EP2936198A2 - Unterwasserantenne, meta-unterwasserantenne und wasserfahrzeug - Google Patents

Unterwasserantenne, meta-unterwasserantenne und wasserfahrzeug

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EP2936198A2
EP2936198A2 EP13824295.3A EP13824295A EP2936198A2 EP 2936198 A2 EP2936198 A2 EP 2936198A2 EP 13824295 A EP13824295 A EP 13824295A EP 2936198 A2 EP2936198 A2 EP 2936198A2
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EP
European Patent Office
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subantenna
underwater
antenna
underwater antenna
antenna according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13824295.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Arne Kraft
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Atlas Elektronik GmbH
Original Assignee
Atlas Elektronik GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2936198A2 publication Critical patent/EP2936198A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
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    • G01S15/8902—Side-looking sonar
    • G01S15/8904—Side-looking sonar using synthetic aperture techniques
    • G—PHYSICS
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    • G01S7/523—Details of pulse systems
    • G01S7/526—Receivers
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/34—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using electrical steering of transducer arrays, e.g. beam steering
    • G10K11/341—Circuits therefor
    • G10K11/346—Circuits therefor using phase variation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
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    • G01S7/52003—Techniques for enhancing spatial resolution of targets

Definitions

  • the invention relates to an underwater antenna for receiving underwater sound signals having a first subantenna and a second subantenna, the first subantenna and the second subantenna each having at least one receiving element, and a meta-underwater antenna and a watercraft carrying the underwater antenna or the meta Underwater antenna has.
  • the underwater antennas are linear antennas with individual receiving elements
  • Such synthetic aperture underwater antennas are in particular constructed such that the underwater vehicle is displaced by exactly the length in each case, that the first receiving element at the position of the last received element is moved and then another measurement takes place.
  • Correlation method then obtains a speed or location or navigation information.
  • the underwater vehicle Due to the short length of the synthetic aperture underwater antenna, the underwater vehicle is restricted in its navigation at high speeds. It is true that the vehicle between two localizations as described above can continue only by the length of the antenna, so it is the slower the shorter the antenna. If now in the water long ranges are to be achieved, one must wait longer at one point, until the sound has covered the way. It can thus be achieved with short antennas only short ranges. From a propulsion speed and the range results in the search area per time. The main point is that the search area gets smaller and smaller with shorter antennas per time.
  • the object of the invention is to improve the state of the art.
  • an underwater antenna for receiving underwater sound signals in particular a SAS antenna, having a first subantenna and a second subantenna, the first subantenna and the second subantenna each having at least one receiving element and the first subantenna and the second subantenna Subantenne form a spatial distance.
  • underwater antennas can be provided, which also have a synthetic aperture, but when used underwater vehicles can use higher speeds.
  • underwater antennas can continue to operate with defective receiving elements.
  • a surface search power of these antennas increases significantly.
  • the mechanical structure can be significantly reduced in size.
  • the energy consumption (power consumption) can be reduced.
  • lower frequencies can be used, which increases the range with lower transmission power.
  • a "support point" is provided which higher speeds of a water or
  • Receiving underwater sound signals It is designed in particular as a linear antenna whose
  • Underwater antenna can be used as SAS antenna (SAS is the abbreviation of "Synthetic Aperture SONAR").
  • the usable "underwater sound signals” are in particular the sound signals that are used for sonars and echosounders.
  • the "subantennas” each have at least one receiving element, which in its simplest form is a hydrophone (underwater microphone) which converts a sound pressure into an electrical signal.
  • a hydrophone underwater microphone
  • the "distance" is at usual
  • the spatial distance of real subantennas is according to the state of the art a maximum of twice the antenna resolution.
  • the present spatial spacing according to the invention is designed so that an additional distance is added to the usual distance between two receiving elements.
  • the spatial distance 10%, 20%, 40%, 75%, 100%, 150%, 200%, 350% or more be greater than the antenna resolution. This spatial distance may well correspond to the length of the first subantenna and thus the total length of all receiving elements or go beyond.
  • the spatial distance corresponds to the total extent of all the reception elements of the first subantenna minus a width of a reception element.
  • a spatial distance can be given when a transmitting element is turned off or is defective.
