DE102009047940B3 - Method for determining sound velocity in region of acoustic receiver attached at e.g. research ship during measuring surface profile of waterbody base, involves comparing profiles and determining value for sound velocity based on results - Google Patents

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Abstract

The method involves forming delay coefficient sets by time delay coefficients used for forming directional characteristics of converter groups. The sets are provided for reception of sound waves from a direction. Measuring profiles of each converter group are iteratively computed based on values determined from group signals by receiving values for a sound velocity to be determined. The measuring profiles are compared for each received value of the sound velocity to be determined. A value for the sound velocity is determined based on comparison results. An independent claim is also included for a device for determining sound velocity in a region of an acoustic receiver attached at a water vehicle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit im Bereich einer an einem Wasserfahrzeug angebrachten akustischen Empfangsvorrichtung mit einer Vielzahl von akustischen Wandlern zum richtungsselektivem Empfang sich im Wasser ausbreitender Schallwellen, die von einem Objekt reflektiert oder abgestrahlt werden.The invention relates to a method and a device for determining the speed of sound in the region of a mounted on a watercraft acoustic receiving device with a plurality of acoustic transducers for the directionally selective reception of water propagating sound waves that are reflected or emitted by an object.

Die Erfindung findet unter anderem Anwendung bei der Vermessung eines Oberflächenprofils eines Gewässergrundes. Hierzu werden herkömmlicher Weise Fächerlotsysteme auf Forschungs- bzw. Vermessungsschiffen eingesetzt, die der Kartierung und Exploration von Gewässern dienen. Sie erfassen meist einen bis zu 150 Grad großen Winkelsektor quer zum Fahrweg und vermessen diesen im Wesentlichen gleichzeitig. Dabei werden Schallimpulse abgestrahlt, welche nach Reflexion an einem Objekt bzw. dem Gewässergrund als Echos mittels einer Empfangsvorrichtung richtungsselektiv wieder empfangen werden. Durch eine im Rahmen einer sog. Richtungsbildung durchgeführte elektronische Signalverarbeitung einzelner Empfangssignale der Wandler der Empfangsvorrichtung wird erreicht, dass die Empfangsvorrichtung in einem festgelegten Empfangssektor einen Fächer von einer Vielzahl gegeneinander verschwenkter Richtcharakteristiken aufweist.The invention is used inter alia in the measurement of a surface profile of a body of water. For this purpose, fan-pilot systems are conventionally used on research or surveying vessels, which serve the mapping and exploration of waters. They usually detect an angle sector up to 150 degrees across the track and measure it essentially simultaneously. In this case, sound pulses are emitted, which are received after reflection on an object or the bottom of the water as echoes by means of a receiving device directionally selective again. By an electronic signal processing of individual received signals of the transducers of the receiving device carried out as part of a so-called directional formation, it is achieved that the receiving device has a fan of a multiplicity of directional characteristics which are pivoted relative to one another in a defined receiving sector.

Die auf diese Weise gewonnenen Messdaten der einzelnen Empfangsstreifen würden aneinander gereiht dem tatsächlichen zugehörigen Oberflächenprofil entsprechen, wenn die Schallgeschwindigkeit über den gesamten Lotbereich als konstant angesehen werden kann. Dies kann im Allgemeinen jedoch nicht vorausgesetzt werden. Die Schallgeschwindigkeit im Meer liegt nämlich in der Regel zwischen 1450 m/s und 1550 m/s und ändert sich z. B. durch Veränderung der Temperatur, der Tiefe und des Salzgehaltes im Wasser. Die Schallgeschwindigkeit wird daher regelmäßig in einem sog. Schallgeschwindigkeitsprofil, vorzugsweise in Abhängigkeit der Wassertiefe an einem bestimmten Ort, veranschaulicht bzw. abgelegt und dokumentiert.The measurement data of the individual receiving strips obtained in this way would correspond to one another according to the actual associated surface profile if the speed of sound can be regarded as constant over the entire solder range. However, this can generally not be assumed. The speed of sound in the sea is usually between 1450 m / s and 1550 m / s and changes z. B. by changing the temperature, the depth and the salt content in the water. The speed of sound is therefore regularly illustrated or stored and documented in a so-called sound velocity profile, preferably as a function of the water depth at a specific location.

Um von der unmittelbar am Wandler messbaren Richtung des Schalleinfalls auf den tatsächlichen Reflexionspunkt bzw. Ursprung der empfangenen Schallwellen schließen zu können, muss die mittlere Schallgeschwindigkeit über die verschiedenen Schichtungen des Gewässers bekannt sein, welche sich aus dem Schallgeschwindigkeitsprofil ergibt. EP 0 629 879 B1 , EP 1 393 025 B1 und EP 1 272 870 B1 geben Beispiele für verschiedene Verfahren zur Bestimmung dieser mittleren Schallgeschwindigkeit. Alle Verfahren haben allerdings gemeinsam, dass die Schallgeschwindigkeit direkt an der Empfangsvorrichtung bekannt sein muss. Herkömmlicherweise wird diese Schallgeschwindigkeit mittels eines Schallgeschwindigkeitssensors gemessen.In order to be able to infer the actual reflection point or origin of the received sound waves from the direction of the sound incidence which can be measured directly at the transducer, the average velocity of sound over the various stratifications of the water body must be known, which results from the sound velocity profile. EP 0 629 879 B1 . EP 1 393 025 B1 and EP 1 272 870 B1 give examples of different methods for determining this mean speed of sound. However, all methods have in common that the speed of sound must be known directly at the receiving device. Conventionally, this sound velocity is measured by means of a sonic velocity sensor.

