WO2023006435A1 - Unterwasserfahrzeug mit einer vielzahl von wasserschallwandlern, die ein lineararray bilden - Google Patents

Unterwasserfahrzeug mit einer vielzahl von wasserschallwandlern, die ein lineararray bilden Download PDF

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WO2023006435A1
WO2023006435A1 PCT/EP2022/069699 EP2022069699W WO2023006435A1 WO 2023006435 A1 WO2023006435 A1 WO 2023006435A1 EP 2022069699 W EP2022069699 W EP 2022069699W WO 2023006435 A1 WO2023006435 A1 WO 2023006435A1
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WO
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linear array
underwater vehicle
waterborne sound
waterborne
spatial information
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PCT/EP2022/069699
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Inventor
Christian HÜCKING
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Atlas Elektronik Gmbh
Thyssenkrupp Ag
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Publication date
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    • G01S7/52003—Techniques for enhancing spatial resolution of targets

Definitions

  • the invention relates to improving the (sonar) imaging of linear arrays of hydrophones.
  • Waterborne sound transducers are used to generate images or general spatial information of the environment using (active) sonar.
  • the hydrophones can be arranged in various configurations.
  • One configuration is the linear array (also called line array).
  • the hydrophones are arranged in a line, typically horizontally.
  • the line can be completely straight or have a curvature in depth, i.e. in the measurement plane. In other words, the line lies in a plane in which the image or the spatial information is displayed.
  • the fact that the linear array has a vertical opening angle of a few degrees is neglected in this consideration.
  • the line array enables imaging in two dimensions, i.e. the determination of two-dimensional spatial information.
  • the distance of an object can be determined via the signal propagation time (i.e. the propagation time of a ping) and by means of direction formation, the so-called beamforming, the direction of the object can be determined in the plane in which the line array is arranged (i.e. typically the horizontal direction).
  • Another configuration is the area array.
  • the waterborne sound transducers are arranged in one, optionally curved, plane.
  • the area array also has a vertical expansion. This makes it possible to carry out beamforming both vertically and horizontally. Together with the depth information, a three-dimensional image of the environment is created. This means that an object in the image can be determined in terms of its horizontal and vertical position relative to the underwater vehicle and its distance from the underwater vehicle.
  • the surface array is significantly more expensive, since at least twice the number of waterborne sound transducers must be provided, typically, however, at least three times the number or even more hydrophones are used than for a comparable line array.
  • the object of the present invention is therefore to create an improved concept for underwater vehicles.
  • Exemplary embodiments show an underwater vehicle with a multiplicity of underwater sound transducers, which form a linear array, a control unit and a signal processing unit.
  • the waterborne sound transducers are designed to emit waterborne sound signals and to receive reflections of the waterborne sound signals.
  • the control unit is designed to control the underwater vehicle from a first position into a second position in such a way that the underwater vehicle executes a rolling movement in order to rotate the linear array.
  • the position can include both the local position and the orientation (attitude) of the underwater vehicle.
  • control unit is designed to steer the underwater vehicle from the first position to the second position in such a way that the underwater vehicle executes a pitching movement or a movement along the vertical axis or a yawing movement or a movement along the transverse axis or a combination thereof in order to move the linear array perpendicular to an extent of the linear array.
  • the linear array is shifted in parallel by the movement of the underwater vehicle.
  • the predominant portion of the movement of the submersible will be a pitching motion to move the linear array perpendicular to its extension.
  • the extension of the linear array is understood to mean the direction in which the hydrophones are arranged. However, any curvature of the line in the plane of the main direction of emission of the sound waves is not taken into account.
  • the signal processing unit is designed to emit a first underwater sound signal by means of the linear array in the first position of the underwater vehicle and to emit a second underwater sound signal by means of the linear array in the second position of the underwater vehicle.
  • the signal processing unit then processes reflections of the first waterborne sound signal received by means of the linear array and reflections of the second waterborne sound signal received by means of the linear array in such a way that three-dimensional (sonar) spatial information is created.
  • the signal processing unit will typically calculate two pieces of two-dimensional spatial information and superimpose the pieces of spatial information in such a way that three-dimensional spatial information is produced therefrom.
  • the transmission of a waterborne sound signal (using the linear array), receiving the reflections (using the linear array) and generating the associated two-dimensional spatial information is also referred to as measurement.
  • a first measurement is thus obtained with the first waterborne sound signal and a second measurement is obtained with the second waterborne sound signal.
  • the three-dimensional spatial information can be determined based on the first and the second measurement.
  • Spatial information is understood to mean, in particular, information that makes it possible to localize an object to be detected, ie to determine its location.
