DE3619253A1 - Verfahren zur akustischen vermessung des oberflaechenprofils eines gewaessergrundes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur akustischen Vermessung des Oberflächenprofils eines Gewässergrundes, insbesondere des Meeresbodens, der im Oberbegriff des Anspruchs angegebenen Art.

Ein solches Vermessungsverfahren ermöglicht die gleichzeitige Vermessung des Oberflächenprofils des Gewässergrundes - im folgenden auch Bodenprofil genannt - in einer Vielzahl von verschiedenen Ortungsrichtungen, so daß mit dem Aussenden eines einzigen Sendeimpulses, z. B. 64 Tiefenpunkte des Bodenprofils, quer zur Fahrtrichtung des Wasserfahrzeugs erfaßt werden. Die Tiefenpunkte aus einer Vielzahl von Sende- und Empfangsperioden ergeben in Fahrtrichtung des Wasserfahrzeugs aneinandergereiht das Bodenprofil.

Bei der Vermessung des Bodenprofils entstehen aber erhebliche Vermessungsfehler dann, wenn die Echos in den Empfangssignalen der fächerartig aufgespannten Empfangsrichtkeulen oder Empfangsbeams nicht exakt und zuverlässig genau detektiert werden. Mit den herkömmlichen Methoden der Flanken- oder Schwellwertdiskriminierung ist aber die Detektion der Echos sehr problematisch, da nur Echos, die von rechtwinklig auf den Gewässergrund oder Meeresboden auftreffenden Schallimpulsen herrühren, ein Abbild des Schallimpulses selbst sind. Hier ist die Schwellwertdiskriminierung sicher und hochgenau. Trifft hingegen ein Sendeimpuls unter einem Einfallswinkel kleiner als 90° auf den Gewässergrund auf, so werden die Schallimpulse nicht wieder in Sende- und damit in Empfangsrichtung reflektiert, sondern am Gewässergrund gestreut. Das empfangene Echo ist dann nicht mehr ein Abbild des Sendeimpulses, sondern die Abrollfunktion des Sendeimpulses über den Gewässergrund durch die Empfangsrichtkeule. Man erhält damit kein diskretes Echo mehr, sondern eine Verteilungsfunktion über die Empfangscharakteristik der Antenne. Bei einer solchen Verteilungsfunktion ist aber die bisher übliche Methode der Schwellwertdiskriminierung zur Detektion der Echos extrem fehlerhaft.

Hinzu kommt ein weiteres Phänomen, das in den technischen Grenzen der Nebenzipfeldämpfung der Empfangsantenne begründet liegt. Da senkrecht auf den Gewässergrund oder Meeresboden auftreffende Sendeimpulse in Sende- und Empfangsrichtung zurückreflektiert werden, schräg auf den Boden auftreffende Sendeimpulse jedoch streuen oder scattern, ist die Amplitude des Senkrechtechos erheblich größer als die der Schrägechos. Dies führt dazu, daß in dem bei Schrägortung erhaltenen Empfangssignal auch immer ein Bruchteil des Senkrechtechos enthalten ist, das aufgrund seiner großen Amplitude - wenn auch gedämpft - über die Nebenzipfel empfangen wird. Dieses Senkrecht- oder Nebenzipfelecho kann in vielen Fällen zu einem Ansprechen des Schwellwertdiskriminators führen und damit zu einer extremen Verfälschung der Echodetektion.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur akustischen Vermessung des Oberflächenprofils eines Gewässergrundes der eingangs genannten Art bezüglich der Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Echodetektion wesentlich zu verbessern.

Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zur akustischen Vermessung des Oberflächenprofils eines Gewässergrundes der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine extrem hohe Genauigkeit in der Bestimmung der für das Oberflächenprofil eines Gewässergrundes erforderlichen Tiefenpunkte aus, die sonst nur bei Echolotung mit einem Vertikallot bei relativ geringer Bodenunebenheit erzielt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert auch dann noch zuverlässig genaue Vermessungspunkte, wenn der zu vermessende Gewässergrund Hanglagen mit einer Steigerung von ± 25% aufweist. Untersuchungen haben gezeigt, daß auf dem Meeresboden - von ganz wenigen Ausnahmen abgesehen - generell keine größeren Hanglagen vorhanden sind. Mit der erfindungsgemäßen Verfahren wird die gleiche Arbeitsgeschwindigkeit wie bei den bisher bekannten Verfahren mit fächerartig aufgespanntem Vermessungslot erzielt, jedoch mit erheblich genauerem Vermessungsergebnis.

