuierlich die Temperatur (27) des Temperatursensors (24) zu erhalten und eine Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur zu ermitteln, um das Unterwasserfahrzeug (22) zu detektieren. Plattform (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Plattform einen Sensor (24) aufweist, der ausgebildet ist, einen Brechungsindex des die Plattform (20) umgebenden Wasser zu bestimmen und ein entsprechendes elektrisches Signal (27) auszugeben, wobei die Signalverarbeitungseinheit (26) ausgebildet ist, basierend auf dem elektrischen Signal (27) aufeinanderfolgender Messungen eine Änderung des Brechungsindexes des die Plattform umgebenden Wassers zu erfassen, um das Unterwasserfahrzeug (22) zu detektieren. Plattform (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Plattform einen Sensor (24) aufweist, der ausgebildet ist, Licht zu detektieren und ein entsprechendes elektrisches Signal (27) auszugeben; wobei die Signalverarbeitungseinheit (26) ausgebildet ist, basierend auf dem elektrischen Signal (27) eine Empfehlung auszugeben, ob das elektrische Signal (27) Anteile von Biolumineszenz enthält, um das Unterwasserfahrzeug (22) zu detektieren. Plattform (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Plattform zur Detektion von Verwirbelungen durch das Kielwasser des Unterwasserfahrzeugs einen Sensor aufweist, der ausgebildet ist, die Verwirbelungen zu erfassen. Plattform (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Plattform ein Unterwasserfahrzeug ist; wobei das Unterwasserfahrzeug einen Messkopf (40) aufweist, in dem der Sensor (24) angeordnet ist oder die Sensoren (24) angeordnet sind; wobei das Unterwasserfahrzeug eine Ausbringvorrichtung (38) aufweist; wobei der Messkopf (40) ausgebildet ist, derart aus der Ausbringvorrichtung ausgefahren zu werden, dass sich der Sensor (24) vor dem Unterwasserfahrzeugs (20) befindet. Verfahren zur Detektion von Unterwasserfahrzeugen mit folgenden Schritten:
Umwandeln von Wasserschall in ein dem Schalldruck entsprechendes elektrisches Signal;
Analysieren des elektrischen Signals um von dem Unterwasserfahrzeug ausgesendeten Infraschall in dem Wasserschall zu detektieren.
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