EP4649329A1 - Dopplerbasiertes navigationsunterstützungssystem zur bestimmung von navigationsinformationen für ein unterwasserfahrzeug mittels sonar - Google Patents

Dopplerbasiertes navigationsunterstützungssystem zur bestimmung von navigationsinformationen für ein unterwasserfahrzeug mittels sonar

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Publication number
EP4649329A1
EP4649329A1 EP23838038.0A EP23838038A EP4649329A1 EP 4649329 A1 EP4649329 A1 EP 4649329A1 EP 23838038 A EP23838038 A EP 23838038A EP 4649329 A1 EP4649329 A1 EP 4649329A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transmission signal
signal
sound
transmission
water
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23838038.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Zimmer
Johannes Jansen
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
Tkms Atlas Elektronik GmbH
ThyssenKrupp AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Tkms Atlas Elektronik GmbH, ThyssenKrupp AG filed Critical Tkms Atlas Elektronik GmbH
Publication of EP4649329A1 publication Critical patent/EP4649329A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/50—Systems of measurement, based on relative movement of the target
    • G01S15/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • G01S15/60—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems wherein the transmitter and receiver are mounted on the moving object, e.g. for determining ground speed, drift angle, ground track
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/52004—Means for monitoring or calibrating
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S7/523—Details of pulse systems
    • G01S7/524—Transmitters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
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    • G01S7/54—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00 with receivers spaced apart

Definitions

  • Doppler-based navigation support system for determining navigation information for an underwater vehicle using sonar
  • the invention relates to the further development of a Doppler-based navigation support system for an underwater vehicle, in particular a manned underwater vehicle, also referred to as a submarine.
  • a Doppler-based navigation support system for an underwater vehicle in particular a manned underwater vehicle, also referred to as a submarine.
  • a Doppler-based navigation support system also known as DOLOG (Doppler Log) or DVL (Doppler Velocity Log) uses the Doppler shift of a transmitted signal to determine the current speed of the underwater vehicle. To do this, the transmitted signal is sent out at an angle other than 90° to the seabed and its reflections are received. This type of transmission of the transmitted signal is also known as (transmitted) beamforming. The directed transmitted signal is called a beam. Due to the current speed of the underwater vehicle, the reflections are Doppler-shifted compared to the transmitted transmitted signal, i.e. they have a small frequency shift from one another. However, the system used to date has some weaknesses or can at least be optimized, so some aspects for improvement are shown below.
  • the object of the present invention is therefore to create an improved concept for sonar systems, in particular Doppler-based navigation support systems.
  • Embodiments of a first aspect show an information system, in particular a Doppler-based navigation support system, for an underwater vehicle for determining navigation information using sonar.
  • Navigation information is, for example, the current speed of the underwater vehicle or a current depth above ground (also referred to as diving depth).
  • the information system comprises a plurality of water sound transducers, a sound transmitting unit, a sound receiving unit and a signal processing unit.
  • the water sound transducers of the plurality of water sound transducers are arranged in a surface.
  • the water sound transducers are each designed to convert water sound into an electrical signal corresponding to the sound pressure and to convert an applied electrical voltage into water sound.
  • Hydrophones for example, can be used as water sound transducers.
  • the surface in which the water sound transducers are arranged is a flat, i.e. non-curved, surface. In a main use orientation, the surface occupied by the water sound transducers is arranged essentially horizontally, i.e. parallel to the bottom of a body of water. The water sound transducers can thus emit the water sound in the direction of the bottom of the body of water.
  • the sound transmission unit is designed to apply a transmission signal to a first number of the plurality of water sound transducers in order to transmit the transmission signal in a directed manner using the water sound transducers. Such a method is referred to as (transmission) beamforming.
  • the sound transmission unit can also generate the transmission signal.
  • the first number of water sound transducers is, for example, the total number of water sound transducers in the plurality of water sound transducers.
  • the control of the water sound transducers can, for example, be carried out in such a way that the transmission signal with different phases is applied to the water sound transducers at the same time.
  • the control of a plurality of water sound transducers arranged in a surface so that they transmit a transmission signal in a directed manner is also referred to as a phased array.
  • the A transmission signal is a time-limited signal and is therefore also referred to as a transmission pulse or ping.
  • the sound receiving unit is designed to scan the electrical signal of a second number of the plurality of water sound transducers in such a way that a direction is formed in the direction in which the transmission signal was directed. This creates a reception cone in which the water sound transducers have the greatest sensitivity. Such a method is also referred to as (reception) beamforming. In this way, reflections of the transmitted transmission signal can be received in a targeted manner.
  • the second number of water sound transducers comprises a subset of the first number of water sound transducers and the second number of water sound transducers is smaller than the first number of water sound transducers. This means that the number of water sound transducers available to receive the reflections of the transmission signal is smaller than the number of water sound transducers available to receive the reflections. In particular, the second number of water sound transducers is a true subset of the first number of water sound transducers.
  • the signal processing unit is designed to determine the navigation information based on the reflections of the transmitted signal. For example, the signal processing unit can determine a speed of the underwater vehicle by determining a Doppler shift between the transmitted and received signal. It is also possible to determine the current depth of the underwater vehicle, for example based on determined signal propagation times (and, for example, knowing the transmission angle).
  • the idea of the first aspect is to generate a narrow beam of the transmitted signal using many underwater sound transducers.
  • the reference point is also referred to as the reflection point. This enables a more precise determination of the navigation information compared to a wider transmission beam.
  • a narrow reception beam is disadvantageous for receiving the reflections. For example, a slight roll or pitch movement of the underwater vehicle is enough to move the reflected transmission signal out of the reception cone of the waterborne sound transducers.
  • a wide reception beam is therefore advantageous here. This is created by using fewer waterborne sound transducers to carry out the direction formation, ie to form the reception beam.
  • the area occupied by the water sound transducers forms a polygon that approximates a circular shape.
  • the sound transmission unit is designed to control the total number of water sound transducers of the plurality of water sound transducers.
  • the second number of water sound transducers are located in an area that is formed by, in particular, central reduction of the circular shape. This means that the second number of water sound transducers also forms a polygon that approximates a circular shape.
  • the second number of water sound transducers can be arranged centrally in the first number of water sound transducers.
  • the area occupied by the water sound transducers of the plurality of water sound transducers forms a polygon that approximates a superposition of two ellipses.
  • the ellipses are arranged such that the two centers of gravity of the ellipses are congruent.
  • the ellipses are advantageously at right angles to one another.
  • the sound transmitting unit can control the total number of water sound transducers of the plurality of water sound transducers (first number of water sound transducers).
  • the second number of water sound transducers can be formed by a polygon that approximates a circular shape. This means that the second number of water sound transducers can lie in a circular area.
  • the second number of water sound transducers can be arranged centrally in the first number of water sound transducers.
  • a method for determining navigation information for an underwater vehicle using sonar comprising the following steps: a) transmitting a directed transmission signal using a first number of a plurality of water sound transducers; b) sampling an electrical signal from a second number of the plurality of water sound transducers so that a direction is formed in the direction in which the transmission signal was directed; in order to receive reflections of the transmitted transmission signal, wherein the second number of water sound transducers comprises a subset of the first number of water sound transducers and wherein the second number of water sound transducers is smaller than the first number of water sound transducers; c) determining the navigation information based on the reflections of the transmission signal.
  • Embodiments of a second aspect show an information system for an underwater vehicle for determining navigation information.
  • the information system comprises a plurality of water sound transducers arranged in a surface, each of which is designed to convert water sound into an electrical signal corresponding to the sound pressure and to convert an applied electrical voltage into water sound.
  • a sound transmission unit provides a transmission signal with four different phase positions and applies the transmission signal in the different phase positions to the water sound transducers in such a way that the transmission signal is transmitted in a directed manner by means of the water sound transducers (sequentially) in four predetermined different spatial directions and the vertical. This means that five directed transmission signals are transmitted by means of a transmission signal in four different phase positions.
  • a sound receiving unit is designed to scan an electrical signal from the waterborne sound transducers of the plurality of waterborne sound transducers after the transmission signal has been sent in such a way that a direction is formed in the respective directions in which the transmission signal was sent in a directed manner in order to receive reflections of the transmitted transmission signals.
  • a signal processing unit can determine the navigation information based on the reflections of the transmission signal.
  • the idea of the second aspect is to provide as much reliable information as possible for the underwater vehicle by means of a clever arrangement of transmission signals.
  • the vertical transmission signal can be used to determine the height of the underwater vehicle above the ground and thus the diving depth of the underwater vehicle.
  • Using the four transmission signals transmitted in the spatial directions it is also possible to vectorially determine the speed of the underwater vehicle, ie the direction in which the underwater vehicle is moving.
  • Using four directed transmission signals also creates a certain redundancy, which makes it possible to detect, for example, an inclination of the underwater vehicle or unevenness in the water bottom and mark this measurement as unreliable or to calculate out the influences.
  • the sound transmission unit is designed to control the underwater sound transducers in such a way that a first directed transmission signal is transmitted at an angle to the front, a second directed transmission signal at an angle to the rear, a third directed transmission signal at an angle to the left, a fourth directed transmission signal at an angle to the right, and a fifth transmission signal is transmitted vertically.
  • the angles relative to the transducer surface can be identical in each case, although the spatial direction in which the transmission signals are transmitted, preferably in the direction of the bottom of the water, changes in each case.
  • a method for determining navigation information by means of sonar for an underwater vehicle is disclosed with the following steps: a) providing a transmission signal with four different phase positions; b) applying the transmission signal in the different phase positions to water sound transducers of a plurality of water sound transducers in such a way that the transmission signal is transmitted in a directed manner by means of the water sound transducers in four predetermined different spatial directions and the vertical; c) scanning a sound receiving unit which is designed to scan an electrical signal of the water sound transducers of the plurality of water sound transducers after the transmission of the transmission signal in such a way that a direction is formed in the respective directions in which the transmission signal has been transmitted in a directed manner to receive reflections of the transmitted signals; d) determining the navigation information based on the reflections of the transmitted signal.
  • a water sound generator for providing a transmission signal for a sonar.
  • the water sound generator comprises a signal feed that provides an applied transmission signal.
  • the transmission signal can be generated by a signal generator.
  • a transformer can transform the transmission signal to a maximum transmission voltage.
  • the transformer can have a plurality of taps on the output side in order to receive the transmission signal with further transmission voltages and to provide the transmission signal with different transmission voltages.
  • the water sound generator can be part of a sound transmission unit of the other aspects described.
  • the water sound generator is part of an information system for an underwater vehicle for determining navigation information using sonar.
  • the information system comprises a large number of water sound transducers arranged in a surface, each of which is designed to convert an applied electrical voltage into water sound.
  • the water sound transducers are connected to the taps of the transformer in such a way that water sound transducers in the middle of the surface are connected to the transmission signal with a higher average transmission voltage. be applied as a water sound transducer in the outer area of the surface.
  • the effective value of the transmission signal is suitable as an average transmission voltage.
