SONAR-VERFAHREN ZUR ERKENNUNG UND/ODER POSITIONS- UND/ODER GESCHWINDIGKEITSBESTIMMUNG VON OBJEKTEN UNTER WASSER IN EINEM VORBESTIMMTEN GEBIET SOWIE EINE SONAR-ANORDNUNG UND EMPFANGSEINHEIT

Die Erfindung betrifft ein Sonar-Verfahren zur Erkennung und/oder Positions- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung von Objekten unter und/oder im Wasser in einem vorbestimmten Gebiet. Ferner betrifft die Erfindung eine Sonar-Anordnung zur Erkennung und/oder Positions und/oder Geschwindigkeitsbestimmung von Objekten im oder unter Wasser in einem vorbestimmten Gebiet sowie eine Sonar-Empfangseinheit.

Das vorgestellte System bzw. das hier offenbarte Verfahren kann ein vorher definiertes Areal, insbesondere See- Fluss- oder auch Hafengebiet mit SONAR (Sound Navigation and Ranging) überwachen. Derartige Areale können insbesondere sein: Hafen, einzelne Schiffe, Yachten, Windparks, Schleusen, kritische Areale und Infrastrukturen zur Terrorabwehr, wie Seehäfen und militärischen Sperrgebiete, Wassergebiete mit Kühlwasserzufuhren für Industrieanlagen und Kraftwerke, Grenzgebiete zwischen Staaten.

Im Folgenden wird der bekannte Stand der Technik eines Sonar-Systems bzw. Sonar- Verfahrens beschrieben.

Ein SONAR System besteht aus Sendern (Projektoren) und Empfängern (Hydrophonen). In traditionellen Systemen wird häufig ein einzelnes Sendeelement betrieben, das omnidirektional eine Sequenz sendet. Dieses Signal breitet sich in alle Richtungen des zu überwachenden Areals aus und wird von Objekten reflektiert. Diese Reflexionen können dann von verteilten Empfängern aufgenommen werden. Mit der Kenntnis des Sendesignals, der Position des Senders und Empfängers und dem Zeitpunkt des Sendebeginns, kann mittels einer Korrelation auf die Entfernung des Objektes geschlossen werden. Damit neben der Entfernung auch der Winkel des Objektes relativ zum Empfänger berechnet werden kann, muss der Empfänger zwingend aus mehr als einem Element bestehen. Ist dies gegeben, kann ein Empfangs- Beamforming durchgeführt und neben der Entfernung auch die Position des Objektes berechnet werden.

Die (Radial-) Geschwindigkeit des Objektes wird über die Dopplerverschiebung der Sendesequenz bestimmt. Dazu muss das Sendesignal passend gestaucht, bzw. gespreizt und anschließend das Empfangssignal mit dieser neuen Sequenz korreliert werden. Die Signalverarbeitung der oben genannten Punkte muss in Echtzeit und durchgängig geschehen, da sich zu jeder Zeit ein Objekt nähern könnte.

Traditionell werden Continous-Wave, auch kurz CW, und Chirp-Sequenzen, also Sinus-Signale deren Frequenz über der Zeit verändert wird, in SONAR-Systemen verwendet. Chirp- 2

Sequenzen sind unter bestimmten Voraussetzungen dopplerinvariant bei guten Autokorrelationseigenschaften, sodass eine genaue Auflösung der Entfernung möglich wird. In CW-Signalen lassen sich gut Dopplerverschiebungen nachweisen, sodass eine gute Schätzung für die Geschwindigkeit erstellt werden kann.

Klassischerweise steigen die Kosten mit der Anzahl an Elementen, sei es im Sender oder auch im Empfänger. Dies macht klassische Systeme teuer, komplex und wartungsintensiv, da sie aus lediglich einem Sender mit einem Element und vielen teuren verteilten Empfängern mit mehreren Elementen bestehen.

Aus der Druckschrift US 6,771,561 B2 ist ein Sonarverfahren beschrieben, bei dem eine breitbandige Schallquelle als Sender eingesetzt wird und auf der Empfängerseite mittels mehrerer Filter zunächst ermittelt werden soll, in welchen Subbändern des breiten Sendefrequenzbandes überhaupt Information über ein Target zu suchen ist, wobei dies der Vereinfachung der nachfolgenden Prozessierung dienen soll, jedoch das kontinuierliche und simultane Berechnen aller Filter insbesondere schon vor dem Eintreffen des reflektierten Pings erfordert und zudem hier das Sendesignal nicht klar kodiert und paarweise orthogonal ist.

