DE19929708B4 - Verfahren zur Gewinnung von bodenrelevanten Parametern bei der Sedimentortung mit parametrischen akustischen Schallquellen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von bodenrelevanten Parametern bei der Sedimentortung mit parametrischen (nichtlinearen) akustischen Schallquellen und Auswertung der am Boden und an den Schichtgrenzen rückgestreuten und reflektierten Signale. Es werden gleichzeitig mit jeweils einer vertikal und einer schräg gerichteten, gegen Seegangsbewegungen elektronisch stabilisierten, stark gebündelten parametrischen Schallquelle Impulse mit einer oder mehreren Frequenzen gesendet. Der Empfangswandler für die vertikalen Schallstrahlen befindet sich am Aufstellungsort des vertikalen Senders und der Empfangswandler der schrägen Schallstrahlen am Ort maximaler Empfangswahrscheinlichkeit für die reflektierten Schallstrahlen. Aus den mit dem vertikalen Schallstrahl gemessenen Wasser- und Sedimentschichtentiefen wird der optimale Abstrahlwinkel der schrägen, entsprechend elektronisch schwenkbaren Schallkeule berechnet. Aus den gemittelten Laufzeiten der einzelnen Schallstrahlen der Boden- und Schichtgrenzenechos der beiden Sender werden unter Anwendung der Reflexions- und Brechungsgesetze und der bekannten oder gemessenen Meßgeometrie die Schallgeschwindigkeiten in den Sedimentschichten und ihre wahren Schichtdicken bestimmt. Aus den gemittelten Echoamplituden werden unter Einbeziehung der Rauhigkeit der Schichtgrenzen die Beträge der akustischen Impedanzen und aus den Phasendifferenzen der Mehrfrequenzsignale ihre Phasenwinkel berechnet. Durch Auswertung der ...

