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Vorhersage und Umrechnung korrosionsbedingter UEP-Signaturen von Wasserfahrzeugen

Schäfer, David

Wasserfahrzeuge können sich durch elektrische Felder, magnetische Felder und Schallwellen ungewollt ihrer Umgebung mitteilen, was bei der U-Jagd und bei modernen Seeminen intensiv zur Erkennung feindlicher Kräfte ausgenutzt wird. Für militärische Wasserfahrzeuge, insbesondere U-Boote und Minenjagdboote, wird daher als Gegenmaßnahme ein enormer Aufwand zur Reduktion der zuvor genannten Größen, namentlich der (Teil-)Signaturen, betrieben. Diese lassen sich jedoch niemals vollständig eliminieren und weisen teilweise komplexe Abhängigkeiten von den Umgebungsbedingungen auf. Zwecks Risikoabschätzung während kritischer Einsätze ist es deshalb von großem Interesse, die gegenwärtige (Gesamt-)Signatur des eigenen Wasserfahrzeugs kurzfristig ermitteln zu können. Hier setzt die Dissertation an, indem sie verschiedene Konzepte zur Vorhersage und Umrechnung korrosionsbedingter UEP-Signaturen (Underwater Electric Potential) von Wasserfahrzeugen im Kontext von Mine Warfare (MIW), Anti-submarine Warfare (ASW) sowie Mine Countermeasure (MCM) und Integrated Ship Signature Management (ISSM) vorstellt. Zunächst wird anhand von Vergleichen zwischen berechneten, simulierten und gemessenen Werten demonstriert, dass UEP-Signaturen unter Verwendung nichtlinearer Polarisationskennlinien numerisch simuliert werden können. Im nächsten Abschnitt der Arbeit wird ein inverser Modellierungsansatz namens Multipoladaption auf Basis evolutionärer Algorithmen dazu verwendet, gemessene elektrische Signaturen eines Dipols zu adaptieren. Dabei wird differenziert dargelegt, in welchen Fällen die Multipoladaption in der Lage ist, die Quellenverteilungen und/oder die UEP-Signatur korrekt wiederzugeben. Außerdem wird eine Definition zur Abgrenzung zwischen Nah- und Fernfeld von UEP-Signaturen hergeleitet. Es folgt ein Abschnitt, der sich in Hinblick auf ISSM mit diversen Ansätzen zur Echtzeit-Überwachung der eigenen UEP-Signatur mittels Wellenstrom-Messungen, Schleppkörper-Messungen und analytischer Berechnungen beschäftigt. Durch umfangreiche numerische Simulationen mit systematisch variierten Umgebungsbedingungen wird die Leistungsfähigkeit der verschiedenen Ansätze bzw. Ansatz-Kombinationen untersucht und verglichen. Dabei kann gezeigt werden, dass sich der innovative Ansatz der Schleppkörper-Umrechnung hervorragend zur kurzfristigen Bestimmung der gegenwärtigen UEP-Signatur eignet. Im letzten Abschnitt der Dissertation werden die prinzipiellen Eigenschaften der elektrischen Signatur oberhalb der Wasserlinie (Above water Electric Potential, AEP) untersucht, wobei eine erstaunlich einfache Umrechnungsvorschrift zwischen UEP und AEP hergeleitet werden kann. Die Dissertation wurde im Rahmen zweier Forschungsprojekte erstellt, die von der Deutschen Marine bei der Universität Duisburg-Essen (Fachgebiet ATE) in Auftrag gegeben wurden. Sie stellt eine inhaltliche Erweiterung und Konkretisierung der in den Projekten ausgearbeiteten Forschungsergebnisse dar.

Naval vessels unintentionally reveal themselves by electric fields, magnetic fields and sound, which is exploited in Anti-submarine Warfare (ASW) and by modern naval influence mines to detect enemy forces. For submarines and mine hunting vessels the aforementioned quantities, called signatures, are therefore reduced elaborately. However the signatures can never be eliminated completely and are highly dependent on the environmental conditions. To conduct risk assessment during critical operations it is therefore of great interest to evaluate the own contemporary signature in real-time. At this point the dissertation comes into play, by introducing different concepts for prediction and conversion of corrosion related UEP signatures (Underwater Electric Potential) in the context of Mine Warfare (MIW), ASW as well as Mine Countermeasure (MCM) and Integrated Ship Signature Management (ISSM). By comparing calculated, simulated and measured values it is first demonstrated, that UEP signatures can be numerically simulated by the use of non-linear polarization curves. In the next chapter an inverse modeling approach called multipole adaption Multipoladaption, based on evolutionary algorithms, is used to adapt measured electric signatures of a dipole. Thereby it is demonstrated in detail under which circumstances the multipole adaption is capable of determining the correct source distribution and/or UEP signature. In the same framework a quantitative relation has been derived for distinguishing between UEP near-field and far-field. With regard to ISSM the following chapter introduces different approaches for real-time assessment of the own UEP signature by shaft currents, measurements with a towfish and analytical calculations. Extensive numerical simulations with systematically variated environmental conditions are carried out to analyze and compare the performance. Thereby it is shown, that the innovative towfish approach is very well suited for obtaining a short-term estimation of the apparent UEP signature. The last chapter of the thesis describes the properties of the electric signature above the waterline (Above water Electric Potential, AEP) and gives a surprisingly simple conversion prescription between UEP and AEP. The dissertation was created in the context of two research projects commissioned by the German navy and conducted by the laboratory for General and Theoretical Electrical Engineering (ATE) at the the University of Duisburg-Essen. It extends and complements the research results obtained during the projects.

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Schäfer, David: Vorhersage und Umrechnung korrosionsbedingter UEP-Signaturen von Wasserfahrzeugen. 2015.

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