  • Two-dimensional spatial information can therefore define the location of the object in two spatial directions.
  • Three-dimensional spatial information can define the location of the object in three spatial directions.
  • the spatial information indicates the location of the object relative to the underwater vehicle.
  • the spatial information can also be output as an image, for example on a monitor.
  • the idea is to emulate a cross array (Mills Cross) or a surface array with the linear array.
  • two pieces of spatial information can be recorded or calculated with the linear array, in which case the linear array has been rotated or shifted in parallel (or both).
  • the signal processing unit is designed to emit a waterborne sound signal in each case in a large number of positions of the underwater vehicle and to process the reflections of the waterborne sound signals in such a way that three-dimensional spatial information is produced.
  • the three-dimensional spatial information is calculated from the reflections of at least three waterborne sound signals. This is advantageous, for example, when the linear array is translated in order to obtain more information. This enables the simulation of an area array.
  • three-dimensional spatial information can also be generated.
  • control unit is designed to roll the underwater vehicle between 80 degrees and 100 degrees, preferably between 85 degrees and 95 degrees, for example 90 degrees, in order to bring the watercraft from the first position into the second position.
  • This exemplary embodiment is advantageous in order to calculate the three-dimensional spatial information using exactly two waterborne sound signals.
  • Waterborne sound signals which are emitted by linear arrays that are (almost) perpendicular to one another, are best suited for this purpose.
  • beamforming for example, the horizontal position of an object can be determined based on the reflections of the first waterborne sound signal and, for example, the vertical position of the object can be determined based on the reflections of the second waterborne sound signal.
  • Exemplary embodiments further show the control unit being designed to perform a rolling movement of more than 90°, preferably at least 135°, particularly preferably perform at least 170 degrees of the submersible and assume a variety of positions during the roll motion.
  • the underwater vehicle can pause briefly at the positions, but it can also not be externally recognizable when the underwater vehicle has assumed the positions.
  • the signal processing unit is designed to emit a waterborne sound signal at each of the positions and to process reflections of the waterborne sound signals in such a way that three-dimensional spatial information is produced.
  • Exemplary embodiments show that the linear array is arranged at the bow of the underwater vehicle. This arrangement simplifies the corresponding movement of the linear array. In addition, the object to be localized can thus best be targeted by the underwater vehicle.
  • a method and a computer program for simulating a surface array with a linear array comprising a multiplicity of waterborne sound transducers, with the following steps: a) determining first spatial information by emitting a first waterborne sound signal by means of the linear array and receiving a reflection of the first waterborne sound signal by means of the linear array in a first position of the linear array; b) determining second spatial information by emitting a first waterborne sound signal by means of the linear array and receiving a reflection of the first waterborne sound signal by means of the linear array in a second position of the linear array, the second position being obtained by rotating the linear array or by moving the linear array perpendicular to an extension of the linear array is obtained from the first position; c) Combining the information of the first spatial information and the second spatial information to form a three-dimensional spatial information.
  • Fig. 1 shows a schematic front view of an underwater vehicle 20.
  • the underwater vehicle 20 comprises a plurality of hydrophones 22 forming a linear array, a control unit 24, a signal processing unit 26 and a body 28.
  • the hydrophones 22 are below the body 28, advantageously on the bow of the body, i.e. at the tip or at least in the front quarter of the body 28 of the underwater vehicle 20.
  • the linear array is shown as a horizontal linear array, i.e. the hydrophones 22 are arranged horizontally. The slightly curved arrangement in the direction of the longitudinal axis of the body 28 does not conflict with the horizontal arrangement.
  • the control unit 24 controls the underwater vehicle 20.
  • the control unit 24 can thus control the underwater vehicle 20 in such a way that it executes a rolling movement, indicated by the arrow 30.
  • the linear array can be rotated.
  • the control unit 24 can control the underwater vehicle 20 in such a way that it carries out a pitching movement upwards (indicated by the arrow 32a) or downwards (indicated by the arrow 32b).
  • the control unit can also control the underwater vehicle 20 in such a way that it executes a movement along the vertical axis of the underwater vehicle or the body thereof (indicated by arrow 32c). Both lead to a parallel displacement of the linear array.
  • a vertically arranged linear array it is advantageous if the underwater vehicle has a yawing movement instead of the pitching movement or instead of the Movement along the vertical axis carries out a movement along the transverse axis.
  • the signal processing unit 26 processes the reflections of the waterborne sound signals that are detected by the waterborne sound transducers 22 .
  • the signal processing unit 26 can also control when the waterborne sound transducers emit the waterborne sound signals.
  • the signal processing unit 26 can do this, for example, when the underwater vehicle has assumed a predetermined position.
