DE1498018B2 - Echolot zur untersuchung geologischer schichten unter dem meeresboden - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Echolot zur Unter- In der deutschen Patentanmeldung S.17263 IXb/42c,

suchung geologischer Schichten unter dem Meeres- 42 wird ein System zur seismischen Untersuchung

boden, bei dem ein elektromechanischer Wandler auf dem Festland beschrieben, bei dem das erste

Echos von zum Meeresgrund gesandter mechanischer empfangene Echo eine anfängliche Absenkung

Wellenenergie empfängt und von den Echos abgelei- 5 des Verstärkungsgrades des Empfangsverstärkers für

tete Signale vor einer Aufzeichnung oder Anzeige den Empfang von Echos aus den oberen Schichten

über einen Verstärker mit regelbarem Verstärkungs- bewirkt, wobei der Verstärkungsgrad dann automa-

grad geleitet werden und der Verstärkungsgrad des tisch für den Empfang von Echos aus größeren Tie-

Verstärkers von einem (Spannungs-Zeit-Funktions- fen erhöht wird. Dem ersten Echo eine maximale

generator geregelt wird, der aufgetastet wird, um den io Verstärkung zuzuordnen, dann eine Senkung mit

Verstärkungsgrad progressiv mit der Zeit für die folgendem Ansteigen des Verstärkungsgrades zu

unmittelbar danach vom Wandler empfangenen Echo- bewirken, ist für die Probleme der Untersuchung von

signale zu erhöhen. Schichten unter dem Meeresboden mittels Echolot

Aus der britischen Patentschrift 908 905 ist ein nicht brauchbar. Bei einem derartigen Gerät entEcholot in dieser Art für die Bestimmung von Unter- 15 stehen die ersten Echos bereits unmittelbar nach wasserzielen bekannt, bei dem ein Funktionsgene- Aussendung der Signale in dem den Sender und rator unmittelbar nach der Aussendung von mecha- Empfänger umgebenden Wasser. Es tritt also auch nischer Wellenenergie auf getastet wird und sofort mit hier wieder der gleiche Nachteil wie bei den zuvor dem Erhöhen des Verstärkungsgrades beginnt. Die genannten bekannten Echoloten auf, nämlich daß Amplitude jedes vom Wandler empfangenen Echos 20 die von den Schichten unter dem Meeresboden emphängt von der Tiefe ab, in der es zurückgeworfen fangenen Echos abhängig von der Wassertiefe verwurde, wobei mit der Tiefe auch der Weg der stärkt werden.

Energie wächst und damit auch die Dämpfung. Bei Weitere Möglichkeiten zur Veränderung der Be-

dem bekannten Echolot wird das allmähliche Er- triebseigenschaften des Empfangskanals beim Emp-

höhen des Verstärkungsgrades des Verstärkers dazu 25 fang des ersten Echos in der Sprengseismik sind in

verwendet, die mit der Tiefe wachsende Dämpfung der deutschen Patentschrift 949376 sowie in den

zu kompensieren, wobei die kräftigeren Signale der zu- Patentschriften 28 425 und 28 467 des Amts für

erst empfangenen Echos weniger verstärkt werden als Erfindungs- und Patentwesen angegeben. Insbeson-

die schwächerenSignale der später empfangenenEchos. . dere wird dort versucht, die Empfindlichkeit einer

Wenn dieses bekannte Echolot zur Untersuchung 30 automatischen Amplitudenregelung nach Empfang

von Eigenschaften von Schichtungen unterhalb des des ersten Echosignales zu verringern, wobei diese

Meeresgrundes verwendet würde, ergäben sich be- Änderung durch Erhöhen der Zeitkonstante einer

trächtliche Nachteile. So würden die Signale, die von Detektorschaltung erzielt wird, so daß nachfolgende

den von den Schichtungen unterhalb des Meeres- Echosignale die Verstärkung nur allmählich verän-

grundes empfangenen Echos abhängig von der 35 dem. Diese Versuche auf dem Gebiete der Spreng-

Wassertiefe oberhalb des Meeresgrundes verstärkt, seismik sind für die Überwindung der speziellen

so daß zwangläufig die Größe jedes angezeigten Probleme, die mit der Untersuchung von Schichten

Schichtungsechosignals nicht ohne weiteres mit den unter dem Meeresboden verbunden sind, nicht an-