Auch bei der passiven Ortung eines schallabgebenden, d. h. schallerzeugenden oder schallreflektierenden Objekts wird aus den einzelnen Empfangssignalen der Empfangsvorrichtung mittels einer elektronischen Signalverarbeitung eine Zielpeilung bestimmt. Dazu werden die Empfangssignale der einzelnen Wandler zur Bildung eines eine Richtcharakteristik bestimmenden Gruppensignals mittels Zeitverzögerungskoeffizienten zeitverzögert und konphas aufaddiert. Die aus den Gruppensignalen verschiedener Richtcharakteristiken erhaltenen Pegel werden in Zuordnung zu Peilwinkeln erfasst und den Pegelmaxima zugehörigen Peilwinkel als Zielpeilung ausgegeben. Aus WO 2008/138433 A1 ist ein derartiges Verfahren zum Peilen eines schallabgebenden Objekts bekannt. Auch hier ist es erforderlich, der Signalverarbeitung den aktuellen gültigen Wert der Schallgeschwindigkeit im Bereich der Wandler zu übergeben. Dieser wird im Allgemeinen zuvor mittels eines Sensors gemessen.Even with the passive location of a sound-emitting, ie sound-generating or sound-reflecting object, a target bearing is determined from the individual received signals of the receiving device by means of electronic signal processing. For this purpose, the received signals of the individual transducers for the formation of a directional characteristic-determining group signal by means of time delay coefficients are time-delayed and added in a quadrature. The levels obtained from the group signals of different directional characteristics are detected in association with bearing angles and the level maxima associated bearing angle output as target bearing. Out WO 2008/138433 A1 Such a method for locating a sound-emitting object is known. Again, it is necessary to pass signal processing the current valid value of the speed of sound in the converter. This is generally measured beforehand by means of a sensor.

Nachteilig dabei ist jedoch, dass solch ein kontinuierlich messender Sensor teuer ist. Alternativ können Messungen in regelmäßigen Zeitabständen durchgeführt werden. Dies führt jedoch zu Fehlern, da die zwischen den Messungen liegenden Änderungen der Schallgeschwindigkeit nicht berücksichtigt werden können.The disadvantage here is that such a continuously measuring sensor is expensive. Alternatively, measurements may be taken at regular intervals. However, this leads to errors, since the changes in the speed of sound between the measurements can not be taken into account.

DE 42 07 716 A1 zeigt ein weiteres Verfahren, bei dem die mit einem Fächerlot durch Schräglotung ermittelten Tiefenwerte eines Gewässerbodenprofils mit größerer Genauigkeit bestimmt werden können. Dazu weist die Empfangsvorrichtung zwei Wandlerarrays auf, die schräg zueinander eingebaut sind und die sowohl in vertikaler Lotrichtung als auch in Lotrichtung der Wandlernormalen fehlerfreie Tiefenwerte liefern. Diese stellen die Grundlage für eine Bodenprofilschätzung dar, welche mittels eines Vergleichs mit dem Gewässerbodenprofil Korrekturwerte für die Oberflächenschallgeschwindigkeit liefert. DE 42 07 716 A1 shows a further method in which the depth values of a waterbottom profile determined by oblique illumination with a fan slot can be determined with greater accuracy. For this purpose, the receiving device has two transducer arrays, which are installed at an angle to one another and which deliver error-free depth values both in the vertical perpendicular direction and in the perpendicular direction of the transducer normal. These provide the basis for a soil profile estimation which provides surface noise velocity correction values by comparison with the waterbody bottom profile.

Der Erfindung liegt nach alledem das Problem zugrunde, die Schallgeschwindigkeit im Bereich der Empfangsvorrichtung ohne Verwendung eines Schallgeschwindigkeitssensors zu bestimmen.After all, the invention is based on the problem of determining the speed of sound in the area of the receiving device without using a sound velocity sensor.

Die Erfindung löst dieses Problem durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 7. Dabei werden die Wandler der Empfangsvorrichtung zu mindestens zwei Wandlergruppen zusammengefasst und die mittels der einzelnen Wandlergruppen erhaltenen Messprofile durch Vergleich dieser Messprofile zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit im Bereich der Wandler herangezogen.The invention solves this problem by a method or a device having the features of claim 1 or 7. The transducers of the receiving device are combined to form at least two transducer groups and the measurement profiles obtained by means of the individual transducer groups by comparing these measurement profiles for determination the speed of sound in the converter used.

Jeder Wandler der Empfangsvorrichtung erzeugt zunächst ein Empfangssignal, wobei die Empfangssignale der Wandler einer Wandlergruppe zur Bildung eines eine Richtcharakteristik der Wandlergruppe bestimmenden Gruppensignals mittels jeweils eines Zeitverzögerungskoeffizienten zeitverzögert und konphas aufaddiert werden. Dabei bilden die zur Bildung einer Richtcharakteristik einer Wandlergruppe verwendeten Zeitverzögerungskoeffizienten einen Zeitverzögerungskoeffizientensatz. Die Wandlergruppen sind derart angeordnet, dass ihnen für den Empfang von Schallwellen aus der gleichen Richtung jeweils voneinander verschiedene Zeitverzögerungskoeffizientensätze bereitgestellt werden.Each converter of the receiving device first generates a received signal, wherein the received signals of the transducers of a transducer group for forming a directional characteristic of the transducer group-determining group signal by means of a respective time delay coefficient are time-delayed and added up in phase. In this case, the time delay coefficients used to form a directional characteristic of a transducer group form a time delay coefficient set. The transducer groups are arranged such that they are each provided with time delay coefficient sets different from each other for the reception of sound waves from the same direction.

Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet eine Erstellung eines Messprofils je Wandlergruppe, wobei das Messprofil einem Oberflächenprofil eines Gewässergrundes oder einer zuvor erwähnten Zielpeilung entspricht. Bei dieser Erstellung des Messprofils werden die aus den Gruppensignalen ermittelten Werten, insbesondere Schalllaufzeiten und/oder Pegel, berücksichtigt und ein Wert für die zu bestimmende Schallgeschwindigkeit angenommen. Dieser Schritt der Erstellung des Messprofils wird für jede Wandlergruppe mehrfach wiederholt und zwar mit unterschiedlichen angenommenen Werten für die zu bestimmende Schallgeschwindigkeit. Dadurch ist ein Vergleich der Messprofile der Wandlergruppen möglich, aus dessen Ergebniss ein Wert für die Schallgeschwindigkeit ermittelt wird.The method according to the invention involves generating a measurement profile per transducer group, wherein the measurement profile corresponds to a surface profile of a watercourse or a target bearing mentioned above. In this creation of the measurement profile, the values determined from the group signals, in particular sound propagation times and / or levels, are taken into account and a value for the speed of sound to be determined is assumed. This step of creating the measurement profile is repeated several times for each transducer group with different assumed values for the speed of sound to be determined. This makes it possible to compare the measuring profiles of the transducer groups, from the results of which a value for the speed of sound is determined.

Ein derartiges Verfahren vermeidet eine kontinuierliche Schallgeschwindigkeitsmessung mittels eines Sensors im Bereich der Wandler. Besonders vorteilhaft ist, dass keine Anforderungen an das Messprofil gestellt werden und dass keine Kenntnisse sowohl des Schallgeschwindigkeitsprofils als auch der mittleren Schallgeschwindigkeit erforderlich sind.Such a method avoids continuous sound velocity measurement by means of a sensor in the region of the transducers. It is particularly advantageous that no demands are placed on the measuring profile and that no knowledge of both the speed of sound profile and the average speed of sound is required.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das jeweilige Messprofil der Wandlergruppe über einen festgelegten Empfangssektor erstellt. Dazu werden die Empfangssignale der einzelnen Wandler mittels einer elektronischen Signalverarbeitung zur Bildung eines eine Richtcharakteristik bestimmenden Gruppensignals zeitverzögert und konphas aufaddiert. Auf diese Weise wird das Messprofil von jeder Wandlergruppe über einen festgelegten Empfangssektor mittels einer Vielzahl von gegeneinander verschwenkten Richtcharakteristiken erstellt. Vorteilhafterweise überschneiden sich die jeweiligen Empfangssektoren der Wandlergruppen derart, dass ein maximaler Überschneidungsbereich entsteht. Auf diese Weise ist ein Vergleich der Messprofile der Wandlergruppen möglich.In a preferred embodiment of the invention, the respective measuring profile of the transducer group is created via a defined receiving sector. For this purpose, the received signals of the individual transducers are added by means of an electronic signal processing to form a directional characteristic determining group signal with a time delay and konphas. In this way, the measurement profile of each transducer group is created via a defined receive sector by means of a multiplicity of directional characteristics which are pivoted against one another. Advantageously, the respective receiving sectors of the transducer groups overlap in such a way that a maximum overlap area is created. In this way, a comparison of the measurement profiles of the transducer groups is possible.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Übereinstimmungsgrad der Messprofile der Wandlergruppen anhand eines Vergleiches dieser Messprofile bestimmt. Dabei wird bei dem Vergleich der Messprofile zu jedem Wert der zu bestimmenden Schallgeschwindigkeit die prozentuale Abweichung der Messprofile für jede Wandlergruppe in einer Gütefunktion aufgetragen. Da keine beliebigen Werte für die Schallgeschwindigkeit im Wasser möglich sind, können Grenzen des Wertes, d. h. ein Maximal- bzw. Minimalwert vorgegeben werden. Im Meer liegt die Schallgeschwindigkeit nämlich in der Regel zwischen 1450 m/s und 1550 m/s, wodurch der Rahmen des zu variierenden Wertes für die zu bestimmende Schallgeschwindigkeit festgelegt wird. Aus der Gütefunktion lässt sich derjenige Wert für die Schallgeschwindigkeit auswählen, bei dem ein vorgegebener Schwellenwert überschritten oder der Übereinstimmungsgrad der Messprofile der Wandlergruppen maximal ist.In a further embodiment of the invention, a degree of agreement of the measurement profiles of the transducer groups is determined on the basis of a comparison of these measurement profiles. In this case, when comparing the measurement profiles for each value of the sound velocity to be determined, the percentage deviation of the measurement profiles for each transducer group is plotted in a quality function. Since no arbitrary values for the speed of sound in the water are possible, limits of the value, i. H. a maximum or minimum value can be specified. In the sea, the speed of sound is usually between 1450 m / s and 1550 m / s, which sets the range of the value of sound to be determined for the speed of sound to be determined. From the quality function, it is possible to select the value for the speed of sound at which a predefined threshold value is exceeded or the degree of agreement of the measuring profiles of the transducer groups is the maximum.

In einer weiteren Ausführungsform entsprechen die zu vergleichenden Messprofile der Wandlergruppen einem Oberflächenprofil des Gewässergrundes. Dazu werden nach Aussenden eines Schallimpulses die am Gewässergrund entstehenden Echos getrennt aus den einzelnen Empfangsstreifen empfangen und die Schalllaufzeiten der Echos gemessen. Aus den Schalllaufzeiten werden Tiefen- und Ablagewerte bestimmt, die ein entsprechendes Profil der einzelnen Empfangsstreifen liefern und aneinandergereiht das Oberflächenprofil des Gewässergrunds ergeben. Vorzugsweise entspricht dieses Oberflächenprofil dem Messprofil der Wandlergruppen.In a further embodiment, the measuring profiles of the transducer groups to be compared correspond to a surface profile of the body of water. For this purpose, after emitting a sound pulse, the echoes generated at the bottom of the water are received separately from the individual receiving strips and the sound propagation times of the echoes are measured. Depth and deposition values are determined from the sound propagation times, which provide a corresponding profile of the individual receiving strips and, when strung together, yield the surface profile of the river bed. Preferably, this surface profile corresponds to the measuring profile of the transducer groups.

