DE2753155A1

DE2753155A1 - Fahrzeug und verfahren zur meeresboden-exploration

Info

Publication number: DE2753155A1
Application number: DE19772753155
Authority: DE
Inventors: Robert William Cooke; James George Kosalos
Original assignee: Inco Europe Ltd
Current assignee: Inco Europe Ltd
Priority date: 1976-11-30
Filing date: 1977-11-29
Publication date: 1978-06-01
Also published as: JPS5369074A; FR2372441B1; US4075599A; GB1554377A; FR2372441A1; CA1082795A

Description

Dr.-Ing. Reiman König · Diol.-Ing. Klaus Bergen

Cecilienallee 76 A Düsseldorf 3Q Telefon 452OO8 Petentanwtlte

28.Nov. 1977 31 883 K

Inco Europe Limited, Thames House, Millbank, London, S.W.1

(Großbritannien)

"Fahrzeug und Verfahren zur Meeresboden-Exploration"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeug und ein Verfahren zur Meeresboden-Exploration und Überwachung, insbesondere in bezug auf Meeresmineralien.

Es ist bekannt, daß sich Meeresmineralien, beispielsweise Manganknollen, in großer Menge auf dem Meeresboden befinden. Mit Hilfe von Unterwasseraufnahmen und -kameras sowie aufgrund geförderter Proben ergab sich, daß die Manganknollen in sehr unterschiedlicher Konzentration und geographischer Verteilung auf dem Meeresboden liegen. Es sind auch bereits eine Reihe von Vorschlägen bekannt, solche Meeresmineralien zu fördern. Voraussetzung für eine wirtschaftliche Förderung ist jedoch eine hinreichende Exploration und Kenntnis solcher Meeresregionen, in denen sich Mineralien in großer Menge befinden und die beispielsweise zumindestens 25% oder auch zu mindestens 50% mit Mineralien bedeckt sind.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Meeresboden-Exploration, insbesondere zur Bodenüberwachung und zur Übermittlung von Informationen über die

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Bodenbeschaffenheit unterhalb des Meeresbodens zu schaffen. Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Fahrzeug mit einem Sonarsender und -empfänger. Vorzugsweise finden zwei auf unterschiedlichen Frequenzen arbeitende Sender Verwendung. Das Fahrzeug bewegt sich dabei auf einer linearen Bewegungsbahn vorwärts. Beide Senderfrequenzen liegen zwischen 12 und 4OkHz. Zwischen beiden Frequenzen besteht mindestens ein Unterschied von 2kHz.

Die aus Schwingungswellen bestehenden Sonarstrahlen sind nach unten gerichtet und voneinander abgewandt. Von jeder Seite des Fahrzeuges wird ein Sonarstrahl seitlich ausgesendet. Das heißt, es verläuft jeweils beiderseits des Fahrzeuges quer zur Bewegungsrichtung ein Sonarstrahl. Quer schließt ein, daß der Sonarstrahl auch anders als genau senkrecht zur Bewegungsrichtung verläuft.

Die so erzeugten Sonarstrahlen treffen in einem Winkel zwischen 20 und 65° auf dem Meeresboden auf bzw. berühren oder streifen den Meeresboden in diesem Winkel. Die Winkelbereiche stellen starke Reflektionen der Sonarstrahlen von Manganknollen und anderen Mineralien sicher. Außerdem haben die Wellen eine solche Form, daß sie sich unter dem Fahrzeug überlappen. Vorzugsweise besitzen die Wellen eine besondere Form; sie setzt sich im Querschnitt, d.h. in Ausbr.'eitungsrichtung, aus mindestens zwei Lappen zusammen, von denen der eine sich als Hauptlappen in dem Winkel zwischen 20 und 65° gegen den Meeresboden ausbreitet und der andere sich z.B. als Seitenlappen im wesentlichen allein nach unten gegen den Meeresboden ausbreitet.

Dadurch, daß sich die von jedem Sender erzeugten Wellen bzw. Sonarstrahlen unterhalb des Fahrzeuges um wenigstens

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1° und höchstens 3° überlappen, entsteht unterhalb des Fahrzeuges durch Überlagerung der Wellen eine dritte Welle bzw. ein dritter Sonarstrahl mit der Differenzfrequenz der beiden anderen Wellen. Als Überlappung von mindestens 1° ist eine Überlappung über die durch die Mitte zwischen den Sendern bzw. die Fahrzeugmitte gehende Vertikale vorgesehen. Infolgedessen entsteht ein unter dem Fahrzeug einen Gesamtwinkel von 2° ausfüllender Überlappungsbereich. Der dritte Sonarstrahl verläuft vorteilhafterweise genau vertikal.

Ferner ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit drei Empfängern versehen. Zwei der Empfänger sind den unterschiedlichen Frequenzen der beiden Sender angepaßt. Von diesen Empfängern nimmt der einereflektierte Wellen des einen Senders und der andere reflektierte Wellen des anderen Senders auf. Der verbleibende dritte Empfänger nimmt Wellen auf, die aus einer Reflektion des durch Überlagerung entstandenen Sonarstrahls resultieren. Alle Empfänger sind so ausgelegt, daß sie die aufgenommenen Echowellen bzw. reflektierten Wellen in elektrische Signale umwandeln.