Durch die optimale Anpassung des Echoerwartungsfensters an die Empfangsrichtung und die Gewässertiefe unter Berücksichtigung einer möglichen Hanglage des Gewässergrundes wird ein sehr gutes Nutz-/Störverhältnis erzielt, so daß die durch Scattern in der Amplitude erheblich reduzierten Echos, die zudem noch eine Verteilungsfunktion über die von der Empfangsrichtkeule erfaßte Bodenfläche darstellen, sich ausreichend deutlich vom Rauschen abheben. Durch die Bildung des Schwerpunktintegrals kann das Echo sehr genau eliminiert und die Echolaufzeit exakt vermessen werden. Zum Aufspannen des Echoerwartungsfensters wird eine Echoerwartungszeit vorgegeben, die von einer bekannten Lottiefe abgeleitet wird. Da üblicherweise eine Anfangslottiefe nicht zur Verfügung steht, wird gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 2 zur Ableitung der Echoerwartungszeit nach Aussenden des Schallimpulses auch ein ungerichteter Signalempfang durchgeführt und die Echolaufzeit des im empfangenen Singals ersten Echos bestimmt. Da dieses erste Echo immer von dem auf den Gewässergrund senkrecht auftreffenden Sendeimpuls herrührt, damit ein Abbild des Schallimpulses selbst ist und eine relativ große Amplitude aufweist, führt die herkömmliche Methode der Flanken- oder Schwellwertdiskriminierung zu einer exakten Bestimmung dieser Erstecholaufzeit.

Zweckmäßigerweise wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 3 als Echoerwartungszeit die in der vorhergehenden Sende- und Empfangsperiode ermittelte Erstecholaufzeit verwendet. Dadurch kann der über die Empfangsrichtkeule gerichtet durchgeführte Signalempfang nur für das Zeitintervall des Echoerwartungsfensters durchgeführt werden. Da zur Off-Line-Verarbeitung des Empfangssignals zwecks Echodetektion dieses abgespeichert werden muß, kann damit die Speicherkapazität relativ klein gehalten werden.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 4 wird auch die Echolaufzeit des ersten Echos im Signalverlauf des parallel zum gerichteten Empfang durchgeführten ungerichteten Empfang dazu verwendet, die Echogrenzen dieses ersten Echos zu bestimmen. Die vordere Echogrenze ergibt sich dabei aus der Erstecholaufzeit und die hintere aus der Summe von Erstecholaufzeit und Sendeimpulsdauer. Wird nunmehr das über die Empfangsrichtkeule gerichtet empfangene Empfangssignal in diesen Zeitgrenzen entsprechend bedämpft, so ist das Senkrechtecho, das nach den vorherstehenden Ausführungen über die Nebenzipfel von der Empfangsantenne bei gerichtetem Empfang empfangen wird, aus dem Empfangssignal eliminiert und verfälscht nicht die Schwerpunktberechnung.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich auch aus Anspruch 6. Durch diese Maßnahme wird die Genauigkeit der Echodetektion weiter verbessert. Bei der Festlegung der hinteren, zeitlich größeren Fenstergrenze des Echoerwartungsfensters wird zusätzlich die physische Öffnungscharakteristik der Empfangsrichtkeule berücksichtigt. Da das empfangene Echo eine Abrollfunktion des Sendeimpulses über die von der Empfangsrichtkeule am Gewässergrund ausgeschnittene Bodenfläche darstellt, wird die hintere Fenstergrenze so dimensioniert, daß der Sendeimpuls außerhalb des Echoerwartungsfensters auch die gesamte, durch die Öffnungscharakteristik der Antenne vorgegebene Bodenfläche beleuchten kann und kein Echoaustritt durch vorzeitiges Schließen des Echoerwartungsfensters verlorengeht.

Eine zweckmäßige Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit vorteilhaften Ausführungsformen ergibt sich aus den weiteren Ansprüchen 8 bis 11.