  • a method for providing a transmission signal for a sonar with the following steps: a) generating a transmission signal; b) transforming the transmission signal with a transformer to a maximum transmission voltage; c) tapping the transmission signal at various taps of the transformer in order to obtain the transmission signal with further transmission voltages; d) providing the transmission signal with various transmission voltages.
  • Embodiments of a fourth aspect also show a water sound generator which, in addition to or as an alternative to the water sound generator of the third aspect, can be part of a sound transmission unit of the other aspects.
  • the water sound generator comprises a first signal feed and a second signal feed, each of which is designed to provide an applied transmission signal.
  • the applied transmission signal can be generated by a common signal generator or a separate signal generator for each signal feed. Mixed forms are also possible.
  • the transmission signals can be the same in their course and only differ in their phase position. In general, the applied transmission signals can be phase-shifted by 36° or 72° from one another, for example. In addition, a (particularly vertical) transmission signal with a different phase position can be present.
  • the signal generator can optionally also be part of the water sound generator.
  • a first input transformer is connected on the secondary side by means of a first transmission path to the primary side of a first output transformer in order to be able to transmit the first transmission signal from the first input transformer to the first output transformer.
  • the first output transformer can optionally transform the transmission signal to a transmission voltage.
  • a second input transformer is connected on the secondary side by means of a second transmission path to the primary side of a second output transformer in order to be able to transmit the second transmission signal from the second input transformer to the second output transformer.
  • the second output transformer can optionally transform the transmission signal to a second transmission voltage.
  • the water sound generator now comprises a third signal feed, which is designed to provide an applied transmission signal and to feed it into a center tap of the first input transformer on the secondary side in order to couple the transmission signal of the third signal feed into the first transmission path.
  • the signal feed can optionally provide a variation of the transmission signal, in particular the inverted transmission signal, and to feed it into a center tap of the second input transformer on the secondary side. The transmission signal of the third signal feed is thus coupled into the second transmission path.
  • a third output transformer is designed to receive the transmission signal of the third signal feed for feeding into a first primary-side contact of the third output transformer from a primary-side center tap of the first output transformer and the variation of the transmission signal for feeding into a primary-side second contact of the third output transformer from a primary-side center tap of the second output transformer.
  • the idea behind the fourth aspect is to be able to transmit six transmission signals using two transmission paths.
  • the six transmission signals are made up of two signals and the respective inverse signal from the first and second signal feeds, as well as the transmission signal and the variation of this from the third signal feed. This saves on cables for transmission.
  • This is particularly advantageous for underwater vehicles, as the cables have to be routed through the casing in order to be able to supply the waterborne sound transducers with the transmission signals.
  • the openings in the casing should be kept as small as possible, so that every cable that does not need to be routed through simplifies the technical design of the underwater vehicle.
  • Embodiments show that the first signal feed and the second signal feed have the absence of the respective transmitted signal when the corresponding transmitted signal is present at the third signal feed. This means that the two transmission paths are either fed with the transmitted signal of the first or second signal feed or with the transmitted signal or the variation thereof of the third signal feed. This is advantageous if no superposition of the signals is desired.
  • Embodiments of the fifth aspect show a Doppler-based navigation support system for determining navigation information for an underwater vehicle using sonar.
  • the navigation support system comprises a plurality of water sound transducers arranged in a surface, each of which is designed to convert water sound into an electrical signal corresponding to the sound pressure and to convert an applied electrical voltage into water sound.
  • the transducer surface In a main operating state, the transducer surface is arranged horizontally. In particular, the transducer surface points in the direction of the bottom of the water in the main operating state.
  • a sound transmission unit is designed to apply a transmission signal to the water sound transducers of the plurality of water sound transducers, so that the transmission signal is transmitted essentially vertically.
  • the transmission signal is transmitted essentially vertically, for example, when a main transmission power is transmitted perpendicular to the transducer surface.
  • Essentially vertical can therefore mean that any pitching or rolling movements of the underwater vehicle are not taken into account.
  • the navigation support system further comprises a sound receiving unit which is designed to scan the water sound transducers of the plurality of water sound transducers in order to obtain reflections of the transmission signal.
  • the scanning can be carried out in such a way that (receiving) beamforming is carried out in the direction from which the reflections of the transmission signals arrive.
  • a signal processing unit which is designed to continuously generate depth information of the underwater vehicle and to graphically output a course of the depth information on a display unit.
  • the idea behind the fifth aspect is to integrate the functionality of an echo sounder into the Doppler-based navigation support system. This makes it possible to dispense with a separate echo sounder. This in turn saves space and cables through the hollow body of an underwater vehicle.
  • the sound transmission unit is designed to send out a CW signal pulse (CW: continuous wave) as a transmission signal in order to determine the depth information.
  • CW signal pulses are comparatively long and thus have a low bandwidth. This means that they are less susceptible to interference from noise. The depth information can therefore be determined very robustly.
  • a frequency-modulated signal pulse can be used to determine the depth information. This provides a sharper echo so that the contours of the water bottom can be better displayed.
  • it is possible to change the type of signal pulse per sequence i.e. the temporal sequence of transmitted transmission signals, or in any other rhythm over several sequences.
  • a sequence can have both vertical transmission signals and transmission signals directed at the water bottom at certain angles.
  • Embodiments of a sixth aspect show a Doppler-based navigation support system for an underwater vehicle.
  • the navigation support system comprises a plurality of water sound transducers arranged in a surface, each of which is designed to convert water sound into an electrical signal corresponding to the sound pressure and to convert an applied electrical voltage into water sound.
  • the navigation support system also comprises a sound transmission unit which is designed to apply a transmission signal to the water sound transducers of the plurality of water sound transducers, so that the transmission signal is transmitted essentially vertically.
  • a sound receiving unit is designed to sample the electrical signals of the water sound transducers of the plurality of water sound transducers in order to reflections of the (vertical) transmission signal.
  • a signal processing unit is designed to continuously determine depth information of the underwater vehicle based on the reflections of the transmission signal. Furthermore, the sound transmission unit sets a parameter of the transmission signal depending on the current depth information.
  • the idea behind the sixth aspect is to adapt the transmission signal to the current conditions, in particular the depth of the underwater vehicle above the ground. This can affect, for example, the length of the transmitted signal. While the underwater sound transducers are transmitting the transmission signal, they cannot receive reflections. On the other hand, a long transmission signal reduces the susceptibility to superposition with noise, for example.
  • Another parameter can be the amplitude. If a signal with too high an amplitude is transmitted when the bottom of the water is close, the receiving electronics can be overloaded. However, if the bottom of the water is far away, the energy of a transmission signal with a high amplitude is needed to receive a reflection.
  • the sound transmission unit is designed to provide a control transmission signal instead of the transmission signal intermittently due to an unfavorable choice of the parameter.
  • the current depth information can be validated by excluding better depth information or a sudden change in the depth information can be detected.
  • the control transmission signal can be sent randomly or at regular intervals instead of the sound transmission signal.
  • the sound transmission signal is sent more frequently than the control transmission signal.
  • the signal processing unit is designed to automatically determine the depth information using an estimator, in particular a Kalman filter.
  • the sound transmission unit is designed to feed the estimator with the reflections of the control transmission signal in order to automatically detect any deviating depth information that occurs.
  • a method for determining navigation information for an underwater vehicle by means of sonar with a Doppler-based navigation support system is disclosed with the following steps: a) applying a transmission signal to waterborne sound transducers so that the transmission signal is emitted substantially vertically; b) sampling an electrical signal from the waterborne sound transducers to obtain reflections of the transmission signal; c) continuously determining depth information of the underwater vehicle based on the reflections of the transmission signal; d) setting a parameter of the transmission signal depending on the current depth information.
  • Doppler-based navigation support system for an underwater vehicle. These features can be combined individually or in any combination with the Doppler-based navigation support systems described above. It should be noted that both the described underwater sound generators and the described information systems for an underwater vehicle can be part of Doppler-based navigation support systems. Analogously, an underwater vehicle with a Doppler-based navigation support system is also disclosed.
  • resulting directed transmission signal refers to the associated electrical input signal of the water sound transducers.
  • transmission signal refers to the associated electrical input signal of the water sound transducers.
  • transmission signal is sometimes also used for the emitted water sound signal.
  • the navigation support system comprises a plurality of water sound transducers arranged in a surface, each of which is designed to convert water sound into an electrical signal corresponding to the sound pressure and to generate a to convert the applied electrical voltage into water sound.
  • the transducer surface In the main operating state or in the main orientation of use, the transducer surface is arranged horizontally, ie parallel to the bottom of a body of water.
  • An optional sound transmission unit is designed to apply a sequence of transmission signals to the water sound transducers of the plurality of water sound transducers, so that a sequence of at least four, optionally five resulting directed transmission signals is created.
  • the water sound transducers can be applied with the same transmission signal, with a phase position of the transmission signal differing for different water sound transducers or groups of water sound transducers. Such a method is referred to as (transmission) beamforming.
  • the resulting transmission signals in the main application orientation of the water sound transducers are directed at the bottom of the water in such a way that a reflection point is created on the bottom of the water for each resulting transmission signal and the totality of the reflection points of the resulting transmission signals on the bottom of the water, especially when stationary, span an area.
  • a quadrilateral typically a square
  • a quadrilateral with a reflection point e.g. in the middle
  • a pentagon can be created.
  • the fact that the reflection points span an area excludes the possibility that the reflection points lie on a straight line. This consideration applies in particular when the water sound transducers are not moving, i.e. are stationary. Otherwise, the movement of the water sound transducers while the sequence of the resulting transmission signals is generated naturally leads to a relative movement of the reflection points to one another.
  • An optional sound receiving unit is designed to sample output signals of the water sound transducers in order to obtain reflections of the transmission signal.
  • the sound receiving unit samples the output signals of the water sound transducers in particular such that the sensitivity of the water sound transducers for sound waves from the direction from which the reflection of a directed transmission signal is expected is greatest.
  • This method is also referred to as (receiving) Beamforming is called this.
  • a directed transmission signal is sent and then the reception of the reflection is waited for until the next directed transmission signal in the sequence of directed transmission signals is sent.
  • An optional signal processing unit is now designed to determine navigation information based on the reflections of the resulting transmission signal.
  • the signal processing unit can determine a Doppler shift between the two signals based on the reflections of the resulting transmission signals and with knowledge of the transmitted resulting transmission signal in order to determine a speed at which the water sound transducers are moving. It is also possible to determine a distance of the bottom of the water in the direction of the reflection point of the directed transmission signal based on a travel time of the resulting transmission signal until its reflection is received. Knowing the angle at which the directed transmission signal is transmitted, depth information of the reflection point can be determined, for example. The depth information can additionally or alternatively also be determined with a vertically transmitted resulting transmission signal, for example a fifth transmission signal.
  • Fig. 1 a schematic representation of an underwater vehicle with a Doppler-based navigation support system
  • Fig. 2 schematic representations in a plan view (from below) of the water sound transducers, where Fig. 2a and Fig. 2b show different embodiments;
  • Fig. 3 a schematic block diagram of a sound transmitter unit with a water sound generator with five transducer strings in Fig. 3a and a schematic block diagram of an alternative transducer string in Fig. 3b.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an underwater vehicle 20 with an information system 22 or Doppler-based navigation support system 22.
  • the system 22 is referred to below only as (Doppler-based) navigation support system 22, the differences to the information system are explained below, so that the description of the Doppler-based navigation support system can also be applied to the information system, with the exception of the distinguishing feature.
  • the Doppler-based navigation support system 22 comprises a plurality of water sound transducers 24 arranged in a surface, a sound transmitting unit 26, a sound receiving unit 28 and a signal processing unit 30.
  • Sound transmitting unit 26, sound receiving unit 28 and signal processing unit 30 can be implemented in a computing unit 32, for example a computer.
  • a computing unit 32 for example a computer.
  • On the left below the underwater vehicle a top view is shown, and in the assembled state a view from below, of the water sound transducer 24.
  • Dash-dotted line 33 shows the selected section, ie the position on the underwater vehicle 20.
  • a plan view of a water bottom 38 in an area 35 is shown in which emitted sound signals (referred to as resulting directed transmission signals 36) hit the water bottom 38.
  • the sound transmission unit 26 can apply a sequence of transmission signals 34 to the water sound transducers 24, so that a sequence of at least four resulting directed transmission signals 36 is created.
  • the resulting transmission signals 36 are directed towards the bottom of the water 38 in the main use orientation of the water sound transducers 24 in such a way that a reflection point 40a, 40b, 40c, 40d, 40e is created on the bottom of the water 38 for each resulting transmission signal 36 and the totality of the reflection points 40 of the resulting transmission signals 36 on the bottom of the water span an area 42.
  • a signal generator 43 and a water sound generator 44 can be part of the sound transmission unit. The signal generator
  • the water sound generator 43 can provide the water sound generator 44 with a generated transmission signal 45, which is processed by the water sound generator 44 for use with water sound transducers.
  • the water sound generator 44 can also comprise the transmission path of the transmission signal 34 between the sound transmission unit and the water sound transducers.
  • the sound transmission unit can also comprise electronics associated with the water sound transducers, which provide the transmission signal 34 for the water sound transducers 24.
  • the water sound generator comprises
  • the sound receiving unit 28 can sample output signals 46 of the water sound transducers 24 in order to obtain reflections 48 of the resulting transmission signal 36.
  • the signal processing unit 30 can determine navigation information based on the reflections 48 of the resulting transmission signal.
  • the reflections 48 can already be separated by the sound receiving unit 28 from an overall sound signal, which can also contain background noise and further water sound, for example. Alternatively, the reflections 48 can also be contained in an overall sound signal.
  • the information system and the Doppler-based navigation support system now differ in that the navigation information in the Doppler-based navigation support system is determined based on a Doppler shift between the transmission signal and the reflection. In the information system The determination of navigation information is not linked to a specific measurement value.
  • Fig. 2 shows schematic representations in a top view (from below) of the water sound transducers.
  • Fig. 2a shows the arrangement already shown in Fig. 1
  • Fig. 2b shows an alternative arrangement of the water sound transducers on the surface 50 available for this purpose.
  • the water sound transducers in Fig. 2a are distributed regularly or randomly on a circular area 50.
  • the actual area occupied by the water sound transducers is thus a polygon that approximates the circular area 50.
  • the water sound transducers in the larger area 50 can be used to receive the reflections of the transmission signal by means of the sound receiving unit.
  • Fig. 2b shows an alternative arrangement of water sound transducers that can be controlled as described with respect to Fig. 2a.
  • the sound transmitter unit can control the water sound transducers in the circular area 52 while the reflections are received by the water sound transducers in the area 50.
  • water sound transducers are omitted here.
  • the water sound transducers are not arranged on a circular area 50 as in Fig. 2a, but form two overlapping ellipses 54a, 54b.
  • the area 50 and the area 52 were each chosen to be the same size. This makes it clear that a considerable part of the area 50 has the absence of water sound transducers.
  • Fig. 3a shows a schematic representation of a sound transmission unit 26.
  • the sound transmission unit is designed to control water sound transducers in such a way that the water sound transducers transmit four resulting transmission signals and one resulting vertical transmission signal.
  • the water sound transducer 44 comprises five parallel transducer strands 60.
  • the four transducer strands 60 for the resulting transmission signals are advantageously identical, the lowest transducer strand for generating the vertical transmission signal advantageously differs from the other transducer strands.
  • the sound transmission unit comprises a signal generator 43 and a water sound generator 44.
  • the signal generator 43 comprises a unit 56 for generating the transmission signal 34 (e.g. a function generator) and in this case three phase shifters 58.
  • the transmission signal is thus available with four different phase positions.
  • the generated transmission signal 45 or the phase-shifted generated transmission signal 45' can be amplified by means of an optional transmission amplifier 60, for example a low-noise amplifier (LNA).
  • the transmission amplifier 60 can output the transmission signal and an inverted transmission signal.
  • the output (or outputs) of the transmission amplifier 60 can provide the transmission signal for transmission to the water surge transducers.
  • a corresponding transfer point can be referred to as a signal feed 62.
  • the optional amplifier and the signal feed are part of an input stage 64 of the water sound generator 44.
  • the input stage 64 can be arranged within the underwater vehicle.
  • the transmission signal can be transmitted to an output stage 68, in particular to an electronic unit assigned to the water sound transducer, by means of a transmission path 66.
  • the transmission path 66 can lead through a pressure hull of the underwater vehicle.
  • the transmission path 66 connects the secondary side of an input transformer 70 to the primary side of an output transformer 72.
  • the output transformer can transform the transmission signal to an output voltage.
  • the output transformer can provide the transmission signal at the outputs AH for the waterborne sound transducers.
  • the water sound transducers can provide an electrical signal that corresponds to the received water sound at the outputs AH, so that the output transformer 72 transmits this via the transmission path to the input transformer 70.
  • the input transformer can decouple the electrical signal via its primary side for further processing (eg for detecting reflections).
  • converter strings 1-4 are inactive when converter string 5 is operating and vice versa.
  • converter strings 1-5 are typically inactive for sending when reflections are to be received.
  • the two upper transducer strings are optional and the underwater sound generator also works with three transducer strings if, for example, three different transmission signals (e.g. in two directions and the vertical) are to be sent.
  • the two remaining (upper) transmission paths can also be used for signal transmission. For example, it is possible to use this to transmit an outside temperature or other physical parameters from a sensor to the interior of the underwater vehicle. In particular, the transmission can take place when the two transmission paths are inactive.
  • the lower transmission signal can be fed into a center tap on the secondary side of the first input transformer.
  • the inverted lower transmission signal can be fed into a center tap on the first input transformer of another transmission path. This results in coupling into the corresponding transmission channels.
  • the transmission signals can be accessed from a primary-side tap on the associated output transformers. The transformer windings are thus used as a simple wire. Likewise, the transmission of received water sound from a center tap.
  • Fig. 3b shows an example of a transducer string in an alternative design.
  • this transducer string has four outputs A, A', B, B'.
  • the outputs are arranged at different taps on the transformer. This means that outputs A and B can provide the inverted signal.
  • Outputs A' and B' each provide the signal from outputs A and B with a lower amplitude. Additional taps between outputs A and B are possible.
  • the waterborne sound transducers can be permanently connected to an output in all aspects in groups.
  • groups of waterborne sound transducers can be formed, which in the example in Fig. 3a are permanently connected to the outputs A to H. If shading is used, the groups can each have subgroups that are fed with lower amplitude transmission signals from the outputs.
  • the disclosed (water) sound transducers are designed for use under water, in particular in the sea.
  • the sound transducers can convert water sound into an electrical signal (e.g. voltage or current) corresponding to the sound pressure, the water sound signal. Furthermore, it is possible that the sound transducers can convert an applied electrical voltage into water sound.
  • the sound transducers can therefore be used as water sound receivers and/or as water sound transmitters.
  • the sound transducers can have a piezoelectric material, for example a piezoceramic, as the sensor material.
  • the sound transducers can be used for (active and/or passive) sonar (sound navigation and ranging, dl: sound navigation and distance determination).
  • the sound transducers are preferably not intended for medical applications or are not used for medical applications.
  • 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 ein dopplerbasiertes Navigationsunterstützungssystem (22) zur Bestimmung von Navigationsinformationen für ein Unterwasserfahrzeug (20) mittels Sonar offenbart. Das dopplerbasierte Navigationsunterstützungssystem weist mit folgenden Merkmalen auf: - eine Vielzahl von in einer Fläche angeordneten Wasserschallwandlern, die jeweils ausgebildet sind, Wasserschall in ein dem Schalldruck entsprechendes elektrisches Signal umwandeln und eine anliegende elektrische Spannung in Wasserschall umzuwandeln; - eine Schallsendeeinheit (26), die ausgebildet ist, die Wasserschallwandler (24) der Vielzahl von Wasserschallwandlern mit einem Sendesignal (34) zu beaufschlagen, so dass das Sendesignal (36) im Wesentlichen vertikal ausgesendet wird; - eine Schallempfangseinheit, die ausgebildet ist, das elektrische Signal der Wasserschallwandler (24) der Vielzahl von Wasserschallwandlern abzutasten, um Reflexionen (48) des Sendesignals (36) zu erhalten; - eine Signalverarbeitungseinheit (30), die ausgebildet ist, basierend auf den Reflexionen (48) des Sendesignals (36) kontinuierlich eine Tiefeninformation des Unterwasserfahrzeugs (20) zu bestimmen; - wobei die Schallsendeeinheit (26) ausgebildet ist, einen Parameter des Sendesignals (34) in Abhängigkeit von der aktuellen Tiefeninformation einzustellen.

Description

Dopplerbasiertes Navigationsunterstützungssystem zur Bestimmung von Navigationsinformationen für ein Unterwasserfahrzeug mittels Sonar
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf die Weiterentwicklung eines dopplerbasierten Navigationsunterstützungssystems für ein Unterwasserfahrzeug, insbesondere ein bemanntes Unterwasserfahrzeug, das auch als U-Boot bezeichnet wird. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass sich einige Aspekte auch auf andere Sonarsysteme übertragen lassen.
Ein dopplerbasiertes Navigationsunterstützungssystem, auch als DOLOG (Doppler Log) oder DVL (Doppler Velocity Log) bezeichnet, ermittelt anhand der Dopplerverschiebung eines ausgesendeten Sendesignals eine aktuelle Geschwindigkeit des Unterwasserfahrzeugs. Hierzu wird das Sendesignal gerichtet in einem Winkel ungleich 90° auf den Meeresboden ausgesendet und dessen Reflexionen empfangen. Ein solches Aussenden des Sendesignals wird auch als (Sende-) Beamforming bezeichnet. Das gerichtete Sendesignal entsprechend als Beam. Aufgrund der aktuellen Geschwindigkeit des Unterwasserfahrzeugs sind die Reflexionen im Vergleich zu dem ausgesendeten Sendesignal dopplerverschoben, d.h. sie weisen eine kleine Frequenzverschiebung zueinander auf. Das bisher eingesetzte System weist jedoch teilweise Schwächen auf oder ist zumindest noch optimierbar, so dass nachfolgend einige Aspekte zur Verbesserung aufgezeigt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für Sonarsysteme, insbesondere dopplerbasierte Navigationsunterstützungssysteme, zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Ausführungsbeispiele eines ersten Aspekts zeigen ein Informationssystem, insbesondere ein dopplerbasiertes Navigationsunterstützungssystem, für ein Unterwasserfahrzeug zur Bestimmung von Navigationsinformationen mittels Sonar. Navigationsinformationen sind z.B. die aktuelle Geschwindigkeit des Unterwasserfahrzeugs oder eine aktuelle Tiefe über Grund (auch als Tauchtiefe bezeichnet). Das Informationssystem umfasst eine Vielzahl von Wasserschallwandlern, eine Schallsendeeinheit, eine Schallempfangseinheit und eine Signalverarbeitungseinheit.
Die Wasserschallwandler der Vielzahl von Wasserschallwandlern sind in einer Fläche angeordnet. Die Wasserschallwandler sind jeweils ausgebildet, Wasserschall in ein dem Schalldruck entsprechendes elektrisches Signal umwandeln und eine anliegende elektrische Spannung in Wasserschall umzuwandeln. Als Wasserschallwandler können beispielsweise Hydrophone verwendet werden. Insbesondere handelt es sich bei der Fläche, in der die Wasserschallwandler angeordnet sind, um eine ebene, d.h. nicht gekrümmte, Fläche. In einer Hauptverwendungsorientierung ist die Fläche, die die Wasserschallwandler einnehmen, im Wesentlichen horizontal, d.h. parallel zu einem Gewässergrund, angeordnet. Die Wasserschallwandler können den Wasserschall so in Richtung des Gewässergrunds gerichtet aussenden.
Die Schallsendeeinheit ist ausgebildet, eine erste Anzahl der Vielzahl von Wasserschallwandlernmit einem Sendesignal zu beaufschlagen, um das Sendesignal gerichtet mittels der Wasserschallwandler auszusenden. Ein solches Verfahren wird als (Sende-) Beamforming bezeichnet. Insbesondere kann die Schallsendeeinheit das Sendesignal auch generieren. Bei der ersten Anzahl von Wasserschallwandlern handelt es sich beispielsweise um die Gesamtzahl von Wasserschallwandlern der Vielzahl von Wasserschallwandlern. Die Ansteuerung der Wasserschallwandler kann beispielsweise derart erfolgen, dass zum gleichen Zeitpunkt das Sendesignal mit unterschiedlichen Phasen an den Wasserschallwandlern anliegt. Die Ansteuerung einer Vielzahl von flächig angeordneten Wasserschallwandlern, so dass diese ein Sendesignal gerichtet aussenden, wird auch als phased Array bezeichnet. Vorteilhafterweise ist das Sendesignal ein zeitbegrenztes Signal und wird insoweit auch als Sendepuls oder Ping bezeichnet.
Die Schallempfangseinheit ist ausgebildet, das elektrische Signal einer zweiten Anzahl der Vielzahl von Wasserschallwandlern derart abzutasten, dass eine Richtungsbildung in die Richtung erfolgt, in die das Sendesignal gerichtet ausgesendet worden ist. Es entsteht ein Empfangskegel, in dem die Wasserschallwandler die größte Empfindlichkeit aufweisen. Ein solches Verfahren wird auch als (Empfangs-) Beamforming bezeichnet. So können Reflexionen des ausgesendeten Sendesignals gezielt empfangen werden. Die zweite Anzahl von Wasserschallwandlern umfasst eine Teilmenge der ersten Anzahl von Wasserschallwandlern und die zweite Anzahl von Wasserschallwandlern ist kleiner ist als die erste Anzahl von Wasserschallwandlern. D.h., die Anzahl der Wasserschallwandler, die für den Empfang der Reflexionen des Sendesignals zur Verfügung stehen, ist geringer als die Anzahl der Wasserschallwandler, die für den Empfang der Reflexionen zur Verfügung stehen. Insbesondere ist die zweite Anzahl von Wasserschallwandlern eine echte Teilmenge der ersten Anzahl von Wasserschallwandlern.
Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, die Navigationsinformationen basierend auf den Reflexionen des Sendesignals zu bestimmen. Beispielsweise kann die Signalverarbeitungseinheit durch Ermittlung einer Dopplerverschiebung zwischen gesendetem und empfangenen Signal eine Geschwindigkeit des Unterwasserfahrzeugs ermitteln. Ebenso ist es möglich, z.B. aufgrund von ermittelten Signallaufzeiten (und beispielsweise in Kenntnis des Sendewinkels) die aktuelle Tiefe des Unterwasserfahrzeugs zu ermitteln.
Idee des ersten Aspekts ist es, unter Verwendung von vielen Wasserschallwandlern einen engen Sendestrahl (Beam) des Sendesignals zu erzeugen. Je mehr Wasserschallwandler verwendet werden, desto enger wird der Sendestrahl. Daraus resultiert nicht nur eine Bündelung der Sendeleistung, sondern auch eine Erhöhung der Sendeleistung. Dies ist beides vorteilhaft für die Sendestrahlen, da somit ein möglichst exakter Referenzpunkt auf dem Meeresboden von dem Sendestrahl getroffen wird. Der Referenzpunkt wird auch als Reflexionspunkt bezeichnet. Dies ermöglicht eine exaktere Bestimmung der Navigationsinformationen im Vergleich zu einem breiteren Sendestrahl. Demgegenüber ist ein schmaler Empfangsstrahl jedoch nachteilig, um die Reflexionen zu empfangen. So reicht beispielsweise eine leichte Roll oder Nick Bewegung des Unterwasserfahrzeugs aus, um das reflektierte Sendesignal aus dem Empfangskegel der Wasserschallwandler zu bewegen. Hier ist demnach ein breiter Empfangsstrahl vorteilhaft. Dieser wird dadurch erzeugt, dass weniger Wasserschallwandler eingesetzt werden, um die Richtungsbildung durchzuführen, d.h. den Empfangsstrahl zu bilden.
In Ausführungsbeispielen bildet die Fläche, die die Wasserschallwandler einnehmen, ein Polygon, das an eine Kreisform angenähert ist. Die Schallsendeeinheit ist ausgebildet, die Gesamtzahl der Wasserschallwandler der Vielzahl von Wasserschallwandlern anzusteuern. Die zweite Anzahl von Wasserschallwandlern liegen in einer Fläche, die durch, insbesondere zentrische, Verkleinerung, der Kreisform gebildet ist. D.h. auch die zweite Anzahl von Wasserschallwandlern bildet ein Polygon, das an eine Kreisform angenähert ist. Die zweite Anzahl von Wasserschallwandlern kann mittig in der ersten Anzahl von Wasserschallwandlern angeordnet sein.
In Ausführungsbeispielen bildet die Fläche, die die Wasserschallwandler der Vielzahl von Wasserschallwandler einnehmen, ein Polygon, dass an eine Überlagerung von zwei Ellipsen angenähert ist. Insbesondere sind die Ellipsen derart angeordnet, dass die beiden Schwerpunkte der Ellipsen deckungsgleich sind. Vorteilhafterweise liegen die Ellipsen rechtwinklig zueinander. Die Schallsendeeinheit kann die Gesamtzahl der Wasserschallwandler der Vielzahl von Wasserschallwandlern ansteuern (erste Anzahl von Wasserschallwandlern). Die zweite Anzahl von Wasserschallwandlern kann durch ein Polygon gebildet sein, dass an eine Kreisform angenähert ist. D.h. die zweite Anzahl von Wasserschallwandlern kann in einer kreisförmigen Fläche liegen. Die zweite Anzahl von Wasserschallwandlern kann mittig in der ersten Anzahl von Wasserschallwandlern angeordnet sein.
Analog ist ein Verfahren zur Bestimmung von Navigationsinformationen für ein Unterwasserfahrzeug mittels Sonar mit folgenden Schritten offenbar: a) Aussenden eines gerichteten Sendesignals mittels einer ersten Anzahl einer Vielzahl von Wasserschallwandlern; b) Abtasten eines elektrischen Signals einer zweiten Anzahl der Vielzahl von Wasserschallwandlern, so dass eine Richtungsbildung in die Richtung erfolgt, in die das Sendesignal gerichtet ausgesendet worden ist; um Reflexionen des ausgesendeten Sendesignals zu empfangen, wobei die zweite Anzahl von Wasserschallwandlern eine Teilmenge der ersten Anzahl von Wasserschallwandlern umfasst und wobei die zweite Anzahl von Wasserschallwandlern kleiner ist als die erste Anzahl von Wasserschallwandlern; c) Bestimmen der Navigationsinformationen basierend auf den Reflexionen des Sendesignals.
Ausführungsbeispiele eines zweiten Aspekts zeigen ein Informationssystem für ein Unterwasserfahrzeug zur Bestimmung von Navigationsinformationen. Das Informationssystem umfasst eine Vielzahl von in einer Fläche angeordneten Wasserschallwandlern, die jeweils ausgebildet sind, Wasserschall in ein dem Schalldruck entsprechendes elektrisches Signal umwandeln und eine anliegende elektrische Spannung in Wasserschall umzuwandeln. Eine Schallsendeeinheit stellt ein Sendesignal mit vier verschiedenen Phasenlagen bereit und beaufschlagt die Wasserschallwandler jeweils derart mit dem Sendesignal in den verschiedenen Phasenlagen, dass das Sendesignal gerichtet mittels der Wasserschallwandler (sequentiell) in vier vorgegebene verschiedene Raumrichtungen und der Vertikalen ausgesendet wird. D.h., es werden mittels einem Sendesignal in vier verschiedenen Phasenlagen fünf gerichtete Sendesignale ausgesendet.
Einer Schallempfangseinheit ist ausgebildet, ein elektrisches Signal der Wasserschallwandler der Vielzahl von Wasserschallwandlern nach dem Senden des Sendesignals derart abzutasten, dass eine Richtungsbildung in die jeweiligen Richtungen erfolgt, in die das Sendesignal gerichtet ausgesendet worden ist, um Reflexionen der ausgesendeten Sendesignale zu empfangen. D.h., es wird die in dem ersten Aspekt pro gerichtetem Sendesignal ein (Empfangs-) Beamforming durchgeführt. Eine Signalverarbeitungseinheit kann die Navigationsinformationen basierend auf den Reflexionen des Sendesignals bestimmen.
Idee des zweiten Aspekts ist es, mittels einer geschickten Anordnung von Sendesignalen möglichst viele sichere Informationen für das Unterwasserfahrzeug zu gewinnen. So ist aus dem vertikalen Sendesignal direkt die Höhe des Unterwasserfahrzeugs über Grund und somit die Tauchtiefe des Unterwasserfahrzeugs bestimmbar. Mittels der vier in die Raumrichtungen ausgesendeten Sendesignalen ist es ferner möglich, die Geschwindigkeit des Unterwasserfahrzeugs vektoriell, d.h. auch die Richtung in die sich das Unterwasserfahrzeug bewegt, zu bestimmen. Durch das Verwenden von vier gerichteten Sendesignalen entsteht ferner eine gewisse Redundanz, die es ermöglicht, beispielsweise eine Neigung des Unterwasserfahrzeugs oder Unebenheiten des Gewässerbodens zu detektieren und diese Messung als unzuverlässig zu markieren oder die Einflüsse herauszurechnen.
In Ausführungsbeispielen ist die Schallsendeeinheit ausgebildet, die Wasserschallwandler derart anzusteuern, dass ein erstes gerichtetes Sendesignal in einem Winkel nach vorne, ein zweites gerichtetes Sendesignal in einem Winkel nach hinten, ein drittes gerichtetes Sendesignal in einem Winkel nach links und ein viertes gerichtetes Sendesignal in einem Winkel nach rechts sowie ein fünftes Sendesignal in der Vertikalen ausgesendet wird. Die Winkel gegenüber der Wandlerfläche können jeweils identisch sein, wobei sich jedoch jeweils die Raumrichtung ändert, mit der die Sendesignale, vorzugsweise in Richtung Gewässergrund, ausgesendet werden. Durch das Aussenden nach vorne und nach hinten kann beispielsweise ein Nicken des Unterwasserfahrzeugs detektiert werden. Durch das Aussenden nach links und nach rechts kann beispielsweise ein Rollen des Unterwasserfahrzeugs detektiert werden.
Analog ist ein Verfahren zur Bestimmung von Navigationsinformationen mittels Sonar für ein Unterwasserfahrzeug mit folgenden Schritten offenbart: a) Bereitstellen eines Sendesignals mit vier verschiedenen Phasenlagen; b) Beaufschlagen von Wasserschallwandlern einer Vielzahl von Wasserschallwandlern jeweils derart mit dem Sendesignal in den verschiedenen Phasenlagen, um das Sendesignal gerichtet mittels der Wasserschallwandler in vier vorgegebene verschiedene Raumrichtungen und der Vertikalen auszusenden; c) Abtasten einer Schallempfangseinheit, die ausgebildet ist, ein elektrisches Signal der Wasserschallwandler der Vielzahl von Wasserschallwandlern nach dem Senden des Sendesignals derart abzutasten, dass eine Richtungsbildung in die jeweiligen Richtungen erfolgt, in die das Sendesignal gerichtet ausgesendet worden ist, um Reflexionen der ausgesendeten Sendesignale zu empfangen; d) Bestimmen der Navigationsinformationen basierend auf den Reflexionen des Sendesignals.
Gemäß einem dritten Aspekt ist ein Wasserschallgenerator zum Bereitstellen eines Sendesignals für ein Sonar offenbart. Der Wasserschallgenerator umfasst eine Signaleinspeisung, die ein anliegendes Sendesignal bereitstellt. Das Sendesignal kann von einem Signalgenerator generiert werden. Ein Transformator kann das Sendesignal auf eine maximale Sendespannung transformieren. Der Transformator kann ausgangsseitig eine Mehrzahl von Abgriffen aufweisen, um das Sendesignal mit weiteren Sendespannungen zu erhalten, und das Sendesignal mit verschiedenen Sendespannungen bereitzustellen. Der Wasserschallgenerator kann Teil einer Schallsendeeinheit der anderen beschriebenen Aspekte sein.
Idee des dritten Aspekts ist es, ein Wasserschallsignal bereitzustellen, mit dem gleichzeitig verschiedene Schalldrücke unter Wasser erzeugt werden können, wenn es von Wasserschallwandlern ausgesendet wird. Die verschiedenen Schalldrücke werden durch die verschiedenen Sendespannungen des Sendesignals eingestellt. Insbesondere ist es möglich, Wasserschallwandler einzeln oder in Gruppen zu betreiben und unterschiedliche Wasserschallwandler bzw. Gruppen von Wasserschallwandlern entsprechend ihrer Position bzw. dem gewünschten resultierenden Wasserschallsignal mit dem Sendesignal mit der entsprechenden Sendespannung zu beaufschlagen.
In einem Ausführungsbeispiel wird ein solches Szenario beschrieben, bei dem das Wasserschallsignal mittels eines sogenannten Shadings erzeugt werden soll. Dies reduziert die Nebenkeulen des ausgesendeten Wasserschallsignals. Der Wasserschallgenerator ist hier Teil eines Informationssystems für ein Unterwasserfahrzeug zur Bestimmung von Navigationsinformationen mittels Sonar. Das Informationssystem umfasst eine Vielzahl von in einer Fläche angeordneten Wasserschallwandlern, die jeweils ausgebildet sind, eine anliegende elektrische Spannung in Wasserschall umzuwandeln. Die Wasserschallwandler sind derart mit den Abgriffen des Transformators verschaltet, dass Wasserschallwandler in der Mitte der Fläche mit dem Sendesignal mit einer höheren mittleren Sendespannung beaufschlagt werden als Wasserschallwandler im äußeren Bereich der Fläche. Als mittlere Sendespannung eignet sich beispielsweise der Effektivwert des Sendesignals.
Analog ist ein Verfahren zum Bereitstellen eines Sendesignals für ein Sonar mit folgenden Schritten offenbart: a) Generieren eines Sendesignals; b) Transformieren des Sendesignals mit einem Transformator auf eine maximale Sendespannung; c) Abgreifen des Sendesignals an verschiedenen Abgriffen des Transformators, um das Sendesignal mit weiteren Sendespannungen zu erhalten; d) Bereitstellen des Sendesignals mit verschiedenen Sendespannungen bereitzustellen.
Ausführungsbeispiele eines vierten Aspekts zeigen ebenfalls einen Wasserschallgenerator, der ergänzend oder alternativ zu dem Wasserschallgenerator des dritten Aspekts Teil eine Schallsendeeinheit der anderen Aspekte sein kann. Der Wasserschallgenerator umfasst eine erste Signaleinspeisung und eine zweite Signaleinspeisung, die jeweils ausgebildet sind, ein anliegendes Sendesignal bereitzustellen. Das anliegende Sendesignal kann von einem gemeinsamen Signalgenerator oder einem separaten Signalgenerator pro Signaleinspeisung erzeugt werden. Auch Mischformen sind möglich. Die Sendesignale können gleich in ihrem Verlauf gleich sein und sich nur durch ihre Phasenlage unterscheiden. Generell können die anliegenden Sendesignale beispielsweise um 36° oder 72° zueinander phasenverschoben sein. Zusätzlich kann ein (insbesondere vertikales) Sendesignal mit abweichender Phasenlage vorliegen. Der Signalgenerator kann optional ebenfalls ein Teil des Wasserschallgenerators sein.
Ferner ist ein erster Eingangstransformator sekundärseitig mittels einer ersten Übertragungsstrecke mit der Primärseite eines ersten Ausgangstransformators verbunden ist, um das erste Sendesignal von dem ersten Eingangstransformator zu dem ersten Ausgangstransformator übertragen zu können. Der erste Ausgangstransformator kann optional das Sendesignal auf eine Sendespannung transformieren. Ein zweiter Eingangstransformator ist sekundärseitig mittels einer zweiten Übertragungsstrecke mit der Primärseite eines zweiten Ausgangstransformators verbunden, um das zweite Sendesignal von dem zweiten Eingangstransformator zu dem zweiten Ausgangstransformator übertragen zu können. Der zweite Ausgangstransformator kann optional das Sendesignal auf eine zweite Sendespannung transformieren.
Nunmehr umfasst der Wasserschallgenerator eine dritte Signaleinspeisung, die ausgebildet ist, ein anliegendes Sendesignal bereitzustellen und sekundärseitig in einen Mittenabgriff des ersten Eingangstransformators einzuspeisen, um das Sendesignal der dritten Signaleinspeisung in die erste Übertragungsstrecke einzukoppeln. Ferner kann die Signaleinspeisung optional eine Variation des Sendesignals bereitstellen, insbesondere das invertierte Sendesignal, und sekundärseitig in einen Mittenabgriff des zweiten Eingangstransformators einspeisen. Somit wird das Sendesignal der dritten Signaleinspeisung in die zweite Übertragungsstrecke eingekoppelt.
Ein dritter Ausgangstransformator ist ausgebildet, das Sendesignal der dritten Signaleinspeisung zur Einspeisung in einen ersten primärseitigen Kontakt des dritten Ausgangstransformators von einem primärseitigen Mittelabgriff des ersten Ausgangstransformators und die Variation des Sendesignals zur Einspeisung in einen primärseitigen zweiten Kontakt des dritten Ausgangstransformators von einem primärseitigen Mittelabgriff des zweiten Ausgangstransformators zu erhalten.
Idee des vierten Aspekts ist es, mittels zwei Übertragungsstrecken sechs Sendesignale übertragen zu können. Die sechs Sendesignale setzen sich zusammen aus zwei Signalen und des jeweiligen inversen Signals der ersten und zweiten Signaleinspeisung sowie das Sendesignal und die Variation davon der dritten Signaleinspeisung. Somit werden Leitungen für die Übertragung eingespart. Bei Unterwasserfahrzeugen ist dies insbesondere vorteilhaft, da die Leitungen durch den Hüllkörper hindurchgeführt werden müssen, um die Wasserschallwandler mit den Sendesignalen beaufschlagen zu können. Die Öffnungen in dem Hüllkörper sollen jedoch möglichst klein gehalten werden, so dass jedes Kabel, dass nicht hindurchgeführt werden braucht, das technische Design des Unterwasserfahrzeugs vereinfacht. Ausführungsbeispiele zeigen, dass die erste Signaleinspeisung und die zweite Signaleinspeisung die Abwesenheit des jeweiligen anliegenden Sendesignals aufweisen, wenn das entsprechende Sendesignal an der dritten Signaleinspeisung anliegt. D.h., entweder werden die beiden Übertragungsstrecken mit dem Sendesignal der ersten bzw. zweiten Signaleinspeisung gespeist oder mit dem Sendesignal bzw. der Variation davon der dritten Signaleinspeisung. Dies ist vorteilhaft, wenn keine Überlagerungen der Signale gewünscht sind.
Ausführungsbeispiele des fünften Aspekts zeigen ein dopplerbasiertes Navigationsunterstützungssystem zur Bestimmung von Navigationsinformationen für ein Unterwasserfahrzeug mittels Sonar. Das Navigationsunterstützungssystem umfasst eine Vielzahl von in einer Fläche angeordneten Wasserschallwandlern, die jeweils ausgebildet sind, Wasserschall in ein dem Schalldruck entsprechendes elektrisches Signal umwandeln und eine anliegende elektrische Spannung in Wasserschall umzuwandeln. In einem Hauptbetriebszustand ist die Wandlerfläche horizontal angeordnet. Insbesondere zeigt die Wandlerfläche in dem Hauptbetriebszustand in Richtung des Gewässerbodens.
Eine Schallsendeeinheit ist ausgebildet, die Wasserschallwandler der Vielzahl von Wasserschallwandlern mit einem Sendesignal zu beaufschlagen, so dass das Sendesignal im Wesentlichen vertikal ausgesendet wird. Im Wesentlichen vertikal wird das Sendesignal beispielsweise ausgesendet, wenn eine Hauptsendeleistung senkrecht zu der Wandlerfläche ausgesendet wird. Somit kann im Wesentlichen vertikal bedeuten, dass etwaige Nick- oder Roll Bewegungen des Unterwasserfahrzeugs unberücksichtigt bleiben.
Ferner umfasst das Navigationsunterstützungssystem eine Schallempfangseinheit, die ausgebildet ist, die Wasserschallwandler der Vielzahl von Wasserschallwandlern abzutasten, um Reflexionen des Sendesignals zu erhalten. Die Abtastung kann derart erfolgen, dass ein (Empfangs-) Beamforming in die Richtung durchgeführt wird, aus der die Reflexionen der Sendesignale auftreffen.
Nunmehr ist eine Signalverarbeitungseinheit offenbart, die ausgebildet ist, basierend auf den Reflexionen des Sendesignals kontinuierlich eine Tiefeninformation des Unterwasserfahrzeugs zu bestimmen und einen Verlauf der Tiefeninformation auf einer Darstellungseinheit graphisch auszugeben.
Idee des fünften Aspekts ist es, die Funktionalität eines Echolots in das dopplerbasierte Navigationsunterstützungssystem zu integrieren. Somit ist es möglich, auf ein separates Echolot zu verzichten. Dies spart wiederum Platz sowie Leitungen durch den Hohlkörper bei einem Unterwasserfahrzeug.
In Ausführungsbeispielen ist die Schallsendeeinheit ausgebildet, einen CW- Signalpuls (CW: continuous wave, dt.: ununterbrochene Welle) als Sendesignal auszusenden, um die Tiefeninformationen zu bestimmen. CW-Signalpulse sind vergleichsweise lang und haben somit eine geringe Bandbreite. Dadurch sind sie wenig anfällig für die Überlagerung durch Rauschen. Die Tiefeninformation kann somit sehr robust ermittelt werden. Ergänzend oder alternativ kann ein frequenzmodulierter Signalpuls verwendet werden, um die Tiefeninformationen zu bestimmen. Dieser liefert ein schärferes Echo, so dass die Konturen des Gewässerbodens besser dargestellt werden können. Optional ist es möglich, pro Sequenz, d.h. der zeitlichen Abfolge von ausgesendeten Sendesignalen, oder in einem beliebigen anderen Rhythmus über mehrere Sequenzen, die Art des Signalpulses zu wechseln. Eine Sequenz kann sowohl vertikale als auch in bestimmten Winkeln auf den Gewässerboden gerichtete Sendesignale aufweisen.
Ausführungsbeispiele eines sechsten Aspekts zeigen ein dopplerbasiertes Navigationsunterstützungssystem für ein Unterwasserfahrzeug. Das Navigationsunterstützungssystem umfasst eine Vielzahl von in einer Fläche angeordneten Wasserschallwandlern, die jeweils ausgebildet sind, Wasserschall in ein dem Schalldruck entsprechendes elektrisches Signal umwandeln und eine anliegende elektrische Spannung in Wasserschall umzuwandeln. Ferner umfasst das Navigationsunterstützungssystem eine Schallsendeeinheit, die ausgebildet ist, die Wasserschallwandler der Vielzahl von Wasserschallwandlern mit einem Sendesignal zu beaufschlagen, so dass das Sendesignal im Wesentlichen vertikal ausgesendet wird.
Eine Schallempfangseinheit ist ausgebildet, die elektrischen Signale der Wasserschallwandler der Vielzahl von Wasserschallwandlern abzutasten, um Reflexionen des (vertikalen) Sendesignals zu erhalten. Eine Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, basierend auf den Reflexionen des Sendesignals kontinuierlich eine Tiefeninformation des Unterwasserfahrzeugs zu bestimmen. Ferner stellt die Schallsendeeinheit einen Parameter des Sendesignals in Abhängigkeit von der aktuellen Tiefeninformation ein.
Idee des sechsten Aspekts ist es, das Sendesignal an die aktuellen Gegebenheiten, insbesondere die Tiefe des Unterwasserfahrzeugs über Grund anzupassen. Dies kann beispielsweise die Länge des ausgesendeten Sendesignals betreffen. Während die Wasserschallwandler das Sendesignal aussenden, können sie keine Reflexionen empfangen. Auf der anderen Seite reduziert ein langes Sendesignal beispielsweise die Anfälligkeit für die Überlagerung mit Rauschen. Ein anderer Parameter kann die Amplitute sein. Wird ein Signal mit zu großer Amplitude ausgesendet, wenn der Gewässerboden nah ist, kann es zu einem Übersteuern der Empfangselektronik kommen. Ist der Gewässerboden jedoch weit weg, wird die Energie eines Sendesignals mit großer Amplitude benötigt, um eine Reflexion zu empfangen.
In Ausführungsbeispielen ist die Schallsendeeinheit ausgebildet, zwischendurch durch eine ungünstige Wahl des Parameters ein Kontrollsendesignal statt des Sendesignals bereitzustellen. Basierend auf Reflexionen des Kontrollsendesignals kann die aktuelle Tiefeninformation durch Ausschluss besserer Tiefeninformationen validiert werden oder es kann eine sprunghafte Änderung der Tiefeninformation detektiert werden. Das heißt, es kann bewusst ein nicht auf die aktuell bestimmte Tiefeninformation optimiertes Sendesignal als Kontrollsendesignal ausgesendet werden, um Fehlmessungen zu detektieren oder die aktuelle Tiefeninformation zu validieren. Das Kontrollsendesignal kann zufällig oder in regelmäßigen Abständen anstelle des Schallsendesignals gesendet werden. Vorteilhafterweise wird das Schallsendesignal jedoch häufiger gesendet als das Kontrollsendesignal.
In weiteren Ausführungsbeispielen ist die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet, die Tiefeninformation unter Verwendung eines Schätzers, insbesondere eines Kalman Filters, automatisch zu bestimmen. Insbesondere ist die Schallsendeeinheit ausgebildet, den Schätzer mit den Reflexionen des Kontrollsendesignals zu speisen, um eine auftretende abweichende Tiefeninformation automatisch zu detektieren. Analog ist ein Verfahren zur Bestimmung von Navigationsinformationen für ein Unterwasserfahrzeug mittels Sonar mit einem dopplerbasierten Navigationsunterstützungssystem mit folgenden Schritten offenbart: a) Beaufschlagen von Wasserschallwandlern mit einem Sendesignal, so dass das Sendesignal im Wesentlichen vertikal ausgesendet wird; b) Abtasten eines elektrischen Signals der Wasserschallwandler um Reflexionen des Sendesignals zu erhalten; c) kontinuierliches Bestimmen einer Tiefeninformation des Unterwasserfahrzeugs basierend auf den Reflexionen des Sendesignals; d) Einstellen eines Parameters des Sendesignals in Abhängigkeit von der aktuellen Tiefeninformation.
Nachfolgend werden allgemeine Merkmale eines dopplerbasierten Navigationsunterstützungssystems für ein Unterwasserfahrzeug offenbart. Diese Merkmale können einzeln oder auch in beliebigen Kombinationen mit den vorbeschriebenen dopplerbasierten Navigationsunterstützungssystemen kombiniert werden. Es sei angemerkt, dass sowohl die beschriebenen Wasserschallgeneratoren als auch die beschriebenen Informationssysteme für ein Unterwasserfahrzeug ein Teil von dopplerbasierten Navigationsunterstützungssystemen sein können. Analog ist auch ein Unterwasserfahrzeug mit einem dopplerbasierten Navigationsunterstützungssystem offenbart.
Vorab sei zur Nomenklatur erwähnt, dass die Begriffe „resultierendes gerichtetes Sendesignal“, „gerichtetes Sendesignal“ und „resultierendes Sendesignal“ synonym verwendet werden. Diese Begriffe beschreiben das von den Wasserschallwandlern ausgesendete Wasserschallsignal (z.B. auch als Ping oder allgemeiner Beam bezeichnet). Das „Sendesignal“ bezeichnet das zugehörige elektrische Eingangssignal der Wasserschallwandler. Kontextabhängig wird der Begriff „Sendesignal“ jedoch teilweise auch für das ausgesendete Wasserschallsignal verwendet.
Das Navigationsunterstützungssystem umfasst eine Vielzahl von in einer Fläche angeordneten Wasserschallwandlern, die jeweils ausgebildet sind, Wasserschall in ein dem Schalldruck entsprechendes elektrisches Signal umzuwandeln und eine anliegende elektrische Spannung in Wasserschall umzuwandeln. Die Wandlerfläche ist im Hauptbetriebszustand bzw. in der Hauptverwendungsorientierung horizontal, d.h. parallel zu einem Gewässerboden angeordnet.
Eine optionale Schallsendeeinheit ist ausgebildet, die Wasserschallwandler der Vielzahl von Wasserschallwandlern jeweils mit einer Abfolge von Sendesignalen zu beaufschlagen, so dass eine Abfolge von zumindest vier, optional fünf resultierenden gerichteten Sendesignalen entsteht. Insbesondere können die Wasserschallwandler mit dem gleichen Sendesignal beaufschlagt werden, wobei sich eine Phasenlage des Sendesignals für verschiedene Wasserschallwandler bzw. Gruppen von Wasserschallwandlern unterscheidet. Ein solches Verfahren wird als (Sende-) Beamforming bezeichnet.
Optional sind die resultierenden Sendesignale in der Hauptverwendungsorientierung der Wasserschallwandler derart auf den Gewässerboden gerichtet, dass pro resultierendem Sendesignal ein Reflexionspunkt auf dem Gewässerboden entsteht und die Gesamtheit der Reflexionspunkte der resultierenden Sendesignale auf dem Gewässerboden, insbesondere im Stillstand, eine Fläche aufspannen. Bei vier resultierenden Sendesignalen entsteht auf dem Gewässerboden somit ein Viereck, typischerweise ein Quadrat. Bei fünf resultierenden Sendesignalen kann ein Viereck mit einem (z.B. mittig) in der Fläche liegenden Reflexionspunkt oder auch ein Fünfeck entstehen. Dass die Reflexionspunkte eine Fläche aufspannen schließt aus, dass die Reflexionspunkte auf einer Geraden liegen. Diese Betrachtung gilt insbesondere, wenn sich die Wasserschallwandler nicht bewegen, d.h. im Stillstand sind. Andernfalls kommt es natürlich durch die Bewegung der Wasserschallwandler während die Abfolge der resultierenden Sendesignale erzeugt wird, zu einer Relativbewegung der Reflexionspunkte zueinander.