Schichtungseigenschaften in Beziehung gesetzt werden wendbar.

kann. Außerdem ist bis zum Empfang des Meeres- 40 Aufgabe der Erfindung ist es, ein Echolot zu grundechosignals der Verstärkungsgrad auf einen schaffen, das zur Untersuchung von Schichten unterrelativ hohen Wert angestiegen, was eine Übersteue- halb des Meeresbodens geeignet ist, wobei insbesonrung des Verstärkers durch das Meeresgrundecho- dere eine klare Aufzeichnung ohne Störung durch signal zur Folge hat und die Gefahr der Unter- das Meeresbodenecho erzielt und die Dynamik des drückung von unmittelbar folgenden Schichtungs- 45 Verstärkers voll ausgenützt werden soll,
echosignalen mit sich bringt. '.-.■·■■'. Das Echolot gemäß der Erfindung ist dadurch ge-

In dem Aufsatz »New Geophysical Method for kennzeichnet, daß der (Spannungs-Zeit-)Funktions-

the Exploration of Undersea Coalfields« in The generator durch eine mittels Amplitudenselektion auf

Mining Engineers Januar 1961, S. 262, wird ein das Meeresbodenecho . ansprechende Vorrichtung

Echolot ähnlich demjenigen der vorgenannten bri- 50 auf getastet wird.

tischen Patentschrift beschrieben, bei dem versucht Bei dem erfindungsgemäßen Echolot besitzt der wird, die Übersteuerung des Verstärkers durch Be- Verstärkungsgrad des Verstärkers beim Durchlauf grenzung der Amplitude von überhöhten Signalen zu des Meeresgrundechosignals durch denselben einen verhindern. Eine derartige Begrenzung hat jedoch niedrigen Wert, so daß dieses Signal, das gewöhnlich den Nachteil, daß Teile der von den Echosignalen 55 eine große Amplitude relativ zu den Schichtungsübermittelten Information verlorengeht. Die Aus- echosignalen besitzt, keine Übersteuerung des Versagen über die Natur der Schichten an jedem Punkt .stärkers bewirkt. Dadurch, daß das Anheben des unter dem Meeresboden werden durch ein Signal- Verstärkungsgrades unmittelbar nach dem Durchlauf muster von Amplitudenänderungen des von dem je- des Meeresgrundechosignals durch den Verstärker weiligen Punkt empfangenen Echos dargestellt; will 60 beginnt, ist der Verstärkungsgrad für die Schichtungsman eine Übersteuerung vermeiden, dann ist der echosignale unabhängig von der Wassertiefe über dem Begrenzer so einzustellen, daß er einen Teil der Meeresgrund und allein abhängig von der Tiefe der Amplitude des von dem Meeresboden und dem Schichtung unter demselben.

unmittelbar darunterliegenden Bereich empfangenen Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Echo-Echosignals abschneidet, so daß ein Großteil der 65 lotes besteht darin, daß die niedrige Verstärkung des gerade diesen wichtigen Bereich charakterisierenden Meeresgrundechosignals und die allmählich anInformation für die Aufzeichnung der Darstellung wachsende Verstärkung für die nachfolgenden verlorengeht. Schichtungsechosignale eine Anzeige ergeben, bei der

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die · physikalischen Unterschiede zwischen den ver- formgeber oder Meßsender 16 angelegt, der nur auf schiedenen Schichtungen nicht durch ein über- Signale mit großer Amplitude anspricht,
steuerndes Meeresgrundecho oder einen raschen Ab- Ein Sendesperrimpuls wird an den Meßsender 16

fall in der Amplitude der angezeigten Schichtungs- vom Impulsgeber 10 angelegt, wenn ein Impuls geechos verdeckt oder gestört wird. 5 sendet wurde, um zu verhindern, daß der Meßsender

