Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion/Prognose/Messung von Anomalien in Medien in Datensätzen, die durch ein Fächerecholotsystem erstellbar sind, insbesondere unter Berücksichtigung von Sensor-/Antenneneffekten und/oder BearrWDateneffekten, bevorzugt in Wassersäulen, wobei ein modellierter Datensatz einer bekannten Topologie mit einem gemessenen Datensatz der bekannten Topologie verglichen wird. Weiter betrifft die Erfindung ein präzisiertes unabhängiges Verfahren zur Kalibrierung eines Fächerecholotsystems, insbesondere für die Vermessung einer Wassersäule, ein präzisiertes unabhängiges Verfahren zur Störungsreduktion eines gemessenen Datensatzes durch ein Fächerecholotsystems, insbesondere für die Vermessung einer Wassersäule und ein präzisiertes unabhängiges

Verfahren zur Bestimmung/ Detektion von Messunsicherheiten eines Fächerecholotsystems, insbesondere für die Vermessung einer Wassersäule.

Die Verfahren ermöglichen eine technische Kalibrierung von Sensoren, Sensorik und Antennen und eine datengestützte Auswertung und Störungsreduktion und Detektion von

Messunsicherheiten durch dynamische Modelle mit hoher Signifikanz in der Aussage, z.B. für ortsbezogene, qualitative und quantitative Aussagen zu Objekten, Störungen, Anomalien oder Flares.

Das Verfahren ist auch für bestehende Fächerecholotsysteme auch vorrichtungstechnisch einfach adaptierbar und/oder integrierbar, indem die Verfahren in Hardware z.B.

programmtechnisch abgebildet werden (ASIC). Die Adaptionsmöglichkeit (Schnittstellen) kann aber auch durch die Hardware eines bestehendes Fächerecholotsystem bereitgestellt werden oder durch Datenträger mit geeigneten Schnittstellen für jeweilige Fächerecholotsysteme bereitgestellt werden.

Als Fächerecholotsysteme werden aktive akustische Systeme bezeichnet die durch das Erzeugen mehrerer als Fächer angeordneter sogenannter Beams akustische Bilder der

Wassersäule erzeugen können (Water column images - WCI). Aufgrund der endlichen Größe der akustischen Antennenarrays haben die einzelnen Beams nicht-ideale Richtcharakteristiken welche vor allem durch einen Beamöffnungswinkel (der Hauptkeule) und mehrere Nebenkeulen bestimmt sind. Dies sorgt dafür das starke akustische Rückstreuer auch Signale in Beams erzeugen welche eigentlich in eine andere Richtung schauen. Im WCI erscheint dieser Effekt wie ein Verschmieren der Signale über mehrere Beams. Das akustische Aussehen von Objekten verändert sich daher in WCI je nachdem in welcher Entfernung und in welchem Wnkel von der Antenne das Objekt gemessen wurde. Durch das Verschmieren ist es außerdem möglich das Rückstreusignale in WCI überlappen, bzw. interferieren. Dies kann dafür sorgen das besonders starke akustische Rückstreuer es erschweren schwächer streuende Objekte in der direkten Umgeben zu detektieren.

Es wurde insbesondere erkannt, dass bei im Stand der Technik befindlichen Systemen starke akustische Targets, die unter einem bestimmten Winkel zu sehen sind, durch

Nebenkeuleneffekte auch in anderen Winkeln angezeigt werden. Außerdem wird das Signal und die Auflösung durch die Breite und Lage der Haupt- und Nebenkeulen bestimmt und beeinflusst. Diese Effekte stören, verschmieren und überlagern den Datensatz für ein eigentliches ideales Fächerecholotbild.

Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Anordnungen bekannt, um einen

Gewässeruntergrund zu vermessen und Störungen in den Signalen durch Verfahren zu reduzieren.

So zeigt die DE 10 2011 1 18 788 B4 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum akustischen Vermessen eines Gewässeruntergrundes welches die Störungen, die durch die

Schiffsbewegungen wie Rollen, Nicken oder Stampfen des Rumpfes erzeugt werden korrigiert um die Messgenauigkeit zu erhöhen.