  • the signal processing unit 26 calculates the beamforming based on the reflections of the waterborne sound signals, for example, and can use this to calculate the two-dimensional (sonar) spatial information in a conventional manner.
  • Three-dimensional spatial information can now be calculated from the reflections for two two-dimensional spatial information. In principle, this is done in the same way as with a surface array, but it is advantageous to adapt the positions of the spatial information to one another in advance.
  • the underwater vehicle can, in addition to the desired movement, also perform a movement that is undesirable for the evaluation of the sound waves, e.g. due to propulsion or a current.
  • the signal processing unit 26 can now carry out a comparison of the spatial information. This means, for example, that the determined direction and distance of the second measurement can be corrected by the relative movement of the underwater vehicle between the first and the second measurement. It is also possible to align the underwater vehicle based on the first measurement in such a way that the linear array is aimed at the object to be detected during the second measurement, in particular if the linear array is at an angle between 80° and 100°, for example 90°, after the first measurement °, is rotated to perform the second measurement. This is advantageous, for example, when the object to be detected is in the edge area of the detection area of the linear array. If the linear antenna is rotated by 90°, for example, to carry out the second measurement, the otherwise the vertical opening angle of the linear antenna may be too small to detect the object.
  • the (water) sound transducers disclosed are designed for use under water, in particular in the sea.
  • the sound converters are designed to convert waterborne sound into an electrical signal (e.g. voltage or current) corresponding to the sound pressure, the waterborne sound signal.
  • the sound converters are designed to convert an applied electrical voltage into waterborne sound. Accordingly, the sound converters can be used as waterborne sound receivers and/or as waterborne sound transmitters.
  • the sound transducers have a piezoelectric material, for example a piezoceramic, as the sensory material.
  • the transducers can be used for (active and/or passive) sonar (sound navigation and ranging). The transducers are not suitable for medical applications.
  • aspects have been described in the context of a device, it is understood that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also constitute a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.
  • embodiments of the invention may be implemented in hardware or in software. Implementation can be performed using a digital storage medium such as a floppy disk, DVD, Blu-ray Disc, CD, ROM, PROM, EPROM, EEPROM or FLASH memory, hard disk or other magnetic or optical memory, on which electronically readable control signals are stored, which can interact with a programmable computer system in such a way or interact that the respective method is carried out. Therefore, the digital storage medium can be computer-readable.
  • Some embodiments according to of the invention thus comprise a data carrier which has electronically readable control signals which are capable of interacting with a programmable computer system in such a way that one of the methods described herein is carried out.
  • embodiments of the present invention can be implemented as a computer program product with a program code, wherein the program code is effective to carry out one of the methods when the computer program product runs on a computer (for example the CPU - Central Processing Unit and/or the GPU - Graphics Processing Unit) expires.
  • the program code can also be stored on a machine-readable carrier, for example.
  • Other exemplary embodiments include the computer program for performing one of the methods described herein, the computer program being stored on a machine-readable carrier.
  • an exemplary embodiment of the method according to the invention is therefore a computer program that has a program code for performing one of the methods described herein when the computer program runs on a computer.
  • a further exemplary embodiment of the method according to the invention is therefore a data carrier (or a digital storage medium or a computer-readable medium) on which the computer program for carrying out one of the methods described herein is recorded.
  • a further exemplary embodiment of the method according to the invention is therefore a data stream or a sequence of signals which represents the computer program for carrying out one of the methods described herein.
  • the data stream or sequence of signals may be configured to be transferred over a data communication link, such as the Internet.
  • Another embodiment includes a processing device, such as a computer or programmable logic device, configured or adapted to perform any of the methods described herein.
  • a processing device such as a computer or programmable logic device, configured or adapted to perform any of the methods described herein.
  • Another embodiment includes a computer on which the computer program for performing one of the methods described herein is installed.
  • a programmable logic device e.g., a field programmable gate array, an FPGA
  • a field programmable gate array may cooperate with a microprocessor to perform any of the methods described herein.
  • the methods are performed by any flardware device. This can be universally usable flardware such as a computer processor (CPU) or flardware specific to the method, such as an ASIC.

