WO2017125103A1 - Verfahren zum darstellen von georeferenzinformationen und geoinformationssystem sowie sonar und wasserfahrzeug - Google Patents

Verfahren zum darstellen von georeferenzinformationen und geoinformationssystem sowie sonar und wasserfahrzeug Download PDF

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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T15/00—Three-dimensional [3D] image rendering
    • G06T15/08—Volume rendering
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three-dimensional [3D] modelling for computer graphics
    • G06T17/05—Geographic models

Definitions

  • the invention relates to a method for displaying georeference information of a georeference database by means of a geographic information system, wherein the georeference information comprises three-dimensional or four-dimensional coordinates and sonar data associated with the coordinates and assigns individual voxels such that a voxel represents a representation of one of the coordinates and is the associated sonar data, and the voxels or derived from the voxels information can be displayed on a two-dimensional screen, the sonar data are created by a curved measurement course and or geographic information system and a sonar and a watercraft.
  • GIS Geographic Information Systems
  • voxels are used in particular when imaging spatial structures.
  • a voxel is a notion of a data element in a three-dimensional (four-dimensional, with time as fourth dimension) grid, especially in computer graphics.
  • a voxel in a 2D image of a raster graphic corresponds to a pixel.
  • a color value of a voxel may represent a representation of the associated information at the location for that coordinate.
  • the height information or object information obtained can be stored in the individual voxels so that information about the expression of the object in space can be obtained by individual plan views or side views of these voxels in a GIS.
  • AUV autonomous undewater vehicle
  • the object of the invention is to improve the state of the art.
  • Georeference database by means of a geographic information system, wherein the georeference information comprises coordinates and sonar data associated with the coordinates and assigns to individual voxels so that a voxel is a representation of one of the coordinates and the associated sonar data and the voxels or information derived from the voxels can be displayed on a two-dimensional screen, wherein the sonar data is or are generated by a curved measurement history and the method comprises the following steps Forming a measurement course orthogonal to the curved measurement course,
  • side-by-side information (for example, in the form of an "X-ray image") can be obtained, which is more similar to the real object data, thus resolving along the measurement history and avoiding upsets and thus compressed information.
  • a “georeference information” is, in particular, information which assigns to a coordinate additional information such as present sonar data .This multiplicity of information is stored in particular in a so-called “georeference database”. Such a database allows for an electronic computer quick access and rapid implementation in a visual representation.
  • the converting computer, the associated screen and the georeference database form in particular the geoinformation system.
  • the term "coordinates" describes any possibility of unambiguously describing a point in the surface or in the space, in particular polar coordinates as well as Cartesian coordinates. The use of voxels in the present case represents the position and the volume a voxel, so to speak, a (single) coordinate.
  • the "sonar data" associated with the coordinates may include, for example, grayscale to black or any other color or number coding, wherein a voxel assumes a color or numerical value in each case.
  • Nonar data are in particular data which are determined and prepared by means of a passive or active sonar.
  • information derived from "voxels” may be averaged out of voxels or, if a voxel is to be only partially included, as a percentage contribution, and information derived from voxels may be all data derived from the mathematical processing of the voxel information certain selected voxels, such as averages or weighted sums, and the like.
  • a layer of voxels and their information can be displayed, or the voxels can contribute to the image over several voxel layers, with their respective contributions ("X-ray image").
