DE3007570A1

DE3007570A1 - Verfahren und anordnung zur feststellung von knollenfoermigen stuecken auf dem meeresboden

Info

Publication number: DE3007570A1
Application number: DE19803007570
Authority: DE
Inventors: Tohru Suzuki
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1979-02-28
Filing date: 1980-02-28
Publication date: 1980-09-11
Also published as: FR2451042B1; GB2044455A; JPS627515B2; GB2044455B; CA1141018A; US4319348A; CA1146253A; FR2451042A1; DE3007570C2; JPS55114980A; AU5588380A; AU517583B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Feststellung von knollenförmigen Stücken mit einer Knollengröße von 1 bis 15 cm auf dem Meeresboden.

Insbesondere dienen das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anordnung zur Feststellung von auf dem Tiefseeboden vorhandenen Manganknollen.

Bei einem bekannten Verfahren zur kontinuierlichen Feststellung von knollenförmigen Stücken, beispielsweise Manganknollen, auf dem Tiefseeboden in einer Tiefe von 4000 bis 6000 m wird der Meeresboden kontinuierlich mit einer Fernsehkamera fotografiert oder mit einem bis nahe zum Meeresboden abgesenkten Unterwasser-Schallmeßsystem akustisch untersucht. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in

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der am 20. Juni 1978 offengelegten japanischen Offenlegungsschrift 69074/53 beschrieben. Bei einem derartigen Verfahren wird eine von einem Schiff auf mehrere 1000 m unter dem Meeresspiegel abgesenkte Meßanordnung mit einem Kabel auf einer festen Höhe über dem Meeresboden gehalten. Dabei ergeben sich jedoch Probleme, da die Untersuchungsgeschwindigkeit auf 1 bis 2 Knoten begrenzt ist und da eine sehr große Zeit für eine Untersuchung in einem großen Bereich erforderlich ist.

Es ist weiterhin ein Verfahren zur Untersuchung der Topographie und der geologischen Struktur des Meeresbodens bekannt geworden, bei dem Schallwellen direkt von einem Schiff abgestrahlt werden und die vom Meeresboden und von einer Grenzschicht einer unter dem Meeresboden liegenden Formation reflektierten Schallwellen erfaßt werden. Die erhaltenen Systemdaten werden dann zur Bestimmung der unter dem Meeresboden liegenden Formation analysiert. Im Falle von körnigen knollenförmigen Stücken, welche auf dem Meeresboden verteilt sind, ist bisher noch kein Unterwasser-Schallverfahren zur direkten Feststellung von einem Schiff praktisch durchgeführt worden, da kein Verfahren zur Analysierung von durch derartige Stücke reflektierten Schallwellen verfügbar ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur kontinuierlichen Feststellung von knollenförmigen Stücken auf dem Meeresboden von einem mit einer gebräuchlichen Geschwindigkeit von etwa 10 Knoten manövrierenden Schiff anzugeben.

Das Verfahren und die Anordnung sollen dabei insbesondere einfach ausgebildet sein.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von einem auf dem Meer navigierenden Schiff Schallwellen zum Meeresboden

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geschickt werden, welche Impulswellen drei verschiedener Frequenzen f 1 , f2 und f3 umfassen, mit 3 KHz £ f 1 £ 4 KHz, 10 KHz £ f2 £ 14 KHz und 25 KHz £ f3 £ 50 KHz, daß reflektierte ImpulsSchallwellen der drei Frequenzen empfangen werden, daß aus den Schalldrücken der reflektierten Schallwellen die entsprechenden Reflexionsvermögen bestimmt werden, daß die Reflexionsvermögen überlagert werden und daß aus den überlagerten Reflexionsvermögen die Population der knollenförmigen Stücke abgeleitet wird.

Bei dem vorstehend definierten erfindungsgemäßen Verfahren ändert sich beim Abstrahlen von Schallwellen auf dem Meeresboden, auf dem knollenförmige Stücke vorhanden sind, der Schalldruck der reflektierten Schallwellen stetig mit der Population, der Knollengröße der knollenförmigen Stücke und der Frequenz der Schallwellen. Impulsform!ge Wellen in drei Frequenzbereichen mit Ansprechspitzen im Bereich relativ kleiner, mittlerer und großer Knollengrößen werden von einem Schiff direkt auf den Meeresboden gestrahlt. Aus den reflektierten Schallwellen ist die Population der knollenförmigen Stücke aus dem zusammengesetzten Reflexionsvermögen der Reflexionsvermögen der Frequenzen in jedem der drei Frequenzbereiche bekannt. Darüber hinaus kann die Knollengröße der knollenförmigen Stücke aus wenigstens einem Verhältnis des Reflexionsvermögens der Schallwellen des Frequenzbereiches von 3 bis 4 KHz zum überlagerten Reflexionsvermögen und aus dem Verhältnis des Reflexionsvermögens der Schallwellen im Frequenzbereich von 3 bis 4 KHz zum Reflexionsvermögen der Schallwellen im Bereich von 25 bis 50 KHz bestimmt werden.