  • the spatial distance has a minimum vectorial value of 1.0mm, 2.0mm, 1cm, 3cm, 10cm, 30cm, 70cm, 1.0m, 3m, 10m, 30m or 70m.
  • underwater antennas of different dimensions can be provided, also
  • Underwater antennas are provided with different synthetic aperture properties. Furthermore, the first and the second subantenna can not only have a length offset, but also only one or additionally a height offset.
  • Underwater antenna having a transmitting element.
  • the transmitting element can be, for example, the transmitting device of a sonar or a sonar, which impress a sound pressure, for example, via a piezoceramic of the water environment.
  • the first subantenna has the transmitting element.
  • existing underwater antennas can be used to construct the underwater antenna according to the invention.
  • the first subantenna can have further reception elements, in particular a total of 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 or more receiving elements.
  • the underwater antenna may have further subantennas, which have a subantenna spatial distance from each other and to the first subantenna and to the second subantenna.
  • the second subantenna and / or one of the further subantenna s further receiving elements, in particular 2, 3, 4, 5 or more receiving elements.
  • the first sub-antenna may have seven receiving elements
  • the second sub-antenna may be a single receiving element
  • the third sub-antenna may be two
  • Receiving elements and the fourth sub-antenna have four receiving elements.
  • the position of an underwater vehicle can also be determined for very high speeds.
  • the underwater antenna can be designed as a linear antenna.
  • the underwater antenna can be set up such that in each case a phase center between the transmitting element and each receiving element of all subantennas or individual subantennas can be determined.
  • a "phase center” is in particular electronic reference information of an antenna, which can be determined computer-controlled between the transmitter and each individual receiver element the respective receiving element is located.
  • a local phase reference pattern may have an irregularity, which is particularly due to the spatial distance.
  • an effective underwater antenna for micro-navigation of an underwater vehicle can be provided.
  • Phase reference pattern identical ie the individual phase centers have an equidistant distance.
  • this equidistant distance is not necessarily given over all the receiving elements.
  • the object is achieved by a meta-underwater antenna, which has a subsea antenna described above and which is designed such that at a location offset of the above-described underwater antenna in a direction of the second sub-antenna or in one direction Further subantennas, a signal information determined by means of the second subantenna or by means of the further subantennas, a position information can be determined.
  • a meta-underwater antenna can be provided with a synthetic aperture, which makes it possible to ensure navigation underwater at higher speeds of an underwater vehicle.
  • the position information can be determined by means of a correlation, in particular a cross-correlation.
  • the received signal of the further subantennas can be determined to a first position in the case of subantennas changed in position, for example to a second position.
  • the mathematical correlation and in particular the mathematical cross-correlation, can take place by means of a computer or an FPGA which evaluates the signals at the individual receiving elements.
  • the particular signal information may be a phase-shift signal.
  • the object is achieved by a watercraft, in particular by an underwater vehicle, which has a previously described underwater antenna and / or a meta-underwater antenna described above.
  • the vessel can navigate underwater and locate highly accurately, and even at very high speeds, without costly underwater antennas with extended and many expensive receivers.
  • Figure 1 is a schematic representation of a
  • FIG. 2 is a schematic representation of a location
  • Time diagram with a moving linear antenna with two sub-antennas, 3 shows an underwater vehicle with a
  • Figure 4 is a schematic representation of
  • Phase centers of a linear antenna with three subantennas Phase centers of a linear antenna with three subantennas.
  • a whole underwater antenna 105 has a first sub-antenna 107, a second sub-antenna 109, and a third sub-antenna 111.
  • the first sub-antenna 107 has a transmitting element 127 and five individual receiving elements (121).
  • the transmitting element is denoted by Tx and the receiving elements by RX.
  • the index at the R indicates the sub antenna
  • the index at the X indicates the number of the individual receiver element.
  • a first distance 141 follows, followed by the second sub-antenna 109 with the receiving element 123.
  • This subantenna 109 is followed at a second distance 143 by the third subantenna 111 with three receiving elements 125. All receiving elements are designed as hydrophones.
  • the transmitting elements 4 and 5 of the first sub-antenna are omitted for the purpose of simplification.
  • the overall antenna 105 At a first time 1 (time axis 254), the overall antenna 105 has a first starting location Xi. Since the overall antenna 105 moves to the right, it has a second start position x 2 at a second time 2.
