EP3523676A1 - Kalibrierung und reduktion von abbildungsfehlern in fächerecholotsystemen - Google Patents

Kalibrierung und reduktion von abbildungsfehlern in fächerecholotsystemen

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EP3523676A1
EP3523676A1 EP17778166.3A EP17778166A EP3523676A1 EP 3523676 A1 EP3523676 A1 EP 3523676A1 EP 17778166 A EP17778166 A EP 17778166A EP 3523676 A1 EP3523676 A1 EP 3523676A1
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EP
European Patent Office
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data set
fan
data
measurement
ideal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17778166.3A
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Peter Urban
Kevin Köser
Hauke MÜLLER
Anne JORDT
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Geomar Helmholtz-Zentrum fur Ozeanforschung Kiel
GEOMAR Helmholtz Zentrum fur Ozeanforschung Kiel
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Geomar Helmholtz-Zentrum fur Ozeanforschung Kiel
GEOMAR Helmholtz Zentrum fur Ozeanforschung Kiel
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Publication date
Application filed by Geomar Helmholtz-Zentrum fur Ozeanforschung Kiel, GEOMAR Helmholtz Zentrum fur Ozeanforschung Kiel filed Critical Geomar Helmholtz-Zentrum fur Ozeanforschung Kiel
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/34—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using electrical steering of transducer arrays, e.g. beam steering
    • G10K11/341—Circuits therefor

Definitions

  • the invention relates to a method for the detection / prognosis / measurement of anomalies in media in data sets that can be created by a fan echo sounder system, in particular taking into account sensor / antenna effects and / or bearr data effects, preferably in water columns, wherein a modeled data set of a known topology a measured data set of the known topology is compared. Furthermore, the invention relates to a precise independent method for calibrating a fan-echo sounder system, in particular for the measurement of a water column, a precise independent method for reducing the noise of a measured data set by a fan-echo sounder system, in particular for the measurement of a water column and a more precise independent
  • the methods allow a technical calibration of sensors, sensors and antennas and a data-aided evaluation and noise reduction and detection of
  • Measurement uncertainties by dynamic models with high significance in the statement e.g. for location-related, qualitative and quantitative statements on objects, disturbances, anomalies or flares.
  • the method can also be easily adapted and / or integrated in terms of device technology for existing fan-echo sounder systems, in that the methods are implemented in hardware, e.g.
  • adaptation option can also be provided by the hardware of an existing fan-echo sounder system or provided by data carriers with suitable interfaces for respective fan-echo sounder systems.
  • DE 10 2011 1 18 788 B4 shows a method and a device for acoustic measurement of a water surface which the disturbances caused by the
  • Interference signals by attaching a structure-borne sound pickup at the source of interference, wherein a structure-borne noise spectrum of the source of interference determines and subtracts them from the measurement signals.
  • the problems in the prior art are essentially determined by the manner of the measurement, wherein in current systems, the sensors / antennas, ie the subjects in a fan-echo sounder system, the water column or the seabed across the ship, mapped by beamforming and hydrophone arrays. With the so-called far-field assumption (planar wave) one can then allocate at different hydrophones time-delayed incoming signals to their origin directions, which result from the time offset. In the currently known systems, however, generates an acoustic response, the real of a particular
  • Direction comes, also always a so-called hallucinated object / signal / anomaly from another direction.
  • This signal is known as the sidelobe effect from antenna technology, and the width and location of these sidelobes can be controlled.
  • this influence also influences the resolution and width of the so-called desired main lobe.
  • the position and width of the main and side lobes ultimately affect the Resolution of the system as well as size and location of the disturbances. All this information is summarized and defined below under the term calibration.
  • this should not be done in a laboratory at a manufacturer, but only after the final installation of the system in a ship, for. To take into account aging / temperature effects. Further, it makes sense to perform this calibration before each measurement, i. make any genuine relevant use of the echosounder.
  • An object of the inventive method is to reduce the effects of the directional characteristics to produce ideal images from measured WCI that map the physical cause of the measured signals and are largely independent of the system, angle and distance of the objects to the antenna.
  • the objects or the measured scenes detected in this way with the inventive method can then be better classified and compared with measurements, which are e.g. at a different time and made from a different angle.
  • Another object of the inventive method is the analysis of Multibeam
  • Another object of the present invention is to provide a known geometry, e.g. a flat bottom, slope or otherwise known bathymetry or
  • the incoming signals can be assigned to actual ground points.