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Abstract

Es ist ein Unterwasserfahrzeug (20) mit einer Vielzahl von Wasserschallwandlern (22), einer Steuereinheit (24) und einer Signalverarbeitungseinheit (26) offenbart. Die Wasserschallwandler bilden ein Lineararray, wobei die Wasserschallwandler (22) ausgebildet sind, Wasserschallsignale auszusenden und Reflexionen der Wasserschallsignale zu empfangen. Die Steuereinheit (24) ist ausgebildet, das Unterwasserfahrzeug derart von einer ersten Position in eine zweite Position zu steuern, dass das Unterwasserfahrzeug - eine Rollbewegung ausführt, um das Lineararray zu rotieren; oder - eine Nickbewegung bzw. Bewegung entlang einer Hochachse oder eine Gierbewegung bzw. eine Bewegung entlang einer Querachse oder eine Mischform daraus ausführt, um das Lineararray senkrecht zu einer Ausdehnung des Lineararrays zu bewegen. Die Signalverarbeitungseinheit (26) ist ausgebildet, in der ersten Position des Unterwasserfahrzeugs (20) ein erstes Wasserschallsignal auszusenden und in der zweiten Position des Unterwasserfahrzeugs (20) ein zweites Wasserschallsignal auszusenden, wobei die Signalverarbeitungseinheit (26) ferner ausgebildet ist, Reflexionen des ersten Wasserschallsignals und Reflexionen des zweiten Wasserschallsignals derart zu verarbeiten, dass eine dreidimensionale Rauminformation entsteht.

Description

Unterwasserfahrzeug mit einer Vielzahl von Wasserschallwandlern, die ein
Lineararray bilden
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf die Verbesserung der (Sonar-) Bildgebung von Lineararrays aus Wasserschallwandlern.
Für die Erzeugung von Bildern bzw. allgemeiner Rauminformationen der Umgebung mittels (Aktiv-) Sonar werden Wasserschallwandler eingesetzt. Die Wasserschallwandler können in verschiedenen Konfigurationen angeordnet werden. Eine Konfiguration ist das Lineararray (auch als Linienarray bezeichnet). Hier werden die Wasserschallwandler, typischerweise horizontal, auf einer Linie angeordnet. Die Linie kann vollständig gerade sein oder eine Krümmung in die Tiefe, d.h. in der Messebene, aufweisen. In anderen Worten liegt die Linie in einer Ebene, in der das Bild bzw. die Rauminformation dargestellt wird. Dass das Lineararray einen vertikalen Öffnungswinkel von wenigen Grad aufweist, wird bei dieser Betrachtung vernachlässigt. Das Linienarray ermöglicht die Bildgebung in zwei Dimensionen, d.h. die Ermittlung einer zweidimensionalen Rauminformation. Über die Signallaufzeit (d.h. die Laufzeit eines Pings) kann die Entfernung eines Objekts bestimmt werden und mittels Richtungsbildung, dem sogenannten Beamforming, kann die Richtung des Objekts in der Ebene bestimmt werden, in der das Linienarray angeordnet ist (also typischerweise die horizontale Richtung).
Eine weitere Konfiguration ist das Flächenarray. Hier werden die Wasserschallwandler in einer, optional gekrümmten, Ebene angeordnet. D.h. neben der horizontalen Ausdehnung hat das Flächenarray auch eine vertikale Ausdehnung. Somit ist es möglich, das Beamforming sowohl vertikal als auch horizontal durchzuführen. Zusammen mit der Tiefeninformation entsteht ein dreidimensionales Bild der Umgebung. Das heißt, ein Objekt in dem Bild ist in seiner horizontalen sowie vertikalen Position relativ zu dem Unterwasserfahrzeug sowie seiner Entfernung zu dem Unterwasserfahrzeug, bestimmbar. Das Flächenarray ist jedoch deutlich teurer, da mindestens die zweifache Anzahl Wasserschallwandler vorgesehen sein müssen, typischerweise aber mindestens die dreifache Anzahl oder noch mehr Wasserschallwandler verwendet werden, als für ein vergleichbares Linienarray.
Nun gibt es aber im Unterwasserbereich, beispielsweise zur Minenjagd, (autonome) Unterwasserfahrzeuge, die möglichst günstig sein sollen, da diese Unterwasserfahrzeuge beispielsweise beim Zerstören einer Mine ebenfalls zerstört werden oder zumindest eine erhöhte Gefahr der Zerstörung besteht. Dennoch wäre es wünschenswert, die Vorteile des Flächenarrays nicht missen zu müssen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für Unterwasserfahrzeuge zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ausführungsbeispiele zeigen ein Unterwasserfahrzeug mit einer Vielzahl von Wasserschallwandlern, die ein Lineararray bilden, einer Steuereinheit und einer Signalverarbeitungseinheit. Die Wasserschallwandler sind ausgebildet, Wasserschallsignale auszusenden und Reflexionen der Wasserschallsignale zu empfangen. Die Steuereinheit ist ausgebildet, das Unterwasserfahrzeug derart von einer ersten Position in eine zweite Position zu steuern, dass das Unterwasserfahrzeug eine Rollbewegung ausführt, um das Lineararray zu rotieren. Die Position kann sowohl die örtliche Position als auch die Ausrichtung (Lage) des Unterwasserfahrzeugs umfassen.