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

Fig. 1 eine schematische, teilweise perspektivische Ansicht einer von einem Fächer-Echolot eines Vermessungsschiffes erzeugten Beleuchtung eines Gewässergrundes,

Fig. 2 eine schematische Darstellung von Empfangsrichtungen des Fächer-Echolots in Fig. 1 unter Berücksichtigung von maximal angenommenen Hanglagen des Gewässergrundes,

Fig. 3 ein Diagramm der vorderen und hinteren Fenstergrenze eines Echoerwartungsfensters in Abhängigkeit von dem Winkel ϕ der Empfangsrichtung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer von dem Fächer-Echolot unter einem Empfangswinkel ϕ ausgehenden Empfangsrichtkeule mit dem Öffnungswinkel 2ϑ,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Empfangsvorrichtung des Fächer-Echolots in Fig. 1,

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Echodiskriminators in Fig. 5,

Fig. 7 ein Diagramm eines durch ein Echoerwartungsfenster begrenzten Empfangssignals.

Bei dem Verfahren zur akustischen Vermessung des Oberflächenprofils des Meeresbodens wird ein an sich bekanntes sog. Fächer- Echolot mit einer Sende- und Empfangsvorrichtung verwendet, das am Boden eines Wasserfahrzeugs, hier eines Oberflächenschiffes 10, installiert ist. Anordnung und Ausbildung der Sende- und Empfangsvorrichtung des Echolots, auf dessen Darstellung hier verzichtet worden ist, kann so getroffen sein, wie dies in der US-PS 31 44 631 beschrieben ist.

Mit der Sendevorrichtung wird ein im wesentlichen lotrecht unter dem Schiff 10 quer zu dessen Fahrtrichtung liegender Senderzielstreifen 11 auf dem Meeresboden 12 mit Schallimpulsen beschallt. Durch eine entsprechende Ausbildung der Sendeantenne, z. B. als Lineararray, und/oder durch elektronische Richtungsausbildung ist der von der Sendevorrichtung ausgehende mit 13 angedeutete Sendebeam so gebündelt, daß sein Öffnungswinkel 2ϑ _-3 in Fahrtrichtung des Schiffes 10 ungefähr 1° und quer zur Fahrtrichtung ungefähr 60° bis 90° aufweist.

Die im Senderzielstreifen 11 durch Reflexion am Meeresboden 12 entstehenden Echos werden von der Empfangsvorrichtung richtungsselektiv empfangen. Wie in Fig. 5 schematisch dargestellt ist, weist die Empfangsvorrichtung hierzu eine Empfangsantenne 14 mit einer Vielzahl äquidistant angeordneter, elektroakustischer Wandler 15 auf. Durch entsprechende elektronische Verarbeitung der Empfangssignale der einzelnen Wandler 15 wird erreicht, daß die Empfangsvorrichtung einen Fächer 16 von in Fahrtrichtung sich erstreckenden, quer zur Fahrtrichtung aneinandergereihten schmalen Empfangsbeams 17 aufspannt, die am Meeresboden 12 Empfängerstreifen 18 begrenzen, wie sie in Fig. 1 skizziert sind. Der Öffnungswinkel 2j _-3 der Empfangsbeams 17 beträgt in Fahrtrichtung etwa 15° und quer dazu ungefähr 1°. Die Empfangsvorrichtung ist relativ zu der Sendevorrichtung so angeordnet, daß der Senderzielstreifen 11 von dem Fächer 16 der Empfängerstreifen 18 überdeckt wird. Im Fächer 16 sind dabei etwa 64 Empfangsbeams 17 vorhanden.

