FELD DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Höhe von Wellen an einer Wasseroberfläche, wobei mit Hilfe einer von einem Sensor aus auf die Wasseroberfläche gerichteten und dort reflektierten Strahlung die Wasseroberfläche abgetastet wird und eine Messung des Abstands zwischen Sensor und Messpunkten an der Wasseroberfläche erfolgt. Ebenfalls betrifft die Erfindung die Verwendung des Verfahrens beim Surfsport sowie eine Vorrichtung zu Durchführung des Verfahrens.

STAND DER TECHNIK

Die Ermittlung der Höhe von Meereswellen ist nicht nur zur Vorhersage von Wetterereignissen erforderlich, sondern auch zur Warnung der Seefahrt oder zur Warnung von wellenbeaufschlagten Küstengebieten und Bauwerken bei extremen Wellenbildungen. Oft werden hierzu Messeinrichtungen und Sensoren genutzt, die an Bojen oder Festpunkten im Wasser, schwimmend oder am Meeresgrund oder an Land angeordnet sind, wie etwa Doppler-Profil-Strömungsmesser, Drucksensoren, Wellenhöhensensoren oder Radar- und Lidarsensoren.

Die DE 10 2013 002 127 A1 offenbart hierzu ein Verfahren zur Bestimmung eines Wellenerhebungs- und/oder Geschwindigkeitspotentialfelds in einem wellenbewegten Gewässer, wobei Messdaten an wenigsten zwei Messorten ermittelt werde, die sich auf einer parallel zu einem Ruhewasserspiegel orientierten Messfläche befinden. Als Sensoren werden hier beispielsweise so genannte Doppler-Strömungsprofiler verwendet.

Die JP 2014 232087 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Wellenhöhe, bei dem der eine an Land angeordnete Radar-Einrichtung eine auf die Wasseroberfläche gerichtete elektromagnetische Welle ausstrahlt und anhand der Intensität der reflektierten Welle die Wellenhöhe ermittelt. Neben der Nutzung für Vorhersage und Warnung ist die Bestimmung der Wellenhöhe aber noch für eine andere, eher erfreuliche und dem sportlichen Vergleich und Wettkampf dienende Anwendung von Nutzen. Seit seinem olympischen Debüt in Tokio im Jahre 2020 ist der Surfsport eine olympische Disziplin geworden. Während im olympischen Wettbewerb Schwierigkeit, Art und Vielfalt der Manöver der Surfer von einer Jury bewertet werden, richtet sich parallel dazu ein steigendes Publikumsinteresse auf den Bereich des „Big Wave Surfing“ und hier auf das spektakuläre Surfen möglichst großer, hoher Wellen.

Bei Letzterem geht es im Wesentlichen darum, die Wellenhöhe für einen Rekordversuch zu dokumentieren, zu vergleichen und zu bewerten. In diesem sportlichen Bereich erfolgte die Ermittlung der Wellenhöhe bisher eher subjektiv, etwa nach der Hawaiianischen Methode, bei der die Wellenhöhe von ihrer Rückseite abgeschätzt wird oder nach der in Amerika üblichen Bascom-Methode, bei der die für das Surfen zur Verfügung stehende Höhe der Vorderseite einer Welle abgeschätzt wird.

Grundsätzlich ist die Bestimmung der Höhe von Wasserwellen nicht trivial, da es sich um sogenannte Schwerewellen handelt, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit durch die Schwerebeschleunigung dominiert wird. Wasserwellen weichen von der theoretisch-symmetrischen Form einer Welle mehr oder weniger stark ab. In Uferbereichen ist zudem die Wellenhöhe von ihrer Rückseite aus gesehen erheblich geringer als von ihrer Vorderseite aus gesehen. Darüber hinaus schätzt ein Beobachter, beispielsweise ein Seemann, der sich in einem Wellental vor einer Welle befindet, deren Höhe etwa auf das Doppelte ihrer Amplitude ein.

