Unterwasser-Sonarsysteme nutzen akustische Energie, um Objekte zu erkennen, die Tiefe zu messen, den Meeresboden abzubilden und die Navigation dort zu unterstützen, wo optische und funkbasierte Sensorik an ihre Grenzen stößt. Für ROVs, AUVs und USVs umfassen die Lösungen Einstrahl- und Mehrstrahl-Echolote sowie Seitensicht-, Vorwärtsblick- und Sonare mit synthetischer Apertur.
Auf dieser Seite werden führende Hersteller von Unterwasser-Sonarsystemen und Anbieter von Echoloten vorgestellt, die hydrografische Vermessungen, Offshore-Inspektionen, Umweltüberwachung und die autonome Hindernisvermeidung unterstützen.
Lesen Sie den Technologieübersicht
Modernste Navigations- und Ortungslösungen für unbemannte und robotergestützte Systeme
Fortschrittliche Lösungen für die Unterwasserbildgebung und -ortung für unbemannte und autonome Wasserfahrzeuge
Innovative hochauflösende Unterwasserbildgebung und Energietechnologien für kommerzielle, wissenschaftliche und militärische Unterwasservermessungsmissionen
GNSS-Positionierungssysteme, 3D-SLAM und mobile Kartierung, unbemannte Oberflächenfahrzeuge
Tracking-, Navigations-, Positionierungs- und Kommunikationssensoren für AUV, ROV, USV
Integrierte Systeme und Nutzlasten für unbemannte Oberflächen- und Unterwasserplattformen, die in komplexen maritimen Umgebungen eingesetzt werden
Hydrografische Vermessungsgeräte: Multibeam-Echolote, Seitensichtsonare, Schallgeschwindigkeitssensoren und Profiler
GNSS-Positionierungs- und Navigationssysteme, mobile Kartierung UAV-LiDAR und unbemannte Oberflächenfahrzeuge
Wetterbeobachtungsstationen, Schallwandler für den maritimen Einsatz, Seitensichtsonare und Unterwasserhöhenmesser
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Unterwasser-Sonarsysteme nutzen akustische Impulse, um Ziele zu erkennen, die Tiefe zu messen und den Meeresboden abzubilden – insbesondere dort, wo sich Funksignale nicht effektiv ausbreiten können und die optische Sichtweite begrenzt ist. Aktive Sonare, wie beispielsweise Echolote, berechnen die Entfernung anhand der zurückkehrenden Echos, während passive Systeme auf Maschinen- oder Umgebungsgeräusche achten. Zu den entscheidenden Faktoren, die die nutzbare Reichweite und Auflösung bestimmen, zählen die Sensorfrequenz, die Sendeleistung, die Apertur, die Umgebungsbedingungen sowie die Signalverarbeitung.
Bei ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugen (ROVs), autonomen Unterwasserfahrzeugen (AUVs) und unbemannten Oberflächenfahrzeugen (USVs) dient das Sonar sowohl als hochentwickelte Nutzlast als auch als Navigations- und Ortungshilfe. AUVs führen Sensoren nahe am Meeresboden für hochauflösende Kartierungen, ROVs schweben für detaillierte Inspektionen, und USVs können oft größere Wandler aufnehmen und gleichzeitig den GNSS-Zugang an der Oberfläche aufrechterhalten. Für einen erfolgreichen Einsatz ist die Zusammenführung von Sonar-, Fahrzeugnavigations- und Steuerungssoftware zu einem eng synchronisierten System erforderlich.
Kraken MP-SAS (Synthetic Aperture Sonar) für tragbare UUVs
Einstrahl-Echolote messen die Wassertiefe oder Höhe direkt unter einer Plattform, indem sie einen einzelnen, nach unten gerichteten akustischen Strahl aussenden. Aufgrund ihrer geringen Leistungsaufnahme, ihrer kompakten Größe und ihrer geringen Datenbandbreite eignen sie sich besonders gut für kleine USVs und Inspektions-ROVs. Während höhere Frequenzen über kurze Entfernungen eine bessere Auflösung bieten, breiten sich niedrigere Frequenzen weiter aus, erzeugen jedoch in der Regel einen größeren akustischen Erfassungsbereich.