  • a "curved measurement” is particularly likely to occur when an unmanned underwater vehicle performs a non-straight line movement, such as when currents drive the underwater vehicle off its course, including passing certain obstacles or areas of danger Such traces can result, and the data obtained on these tracks will be the corresponding sonar data.
  • a "Meßverlaufsorthogonale” is in particular a vertical plane and intersects a point of the curved measurement course quasi at a 90 ° angle.
  • the voxels are considered, which are cut and / or tangent by the measurement history orthogonal.
  • the individual color values or gray scales of the individual voxels can be added together, so that an "X-ray image" again arises in this regard.
  • this extracted data can be displayed on a screen as "page view information.”
  • this page view information is more or less equivalent to the "X-ray image" that a viewer can view on a commercial screen.
  • the core of the invention thus relates to the fact that the actual measurement course when viewing the Voxel information or the
  • Georeference information is taken into account.
  • all the voxels crossed by the measurement course orthogonal can be used in the combination.
  • the color values of the individual voxels can be added, for example, the higher the color values, the blacker the pixel being formed, since in the present case the pixel images the two-dimensional representation of the summarized voxel information.
  • This weighting can take place, for example, in that the voxel is completely crossed or, for example, only an upper corner, in which only a small proportion of the information of the voxel flows into the summarized voxel information, that is, a weighting of the information takes place.
  • a mathematical evaluation of the sonar data takes place during the combination. This can be an averaging, a scatter calculation or another statistical method.
  • the sonar data can be obtained by means of an unmanned vessel be determined and the measurement course substantially correspond to a trajectory of the unmanned watercraft when determining the sonar data.
  • the object is achieved by a geographic information system (GIS) having a computer, a screen and an input means, which is set up such that a previously described method can be carried out.
  • GIS geographic information system
  • the object is achieved by a sonar having a geographic information system as described above.
  • the object is achieved by a watercraft having a previously described geographic information system or sonar as previously described.
  • FIG. 1 illustrates a highly schematic
  • An unmanned aerial vehicle 101 (autonomous underwater vehicle, AUV) travels a measuring track (track 103), the measuring track having different heights.
  • AUV autonomous underwater vehicle
  • the sonar head 111 of the AUV ' s 101 sonar data are obtained along the track 103.
  • the information obtained by the sonar data is assigned for each measurement to individual voxels 109 in a geographic information system.
  • the corresponding track 103 is also recorded as measurement curve 105, the measurement curve 105 being the vertical projection of the measurement path onto a horizontal plane.
  • each individual voxel 109 is assigned the corresponding sonar information. This means that an object leads to a color coding of the voxel.
  • the measurement course orthogonals 107 are formed at equidistant intervals from the measurement profile 105.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Darstellen von Georeferenzinformationen einer Georeferenzdatenbank mittels eines Geoinformationssystems, wobei die Georeferenzinformation Koordinaten und zu den Koordinaten zugehörige Sonardaten umfasst und einzelnen Voxeln zuweist, sodass ein Voxel eine Repräsentanz einer der Koordinaten und der zugehörigen Sonardaten ist, und die Voxel oder aus den Voxeln abgeleitete Informationen auf einem zweidimensionalen Bildschirm darstellbar sind, wobei die Sonardaten durch einen gekrümmten Messverlauf erstellt sind oder werden und das Verfahren folgende Schritte umfasst - Bilden einer Messverlaufsorthogonalen zu dem gekrümmten Messverlauf, - Ermitteln der zu den Messverlaufsorthogonalen zugehörigen Voxel, - Zusammenfassen der in den Voxeln abgebildeten Sonardaten, sodass eine SeitensichtInformation vorliegt, und - Darstellen der SeitensichtInformation auf einem Bildschirm des Geoinformationssystems.

Description

Verfahren zum Darstellen von Georeferenzinformationen und Geoinformationssystem sowie Sonar und Wasserfahrzeug
[Ol] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Darstellen von Georeferenzinformationen einer Georeferenzdatenbank mittels eines Geoinformationssystems , wobei die Georeferenzinformation drei-dimensionale oder vier- dimensionale Koordinaten und zu den Koordinaten zugehörige Sonardaten umfasst und einzelnen Voxeln zuweist, sodass ein Voxel eine Repräsentanz einer der Koordinaten und der zugehörigen Sonardaten ist, und die Voxel oder aus den Voxeln abgeleitete Informationen auf einem zweidimensionalen Bildschirm darstellbar sind, wobei die Sonardaten durch einen gekrümmten Messverlauf erstellt sind oder werden und ein Geoinformationssystem sowie ein Sonar und ein Wasserfahrzeug.
[02] Mit Hilfe moderner Rechner ist die Bedeutung von Geoinformationssystemen in den letzten Jahren rasant gestiegen. Derartige Geoinformationssysteme werden auch geografische Informationssysteme oder räumliche
Informationssysteme genannt und sind somit
Informationssysteme zur Erfassung, Bearbeitung,
Organisation, Analyse und Präsentation räumlich zugeordneter Daten. Insbesondere verknüpfen
Geoinformationssysteme (GIS) Koordinaten mit weiteren Informationen. Zu diesen weiteren Informationen können beispielsweise Höheninformationen auf einer zweidimensionalen Karte oder andere Informationen wie bestimmtes Auftreten von Krankheitsfällen oder sonstige Informationen mit umfasst sein.
[03] Insbesondere beim Abbilden räumlicher Strukturen werden sogenannte Voxel verwendet. Ein Voxel ist insbesondere in der Computergrafik ein Begriff eines Datenelements in einem dreidimensionalen ( vierdimensional, mit der Zeit als vierte Dimension) Gitter. Praktisch entspricht ein Voxel in einem 2D-Bild einer Rastergrafik einem Pixel. Beispielsweise kann ein Farbwert eines Voxel eine Repräsentanz für die zugeordnete Information am Ort für diese Koordinate darstellen. Insbesondere bei räumlichen Sonardaten, kann die gewonnene Höheninformation oder Objektinformation in den einzelnen Voxeln hinterlegt werden, sodass durch einzelne Draufsichten oder Seitenansichten dieser Voxel in einem GIS Informationen bezüglich der Ausprägung des Objektes im Raum gewonnen werden können.
[04] Die Informationsgewinnung von Unterwasserobjekten nimmt insbesondere aufgrund der einsetzbaren autonomen Unterwasserfahrzeuge (autonomous undewater vehicle, AUV) enorm zu. Derartige unbemannte Unterwasserfahrzeuge fahren beispielsweise einen gewissen Kurs, welcher vorliegend Track genannt wird, ab und gewinnen mit dem bordeigenen Sonar Daten über die Umgebung. Aufgrund des Fortbewegens werden beispielsweise gemittelte Werte von einzelnen Messpositionen in den einzelnen Voxeln abgelegt und somit über die Zeit ein Gesamtbild ermittelt. [05] Der Vorteil der Informationsdarstellung aus Voxeln in einem GIS liegt insbesondere darin, dass beispielsweise Schnitte und somit neue Sichtweisen durch die aus Voxeln gebildeten Ebenen ermittelt werden können und dies einem Betrachter einen besseren Eindruck über die entsprechenden Objekte vermittelt.
[06] Mithin können quasi Röntgenbilder oder Schichtbilder erzeugt werden, welche einzelne Strukturen auflösen. Leider ist es für den Fall, dass die Daten mit dem unbemannten Unterwasserfahrzeug auf einem gekrümmten beziehungsweise von der Voxelausrichtung abweichenden Track ermittelt werden, so, dass quasi ein seitliches „Röntgenbild" Informationen darstellt, welche eigentlich nicht zugehörig sind, da sie beispielsweise gestreckt sein müssten.
[07] Aufgabe der Erfindung ist es den Stand der Technik zu verbessern .
[08] Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Darstellen von Georeferenzinformationen einer
Georeferenzdatenbank mittels eines Geoinformationssystems , wobei die Georeferenzinformation Koordinaten und zu den Koordinaten zugehörige Sonardaten umfasst und einzelnen Voxeln zuweist, sodass ein Voxel eine Repräsentanz einer der Koordinaten und der zugehörigen Sonardaten ist und die Voxel oder aus den Voxeln abgeleitete Informationen auf einem zweidimensionalen Bildschirm darstellbar sind, wobei die Sonardaten durch einen gekrümmten Messverlauf erstellt sind oder werden und das Verfahren folgende Schritte umfasst - Bilden einer Messverlaufsorthogonalen zu dem gekrümmten Messverlauf,