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von bodenrelevanten Parametern bei der Sedimentortung mit parametrischen (nichtlinearen) akustischen Schallquellen und Auswertung der am Boden und an den Schichtgrenzen rückgestreuten und reflektierten Signale. Es werden gleichzeitig mit jeweils einer vertikal und einer schräge gerichteten, gegen Seegangsbewegungen elektronisch stabilisierten, stark gebündelten parametrischen Schallquelle Impulse mit einer oder mehreren Frequenzen gesendet. Der Empfangswandler für die vertikalen Schallstrahlen befindet sich am Aufstellungsort des vertikalen Senders und der Empfangswandler der schrägen Schallstrahlen am Ort maximaler Empfangswahrscheinlichkeit für die reflektierten Schallstrahlen. Aus den mit dem vertikalen Schallstrahl gemessenen Wasser- und Sedimentschichtentiefen wird der optimale Abstrahlwinkel der schrägen, entsprechend elektronisch schwenkbaren Schallkeule berechnet. Aus den Bemittelten Laufzeiten der einzelnen Schallstrahlen der Boden- und Schichtgrenzenechos der beiden Sender werden unter Anwendung der Reflexions- und Brechungsgesetze und der bekannten oder gemessenen Meßgeometrie die Schallgeschwindigkeiten in den Sedimentschichten und ihre wahren Schichtdicken bestimmt. Die Erfindung wird in der Meeres- und Umwelttechnik angewendet.
• Bekannt ist auch, seismische Verfahren zur Erkundung von Gewässerböden einzusetzen. Der Boden wird dabei mit ungerichteten oder schwach gebündelten niederfrequenten Schallquellen schräge beschallt. Die am Boden und an den Schichtgrenzen reflektierten Signale werden mittels einem oder mehreren, in festem parallelen Abstand gefahrenen langen mehrkanaligen, hinter dem Sendeschallwandler geschleppten Hydrofonstreamern empfangen und zum späteren sehr rechenzeitintensiven Postprocessing gespeichert. Als große Nachteile erweisen sich auch, daß durch die schwache Bündelung das Signal/Rausch-Verhältnis am Empfänger sehr klein wird und eine große Zahl von ungewollten Schallausbreitungswegen entstehen, deren Empfangssignale die Nutzsignale verdecken können ( EP 0 400 776 A2 , EP 0 400 775 A2 , EP 0 223 667 A1 ).
• Bekannt ist auch, zur seismischen Exploration eine Anzahl von Schallquellen in einem bestimmten seitlichen Abstand hintereinander zu schleppen und die am Boden reflektierten Signale mit einem weiter hinten geschleppten Hydrofon-Streamer zu empfangen ( EP 0 134 684 A2 , EP 0 047 547 A2 , EP 0 381 367 A2 ). Neben einem hohen technischen Aufwand bleiben die Nachteile des rechenzeitintensiven Postprocessing bestehen.
• Bekannt ist auch ein Verfahren zur Untersuchung schräge abtauchender Bodenstrukturen, bei dem zunächst mit einer vertikal gerichteten Sendeschallkeule eines Sendewandlerarrays die ungefähre momentane Bodentiefe und Neigung unter dem Array bestimmt wird und in einem zweiten Schritt zur genaueren Untersuchung die Sendeschallkeule so elektronisch oder mechanisch geschwenkt wird, dass die reflektierten Schallstrahlen genau senkrecht auf ein geschlepptes, stark bündelndes Empfangsarray treffen ( US 4 146 870 ).
• Die Vorteile eines solchen Verfahrens können nur zur exakten Vermessung einzelner Bodenstrukturen genutzt werden, nicht aber für geschichtete Sedimentkörper größerer Mächtigkeit. Nachteilig ist auch, dass das Messprofil zweimal überlaufen werden muss oder sich die effektive Schussfolge halbiert und dass durch die zum Empfangsarray parallele Wasseroberfläche die vertikale Auflösung und der Störabstand durch Ghosts eingeschränkt sind. Für die Untersuchung horizontal verlaufender Schichtgrenzen ist das Verfahren nicht sinnvoll einsetzbar.
• Bekannt ist auch, die Reflexionssignale einer üblichen ungerichteten seismischen Quelle mit zwei unterschiedlich langen und räumlich voneinander entfernten vielkanaligen Empfangsstreamern gemeinsam auf einem vielkanaligen Recorder aufzuzeichnen, wobei sich der kurze Streamer in der Nähe der Quelle befindet und die Reflexionssignale von Strukturen direkt unterhalb der Quelle empfängt und der lange Streamer die Reflexionssignale der flach auf den Boden einfallenden Strahlen in größerer Entfernung von der Quelle empfängt ( US 4 020 447 ). Durch die Nutzung einiger Recorderkanäle für die gemeinsame Aufzeichnung beider vielkanaliger Streamer ergibt sich zwar eine Reduzierung des Aufzeichnungsaufwandes, aber es besteht ein sehr hoher Aufwand bei Signalgewinnung und Signalauswertung.
• Bekannt ist auch, bei seismischen Untersuchungen durch Stapelung den Nutzsignal/Störabstand zu verbessern und störende Reflexionen (Ghosts) zu reduzieren. Das Grundprinzip beruht darauf, die Nutzsignale kohärent und die zufälligen Störsignale (Rauschen) und die determinierten Störsignale (Ghosts) inkohärent zu addieren. Die Unterschiede bestehen in den technischen Lösungen, die meist verfahrensbedingt mit hohem technischen Aufwand verbunden und rechenzeitintensiv sind. Beispielsweise kann zur Signalgewinnung ein langer vielkanaliger geneigter Empfangsstreamer verwendet werden, bei dem die Nutzsignale jedes Sendeimpulses in den einzelnen Streamerkanälen zeitgleich und die Ghosts zu unterschiedlichen Zeiten empfangen werden ( US 4 353 121 ).
• Bekannt ist auch, die Signale einer ungerichteten seismischen Quelle mit einem vielkanaligen Streamer zu empfangen, der aus einem Array mit geringem Abstand der Kanäle in der Nähe der Quelle und aus einem Array mit großem Abstand der Kanäle in größerer Entfernung von der Quelle besteht ( US 3 613 071 ), wobei das kleinere Array zur Auswertung der höherfrequenten Signale der oberen Schichten und der entferntere Streamer zur Untersuchung der tiefer liegenden Schichten eingesetzt wird. Der Einsatz eines solchen Verfahrens ist mit hohem technischen Aufwand verbunden und sehr rechenzeitintensiv.