Die Anordnung kann so getroffen sein, daß beim 16 auf ein Signal anspricht, das durch den unmittel-Empfang des Meeresgrundechosignals der Steuer- baren Durchgang des gesendeten Impulses zum Empwellenformgenerator den Verstärkungsgrad von einem fangswandler erzeugt ist. Das nächste zu empfanhohen Wert auf einen niedrigen rasch absenkt, bevor gende Signal großer Amplitude ist das Meeresgrunddie Verstärkung allmählich ansteigt. Die bevorzugte io echosignal, welches den Meßsender 16 veranlaßt, eine Methode besteht jedoch darin, daß der Steuerwellen- Vorspannungs-Steuerwellenform zu erzeugen, die zur formgenerator den Verstärkungsgrad bis zum Durch- Steuerung der Verstärkung des Empfangsverstärkers lauf des Meeresgrundechosignals durch den Verstär- 13 angelegt wird. Die Verstärkung des Verstärkers 13 ker auf einem niedrigen Wert hält. Dies hat den wird entweder konstant gehalten oder fortschreitend Vorteil, daß von Gegenständen oberhalb des Meeres- 15 erhöht, um somit die abnehmende Stärke der Echogrundes zurückgeworfene Echosignale unterdrückt signale aus größeren Entfernungen mittels eines werden. Empfindlichkeitssteuersignals auszugleichen. Die

Während die Schichtungsechos von dem Echolot dazu erforderlichen Mittel sind durchaus herkömmempfangen werden, kann vom Meeresgrund reflek- lieh und in der Zeichnungsfigur nicht dargestellt. Die tierte mechanische Wellenenergie an der Meeres- 20 Vorspannungs-Steuerwellenform aus dem Meßsender Oberfläche reflektiert und nochmals am Meeresgrund 16 überlagert das Empfindlichkeitssteuefsignal, um reflektiert werden. Dieses Meeresgrundrückecho kann beim Empfang des Meeresgrundechosignals ein abbeim Empfang von großer Amplitude sein, insbeson- ruptes Absinken der Verstärkung herbeizuführen, dere bei flachen Gewässern, und es ergibt sich ein worauf sie nach und nach den vom Empfindlichähnliches Problem, wie bei den direkten Meeres- 25 keitssteuersigrial bestimmten Wert wieder erlangt,
grundechos. Dieses Problem kann vorteilhaft durch Dadurch werden die Meeresuntergrundechosignale

die Verwendung eines zweiten Steuerwellenformgene- in größerem Ausmaß Verstärkt als die Meeresgrundrators gelöst werden, der während des Durchlaufs echosignale und ungeachtet ihrer kleinen Amplitude des Meeresgrundrückechosignals durch den Ver- erfaßt bzw. aufgezeichnet. Der »Schwanz« oder stärker dessen Verstärkungsgrad absenkt. Das 30 Schlußteil des durch Widerhall erzeugten Meeres-Meeresgrundrückechosignal folgt dem Meeresgrund- grundechosignals ist darüber hinaus mit einem nieechösignal nach einer Zeitspanne, die annähernd derem Wert aufgezeichnet und die Meeresuntergrundgleich der Zeitspanne zwischen Aussendung und echosignale können innerhalb des Schlußteils durch Empfang des ersten Meeresgrundechosignals ist; Zunahme der Intensität der durch sie erfolgten Aufeine Verzögerungsschaltung löst deshalb nach einer 35 zeichnung ermittelt werden.

nach dem Empfang des Meeresgrundechosignals Die Verstärkung des Signalverstärkers 15 ist auf

folgenden Verzögerung den zweiten Steuerwellen- einen solchen Wert eingestellt, daß das Meeresgrundformgenerator aus, wobei die Verzögerung abhängig echosignal eine stets genügend große Amplitude zur von der Zeitspanne zwischen der Aussendung und Auslösung des Meßsenders 16 aufweist, und zwar dem Empfang des Meeresgrundechosignals ist. & unabhängig von der Tiefe, aus welcher es empfangen

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden wird. Der Meßsender ist zur Einzel veränderung des nun an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt Ausgangswertes, der Dämpfungsgeschwindigkeit -und

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer einfachen Aus- des endgültigen Wertes der Vorspannungs-Steuerwelführungsform eines erfindungsgemäßen Echolots; lenform regelbar. ·

und . 45 Eine Verzögerungsschaltung kann zwischen dem

F i g. 2 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Aus- Signalverstärker 15 und dem . Meßsender 16 vorgeführungsform des Echolots mit einer Einrichtung zur sehen werden, deren Verzögerung dazu führt,-daß Beseitigung der Störwirkungen des ersten Meeres- das aus einem Impuls gesendete Meeresgrundsignal grundrückechos. den Meßsender veranlaßt, Echos des nächsten ge-

Der in den beiden Figuren dargestellte Impulsgeber 5° sendeten Impulses zu empfangen. ■■■;