  • the relevant phase center has the same position as the corresponding phase center of the second subantenna at time 1, the speed or position data can be determined with sufficient accuracy.
  • An overall antenna 105 is presently arranged on a submarine 371.
  • the entire antenna is arranged on a ship below the water surface.
  • a micro-navigation of the submarine 371 via the overall antenna 105 take place with the sub-antenna 109 below the water surface 361.
  • the entire antenna 105 has a first sub-antenna 107, a second sub-antenna 109, and a third sub-antenna 111 as described above.
  • phase center Pi results from the phase centroid TX / RiXi, the phase center P 2 from TX / RiX 2 , etc., and the phase center P 5 from TX / R 2 Xi and the phase center P 6

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Abstract

Durch die geringe Länge der synthetischen Apertur-Unterwasserantenne ist das Unterwasserfahrzeug in seiner Navigation bei hohen Geschwindigkeiten eingeschränkt. Die Erfindung schlägt eine Unterwasserantenne zum Empfangen von Unterwasserschallsignalen mit einer ersten Subantenne und einer zweiten Subantenne vor, wobei die erste Subantenne und die zweite Subantenne jeweils wenigstens ein Empfangselement aufweisen und die erste Subantenne und die zweite Subantenne einen Ortsabstand ausbilden. Somit können Unterwasserantennen bereitgestellt werden, welche ebenfalls über eine synthetische Apertur verfügen, jedoch bei deren Verwendung Unterwasserfahrzeuge größere Geschwindigkeiten verwenden können. Zudem können Unterwasserantennen mit defekten Empfangselementen weiter betrieben werden.

Description

Unterwasserantenne, Meta-Unterwasserantenne und
Wasserfahrzeug
[01] Die Erfindung betrifft eine Unterwasserantenne zum Empfangen von Unterwasserschallsignalen mit einer ersten Subantenne und einer zweiten Subantenne, wobei die erste Subantenne und die zweite Subantenne jeweils wenigstens ein Empfangselement aufweisen und eine Meta-Unterwasserantenne sowie ein Wasserfahrzeug, welches die Unterwasserantenne oder die Meta-Unterwasserantenne aufweist.
[02] Zur Ortung und Navigation werden bei
Unterwasserfahrzeugen, Schallantennen verwendet, welche eine möglichst große Länge aufweisen, sodass die typischen Wellenlängen von Unterwasserschallsignalen detektierbar sind. Dabei gilt grundsätzlich, dass je länger die Antenne ist, umso genauer ist die Ortung (Richtungsauflösung) und es gilt, je tiefer die Sendefrequenz ist, desto größer ist die Reichweite, wobei dann die Antenne umso länger sein muss. Häufig sind die Unterwasserantennen als Linearantennen mit einzelnen Empfangselementen
(Hydrophonen) ausgestaltet. Auf Grund dessen, dass derartige Empfangselemente sehr teuer sind, werden Antennen eingesetzt, welche eine synthetische Apertur aufweisen.
[03] Derartige synthetische Apertur-Unterwasserantennen sind insbesondere derart aufgebaut, dass das Unterwasserfahrzeug jeweils um exakt die Länge verschoben wird, dass das erste Empfangselement an der Position des letzten Empfangselement verschoben wird und dann eine weitere Messung erfolgt. Über entsprechende
Korrelationsverfahren wird dann eine Geschwindigkeit oder Orts- oder Navigationsinformation gewonnen.
[04] Durch die geringe Länge der synthetischen Apertur- Unterwasserantenne ist das Unterwasserfahrzeug in seiner Navigation bei hohen Geschwindigkeiten eingeschränkt. Dabei gilt, dass das Fahrzeug zwischen zwei Ortungen wie oben beschrieben nur um die Länge der Antenne weiterfahren kann, somit ist es umso langsamer je kürzer die Antenne ist. Wenn nun im Wasser große Reichweiten erzielt werden sollen, muss an einer Stelle länger gewartet werden, bis der Schall den Weg zurückgelegt hat. Es können somit mit kurzen Antennen nur geringe Reichweiten erzielt werden. Aus einer Vortriebsgeschwindigkeit und der Reichweite ergibt sich das Suchgebiet pro Zeit. Hauptpunkt ist somit, dass das Suchgebiet pro Zeit mit kürzeren Antennen immer kleiner wird .
