DE3020508A1

DE3020508A1 - Echolot-verfahren und echolot-einrichtung zur fortlaufenden messung der schallstrahlkruemmung

Info

Publication number: DE3020508A1
Application number: DE19803020508
Authority: DE
Inventors: Siegfried R.J. Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. 2300 Kiel Fahrentholz
Original assignee: Fahrentholz siegfried Rj dipl-Physdrrernat
Current assignee: Fahrentholz siegfried Rj dipl-Physdrrernat
Priority date: 1980-05-30
Filing date: 1980-05-30
Publication date: 1982-01-07

Description

Beschreibung
Seit Anwendung der akustischen Echolotung in der Ozeanographie und Meeresforschung ist bekannt, daß sich die Schallgeschwindigkeit im Wasser durch Temperatur und Salzgehalt ändert. Da meistens die Wassertemperatur mit der Wassertiefe abnimmt, wird die Schallgeschwindigkeit mit wachsender Tiefe kleiner. Diese Verhältnisse gelten etwa im Bereich des Festlandsockels. In der. Tiefsee, wo bei großem Wasserdruck die Schallgeschwindigkeit wieder ansteigt und wegen mangelnder Durchmischung abgegrenzte Wasserkörper unterschiedlichen Salzgehaltes und Temperatur möglich sind, entstehen bekanntlich Schallführungsbereiche und schalltote Zonen. Für vertikal arbeitende Echolotanlagen ist die Schallgeschwindigkeitsabhängigkeit nur von geringer Bedeutung, da alle Wasserschichten von den Schallimpulsen senkrecht durchlaufen werden und die Schallgeschwindigkeitsvariationen nur in der Größenordnung von einigen Prozent liegen und damit als Fehler in den Meßergebnissen kaum ins Gewicht fallen.
Ganz andere Verhältnisse liegen bei der horizontalen Sonar - Ortung vor, die zum Aufspüren von Fischschwärmen, zur Wracksuche oder von der Marine zur Ortung von Objekten angewendet wird. Hier bewirkt die Abnahme der Schallgeschwindigkeit zur Tiefe eine Krümmung des georteten Schallstrahlds nach unten. Die Krümmung des Schallweges hängt von den Schichtungen des Meerwassers ab und kann sich laufend verändern. Zur Berechnung der Schallstrahlen xlit Computern muß die Schallge schwindigkeitsverteilung zwischen Wasseroberfläche und Meer es -boden bekannt sein. Diese wird bei sehr langsam fahrendertbzw. bei gestopptem Schiff durch Herablassen von Sonden ermittelt. Solche Messungen bedeuten immer einen Aufenthalt für das Schiff und sind nicht bei allen Wetterlagen möglich. Auch kann die Schallgeschwindigkeitsverteilung nur stichprobenartig ermittelt und nicht dauernd überwacht werden.
Daher wird ein Meßverfahren gefordert, das es erlaubt, die Schallgeschw indigkeitsverteilung zwischen Wasseroberfläche und Meeres -boden und damit die Schallstrahlkrümmung zu bestimmen, ohne daß das Schiff eine Sonde herunterlassen oder die Fahrt verringern muß.
Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erlindung "Echolot-Verfahren und Echolot-Einrichtung zur fortlaufenden Messung der Schallstrahlkrümmung gelöst, die im Folgenden erläutert wird: Abb. 1 zeigt schematisch die Verhältnisse einer Sonar - Ortung mit Schallstrahlkrümmung. Ein Schiff 1 lotet unter dem Winkel oG den Meeresboden 2 an und erhält wegen des gekrümmten Schallweges 3 ein Echo des Meeresbodens unter dem Winlrelov aus der Entf ernung E4.
Hierdurch erscheint das Echo des Punktes P fälschlich an der Position P 8 .
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, daß man den gekrümmten Schallstrahl 3 aus der Fehlposition Plvon der wirklichen Position P bestimmen kann, wenn man die genaue Position P kennt.
Dieses ist der Fall, wenn man die Ortung nach hinten ausführt und gleichzeitig oder kurz nacheinander die Wassertiefe vertikal unter dem Schiff bestimmt und speichert, da hierbei das Schiff zuerst den Testpunkt P überfährt, bevor dieser durch den Ortungs-Schallstrahl erreicht wird.
Abb. 2 zeigt schematisch das Meßverfahren nach der Erfindung. Ein Schiff 1 lotet den Meeresboden 2 gleichzeitig oder kurz nacheinander vertikal und unter dem Winkel ß nach hinten an. Die überfahrenen Wassertiefen T werden fortlaufend gemessen und gespeichert. Dadurch ist auch die Tiefe T5 am Punkt r5 bekannt. Die Echolot-Ortungs -Anlage zeigt zum Zielpunkt P5 die Entfernung E5 in Richtung o an, wobei die Länge des gekrümmten Schallweges in der Praxis gleich der Entfernung E5 gesetzt werden kann.
Der tatsächliche Ortungswinkel r ergibt sich dann aus der Gleichung: Die durch die Schallstrahlkrümmung bedingte effektive Abweichung des ortungswinkels beträgt daher: Zu jeder Messung muß das Schiff die