Zur Gewinnung des Oberflächenprofils des Meeresbodens 12 werden nunmehr in bekannter Weise Schallimpulse ausgesendet und der Senderzielstreifen 11 am Meeresboden 12 akustisch beleuchtet. Über die Empfangsbeams 17 werden richtungsselektiv Empfangssignale erfaßt. In diesen Empfangssignalen sind die von dem Schallimpuls am Meeresboden 12 ausgelösten Echos enthalten. Diese Echos werden in den einzelnen Empfangssignalen detektiert, die Echolaufzeit vom Meeresboden 12 zu der Empfangsvorrichtung, die gleich der halben Zeitspanne vom Aussenden des Sendeimpulses bis zum Eintreffen der Echos ist, bestimmt und daraus unter Berücksichtigung der momentanen Schallgeschwindigkeit in Wasser Tiefenpunkte des Meeresbodens 12 bestimmt, die in Zuordnung zu dem jeweiligen Ursprungsort der Echos ein Meßprofil des Meeresbodens 12 in dem Bereich des Senderzielstreifens 11 ergeben. Die in Vorschub- oder Fahrtrichtung des Schiffes 10 erhaltene Vielzahl von einzelnen Meßprofilen bildet räumlich aneinandergereiht das Oberflächenprofil des Meeresbodens 12 im Vermessungsgebiet längs einer sog. Vermessungsspur.

Die Empfangsvorrichtung des Fächer-Echolots ist in Fig. 5 im Blockschaltbild dargestellt. Die elektroakustischen Wandler 15 sind über einen zeitabhängigen Verstärkungsregler 19 einerseits einem Richtungsbildner 20 und andererseits einem Flankendiskriminator 21 zugeführt. In dem Verstärkungsregler 19 wird die entfernungsabhängige Dämpfung der Amplituden der Echos kompensiert, so daß die einlaufenden Echos eine von der Länge des Ausbreitungsweges im Wasser unabhängige Amplitude aufweisen. Der Richtungsbildner 20 bildet aus den verstärkten Ausgangssignalen der Wandler 15 eine Vielzahl, hier 64, von Empfangsrichtkeulen oder Empfangsbeams 17, wie sie vorstehend bereits angesprochen sind. Der Flankendiskriminator 21, der z. B. ein einfacher Schwellwertschalter sein kann, detektiert in den Ausgangssignalen der Wandler 15 das von allen Echos zeitlich zuerst eintreffende Erstecho und gibt dessen Echolaufzeit T aus. Diese Echolaufzeit T wird einerseits einem Echodiskriminator 22 und andererseits einem Rechenwerk 23 zugeführt. Der Echodiskriminator 22 ist mit dem Richtungsbildner 20 verbunden und detektiert - wie noch im einzelnen erläutert wird - die in den Empfangssignalen der einzelnen Empfangsbeams 17 enthaltenen Echos und bestimmt die Echolaufzeiten dieser Echos. Hierzu erhält er von dem Rechenwerk 23 die Zeitgrenzen eines adaptiven Echoerwartungsfensters angeliefert. Die Echolaufzeiten werden von dem Echodiskriminator 22 dem Rechenwerk 23 zugeführt, das hieraus die Tiefenwerte ermittelt und in Zuordnung zu dem Ursprungsort der Echos das Meßprofil im Bereich des Senderzielstreifens 11 ausgibt.

Zur Detektion der Echos in den einzelnen Empfangssignalen der Empfangsbeams 17 wird um eine Echoerwartungszeit ein zeitliches Erwartungsfenster aufgespannt. Als Echoerwartungszeit wird dabei die von dem Flankendiskriminator 21 geliefere Echolaufzeit T des Erstechos verwendet. Die zeitlichen Fenstergrenzen des Echoerwartungsfensters werden dabei in Abhängigkeit von dem Empfangswinkel ϕ der Empfangsrichtkeule oder des Empfangsbeams 17 und einer maximal angenommenen Hanglage des Meeresbodens 12 in Richtung des Empfangsbeams 17 bemessen.

In Fig. 2 sind schematisch mehrere Empfangsbeams 17, die unter einem Empfangswinkel ϕ liegen, dargestellt. Die Hanglage des Meeresbodens 12 ist dabei mit einer Steigung +⊖ bzw. einem Gefälle -⊖ eingezeichnet. Aufgrund dieser geometrischen Verhältnisse wird die vordere Zeitgrenze T _V des Echoerwartungsfensters gemäß

