DE102022201680A1

DE102022201680A1 - System mit einem akustischen sensor und verfahren zur echtzeitfähigen erfassung meteorologischer daten

Info

Publication number: DE102022201680A1
Application number: DE102022201680.7A
Authority: DE
Inventors: Kevin Hock; Christoph Sladeczek; Mario Seideneck
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2022-02-17
Filing date: 2022-02-17
Publication date: 2023-08-17
Also published as: WO2023156281A1

Abstract

Ein System wird bereitgestellt. Das System umfasst ein oder mehrere Schallwandler, wobei die ein oder mehreren Schallwandler wenigstens einen Schallsensor (110) umfassen, der zur Ermittlung von Schalldruckinformation ausgebildet ist. Des Weiteren umfasst das System eine Verarbeitungseinheit (120), die zur Bestimmung von Wetterinformation abhängig von der Schalldruckinformation, die von dem wenigstens einen Schallsensor (110) ermittelt wurde, ausgebildet ist. Die ein oder mehreren Schallwandler sind ausgebildet, auf einer mobilen Einheit installiert zu werden.

Description

Die Anmeldung betrifft eine System mit einem akustischen Sensor und ein Verfahren zur echtzeitfähigen Erfassung meteorologischer Daten, beispielsweise zur Integration in Robotiksystemen oder beispielsweise zur Integration in unbemannten oder bemannten Luftfahrzeugen.
Wettervorhersagen basieren auf komplexen Simulationsmodellen und leben von genauen Messdaten. Vor dem Hintergrund des klimatischen Wandels kommt der Bewertung von Unwetterlagen und deren lokaler Auswirkungen in Form von Extremwetter eine besondere Bedeutung zu. Durch die stationäre Verteilung der Wetterstationen fehlt es jedoch an räumlich und zeitlich hochaufgelösten lokalen Wetterinformationen. Darüber hinaus werden einige Wetterdaten als Mittelung über die Zeit bewertet und sind nicht in Echtzeit verfügbar. Aktuell existiert kein Konzept, welches eine wirtschaftliche, ressourceneffiziente und von der Infrastruktur unabhängige Messung von Wetterinformationen ermöglicht. Eine flächendeckende Verteilung von Sensoren ist mit Blick auf Energieverbrauch, Wartung und Unterhaltskosten nicht wirtschaftlich realisierbar.
Durch den klimatischen Wandel steigen die Häufigkeit und damit das Gefährdungspotenzial von extremen Wetterereignissen, Naturkatastrophen oder anthropogenen Umweltkatastrophen. Symptomatisch hierfür sind lokale Unwetterereignisse, deren Intensität dazu führt, dass Infrastrukturen zerstört werden und Gefahr für Leib und Leben besteht. Um möglichst frühzeitig gezielte Maßnahmen zum Schutz der Bevölkerung und der kritischen Infrastruktur in die Wege leiten zu können, sind lokale, hochaufgelöste, meteorologische Echtzeitdaten von entscheidender Relevanz.
Obwohl in Deutschland bereits ein im globalen Vergleich sehr dichtes Sensornetz aus Niederschlagsradaren und Niederschlagsmessgeräten, sog. Pluviometern, betrieben wird, bleibt die exakte Erfassung des lokalen Wettergeschehens trotzdem eine große Herausforderung. Ursächlich hierfür ist die hohe raumzeitliche Variabilität dieser Wetterphänomene. Bei herkömmlicher Messung mittels Pluviometer kommen Messfehler durch Wind, Schnee oder Verdunstung hinzu. Niederschlagsradare erreichen zwar eine ausreichende räumliche und zeitliche Auflösung, jedoch ist die Bestimmung der Regenrate anhand der Radarreflektivität deutlich erschwert, da die Tropfengrößenverteilung meist unbekannt ist. Weiterhin werden solche Radarsysteme durch Abschattungseffekte oder Rückstreuungen des Radarstrahls gestört. Um die geringe raumzeitliche Auflösung zu adressieren, gibt es erste Forschungsprojekte, wie bspw. das BMBF-geförderte Vorhaben »HoWa-innovativ« [1], [3]. Dabei waren anhand der Signaldämpfung zwischen Richtfunkantennen der Mobilfunkmasten Rückschlüsse auf die Regenintensität möglich. Diese Methode ist jedoch auf das verwendete Funknetz (CML) angewiesen, welches aktuell in etwa der Bevölkerungsdichte folgt. Infolgedessen weisen weniger dicht besiedelte Regionen wiederum eine verringerte räumliche Auflösung der Niederschlagsüberwachung auf. Problematisch daran ist, dass neben einem reduzierten Sicherheitsniveau ländlicher Regionen die dort herrschende Wettersituation auch ursächlich für Auswirkungen in dicht besiedelten Gebieten sein kann. Weiterhin zeigte sich, dass die Datenaufbereitung sehr aufwendig ist und ein spezielles Funknetz voraussetzt (siehe [2], [3], [4]).
Für die Messung von Niederschlag auf großen Gewässern wurden Hydrofone in über einem Meter Wassertiefe bereits eingesetzt. Auf Basis einfacher Spektralanalysen wurden hydroakustische Signale, hervorgerufen durch das Auftreffen von Regentropfen auf die Wasseroberfläche, ausgewertet und eine Approximation der Regentropfengröße angestrebt (siehe [5]). In einem anderen Ansatz wurde das durch Regentropfen verursachte Geräusch als fest definierter Trigger für die Überschreitung eines statischen Schwellwerts ausgewertet (siehe [7]). Beiden Ansätzen ist gemein, dass keine intelligenten Rückschlüsse auf charakteristische Merkmale getroffen werden konnten. Darüber hinaus sind beide Verfahren standortgebunden und können somit nicht flexibel eingesetzt werden.
Neben Niederschlägen ist lokaler Wind in der atmosphärischen Grenzschicht, der Peplosphäre, ein wesentlicher Faktor für die Entwicklung von Unwetterereignissen. In Ermangelung meteorologischer Daten wurden in der Literatur Messverfahren mittels Drohnen evaluiert (Drohne = unbemanntes Luftfahrzeug). Differenzdrucksensoren sind demnach nur für flugzeugähnliche Drohnen im stetigen Vorwärtsflug und bei Windeinfall innerhalb eines begrenzten Winkelbereichs geeignet. Hingegen sind klassische mechanische Anemometer auf eine zweidimensionale Messung limitiert und wegen ihres klobigen Aufbaus nicht nutzbar. Hitzdrahtanemometer unterliegen diesen Nachteilen nicht. Allerdings sind sie sehr fragil und anfällig. Für einen universellen Einsatz an Robotersystemen bzw. (unbemannten) Luftfahrzeugen sind diese Sensorarten nicht geeignet.
Im Stand der Technik sind Aufbauten beschrieben, bei denen ein Ultraschallanemometer an einem Multikopter befestigt wird (siehe [6], [8]). Jedoch sind derartige Aufbauten sehr aufwendig und nur begrenzt einsetzbar. Darüber hinaus erlaubt diese Ultraschall-Sensorart keine vollautomatisierte, adaptive Auswertung der vorherrschenden Wettersituation.
Eine System nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 36 und ein Computerprogramm nach Anspruch 37 werden bereitgestellt.
Ein System wird bereitgestellt. Das System umfasst ein oder mehrere Schallwandler, wobei die ein oder mehreren Schallwandler wenigstens einen Schallsensor (beispielsweise einen Schalldrucksensor und/oder einen Schalldruckgradientensensor) umfassen, der zur Ermittlung von Schalldruckinformation (beispielsweise zur Ermittlung von Schalldruck und/oder zur Ermittlung eines Schalldruckgradienten) ausgebildet ist. Des Weiteren umfasst das System eine Verarbeitungseinheit, die zur Bestimmung von Wetterinformation abhängig von der Schalldruckinformation, die von dem wenigstens einen Schallsensor ermittelt wurde, ausgebildet ist. Die ein oder mehreren Schallwandler sind ausgebildet, auf einer mobilen Einheit installiert zu werden.
Des Weiteren wird ein Verfahren bereitgestellt. Das Verfahren umfasst:

- Ermitteln von Schalldruckinformation unter Verwendung von wenigstens einem Schallsensors.
- Bestimmung von Wetterinformation abhängig von der Schalldruckinformation, die von dem wenigstens einen Schallsensor ermittelt wurde, durch eine Verarbeitungseinheit.

Ein oder mehrere Schallwandler, die den wenigstens einen Schallsensor umfassen, sind dabei ausgebildet, auf einer mobilen Einheit installiert zu werden.
Ferner wird ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens bereitgestellt.
In einer Ausführungsform wird ein neuartiges Sensorsystem bereitgestellt, das abhängig von einer akustischen Analyse ein raumzeitlich hochaufgelöstes Monitoring von lokalen Wetterereignissen bzw. Unwetterereignissen durchführt.
Obwohl die Wetterlage umgangssprachlich oftmals durch die Geräusche ihrer meteorologischen Elemente beschrieben wird, spielen akustische Sensoren in der Messung von Wetterphänomenen keine Rolle. Wetterdaten werden typischerweise in Wetterstationen gemessen, die eine feste Verteilung über das Land aufweisen. Auch wenn Wetterlagen großflächige Ereignisse sind, ist ihre lokale Auswirkung stark von ortsabhängigen Faktoren geprägt. Dabei fehlen hochaufgelöste lokale Daten.
Für eine zuverlässigere Wettervorhersage ist es besonders relevant, die aktuellen Eigenschaften von Niederschlägen und des Winds zu kennen. Akustische Sensoren in Verbindung mit maßgeschneiderter Signalverarbeitung und Kl bergen das Potenzial, die Stärke vorherrschender multipler meteorologischer Elemente auf Basis des akustischen Verhaltens vorhersagen zu können. Durch die Möglichkeit der Miniaturisierung akustischer Sensoren basieren einige der Ausführungsformen darauf, ein solches intelligentes Sensorsystem in der Kombination mit Robotiksysteme oder (unbemannter) Luftfahrzeuge als hochauflösendes Wettermesssystem einzusetzen. Ein solches Messsystem kann dabei sowohl orts- als auch infrastrukturunabhängig sein und kann komplexe Zusammenhänge in Echtzeit erfassen, was vollkommen neue Einsatzmöglichkeiten eröffnet.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

1 zeigt ein System gemäß einer Ausführungsform.
2 zeigt ein System gemäß einer Ausführungsform, das ein Störschallunterdrückungsmodul umfasst.
3 zeigt ein System gemäß einer Ausführungsform, in dem die ein oder mehreren Schallwandler wenigstens einen Schallwellengenerator umfassen.
4 zeigt ein System gemäß einer Ausführungsform, das des Weiteren eine Sendeschnittstelle und eine Empfangsschnittstelle umfasst.

1 zeigt ein System gemäß einer Ausführungsform.
Das System umfasst ein oder mehrere Schallwandler, wobei die ein oder mehreren Schallwandler wenigstens einen Schallsensor 110 umfassen, der zur Ermittlung von Schalldruckinformation ausgebildet ist.
Des Weiteren umfasst das System eine Verarbeitungseinheit 120, die zur Bestimmung von Wetterinformation abhängig von der Schalldruckinformation, die von dem wenigstens einen Schallsensor 110 ermittelt wurde, ausgebildet ist.
Die ein oder mehreren Schallwandler sind ausgebildet, auf einer mobilen Einheit installiert zu werden.
Bei dem Schallsensor kann es sich beispielsweise um einen Schalldrucksensor und/oder um einen Schalldruckgradientensensor handeln.
Bei der Ermittlung der Schalldruckinformation kann es sich beispielsweise um eine Ermittlung von Schalldruck und/oder um eine Ermittlung eines Schalldruckgradienten (eines Gradienten des Schalldrucks) handeln.
Bei der mobilen Einheit kann es sich beispielsweise um eine bewegliche Einheit handeln.
Die mobile Einheit kann beispielsweise ein Fahrzeug, z.B. ein Luftfahrzeug sein.
Die mobile bzw. bewegliche Einheit kann beispielsweise eine motorisierte Einheit sein, wie etwa eine (fliegende) Drohne, ein Motorflugzeug oder ein Hubschrauber, oder aber beispielsweise ein Kraftfahrzeug. Beispielsweise kann die mobile Einheit aber auch ein nicht-motorisiertes Fahrzeug sein, wie etwa ein Heißluftballon oder ein Segelflugzeug,
Bei der mobilen Einheit kann es sich aber auch um eine tragbare Einheit handeln, wie etwa ein tragbares Modul oder ein Koffer, an dem beispielsweise die ein oder mehreren Schallsensoren befestigt sein können.
Gemäß einer Ausführungsform kann der wenigstens eine Schallsensor 110 z.B. ausgebildet sein, Schalldruckinformation zumindest im Infraschall-Frequenzbereich und im Hörschall-Frequenzbereich zu ermitteln, und/oder kann der wenigstens eine Schallsensor 110 z.B. ausgebildet sein, Schalldruckinformation zumindest im Hörschall-Frequenzbereich und im Ultraschall-Frequenzbereich zu ermitteln.
In einer Ausführungsform kann der wenigstens eine Schallsensor 110 z.B. ausgebildet sein, Schalldruckinformation im Infraschall-Frequenzbereich und im Hörschall-Frequenzbereich und im Ultraschall-Frequenzbereich zu ermitteln.
Gemäß einer Ausführungsform kann der wenigstens eine Schallsensor 110 z.B. ausgebildet sein, Schalldruckinformation in einem Frequenzbereich f mit 0 ≤ f ≤ x zu ermitteln, wobei 100 kHz ≤ x ≤ 1 MHz.
In einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, zur Bestimmung der Wetterinformation Niederschlagsinformation und/oder Windinformation und/oder Temperaturinformation abhängig von der Schalldruckinformation, die von dem wenigstens einen Schallsensor 110 ermittelt wurde, zu bestimmen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. zur Bestimmung der Wetterinformation ausgebildet sein, die Niederschlagsinformation abhängig von der Schalldruckinformation, die von dem wenigstens einen Schallsensor 110 ermittelt wurde, zu bestimmen. Dabei kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, zur Bestimmung der Niederschlagsinformation wenigstens eine der folgenden Niederschlagsinformationen zu bestimmen:

- einen Niederschlagstyp,
- eine Tropfengröße und/oder Korngröße des Niederschlags,
- eine Zusammensetzung des Niederschlags,
- eine kinetische Energie des Niederschlags,
- eine Herkunftsrichtung des Niederschlags.

In einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, zur Bestimmung der Niederschlagsinformation zumindest die kinetische Energie des Niederschlags und/oder zumindest eine Regentropfengröße des Niederschlags zu bestimmen. Dabei kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, eine Approximation eine Wolkenhöhe und/oder Information betreffend Kondensationskeime und/oder Partikelbelastung der Luft abhängig von der kinetischen Energie des Niederschlags und/oder abhängig von der Regentropfengröße des Niederschlags zu bestimmen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 zur Bestimmung der Wetterinformation z.B. ausgebildet sein, die Windinformation abhängig von der Schalldruckinformation, die von dem wenigstens einen Schallsensor 110 ermittelt wurde, zu bestimmen. Dabei kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, zur Bestimmung der Windinformation wenigstens eine der folgenden Windinformationen zu bestimmen:

- eine horizontale und/oder vertikale Geschwindigkeit des Windes,
- ein oder mehrere Richtungsvektoren betreffend den Wind,
- einen Windtyp.

In einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 zur Bestimmung der Wetterinformation z.B. ausgebildet sein, die Temperaturinformation abhängig von der Schalldruckinformation, die von dem wenigstens einen Schallsensor 110 ermittelt wurde, zu bestimmen. Dabei kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, zur Bestimmung der Temperaturinformation eine akustische virtuelle Temperatur zu bestimmen.
2 zeigt ein System gemäß einer Ausführungsform, das ferner ein Störschallunterdrückungsmodul 215 umfasst, das z.B. ausgebildet sein kann, die Schalldruckinformation, die von dem wenigstens einen Schallsensor 110 ermittelt wurde, einem Verfahren zur Reduktion von Störgeräuschen zu unterziehen, um ein oder mehrere störschallunterdrückte Schallsignals zu erhalten. Dabei kann das Störschallunterdrückungsmodul 215 z.B. ausgebildet sein, das störschallunterdrückte Signal der Verarbeitungseinheit 120 zu übergeben. So kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, die Wetterinformation abhängig von den ein oder mehreren störschallunterdrückten Signalen zu bestimmen.
In einer Ausführungsform kann das Störschallunterdrückungsmodul 215 z.B. ausgebildet sein, ein oder mehrere Störschallunterdrückungsfilter auf wenigstens ein empfangenes Schallsignal anzuwenden, dass eine Signalrepräsentation der Schalldruckinformation, die von dem wenigstens einen Schallsensor 110 ermittelt wurde, aufweist, um die ein oder mehreren störschallunterdrückten Signale zu bestimmen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, die Wetterinformation abhängig von der Schalldruckinformation, die von dem mindestens einen Schallsensor 110 detektiert wurde, mittels eines Maschinen-trainierten Moduls zu bestimmen, das mittels maschinellem Lernen oder mittels Tiefenlernen trainiert wurde.
3 zeigt ein System gemäß einer Ausführungsform, in dem die ein oder mehreren Schallwandler wenigstens einen Schallwellengenerator 305 zur Erzeugung von Schallwellen umfassen.
In einer speziellen Ausführungsform kann das System der 3 zusätzlich das Störschallunterdrückungsmodul 215 der 2 umfassen. In einer alternativen Ausführungsform kann das System der 3 ausgebildet sein, das Störschallunterdrückungsmodul 215 der 2 nicht zu umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform kann der wenigstens eine Schallwellengenerator 305 zudem z.B. ausgebildet sein, Schalldruckinformation zu ermitteln, und/oder der wenigstens eine Schallsensor 110 kann zudem z.B. ausgebildet sein, Schallwellen zu erzeugen.
In einer Ausführungsform kann der wenigstens eine Schallsensor 110 im System z.B. angeordnet sein, Schalldruckinformation, die von den Schallwellen abhängt, die von dem wenigstens einen Schallwellengenerator 305 erzeugt wurden, zu empfangen. Dabei kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, die Wetterinformation abhängig von der Schalldruckinformation, die von den Schallwellen abhängt, die von dem wenigstens einen Schallwellengenerator 305 erzeugt wurden, und der von dem wenigstens einen Schallsensor 110 ermittelt wurde, zu bestimmen.
Gemäß einer Ausführungsform kann der wenigstens eine Schallsensor 110 eine Mehrzahl von Schallsensoren sein, die eine zwei- oder dreidimensionale Anordnung bilden. Dabei kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, abhängig von der von der Mehrzahl von Schallsensoren ermittelten Schalldruckinformation und abhängig von der zwei- oder dreidimensionalen Anordnung der Mehrzahl von Schallsensoren richtungsabhängige Information zu bestimmen. Dabei kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, die Wetterinformation abhängig von der Richtungsinformation zu bestimmen.
In einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, die Wetterinformation abhängig von einem Abstand zwischen dem wenigstens einen Schallwellengenerator 305 und dem wenigstens einen Schallsensor 110 zu bestimmen.
Gemäß einer Ausführungsform kann es sich bei den Schallwellen, die von dem wenigstens einen Schallwellengenerator 305 erzeugt wurden, z.B. um abgestrahlte Ultraschallwellen und/oder z.B. um abgestrahlte Infraschallwellen und/oder z.B. um abgestrahlte Hörschallwellen handeln. Dabei kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, abhängig von der Schalldruckinformation, die von den Ultraschallwellen und/oder von den Infraschallwellen und/oder von den Hörschallwellen abhängt, die von dem wenigstens einen Schallwellengenerator 305 erzeugt wurden, eine Windgeschwindigkeit und/oder einen Richtungsvektor eines Windes und/oder eine akustische virtuelle Temperatur und/oder eine Regentropfengröße und/oder eine Niederschlagsmenge zu bestimmen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit und/oder zur Bestimmung des Richtungsvektors des Windes und/oder zur Bestimmung der akustischen, virtuellen Temperatur und/oder zur Bestimmung der Regentropfengröße und/oder zur Bestimmung der Niederschlagsmenge wenigstens eine der folgenden Niederschlagsinformationen zu bestimmen:

In einer Ausführungsform kann die wenigstens eine Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, aeroakustische Merkmale von Luftströmungen mittels der von dem wenigsten einen Schallsensor 110 ermittelten Schalldruckinformation zu bestimmen und davon abhängig die Wetterinformation zu bestimmen.
Gemäß einer Ausführungsform kann das System z.B. ein Gehäuse umfassen, durch das gezielt geführte Luftströmungen hervorgerufen gerufen werden.
In einer Ausführungsform kann der ein oder mehrere Schallwandler wenigstens einen vibroakustischen Schallempfänger zur Ermittlung von vibroakustischen Schallwellen umfassen. Dabei kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, die Wetterinformation abhängig von den vibroakustischen Schallwellen zu bestimmen.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Störschallunterdrückungsmodul 215 der 2 z.B. ausgebildet sein, die Störschallunterdrückung abhängig von den vibroakustischen Schallwellen durchzuführen, die von dem wenigstens einen vibroakustischen Schallempfänger ermittelt wurden.
In einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, abhängig von den vibroakustischen Schallwellen Information über Niederschlag zu bestimmen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, abhängig von der Schalldruckinformation, die von dem wenigstens einen Schallsensor 110 ermittelt wurde, ein oder mehrere akustische Ereignisse zu erkennen. Bei den mehreren akustischen Ereignissen kann es sich beispielsweise um ein Auftreten von einer speziellen Art von Schall handeln. Beispielsweise kann ein spezielles Geräusch erkannt werden. Bei dem speziellen Geräusch kann es sich um jede Art von Geräusch handeln, wie z.B. die Stimme eines Menschen, ein Tiergeräusch, ein Brandgeräusch, etc.
In einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, die Schalldruckinformation, die von dem wenigstens einen Schallsensor 110 ermittelt wurde, zu klassifizieren.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 120 z.B. ausgebildet sein, die ein oder mehreren akustischen Ereignisse mittels einer Maschinen-trainierten Einheit zu erkennen, die mittels maschinellem Lernen oder mittels Tiefenlernen trainiert wurde.
4 zeigt ein System gemäß einer Ausführungsform, das des Weiteren eine Sendeschnittstelle 412 und eine Empfangsschnittstelle 418 umfasst. Die Sendeschnittstelle 412 kann z.B. ausgebildet sein, die Schalldruckinformation vom dem wenigstens einen Schallsensor 110 zu erhalten und zu der Empfangsschnittstelle 418 zu übertragen. Die Empfangsschnittstelle 418 kann z.B. ausgebildet sein, die Schalldruckinformation von der Sendeschnittstelle 412 zu empfangen und an die Verarbeitungseinheit 120 zu übergeben.
In einer speziellen Ausführungsform kann das System der 4 zusätzlich das Störschallunterdrückungsmodul 215 der 2 umfassen. In einer alternativen Ausführungsform kann das System der 4 ausgebildet sein, das Störschallunterdrückungsmodul 215 der 2 nicht zu umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Übertragung der Schalldruckinformation von der Sendeschnittstelle 412 zu der Empfangsschnittstelle 418 z.B. drahtlos erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Übertragung der Schalldruckinformation von der Sendeschnittstelle 412 zu der Empfangsschnittstelle 418 z.B. kabelgebunden erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform kann das System z.B. die mobile Einheit umfassen. Dabei kann der wenigstens eine Schallsensor 110 z.B. auf der mobilen Einheit montiert sein.
In einer Ausführungsform kann das System z.B. zwei oder mehr mobile Einheiten umfassen, die die besagte mobile Einheit umfassen. Dabei kann es sich bei dem wenigstens einen Schallsensor 110 z.B. um mindestens zwei Schallsensoren handeln, die auf unterschiedlichen mobilen Einheiten der zwei oder mehr mobilen Einheiten montiert sein können.
Gemäß einer Ausführungsform kann die mobile Einheit z.B. ein Luftfahrzeug sein.
In einer Ausführungsform kann die mobile Einheit z.B. eine mobile Robotikeinheit sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann die mobile Einheit z.B. eine fliegende Drohne sein.
Nachfolgend werden spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
In Ausführungsformen werden mithilfe eines stationären oder Luftfahrzeug- bzw. Robotergestützten, akustischen Sensorsystems die Windgeschwindigkeit und/oder Windrichtung bestimmt.
Gemäß einer Ausführungsform wird zudem oder alternativ auch eine Approximation der Niederschlagsmenge und Größe der Regentropfen sowie weiterer Parameter abgeleitet.
In einer Ausführungsform kann parallel dazu und/oder unabhängig davon die lokale Umgebung auf akustische Anomalien überwacht werden.
Gemäß mancher Ausführungsformen ist eine akustische Ereigniserkennung vorgesehen.
Das vorherrschende Wetterereignis und/oder seine Auswirkung können in Ausführungsformen übermittelt werden, z.B. dem Bevölkerungs- und Katastrophenschutz.
Um diese Ziele zu realisieren, wird in Ausführungsformen eine neuartige Sensorik bereitgestellt, die Ultraschallmesstechnik und/oder den hörbaren Frequenzbereich (Hörschall) und/oder Infraschall ermitteln kann. Das Sensorsystem kann dabei ausgebildet sein, erschwerten, widrigen Bedingungen gewachsen zu sein, welche sich aus dem Einsatz an einer stationären Beobachtungsstation oder an einer mobilen Robotik- bzw. (unbemannter) Luftfahrzeugplattform ergeben.
Da in Ausführungsformen ein akustischer Sensor vorgesehen ist, der z.B. ein für den Einsatz geeignetes Sensordesign aufweisen kann, sind keine hochempfindlichen, mechanischen Komponenten erforderlich, wie sie bei bisherigen Anemometertypen erforderlich sind. Der akustische Sensor kann dabei den Einsatz multipler Sensoren obsolet machen und entsprechend eine kompaktere und vor allem wartungsarme Konstruktion ermöglichen.
In einer Ausführungsform kann das Messsystem in Kombination mit KI-basierter Signalverarbeitung (Kl: künstliche Intelligenz) in der Lage sein, komplexe Wechselwirkungen von Wetterinformationen aus einem oder mehreren Signalen zu erkennen. So kann in einer Ausführungsform, z.B. nicht nur die lokale Wetterlage detailliert analysiert werden, sondern auch deren unmittelbare Auswirkung auf die Umgebung überwacht werden. Beispielsweise kann z.B. vorgesehen sein, dass mittels einer Wasseraufnahme des Bodens der Wassergehalt von Flussläufen oder drohende Erdrutsche erkannt werden.
Gemäß mancher Ausführungsformen kann z.B. eine Nutzung von Robotik- bzw. Luftfahrzeugplattformen vorgesehen sein. Hierdurch wird ein flexibler und schneller Einsatz des Systems komplett unabhängig von der örtlichen Netzinfrastruktur möglich.
In einer Ausführungsform können mehrere Trägerplattformen simultan eingesetzt werden. Auf diese Weise kann z.B. ein Messnetzwerk mit dynamisch anpassbarer raumzeitlicher Auflösung in jedem beliebigen Einsatzgebiet betrieben werden.
Anhand der genannten multimodalen Fortschritte ergeben sich deutliche Vorteile für den Einsatz im Bevölkerungs- und Katastrophenschutz. Insbesondere können die aufgezeigten Fortschritte praxisbezogene Nachteile bestehender Systeme überwinden.
In Ausführungsformen können ein oder mehrere der nachfolgenden Parameter mittels dem neuartigen akustischen Sensorsystem detailliert bestimmt werden:
Niederschlags-Parameter:

- Art des Niederschlags/Niederschlagstyp (beispielsweise Regen, Schnee, Graupel und Hagel)
- Tropfen- bzw. Korngröße(n) des Niederschlags
- Zusammensetzung des Niederschlags, wie bspw. Schneeregen
- Kinetische Energie des Niederschlags. Abhängig davon werden einer Ausführungsform eine Approximation der Wolkenhöhe und/oder Rückschlüsse auf Kondensationskeime bzw. Partikelbelastung der Luft bestimmt)
- Herkunftsrichtung des Niederschlags

Wind-Parameter:

- Horizontale und/oder vertikale Geschwindigkeit des Windes
- Richtungsvektor(en) betreffend den Wind
- Art des Windes / Windtyp (z.B. Böen, Turbulente Luftströmungen, etc.)

Temperatur-Parameter (z.B. eine virtuelle akustische Temperatur, auch als akustische virtuelle Temperatur bezeichnet).
Nachfolgend werden zwei spezielle Ausführungsformen der Sensorik beschrieben, welche sowohl alleinstehend betrachtet oder in einem kombinierten Sensorsystem vereint werden können. Durch eine derartige Kombination können beispielsweise noch detaillierte und ergänzende meteorologische Parameter und Zusammenhänge echtzeitfähig erfasst werden.
Zunächst werden Gemeinsamkeiten der beiden konkreten Ausführungsbeispiele beschrieben.
Beispielsweise kann der akustische Sensor bei beiden Ausführungsbeispielen einen elektroakustischen Schallwandler aufweisen, welcher beispielsweise einen möglichst hohen Frequenzbereich vom Infraschall über den Hörschall bis hin zum Ultraschall erfassen können. Beispielsweise kann der Erfassungsbereich einen Bereich 0 Hz ≤ f ≤ x abdecken, wobei x ein Wert 100 kHz ≤ x ≤ 1 MHz aufweisen kann. Z.B. kann der Erfassungsbereich 0 Hz ≤ f ≤ 500 kHz abdecken.
In Ausführungsformen kann ein erfindungsgemäßes Sensorsystem beispielsweise in beiden Ausführungsformen ein anpassungsfähiges Verfahren zur Reduktion von Störgeräuschen implementieren, um die akustischen Signale für die weitere Signalverarbeitung aufzubereiten. Hierdurch kann das erfindungsgemäße Sensorsystem für das jeweilige Einsatzgebiet besonders angepasst werden. Einerseits können z.B. hierzu die Informationen der Roboter-/Flugkontroller über die aktuell aktive Aktorik des Trägersystems erfasst, daraus akustische Filter ableitet und diese angewendet werden. Andererseits können die Daten der Wettermessung des akustischen Sensors selbst zur Filtergenerierungen bzw. Filteradaption ausgewertet werden. Durch eine spezielle Anordnung der Schallwandler können z.B. außerdem gezielte geführte Luftströmungen bedingt und durch Auswertung aeroakustischer Eigenschaften ein Störschallfilter abgeleitet werden. Es können beispielsweise auch Abschirmungen gewisser Schallwandlerkomponenten des neuen Sensorsystems zur Reduktion von Störeinflüssen eingesetzt werden
Durch Interaktion der meteorologischen Elemente mit der Befestigung des Sensorsystems kann es zu vibroakustischen Vorgängen kommen. Gleiches gilt für vibroakustische Effekte durch ein Robotik- oder Flugsystem. Durch Ausnutzung der entstehenden vibroakustischen Ereignisse können ebenfalls akustische Filter zur Reduktion von Störgeräuschen abgeleitet und auf die akustischen Signale der Schallempfänger angewandt werden.
Das erste Ausführungsbeispiel betrifft eine akustische Sensorik mit akustischen Messstrecken.
Das erste Ausführungsbeispiel kann beispielsweise mittels einer einzigen Kombination aus einem Schallempfänger und einer Schallquelle oder einem zwei- bzw. dreidimensionalen Array dieser Schallwandler bestehen. Auf diese Weise können mittels digitaler Signalverarbeitung dynamische adaptive Richtcharakteristiken der Schallempfänger erzielt werden. In speziellen Ausführungsbeispielen können Schallquellen in Form von elektroakustischen Aktoren auch als Schallempfänger und andersherum fungieren können. Somit können die elektroakustischen Schallwandler dynamisch situationsbedingt als Aktor oder als Sensor angesteuert bzw. eingesetzt werden können.
In einer Ausführungsform erfolgt die Messung des Winds beispielsweise über eine oder mehrere Ultraschallmessstrecken bestehend aus je einem Ultraschalltransmitter und gegenüberliegend einem Ultraschallempfänger in einem definierten Abstand. Diese Messstrecken bilden z.B. in zwei- oder dreidimensionalen räumlichen Ausrichtungen ein entsprechendes Ultraschallarray. Durch Abgabe von Signalen, beispielsweise pulsartigen Signalen, Sweeps, einzelne Sinustöne, und/oder Signal-(Pseudo-)Zufallsfolgen entlang der Messstrecken wird die Windgeschwindigkeit sowie der Richtungsvektor des Winds abgeleitet. Weiterhin ist ein Rückschluss auf die virtuelle akustische Temperatur möglich.
Beispielsweise kann die Nutzung einer mehrdimensionalen Ausrichtung parallel zur Validierung der Messdaten genutzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Messung des Winds beispielsweise über eine oder mehrere Infraschallmessstrecken bestehend aus je einem Infraschalltransmitter und gegenüberliegend einem Infraschallempfänger in einem definierten Abstand. Diese Messstrecken bilden z.B. in zwei- oder dreidimensionalen räumlichen Ausrichtungen ein entsprechendes Infraschallarray. Durch Abgabe von Signalen, beispielsweise pulsartigen Signalen, Sweeps, einzelne Sinustöne, und/oder Signal-(Pseudo-)Zufallsfolgen entlang der Messstrecken wird die Windgeschwindigkeit sowie der Richtungsvektor des Winds abgeleitet. Weiterhin ist ein Rückschluss auf die virtuelle akustische Temperatur möglich. Beispielsweise kann die Nutzung einer mehrdimensionalen Ausrichtung parallel zur Validierung der Messdaten genutzt werden.