In Weiterbildung der Erfindung ist eine Anordnung zur Durchführung des vorstehend definierten Verfahrens durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

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Eine Einrichtung zur Abstrahlung von Impulswellen mit drei Frequenzen in den Bereichen 3 bis 4, 10 bis 14 und 25 bis 50 KHz zum Meeresboden, eine Einrichtung zum Empfang reflektierter Impulsschallwellen der drei Frequenzen, eine Einrichtung zur Messung der entsprechenden Reflexionsvermögen der drei Frequenzen aus den reflektierten Schallwellen, eine Einrichtung zur überlagerung der entsprechenden Reflexionsvermögen und eine Einrichtung zur Bestimmung der Population von knollenförmigen Stücken aus den überlagerten Reflexionsvermögen .

Weiterbildungen sowohl des vorstehend definierten erfindungsgemäßen Verfahrens als auch der vorstehend definierten erfindungsgemäßen Anordnung sind in entsprechenden Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm, aus dem die Änderungen der Reflexionsvermögen der entsprechenden Schallwellen-Frequenzen als Funktion der Knollengrößen von knollenförmigen Stücken auf dem Meeresboden .ersichtlich sind;

Fig. 2 ein Diagramm, aus dem die Änderungen von Reflexionsvermögen r1 , r2 und r3 von Schallwellen mit einer Frequenz von 3,5, 12 bzw. 30 KHz als Funktion der Knollengrößen von auf dem Meeresboden vorhandenen knollenförmigen Stücken ersichtlich sind;

Fig. 3 ein Diagramm, aus dem die Änderung des zusammengesetzten Reflexionsvermögens Rt ersichtlich ist, das durch vektorielle überlagerung der Reflexionsvermögen r1, r2 und r3 erhalten wird;

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Fig. 4 ein Diagramm, aus dem Änderungen eines Verhältnisses A des Reflexionsvermögens r1 zum zusammengesetzten Reflexionsvermögen Rt und ein Verhältnis B des Reflexionsvermögens r2 zum Reflexionsvermögen r3 ersichtlich sind;

Fig. 5 ein Diagramm, aus dem die Änderung des zusammengesetzten Reflexionsvermögens Rt bei Änderung einer minimalen Frequenz f1 ersichtlich ist;

Fig. 6 ein Diagramm, aus dem die Änderung des zusammengesetzten Reflexionsvermögens Rt bei Änderung einer mittleren Frequenz f3 ersichtlich ist;

Fig. 7 ein Diagramm; aus dem die Änderung des zusammengesetzten Reflexionsvermögens Rt bei Änderung einer maximalen Frequenz f3 ersichtlich ist; und

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung .

Ist der Meeresboden mit weichem Schlamm oder mit flachen vorstehenden Felsstücken bedeckt und kann eine Spiegelreflexion erwartet werden, so ändert sich der Schalldruck (Amplitude) der reflektierten Wellen mit der Differenz des Wellenwiderstands zwischen dem Meerwasser und der Untergrundformation. Sind jedoch kleine Stücke, wie beispielsweise Manganknollen auf dem Meeresboden verstreut, so werden akustische Wellen durch diese kleinen Stücke gestreut. Die durch einen Empfänger auf einem Schiff empfangenen reflektierten Wellen sind daher sog. rückgestreute Wellen, wobei sich der Schalldruck nicht nur als Funktion der Differenz des Wellenwiderstandes zwischen dem Meereswasser und den kleinen Stücken (wenn die durch Absorption und Diffusion durch das Meerwasser hervorgerufene Dämpfung unberücksichtigt bleibt), sondern

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auch als Funktion der durch die Streuung hervorgerufenen Einflüsse als Funktion folgender Parameter ändert:

(1) Die Frequenz f der ausgestrahlten Wellen,

(2) die Population N der kleinen Stücke und

(3) die Knollengröße der kleinen Stücke.