  • answers from directions can be detected in which no signal was expected at the given time, will be identified as a hallucinated signal / anomaly.
  • a further object of the invention is to use the calibration information in such a way that it is recognized where in the fan echolot image of a measurement a potential ideal signal is superimposed by a sidelobe effect and further statements about how strong this effect is.
  • Another object of the invention is to determine what the actual resolution of the fan echo sounder is at a given angle.
  • a further object of the invention is, in the case of a measurement which is disturbed with the aid of the calibration information, to generate a data record close to the undisturbed data record, i. to draw the most likely ideal fan echolot image back using an analysis-by-synthesis principle.
  • a modeled data set of a known topology in the medium or water column is compared to a measured data set of known topology, has at least one, preferably exactly three, of the following steps: Calibrating a directional characteristic / beam pattern of a measuring system of the
  • the calibration of a directional characteristic / beam pattern of a measuring system with at least one sensor / antenna of the fan-echo sounder system can influence the crosstalk behavior of the at least one sensor / antenna.
  • the ideal records can be archived in a database and used in
  • Beampattern / beam distribution of a measuring system of the fan-echo sounder system, preferably the sensor / antennas is.
  • the determination / detection method of measurement uncertainties of a fan-echo sounder system for the measurement of a medium or a water column, with a first data set Creduced and a known calibrated directional characteristic K (beam patterns / beam distribution) of a measuring system of the fan-echo sounder system comprises the steps:
  • the device is provided with at least one data carrier and at least one
  • Data transmission interface which maintains a data and communication technology compatibility with at least one fan-echo sounder system, equipped for integration and / or adaptation to the respective fan-echo sounder system, at least as disclosed herein
  • the at least one data carrier can hold a database which is designed for archiving data records.
  • the at least one data carrier can contain a database which stores and updates data records for a directional characteristic (beam pattern) of a measuring system of respective fan-echo sounder system.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the inventive method for detection
  • Fig. 2 is a schematic representation of an embodiment of the inventive
  • Fig. 3 is a schematic representation of an embodiment of the inventive
  • Fig. 4 is a schematic representation of the inventive method step of the detection of
  • FIG. 1 is a schematic representation of the inventive method for detection
  • the method has at least one of the following steps:
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an embodiment of the inventive method step of the calibration.
  • the system is calibrated by measuring an already known scene or geometry of which a physical model already exists. This can
  • the ocean floor which was previously measured with high accuracy.
  • the acoustic image produced with the fan-chan- cholot is henceforth called disturbed image (or even only D).
  • the real measurement is simulated with a simulator which generates from the known geometry an ideal sensor image (C), i. without the smearing by the
  • Beampattern be recalculated.
  • Fig. 3 is a schematic representation of an embodiment of the inventive method step of the interference reduction is shown.
  • the (Beampattern conditional) disturbances of the measurements of arbitrary scenes can be reduced by inversion and so the ideal pictures are produced. It may be possible that several solutions (several possible ideal images) are possible for the inversion. In order to reduce the number of solutions, a priori assumptions about the scene can be made and different regularizations can be used (eg the disturbed picture should be explained with the minimum number of real objects).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Anomalien-Detektions- / -Prognose- / -Messverfahren in einem Medium oder einer Wassersäule mit Datensätzen, die durch ein Fächerecholotsystem erstellbar sind, unter Berücksichtigung von Sensor- / Antenneneffekten und/oder Beam- / Dateneffekten, wobei ein modellierter Datensatz einer bekannten Topologie in dem Medium oder der Wassersäule mit einem gemessenen Datensatz der bekannten Topologie verglichen wird, mit mindestens einem der Schritte: - Kalibrieren einer Richtcharakteristik / Beampattern eines Messsystems des Fächerecholotsystems und/oder - Reduzieren von Störungen welche durch ein Messsystem des Fächerecholotsystems verursacht werden, insbesondere durch Erzeugen eines idealen Datensatzes für ein ideales Fächerecholotbild und/oder - Bestimmen von Messunsicherheiten in verschiedenen Bereichen der Datensätze für ein Fächerecholotbild. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kalibrierung eines Fächerecholotsystems, ein Verfahren zur Störungsreduktion eines gemessenen Datensatzes durch ein Fächerecholotsystems sowie ein Bestimmungs- / Detektionverfahren von Messunsicherheiten eines Fächerecholotsystems, jeweils für die Vermessung eines Mediums oder einer Wassersäule, und eine dazugehörige Vorrichtung.