All das macht bereits deutlich, dass es auch für die Vergleichbarkeit von Rekordversuchen beim „Big Wave Surfing“ wünschenswert ist, die Wellenhöhen genauer bestimmen zu können als durch eine Schätzung. Andererseits sind teure und nur mit erheblicher Infrastruktur einzurichtende Warnsysteme, wie sie oben für Vorhersage und Warnung beschrieben sind, nicht dazu vorgesehen, als Nebenprodukt Rekordversuche zu dokumentieren. BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine möglichst genaue, nachvollziehbare, dokumentierbare und mit messtechnisch Mitteln objektiv erfolgende Bestimmung der Wellenhöhe bereitzustellen, die von großen und komplexen Warnsystemen unabhängig ist und mit einfachen Mitteln auch ohne eine große Infrastruktur von Land- oder seegestützten Messstellen arbeiten kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben. Eine besondere Verwendung des Verfahrens ist in Anspruch 12 beschrieben. Außerdem ist in Anspruch 13 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens offenbart.

Erfindungsgemäß werden, ausgehend von den räumlichen Positionskoordinaten eines Sensors, Positionskoordinaten einer Vielzahl von Messpunkten im dreidimensionalen Raum sowie der jeweilige Raumwinkel der Messpunkte zum Sensor ermittelt und gespeichert. Dabei bilden die bei der Abtastung der Wasseroberfläche erfassten Messpunkte eine die Wasseroberfläche beschreibende Messpunktwolke, und die Wellenhöhe wird durch Bildung der Differenz der Höhenkoordinaten (Z-Koordinate) mindestens zweier automatisch oder manuell ausgewählter Messpunkte ermittelt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich die tatsächliche, aktuelle und lokale Wellenhöhe für jede Welle mit relativ einfachen Mitteln und unabhängig von komplexen Warnsystemen ermitteln.

In einer die digitale Verarbeitung in Recheneinrichtungen erleichternden Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Positionskoordinaten und Raumwinkel als digitale Werte erfasst und gespeichert und bilden so und eine digitale Messpunktwolke.

In einer weiteren Ausbildung des erfinderischen Verfahrens werden die Messpunkte ausgehend von einem auf der Wasseroberfläche befindlichen und sich auf einer räumlichen Bahnkurve (Trajektorie) bewegenden Bezugsobjekt so vorgegeben, dass die Messpunkte eine die räumliche Bahnkurve des Bezugsobjekts mindestens teilweise beinhaltende Messpunktwolke bilden.

Durch ein solches Verfahren lässt sich die tatsächliche, aktuelle und lokale Wellenhöhe ermitteln, wie sie beim oder am Bezugsobjekt ausgebildet ist, also nicht an mehr oder weniger entfernten Stellen am Kamm oder am Fuß der Welle, sondern dort, wo sich das Bezugsobjekt, beispielsweise ein Surfer, auf seiner Bahn bewegt.

Verbessert wird eine solche Zuordnung zur Position eines Bezugsobjektes noch durch eine weitere Ausbildung des erfinderischen Verfahrens, bei dem die Wellenhöhe durch Bildung der Differenz der Höhenkoordinaten (Z-Koordinate) mindestens zweier auf der räumlichen Bahnkurve befindlicher Messpunkte ermittelt wird.

Durch eine solche Festlegung der Messpunktwolke und die daraus auf der Bahnkurve ausgewählten Messpunkte wird die Wellenhöhe ermittelt, die tatsächlich auf der Bewegungsbahn bzw. am Ort des Bezugsobjektes maßgeblich ist, also die Wellenhöhe, die „gesurft“ wird, und nicht etwa eine Wellenhöhe, die sich hinter dem Surfer noch aufbaut.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist man also auch bei der Untersuchung und Bewertung von Rekordversuchen beim „Big Wave Surfing“ nicht mehr auf die bisher üblichen Auswertungen von Bildmaterial oder Abschätzungen angewiesen.

Eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der Sensor an einem unbemannten Luftfahrzeug angeordnet ist, vorzugsweise an einem ferngesteuerten Multicopter oder an einer Drohne vorgesehen ist. Da beispielsweise das Surfen einen sehr dynamischen und ortsveränderlichen Vorgang darstellt, ist es vorteilhaft, wenn der Sensor auch entsprechend mobil ist. Durch dessen Anordnung an einem unbemannten Luftfahrzeug, also die Befestigung an einer Drohne oder an einem ferngesteuerten Multicopter, erhält man einen Träger für den Sensor, der während der Messung beweglich ist, das Bezugsobjekt verfolgen kann und zudem leicht an jeden beliebigen Ort transportiert und dort eingesetzt werden kann. Ein solches unbemanntes Luftfahrzeug, beispielsweise eine Drohne, kann dann entweder von einem Boot oder vom Strand aus gestartet und entsprechend zum Surfer positioniert werden.

Ganz grundsätzlich kann damit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren jede beliebige Welle im Rahmen der Sensorreichweite vermessen werden. Damit kann, je nach verwendeter Strahlung, der Sensor auch an ortsfesten Positionen wie Türmen, Masten, Plattformen o.ä. befestigt sein, allerdings ist dann der Einfluss der Strahlung auf Gegenstände oder Personen im Wirkungsfeld zu beachten als auch eine sich etwa mit dem Abstand der Messpunktwolke vom Sensor verringernde Genauigkeit.

Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass das unbemannte Luftfahrzeug so gesteuert wird, dass es während der Bewegung des Bezugsobjekts eine vorbestimmte Position relativ zum Bezugsobjekt behält. Das Halten einer vorbestimmten Position relativ zum Bezugsobjekt, etwa zu einem Surfer, erleichtert die Vorgabe bzw. die Festlegung der Messpunktwolke und die Auswertung der daraus auf der Bahnkurve ausgewählten Messpunkte.

Das gilt gleichermaßen für eine weitere Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem das Luftfahrzeug so gesteuert wird, dass es eine Position oberhalb und in Bewegungsrichtung seitlich vor dem Bezugsobjekt sowie oberhalb eines hinter dem Bezugsobjekt sich befindenden Wellenkamms behält. Dabei fliegt oder schwebt das ferngesteuerte Luftfahrzeug über dem abzutastenden Meeresbereich bzw. der Wellenfront in einer ausreichenden Höhe über dem zu messenden Bereich, also über der Welle („Follow-me“ Funktion). Dabei wird die Wasseroberfläche mit Hilfe der Messpunktwolke kontinuierlich verfahrensgemäß gescannt. Während des Messvorgangs, d.h. während der Surfer die Welle abreitet, wird die Position des Luftfahrzeugs „über“ und „vor“ dem Surfer beibehalten, entweder über eine „Position-Hold-Funktion“ in der Steuerung des Luftfahrzeugs oder durch den steuernden Piloten selbst.

Eine Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, dass das unbemannte Luftfahrzeug mit Hilfe einer Positionsbestimmung durch ein GPS-System, oder Differential-GPS-System mit Nutzung fest vermessener Referenzstationen, gesteuert wird, vorzugsweise unter Verwendung eines zusätzlichen Lage-Sensors des Luftfahrzeugs, wobei ausgehend von der Position des Luftfahrzeugs, d.h. des Sensors, die absoluten Positionskoordinaten der Messpunkte in allen drei Raumrichtungen bestimmt werden.

Durch die Ermittlung solcher Absolut-Koordinaten, nämlich der Koordinaten für die absoluten Positionen der Messpunkte ergibt sich eine eindeutige und sichere Vergleichbarkeit an beliebigen Orten. Dadurch vereinfacht sich die eindeutige Bestimmung und Vergleichbarkeit von Wellenhöhen. Die Ermittlung solcher absoluten Positionskoordinaten kann mit einem Differential-GPS-Systems erreicht werden, bei dem mit Hilfe fest vermessener Referenzstationen die Laufzeiten der Signale für jeden GPS-Satelliten sehr genau bestimmbar sind.

Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass als Sensor ein Lidar- oder Radarsensor vorgesehen ist. Solche mit Laserstrahlen oder elektromagnetischer Strahlung arbeitenden Messsysteme sind überaus genau und mittlerweile als kompakte Module und Sensoren für die verschiedensten Anwendungen einsetzbar. Lidar-Sensoren werden bereits für verschiedene Anwendungen im Automobilbereich eingesetzt. Lidar-Sensoren tasten ihre Umgebung durch Laserstrahlen ab und erzeugen so einen digitale Punktewolke mit abgetasteten Messpunkten.

Eine Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, dass während der Messung des Abstands zwischen Sensor und Messpunkten eine Video-Aufnahme der Wasseroberfläche erfolgt, welche das auf einer räumlichen Bahnkurve bewegte Bezugsobjekt und die den Messpunkten zugeordnete Oberfläche enthält. Auf diese Weise kann eine Kamera des ferngesteuerten Luftfahrzeugs die Videoaufnahmen zur späteren Überprüfung der Daten der Messpunktwolke mit aufzeichnen.

In einer Weiterbildung des Verfahrens werden die Daten der Abstandmessung und/oder der Video-Aufnahme über ein Telemetrie-System und in Echtzeit an eine stationäre Auswerteeinheit gesendet, zum Beispiel an eine stationäre Empfangsstelle, in der zur Speicherung und Auswertung eine höhere Rechenleistung zur Verfügung steht als in dem ferngesteuerten Luftfahrzeug bzw. in der Drohne. In einer weiteren Ausbildung des Verfahrens werden die Daten der Abstandmessung und/oder der Video-Aufnahme an Bord des Luftfahrzeugs gespeichert und einer zeitlich versetzten Auswertung zugeführt. Hierdurch vereinfacht sich die Konstruktion des Luftfahrzeugs bzw. der Drohne dadurch, dass auf eine Übertragungseinheit, beispielsweise einen Sender, sowie auf eine hohe Rechenleistung erfordernde Auswerteeinheit verzichtet werden kann.

Wie bereits dargelegt, besteht eine vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, eine Ermittlung der Wellenhöhe bei einer Sportveranstaltung durchzuführen, wobei das Bezugsobjekt ein auf der Vorderseite einer Welle sich auf einer Bahnkurve bewegender Surfer ist. Eine solche Verwendung erlaubt es an beliebigen Orten, zum Beispiel an besonderen abgelegenen Stränden mit hohen Wellen eine exakte, vergleichbare Messung der Wellenhöhe bereitzustellen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, ausgebildet als mit einer Messeinrichtung versehenes unbemanntes Luftfahrzeug, wobei die Messeinrichtung ein oder mehrere Lidar- und/oder Radarsensoren aufweist zur Messung eines Abstands zwischen jeweiligem Sensor und Messpunkten an der Wasseroberfläche.

Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die in der Figur gezeigte beispielhafte Ausführung beschrieben.

Dazu zeigt Fig. 1 als Prinzipskizze zwei ausgebildete Wellen 1 und 2 auf einer Wasseroberfläche 3. Die Wellen 1 und 2 sind dabei in einer Art Schnittdarstellung gezeichnet und haben sich über einem Grund 5 eines hier nicht näher dargestellten Strandbereiches aufgebaut. Auf der Vorderseite der Welle 2 erkennt man einen Surfer 12, der sich auf einer Bahnkurve 4 bewegt, nämlich an der Vorderseite der Welle schräg hinab gleitet, also die Welle „reitet“.

Zur Ermittlung der Wellenhöhe unter der und bezogen auf die Position des Surfers 12 ist ein ferngesteuerter Multicopter 6 vorgesehen, der von einem hier nicht dargestellten Piloten so gesteuert wird, dass er während der Bewegung des Bezugsobjekts 12, hier des Surfers, eine vorbestimmte Position relativ zum Surfer 12 behält, nämlich in Bewegungsrichtung seitlich vor dem Surfer 12 sowie oberhalb des hinter dem Surfer 12 sich befindenden Wellenkamms 7 behält.

Der Multicopter 6 ist mit einem hier nicht im Detail dargestellten Lidar-Sensor versehen, der eine auf die Wasseroberfläche, hier die Vorderseite der Welle 2 gerichtete und dort reflektierte Laserstrahlung 8 aussendet, und damit eine Messung des Abstands zwischen Lidar-Sensor und den eine Messpunktwolke bildenden Messpunkten 9 an der Wasseroberfläche erfolgt.

Die Messpunkte 9 werden vorgegeben, hier nämlich ausgehend vom sich auf der räumlichen Bahnkurve 4 auf der Wasseroberfläche bewegenden Surfer 3 als Bezugspunkt oder Bezugsobjekt derart, dass die Messpunkte 9 eine Messpunktwolke bilden, die die räumliche Bahnkurve 4 des Bezugsobjekts/Surfer 12 beinhaltet.

Mit Hilfe des Lidar-Sensors am Multicopter 6 werden dann die absoluten Positionskoordinaten der Messpunkte 9 in allen drei Raumrichtungen x, y und in der Höhenrichtung z bestimmt. Die für den Surfer 12 maßgebliche aktuelle Wellenhöhe wird dann durch Bildung der Differenz der Höhenkoordinaten Z10 und Zu mindestens zweier automatisch ausgewählter Messpunkte 10 und 11 ermittelt. Hier sind zwei Messpunkte 10 und 11 ausgewählt, die sich auch auf der Bahnkurve 4 befinden.

Die Positionsbestimmung des Multicopters 6 erfolgt durch ein Differential-GPS- Systems, wobei der Multicopter einen zusätzlichen Lage-Sensor aufweist.