In einer Ausführungsform erfolgt die Messung des Winds beispielsweise über eine oder mehrere Hörschallmessstrecken bestehend aus je einem Hörschalltransmitter und gegenüberliegend einem Hörschallempfänger in einem definierten Abstand. Diese Messstrecken bilden z.B. in zwei- oder dreidimensionalen räumlichen Ausrichtungen ein entsprechendes Hörschallarray. Durch Abgabe von Signalen, beispielsweise pulsartigen Signalen, Sweeps, einzelne Sinustöne, und/oder Signal-(Pseudo-)Zufallsfolgen entlang der Messstrecken wird die Windgeschwindigkeit sowie der Richtungsvektor des Winds abgeleitet. Weiterhin ist ein Rückschluss auf die virtuelle akustische Temperatur möglich. Beispielsweise kann die Nutzung einer mehrdimensionalen Ausrichtung parallel zur Validierung der Messdaten genutzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Kombination von zwei oder drei der obigen drei Varianten (Ultraschall, Infraschall, Hörschall) vorgesehen.
Um Niederschläge zu erfassen, können beispielsweise die gleichen Ultraschallwandler und/oder Infraschallwandler und/oder Hörschallwandler genutzt werden, wie bei der Windmessung. Die Frequenz der abgestrahlten Ultraschallsignale und/oder Infraschallsignale und/oder Hörschallsignale kann variiert werden. Durch die Wechselwirkung der Regentropfengröße mit der jeweiligen Wellenlänge der Ultraschallwelle und/oder Infraschallwelle und/oder Hörschallwelle kommt es zu Streuungs- und damit Dämpfungseffekten. Somit kann die Regentropfengröße und die Niederschlagsmenge approximiert werden. Die Variation der Frequenz kann genutzt werden, um die Größentropfenverteilung genauer zu erfassen.
Das zweite Ausführungsbeispiel betrifft eine akustische Sensorik ohne dedizierte Messstrecken.
Diese Ausführung kann z.B. aus einem einzigen Schallempfänger oder z.B. aus einem zwei- bzw. dreidimensionalen Array bestehen. Auf diese Weise können mittels digitaler Signalverarbeitung dynamische adaptive Richtcharakteristiken der Schallempfänger erzielt werden. Weiterhin kann z.B. die Ausführung über eine vibroakustische Schallempfänger verfügen, um die Schwingungen des Robotiksystems bzw. Luftfahrzeugs zu erfassen.
Zur Messung des Winds können z.B. Schallempfänger für Infra-, Hör- und Ultraschall genutzt werden. Durch die Interaktion der Luftströmungen durch den Wind mit dem speziellen Gehäuse und/oder der Anordnung der Schallempfänger können gezielte geführte Luftströmungen bedingt und/oder aeroakustische Merkmale der Luftströmungen erfasst oder abgeleitet werden. Durch kaskadierter Signalverarbeitung können auf diese Weise Informationen über den vorherrschenden Wind, wie beispielsweise die Windgeschwindigkeit und -richtung sowie turbulente Winde erkannt und analysiert werden.
In der Anwendung des neuartigen Sensorsystems fällt der Niederschlag auf das Sensorgehäuse oder gegebenenfalls in der Nähe liegende Bauteile des Trägersystems. Durch die Signalanalyse der akustischen Sensorkomponenten sind Informationen über den Niederschlag wie die Art und die Zusammensetzung bestimmbar.
Die akustischen Daten aller Schallempfänger beider Ausführungsbeispiele können neben der Messung meteorologischer Parameter z.B. auch für eine akustische automatische Erkennung bzw. Detektion von aktustischen Ereignissen genutzt werden. Hierzu kann das Sensorsystem z.B. über Algorithmen des Machine Learing (Maschinenlernen) und/oder Deep Learning (Tiefenlernen) verfügen. Auf diese Weise ist es möglich, weitere Rückschlüsse auf das Wetterereignis zu gewinnen sowie das Auftreten von mindestens einer zu überwachenden Signalklasse zu erkennen. Denkbare Anwendungsfälle können hier neben der Detektion von menschlicher Sprache, Tiergeräuschen oder Gasleckagen auch die Überwachung der Umgebung auf die (unmittelbaren) Auswirkungen von Wetterereignissen sein. So können z.B. Flussläufe und/oder Dämme und/oder das Gelände nach Anzeichen von Erdrutschen überwacht werden.
In Ausführungsformen kann die Bereitstellung der aufgearbeiteten Sensordaten durch eine kabelgebundene und/oder durch eine drahtlose Schnittstelle erfolgen. Wenn z.B. keine Verbindung besteht, können die Daten gemäß einer Ausführungsform zur späteren Übertragung zwischengespeichert werden. Weiterhin können diese Daten z.B. Ausgangspunkt für autonome Reaktionen der Robotiksysteme oder der unbemannten Luftfahrzeuge sein.
Mögliche Verwendungsmöglichkeiten liegen sowohl bei Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben als auch meteorologische Forschungseinrichtungen sowie Betreiber kritischer Infrastrukturen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ergibt sich durch Anbieter von vertikalen Mobilitätslösungen, da eine entsprechende Sensorik für die Wettervorhersage von Bedeutung ist. Auch kann ein erfindungsgemäßes, akustisches Sensorsystem in Kombinationssensoren eingesetzt werden, bspw. in Kombination mit Gefahrgut-Sensorik.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software oder zumindest teilweise in Hardware oder zumindest teilweise in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer BluRay Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinen-lesbaren Träger gespeichert ist. Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger oder das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise greifbar und/oder nicht flüchtig.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Glossar

Anemometer: Ein Anemometer ist ein Messinstrument zur Messung lokaler Windgeschwindigkeit. Ein Anemometer kann hierfür verschiedene Bauformen (Mechanischer Anemometer, Hitzdrahtanemometer, u.v.m.) aufweisen.
CML: Commercial Microwave Link (CML) (kommerzielle Mikrowellen-Verbindung) beschreibt kommerzielle Richtfunkstrecken zwischen Mobilfunkfasten, welche meist mit einer Frequenz zwischen 18 und 27 GHz arbeiten. Die Dichteverteilung dieses Funknetzes folgt grob der Bevölkerungsdichte.
Peplosphäre: Die atmosphärische Grenzschicht, auch als Peplosphäre bezeichnet, beschreibt die unterste Schicht der Erdatmosphäre direkt angrenzend an die Erdoberfläche.