Ferner ist aus der Druckschrift CN 110398743 A das Senden von sog. frequency hopping linear frequency modulation-Sequenzen (FH-LFM-Sequenzen) und das Ausnutzen der orthogonalen Eigenschaften dieser Signalsequenzen mittels einer signalangepassten Filterung der jeweiligen Subsequenzen bekannt. Eine FH-LFM-Sequenz aus mehreren LFM-Sequenzen ist zeitlich nacheinander zusammengesetzt, wobei diese alle in unterschiedlichen Frequenzbereichen liegen und durch deren Trennung im Frequenzbereich die Subsequenzen eine gewisse Orthogonalität aufweisen. Besitzt diese FH-LFM-Sequenz die Länge eines Pings, kann dauerhaft gesendet werden und trotzdem, durch die orthogonalen Eigenschaften der Subsequenzen, eine signalangepasste Filterung stattfinden. Zusätzlich können die ursprünglichen LFM-Subsequenzen noch dopplerverschoben werden, damit diese zu eventuellen Dopplergeschwindigkeiten potenzieller Ziele passen.

Die Druckschrift US 7362655 B1 offenbart ein akustisches Unterwasser- Entfernungsmesssystem zur Bestimmung einer Entfernung zu einem Zielobjekt. Es ist ein akustischer Empfänger vorgesehen, um akustische Energie zu erfassen und einen Ankunftswinkel der akustischen Energie in mindestens einer Ebene zu bestimmen. Ein akustischer Sender sendet einen akustischen Energieimpuls aus. Ein Empfängertakt ist mit dem Empfänger verbunden, und ein Sendertakt ist mit dem Sender verbunden. Die akustische Energie wird zu einem synchronisierten Zeitpunkt übertragen. Die Entfernung kann auf der Grundlage der Sendezeit, der Empfangszeit und des Empfangswinkels berechnet werden. Das System kann auch ein Mittel zur Synchronisierung der Uhren enthalten. 3

Auch ist aus der Druckschrift WO 2014/ 131 894 A2 ein System zur Verfolgung der Entfernung eines sich bewegenden Objekts bekannt, wobei das System Folgendes umfasst: mindestens zwei voneinander beabstandete Breitband-Ultraschallsender, wobei jeder der Sender eine feste und bekannte Position relativ zueinander hat; eine erste Steuerkomponente, die mit jedem der Sender verbunden und so angeordnet ist, dass sie die Sender dazu veranlasst, periodisch mit jeweils getrennten Frequenzen einen Ultraschallstoß auszusenden; einen Breitband- Ultraschallempfänger; eine zweite Steuerkomponente, die betriebsmäßig mit dem Ultraschallempfänger verbunden ist, um Ultraschallsignale von den Sendern zu empfangen; wobei die zweite Steuerkomponente für jede Geschwindigkeit innerhalb eines Bereichs von Geschwindigkeiten eine synthetisierte Version jedes Ultraschallstoßes bei einer gegebenen Frequenz aufweist, wie sie erwartungsgemäß an dem Empfänger empfangen werden würde, wenn sich das Objekt mit der genannten Geschwindigkeit relativ zu einem Sender bewegt; wobei die zweite Steuerkomponente betriebsfähig ist, um periodisch für jeden Sender eine Kreuzkorrelation eines empfangenen Ultraschallsignals mit jeweiligen synthetisierten Versionen von Ultraschallstößen durchführt von denen erwartet wird, dass sie innerhalb einer gegebenen Zeitspanne nach der Übertragung durch den Sender direkt von dem Ultraschallempfänger empfangen werden; Auswahl einer synthetisierten Version mit einer höchsten Kreuzkorrelationsspitze als die Version, die der Geschwindigkeit des sich bewegenden Objekts am genauesten entspricht; Auswahl einer Zeitverzögerung einer Kreuzkorrelationsspitze für die ausgewählte synthetisierte Version als Indikator für eine Flugzeit des gesendeten Stoßes zwischen dem Sender und dem sich bewegenden Objekt; und Berechnen einer Entfernung zwischen dem sich bewegenden Objekt und dem Sender auf der Grundlage der Zeitverzögerung; und Berechnen einer Position des sich bewegenden Objekts relativ zu den Positionen der Sender gemäß den für jeden Sender berechneten Bereichen.