Ist R1 ein durch Streuung hervorgerufenes Reflexionsvermögen und R2 ein durch die Differenz des Wellenwiderstandes hervorgerufenes Reflexionsvermögen, so ist das gesamte Reflexionsvermögen R

R = R1 · R2

worin R1 als R1 = F (f, a, n) und R2 als

_{R2 =} ^P2^V2 - ^P1^V1

dargestellt werden kann.

In der letzteren Formel bedeuten:

P₁ die Dichte des Meereswassers,

p„ die Dichte des knollenförmigen Stücks,

V₁ die Ausbreitungsgeschwindigkeit in m/s der Schallwellen

im Seewasser, und
V₂ die Ausbreitungsgeschwindigkeit in m/s der Schallwellen

im knollenförmigen Stück.

Das durch die Wellenwiderstandsdifferenz bedingte Reflexionsvermögen R2 ist dabei für spezielle Substanzen, beispielsweise das Meereswasser und Manganknollen mit etwa 0,8 konstant, während sich lediglich das durch Streuung bedingte Reflexionsvermögen R1 als Funktion der oben unter (1) genannten Frequenz, der unter (2) genannten Population und der unter (3) genannten Knollengröße ändert. Die Änderung von R1 ist linear (proportional) zur Verteilungsrate und ändert sich gemäß Fig. als Funktion der Frequenz und der Knollengröße. Fig. 1 zeigt

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weiterhin die theoretisch berechnete, durch die Knollengröße bedingte Änderung des gesamten ReflexionsVermögens R = R1 für den Fall, daß die maximale Population 78,5 %
und R2 = 1 ist, wenn kleine Kugeln des gleichen Radius
in Form eines Gitters auf einer Ebene angeordnet sind.

Da das Totalreflexionsvermögen dem Verhältnis des Schalldrucks der reflektierten Wellen und des Schalldrucks der ausgestrahlten Wellen entspricht, kann das Totalreflexionsvermögen für Meereswasser durch Messung des Schalldrucks der reflektierten Wellen bestimmt werden. Bei einer tatsächlichen Messung des Schalldruckes ist es jedoch notwendig, nicht nur das Totalreflexionsvermögen sondern auch die durch Diffusion und Absorption während des Laufs der Schallwelle im Meereswasser hervorgerufene Dämpfung zu berücksichtigen. Speziell hängt der Absorptionsverlust von der Frequenz ab. Es ist daher notwendig, die Wassertiefe für jede Frequenz der Schallwellen zu korrigieren. Auch wenn sich der Schalldruck der abgestrahlten Schallwellen ändert, ist ebenfalls eine Korrektur erforderlich. Eine derartige Korrektur wird auf der Basis einer vorher durchgeführten Experimentreihe durchgeführt. Der somit variabel korrigierte Schalldruck der reflektierten Schallwellen entspricht dem Totalreflexionsvermögen.

Unter Berücksichtigung der Überlagerung des Totalreflexionsvermögens für einige Frequenzen und eines konstanten überlagerten Wertes unabhängig von der Knollengröße ist der
überlagerte Wert lediglich proportional zur Knollenpopulation, welche dann leicht ermittelt werden kann. Im Rahmen vorliegender Erfindung wurde eine Kombination derartiger Frequenzen untersucht. Es hat sich dabei gezeigt, daß bei Überlagerung des Reflexionsvermögens der drei Frequenzen mit entsprechenden Spitzen innerhalb des Totalreflexionsvermögens bei relativ kleiner, mittlerer und großer Knollengröße beispielsweise durch einfache Addition oder durch Kombination

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in Form eines zusammengesetzten Vektors durch Quadratwurzelziehen nach Quadrierung und Addition der entsprechenden Werte ein konstanter zusammengesetzter Wert im Bereich einer Knollengröße von 1 bis 15 cm erhalten wird.

Die zu bestimmende Knollengröße wird zwischen 1 und 15 cm gewählt, da es bekannt ist, daß die Knollengröße praktisch aller auf dem Tiefseeboden vorhandenen Manganknollen nicht größer als 15 cm ist und daß die Genauigkeit der Erfassung im Rahmen der Erfindung bei einer Knollengröße, welche nicht größer als 1 cm ist, etwas reduziert wird. Darüber hinaus liegt die Beurteilung des Vorhandenseins oder des Fehlens von Knollen mit einer Knollengröße, welche nicht größer als 1 cm ist, zuverlässig innerhalb der Möglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Anordnung.

Die Ergebnisse des zusammengesetzten Reflexionsvermögens Rt, welche beispielsweise durch Überlagerung in Vektorform der Reflexionsvermögen r1, r2 und r3 (siehe Fig. 2) von Schallwellen mit entsprechenden Frequenzen von f1 = 3,5 KHz, f2 = 12 KHz und f3 = 30 KHz erhalten werden, sind in der folgenden Tabelle 1 und in Fig. 3 dargestellt.