[05] Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern .
[06] Gelöst wird die Aufgabe durch eine Unterwasserantenne zum Empfangen von Unterwasserschallsignalen, insbesondere eine SAS-Antenne, mit einer ersten Subantenne und einer zweiten Subantenne, wobei die erste Subantenne und die zweite Subantenne jeweils wenigstens ein Empfangselement aufweisen und die erste Subantenne und die zweite Subantenne einen Ortsabstand ausbilden. [07] Somit können Unterwasserantennen bereitgestellt werden, welche ebenfalls über eine synthetische Apertur verfügen, jedoch bei deren Verwendung Unterwasserfahrzeuge größere Geschwindigkeiten verwenden können. Zudem können Unterwasserantennen mit defekten Empfangselementen weiter betrieben werden. Eine Flächensuchleistung dieser Antennen erhöht sich deutlich. Zudem kann der mechanische Aufbau deutlich niedriger dimensioniert werden. Auch kann der Energiebedarf (Stromverbrauch) verringert werden. Auch können tiefere Frequenzen verwendet werden, wodurch sich die Reichweite bei geringerer Sendeleistung erhöht.
[08] Durch die den Ortsabstand aufweisende zweite Subantenne wird eine „Stützstelle" bereitgestellt, welche höhere Geschwindigkeiten eines Wasser- oder
Unterwasserfahrzeugs ermöglicht. Zudem kann ermöglicht werden, dass trotz Abweichungen von einer geradlinigen Antriebsrichtung des Wasser- oder Unterwasserfahrzeugs, welche zu einem Abweichwinkel der ( SAS- ) Antenne zu unterschiedlichen Zeiten führt, ein Navigieren ermöglicht wird. Für genauere Hintergründe und Korrekturen des Abweichwinkels wird auf Bellettini und Pinto [IEEE Journal of Oceanic Engineering, Vol. 27, No . 4, October 2002; Theoretical Accuracy of Synthetic Aperture Sonar Micronavigation Using a Displaced Phase-Center Antenna] verwiesen, dessen diesbezüglicher Inhalt der vorliegenden Schrift ist.
[09] Folgendes Begriffliche sei erläutert: [10] Die „Unterwasserantenne" dient insbesondere dem
Empfangen von Unterwasserschallsignalen. Sie ist insbesondere als lineare Antenne ausgestaltet, deren
Ausrichtung im Wesentlichen mit der Fahrtrichtung des
Unterwasserfahrzeugs übereinstimmen. Weiterhin kann die
Unterwasserantenne als SAS-Antenne verwendet werden (SAS ist die Abkürzung von „Synthetic Apertur SONAR") .
[11] Die einsetzbaren „Unterwasserschallsignale" sind insbesondere die Schallsignale, die für Sonare und Echolote verwendet werden.
[12] Die „Subantennen" weisen jeweils wenigstens ein Empfangselement auf. Diese „Empfangselement" ist in seiner einfachsten Ausprägung ein Hydrophon (Unterwassermikrophon) , welches einen Schalldruck in ein elektrisches Signal überführt.
[13] Der „Ortsabstand" wird bei üblichen
Unterwasserantennen möglichst gering gehalten, damit eine Unterwasserantenne ein empfangenes Signal optimal auswerten kann. Technisch liegen bei hochfrequenten
Unterwasserschallsignalen die echten Ortsabstände bei wenigen Millimetern oder darunter und ergeben sich aus den Sendefrequenzen der Unterwasserschallsignale und der daraus resultierenden Wellenlänge λ. Der Ortsabstand echter Subantennen ist nach dem Stand der Technik maximal das Doppelte der Antennenauflösung. Der vorliegende erfindungsgemäße Ortsabstand ist so ausgestaltet, dass zu dem üblichen Abstand zwischen zwei Empfangselementen ein zusätzlicher Abstand eingefügt wird. Erfindungsgemäß kann der Ortsabstand 10%, 20%, 40%, 75%, 100%, 150%, 200%, 350% oder mehr größer sein als die Antennenauflösung. Dieser Ortsabstand kann durchaus der Länge der ersten Subantenne und somit der Gesamtlänge sämtlicher Empfangselemente entsprechen oder darüberhinaus gehen.
[14] Um möglichst einen überlappenden Bereich zu erhalten, entspricht der Ortsabstand der Gesamtausdehnung sämtlicher Empfangselemente der ersten Subantenne abzüglich einer Breite eines Empfangselements.
[15] Auch kann ein Ortsabstand dann gegeben sein, wenn ein Sendeelement ausgeschaltet wird oder defekt ist.
[16] In einer weiteren Aus führungs form weist der
Ortsabstand einen Horizontalabstand und/oder einen
Vertikalabstand auf, wobei der Ortsabstand einen vektoriellen Minimalwert von 1,0mm, 2,0mm, 1cm, 3cm, 10cm, 30cm, 70cm, 1,0m, 3m, 10m, 30m oder 70m aufweist.
[17] Somit können Unterwasserantennen unterschiedlichster Ausdehnung bereitgestellt werden, auch können
Unterwasserantennen mit unterschiedlichen synthetischen Apertur-Eigenschaften bereitgestellt werden. Weiterhin können die erste und die zweite Subantenne nicht nur einen Längenversatz, sondern auch nur einen oder zusätzlich einen Höhenversatz aufweisen.
[18] Zwar kann dies zu einer schlechteren Signalausbeute führen, jedoch auf Grund der bei der synthetischen Apertur zu Grunde liegenden mathematischen Kreuzkorrelation können derartige Signale immer noch (sinnvoll) ausgewertet werden. [19] Um eine effektive Unterwasserantenne mit Sende- und Empfangseigenschaften bereitzustellen, kann die
Unterwasserantenne ein Sendeelement aufweisen.
[20] Das „Sendeelement" sendet dabei insbesondere Unterwasserschallsignale aus. Bei dem Sendeelement kann es sich beispielsweise um die Sendeeinrichtung eines Sonars oder eines Echolots handeln, welche beispielsweise über eine Piezokeramik der Wasserumgebung einen Schalldruck aufprägen .
[21] In einer weiteren Aus führungs form weist die erste Subantenne das Sendeelement auf. Somit können bereits bestehende Unterwasserantennen zum Aufbau der erfindungsgemäßen Unterwasserantenne verwendet werden.
[22] Um eine möglichst effektive Unterwasserantenne mit einer effektiven synthetischen Apertur und somit eine hohe Geschwindigkeit eines Wasserfahrzeugs nachverfolgen zu können, kann die erste Subantenne weitere Empfangselemente aufweisen, dies sind insbesondere insgesamt 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 , 11, 12, 13, 14, 15 oder mehr Empfangselemente .
[23] Um mehrere Stützstellen bereitzustellen und somit eine bessere Unterwassersignaldetektion zu ermöglichen, kann die Unterwasserantenne weitere Subantennen aufweisen, welche zueinander und jeweils zu der ersten Subantenne und zu der zweiten Subantenne einen Subantennen-Ortsabstand aufweisen.
[24] In einer diesbezüglichen Aus führungs form weist die zweite Subantenne und/oder eine der weiteren Subantennen weitere Empfangselemente auf, insbesondere 2, 3, 4, 5 oder mehr Empfangselemente.
[25] Dabei können auch unregelmäßige Verteilungen gegeben sein. Beispielsweise kann die erste Subantenne sieben Empfangselemente, die zweite Subantenne ein einzelnes Empfangselement, die dritte Subantenne zwei
Empfangselemente und die vierte Subantenne vier Empfangselemente aufweisen.
[26] Somit kann die Position eines Unterwasserfahrzeugs auch für sehr hohe Geschwindigkeiten bestimmt werden.
[27] Um eine möglichst einfach Realisierung der erfindungsgemäßen Unterwasserantenne bereitzustellen, kann die Unterwasserantenne als Linearantennen ausgestaltet sein .
[28] So können beispielsweise in Fortbewegungsrichtung an einem Unterwasserfahrzeug entlang an einer Linie, welche in Richtung des Vortriebs des Unterwasserfahrzeugs angeordnet ist, mehrere Empfangselemente angebracht sein.
[29] In einer weiteren Ausführungsform, kann die Unterwasserantenne derart eingerichtet sein, dass jeweils ein Phasenzentrum zwischen dem Sendeelement und jedem Empfangselement sämtlicher Subantennen oder einzelner Sub- antennen bestimmbar ist.
[30] Dadurch kann, insbesondere bei einem sich mitbewegenden Sender, eine Mikronavigation für das Unterwasserfahrzeug erfolgen. [31] Ein „Phasenzentrum" ist insbesondere eine elektronische Referenzinformation einer Antenne. Diese kann jeweils zwischen dem Sender und jedem einzelnen Empfangselement rechnergesteuert festgelegt werden. Anschaulich dargelegt kann dies bedeuten, dass das Phasenzentrum einen Signalschwerpunkt bildet, welcher auf hälftigem Weg zwischen dem Sendeelement und dem jeweiligen Empfangselement liegt.
[32] Um eine besonders effektive Unterwasserantenne bereitzustellen, kann ein örtliches Phasenreferenzmuster eine Irregularität aufweisen, welche insbesondere durch den Ortsabstand bedingt ist.
[33] Somit kann eine effektive Unterwasserantenne für die Mikronavigation eines Unterwasserfahrzeuges bereitgestellt werden.
[34] Bei Unterwasserantennen des Standes der Technik ist, bei gleich großen Empfangselementen, das
Phasenreferenzmuster identisch, sprich die einzelnen Phasenzentren weisen einen äquidistanten Abstand auf. Durch das erfindungsgemäße Verwenden eines Ortsabstandes zwischen der ersten und zweiten Subantenne ist dieser äquidistante Abstand nicht zwingend über sämtliche Empfangselemente gegeben .
[35] Somit kann ein besonders effektives Bestimmen der synthetischen Apertur erfolgen, welche insbesondere höhere Geschwindigkeiten eines Unterwasserfahrzeuges ermöglicht, da ein größerer Vortrieb realisierbar ist. [36] Um eine äußerst hocheffektive Unterwasserantenne bereitstellen zu können, ist die örtliche Zuordnung eines der bestimmten Phasenzentren innerhalb des Ortsabstandes angeordnet . [37] Somit kann dieses bestimmte Phasenzentrum von den Phasenzentren der ersten Subantenne unterschieden werden.
[38] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Meta-Unterwasserantenne, welche eine zuvor beschriebene Unterwasserantenne aufweist und welche derart ausgestaltet ist, dass bei einem Ortsversatz der zuvor beschriebenen Unterwasserantenne in einer Richtung der zweiten Subantenne oder in einer Richtung der weiteren Subantennen, eine mittels der zweiten Subantenne oder mittels den weiteren Subantennen bestimmte Signalinformation eine Positionsinformation bestimmbar ist.
[39] Somit kann eine Meta-Unterwasserantenne mit einer synthetischen Apertur bereitgestellt werden, welche es ermöglicht bei höheren Geschwindigkeiten eines Unterwasserfahrzeuges noch eine Navigation unter Wasser zu gewährleisten.
[40] In einer diesbezüglichen Aus führungs form kann die Positionsinformation mittels einer Korrelation, insbesondere einer Kreuzkorrelation, ermittelt werden.
[41] Durch diese mathematische Korrelation, kann bei ortsveränderten Subantennen, beispielsweise zu einer zweiten Position, das Empfangssignal der weiteren Subantennen zu einer ersten Position ermittelt werden. [42] Dies ermöglicht eine sehr einfache Umsetzung einer Mikronavigation für Unterwasserfahrzeuge. Dabei kann die mathematische Korrelation, und dabei insbesondere die mathematische Kreuzkorrelation, mittels eines Rechners oder eines FPGAs erfolgen, welche die Signale an den einzelnen Empfangselementen auswertet.
[43] Um auch Signale vom Unterwasserfahrzeug selbst auszuwerten, kann die bestimmte Signalinformation ein Phasenzentrensignal sein.
[44] In einer abschließenden Ausgestaltung der Erfindung wird die Aufgabe gelöst, durch ein Wasserfahrzeug, insbesondere durch ein Unterwasserfahrzeug, welches eine zuvor beschriebene Unterwasserantenne und/oder eine zuvor beschriebene Meta-Unterwasserantenne aufweist.
[45] Durch das Verwenden dieser Antennen, kann das Wasserfahrzeug unter Wasser navigieren und hochgenau orten und beides sogar bei sehr hohen Geschwindigkeiten, ohne kostenintensive Unterwasserantennen mit ausgedehnten und vielen teuren Empfangselementen.
[46] Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung einer
Linearantenne mit drei Subantennen,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Orts-
Zeit Diagramms mit einer sich bewegenden Linearantenne mit zwei Subantennen, Figur 3 ein Unterwasserfahrzeug mit einer
Linearantenne mit zwei Subantennen und
Figur 4 eine schematische Darstellung der
PhasenZentren einer Linearantenne mit drei Subantennen.
[47] Eine Gesamtunterwasserantenne 105 weist eine erste Subantenne 107, eine zweite Subantenne 109 und eine dritte Subantenne 111 auf. Die erste Subantenne 107 weist ein Sendeelement 127 und fünf Einzelempfangselemente (121) auf.
[48] Das Sendeelement wird mit Tx bezeichnet und die Empfangselemente mit RX . Der Index beim R kennzeichnet die Subantenne, der Index beim X kennzeichnet die Nummer des einzelnen Empfangselements.
[49] Nach dem letzten Empfangselement R1X5 folgt ein erster Abstand 141, auf den die zweite Subantenne 109 mit dem Empfangselement 123 folgt. Dieser Subantenne 109 folgt in einem zweiten Abstand 143 die dritte Subantenne 111 mit drei Empfangselementen 125. Sämtliche Empfangselemente sind als Hydrophone ausgebildet.
[50] Zur Vereinfachung, wird im Weiteren eine Linearantenne 101 beschrieben und der Teil der dritten Subantenne 103 ausgeblendet .
[51] Zudem werden zur Verdeutlichung auch auf die Sendeelemente vier und fünf der ersten Subantenne zum Zwecke der Vereinfachung verzichtet. [52] Zu einem ersten Zeitpunkt 1 (Zeitachse 254) weist die Gesamtantenne 105 einen ersten Startort Xi auf. Da sich die Gesamtantenne 105 nach rechts bewegt, weist sie zu einem zweiten Zeitpunkt 2 eine zweite Startposition x2 auf. Bei einem Verschieben der Gesamtantenne 105 vom ersten xi zum zweiten Ort X2, wird das am ersten Ort Xi an der zweiten Subantenne 123 anliegende durch das Empfangselement R2X1 bestimmte Empfangssignal jeweils mit den Empfangssignalen der Empfangselemente RiXx (wobei x = 1, 2, 3 ist) kreuzkorreliert . Für die grundlegenden Technologien (SAS, DPCA = Displaced Phase Center Antenna) maßgeblichen Theorien wird im Weiteren auf Bellettini und Pinto [IEEE Journal of Oceanic Engineering, Vol. 27, No . 4, October 2002; Theoretical Accuracy of Synthetic Aperture Sonar Micronavigation Using a Displaced Phase-Center Antenna] verwiesen, dessen diesbezüglicher Inhalt der vorliegenden Schrift ist.
[53] Dadurch, dass zum Zeitpunkt 2 das maßgebliche Phasenzentrum die gleiche Position aufweist wie das entsprechende Phasenzentrum der zweiten Subantenne zum Zeitpunkt 1, kann die Geschwindigkeit oder können die Positionsdaten mit hinreichender Genauigkeit bestimmt werden .
[54] Eine Gesamtantenne 105 ist vorliegend an einem U-Boot 371 angeordnet. Alternativ ist die Gesamtantenne an einem Schiff unterhalb der Wasseroberfläche angeordnet. Durch die Bewegung des U-Boots in Pfeilrichtung kann eine Mikronavigation des U-Bootes 371 über die Gesamtantenne 105 mit der Subantenne 109 unterhalb der Wasseroberfläche 361 erfolgen .
[55] Vorliegend wurde bisher davon ausgegangen, dass ein externes Sendeelement (Ultraschallgeber) vorgesehen war. Für den Fall, dass der Ultraschallgeber 127 sich mit dem U- Boot 371 bewegt, werden die Phasenzentren ( Pi bis e) kreuzkorreliert . Hierbei sei auf die Figur 4 verwiesen.
[56] Die Gesamtantenne 105 weist wie zuvor beschrieben eine erste Subantenne 107, eine zweite Subantenne 109 und eine dritte Subantenne 111 auf.
[57] Beim Bilden der Phasenzentren 481 wird jeweils ein elektronischer Schwerpunkt zwischen dem Ultraschallgeber Tx und den jeweiligen Empfangselementen ( RX ) bestimmt. So ergeben sich das Phasenzentrum Pi aus dem Phasenschwerpunkt TX/RiXi , das Phasenzentrum P2 aus TX/RiX2 , usw. und das Phasenzentrum P5 aus TX/R2Xi und das Phasenzentrum P6 aus
[58] Bei einem Verschieben der Gesamtantenne 105 werden nun die einzelnen Phasenzentren Pi bis Pe miteinander kreuzkorreliert, sodass Navigationsdaten ermittelbar sind.
Bezugs zeichenliste
101 Unterwasserantenne mit zwei Subantennen
103 Unterwasserantenne mit drei Subantennen
105 Gesamtunterwasserantenne
107 Erste Subantenne
109 Zweite Subantenne
111 Dritte Subantenne
121 Empfangselemente der ersten Subantenne
123 Empfangselemente der zweiten Subantenne
125 Empfangselemente der dritten Subantenne
127 Sendeelement der ersten Subantenne
141 Erster Abstand
143 Zweiter Abstand
251 Abszissenwert / -einheit
252 Abszissenachse
253 Ordinatenwert / -einheit
254 Ordinatenachse
361 Wasseroberfläche
371 U-Boot
481 Phasenzentrum

Claims

Patentansprüche :
Unterwasserantenne (105) zum Empfangen von
Unterwasserschallsignalen mit einer ersten Subantenne (107) und einer zweiten Subantenne (109), wobei die erste Subantenne und die zweite Subantenne jeweils wenigstens ein Empfangselement (121, 123) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Subantenne und die zweite Subantenne einen Ortsabstand (141) aufweisen.
Unterwasserantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ortsabstand einen
Horizontalabstand und/oder einen Vertikalabstand aufweist und der Ortsabstand einen Minimalwert von 1,0mm, 2,0mm, lern, 3cm, 10cm, 30cm, 70cm, Im, 3m, 10m, 30m oder 70m aufweist .
Unterwasserantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Sendeelement (127) .
Unterwasserantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Subantenne das Sendeelement aufweist.
Unterwasserantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Subantenne weitere Empfangselemente aufweist, insbesondere insgesamt zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn, elf, zwölf, 13, 14, 15 oder mehr Empfangselemente.
Unterwasserantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch weitere Subantennen (111), welche zueinander und jeweils zu der ersten Subantenne und zu der zweiten Subantenne einen Subantennenortsabstand (143) aufweisen . Unterwasserantenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Subantenne und/oder einer der weiteren Subantennen weitere Empfangselemente aufweisen, insbesondere zwei, drei, vier, fünf oder mehr Empfangselemente .
Unterwasserantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterwasserantenne als Linearantenne ausgestaltet ist.
Unterwasserantenne nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterwasserantenne derart eingerichtet ist, dass jeweils ein Phasenzentrum (481) zwischen dem Sendeelement und jedem Empfangselement bestimmbar ist.
Unterwasserantenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein örtliches Phasenzentrenmuster eine Irregularität aufweist, welche insbesondere durch den Ortsabstand bedingt ist.
Unterwasserantenne nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der bestimmbaren Phasenzentren ( Ρβ ) innerhalb des
Ortsabstandes zuordenbar ist.
Meta-Unterwasserantenne, welche eine Unterwasserantenne nach einem der vorherigen Ansprüche aufweist und welche derart ausgestaltet ist, dass bei einem Ortsversatz (X2_ Xi) der Unterwasserantenne in einer Richtung der zweiten Subantenne oder in einer Richtung der weiteren Subantennen eine mittels der zweiten Subantenne oder mittels den weiteren Subantennen bestimmte
Signalinformation eine Positionsinformation bestimmbar ist . Meta-Unterwasserantenne nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsinformation mittels einer Korrelation, insbesondere einer Kreuzkorrelation, ermittelbar ist.
Meta-Unterwasserantenne nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Signalinformation ein Phasenzentrensignal ist.
Wasserfahrzeug (371), insbesondere ein
Unterwasserfahrzeug, welches eine Unterwasserantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder eine Meta-
Unterwasserantenne nach einem der Ansprüche 12 oder 13 aufweist .
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