WO2017076386A1 - Verfahren zum ermitteln von sonardaten und unterwasserfahrzeug - Google Patents

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Max Abildgaard
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Atlas Elektronik Gmbh
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Definitions

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

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Sonardaten mittels eines Unterwasserfahrzeuges, wobei das Unterwasserfahrzeug einen Sensorträger mit mindestens zwei Wasserschallwandlern und mindestens zwei Verformungssensoren aufweist und dem Unterwasserfahrzeug eine Datenverarbeitungseinheit zugeordnet ist, mit folgenden Schritten: - Ermitteln einer räumlichen Verformung des Sensorträgers mittels der Verformungssensoren, - Ermitteln einer räumlichen Anordnung der Wasserschallwandler, - Erfassen von Wasserschallsignalen mittels der Wasserschallwandler und Auswerten der Wasserschallsignale mittels der Datenverarbeitungseinheit unter Verwenden der ermittelten räumlichen Anordnung der Wasserschallwandler, sodass eine Position einer Wasserschallquelle frei von einer Störung durch eine Verformung des Sensorträgers ermittelbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Unterwasserfahrzeug zum Ermitteln von Sonardaten.

Description

Verfahren zum Ermitteln von Sonardaten
Unterwasserfahrzeug
[Ol] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Sonardaten mittels eines Unterwasserfahrzeuges, wobei das Unterwasserfahrzeug einen Sensorträger mit mindestens zwei Wasserschallwandlern und mindestens zwei
Verformungssensoren aufweist und dem Unterwasserfahrzeug eine Datenverarbeitungseinheit zugeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Unterwasserfahrzeug zum Ermitteln von Sonardaten.
[02] Sonare dienen zur Ortung von Gegenständen im Raum und unter Wasser mittels ausgesandter und/oder empfangener Schallimpulse. Hierzu wird üblicherweise eine
Hydrofonanordnung einer Antenne auf einer ebenen Fläche für einen richtungsabhängigen Signalempfang verwendet. Für die Verarbeitung der empfangenen Schallsignale ist es wichtig, dass die Position jedes einzelnen Hydrofons in der Anordnung exakt bekannt ist, da das von einem Objekt ausgesandete Schallsignal mit jeweils unterschiedlicher Laufzeit bei den einzelnen Hydrofonen ankommt.
[03] Für die Berechnung von Sonarbildern mittels Beamforming-Algorithmen ist es deshalb von größter Wichtigkeit, dass die genaue räumliche Geometrie der Hydrofone/Schallwandler der Antenne bekannt ist, da ansonsten errechnete Sonarbilder unklar/unscharf und/oder schlecht fokussiert sind. Bei einem Sedimentsonar-System zur Erkundung des Meeresbodens bewirkt bereits eine Abweichung von wenigen Millimetern zwischen Soll- und Ist- Geometrie der angeordneten Schallwandler eine deutliche Verschlechterung des Beamforming und somit der Qualität der ausgewerteten Sonardaten.
[04] Abweichungen zwischen der Soll- und der Ist-Geometrie der Hydrofonanordnung treten beispielsweise durch Wasserströmung und/oder -druck auf die Hydrofone und/oder deren Träger auf. Bei flügelmontierten Sonarsystemen wird herkömmlicherweise eine Verformung durch sehr dicke und/oder steife Flügelkonstruktionen vermindert, welche jedoch Nachteile aufgrund des hohen Gewichtes und/oder Widerstandes mit sich bringen.
[05] Bei flügelmontierten Sonarsystemen unterliegt der Flügel Strömungskräften (Auf- und Abtrieb in Abhängigkeit des Anstellwinkels des Flügels) und Kräften aus dem eigenen Verdrängungsauftrieb des Flügels. Letzterer ändert sich zudem mit variierendem Salzgehalt, Druck und/oder Tauchtiefe im Wasser. Diese Kräfte führen zu einer elastischen, kontinuierlichen Verformung des Flügels, welche das Ergebnis des Beamforming beeinträchtigt. Aufgrund der zeitlichen und lokalen Variabilität der Verformung ist deren genaue Erfassung bisher praktisch nicht möglich.
[06] Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern .
[07] Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Ermitteln von Sonardaten mittels eines Unterwasserfahrzeuges, wobei das Unterwasserfahrzeug einen Sensorträger mit mindestens zwei Wasserschallwandlern und mindestens zwei Verformungssensoren aufweist und dem Unterwasserfahrzeug eine Datenverarbeitungseinheit zugeordnet ist, mit folgenden Schritten:
- Ermitteln einer räumlichen Verformung des Sensorträgers mittels der Verformungssensoren,
- Ermitteln einer räumlichen Anordnung der Wasserschallwandler,
- Erfassen von Wasserschallsignalen mittels der Wasserschallwandler und Auswerten der Wasserschallsignale mittels der Datenverarbeitungseinheit unter Verwenden der ermittelten räumlichen Anordnung der Wasserschallwandler, sodass eine Position einer Wasserschallquelle frei von einer Störung durch eine Verformung des Sensorträgers ermittelbar ist.
[08] Somit wird ein Verfahren bereitgestellt, mit welchem die Qualität von Sonardaten durch Berücksichtigung der realen Geometrie des Sensorträgers und somit der Anordnung der Wasserschallwandler zueinander mittels
Verformungssensoren verbessert wird.
[09] Folglich können fokussierte und/oder klare Sonarbilder errechnet und dargestellt werden. Dadurch wird ebenfalls die Positionsbestimmung von insbesondere unbekannten Schallquellen im Wasser verbessert. [10] Zudem kann die Form und die Beweglichkeit eines Sensorträgers frei gewählt werden. Trotz unterschiedlicher Kräfte an verschiedenen Positionen des Sensorträgers können qualitativ hochwertige Sonardaten ermittelt werden. Dadurch ist es möglich, dass der Sensorträger weit über den Rumpf eines Unterwasserfahrzeuges hinausragt und somit eine räumlich-weite Beobachtung erlaubt.
[11] Neben der Berücksichtigung der Abweichung zwischen Soll- und Ist-Geometrie der Schallwandler ist es somit möglich, weitgespannte Sensorträger mit einer entsprechend höheren Anzahl von Wasserschallwandlern und/oder einem größeren Abstand zwischen Wasserschallwandlern zu verwenden. Durch die höhere Zahl von Wasserschallwandlern wird zusätzlich die Auflösung und/oder Qualität der Sonardaten verbessert. Ebenso bewirkt ein größerer Abstand zwischen Schallwandlern eine Verbesserung, da durch größere Laufzeitunterschiede der empfangenen Schallsignale die zeitliche Auflösung verbessert wird.
[12] Zudem kann der Sensorträger in einer leichteren Bauform realisiert werden, da seine Verformung und/oder die Auswirkung der Verformung auf die Position der Wasserschallwandler real erfasst wird. Folglich ist eine sehr dicke und/oder steife Konstruktion des Sensorträgers für das erfindungsgemäße Verfahren nicht notwendig, sodass Gewichts- und Widerstandsnachteile vermieden werden.
[13] Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass die Wasserschallsender und die Verformungssensoren zusammen auf einem Sensorträger montiert sind und mittels der Messwerte der Verformungssensoren die reale räumliche Anordnung der Wasserschallwandler bestimmt wird. Dadurch kann aus den aufgenommenen Wasserschallsignalen mittels einer Datenverarbeitung die Position einer
Wasserschallquelle frei von einer Störung durch einen Druck und/oder wirkende Kräfte auf den Sensorträger und/oder Wasserschallwandler ermittelt werden.
[14] Selbstverständlich ist das erfinderische Verfahren nicht auf das Beamforming beschränkt, sondern kann für jedes signalverarbeitende Verfahren zur Ermitteln von Sonardaten verwendet werden.
[15] Folgendes Begriffliche sei erläutert:
[16] „Sonardaten" sind insbesondere Daten von
Schallsignalen, welche mittels Schallwandler aufgenommen und/oder abgegeben, gemessen, ermittelt, ausgewertet und/oder errechnet sind. Bei Sonardaten kann es sich insbesondere um Rohdaten und/oder um aufbereitete Daten handeln. Insbesondere erfolgt ein Berechnen der Sonardaten mittels Beamforming-Algorithmen . Die Weiterverarbeitung der Daten kann insbesondere im Sonar selbst und/oder ein einer Datenverarbeitungseinrichtung erfolgen .
[17] Ein „Sonar" ist insbesondere ein Gerät und/oder ein Verfahren zur Ortung von Gegenständen im Raum und unter Wasser mittels ausgesandter und/oder empfangener Schallimpulse. Dabei kann es sich insbesondere um ein aktives Sonar handeln, welches selbst ein Schallsignal aussendet und dessen Reflexionen empfängt, oder um ein passives Sonar, welches die von Objekten ausgestrahlten Signale empfängt. Bei einem Sonar kann es sich insbesondere um ein 3D-Untergrundsonar , ein Mehrstrahlsonar , ein Seitensichtsonar und/oder ein Frontsiehtsonar handeln.
