Institut für Wasserschall,Sonartechnik und Signaltheorie

Sensorik

Entwurf hydroakustischer Sensoren

Primäres Ziel dieses Forschungsgebietes ist es, die physikalischen Grundlagenkenntnisse der mechanischen Schwingungs- und Wellentheorie beim Entwurf von Wandlern zur Schallerzeugung und zum Schallempfang anzu- wenden.

Das interessierende Wandlerspektrum erstreckt sich dabei vom Tiefstfrequenzwandler, der in der Seismik und in passiven Sonaren eingesetzt wird, bis hin zum Ultraschallwandler, der Anwendung in akustischen Abbildungs- systemen der medizinischen Diagnostik, der bildgebenden Sonartechnik sowie der zerstörungsfreien Materialprüfung findet.

Mit dem Einsatz immer ausgefeilterer Messdatenanalyseverfahren steigen die Anforderungen an den Informations- inhalt der Messsignale und damit an das Übertragungsverhalten zukünftiger Schallwandler insbesondere hinsichtlich ihrer Bandbreite. Das Design derartiger Schallwandler erfordert komplexe Simulationswerkzeuge auf Basis der Finiten Elemente Methode (FEM).

Aus diesem Grund konzentrieren sich die Forschungsaktivitäten im Bereich der Sensorik auf die Anpassung und Anwendung kommerziell verfügbarer FEM-Werkzeuge für den Entwurf elektroakustischer Wandlern hoher Güte und Bandbreite sowie die Optimierung des Aufbaus von Wandlergruppen hinsichtlich des Wechselwirkungsverhaltens benachbarter Wandler und der akustischen Ankopplung der Schallwandler an das Ausbreitungsmedium.

Entwurf hydroakustischer Sensorgruppen (Antennen)

Unter einer Sensorgruppe (Antenne) wird eine geometrische Anordnung von Einzelwandlern verstanden. Durch eine spezielle Verarbeitung der einzelnen Wandlersignale (Beamforming) gelingt es, nur noch Signale von den Schall- quellen zu empfangen, deren Schallwellen aus Richtungen auf die Sensorgruppe einfallen, die innerhalb eines vor- definierten Raumwinkelbereiches liegen (Raumfilterung).

Anwendungsbereiche des Beamforming sind Sensorgruppen in der Radar- und Sonartechnik sowie in der seismi- schen Exploration und der mobilen Kommunikation. Die Raumfilterwirkung des Beamforming hängt vom Aufbau der Sensorgruppe, d.h. von der Anzahl und der geometrischen Anordnung der Wandler ab.

Die Aufgabe des Entwurfs von 1D, 2D und 3D Antennen besteht nun darin eine Wandleranordnung zu bestimmen, die mit der geringsten Anzahl von Wandlern bzw. durch optimierte Amplituden- und Phasenstaffelung der Einzel- wandler die geforderte Empfangs- bzw. Senderichtwirkung (Beampattern) liefert.

Da diese Klasse von Optimierungsproblemen mit den bekannten und insbesondere mit den ableitungsbasierten Ver- fahren, z. B. der Gradienten- und Newton-Raphson-Methode, nur unbefriedigend (Konvergenzeigenschaften) oder gar nicht (Differenzierbarkeitsanforderungen) gelöst werden kann, sind alternative Optimierungsverfahren zu ent- wickeln.

Forschungsziele sind deshalb die Erarbeitung neuer und die Anwendung robuster Optimierungsalgorithmen für den Antennenentwurf. Als vielversprechende Optimierungsstrategien werden dabei der aus der Evolutionstheorie hervor- gegangene genetische Algorithmus sowie das aus der Festkörperphysik abgeleitete Simulated Annealing Verfahren angesehen.

Daten-Akquisition

Die Sensorsignale akustischer Abbildungssysteme können eine Dynamik größer 160 dB aufweisen. Mit verfügbaren Analog-Digital-Wandlern (ADW) ist aber nur ein Dynamikbereich von maximal 120 dB realisierbar. Um die Sensor- signale dennoch unverfälscht abtasten und digitalisieren zu können, ist eine optimale Aussteuerung der ADW mit Hilfe einer signalabhängigen Verstärkungssteuerung notwendig.

Hydroakustische Sensorsysteme verwenden zu diesem Zweck eine sogenannte Automatic-Gain-Control (AGC). Hierbei wird die Verstärkung in Abhängigkeit von der geschätzten momentanen Signalleistung geregelt. Die Regel- geschwindigkeit wird dabei im wesentlichen von der Integrationszeit für die Leistungsschätzung bestimmt. Während große Integrationszeiten zu einem zu trägen und damit unangepassten Regelverhalten führen, können durch zu geringe Integrationszeiten wesentliche Signalbestandteile herausgeregelt werden.

Eine Alternative zur AGC stellt der Einsatz einer Time-Variable-Gain (TVG) dar. Bei einer TVG wird während eines jeden Messzyklus eine fest vorgegebene Verstärkerkennlinie durchlaufen. Damit man den Änderungen der Schall- ausbreitungsbedingungen adäquat folgen kann, sollte zusätzlich noch eine Adaption der Kennlinie von Messzyklus zu Messzyklus möglich sein. In diesem verallgemeinerten Fall spricht man dann auch von einer Adaptive-Time- Variable-Gain (ATVG).

Aufbauend auf die in der Lehre vermittelten Grundlagen zur Digitalisierung analoger Signale werden im Rahmen der Forschung spezielle Themen zur Optimierung der aus Vorverstärker, AGC bzw. ATVG, Mischer, Anti-Aliasing- und Pre-Whitening-Filter sowie ADW bestehende Signalvorverarbeitungskette bearbeitet.