Wie funktionieren aktive und passive Sonarbojen?

Einordnung

Sonarbojen (englisch sonobuoys) sind ausbringbare, schwimmende Akustiksensoren zur Erfassung von Schall unter Wasser. Sie werden beispielsweise von Flugzeugen oder Hubschraubern in Suchgebieten abgesetzt. Nach dem Wasserkontakt bleibt ein Schwimmkörper mit Funktechnik an der Oberfläche, während ein oder mehrere Sensoren – meist Hydrophone – an einem Kabel in eine vorgegebene Tiefe sinken. Die erfassten Daten werden per Funk an die auswertende Plattform übertragen.

Ihre zentrale Aufgabe besteht darin, Unterwasserschall zu detektieren, aufzuzeichnen und für die Ortung oder Klassifizierung von Objekten auszuwerten. Dabei wird grundsätzlich zwischen passiven und aktiven Sonarbojen unterschieden.

Aufbau einer Sonarboje

Eine typische Sonarboje besteht aus folgenden Funktionsgruppen:

• Schwimmkörper: Hält die Boje an der Wasseroberfläche und trägt Stromversorgung sowie Funkantenne.
• Sensorleitung: Verbindet den Oberflächenteil mit dem Unterwassersensor.
• Hydrophon: Ein hochempfindliches Unterwassermikrofon zur Aufnahme von Schallwellen.
• Akustischer Wandler (nur aktiv): Erzeugt gezielte Schallimpulse.
• Signalverarbeitung und Sender: Bereiten die Messdaten auf und senden sie per VHF-/UHF-Funk an ein Flugzeug, Schiff oder eine Bodenstation.

Passive Sonarbojen

Passive Sonarbojen senden selbst keine Schallenergie aus. Sie hören ausschließlich auf bereits vorhandene Unterwassergeräusche. Das Hydrophon nimmt beispielsweise Geräusche von Propellern, Maschinen, Pumpen, Strömungen oder andere akustische Signale auf. Die Messdaten werden an die Empfangseinheit übertragen und dort analysiert.

Die Auswertung passiver Signale erfolgt vor allem über Frequenzspektren, Pegelverläufe und charakteristische Tonmuster. Wiederkehrende Geräuschanteile können Hinweise auf Antriebsart, Drehzahl oder den Typ eines Geräuscherzeugers liefern. Richtungsfähige Systeme, beispielsweise DIFAR-Boje, können zusätzlich die Einfallsrichtung eines Schallsignals bestimmen.

Ein wesentlicher Vorteil passiver Bojen ist ihre verdeckte Arbeitsweise: Da sie keinen Schallimpuls aussenden, verraten sie ihre eigene Messung nicht durch aktives „Ping“-Signal. Ihre Einschränkung besteht darin, dass ein Ziel ausreichend Schall erzeugen muss und dass Umgebungsgeräusche, Schallausbreitung und Entfernung die Detektion erschweren können.

Aktive Sonarbojen

Aktive Sonarbojen verfügen zusätzlich zum Hydrophon über einen akustischen Wandler. Dieser sendet einen gezielten Schallimpuls – häufig als „Ping“ bezeichnet – in das Wasser. Trifft der Impuls auf ein Objekt mit akustisch deutlich anderer Oberfläche oder Dichte, etwa einen Schiffsrumpf oder ein Unterwasserfahrzeug, wird ein Teil der Schallenergie reflektiert. Die Boje empfängt dieses Echo und übermittelt die Daten an die auswertende Plattform.

Die Entfernung zum reflektierenden Objekt kann näherungsweise aus der Laufzeit des Signals bestimmt werden: Der gemessene Zeitraum zwischen Aussendung und Eintreffen des Echos wird mit der Schallgeschwindigkeit im Wasser multipliziert und anschließend halbiert, weil das Signal den Weg zum Ziel und zurück zurücklegt. Vereinfacht gilt: Entfernung = Schallgeschwindigkeit × Laufzeit / 2. Die Schallgeschwindigkeit hängt unter anderem von Temperatur, Salzgehalt und Wasserdruck ab.

Aktive Verfahren liefern daher häufig eine unmittelbarere Distanzinformation als rein passive Messungen. Ihr Nachteil ist die geringere Verdecktheit: Der ausgesandte Impuls kann von anderen Akustiksensoren wahrgenommen werden. Außerdem beeinflussen Schallreflexionen am Meeresboden, an der Oberfläche sowie an Schichten unterschiedlicher Wassertemperatur die Qualität der Echos.

Zusammenspiel mehrerer Bojen

In der Praxis werden Sonarbojen häufig nicht einzeln, sondern als räumliches Muster – etwa Linie, Barriere oder Raster – eingesetzt. Mehrere passive Bojen ermöglichen durch den Vergleich von Signalrichtung und Ankunftszeit eine Eingrenzung der Schallquelle. Aktive Bojen können anschließend eingesetzt werden, um einen bereits vermuteten Bereich präziser abzusuchen.

Moderne Einsatzkonzepte kombinieren passive und aktive Sensorik: Passive Bojen dienen zunächst der möglichst unauffälligen Suche und Klassifizierung, während aktive Bojen die räumliche Ortung durch Echoauswertung unterstützen. Die Messwerte mehrerer Bojen können dabei gemeinsam verarbeitet werden; dies erhöht je nach Geometrie und Umweltbedingungen die Ortungsgenauigkeit.

Vergleich

Die beiden Bojentypen erfüllen damit unterschiedliche, aber komplementäre Aufgaben:
Passive Systeme erfassen und analysieren vorhandene Unterwasserschallquellen; aktive Systeme erzeugen selbst ein Messsignal, um reflektierende Objekte zu lokalisieren.