In einer weiteren Ausführungsform entsprechen die zu vergleichenden Messprofile der Wandlergruppen einer Zielpeilung. Dazu werden die Empfangssignale der einzelnen Wandler einer Wandlergruppe zur Bildung eines die Richtcharakteristik bestimmenden Gruppensignals mittels Zeitverzögerungskoeffizienten zeitverzögert und konphas aufaddiert. Die Pegel der Gruppensignale der fächerartig aneinander gereihten Richtcharakteristiken werden in Zuordnung zu Peilwinkeln erfasst und den Pegelmaxima zugehörigen Peilwinkel als Zielpeilung ausgegeben. Diese Zielpeilung entspricht vorzugsweise dem Messprofil der Wandlergruppe.In a further embodiment, the measurement profiles of the transducer groups to be compared correspond to a target bearing. For this purpose, the received signals of the individual transducers of a transducer group for the formation of a directional characteristic-determining group signal by means of time delay coefficients are time-delayed and added up in phase. The levels of the group signals of the fan-like arrayed directional characteristics are detected in association with bearing angles and the level maxima associated bearing angle output as target bearing. This target bearing preferably corresponds to the measurement profile of the transducer group.

In einer weiteren Ausführungsform wird der Wert für die Schallgeschwindigkeit zu jedem festgelegten Empfangssektor für jeden Messdurchgang bestimmt. Dadurch entsteht der Vorteil, dass immer mit dem aktuell gültigen Wert der Schallgeschwindigkeit gearbeitet werden kann, da der Wert der Schallgeschwindigkeit bei jeder Messung bestimmt wird.In another embodiment, the speed of sound value is determined for each designated receive sector for each measurement pass. This has the advantage that it is always possible to work with the currently valid value of the speed of sound since the value of the speed of sound is determined with each measurement.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den anhand der anliegenden Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen:Further advantageous embodiments will be apparent from the dependent claims and from the Based on the accompanying drawings explained in more detail embodiments. In the drawing show:

1 eine Darstellung einer beispielhaften Messgeometrie; 1 a representation of an exemplary measurement geometry;

2 eine beispielhafte Anordnung einer Empfangsvorrichtung; 2 an exemplary arrangement of a receiving device;

3 einen Vergleich zweier Messprofile; 3 a comparison of two measuring profiles;

4 eine Gütefunktion zum Ermitteln eines Wertes für die Schallgeschwindigkeit. 4 a merit function for determining a value for the speed of sound.

1 zeigt eine Darstellung einer möglichen Messgeometrie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich auf eine Aktivsonar-Empfangsvorrichtung, welche einen Schallimpuls aussendet und am Gewässerboden reflektierte Schallwellen wieder empfängt. Sie sind jedoch sowohl auf andere Empfangsvorrichtungen, insbesondere solche, die nach dem Passivsonarprinzip arbeiten, anwendbar als auch auf beliebige Ausrichtungen der Empfangsvorrichtung und damit verbundenen Empfangsrichtungen. 1 shows a representation of a possible measurement geometry according to an embodiment of the invention. The following explanations relate to an active sonar receiving device which emits a sound pulse and again receives sound waves reflected at the water bottom. However, they are applicable both to other receiving devices, in particular to those operating on the passive sonar principle, as well as to any orientation of the receiving device and associated receiving directions.

Gegeben ist ein Wasserfahrzeug 10 auf einer Wasseroberfläche 12 eines Gewässers 14. Alternativ zu einem derartigen Überwasserfahrzeug kann die Erfindung auch in einem Unterwasserfahrzeug eingesetzt werden. Ablagewerte A und Tiefenwerte T eines Gewässers 14 sind durch ein Oberflächenprofil eines Gewässergrunds 16 bestimmt. Das Wasserfahrzeug 10 ist mit einem Fächerlotsystem mit einer Empfangsvorrichtung 20 ausgerüstet, welche fächerartig aneinander gereihte Richtcharakteristiken liefert, die durch teilweise dargestellte Sektoren gekennzeichnet sind. Die einzelnen Sektoren sind durch Zahlenwerte für den index i gekennzeichnet. Dabei sind von einer senkrechten Lotlinie 21 nach rechts die Sektoren 1 bis 3 und links die Sektoren –1 bis –3 des Fächerlotsystems aufgetragen. Aneinandergereiht bilden diese Sektoren einen festgelegten Empfangssektor 22.Given is a watercraft 10 on a water surface 12 a body of water 14 , As an alternative to such a surface vehicle, the invention can also be used in an underwater vehicle. Storage values A and depth values T of a body of water 14 are due to a surface profile of a body of water 16 certainly. The watercraft 10 is with a fan slot system with a receiving device 20 equipped, which provides fan-like arrayed directional characteristics, which are characterized by partially represented sectors. The individual sectors are identified by numerical values for the index i. These are from a vertical plumb line 21 Sectors 1 to 3 are applied to the right and sectors -1 to -3 of the fan platen system to the left. Strung together these sectors form a defined receiving sector 22 ,

Von dem Wasserfahrzeug 10 wird zunächst ein Sendeimpuls abgestrahlt, der zunächst am Gewässergrund 16 reflektiert wird und dann die Empfangsvorrichtung 20 des Wasserfahrzeugs 10 erreicht. Mittels eines einstellbaren Winkels α(i) und einer für jede Empfangsrichtung i, bzw. Sektor i, gemessenen Schalllaufzeit des reflektierten Sendeimpulses ergeben sich dann entsprechend zugeordnete Tiefenwerte T(i) und Ablagewerte A(i) aus denen das Oberflächenprofil des Gewässergrundes 16 erstellt wird.From the watercraft 10 First, a transmission pulse is emitted, the first on the river bottom 16 is reflected and then the receiving device 20 of the watercraft 10 reached. By means of an adjustable angle α (i) and a sound propagation time of the reflected transmission pulse measured for each receive direction i or sector i, correspondingly assigned depth values T (i) and store values A (i) then result from which the surface profile of the body of water 16 is created.