Mehrstrahl-Echolote projizieren einen breiten akustischen Fächer, um einen dichten, dreidimensionalen Erfassungsbereich mit Tiefenmessungen des Meeresbodens zu erzeugen. Diese Daten sind entscheidend für die Erstellung von bathymetrischen Punktwolken, digitalen Geländemodellen und Bildern der Rückstreuung vom Meeresboden. Die Strahlsteuerung und -brechung, insbesondere in Richtung der äußeren Bereiche des Erfassungsstreifens, reagieren empfindlich auf Schwankungen der Schallgeschwindigkeit, was genaue Schallgeschwindigkeitsmessungen, räumliche Kalibrierung und zeitliche Synchronisation mit einem Trägheitsnavigationssystem erfordert.
Seitensichtsonare erzeugen hochauflösende Draufsichtbilder des Meeresbodens, indemsie schmale, weitwinklige Schallstrahlen zur Backbord- und Steuerbordseite aussenden. Sie erfassen die akustische Reflektivität, wobei harte Objekte typischerweise helle Echos und dahinter dunkle akustische Schatten erzeugen, während Bereiche mit schwacher Reflektivität dunkler erscheinen. Da herkömmliche Seitensichtsonare von Haus aus keine tatsächlichen Tiefenwerte messen, werden sie häufig mit bathymetrischen Sensoren kombiniert, wenn neben vollständig georeferenzierten Meeresboden-Mosaiken auch Tiefeninformationen benötigt werden.
Das vorwärtsgerichtete Sonar liefert akustische Echtzeitbilder der Wassersäule und von Objekten vor dem Fahrzeug und dient in erster Linie als Sensor zur Hindernisvermeidung und Zielerfassung. Für ROV-Piloten, die in Gewässern mit null Sicht navigieren, erkennt diese Technologie Strukturpfähle, Verankerungsleinen und Trümmer, bevor diese in das Sichtfeld der Kamera gelangen. Bei AUVs können die Echtzeit-Erfassungsdaten direkt in autonome Algorithmen zur Hindernisvermeidung eingespeist werden.
Ein mechanisch abtastendes Sonar dreht einen schmalen Schallstrahl physisch über einen festgelegten Bogen oder einen vollständigen Kreis, um ein Polarbild der Umgebung zu erstellen. Diese Architektur bietet eine hohe Winkelauflösung in einem kompakten, kostengünstigen Paket, das häufig bei ROVs der Beobachtungsklasse zum Einsatz kommt. Da die Bilderstellung Zeit in Anspruch nimmt, eignet sich dieser Sensor am besten für stationäre oder sich langsam bewegende Plattformen, um bewegungsbedingte Verzerrungen zu minimieren.
Multibeam-Bildsonare, oft auch als akustische Kameras bezeichnet, erzeugen gleichzeitig mehrere schmale Strahlen, um das gesamte Sichtfeld mit hohen Bildraten zu aktualisieren. Sie arbeiten bei Frequenzen, die häufig im Bereich von mehreren hundert Kilohertz bis zu mehreren Megahertz liegen, und liefern Echtzeit-Feedback in Videoqualität für die Steuerung von ROVs sowie den Einsatz von Manipulatoren in stark trüben Gewässern. Höhere Betriebsfrequenzen schränken die nutzbare Reichweite ein, und die Bildqualität hängt stark von der Ausrichtung des Ziels, dem Einfallswinkel und den Umgebungsbedingungen ab.
Das Sonar mit synthetischer Apertur kombiniert akustische Echos von aufeinanderfolgenden Ping-Positionen entlang der Fahrbahn eines Fahrzeugs, um eine Antennenanordnung zu simulieren, die weitaus größer ist als der physische Wandler. Diese Technik ermöglicht eine annähernd konstante, extrem hohe Auflösung in Fahrtrichtung über den gesamten Erfassungsbereich hinweg, weitgehend unabhängig von der Entfernung. Um dies zu erreichen, ist eine hochpräzise, phasenkohärente Bewegungsschätzung erforderlich, die eine enge Integration mit hochwertigen Trägheitssensoren und Doppler-Geschwindigkeitsmessern erfordert.