Literaturverzeichnis

[1] Bundesministerium für Bildung und Forschung. Hochwasserfrühwarnung für kleine Einzugsgebiete mit innovativen Methoden der Niederschlagsmessung und -vorhersage (HoWa-innovativ); abgerufen am 26. Januar 2022 unter der URL: https://www.sifo.de/sifo/shareddocs/Downloads/files/projektumriss_howa-innovativ.pdf?_blob=publicationFile&v=1
[2] Christian Chwala und Harald Kunstmann. „Commercial microwave link networks for rainfall observation: Assessment of the current status and future challenges“. In: WIREs Water (Feb. 2019)
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[9] RO 123153 B1 .
[10] EP 3071999 A .
[11] RU 2016112082 A .
[12] CN 212008640 U .
[13] US 5528224 A .
[14] KR 101961633 B1 .
[15] CN 111916089 A .
[16] CA 1104245 A .

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

RO 123153 B1 [0111]
EP 3071999 A [0111]
RU 2016112082 A [0111]
CN 212008640 U [0111]
US 5528224 A [0111]
KR 101961633 B1 [0111]
CN 111916089 A [0111]
CA 1104245 A [0111]

Claims

System, umfassend: ein oder mehrere Schallwandler, wobei die ein oder mehreren Schallwandler wenigstens einen Schallsensor (110) umfassen, der zur Ermittlung von Schalldruckinformation ausgebildet ist, und eine Verarbeitungseinheit (120), die zur Bestimmung von Wetterinformation abhängig von der Schalldruckinformation, die von dem wenigstens einen Schallsensor (110) ermittelt wurde, ausgebildet ist, wobei die ein oder mehreren Schallwandler ausgebildet sind, auf einer mobilen Einheit installiert zu werden.
System nach Anspruch 1, wobei der wenigstens eine Schallsensor (110) ausgebildet ist, Schalldruckinformation zumindest im Infraschall-Frequenzbereich und im Hörschall-Frequenzbereich zu ermitteln, und/oder wobei der wenigstens eine Schallsensor (110) ausgebildet ist, Schalldruckinformation zumindest im Hörschall-Frequenzbereich und im Ultraschall-Frequenzbereich zu ermitteln.
System nach Anspruch 2, wobei der wenigstens eine Schallsensor (110) ausgebildet ist, Schalldruckinformation im Infraschall-Frequenzbereich und im Hörschall-Frequenzbereich und im Ultraschall-Frequenzbereich zu ermitteln.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der wenigstens eine Schallsensor (110) ausgebildet ist, Schalldruckinformation in einem Frequenzbereich f mit 0 ≤ f ≤ x zu ermitteln, wobei 100 kHz≤ x ≤ 1 MHz.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinheit (120) ausgebildet ist, zur Bestimmung der Wetterinformation Niederschlagsinformation und/oder Windinformation und/oder Temperaturinformation abhängig von der Schalldruckinformation, die von dem wenigstens einen Schallsensor (110) empfasst wurde, zu bestimmen.
System nach Anspruch 5, wobei die Verarbeitungseinheit (120) zur Bestimmung der Wetterinformation ausgebildet ist, die Niederschlagsinformation abhängig von der Schalldruckinformation, die von dem wenigstens einen Schallsensor (110) ermittelt wurde, zu bestimmen, wobei die Verarbeitungseinheit (120) ausgebildet ist, zur Bestimmung der Niederschlagsinformation wenigstens eine der folgenden Niederschlagsinformationen zu bestimmen: - einen Niederschlagstyp, - eine Tropfengröße und/oder Korngröße des Niederschlags, - eine Zusammensetzung des Niederschlags, - eine kinetische Energie des Niederschlags, - eine Herkunftsrichtung des Niederschlags.
System nach Anspruch 6, wobei die Verarbeitungseinheit (120) ausgebildet ist, zur Bestimmung der Niederschlagsinformation zumindest die kinetische Energie des Niederschlags und/oder zumindest eine Regentropfengröße des Niederschlags zu bestimmen, wobei die Verarbeitungseinheit (120) ausgebildet ist, eine Approximation eine Wolkenhöhe und/oder Information betreffend Kondensationskeime und/oder Partikelbelastung der Luft abhängig von der kinetischen Energie des Niederschlags und/oder abhängig von der Regentropfengröße des Niederschlags zu bestimmen.
System nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Verarbeitungseinheit (120) zur Bestimmung der Wetterinformation ausgebildet ist, die Windinformation abhängig von der Schalldruckinformation, der von dem wenigstens einen Schallsensor (110) ermittelt wurde, zu bestimmen, wobei die Verarbeitungseinheit (120) ausgebildet ist, zur Bestimmung der Windinformation wenigstens eine der folgenden Windinformationen zu bestimmen: - eine horizontale und/oder vertikale Geschwindigkeit des Windes, - ein oder mehrere Richtungsvektoren betreffend den Wind, - einen Windtyp.
System nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Verarbeitungseinheit (120) zur Bestimmung der Wetterinformation ausgebildet ist, die Temperaturinformation abhängig von der Schalldruckinformation, die von dem wenigstens einen Schallsensor (110) ermittelt wurde, zu bestimmen, wobei die Verarbeitungseinheit (120) ausgebildet ist, zur Bestimmung der Temperaturinformation eine akustische virtuelle Temperatur zu bestimmen.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das System ein Störschallunterdrückungsmodul (215) umfasst, das ausgebildet ist, die Schalldruckinformation, die von dem wenigstens einen Schallsensor (110) ermittelt wurde, einem Verfahren zur Reduktion von Störgeräuschen zu unterziehen, um ein oder mehrere störschallunterdrückte Schallsignale zu erhalten, wobei das Störschallunterdrückungsmodul (215) ausgebildet ist, die ein oder mehreren störschallunterdrückten Signale der Verarbeitungseinheit (120) zu übergeben, wobei die Verarbeitungseinheit (120) ausgebildet ist, die Wetterinformation abhängig von den ein oder mehreren störschallunterdrückten Signalen zu bestimmen.
System nach Anspruch 10, wobei das Störschallunterdrückungsmodul (215) ausgebildet ist, ein oder mehrere Störschallunterdrückungsfilter auf wenigstens ein empfangenes Schallsignal anzuwenden, dass eine Signalrepräsentation der Schalldruckinformation, die von dem wenigstens einen Schallsensor (110) ermittelt wurde, aufweist, um die ein oder mehreren störschallunterdrückten Signale zu bestimmen.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinheit (120) ausgebildet ist, die Wetterinformation abhängig von der Schalldruckinformation, die von dem mindestens einen Schallsensor (110) ermittelt wurde, mittels eines Maschinen-trainierten Moduls zu bestimmen, das mittels maschinellem Lernen oder mittels Tiefenlernen trainiert wurde.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die ein oder mehreren Schallwandler wenigstens einen Schallwellengenerator (305) zur Erzeugung von Schallwellen umfassen.
System nach Anspruch 13, wobei der wenigstens eine Schallwellengenerator (305) zudem ausgebildet ist, Schalldruckinformation zu ermitteln, und/oder wobei der wenigstens eine Schallsensor (110) zudem ausgebildet ist, Schallwellen zu erzeugen.
System nach Anspruch 13 oder 14, wobei der wenigstens eine Schallsensor (110) im System angeordnet ist, Schalldruckinformation, die von den Schallwellen abhängt, die von dem wenigstens einen Schallwellengenerator (305) erzeugt wurden, zu ermitteln, wobei die Verarbeitungseinheit (120) ausgebildet ist, die Wetterinformation abhängig von der Schalldruckinformation, die von den Schallwellen abhängt, die von dem wenigstens einen Schallwellengenerator (305) erzeugt wurden, und der von dem wenigstens einen Schallsensor (110) ermittelt wurde, zu bestimmen.
System nach Anspruch 15, wobei der wenigstens eine Schallsensor (110) eine Mehrzahl von Schallsensoren sind, die eine zwei- oder dreidimensionale Anordnung bilden, wobei die Verarbeitungseinheit (120) ausgebildet ist, abhängig von der von der Mehrzahl von Schallsensoren ermittelten Schalldruckinformation und abhängig von der zwei- oder dreidimensionalen Anordnung der Mehrzahl von Schallsensoren richtungsabhängige Information zu bestimmen, und wobei die Verarbeitungseinheit (120) ausgebildet ist, die Wetterinformation abhängig von der Richtungsinformation zu bestimmen.
System nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Verarbeitungseinheit (120) ausgebildet ist, die Wetterinformation abhängig von einem Abstand zwischen dem wenigstens einen Schallwellengenerator (305) und dem wenigstens einen Schallsensor (110) zu bestimmen.
System nach einem der Ansprüche 15 bis 16, wobei es sich bei den Schallwellen, die von dem wenigstens einen Schallwellengenerator (305) erzeugt wurden, um abgestrahlte Ultraschallwellen und/oder abgestrahlte Infraschallwellen und/oder abgestrahlte Hörschallwellen handelt, wobei die Verarbeitungseinheit (120) ausgebildet ist, abhängig von der Schalldruckinformation, die von den Ultraschallwellen und/oder von den Infraschallwellen und/oder von den Hörschallwellen abhängt, die von dem wenigstens einen Schallwellengenerator (305) erzeugt wurden, eine Windgeschwindigkeit und/oder einen Richtungsvektor eines Windes und/oder eine akustische virtuelle Temperatur und/oder eine Regentropfengröße und/oder eine Niederschlagsmenge zu bestimmen.
System nach Anspruch 18, wobei die Verarbeitungseinheit (120) ausgebildet ist, zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit und/oder zur Bestimmung des Richtungsvektors des Windes und/oder zur Bestimmung der akustischen, virtuellen Temperatur und/oder zur Bestimmung der Regentropfengröße und/oder zur Bestimmung der Niederschlagsmenge wenigstens eine der folgenden Niederschlagsinformationen zu bestimmen: - einen Niederschlagstyp, - eine Tropfengröße und/oder Korngröße des Niederschlags, - eine Zusammensetzung des Niederschlags, - eine kinetische Energie des Niederschlags, - eine Herkunftsrichtung des Niederschlags.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die wenigstens eine Verarbeitungseinheit (120) ausgebildet ist, aeroakustische Merkmale von Luftströmungen mittels der von dem wenigsten einen Schallsensor (110) ermittelten Schalldruckinformation zu bestimmen und davon abhängig die Wetterinformation zu bestimmen.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das System ein Gehäuse umfasst, durch das gezielt geführte Luftströmungen hervorgerufen gerufen werden.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der ein oder mehrere Schallwandler wenigstens einen vibroakustischen Schallempfänger zum Ermitteln von vibroakustischen Schallwellen umfassen, wobei die Verarbeitungseinheit (120) ausgebildet ist, die Wetterinformation abhängig von den vibroakustischen Schallwellen zu bestimmen.
System nach Anspruch 22, des Weiteren abhängig von Anspruch 10 oder 11, wobei das Störschallunterdrückungsmodul (215) ausgebildet ist, die Störschallunterdrückung abhängig von den vibroakustischen Schallwellen durchzuführen, die von dem wenigstens einen vibroakustischen Schallempfänger ermittelt wurden.
System nach Anspruch 22 oder 23, wobei die Verarbeitungseinheit (120) ausgebildet ist, abhängig von den vibroakustischen Schallwellen Information über Niederschlag zu bestimmen.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinheit (120) ausgebildet ist, abhängig von der Schalldruckinformation, die von dem wenigstens einen Schallsensor (110) ermittelt wurde, ein oder mehrere akustische Ereignisse zu erkennen.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinheit (120) ausgebildet ist, die Schalldruckinformation, die von dem wenigstens einen Schallsensor (110) ermittelt wurde, zu klassifizieren.
System nach Anspruch 25 oder 26, wobei die Verarbeitungseinheit (120) ausgebildet ist, die ein oder mehreren akustischen Ereignisse mittels einer Maschinen-trainierten Einheit zu erkennen, die mittels maschinellem Lernen oder mittels Tiefenlernen trainiert wurde.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das System eine Sendeschnittstelle (412) umfasst, die ausgebildet ist, die Schalldruckinformation vom dem wenigstens einen Schallsensor (110) zu erhalten und zu einer Empfangsschnittstelle (418) zu übertragen, wobei das System die Empfangsschnittstelle (418) umfasst, die ausgebildet ist, die Schalldruckinformation von der Sendeschnittstelle (412) zu empfangen und an die Verarbeitungseinheit (120) zu übergeben.
System nach Anspruch 28, wobei die Übertragung der Schalldruckinformation von der Sendeschnittstelle (412) zu der Empfangsschnittstelle (418) drahtlos erfolgt.
System nach Anspruch 28, wobei die Übertragung der Schalldruckinformation von der Sendeschnittstelle (412) zu der Empfangsschnittstelle (418) kabelgebunden erfolgt.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das System die mobile Einheit umfasst, wobei der wenigstens eine Schallsensor (110) auf der mobilen Einheit montiert ist.
System nach Anspruch 31, wobei das System zwei oder mehr mobile Einheiten umfasst, die die besagte mobile Einheit umfassen, wobei es sich bei dem wenigstens einen Schallsensor (110) um mindestens zwei Schallsensoren handelt, die auf unterschiedlichen mobilen Einheiten der zwei oder mehr mobilen Einheiten montiert sind.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mobile Einheit ein Luftfahrzeug ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mobile Einheit eine mobile Robotikeinheit ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mobile Einheit eine fliegende Drohne ist.
Verfahren, umfassend: Ermitteln von Schalldruckinformation unter Verwendung von wenigstens einem Schallsensors (110), Bestimmung von Wetterinformation abhängig von der Schalldruckinformation, die von dem wenigstens einen Schallsensor (110) ermittelt wurde, durch eine Verarbeitungseinheit (120), wobei ein oder mehreren Schallwandler, die den wenigstens einen Schallsensor (110) umfassen, ausgebildet sind, auf einer mobilen Einheit installiert zu werden.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 36.