Die Sonarstrahlen haben eine ausreichende Energie, um auch bei Arbeitshöhen des Fahrzeuges zwischen 200 und 2000 m über dem Meeresboden verwertbare, vom Meeresboden reflektierte Wellen aufnehmen zu können. Die dazu notwendige Energie wird den Sendern von einem an der Oberfläche schwimmenden Schiff oder aus dem Fahrzeug selbst zugeführt und beträgt bei gebräuchlichen Geräten 30 kw . Befriedigende JTermessungsergebnisse entstehen bei gleichbleibender Arbeitshöhe. Unter einer konstanten Höhe ist im wesentlichen eine horizontale Bewegung des Fahrzeuges zu verstehen; denn in der Praxis ist es nur schwer möglich, über allen Unregelmäßigkeiten, also über Jedem Grat und jedem Graben des Meeres-

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bodens eine gleichbleibende Höhe einzuhalten. Die horizontale Fahrzeugbewegung erlaubt trotz unvermeidbarer Höhenänderung ein brauchbares Vermessen.

Die Ausdehnung der Sonarstrahlen nach vorn und achtern wird soweit wie möglich reduziert. Dabei sind die Kosten der Vorrichtung und deren Wirkungsgrad bzw. Energierverbrauch abzuwägen. Die Ausdehnung der Sonar-strahlen sollte aber nicht mehr als 3 > eher weniger, nach vorn und achtern von der Vertikalen betragen. Bei einer solchen Ausdehnung läßt sich noch ein befriedigendes Ergebnis erzielen, wenn in relativ kurzen Vermessungsabständen gearbeitet wird. Bei größeren Vermessungsflächen wird die Ausdehnung der Sonarstrahlen entsprechend verringert, um die mit den Sonarstrahlen insonifizierte Bodenfläche zu begrenzen.

Entsprechend der Arbeitshöhe zwischen 200 und 2000 m über dem Meeresboden besitzen die mit den Sonarstrahlen beaufschlagten Flächenbereiche bei zwischen 20 und 60° liegenden Sonarstrahlenwinkeln eine Ausdehnung zwischen 400 und 4000 m. Die Ausdehnung der von den Sonarstrahlen beaufschlagten Flächen wird außen gemessen. Die Messung beginnt an einer am Meeresboden entlang verlaufenden gedachten Linie mit einem der halben Arbeitshöhe des Fahrzeuges gleichen horizontalen Abstand von dessen Bewegungsbahn.

Als Sender und Empfänger finden druckelektrische oder magnetostriktive elektromechanische Sender und Empfänger und solche Empfänger Verwendung, die zugleich die empfangenen Wellen in elektrische Signale umwandeln. Das erspart zusätzliches Gewicht und Raum für weitere, gesonderte Empfängerteile im Fahrzeug. Gleichwohl kann auch ein bistatisches Sonar mit getrenntem Sender und Empfänger verwendet werden.

Wenn der Sender zugleich als Empfänger wirkt, werden die

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Sonarstrahlen in kurzen Impulsen erzeugt, zwischen denen der Empfänger für die reflektierten Wellen aufnahmebereit ist.

Für den dritten Sonarstrahl mit der Differenzfrequenz ist lediglich ein Empfänger erforderlich, der als Hydrophon, d.h. als Unterwasserhorchgerät, ausgebildet ist.

Vorzugsweise ist das Fahrzeug mit einem elektrischen Schaltkreis versehen. Der Schaltkreis dient dazu, die von den Empfängern aufgenommenen und in elektrische Impulse umgewandelten Signale zu verstärken und/oder über zwischengeschaltete Klemmen und eine Leitung zum Aufzeichnen und Speichern vom Fahrzeug zum Schiff zu übermitteln oder in dem Fahrzeug zu speichern. Im Falle des Speicherns im Fahrzeug werden die mit den Signalen gewonnenen Informationen erst nach einem Bergen des Fahrzeuges verwertet.

Das Fahrzeug besitzt einen richtungsstabilisierenden Mantel bzw. Flossen, die ihm einen genauen Kurs geben, eine gleichbleibende Orientierung gewährleisten und insbesondere ein nachteiliges Schwanken verhindern.

Die Erfindung schließt ein Verfahren zum geophysikalischen Vermessen des Meeresbodens ein. Dabei werden die in oben dargelegter Weise gesammelten Informationen über physikalische Eigenschaften von Mineralien und des Meeresbodens selbst wie folgt ausgewertet:

Die Stärke, also die Amplitude oder Menge der von einer Unterwasserfläche empfangenen Echoschwingungen, d.h. reflektierten Wellen wird mit anderen Werten, d.h. mit einem Sollwert verglichen, der sich bei 20%iger oder größerer Belegung des Meeresbodens mit Manganknollen ergibt. Der Sollwert zeigt an, wann eine abbaufähige Konzentration vorliegt.

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Anhand des Sollwertes läßt sich z.B. feststellen, ob sich überhaupt keine oder nur wenige Manganknollen am Meeresboden befinden oder ob der Meeresboden mit anderen Materialien bedeckt ist. Jedes Material, wie beispielsweise Schlick und Baisalt vulkanischen Ursprungs, Felsen, Schiefer oder Schlamm, reflektiert die auftreffenden Sonarstrahlen in spezifischer, deutlich erkennbarer unterschiedlicher Form.