Sub-Bottom-Profiler nutzen niederfrequente akustische Impulse, um Meeresbodensedimente zu durchdringen und darunterliegende geologische Schichten sowie vergrabene Infrastruktur freizulegen. Moderne Chirp-Systeme verwenden frequenzmodulierte Impulse und Impulskompressionsverfahren, um die Eindringtiefe zu verbessern und gleichzeitig die vertikale Auflösung beizubehalten. Die Leistung hängt stark von der Art des Sediments ab, wobei grobkörnige, gasführende oder stark verdichtete Materialien die Eindringtiefe oft stärker einschränken als weiche, feinkörnige Sedimente.
Das langlebige Druck-Invers-Echolot „PIES“ von Sonardyne
Die Integration von Sonar-Nutzlasten in AUVs erfordert einen Ausgleich zwischen begrenzten Platz-, Gewichts-, Wärme- und Leistungsressourcen, da Hochleistungssender die Batterielaufzeit direkt beeinträchtigen. Die Wandler müssen strategisch positioniert werden, um Propellergeräusche, Rumpfschatten, Eigenrauschen und turbulente Strömungen zu minimieren. Um Übersprechen beim Betrieb mehrerer akustischer Nutzlasten zu verhindern, erfordern die Sendezyklen unter Umständen eine koordinierte Ping-Planung und präzise Zeitsynchronisation unter Verwendung von synchronisierten Takten, Hardware-Triggern oder anderen Timing-Schnittstellen mit geringer Latenz.
Tiefsee-Schallkopf von Airmar
ROVs eignen sich hervorragend als Plattformen für Scan-, Vorwärtsblick- und Bildgebungssonare, da sie schweben, sich drehen und Unterwasserstrukturen aus verschiedenen Blickwinkeln untersuchen können. Dank der Hochgeschwindigkeits-Telemetrie über das Verbindungskabel des Fahrzeugs können die Sonar-Rohdaten an der Oberfläche in Echtzeit verarbeitet werden. Bei der Integration müssen jedoch akustische Störgeräusche, physikalische Vibrationen und durch Triebwerke verursachte Luftblasenbildung durch sorgfältige Sensorplatzierung, Kabelisolierung und geeignete Schwingungsdämpfung minimiert werden.
USVs tragen hochauflösende Kartierungsgeräte und verfügen gleichzeitig über Zugriff auf Echtzeit-GNSS-Positionsbestimmung sowie Kommunikation mit hoher Bandbreite zur Oberfläche. Um saubere akustische Daten zu gewährleisten, muss der Wandler außerhalb des durch den Rumpf verursachten Lufteintritts platziert werden, typischerweise auf einem einziehbaren Kiel oder einer starren, über die Seite ragenden Stange. Das System muss zudem hochpräzise Bewegungssensoren einsetzen, um die Nick-, Roll- und Hebebewegungen der Plattform zu kompensieren.
Das Schleppen eines akustischen Sensors bringt die Nutzlast nahe an den Meeresboden heran und verringert deren Belastung durch vom Schiff erzeugte Geräusche, bringt jedoch komplexe Herausforderungen bei der Lokalisierung mit sich. Da Strömungen und Kabelwiderstand den Schleppfisch verschieben, können Betreiber akustische Ortungsverfahren wie USBL in Verbindung mit Tiefen-, Höhen-, Bewegungs- und Kabelrücklaufmessungen nutzen, um die Daten genau zu georeferenzieren. Autonome USVs, die Sensoren schleppen, erfordern eine aktive Windensteuerung und Spannungsüberwachung, um das Risiko von Kollisionen mit dem Meeresboden zu verringern.