[18] Ein „Unterwasserfahrzeug" ist insbesondere ein Fahrzeug, welches sich unter Wasser bewegt oder bewegen kann. Bei einem Unterwasserfahrzeug kann es sich insbesondere um ein unbemanntes oder ein bemanntes Unterwasserfahrzeug handeln. Ein Unterwasserfahrzeug ist insbesondere auch ein ferngesteuertes Unterwasserfahrzeug (ROV, remotely operated vehicle) oder ein autonomes Unterwasserfahrzeug (AUV, autonomous underwater vehicle) . Bei einem Unterwasserfahrzeug kann es sich insbesondere auch um einen Unterwassergleiter handeln.
[19] Ein „Sensorträger" ist insbesondere ein
Bauteil, welches einen Sensor oder mehrere Sensoren trägt. Ein Sensorträger kann insbesondere direkt ein Bestandteil eines Unterwasserfahrzeuges sein, beispielsweise eine RumpfSektion, und/oder als separates Bauteil an einem Unterwasserfahrzeug installiert sein. Der Sensorträger kann aus einem Bauteil oder aus mehreren Bauteilen bestehen. Beispielsweise kann ein Sensorträger zwei Flügel auf jeder Seite des Unterwasserfahrzeuges umfassen oder dieser kann als durchgehender Flügel auf der Ober- oder Unterseite des Unterwasserfahrzeuges angeordnet sein. Der Sensorträger kann insbesondere zum Auf- und/oder Abtrieb bei der Fahrt des Unterwasserfahrzeuges dienen. Insbesondere kann der Sensorträger in seiner Form und/oder in seiner Bauausführung frei gewählt werden. Der Sensorträger besteht insbesondere aus einem nicht-magnetischen Material beispielsweise aus karbon- und/oder glasfaserverstärktem Kunststoff. Insbesondere kann ein Sensorträger ein- und ausklappbar sein, sodass die Fahrt des
Unterwasserfahrzeuges zum Ortungsgebiet mit eingeklappten Sensorträgern und somit optimierten Strömungswiderstand erfolgen kann, und im Ortungsgebiet der Sensorträger zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeklappt wird. Insbesondere kann der Sensorträger jedoch auch selbst Bewegungen ausführen und somit zum An-, Auf- und/oder Abtrieb dienen.
[20] Ein „Wasserschallwandler" ist ein Gerät, welches akustische Signale als Schallwechseldrücke im Wasser in elektrische Signale umwandelt (Schallempfänger) oder umgekehrt elektrische Signale in Schallwechseldrücke umwandelt (Schallsender) . Ein Schallwandler ist insbesondere auch ein Hydrofon, welches im Meer unter Wasser eingesetzt wird, um dort Wasserschallgeräusche aufzunehmen. Hierbei wandelt ein Hydrofon den Wasserschall in einen den Schalldruck entsprechende elektrische Größe.
[21] Unter „Verformung" (auch Deformation genannt) eines Körpers wird insbesondere die Änderung seiner Form infolge der Einwirkung einer äußeren Kraft verstanden. Unter einer Verformung wird insbesondere eine elastische Verformung
(auch reversible Verformung) verstanden. Bei sehr hohen wirkenden Kräften kann jedoch auch eine plastische und somit irreversible Verformung auftreten. Bei einer Verformung kann es sich beispielsweise um das Hochbiegen der äußeren „Enden" eines Sensorträgerflügels handeln. [22] Ein „Verformungssensor" ist insbesondere eine Messeinrichtung zur Erfassung von Verformungen. Hierbei kann es sich insbesondere um dehnende und/oder stauchende Verformungen handeln. Ein Verformungssensor ist insbesondere ein Drucksensor, ein Dehnungsmessstreifen, ein faseroptischer Verformungssensor und/oder ein Magnetometer. Als Verformungssensoren können insbesondere auch piezoelektrische, optische, induktive und/oder kapazitive Sensoren verwendet werden. Bevorzugt kann ein Verformungssensor mehrmals verwendet werden und/oder kontinuierlich eine Verformung messen. Bevorzugt misst ein Verformungssensor Verformungen beispielsweise in einem Bereich von 0,1 bis 1500pm/m.