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Tabelle 1

Reflexionsvermögen *~" -—■—.!Frequenz in KHz) KnollengroBe—-—_______^ (in cm)	r1	r2	r3	überlagertes Reflexions vermögen	r1/Rt I	r1/r3
1	0,096	0,329	0,700	0,779	0,123	I 0,137
3	0,288	0,708	0,291	0,818	0,352	0,99
6	0,575	0,438	0,208	0,752	0,764	2,76
9	0,679	0,347	0,139	0,775	0,876	4,88
12	0,732	0,208	0,104	0,768	0,953	7,04
15	0,700	0,208	0,083	0,735	0,952	8,43

Wie diese Ergebnisse zeigen, ist das zusammengesetzte Reflexionsvermögen Rt im Knollengrößenbereich von 1 bis 15 cm mit einer Schwankung von + 10 % konstant, so daß die Knollenpopulation aus diesem Wert abgeleitet werden kann.

Darüber hinaus ist im Rahmen der Erfindung davon auszugehen, daß bei einer Änderung des Verhältnisses von 2 Reflexionsvermögen proportional zur Knollengröße eine Ermittlung der Knollengröße aus einem derartigen Verhältnis möglich ist. Dies bedeutet, daß der durch die Änderung der Knollenpopulation hervorgerufene Effekt kompensiert oder wesentlich reduziert wird, wenn das Verhältnis von zwei Reflexionsvermögen betrachtet wird, obwohl der Wert des Reflexionsvermögens selbst proportional zur Population der knollenförmigen Stücke auf dem Meeresboden ist.

Wird das Verhältnis r1/Rt des Reflexionsvermögens r1 (bei einer Frequenz f1 von 3,5 KHz) zum zusammengesetzten Reflexionsvermögen Rt bestimmt, so ändert sich dies zunächst einmal gemäß Tabelle 1 und Kurve A in Fig. 4. Wird das Verhältnis r1/r3 (das Reflexionsvermögen r1 der Schallwellen bei einer Frequenz f1 =3,5 KHz im Verhältnis zum Reflexionsvermögen r3 der Schallwellen bei einer Frequenz f3 = 30 KHz) bestimmt, so ändert sich dies gemäß Tabelle 1 und gemäß Kurve B in Fig. 4. Wie eine Betrachtung dieser Kurven zeigt, beschreibt jedes Verhältnis eine Kurve mit einer monotonen Zunahme bei zunehmender Knollengröße. Eine genauere Analyse zeigt jedoch, daß die Änderung des Verhältnisses r1/Rt mit der Knollengröße bis zu einer Knollengröße von 1 bis 6 cm linear zunimmt, während bei einer Knollengröße von 6 bis 12 cm der Gradient mit zunehmender Knollengröße abnimmt und eine Unterscheidungsmöglichkeit der Knollengröße merklich abnimmt. Im Knollengrößen-Bereich von 1 bis 15 cm nimmt der Wert des Verhältnisses r 1/r3 mit einem großen Gradienten im wesentlichen linear zu, wobei im Knollengrößen-

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bereich von 1 bis 6 cm das Verhältnis r1/Rt jedoch einen etwas größeren Gradienten besitzt.

Durch Ausnutzung eines der beiden Verhältnisse oder beider Verhältnisse in unterschiedlichen Teilen des Bereiches kann die Knollengröße (1 bis 15 cm) von aufzufindenden Manganknollen unabhängig von deren Population auf dem Meeresboden bestimmt werden.

Die Kombination der richtigen zu verwendenden Frequenzen der impulsförmigen Wellen kann jede Kombination sein, in der das zusammengesetzte Reflexionsvermögen eine Schwankung innerhalb von +10% oder vorzugsweise innerhalb von + 5 % in einem Knollengrößen-Bereich von 1 bis 15 cm besitzt.

Die zusammengesetzten Reflexionsvermögen in den Fällen, in denen die Impulswellen-Frequenzen f2 = 12 KHz und f3 = 3 KHz fest sind und die minimale Frequenz f1 im Bereich von 2 bis 5 KHz verändert wird, sind in Fig. 5 dargestellt. Es zeigt sich, daß der Bereich der bevorzugten minimalen Frequenz f1 =3 KHz <_ f 1 £ 4 KHz ist, da in einem derartigen Bereich eine geringere Änderung des zusammengesetzten Reflexionsvermögens Rt vorhanden ist.