Ergänzend oder alternativ ist die Steuereinheit ausgebildet, das Unterwasserfahrzeug derart der ersten Position in die zweite Position zu steuern, dass das Unterwasserfahrzeug eine Nickbewegung bzw. eine Bewegung entlang der Hochachse oder eine Gierbewegung bzw. eine Bewegung entlang der Querachse oder eine Mischform daraus ausführt, um das Lineararray senkrecht zu einer Ausdehnung des Lineararrays zu bewegen. In anderen Worten wird das Lineararray durch die Bewegung des Unterwasserfahrzeugs parallelverschoben. Für die typische horizontale Anordnung der Wasserschallwandler in dem Lineararray wird der vorwiegende Anteil der Bewegung des Unterwasserfahrzeugs eine Nickbewegung sein, um das Lineararray senkrecht zu seiner Ausdehnung zu bewegen. Als Ausdehnung des Lineararrays wird die Richtung verstanden, in die die Wasserschallwandler angeordnet sind. Hierbei wird jedoch eine etwaige Krümmung der Linie in der Ebene der Hauptabstrahlrichtung der Schallwellen nicht berücksichtigt.
Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, in der ersten Position des Unterwasserfahrzeugs ein erstes Wasserschallsignal mittels des Lineararrays auszusenden und in der zweiten Position des Unterwasserfahrzeugs ein zweites Wasserschallsignal mittels des Lineararrays auszusenden. Mittels des Lineararrays empfangene Reflexionen des ersten Wasserschallsignals und Mittels des Lineararrays empfangene Reflexionen des zweiten Wasserschallsignals verarbeitet die Signalverarbeitungseinheit dann derart, dass eine dreidimensionale (Sonar-) Rauminformation entsteht. D.h., die Signalverarbeitungseinheit wird typischerweise zwei zweidimensionale Rauminformationen berechnen und die Rauminformationen derart überlagern, dass hieraus eine dreidimensionale Rauminformation entsteht.
Das Aussenden eines Wasserschallsignals (mittels des Linearrays), Empfangen der Reflexionen (mittels des Lineararrays) und Erzeugen der zugehörigen zweidimensionalen Rauminformation wird auch als Messung bezeichnet. Mit dem ersten Wasserschallsignal ergibt sich somit eine erste Messung und mit dem zweiten Wasserschalsignal eine zweite Messung. Basierend auf der ersten und der zweiten Messung kann die dreidimensionale Rauminformation bestimmt werden.
Als Rauminformation wird insbesondere eine Information verstanden, die es ermöglicht, ein zu detektierendes Objekt zu lokalisieren, d.h. dessen Ort zu bestimmen. Eine zweidimensionale Rauminformation kann demnach den Ort des Objekts in zwei Raumrichtungen definieren. Eine dreidimensionale Rauminformation kann den Ort des Objekts in drei Raumrichtungen definieren. Beispielsweise gibt die Rauminformation den Ort des Objekts relativ zu dem Unterwasserfahrzeug an. In einem Spezialfall kann die Rauminformation auch als Bild, beispielsweise auf einem Monitor, ausgegeben werden. Idee ist es, ein Kreuzarray (Mills Cross) oder ein Flächenarray mit dem Lineararray nachzubilden. Hierzu können zwei Rauminformationen mit dem Lineararray aufgenommen bzw. berechnet werden, bei denen das Lineararray gedreht worden oder parallel verschoben ist (oder beides). Es ist natürlich auch möglich, die dreidimensionale Rauminformation unmittelbar aus den Reflexionen der beiden Wasserschallsignale zu berechnen.
In Ausführungsbeispielen ist die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet, in einer Vielzahl von Positionen des Unterwasserfahrzeugs jeweils ein Wasserschallsignal auszusenden und die Reflexionen der Wasserschallsignale derart zu verarbeiten, dass eine dreidimensionale Rauminformation entsteht. Das heißt, die dreidimensionale Rauminformation wird aus den Reflexionen von zumindest drei Wasserschallsignalen berechnet. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn das Lineararray parallelverschoben wird, um mehr Informationen zu erhalten. Dies ermöglicht die Nachbildung eines Flächenarrays. Bei Verwendung einer Vielzahl von Wasserschallsignalen kann auch eine dreidimensionale Rauminformation erzeugt werden.