Der Sonarstrahl mit der Differenzfrequenz besitzt als schmaler Strahl eine hohe Wiedergabeschärfe und kann je nach Bodenhärte und Dichte mehr oder weniger in den Meeresboden eindringen. Die dabei vertikal reflektierten und vorzugsweise achtern am Fahrzeug empfangenen Wellen lassen sich in Signale umsetzen, die Aufschluß über die Beschaffenheit des Meeresbodens geben.

Die Erfindung macht es möglich, in der Tiefsee Lagerstätten mit Manganknollen von tauben, sedimentären Flächen oder anderen Meeresbodenflächen ohne Manganknollen zu unterscheiden. Darüber hinaus erlaubt die Erfindung eine hochscharfe Bildwiedergabe des mit dem Fahrzeug überquerten Meeresbodens durch den Sonarstrahl mit der Differenzfrequenz.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise in Tiefen durchgeführt, die unterhalbides Wirkungsbereichs der Wasserwellen, also unterhalb der in die Oberflächenbewegung des Meeres einbezogenen Wassertiefen, liegt. Das ist üblicherweise mindestens 1000 m unterhalb der Meeresoberfläche.

Die Frequenzen von 12 bis 40 kHz sind für eine Wassertiefe bestimmt, in der der Wasserdruck so hoch ist, daß er das Auftreten einer Kavitation verhindert. Der Frequenzbereich ist ferner so gewählt, daß keine excessive Dämpfung im Wasser

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und keine excessive Oberflächen-Bodenreflektion bzw. Hintergrundgeräusche auftreten.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich bis zu 22 km/h Meeresbodenfläche nach Manganknollen absuchen und die Ergebnisse beispielsweise zeichnerisch festhalten. Dabei bewegt sich das Fahrzeug mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 2,75 km/h.

Genauso, wie Manganknollen angezeigt werden, können auch deren Größe und Verteilung durch Auswerten der vom Meeresboden und den Manganknollen reflektierten Signale ermittelt werden. Besonders günstige Verhältnisse stellen sich für die Insonifizierung des Meeresbodens bei größtem Vermessungsmaßstab ein, wenn das Fahrzeug auf einer Höhe bewegt wird, die etwa gleich 40% der Ausdehnung seines maximalen, einseitigen Vermessungsbereichs ist. Der maximale Vermessungsbereich ist der maximale horizontale Abstand von der Bewegungsbahn des Fahrzeuges, bei dem der Sender den Meeresboden noch so wirksam beaufschlagt, daß ein oberhalb der Ansprechschwelle der Empfänger liegendes Reflektionssignal entsteht.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine Vorderansicht der Vorrichtung nach Fig. 1 mit einem Diagramm besonderer Sonarstrahlen,

Fig. 3 die gleiche Ansicht wie Fig. 2 mit einem Diagramm anderer Sonarstrahlen und

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Fig. 4 einen Schaltkreis zum Senden der Sonarstrahlen und Empfangen bzw. Anzeigen reflektierter Sonarstrahlen.

Fig. 1 und 2 zeigen ein Unterwasserfahrzeug 10, das beiderseits nach unten geneigte Sonarstrahlen aussendet. Beim Ermitteln und Vermessen abbaufähiger Manganknollenfelder auf dem Meeresboden wird das Fahrzeug 10 von einem Schiff 11 geschleppt. Das Fahrzeug 10 ist durch ein Schleppseil 12 mit dem Schiff 11 verbunden. Das Fahrzeug 10 besteht aus einem Gehäuse 14, einer Steuerflosse 15 und einem ringförmigen, das Gehäuse 14 umgebenden Mantel 16. Die Steuerflosse 15 besitzt die Form einer in Längsrichtung des Gehäuses 14 an dessen Oberseite verlaufenden Rippe. An der Steuerflosse 15 ist ein Bügel 13 zum Befestigen des Schleppseils 12 befestigt. Der ringförmige Mantel 16 übt eine richtungsstabilisierende Wirkung aus und wird durch Stützen 17 von dem Gehäuse 14 getragen.

Das Schleppseil 12 umschließt auf seiner ganzen Länge ein Strom- und Nachrichtenkabel 18. An dem dem Fahrzeug 10 zugewandten unteren Ende ragt das Strom- und Nachrichtenkabel 18 aus dem Schleppseil 12 heraus. Dieses Ende ist am Gehäuse 14 befestigt. Das Fahrzeug 10 trägt auf der Steuerbordseite einen Sender und Empfänger 19S, auf der Backbordseite einen Sender und Empfänger 19P und an der Unterseite einen Empfänger 20.