Aus der Druckschrift EP 2 165 214 B1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Topografie eines Meeresbodens mit Hilfe eines Echolots bekannt.

Weiter ist aus der Druckschrift DE 100 09 644 A1 ein Echolotverfahren bekannt mit dem eine Stör-Echo-Unterdrückung bei digitaler Ausgabe erfolgt, indem der Beam und die

Signallaufzeiten beeinflusst werden.

Die DE 35 20 398 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausblenden von

Störsignalen durch die Anbringung eines Körperschallaufnehmers an der Störquelle, wobei ein Körperschallspektrum der Störquelle ermittelt und diese von dem Messsignalen abzieht.

Die Probleme im Stand der Technik sind im Wesentlichen durch die Art und Weise der Messung bestimmt, wobei in aktuellen Systemen die Sensorik/Antennen, also der Fächer in einem Fächerecholotsystem, die Wassersäule oder den Meeresboden quer zum Schiff, durch beamforming und Hydrophonarrays kartiert. Mit der sogenannten Fernfeldannahme (planare Welle) kann man dann an verschiedenen Hydrophonen zeitversetzt eintreffende Signale ihren Ursprungsrichtungen zuordnen, die sich aus dem Zeitversatz ergeben. Bei den derzeit bekannten Systemen erzeugt aber eine akustische Antwort, die real aus einer bestimmten

Richtung kommt, auch immer ein sogenanntes halluziniertes Objekt/Signal/Anomalie aus einer anderen Richtung. Dieses Signal ist als Nebenkeuleneffekt (sidelobe) aus der Antennentechnik bekannt und die Breite und Lage dieser Nebenkeulen können gesteuert werden. Diese Beeinflussung beeinflusst aber auch die Auflösung und Breite der sogenannten erwünschten Hauptkeule. Die Lage und Breite der Haupt- und Nebenkeulen beeinflussen letztendlich die Auflösung des Systems sowie Größe und Lage der Störungen. All diese Informationen werden im Folgenden unter dem Begriff Kalibrierung zusammengefasst und definiert.

Derzeit ist aus dem Stand der Technik keine Anwendung bekannt, die Kalibrierung,

insbesondere die tatsächlichen Faktoren/Größen dieser Effekte, bei einem

Wassersäulenfächerecholot zu bestimmen bzw. durchzuführen.

Idealerweise sollte dies auch nicht etwa in einem Labor bei einem Hersteller, sondern erst nach finalem Einbau des Systems in ein Schiff erfolgen, um z.B. Alterungs-/Temperatureffekte zu berücksichtigen. Weiter ist es sinnvoll diese Kalibrierung vor jeder Messung, d.h. jeder echten relevanten Nutzung des Echolots vorzunehmen.

Eine Aufgabe des erfinderischen Verfahrens ist es, die Effekte der Richtcharakteristika zu reduzieren, um aus gemessenen WCI ideale Bilder zu erzeugen, welche die physikalische Ursache der gemessenen Signale abbilden und weitgehend unabhängig vom System, Winkel und der Entfernung der Objekte zur Antenne sind.

Die mit dem erfinderischen Verfahren derart detektierten Objekte bzw. die vermessenen Szenen können anschließend besser klassifiziert und mit Messungen, welche z.B. zu einem anderen Zeitpunkt und aus einem anderen Wnkel gemacht wurden, verglichen werden.

Außerdem kann durch die Identifizierung der akustischen Eigenschaften der detektierten Objekte bestimmt werden wo, d.h. an welchem Ort, sie es erschweren, schwächer

rückstreuende Objekte zu identifizieren.

Eine weitere Aufgabe des erfinderischen Verfahrens ist es die Analysen von Multibeam

Wassersäulen Daten zu optimieren, z.B. im Hinblick auf die quantitative Auswertung von rückstreuenden Blasenströmen im Ozean. Das Reduzieren der sogenannten Beampattern bedingten Störungen ermöglicht eine bessere quantitative Auswertung. Die Analyse der Messunsicherheiten ermöglicht bei der Auswertung eine Angabe von Fehlerintervallen welche im derzeit bekannten Stand der Technik nicht gelöst wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, eine bekannte Geometrie, z.B. einen flachen Boden, Hang oder auch eine anderweitig bekannte Bathymetrie oder

Kalibrierobjekte, auszunutzen und per analyse-durch-Synthese Datensätze für ein zu erwartendes Fächerecholotbild zu erzeugen. Durch Vergleich dieses erwarteten

Fächerecholotbildes mit dem tatsächlich aufgenommenen Fächerecholotbild, können

Rückschlüsse auf die Kalibrierung getroffen werden die vorrichtungstechnisch verarbeitet werden.