Description

Kalibrierung und Reduktion von Abbildungsfehlern in Fächerecholotsystemen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion/Prognose/Messung von Anomalien in Medien in Datensätzen, die durch ein Fächerecholotsystem erstellbar sind, insbesondere unter Berücksichtigung von Sensor-/Antenneneffekten und/oder BearrWDateneffekten, bevorzugt in Wassersäulen, wobei ein modellierter Datensatz einer bekannten Topologie mit einem gemessenen Datensatz der bekannten Topologie verglichen wird. Weiter betrifft die Erfindung ein präzisiertes unabhängiges Verfahren zur Kalibrierung eines Fächerecholotsystems, insbesondere für die Vermessung einer Wassersäule, ein präzisiertes unabhängiges Verfahren zur Störungsreduktion eines gemessenen Datensatzes durch ein Fächerecholotsystems, insbesondere für die Vermessung einer Wassersäule und ein präzisiertes unabhängiges
Verfahren zur Bestimmung/ Detektion von Messunsicherheiten eines Fächerecholotsystems, insbesondere für die Vermessung einer Wassersäule.
Die Verfahren ermöglichen eine technische Kalibrierung von Sensoren, Sensorik und Antennen und eine datengestützte Auswertung und Störungsreduktion und Detektion von
Messunsicherheiten durch dynamische Modelle mit hoher Signifikanz in der Aussage, z.B. für ortsbezogene, qualitative und quantitative Aussagen zu Objekten, Störungen, Anomalien oder Flares.
Das Verfahren ist auch für bestehende Fächerecholotsysteme auch vorrichtungstechnisch einfach adaptierbar und/oder integrierbar, indem die Verfahren in Hardware z.B.
programmtechnisch abgebildet werden (ASIC). Die Adaptionsmöglichkeit (Schnittstellen) kann aber auch durch die Hardware eines bestehendes Fächerecholotsystem bereitgestellt werden oder durch Datenträger mit geeigneten Schnittstellen für jeweilige Fächerecholotsysteme bereitgestellt werden.
Als Fächerecholotsysteme werden aktive akustische Systeme bezeichnet die durch das Erzeugen mehrerer als Fächer angeordneter sogenannter Beams akustische Bilder der
Wassersäule erzeugen können (Water column images - WCI). Aufgrund der endlichen Größe der akustischen Antennenarrays haben die einzelnen Beams nicht-ideale Richtcharakteristiken welche vor allem durch einen Beamöffnungswinkel (der Hauptkeule) und mehrere Nebenkeulen bestimmt sind. Dies sorgt dafür das starke akustische Rückstreuer auch Signale in Beams erzeugen welche eigentlich in eine andere Richtung schauen. Im WCI erscheint dieser Effekt wie ein Verschmieren der Signale über mehrere Beams. Das akustische Aussehen von Objekten verändert sich daher in WCI je nachdem in welcher Entfernung und in welchem Wnkel von der Antenne das Objekt gemessen wurde. Durch das Verschmieren ist es außerdem möglich das Rückstreusignale in WCI überlappen, bzw. interferieren. Dies kann dafür sorgen das besonders starke akustische Rückstreuer es erschweren schwächer streuende Objekte in der direkten Umgeben zu detektieren.
Es wurde insbesondere erkannt, dass bei im Stand der Technik befindlichen Systemen starke akustische Targets, die unter einem bestimmten Winkel zu sehen sind, durch
Nebenkeuleneffekte auch in anderen Winkeln angezeigt werden. Außerdem wird das Signal und die Auflösung durch die Breite und Lage der Haupt- und Nebenkeulen bestimmt und beeinflusst. Diese Effekte stören, verschmieren und überlagern den Datensatz für ein eigentliches ideales Fächerecholotbild.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Anordnungen bekannt, um einen
Gewässeruntergrund zu vermessen und Störungen in den Signalen durch Verfahren zu reduzieren.
So zeigt die DE 10 2011 1 18 788 B4 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum akustischen Vermessen eines Gewässeruntergrundes welches die Störungen, die durch die
Schiffsbewegungen wie Rollen, Nicken oder Stampfen des Rumpfes erzeugt werden korrigiert um die Messgenauigkeit zu erhöhen.