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zurücklegen, für die es die Zeit t5 = S5 (v = Geschwindigkeit über Grund) v benötigt. In der Praxis verstreicht diese Zeit nur einmal am Anfang bis zur ersten Messung. Für alle folgenden Messungen können die entsprechenden Tiefenwerte fortlaufend aus der Speichereinrichtung abgerufen werden, so daß dadurch kontinuierliche Messungen der Schallstrahlabweichung <p möglich sind.
Das nach Abb. 2 beschriebene Meßverfahren kann mit mehreren Ortungsrichtungen h gleichzeitig oder kurz nacheinander ausgeführt werden.
Ersetzt man die Funktion für die Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Wassertiefe c = f (T) (c = Schallgeschwindigkeit, T = Wassertiefe) durch ein Polynom n-ten Grades, so benötigt man n Ortungsrichtungen gleichzeitig, um das Polynom zu berechnen.
Abb. 3 zeigt die schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird hier das Meßverfahren mit nur einer Ortungsrichtung /5 dargestellt.
In den Schiffsboden sind die Echolotschwinger 7 und 8 für die Ortungswinkel O° und ß° gegen die Vertikale eingebaut. Der Echolotschwinger 7 0 ist an die o - Lotelektronik 9 angeschlossen. Seine Meßergebnisse werden auf einem Echo graphen 10 registriert, dessen Registrierpapier in einem festen Maßstab zur Schiffsgeschwindigkeit über Grund durch die Elektronik 11 bewegt wird. Hierzu können elektromagnetische Ortungsverfahren, akustische Geschw indgkeitsmessungen mit Doppler -Effekt, Satellitennavigation, Zeitsteuerung etc. herangezogen werden.
Der Echolotschwinger 8 ist an die - Lotelektronik 12 angeschlossen, deren Ergebnisse auf dem Echographen 13 dargestellt werden. Anstelle des Echographen 13 können auch optische Anzeigesysteme, wie z. B.
Bildschirmgeräte, rotierende Rotlichtanzeige, LED - bzw. LCD -Zeilen etc. zur Anwendung gelangen.
Auf dem Echographen 10 ist am Anfang des Echogramms eine drehbare durchsichtige Skala 14 angebracht, deren Skalennull sich im Drehpunkt über der Nullinie befindet. Zur Bestimmung des effektiven Ortungswinkels wird der Entfernungswert 15 des Anzeigegerätes 13 abgelesen, auf Skala 14 übertragen und durch Drehung der Skala 14 mit der Registrierung 16 in Deckung gebracht. Die sich dabei ergebende Winkelstellung 17 ist der effektive Ortungswinkel r zum Meeresboden, der evtl. noch wegen der Registriermaßstäbe des Echographen 10 umgerechnet werden muß.
In einer weiteren Ausführung kann die Skala 14 mit elektro-optischen Elementen versehen werden, wie z. B. LED's, LCD's etc., die über eine Elektronik 10 angesteuert werden, wodurch das Meßergebnis 15 von 13 direkt auf der Skala 14 erscheint und dadurch nicht übertragen zu werden braucht.