Nach Fig. 2 gehen von den Sendern und Empfängern 19S, 19P beiderseits des Fahrzeuges 10 geneigt nach unten gerichtete Sonarstrahlen aus. Die die Sonarstrahlen bildenden Wellen sind in Fig. 2 dargestellt. Die Wellen haben verschiedene lappenförmige Auswölbungen. Die größten Auswölbungen, die sogenannten Hauptlappen 21a und 22a bilden die geneigt verlaufenden Sonarstrahlen. Neben den Hauptlappen 21a und 22a

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gibt es noch Lappen 21b und 22b. Die Lappen 21b und 22b überlappen sich mittig zwischen den Sendern und Empfängern 19S und 19P unter dem Fahrzeug 10. Die überlappenden Wellenbereiche erstrecken sich mit stärkerer Neigung nach unten als die Hauptlappen 21a und 22a. Durch die sich überlappen den Wellenbereiche entsteht ein sich senkrecht von dem Fahrzeug 10 nach unten erstreckender Sonarstrahlenbereich mit der Differenzfrequenz aus den beiden anderen SonarStrahlenfrequenzen. Der Wellenbereich 23 ist in Fig. 2 kreuz und quer schraffiert und hat verschiedene vorteilhafte Wirkungen, zu denen eine aus seiner schlanken Form resultierende sehr hohe Bildwiedergabeschärfe gehört. Das ermöglicht eine genaue Abbildung bzw. Untersuchung des Meeresbodens.

Nach Fig. 2 besitzen die steuerbordseitigen Sonarstrahlen des Senders und Empfängers 19S eine Frequenz f_s und einen Wellenbereich 21. Die backbordseitigen Sonarstrahlen besitzen eine Frequenz fp und einen Wellenbereich 22. Jeder Wellenbereich 21 und 22 setzt sich aus den Hauptlappen 21a und 22a und den Lappen 21b und 22b zusammen. Jeder Hauptlappen 21a und 22a besitzt eine akustische Achse 21x bzw. 22x, die zugleich in etwa Symmetrieachse ist. In dem Wellenbereich, in dem sich die steuerbordseitigen und die backbordseitigen Sonarstrahlen überlappen, entsteht der dritte Wellenbereich 23 mit den aus der Überlagerung resultierenden Sonarstrahlen. Die Frequenz dieser Sonarstrahlen ergibt sich aus der Differenz (f - f ) oder (f ~ ^₃) zwischen der Frequenz der steuerbordseitigen Sonarstrahlen und der Frequenz der backbordseitigen Sonarstrahlen.

Die steuerbordseitigen und backbordseitigen Empfänger und Sender 19S und 19P sind so angeordnet, daß sie die Sonarstrahlen in Winkeln abstrahlen, die zur Horizontalen beträchtlich geneigt sind.

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Fig. 2 zeigt zwar einen bestimmten Querschnitt der Wellen, es versteht sich aber, daß sich die Sonarstrahlen ausbreiten, d.h. zum Meeresboden 24 hin fortschreiten. Dort treffen sie auf die auf dem Meeresboden liegenden Materialien und Unebenheiten des Meeresbodens. Dabei besitzen die Sonarstrahlen noch einen großen Teil, vorzugsweise 75% oder mehr ihrer Sendeenergie und treffen die Sonarstrahlen unter einem Berührungswinkel zwischen 20 und 60° auf den Meeresboden 24. Die steuerbordseitigen Berührungswinkel sind mit 0 und die backbordseitigen Berührungswinkel mit 0 bezeichnet.

Fig. 3 zeigt ein anderes Paar von Sonarstrahlen bildenden Wellenbereichen, die ausgehend von den Sendern und Empfängern 19Sund 19P nach unten geneigt verlaufen und sich gleichzeitig überlappen. Die sich nach Fig. 3 wie nach Fig. 2 beiderseits von dem Fahrzeug 10 erstreckenden Sonarstrahlen sind gleichermaßen zum Auffinden von Manganknollen 25 geeignet, obwohl sie im Verhältnis zu den Hauptlappen keinen sich zur gleichen vorteilhaften Tiefe wie in Fig. 2 erstreckenden überlappenden Bereich mit unterschiedlicher Sonarstrahlenfrequenz aufweisen. Die nach Fig. 3 vorgesehenen Wellenbereiche 26,27 und der überlappende Wellenbereich 28 mit der Differenzfrequenz aus den beiden Sonarstrahlenfrequenzen lassen sich in der Regel einfacher herstellen als die Sonarstrahlen mit der aus Fig. 2 ersichtlichen Wellenform. Deshalb können Sender und Empfänger für die Wellenbereiche 26, 27 und 28 einfacher und billiger als die nach Fig. 2 notwendigen Sender und Empfänger 19S,19P ausgeführt werden. Der notwendige Energieaufwand für den Wellenbereich 28 mit der durch überlagerung, d.h. Überlappung der verschiedenen Sonarstrahlen entstandenen Differenzfrequenz ist dessen vertikaler Länge direkt proportional.

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Fig. 4 zeigt einen Schaltkreis 30 mit Sendern und Empfängern 19S,19P für die Sonarstrahlen. Der Schaltkreis 30 ist an ein Nachrichtenkabel 12a angeschlossen und umfaßt neben den Sendern und Empfängern 19S, 19P einen am Fahrzeug 10 befestigten Empfänger 20.

Der Schaltkreis 30 erhält einen zeitgesteuerten Schalt- bzwo Steuerimpuls, der sich mit Hilfe eines nichtdargestellten Impulserzeugers und einer Uhr sowohl außerhalb des Schiffes im Fahrzeug 10 als auch im Schiff 11 in verschiedenster Weise erzeugen läßt. Der Schalt- und Steuerimpuls gelangt durch das Nachrichtenkabel 12a in den Schaltkreis 30. Dazu ist das Nachrichtenkabel 12a in einem Anschlußkasten 31 des Schaltkreises 30 befestigt. Von dem Anschlußkasten 31 wird der Steuerimpuls durch eine Zuleitung 32 einer Steuer-¹ bordseitigen Signalquelle 33 und einer backbordseitigen Signalquelle 34 zum Erzeugen akustischer Signalstrahlen zugeführt. Gleichzeitig wird der Impuls einem zeitabhängig geregeltem Verstärker 35 zugeführt.

