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Sonar-Array-Systeme (Hydrofon-Arrays) für industrielle, wissenschaftliche und militärische Anwendungen

Joe Macey

Aktualisiert:

Ein Sonar-Array besteht aus mehreren Hydrophonen (Unterwasser-Akustiksensoren), die in bestimmten Geometrien – linear, planar, sphärisch, zylindrisch und konform – angeordnet sind, um Schallwellen aus der Unterwasserumgebung zu erfassen. Durch die Verarbeitung der Zeitunterschiede und Phasenverschiebungen der an jedem Hydrofon ankommenden Schallsignale führt das System eine Strahlformung durch, wodurch Signale aus bestimmten Richtungen verstärkt und Störgeräusche unterdrückt werden.

Array vs. Einzelhydrofon

Ein einzelnes Hydrofon erfasst zwar den Schalldruck, kann jedoch weder die Richtung der Quelle bestimmen noch Störungen unterdrücken. Ein Hydrofon-Array bietet:

  • Richtwirkung durch Beamforming, wodurch Peilung, Zielverfolgung und Schiffsverfolgung ermöglicht werden.
  • Verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis durch kohärente Kombination mehrerer Sensoren.
  • Erweiterung der Reichweite durch Verwendung lauterer Emissionen in aktiven Modi und Kombination langer Arrays.

Arten von Sonar-Arrays für den Nicht-Verbrauchergebrauch

Lineare Arrays und Schlepparrays

  • Lineare/horizontale Arrays: Hydrophone in einer Linie oder einem Zylinder; werden an der Backbordseite von Schiffen oder Bojen zur Umweltüberwachung, U-Boot-Erkennung und Überwachung von Meeressäugern eingesetzt.
  • Schleppsonar: wird hinter einem Schiff an einem Schleppkabel gezogen; variable Tiefe für die Erkennung und Überwachung von Schiffen oder U-Booten. Erfordert Schleppsonar-Technik und Trägheitssensoren zur Positionierung.

Planare, konforme und sphärische Arrays

  • Planare Arrays: flache Gitter, die auf AUVs oder Meeresbodeninstallationen verwendet werden; geeignet für die Unterwassernavigation, die Hindernisvermeidung und hydrografische Vermessungen.
  • Konforme Arrays: in Schiffsrümpfe, ROVs oder ASVs integriert und an Oberflächen angepasst; optimal für Minenbekämpfung, Öl- und Gasvermessungen sowie Offshore-Inspektionen.
  • Sphärische Arrays: 3D-Orientierung mit nahezu omnidirektionaler Erkennung; ideal für akustische Kommunikation, Unterwasserarchäologie, Kartierung des Meeresbodens und bathymetrische Vermessungen.

Zylindrische, SOSUS-, Flank-, Bug- und vertikale Linienarrays

Multibeam-Sonar von Teledyne Marine

Flachwasser-Multibeam-Echolot SeaBat von Teledyne Marine.

  • Zylindrische Arrays: umhüllen Strukturen wie Bojen oder Türme; werden zur Kartierung des Meeresbodens, zur Inspektion von Pipelines und zur Hafenüberwachung eingesetzt.
  • SOSUS-Hydrofon-Arrays: Feste großflächige Meeresbodensensornetze für die Überwachung großer Gebiete und die U-Boot-Bekämpfung.
  • Flanken- oder Bug-Arrays: An den Seiten oder am Rumpf eines Schiffes angebracht, werden sie in aktiven Sonar-Array-Systemen zur U-Boot-Ortung eingesetzt.
  • Vertikale Linien-Arrays: werden von Überwasserschiffen aus eingesetzt, um tiefenschichtige Ziele und Bodenreflexionen zu erkennen; nützlich für die hydroakustische Forschung.

Multibeam- und Synthetic-Aperture-Sonar

  • Multibeam-Sonar: sendet fächerförmige Signale aus, um die Topografie des Meeresbodens zu kartieren (bathymetrische Vermessungen), wird mit präzisen Navigationssystemen für eine genaue 3D-Kartierung verwendet.
  • Synthetic Aperture Sonar (SAS): Kombiniert die Bewegung des Schiffes oder AUV mit beamgeformten Daten, um hochauflösende 3D-Bilder der Meeresbodenmerkmale zu erzeugen. Wird bei Pipeline-Inspektionen, Unterwasser-Infrastrukturinspektionen, Minensuche und maritimer Überwachung eingesetzt.

