DE3516698A1

DE3516698A1 - Verfahren zur flaechenhaften vermessung von gewaesserboeden mittels echolotung

Info

Publication number: DE3516698A1
Application number: DE19853516698
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: 1985-05-09
Filing date: 1985-05-09
Publication date: 1986-11-13

Description

Dr. Siegfried R. J. Fahrentholz Anmeldernurnmer:

Grasweg 4-6 1 244 000

2300 Kiel 1

Verfahren zur flächenhaften Vermessung von
Gewässerböden mittels Echolotung

Beschreibung

Trotz des heutigen hohen Standards bei Echolotanlagen für Navigations- und Vermessungszwecke versagen diese Geräte fast vollständig, wenn es darum geht, den Meeresboden nach Hindernissen mit Schiffen abzusuchen, die nur mit einer Echolotanlage ausgerüstet sind.

Die Begründung ist darin zu suchen, daß die Echolotanlagen mit ihrem senkrecht nach unten gerichteten Schallkegel grundsätzlich keine Hindernisse selbständig finden können, sondern daß sie der Beobachtungs- und Bedienungsmannschaft der Echolotanlage lediglich anzeigen bzw. auf Registrierpapier, Kathodenstrahlröhren etc. darstellen, ob das Meßschiff gerade über ein Hindernis fährt oder gefahren ist.

Eine bewährte Methode zur Erhöhung der Erfassungswahrscheinlichkeit ist die Ausrüstung solcher Vermessungsschiffe mit mehreren gleichzeitig arbeitenden Echolotanlagen, deren Schwinger unterm Schiff und an Auslegern längs einer Linie quer zur Fahrtrichtung senkrecht nach unten gerichtet angebaut sind.

Hierbei haben sich Meßstellenabstände von 0,5 bis 1 m und Meßbreiten bis zu 70 m bei entsprechender Anzahl gleichzeitig arbeitender Echoloteinrichtungen hervorragend bewährt.

Schiffe, die in Küstengewässern und auf See operieren, sind zeitweise sehr starkem Seegang ausgesetzt. Hierdurch ist eine evtl. vorhandene Auslegerkonstruktion teilweise sehr starken Beanspruchungen ausgesetzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren zu entwickeln, mit dem flächenhafte Hindernissuche und Vermessungen am Gewässerboden durchgeführt werden können, ohne daß Ausleger vorhanden sein müssen.

Abbildung 1 zeigt die prinzipielle Darstellung eines Schiffes, ausgerüstet mit der Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung. Das Schiff 1 fährt auf der Wasseroberfläche 2 und hat im Schiffsboden oder in einem getrennten stromlinienförmigen Körper unter dem Schiff eine Ultraschall-Sende-Empfangsschwinger-Anordnung 3 eingebaut, die einen Fächer 4 von scharf gebündelten Schallkegeln quer zur Fahrtrichtung zum Boden 5 gerichtet erzeugt.

Abhängig von Forderungen nach Reichweite, Ultraschallfrequenz, Schwingergröße, Schiffsgröße etc., wird der Schallkegelfächer von
einem oder mehreren, parallelen oder gekreuzten ebenen Schwingeranordnungen mit Phasenkompensationen oder separaten Einzel-

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schwingern erzeugt, die direkt in den gewählten Winkeln am Schiff bzw. Schwingerträger angebaut sind.

In der Praxis hat sich eine Anordnung von 19 Einzelschwingern, eingebaut im Winkelbereich von -45 ° bis +45 ° zur Mittelsenkrechten des Schiffes sehr gut bewährt, wodurch die Meßanlage einen Streifen des Meeresbodens erfaßt, dessen Breite doppelt so groß wie die Wassertiefe ist.

Ferner sind Geräte mit anderen Anordnungen denkbar:

z. Bsp. 25 Einzelschwinger im Bereich von -60 ° bis +60 °.

