WO2014202049A1 - Verfahren zum bestimmen einer optimalen unterwasserschallgeschwindigkeit sowie vorrichtung zum durchführen des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum bestimmen einer optimalen unterwasserschallgeschwindigkeit sowie vorrichtung zum durchführen des verfahrens Download PDF

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    • G01S7/52003—Techniques for enhancing spatial resolution of targets

Definitions

  • the invention relates to a method for determining an optimal subsonic sound velocity, to a method for focusing a defocused sonar image and to an apparatus for carrying out the method.
  • Underwater sound velocity is generally determined by parameters measured by sensors in the water. Common parameters are in particular pressure, temperature, salinity and flow. On the basis of the underwater sound velocity, in particular the distance to an object can be determined, which was detected by means of a sonar.
  • the parameters determining sensors are regularly local, for example, on an AUV
  • a disadvantage is that changes in the parameters which are present at a certain distance from the sensor can not be measured by the sensors can be determined.
  • SAS Synthetic Aperture Sonar
  • defocused SAS images are corrected by means of fractional lower-order statistics (FLOS-PGA).
  • FLOS-PGA fractional lower-order statistics
  • An optimal speed of sound is estimated by an optimization problem. This is based on the finding that a false speed of sound leads to a quadratic phase error in the synthetic aperture.
  • the autofocusing takes place, in particular, by manipulating the phases in the frequency domain (Wavenumber domain).
  • a particular disadvantage is that the method assumes that there are a number of point targets in the SAS image for autofocusing.
  • the object of the invention is to improve the state of the art.
  • the object is achieved by a method for determining an optimal subsonic sound velocity, the method comprising the following steps:
  • the present optimal subsonic sound velocity is a good estimate of a true subsonic sound velocity, since changes in parameters such as temperature, pressure or salinity along the propagation are unimportant - especially through "averaging" - and are covered by the optimum subsonic sound velocity obtained.
  • the "underwater sound velocity” includes the propagation velocity of the sound in the medium of water, whereby the water is especially sea or sea water or even fresh water.
  • An “optimal subsonic sound velocity” (hereinafter also referred to as Co) includes a value that takes into account all the influences of the medium: While the underwater sound may have different velocities in its propagation path, the optimum subsonic sound velocity describes an average velocity over the entire course time the sound wave.
  • the "first underwater sound velocity” includes a first suspected or sensor-determined underwater sound velocity Although ideally the first subsonic sound velocity is equal to the optimal underwater sound velocity, but in
  • the first subsonic sound velocity has an Ac error, resulting in a "smeared” sonar image.
  • the "second subsonic sound velocity" has a different value than the first one
  • the second subsonic sound velocity differs by 1m / s to 3m / s, with larger or smaller values may be possible and useful.
  • a "sonar signal” includes any signals from a sonar.
  • Radar data represent in particular any electronic signals and representations of a sonar signal during or after receiving the sonar signal.
  • signals of the hydrophones are included as well as already prepared (eg through sample-and-hold circuits) signals.
  • the delimitation of the raw data is to be seen in particular to sonar image data, which are already processed and their quality measure can be determined.
  • a "sonar image” is generally an electronic representation of a reality under water
  • SAS image is generated in particular on the basis of transmitted and received underwater sound signals.
  • the first sonar image corresponds to a representation of reality using the first subsonic sound velocity and the raw data and the second sonar image representative of the reality using the second subsonic sound velocity and the identical raw data.
  • a "measure of quality” is in particular a (numerical) value, which reflects a statement about the quality of displayed objects.
  • the quality measure is often determined by means of metrics.
  • Point spread function or point spreading function called Point spread function or point spreading function called.
  • Other metrics / quality measures can be found in the article Leier et al. "SEQUENTIAL FOCUS EVALUATION OF SYNTHETIC APERTURE SONAR IMAGES” (IEEE ICASSP Conference Proceedings, May 26-31, 2013, Vancouver, Canada), the content of which is part of the present application, which can measure the quality of the entire sonar image as well be determined only on the basis of subareas of the sonar image.
  • a very primitive measure of quality can be a line-based and / or column-based
  • a contrast can be determined as an intensity transition from one pixel to the next adjacent one.
  • the "first and second quality measure” are the comparable values / functions to the respective sonar images.