Aus der Druckschrift EP 2 165 214 B1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Topografie eines Meeresbodens mit Hilfe eines Echolots bekannt.
Weiter ist aus der Druckschrift DE 100 09 644 A1 ein Echolotverfahren bekannt mit dem eine Stör-Echo-Unterdrückung bei digitaler Ausgabe erfolgt, indem der Beam und die
Signallaufzeiten beeinflusst werden.
Die DE 35 20 398 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausblenden von
Störsignalen durch die Anbringung eines Körperschallaufnehmers an der Störquelle, wobei ein Körperschallspektrum der Störquelle ermittelt und diese von dem Messsignalen abzieht.
Die Probleme im Stand der Technik sind im Wesentlichen durch die Art und Weise der Messung bestimmt, wobei in aktuellen Systemen die Sensorik/Antennen, also der Fächer in einem Fächerecholotsystem, die Wassersäule oder den Meeresboden quer zum Schiff, durch beamforming und Hydrophonarrays kartiert. Mit der sogenannten Fernfeldannahme (planare Welle) kann man dann an verschiedenen Hydrophonen zeitversetzt eintreffende Signale ihren Ursprungsrichtungen zuordnen, die sich aus dem Zeitversatz ergeben. Bei den derzeit bekannten Systemen erzeugt aber eine akustische Antwort, die real aus einer bestimmten
Richtung kommt, auch immer ein sogenanntes halluziniertes Objekt/Signal/Anomalie aus einer anderen Richtung. Dieses Signal ist als Nebenkeuleneffekt (sidelobe) aus der Antennentechnik bekannt und die Breite und Lage dieser Nebenkeulen können gesteuert werden. Diese Beeinflussung beeinflusst aber auch die Auflösung und Breite der sogenannten erwünschten Hauptkeule. Die Lage und Breite der Haupt- und Nebenkeulen beeinflussen letztendlich die Auflösung des Systems sowie Größe und Lage der Störungen. All diese Informationen werden im Folgenden unter dem Begriff Kalibrierung zusammengefasst und definiert.
Derzeit ist aus dem Stand der Technik keine Anwendung bekannt, die Kalibrierung,
insbesondere die tatsächlichen Faktoren/Größen dieser Effekte, bei einem
Wassersäulenfächerecholot zu bestimmen bzw. durchzuführen.
Idealerweise sollte dies auch nicht etwa in einem Labor bei einem Hersteller, sondern erst nach finalem Einbau des Systems in ein Schiff erfolgen, um z.B. Alterungs-/Temperatureffekte zu berücksichtigen. Weiter ist es sinnvoll diese Kalibrierung vor jeder Messung, d.h. jeder echten relevanten Nutzung des Echolots vorzunehmen.
Eine Aufgabe des erfinderischen Verfahrens ist es, die Effekte der Richtcharakteristika zu reduzieren, um aus gemessenen WCI ideale Bilder zu erzeugen, welche die physikalische Ursache der gemessenen Signale abbilden und weitgehend unabhängig vom System, Winkel und der Entfernung der Objekte zur Antenne sind.
Die mit dem erfinderischen Verfahren derart detektierten Objekte bzw. die vermessenen Szenen können anschließend besser klassifiziert und mit Messungen, welche z.B. zu einem anderen Zeitpunkt und aus einem anderen Wnkel gemacht wurden, verglichen werden.
Außerdem kann durch die Identifizierung der akustischen Eigenschaften der detektierten Objekte bestimmt werden wo, d.h. an welchem Ort, sie es erschweren, schwächer
rückstreuende Objekte zu identifizieren.
Eine weitere Aufgabe des erfinderischen Verfahrens ist es die Analysen von Multibeam
Wassersäulen Daten zu optimieren, z.B. im Hinblick auf die quantitative Auswertung von rückstreuenden Blasenströmen im Ozean. Das Reduzieren der sogenannten Beampattern bedingten Störungen ermöglicht eine bessere quantitative Auswertung. Die Analyse der Messunsicherheiten ermöglicht bei der Auswertung eine Angabe von Fehlerintervallen welche im derzeit bekannten Stand der Technik nicht gelöst wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, eine bekannte Geometrie, z.B. einen flachen Boden, Hang oder auch eine anderweitig bekannte Bathymetrie oder
Kalibrierobjekte, auszunutzen und per analyse-durch-Synthese Datensätze für ein zu erwartendes Fächerecholotbild zu erzeugen. Durch Vergleich dieses erwarteten
Fächerecholotbildes mit dem tatsächlich aufgenommenen Fächerecholotbild, können
Rückschlüsse auf die Kalibrierung getroffen werden die vorrichtungstechnisch verarbeitet werden.