Weiter ist im Stand der Technik bekannt, dass ein MIMO Sonar mehrere zeitgleich gesendete, orthogonale Signale verwendet, so dass diese an jedem Empfänger mittels Filterung noch unterschieden werden können. Die orthogonalen Signale gestatten kein senderseitiges Beamforming, sondern werden omnidirektional ausgesendet. Die Empfänger können jedoch nachträglich ein senderseitiges Beamforming über die Laufzeitdifferenzen der separierten Signale errechnen, wobei es insbesondere von Vorteil ist, wenn der Abstand der einzelnen Schallgeber voneinander durchaus groß ist. Die Veröffentlichung von Claussen und Zindel, „Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO-) High-Resolution Monostatic Sonar for Target Detection”, Konferenzbeitrag, Undersea Defense Technology, Stockholm, 13.5.- 19.5.2019, beschreibt ein MIMO Sonar mit mehreren Empfängern und durch empfängerseitiges Sendebeamforming verbesserte Auflösung. 4

Es ist im Übrigen bei aktiven Sonarsystemen auch bekannt, in das Sendesignal Doppler- Verschiebungen einzubauen. Bspw. werden „Doppler-Hypothesen“ in das ausgesendete Signal kodiert, d.h. Frequenzmodulationen für angenommene Geschwindigkeiten eines Targets, die durch Reflexion am Target kompensiert werden. Ein anderes Beispiel ist auch das „Own Doppler Nullifying“ (ODN), mit dem ein fahrendes Schiff seine bekannte Eigengeschwindigkeit bereits beim Aussenden eines Sonar-Pings in Abhängigkeit vom Abstrahlwinkel gegenüber der Fahrtrichtung kompensiert.

Betrachtet man die immense Bedeutung von Seehäfen für die Wirtschaft einer Nation und das steigende Bedürfnis nach Sicherheit vor terroristischen Aktionen oder Sabotage, so ergeben sich die Marktpotentiale aus der Sicherung der umschlagstärksten deutschen Seehäfen an der Nordsee, nämlich die Häfen Hamburg, Bremerhaven, Wlhelmshaven, Bremen, Brunsbüttel, Bützfleth, Emden und an der Ostsee die Häfen Rostock, Lübeck, Puttgarden/Fehmarn, Wsmar, Kiel und Sassnitz. Zusätzlich sind auch Wasserstraßen wie der Nord-Ostsee-Kanal und die zugehörigen Schleusenanlagen von immenser Bedeutung, da auch diese schutzwürdig sind. Zur Veranschaulichung des Marktpotentials der vorliegenden Offenbarung kann bspw. der für den Güterumschlag bedeutendste deutsche Seehafen Hamburg mit einem Umschlagsvolumen von 117,2 Millionen Tonnen, gefolgt von Bremerhaven 47,6 Millionen Tonnen, Wilhelmshaven 23,1 Millionen Tonnen, Rostock 19,9 Millionen Tonnen und Lübeck 16,0 Millionen Tonnen angenommen werden. Es ist klar, dass der Transport von Gütern auf dem Seeweg eine Lebensader der deutschen Wrtschaft ist, wodurch die volkswirtschaftliche Bedeutung der Seehäfen deutlich wird. Deutschland wickelt etwa 60 Prozent seines Exports über den Seeweg ab und erhält als rohstoffarmes Land fast 100 Prozent der benötigten Rohstoffe über den Seetransport. Jede Störung dieser Prozesse zieht massive wirtschaftliche Einbrüche nach sich. Aus diesem Grund sind Seehäfen gut zu sichernde Infrastrukturen.

Während an Flughäfen strenge Sicherheitskontrollen herrschen und die Hafenanlagen über Wasser zumindest über eingeschränkte Zugangskontrollen verfügen, ist der Weg für Taucher quasi nicht beschränkt. Kamerasysteme sind nicht in der Lage etwaige Bedrohung zu erfassen oder gar abzuwenden, da unter Wasser die Sicht erheblich eingeschränkt ist und andere Erfassungsmöglichkeiten durch neuartige Systeme überlistet werden können. Daher ergibt sich aus Sicht der Erfinder die Möglichkeit zur aktiven Ortung mittels SONAR.