[23] Eine „Datenverarbeitungseinheit" ist insbesondere eine elektronische Maschine und/oder ein Computer, mit welchem Daten erfasst und/oder bearbeitet werden. Hierbei werden insbesondere die Daten erfasst, nach einem vorgegebenen Verfahren durch Menschen und/oder Maschinen verarbeitet und als Ergebnis ausgegeben. Die Datenverarbeitungseinrichtung dient insbesondere dazu die Daten zu verändern und/oder Informationen aus diesen Daten zu gewinnen.
[24] Die „räumliche Anordnung" (auch räumliche
Konfiguration genannt) ist insbesondere die Geometrie der Positionen der Wasserschallwandler zueinander.
[25] Eine „Position" ist insbesondere die Lage einer Wasserschallquelle im Raum und unter Wasser.
[26] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens weist der Sensorträger drei Wasserschallwandler oder vier Wasserschallwandler oder fünf Wasserschallwandler oder weitere Wasserschallwandler und/oder drei
Verformungssensoren und/oder vier Verformungssensoren und/oder fünf Verformungssensoren und/oder weitere Verformungssensoren auf.
[27] Somit kann durch eine höhere Anzahl von Wasserschallwandlern eine verbesserte zeitliche und/oder örtliche Auflösung erzielt sowie das Beamforming-Verfahren und/oder ein anderes Signalverarbeitungsverfahren verbessert werden. Dadurch können exakt fokussierte und genauere Sonarbilder gewonnen werden, da zudem durch eine hohe Anzahl von Verformungssensoren die räumliche Verformung des Sensorträgers exakter bestimmt werden kann.
[28] Um die räumliche Verformung des Sensorträgers zu messen, werden als Verformungssensoren ein
Dehnungsmessstreifen oder mehrere Dehnungsmessstreifen und/oder ein Magnetometer oder mehrere Magnetometer verwendet .
[29] Somit kann die räumliche Verformung des Sensorträgers gemessen und die reale räumliche Anordnung der Wasserschallwandler ermittelt werden.
[30] Besonders ist es vorteilhaft, dass die räumliche Verformung des Sensorträgers kontinuierlich gemessen wird, sodass zu jedem Zeitpunkt die räumliche Anordnung und somit die exakten Positionen der Wasserschallwandler bekannt sind. Somit können die Wasserschallsignale kontinuierlich erfasst und ausgewertet werden, sodass auch die Bewegung eines schallaussendenden Objektes verfolgt werden kann. [31] Bei einem „Dehnungsmessstreifen" handelt es sich insbesondere um einen Verformungssensor und/oder eine Messeinrichtung zur Erfassung von dehnenden und/oder stauchenden Verformungen. Ein Dehnungsmessstreifen wird insbesondere auf ein Bauteil wie den Sensorträger geklebt, welches sich unter Belastung verformt. Die Verformung des Bauteils führt zu einer Veränderung des Widerstands des Dehnungsmessstreifens. Bei einem Dehnungsmessstreifen kann es sich insbesondere um einen Folien-, Draht-, und/oder Halbleiter-Dehnungsmessstreifen sowie um einen Mehrfach- Dehnungsmessstreifen handeln.
[32] Ein „Magnetometer" (auch als Teslameter oder Gaußmeter bezeichnet) ist ein Gerät zum Messen der magnetischen Flussdichten. Insbesondere misst ein Magnetometer die Magnetfelder von Quellen außerhalb des Magnetometers. Ein Magnetometer umfasst insbesondere einen einzelnen Magnetfeld-Messwertaufnehmer sowie zugehörigen
Elektronikschaltungen. Ein Magnetometer liefert insbesondere ein zum gemessenen Magnetfeld proportionales Ausgangssignal. Ein Magnetometer misst insbesondere auch eine Beeinflussung des Erdmagnetfeldes durch metallische Objekte in der Umgebung. Bei einem Magnetometer kann es sich insbesondere auch um ein aktives Magnetometer handeln, welches aktiv ein Magnetfeld erzeugt. Mit einem Magnetometer können insbesondere auch metallische, magnetische Objekte im und/oder am Meeresgrund lokalisiert werden .
[33] Besonders vorteilhaft ist es, dass mit einem Magnetometer zeitgleich oder nacheinander die Verformung des Sensorträgers ermittelt und ein Lokalisieren eines magnetischen Objektes in und/oder am Meeresgrund durchgeführt werden kann.