Die von der Steuerbordsignalquelle 33 erzeugten Impulse gelangen über einen Verstärker 36 und einen Sender und Empfängerschalter 37 zum Erzeugen akustischer Schwingungswellen zum Steuerbordsender 19S. In gleicher Weise werden von der Signalquelle 34 erzeugte Impulse über einen Verstärker 38 und einen Sender-Empfängerschalter 39 zu dem Backbordsender 19P geleitet. Darüber hinaus sind die Sender-Empfängerschalter 37>39 mit Vorverstärkern 40 und 41 verbunden.

Bei der Erzeugung und Verstärkung elektrischer, aus den empfangenen Unterwasserschwingungen resultierender Signale sind die Sender und Empfängersehalter 37,39 gegenüber den Verstärkern 36,38 geschlossen und hinsichtlich der Vorverstärker 40,41 offen. Dadurch werden die von den Empfängern 19S und 19P empfangenen und zu Impulsen umgewandelten Signale

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den Vorverstärkern 40 und 41 zugeleitet. Der die aus steuerbordseitig aufgenommenen Signalen resultierenden elektrischen Impulse verstärkende Vorverstärker 40 ist mit eine« Bandpaßverstärker 42 verbunden. Von dort aus gelangen die Impulse zu einer Ausgangsklemme 43 des Anschlußkastens 31. In gleicher Weise wie der Vorverstärker 40 ist der Vorverstärker 41, der die aus backbordseitigen Signalen resultierenden elektrischen Impulse verstärkt, mit einem Bandpaßverstärker 44 verbunden und werden die aus dem Bandpaßverstärker 44 austretenden Signale einer Ausgangsklemme 45 des Anschlußkastens 31 zugeleitet. Außerdem befindet sich in dem Schaltkreis 30 ein Vorverstärker 46, der auf den Empfänger 20 abgestimmt und mit diesem verbunden ist, um die an der Unterseite des Fahrzeugs 10 empfangenen und zu elektrischen Impulsen umgeformten Signale, d.h. die reflektierten Sonarstrahlen mit der Differenzfrequenz aus den anderen Sonarstrahlen zu verstärken. Der daraus resultierende Impuls gelangt von dem Vorverstärker 46 zu einem weiteren Bandpaßverstärker 47. Der Bandpaßverstärker 47 besitzt einen Frequenzbereich, d.h. eine Ansprechempfindlichkeit, die der Differenzfrequenz angepaßt ist. Von dem Bandpaßverstärker gelangen die Signale zur Ausgangsklemme 48.

Der zeitabhängig geregelte Verstärker 35 ist mit allen Bandpaßverstärkern 42,44 und 47 verbunden, um den Verstärkungsfaktor, d.h. den Stellfaktor, elektronisch zu regeln und die durch sphärische Ausbreitung der Sonarstrahlen entstandenen Energieverluste auszugleichen.

Die zu den Ausgangsklemmen 43,45 und 48 gelangenden elektrischen Signale können oszillographiert, in anderer Weise aufgezeichnet oder gespeichert werden. Das geschieht mit Hilfe eines mit den Ausgangsklemmen 43,45 und 48 verbundenen, nicht dargestellten Oszillographen oder Speichers. Die Impulse

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werden wahlweise auf sogenannte Oszilloskopen, beliebig geformten, insbesondere streifenförmigen Diagrammen oder Karten und Magnetbändern oder Schallplatten aufgenommen. Das wird mit nicht dargestellten Auswahlschaltern bewirkt. Die Schalter ermöglichen ein simultanes Oszillographieren oder Aufnehmen mit einer Mehrzahl von Speichern oder anderen Aufnahmegeräten, die sich in dem mit dem Unterwasserfahrzeug 10 in Verbindung stehenden Schiff 11 befinden.

Für die Steuerung der Sender und Empfänger 19S,19P ist es vorteilhaft, wenn sich der Steuerimpulserzeuger und die Uhr im Schiff 11 befinden. Die anderen Teile des Schaltkreises 30 können in einer wasserdichten Kammer angeordnet sein. Maßgebender Wasserdruck für die Auslegung der Kammer ist ein Druck bis 0,5 MPa. Die wasserdichte Kammer befindet sich im Unterwasserfahrzeug 10 bzw. wird von dessen Gehäuse 14 getragen.

Als Nachrichtenkabel 12a findet ein koaxial armiertes Nachrichtenkabel zwischen dem Fahrzeug 10 und dem Schiff 11 Verwendung, das von dem Schleppseil 12 umschlossen ist. Mit Hilfe eines nicht dargestellten Computers läßt sich das Aussenden von Sonarstrahlen in Gang setzen und steuern. Ferner können die von dan Unterwasserfahrzeug 10 aufgefangenen Signale mit Hilfe des Computers ausgewertet oder gespeichert werden. Das kann mit einer Tiefenmessung kombiniert werden. Die Tiefenmessung erfolgt durch einen nicht dargestellten druckbetätigten Tiefenmesser in oder am Fahrzeug 10. Die Meßwerte des Tiefenmessers werden dem Computer mit den anderen Meßwerten bzw. Signalen zusammen übermittelt.