10 erzeugt Impulse, die an 'einen Sendewandler 11 Bei dem in F i g. 2 dargestellten Echolot sind die

angelegt werden, welcher in das Meer Druckwellen- Echosignale aus dem Empfangswandler 12 von einem impulse mit Überschallfrequenzen oder hohen Signal verstärker 15 wieder verstärkt und an einen Schallfrequenzen sendet. Die rückgestrahlten Echos Meßsender 17 angelegt. Der Meßsender 17 erzeugt dieser Impulse werden von einem Empfangswandler 55 eine Ausgangswellenform, die sich von der vom Meß-12 aufgenommen, wobei die Echosignale aus dem sender 16 der in F i g. 1 gezeigten Vorrichtung erWandler 12 über einen Empf angsverstärker 13 einer zeugten unterscheidet. \.
Aufzeichnungsvorrichtung 14 übertragen werden. Ein Sendeunterdrückungsimpuls aus dem Impuls-Die soweit beschriebene Einrichtung ist durchaus , geber 10 wird wie vorher an den Meßsender 17 anherkömmlicher Art, was auch für ihre Bauteile gilt. ^6o gelegt. Das Meeresgrundechosignal veranlaßt den Ein und derselbe Wandler kann nach Belieben als Meßsender, eine Auswertewellenform zu erzeugen, Sender und Empfänger verwendet werden, während welche aus einem positiv wirkenden Impuls konstandie Arbeitsweise des Impulsgebers zwecks Zeitein- ter Amplidude besteht, die unmittelbar nach Empf ang Stellung von der Aufzeichnungsvorrichtung gesteuert des Meeresgrundechosignals beginnt und nach Bewird. ⁶5 endigung der Aufzeichnungsperiode endet. Diese

Die Echosignale aus dem Wandler 12 nach Fig. 1 - ... Auswertewellenform ist an eine Unterdrückungstorwerden auch an einen Signalverstärker 15 festgelegter ".'.'. schaltung 18 angelegt, deren Ausgangsleistung zur Verstärkung weitergeleitet und dann an einen Wellen- Steuerung der Verstärkung des Verstärkers 13 ange-

legt wird. Eine Sperrvorspannung wird normalerweise an den Verstärker 13 angelegt, um die Verstärkung auf einem niederen Wert zu halten. Ist die positive Kante der Auswertewellenform an die Torschaltung

18 angelegt, schließt diese ein Diodentor, d. h. einen Schalter wie z. B. einen Transistor, wodurch die Vorspannung durch die Entladung eines Kondensators exponential absinkt, bis die Verstärkung einen vorbestimmten höheren Wert erreicht. Dieser höhere Wert sowie die Geschwindigkeit, mit welcher er erreicht wird, ist zum Erhalt der optimalen Einstellung für den bestimmten Verwendungszweck regelbar. Nach Beendigung der. Aufzeichnungsperiode führt das Öffnen des Diodentors wieder das Absinken der Verstärkung auf den niederen Wert herbei. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß bis zum Empfang des ersten Meeresgrundechos auf dem Diagrammpapier keine Echos aufgezeichnet und somit Aufzeichnungen größerer Klarheit erhalten werden.

.. Die Vorrichtung nach F i g. 2 dient auch zur Unterdrückung des ersten Meeresgrundrückechos, das nacheinander durch Rückstrahlung von Meeresgrund, Wasseroberfläche und Meeresgrund erzeugt wird. Die Echosignale aus dem Verstärker 15 werden an einen Steuerimpulsgenerator bzw. eine Kippschaltung