• Bekannt ist auch die Verwendung von Empfängerarrays mit einer solchen Anordnung der einzelnen Elemente, dass eine frequenzunabhängige Richtwirkung entsteht ( US 4 254 480 ). Aufbau und Handling solcher Empfängeranordnungen sind sehr kompliziert. Sie kommen für den Einsatz bei der erfindungsgemäßen Lösung nicht in Betracht.
• Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, bodenrelevante Parameter mittels online-fähiger unterwasserakustischer Verfahren mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand möglichst genau zu bestimmen.
• Dieses Problem wird bei einem Verfahren mit parametrischen akustischen Schallquellen durch die in den Patentansprüchen aufgeführten Merkmale gelöst.
• Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen insbesondere darin, daß durch die stark gerichtete Schallabstrahlung der vertikalen und der schrägen Schallquelle sowie die optimalen Senderichtungen und Anordnungen der Schallempfänger mit großer Sicherheit auswertbare Empfangssignale entstehen, die eine einfache, genaue und eindeutige Bestimmung der Schallgeschwindigkeiten in den Sedimentschichten, der wahren Schichtdicken, der akustischen Impedanzen nach Betrag und Phase, der Dämpfungskoeffizienten und der Dichten ermöglichen. Die einfachen Verfahren der Signalauswertung erlauben die Berechnung der Parameter online während der Meßfahrt.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben. Die gewählte Form und Richtung der Richtcharakteristik des schrägen Empfangswandlers ergibt ein großes Signal/Rausch-Verhältnis und ermöglicht die gleichzeitige Erfassung und Vermessung mehrerer untereinander liegender Schichten. Bei Verwendung von Mehrfrequenzsignalen und frequenzselektivem Empfang werden durch die angegebene Beschaltung eines Wandlerarrays für jede Frequenz optimale Empfangseigenschaften erreicht.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist auch im Patentanspruch 3 angegeben. Ist die Meßgeometrie nicht genau bekannt, kommt es zu Fehlern bei der Berechnung der Parameter, in einigen Fällen sogar zu Mehrdeutigkeiten. Werden die Tauchtiefen der Sender und Empfänger berücksichtigt, verringern sich die Fehler erheblich.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist auch im Patentanspruch 4 angegeben. Bei großer Eindringung der Schallwellen in den Sedimentkörper werden wegen der gerichteten Schallsendung nicht mehr für alle Schichtgrenzen maximale Sendepegel erreicht. Mit dem periodischen Ändern des Neigungswinkels können Schichten in einem großen Tiefenbereich mit maximalem Signal/Rausch-Verhältnis vermessen werden.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist weiterhin im Patentanspruch 5 angegeben. Auf See ist die optimale Ausrichtung des schrägen Schallsenders bzw. des entsprechenden Empfängers oft schwierig, weil eine Peilung nach maximaler Empfangsstärke bei rauhem oder sich änderndem Boden keine eindeutigen Ergebnisse liefert. Mittels der zusätzlichen Schallquelle ist die Justierung einfch und schnell möglich. Die Entfernung zur Schallquelle kann genau gemessen werden. Die Sendung mit gleicher parametrischer Frequenz ermöglicht den Empfang mit dem Empfangskanal des schrägen Schallstrahls ohne zusätzlichen Aufwand, die Sendung mit unterschiedlicher parametrischer Frequenz die Trennung beider Signale.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist auch in den Patentansprüchen 6 und 7 angegeben. Abhängig von der Größe des Meßfahrzeuges und seiner technischen Ausstattung mit Winden, Schleppeinrichtungen und Befestigungsmöglichkeiten sowie von den Meßbedingungen (Wassertiefe, Aufbau des Sedimentkörpers) sind verschiedene Systemkonfigurationen möglich. Mit geschleppten Varianten sind bessere Signal/Rausch-Verhältnisse und Anpassungsmöglichkeiten an die Wassertiefe zu erreichen. Die starre Befestigung der Sendewandler am Meßfahrzeug verringert den technischen Aufwand beim Senden, weil die Sende- und Empfangselektronik an Bord installiert werden kann. Noch einfacher wird die Handhabung bei geringen Wassertiefen oder großen Meßfahrzeugen, wenn alle Komponenten am Meßfahrzeug befestigt werden.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist auch im Patentanspruch 8 angegeben. Bei der Ortung mit Unterwasserschall unter natürlichen Bedingungen treten durch vielfältige Einflüsse zufällige Schwankungen der Schall-Laufzeiten auf. Damit Meßfehler vermieden und eindeutige Meßergebnisse erzielt werden, werden anstelle einzelner Laufzeiten ihre Mittelwerte verwendet. Mit dem angegebenen Verfahren wird die richtige Zuordnung der einzelnen Laufzeitmessungen zu den Schichten möglich.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist auch im Patentanspruch 9 angegeben. Die Berechnung der Schallgeschwindigkeiten und der tatsächlichen Schichtdicken erfordert ein nach einem einfachen Schema für eine beliebige Anzahl von Schichten aufzustellendes, eindeutig lösbares Gleichungssystem aus voneinander unabhängig und einfach zu messenden Laufzeiten. Diesen Forderungen genügen die in im Anspruch formulierten Beziehungen.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist auch im Patentanspruch 10 angegeben. Eine grobe Schätzung des Dämpfungskoeffizienten einer Schicht ist möglich, wenn man den Einfluß der Frequenz auf die Dämpfung für zwei verschiedene Frequenzen auswertet. Oft ist die Größe des Dämpfungskoeffizienten nicht linear von der Frequenz abhängig, so daß Schätzfehler entstehen. Durch Einbeziehung mindestens einer weiteren Frequenz läßt sich die Schätzung deutlich verbessern. Die erforderlichen Mehrfrequenzsignale können mittels des parametrischen Sendeverfahrens bereitgestellt werden.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist auch im Patentanspruch 11 angegeben. Trifft ein Schallsignal auf eine ebene Grenzfläche, ist die Amplitude des Echos von der einfallenden Amplitude und dem Verhältnis der akustischen Impedanzen der beiden Medien abhängig:

  
• Die Spannungen u₀ und u₁ können nicht direkt gemessen werden. Bei der laufenden Ortung lassen sich nur die Echoamplituden der einzelnen Schichtgrenzen messen. Weiterhin gibt es Fehler durch Struktureinflüsse an den Grenzflächen. Nach den im Patentanspruch angegebenen Beziehungen wird es nun auf einfache Weise möglich, die Berechnung der Beträge der akustischen Impedanzen aus den empfangenen Echosignalen zu bestimmen. Auch ergeben sich genauere Impedanzwerte, weil die Struktureinflüsse durch Auswertung der Messungen bei mehreren Frequenzen berücksichtigt werden.
• Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 12 angegeben. Eine direkte Auswertung des Phasenwinkels von Empfangssignalen bei der Ortung ist nicht möglich, da sich die Phase bezogen auf die Phasenlage beim Senden abhängig von der Wassertiefe ändert. Es werden nun ein Verfahren zur Bestimmung des Phasenwinkels des Reflexionskoeffizienten auf der Basis einer mehrfrequenten Sendung und ein entsprechendes einfaches Signalauswerteverfahren angegeben, bei denen das Ergebnis nicht von der Wassertiefe abhängig ist.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist auch im Patentanspruch 13 angegeben. Häufig ist es sehr schwierig, voll automatisch alle auszuwertenden Schichten zu erfassen und auszuwerten. Das trifft besonders bei kompliziert aufgebauten Sedimentkörpern zu oder wenn der Sedimentkörper sehr viele Schichten enthält. In diesen Fällen kann erfolgreich mit dem im Patentanspruch angegebenen Verfahren gearbeitet werden.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist auch im Patentanspruch 14 angegeben. Der technische Aufwand bei der Bestimmung der Parameter kann erheblich verringert werden, wenn die Schallgeschwindigkeit nicht gemessen werden soll oder wenn sie bekannt ist und nicht so hohe Anforderungen an die Genauigkeit gestellt werden. In diesen Fällen kann erfolgreich mit dem im Patentanspruch angegebenen Verfahren gearbeitet werden.
• Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben werden. Es zeigen:
• 1a eine schematische Darstellung der Meßanordnung in vertikaler Ebene
• 1b eine schematische Darstellung der Meßanordnung in horizontaler Ebene,
• 2 das geometrische Modell zur Berechnung der Parameter nach dem erfindungsgemäßen V erfahren.
• Mit dem vertikalen, elektronisch richtungsstabilisierten parametrischen Sende-Schallwandler 1 wird Schall mit schmaler vertikaler Keule 2 in Richtung des Bodens 3 abgestrahlt. Die entsprechenden Echosignale werden mit dem gerichteten vertikalen Empfangs-Schallwandler 4 empfangen. Die Reflexions-Signale 7 des stark bündelnden elektronisch stabilisierbaren und schwenkbaren schrägen parametrischen Sende-Schallwandlers 5 werden mit dem in vertikaler Ebene schwach und in horizontaler Ebene stark gerichteten schrägen Empfangs-Schallwandler 8 empfangen. Die Achsen der Hauptkeulen der Schallwandler 1, 4, 5, 8 und 9 liegen in einer vertikalen Ebene. Der Abstrahlwinkel α des Schallwandlers 5 wird dabei so gewählt, daß die Echos genau auf den Empfangswandler 8 treffen. Der Abstrahlwinkel α des Schallwandlers 5 kann nach einem zeitlichen Schema periodisch geschwenkt werden, um auch tieferliegende Schichten optimal zu treuen. Zusätzlich kann mit dem horizontalen parametrischen Sende-Schallwandler 9 in Richtung des schrägen Empfangs-Schallwandlers 8 gesendet werden. Aus der Laufzeit der Signale vom Wandler 9 zum Wandler 8 kann deren Abstand berechnet werden. Aus diesem Abstand und den mit den Wandlern 1 und 4 bestimmten Bodentiefen und Sedimentschichtdicken läßt sich der optimale Winkel α berechnen. Die Schallwandler 1, 5 und 9 beginnen vorzugsweise immer gleichzeitig zu senden. Der Empfangs-Wandler 8 ist ein längerer Einzelwandler oder ein Wandlerarray aus mehreren kürzeren einzeln betreibbaren Wandlern, die bei Verwendung von Mehrfrequenzsignalen zu jeweils solchen resultierenden Längen zusammengeschaltet werden, daß alle Frequenzbänder mit annähernd gleichem horizontalen Öffnungswinkel empfangen werden können. Zwischen dem schrägen Sende-Schallwandler 5 und dem schrägen Empfangs-Schallwandler 8 kann sich eine Tauchtiefendifferenz H befinden, die bei der Auswertung der Schall-Laufzeiten berücksichtigt wird. Die Schallwandler 1, 4, 5 und 9 sind dicht benachbart angebracht. An ihrem Aufstellungsort und am Ort des schrägen Empfangs-Schallwandlers 8 können die Sensoren 11 und 12 zur Messung der Tauchtiefen angebracht sein. Die genaue räumliche Ausrichtung aller Wandler kann mittels Maximumpeilung der Signale des Wandlers 9 durch den Wandler 8 durchgeführt werden. Dazu werden die Wandler 1, 4, 5 und 9 sowie der Wandler 8 solange zueinander verschoben, bis die Empfangssignalstärke am Empfangswandler 8 maximal ist. Die Wandler 1, 4, 5 und 9 und der Tiefensensor 11 bilden zusammen eine erste Baueinheit, der Wandler 8 und der Tiefensensor 12 eine zweite. Die erste Baueinheit kann am Meßfahrzeug angebracht sein und der Schallwandler 5 quer zur Fahrtrichtung strahlen. Die zweite Baueinheit wird dann in einem solchen seitlichen Abstand vom Meßfahrzeug geschleppt, daß sich optimale Abstrahlwinkel α ergeben. Eine der weiteren Möglichkeiten besteht darin, beide Baueinheiten parallel zu schleppen.
• Mit dem vertikalen Schallsender 1 werden die Laufzeiten T_SBS, T_B2B, T₂₃₂, T₃₄₃, usw. und mit dem schrägen Schallsender 5 die Laufzeiten T_SBE, T_S2E, T_S3E, T_S4E, usw. gemessen. Die Laufzeit T_H wird aus der Tauchtiefendifferenz H von Sender 5 und Empfänger 8 berechnet. Die Schallgeschwindigkeit c₁ im Wasser wird als bekannt vorausgesetzt oder gemessen. Es wird das transzendente Gleichungssystem unabhängiger Gleichungen:

  

  usw. aufgestellt und analytisch oder numerisch gelöst. Als Lösungen ergeben sich die Brechungsindizes n₁, n₂, n₃, usw. an den Schichtgrenzen, die Schallgeschwindigkeiten c₂, c₃, c₄, usw. in den Schichten und die tatsächlichen Schichtdicken d₂, d₃, d₄, usw. sowie die Brechungswinkel α_ik zwischen zwei Schichtgrenzen und die Reflexionswinkel α_ii an den Schichtgrenzen. Die Schall-Laufzeiten T_SBS, T_B2B, T₂₃₂, T_{34 3}, T_SBE, T_S2E, T_S3E, T_S4E, usw. der Boden- und Schichtgrenzenechos werden über mehrere Sendeperioden Bemittelt. Die Bemittelten Laufzeiten für jede Boden- und Schichtgrenze werden durch Regression derjenigen Laufzeiten der letzten p Sendeperioden berechnet, die innerhalb eines zeitlichen Fensters liegen, dessen Mitte durch den Bemittelten Laufzeitwert und dessen Breite durch die Standardabweichung und den Abstand zu benachbarten Fenstern bestimmt wird. Bei Beginn einer Meßreihe können Anzahl und Lage der Fenster sowie die Fensterbreite interaktiv festgelegt werden. Die Auswertung kann online oder im Postprocessing erfolgen.
• Aus dem Quotienten q₁ der Bemittelten Echoamplituden zweier Sendefrequenzen f₀ und f₁ im Frequenzverhältnis

  

  und aus der Schichtdicke d₂ wird der Dämpfungsfaktor

  

  bei der Frequenz f₀ geschätzt. Zur Verbesserung der Schätzung wird mindestens für ein weiteres Frequenzverhältnis

  

  der Dämpfungsfaktor

  

  geschätzt und der Dämpfungswert a₂ = 0.5·(a₂₁ + a₂₂) bestimmt. Das Sendesignal ist ein Mehrfrequenzsignal mit den Frequenzen f₀, f₁, f₂. Die Sendeamplituden der verwendeten Frequenzen werden bei der Berechnung der Werte q₁, q₂ als Wichtungsfaktoren berücksichtigt. Bei der Schätzung der Dämpfungsfaktoren der folgenden Schichten wird entsprechend verfahren.
• Der Betrag der Impedanz Z₂ der obersten Bodenschicht wird aus der mittleren Bodenechoamplitude u ₁, der maximal möglichen Bodenechoamplitude u_max und der Impedanz Z₁ von Wasser berechnet