Dabei wird z.B. ausgenutzt, dass die eintreffenden Signale tatsächlichen Bodenpunkten zugeordnet werden können. Hingegen können Antworten die aus Richtungen detektiert werden, in denen zur gegebenen Zeit kein Signal zu erwarten war, als "halluziniertes Signal"/Anomalie identifiziert werden. Durch Nutzung einer oder mehrerer Datensätze, dieser

Fächerecholotbilder, eines bekannten Bodens (insbesondere auch Ausnutzung leicht unterschiedlicher Gier-/Nick/-Rollwinkel des Schiffes oder verschiedener relativer Lagen zum bekannten Boden) wird dann eine Kalibrierung erstellt. Diese kann z.B. in einer Winkel-/Winkel- Matrix kopiert werden, in der für jeden tatsächlichen Empfangswinkel die relativen Stärken der halluzinierten Antworten in den anderen Winkel abgelegt werden.

In Wassersäulenbildern aktueller Fächerecholotbilder ist diese Art der Kalibrierinformationen nicht verfügbar, die eine quantitative und sogar qualitative Auswertung und Nutzung der Ergebnisse bereitstellen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Kalibrierinformationen derart zu nutzen, dass erkannt wird, wo im Fächerecholotbild einer Messung ein potentielles ideales Signal von einem Nebenkeuleneffekt überlagert wird und weiter Aussagen darüber zu treffen, wie stark dieser Effekt ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, festzustellen wie die tatsächliche Auflösung des Fächerecholotes bei einem vorgegebenen Wnkel ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, im Fall einer Messung welche gestört ist mit Hilfe der Kalibrierinformation einen dem ungestörten Datensatz nahe kommenden Datensatz zu erzeugen, d.h. auf das wahrscheinlichste ideale Fächerecholotbild unter Ausnutzung eines Analyse-durch-Synthese-Prinzips zurück zu schließen.

Weiter kann in Fällen, in denen dieses Prinzip kein eindeutiges Ergebnis liefert aus den möglichen idealen Fächerecholotbildern je nach Anwendungsszenario dasjenige mit der geringsten Energie, z.B. mit der geringsten Anzahl Objekte oder auch mit der maximal möglichen Anzahl Objekte ausgewählt werden. Für den Auswerter/Betrachter sind dann in diesen Bildern keine oder nur geringe Nebenkeuleneffekte sichtbar, was ein Erkennen oder Auswerten und Quantifizieren erheblich vereinfacht.

Gelöst werden diese Aufgaben mit einer oder mehreren Merkmalskombinationen gemäß den folgenden Ansprüchen.

Das Anomalien-Detektions- / -Prognose- / -Messverfahren in einem Medium oder einer Wassersäule mit Datensätzen, die durch ein Fächerecholotsystem erstellbar sind, unter

Berücksichtigung von Sensor- / Antenneneffekten und/oder Beam- / Dateneffekten, wobei ein modellierter Datensatz einer bekannten Topologie in dem Medium oder der Wassersäule mit einem gemessenen Datensatz der bekannten Topologie verglichen wird, weist mindestens einen, bevorzugt genau drei der nachfolgenden Schritte auf: - Kalibrieren einer Richtcharakteristik / Beampattern eines Messsystems des

Fächerecholotsystems

und/oder

- Reduzieren von Störungen welche durch ein Messsystem des Fächerecholotsystems verursacht werden, insbesondere durch Erzeugen eines idealen Datensatzes für ein ideales Fächerecholotbild

und/oder

- Bestimmen von Messunsicherheiten in verschiedenen Bereichen der Datensätze für ein Fächerecholotbild.