[34] In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens wird mittels des Magnetometers oder werden mittels der Magnetometer eine Magnetfeldstärke und/oder eine Richtung eines Magnetfeldes entlang einer Abmessung des Sensorträgers bestimmt, damit die räumliche Verformung des Sensorträgers ermittelbar ist.
[35] Somit kann die Richtung des Magnetfeldes entlang beispielsweise der Spannweite des Sensorträgers anhand der am Sensorträgers verteilten Magnetometer bestimmt werden. Für jedes Magnetometer kann eine räumliche Ausrichtung gegenüber dem umgebenden Magnetfeld errechnet werden, sodass die räumliche Ausrichtung und Verformung des Sensorträgers ermittelt werden kann. Anhand der ermittelten Verformung kann somit die Abweichung zwischen Soll- und Ist-Geometrie des Sensorträgers und/oder der
Wasserschallwandler errechnet und beispielsweise in einem Beamforming-Algorithmus zum Ermitteln der Sonardaten verwendet werden.
[36] Es ist besonders vorteilhaft, dass mittels Magnetometer sowohl die Verformung des Sensorträgers ermittelt als auch magnetische Objekte am und/oder im Untergrund lokalisiert werden können. Im Gegensatz dazu kann mit Dehnungsmessstreifen „nur" die Verformung ermittelt werden. [37] Die „Magnetfeldstärke" ist insbesondere eine vektorielle Größe, welche jedem Raumpunkt eine Stärke und Richtung des durch die magnetische Spannung erzeugten Magnetfeldes zuordnet. Die Magnetfeldstärke weist insbesondere die Einheit A/m auf.
[38] Eine „Abmessung" ist insbesondere ein kennzeichnendes Längenmaß des Sensorträgers. Als Abmessung kann beispielsweise die Spannweite eines Sensorträgerflügels verwendet werden.
[39] Damit die Hydrodynamik des Unterwasserfahrzeuges eingestellt und trotzdem eine hohe Auflösung der Sonardaten erzielt wird, weist in einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens der Sensorträger eine strömungsgünstige Form auf .
[40] Dadurch kann die Verformung des Sensorträgers und somit die Abweichung der Wasserschallwandler von der Soll- Geometrie minimiert und somit die Qualität der ermittelten Sonardaten verbessert werden.
[41] Neben der Verminderung des Strömungswiderstandes und des Druckes kann durch die gewählte Form des Sensorträgers auch ein Auftrieb verbessert und/oder ein möglichst großer Anstellwinkel-Bereich eines Sensorträgers ohne
Strömungsabriss ermöglicht werden.
[42] Unter einer „strömungsgünstigen Form" wird insbesondere ein Profil als Querschnitt durch den Sensorträger in Strömungsrichtung verstanden. Die strömungsgünstige Form dient insbesondere dazu einen geringeren Strömungswiderstand und somit geringere wirkende Kräfte und/oder Drücke zu erreichen. Zudem kann insbesondere über die strömungsgünstige Form ein Auf- und/oder Abtrieb und/oder ein Anstellwinkelbereich eingestellt werden. Bei der strömungsgünstigen Form kann es sich insbesondere um ein symmetrisches Profil, halbsymmetrisches Profil, Profil mit flacher Unterseite, Normalprofil, Keulenprofil und/oder S-Schlagprofil handeln.
[43] In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Unterwasserfahrzeug zum Ermitteln von Sonardaten, wobei das Unterwasserfahrzeug einen Sensorträger mit mindestens zwei Wasserschallwandlern und mindestens zwei Verformungssensoren aufweist und dem Unterwasserfahrzeug eine Datenverarbeitungseinheit zugeordnet ist, wobei mittels des Unterwasserfahrzeuges ein zuvor beschriebenes Verfahren durchführbar ist.
[44] Dadurch wird ein Unterwasserfahrzeug bereitgestellt, mit dem qualitativ hochwertigere Sonardaten ermittelt werden. Zudem kann aufgrund des Sensorträgers des Unterwasserfahrzeuges eine größere Anordnung von Schallwandlern verwendet und trotz Verformung des Sensorträgers aufgrund seiner großen Spannweite eine exaktere Position einer schallaussendenden Quelle im Wasser bestimmt werden.