In einer weiteren Ausführung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeitsverteilung ist es zweckmäßig Schwinger 8, Lotelektronik 12, Registriergerät 13 für mehrere Ortungsrichtungen/ gleichzeitig auszurüsten, um bei einer Messung mehrere Ortungswinkelf und damit mehrere Schallkrümmungswinkel {gleichzeitig oder kurz nacheinander zu erhalten.
In einer weiteren Ausführung werden die Registrier- und Anzeigegeräte mit manueller Auswertung durch einen Rechner ersetzt, der dann in jedem Moment die Schallgeschwindigkeitskurve in Abhängigkeit von der Wassertiefe auf einem Plotter darstellen kann.
In einer weiteren Ausführung wird für die verschiedenen Ortungsrichtungen eine bewegliche Schw ingerano rdnung verwendet, die kontinuierlich von o vertikal bis 900 horizontal geschwenkt werden kann.
Hierdurch läßt sich direkt der Verlauf der Schallstrahlabweichung J und damit die Schallgeschwindigkeitsverteilung ermitteln.
In einer weiteren Ausführung wird die Meßanlage nach der Erfindung an einem festen Bauwerk, Plattform, Bohrinsel, verankertes Schiff etc. zur Überwachung der Schallgeschwindigkeitsverteilung installiert.
Hierbei vereinfacht sich die Anlage dadurch, daß das Bodenprofil im Meßgebiet konstant ist. Es genügt deshalb, einmalig das Bodenprofil maßstabgerecht aufzunehmen und an die Stelle des Echogramms 16 des Echographen 10 zu bringen, um damit die Messung der Schallstrahlkrümmung durchzuführen.
Sollten Bodenverhältnisse und Wassertiefe Messungen nach der Erfindung nicht gestatten, so kann man am Bug des Schiffes oder durch einen Vorherfahrer einen Testkörper, der evtl. mit zusätzlichem akustischem Antwortgeber ausgerüstet ist, herablassen, und durch geeignete Maßnahmen auf der Höhe einer bestimmten Wassertiefe halten. Dieser Testkörper wird dann beim Überlauf zunächst vertikal eingemessen und später durch den Schallstrahl unter dem Winkel erfaßt. Hieraus läßt sich dann gemäß der Erfindung die Schallstrahlkrümmung ermitteln.
In einer anderen Ausführung der Erfindung wird die Meßanordnung mit verschiedenen Ultraschallfrequenzen gleichzeitig ausgerüstet. Nach Anwendung des Meßverfahrens nach der Erfindung ergibt sich dadurch, ob die Schallstrahlkrümmung für alle Schallfrequenzen gleich ist, oder ob Unterschiede ähnlich der Dispersion des Lichtes in der Optik auftreten.
In einer anderen Ausführung werden die Ortungs - Schallstrahlen / nach vorne gerichtet und gleichzeitig oder kurz nacheinander die Wassertiefe vertikal gemessen. Das Meßverfahren nach der Erfindung muß dadurch sinngemäß etwas geändert werden, da der Meeresboden bzw. der Testpunkt P nun zuerst von dem Ortungs - Schallstrahl erfaßt und danach vom Schiff bzw. Träger überlaufen und vertikal eingemessen wird.
Die Meßwerte aus den Ortungsrichtungen (? müssen deshalb zunächst gespeichert werden und können zu gegebener Zeit mit der Vertikalmessung für den Testpunkt P verglichen werden, woraus sich ebenfalls die Schallstrahlkrümmung f ergibt.
Leerseite