Die Kalibrierung einer Richtcharakteristik / Beampattern eines Messsystems mit zumindest einer Sensorik / Antenne des Fächerecholotsystems, können das Übersprechverhalten der zumindest einen Sensorik / Antenne beeinflussen.

Die idealen Datensätze können in einer Datenbank archiviert und für den Einsatz in

Fächerecholotsystemen vorgehalten werden.

Das Verfahren zur Kalibrierung eines Fächerecholotsystems für die Vermessung eines

Mediums oder einer Wassersäule, wobei die Kalibrierung K eines ersten Datensatzes D oder eines gestörten Fächerecholotbildes und eines zweiten Datensatzes C oder eines idealen, modellierten Fächerecholotbildes für ein kalibriertes Fächerecholotbild erfolgt mit mindestens den folgenden Schritten:

- Erzeugen eines gemessenen Datensatzes einer bekannten Topologie;

- Erzeugen eines modellierten Datensatzes der bekannten Topologie;

- Bestimmen eines ersten Beamformers des gemessenen Datensatzes

- Simulation/Modellierung eines idealen zweiten Beamformers

- Erzeugen eines ersten Datensatzes D aus dem gemessenen Datensatz mit dem bestimmten ersten Beamformer

- Erzeugen eines zweiten Datensatzes C aus dem modellierten Datensatz mit dem idealen, zweiten Beamformer

- Vergleich der Datensätze D mit C

und

- Erzeugen eines kalibrierten Richtcharakteristik K (Beampattern/Beamverteilung) nach einer Gleichung nach der K=(C ^"1 x D) ^T eines Messsystems des Fächerecholotsystems, bevorzugt der Sensorik / Antennen.

Das Verfahren zur Störungsreduktion eines gemessenen Datensatzes durch ein

Fächerecholotsystems für die Vermessung eines Mediums oder einer Wassersäule mit einer bekannten kalibrierten Richtcharakteristik K (Beampattern/Beamverteilung) eines Messsystems des Fächerecholotsystems umfasst die folgenden Schritte:

- Erzeugung eines gemessenen Datensatzes einer Topologie;

- Bestimmung des Beamformers des gemessenen Datensatzes

- Erzeugen eines Datensatzes D aus dem gemessenen Datensatz mit dem bestimmten

Beamformer

- Störungsreduktion durch Lösen einer Gleichung für einen Datensatz C, nach C ^T =K ^"1 x D ^T ; wobei D der erste Datensatz mit einer kalibrierten Richtcharakteristik K

(Beampattern/Beamverteilung) eines Messsystems des Fächerecholotsystems, bevorzugt der Sensorik / Antennen ist.

Das Bestimmungs- / Detektionverfahren von Messunsicherheiten eines Fächerecholotsystems für die Vermessung eines Mediums oder einer Wassersäule, mit einem ersten Datensatz Creduziert und einer bekannten kalibrierten Richtcharakteristik K (Beampattern/Beamverteilung) eines Messsystems des Fächerecholotsystems umfasst die Schritte:

- Bereitstellung des ersten Datensatzes C _re duziert einer Topologie;

- Bereitstellung der kalibrierten Richtcharakteristik K

- Simulation/Modellierung eines Beamformers

- Erzeugen eines zweiten Datensatzes Deduziert aus dem ersten Datensatz C _re duziert mit dem simulierten/modellierten Beamformer

- Bestimmung einer Messunsicherheit S durch Lösen einer Gleichung S=

Creduziert " D _re duziert, WObei D ^T = K X C ^T .

Die Vorrichtung ist mit zumindest einem Datenträger und zumindest einer

Datenübertragungsschnittstelle, die eine daten- und kommunikationstechnische Kompatibilität zu mindestens einem Fächerecholotsystem vorhält, zur Integration und/oder Adaption an das jeweilige Fächerecholotsystem ausgestattet, um wenigstens das hier offenbarte

erfindungsgemäße Verfahren nach einem oder einer Kombination mehrerer der aufgeführten Merkmalskombinationen gemäß den Ansprüchen für Datensätze des jeweiligen

Fächerecholotsystems bereitzustellen.

