DE2540682C2 - Vorrichtung zur Exploration und Prospektion des Meeresbodens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Exploration und Prospektion des Meeresbodens, insbesondere auf Manganknollen, durch punkt- oder zeilenweises Abtasten durch Lichtstrahlen, mit einem Schwenk- oder Rotationsspiegelsystem und einem diesem zugeordneten, die erhaltenen Impulse registrierenden Detektor, wobei die Eigenbewegung der Meßstelle zur Herstellung der Zeilenverschiebung ausgenutzt wird, und mit einem Geräteträger.

Auf dem Grund des Pazifischen Ozeans lagern nach dem heutigen Stand der Kenntnisse in Knollenform größere Mengen an Mangan, Kupfer, Nickel und Kobalt als in allen bekannten kontinentalen Vorkommen zusammengenommen. Die Knollen liegen in Wassertiefen zwischen etwa 3800 und 6000 m auf dem Boden sedimentationsarmer Tiefseebecken. Die wirtschaftlich interessierenden Vorkommen lagern auf dem Sedimentboden und sind durch ihre Farbverschiedenheit zum Untergrund — rostbraun zu schwarz — mit geeigneten Hilfsmitteln optisch leicht und deutlich erkennbar. In allen bisher beobachteten Regionen liegen die Knollen einschichtig auf dem Boden.

Die Lagerungsform der Knollen wird in Knollendichte und Flächeneinheit gemessen. Bei einer gegebenen Schwankungsbreite der Erzdichte ist ein Vorkommen damit nur durch seine Erstreckung gekennzeichnet Es handelt sich also um zweidimensionale auf dem Meeresboden liegende Scheiben oder Streifen. Die Kenntnis der durchschnittlichen Knollengröße einer Lagerstätte und die Häufigkeit mit der Über- und Unterkorn auftreten, ist damit für die Auslegung des Gewinnungsgerätes von Bedeutung.

Zur Erkundung dieser Lagerungsbedingungen ist die Anwendung des Tiefsee-Fotoverfahrens bekannt Dabei wird eine optisch und mechanisch leistungsfähige Einzelbild-Fotokamera zusammen mit einem Stromversorgungsteil und einem Blitzlichtgerät durchgekapselt und dieses System an einem Stahlseil zum Meeresboden abgeführt An Bord des Schiffes wird die erfolgte Grundberührung durch einen akustischen Signalgeber erkenntlich, der bei sich flachlegendem Seil die Frequenz seiner emittierten Signale verändert. Die eigentliche Aufnahme erfolgt jedoch blind, so daß nicht exakt zu ermitteln ist, wohin die einige 1000 m unter dem Schiff befindliche Kamera verdriftet ist. Die punktförmige Aufnahme des Tiefseebodens mit der Einzelbild-Kamera liefert zwar wesentliche Erkenntnisse über Auftreten und die Art der Lagerung der Knollen, sie sind jedoch wenig aussagekräftig bezüglich Erzmengen und -dichten sowie über gewinnbare Metallinhalte.

Wesentlich bessere Aussagen können mit dem Tiefsee-Fernsehsystem, mit dem Meeresbodenbeobachtungen streifenförmig, kontinuierlich und mit direkter Bildübertragung vorgenommen werden können, erzielt werden.

Im wesentlichen besteht das Fernsehsystem aus den Komponenten Koaxialkabel, Depressor und Geräteträger. Beim Koaxialkabel handelt es sich um ein drallfreies Stahlkabel, das in seinen mechanischen und elektrischen Eigenschaften den Anforderungen des Fernsehsystems und den Einsatzbedingungen entspricht. Der Geräteträger bestückt mit Fernsehkamera, Beleuchtungseinrichtung, Markierungsleuchten, Fotokamera mit Blitzleuchten, Kompaß und Telemetrieeinheit, in der alle Übertragungs- und Regeleinheiten zusammengefaßt sind, ist mit Auftriebskörpern versehen, die den gesamten Schleppkörper im Wasser praktisch gewichtslos machen. Ungefähr 80 m vor dem Geräteträger befindet sich der ca. 2 t schwere Depressor, der beim Ausbringen des Systems in das Schleppkabel eingehängt wird. Dieser Depressor hat die Aufgabe, die durch das Stampfen und Rollen des Schiffes auf das Kabel übertragenen Auf- und Abbewegungen zu dämpfen und damit die Fahrt des Geräteträgers über den Meeresboden zu stabilisieren. Am Geräteträger ist ein Schwanz mit tellerartigen Kunststoffkörpern befestigt, der beim Schleppen auf den Geräteträger einen Zug ausübt und so diesen daran hindert zu trudeln. In der Praxis wird dadurch die bei den bisher verwendeten Systemen sehr störende Auf- und Abbewegungdes Kameraträgers in eine periodisch verzögerte bzw. beschleunigte Horizontalbewegung umgewandelt.

