DE3532372A1 - Echolot, insbesondere sedimentlot - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Echolot, insbesondere ein Sedimentlot, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Bei einem bekannten Sedimentlot dieser Art (DE-OS 29 20 330, DE-OS 32 34 283) werden zur Bestimmung der Lage und der Dichte eines den Gewässerboden bedeckenden Sediments, insbesondere einer Schlickschicht, Schallimpulse mit zwei unterschiedlichen Frequenzen ausgesandt. Infolge der bekannten nichtlinearen Übertragungseigenschaften des Wassers bilden sich Schallimpulse mit Differenzfrequenz, auch parametrische Frequenz genannt, aus, die wegen ihrer tiefen Frequenz sehr gut in das Sediment einzudringen vermögen. Über den Empfangswandler werden Echos mit wenigstens einer der ausgesendeten Primärfrequenzen, sog. primäre Echos, die an der Grenzschicht zwischen Wasser und Sediment zurückgestreut werden, und Echos mit der parametrischen Frequenz, sog. parametrische Echos, die an der Grenzschicht zwischen Sediment und dem eine höhere Dichte aufweisenden Gewässergrund nach Durchdringung des Sediments zurückgestreut werden, empfangen. Die Echolaufzeiten der verschiedenen Echos sind ein Maß für die Entfernung der Grenzschichten von dem Empfangswandler, und die Differenz von Sendeimpuls- und Echopegel ist ein Maß für die Übertragungsverluste im Lot- oder Meßbereich.

Diese Übertragungsverluste hängen von den Dämpfungskoeffizienten des Wassers, der Meßtiefe und von den Reflexions- und Absorptionseigenschaften an den jeweiligen Grenzschichten ab. Aus der Differenz zwischen dem Sendepegel und den Pegeln der parametrischen Echos kann auf die Dichte des Sediments geschlossen bzw. diese - wie in der DE-OS 32 34 283 beschrieben - auch berechnet werden.

Zur Bestimmung der Dichte und der Art des Sediments wird üblicherweise der Sendepegel oder die Amplitude des Sendeimpulses von dem den elektroakustischen Sendewandler zugeführten elektrischen Sendesignal abgenommen. Messungen haben jedoch gezeigt, daß zwischen dem elektrischen Sendeimpuls und dem tatsächlich ins Wasser abgestrahlten Schallimpuls Pegelschwankungen bis zu 6 dB auftreten können. Da die durch die Übertragungsverluste im Lot- oder Meßbereich auftretenden Echopegelreduzierungen nur selbst etwa 1 bis 15 dB betragen, ist der verfälschende Einfluß dieser Sendepegelschwankungen auf die aus den Echopegeln gewonnenen Informationen über die Reflexions- und Absorptionseigenschaften des Sedimentes und des Gewässergrundes beträchtlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Echolot der eingangs genannten Art die Genauigkeit der Informationsgenerierung aus den Echoamplituden oder -pegeln zu verbessern.

Die Aufgabe ist bei einem Echolot der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen kann über den Empfangswandler die tatsächliche Amplitude bzw. der tatsächliche Pegel des jeweils abgestrahlten Schallimpulses gemessen werden. Von jedem einzelnen Schallimpuls ist damit der exakte Sendepegel bekannt, so daß durch Vergleich des Sendepegels und des Echopegels die Größe der Übertragungsverluste im Lot- oder Meßbereich zwischen Empfangswandler und Gewässergrund und daraus die Reflexions- und Absorptionseigenschaften des Gewässergrunds sehr genau bestimmt werden können.

Bei der Ausbildung des erfindungsgemäßen Echolots als parametrisches Lot gemäß der Ausführungsform der Erfindung in Anspruch 3, kann auch der tatsächliche Pegel des sich ausbildenden Schallimpulses mit parametrischer Frequenz vor Eindringen in den Lot- oder Meßbereich erfaßt werden. Durch Vergleich der Pegel des parametrischen Sendeimpulses und des parametrischen Echos lassen sich sehr genau die Absorptions- und Reflexionskoeffizienten des Sediments bzw. der Grenzschichten des Gewässergrundes bestimmen.

Bei einer Anordnung von Sendewandler und Reflektor gemäß dem Ausführungsbeispiel in Anspruch 4 eignet sich das parametrische Echolot auch für die Sedimentvermessung bei nur geringer Wassertiefe. Durch die erfindungsgemäße Anordnung von Sendewandler und Reflektor kann der Abstand zwischen Sendewandler und Reflektor unabhängig von der Wassertiefe bemessen und so groß gewählt werden, daß die zwischen Sendewandler und Reflektor liegende Wassersäule ausreichend ist, daß sich der parametrische Effekt der Erzeugung einer Differenzfrequenz aus zwei Primärfrequenzen ausbilden kann. Die tiefe parametrische Frequenz ist dann bereits schon am Anfang des Lotbereiches vorhanden und dieser nicht mehr für die Gewinnung der parametrischen Frequenz erforderlich.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Sedimentlots,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Sende- und Empfangsvorrichtung des Sedimentlots in Fig. 1.

Das in Fig. 1 als Beispiel eines Echolots schematisch dargestellte Sedimentlot weist eine Sende- und Empfangsvorrichtung 10 auf, an welcher einerseits ein elektroakustischer Sendewandler 11 und andererseits ein elektroakustischer Empfangswandler 12 angeschlossen sind. Die Sende- und Empfangsvorrichtung 10 ist ihrerseits mit einem Anzeigegerät 13 verbunden. Sende- und Empfangsvorrichtung 10, Anzeigegerät 13 und Sende- und Empfangswandler 11, 12 sind an einem meeresbodenfernen Meßort angeordnet, z. B. auf einem Schiff oder schwimmenden Arbeitsgerät, wie z. B. einem Saugbagger, wobei der Sende- und der Empfangswandler 11, 12 unterhalb der Wasseroberfläche 33 liegen. Der elektroakustische Sendewanlder 11 wird üblicherweise von einer sog. Basis mit einer Vielzahl von Einzelwandlern gebildet, die eine Richtcharakteristik mit relativ schmaler Hauptkeule aufweist.

Wie aus dem Blockschaltbild der Sende- und Empfangsvorrichtung 10 in Fig. 2 hervorgeht, sind zwei Sendegeneratoren 14, 15 vorgesehen, die Sendeimpulse mit zwei unterschiedlich hohen Frequenzen f ₁, f ₂, sog. Primärfrequenzen, erzeugen. In dem Ausführungsbeispiel beträgt die eine Primärfrequenz f ₁ dabei konstant 80 kHz, während die andere Primärfrequenz f ₂ einstellbar ist und in einem Frequenzbereich zwischen 68 und 77 kHz verändert werden kann. Jeder Sendegenerator 14, 15 weist hierzu einen Oszillator 16 bzw. 17 und einen dem Oszillator nachgeschalteten Sendeimpulsgeber 18, 19 auf. Die Ausgänge der beiden Sendeimpulsgeber 18, 19 sind über einen Summierverstärker 20 mit dem Sendewandler 11 verbunden, so daß die Schallimpulse mit den beiden Primärfrequenzen f ₁, f ₂ gleichzeitig von dem Sendewandler 11 in das Wasser abgestrahlt werden.

In Abstrahlrichtung des Sendewandlers 11 ist in Abstand von diesem ein Reflektor 21 so angeordnet, daß die vom Sendewandler 11 kommenden Schallimpulse am Reflektor 21 zu dem Gewässergrund 22 hin umgelenkt werden. Der Reflektor 21 hat eine zentrale Durchgangsöffnungs 23. Auf der Rückseite des Reflektors 21 ist der Empfangswandler 12 so angeordnet, daß sein akustisch sensitiver Teil die Durchgangsöffnung 23 abdeckt.

Der Abstand des Reflektors 21 von dem Sendewandler 11 ist so groß gewählt, daß die zwischen beiden befindliche Wassersäule ausreichend groß ist, daß in diesem Bereich sich Schallimpulse mit der Differenzfrequenz f ₁-f ₂ aufgrund der nichtlinearen Übertragungseigenschaften des Wassers ausbilden können. Dieser sog. parametrische Effekt ist bekannt und z. B. in der DE-PS 22 04 028 beschrieben. Die Anordnung des Sendewandlers 11 ist dabei so getroffen, daß dessen Abstrahlrichtung im wesentlichen horizontal ist, während der als Platte 24 ausgebildete Reflektor 21 so angeordnet ist, daß die vom Sendewandler 11 auf ihn auftreffenden Schallimpulse um etwa 90° umgelenkt werden.

Wie aus dem Blockschaltbild der Sende- und Empfangsvorrichtung 10 in Fig. 2 hervorgeht, sind dem Ausgang des Empfangswandlers 12 zwei parallele Frequenzfilter 25, 26 nachgeschaltet, wobei das eine Frequenzfilter 25 auf eine der Primärfrequenz, hier auf die Primärfrequenz f ₁ = 80 kHz, und das andere Frequenzfilter 26 auf die Differenzfrequenz f ₁-f ₂, z. B. 8 kHz, abgestimmt ist. Der Ausgang eines jeden Frequenzfilters 25 bzw. 26 ist mit einem Echodetektor 27 bzw. 28 verbunden. Ein Ausführungsbeispiel des Echodetektors, wie er auch hier verwendet werden könnte, ist in der DE-PS 15 66 852 beschrieben. Zusätzlich zu der dort beschriebenen Anzeigeaufbereitung der Empfangssignale zur Echodetektion und Bestimmung der Entfernung zwischen Empfängern und Gewässergrund werden in den Echodetektoren 27, 28 noch die Amplituden der detektierten Echos bestimmt. Die Echodetektoren 27, 28 sind einerseits mit dem Anzeigegerät 13 und andererseits mit einem Rechner 29 verbunden. In dem Anzeigegerät werden die in den Empfangssignalen detektierten Echos dargestellt, während der Rechner 29 aus den von den Echodetektoren 27, 28 ermittelten Echoparametern die Dichte ρ eines den Gewässergrund 22 überdeckenden Sediments 30, z. B. in Form einer Schlickschicht,berechnet. Das Rechenverfahren des Rechners 29 ist in der DE-OS 32 34 283 ausführlich beschrieben.

Die Wirkungsweise des vorstehend beschriebenen Sedimentlots ist wie folgt:

Die vom Sendewandler 11 in Horizontalrichtung abgestrahlten Schallimpulse mit den beiden Primärfrequenzen f ₁ und f ₂ treffen auf den ebenen Reflektor 21 auf und werden von diesem zum Gewässergrund 22 hin reflektiert. In der Wasserstrecke zwischen dem Sendewandler 11 und dem Reflektor 21 entstehen aufgrund der nichtlinearen Übertragungseigenschaften dieser Wasserstrecke zusätzlich Schallimpulse mit der Differenz- oder parametrischen Frequenz f ₁-f ₂, die ebenfalls vom Reflektor 21 zum Gewässergrund 22 hin umgelenkt werden.

Über den in der zentralen Durchgangsöffnung 23 des Reflektors 21 angeordneten Empfangswandler 12 werden die Schallimpulse in elektrische Empfangssignale gewandelt. Durch die Frequenzfilter 25, 26, die auf die Primärfrequenz f ₁ bzw. auf die parametrische Frequenz f ₁-f ₂ abgestimmt sind, werden die frequenzselektiven Empfangssignale den Echodetektoren 27, 28 zugeführt. Hier werden in bekannter Weise die Sendesignalparameter und die Sendepegel SL _P (Sendepegel der Schallimpulse mit der Primärfrequenz f ₁) und SL _D (Sendepegel der Schallimpulse mit Differenzfrequenz f ₁-f ₂) bestimmt, die dem Rechner 29 zugeführt werden.

Die zum Gewässergrund 22 hin laufenden Schallimpulse der hohen Primärfrequenz f ₁ (bzw. f ₂) werden an der oberen Grenzschicht 31 zwischen Wasser und Sediment 30 reflektiert, während die Schallimpulse mit der tiefen parametrischen Frequenz f ₁-f ₂ in das Sediment eindringen und erst an der unteren Grenzschicht 32 zwischen Sediment 30 und Gewässergrund 22 reflektiert werden. Die reflektierten Schallimpulse, sog. Echos, mit der Primärfrequenz f ₁ bzw. der parametrischen Frequenz f ₁-f ₂ werden nach Durchlaufen der Wasserstrecke zwischen dem Gewässergrund 22 und dem Empfangswandler 12 von letzterem empfangen und als elektrische Empfangssignale den Echodetektoren 27, 28 zugeführt. Der Echodetektor 27 bestimmt aus dem Empfangssignal den Echopegel EL _O des primären Echos und aufgrund der Echolaufzeit die Entfernung r _o zwischen dem Empfangswandler 12 und der oberen Grenzschicht 31. Der Echodetektor 27 bestimmt aus dem Empfangssignal den Echopegel EL _u des parametrischen Echos und anhand der Echolaufzeit die Entfernung r _u zwischen Empfangswandler 12 und unteren Grenzschicht 32. Diese Werte EL _u , EL _o , r _o , r _u werden dem Rechner 29 zugeführt, der daraus die Übertragungsverluste TL _O im Bereich Empfangswandler 12/obere Grenzschicht 31 und die Übertragungsverluste TL _u im Bereich Empfangswandler 12/untere Grenzschicht 32 gemäß nachstehenden Gleichungen berechnet:

Aus den Übertragungsverlusten TL _o und TL _u berechnet der Rechner 29 nach der in der DE-OS 32 24 283 angegebenen Methode und nach den dort angegebenen Gleichungen die Dichte ρ des Sediments 30.

Im Anzeigegerät 13 wird ein Echogramm dargestellt, in welchem die Lage der oberen Grenzschicht 31 und der unteren Grenzschicht 32 bezogen auf die Wassertiefe, gemessen vom Ort des Empfangswandlers 12 aus, erkennbar sind. Dabei werden zweckmäßigerweise die über die beiden Empfangskanäle 25, 27 bzw. 26, 28 dem Anzeigegerät 13 zugeführten beiden Echospuren mit unterschiedlicher Farbe dargestellt. Die im Rechner 29 berechnete Dichte des Sediments 30 kann entweder im Anzeigegerät 13 angezeigt oder im Anzeigegerät 13 durch eine Farbcodierung dargestellt werden.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene parametrische Sedimentlot beschränkt. Die erfindungsgemäße Anordnung von Sendewandler, Empfangswandler und Reflektor kann in gleicher Weise bei einem Ein- oder Zweifrequenzlot, wie sie ebenfalls zur Gewässergrunderkundung verwendet werden, mit Vorteil eingesetzt werden. Die Erfindung kann im übrigen in jedem Echolot mit Vorteil angewendet werden, bei welchem aus den Amplituden oder Pegeln der Echosignale Informationen gewonnen werden.

Claims (5)

1. Echolot, insbesondere Sedimentlot, mit einem Schallimpulse abstrahlenden elektroakustischen Sendewandler und mit einem elektroakustischen Empfangswandler, dadurch gekennzeichnet, daß in Abstrahlrichtung des Sendewandlers (11) mit Abstand von diesem ein die Schallimpulse zum Gewässergrund (22) hin umlenkender Reflektor (21) angeordnet ist und daß der Empfangswandler (12) im Bereich einer vorzugsweise zentralen Durchgangsöffnung (23) im Reflektor (21) angeordnet ist.

2. Echolot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfangswandler (12) auf der Rückseite des Reflektors (21) angebracht ist und mit seinem akustisch sensitiven Teil die Durchgangsöffnung (23) abdeckt.

3. Echolot nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendewandler (11) gleichzeitig Schallimpulse mit zwei voneinander abweichenden Primärfrequenzen (f ₁, f ₂) abstrahlt und daß der Abstand des Reflektors (21) von dem Sendewandler (11) mindestens so groß gewählt ist, daß am Empfangswandler (12) Schallimpulse mit einer aufgrund der nichtlinearen Übertragungseigenschaften des Wassers sich ausbildenden Differenzfrequenz (f ₁-f ₂) auftreten.

4. Echolot nach einem der Ansprüche 1 bis bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstrahlrichtung des Sendewandlers (11) im wesentlichen horizontal ist und der Reflektor (21) so angeordnet ist, daß die Schallimpulse um etwa 90° umgelenkt werden.

5. Echolot nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (21) als ebene Platte (24) ausgebildet ist.