Alle Meßstellen arbeiten gleichzeitig. Die geloteten Entfernungen in den entsprechenden Richtungen werden digitalisiert und direkt einem LED-Tableau zugeführt, auf dem die Meßwerte auf einzelnen LED-Reihen dargestellt werden, die in den gleichen Winkeln angeordnet sind, wie die Schallkegel der Schwingeranordnung. Ferner können die Meßwerte durch einen Computer umgerechnet und auf einem Bildschirm oder auf einem Registriergerät rnaßstabsgetreu dargestellt werden.

Abbildung 2 zeigt das Blockschaltbild der Meßanlage nach der Erfindung, hier mit 19 Schallkegeln im Winkelbereich -45 ° bis +45"

Die vom Schiff getragene Schwingeranordnung 3 lotet im Schallkegelfächer 4 zum Gewässerboden 5. Die Ultraschallimpulse werden von einer Steuerelektronik über den 19-fach - Impulsgenerator 7 erzeugt und zum Meeresboden 5 ausgesandt. Dort reflektiert, gelangen sie als Echos zurück und werden der 19-fach~Verstärkeranordnung 8 zugeführt, die diese über den 19-fach-Digitalisator 9 dem LED-Tableau 10 zur Anzeige zuführt.

Das LED-Tableau enthält 19 LED-Zeilen, die in den gleichen Winkeln

wie die Schallkegel unter dem Schiff angeordnet sind. Dadurch erscheint dem Betrachter eine LED-Reihe 11, die maßstabsgetreu das Abbild des von der Meßanlage erfaßten Bodenprofils darstellt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Realisierung einer übersichtlichen Registrierung, die alle Informationen über Wassertiefe, Meßstreifenbreite, Ortskoordinaten, Zeit, etc. enthält.

Die Registrierung erfolgt auf einem speziellen Registriergerät 12, einer Kombination aus Plotter, Drucker und Echograph.

Im Registriergerät 12 ist die mittlere Zone freigehalten. In dieser wird das Echogramm 14 des unter null Grad senkrecht zum Boden gerichteten Schwingers registriert. Dieses ist daher das Echogramm des vom Schiff überfahrenen Gewässerbodens. Diese Echoregistrierung erfolgt direkt durch den Empfangsverstärker 8.

Die anderen Registrierungen erfolgen nach Umrechnung der Digitalwerte aus 9 durch den Computer 15. Dieser errechnet ohne Verzögerung aus jedem unter dem Winkel «=»ώ gemessenen Entfernungswert R den Bodenpunkt B, an dem seitlich von der Schiffsachse der Schal]kegel den Boden trifft.
Berechnung: b - r · sin w .

Ferner errechnet der Computer 15 aus dem Entfernungswert R die Wassertiefe T über dem Bodenpunkt B.
Berechnung: t = r * cos °c .

Der Computer 15 berechnet also ohne Verzögerung aus jedem Entfernungswert R unter dem Winkel oc den Bodenpunkt B und die Wassertiefe T.

Diese Zahlenpaare B und T werden an die Schreibeinrichtung lü weitergeleitet und auf dem Registriergerät wie folgt dargestellt:

Die Meßwerte 17 von Bb = negative Winkel οέ werden oberhalb und die Meßwerte 18 von Stb = positive Winkel o£ werden unterhalb der Mittelregistrierung 13 dargestellt.

Die Zahlenwerte +-B werden analog, maßstabsgetreu in der Registrierung 19, 20 dargestellt. Dadurch ergibt sich eine Art Aufsicht auf die Lotungsreihen am Gewässerboden. Bei veränderlichen Wassertiefen ändert sich die Breite der Registrierung im gleichen Maßstab wie die Breite des erfaßten Streifens auf dem Gewässerboden.
Die T-Zahlenwerte 22 werden automatisch längs einer durchgehenden Markierungslinie 21 an genau die Stellen der B-Linien-Registrierung
19, 20 gesetzt, zu denen sie aufgrund der BT-Wertepaar-Berechnung des Computers 15 gehören.

Hierdurch ergibt sich eine maßstabsgetreue Darstellung der Tiefenwerte der überfahrenen Fläche.

Im Bereich des mittleren Echogramms 13 werden Uhrzeit und Ortskoordinaten registriert. Ferner kann der Papiertransport 25 maßstabsgetreu mit der Schiffsbewegung gekoppelt werden, falls geeignete Positionierungssysteme an Bord sind.

Die Meßanlage wird mit dem Schiff starr verbunden und nicht stabilisiert. Die Schiffsbewegungen werden durch einen Rollsensor 23 und einen Heavesensor 24 erfaßt und an den Computer 15 gegeben.

Vor jeder Berechnungsserie werden die aktuellen Werte von Roll und
Heave vom Computer abgefragt und zur Korrekl.nr dor fest installierten Schwingerwinkel herangezogen·.

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Dadurch entsteht eine Registrierung, die unabhängig von den Schiffsbewegungen ist, wobei die Rollbewegung zu einer Verbreiterung des erfaßten Meßstreifens führt.

Die digitale Beschriftung wird fortlaufend automatisch wiederholt, sobald die vorangehende Zahlenreihe vollständig registriert worden ist.

Ferner hat der Computer 15 einen Datenausgang 26, mit dem alle Meßwerte an externe Datenspeicher oder Rechnersysteme zur weiteren Verarbeitung übergeben werden können.

In einer anderen Ausführung der Erfindung enthält der Computer 15 auch ein Tiefenlinien- Auswertungsprogramm.

Hiermit können die vorher beschriebenen Darstellungen direkt in Tiefenlinien 29 umgerechnet und registriert werden.

Abbildung 3 zeigt das Blockschaltbild, bei dem die Registrierung wie auf Abbildung 2 beschrieben entsteht und gleichzeitig über einen zweiten Zweig 27 des Computers 15 und die Schreibelektronik 28 der Tiefenlinienplan 29 zusammen mit dem vorher beschriebenen digital-analogen Flächenpeilplan zugeordnet auf dem gleichen (breiten) Registrierpapier dargestellt wird.

In einer andern Ausführung der Erfindung werden der Flächenpeilplan nach der Erfindung und der Tiefenlinienplan auf getrennten Registrierstreifen dargestellt, wobei die Zuordnung beider Registrierrungen durch gemeinsame automatische Beschriftung mit Uhrzeit, Ortungsangaben etc. erfolgt.

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In einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung werden die Echolotmessungen unter den verschiedenen Winkeln Qd- nicht gleichzeitig sondern nacheinander ausgeführt, an den Computer 15 weiter geleitet und dann als Flächenplan nach der Erfindung bzw. als Tiefenlinienplan dargestellt.

In einer anderen Ausführung nach der Erfindung werden ein oder zwei bzw. wenige Echolotschwinger bzw. geformte Echolotschallkegel von einer Seite zur anderen geschwenkt, wobei die Echolotergebnisse zusammen mit den entsprechenden Richtungen an den Computer 15 weiter geleitet und als Flächenpeilplan nach der Erfindung bzw. als Tiefenlinienplan dargestellt werden.

In einer andern Ausführung nach der Erfindung werden die Markierungslinien im Tiefenlinienplan an den Schnittpunkten mit den Tiefenlinien mit den Tiefenwerten beschriftet, die die Tief enlinien darstellen.

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Claims

6.5.1985

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Dr. Siegfried R. J. Fahrentholz Anmeldernutnmer:

Grasweg 4-6 1 244 OOÜ

Kiel 1

Verfahren zur flächenhaften Vermessung von Gewässerböden mittels Echolotung

Patentansprüche

1) Verfahren zur flächenhaften Vermessung von Gewässerböden

mittels Echolotung unter Anwendung einer Schwingeranordnung, die quer zur Fahrtrichtung eines Schiffes unter Wasser fächerförmig mehrere Schallkegel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßergebnisse der einzelnen natürlichen oder geformten Echolotrichtungen gleichzeitig oder nacheinander digitalisiert und einem Computer zugeführt werden, der daraus mit den entsprechenden Schallkegelwinkeln o< die Zielpunkte B der Schallkegel am Gewässerboden und die dazugehörige Wassertiefe T berechnet, und diese an eine Schreibeinrichtung weiter leitet, die die Messungen und Wertepaare in der Weise auf einem Registrierstreifen darstellt, daß im Mittelfeld die Wassertiefen unter dem Mittelschwinger bzw. Mittelschallkegel dargestellt und

-oberhalb die B-Werte nach Bb in zusammenhängenden Kurven je Schallkegelwinkel und

-unterhalb die B-Werte nach Stb in zusammenhängenden Kurven je Schallkegelwinkel dargestellt werden,

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und daß automatisch zeitabhängig, ortsabhängig oder wahlweise bei Bedarf manuell oder extern getriggert Markierungslinien geschrieben werden, die an den Schnittpunkten mit den B-Werte-Kurven mit den zu den Schnittpunkten gehörenden Tiefen T digital beschriftet werden, so daß ein Flächenpeilplan mit einem digitalen Tiefenpunktsystem entsteht.

2) Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungslinien im Mittelfeld, beim Echogramm der Mittelmeßstelle, mit Uhrzeit, Ortskoordinaten u.a. Angaben beschriftet werden.

3) Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Echogramrn der Mittelmeßstelle nicht in der Mitte des Flächenpeilplanes, sondern seitlich oben oder unten dargestellt wird.

4) Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Teil die Stb-Ergebnisse und im unteren Teil der Registrierung die Bb-Ergebnisse dargestellt werden.

5) Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Schallkegelwinkel starr auf die Mittelsenkrechte des Schiffes bezogen werden.

6) Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß bei Bedarf ein Roll- und ein Heavesensor vorhanden sind, deren Messungen vom Computer vor jeder Berechnung abgefragt und zur Korrektur herangezogen werden, so daß die Ergebnisse B, T für den Gewässerboden unabhängig von den Schiffsbewegungen gültig sind.

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7) Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Computer ein zusätzliches Rechenprogramm für Tiefenlinien beinhaltet, bzw. daß ein zweiter Computer mit einem Rechenprogramm für Tiefenlinien vorhanden ist, der den Tiefenlinienverlauf berechnet und über eine Schreibeinrichtung den Tiefenlinienplan registriert, der durch Uhrzeitregistrierung oder Ortsangaben dem Tiefenpeilplan der Erfindung zugeordnet ist.

8) Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Registrierung des Tiefenlinienplanes nach Anspruch 7 zusammen mit dem Flächenpeilplan der Erfindung auf dem gleichen Registrierpapier erfolgt.

9) Einrichtung nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Daten über eine Schnittstelle an andere Computersysteme oder Auswertungseinrichtungen zur Verarbeitung weitergeleitet werden.

10) Einrichtung nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Meßergebnisse bzw. Punktepaare auf einer oder mehreren LED- oder LCD-Anordnungen dargestellt werden.

11) Einrichtung nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Meßergebnisse bzw. Punktepaare auf einem oder mehreren ein- oder mehrfarbigen Bildschirmen dargestellt werden.

12) Einrichtung nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Registrierung des Flächenpeilplanes nach der Erfindung ohne das Echogramrn unter dem Mittelschwinger erfolgt.

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13) Einrichtung nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Registrierung des Flächenpeilplanes nach der Erfindung auf einem ein- oder mehrfarbigen Plotter ausreichender Größe erfolgt.

14) Einrichtung nach Anspruch 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß die vorhandenen Echolotschwinger bzw. geformten Schallkegel in den verschiedenen Richtungen einzeln oder in Gruppen nacheinander abgetastet werden.

15) Einrichtung nach Anspruch 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß ein oder zwei oder wenige Echolotschwinger bzw. geformte Schallkegel seitlich in die entsprechenden Richtungen geschwenkt werden.

16) Einrichtung nach Anspruch 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, daß in der Tiefenlinienplanregistrierung die Markierungslinien an ihren Schnittpunkten mit den Tiefenlinien mit den Tiefenangaben beschriftet werden, die zu den dargestellten Tiefenlinien gehören.