Überdies kann die erfindungsgemäße Sonar-Meeresboden-Exploration mit U terwasserphotographien, Fernsehauf nahm« und/oder Meeresbodenproben gekoppelt werden. Dazu dienen

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ein oder mehrere getrennte Fahrzeuge, die mit dem Fahrzeug 10 zusammen bewegt werden und gegebenenfalls an diesem befestigt sind. Die notwendigen zusätzlichen Vorrichtingen können auch mit den akustischen Geräten für die Manganknollenermittlung und -vermessung zusammen im Fahrzeug 10 untergebracht werden. Das Fahrzeug 10 besitzt dann ein entsprechend großes, nicht mehr in dem Maße des dargestellten Ausführungsbeispiels kompaktes Gehäuse 14.

Beispiel 1

Beim Betrieb mit großem Vermessungsmaßstab werden zwei Sonarstrahlen mit verschiedener Frequenz beiderseits des Fahrzeugs 10 von verschiedenen elektromechanischen und in bestimmter Anordnung unter der Steuerbord- und Backbordseite eines Fahrzeuges 10 befestigten Sendern und Empfängern 19S, 19P erzeugt. Die Sonarstrahlen pflanzen sich in Form akustischer Wellen in zwei nach unten geneigten Richtungen im Wasser fort, während sich das Fahrzeug 10 in gerader horizontaler Richtung in einer Höhe von 2000 m über dem Meeresgrund, z.B. 5 km tief im Wasser fortbewegt. Das Fahrzeug 10 wird von dem Schiff 11 mit einer Geschwindigkeit von 1,5 Knoten geschleppt.

Die auf der Steuerbordseite vom Sender 19S ausgehenden Sonarstrahlen besitzen eine Frequenz von 18 kHz, die auf der Backbordseite von dem Sender 19P ausgehenden eine Frequenz von 20 kHz. Die Sonarstrahlen werden in Impulsen von 500 Mikro-Sekunden-Länge und in Intervallen von 10 Sekunden gesendet. Die notwendige Steuerung erfolgt durch eine Uhr im Schiff 11. Die Aufnahmeleistung eines jeden Senders und Empfängers 19S und 19P beträgt 30 kW.

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Die akustischen Achsen 21 X und 22 X eines jeden durch die Lappen 21 bzw. 22,26,27 der Schwingungswellen gebildeten Sonarstrahles sind nach unten um einen Winkel von 22° zur Horizontalen geneigt, d.h. schneiden den Meeresboden in diesem Winkel und verlaufensenkrecht zur Längsrichtung der Vorwärtsbewegung.

Die in Richtung der Achsen 21 X und 22 X verlaufenden Sonarstrahlen rufen stark rückstreuende, d.h. reflektierende Echoschwingungen von Manganknollen 25 hervor, die im Auftreffbereich der Sonarstrahlen auf dem Meeresboden liegen. Der Auftreffbereich der Achsen 21 X und 22 X ist bei einem Winkel von 22° etwa 5000 m in horizontaler Richtung von der als Linie auf den Meeresboden projezierten Vorwärtsbewegung des Fahrzeuges 10 entfernt. Von den Hauptlappen 21a und 21b werden Manganknollen erfaßt, die in einem Winkelbereich von 20 bis 60° zum Fahrzeug 10 auf dem Meeresboden 24 liegen.

Zwischen den einzelnen Sendeimpulsen werden die Sender und Empfänger 19S und 19P derart umgeschaltet, daß sie die Echoschwingung von den Manganknollen 25 empfangen. Die empfangenen Schwingungen werden in elektrische Signale umgeformt und die Amplituden der gegebenenfalls verstärkten elektrischen Signale auf einem Oszilloskopen aufgezeichnet und in einem Bildwiedergabegerät gespeichert. Die so aufgenommenen Signale zeigen an, inwieweit Manganknollen 25 vorhanden sind oder nicht.

Ein Teil jedes Sonarstrahles, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das der durch den Lappen 21b bzw. 22b der Welle gebildete und sich etwa 2° über die durch die Fahrzeugmitte gehende Vertikale hin_ausneigende Teil, ergibt mit einem dazu symmetrischen Teil des jeweils zugehörenden anderen Sonarstrahles einen Uberlappungsbereich 23. Dieser Uberlappungs-

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bereich liegt in einem Gesamtwinkel von 4° mit sich beiderseits der durch die Fahrzeugmitte gehenden Vertikalen erstreckenden Schenkeln. In dem Überlappungebereich 23 überlagern sich die beiden Schwingungswellen der Sonarstrahlen und bilden einen senkrecht nach unten gerichteten Sonarstrahl mit einer Differenzfrequenz (DF) von 2 kHz. Der Sonarstrahl mit der Differenzfrequenz wird nach dem Auftreffen auf den Meeresboden und Eindringen in den Meeresboden reflektiert, von dem Empfänger 20 an dem Unterwasserfahrzeug 10 aufgefangen und in ein elektrisches, gleichermaßen aufgezeichnetes und gespeichertes Signal umgewandelt. Die Aufzeichnungsund Speichergeräte für den reflektierten Sonarstrahl mit der Differenzfrequenz befinden sich in dem das Fahrzeug 10 schleppenden Schiff 11.