2 zeigt eine mögliche Anordnung der Empfangsvorrichtung 20. Sie ist in zwei Wandlergruppen 30', 30'' aufgeteilt. Die jeweilige Wandlergruppe 30', 30'' besteht aus einer Vielzahl zusammengesetzter akustischer Wandler 32', 32'', wobei die Anzahl der Wandler 32', 32'' pro Wandlergruppe 30', 30'' beliebig ist. 2 shows a possible arrangement of the receiving device 20 , It is in two transducer groups 30 ' . 30 '' divided up. The respective transducer group 30 ' . 30 '' consists of a large number of composite acoustic transducers 32 ' . 32 '' , where the number of transducers 32 ' . 32 '' per transducer group 30 ' . 30 '' is arbitrary.

Die Anordnung der Wandlergruppen 30', 30'' wird hier am Beispiel einer Linearantenne erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Linearantennen beschränkt. Es ist ebenso möglich andere Empfangsantennen, wie bspw. Conformal-Arrays bzw. Hufeisenbasen oder Zylinderbasen entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zu verwenden. Diese Empfangsantennen sind jedoch derart auszurichten, dass die hufeisenartigen bzw. zylinderartigen Abschnitte im Wesentlichen in senkrechten Ebenen angeordnet sind, um auf diese Weise einen im Wesentlichen senkrechten Fächer von Richtcharakteristiken zu erhalten.The arrangement of the transducer groups 30 ' . 30 '' is explained here using the example of a linear antenna. However, the invention is not limited to such linear antennas. It is also possible to use other receiving antennas, such as, for example, conformal arrays or horseshoe bases or cylindrical bases in accordance with the method according to the invention. However, these receiving antennas are to be oriented such that the horseshoe-like or cylindrical portions are arranged substantially in vertical planes, so as to obtain a substantially vertical fan of directional characteristics.

Bei der Linearantenne sind die Wandler 32', 32'' längs einer Linie regelmäßig im gleichen Abstand angeordnet. Zum Bilden eines eine Richtcharakteristik der Wandlergruppe 30', 30'' bestimmenden Gruppensignals werden die Empfangssignale der Wandler 32', 32'' einer Wandlergruppe 30', 32'' mittels Zeitverzögerungskoeffizienten zeitverzögert und konphas aufaddiert. Dabei bilden die zur Bildung einer Richtcharakteristik einer Wandlergruppe verwendeten Zeitverzögerungskoeffizienten einen Zeitverzögerungskoeffizientensatz.In the case of the linear antenna, the transducers are 32 ' . 32 '' arranged along a line regularly at the same distance. For forming a directional characteristic of the transducer group 30 ' . 30 '' determining group signal become the received signals of the converter 32 ' . 32 '' a transducer group 30 ' . 32 '' time-delayed by means of time delay coefficients and added in a cumulative form. In this case, the time delay coefficients used to form a directional characteristic of a transducer group form a time delay coefficient set.

In der beispielhaften Ausführungsform sind die Wandler 32', 32'' der Empfangsvorrichtung 20 zu zwei Wandlergruppen 30', 30'' zusammengefasst. Dabei ist es erforderlich, dass die Wandlergruppen 30', 30'' unter einem vorgegebenen Winkel γ derart angeordnet sind, dass ihnen für den Empfang von Schallwellen 36 aus einer Richtung jeweils voneinander verschiedene Zeitverzögerungskoeffizientensätze bereitgestellt werden.In the exemplary embodiment, the transducers are 32 ' . 32 '' the receiving device 20 to two transducer groups 30 ' . 30 '' summarized. It is necessary that the transducer groups 30 ' . 30 '' are arranged at a predetermined angle γ such that they receive sound waves 36 are provided from one direction in each case different time delay coefficient sets.

Andere Antennenanordnungen werden nach dem gleichen Prinzip behandelt. Jedoch kann bei gekrümmten Antennen nicht mit gleichen Zeitverzögerungskoeffizienten von Wandler 32', 32'' zu Wandler 32', 32'' gearbeitet werden. Vielmehr muss stets die geometrische Anordnung der Wandler 32', 32'' berücksichtigt werden. Dies gilt bspw. bei den Zylinderbasen oder Hufeisenbasen.Other antenna arrangements are treated according to the same principle. However, with curved antennas, with equal time delay coefficients of transducers 32 ' . 32 '' to converter 32 ' . 32 '' to be worked. Rather, always the geometric arrangement of the transducer 32 ' . 32 '' be taken into account. This applies, for example, in the cylinder bases or horseshoe bases.

3 zeigt eine graphische Darstellung von Messprofilen 40', 40'' von zwei Wandlergruppen 30', 30''. In diesem Beispiel handelt es sich um eine Darstellung von gemessenen Oberflächenprofilen des Gewässergrunds 16. Dabei wird auf einer ersten horizontalen Achse 42 die Ausdehnung des Empfangssektors 22 in Metern dargestellt. Die Stelle, die sich senkrecht unter dem Wasserfahrzeug 10 befindet erhält einen Wert 0 und die Werte links und rechts davon geben eine entsprechende Ausdehnung in Meter wieder. Auf einer zweiten horizontalen Achse 44 wird ein Wert für die zu bestimmende Schallgeschwindigkeit in Meter pro Sekunde aufgetragen. 3 shows a graphical representation of measurement profiles 40 ' . 40 '' of two transducer groups 30 ' . 30 '' , This example is a representation of measured surface profiles of the body of water 16 , It will be on a first horizontal axis 42 the extent of the receiving sector 22 shown in meters. The spot, which is vertical under the watercraft 10 is given a value of 0, and the values to the left and right of it represent a corresponding extension in meters. On a second horizontal axis 44 A value for the speed of sound to be determined is plotted in meters per second.