Wichtige Komponenten von Sonar-Arrays

  • Hydrofon/Wandler: zentrale akustische Sensoren.
  • Verstärker und Empfänger: Verstärkung der Signalstärke.
  • Multiplexer: verwaltet mehrere Hydrophonsignale, die in den DSP eingespeist werden.
  • DSP & digitaler Signalprozessor: erforderlich für Beamforming und die Verarbeitung von Arrays.
  • Datenerfassungssysteme und Telemetrieeinheiten: Zeichnen Daten auf und unterstützen die Echtzeitüberwachung.
  • Steuermodule und Telemetrie: Überwachen Einstellungen, Navigation und Kommunikation.

Trägheitssensoren und GNSS/GPS gewährleisten eine genaue Positionierung und Ausrichtung des Systems.

Anwendungen von Sonar-Array-Systemen

Umwelt- und wissenschaftliche Überwachung

Arrays auf Bojen und Meeresbodeninstallationen unterstützen die Überwachung von Meeressäugern, die Kartierung des Meeresbodens und die langfristige akustische Forschung.

Überwachung von Schleppnetzen und Fischereiforschung

Sonar-Arrays, insbesondere lineare und planare Konfigurationen, werden bei der Schleppnetzüberwachung eingesetzt, um das Verhalten der Netze, die Dichte der Fischschwärme und die Identifizierung der Arten in Echtzeit zu verfolgen. Diese Systeme tragen zur Optimierung der Fangeffizienz bei gleichzeitiger Minimierung der Umweltbelastung bei und werden häufig mit akustischen Sensoren und digitalen Signalprozessoren für eine präzise Datenerfassung in der Fischereiforschung und -bewirtschaftung kombiniert.
Offshore-Inspektion und Infrastruktur
[Bildunterschrift id=”attachment_21952″ align=”alignright” width=”351″]Sonar-Array-System von NORBIT Subsea Multibeam-Sonarsystem Norbit Winghead von Norbit Subsea.[/caption]

Konforme und Multibeam-Arrays auf ROVs und AUVs führen Pipeline-Inspektionen, Meeresbodenvermessungen und Infrastrukturbewertungen mit hochauflösender Bildgebung und Standortnavigation durch.
Unterwasserkartierung und hydrografische Vermessungen
Multibeam- und SAS-Arrays liefern detaillierte bathymetrische Karten für Navigationskarten, Kabeltrassenplanung und wissenschaftliche Vermessungen.
Unterwasserkommunikation und -navigation
Arrays ermöglichen die akustische Kommunikation zwischen Unterwasserfahrzeugen oder mit Schiffen an der Oberfläche. Navigationsorientierte Arrays auf AUVs, ROVs oder Tauchbooten gewährleisten Kollisionsvermeidung und genaue Positionierung.
Schiffs- und Hafensicherheit
Sonar-Arrays ermöglichen die passive Erkennung von sich nähernden Schiffen oder U-Booten, während aktive Schlepp- und Rumpf-Arrays eine umfassende Sicherheitsabdeckung bieten. Sonare mit variabler Tiefe (VDS) und Tauchsonare sind für ASW- und Hafensicherheitsmissionen unerlässlich.

Militär und Verteidigung

Feste SOSUS-Arrays und mobile Schlepp-Arrays unterstützen die U-Boot-Bekämpfung, die U-Boot-Erkennung und die maritime Überwachung. Bug- und Flanken-Arrays ermöglichen die aktive Erkennung von Marineschiffen.

Nischenanwendungen

  • Unterwasserarchäologie: Nicht-invasive Bildgebung mittels SAS oder Multibeam zur Kartierung von Artefakten.
  • Fischereiforschung: Arrays erkennen und verfolgen Fischschwärme.
  • Pipeline-Überwachung: Identifizierung von Lecks, Beschädigungen oder Ankerbeschädigungen mithilfe von verankerten Arrays in der Nähe kritischer Anlagen.

Überlegene Erkennung, Navigation, Bildgebung und Kommunikation

Sonar-Array-Systeme, die von einfachen linearen Draht-Arrays bis hin zu hochentwickelten konformen und sphärischen Konfigurationen reichen, sind aus dem maritimen Betrieb nicht mehr wegzudenken. Durch die Integration mehrerer Hydrophone, fortschrittlicher Elektronik und beamforming-fähiger digitaler Signalprozessoren (DSPs) erreichen diese Systeme überlegene Fähigkeiten in den Bereichen Erkennung, Navigation, Bildgebung und Kommunikation. Ihre Anwendungsbereiche erstrecken sich über Verteidigung, Offshore, Wissenschaft und Umwelt und liefern präzise akustische Erkenntnisse, die für Unterwasseroperationen von entscheidender Bedeutung sind.