Primäres Ziel dieses Forschungsgebietes ist es, die physikalischen Grundlagenkenntnisse der mechanischen Schwingungs- und Wellentheorie beim Entwurf von Wandlern zur Schallerzeugung und zum Schallempfang anzuwenden.
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 Abbildungssystemen der medizinischen Diagnostik, der bildgebenden Sonartechnik sowie der zerstörungsfreien Materialprüfung findet.
Mit dem Einsatz immer ausgefeilterer Messdatenanalyseverfahren steigen die Anforderungen an den Informationsinhalt 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.
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 Schallquellen zu empfangen, deren Schallwellen aus Richtungen auf die Sensorgruppe einfallen, die innerhalb eines vordefinierten Raumwinkelbereiches liegen (Raumfilterung).
Anwendungsbereiche des Beamforming sind Sensorgruppen in der Radar- und Sonartechnik sowie in der seismischen 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 Einzelwandler die geforderte Empfangs- bzw. Senderichtwirkung (Beampattern) liefert.
Da diese Klasse von Optimierungsproblemen mit den bekannten und insbesondere mit den ableitungsbasierten Verfahren, z. B. der Gradienten- und Newton-Raphson-Methode, nur unbefriedigend (Konvergenzeigenschaften) oder gar nicht (Differenzierbarkeitsanforderungen) gelöst werden kann, sind alternative Optimierungsverfahren zu entwickeln.
Forschungsziele sind deshalb die Erarbeitung neuer und die Anwendung robuster Optimierungsalgorithmen für den Antennenentwurf. Als vielversprechende Optimierungsstrategien werden dabei der aus der Evolutionstheorie hervorgegangene genetische Algorithmus sowie das aus der Festkörperphysik abgeleitete Simulated Annealing Verfahren angesehen.
Um die Leistungsfähigkeit aktiver und passiver Sensorgruppensysteme beurteilen und eine problemangepasste Analyse und Verarbeitung der Sensorgruppensignale durchführen zu können, ist eine physikalische Modellierung der erzeugten und empfangenen Wellenfelder unerlässlich. Der physikalischen Modellbildung kommt insbesondere durch den Einsatz immer leistungsfähigerer Signal-Prozessoren und der damit verbundenen Realisierbarkeit immer aufwendigerer Signalverarbeitungsverfahren eine wachsende Bedeutung zu.
Die Forschungstätigkeiten auf dem Gebiet der Schallausbreitungsmodellierung bestehen in einer stetigen Beobachtung der theoretischen und experimentellen Forschungsaktivitäten, in einer Beurteilung der Relevanz der neuen Forschungsergebnisse für die akustische Messtechnik sowie gegebenenfalls in einer Aktualisierung und Ergänzung der eigenen Schallausbreitungsmodelle.
Akustische Abbildungssysteme werden z. B. in der Ozeanographie zur bildlichen Darstellung des Meeresbodens und der darauf befindlichen Objekte eingesetzt. Die Qualität solcher bildgebenden akustischen Sensorsysteme ist stark vom Rückstreuverhalten der interessierenden Objekte im Vergleich zum Rückstreuverhalten des rauen Meeresbodens abhängig.
Mithilfe des Rückstreumaßes eines Objektes kann dessen Detektierbarkeit a priori bestimmt werden. Für einfache geometrische Objekte liegen Formeln zur Berechnung der Rückstreumaße in tabellierter Form vor. Zur Beurteilung des Rückstreuverhaltens komplexer geometrischer Körper sind Simulationsmodelle unter Ausnutzung der Boundary Elemente Methode (BEM) bzw. Finiten Elemente Methode (FEM) zu entwickeln, die eine Bestimmung des Rückstreumaßes in Abhängigkeit von Frequenz, Bandbreite, Pulsform und vom Aspektwinkel gestattet.
Mithilfe sogenannter nichtlinearer Schallquellen ist es möglich, niederfrequente hochauflösende Abbildungssysteme in kompakter Form aufzubauen. Eine nichtlineare Schallquelle setzt sich dabei aus einem Pumpwandler für zwei hochfrequente Primärwellen und einem Wechselwirkungsbereich, in dem infolge nichtlinearer Schallausbreitungsphänomene eine niederfrequente Sekundärwelle entsteht, zusammen. Die Ausdehnung des Wechselwirkungsbereiches (Länge und Breite), die von der Richtcharakteristik und dem Dämpfungskoeffizienten der Primärwellen abhängt, definiert die Eigenschaften der Sekundärwelle.
Die Forschungsaufgabe auf dem Gebiet der nichtlinearen Akustik ist es, ein Modell zu entwickeln, das die Eigenschaften einer nichtlinearen Schallquelle (Entstehung und Ausbreitung der Sekundärwelle) so genau beschreibt, dass es als integraler Bestandteil eines Entwurfswerkzeugs für nichtlineare Schallquellen Anwendung finden kann.