und die hintere Fenstergrenze T _H des Echoerwartungsfensters gemäß

berechnet. T ist dabei die Echoerwartungszeit, die hier der von dem Flankendiskriminator 21 gelieferte Echolaufzeit T des ersten Echos gewählt ist. Die auf T normierten Fenstergrenzen T _V und T _H sind in Fig. 3 in Abhängigkeit von dem Empfangswinkel ϕ für positive (in Fig. 2 rechts) und für negative (in Fig. 2 links) Empfangswinkel ϕ dargestellt. Die Differenz T _H - T _V ergibt die Fensterlänge des Echoerwartungsfensters, das um die Echoerwartungszeit T (in Fig. 3 die d-Achse) aufgespannt wird. Bei dem Diagramm der Fenstergrenzen T _V und T _H in Fig. 3 in Abhängigkeit von dem Empfangswinkel +ϕ bzw. -ϕ ist die Hanglage des Meeresbodens 12 mit einer Steigung ⊖ = ± 25% angenommen. In der Praxis hat sich gezeigt, daß eine größere Steigung oder ein größeres Gefälle des Meeresbodens, von einigen Ausnahmen abgesehen, nirgends auftritt.

Bei der Festlegung der hinteren, zeitlich größeren Fenstergrenze T _H des Echoerwartungsfensters ist zu berücksichtigen, daß die Empfangsbeams 17 nicht unendlich schmal sind, sondern einen Öffnungswinkel quer zur Fahrtrichtung von ca. 1° aufweisen. Ein solcher Empfangsbeam ist in Fig. 4 schematisch dargestellt, wobei sein Empfangswinkel mit ϕ und sein Öffnungswinkel mit 2ϑ bezeichnet ist. Da, wie einleitend bereits beschrieben, das über dem Empfangsbeam 17 empfangene Echo kein Abbild des ausgesandten Schallimpulses, sondern eine Abrollfunktion des Schallimpulses über den vom Empfangsbeam 17 erfaßten Abschnitt des Meeresbodens 12 darstellt, ist bei der Bemessung der hinteren Fenstergrenze T _H eine maximal mögliche Echolänge zu beachten. Diese Echolänge ist von der Geometrie des vom Empfangsbeam 17 am Meeresboden 12 erfaßten Flächenabschnittes abhängig und somit von dem Empfangswinkel ϕ des Empfangsbeams 17, dem Öffnungswinkel 2ϑ des Empfangsbeams 17 und vom Gefälle -⊖ der maximal angenommenen Hanglage des Meeresbodens 12. Unter Berücksichtigung dieser Abhängigkeiten wird die hintere Fenstergrenze T _H um ein Zeitinkrement Δ T zu größeren Zeiten hin verschoben, wobei sich das Zeitinkrement Δ T gemäß

berechnet. Die korrigierte hintere Zeitgrenze T* _H ergibt sich somit aus der Addition des Zeitinkrements Δ T zu der hinteren Fenstergrenze T _H gemäß

T* _H = T _H + T (4)

Die korrigierte hintere Fenstergrenze T* _H ist, normiert auf die Echoerwartungszeit T, in Fig. 3 ebenfalls in Abhängigkeit von den Empfangswinkeln ϕ der Empfangsbeams 17 dargestellt. Die tatsächliche Fensterlänge ergibt sich damit aus der Differenz der korrigierten hinteren Fenstergrenze T* _H und der vorderen Fenstergrenze T _V . Diese Fenstergrenzen werden von dem Rechenwerk 23 für jeden Empfangswinkel ϕ der 64 Empfangsbeams 17 gemäß den angegebenen Gleichungen berechnet und dem Echodiskriminator 22 zugeführt.

In dem Echodiskriminator 22 werden für jeden Empfangsbeam 17 von dem durch das Echoerwartungsfenster begrenzten Empfangssignal das Schwerpunktintegral gebildet. Allgemein lautet das Schwerpunktintegral:

wobei dA ein Flächenelement des Empfangssignals und T die Zeitvariable ist. Die Zeitkomponente T _S des so gefundenen Schwerpunktes ergibt die Echolaufzeit für das detektierte Echo. Um die Sicherheit der Detektion zu vergrößern, werden nach dem Auffinden des ersten Schwerpunktes die Integrationsgrenzen, ausgehend von den Zeitgrenzen T _V und T* _H des Echoerwartungsfensters reduziert, und zwar symmetrisch zu dem zuerst gefunden Schwerpunkt T _S .