Dabei wird z.B. ausgenutzt, dass die eintreffenden Signale tatsächlichen Bodenpunkten zugeordnet werden können. Hingegen können Antworten die aus Richtungen detektiert werden, in denen zur gegebenen Zeit kein Signal zu erwarten war, als "halluziniertes Signal"/Anomalie identifiziert werden. Durch Nutzung einer oder mehrerer Datensätze, dieser
Fächerecholotbilder, eines bekannten Bodens (insbesondere auch Ausnutzung leicht unterschiedlicher Gier-/Nick/-Rollwinkel des Schiffes oder verschiedener relativer Lagen zum bekannten Boden) wird dann eine Kalibrierung erstellt. Diese kann z.B. in einer Winkel-/Winkel- Matrix kopiert werden, in der für jeden tatsächlichen Empfangswinkel die relativen Stärken der halluzinierten Antworten in den anderen Winkel abgelegt werden.
In Wassersäulenbildern aktueller Fächerecholotbilder ist diese Art der Kalibrierinformationen nicht verfügbar, die eine quantitative und sogar qualitative Auswertung und Nutzung der Ergebnisse bereitstellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Kalibrierinformationen derart zu nutzen, dass erkannt wird, wo im Fächerecholotbild einer Messung ein potentielles ideales Signal von einem Nebenkeuleneffekt überlagert wird und weiter Aussagen darüber zu treffen, wie stark dieser Effekt ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, festzustellen wie die tatsächliche Auflösung des Fächerecholotes bei einem vorgegebenen Wnkel ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, im Fall einer Messung welche gestört ist mit Hilfe der Kalibrierinformation einen dem ungestörten Datensatz nahe kommenden Datensatz zu erzeugen, d.h. auf das wahrscheinlichste ideale Fächerecholotbild unter Ausnutzung eines Analyse-durch-Synthese-Prinzips zurück zu schließen.
Weiter kann in Fällen, in denen dieses Prinzip kein eindeutiges Ergebnis liefert aus den möglichen idealen Fächerecholotbildern je nach Anwendungsszenario dasjenige mit der geringsten Energie, z.B. mit der geringsten Anzahl Objekte oder auch mit der maximal möglichen Anzahl Objekte ausgewählt werden. Für den Auswerter/Betrachter sind dann in diesen Bildern keine oder nur geringe Nebenkeuleneffekte sichtbar, was ein Erkennen oder Auswerten und Quantifizieren erheblich vereinfacht.
Gelöst werden diese Aufgaben mit einer oder mehreren Merkmalskombinationen gemäß den folgenden Ansprüchen.
Das Anomalien-Detektions- / -Prognose- / -Messverfahren in einem Medium oder einer Wassersäule mit Datensätzen, die durch ein Fächerecholotsystem erstellbar sind, unter
Berücksichtigung von Sensor- / Antenneneffekten und/oder Beam- / Dateneffekten, wobei ein modellierter Datensatz einer bekannten Topologie in dem Medium oder der Wassersäule mit einem gemessenen Datensatz der bekannten Topologie verglichen wird, weist mindestens einen, bevorzugt genau drei der nachfolgenden Schritte auf: - Kalibrieren einer Richtcharakteristik / Beampattern eines Messsystems des
Fächerecholotsystems
und/oder
- Reduzieren von Störungen welche durch ein Messsystem des Fächerecholotsystems verursacht werden, insbesondere durch Erzeugen eines idealen Datensatzes für ein ideales Fächerecholotbild
und/oder
- Bestimmen von Messunsicherheiten in verschiedenen Bereichen der Datensätze für ein Fächerecholotbild.
Die Kalibrierung einer Richtcharakteristik / Beampattern eines Messsystems mit zumindest einer Sensorik / Antenne des Fächerecholotsystems, können das Übersprechverhalten der zumindest einen Sensorik / Antenne beeinflussen.
Die idealen Datensätze können in einer Datenbank archiviert und für den Einsatz in
Fächerecholotsystemen vorgehalten werden.
Das Verfahren zur Kalibrierung eines Fächerecholotsystems für die Vermessung eines
Mediums oder einer Wassersäule, wobei die Kalibrierung K eines ersten Datensatzes D oder eines gestörten Fächerecholotbildes und eines zweiten Datensatzes C oder eines idealen, modellierten Fächerecholotbildes für ein kalibriertes Fächerecholotbild erfolgt mit mindestens den folgenden Schritten:
- Erzeugen eines gemessenen Datensatzes einer bekannten Topologie;
- Erzeugen eines modellierten Datensatzes der bekannten Topologie;
- Bestimmen eines ersten Beamformers des gemessenen Datensatzes
- Simulation/Modellierung eines idealen zweiten Beamformers
- Erzeugen eines ersten Datensatzes D aus dem gemessenen Datensatz mit dem bestimmten ersten Beamformer
- Erzeugen eines zweiten Datensatzes C aus dem modellierten Datensatz mit dem idealen, zweiten Beamformer
- Vergleich der Datensätze D mit C
und
- Erzeugen eines kalibrierten Richtcharakteristik K (Beampattern/Beamverteilung) nach einer Gleichung nach der K=(C"1 x D)T eines Messsystems des Fächerecholotsystems, bevorzugt der Sensorik / Antennen.
Das Verfahren zur Störungsreduktion eines gemessenen Datensatzes durch ein
Fächerecholotsystems für die Vermessung eines Mediums oder einer Wassersäule mit einer bekannten kalibrierten Richtcharakteristik K (Beampattern/Beamverteilung) eines Messsystems des Fächerecholotsystems umfasst die folgenden Schritte:
- Erzeugung eines gemessenen Datensatzes einer Topologie;
- Bestimmung des Beamformers des gemessenen Datensatzes
- Erzeugen eines Datensatzes D aus dem gemessenen Datensatz mit dem bestimmten
Beamformer
- Störungsreduktion durch Lösen einer Gleichung für einen Datensatz C, nach C T =K"1 x DT ; wobei D der erste Datensatz mit einer kalibrierten Richtcharakteristik K
(Beampattern/Beamverteilung) eines Messsystems des Fächerecholotsystems, bevorzugt der Sensorik / Antennen ist.
Das Bestimmungs- / Detektionverfahren von Messunsicherheiten eines Fächerecholotsystems für die Vermessung eines Mediums oder einer Wassersäule, mit einem ersten Datensatz Creduziert und einer bekannten kalibrierten Richtcharakteristik K (Beampattern/Beamverteilung) eines Messsystems des Fächerecholotsystems umfasst die Schritte:
- Bereitstellung des ersten Datensatzes Creduziert einer Topologie;
- Bereitstellung der kalibrierten Richtcharakteristik K
- Simulation/Modellierung eines Beamformers
- Erzeugen eines zweiten Datensatzes Deduziert aus dem ersten Datensatz Creduziert mit dem simulierten/modellierten Beamformer
- Bestimmung einer Messunsicherheit S durch Lösen einer Gleichung S=
Creduziert " Dreduziert, WObei DT = K X C T .
Die Vorrichtung ist mit zumindest einem Datenträger und zumindest einer
Datenübertragungsschnittstelle, die eine daten- und kommunikationstechnische Kompatibilität zu mindestens einem Fächerecholotsystem vorhält, zur Integration und/oder Adaption an das jeweilige Fächerecholotsystem ausgestattet, um wenigstens das hier offenbarte
erfindungsgemäße Verfahren nach einem oder einer Kombination mehrerer der aufgeführten Merkmalskombinationen gemäß den Ansprüchen für Datensätze des jeweiligen
Fächerecholotsystems bereitzustellen.
Der zumindest eine Datenträger kann eine Datenbank vorhalten, die zur Archivierung von Datensätzen ausgelegt ist.
Der zumindest eine Datenträger kann eine Datenbank vorhalten, die Datensätze zu einer Richtcharakteristik (Beampattern) eines Messsystems jeweiliger Fächerecholotsystems speichert und fortschreibt. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen in der Figurenbeschreibung detailliert beschrieben, wobei diese die Erfindung erläutern sollen und nicht beschränkend zu werten sind:
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfinderischen Verfahrens zur Detektion und
Prognose von Störungen/Anomalien unter Berücksichtigung von Sensor-
/Antenneneffekten und BearrWDateneffekten in Medien;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfinderischen
Verfahrensschritts der Kalibrierung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfinderischen
Verfahrensschritts der Störungsreduktion und
Fig. 4 eine schematische Darstellung des erfinderischen Verfahrensschritts der Detektion von
Messunsicherheiten. In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des erfinderischen Verfahrens zur Detektion und
Prognose von Störungen/Anomalien unter Berücksichtigung von Sensor-/Antenneneffekten und BearrWDateneffekten in Medien gezeigt.