Mittels der Gruppensignale der Wandlergruppen 30', 30'' lassen sich Werte für die Schalllaufzeiten ermitteln, aus denen Tiefenwerte T und Ablagewerte A bestimmt werden. Daraus lässt sich je Wandlergruppe 30', 30'' ein Messprofil 40'1, 40''1, 40'2, 40''2, 40'3, 40''3, ..., 40'5, 40''5, ..., 40'11, 40''11 des Gewässergrundes 16 erstellen. Für eine Erstellung der Messprofile 40', 40'' wird zunächst jeweils ein Wert für die zu bestimmende Schallgeschwindigkeit c angenommen. Anschließend werden weitere Messprofile 40', 40'' mit unterschiedlichen angenommenen Werten für die zu bestimmende Schallgeschwindigkeit c erstellt. In 3 sind die Messprofile 40', 40'' mit den in 10er Schritten variierten Werten der Schallgeschwindigkeit von 1450 m/s bis 1550 m/s jeweils für die beiden Wandlergruppen 30', 30'' dargestellt. Die Übereinstimmung der Messprofile 40', 40'' der beiden Wandlergruppen 30', 30'' variiert mit der angenommenen Schallgeschwindigkeit c. Die beste Übereinstimmung zeigen die Messprofile 40'5 und 40''5, denen die Schallgeschwindigkeit c = 1490 m/s zugeordnet ist. Diese kommt der tatsächlichen Schallgeschwindigkeit im Bereich der Empfangsvorrichtung 20 am nächsten.By means of the group signals of the transducer groups 30 ' . 30 '' Values for the sound propagation times can be determined from which depth values T and storage values A are determined. This can be per converter group 30 ' . 30 '' a measuring profile 40'1 . 40''1 . 40'2 . 40''2 . 40'3 . 40''3 , ..., 40'5 . 40''5 , ..., 40'11 . 40''11 of the riverbed 16 create. For creating the measuring profiles 40 ' . 40 '' In each case, a value for the speed of sound c to be determined is initially assumed. Subsequently, further measurement profiles 40 ' . 40 '' created with different assumed values for the speed of sound c to be determined. In 3 are the measurement profiles 40 ' . 40 '' with the values of the speed of sound, which are varied in steps of 10, from 1450 m / s to 1550 m / s for the two groups of transducers 30 ' . 30 '' shown. The conformity of the measuring profiles 40 ' . 40 '' the two transducer groups 30 ' . 30 '' varies with the assumed speed of sound c. The best match is shown by the measurement profiles 40'5 and 40''5 to which the speed of sound c = 1490 m / s is assigned. This comes the actual speed of sound in the receiving device 20 the next.

4 zeigt eine Gütefunktion zum Ermitteln eines Wertes für die zu bestimmende Schallgeschwindigkeit c. Es werden die Vergleichsergebnisse der Messprofile 40', 40'' der Wandlergruppen aus 3 dargestellt. Auf einer vertikalen Achse 50 befinden sich prozentuale Abweichungen der Messprofile 40' und 40''. Die zugehörigen Werte der zu bestimmenden Schallgeschwindigkeit c in m/s befinden sich auf einer horizontalen Achse 52. 4 shows a merit function for determining a value for the sound velocity c to be determined. It will be the comparison results of the measurement profiles 40 ' . 40 '' of the transducer groups 3 shown. On a vertical axis 50 are percentage deviations of the measuring profiles 40 ' and 40 '' , The associated values of the speed of sound c in m / s to be determined are on a horizontal axis 52 ,

Anhand dieser Funktion lässt sich ein Wert für die zu bestimmende Schallgeschwindigkeit c ablesen, bei dem die Messprofile 40' und 40'' die beste Übereinstimmung aufweisen oder ein Schwellenwert unter- bzw. überschritten wird. Die in 4 dargestellte Gütefunktion liefert ein Minimum bei einer Schallgeschwindigkeit von c = 1490 m/s, was dem bereits aus 3 abgelesenen Wert für die tatsächliche Schallgeschwindigkeit entspricht.Using this function, a value for the speed of sound c to be determined can be read, in which the measuring profiles 40 ' and 40 '' have the best match or a threshold is exceeded or exceeded. In the 4 shown quality function provides a minimum at a speed of sound c = 1490 m / s, which is already out of 3 value for the actual speed of sound.

Alle in der vorgenannten Figurenbeschreibung, in den Ansprüchen und in der Beschreibungseinleitung genannten Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr sind alle Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.All mentioned in the above description of the figures, in the claims and in the introduction of the description features can be used individually as well as in any combination with each other. The invention is thus not limited to the described or claimed feature combinations. Rather, all feature combinations are to be regarded as disclosed.