[45] Um die Auflösung und/oder Empfindlichkeit der Wasserschallsignale zu erhöhen und/oder die Verformung des Sensorträgers exakter zu ermitteln, weist der Sensorträger drei Wasserschallwandler oder vier Wasserschallwandler oder fünf Wasserschallwandler oder weitere Wasserschallwandler und/oder drei Verformungssensoren und/oder vier Verformungssensoren und/oder fünf Verformungssensoren und/oder weitere Verformungssensoren auf.
[46] In einer weiteren Ausführungsform des
Unterwasserfahrzeuges weist das Unterwasserfahrzeug mindestens ein Magnetometer auf.
[47] Dadurch kann das Magnetometer zum einen als Verformungssensor verwendet werden und zum anderen zeitgleich oder nacheinander zum Lokalisieren von magnetischen Objekten im und/oder am Gewässergrund genutzt werden. Somit ist lediglich ein einziger Sensor für zwei unterschiedliche Messaufgaben notwendig.
[48] Um unabhängig vom Rumpf des Unterwasserfahrzeuges eine Anordnung von Schallwandlern für eine hohe zeitliche und/oder räumliche Auflösung zu nutzen, ist der Sensorträger im Wesentlichen quer zu einer Fahrtrichtung des Unterwasserfahrzeuges angeordnet.
[49] Somit können beidseitig der Längsrichtung des Unterwasserfahrzeuges Schallsignale empfangen und/oder ausgesendet werden. Es ist besonders vorteilhaft, dass zudem in den Bereichen seitlich vom Unterwasserfahrzeug der Untergrund auf metallische Objekte mittels der am Sensorträger installierten Magnetometer abgesucht werden kann .
[50] Dadurch, dass der Sensorträger quer zu einer Fahrtrichtung des Unterwasserfahrzeuges angeordnet ist, können insbesondere Magnetometer entfernt von einem metallischen Rumpf oder metallischen Bestandteilen des Unterwasserfahrzeuges angeordnet werden, sodass Störungen der Messung des Magnetometers vermindert werden.
[51] Unter „im Wesentlichen quer" wird insbesondere verstanden, dass der Sensorträger im Wesentlichen rechtwinkelig (90° Winkel) zu einer Fahrtrichtung des Unterwasserfahrzeuges angeordnet ist. Unter „im Wesentlichen" sind insbesondere auch geringere Abweichungen vom 90° Winkel umfasst, beispielsweise dass der Sensorträger in einem Winkel von 85° bis 95° zu einer Fahrtrichtung des Unterwasserfahrzeuges und/oder der Längsachse des Unterwasserfahrzeuges angeordnet ist.
[52] In einer weiteren Ausführungsform des
Unterwasserfahrzeuges ist der Sensorträger als Trägerflügel ausgestaltet .
[53] Somit kann über den Trägerflügel der
Strömungswiderstand, der dynamische Auf- und/oder Abtrieb, der Anstellwinkelbereich, der Verdrängungsauftrieb sowie der Strömungsabriss eingestellt werden. Es ist besonders vorteilhaft, dass über die Form des Trägerflügels die wirkenden Kräfte und seine Verformung minimiert und somit die Qualität der ermittelten Sonardaten verbessert werden können .
[54] Folglich kann mittels des Trägerflügels die Fahreigenschaften des Unterwasserfahrzeuges beeinflusst, Energie eingespart und zeitgleich Sonardaten mit hoher Auflösung gewonnen werden. [55] Ein „Trägerflügel" (auch Tragfläche oder Flügel genannt) ist insbesondere ein Bauteil des
Unterwasserfahrzeuges, welches der Erzeugung von dynamischen Auf- und/oder Abtrieb, der Verringerung des Strömungswiderstandes, der Verminderung der wirkenden Kräfte, der Einstellung des Anstellwinkelbereiches sowie des Strömungsabrisses dient. Der Trägerflügel kann insbesondere auf der Oberseite, der Unterseite und/oder seitlich an dem Unterwasserfahrzeug angeordnet sein. Zudem kann der Trägerflügel ein- und ausklappbar ausgestaltet sein, um beispielsweise bei der Überfahrt den Strömungswiderstand im eingeklappten Zustand des Unterwasserfahrzeuges zu verringern. Insbesondere kann der Trägerflügel als beweglicher Flügel ausgestaltete sein und beispielsweise während der Fahrt des Unterwasserfahrzeuges kontinuierlich Auf- und Abbewegungen durchführen. Der Trägerflügel ist insbesondere aus nichtmagnetischen Materialien wie glasfaserverstärkten Kunststoff oder Aluminium gefertigt.