Um eine hochpräzise Georeferenzierung zu erreichen und räumliche Artefakte zu beseitigen, ist die Integration der akustischen Nutzlast mit einer Reihe präziser Navigations- und Positionssensoren erforderlich.
Die Zusammenführung dieser Sensoren in einem einheitlichen Koordinatensystem gewährleistet, dass jedes akustische Echosignal sowohl im physikalischen Raum als auch in der Systemzeit präzise abgebildet wird.
Die hydrografische Kartierung erfordert dichte, hochpräzise Tiefenmessungen, um eine sichere Schiffsnavigation zu gewährleisten. USVs kartieren flache, gefährliche Untiefen, während AUVs Tiefseekorridore vermessen und dabei Multibeam-Echolote einsetzen, um den Meeresboden abzudecken. Diese Einsätze können gemäß internationaler Standards wie der im Oktober 2024 veröffentlichten IHO S-44, Ausgabe 6.2.0, durchgeführt werden, die Anforderungen an die Messunsicherheit, die Erkennung von Merkmalen und die Abdeckung des Meeresbodens festlegt.
Omniscan 450 SS – Seitensichtsonar für USVs von Cerulean Sonar
Die Umweltüberwachung nutzt Multibeam-Rückstreu- und Seitensichtsonar-Bilder, um Unterwasserlebensräume zu kartieren, die Sedimentklassifizierung zu unterstützen und Veränderungen im Zeitverlauf zu verfolgen. Wiederholte AUV-Vermessungen ermöglichen es Forschern, dynamische Meeresumgebungen zu überwachen, beispielsweise durch die Identifizierung von Unterwasserrutschungen, die Verfolgung des Sedimenttransports und die Bewertung des Zustands von Ökosystemen mit hoher räumlicher Wiederholgenauigkeit.
Die Offshore-Energie- und Telekommunikationsbranche ist auf akustische Sensoren angewiesen, um kritische Unterwasserinfrastruktur zu planen, zu installieren und zu inspizieren. Multibeam-Systeme kartieren Pipelinekorridore, während Side-Scan-Sonare freiliegende Infrastruktur und Auswaschungsgefahren identifizieren und Sub-Bottom-Profiler oder spezielle Kabelverfolgungssysteme die Verlegetiefe von Kabeln ermitteln. Anschließend werden ROVs eingesetzt, um detaillierte Strukturinspektionen von Windkraftanlagenfundamenten oder Unterwasser-Vorlagen durchzuführen.
Unbemannte Systeme sind mit fortschrittlichen Sonar-Nutzlasten ausgestattet, um gefährliche militärische Operationen durchzuführen, ohne Personal einem Risiko auszusetzen. Hochauflösende Sonarsysteme mit synthetischer Apertur und Seitensichtsonar ermöglichen es AUVs, Seeminen mit hoher Präzision zu orten und zu klassifizieren. In der U-Boot-Abwehr können verteilte Netzwerke aus USVs und AUVs passive akustische Arrays tragen oder schleppen, um untergetauchte Ziele in weitläufigen Seegebieten zu erkennen und zu verfolgen.
In Umgebungen mit schlechter Sicht stützen sich Suchoperationen stark auf akustische Bildgebung, um Flugzeugwracks, gesunkene Schiffe oder verlorene Fracht zu lokalisieren. Zur Identifizierung potenzieller Ziele werden großflächige Side-Scan-Scans durchgeführt, gefolgt von ROVs, die mit hochfrequenten Bildgebungssonaren ausgestattet sind, um das Trümmerfeld zu durchkämmen und Bergungsteams zu unterstützen.
Die rasante Weiterentwicklung der Rechenleistung und des Wandlerdesigns führt zu fortschrittlicher Intelligenz und Effizienz bei akustischen Vermessungen.
Diese Entwicklungen verändern die Rolle des Unterwasser-Sonars von eigenständigen Sensorsystemen hin zu integrierten Quellen für Echtzeitdaten, die der autonomen Entscheidungsfindung bei maritimen Einsätzen dienen.
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