  

  und u_max für jede mögliche Sendefrequenz und Wassertiefe für die vertikale Sende- und Empfangsanordnung aus den Empfindlichkeiten der Wandler unter Berücksichtigung der Eigenschaften des parametrischen Sendeverfahrens oder durch Eichung bestimmt. Die Impedanzen Z₃, Z₄,... der nachfolgenden Schichten werden sukzessive aus den Schichtechoamplituden u ₂, u ₃, usw. unter Einbeziehung der Dämpfungsfaktoren a₂, a₃,... und der wahren Schichtdicken d₂, d₃,... berechnet

  
• Als resultierende Impedanzen ergeben sich die Bemittelten Werte aus den für die einzelnen Frequenzen berechneten Werten.
• Zur Bestimmung des Phasenwinkels φ des Reflexionskoeffizienten werden gleichzeitig mindestens zwei Sendefrequenzen in einem ganzzahligen Verhältnis phasensynchronisiert gesendet, im Empfänger frequenzselektiv verstärkt und jeweils einem Nulldurchgangsschalter zugeführt. Der Abstand zwischen zwei gleich gerichteten Nulldurchgängen in den beiden Empfangskanälen wird ins Verhältnis zur Periodendauer des höherfrequenten Signals gesetzt. Dieses Verhältnis ergibt multipliziert mit 2π den Phasenwinkel.

1

vertikaler Sende-Schallwandler

2

vertikale Schallkeule

3

Boden

4

vertikaler Empfangs-Schallwandler

5

schräger Sende-Schallwandler

6

schräge Sende-Schallkeule

7

Reflexions-Signale/Schallstrahlen

8

schräger Empfangs-Schallwandler

9

horizontaler Sende-Schallwandler

10

schräge Empfangs-Schallkeule

11

Tauchtiefensensor

12

Tauchtiefensensor

H

Tauchtiefendifferenz

T_SBS

Laufzeit vertikaler Sender – Boden – vertikaler Empfänger

T_B2B

Laufzeit Boden – Schichtgrenze 2/3 – Boden

T₂₃₂

Laufzeit Schichtgrenze 2/3 – Schichtgrenze 3/4 – Schichtgrenze 2/3

T₃₄₃

Laufzeit Schichtgrenze 3/4 – Schichtgrenze 4/5 – Schichtgrenze 3/4

T_SBE

Laufzeit schräger Sender – Boden – schräger Empfänger

T_S2E

Laufzeit schräger Sender – Schichtgrenze 2/3 – schräger Empfänger

T_S3E

Laufzeit schräger Sender – Schichtgrenze 3/4 – schräger Empfänger

T_S4E

Laufzeit schräger Sender – Schichtgrenze 4/5 – schräger Empfänger

T_H

Laufzeit der Tauchtiefendifferenz H

p

Anzahl der Sendeperioden für die Laufzeitmittelung

α

Abstrahlwinkel

α_ik

Brechungswinkel zwischen der i-ten und der k-ten Schicht

α_ii

Reflexionswinkel an der i-ten Schicht

c₁

Schallgeschwindigkeit im Wasser

c_i

Schallgeschwindigkeit der i-ten Schicht

d_i

wahre Schichtdicke der i-ten Schicht

Z_i

Betrag der Impedanz der i-ten Schicht

φ_i

Phasenwinkel der Impedanz der i-ten Schicht

a_i

Dämpfungskoeffizient der i-ten Schicht

ρ_i

Dichte der i-ten Schicht

S1

Schicht 1 (Wasser)

S2

Schicht 2 (erste Bodenschicht)

S3

Schicht 3 (zweite Bodenschicht)

S4

Schicht 4 (dritte Bodenschicht)

u _1,2,3

mittlere Boden- bzw. Schichtechoamplituden

u_max

maximal mögliche Bodenechoamplitude

Claims (14)