- Ermitteln der zu den Messverlaufsorthogonalen zugehörigen Voxel,
- Zusammenfassen der in den Voxeln abgebildeten Sonardaten, sodass eine SeitensichtInformation vorliegt ,
- Darstellen der SeitensichtInformation auf einem Bildschirm des Geoinformationssystems .
[09] Somit können SeitensichtInformationen (beispielsweise in Art eines „Röntgenbilds") gewonnen werden, welche den echten Objektdaten mehr ähneln, da somit eine Auflösung entlang des Messverlaufs erfolgt und Stauchungen und somit komprimierte Informationen vermieden werden.
[10] Folgendes Begriffliche sei erläutert:
[11] Eine „Georeferenzinformation" ist insbesondere eine Information, welche einer Koordinate eine zusätzliche Information wie vorliegende Sonardaten zuweist. Diese Vielzahl von Informationen wird insbesondere in einer sogenannten „Georeferenzdatenbank" abgespeichert. Eine derartige Datenbank ermöglicht für einen elektronischen Rechner einen schnellen Zugriff und eine zügige Umsetzung in eine bildliche Repräsentanz.
[12] Der umsetzende Rechner, der zugehörige Bildschirm und die Georeferenzdatenbank bilden vorliegend insbesondere das GeoinformationsSystem . [13] Der Begriff „Koordinaten" beschreibt jegliche Möglichkeit um einen Punkt in der Fläche oder im Raum eindeutig zu beschreiben. Insbesondere sind sowohl Polarkoordinaten als auch kartesische Koordinaten mit umfasst. Aufgrund dessen, dass vorliegend Voxel verwendet werden, repräsentieren die Position und das Volumen eines Voxel quasi eine ( Einzel- ) Koordinate .
[14] Die zu den Koordinaten zugehörigen „Sonardaten" können beispielsweise als Grauskalierung bis hin zu Schwarz oder eine sonstige Färb- oder Zahlenkodierung umfassen, wobei ein Voxel jeweils einen Färb- oder Zahlenwert annimmt.
[15] „Sonardaten" sind insbesondere Daten die mittels eines passiven oder aktiven Sonars ermittelt und aufbereitet werden .
[16] Aus „Voxeln abgeleitete Informationen" können beispielsweise Durchschnittswerte aus Voxeln oder, wenn ein Voxel nur teilweise mit einbezogen werden soll, lediglich einen prozentualen Beitrag sein. Zudem können aus Voxeln abgeleitete Informationen alle Daten sein, welche die aus der mathematischen Verarbeitung der Voxelinformationen bestimmter, ausgewählter Voxel resultieren, wie beispielsweise Mittelwerte oder gewichtete Summen und ähnliches .
[17] Bei der „zweidimensionalen Darstellung auf einem Bildschirm" kann beispielsweise eine Schicht aus Voxeln und deren Informationen dargestellt werden oder es können über mehrere Voxelschichten hinweg die einzelnen Voxeln jeweils mit ihren Beiträgen zu dem Bild beitragen („Röntgenbild") . [18] Ein „gekrümmter Messverlauf" ist insbesondere dann gegeben, wenn ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug eine von einer Geraden abweichende Bewegung durchführt. Dies ist insbesondere dann gegeben, wenn beispielsweise Strömungen das Unterwasserfahrzeug von seinem Kurs abtreiben. Auch durch das Umfahren von bestimmten Hindernissen oder Gefahrengebieten können sich derartige Verläufe (Tracks) ergeben. Die auf diesen Tracks gewonnenen Daten sind dann die entsprechenden Sonardaten.
[19] Eine „Messverlaufsorthogonale" ist insbesondere eine senkrechte Ebene und schneidet einen Punkt des gekrümmten Messverlaufs quasi in einem 90° Winkel.
[20] Beim Ermitteln der zu den Messverlaufsorthogonalen zugehörigen Voxel werden die Voxel betrachtet, welche durch die Messverlaufsorthogonalen geschnitten und/oder tangiert werden. Auch hier können beispielsweise beim Zusammenfassen der in den Voxel abgeleiteten Sonardaten die einzelnen Farbwerte oder Grauskalierungen der einzelnen Voxel addiert werden, sodass diesbezüglich wiederum ein „Röntgenbild" entsteht .
[21] Damit ein Benutzer die Daten auf einem Bildschirm betrachten kann, können diese gewonnen Daten als „SeitensichtInformation" auf einem Bildschirm dargestellt werden. Somit entspricht diese SeitensichtInformation quasi dem „Röntgenbild", welches sich ein Betrachter auf einem handelsüblichen Bildschirm anschauen kann.
[22] Der Kern der Erfindung bezieht sich somit darauf, dass der eigentliche Messverlauf beim Betrachten der Voxelinformationen beziehungsweise der
Georeferenzinformationen mit beachtet wird.
[23] Um eine möglichst einfache Realisierung des Verfahrens zu gewährleisten, können beim Zusammenfassen sämtliche durch die Messverlaufsorthogonalen gekreuzten Voxel verwendet werden. In diesem Fall können beispielsweise jeweils die Farbwerte der einzelnen Voxel addiert werden, wobei beispielsweise je höher die Farbwerte sind je schwärzer wird das sich bildende Pixel, da vorliegend das Pixel die zweidimensionale Darstellung der zusammengefassten Voxelinformationen abbildet.
[24] Um die einzelnen Informationen, welche durch die Voxel repräsentiert sind besser aufzulösen und für einen Betrachter optimaler darzustellen, können beim
Zusammenfassen durch die von der Messverlaufsorthogonalen gekreuzten Voxel gewichtet werden. Dieses Gewichten kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Voxel vollständig gekreuzt wird oder beispielsweise lediglich eine obere Ecke, bei der lediglich ein geringer Anteil der Informationen des Voxels mit in die zusammengefasste Voxelinformation einfließt, also ein Gewichtung der Information stattfindet.
[25] In einem weiteren Aspekt erfolgt beim Zusammenfassen eine mathematische Auswertung der Sonardaten. Dies kann eine Mittelwertbildung, eine Berechnung der Streuung oder ein anderes statistisches Verfahren sein.
[26] Um die Sonardaten gewinnen zu können, können die Sonardaten mittels eines unbemannten Wasserfahrzeugs ermittelt werden und der Messverlauf im Wesentlichen einem Bahnverlauf des unbemannten Wasserfahrzeuges beim Ermitteln der Sonardaten entsprechen.
[27] In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Geoinformationssystem (GIS) mit einem Rechner, einem Bildschirm und einem Eingabemittel, welches derart eingerichtet ist, dass ein zuvor beschriebenes Verfahren durchführbar ist.
[28] In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe durch ein Sonar gelöst, welches ein zuvor beschriebenes Geoinformationssystem aufweist.
[29] In einem abschließenden Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Wasserfahrzeug gelöst, welches ein zuvor beschriebenes Geoinformationssystem oder ein zuvor beschriebenes Sonar aufweist.
[30] Im Weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die einzige
Figur 1 stellt eine stark schematische
Darstellung mehrerer Voxel in einem Unterwasserbereich dar, welche von einem AUV durch entsprechende Sonardaten gefüllt werden, welche während eines Messverlaufs gewonnen werden.
[31] Ein unbemanntes Wasserfahrzeug 101 (autonomous underwater vehicle, AUV) fährt eine Messbahn (Track 103) ab, wobei die Messbahn unterschiedliche Höhen aufweist. Mit dem Sonarkopf 111 des AUV's 101 werden entlang des Tracks 103 Sonardaten gewonnen.
[32] Die durch die Sonardaten gewonnenen Informationen werden für jede Messung einzelnen Voxeln 109 in einem Geoinformationssystem zugewiesen. Zudem wird der entsprechende Track 103 als Messverlauf 105 ebenfalls mit aufgezeichnet, wobei der Messverlauf 105 die senkrechte Projektion der Messbahn auf eine waagerechte Ebene ist. Zudem wird jedem einzelnen Voxel 109 jeweils die entsprechende Sonarinformation zugewiesen. Das bedeutet, dass ein Objekt zu einer Farbcodierung des Voxels führt.
[33] Anschließend werden in äquidistanten Abständen zu dem Messverlauf 105 jeweils die Messverlaufsorthogonalen 107 gebildet .
[34] Die durch die Messverlaufsorthogonale 107 geschnittenen Voxel 109 werden zusammengefasst . Bei diesem Zusammenfassen werden die einzelnen Farbinformationen der durch die Orthogonale 107 geschnittenen Voxel addiert und einem Pixel zugewiesen.
[35] Die einzelnen Informationen der Orthogonalen werden nun entsprechend als Mittelwert, durch die Pixel repräsentiert, auf einem Bildschirm dargestellt.
[36] Somit betrachtet der Betrachter nicht nur lediglich einen Schnitt oder eine Ebene der Voxel, sondern hat eine entsprechend dem Messverlauf 105 aufgelöstes und somit ein Track-aufgelöstes „Röntgenbild" des abgebildeten Objekts. Bezugs zeichenliste
101 Autonomous underwater vehicle
103 Track AUV
105 Messverlauf
107 Orthogonale
109 Voxel
111 Sonarkopf

Claims

Patentansprüche :
Verfahren zum Darstellen von Georeferenzinformationen einer Georeferenzdatenbank mittels eines
Geoinformationssystems , wobei die Georeferenzinformation Koordinaten und zu den Koordinaten zugehörige Sonardaten umfasst und einzelnen Voxeln (109) zuweist, sodass ein Voxel eine Repräsentanz einer der Koordinaten und der zugehörigen Sonardaten ist, und die Voxel oder aus den Voxeln abgeleitete Informationen auf einem zweidimensionalen Bildschirm darstellbar sind, wobei die Sonardaten durch einen gekrümmten Messverlauf (105) erstellt sind oder werden und das Verfahren folgende Schritte umfasst
- Bilden einer Messverlaufsorthogonalen (107) zu dem gekrümmten Messverlauf,
- Ermitteln der zu den Messverlaufsorthogonalen zugehörigen Voxel,
- Zusammenfassen der in den Voxeln abgebildeten Sonardaten, sodass eine SeitensichtInformation vorliegt, und
- Darstellen der SeitensichtInformation auf einem Bildschirm des Geoinformationssystems .
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zusammenfassen sämtliche durch die von der Messverlaufsorthogonalen gekreuzte Voxel verwendet werden .
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zusammenfassen durch die von der
Messverlaufsorthogonalem gekreuzten Voxel gewichtet, insbesondere durch ein Schnittvolumen gewichtet, werden. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zusammenfassen eine mathematische Auswertung der Sonardaten erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonardaten mittels eines unbemannten Wasserfahrzeugs ermittelt werden und der Messverlauf im Wesentlichen einem Bahnverlauf des unbemannten Wasserfahrzeugs bei ermitteln der Sonardaten entspricht .
Geoinformationssystem mit einem Rechner, einem Bildschirm und einem Eingabemittel, welches derart eingerichtet ist, dass ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchführbar ist.
Sonar, welches ein Geoinformationssystem nach Anspruch 6 aufweist .
Wasserfahrzeug (101), welches ein Geoinformationssystem nach Anspruch 6 oder ein Sonar nach Anspruch 7 aufweist.
PCT/DE2016/100611 2016-01-19 2016-12-21 Verfahren zum darstellen von georeferenzinformationen und geoinformationssystem sowie sonar und wasserfahrzeug Ceased WO2017125103A1 (de)

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Citations (1)

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US20050099887A1 (en) * 2002-10-21 2005-05-12 Farsounder, Inc 3-D forward looking sonar with fixed frame of reference for navigation

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Title
GARY DINN: "Field experience with a new sub-bottom investigation tool: Acoustic 3-D imaging of the sub-seabed", OCEANS, 2012, IEEE, 14 October 2012 (2012-10-14), pages 1 - 9, XP032300042, ISBN: 978-1-4673-0829-8, DOI: 10.1109/OCEANS.2012.6405076 *
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