In weiteren Ausführungsbeispielen ist die Steuereinheit ausgebildet, eine Rollbewegung zwischen 80 Grad und 100 Grad, bevorzugt zwischen 85 Grad und 95 Grad, beispielsweise 90 Grad, des Unterwasserfahrzeugs durchzuführen, um das Wasserfahrzeug von der ersten Position in die zweite Position zu bringen. Dieses Ausführungsbeispiel ist vorteilhaft, um mit genau zwei Wasserschallsignalen die dreidimensionale Rauminformation zu berechnen. Hierzu eigenen sich am besten Wasserschallsignale, die von (nahezu) senkrecht aufeinander stehenden Lineararrays ausgesendet werden. Mittels Beamforming kann basierend auf den Reflexionen des ersten Wasserschallsignals beispielsweise die horizontale Position eines Objekts bestimmt werden und basierend auf den Reflexionen des zweiten Wasserschallsignals beispielsweise die vertikale Position des Objekts bestimmt werden.
Ausführungsbeispiele zeigen ferner die Steuereinheit, die ausgebildet ist, eine Rollbewegung um mehr als 90°, bevorzugt zumindest 135°, besonders bevorzugt zumindest 170 Grad des Unterwasserfahrzeugs durchzuführen und während der Rollbewegung eine Vielzahl von Positionen einzunehmen. An den Positionen kann das Unterwasserfahrzeug kurz innehalten, es kann aber auch äußerlich nicht erkennbar sein, wann das Unterwasserfahrzeug die Positionen eingenommen hat. Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, an den Positionen jeweils ein Wasserschallsignal auszusenden und Reflexionen der Wasserschallsignale derart zu verarbeiten, dass eine dreidimensionale Rauminformation entsteht. Neben dem Nicken des Unterwasserfahrzeugs, um eine Vielzahl von Messungen mit dem Lineararray in paralleler Ausrichtung durchzuführen, ist ein vollständiges Rotieren oder ein zyklisches Pendeln (jeweils als Folge der Rollbewegung) und in beiden Fällen regelmäßige Messen in kleinen Rotationswinkeln eine Möglichkeit, ein Flächenarray nachzubilden.
Ausführungsbeispiele zeigen, dass das Lineararray am Bug des Unterwasserfahrzeugs angeordnet ist. Diese Anordnung vereinfacht die entsprechende Bewegung des Lineararrays. Zudem kann das zu lokalisierende Objekt so am besten durch das Unterwasserfahrzeug anvisiert werden.
Entsprechend ist ein Verfahren sowie ein Computerprogramm zur Simulation eines Flächenarrays mit einem Lineararray, wobei das Lineararray eine Vielzahl von Wasserschallwandlern umfasst, mit folgenden Schritten offenbart: a) Ermitteln einer ersten Rauminformation durch Aussenden eines ersten Wasserschallsignals mittels des Lineararrays und Empfangen einer Reflexion des ersten Wasserschallsignals mittels des Lineararrays in einer ersten Position des Lineararrays; b) Ermitteln einer zweiten Rauminformation durch Aussenden eines ersten Wasserschallsignals mittels des Lineararrays und Empfangen einer Reflexion des ersten Wasserschallsignals mittels des Lineararrays in einer zweiten Position des Lineararrays, wobei die zweite Position durch Rotation des Lineararrays oder durch Bewegung des Lineararrays senkrecht zu einer Ausdehnung des Lineararrays aus der ersten Position erhalten wird; c) Kombinieren der Informationen der ersten Rauminformation und der zweiten Rauminformation zu einer dreidimensionalen Rauminformation.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 : eine schematische frontale Darstellung eines Unterwasserfahrzeugs mit einem Lineararray von Wasserschallwandlern.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Fig. 1 zeigt eine schematische Frontaldarstellung eines Unterwasserfahrzeugs 20. Das Unterwasserfahrzeug 20 umfasst eine Vielzahl von Wasserschallwandlern 22, die ein Lineararray bilden, eine Steuereinheit 24, eine Signalverarbeitungseinheit 26 und einen Körper 28. Die Wasserschallwandler 22 sind unterhalb des Körpers 28, vorteilhafterweise am Bug des Körpers, d.h. an der Spitze oder zumindest im vorderen Viertel des Körpers 28 des Unterwasserfahrzeugs 20, angeordnet. Das Lineararray ist als horizontales Lineararray dargestellt, d.h. die Wasserschallwandler 22 sind horizontal angeordnet. Die leicht gekrümmte Anordnung in Richtung der Längsachse des Körpers 28 steht der horizontalen Anordnung nicht entgegen.
