Das Licht hören: DAS könnte die Unterwasserwelt revolutionieren

David R. Strachan ist Verteidigungsanalyst und Gründer von Strikepod Systems ...

26. Januar 2023

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Im Sommer 2020 gelang es einer Gruppe von Meeresforschern der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie (NTNU), die auf dem Spitzbergen-Archipel stationiert sind, erfolgreich die Lautäußerungen von Bartenwalen zu entdecken, die im Arktischen Ozean und in der Nordsee herumtollen, etwa 70 bis 90 Kilometer entfernt. Auf den ersten Blick scheint dies etwas unauffällig zu sein, wenn man bedenkt, dass Forscher regelmäßig das Verhalten von Walen überwachen und Walgesänge seit langem dafür bekannt sind, große Entfernungen zurückzulegen. Das Besondere an dieser Beobachtungsreihe war jedoch der gewählte Sensor. Es war kein Hydrophon, das bewährte Werkzeug der marinen Bioakustikbranche. Stattdessen handelte es sich um Lichtimpulse, die über 120 km unterseeische Glasfaserkabel zwischen den Städten Longyearbyen und Ny-Ålesund übertragen wurden.

Die NTNU-Wissenschaftler nutzten eine relativ neue und innovative Technologie namens Distributed Acoustic Sensing (DAS), die auf Glasfasern basiert, um Druckwellen zu erkennen, die von akustischer oder seismischer Aktivität ausgehen. Mithilfe eines speziellen Geräts, einem so genannten Interrogator, werden in bekannten Abständen Lichtimpulse über die Länge einer ungenutzten, „dunklen“ Faser gesendet. Wenn das Licht auf winzige Defekte innerhalb der Faser trifft, wird ein Teil davon zum Abfragegerät zurückreflektiert (ein Phänomen, das als Rayleigh-Rückstreuung bekannt ist). Da Druckwellen einer akustischen Emission „Nanospannungen“ auf die Faser ausüben, führt dies zu Schwankungen im reflektierten Licht. Diese Schwankungen können dann analysiert und mithilfe fortschrittlicher Signalverarbeitung in eine einzigartige akustische Signatur übersetzt werden, die nicht nur zur Erkennung, sondern auch zur Identifizierung und sogar Lokalisierung der Quelle führt. Wenn DAS in einer Meeresumgebung eingesetzt wird, fungieren die Defekte entlang der Faser im Wesentlichen als winzige Hydrophone, die ein Stück Glasfaserkabel in ein Sensorarray mit großer Apertur verwandeln. Und da akustische Wellen den Meeresboden durchdringen können, müssen die Sensorfasern nicht vollständig der Wassersäule ausgesetzt sein, um wirksam zu sein. Einige Abschnitte des im NTNU-Projekt verwendeten Kabels waren unter einer Sedimentschicht von ein bis zwei Metern vergraben.

Wenn man bedenkt, dass weltweit 785.000 Meilen (1,2 Millionen Kilometer) Unterseekabel verlegt sind, stellt DAS einen bedeutenden Durchbruch in der Meeresbeobachtung dar. Anstatt sich auf einzelne akustische und seismische Sensoren zu verlassen, die über den Meeresboden verteilt sind, können dunkle Fasern, die überall in Unterseekabeln untergebracht sind, jetzt in kilometerlange Sensoranordnungen umgewandelt werden, die mit dem Äquivalent von Tausenden von Hydrophonen ausgestattet sind, die sowohl biologischen als auch anthropogenen Lärm erkennen können. Zusätzlich zu Wallauten hat DAS erfolgreich Oberflächenschiffe, Erdbeben, Oberflächenwellen und entfernte Meeresstürme erkannt und könnte sogar als weltweites Tsunami-Warnsystem fungieren. Aufgrund seiner Fähigkeit, ein großflächiges, dauerhaftes Sensornetzwerk bereitzustellen, das bereits positioniert ist In der gesamten Weite der Ozeane gibt es ein erhebliches Potenzial für DAS bei Unterwasserverteidigungseinsätzen – insbesondere durch die Bereitstellung einer zusätzlichen Ebene der Überwachungsabdeckung, die sowohl Oberflächen- als auch Untergrundziele verfolgt. DAS könnte Oberflächenkriegsschiffe erkennen und verfolgen und so die von anderen ISR-Plattformen wie Satelliten und Flugzeugen gesammelten Informationen erweitern. Zusätzlich zur Erkennung von Schiffen im Transit kann DAS auch die Geräusche dynamischer Positionierungssysteme erkennen, die darauf hinweisen, dass Arbeiten am Meeresboden im Gange sind.

Bild mit freundlicher Genehmigung des Forschungsartikels Eavesdropping at the Speed ​​of Light: Distributed Acoustic Sensing of Baleen Whales in the Arctic, gefunden auf https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2022.901348/full#B54

Unter der Oberfläche gibt es Anwendungen für die Unterwasserkriegsführung. Derzeit scheint DAS für die Erkennung niederfrequenter Emissionen (sogar im Millihertz-Bereich) optimiert zu sein, und obwohl moderne U-Boote im niederfrequenten Bereich emittieren, sind diese Emissionen auch von geringer Intensität – nach nicht klassifizierten Open-Source-Schätzungen liegen sie irgendwo zwischen 95 und 110 Dezibel, was nur geringfügig höher ist als der Umgebungslärm des umgebenden Ozeans mit rund 90 Dezibel. Angesichts der Tatsache, dass ein Dezibel ein logarithmisches Maß ist (d. h. jede Erhöhung um 10 Dezibel stellt eine Verzehnfachung der Schallleistung dar, 20 Dezibel, 100-fach, 30 Dezibel, 1000-fach), verglichen mit dem Stöhnen eines Nordatlantischen Blauwals, das 180 überschreiten kann Dezibel erzeugen bemannte U-Boote deutlich weniger Schallleistung.