Der Geräteträger dieses Systems wird im Schleppeinsatz entsprechend den praktischen Einsatzerfahrungen in einer Bodendistanz von 6 bis 8 m gefahren. Der Bodenabstand läßt sich mit Hilfe der Reflexe der beiden Markierungsleuchten steuern. Die Zoomeinrichtung der

Fernsehkamera erlaubt aus dieser Distanz Nahaufnahmen, nach denen neben der Beurteilung der Knollenbelegungsdichte auch typische Knollenformen zu identifizieren sind. Da nach den bisher gewonnenen Erkenntnissen Zusammenhänge zwischen äußerer Form der Manganknoilen und deren Qualität, d. h. deren Gehalt an Wertmetallen (Kupfer, Nickel, Kobalt, Mangan u. a.) bestehen, ergibt sich die Möglichkeit, Knollenvorkommen bereits nach der visuellen Information hinsichtlich ihres ökonomischen Wertes zu beurteilen (mt6, 1975, April-Heft).

Bei den Verfahren zur Beobachtung von Manganknollen am Meeresboden ist es unvermeidlich, das gesamte Gesichtsfeld der Kamera gleichzeitig auszuleuchten. Dies führt zu Streulicht im gesamten Blickfeld und jeder einzelne Strahl macht sich in seiner Nachbarschaft durch Streuung störend bemerkbar.

Bekannt ist auch eine Seitensicht-Sonar-Anlage, die aus einem kleinen Schleppkörper mit eingebauten Schallschwingern besteht und an einem Kabel hinter oder neben dem Schiff hergezogen wird. Während des Schleppvorgangs bei einer Geschwindigkeit von 6 kn senden die Schallschwinger, die auf beiden Seiten des Schleppkörpers angeordnet sind, horizontale scharf gebündelte Schallwellen in Back- und Steuerbordrichtung, d. h. 90° gegenüber der Schlepprichtung. Die Schallwellen sind in vertikaler Richtung weniger scharf gebündelt und erreichen somit einerseits den Meeresboden unter dem Schleppkörper sowie alle Objekte auf dem Meeresboden in horizontaler Sicht in Back- und Steuerbordrichtung. Dadurch ist das Gerät in der Lage, den Meeresboden zeilenweise bzw. scheibenweise abzutasten und das sich aufgrund der reflektierten Impulse ergebende Abbild des Meeresbodens auf dem Bordschreiber darzustellen. Die Breite des erfaßten Bodenabschnitts hängt von der Entfernung des Schleppkörpers zum Meeresboden ab.

Die Nachteile der derzeit zur Exploration und Prospektion des Meeresbodens verwendeten Verfahren und Vorrichtungen sind:

a) geringe Breite des am Meeresboden erfaßten Streifens und damit vergleichsweise geringe Aussage der Stichprobe sowie geringe Aufnahmegeschwindigkeit von etwa 1 ha/h;

b) zu dichter Objektivabstand der Kamera bedingt durch die optische Durchlässigkeit des Wassers, dadurch geringe Schleppgeschwindigkeit und Gefahr des Verlustes des gesamten Aufnahmesystems;

c) vergleichsweise geringe Auflösung des Bildes, dadurch verringerte Ansprechbarkeit des Manganknollentyps hinsichtlich Aussagen über Metallgehalte;