Die Messwertverarbeitung von Sensorgruppensignalen nimmt in den Anwendungsbereichen der
eine zentrale Stellung ein.
Die am IWSS auf dem Gebiet der Messwertverarbeitung behandelten Forschungsfelder sind hier zusammengestellt.
Wissenschaftlicher Angestellter
Institut für Wasserschall, Sonartechnik und Signaltheorie (IWSS)
Tel.: +49 421 5905 3512
Rene Ramson received the Dipl.-Ing. (B.Sc.) degree from Fachhochschule Zittau/Görlitz (University of Applied Sciences), Görlitz, Germany in 1982 and the Dipl.-Ing. (M.Sc.) degree from Dresden University of Technology, Dresden, Germany in 1990, in industrial electronics and information technology respectively.
From 1990-1999 he was with Vero Electronics, Bremen, Germany as a designing engineer for power supplies. In 1999 he joint the Faculty of Electrical Engineering and Computer Science at the Hochschule Bremen - University of Applied Sciences, where he has been responsible for the power electronics and power grid laboratories.
Since September 2009 he is affiliated to the Engineering Acoustics Laboratory as well as to the Institute of Water-Acoustics, Sonar-Engineering and Signal-Theory (IWSS) at the Hochschule Bremen, where he is now designing instrumentation and measurement electronics, especially power amplifier and signal conditioning components for activ sonar systems.
Areas of interest
o Power and Measurement Electronics
o Audio and Video Signal Conditioning
o Power Amplifier for Piezo-Ceramic Sound Transducers
o Microphone Array Processing
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Institut für Wasserschall, Sonartechnik und Signaltheorie (IWSS)
E-Mail: ziliang.qiao@ieee.org
Tel.: +49 421 5905 3470
Ziliang Qiao received his bachelor's degree in Electronics and Information Engineering in July 2010 and master's degree in signal and information processing in April 2013, both from Northwestern Polytechnical University, China. His bachelor graduation project is to develop a simulation system for real-time underwater target detection and parameter estimation. His master thesis focuses on robust DOA estimation algorithm in impulsive noise environment.
Since September 2013 he is conducting research as an external PhD candidate of SPG, TU Darmstadt in the Institute of Water-Acoustics, Sonar-Engineering and Signal-Theory (IWSS) at the Hochschule Bremen - City University of Applied Sciences. His research is supported by a Chinese Scholarship Council (CSC) scholarship under the State Scholarship Fund of China. He is working towards his PhD degree on the application of compressive sensing for active and passive Sonar applications, and he is especially interested in high resolution synthetic aperture sonar imaging.
Areas of current research
o Underwater Acoustics and Sonar Signal Processing
o Synthetic Aperture Sonar (SAS)
o Motion Compensation and Interferometric SAS
o Compressive Sensing and its Application for SAS
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Bergische Universität Wuppertal / ATLAS ELEKTRONIK GmbH
Institut für Wasserschall, Sonartechnik und Signaltheorie (IWSS)
Lehrbeauftragter
Fakultät für Elektrotechnik und Informatik
E-mail: christoph.zimmer@atlas-elektronik.com
Tel.: +49 421 457 1098
Christoph Zimmer received the M.Sc. degree in Electronics Engineering from the Hochschule Bremen - City University of Applied Sciences, Germany, in November 2015.
Within a joint research project between the Institute of Water-Acoustics, Sonar-Engineering and Signal-Theory (IWSS) and ATLAS ELEKTRONIK GmbH, Bremen, he prepared his Master Thesis entitled “Development of a Simulation Environment for the Design of a Sonar Signal Processing Chain”. His Bachelor Thesis entitled “Mean Shift Algorithmus zur Bildsegmentierung” was also part of a research collaboration between the IWSS and ATLAS ELEKTRONIK GmbH.
Since March 2016 Christoph Zimmer is working as a research associate at the University of Wuppertal in collaboration with ATLAS ELEKTRONIK GmbH and the IWSS at the Hochschule Bremen. He is working towards his PhD degree in the field of Numerical Methods for Designing and Optimizing active and passive sonar antannae. Furthermore, he is lecturer at the faculty of Electrical Engineering and Computer Science where he is teaching Mathematics for Engineers as well as Underwater Acoustics and Sonar Signal Processing.
Areas of current research
o Underwater Acoustics
o Sonar Signal Processing and Beamforming
o Sonar Transducer and Array Design
o Numerical Methods / Optimization
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Institut für Wasserschall, Sonartechnik und Signaltheorie (IWSS)
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Institut für Wasserschall, Sonartechnik und Signaltheorie (IWSS)
Lehrbeauftragter
Hochschule Bremen
Institut für Wasserschall, Sonartechnik und Signaltheorie (IWSS)
Neustadtswall 30
28199 Bremen
Germany