  • the “best quality measure” is that which has the highest or correspondingly lowest value - in other words the best sonar image.
  • the reflected signals received by the receiving arrangement (SAS antenna) having the number L u of antenna elements (receiving elements within a receiver array of the sonar antenna) at the airtime index p can be described by Formula (2).
  • the Lauzeitverzögerung is also called two-way runtime of the transmission signal.
  • a u describes the spatial distance between the individual
  • Co is the true speed of sound in the medium.
  • a homogeneous medium is assumed. Assuming exact motion information, such as an AUV and thus the transmit / receive antenna, and replacing the necessary
  • Micronavigation in the form of a DPCA (displaced phase center antenna) algorithm (a micronavigation is performed ⁇ ⁇ ⁇ * -.)
  • a SAS image can be '* directly using, for example, a
  • ⁇ ⁇ is the carrier frequency, the distance-focused reflection signals and ⁇ ( ⁇ ) an indicator function [see in particular Leier et al. "SEQUENTIAL FOCUS EVALUATION OF SYNTHETIC APERTURE SONAR IMAGES” (IEEE ICASSP Conference Proceedings, May 26-31, 2013, Vancouver, Canada)]. The latter describes whether a grid point g k i is transmitted through the transmitter or the receiver "Seen” or “illuminated”. It should be noted,
  • the focusing delay ' '; ⁇ ' ⁇ ⁇ reconstruction in formula (4) is identical to the propagation delay of the formula (3), wherein which can be adopted not necessarily at lattice imperfections, as may arise deviations due to a lattice mismatch despite correct underwater sound speed.
  • phase center approximation a transmitter-receiver pair is replaced by a virtual transceiver, which is located in the (virtual) geometric center between transmitter and receiver.
  • additional sonar images are obtained using the raw data and additional subsonic sound velocity and the associated additional quality measures, and all quality measures are compared.
  • the sonar image can be selected with the best quality measure and thus a better value for the
  • Underwater sound velocity can be determined.
  • Quality measure leads directly to a lower value for the underwater sound velocity can be used. In this example, there is a change of direction.
  • Real time in this case means in particular that in the time interval between the determination of two SAS images, the optimum subsonic sound velocity can be determined.
  • the determination of the quality measures / metrics can be parallelized. The actual comparison of the quality measures can then be processed by a single processor.
  • the process can be carried out online or offline.
  • the sonar images or raw data are processed after the mission or with a time delay to record the data, so that a map with exact distances and proportions can be provided, in particular after measurement using a sonar.
  • the object is achieved by a method for focusing a defocused sonar image, wherein the optimal
  • Underwater sound velocity determined in accordance with a method described above and the associated sonar image to the optimal subsonic sound velocity can be determined.
  • sonar images of higher quality and / or sharper contours can be provided.
  • focused representation is to be understood as an optimal representation of the sonar image.
  • a "defocused” is especially when sonar images show objects that are "out of focus”.
  • the object is achieved by a device which is set up such that one of the methods described above can be carried out.
  • Figure 1 is a highly schematic representation of different sonar images with different quality measures.
  • AUV Autonomous Underwater Vehicle
  • SAS Synthetic Aperture Sonar
  • the SAS determines raw data. Furthermore, the AUV measures water pressure, temperature and salinity using attached sensors. Based on the sensor data, a first "estimate" of the subsonic sound velocity is calculated. Alternatively, the speed of sound is measured directly by means of a sonic velocity sensor.
  • the calculated (measured) value of the subsonic sound velocity is 1500 m / s.
  • a step 1 the first SAS image is determined with this first subsonic sound velocity [see Fig. Id.]].
  • the determined subsonic sound velocity is increased to 1502.5 m / s and also a SAS image (here the second SAS image [see Fig. Le.]]).
  • a possible contrast measurement for an overall image is: [54]
  • PSF metrics are determined.
  • the underwater sound velocity is reduced again in step 3 and set to the value 1495 m / s.
  • the associated SAS image lb.) and the associated contrast value m c are determined and compared with the values for the SAS image lc.). Since the contrast value m c has improved, in step 4 the subsonic sound velocity is set to the value of 1492.5 m / s and the associated SAS image 1 a) and the associated contrast value m c are determined.