Viele Technologien kommen aus dem militärischen Umfeld und dienen eher zum Schutz von einzelnen Schiffen, z. B. Atlas Cerberus zur Taucherdetektion zum Schutz von Kriegsschiffen. Weiterhin ist ein Trend zu beobachten, AUVs für den Hafenschutz einzusetzen. Nachteilig ist hier die begrenzte Fahrzeit, die Kollisionsgefahr in einem viel befahrenen Hafen und der höhere Aufwand des Einsatzes. 5

Die Probleme im Stand der Technik sind im Wesentlichen die hohen Kosten und die Problematik der hohen Komplexität der vielen Elemente auf der Empfängerseite.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sonar-Verfahren zur Erkennung und/oder Positions- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung von Objekten unter bzw. im Wasser in einem vorbestimmten Gebiet sowie im Weiteren eine dazugehörige Sonar-Anordnung und Empfangseinheit aufzuzeigen, die es ermöglichen kostengünstig und äußerst vielschichtig in der wirtschaftlichen Auswertung zu sein und dabei eine sichere Erkennung von Objekten im Wasser bzw. unter Wasser zu ermöglichen.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Sonar-Verfahren gemäß Hauptanspruch sowie einer Sonar-Anordnung und Empfangseinheit gemäß nebengeordneten Ansprüchen.

Das erfindungsgemäße Sonar-Verfahren zur Erkennung und/oder Positions- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung von Objekten unter und/oder im Wasser in einem vorbestimmten Gebiet mit:

- einer in dem vorbestimmten Gebiet definiert positioniert festgelegten und fest installierten Sonar-Sendeeinrichtung, die eine Mehrzahl akustischer Signale aus fest verteilt angeordneten Schallgebern aussenden kann;

- einer in dem vorbestimmten Gebiet vorgesehenen Sonar-Empfangseinheit mit einem passiven Empfänger mit einem Hydrophon; umfasst

- ein Erzeugen und Senden orthogonaler Signale oder orthogonaler Pings durch eine Spreizung und/oder

Stauchung einer ausgewählten Signalsequenz oder eines ausgewählten Basissignals mittels der Sonar-Sendeeinrichtung erfolgt;

- ein Empfangen und Erfassen des sich aus der Reflexion des gesendeten Signals oder Pings an einem oder mehreren Objekten ergebenden Signals mittels eines einzelnen Hydrophon der Sonar-Empfangseinheit erfolgt; und

- ein Bestimmen

- der Anwesenheit oder des Vorhandenseins eines Objekts und/oder

- der Richtungen, aus denen die reflektierten Signale kommen und/oder

- der Position aller reflektierenden Objekte und/oder

- der radialen Geschwindigkeitskomponenten dieser Objekte in Bezug auf die Senderposition. 6

In einer Ausführungsvariante kann insbesondere bevorzugt das Erzeugen der Orthogonalität durch zeitliches Spreizen oder Strecken eines Basissendesignals erfolgen.

Das Bestimmen kann insbesondere in einer bevorzugten Ausführungsvariante mit Hilfe eines Ringspeichers und einer Datenbank mit vorbekannten und/oder vorgebbaren digitalen Korrelatoren oder matched filter bzw. matched filtering erfolgen, wobei die Korrelatoren zur Identifikation der Signalsequenz oder des Basissignals und seiner vom Sender gestauchten und gestreckten orthogonalen Signale oder orthogonalen Pings ausgewählt sind.

Weiter kann ein Errechnen eines wesentlich von null verschiedenen Überlapps mit dem eintreffenden Signal mittels des Korrelators erfolgen, wobei so ein reflektierendes Objekt erkannt werden kann.

Insbesondere kann ein Bestimmen der Signal-Laufzeit vom Sender zum Empfänger durch Vergleich des Ausgangs des digitalen Korrelators oder matched Filters mit einer adaptiven Schwelle erfolgen und die Geschwindigkeit des Objektes durch eine Kaskade von Korrelationen beschriebenen Zeitausschnittes bestimmt werden, wobei diese alle die gespreizten/gestauchten Sendesignale berechnen.

Die Geschwindigkeit des Objektes kann durch eine Kaskade von Korrelationen des in 1. beschriebenen Zeitausschnittes bestimmt werden, die alle die gespreizten/gestauchten Sendesignale berechnen.

