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  6. Institut für Wasserschall, Sonartechnik und Signaltheorie (IWSS)

Institut für Wasserschall, Sonartechnik und Signaltheorie (IWSS)

Über das Institut

Das IWSS forscht zu folgenden Themen:

  • 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 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.

    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 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.

  • Modellierung der Wellenausbreitung

    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. 

    Modellierung des Rückstreuverhaltens von Objekten

    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.

    Modellierung nichtlinearer Phänomene

    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

    • passiven Ortung, z.B. beim passiven Sonar und bei der interferometrischen Radioastronomie, bei dem die Struktur des Ausbreitungsmediums als bekannt vorausgesetzt wird und die Anzahl, der Ort und die Leistung einer Signalquelle aus den Sensorgruppendaten bestimmt werden sollen,
    • aktiven Ortung, z. B. beim Radar und aktiven Sonar, bei dem eine Welle im allgemeinen gerichtet ausgesendet wird, um anschließend deren, an einem Objekt reflektierte Welle zu analysieren,
    • Erkundung, z. B. in der Geophysik und Medizintechnik, bei dem man aus dem abgetasteten Wellenfeld Informationen über das Ausbreitungsmedium gewinnen will, wobei die Parameter der Signalquellen bekannt sind,

    eine zentrale Stellung ein.

    Die am IWSS auf dem Gebiet der Messwertverarbeitung behandelten Forschungsfelder sind hier zusammengestellt.

Weitere Informationen

  • Externe Website des Instituts

Publikationen

    • [112] Y. Steiniger, D. Kraus, and T. Meisen,  "Generating Synthetic Sidescan Sonar Snippets Using Transfer- Learning in Generative Adversarial Networks",  in Jornal of Marine Science and Engineering (JMSE), 2021
    • [111] Y. Steiniger, J. Stoppe, T. Meisen and D. Kraus,  "Dealing with highly unbalanced Sidescan Sonar Image Datasets for Deep Learning Classification Tasks",  in Proc. of the IEEE Int. Conf. on Oceanic Engineering (Global Oceans 2020), Singapore - U.S. Gulf Coast, 2020
    • [110] C. Ye, H. Liang, Z. Qiao and D. Kraus, "Performance Analysis of Coherent CSAS Imaging using Bandpass Signals",  in Proc. of the IEEE Int. Conf. on Oceanic Engineering (Global Oceans 2020), Singapore - U.S. Gulf Coast, 2020
    • [109] I. Aleksi, T. Matic, B. Lehmann and D. Kraus, "Robust A*-Search Image Segmentation Algorithm for Mine-like Objects Segmentation in SONAR Images", International Journal on Electrical and Computer Engineering Systems (IJECES), Vol. 11, No 2, pp. 1-11, 2020
    • [108] C. Ye, Z. Qiao, H. Liang and D. Kraus, "Investigation of the point spread function of SAS and CSAS imaging using bandpass signals",  in Proc. of the  46th Annual Conference on Acoustics (DAGA 2020), Hannover, Germany, 2020
    • [107] C. Zimmer, N. Theuerkauf, D. Kraus and A. Kummert, "Transmitter Pattern Optimization Model for Conformal Contour Design",   in Proc. of the 5th International Underwater Acoustics Conference & Exhibition (UACE 2019), Crete, 2019
    • [106] M. Buß, S. Benen, D. Kraus and A. Kummert, "False Alarm Reduction for Active Sonars using Deep Learning Architectures",  in Proc. of the Underwater Defence Technology (UDT 2019), Stockholm, 2019
    • [103] Z. Qiao, M. Buß, C. Zimmer, D. Kraus and A.M. Zoubir, "Investigation on Point Spread Function of MIMO SAS with Frequency Modulated Waveforms",  in Proc. of the IEEE Int. Conf. on Oceanic Engineering (Oceans 18), Charleston, USA, 2018
    • [104] M. Buß, Y. Steiniger, S. Benen, D. Kraus, A. Kummert and D. Stiller, "Hand-Crafted Feature Based Classification against Convolutional Neural Networks for False Alarm Reduction on Active Diver Detection Sonar Data",  in Proc. of the IEEE Int. Conf. on Oceanic Engineering (Oceans 18), Charleston, USA, 2018
    • [103] C. Zimmer, N. Theuerkauf, D. Kraus and A. Kummert, "Transmitter Pattern Optimization by Conformal Antenna Shape Design",  in Proc. of the IEEE Int. Conf. on Oceanic Engineering (Oceans 18), Charleston, USA, 2018
    • [102] T. Matic, I. Aleksi, Z. Hocenski and D. Kraus, "Real-time Biscuit Tile Image Segmentation Method Based on Edge Detection",  ISA Transactions, 2018
    • [101] D. Köhntopp, B. Lehmann, D. Kraus and A. Birk, "Classification and Localization of Naval Mines with Superellipse Active Contours", IEEE Journal of Oceanic Engineering (JOE), 2018
    • [100] Z. Qiao and D. Kraus, "Three Dimensional SAS Motion Error Estimation employing Near-field Beamforming", in Proc. of the 12th European Conference on Synthetic Aperture Radar (EUSAR 2018), Aachen, Germany, 2018
    • [99] S. Schröder, Z. Qiao, D. Kraus and N. Theuerkauf, "Investigation of the Resolution Enhancement achieved by MIMO Sonar Systems",  in Proc. of the  44th Annual Conference on Acoustics (DAGA 2018), München, Germany, 2018
    • [98] M. Buß, Y. Steiniger, S. Benen, D. Stiller, D. Kraus and A. Kummert, "Evaluation unterschiedlicher Klassifikationsalgorithmen zur Falschalarmreduktion in der Aktiv-Sonarortung", in Proc. of the  44th Annual Conference on Acoustics (DAGA 2018), München, Germany, 2018
  • Siehe IWSS-Website

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Prof. Dr. Ing. Dieter Kraus
+49 421 5905 3482
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