[56] Zur messtechnisch optimalen Anordnung der
Wasserschallwandler und/oder Verformungssensoren sind die Wasserschallwandler und/oder die Verformungssensoren an einer Unterseite des Trägerflügels und/oder einer Verlängerung des Trägerflügels angebracht.
[57] Somit können Wasserschallsignale optimal empfangen und/oder Objekte am und/oder im Meeresgrund lokalisiert werden . [58] Insbesondere ist es vorteilhaft, die Magnetometer an Verlängerungen des Trägerflügels (Stacheln) anzuordnen, um eine Beeinflussung durch magnetische Bauteile des Trägerflügels und/oder des Unterwasserfahrzeuges zu minimieren und somit magnetische Störfelder auszuschließen. Zudem können durch eine Verlängerung oder mehrere Verlängerungen die Randwirbel an den Tragflügelenden verringert und somit der Widerstand vermindert werden.
[59] In einer weiteren Ausführungsform des
Unterwasserfahrzeuges weist das Unterwasserfahrzeug die Datenverarbeitungseinheit auf, sodass mittels des Unterwasserfahrzeuges autonom Sonardaten auswertbar und/oder nutzbar sind.
[60] Dadurch kann das Unterwasserfahrzeug autonom betrieben und die Datenverarbeitungseinheit kann mit der Steuer- und/oder Navigationseinheit des Unterwasserfahrzeuges verknüpft werden.
[61] Folglich können die ermittelten Sonardaten auch zur Navigation herangezogen werden und das Unterwasserfahrzeug kann unabhängig von einer auf dem Wasser oder am Land angeordneten Trägerplattform operieren.
[62] Im Weiteren wird die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt
Figur 1 eine stark schematische Darstellung eines autonomen Unterwasserfahrzeuges mit einem Trägerflügel . [63] Ein autonomes Unterwasserfahrzeug 101 weist quer zu seiner Längsrichtung einen Trägerflügel 104 auf. Am hinteren Ende des autonomen Unterwasserfahrzeuges 101 ist ein Propeller 102 angeordnet und innerhalb des Rumpfes zugehörige Batterien 103. Des Weiteren sind innerhalb des Rumpfes des autonomen Unterwasserfahrzeuges 101 eine Datenverarbeitungseinheit 108 und eine Steuer- und Navigationseinheit 109 angeordnet.
[64] Das autonome Unterwasserfahrzeug 101 weist eine Breite von Im, eine Länge von 5m und der Trägerflügel 104 eine Spannweite von 2,5m auf.
[65] Im Trägerflügel 104 ist auf jeder Trägerflügelseite ein 3D-Untergrundsonar 105 angeordnet, welches jeweils fünf Hydrofone 106 aufweist, welche mit dem umgebenden Wasser im Kontakt stehen. Auf beiden Seiten des Trägerflügels 104 sind jeweils drei Dreiachs-Magnetometer 107 an Verlängerungen des Trägerflügels 104 angeordnet.
[66] Das autonome Unterwasserfahrzeug 101 wird mittels des Propellers 102 und der Batterien 103 angetrieben und bewegt sich durch das Wasser. Mittels der Hydrofone 106 werden kontinuierlich Wasserschallsignale empfangen, welche von verschiedenen unbekannten Quellen im Wasser ausgesendet werden. Mittels der Dreiachs-Magnetometer 107 werden unbekannte magnetische Objekte im und am Meeresgrund lokalisiert .
[67] Folgende Arbeitsvorgänge werden mit dem autonomen Unterwasserfahrzeug 101 realisiert: [68] Mittels der Dreiachs-Magnetometer 107 werden die Stärke und die Richtung des Magnetfeldes entlang der Spannweite des Trägerflügels 104 gemessen. Für jedes Dreiachs-Magnetometer 107 wird eine räumliche Ausrichtung gegenüber dem umgebenden Magnetfeld errechnet. In der räumlichen Größenordnung des autonomen Unterwasserfahrzeugs 101 stellt sich das Erdmagnetfeld als parallele Feldlinien dar. Folglich wird anhand der Messwerte der entlang der Spannweite des Trägerflügels 104 angebrachten Dreiachs- Magnetometer 107 eine räumliche Ausrichtung und Durchbiegung des Trägerflügels 104 ermittelt.