Claims

Echolot-Verfahren und Echolot-Einrichtung zur fortlaufenden Messung der Schallstrahlkrümmung Patentansprüche: \Ü)cho lot-Verfahren und Echolot-Einrichtung zur fortlaufenden Messung der Schallstrahlkrümmung dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig oder kurz nacheinander die Wassertiefe vertikal gelotet und gespeichert und in mindestens einem oder mehreren Richtungen geneigt zur Vertikalen gemessen wird, und daß entsprechend der Bewegung des Schiffes oder Trägers das Ergebnis der Vertikallotung mit der Lotung in der Richtung /3 in dem Moment verglichen wird, wenn der Schallstrahl des Ortungswinkelse den Meeresboden trifft, und daß daraus der effektive geometrische Ortungswinkel ? , bzw. die Schallstrahlabweichung gültig für die Richtung A ermittelt wird.
2) Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherung der Meßwerte der Vertikallotung auf einem Echographen oder Analogschreiber mit entsprechendem Registriermaßstab erfolgt, dessen Registrierpapier durch geeignete Elektroniken maßstabsgerecht zur Schiffs- oder Trägergeschwindigkeit über Grund gesteuert wird.
3) Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherung der Meßwerte der Vertikallotung auf einem oder mehreren Bildschirmen, auf Anordnungen aus LED ' s, LCD 5 s o. ä, als Digitalwerte, auf einer oder mehreren Kathodenstrahlröhren etc. erfolgt, wobei die Aufzeichnung der Meßwerte maßstabsgerecht durch die Bewegungsdaten des Trägers über Grund gesteuert wird.
4) Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Lotergebnisse in den Richtungen/g auf einem oder mehreren Echographen, Analogschreibern, rotierenden Rotlichtanzeigen, Bildschirmen, Speicherröhren, Anordnungen aus LED ' s, LCD's o. ä. als Digitalwerte o. ä. erfolgen.
5) Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß auf der Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3 am Beginn der Registrierung bzw.
Meßwertdarstellung eine drehbare Skala mit geeignetem Maßstab angeordnet ist, so daß das Meßergebnis der Einrichtung nach Anspruch 4 auf der Skala mit den Meßwerten auf der Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3 in Deckung gebracht werden kann. Die sich dann ergebende Winkelstellung zur Senkrechten zeigt nach Berücksichtigung von Maßstabsfaktoren den effektiven Ortungswinkel av an, der bei der Echolotung in Richtung gilt. Hieraus folgt die Schallstrahlkrümmung 6) Einrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Skala zusätzlich mit Elektro -optischen-Elementen, wie z. B. LED's oder LCD's o.ä.versehen ist, die über eine Elektronik das Ergebnis der Einrichtungen nach Anspruch 4 direkt auf der Skala darstellen, wodurch die manuelle Übertragung entfällt.
7) Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Vertikallotung und ein oder mehrere Richtungen n durch eine Schwingeranordnung realisiert werden, die zwischen 0° und 90 in mehrere Winkelstellungen geschwenkt werden kann.
8) Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Richtungen /3 durch eine Schwingeranordnung realisiert werden, die in eine oder mehrere Winkelstellungen geschwenkt werden kann.
9) Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei ungünstigen Bodenverhältnissen vom Bug des Meßschiffes oder eines Vorherfahrers Testkörper, die gegebenenfalls mit akustischen Antwortgebern ausgerüstet sind, herabgeworfen und in einer bestimmten Höhe durch geeignete Maßnahmen gehalten werden, mit denen dann bei Überfahrt das Meßverfahren nach den Ansprüchen 1 - 12 zur Schallstrahlkrümmung durchgeführt wird.
10) Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Schallfrequenzen gleichzeitig oder kurz nacheinander angewendet werden, um die Schallstrahlkrümmung bei verschiedenen Lotfrequenzen zu ermitteln.
11) Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß sie an ortsfesten Bauwerken, Hubinseln, Plattformen, Halbtauchern, verankerten Schiffen etc. installiert ist, wobei sich das Meßverfahren dadurch entsprechend vereinfacht, daß das Bodenprofil in der Meßstrecke konstant bleibt.
12) Einrichtung nach Anspruch 1 - 11 dadurch gekennzeichnet, daß alle Meßergebnisse und Bewegungsdaten des Meßgeräteträgers in eine geeignete Rechenanlage gegeben werden, die die Schallgeschwindigkeitsverteilung in Abhängigkeit von der Wassertiefe automatisch berechnet und auf einem Plotter darstellt oder an andere Rechner weiterleitet.
13) Einrichtung nach Anspruch 1 - 12 dadurch gekennzeichnet, daß die Ortungswinkel P nach vorne gerichtet sind, wobei sich die Durchführung des Meßverfahrens nach Anspruch 1 - 12 der Erfindung dadurch sinngemäß ändert, daß der Testpunkt P auf dem Meeresboden zuerst von dem Ortungs - Schallstrahl/; 5 erfaßt wird, weshalb diese Messungen gespeichert werden müssen, und daß der Meßpunkt P erst danach vom Schiff bzw. Träger überlaufen und vertikal eingemessen wird, woraus sich dann zu gegebener Zeit die Schallstrahlkrümmung 6 ergibt.