1. Verfahren zur Gewinnung von bodenrelevanten Parametern bei der Sedimentortung mit parametrischen (nichtlinearen) akustischen Schallquellen und Auswertung der am Boden und an den Schichtgrenzen rückgestreuten und reflektierten Signale, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit jeweils einer vertikal (1) und einer schräge (5) gerichteten, gegen Seegangsbewegungen elektronisch stabilisierten, stark gebündelten parametrischen Schallquelle Impulse mit einer oder mehreren Frequenzen gesendet werden, daß der Empfangswandler (4) für die vertikalen Schallstrahlen sich am Aufstellungsort des vertikalen Senders (1) und der Empfangswandler (8) der schrägen Schallstrahlen (7) sich am Ort maximaler Empfangswahrscheinlichkeit für die reflektierten Schallstrahlen befindet, daß aus den mit dem vertikalen Schallstrahl gemessenen Wasser- und Sedimentschichtentiefen und dem Abstand zwischen Sender (5) und Empfänger (8) der optimale Abstrahlwinkel α der schrägen, entsprechend elektronisch schwenkbaren Sende-Schallkeule (6) berechnet wird, daß aus den über mehrere Sendeperioden gemittelten Laufzeiten der einzelnen Schallstrahlen der Boden- und Schichtgrenzenechos T_SBS, T_B2B, T₂₃₂, T₃₄₃, T_SBE, T_S2E, T_S3E, T_S4E, usw. der beiden Sender unter Anwendung der Reflexions- und Brechungsgesetze und der bekannten oder gemessenen Meßgeometrie die Schallgeschwindigkeiten c_i in den Sedimentschichten und ihre wahren Schichtdicken d_i bestimmt werden, daß aus den gemittelten Echoamplituden unter Einbeziehung der Rauhigkeit der Schichtgrenzen die Beträge der akustischen Impedanzen Z_i und aus den Phasendifferenzen der Mehrfrequenzsignale ihre Phasenwinkel φ_i berechnet werden, daß durch Auswertung der gemittelten Echoamplituden der Mehrfrequenzsignale und der berechneten Schichtdicken d_i die Dämpfungskoeffizienten a_i in den einzelnen Schichten bestimmt werden, daß durch Analyse der stochastischen Schwankungen der Amplituden und durch Spektralanalyse der Boden- und Schichtgrenzen-Echosignale des schrägen Schallsenders (5) Kennwerte für die Rauhigkeit der Bodenoberfläche und der Schichtgrenzen gewonnen werden und daß aus den Impedanzen Z_i und den Schallgeschwindigkeiten c_i die Dichten ρ_i der Schichten bestimmt werden.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Empfänger für die schrägen Schallstrahlen (7) ein Schallwandler (8) mit einer schrägen Empfangskeule (10) mit starker Bündelung in der horizontalen und geringerer Bündelung in der vertikalen Ebene eingesetzt wird, daß die Achsen der Schallkeulen (6, 10) des schrägen Senders (5) und des schrägen Empfangswandlers (8) in der selben vertikalen Ebene liegen und daß bei Anwendung von Mehrfrequenzsignalen als Empfangswandler (8) ein einzelner Wandler verwendet wird oder die Elemente einer Gruppe von Wandlern so zu Empfangskanälen zusammengeschaltet werden, daß für jeden Frequenzkanal der gleiche Bündelungsgrad vorliegt.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bestimmung der Meßgeometrie die Tauchtiefendifferenz H der Sende- und Empfangswandler (1, 4, 5 und 8) berücksichtigt wird und daß für die Bestimmung der Tauchtiefen bei geschleppten Schallwandlern hochauflösende Tiefensensoren (11, 12) an den Schallwandlern oder in deren Nähe fest angebracht sind.
4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstrahlrichtung a des schrägen Schallwandlers (5) nach einem vorgebbaren zeitlichen Schema so elektronisch verändert wird, daß alle auswertbaren Schichtgrenzen oder Gruppen von Schichtgrenzen periodisch mit optimalem innerhalb der Halbwertsbreite der Sendekeule (6) liegendem Scan-Winkel beschallt werden.
5. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere horizontal und zeitgleich gebündelt abstrahlende parametrische Impuls-Schallquelle (9) gleicher oder unterschiedlicher Frequenz eingesetzt wird, die auf den Empfangswandler (8) der schrägen Schallstrahlen gerichtet ist, daß deren Signallaufzeiten für die Bestimmung der Entfernung zwischen Sender (9) und Empfangswandler (8) und deren Peilung für die genaue räumliche Justierung von Sender (5) und Empfangswandler (8) verwendet werden.
6. Verfahren nach Patentansprüchen 1, 2, 3, 4, und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandler (1, 4, 5 und 9) in einem Schleppkörper angeordnet sind, der querab oder hinter dem Schiff geschleppt wird.
7. Verfahren nach Patentansprüchen 1, 2, 3, 4, und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandler (1, 4, 5 und 9) fest mit dem Meßfahrzeug verbunden sind und der schräge Schallwandler (5) quer zur oder in Fahrtrichtung sendet und der schräge Empfangswandler (8) entsprechend quer zum Meßfahrzeug geschleppt wird oder vor oder hinter den Schallwandlern (1, 4, 5 und 9) fest mit dem Meßfahrzeug verbunden ist oder geschleppt wird.
8. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemittelten Laufzeiten für jede Boden- und Schichtgrenze durch Regression derjenigen Laufzeiten der letzten p Sendeperioden berechnet werden, die innerhalb eines zeitlichen Fensters liegen, dessen Mitte durch den gemittelten Laufzeitwert und dessen Breite durch die Standardabweichung und den Abstand zu benachbarten Fenstern bestimmt wird, und daß die Anzahl p nach dem Quasistationaritätsbereich der Ortungsbedingungen festgelegt wird.
9. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem vertikalen Schallsender die Laufzeiten T_SBS, T_B2B, T₂₃₂, T₃₄₃, usw. und mit dem schrägen Schallsender die Laufzeiten T_SBE, T_S2E, T_S3E, T_S4E, usw. gemessen werden und die Laufzeit T_H aus der Tauchtiefendifferenz von Sender und Empfänger berechnet wird, daß die Schallgeschwindigkeit c₁ im Wasser als bekannt vorausgesetzt oder gemessen wird, daß das transzendente Gleichungssystem unabhängiger Gleichungen