Eine optionale Schallempfangseinheit ist ausgebildet, Ausgangssignale der Wasserschallwandler abzutasten, um Reflexionen des Sendesignals zu erhalten. Die Schallempfangseinheit tastet die Ausgangssignale der Wasserschallwandler insbesondere so ab, dass eine Empfindlichkeit der Wasserschallwandler für Schallwellen aus der Richtung am größten ist, aus der die Reflexion eines gerichteten Sendesignals erwartet wird. Diese Verfahren wird auch als (Empfangs-) Beamforming bezeichnet. Insbesondere wird ein gerichtetes Sendesignal gesendet und anschließend der Empfang der Reflexion abgewartet, bis das nächste gerichtete Sendesignal der Abfolge von gerichteten Sendesignalen ausgesendet wird.
Eine optionale Signalverarbeitungseinheit ist nunmehr ausgebildet, basierend auf den Reflexionen des resultierenden Sendesignals Navigationsinformationen zu bestimmen. Insbesondere kann die Signalverarbeitungseinheit basierend auf den Reflexionen der resultierenden Sendesignale und in Kenntnis des ausgesendeten resultierenden Sendesignals eine Dopplerverschiebung zwischen beiden Signalen bestimmen, um eine Geschwindigkeit zu ermitteln, mit der sich die Wasserschallwandler bewegen. Ferner ist es möglich, basierend auf einer Laufzeit des resultierenden Sendesignals bis zum Empfang von dessen Reflexion eine Entfernung des Gewässergrunds in der Richtung des Reflexionspunkts des gerichteten Sendesignals zu bestimmen. In Kenntnis des Winkels, mit dem das gerichtete Sendesignal ausgesendet wird, kann beispielsweise eine Tiefeninformation des Reflexionspunkts bestimmt werden. Die Tiefeninformation kann ergänzend oder alternativ auch mit einem vertikal ausgesendeten resultierenden Sendesignal, beispielsweise einem fünften Sendesignal, bestimmt werden.
Es ist möglich, die Reflexionen in der Schallempfangseinheit oder der Signalverarbeitungseinheit zu detektieren, d.h. von den weiteren Geräuschen zu separieren. Dies kann z.B. mittels eines matched filters (dt. Optimalfilter) erfolgen.
Ferner sind entsprechende Computerprogramme zu den jeweiligen Aspekten offenbart.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Unterwasserfahrzeugs mit einem dopplerbasierten Navigationsunterstützungssystem; Fig. 2: schematische Darstellungen in einer Draufsicht (von unten) auf die Wasserschallwandler, wobei Fig. 2a und Fig. 2b unterschiedliche Ausführungsbeispiele zeigen;
Fig. 3: ein schematisches Blockschaltbild einer Schallsendeeinheit mit einem Wasserschallgenerator mit fünf Wandlersträngen in Fig. 3a und ein schematisches Blockschaltbild eines alternativen Wandlerstrangs in Fig. 3b.
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 eine schematische Darstellung eines Unterwasserfahrzeugs 20 mit einem Informationssystem 22 bzw. dopplerbasierten Navigationsunterstützungssystem 22. Nachfolgend wird das System 22 nur als (dopplerbasiertes) Navigationsunterstützungssystem 22 bezeichnet, die Unterschiede zu dem Informationssystem werden nachfolgend erläutert, so dass sich die Beschreibung zu dem dopplerbasierten Navigationsunterstützungssystem mit Ausnahme des Unterscheidungsmerkmals, auch auf das Informationssystem anwenden lässt.
Das dopplerbasierte Navigationsunterstützungssystem 22 umfasst eine Vielzahl von in einer Fläche angeordneten Wasserschallwandlern 24, eine Schallsendeeinheit 26, eine Schallempfangseinheit 28 und eine Signalverarbeitungseinheit 30.
Schallsendeeinheit 26, Schallempfangseinheit 28 und Signalverarbeitungseinheit 30 können in einer Recheneinheit 32, beispielsweise einem Computer, implementiert sein. Links unterhalb des Unterwasserfahrzeugs ist eine Draufsicht, im montierten Zustand eine Ansicht von unten, auf die Wasserschallwandler 24 offenbart.
Strichpunktierte Linie 33 zeigt den gewählten Ausschnitt, d.h. die Position an dem Unterwasserfahrzeug 20, an. Rechts unterhalb des Unterwasserfahrzeugs 20 ist eine Draufsicht auf einen Gewässerboden 38 in einem Bereich 35 dargestellt, in dem ausgesendete Schallsignale (als resultierende gerichtete Sendesignale 36 bezeichnet) auf den Gewässergrund 38 auftreffen.
Die Schallsendeeinheit 26, kann die Wasserschallwandler 24 jeweils mit einer Abfolge von Sendesignalen 34 beaufschlagen, so dass eine Abfolge von zumindest vier resultierenden gerichteten Sendesignalen 36 entsteht. Die resultierenden Sendesignale 36 sind in Hauptverwendungsorientierung der Wasserschallwandler 24 derart auf den Gewässerboden 38 gerichtet, dass pro resultierendem Sendesignal 36 ein Reflexionspunkt 40a, 40b, 40c, 40d, 40e auf dem Gewässerboden 38 entsteht und die Gesamtheit der Reflexionspunkte 40 der resultierenden Sendesignale 36 auf dem Gewässerboden eine Fläche 42 aufspannen. Teil der Schallsendeeinheit kann ein Signalgenerator 43 und ein Wasserschallgenerator 44 sein. Der Signalgenerator
43 kann dem Wasserschallgenerator 44 ein generiertes Sendesignal 45 bereitstellen, das mittels des Wasserschallgenerators 44 für die Verwendung mit Wasserschallwandlern aufbereitet wird. Der Wasserschallgenerator 44 kann ferner die Übertragungsstrecke des Sendesignals 34 zwischen Schallsendeeinheit und Wasserschallwandlern umfassen. Ferner kann die Schallsendeeinheit auch eine den Wasserschallwandlern zugeordnete Elektronik umfassen, die das Sendesignal 34 für die Wasserschallwandler 24 bereitstellt. Optional umfasst der Wasserschallgenerator
44 auch den Signalgenerator 43 und/oder die Wasserschallwandler 24.
Die Schallempfangseinheit 28 kann Ausgangssignale 46 der Wasserschallwandler 24 abtasten, um Reflexionen 48 des resultierenden Sendesignals 36 zu erhalten. Die Signalverarbeitungseinheit 30 kann basierend auf den Reflexionen 48 des resultierenden Sendesignals Navigationsinformationen bestimmen. Die Reflexionen 48 können von der Schallempfangseinheit 28 bereits von einem Gesamtschallsignal, das beispielsweise auch Hintergrundrauschen und weiteren Wasserschall enthalten kann, separiert sein. Alternativ können die Reflexionen 48 auch in einem Gesamtschallsignal enthalten sein. Informationssystem und dopplerbasiertes Navigationsunterstützungssystem unterscheiden sich nunmehr dadurch, dass die Navigationsinformationen bei dem dopplerbasierten Navigationsunterstützungssystem basierend auf einer Dopplerverschiebung zwischen Sendesignal und Reflexion ermittelt werden. Bei dem Informationssystem ist die Bestimmung der Navigationsinformationen nicht an eine bestimmte Messgröße gekoppelt.
Fig. 2 zeigt schematische Darstellungen in einer Draufsicht (von unten) auf die Wasserschallwandler. Fig. 2a zeigt die Anordnung, die bereits in Fig. 1 gezeigt ist, Fig. 2b zeigt eine alternative Anordnung der Wasserschallwandler auf der dafür zur Verfügung stehenden Fläche 50.
Die Wasserschallwandler in Fig. 2a sind auf einer kreisförmigen Fläche 50 regelmäßig oder zufällig verteilt. Die tatsächliche Fläche, die die Wasserschallwandler einnehmen, ist somit ein Polygon, das an die Kreisfläche 50 angenähert ist. Optional kann die Schallsendeeinheit nunmehr die Wasserschallwandler in einer kleineren, insbesondere kreisförmigen, Fläche 52 (= erste Anzahl von Wasserschallwandlern) zum Senden des Sendesignals verwenden. Die Wasserschallwandler in der größere Fläche 50 (= zweite Anzahl von Wasserschallwandlern) kann für den Empfang der Reflexionen des Sendesignals mittels der Schallempfangseinheit verwendet werden.
Fig. 2b zeigt eine alternative Anordnung von Wasserschallwandlern, die so angesteuert werden können, wie dies hinsichtlich Fig. 2a beschrieben ist. D.h. die Schallsendeinheit kann die Wasserschallwander in der Kreisfläche 52 ansteuern während die Reflexionen durch die Wasserschallwandler in der Fläche 50 empfangen werden. Im Unterschied zu Fig. 2a werden hier jedoch Wasserschallwandler eingespart. Die Wasserschalwandler sind nicht wie in Fig. 2a auf einer Kreisfläche 50 angeordnet, sondern bilden zwei sich überlagernde Ellipsen 54a, 54b. Um eine Vergleichbarkeit zu der Anordnung in Fig. 2a herzustellen, wurde die Fläche 50 und die Fläche 52 jeweils gleich groß gewählt. So wird deutlich, dass ein beträchtlicher Teil der Fläche 50 die Abwesenheit von Wasserschallwandlern aufweist. Dies ist die Fläche außerhalb der Ellipsen. Diese Anordnung ist vorteilhaft für Wasserschallwandler eines Informationssystems oder dopplerbasierten Navigationsunterstützungssystems, das resultierende Sendesignale in die Richtung(en) aussendet, in die die Ellipse(n) angeordnet ist bzw. sind. Insbesondere kann in der beschriebenen Anordnung das resultierende Sendesignal in vier Richtungen (und optional zusätzlicher der vertikalen) ausgesendet werden. Fig. 3a zeigt eine schematische Darstellung einer Schallsendeeinheit 26. Die Schallsendeeinheit ist ausgelegt, Wasserschallwandler derart anzusteuern, dass die Wasserschallwandler vier resultierende Sendesignale und ein resultierendes vertikales Sendesignal aussenden. Insoweit umfasst der Wasserschallwandler 44 fünf parallele Wandlerstränge 60. Vorteilhafterweise sind die vier Wandlerstränge 60 für die resultierenden Sendesignale identisch, der unterste Wandlerstrang zur Erzeugung des vertikalen Sendesignals weicht vorteilhafterweise von den anderen Wandlersträngen ab. Die Schallsendeeinheit umfasst einen Signalgenerator 43 und einen Wasserschallgenerator 44. Der Signalgenerator 43 umfasst eine Einheit 56 zum Erzeugen des Sendesignals 34 (z.B. einen Funktionsgenerator) sowie in diesem Fall drei Phasenschieber 58. Das Sendesignal liegt somit mit vier verschiedenen Phasenlagen vor.