An Bord des Schiffes werden Meeresboden-Karten an den Stellen markiert, von denen eine bestimmte starke Echoschwingung ausgeht. Diese Stellen zeigen das Vorhandensein gewünschter Manganknollenmengen an. Ferner werden die aus der mehr oder weniger starken Durchdringung des Meeresbodens entstandenen Meeresboden-Konturen eingetragen. Dadurch entsteht eine geophysikalische Karte.

Beispiel 2

Beim Betrieb mit kleinem Vermessungsmaßstab wird das mit Sendern und Empfängern 19S und 19P steuerbordseitig und backbordseitig versehene Unterwasserfahrzeug 10, das zugleich an der Unterseite achtern von den Sendern und Empfängern 19S und 19P mit einem Hydrophon bzw. einem Unterwasserhorchgerät versehen ist, in einer Höhe von 200 m über den Meeresboden mit einer Geschwindigkeit von 1,8 km/h geschleppt.

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Die Steuerbord- und Backbordsender und -empfänger 19S und 19P erzeugen sich beiderseits des Fahrzeuges 10 in einem Winkel von 30° geneigt zum Meeresboden ausbreitende Sonarstrahlen. Der Winkel von 30° ergibt sich zwischen den akustischen Achsen 21 X und 22 X eines jeden Hauptlappens 21a und 22a der die Sonarstrahlen bildenden Schwingungswellen und dem Meeresboden. Die Hauptlappen 21a und 22a überstreichen den Meeresboden in einer Breite von 400 m. Dabei schwankt der Berührungswinkel der Sonarstrahlen mit dem Meeresboden zwischen 20 und 63°.

Die steuerbordseitigen Sonarstrahlen besitzen Schwingungs— frequenzen von 27,5 kHz, für die backbordseitigen Sonarstrahlen von 30 kHz. Die die Sonarstrahlen bildenden Schwingungswellen überlappen sich in einem Uberlappungsbereich Das führt zu einem Sonarstrahl mit einer Differenzfrequenz von 2,5 kHz, der sich mit einem seine Breite bestimmenden Winkel von 20 und einem seine Dicke bestimmenden Winkel von 2° von vorn nach achtern ausbreitet.

Die Sonarstrahlen werden in Impulsen von 300 Makrosekunden mit einer Sekunde Abstand gesendet. Das geschieht mit einem sich an Bord des Schiffes 11 befindenden Computer, der mit dem Fahrzeug 10 durch ein armiertes Koaxialkabel in Verbindung steht. Die Schwingungen der Steuerbord- und Backbordsonarstrahlen werden von den Manganknollen reflektiert, die in einem mit den Sonarstrahlen vermessenen Feld von mindestens 100 m Ausdehnung an jeder Seite des vom Fahrzeug 10 zurückgelegten Weges auf dem Meeresboden liegen. Die reflektierten Sonarstrahlen mit einer Schwingung zwischen 27,5 bzw. 30 kHz werden durch die Sender und Empfänger 19S und 19P des Schaltkreises 30 empfangen, in elektrische Signale umgewandelt und dem Schiff 11 zum Aufzeichnen und Speichern übermittelt. Die

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reflektierten niedrigfrequenten Schwingungen des Sonarstrahles mit der Differenzfrequenz werden von dem Hydrophon bzw. Empfänger 20 aufgefangen und gleichfalls in elektrische Signale umgewandelt und über den Schaltkreis 30 gleichfalls den Aufnahmegeräten im Schiff 11 übermittelt. Das ermöglicht es, den Meeresboden mit dem schmalen Sonarstrahl bei hoher Wiedergabeschärfe genau abzubilden und gleichzeitig die Manganknollenverteilung zu kartographieren. Ferner wird mit der Übermittlung der Daten von dem Fahrzeug 10 simultan eine fortlaufende Tiefenmessung übermittelt. Die Meßergebnisse der Tiefenmessung werden in den VermessungsVorgang mit aufgenommen.

Beispiel 3

Zur Entnahme von Bodenproben wird das Fahrzeug 10 bei gleichzeitigem akustischen Vermessen wie im Beispiel 2 mit einer geringeren Geschwindigkeit von einem 1 km/h geschleppt. 75 Meter hinter und 5 Meter unter dem Fahrzeug 10 befindet sich ein weiteres Unterwasserfahrzeug, ein Bodenprüffahrzeug, das Geräte für eine nach unten gerichtete Unterwasserphotographie, Fernsehen und Bodenprüfung trägt. Das Bodonprüffahrzeug ist durch ein Nachrichtenkabel mit dem Fahrzeug 10 verbunden.

Wenn das Fahrzeug 10 dem Schiff 11 Signale übermittelt, die einen abbaufähigen Meeresboden anzeigen, werden beide Fahrzeuge bis dicht an den Meeresboden abgesenkt und ein Schaltimpuls gegeben. Der Schaltimpuls veranlaßt die nach unten gerichteten Geräte des Bodenprüffahrzeuges zusätzliche genauere Informationen von dem Meeresboden aufzunehmen. Wahlweise werden die von dom Bodenprüfgerät aufgenommenen Informationen

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dem Schiff 11 übermittelt im Unterwasserfahrzeug gespeichert bzw. verbleiben als Photographien und Bodenproben zunächst in dem Bodenprüfgerät.