  • the contrast value m c has deteriorated from the contrast value m c of the SAS image lb.), so it is assumed that the SAS image lb.) has the best quality and that the best description for the underwater sound velocity is 1495 m / s is.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer optimalen Unterwasserschallgeschwindigkeit, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: - Ermitteln von Rohdaten eines Sonarsignals, - Ermitteln eines ersten Sonarbildes unter Verwenden der Rohdaten und einer ersten Unterwasserschallgeschwindigkeit, - Ermitteln eines zweiten Sonarbildes unter Verwenden der Rohdaten und einer zweiten Unterwasserschallgeschwindigkeit, - Ermitteln eines ersten Qualitätsmaßes des ersten Sonarbildes und eines zweiten Qualitätsmaßes des zweiten Sonarbildes und Vergleichen des ersten Qualitätsmaßes mit dem zweiten Qualitätsmaßes und - Auswählen der Unterwasserschallgeschwindigkeit, welche zu dem Sonarbild mit dem besten Qualitätsmaßes zugehörig ist, wobei diese ausgewählte Unterwasserschallgeschwindigkeit der optimalen Unterwasserschallgeschwindigkeit entspricht.

Description

Verfahren zum Bestimmen einer optimalen Unterwasserschallgeschwindigkeit sowie Vorrichtung zum
Durchführen des Verfahrens
[Ol] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer optimalen Unterwasserschallgeschwindigkeit, ein Verfahren zum Fokussieren eines defokussierten Sonarbildes und eine Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren.
[02] Die Unterwasserschallgeschwindigkeit wird allgemein durch Parameter bestimmt, welche mittels Sensoren im Wasser gemessen werden. Übliche Parameter sind insbesondere Druck, Temperatur, Salinität und Strömung. Anhand der Unterwasserschallgeschwindigkeit kann insbesondere die Entfernung zu einem Objekt bestimmt werden, welches mittels eines Sonars detektiert wurde. Die Parameter bestimmenden Sensoren sind regelmäßig lokal beispielsweise an einem AUV
(Autonomous Underwater Vehicle) angeordnet.
[03] Nachteilig ist, dass Änderungen der Parameter, welche in einem gewissen Abstand vom Sensor vorliegen messtechnisch nicht durch die Sensoren bestimmbar sind.
[04] Zudem sind insbesondere die Bildqualitäten eines SAS- Bildes ( SAS = Synthetic Aperture Sonar) auf einen möglichst korrekten UnterwasserSchallgeschwindigkeits-Wert angewiesen, da die Unterwasserschallgeschwindigkeit die Qualität des SAS-Bilds beeinflusst. Falsche
Unterwasserschallgeschwindigkeits-Werte führen insbesondere zu defokussierten SAS-Bildern. [05] In Hansen et al . [The effect of sound velocity variations on synthetic aperture sonar; Proc. Underwater Acoust Meas. (UAM) , 2007] werden defokussierte SAS-Bilder mittels Autofokus-Ansät zen (FLOS-PGA; fractional lower order statistics phase gradient autofocus) korrigiert. Dabei wird eine optimale Schallgeschwindigkeit über ein Optimierungsproblem geschätzt. Dies basiert auf der Erkenntnis, dass eine falsche Schallgeschwindigkeit zu einem quadratischen Phasenfehler in der synthetischen Apertur führt. Die Autofokussierung erfolgt insbesondere dadurch, dass die Phasen in der Frequenzdomäne (Wavenumber Domäne) manipuliert werden.
[06] Nachteilig dabei ist insbesondere, dass die Methode annimmt, dass für das Autofokussieren eine Anzahl von Punktzielen im SAS-Bild vorhanden sind.
[07] Aufgabe der Erfindung ist es den Stand der Technik zu verbessern .
[08] Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Bestimmen einer optimalen Unterwasserschallgeschwindigkeit, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Ermitteln von Rohdaten eines Sonarsignals ,
- Ermitteln eines ersten Sonarbildes unter Verwenden der Rohdaten und einer ersten UnterwasserSchallgeschwindigkeit , - Ermitteln eines zweiten Sonarbildes unter Verwenden der Rohdaten und einer zweiten UnterwasserSchallgeschwindigkeit ,
- Ermitteln eines ersten Qualitätsmaßes des ersten Sonarbildes und eines zweiten Qualitätsmaßes des zweiten Sonarbildes und Vergleichen des ersten Qualitätsmaßes mit dem zweiten Qualitätsmaßes und
- Auswählen der Unterwasserschallgeschwindigkeit, welche zu dem Sonarbild mit dem besten Qualitätsmaßes zugehörig ist, wobei diese ausgewählte Unterwasserschallgeschwindigkeit der optimalen Unterwasserschallgeschwindigkeit entspricht .