[69] Anhand der Errechnung der räumlichen Durchbiegung des Trägerflügels 104 wird die Abweichung zwischen Soll- und Ist-Geometrie der Hydrofone 106 ermittelt und somit die räumliche Anordnung der Hydrofone 106 bestimmt.
[70] Die empfangenen Wasserschallsignale der Hydrofone 106 werden unter Verwendung der jeweiligen räumlichen Anordnung der Hydrofone 106 mittels der Datenverarbeitungseinheit 108 ausgewertet und in einem Beamforming-Algorithmus eingebracht. Dadurch wird sehr exakt die Position einer unbekannten Wasserschallquelle im Wasser bestimmt und zur Erkundung werden die Positionsdaten in die Steuer- und Navigationseinheit 109 des Unterwasserfahrzeuges 101 übernommen, sodass das autonome Unterwasserfahrzeug 101 sich eigenangetrieben dieser Position zur Erkundung der aussendenden Schallquelle annähert. Bezugs zeichenliste
101 autonomes Unterwasserfahrzeug (AUV)
102 Propeller
103 Batterien
104 Trägerflügel
105 3D-Untergrundsonar
106 Hydrophone
107 Dreiachs-Magnetometer
108 Datenverarbeitungseinheit
109 Steuer- und Navigationseinheit

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zum Ermitteln von Sonardaten mittels eines Unterwasserfahrzeuges (101), wobei das
Unterwasserfahrzeug einen Sensorträger (104) mit mindestens zwei Wasserschallwandlern (106) und mindestens zwei Verformungssensoren (107) aufweist und dem Unterwasserfahrzeug eine Datenverarbeitungseinheit (108) zugeordnet ist, mit folgenden Schritten:
- Ermitteln einer räumlichen Verformung des Sensorträgers mittels der Verformungssensoren,
- Ermitteln einer räumlichen Anordnung der Wasserschallwandler,
- Erfassen von Wasserschallsignalen mittels der Wasserschallwandler und Auswerten der Wasserschallsignale mittels der Datenverarbeitungseinheit unter Verwenden der ermittelten räumlichen Anordnung der Wasserschallwandler, sodass eine Position einer
Wasserschallquelle frei von einer Störung durch eine Verformung des Sensorträgers ermittelbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger drei Wasserschallwandler oder vier Wasserschallwandler oder fünf Wasserschallwandler oder weitere Wasserschallwandler und/oder drei
Verformungssensoren oder vier Verformungssensoren oder fünf Verformungssensoren oder weitere Verformungssensoren aufweist .
3. Verfahren nach einen der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Verformungssensoren ein Dehnungsmessstreifen oder mehrere Dehnungsmessstreifen und/oder ein Magnetometer (107) oder mehrere Magnetometer verwendet werden. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Magnetometers oder der Magnetometer eine Magnetfeldstärke und/oder eine Richtung eines Magnetfeldes entlang einer Abmessung des Sensorträgers bestimmt wird oder werden, damit die räumliche Verformung des Sensorträgers ermittelbar ist.
Verfahren nach einen der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger eine strömungsgünstige Form aufweist, sodass ein
Strömungswiderstand und somit der Druck auf den Sensorträger vermindert ist.
Unterwasserfahrzeug zum Ermitteln von Sonardaten, wobei das Unterwasserfahrzeug einen Sensorträger mit mindestens zwei Wasserschallwandlern und mindestens zwei Verformungssensoren aufweist und dem Unterwasserfahrzeug eine Datenverarbeitungseinheit zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Unterwasserfahrzeuges ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 durchführbar ist.
Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger drei
Wasserschallwandler oder vier Wasserschallwandler oder fünf Wasserschallwandler oder weitere Wasserschallwandler und/oder drei Verformungssensoren oder vier
Verformungssensoren oder fünf Verformungssensoren oder weitere Verformungssensoren aufweist.
Unterwasserfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterwasserfahrzeug mindestens ein Magnetometer aufweist.
Unterwasserfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger im Wesentlichen quer zu einer Fahrtrichtung des Unterwasserfahrzeuges angeordnet ist.
Unterwasserfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger als Trägerflügel ausgestaltet ist.
Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserschallwandlern und/oder die Verformungssensoren an einer Unterseite des Trägerflügels und/oder einer Verlängerung des
Trägerflügels angebracht sind.
Unterwasserfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterwasserfahrzeug die Datenverarbeitungseinheit aufweist, sodass mittels des Unterwasserfahrzeuges autonom Sonardaten auswertbar und/oder nutzbar sind.
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