Aus größerer Entfernung sind U-Boot-Emissionen jedoch möglicherweise besser erkennbar, insbesondere durch Fasern, die auf der Oberfläche des Meeresbodens ruhen. Letztendlich könnte DAS eher eine Barriereabwehr zur U-Boot-Kriegsführung (ASW) darstellen, die auf kleinere Bereiche des Wasserraums beschränkt ist, als ein weitreichendes Erkennungs- und Verfolgungssystem. Es gibt auch Anwendungen für die Verteidigung des Meeresbodens. Wenn wir die Arten von Aktivitäten berücksichtigen, die mit Meeresbodenkriegen verbunden wären – Kabelmanipulation, Minenkrieg, Aufstellung, Betrieb oder Zerstörung von Unterwasserinfrastruktur – könnte DAS eine Rolle bei der Erkennung, Identifizierung und Lokalisierung von Bedrohungen spielen.

Obwohl DAS derzeit für die Erkennung niedriger Frequenzen optimiert ist, ist es in der Lage, auch hochfrequente Emissionen zu erkennen, wie sie beispielsweise von Fahrzeugaktuatoren und Triebwerken sowie von Unterwassernavigations-, Bildgebungs- und Kommunikationstechnologien erzeugt werden. Eine MIT-Studie aus dem Jahr 2020 ergab, dass kleine AUVs intensive Emissionen im Bereich von 15 bis 24 kHz erzeugen, die 10 bis 45 Dezibel über dem Umgebungshintergrundgeräusch liegen können.† Ein typischer DVL emittiert irgendwo zwischen 400 und 600 kHz, während SAS überall emittiert 60-120 kHz. Echolote senden hohe Frequenzen und eine höhere Intensität aus – zwischen 185 und 230 Dezibel.

Und obwohl das Antriebssystem eines Tauchboots wie eines Schwimmer-Lieferfahrzeugs (SDV), eines UUV mit großer Verdrängung (LDUUV) oder eines extragroßen UUV (XLUUV) Schall geringer Intensität erzeugen kann, ist es möglicherweise möglich, dessen Emissionen mit niedrigerer Frequenz zu erkennen wenn sie aus nächster Nähe entstehen.

Unterwasserbautätigkeiten erzeugen niederfrequente akustische und seismische Wellen, sodass der Lärm, der mit der Platzierung von Meeresbodenstrukturen wie Energiestationen, AUV-Andockstationen oder Sensoranordnungen verbunden ist, durch DAS leicht erkennbar wäre. Frei fallende Sensoreinheiten, die auf dem Meeresboden landen, könnten einen erkennbaren „Mikroseismus“ erzeugen – eine seismische Welle, die normalerweise mit kleinen Erdstößen einhergeht. Aus der Luft abgeworfene Minen, die durch die Meeresoberfläche krachen und auf dem Meeresboden zum Stillstand kommen, würden wahrscheinlich starke akustische und seismische Wellen erzeugen. DAS könnte möglicherweise bei der Kartierung von Minenfeldern hilfreich sein und zusätzliche Datenpunkte bereitstellen, um die Minenabwehrmaßnahmen zu beschleunigen. Und während Russland die Entwicklung des nuklearbewaffneten, nuklearbetriebenen AUV Poseidon weiter vorantreibt, könnte DAS eine wichtige Rolle in einem integrierten Unterwasser-Fernwarn- und Verteidigungssystem spielen, indem es ISR bereitstellt oder Zieldaten an Abfangfahrzeuge weiterleitet.

Während DAS für Verteidigungsanwendungen vielversprechend ist, weist es zumindest derzeit Einschränkungen auf. Seine effektive Reichweite beträgt beispielsweise etwa 50 bis 100 Kilometer, da das reflektierte Licht während seiner Hin- und Rückbewegung gedämpft wird. Ein wirklich großes DAS-Array würde also eine Art Verstärkung erfordern. Ein integriertes DAS-Verteidigungsnetzwerk würde den Vergleich von Schallproben mit einer Datenbank bekannter akustischer Signaturen erfordern, um Bedrohungen zu identifizieren und zwischen legitimen Zielen und Fehlalarmen zu unterscheiden. Daher wird ein großes Volumen aktueller und zeitnaher Mess- und Signalaufklärung (MASINT) erforderlich sein, damit DAS bei der Erkennung und Identifizierung aufkommender Unterwasserbedrohungen helfen kann. „Und zusätzlich zu der Menge der erforderlichen MASINT-Daten wird auch die schiere Menge an akustischer Intelligenz (ACINT), die von DAS generiert wird, entmutigend sein.“

Das NTNU-Projekt beispielsweise generierte rund sieben Terabyte an Daten pro Tag – oder fast 250 Terabyte im Verlauf der Studie. Dennoch hat DAS trotz dieser Herausforderungen das Potenzial, die Unterwasserverteidigung stark zu beeinflussen. Da in den Weltmeeren bereits ein kostengünstiges, wartungsarmes und vorgefertigtes Sensornetzwerk vorhanden ist, wird DAS wahrscheinlich bald Eingang in die Verteidigungsbestände von Freunden und Gegnern finden.

Quelle † Railey, K; DiBiaso, D; Schmidt, H. Eine akustische Fernerkundungsmethode zur hochpräzisen Propellerdrehung und Geschwindigkeitsschätzung unbemannter Unterwasserfahrzeuge, The Journal of the Acoustical Society of America. 2020, 148, 3942.

Über den Autor: David R. Strachan ist Verteidigungsanalyst und Gründer von Strikepod Systems, einem Forschungs- und strategischen Beratungsunternehmen mit Schwerpunkt auf autonomen Unterwassersystemen.