[09] Durch die bestimmte optimale Unterwasserschallgeschwindigkeit kann insbesondere eine bessere Entfernungsbestimmung zu einem schallrückstrahlenden Objekt erfolgen. Auch ist vorliegende optimale Unterwasserschallgeschwindigkeit eine gute Abschätzung einer wirklichen Unterwasserschallgeschwindigkeit, da Änderungen in Parametern wie Temperatur, Druck oder Salinität entlang der Ausbreitung unbeachtlich - insbesondere durch eine „Mittelung" - sind und durch die gewonnene optimale Unterwasserschallgeschwindigkeit abgedeckt sind.
[10] Folgendes Begriffliche sei erläutert:
[11] Allgemein umfasst die „Unterwasserschallgeschwindigkeit" die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls in dem Medium Wasser. Dabei ist das Wasser insbesondere See- oder Meerwasser oder auch Süßwasser. [12] Eine „optimale Unterwasserschallgeschwindigkeit" (im Weiteren auch als Co bezeichnet) umfasst einen Wert, welche sämtliche Einflüsse des Mediums berücksichtigt. Zwar kann der Unterwasserschall auf seinem Ausbreitungsweg unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisen, jedoch beschreibt die optimale Unterwasserschallgeschwindigkeit eine durchschnittliche Geschwindigkeit über der gesamten Verlaufszeit der Schallwelle.
[13] Die „erste Unterwasserschallgeschwindigkeit" umfasst eine erste vermutete oder durch Sensoren bestimmte Unterwasserschallgeschwindigkeit. Zwar ist im Idealfall die erste Unterwasserschallgeschwindigkeit gleich der optimalen Unterwasserschallgeschwindigkeit, jedoch weist im
Allgemeinen die erste Unterwasserschallgeschwindigkeit einen Fehler Ac auf, sodass dies zu einem „verschmierten" Sonarbild führt.
[14] Die „zweite Unterwasserschallgeschwindigkeit" weist einen anderen Wert als die erste
Unterwasserschallgeschwindigkeit auf. Typischer Weise weicht die zweite Unterwasserschallgeschwindigkeit um 1m/s bis 3m/s ab, wobei größere oder auch kleinere Werte möglich und sinnvoll sein können.
[15] Ein „Sonarsignal" umfasst jegliche Signale eines Sonars .
[16] „Rohdaten" stellen insbesondere jegliche elektronische Signale und Repräsentanzen eines Sonarsignals beim oder nach dem Empfang des Sonarsignals dar. So sind Signale der Hydrophone ebenso umfasst wie bereits aufbereitete (z.B. durch Sample-and-Hold-Schaltungen ) Signale. Die Abgrenzung der Rohdaten ist insbesondere zu Sonarbilddaten zu sehen, welche bereits weiterverarbeitet sind und deren Qualitätsmaß bestimmbar ist.
[17] Ein „Sonarbild" ist allgemein eine elektronische Repräsentanz einer Wirklichkeit unter Wasser. Das Sonarbild
(SAS-Bild) wird insbesondere anhand ausgesandter und empfangener Unterwasserschallsignale generiert. Beim
Generieren des Sonarbildes werden insbesondere eine Unterwasserschallgeschwindigkeit und die ermittelten Rohdaten verwendet. Somit entsprechen insbesondere das erste Sonarbild einer Repräsentanz der Wirklichkeit unter Verwendung der ersten Unterwasserschallgeschwindigkeit und den Rohdaten und das zweite Sonarbild einer Repräsentanz der Wirklichkeit unter Verwendung der zweiten Unterwasserschallgeschwindigkeit und der identischen Rohdaten .
[18] Ein „Qualitätsmaß" ist insbesondere ein ( Zahlen) Wert , welcher eine Aussage über die Qualität dargestellter Objekte widerspiegelt. In diesem Zusammenhang wird das Qualitätsmaß häufig mittels Metriken bestimmt. Ein anschauliches Qualitätsmaß ist beispielsweise ein bildbasierter Kontrastunterschied und PSF basierten Metriken, welche insbesondere ein Punktziel extrahieren und welche beispielsweise die Höhe einer Gaußfunktion und/oder die Breite einer Gaußfunktion auswerten, wobei eine Punktauswahl vorausgesetzt wird (PSF = Point Spread Function auch Punktantwort, Punktbildfunktion,
Punktbildverwaschungsfunktion oder Punktspreizfunktion genannt) . Beispiele für mögliche Metriken/Qualitätsmaße können dem Artikel Leier et al . „SEQUENTIAL FOCUS EVALUATION OF SYNTHETIC APERTURE SONAR IMAGES" (IEEE ICASSP Conference Proceedings, May 26-31, 2013, Vancouver, Canada) entnommen werden, dessen diesbezüglicher Inhalt Bestandteil der vorliegenden Anmeldung ist. Dabei kann das Qualitätsmaß sowohl für das gesamte Sonarbild als auch lediglich anhand von Teilbereichen des Sonarbilds bestimmt werden.
[19] Ein ganz primitives Qualitätsmaß kann beispielsweise durch eine zeilen- und/oder spaltenbasierte
Bildpixelanalyse erfolgen. So kann ein Kontrast als ein Intensitätsübergang von einem Pixel zum nächsten benachbarten bestimmt werden.
[20] Das „erste und zweite Qualitätsmaß" sind jeweils die vergleichbaren Werte/Funktionen zu den jeweiligen Sonarbildern . Das „beste Qualitätsmaß" ist das, welches den höchsten oder entsprechend niedrigsten Wert - sprich das beste Sonarbild - aufweist.
[21] Bevor im Weiteren auf die unterschiedlichen Ausprägungsformen eingegangen wird, soll vorab kurz die dem Verfahren zugrundeliegende Theorie am Beispiel eines SAS erläutert werden. Dabei wird gezeigt, dass ein Fehler in der Unterwasserschallgeschwindigkeit eine direkte Auswirkung auf die Qualität eines Sonarbildes hat.
[22] Eine ideale Beschreibung f (x,y) der Abbildung eines Meeresbodens, welche sich aus der Überlagerung von D stationären Punktzielen darstellen lässt, ist gegeben durch
Figure imgf000009_0001
[23] wobei jedes Ziel eine Reflektivität öd hat und an der Position qd= [ Xd A Yd ] T mit Xd und yd als lokale Punktkoordinate innerhalb des Bildbereichs verortet ist. Die von der Empfangsanordnung (SAS Antenne) mit der Anzahl Lu an Antennenelementen (Empfangselemente innerhalb eines Empfangsarrays der Sonarantenne ) zum Sendezeitindex p empfangenen reflektierten Signale können durch Formel (2) beschrieben werden.
Figure imgf000009_0002
[24] Dabei ist das übertragene Pulssignal s(t) und die LaufZeitverzögerung id,P(u) beschreibt die Laufzeit des Übertragungssignals zwischen dem Sender (Hydrophon) an der Position tp=[0,ytx, p ] und dem d-tem Ziel und zurück zum u- ten Empfänger (hier SAS Antenne) an der Position rp(u)= [ 0 , ytx,P+uAu] . Die Lauzeitverzögerung wird auch Zwei-Wege- Laufzeit des Sendesignals genannt. Dabei beschreibt Au den räumlichen Abstand zwischen den einzelnen
Empfangselementen. Die LaufZeitverzögerung kann wie folgt beschrieben werden
Figure imgf000009_0003
[25] In Formel (3) ist Co die wahre Schallgeschwindigkeit im Medium. Vorliegend wird ein homogenes Medium angenommen. Unter der Annahme exakter Bewegungsinformationen, beispielsweise eines AUVs und damit der Sende- /Empfangsantenne, und dem Ersetzen der notwendigen
Mikronavigat ion in Form eines DPCA (displaced phase center antenna) - Algorithmus (es wird eine Mikronavigat ion f{■■<*-. )
vernachlässigt), kann ein SAS-Bild '* direkt unter einem Verwenden beispielsweise eines
Rückpro jektionsalgorithmuses (Soumekh; Synthetic Aperture Radar Signal Processing: with MATLAB Algorithms, Wiley&Sons., 1999) rekonstruiert werden.
Bei gegebenen Gitterpunkten gki= [Xkf Yi l T mit k=l,...,Nx und
T_fpc (u
1=1, ...,Ny und gegebener Fokussierungsver zögerung pM^- J kann die Rekonstruktion des Bildes wie folgt beschrieben werden
Figure imgf000010_0001
(4)
[26] In Formel (4) ist ωα die Tragerfrequenz,
Figure imgf000010_0002
die entfernungsfokussierten Reflexionssignale und Β(·) eine Indikatorfunktion [siehe insbesondere Leier et al . „SEQUENTIAL FOCUS EVALUATION OF SYNTHETIC APERTURE SONAR IMAGES" (IEEE ICASSP Conference Proceedings, May 26-31, 2013, Vancouver, Canada) ] . Das Letztere beschreibt, ob ein Gitterpunkt gki durch den Transmitter oder dem Empfänger „gesehen" oder „beleuchtet" wird. Dabei ist zu beachten,
j .H. ^
dass die Fokussierungsver zögerung '';··'ί·· der Rekonstruktion in Formel (4) identisch zu der Lauf Zeitverzögerung gemäß Formel (3) ist, wobei das bei Gitterungenauigkeiten nicht zwingend angenommen werden kann, da trotz richtiger Unterwasserschallgeschwindigkeit Abweichungen aufgrund einer Gitterabweichung entstehen können.
[27] In der Folge wenden wir die
Phasenzentrumsapproximation gemäß Bellettini und Pinto [Theoretical Accuracy of Synthetic Aperture Sonar Micronavigation Using a Displaced Phase-Center Antenna; IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2002, 27, 780-789] an, um den Einfluss einer fehlerhaften
Schallgeschwindigkeitsannahme auf ein SAS-Bild darzustellen. Bei der Phasenzentrumsapproximation wird ein Sender-Empfänger-Paar durch einen virtuellen Sender- Empfänger ersetzt, welcher im (virtuellen) geometrischen Zentrum zwischen Sender und Empfänger verortet ist. Der Ort des Phasenzentrums sei rpc=[0,ypc] . Daraus vereinfacht sich die Lauf Zeitverzögerung zum d-ten Ziel zu
Figure imgf000011_0001
[28] Der Phasenfehler aufgrund der falschen
Schallgeschwindigkeit CQ■— LQ A.t führt durch Verwenden einer Taylor-Reihe Entwicklung erster Ordnung der Entfernung Rd zu
Figure imgf000012_0001
(6)
[29] Durch Formel (6) sind zwei Effekte erkennbar. Erstens, dass der Fehler der Schallgeschwindigkeit einen linearen Versatz in Bereichs ( koordinaten ) richtung des Ziels und zweitens einen quadratischen Term-Beitrag in
Verlaufsrichtung, welche ein Verschmieren des SAS-Bildes bewirkt .
[30] Somit hat ein Fehler in der
Unterwasserschallgeschwindigkeit eine direkte Auswirkung auf die Qualität des Sonarbildes.
[31] In einer Ausprägungsform werden zusätzliche Sonarbilder unter Verwenden der Rohdaten und zusätzlicher Unterwasserschallgeschwindigkeit und die zugehörigen zusätzlichen Qualitätsmaße ermittelt und sämtliche Qualitätsmaße verglichen.
[32] Somit kann unter Verwendung der identischen Rohdaten zu weiteren angenommenen Unterwasserschallgeschwindigkeiten das Sonarbild mit dem besten Qualitätsmaß ausgewählt werden und somit ein besserer Wert für die
Unterwasserschallgeschwindigkeit bestimmt werden.
[33] Um sicher oder schnell zu einem möglichst optimalen Wert der Unterwasserschallgeschwindigkeit zu gelangen, kann das Ermitteln und/oder Vergleichen der Qualitätsmaße sequentiell oder iterativ erfolgen.
[34] Unter „sequentiell" ist ein kontinuierliches Abändern der Unterwasserschallgeschwindigkeit mit lediglich einer Richtungsänderung zu verstehen. Insbesondere kann beim Feststellen, dass ein etwas höherer Wert für die Unterwasserschallgeschwindigkeit zu schlechteren
Qualitätsmaß führt, direkt ein niedrigerer Wert für die Unterwasserschallgeschwindigkeit verwendet werden. In diesem Beispielsfall liegt dann eine Richtungsänderung vor.
[35] Beim „iterativen" Ermitteln und/oder Vergleichen können bei größeren Änderungen der angenommenen Unterwasserschallgeschwindigkeit mehrere Richtungswechsel erfolgen, sodass die optimale
Unterwasserschallgeschwindigkeit möglichst schnell erreichbar ist.
[36] In einer weiteren Ausprägungsform erfolgt das Ermitteln der jeweiligen Sonarbilder und/oder der jeweiligen Qualitätsmaße parallel.
[37] Somit kann ein extrem schnelles Ermitteln der optimalen Unterwasserschallgeschwindigkeit erfolgen, da parallelisierbare Rechenvorgänge durch parallele
Prozessoren berechnet werden. Somit kann eine Echt zeitfähigkeit des Verfahrens ermöglicht werden. Echt zeitfähig in diesem Fall bedeutet insbesondere, dass in dem ZeitIntervall zwischen dem Ermitteln zweier SAS-Bilder die optimale Unterwasserschallgeschwindigkeit ermittelbar ist . [38] Insbesondere das Bestimmen der Qualitätsmaße/Metriken ist parallelisierbar . Der eigentliche Vergleich der Qualitätsmaße kann anschließend durch lediglich einen Prozessor bearbeitet werden.
[39] Um das Verfahren für unterschiedliche
Missionsszenarien einsetzen zu können, kann das Verfahren online oder offline durchgeführt werden.
[40] Unter „online" ist insbesondere während der eigentlichen Mission zu verstehen. So kann die Rechenleistung in einem autonomen Unterwasserfahrzeug selbst oder auch an Bord eines Schiffes berechnet werden, wobei ein Unterwassergefährt währenddessen neue Sonarbilder unter Wasser ermittelt.
[41] Beim „Offline-" Verfahren werden die Sonarbilder oder Rohdaten nach der Mission oder zeitversetzt zur Aufnahme der Daten bearbeitet. So kann insbesondere nach dem Vermessen mittels eines Sonars eine Karte mit exakten Abständen und Proportionen bereitgestellt werden.
[42] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Fokussieren eines defokussierten Sonarbildes, wobei die optimale
Unterwasserschallgeschwindigkeit gemäß einem zuvor beschriebenen Verfahren bestimmt und das zu der optimalen Unterwasserschallgeschwindigkeit zugehörige Sonarbild ermittelt werden.
[43] Somit können Sonarbilder höherer Qualität und/oder schärferer Konturen bereitgestellt werden. [44] In diesem Zusammenhang ist unter "fokussiertes" Darstellen, ein möglichst optimales Darstellen des Sonarbildes zu verstehen.
[45] Ein „Defokussiert sein" liegt insbesondere dann vor, wenn Sonarbilder Objekte anzeigen, welche „unscharf" dargestellt sind.
[46] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung, welche derart eingerichtet ist, dass eines der zuvor beschriebenen Verfahren durchführbar ist.
[47] Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine stark schematische Darstellung verschiedener Sonarbilder mit unterschiedlichen Qualitätsmaßen .
[48] Am Grund des Meeresbodens sind drei punktförmige Objekte angeordnet. In einer Entfernung von 50m unter einem Winkel von 10° befindet sich ein AUV (Autonomous Underwater Vehicle) . Das AUV weist Ultraschallsender und eine Schallantenne (mehrere Hydrophone) auf und ist derart eingerichtet, dass ein Synthetic Aperture Sonar (SAS) gebildet ist.
[49] Das SAS ermittelt Rohdaten. Weiterhin misst das AUV mittels angebrachter Sensoren Wasserdruck, Temperatur und Salinität. Anhand der Sensordaten wird eine erste „Schätzung" der Unterwasserschallgeschwindigkeit berechnet. Alternativ wird die Schallgeschwindigkeit mittels eines Schallgeschwindigkeitssensors direkt gemessen.
[50] Vorliegend ist der berechnete (gemessene) Wert der Unterwasserschallgeschwindigkeit 1500m/ s .
[51] In einem Schritt 1 wird mit dieser ersten Unterwasserschallgeschwindigkeit das erste SAS-Bild ermittelt [siehe Fig. Id.)]. Zudem wird die ermittelte Unterwasserschallgeschwindigkeit erhöht auf 1502,5m/s und ebenfalls ein SAS-Bild (hier das zweite SAS-Bild [siehe Fig. le. ) ] ) .
[52] Für beide SAS-Bilder Id.), le.) wird jeweils das Qualitätsmaß ermittelt, wobei das Qualitätsmaß mittels Kontrastmessung bestimmt wird.
[53] Eine mögliche Kontrastmessung für ein Gesamtbild ist: [54] Ein Kontrast mc sei als Verhältnis einer empirischen Standardabweichung ' zu einem empirischen Mittelwert ■>* einer vektorisierten Bildmatrix · ·· ·ί;, mit F=f(xkfyi) mit k=l,...,Nx und 1=1, Ny definiert, so dass gilt
Figure imgf000016_0001
[55] Alternativ oder zusätzlich werden PSF-Metriken bestimmt .
[56] Der mc-Wert des zweiten SAS-Bilds le.) ist niedriger als der mc-Wert des ersten SAS-Bildes ld.) . Da keine Verbesserung im Qualitätsmaß (mc) erfolgte, wird in einem weiteren Schritt 2, die Unterwasserschallgeschwindigkeit auf 1497,5m/s verringert und das zugehörige SAS-Bild lc.) ermittelt und der zugehörige Kontrastwert mc dieses Bildes lc.) bestimmt und mit dem Kontrastwert mc des ersten SAS- Bildes ld.) verglichen.
[57] Da sich der Kontrastwert mc verbessert hat, wird im Schritt 3 die Unterwasserschallgeschwindigkeit erneut verringert und auf den Wert 1495m/s gesetzt. Es werden wiederum das zugehörige SAS-Bild lb.) und der zugehörige Kontrastwert mc ermittelt und mit den Werten zum SAS-Bild lc.) verglichen. Da sich der Kontrastwert mc verbessert hat wird im Schritt 4 die Unterwasserschallgeschwindigkeit auf den Wert von 1492,5m/s gesetzt und das zugehörige SAS-Bild la.) und der zugehörige Kontrastwert mc ermittelt. Der Kontrastwert mc hat sich gegenüber dem Kontrastwert mc des SAS-Bildes lb.) verschlechtert, sodass davon ausgegangen wird, dass das SAS-Bild lb.) die beste Qualität aufweist und dass die beste Beschreibung für die Unterwasserschallgeschwindigkeit der Wert 1495m/s ist.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zum Bestimmen einer optimalen Unterwasserschallgeschwindigkeit, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Ermitteln von Rohdaten eines Sonarsignals ,
- Ermitteln eines ersten Sonarbildes unter Verwenden der Rohdaten und einer ersten UnterwasserSchallgeschwindigkeit ,
- Ermitteln eines zweiten Sonarbildes unter Verwenden der Rohdaten und einer zweiten UnterwasserSchallgeschwindigkeit ,
- Ermitteln eines ersten Qualitätsmaßes des ersten Sonarbildes und eines zweiten Qualitätsmaßes des zweiten Sonarbildes und Vergleichen des ersten Qualitätsmaßes mit dem zweiten Qualitätsmaßes und
- Auswählen der Unterwasserschallgeschwindigkeit, welche zu dem Sonarbild mit dem besten Qualitätsmaßes zugehörig ist, wobei diese ausgewählte Unterwasserschallgeschwindigkeit der optimalen Unterwasserschallgeschwindigkeit entspricht .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Sonarbilder unter Verwenden der Rohdaten und zusätzlicher Unterwasserschallgeschwindigkeit und die zugehörigen zusätzlichen Qualitätsmaße ermittelt und sämtliche Qualitätsmaße verglichen werden.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Ermitteln und/oder Vergleichen der Qualitätsmaße sequentiell oder iterativ erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der jeweiligen Sonarbilder und/oder der jeweiligen Qualitätsmaße parallel erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren online oder offline durchgeführt wird.
6. Verfahren zum Fokussieren eines defokussierten Sonarbildes, dadurch gekennzeichnet, dass die optimale Unterwasserschallgeschwindigkeit gemäß einem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche bestimmt und das zu der optimalen Unterwasserschallgeschwindigkeit zugehörige Sonarbild ermittelt wird.
7. Vorrichtung, welche derart eingerichtet ist, dass ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchführbar ist .
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