Durch Spreizung und/oder bzw. Stauchung einer oder auch mehrerer besonders ausgewählter Signalsequenzen werden orthogonale Signale erzeugt und gesendet. Die Kopplung der Eigenschaften Orthogonalität und Spreizung/Stauchung ist hierbei insbesondere ein, wenn nicht gar das Besondere an dem Verfahren. Die geschwindigkeitsinduzierte Dopplerverschiebung des Objekts kehrt dies wieder um. So kann durch die Korrelation lediglich einer Sequenz das Vorhandensein eines Objektes unter beliebigen Winkeln und Geschwindigkeiten zu einem bestimmten Zeitausschnitt mit nur einer einzigen Filterung festgestellt werden. Sollte eine Korrelation einen Ausschlag geben, kann damit die Dopplerverschiebung und damit die Geschwindigkeit bestimmt werden. Dies muss aber insbesondere nur mit einem kleinen Teil des Empfangssignals geschehen.

Weiter kann hierzu ein Bestimmen der Winkel des Objektes bei bekanntem Zeitausschnitt und Geschwindigkeit durch Anpassung der ursprünglichen Sendesignale auf die Dopplerverschiebung durch ein klassisches MIMO-Beamforming erfolgen. Da sowohl Zeitausschnitt und Geschwindigkeit bekannt sind, können die ursprünglichen Sendesignale optimal auf die Dopplerverschiebung angepasst, ein klassisches MIMO-Beamforming durchgeführt und so der Winkel des Objektes bestimmt werden. 7

Weiter können nach dem Erkennen eines Objekts alle Korrelatoren zum Einsatz gebracht werden, um in dem Ankunftszeitfenster alle Signale zu identifizieren und auf die radiale Geschwindigkeit des Objekts bezüglich des Empfängers zu schließen, und im Anschluss können für alle Korrelatoren eine Doppler-Kompensation mit der gefundenen Geschwindigkeit erfolgen, und weiter kann eine weitere Zeitmessung des Eintreffens aller Signale erfolgen, wobei die so ermittelten Laufzeitunterschiede der räumlichen bekannten Anordnung der Schallgeber zugeordnet werden, wobei eine Bestimmung der Richtung, in der sich das Objekt befinden muss, erfolgt, wobei als weiteres Kriterium das Objekt auf einer Ellipse bestimmbar ist, wobei deren Brennpunkte durch das Zentrum der Sendestation und den Ort des Empfängers bestimmt ist, und weiter kann die Richtung des Objekts aus Sicht des Empfängers berechnet werden.

Insbesondere zeichnet sich das Verfahren bzw. die Anordnung noch bevorzugt aus durch ein oder auch mehrere Merkmale der nachfolgenden Liste:

- der Empfänger kann mit preiswerter und leistungsschwacher Hardware ausgestaltet verwendet werden;

- der Empfänger kann und soll bzw. muss nicht mit anderen Empfängern oder der Sendestation kommunizieren; Ausnahme hiervon ist das Empfangen eines geänderten Basissignals bzw. Signalsequenz bspw. bei täglicher Änderung oder dgl. ;

- ein Tracking und/oder eine Detektion der Objekte erfolgt insbesondere am Ort des Empfängers;

- der Empfänger arbeitet insbesondere vollständig passiv und kann nicht angepeilt werden;

- der Empfänger an einem beliebigen Ort innerhalb der Reichweite der Sendestation(en) positioniert werden.

Das Verfahren kann gleichzeitig von mehreren Benutzern durch jeweils eigene passive Empfänger simultan ausgeführt werden. Eine Abstimmung der Empfänger oder gar eine Kopplung ist nicht notwendig.

Die Sonar-Anordnung zur Erkennung und/oder Positions- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung von Objekten im oder unter Wasser in einem vorbestimmten Gebiet kann insbesondere aufweisen:

- eine in dem vorbestimmten Gebiet definiert positioniert festgelegten und fest installierten Sonar-Sendeeinrichtung, die eine Mehrzahl akustischer Signale aus fest verteilt angeordneten Schallgebern aussenden kann;

- einer Sonar-Empfangseinheit mit einem passiven Empfänger mit einem

Hydrophon innerhalb des vorbestimmten Gebiets, wobei das erfindungsgemäße und hier 8 beschriebene Verfahren auf der Sonar-Empfangseinheit und der Sonar-Sendeeinrichtung ausgeführt wird.

Die Sonar-Empfangseinheit ausgebildet zum Betrieb in einer Sonar-Anordnung kann insbesondere einen passiven Empfänger und eine damit verbundene Rechen- und Auswerteeinheit ausgebildet zur Ausführung des Sonar-Verfahrens nach einem der vorangehenden verfahrensgemäßen Ansprüche sowie eine Virtualisierungs- und/oder Visualisierungseinheit aufweisen, wobei die Informationen über die in dem vorbestimmten Gebiet definiert positioniert festgelegte und fest installierte Sonar-Sendeeinrichtung und Informationen über das Basissignal hinterlegt sind.