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Claims

-XJ- Inco Europe Limited, Thames House, Millbank, London, S.W. 1 (Großbritannien) Patentansprüche;

1. Fahrzeug zur Meeresbodenexploration und -überwachung gekennzeichnet durch mindestens einen Sonarsender und Empfänger (19S, 19P).

2. Fahrzeug nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Sonarsender und Empfänger (19S, 19P) mit unterschiedlicher Sende/frequenz, von denen jeweils ein Empfänger einem Sender zugeordnet ist.

3. Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Sender (19S und 19P) mit voneinander wegweisender Wirkungsrichtung beiderseits des Fahrzeuges (10) angeordnet sind.

4. Fahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Sender mit zumindest annähernd senkrecht zur Bewegungsrichtung des Fahrzeuges (10) verlaufenden Sonarstrahlen.

5. Fahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Abweichung der Sonarstrahlen von der Senkrechten zur Bewegungsrichtung des Fahrzeuges (10) höchstens 3° beträgt.

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6. Fahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonarstrahlen unter einem Winkel zwischen 20 und 65° auf den Meeresboden auftreffen.

7. Fahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch Sender

(19S, 19P), deren Schwingungswellen sich unter dem Fahrzeug (10) überlappen, und einem Empfänger (20) an der Unterseite des Fahrzeuges (1O) für die aus der Überlappung resultierenden und reflektierten Sonarstrahlen.

8. Fahrzeug nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Sender (19S, 19P), deren Schwingungswellen die durch die Mitte zwischen den Sendern (19S, 19P) gehende Vertikale jeweils um 1° bis 3° zu einem Gesamtmaß von 2 bis 6° überlappen.

9. Fahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch elektromechanische Sender und Empfänger (19S und 19P).

10. Fahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß alle Empfänger (19S, 19P, 20) druckelektrische Empfänger sind.

11. Fahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen gemeinsamen Schaltkreis für die Sender und Empfänger (19S, 19P) mit Sender- und Empfängerschaltern (37, 39) zwischen den Sendern (19S, 19P) und Signalquellen (33, 34) einerseits und dem Empfängern (19S und 19P) und Signalausgangsklemmen (43, 45, 48) andererseits.

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12. Fahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Ausgangsklemme (43, 45, 48) ein Bandpaßverstärker (42, 44, 47) und allen Bandpaßfiltern (42, 44, 47) gemeinsam ein zeitabhängig geregelter Verstärker TVG (35) vorgeschaltet ist.

13. Fahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche

I bis 12, gekennzeichnet durch ein geschlepptes Fahrzeug (10).

14. Fahrzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß das Fahrzeug (10) mit einem richtungsstabilisierenden Mantel (16) und/oder eine? Flosse (15) versehen ist.

15. Fahrzeug nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet , daß ein Schleppseil (12) als Strom- und Nachrichtenkabel (18) ausgebildet ist.

16. Fahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche

II bis 15» dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Schaltkreis (30) im Fahrzeug (10) befindet.

17. Verfahren zum geophysikalischen Vermessen von Unterwasserflächen zum Ermitteln von Minerallagerstätten und/oder physikalischer Eigenschaften des Bodens, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fahrzeug unter Wasser mit im wesentlichen konstanter Arbeitshöhe über dem Meeresboden bewegt, der Meeresboden mit Sonarstrahlen beaufschlagt und die Signale aufgenommen sowie durch Vergleich mit Sollwerten und/oder Aufzeichnen und Speichern ausgewertet werden.

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18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet , daß der Sollwert einer zum Abbau geeigneter Manganknollenverteilung entspricht.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch Sendefrequenzen zwischen 12 und 40 kHz.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß die Differenz zwischen beiden Sendefrequenzen mindestens 2 kHz beträgt.

21. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche

17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebstiefe des Gerätes mindestens 1000 m unter dem Meeresspiegel liegt.

22. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche

17 bis 21, gekennzeichnet durch eine Arbeitshöhe zwischen 200 und 2000 m über dem Meeresgrund.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet , daß die Arbeitshöhe des Fahrzeuges (10) etwa gleich 40% der Ausdehnung des maximalen einseitigen Vermessungsbereiches des Fahrzeuges (10) und der maximale Vermessungsbereich der horizontale Abstand von der Bewegungsbahn des Fahrzeuges (10) ist, bei dem die reflektierten Sonarstrahlen noch eine über der Ansprechschwelle der Empfänger liegende Stärke aufweisen.

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24. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche

17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß mit geringer werdender Arbeitshöhe die Impulslänge der Sonarstrahlen, die Intervallänge zwischen zwei Sonarimpulsen und die Bewegungsgeschwindigkeit des Fahrzeuges geringer werden.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet , daß bei 2000 m Arbeitshöhe die Impulslänge 500 ms, die Intervallänge 10 s und die Bewegungsgeschwindigkeit 2,8 km/h betragen und bei 200 m Arbeitshöhe die Impulslänge 300 ms, die Intervallänge 1 s und die Bewegungsgeschwindigkeit 1,8 km/h betragen.

26. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche

17 bis 25, gekennzeichnet durch zusätzliche Fotographien und/oder Fernsehaufnahmen und/oder Bodenproben.

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