   

   

   usw. aufgestellt wird und daß durch dessen analytische oder numerische Lösung die Brechungsindizes n₁, n₂, n₃, usw. an den Schichtgrenzen, die Schallgeschwindigkeiten c₂, c₃, c₄, usw. in den Schichten und die tatsächlichen Schichtdicken d₂, d₃, d₄, usw. sowie die Brechungswinkel α_ik zwischen zwei Schichtgrenzen und die Reflexionswinkel α_ii an den Schichtgrenzen berechnet werden.
10. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Quotienten q₁ der Bemittelten Echoamplituden zweier Sendefrequenzen f₀ und f₁ im Frequenzverhältnis

    

    und aus der Schichtdicke d₂ der Dämpfungsfaktor

    

    bei der Frequenz f₀ geschätzt wird, daß zur Verbesserung der Schätzung mindestens für ein weiteres Frequenzverhältnis

    

    der Dämpfungsfaktor

    

    geschätzt und der Dämpfungswert a₂ = 0.5·(a₂₁ + a₂₂) bestimmt wird, daß das Sendesignal ein Mehrfrequenzsignal aus f₀, f₁, f₂ ist, daß die Sendeamplituden der verwendeten Frequenzen bei der Berechnung der Werte q₁, q₂ berücksichtigt werden und daß bei der Schätzung der Dämpfungsfaktoren der folgenden Schichten entsprechend verfahren wird.
11. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Impedanz Z₂ der ersten Bodenschicht S2 aus der mittleren Bodenechoamplitude u ₁, der maximal möglichen Bodenechoamplitude u_max und der Impedanz Z₁ von Wasser berechnet wird

    

    daß u_max für jede mögliche Sendefrequenz und Wassertiefe für die vertikale Sende- und Empfangsanordnung aus den Empfindlichkeiten der Schallwandler unter Berücksichtigung der Eigenschaften des parametrischen Sendeverfahrens oder durch Eichung bestimmt wird, daß die Impedanzen Z₃, Z₄, ... der nachfolgenden Schichten sukzessive aus den Schichtechoamplituden u ₂, u ₃, usw. unter Einbeziehung der Dämpfungsfaktoren a₂, a₃,... und der wahren Schichtdicken d₂, d₃,... berechnet werden

    

    und daß als resultierende Impedanzen die Bemittelten Werte aus den für die einzelnen Frequenzen berechneten Werten bestimmt werden.
12. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Phasenwinkels φ des Reflexionskoeffizienten gleichzeitig mindestens zwei Sendefrequenzen in einem ganzzahligen Verhältnis phasensynchronisiert gesendet, im Empfänger frequenzselektiv verstärkt und jeweils einem Nulldurchgangsschalter zugeführt werden und der Abstand zwischen zwei gleich gerichteten Nulldurchgängen ins Verhältnis zur Periodendauer des höherfrequenten Signals gesetzt wird.
13. Verfahren nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Beginn einer Meßreihe oder in bestimmten Abständen Anzahl und Lage der Fenster sowie die Fensterbreiten interaktiv festgelegt werden und die Auswertung online oder im Postprocessing erfolgt.
14. Verfahren nach Patentansprüchen 1, 10, 11, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß nur die vertikalen Schallwandler (1 und 4) verwendet werden und als Schichtdicken die aus geschätzten Schallgeschwindigkeitswerten und den Echolot-Ergebnissen berechneten Werte verwendet werden.