Das Verfahren weist zumindest einen der folgenden Schritte auf:
Kalibrierung der Richtcharakteristik (Beampattern) des Messsystems
- Reduktion von Störungen welche durch das Messsystem verursacht werden
(Erzeugen des idealen Bildes, d.h. Datensätze für ein ideales Fächerecholotbild) Bestimmen von Messunsicherheiten in verschiedenen Bereichen des Bildes, d.h. der Datensätze für ein Fächerecholotbild.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfinderischen Verfahrensschritts der Kalibrierung.
Die Kalibrierung des Systems erfolgt durch die Vermessung einer bereits bekannten Szene, bzw. Geometrie von welcher bereits ein physikalisches Modell existiert. Dies kann
beispielsweise der Ozeanboden seine welcher zuvor hoch genau vermessen wurde. Das mit dem Fächerecholot erzeugte Akustische Bild wird fortan gestörtes Bild (oder auch nur D) genannt. Die reale Messung mit einem Simulator nachgestellt welcher aus der bekannten Geometrie ein ideales Sensorbild erzeugt (C), d.h. ohne die Verschmierung durch die
Beampattern. Durch den Vergleich des idealen und des gestörten Bildes können die
Beampattern zurückgerechnet werden. Um die so kalibrierte Beampattern robuster gegenüber Rauschen und anderen (Beampattern unabhängigen) Artefakten der realen Messung zu machen, können mehrerer akustische Bilder verwendet, und a priori Annahmen über die Beampattern getroffen werden.
In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfinderischen Verfahrensschritts der Störungsreduktion dargestellt.
Mit den kalibrierten Beampattern können nun die (Beampattern bedingten) Störungen der Messungen von beliebigen Szenen durch Invertierung reduziert werden und so die idealen Bilder erzeugt werden. Es ist dabei gegebenenfalls möglich das es für die Invertierung mehrere Lösungen (mehrere mögliche ideale Bilder) möglich sind. Um die Anzahl der Lösungen zu reduzieren können a priori Annahmen über die Szene getroffen werden, und verschiedene Regularisierungen verwendet werden (z.b. das gestörte Bild soll mit der minimalen Anzahl von realen Objekten erklärt werden).
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des erfinderischen Verfahrensschritts der Detektion von Messunsicherheiten
Durch den Vergleich des erzeugten idealen Bildes mit dem gestörten Bild ist es z.B. möglich zuzuordnen wo real detektierte Objekte durch die Beampattern starke virtuelle Signale erzeugt haben. Diese Informationen können benutzt werden um zu bestimmen ob es möglich wäre Objekte bestimmter Stärke in diesen Bereichen zu detektieren. So können z.B. Aussagen getroffen werden wie: Es wurden X Objekte detektiert welche die gemessene Szene erklären, Objekte der Stärke A1 wären auf jeden Fall detektiert worden hätten sie im WCI existiert oder Objekte der Stärke A2 wären detektiert worden, wenn sie in folgenden Bereichen existiert hätten usw.

Claims

A N S P R Ü C H E
Anomalien-Detektions- / -Prognose- / -Messverfahren in einem Medium oder einer Wassersäule mit Datensätzen, die durch ein Fächerecholotsystem erstellbar sind, unter Berücksichtigung von Sensor- / Antenneneffekten und/oder Beam- /
Dateneffekten, wobei ein modellierter Datensatz einer bekannten Topologie in dem Medium oder der Wassersäule mit einem gemessenen Datensatz der bekannten Topologie verglichen wird, mit mindestens einem der Schritte:
- Kalibrieren einer Richtcharakteristik / Beampattern eines Messsystems des Fächerecholotsystems
und/oder
- Reduzieren von Störungen welche durch ein Messsystem des
Fächerecholotsystems verursacht werden, insbesondere durch Erzeugen eines idealen Datensatzes für ein ideales Fächerecholotbild
und/oder
- Bestimmen von Messunsicherheiten in verschiedenen Bereichen der Datensätze für ein Fächerecholotbild.
Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kalibrierung einer Richtcharakteristik / Beampattern eines Messsystems mit zumindest einer Sensorik / Antenne des Fächerecholotsystems, das
Übersprechverhalten der zumindest einen Sensorik / Antenne beeinflusst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
ideale Datensätze in einer Datenbank archiviert und für den Einsatz in
Fächerecholotsystemen vorgehalten werden. Verfahren zur Kalibrierung eines Fächerecholotsystems für die Vermessung eines Mediums oder einer Wassersäule, wobei die Kalibrierung K
- eines ersten Datensatzes D oder eines gestörten Fächerecholotbildes
und
- eines zweiten Datensatzes C oder eines idealen, modellierten Fächerecholotbildes für ein kalibriertes Fächerecholotbild
mit mindestens folgenden Schritten erfolgt:
- Erzeugen eines gemessenen Datensatzes einer bekannten Topologie;
- Erzeugen eines modellierten Datensatzes der bekannten Topologie;
- Bestimmen eines ersten Beamformers des gemessenen Datensatzes
- Simulation/Modellierung eines idealen zweiten Beamformers
- Erzeugen eines ersten Datensatzes D aus dem gemessenen Datensatz mit dem bestimmten ersten Beamformer
- Erzeugen eines zweiten Datensatzes C aus dem modellierten Datensatz mit dem idealen, zweiten Beamformer
- Vergleich der Datensätze D mit C
und
- Erzeugen eines kalibrierten Richtcharakteristik K (Beampattern/Beamverteilung) nach einer Gleichung nach der K=(C"1 x D)T eines Messsystems des
Fächerecholotsystems, bevorzugt der Sensorik / Antennen.
Verfahren zur Störungsreduktion eines gemessenen Datensatzes durch ein
Fächerecholotsystems für die Vermessung eines Mediums oder einer Wassersäule mit einer bekannten kalibrierten Richtcharakteristik K (Beampattern/Beamverteilung) eines Messsystems des Fächerecholotsystems umfassend die folgenden Schritte:
- Erzeugung eines gemessenen Datensatzes einer Topologie;
- Bestimmung des Beamformers des gemessenen Datensatzes
- Erzeugen eines Datensatzes D aus dem gemessenen Datensatz mit dem
bestimmten Beamformer
- Störungsreduktion durch Lösen einer Gleichung für einen Datensatz C, nach C T =K"1 x DT ; wobei D der erste Datensatz mit einer kalibrierten
Richtcharakteristik K (Beampattern/Beamverteilung) eines Messsystems des Fächerecholotsystems, bevorzugt der Sensorik / Antennen ist. Bestimmungs- / Detektionverfahren von Messunsicherheiten eines
Fächerecholotsystems für die Vermessung eines Mediums oder einer Wassersäule, mit einem ersten Datensatz Creduziert und einer bekannten kalibrierten
Richtcharakteristik K (Beampattern/Beamverteilung) eines Messsystems des
Fächerecholotsystems umfassend die Schritte:
- Bereitstellung des ersten Datensatzes Creduziert einer Topologie;
- Bereitstellung der kalibrierten Richtcharakteristik K
- Simulation/Modellierung eines Beamformers
- Erzeugen eines zweiten Datensatzes Doziert aus dem ersten Datensatz Creduziert mit dem simulierten/modellierten Beamformer
- Bestimmung einer Messunsicherheit S durch Lösen einer Gleichung
S= Creduziert " Deduziert, WObei DT = K x C T .
Vorrichtung mit zumindest einem Datenträger und zumindest einer
Datenübertragungsschnittstelle, die eine daten- und kommunikationstechnische Kompatibilität zu mindestens einem Fächerecholotsystem vorhält, zur Integration und/oder Adaption an das jeweilige Fächerecholotsystem, um wenigstens ein Verfahren nach einem oder einer Kombination mehrerer der vorgenannten Ansprüche für Datensätze des jeweilige Fächerecholotsystems bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zumindest eine Datenträger eine Datenbank vorhält, die zur Archivierung von Datensätzen ausgelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zumindest eine Datenträger eine Datenbank vorhält, die Datensätze
Richtcharakteristik (Beampattern) eines Messsystems jeweiliger
Fächerecholotsystems speichert und fortschreibt.
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