Die zusammengesetzten Reflexionsvermögen für die Fälle, in denen die Impulswellen-Frequenzen f1 = 3,5 KHz und f3 = 30 KHz fest sind und die Zwischenfrequenz f2 im Bereich von 6 bis 15 KHz geändert wird, sind in Fig. 6 dargestellt. Es zeigt sich, daß der bevorzugte Bereich der Zwischenfrequenz f2 = 10 KHz £ f2 <_ 14 KHz ist, da sich in diesem Bereich eine geringere Änderung des zusammengesetzten Reflexionsvermögens Rt ergibt.

Schließlich sind die zusammengesetzten Reflexionsvermögen für die Fälle, in denen die Impulswellen-Frequenzen f1 =3,5 KHz

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und f2 = 12 KHz fest sind und die maximale Frequenz f3 im Bereich von 20 bis 50 KHz geändert wird, in Fig. 7 dargestellt. Es zeigt sich, daß der bevorzugte Bereich der maximalen Frequenz f3 zur Gewährleistung einer geringeren Änderung des zusammengesetzten Reflexionsvermögens Rt = 25 KHz <_ f3 <_ 50 KHz ist.

Für den Fall, daß keine knollenförmigen Stücke vorhanden sind, wird keine Rückstreuung erzeugt. Das durch Streuung erzeugte Reflexionsvermögen ist daher r1 = 1 und das Totalreflexionsvermögen R ist unabhängig von der Frequenz. Ist jedoch der Meeresboden beispielsweise mit weichem Schlamm bedeckt, so ist das durch die Differenz des Wellenwiderstandes bedingte Reflexionsvermögen r2 = 0,1 bis 0,2 und das Totalreflexionsvermögen R wird weit kleiner, als dies der Fall ist, wenn knollenförmige Stücke vorhanden sind, so daß eine Beurteilung des Einflusses der knollenförmigen Stücke auf den Druck möglich ist. In dem Fall, in dem der Meeresboden beispielsweise mit hervorstehenden Felsen bedeckt ist, ist das Reflexionsvermögen r2 = 0,8 bis 0,9. Das Totalreflexionsvermögen R unterscheidet sich dabei nicht wesentlich von dem Fall, in dem knollenförmige Stücke vorhanden sind. Das Totalreflexionsvermögen R wird dabei größer, wobei jedoch im Fall von vorstehenden Felsen soviele reflektierende Flächen auf dem Meeresboden oder in den hervorstehenden Felsen gebildet werden, daß die reflektierten Schallwellen mit Halleffekten behaftet sind, die leicht aus den Wellenformen der empfangenen reflektierten Wellen ermittelt werden können.

Ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 8 dargestellt. Wandler 1, 12 und 22 wandeln elektrische Schwingungen der drei Frequenzen f1, f2 und f3 in Schallwellen um und strahlen diese zum Meeresboden ab.

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Wandler 2, 13 und 23 empfangen vom Meeresboden reflektierte Schallwellen der drei Frequenzen f1, f2 und f3 und wandeln diese in elektrische Schwingungssignale um. Die Wandler 1 und 2, 12 und 13 sowie 22 und 23 können jeweils eine Einheit bilden. Signalgeneratoren 3, 14 und 24 werden von den Wandlern 1, 12 und 22 gespeist. Signalsteuerstufen 6, 17 und 27 steuern die Impulslängen und die Leistungen der entsprechenden Ausgangssignale der Signalgeneratoren 3, 14 und 24. Triggergeneratoren 8, 19 und 29 werden von den Ausgangssignalen der Signalsteuerstufen 6, 17 und 27 angesteuert. Steuerstufen 9, 20 und 30 aktivieren Blattschreiber 10, 21 und 31 zur Aufzeichnung der den reflektierten Schallwellen entsprechenden Ausgangssignale von Verstärkungsregelstufen 7, 18 und 28 in geeigneten Zeitintervallen und geeigneten Wasserstiefe-Bereichen und steuern weiterhin den Kontrast und die Intensität der auf den Blattschreibern aufzuzeichnenden entsprechenden Schallwelle. Die Blattschreiber 10, und 31 schreiben die Schallwelleninformation von den Steuerstufen 9, 20 und 30 auf Blattschreiber. Die Blattschreiber 21 und 31 schreiben weiterhin die Kurven der vom Meeresboden reflektierten Schallwellen auf Blattstreifen, so daß^der Zusammenhang zwischen der Zeit oder der Strecke und dem Wassertiefe-Bereich angezeigt werden kann. Der Blattschreiber 10 übt nicht nur die gleiche Funktion wie die Blattschreiber 21 und 31 aus, sondern dient auch zur Anzeige der Beschaffenheit, beispielsweise der geologischen Struktur von Formationen unterhalb des Meeresbodens.