Diese Prozedur wird mehrmals mit weiterer Reduzierung der Integrationsgrenzen durchgeführt, so daß die Echodetektion und die Echolaufzeitbestimmung mit einer nur sehr kleinen Fehlertoleranz behaftet ist.

Der Aufbau des Echodiskriminators 22 ist im einzelnen in Fig. 6 dargestellt. Für jeden von dem Richtungsbildner 20 gelieferten Richtungskanal, der einem Empfangsbeam 17 entspricht, sind die gleichen Bauelemente in gleicher Schaltungsanordnung vorgesehen, so daß in Fig. 6 dies nur für einen einzigen Empfangsbeam oder Richtungskanal dargestellt ist.

Am Ausgang des Richtungskanals des Richtungsbildners 20 ist eine Torschaltung 24 angeschlossen, an deren Steuereingang ein Toröffnungsimpuls liegt. Dieser Toröffnungsimpuls legt das Echoerwartungsfenster fest, in welchem das über den Richtungskanal aufgefaßte Empfangssignal zur Echodetektion erfaßt und abgespeichert wird. Da das Echoerwartungsfenster um die Echoerwartungszeit T aufgespannt wird, beträgt die vordere Impulsgrenze T + T _V und die hintere Impulsgrenze T +T* _H . In dieser Zeit ist die Torschaltung 24 durchgeschaltet und das Empfangssignal liegt an einem der Torschaltung 24 nachgeschalteten Maximumsucher 25. Da die Begrenzung des auszuwertenden Empfangssignals On-Line während der Empfangsperiode durchgeführt wird, müssen die Fenstergrenzen des Echoerwartungsfensters zum Zeitpunkt der Toröffnung bereits festgelegt sein. Aus diesem Grund wird für die Echoerwartungszeit T die vom Flankendiskriminator 21 in der unmittelbar vorhergehenden Sende- und Empfangsperiode ausgegebene Echolaufzeit T des Erstechos verwendet.

In Fig. 7 ist beispielhaft ein durch das Echoerwartungsfenster begrenztes Empfangssignal, wie es an dem Maximumsucher 25 ansteht, dargestellt. Auf die Einbeziehung von evtl. Störungen oder des immer vorhandenen Rauschens im Empfangssignal ist aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet worden. Da bereits die Richtungsbildung im Richtungsbildner 20 durch digitale Signalverarbeitung erzeugt wird, liegt das in Fig. 7 analog dargestellte Empfangssignal in Form von diskreten Werten vor. Dem Maximumsucher 25 ist ein Cash-Speicher 26 nachgeschaltet, an dem wiederum eine Recheneinheit 27 angeschlossen ist. Der Sample-Takt für den Maximumsucher 25, der gleich der Einschreibfrequenz des Cash- Speichers 26 ist, wird von einem Taktgenerator 28 geliefert. Der Sample-Takt wird dabei an die Fensterlänge des Echoerwartungsfensters adaptiert und ist entsprechend dem Verhältnis von Kapazität des Cash-Speichers 26 zur Fensterlänge bemessen.

Der Maximumsucher 25 sucht aus einer durch den Sample-Takt vorgegebenen Anzahl von diskreten Werten des Empfangssignals den Maximalwert aus. Mit dem Sample-Takt wird dieser Maximalwert in den Cash-Speicher 26 eingeschrieben. Mit dem Einschreiben wird gleichzeitig der Maximumsucher 26 gecleart, so daß er nunmehr nachfolgend aus der nächsten Anzahl von diskreten Werten des Empfangssignals den Maximalwert eliminiert. Der Cash-Speicher 26 wird während der Toröffnungszeit der Torschaltung 24 mit diesen Sample- Werten gefüllt. Sperrt die Torschaltung 24 wieder, so ist der Cash-Speicher 26 vollständig aufgefüllt, beispielsweise mit 1024 Samples, die exakt auf die Fensterlänge des Echoerwartungsfensters aufgeteilt sind.