Claims (10)

Verfahren zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit im Bereich einer an einem Wasserfahrzeug (10) angebrachten akustischen Empfangsvorrichtung (20) mit einer Vielzahl von akustischen Wandlern (32', 32'') zum richtungsselektivem Empfang sich im Wasser ausbreitender Schallwellen, die von einem Objekt reflektiert oder abgestrahlt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler (32', 32'') zu mindestens zwei Wandlergruppen (30', 30'') zusammengefasst werden, wobei jeder Wandler (32', 32'') ein Empfangssignal erzeugt und die Empfangssignale der Wandler (32', 32'') einer Wandlergruppe (30', 30'') zur Bildung eines eine Richtcharakteristik der Wandlergruppe (30', 30'') bestimmenden Gruppensignals mittels jeweils eines Zeitverzögerungskoeffizienten zeitverzögert und konphas aufaddiert werden, wobei die zur Bildung einer Richtcharakteristik einer Wandlergruppe (30', 30'') verwendeten Zeitverzögerungskoeffizienten einen Zeitverzögerungskoeffizientensatz bilden, die Wandlergruppen (30', 30'') derart angeordnet sind, dass ihnen für den Empfang von Schallwellen (36) aus einer Richtung jeweils voneinander verschiedene Zeitverzögerungskoeffizientensätze bereitgestellt werden, anhand von aus den Gruppensignalen ermittelten Werten je ein Messprofil (40', 40'') je Wandlergruppe (30', 30'') erstellt wird, für dessen Berechnung ein Wert für die zu bestimmende Schallgeschwindigkeit angenommen wird, wobei der Schritt der Berechnung eines Messprofils (40', 40'') mehrfach wiederholt wird und zwar mit unterschiedlichen angenommenen Werten für die zu bestimmende Schallgeschwindigkeit, für jeden angenommenen Wert der zu bestimmenden Schallgeschwindigkeit die Messprofile (40', 40'') der Wandlergruppen (30', 30'') verglichen werden und aus auf diese Weise gewonnenen Vergleichsergebnissen ein Wert für die Schallgeschwindigkeit ermittelt wird.Method for determining the speed of sound in the region of a vehicle ( 10 ) mounted acoustic receiving device ( 20 ) with a plurality of acoustic transducers ( 32 ' . 32 '' ) for the directionally selective reception of sound waves propagating in the water, which are reflected or emitted by an object, characterized in that the transducers ( 32 ' . 32 '' ) to at least two transducer groups ( 30 ' . 30 '' ), each transducer ( 32 ' . 32 '' ) generates a received signal and the received signals of the converter ( 32 ' . 32 '' ) of a transducer group ( 30 ' . 30 '' ) for forming a directional characteristic of the transducer group ( 30 ' . 30 '' ) group delay signal by means of a respective time delay coefficient time-delayed and added in phase, wherein the formation of a directional characteristic of a transducer group ( 30 ' . 30 '' ) time delay coefficients form a time delay coefficient set, the 30 ' . 30 '' ) are arranged such that they are suitable for the reception of sound waves ( 36 ) are provided from one direction in each case different time delay coefficient sets, based on values determined from the group signals per one measurement profile ( 40 ' . 40 '' ) per transducer group ( 30 ' . 30 '' ), for the calculation of which a value for the speed of sound to be determined is assumed, the step of calculating a measuring profile ( 40 ' . 40 '' ) is repeated a plurality of times and with different assumed values for the speed of sound to be determined, for each assumed value of the speed of sound to be determined, the measuring profiles ( 40 ' . 40 '' ) of the transducer groups ( 30 ' . 30 '' ) and a value for the speed of sound is determined from comparison results obtained in this way. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Messprofil (40', 40'') der Wandlergruppe (30', 30'') mittels einer Vielzahl von gegeneinander verschwenkten Richtcharakteristiken der Wandlergruppen (30', 30'') über einen festgelegten Empfangssektor (22) erstellt wird, wobei sich die jeweiligen Empfangssektoren (22) der Wandlergruppen (30', 30'') überschneiden.Method according to claim 1, characterized in that the respective measuring profile ( 40 ' . 40 '' ) of the transducer group ( 30 ' . 30 '' ) by means of a plurality of mutually pivoted directional characteristics of the transducer groups ( 30 ' . 30 '' ) via a defined receiving sector ( 22 ), whereby the respective receiving sectors ( 22 ) of the transducer groups ( 30 ' . 30 '' ) overlap. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vergleichen der Messprofile (40', 40'') ein Übereinstimmungsgrad der Messprofile (40', 40'') ermittelt wird und derjenige angenommene Wert für die zu bestimmenden Schallgeschwindigkeit ausgewählt wird, bei dem der Übereinstimmungsgrad maximal ist oder einen Schwellenwert überschreitet. Method according to one of the preceding claims, characterized in that when comparing the measuring profiles ( 40 ' . 40 '' ) a degree of agreement of the measuring profiles ( 40 ' . 40 '' ) and selecting the assumed value for the speed of sound to be determined at which the degree of agreement is maximum or exceeds a threshold value. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu vergleichenden Messprofile (40', 40'') der Wandlergruppen einem Oberflächenprofil eines Gewässergrundes (16) entsprechen, welche mittels der aus den Gruppensignalen gewonnenen Werte für die Schalllaufzeiten und sich daraus ergebenen Tiefenwerte (T) und Ablagewerte (A) berechnet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring profiles to be compared ( 40 ' . 40 '' ) of the transducer groups a surface profile of a riverbed ( 16 ), which are calculated by means of the values obtained from the group signals for the sound propagation times and the resulting depth values (T) and storage values (A). Verfahren nach einem der Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zu vergleichenden Messprofile (40', 40'') der Wandlergruppen (30', 30'') einer Zielpeilung entsprechen, welche mittels der aus den Gruppensignalen gewonnenen Werte für die Pegel und einem sich daraus ergebenen Pegelverlauf berechnet werden.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the measuring profiles to be compared ( 40 ' . 40 '' ) of the transducer groups ( 30 ' . 30 '' ) correspond to a target bearing, which are calculated by means of the values obtained for the levels from the group signals and a resulting level profile. Verfahren nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 5, jedoch mit Rückbezug auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem festgelegten Empfangssektor (22) ein Wert für die zu bestimmende Schallgeschwindigkeit ermittelt wird, so dass für alle Messdurchgänge kontinuierlich der aktuell gültige Wert der Schallgeschwindigkeit verwendet wird.Method according to claim 2 or any one of claims 3 to 5, but with reference to claim 2, characterized in that for each specified receiving sector ( 22 ) a value for the speed of sound to be determined is determined so that the currently valid value of the speed of sound is used continuously for all measuring passes. Vorrichtung zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit im Bereich einer an einem Wasserfahrzeug (10) angebrachten akustischen Empfangsvorrichtung (20) mit einer Vielzahl von akustischen Wandlern (32', 32'') zum richtungsselektivem Empfang sich im Wasser ausbreitender Schallwellen, die von einem Objekt reflektiert oder abgestrahlt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler (32', 32'') zu mindestens zwei Wandlergruppen (30', 30'') zusammengefasst sind, wobei jeder Wandler (32', 32'') ein Empfangssignal erzeugt und die Empfangssignale der Wandler (32', 32'') einer Wandlergruppe (30', 30'') zur Bildung eines eine Richtcharakteristik der Wandlergruppe (30', 30'') bestimmenden Gruppensignals mittels jeweils eines Zeitverzögerungskoeffizienten zeitverzögert und konphas aufaddierbar sind, wobei die zur Bildung einer Richtcharakteristik einer Wandlergruppe (30', 30'') verwendeten Zeitverzögerungskoeffizienten einen Zeitverzögerungskoeffizientensatz bilden, die Wandlergruppen (30', 30'') derart angeordnet sind, dass Schallwellen (36) aus einer Richtung mittels jeweils voneinander verschiedener Zeitverzögerungskoeffizientensätze empfangbar sind, eine Berechnungseinheit vorgesehen ist, mittels der aus den Gruppensignalen ermittelten Werten je ein Messprofil (40', 40'') je Wandlergruppe (30', 30'') erstellbar ist, für dessen Berechnung ein Wert für die zu bestimmende Schallgeschwindigkeit annehmbar ist, und diese Berechnung eines Messprofils (40', 40'') mehrfach wiederholbar ist und zwar mit unterschiedlichen angenommenen Werten für die zu bestimmende Schallgeschwindigkeit, eine Vergleichseinheit vorgesehen ist, mittels der für jeden angenommenen Wert der zu bestimmenden Schallgeschwindigkeit die Messprofile (40', 40'') der Wandlergruppen (30', 30'') vergleichbar sind und aus auf diese Weise gewonnenen Vergleichsergebnissen ein Wert für die Schallgeschwindigkeit bestimmbar ist.Device for determining the speed of sound in the region of a vehicle ( 10 ) mounted acoustic receiving device ( 20 ) with a plurality of acoustic transducers ( 32 ' . 32 '' ) for the directionally selective reception of sound waves propagating in the water, which are reflected or emitted by an object, characterized in that the transducers ( 32 ' . 32 '' ) to at least two transducer groups ( 30 ' . 30 '' ), each transducer ( 32 ' . 32 '' ) generates a received signal and the received signals of the converter ( 32 ' . 32 '' ) of a transducer group ( 30 ' . 30 '' ) for forming a directional characteristic of the transducer group ( 30 ' . 30 '' ) group delay signal by means of a respective time delay coefficient time-delayed and konphas are aufaddierbar, wherein the formation of a directional characteristic of a transducer group ( 30 ' . 30 '' ) time delay coefficients form a time delay coefficient set, the 30 ' . 30 '' ) are arranged such that sound waves ( 36 ) are receivable from one direction by means of respectively different time delay coefficient sets, a calculation unit is provided, by means of the values determined from the group signals one measurement profile each ( 40 ' . 40 '' ) per transducer group ( 30 ' . 30 '' ), for the calculation of which a value for the speed of sound to be determined is acceptable, and this calculation of a measurement profile ( 40 ' . 40 '' ) is repeatable and with different assumed values for the speed of sound to be determined, a comparison unit is provided, by means of the assumed for each value of the speed of sound to be determined the measurement profiles ( 40 ' . 40 '' ) of the transducer groups ( 30 ' . 30 '' ) and a value for the speed of sound can be determined from comparison results obtained in this way. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Berechnungseinheit das jeweilige Messprofil (40', 40'') der Wandlergruppe (30', 30'') mittels einer Vielzahl von gegeneinander schwenkbaren Richtcharakteristiken der Wandlergruppen (30', 30'') über einen festgelegten Empfangssektor (22) erstellbar ist, wobei sich die Empfangssektoren (22) der jeweiligen Wandlergruppen überschneiden.Apparatus according to claim 7, characterized in that by means of the calculation unit, the respective measurement profile ( 40 ' . 40 '' ) of the transducer group ( 30 ' . 30 '' ) by means of a plurality of mutually pivotable directional characteristics of the transducer groups ( 30 ' . 30 '' ) via a defined receiving sector ( 22 ), whereby the receiving sectors ( 22 ) of the respective transducer groups overlap. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Vergleichseinheit ein Übereinstimmungsgrad beim Vergleich der Messprofile (40', 40'') ermittelbar ist und derjenige angenommene Wert für die zu bestimmende Schallgeschwindigkeit auswählbar ist, bei der der Übereinstimmungsgrad maximal ist oder einen Schwellenwert überschreitet.Device according to one of the preceding claims, characterized in that by means of the comparison unit a degree of agreement when comparing the measuring profiles ( 40 ' . 40 '' ) and the assumed value for the speed of sound to be determined is selectable, at which the degree of agreement is maximum or exceeds a threshold value. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, jedoch mit Rückbezug auf Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem festgelegten Empfangssektor (22) ein Wert für die zu bestimmende Schallgeschwindigkeit ermittelt ist, so dass für alle Messdurchgänge kontinuierlich der aktuell gültige Wert der Schallgeschwindigkeit anwendbar ist.Device according to claim 8 or 9, but with reference to claim 8, characterized in that for each defined receiving sector ( 22 ), a value for the speed of sound to be determined is determined so that the currently valid value of the speed of sound is continuously applicable for all measuring passes.
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