Eine Korrelationsstufe 11 ermöglicht die Erfassung des empfangenen Signals unter Ausnutzung des gesendeten Signals als Referenz. Hinsichtlich der Verarbeitung der empfangenen Schallwelle der Frequenzkomponente f1 ist ein Ausgang eines Vorverstärkers 4 über einen Schalter an ein Filter 5 angekoppelt. In diesem Falle ist ein Ausgang der Verstarkungsregelstufe 7 an die Steuerstufe 9 angekoppelt. Wird andererseits eine Korrelation zwischen der empfangenen Schallwelle und der

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gesendeten Schallwelle der Frequenzkomponente f1 durchgeführt, so ist ein Ausgang des Vorverstärkers 4 an die Korrelationsstufe 11 angekoppelt.

In diesem Falle ist ein Ausgang der Korrelationsstufe 11 an die Steuerstufe 9 angekoppelt, so daß ein empfangenes Signal mit einem großen Gradienten dadurch erfaßt werden kann, daß eine Korrelation zwischen der empfangenen und der gesendeten Schallwelle in der Korrelationsstufe 11 durchgeführt wird.

Der Vorverstärker 4 sowie Vorverstärker 15 und 25 reglen die elektrischen Ausgangssignale der Wandler 2,13 und 23 zwischen 1 mV und 1 V ein. Das Filter 5 sowie Filter 16 und 26 filtern die entsprechenden Ausgangssignale der Vorverstärker 4,15 und 25.

Die Verstärkungsregelstufen 7, 18 und 28 regeln den Signalpegel der entsprechenden Ausgangssignale der Filter 5, 16 und 26 ein.

Trenn-Vorverstärker 32, 33 und 34 mit jeweils zwei Kanälen regeln die Ausgangssignalpegel der entsprechenden Signalgeneratoren 3, 14 und 24 sowie der zugehörigen Vorverstärker 4, 15 und 25 gemäß Fig. 8 auf 1 mV bis 1 V ein, wobei die entsprechenden Ausgangssignale der Vorverstärker 32, 33 und

34 als Eingangssignale auf ein zweikanaliges Tiefpaßfilter

35 sowie auf zweikanalige Bandpaßfilter 36 und 37 gegeben werden. Das Tiefpaßfilter 35 liegt im Kanal für die Frequenzkomponente f1 der Schallwellen. Die Bandpaßfilter 36 und 37 liegen in den Kanälen für die Frequenzkomponenten f2 und f3 der Schallwellen. Zweikanalige Hüllkurvendetektoren 38 und erfassen die Hüllkurven der Signalkomponenten f2 und f3 in den Ausgangssignalen der Bandpaßfilter 36 und 37. Zweikanalige logarithmische Verstärker 40, 41 und 42 sprechen auf die Signalkomponenten f1, f2 und f3 an den Ausgängen des Tief-

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paßfliters 35 und der Bandpaßfilter 36 und 37 an.

Ein Analog-Digital-Wandler 43 überführt die analogen Ausgangssignale der logarithmischen Verstärker 40, 41 und 42 in Digitalsignale. Der Analog-Digital-Wandler 43 überführt weiterhin die Analogsignale von den Signalsteuerstufen 6, 17 und 27 in Digitalsignale. Die durch den Wandler 43 in Digitalsignale überführten Kanäle werden als Funktion eines in einem Digitalprozessor 44 inkorporierten Programms ausgewählt. Mit anderen Worten werden die durch den Analog-Digitalwandler 43 gewonnenen Daten als Funktion des Programms des Digitalprozessors 44 gesteuert. Der Digitalprozessor 44 enthält eine Prozessoreinheit, d.h., ein Minocomputer korrigiert im praktischen Betrieb die Tiefe als Funktion der Laufzeit der durch die Wandler 2, 13 und 23 empfangenen Rücklaufsignale. Weiterhin kallibriert und korrigiert er den durch die Änderung der gesendeten Signale bewirkten Effekt unter Verwendung des gesendeten Signalpegels oder durch Korrelierung des empfangenen Signals mit den gesendeten Signalen der Signalkomponente der Frequenz f1. Schließlich führt er Berechnungen und statische Analysen in bezug einer Vorhersage der Knollenpopulation und der Knollengröße durch.