d) Störanfälligkeit der Bildinformation in mechanischer und elektronischer Hinsicht;

e) aufwendige Übertragung Meeresboden-Schiff der Signale von rd. 2 bis 3 MHz wegen hoher Redundanz.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der eine Erhöhung der Aufnahmegeschwindigkeit, eine Verbesserung der Bildauflösung und eine Verringerung der Störanfälligkeit möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt in der Weise, daß ein über dem Meeresboden geschleppter Laser vorgesehen ist und daß das Schwenk- oder Rotationsspiegelsystem aus einem ersten, den Laserstrahl auf den Meeresboden lenkenden Schwenk- oder Rotationsspiegel, und einem zweiten, den reflektierten Laserstrahl aufnehmenden Schwenk- oder Rotationsspiegel besteht.

Durch diese Anordnung kann von dem Detektor der unter ihm liegende Meeresboden betrachtet werden. Durch die Rotation des Spiegels wird ein Streifen unter dem Blickwinkel von etwa 100° abgetastet Die Streifen werden durch die Anordnung so abgetastet, daß sie im rechten Winkel zur auf den Meeresboden projizierten ίο Schlepprichtung liegen.

Bei einer Schlepphöhe von bis etwa 50 m über dem Meeresboden betragen der Abtastwinkel bis zu etwa 100° — also jeweils etwa 50° links und rechts vom Lot etwa senkrecht nach unten — und die Zeilenbreite bzw. der Durchmesser des Fußpunktes bis zu etwa 2,5 %o der Schlepphöhe.

Dabei wird jeweils nur eine einzige Zeile senkrecht zur Schlepprichtung abgetastet Der Zeilenvorschub erfolgt durch die Eigenbewegung des Geräteträgers. Auf diese Weise entsteht eine kontinuierliche Abbildung eines Streifens des Meeresbodens.

Der größte Störfaktor, nämlich das Streulicht, wird durch den gerichteten Laserstrahl erheblich reduziert, denn Streulicht wird nur im Pfad des Strahls erzeugt und nicht, wie bei den bisherigen Verfahren, in der näheren und weiteren Umgebung. Diese Kombination von maximaler Durchdringung, also minimaler Absorption, durch schmalbandiges Laserlicht und Reduktion des Streulichts durch punktweise Abtastung ergibt einen hohen Wirkungsgrad bei der Kontrasterfassung des Meeresbodens.

Die Entfernung zwischen dem Schleppkörper und dem Meeresboden beträgt bis zu etwa 50 m, ohne daß die Bildqualität leidet. Damit wird eine erhebliche größere Breite des erfaßten Streifens am Meeresboden erreicht. Bei gleicher Schleppgeschwindigkeit wie bisher können damit über etwa 10 bis 20 ha/h erfaßt werden.

Jeder Punkt des Meeresbodens wird nur einmal erfaßt, wodurch sich eine Redundanzreduktion von wenigstens um den Faktor 10⁴ ergibt.

Die bei einem Abtastwinkel von 100° nicht genutzten 260° des Spiegelsystems können mittels Zwischenspeicher zur Pufferung benutzt werden. Dadurch können die Vorrichtungen der Datenübertragung in ihrer no·.-wendigen Bandbreite um den Faktor 4 geringer dimensioniertwerden.

Tiefe und Geschwindigkeit des Schleppkörpers sowie die Rotation des Spiegels können so abgestimmt werden, daß die abgetasteten Streifen direkt nebeneinander liegen. Der Laserstrahl ist so geführt, daß er gerade das Bodenelement ausleuchtet, das von Spiegel/Detektorsystem abgetastet wird.

In der Regel sind Laser, Schwenk- oder Rotationsspiegelsystem und Detektor koaxial angeordnet. Es besteht aber auch die Möglichkeit. Laser und Detektor getrennt anzubringen. Dadurch ergibt sich eine weitere Reduktion des Streulichts. Das würde wiederum größere Objektweite und somit größere Streifenbreite bedeuten.

Bei der getrennten Anordnung von Laser und Detektor besteht die Möglichkeit, einen weiteren Detektor anzuordnen, wodurch eine steroskoDische Darstellung des Meeresbodens möglich ist.