Zur Vergrößerung des vorbestimmten Gebiets können ergänzende passive Empfänger in einem vergrößerten vorbestimmten Gebiet angeordnet werden und bevorzugt mit der Rechen- und Auswerteeinheit verbunden oder verbindbar sein, so dass auch bevorzugt von einer zentralen Stelle aus ein großes bzw. größeres Gebiet überwacht werden kann. Die Empfänger in dem vorbestimmten Gebiet müssen selbstverständlich in Empfangsentfernung wenigstens eines Teils der Sender der Sender-Anordnung liegen.

Nachfolgend werden konkrete Ausgestaltungsformen des Verfahrens und der Anordnung ausgeführt, die nicht zwingend beschränkend für den Schutzbereich zu werten sind:

Die Ml MO - Verarbeitung erlaubt das Verlagern der Komplexität der Hardware vom Empfänger zum Sender. Es wird ein zentraler Sender benötigt, der aus mehreren Elementen besteht, die alle orthogonale Sequenzen aussenden. Aufgrund der Orthogonalität kann Sende-Beamforming auf der Empfangsseite durchgeführt werden, auch wenn der Empfänger aus lediglich einem einzelnen Element besteht.

Die Winkelauflösung ist hierbei abhängig von der Anzahl an orthogonalen MIMO-Signalen. Dies bedeutet auch, dass die Erweiterung des einzelnen Senders zu einer Winkelauflösungsverbesserung an allen Empfängern führt.

Eine fundamentale Neuerung der hier offenbarten Neuerung ist die Idee der Ausnutzung der Orthogonalität von dopplerverschobenen Sendesequenzen. Dabei wird zunächst eine Sendesequenz erzeugt, für einige mögliche Dopplerverschiebungen gespreizt und über die Sendeelemente ausgegeben. Bei geschickter Wahl der Sendesequenz werden die gespreizten Versionen zueinander orthogonal und ermöglichen MIMO-Signalverarbeitung. Passt eine der angenommenen Spreizungen zu der Geschwindigkeit des Objektes, hebt sich die Spreizung wieder auf und bildet so das ursprüngliche Sendesignal. Dies erlaubt die binäre Erkennung des Vorhandenseins eines Objektes mit der Korrelation lediglich einer Sequenz und reduziert den Rechenaufwand an den jeweiligen Empfängern enorm. 9

Wurde erkannt, dass ein Objekt vorhanden ist, kann auf Basis des ausgeschnittenen Zeitbereiches die MIMO-Verarbeitung durchgeführt werden. So können an jedem einzelnen Empfänger die Entfernung, Winkel und die Geschwindigkeit von Objekten berechnet werden.

Ein grundlegender Unterschied des hier offenbarten Verfahrens bzw. Systems zu klassischen Systemen ist die Nutzung von Multiple-Input/Multiple-Output (MIMO) Verarbeitung.

Ein weiterer Vorteil der diesseitigen Offenbarung kann darin gesehen werden, dass anstatt einer kontinuierlichen komplexen MIMO-Verarbeitung der Daten in Echtzeit, lediglich eine Korrelation des ursprünglichen Sendesignals in Echtzeit berechnet werden muss. Die aufwendige MIMO-Verarbeitung kann dann bei Detektion mit einem deutlich reduzierten Ausschnitt der Empfangssignale durchgeführt werden, der zudem auch nicht zwingend echtzeitfähig sein muss. Dies erlaubt den Einsatz von deutlich kostengünstigeren Recheneinheiten an den Empfängern.

Durch die Reduktion der Elementanzahl am Empfänger werden Kosten gesenkt, was wiederum das Gesamtsystem extrem flexibel und zukunftssicher macht. Sollte sich zum Beispiel das zu überwachende Gebiet vergrößern, könnten günstige Empfänger leicht hinzugefügt werden.

Eine weitere Kostenreduktion kann durch die aktuell durch die Anmelderin entwickelten Dünnschichthydrophone erzielt werden, da diese kleiner, flexibler und kostengünstiger als klassische Piezokeramiken sind, da diese auch geringe physische Ausmaße als im Stand der Technik bekannte Piezokeramiken besitzen. Dies ermöglicht den Einsatz mehrerer dieser Dünnschichthydrophone anstelle eines klassischen Elements und verbessert die Winkelauflösung noch weiter. Ebenfalls ist die direkte Integration in Schiffsrümpfe oder Hafenanlagen möglich, da konforme Bauformen möglich sind.

Das größte wirtschaftliche Potential dürfte bei der Sicherung der Seehäfen weltweit, wie bereits eingangs erwähnt, zu sehen sein. Das Verfahren bzw. das System ist in allen Szenarien geeignet, die eine Überwachung eines Gebietes unter Wasser erfordern. Dies kann die Überwachung eines Hafens oder anderer schützenswerter Anlagen oder Objekte sein, die durch Schiffe, Taucher, AUV und dgl. angreifbar sind.

Die Technologie erlaubt, verglichen mit traditionellen Lösungen, kostengünstigere Überwachung und Detektion von wassernahen Zielen und Unterwasserzielen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einer konkreten Ausführungsvariante im Detail beschrieben, wobei dies nicht zwingend beschränkend auf den Schutzbereich und die Ausführungen zu werten ist, sondern die Erfindung weiter erläutern soll.

Das Sonar-Verfahren zur Erkennung und Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung von Objekten unter Wasser in einem vorbestimmten Gebiet kann als Ausgangspunkt eine fest 10 installierte Sonar-Sendeeinrichtung aufweisen, die eine Mehrzahl akustischer Signale aus einer vorbekannten Anordnung von Schallgebern aussendet.

Die ausgesendeten Signale sind insbesondere dabei von kurzer Dauer (ca. 50 ms) und orthogonal, d.h. das Integral des Produkts zweier Signale über die Sendedauer ist annähernd null, wenn die beiden Signale nicht identisch sind. Hierfür wird bevorzugt ein bandbegrenztes Rauschsignal oder pseudozufällig zusammengesetzte Chirpsequenzen als Basissignal verwendet, das in jedem Sendekanal mit einem anderen Faktor zeitlich gestaucht oder gestreckt ist. Dadurch sind zugleich alle Frequenzanteile des Basissignals in jedem Kanal anders Dopplerverschoben, wobei das Intervall der Doppler-Verschiebungen den Bereich realistischer Objektgeschwindigkeiten im überwachten Gebiet abdeckt. Die Sendestation sendet alle Sendesignale simultan als Ping aus und wiederholt das Pingen in regelmäßigen Abständen (einige Sekunden).

Die Erfindung liegt insbesondere auf der Empfängerseite. Ein lokaler Empfänger kann aus dem Empfangssignal, das sich aus der Reflexion des gesendeten Pings an einem oder mehreren Objekten ergibt und von einem einzelnen Hydrophon erfasst wird, mehrere wichtige Informationen gewinnen: i) die Richtungen, aus denen die reflektierten Signale kommen, ii) die Positionen aller reflektierenden Objekte und iii) die radialen Geschwindigkeitskomponenten dieser Objekte in Bezug auf die Empfängerposition. Dazu benötigt der Empfänger keine umfangreiche Prozessierung, sondern lediglich in einer Ausführungsvariante einen Ringspeicher und eine Datenbank mit vorbekannten digitalen Korrelatoren („matched filter“). Die Korrelatoren sind zur Identifikation des Basissignals und seiner vom Sender gestauchten und gestreckten Replika ausgewählt. Sofern der Empfänger auch die Zeitpunkte des Aussendens eines Pings und seine eigene Position relativ zur Sendestation kennt, kann er in vorbestimmten Zeitfenstern auf das Eintreffen von Reflexsignalen warten. Dabei muss nur ein Korrelator aktiv sein, nämlich der des Basissignals, weil irgendeines der Ping-Signale durch Reflexion an einem bewegten oder ruhenden Objekt gerade so Doppler-verschoben wird, dass am Empfänger im Wesentlichen das Basis-Signal eintrifft. Der Korrelator errechnet dann einen wesentlich von null verschiedenen Überlapp mit dem eintreffenden Signal und erkennt so ein reflektierendes Objekt. Die Laufzeit des Signals vom Sender zum Empfänger kann direkt entnommen werden. Erst dann kommen alle Korrelatoren zum Einsatz, um in dem Ankunftszeitfenster alle Signale zu identifizieren und auf die radiale Geschwindigkeit des Objekts bezüglich des Empfängers zu schließen. Danach werden alle Korrelatoren bevorzugt Doppler-kompensiert mit der gefundenen Geschwindigkeit, und es erfolgt eine weitere Zeitmessung des Eintreffens aller Ping-Signale. Die so ermittelten Laufzeitunterschiede werden der räumlichen bekannten Anordnung der Schallgeber zugeschrieben und so eine Richtung bestimmt, in der sich das Objekt - von der Sendestation aus gesehen - befinden muss. Zugleich muss es sich auf einer 11

Ellipse befinden, deren Brennpunkte durch das Zentrum der Sendestation und den Ort des Empfängers bestimmt ist. Die Gesamtlaufzeit des Signals wurde bereits gemessen, also ist die Ellipse bekannt. Eine Richtung des Objekts aus Sicht des Empfängers kann berechnet werden. Die rechnerische Auswertung kann direkt im Empfänger ggf. mit einem zeitlichen Versatz erfolgen, so dass keine leistungsfähige Rechnerstruktur im Empfänger vorliegen muss.

Es kann mehrere Empfänger geben, die ihre Informationen austauschen, aber dies ist nicht erforderlich für die beschriebene Ortung. Der Empfänger kann die Prozedur mit jedem weiteren Ping der Sendestation wiederholen, wenn er empfangsbereit ist (ggf. lässt er einige Pings ungenutzt verstreichen). Er kann also Objekte auch in der Bewegung verfolgen.

Insgesamt ergibt sich in besonders bevorzugter Form die Möglichkeit der Analyse eines komplexen, an einem oder mehreren Targets reflektierten Ping-Signals mittels eines einzelnen kostengünstigen Empfängers mit nur einem einzelnen Hydrophon, wobei der Empfänger in der Lage ist, Peilrichtungen, radiale Geschwindigkeiten und Positionen mehrerer Targets in kurzer Zeit zu ermitteln.

Als potentielle wirtschaftlich interessante Möglichkeit ergibt sich als weiteres Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Systems der maritime Bereich der privaten Yachten und Marinen. Da das gesamte System nur nutzbar ist, wenn sowohl die Position des Senders als auch die Sendesequenzen beim Empfänger bekannt sind, könnten Marinen oder Hafen betreiber, die ein solches System mit einem zentralen Sender installiert haben, die Informationen und auch die Empfangshardware an Dritte vermieten. Die Geräte sind dabei nur funktionsfähig, wenn sie die Sendestation und die gesendete Basissequenz genau kennen, wobei die Sendestation allgemein publik gemacht werden kann, jedoch die Basissequenz sich leicht täglich wechseln lässt, so dass nur eine zeitweise Nutzung bis zum nächsten Wechsel möglich wäre. Preisgünstige Empfangsgeräte können auch als Standard an Bootseigner verkauft oder in einem Hafen verliehen oder verkauft werden, wenn diese Sonarwarnungen gegen sich annähernde Objekte unter Wasser oder auch andere Schiffe wünschen. Durch die Aufwands- und Kostenverschiebung weg von den Empfängern hin zu den Sendern stellen die Hafen betreiber den Sender und die Empfänger und/oder die Informationen über die gesendeten Sequenzen können die Schiffsinhaber quasi dazubuchen.

Ein weiterer Markt bietet sich in Bezug auf Windparks. Diese erhalten in der Regel als Auflage die Installation von SONAR-Transpondern an Offshore- Windenergieanlagen. Während die Transponder nur die Funktion erfüllen, U-Boote akustisch zu warnen, könnte das vorgestellte System ein Unterwassermonitoring des gesamten Windparks ermöglichen. Zurzeit sind 24 Windparks in der Nordsee und 4 Windparks in der Ostsee in Betrieb. 12

Der Aufbau des Systems lässt sich weiterhin mit dem Rundfunk-Prinzip vergleichen, bei dem es einen zentralen, eventuell etwas teureren Sender und viele verteile günstige Empfänger gibt.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen in der Abbildungsbeschreibung beschrieben, wobei diese die Erfindung erläutern sollen und nicht zwingend beschränkend zu werten sind:

In Abb. 1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Sonar-Anordnung in einer Hafenanlage dargestellt, wobei hier exemplarisch sechs verteilte und fest positionierte Sender angeordnet sind und ein Empfänger vorgesehen ist, der mit einem Hydrophon-Signal, insbesondere von dem Ziel reflektierte Signale detektieren und auswerten kann und so eine Detektion von Zielen im Wasser durchführen kann.