Mittels der Recheneinheit 27 werden nunmehr Off-Line, die im Cash-Speicher 26 enthaltenen Speicherwerte ausgelesen und das Schwerpunktintegral gemäß

gebildet, wobei U die Amplitude (Spannung) des Empfangssignals und t _n das durch den Sample-Takt festgelegte Zeitinkrement ist. U _n sind dabei die im Cash-Speicher 26 abgelegten Abtastwerte, während t _n der Speicheradresse des Cash-Speichers 26 entspricht. Die Konstante C berücksichtigt, daß anstelle eines Flächenelements U _n (t) · Δ t lediglich die Spannung U _n (t) bei der Schwerpunktsberechnung verwendet wird. Wird Δ t = 1 gewählt, ist C = 1. Die Zeitkomponente T _S des Schwerpunktes wird dem Rechenwerk 23 zugeführt, der daraus mit einer ihm zugeführten Korrektur- und Skalierungsgröße K die Tiefenpunkte berechnet. Die Größe K berücksichtigt Schallgeschwindigkeit, Ausbreitungsanormalien und einen in Eichmessungen gefundenen Kalibrierungsfaktor.

Wie eingangs bereits dargelegt, wird über jede Empfangsrichtkeule durch die immer vorhandenen Nebenzipfel der Antennencharakteristik ein Bruchteil des sog. Senkrechtechos - das ist ein von einem senkrecht auf dem Meeresboden 12 auftreffenden Schallimpuls ausgelöstes Echo - empfangen. Liegt dieses Senkrechtecho innerhalb des Echoerwartungsfensters, so geht dieses Senkrechtecho bei der Bildung des Schwerpunktintegrals mit ein und verfälscht die Echodetektion. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, wird dieses Senkrechtecho bei einer zugelassenen Hanglage mit einer Steigung von ⊖=± 25% im Echoerwartungsfenster derjenigen Empfangssignale enthalten sein, die unter einem Empfangswinkel ϕ zwischen 0° und ca. 28° empfangen werden. In diesem Bereich hat die vordere Grenze T _V des Echoerwartungsfensters in Fig. 3 einen negativen Wert, was bedeutet, daß das Echoerwartungsfenster zu einem Zeitpunkt geöffnet wird, der kleiner als die Echoerwartungszeit T ist. Da die Echoerwartungszeit T aber gleich der vom Flankendiskriminator 21 ausgegebenen Echolaufzeit des sog. Erstechos ist, das identisch ist mit dem Senkrechtecho, ist in dem genannten Empfangswinkelbereich die Echodetektion mit einem relativ großen Fehler behaftet. Um diesen zu elinimieren, wird die vom Flankendiskriminator 21 ausgegebene Echolaufzeit T des Erstechos der Recheneinheit 27 zugeführt. Da gleichzeitig die Recheneinheit 27 die Zeitdauer oder Zeitlänge L des Sendeimpulses kennt, werden bei der Schwerpunktintegralbildung die im Cash-Speicher 26 in dem Zeitbereich T bis T + L enthaltenen Abtastwerte in ihrer Größe um einen vorgegebenen Betrag reduziert, was einer Dämpfung des Empfangssignals in diesem Zeitbereich T bis T + L gleichkommt. Auf diese Weise ist der Einfluß des über die Nebenzipfel empfangenen Senkrechtechos eliminiert und die Fehlertoleranz bei der Echodetektion auch in diesem Empfangswinkelbereich auf das gleiche Maß zurückgeführt, wie bei größeren Empfangswinkeln ϕ, im Beispiel der Fig. 3 größer 28°.

Claims (11)