Das generierte Sendesignal 45 bzw. das phasenverschobene generierte Sendesignal 45' können mittels eines optionalen Sendeverstärkers 60, beispielsweise eines geräuscharmen Verstärkers (LNA - low noise amplifyer), verstärkt werden. Der Sendeverstärker 60 kann das Sendesignal und ein invertiertes Sendesignal ausgeben. Der Ausgang (bzw. die Ausgänge) der Sendeverstärker 60 können das Sendesignal zur Übertragung an die Wasserschwallwandler bereitstellen. Ein entsprechender Übergabepunkt kann als Signaleinspeisung 62 bezeichnet werden. Der optionale Verstärker und die Signaleinspeisung sind Teil einer Eingangsstufe 64 des Wasserschallgenerators 44. Die Eingangsstufe 64 kann innerhalb des Unterwasserfahrzeugs angeordnet sein. Mittels einer Übertragungsstrecke 66 kann das Sendesignal an eine Ausgangsstufe 68, insbesondere eine der Wasserschallwandler zugeordneten Elektronik übermittelt werden. Die Übertragungsstrecke 66 kann durch einen Druckkörper des Unterwasserfahrzeugs hindurchführen.
Die Übertragungsstrecke 66 verbindet die Sekundärseite eines Eingangstransformators 70 mit der Primärseite eines Ausgangstransformators 72. Der Ausgangstransformator kann das Sendesignal auf eine Ausgangsspannung transformieren. Der Ausgangstransformator kann das Sendesignal an den Ausgängen A-H für die Wasserschallwandler bereitstellen. Gleichfalls können die Wasserschallwandler ein elektrisches Signal das dem empfangenen Wasserschall entspricht an den Ausgängen A-H bereitstellen, so dass der Ausgangstransformator 72 diese über die Übertragungsstrecke an den Eingangstransformator 70 übermittelt. Der Eingangstransformator kann das elektrische Signal über seine Primärseite zur Weiterverarbeitung (z.B. zur Detektion der Reflexionen) auskoppeln.
Der unterste (fünfte) Wandlerstrang verfügt jedoch nicht über eine zugehörige Übertragungsstrecke. Um Leitungen einzusparen, werden hierfür die erste bzw. zweite Übertragungsstrecke verwendet. Typischerweise sind die Wandlerstränge 1-4 inaktiv, wenn Wandlerstrang 5 betrieben wird und umgekehrt. Ebenso sind die Wandlerstränge 1-5 typischerweise zum Senden inaktiv, wenn Reflexionen empfangen werden sollen.
Es sei anzumerken, dass die oberen beiden Wandlerstränge optional sind und der Wasserschallgenerator auch mit drei Wandlersträngen funktioniert, wenn beispielsweise drei verschiedene Sendesignale (z.B. in zwei Richtungen und der Vertikalen) gesendet werden sollen. In der gezeigten Ausführung mit Wandlersträngen für Sendesignale in 4 Richtungen und der Vertikalen können auch die beiden verbleibenden (oberen) Übertragungsstrecken noch für die Signalübertragung verwendet werden. Beispielsweise ist es möglich, hierüber eine Außentemperatur oder andere physikalische Parameter von einem Sensor in das Innere des Unterwasserfahrzeugs zu übertragen. Insbesondere kann die Übertragung dann erfolgen, wenn die beiden Übertragungsstrecken inaktiv sind.
Das untere Sendesignal kann sekundärseitig in einen Mittenabgriff des ersten Eingangstransformators eingespeist werden. Das invertierte untere Sendesignal kann entsprechend in einen Mittenabgriff des ersten Eingangstransformators einer weiteren Übertragungsstrecke eingespeist werden. Somit erfolgt eine Einkopplung in die entsprechenden Übertragungskanäle. Die Sendesignale können von einem primärseitigen Abgriff der zugehörigen Ausgangstransformatoren angegriffen werden. So werden die Transformatorwicklungen als einfacher Draht genutzt. Gleichermaßen kann die Übertragung von empfangenen Wasserschall von einem Mittenabgriff.
Fig. 3b zeigt einen beispielhaften Wandlerstrang in einer alternativen Ausführung. Im Unterschied zu den Wandlersträngen aus Fig. 3a weist dieser Wandlerstrang vier Ausgänge A, A‘, B, B‘ auf. Die Ausgänge sind an unterschiedlichen Abgriffen des Transformators angeordnet. So können die Ausgänge A und B das invertierte Signal bereitstellen. Die Ausgänge A‘ und B‘ stellen jeweils das Signal der Ausgänge A bzw. B mit geringerer Amplitude bereit. Weitere Abgriffe zwischen den Ausgängen A und B sind möglich. Somit kann ein Shading realisiert werden, wenn die Wasserschallwandler die Sendesignale aussenden. Beispielsweise können die Signale mit der größten Amplitude von den Wasserschallwandlern ausgesendet werden, die mittig in dem Array von Wasserschallwandlern angeordnet sind. Je weiter außen ein Wasserschallwandler angeordnet ist, desto geringer kann die Amplitude des Sendesignals sein.
Die Wasserschallwandler können in allen Aspekten in Gruppen fest mit einem Ausgang verbunden sein. Beispielsweise können 8 Gruppen von Wasserschallwandlern gebildet werden, die im Beispiel der Fig. 3a mit den Ausgängen A bis H fest verbunden sind. Wird das Shading eingesetzt, können die Gruppen jeweils Untergruppen aufweisen, die mit den Ausgängen Sendesignalen geringerer Amplitude gespeist werden.
Die offenbarten (Wasser-) Schallwandler sind für den Einsatz unter Wasser, insbesondere im Meer, ausgelegt. Die Schallwandler können Wasserschall in eine dem Schalldruck entsprechenden elektrischen Signal (z.B. Spannung oder Strom), das Wasserschallsignal, umwandeln. Überdies ist es möglich, dass die Schallwandler eine anliegende elektrische Spannung in Wasserschall umwandeln können. Die Schallwandler können demnach als Wasserschallempfänger und/oder als Wasserschallsender verwendet werden. Als sensorisches Material können die Schallwandler ein piezoelektrisches Material, beispielsweise eine Piezokeramik, aufweisen. Die Schallwandler können für (Aktiv- und/oder Passiv-) Sonar (sound navigation and ranging, dl: Schall-Navigation und -Entfernungsbestimmung) eingesetzt werden. Die Schallwandler sind bevorzugt nicht für medizinische Anwendungen geeignet bzw. werden nicht für medizinische Anwendungen eingesetzt.
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 Unterwasserfahrzeug
22 dopplerbasiertes Navigationsunterstützungssystem
24 Wasserschallwandler
26 Schallsendeeinheit
28 Schallempfangseinheit
30 Signalverarbeitunsgseinheit
32 Recheneinheit
33 Position der Detailansicht der Wasserschallwandler
34 Sendesignale
35 Bereich des Gewässerbodens
36 resultierendes gerichtetes Sendesignal
38 Gewässerboden
40 Reflexionspunkte
41 Hauptbewegungsrichtung der Wasserschallwandler
42 Fläche, die die Reflexionspunkte aufspannen
43 Signalgenerator
44 Wasserschallgenerator
45 generiertes Sendesignal
46 Ausgangssignale
48 Reflexionen
50 Fläche für die Anordnung der Wasserschallwandler
52 Fläche für die Wasserschallwandler zu Senden des Sendesignals
54 elliptische Fläche
56 Einheit zum Erzeugen des Sendesignals
58 Phasenschieber
60 Sendeverstärker
62 Signaleinspeisung
64 Eingangsstufe
66 Übertragungsstrecke
68 Ausgangsstufe
70 Eingangstransformator
72 Ausgangstransformator

Claims

Patentansprüche
1 . Dopplerbasiertes Navigationsunterstützungssystem (22) zur Bestimmung von Navigationsinformationen für ein Unterwasserfahrzeug (20) mittels Sonar mit folgenden Merkmalen:
- einer Vielzahl von in einer Fläche angeordneten Wasserschallwandlern, die jeweils ausgebildet sind, Wasserschall in ein dem Schalldruck entsprechendes elektrisches Signal umwandeln und eine anliegende elektrische Spannung in Wasserschall umzuwandeln;
- einer Schallsendeeinheit (26), die ausgebildet ist, die Wasserschallwandler (24) der Vielzahl von Wasserschallwandlern mit einem Sendesignal (34) zu beaufschlagen, so dass das Sendesignal (36) im Wesentlichen vertikal ausgesendet wird;
- einer Schallempfangseinheit, die ausgebildet ist, das elektrische Signal der Wasserschallwandler (24) der Vielzahl von Wasserschallwandlern abzutasten, um Reflexionen (48) des Sendesignals (36) zu erhalten;
- einer Signalverarbeitungseinheit (30), die ausgebildet ist, basierend auf den Reflexionen (48) des Sendesignals (36) kontinuierlich eine Tiefeninformation des Unterwasserfahrzeugs (20) zu bestimmen;
- wobei die Schallsendeeinheit (26) ausgebildet ist, einen Parameter des Sendesignals (34) in Abhängigkeit von der aktuellen Tiefeninformation einzustellen.
2. Navigationsunterstützungssystem (22) gemäß Anspruch 1 , wobei die Schallsendeeinheit (26) ausgebildet ist, zwischendurch durch eine ungünstige Wahl des Parameters ein Kontrollsendesignal statt des Sendesignals (34) bereitzustellen, und basierend auf Reflexionen (48) des Kontrollsendesignals die aktuelle Tiefeninformation durch Ausschluss besserer Tiefeninformationen zu validieren oder eine sprunghafte Änderung der Tiefeninformation zu detektieren.
3. Navigationsunterstützungssystem (22) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungseinheit (30) ausgebildet ist, die Tiefeninformation unter Verwendung eines Schätzers, insbesondere eines Kalman Filters, automatisch zu bestimmen.
4. Dopplerbasiertes Navigationsunterstützungssystem (22) gemäß Anspruch 3, wobei die Schallsendeeinheit (26) ausgebildet ist, den Schätzer mit den Reflexionen (48) des Kontrollsendesignals zu speisen, um eine auftretende abweichende Tiefeninformation automatisch zu detektieren.
5. Verfahren zur Bestimmung von Navigationsinformationen für ein Unterwasserfahrzeug (20) mittels Sonar mit einem dopplerbasierten Navigationsunterstützungssystem (22) mit folgenden Schritten: a) Beaufschlagen von Wasserschallwandlern mit einem Sendesignal, so dass das Sendesignal im Wesentlichen vertikal ausgesendet wird; b) Abtasten eines elektrischen Signals der Wasserschallwandler (24) um Reflexionen (48) des Sendesignals zu erhalten; c) kontinuierliches Bestimmen einer Tiefeninformation des Unterwasserfahrzeugs basierend auf den Reflexionen (48) des Sendesignals; d) Einstellen eines Parameters des Sendesignals in Abhängigkeit von der aktuellen Tiefeninformation.
6. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer bewirken, dass Wasserschallwandler mit einem Sendesignal beaufschlagt werden, so dass das Sendesignal im Wesentlichen vertikal ausgesendet wird und ferner den Computer veranlassen, die Schritte b) bis d) des Verfahrens gemäß Anspruch 5 auszuführen.
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