Falls erforderlich, kann vor den Detektor zur Bündelung der reflektierten Strahlen ein optisches System angebracht werden.

Bei koaxialer Anordnung von Laser, Schwenk- oder Rotationsspiegelsystem und Detektor sind die Spiegel

zweckmäßig 45° zur Achse geneigt.

Die Vorrichtung ist in der Zeichnung beispielhaft im Prinzip dargestellt und wird nachfolgend beschrieben:

Der Meeresboden wird zeilenweise abgetastet, der Zeilenvorschub erfolgt durch die Eigenbewegung des den Geräteträger 50 m über dem Meeresboden schleppenden Schiffs. Auf dem nicht dargestellten Geräteträger sind koaxial der Laser 1 angeordnet, der den Laserstrahl 2 auf den Meeresboden 3 lenkende um 45° gegenüber der Achse 4 geneigte Schwenkspiegel 5, der den reflektierten Strahl 6 auffangende um 45° gegenüber der Achse geneigte Schwenkspiegel 7 und der von dem Schwenkspiegel 7 reflektierte Strahl aufnehmende Detektor 8. Die beiden Schwenkspiegel 5, 7 sind mit dem Motor 9 verbunden.

Durch die Bewegung des Schwenkspiegels 5 wird ein Streifen des Meeresbodens 3 von 100° abgetastet, die Zeilenlänge beträgt dabei rd. das Zweieinhalbfache der Schlepphöhe über dem Meeresboden 3. Die Zeilenbreite ist 2,5 %o der Schlepphöhe, genau natürlich nur im Fußpunkt.

Die Streifen werden so abgetastet, daß sie im rechten Winkel zur auf den Meeresboden 3 projizierten Schlepprichtung liegen. Höhe und Geschwindigkeit des Schleppfahrzeugs sowie die Rotation der Spiegel 5, 7 können so abgestimmt werden, daß die abgetasteten Streifen direkt nebeneinander liegen. Der Laserstrahl 2 wird so geführt, daß er gerade das Meeresbodenelement ausleuchtet, das vom Laserstrahl 2 abgetastet wird. Der reflektierte Strahl 6 wird über den anderen Schwenkspiegel 7 von dem Detektor 8 aufgenommen, von dem aus der Meeresboden betrachtet wird. Die reflektierten Signale werden digitalisiert, auf Magnetbändern gespeichert und zum Schiff übertragen.

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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (7)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Exploration und Prospektion des Meeresbodens, insbesondere auf Manganknollen, durch punkt- oder zeilenweises Abtasten durch Lichtstrahlen, mit einem Schwenk- oder Rotationsspiegelsystem und einem diesem zugeordneten, die erhaltenen Impulse registrierenden Detektor, wobei die Eigenbewegung der Meßstelle zur Herstellung der Zeilenverschiebung ausgenutzt wird und mit einem Geräteträger, dadurch gekennzeichnet, daß ein über dem Meeresboden (3) geschleppter Laser (1) vorgesehen ist und daß das Schwenkoder Rotationsspiegelsystem (5,7) aus einem ersten, den Laserstrahl auf den Meeresboden lenkenden Schwenk- oder Rotationsspiegel (5), und einem zweiten, den reflektierten Laserstrahl aufnehmenden Schwenk- oder Rotationsspiegel (7) besteht

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (1), das Schwenk- oder Rotationsspiegelsystem (5, 7) und der Detektor (8) koaxial angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Detektor (8) ein optisches System angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (1) und der Detektor (8) getrennt angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Detektor vorgesehen ist, der zeitlich oder geometrisch dem ersten Detektor (8) nachläuft.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der An-Sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schwenk- oder Rotationsspiegel (5, 7) 45° zur Achse (4) des Systems geneigt sind.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Schlepphöhe von bis zu etwa 50 m über dem Meeresboden (3) der Abtastwinkel senkrecht zur Schlepprichtung bis zu etwa 100° und die Zeilenbreite bzw. der Durchmesser des Fußpunktes bis zu etwa 2,5 %o der Schlepphöhe betragen.