19 angelegt. Diese Schaltung 19 wird durch den unmittelbar vom Empfangswandler 12 empfangenen gesendeten Impuls in »EIN« und durch das nächste Signal mit großer Amplitude — d. h. das Meeresgundechosignal — in »AUS« geschaltet. Sie erzeugt zwei Impulse entsprechend dem Empfang des gesendeten Impulses und dem Meeresgrundechosignal, deren Zeitunterschied die Tiefe des Meeresgrundes unterhalb des Wandlers darstellt. Diese Impulse werden einer Zeitverzögerungs-Wählerschaltung 20 angelegt, welche eine dem zwischen ihnen bestehenden Zeitunterschied proportionale Bezugsspannung erzeugt. Diese Bezugsspannung wird an einen Verzögerungsgenerator 21 zur Steuerung der eingeleiteten Verzögerung angelegt. .Eine zusätzliche regelbare Verzögerung ist vorgesehen, um der Tatsache Rechnung zu tragen, daß sich die Wandlern und 12 unter dem Wasserspiegel befinden und deshalb das Meeresgrundrückecho nicht nach einem Intervall nach der Sendung erfolgt, welcher genau zweimal größer als das Intervall ist, nach welchem das Meeresgrundecho erscheint. Der Verzögerungsgenerator 21 wird durch die Wählerschaltung 20 ausgelöst, wenn der Sendeimpuls an die Wählerschaltung aus der Kippschaltung angelegt wird, wobei der verzögerte Ausgangsimpuls an einen steuerbaren Meßsender 22 angelegt wird, der eine Vorspannungs-Unterdrückungswellenform erzeugt, welche die vom Meßsender 17 erzeugte überlagert. Die Amplitude und Abfallgeschwindigkeit der Vorspannungs-Unterdrückungswellenform aus dem Meßsender 22 kann gesteuert werden, um die erforderliche Unterdrückung des Meeresgrundrückechos herbeizuführen, während die Meeresuntergrundechos aufgezeichnet werden können. Im allgemeinen unterscheidet sich dies von der Unterdrückung, die an das erste Meeresgrundecho angelegt ist, und zwar sowohl in Bezug auf Größe als auch auf die für den Anstieg erforderliche Zeit.

Es ist ersichtlich, daß der Meßsender 17 und die Unterdrückungs-Torschaltung 18 -nach F i g. 2 mit dem Meßsender nach F i g. 1 auswechselbar sind, sowie daß die Schaltung nach F i g. 2 eine Verzögerungsschaltung bzw. mehrere Verzögerungsschaltungen zwischen dem Empfangswandler 12 und den Meßsendern 17 und 22 aufweisen kann, wobei die Verzögerung der Sendeperiode entspricht, so daß jedes Meeresgrundechosignal die Verstärkung des ίο Empfangsverstärkers für den Empfang des nachfolgenden Meeresgrundechosignals steuert.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Echolot zur Untersuchung geologischer Schichten unter dem Meeresboden, bei dem ein elektromechanischer Wandler Echos von zum Meeresgrund gesandter mechanischer Wellenenergie empfängt und von den Echos abgeleitete Signale vor einer Aufzeichnung oder Anzeige über einen Verstärker mit regelbarem Verstärkungsgrad geleitet werden und der Verstärkungsgrad des Verstärkers von einem (Spannungs-Zeit-) Funktionsgenerator geregelt wird, der aufgetastet wird, um den Verstärkungsgrad progressiv mit der Zeit für die unmittelbar danach vom Wandler empfangenen Echosignale zu erhöhen, dadurch

. gekennzeichnet, daß der (Spannungs-Zeit)-Funktionsgenerator durch eine mittels Ampütudenselektion auf das Meeresbodenecho ansprechende Vorrichtung aufgetastet wird.

2. Echolot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsgrad des Verstärkers (13) zu Beginn auf einen niedrigen Wert eingestellt ist (F i g. 2).

3. Echolot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsgrad des Verstärkers (13) normalerweise auf einen hohen Wert vorgespannt ist und daß der (Spanmmgs-Zeit)-

Funktionsgenerator (16) (Fig. 1), wenn er durch die Amplitudenselektionsvorrichtung aufgetastet wird, ein Signal an den Verstärker (13) zum unmittelbaren Absenken des Verstärkungsgrades auf einen niedrigen Wert und nachfolgendem allmählichem Ansteigen auf den hohen Wert anlegt.

4. Echolot nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verzögerungsschaltung zwischen Amplitudenselektionsvorrichtung (15) und Funktionsgenerator (16) vorhanden ist.

5. Echolot nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verzögerungsgenerator (21) einen Impuls nach einer dem Empfang jedes Meeresgrundechosignals folgenden Zeitspanne erzeugt, die von einem Zeitverzögerungswähler (20) abhängig von der Dauer zwischen Aussendung der Energie und Empfang des folgenden Meeresgrundechos ausgewählt wird, und daß ein zweiter (Spannungs-Zeit-)Funktionsgenerator (22) von dem Impuls des Verzögerungsgenerators (21) aufgetastet wird, um kurzzeitig den Verstärkungsgrad des Verstärkers (13) während des Durchlaufs des Meeresgrundrückechosignals durch den Verstärker (13) abzusenken.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen