DE3007570C2

DE3007570C2 - Verfahren und Anordnung zur Feststellung von knollenförmigen Stücken mit einer Knollengröße von 1 bis 15 cm auf dem Meeresboden

Info

Publication number: DE3007570C2
Application number: DE3007570A
Authority: DE
Inventors: Tohru Machida Tokyo 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: 1983-08-25
Also published as: AU517583B2; CA1141018A; JPS55114980A; FR2451042B1; JPS627515B2; CA1146253A; AU5588380A; DE3007570A1; GB2044455B; FR2451042A1; GB2044455A; US4319348A

Description

1-: keine unnützigen Pausen zwischen den Echolotungen vorhanden sein müßten. In Effekt verhak sich ein derartiges Verfahren hinsichtlich des erzielten Ergebnisses ebenso wie ein nur mit einer Frequenz arbeitendes Verfahren, d.h, es wird lediglich das Vorhandensein von Objekten am Meeresboden und über die Intensität der reflektierten Schallwellen die Art der Objekte — etwa Fischschwärme oder Schiffswracks

' — angezeigt Ober eine bestimmte Größe ein und desselben Objektes sind damit jedoch keine Informatio-

" nen zu gewinnen.

Es ist weiterhin aus der DE-AS 22 04 028 ein Verfahren und eine Einrichtung zur Übertragung von Wellenenergie mit bestimmter Richtcharakteristik etwa

"* zur Untersuchung des Meeresbodens auf Ablagerungen oder versenkte oder eingegrabene Gegenstände bekannt geworden. Zur Vermeidung von Dämpfungseinflüssen, die sich für hohe Frequenzen an Trennflächen zwischen dem Meerwasser und am Meeresboden befindlichen Ablagerungen wie Kies oder Sand oder beim Durchgang durch solche Ablagerungen ergeben, ist dabei vorgesehen, mindestens zwei Frequenzen gerichtet auszusenden und eine durch die nichtlinearen Eigenschaften der genannten Trennflächen fjder der diese bildenden Ablagerungen erzeugte Differenzfre- 2s quenz zu empfangen und mit einer Bezugsschwingung zu vergleichen. Damit wird jedoch nur erreicht, die günstigen Eigenschaften hoher Frequenzen bezüglich des Auflösungsvermögens mit den günstigen Eigenschaften niedriger Frequenzen (Differenzfrequenz) _M> bezüglich des Durchdringungsvermögens zu vereinigen, so daß Objekte unterschiedlicher Art gut feststellbar aber nicht Objekte ein und derselben Art nach bestimmten Größen feststellbar sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe r> zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung der in Rede stehenden Art anzugeben, mit denen knollenförmige Stücke bestimmter Größe auf dem Meeresboden von einem mit einer üblichen auf dem Meeresboden von einem mit einer üblichen Geschwindigkeit von etwa 10 <·(> Knoten manövrierenden Schiff feststellbar sind.

Diese Aufgibe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die erste Frequenz im Bereich zwischen 3 kHz und 4 kHz. die zweite Frequenz im Bereich *'■ zwischen 10 kHz und 14 kHz und die dritte Frequenz im Bereich zwischen 25 kHz und 50 kHz liegt und daß zur Bildung eines Maßes für die Population an knollenförmigen Stücken, die aus den Schalldrücken der reflektierten Schallwellen bei den drei Frequenzen *> ermittelten Reflexionen in der Weise einander überlagert werden, daß die durch Oberlagerung gebildete Reflexion unabhängig von der KnollengröOe im Bereich von 1 bis 15 cn* ist

Bei dem vorstehend definierten erfindungsgemäßen ">"> Verfahren ändert sieb beim Abstrahlen von Schallwellen auf den Meeresboden, auf dem knollenförmige Stücke vorhanden sind, der Schalldruck der reflektierten Schallwellen stetig mit der Population, der Knollengröße der knollenförmigen Stück"·; und der to Frequenz der Schallwellen. Impulsförmige 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 Schallwel- <>5 len ist die Population der knollenförmigen Stücke aus der zusammengesetzten Reflexion (im folgenden auch Reflexionsvermögen genannt) der Reflexionen der Frequenzen in jedem der drei Frequenzbereiche bekannt Darüber hinaus kann die Knollengröße der knollenförmigen Stücke aus wenigstens einem Verhältnis der Reflexion der Schallwellen des Frequenzbereiches von 3 bis 4 kHz zur überlagerten Reflexion und aus dem Verhältnis der Reflexion der Schallwellen im Frequenzbereich von 3 bis 4 kHz zur Reflexion der Schallwellen im Bereich von 25 bis 50 kHz bestimmt werden.

In Weiterbildung der Erfindung" ist bei einer Anordnung zur Durchführung des vorstehend definierten Verfahrens vorgesehen, daß die Schallsende- und Empfangseinrichtung Schallwellen mit drei Frequenzen sendet, von denen die erste Frequenz zwischen 3 kHz und 4 kHz, die zweite Frequenz zwischen 10 kHz und 14 kHz und die dritte Frequenz zwischen 25 kHz und 50 kHz liegt und daß eine Auswerteeinrichtung aus den Schalldrücken der von der Schallsende- und Empfangseinrichtung empfangenen Echos die Reflexionen bei den drei Frequenzen ermittelt und zur Bildung eines Maßes für die Population der knollenförmigen Stücke einander überlagert.

Weiterbildungen sowohl des vorsteiiesd 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

F i g. 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 rl. rl und r3 von Schallwellen mit einer Frequenz von 3,5,12 bzw. 30 kHz als Funktion der Knollcngrößen 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 Reflexjonsvermögen r I, r 2 und r3 erhalten wird;

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

Fig.5 ein Diagramm, aus dem die Änderung des zusammengesetzten Reflexionsvermögend Rt bei Änderung einer minimalen Frequenz /1 ersichtlich ist;

F i g. 6 ein Diagramm, aus dem die Änderung des zusammengesetzten Reflexionsvermögens Rtbe\ Änderung einer mittleren Frequenz i3 ersichtlich ist;

Fig. Γ ein Diagramm, aus dem die Änderung des zusammengesetzten Reflexionsvermögens Rtbei Änderung einer maximalen Frequenz fZ 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 Wellenwiderstand zwischen dem Meerwasser und der Untergrundformation. Sind jedoch kleine Stücke, wie bei .pieisweise Manganknollen auf dem Meeresboden verstreut, so werden akustische Wellen durch diese kleinen Siiirlu» uMir^ni r>;<. A„_r^u

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 Meerwasser und den kleinen Stücken (wenn die durch Absorption und Diffusion durch das Meerwasser hervorgerufene Dämpfung unberücksichtigt bleibt), sondern auch als Funktion der durch die Streuung hervorgerufenen Einflüsse als Funktion folgender Parameter ändert:

(1) Die Frequenz /der ausgestrahlten Wellen,

(2) die Population Nder kleinen Stücke und

(3) die KnollengröBe der kleinen Stücke.

Ist R I ein durch Streuung hervorgerufenes Reflexionsvermögen und R 2 ein durch die Differenz des Wellenwiderstand«, hervorgerufenes Reflexionsvermögen, so ist das gesamte Reflexionsvermögen R

■ R-R\■R2

worin Ä I als Al— i^l'(f. a. n)\ind R 2 als

Pi V_x +,UV₁
dargestellt werden kann.

In der letzteren Formel bedeuten:

Q[ die Dichte des Meereswassers,
Q] die Dichte des knollenförmigen Stücks,
V\ die Ausbreitung-ügeschwindigkeit in m/s der Schallwellen im Seew;isser und

] die Ausbreitungngeschwindigkeit in m/s der Schallwellen im knollenförmigen Stück.

Das durch die Wdlenwidcrstandsdiffercnz bedingte IReflexionsvermögen /72 ist dabei für spezielle Substan-Izen. beispielsweise das Meereswasssr und Manganknol-Jlen mit etwa OB konstant, während sich lediglich das ■durch Streuung bedingte Reflexionsvermögen R I als |Funktion der oben unter (I) genannten Frequenz, der unter (2) genannten Population und der unter (3) genannten KnollengnSße ändert. Die Änderung von R I Ist linear (proportional) zur Verteilungsrate und ändert pich gemäß Fig. 1 ab Funktion der Frequenz und der Cnollengröße. Fig. I zeigt weiterhin die theoretisch berechnete, durch die Knollengröße bedingte Änderung des gesamten Relexionsvermögens R- R 1 für den Fall, daß die maximale Population 78.5% und Ä2—1 ist, venn kleine Kugeln des gleichen Radius in Form eines fitters auf einer Ebene angeordnet sind.
Da das Totalreflexionsvermögen dem Verhältnis des challdrucks der reflektierten Wellen und des Schall- ^rucks der ausgestrahlten Wellen entspricht, kann das Tabelle ]

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 s Totalreflexionsvermögen sondern auch die durch Diffusion und Absorption während des Laufs der Schallwelle im Meereswaassee hervorgerufene Dämpfung zu berücksichtigen. Speziell hängt der Absorptionsverlust von der Frequenz ab. Es ist daher ίο 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 durchgcführis ten Experimentreihe durchgeführt. Der somit variabel korrigierte Schalldruck der reflektierten Schallwellen entspricht dem Totalreflexionsvcrmögen.

Unter Berücksichtigung der Überlagerung des Totalreflexionsvermögens für einige Frequenzen und eines konstanten überlagerten Wetes unabhängig von der KnollcngröBc 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 Oberlagerung des Reflexionsvcrmögens der drei Frequenzen mit entsprechenden Spitzen innerhalb des Totalreflexionsvermögens bei relativ kleiner, mittlerer und großer Knorlengröße beispielsweise durch einfache

jo Addition oder durch Kombination in Form eines zusammengesetzten Vektors durch Quadratwurzeiziehen nach Quadrierung und Addition der entsprechenden Werte ein konstanter zusammengesetzter Wert im Bereich einer Knollengröße von I bis 15 cm erhalten

J5 wird.

Die zu bestimmende Knollengröße wird zwischen I und 15 cm gewählt, da es bekannt ist. daß die Knoiiengroße 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

■«5 größer als I cm ist, zuverlässig innerhalb der Möglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Anordnung.

Die Ergebnisse des zusammengesetzten Rcflcxionsvermögens Rt, welche beispielsweise durch Übcrlagerung in Vektorform der Reflexionsvermögen r 1, rl und r3 (siehe Fig.2) von Schallwellen mit entsprechenden Frequenzen von /Ί-3.5 kHz. f2-12 kHz und /3-3OkHz erhalten werden, sind in der folgenden Tabelle 1 und in F i g. 3 dargestellt.

Knollen- Reflexionsvermögen (Frequenz in kHz)

größe

(in cm) /1 rl ri

überlagertes
Reflexionsvermögen

rl.'Rt

r\lrl

1	0,096	0,329	0,700	0.779	0,123	0,137
3	0,2*8	0.708	0,291	0,818	0,352	0,99
6	0475	0,438	0.208	0,752	0,764	2,76
9	10,679	0.347	0,139	0,775	0,876	4.88
12	15,732	0,20«	0,104	0,76«	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 derar!>en Verhältnis möglich ist. Dies bedeutet, daß der durch durÄnderung der Knollenpopulation hervorgerufene Effekt kompensiert oder wesentlich reduziert wird, wenn das Verhältnis von zwei Reflexionsvermögen betrachtet wird, obwohl der Wert des Reflcxionsvermögcns selbst propotional zur Population der knollenförmigen Stücke auf dem Meeresboden ist.

Wird das Verhältnis r MRt des Reflexionsvermögens rl (bei einer Frequenz /I von 3.5 kHz) zum zusammengesetzten Reflexionsvermögen Rt bestimmt. so ändert sich dies zunächst einmal gemäß Tabelle 1 und Kurve A in Fig.-!. Wird da; Vcrhäiir.is τ UrZ (das Reflexionsvermögen r 1 der Schallwellen bei einer Frequenz /1-3.SkHz im Verhältnis zum Reflexionsvermögen r3 der Schallwellen bei einer Frequenz /'3-3OkHz) 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 r MRt mit der Knollengröße bis zu einer Knollengröße von 1 bis 6 cm linear zunimmt, während bei einer Knollengröße vor 6 bis 12 cm der Gradient mit zunehmender Knollengröße abnimmt und eine Unterscheidungsmöglichkeit der Knollengröße merklich abnimmt. Im Knollengrößen-Bereich von I bis 15 cm nimmt der Wert des Verhältnisses rl/r3 mit einem großen Gradienten im wesentlichen linear zu. wobei im Knollengrößenbereich von 1 bU 6 cm das Verhältnis r MRt jedoch einer, etwas größeren Gradienten besitzt.

Durch Ausnutzung eines der beiden Verhältnisse oder beider Verhältnisse in unterschiedlichen Teilen des Bereiches kann die Knollengröße (I 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 KnollengröBen-Bereich von 1 bis 15 cm besitzt.

Die zusammengesetzten Reflexionsvermögen in den Fällen, in denen die Impulswellen-Frequenzen /2- 12 kHz und /3-3 kHz fest sind und die minimale Frequenz f\ im Bereich von 2 bis 5 kHz verändert wird, sind in F i g. 5 dargestellt Es zeigt sich, daß der Bereich der bevorzugten minimalen Frequenz

/1 -3kHzS/l<4kHz ist. da in einem derartigen Bereich eine geringere Änderung des zusammengesetzten Reflexions vermöge ns Rt vorhanden ist.

Die zusammengesetzten Reflexionsvermögen für die Fälle, in denen die Impulswellen-Frequenzen Π-3.5 kHz und /3-3OkHz fest sind und die Zwischenfrequenz /2 im Bereich von 6 bis 15 kHz geändert wird, sind in F i g. 6 dargestellt. Es zeigt sich, daß der bevorzugte Bereich der Zwischenfrequenz /2 = 5OkHz=SZ^iS !4 kHz ist, da sich in diesem Bereich eine geringere Änderung des zusammengesetzten

Reflcxionsvermögens Rt ergibt.

Schließlich sind die zusammengesetzten Reflexionsvermögen füe die Fälle, in denen die Impulswellen-Frequenzen /I -3,5 kHz und /2-12 kHz fest sind und die maximale Frequenz /3 im Bereich von 20 bis 50 kHz geändert wird, in F i g. 7 dargestellt. Es zeigt sich, daß der bevorzugte Bereich der maximalen Frequenz /3 zur Gewährleistung einer geringeren Änderung des zusammengesetzten Reflexionsvermögcns !0 /?f-25kHzS/3S50kH/ist.

Für den Fall, daß keine knollenförmigen Stücke vorhanden sind, wird keine Rückstreuung erzeugt. Das durch Streuung erzeugte Reflexionsvermögen ist daher r I - I, und das Totalreflexionsvermögen R ist unabhän-

\ί gig von der Frequenz. Ist jedoch der Meeresboden beispielsweise mit weichem Schlamm bedeckt, so ist das durch die Differenz des Wellcnwiderstandes bedingte Reflexionsvermögen r2-0,l bis 0,2, und das Toialreflexionsvermögen R wird weil kleiner, als dies der Fall ist.

wenn knollenförmige Stücke vorhanden sind, so daß eine Bcürieilüng 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 rl-0.8 bis 0.9. Das Totalreflexionsvermögen R unterscheidet sich dabei nicht wesentlich von dem Fall, in dem knollenförmige Stücke vorhanden sind Das Totaireflexionsvermögen 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.

Jj 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 f\, /2 und /3 in Schallwellen um und strahlen diese zum Meeresboden ab.

Wandler 2, 13 und 23 empfangen vom Meeresboden reflektierte Schallwellen der drei Frequenzen /1, /2 und /3 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.

so Triggergencratoren 8, 19 und 29 werden von den Ausgangssigiialen der Signalsteuerstufen 6, 17 und 27 angesteuert. Steuerstufen 9, 20 und 30 aktivieren Blatt ichreiber 10, 21 und 31 zur Aufzeichnung der den reflektierten Schallwellen entsprechenden Ausgang^s-

ss signale von Verstärkungsregelstufen 7, 18 und 28 in geeigneten Zeitintervallen und geeigneten Wassertiefe-Bereichen und steuern weiterhin den Kontrast und die Intensität der auf den Blattschreibern aufzuzeichnenden entsprechenden Schallweile. Die Blattschreiber 10, 21 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 Wassertiefc-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 Beschaffen-

heit, beispielsweise der geologischen Struktur von Formationen unterhalb des Meeresbodens.

Eine Korrelationsstufe Il ermöglicht die Erfassung des empfangenen Signals unter Ausnutzung des gesendeten Signals als Referenz. Hinsichtlich der Verarbeitung der empfangenen Schallwelle der Frequenzkomponente f\ '« ein Ausgang eines Vorverstärkers 4 über einen Schalter an ein Filtrr 5 angekoppelt. In diesem Falle ist ein Ausgang der Verstärkungsregelstufe 7 an die Steuerstufe 9 angekoppelt. Wird andererseits eine Korrelation zwischen der empfangenen Schallwelle und der gesendeten Schallwelle der Frequenzkomponente /1 durchgeführt, so ist ein Ausgang des Vorverstärkers 4 an die Korrelationsstufe 11 angekoppelt.

In diesem Falle ist ein Ausgang der Korrelationsslufc Il 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 U durchgeführt wird.

Der Vorverstärker 4 sowie Vorverstärker 15 und 25 regeln die elektrischen Ausgangssignale der Wandler 2, 13 und 23 zwischen 1 mV und I V ein. Das Filter 5 sowie Filter 16 und 26 filtern die entsprechenden Ausgangssinale 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 F i g. 8 auf I mV bis t V ein, wobei die entsprechenden Ausgangssignale der Vorverstärker 32, 33 und 34 als Eingangssignale auf ein zweikanaliges Tiefpaßfilter 35 sowie auf zweiksnaUge BandpaöiUter 36 und 37 gegeben werden. Das Tiefpaßfilter 35 liegt im Kanal für die Frequenzkomponente /1 der Schallwellen. Die Bandpaßfilter 36 und 37 liegen in den Kanälen für die Frequenzkomponenten /2 und /*3 der Schallwellen. Zweikanalige Hüllkurvendetektoren 38 und 39 erfassen die Hüllkurven der Signalkomponenten (2 und fZ in den Ausgangssignalen der Bandpaßfilter 36 und 37. Zweikanalige logarithmische Verstärker 40, 41 und 42 sprechen auf die Signalkomponenten /1. /2 und /"3 an den Ausgängen des Tiefpaßfilters 35 und der Bandpaßfilter 36 und 37 an.

Ein Antlog-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 enthalt 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 Rucklaufsignale. Weiterhin kallibriert und korrigiert er den durch die Änderung der gesendeten Signale bewirkten Effekt unter Verwendung des gesendeten Signalpegels oder durch Korrelicrung des empfangenen Signals mit den gesendeten Signalen der Signalkomponente der Frequenz /I. Schließlich führt er Berechnungen und statische Analysen in bezug einer Vorhersage der Knollenpopulation und der Knollengröße durch.

s Ein Triggersignal, das die Ausstrahhlungszeit der ausgesendeten Schallwellen anzeigt, wird von den Signalsteuerstufen 6, 17 und 27 zum Analog-Digital-Wandler 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 erorderlichen Parameter, wie beispiels-

\s weise das Datum, die Zeit und der Profilname, welche in den Digitalprozessor 44 einzugeben sind.

Ein Drucker und Kurvenschreiber 46 ermöglicht die Herstellung von graphischen Darstellungen und Tabellen für die Vorhersage der Knollenpopulation und der

Λι Krioiictigröue sowie anderer notwendiger iniormatio nen.

Im praktischen Betrieb werden impulsförmige Wellen drei verschiedener Frequenzen, nämlich f\,f2 und fi (beispielsweise mit einer Impulsbreite von 10 ms und

}·> einer Leistung von 10 kW) in Intervallen von etwa 10 s 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

jo 6 s rückkehrenden reflektierten Wellen werden von den

Wandlern 2, 13 und 33 empfangen, durch die oben

beschriebene Schaltung verarbeitet und auf den

Blattschreibern 10,21 und 31 aufgezeichnet Die Eingangsinformation für das durch die Kompo-

» nenten 32 bis 45 gebildeten Datenverarbeitungssystem wird durch Sendertriggersignale und elektrische Schwingungssignale gebildet, welche derart umgewandelt werden, dsß sie dem ausgesendeten Scnaüdruckpegel und dem empfangenen Schalldruckpegel entsprechen. Wird das Triggersignal vom Analog-Digital-Wandler 43 aufgenommen, so verarbeitet das Datenverarbeitungssystem das Sendersignal und speiche, t 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 halbautomatischen eingestellten Ankunftszeit der reflektierten Welle (etwa 5 s) durchgeführt.

Das empfangene Signal wird für etwa 4 s folgender-

so maßen im Datenverarbeitungssystem kontinuierlich verarbeitet Die Signalkomponente f\ wird nach Durchlauf durch den Vorverstärker 32, das Tiefpaßfilter 35 und den logarithmischen Verstärker 40 durch den Anslog-Digital wandler 43 in eine Digitalform überführt

ss Die Signalkomponente /2 und /3 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-Digit al wandler 43 in eine Digitalform überführt Die Impulswellen-Hüllkurven der Komponenten (2 und Ci werden von Hüllkurvendetektoren 38 erfaßt

Im digitalen Prozessor 44 ist die Ankunftszeit des empfangenen Signals aufgrund der Wirkung als eingebauten Zeittaktgebers bekannt, wobei die Tiefen-

si anzeipe mitteis dieser Zeit korrigiert wird und die Änderung des gesendeten Tondrucks unter Ausnutzung der gespeicherten Sendesignal-Pegelinformation kallibriert und korrigiert wird Die Signalkomponentc f\

wird im Bedarfsfall korrelativ zwischen dem gesendeten und dt-m 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

I ms) und

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

wobei aus der ersten Größe eine OrtsinformatJon und aus der letzteren Größe eine Mittelweriinformation 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 46dargestellt werden.

Diese statistischen Verarbeilungs- und Anzeigeprogramme werden als Funktion der Eigenschaften des i.u untersuchenden Bereichs und des Zwecks der Untersuchung bezeichnet und durchgeführt.

Hier/u 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Feststellung von knollenförmigen Stocken mit einer Knollengröße von 1 bis 15 cm auf dem Meeresboden, bei weichem von einem auf dem Meer navigierenden Schiff Schallwellen dreier verschiedener Frequenzen impulsweise zum Meeresboden geschickt werden und die Echos dieser Schallwellen wieder empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Frequenz (f\) im Bereich zwischen 3 kHz und 4 kHz, die zweite Frequenz (fj) im Bereich zwischen 1OkHz und 14 kHz und die dritte Frequenz (fj) im Bereich zwischen 25 kHz und 5OkHz liegt und daß zur Bildung eines Maßes für die Population an knollenförmigen Stücken, die aus den SchalldrOcken der reflektierten Schallwellen bei den drei Frequenzen ermittelten Reflexionen in der Weise einander Oberlagert werden, daß die durch Überlagerung gebildete Reflexion unabhängig von der Knollengröße im Bereich von 1 bis 15 cm ist

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß als Maß für die Knollengröße das Verhältnis der Reflexion bei der ersten Frequenz zu der durch Oberlagerung gebildeten Reflexion und/oder das Verhältnis der Reflexion bei der ersten Frequenz zur Reflexion bei der dritten Frequenz ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionen bei den drei Frequenzen derart einander Oberlagert werden, daß die Schwankung in Abhängigkeit von der Knollengröße kleiner als ± 10%. vorzugsweise kleiner ± 5% ist

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet daß die Reflexionen der drei Frequenzen einander additiv überlagert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß als durch Oberlagerung gebildete Reflexion die Quadratwurzel aus der Summe der jeweils quadrierten Reflexionen der drei Frequenzen ermittelt wird.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer an einem Schiff angebrachten Schallsende- und Empfangseinrichtung, welche Schallwellen impulsweise sendet und deren Echos empfängt dadurch gekennzeichnet daß die Schallsende- und Empfangseinrichtung Schallwellen mit drei Frequenzen sendet von denen die erste Frequenz zwischen 3 kHz und 4 kHz, die .zweite Frequenz zwischen 10 kHz und 14 kHz und die dritte Frequenz zwischen 25 kHz und 50 kHz liegt und daß eine Auswerteeinrichtung aus den Schalldrücken der von der Schallsende- und Empfangseinrichtung empfangenen Echos die Reflexionen bei den drei Frequenzen ermittelt und zur Bildung eines Maßes für die , Population der knollenförmigen Stücke einander überlagert

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung zur Bildung eines Maßes für die Knollengröße das Verhältnis der Reflexion bei der ersten Frequenz zu der durch Überlagerung gebildeten Reflexion bildet.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet daß die Auswerteeinrichtung zur Bildung eines Maßes für die Knollengröße das Verhältnis der Reflexion bei der ersten Frequenz zur

Reflexion bei der dritten Frequenz bildet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung von knollenförmigen Stucken mit einer Knollengröße von 1 bis 15 cm auf dem Meeresboden, bei welchem von einem auf dem Meer navigierenden ίο Schiff Schallwellen dreier verschiedener Frequenzen impulsweise zum Meeresboden geschickt werden und die Echos dieser Schallwellen wieder empfangen werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens mit einer an einem Schiff anzubringenden Schallsende- und Empfangseinrichtung, welche Schallwellen impulsweise sendet und die Echos empfängt

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 der japanischen Offenlegungsschrift 69074/53 beschrieben. Bei einem derartigen Verfahren wird eine von einem Schiff auf mehrere 100Am unter dem Meeresspiegel abgesenkte Meßanordnung mit einem Kabel auf einer jo festen Höhe Ober 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

JS 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 Format!^ reflektierten Schallwellen erfaßt werden. Die erhaltenen Systemdaten werden dann zur Bestimmung &r unter dem Meeresboden liegenden Formation analysiert Im Falle von körnigen knollenförmigen Stucken, welche auf dem *i 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
Aus der DE-OS 25 09 128 ist ein Verfahren und eine für die Zwecke dieses Verfahrens ausgebildete Empfangseinrichtung zur Echolotung unter Wasser mittels Ultraschall bekannt geworden. Dieses Verfahren und die daran angepaßte Empfangseinrichtung sind darauf abgestellt. Siöreffekte durch Doppelechos zu vermeiden, die sich daraus ergeben, daß von Objekten auf dem Meeresboden reflektierte Schallwellen an der Wasseroberfläche erneut zum Meeresboden rückreflektiert und von dort wiederum zum Empfänger reflektiert werden. M) Zu diesem Zweck ist vorgesehen, die Lotungen immer abwechselnd mit einer von zwei unterschiedlichen Frequenzen vorgenommen und die empfangenen Echosignale jeder der beiden Frequenzen selektiv verstärkt werden. Dadurch werden die Doppelechos der jeweils anderen Frequenz aufgrund der selektiven Verstärkung auf der Empfangsseite immer ausgeschaltet so daß gegenüber der Ausnutzung lediglich einer einzigen Frequenz zur Ausschaltung der Doppelechos