Die Steuereinheit 24 steuert das Unterwasserfahrzeug 20. So kann die Steuereinheit 24 das Unterwasserfahrzeug 20 derart steuern, dass es eine Rollbewegung, angedeutet durch den Pfeil 30, ausführt. Somit kann das Lineararray rotiert werden. Weiterhin kann die Steuereinheit 24 das Unterwasserfahrzeug 20 derart ansteuern, dass es eine Nickbewegung nach oben (angedeutet durch den Pfeil 32a) oder nach unten (angedeutet durch den Pfeil 32b) durchführt. Alternativ kann die Steuereinheit das Unterwasserfahrzeug 20 auch derart steuern, dass dieses eine Bewegung entlang der Hochachse des Unterwasserfahrzeugs, bzw. des Körpers desselben, ausführt (angedeutet durch Pfeil 32c). Beides führt zu einer Parallelverschiebung des Lineararrays. Bei einem vertikal angeordneten Lineararray ist es vorteilhaft, wenn das Unterwasserfahrzeug statt der Nickbewegung eine Gierbewegung bzw. statt der Bewegung entlang der Hochachse eine Bewegung entlang der Querachse durchführt.
Die Signalverarbeitungseinheit 26 verarbeitet die Reflexionen der Wasserschallsignale, die von den Wasserschallwandlern 22 detektiert werden. Optional kann die Signalverarbeitungseinheit 26 auch steuern, wann die Wasserschallwandler die Wasserschallsignale aussenden. Dies kann die Signalverarbeitungseinheit 26 beispielsweise dann machen, wenn das Unterwasserfahrzeug eine vorgegebene Position eingenommen hat. Die Signalverarbeitungseinheit 26 berechnet beispielsweise basierend auf den Reflexionen der Wasserschallsignale das Beamforming und kann darüber klassisch die zweidimensionalen (Sonar-) Rauminformationen berechnen. Aus den Reflexionen für zwei zweidimensionale Rauminformationen kann nunmehr eine dreidimensionale Rauminformation berechnet werden. Dies geschieht prinzipiell wie bei einem Flächenarray, es ist jedoch vorteilhaft, die Positionen der Rauminformation vorab aneinander anzupassen. So ist bei einem Flächenarray die Position der Wasserschallwandler zueinander fest. Bei der Aufnahme von zwei Rauminformationen mit dem Linienarray kann das Unterwasserfahrzeug aber z.B. durch Vortrieb oder eine Strömung neben der gewünschten Bewegung noch eine für die Auswertung der Schallwellen unerwünschte Bewegung ausführen.
In Kenntnis der relativen Abweichung der Orte, an denen die entsprechenden Wasserschallsignale ausgesendet worden sind, kann die Signalverarbeitungseinheit 26 nun einen Abgleich der Rauminformationen vornehmen. D.h. beispielsweise, dass die ermittelte Richtung und Entfernung der zweiten Messung um die Relativbewegung des Unterwasserfahrzeugs zwischen der ersten und der zweiten Messung korrigiert werden kann. Ferner ist es möglich, das Unterwasserfahrzeug basierend auf der ersten Messung derart auszurichten, dass das Lineararray bei der zweiten Messung auf das zu detektierende Objekt gerichtet ist, insbesondere wenn das Lineararray nach der ersten Messung in einem Winkel zwischen 80° und 100°, beispielsweise 90°, rotiert wird, um die zweite Messung durchzuführen. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn sich das zu detektierende Objekt im Randbereich des Detektionsbereichs des Lineararrays befindet. Wird die Linearantenne beispielsweise um 90° rotiert, um die zweite Messung durchzuführen, kann der vertikale Öffnungswinkel der Linearantenne sonst zu klein sein, um das Objekt zu erfassen.