Ein Triggersignal, das die Ausstrahlungszeit der ausgesendeten Schallwellen anzeigt, wird von den Signalsteuerstufen 6, 17 und 27 zum Analog-Digitalwandler 43 übertragen, wobei der Digitalprozessor 44 als Funktion dieser Information das gesendete Signal sofort verarbeitet.

Ein Tastatur-Terminal 45 dient zur Eingabe verschiedener, zur Durchführung der obengenannten Operationen notwendiger Parameter, d.h., zur manuellen Eingabe dieser erforderlichen Parameter, wie beispielsweise das Datum, die Zeit und der Profilname, welche in den Digitalprozessor 44 einzugeben sind.

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Ein Drucker und Kurvenschreiber 46 ermöglicht die Herstellung von graphischen Darstellungen und Tabellen für die Vorhersage der Knollenpopulation und der Knollengröße sowie anderer notwendiger Informationen.

Im praktischen Betrieb werden impulsförmige Wellen drei verschiedener Frequenzen, nämlich f1, f2 und f3 (beispielsweise mit einer Impulsbreite von 10 ms und einer Leistung von 10 kW) in Intervallen von etwa 10s von den Wandlern 1, 12 und 22 ausgestrahlt, welche an Bord eines mit einer Geschwindigkeit von 9 bis 10 Knoten navigierenden Forschungsschiffs montiert sind. Die vom Meeresboden nach mehreren s, beispielsweise 6 s rückkehrenden reflektierten Wellen werden von den Wandlern 2, 13 und 33 empfangen, durch die oben beschriebene Schaltung verarbeitet und auf dem Blattschreibern 10, 21 und 31 aufgezeichnet.

Die Eingangsinformation für das durch die Komponenten 32 bis 45 gebildeten Datenverarbeitungssystem wird durch Sendertriggersignale und elektrische Schwingungssignale gebildet, welche derart umgewandelt werden, daß sie dem ausgesendeten Schalldruckpegel und dem empfangenen Schalldruckpegel entsprechen. Wird das Triggersignal vom Analog-Digital-Wandler 43 aufgenommen, so verarbeitet das Datenverarbeitungssystem das Sendersignal und speichert die resultierende Information in einem Speicher im Digitalprozessor 44. Sodann wird die statistische Verarbeitung und die Programmierung für die Anzeige der vorher gespeicherten Daten im Digitalprozessor 44 bis zur halbautomatisch eingestellten Ankunftszeit der reflektierten Welle (etwa 5 s) durchgeführt.

Das empfangene Signal wird für etwa 4 s folgendermaßen im Datenverarbeitungssystem kontinuierlich verarbeitet. Die Signalkomponente f1 wird nach Durchlauf durch den Vorverstärker 32, das Tiefpaßfilter 35 und den logarithmischen Verstärker 40 durch den Analog-Digitalwandler 4 3 in eine

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Digitalform überführt. Die Signalkomponenten f2 und f3 werden nach Durchlauf durch die Vorverstärker 33 und 34, die Bandpaßfilter 36 und 37, die Detektoren 38 und 39 und die logarithmischen Verstärker 41 und 42 durch den Analog-Digitalwandler 43 in eine Digitalform überführt. Die Impulswellen-Hüllkurven der Komponenten f2 und f3 werden die Hüllkurvendetektoren 38 erfaßt.

Im digitalen Prozessor 44 ist die Ankunftszeit des empfangenen Signals aufgrund der Wirkung als eingebauten Zeittaktgebers bekannt, wobei die Tiefenanzeige mittels dieser Zeit korrigiert wird und die Änderung des gesendeten Tondrucks unter Ausnutzung der gespeicherten Sendesignal-Pegelinformation kallibriert und korrigiert wird. Die Signalkomponente f1 wird im Bedarfsfall korrelativ zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Wellensignal verarbeitet.

Nach Durchführung dieser Prozesse erfolgen wiederum verschiedene Operationen im digitalen Prozessor 44, wobei die Vorhersage hinsichtlich der Knollenpopulation und der Knollengröße berechnet, zur statistischen Verarbeitung zeitweise gespeichert und auf dem Drucker und Kurvenschreiber 46 als Mittelwert oder laufender Mittelwert der Daten für die letzten 15 bis 30mal (äquivalent zu Zeitintervallen von 150 bis 300 s) geschrieben wird.

Darüber hinaus ist es für die tatsächliche Beobachtung der Wellenformen der empfangenen Schallwellen vorteilhaft, zwei Datensätze folgendermaßen zu erhalten:

a) eine maximale Amplitude (Zeitdauer von etwa 1 ms) und

b) einen integrierten Wert einer festen Zeitdauer (etwa 10 ms)

wobei aus der ersten Größe eine Ortsinformation und aus der

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letzteren Größe eine Mittelwertinformation erhalten wird.

Der Profilname, die Breite, die Länge, das Datum und die Zeit können unter Verwendung des Tastatur-Terminals 45 im Bedarfsfall ebenfalls auf dem Drucker und Kurvenschreiber 46 dargestellt werden.

Diese statistischen Verarbeitungs- und Anzeigeprogramme werden als Funktion der Eigenschaften des zu untersuchenden Bereiches und des Zwecks der Untersuchung bezeichnet und durchgeführt.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Anordnung wurde eine Untersuchung in einem Bereich der Tiefsee durchgeführt, indem Manganknollen auf dem Meeresboden vorhanden waren. Die Ergebnisse zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den Daten hinsichtlich der Population und der Knollengröße, wie sie durch eine Fernsehkamera erhalten werden oder durch eine direkte Probe der Knollen bestätigt werden.

Das erfindungsgemäße Untersuchungsverfahren sowie die erfindungsgemäße Untersuchungsanordnung gewährleisten ausgezeichnete Resultate, so daß knollenförmige Stücke auf dem Meeresboden direkt von einem mit normaler Geschwindigkeit auf dem Meer navigierenden Schiff festgestellt werden können. Die Untersuchung kann dabei in einem großen Seebereich in einfacher Weise durchgeführt werden. Darüber hinaus ist es erfindungsgemäß möglich, nicht nur die Population sondern auch die Größe von Knollen wirksam vorherzusagen.

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Claims

Patentansprüche

■_v 1 ./Verfahren zur Feststellung von knollenförmigen Stücken mit einer Knollengröße von 1 bis 15 cm auf dem Meeresboden, dadurch gekennzeichnet, daß von einem auf dem Meer navigierenden Schiff Schallwellen zum Meeresboden geschickt werden, welche Impulswellen drei verschiedener Frequenzen f 1 , f2 und f3 umfassen mit 3 KHz <_ f1 _< 4 KHz, 10 KHz <_ f2 £ 14 HKz und 25 KHz _< f3 £ 50 KHz, daß reflektierte Impulsschallwellen der drei Frequenzen empfangen werden, daß aus den Schalldrücken der reflektierten Schallwellen die entsprechenden Reflexionsvermögen bestimmt werden, daß die Reflexionsvermögen überlagert werden und daß aus den überlagerten Reflexionsvermögen die Population der knollenförmigen Stücke abgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Knollengröße der knollenförmigen Stücke aus wenigstens einem der Verhältnisse des Reflexionsvermögens der Schallwellen der Frequenz f1 zum überlagerten Reflexionsvermögen und des Reflexionsvermogens der Schallwellen der

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Frequenz f1 zum Reflexionsvermögen der Schallwellen der Frequenz f3 bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwankung des überlagerten Reflexionsvermögens auf + 10 % begrenzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwankung des überlagerten Reflexionsvermögens auf + 5 % begrenzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die überlagerung des Reflexionsvermogens für die Frequenzen f1, f2 und f3 durch Addition durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der .Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlagerung der Reflexionsvermögen dadurch bestimmt wird, daß nach Quadrierung und Addition der Reflexionsvermögen der drei Frequenzen f1, f2 und f3 die Quadratwurzel gezogen wird.
7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Abstrahlung von Impulswellen mit drei Frequenzen in den Bereichen bis 3 bis 4, 10 bis 14, und 25 bis 50 KHz zum Meeresboden, eine Einrichtung zum Empfang reflektierter Impulsschallwellen der drei Frequenzen, eine Einrichtung zur Messung der entsprechenden Reflexionsvermögen der drei Frequenzen aus den reflektierten Schallwellen, eine Einrichtung zur Überlagerung der entsprechenden Reflexionsvermögen und durch eine Einrichtung zur Bestimmung der Population von knollenförmigen Stücken aus den überlagerten Reflexionsvermögen.
8. Anordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Bestimmung der Knollengröße aus dem Verhältnis des Reflexionsvermögens der Schallwellen der Frequenz

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im Bereich von 3 bis 4 KHz und der überlagerten Reflexionsvermögen .
9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Bestimmung der Knollengröße aus 'dem Verhältnis des Reflexionsvermögens der Schallwellen der Frequenz im Bereich 3 bis 4 KHz und des Reflexionsvermögens der Schallwellen der Frequenz im Bereich von 25 bis 50 KHz.

Ü30O37/O739