1. Verfahren zur akustischen Vermessung des Oberflächenprofils eines Gewässergrundes, insbesondere des Meeresbodens, bei welchem von einem Wasserfahrzeug aus Schallimpulse ins Wasser ausgesendet werden, in über mindestens eine Empfangsrichtkeule, die unter einem Empfangswinkel zur Vertikalen geschwenkt ist, aufgefaßten Empfangssignalen von den Schaltimpulsen am Gewässergrund ausgelöste Echos detektiert, die Echolaufzeiten bestimmt und daraus Tiefenpunkte des Gewässergrundes ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Detektion der Echos in den Empfangssignalen um eine aus der Echoausbreitung von einer bekannten Lottiefe aus abgeleitete Echoerwartungszeit (T) ein zeitliches Echoerwartungsfenster aufgespannt wird, dessen Fenstergrenzen (T _V , T _H ) in Abhängigkeit von dem Empfangswinkel ϕ der Empfangsrichtkeule (17) und einer maximal angenommenen Hanglage (R) des Gewässergrundes in Richtung der Empfangsrichtkeule (17) bemessen werden, daß von dem durch das Echoerwartungsfenster begrenzten Empfangssignal das Schwerpunktintegral gebildet wird und daß mit der Zeitkomponente (T _S ) des Schwerpunktes die Echolaufzeit festgelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein ungerichteter Signalempfang durchgeführt wird und daß die Echolaufzeit des im Signalverlauf zeitlich ersten Echos als Echoerwartungszeit (T) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Echoerwartungszeit (T) in einer unmittelbar vorhergehenden Sende- und Empfangsperiode bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitgrenzen (T, T + L) des im Signalverlauf zeitlich ersten Echos bestimmt werden und daß das Empfangssignal im Echoerwartungsfenster vor der Schwerpunktintegralbildung in diesen Zeitgrenzen (T, T + L) in einem vorgegebenen Maß bedämpft wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere Fenstergrenze (T _V ) gemäß und die hintere Fenstergrenze (T _H ) gemäß bemessen wird, wobei ϕ der gegen die Vertikale gemessene Empfangswinkel der Empfangsrichtkeule (17), () die Steigung bzw. die Neigung der maximal angenommenen Hanglage und T die Echoerwartungszeit ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bemessung der hinteren, zeitlich späteren Fenstergrenze (T _H ) zusätzlich eine maximal mögliche Echolänge berücksichtigt wird, die aus dem Empfangswinkel ϕ der Empfangsrichtkeule (17), dem Öffnungswinkel (2ϑ) der Empfangsrichtkeule (17) und der maximal angenommenen Hanglage (R) des Gewässergrundes (12) in Richtung der Empfangsrichtkeule (17) berechnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berücksichtigung der maximalen Echolänge die hintere Fenstergrenze (T _H ) um ein Zeitinkrement (Δ T) gemäß zu größeren Zeitwerten verschoben wird, wobei ϕ der gegen die Vertikale gemessene Empfangswinkel und 2ϑ der Öffnungswinkel der Empfangsrichtkeule (17), R die Steigung bzw. Neigung der maximal angenommenen Hanglage und T die Echoerwartungszeit ist.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Empfangsantenne (14) aus einer Vielzahl von äquidistant angeordneten elektroakustischen Wandlern (15), einen an der Antenne (14) vorzugsweise über einen zeitabhängigen Verstärkungsregler (19) angeschlossenen Richtungsbildner (20) zum Bilden der mindestens einen Empfangsrichtkeule (17), vorzugsweise einer Vielzahl von in einem Sektor fächerartig aufgespannten Empfangsrichtkeulen (17), einen an dem Richtungsbildner (20) angeschlossenen Echodiskriminator (22) zur Echodetektion in dem über die mindestens eine Empfangsrichtkeule (17), vorzugsweise in jeder Empfangsrichtkeule (17), erhaltenen Empfangssignal und einen eingangsseitig mit der Antenne (14), vorzugsweise unter Zwischenschaltung des Verstärkungsreglers (19), verbundenen und ausgangsseitig an den Echodiskriminator (22) angeschlossenen Flankendiskriminator (21) zur Detektion des im Empfangssignal der Antenne (14) enthaltenen Erstechos.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Echodiskriminator (22) in Zuordnung zu jeder Empfangsrichtkeule (17) eine Torschaltung (24) mit einer dem Echofenster entsprechenden Toröffnungszeit, einen der Torschaltung (24) nachgeschalteten Maximumsucher (25), einen dem Maximumsucher (25) nachgeschalteten Speicher (26) zum Einschreiben der Maximalwerte und eine am Speicherausgang angeschlossene Recheneinheit (27) zum Berechnen des Schwerpunktintegrals aus den im Speicher (26) abgelegten Maximalwerten aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Toröffnungszeit für die mindestens eine Empfangsrichtkeule (17), vorzugsweise für jede der Empfangsrichtkeulen (17), festlegendes Rechenwerk (23) einerseits mit dem Flankendiskriminator (21) und andererseits mit dem Steuereingang der Torschaltung (24) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschreibfrequenz des Speichers (26) an die Fensterlänge des Echoerwartungsfensters adaptiert ist.