Die offenbarten (Wasser-) Schallwandler sind für den Einsatz unter Wasser, insbesondere im Meer, ausgelegt. Die Schallwandler sind ausgebildet, Wasserschall in eine dem Schalldruck entsprechenden elektrischen Signal (z.B. Spannung oder Strom), das Wasserschallsignal, umzuwandeln. Überdies sind die Schallwandler ausgebildet, eine anliegende elektrische Spannung in Wasserschall umzuwandeln. Die Schallwandler können demnach als Wasserschallempfänger und/oder als Wasserschallsender verwendet werden. Als sensorisches Material weisen die Schallwandler ein piezoelektrisches Material, beispielsweise eine Piezokeramik, auf. Die Schallwandler können für (Aktiv- und/oder Passiv-) Sonar (sound navigation and ranging, dt.: Schall-Navigation und -Entfernungsbestimmung) eingesetzt werden. Die Schallwandler sind nicht für medizinische Anwendungen geeignet.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart Zusammenwirken können oder Zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein. Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahingehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer (beispielsweise der CPU - Central Processing Unit und/oder der GPU - Graphics Processing Unit) abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein. Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahingehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahingehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor Zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Flardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Flardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Flardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Bezugszeichenliste:
20 Unterwasserfahrzeug 22 Wasserschallwandler 24 Steuereinheit
26 Signalverarbeitungseinheit 28 Körper des Unterwasserfahrzeugs 30 Pfeil (Rollbewegung)
32 Pfeile (Nickbewegung, Bewegung entlang der Hochachse)

Claims

Patentansprüche
1. Unterwasserfahrzeug (20) mit folgenden Merkmalen: einer Vielzahl von Wasserschallwandlern (22), die ein Lineararray bilden, wobei die Wasserschallwandler (22) ausgebildet sind, Wasserschallsignale auszusenden und Reflexionen der Wasserschallsignale zu empfangen; einer Steuereinheit (24), die ausgebildet ist, das Unterwasserfahrzeug derart von einer ersten Position in eine zweite Position zu steuern, dass das Unterwasserfahrzeug
- eine Rollbewegung ausführt, um das Lineararray zu rotieren; oder
- eine Nickbewegung bzw. Bewegung entlang einer Hochachse oder eine Gierbewegung bzw. eine Bewegung entlang einer Querachse oder eine Mischform daraus ausführt, um das Lineararray senkrecht zu einer Ausdehnung des Lineararrays zu bewegen; einer Signalverarbeitungseinheit (26), die ausgebildet ist, in der ersten Position des Unterwasserfahrzeugs (20) ein erstes Wasserschallsignal mittels des Lineararrays auszusenden und in der zweiten Position des Unterwasserfahrzeugs (20) ein zweites Wasserschallsignal mittels des Lineararrays auszusenden; wobei die Signalverarbeitungseinheit (26) ausgebildet ist, mittels des Lineararrays empfangene Reflexionen des ersten Wasserschallsignals und mittels des Lineararrays empfangene Reflexionen des zweiten Wasserschallsignals derart zu verarbeiten, dass eine dreidimensionale Rauminformation entsteht.
2. Unterwasserfahrzeug (20) gemäß Anspruch 1 , wobei die Signalverarbeitungseinheit (26) ausgebildet ist, in einer Vielzahl von Positionen des Unterwasserfahrzeugs jeweils ein Wasserschallsignal auszusenden und die Reflexionen der Wasserschallsignale derart zu verarbeiten, dass die dreidimensionale Rauminformation entsteht.
3. Unterwasserfahrzeug (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Lineararray am Bug des Unterwasserfahrzeugs angeordnet ist.
4. Unterwasserfahrzeug (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (24) ausgebildet ist, eine Rollbewegung zwischen 80 Grad und 100 Grad des Unterwasserfahrzeugs durchzuführen, um das Wasserfahrzeug von der ersten Position in die zweite Position zu bringen.
5. Unterwasserfahrzeug (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (24) ausgebildet ist, eine Rollbewegung um mehr als 90 Grad, insbesondere zumindest 135 Grad, des Unterwasserfahrzeugs durchzuführen und während der Rollbewegung eine Vielzahl von Positionen einzunehmen; wobei die Signalverarbeitungseinheit (26) ausgebildet ist, an den Positionen jeweils ein Wasserschallsignal auszusenden, und Reflexionen der Wasserschallsignale derart zu verarbeiten, dass eine dreidimensionale Rauminformation entsteht.
6. Unterwasserfahrzeug (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein einzelnes Lineararray verwendet wird, um die dreidimensionale Rauminformation zu erhalten.
7. Verfahren zur Simulation eines Flächenarrays mit einem Lineararray, wobei das Lineararray eine Vielzahl von Wasserschallwandlern umfasst, mit folgenden Schritten: a) Ermitteln einer ersten Rauminformation durch Aussenden eines ersten Wasserschallsignals mittels des Lineararrays und Empfangen einer Reflexion des ersten Wasserschallsignals mittels des Lineararrays in einer ersten Position des Lineararrays; b) Ermitteln einer zweiten Rauminformation durch Aussenden eines ersten Wasserschallsignals mittels des Lineararrays und Empfangen einer Reflexion des ersten Wasserschallsignals mittels des Lineararrays in einer zweiten Position des Lineararrays, wobei die zweite Position durch Rotation des Lineararrays oder durch Bewegung des Lineararrays senkrecht zu einer Ausdehnung des Lineararrays aus der ersten Position erhalten wird; c) Kombinieren der Informationen der ersten Rauminformation und der zweiten Rauminformation zu einer dreidimensionalen Rauminformation.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die Linearantenne an einem Unterwasserfahrzeug angeordnet ist.
9. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8 auszuführen.
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