Der zumindest eine Datenträger kann eine Datenbank vorhalten, die zur Archivierung von Datensätzen ausgelegt ist.

Der zumindest eine Datenträger kann eine Datenbank vorhalten, die Datensätze zu einer Richtcharakteristik (Beampattern) eines Messsystems jeweiliger Fächerecholotsystems speichert und fortschreibt. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen in der Figurenbeschreibung detailliert beschrieben, wobei diese die Erfindung erläutern sollen und nicht beschränkend zu werten sind:

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfinderischen Verfahrens zur Detektion und

Prognose von Störungen/Anomalien unter Berücksichtigung von Sensor-

/Antenneneffekten und BearrWDateneffekten in Medien;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfinderischen

Verfahrensschritts der Kalibrierung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfinderischen

Verfahrensschritts der Störungsreduktion und

Fig. 4 eine schematische Darstellung des erfinderischen Verfahrensschritts der Detektion von

Messunsicherheiten. In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des erfinderischen Verfahrens zur Detektion und

Prognose von Störungen/Anomalien unter Berücksichtigung von Sensor-/Antenneneffekten und BearrWDateneffekten in Medien gezeigt.

Das Verfahren weist zumindest einen der folgenden Schritte auf:

Kalibrierung der Richtcharakteristik (Beampattern) des Messsystems

- Reduktion von Störungen welche durch das Messsystem verursacht werden

(Erzeugen des idealen Bildes, d.h. Datensätze für ein ideales Fächerecholotbild) Bestimmen von Messunsicherheiten in verschiedenen Bereichen des Bildes, d.h. der Datensätze für ein Fächerecholotbild.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfinderischen Verfahrensschritts der Kalibrierung.

Die Kalibrierung des Systems erfolgt durch die Vermessung einer bereits bekannten Szene, bzw. Geometrie von welcher bereits ein physikalisches Modell existiert. Dies kann

beispielsweise der Ozeanboden seine welcher zuvor hoch genau vermessen wurde. Das mit dem Fächerecholot erzeugte Akustische Bild wird fortan gestörtes Bild (oder auch nur D) genannt. Die reale Messung mit einem Simulator nachgestellt welcher aus der bekannten Geometrie ein ideales Sensorbild erzeugt (C), d.h. ohne die Verschmierung durch die

Beampattern. Durch den Vergleich des idealen und des gestörten Bildes können die

Beampattern zurückgerechnet werden. Um die so kalibrierte Beampattern robuster gegenüber Rauschen und anderen (Beampattern unabhängigen) Artefakten der realen Messung zu machen, können mehrerer akustische Bilder verwendet, und a priori Annahmen über die Beampattern getroffen werden.

In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfinderischen Verfahrensschritts der Störungsreduktion dargestellt.

Mit den kalibrierten Beampattern können nun die (Beampattern bedingten) Störungen der Messungen von beliebigen Szenen durch Invertierung reduziert werden und so die idealen Bilder erzeugt werden. Es ist dabei gegebenenfalls möglich das es für die Invertierung mehrere Lösungen (mehrere mögliche ideale Bilder) möglich sind. Um die Anzahl der Lösungen zu reduzieren können a priori Annahmen über die Szene getroffen werden, und verschiedene Regularisierungen verwendet werden (z.b. das gestörte Bild soll mit der minimalen Anzahl von realen Objekten erklärt werden).

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des erfinderischen Verfahrensschritts der Detektion von Messunsicherheiten

Durch den Vergleich des erzeugten idealen Bildes mit dem gestörten Bild ist es z.B. möglich zuzuordnen wo real detektierte Objekte durch die Beampattern starke virtuelle Signale erzeugt haben. Diese Informationen können benutzt werden um zu bestimmen ob es möglich wäre Objekte bestimmter Stärke in diesen Bereichen zu detektieren. So können z.B. Aussagen getroffen werden wie: Es wurden X Objekte detektiert welche die gemessene Szene erklären, Objekte der Stärke A1 wären auf jeden Fall detektiert worden hätten sie im WCI existiert oder Objekte der Stärke A2 wären detektiert worden, wenn sie in folgenden Bereichen existiert hätten usw.