DE4344509A1 - Verfahren zur Messung der akustischen Rückstreueigenschaft von Gewässerböden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der akustischen Rückstreueigenschaft von Gewässerböden, insbesondere von Meeresböden, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Die Kenntnis der Rückstreueigenschaft eines beschallten Gewässerbodens, auch Bodenrückstreumaß genannt, läßt Rückschlüsse auf Bodensedimentart und -zustand sowie mikroskalige Oberflächenstrukturen des Gewässerbodens zu. Das akustische Rückstreuverhalten real er Gewässerböden zeigt jedoch deutliche Abhängigkeit vom Einfallswinkel der Schallfront, wobei der Rückstreukoeffizient erheblich durch den Schallstrahlwinkel gegen die lokale Flächennormale bestimmt wird. Um zuverlässig Rückschlüsse auf die Bodensedimente ziehen zu können, ist es daher notwendig, Einflüsse, die den Rückstreukoeffizienten beeinflussen und nicht vom Bodensediment bestimmt sind, aus den gemessenen Empfangsenergien, die vom Gewässerboden aufgrund der Beschallung mit Schallenergie reflektiert werden, zu eliminieren.

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art, auch "acoustic backscattering measurement" genannt, wie es beispielsweise in [1] beschrieben ist, werden zur Berücksichtigung eines Teils dieser Abhängigkeiten die aus jedem beschallten Abschnitt des Gewässerbodens erhaltenen elektrischen Empfangsenergien rechnerisch in akustische Rückstreuenergien konvertiert, wobei diese Umwandlung die Winkeländerungen durch Schallstrahlbeugungen, den geometrischen Effekt von Bodenneigungen in Richtung quer zur Fahrtrichtung und die Schallimpulsausbreitung innerhalb eines beschallten Abschnitts so berücksichtigt, daß diese Einflüsse im sog. "normierten" Rückstreumaß eliminiert sind. Bei diesem Verfahren werden in den gemessenen Empfangsenergien somit nur solche Einflüsse bezüglich des Schallstrahlwinkels erfaßt, die sich aus der rein geometrischen Schrägprojektion des Schallstrahls ergeben, und hier auch nur solche, die von der Neigungskomponente des Bodens in Richtung quer zur Fahrtrichtung verursacht werden. Wie eingangs bereits erwähnt, wird jedoch das Rückstreumaß durch den Schallstrahlwinkel gegen die lokale Flächennormale bestimmt, die ein Raumvektor ist. Eine vorhandene Neigung des Bodens in Fahrtrichtung führt daher nach wie vor zu einer Verfälschung des Rückstreumaßes. Darüber hinaus wird die physikalische Abhängigkeit des Rückstreumaßes vom Einfallswinkel des Schallstrahls gänzlich ignoriert. Daher können trotz der Konvertierung der elektrischen Empfangsenergien lokale Variationen des Bodenrückstreumaßes innerhalb eines beschallten Abschnitts nicht interpretiert werden und bleiben zweideutig, da sie sowohl durch den winkelabhängigen Anteil der Rückstreufunktion als auch durch lokale Änderung der Bodensedimentart oder des Bodensedimentzustandes hervorgerufen sein können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die beschriebene Zweideutigkeit beseitigt wird, damit eine in­ situ-Kalibrierung der elektrischen Empfangsenergien und damit der Bodenrückstreuwerte erreicht wird, so daß lokale Variationen des Bodenrückstreumaßes eindeutig als Änderungen im Bodensediment ausweisbar sind.

Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zur Messung der akustischen Rückstreueigenschaft von Gewässerböden der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Kalibrierbetrieb ermöglicht es, daß bedingt durch die Eigenfahrt des Schiffes dasselbe Bodenelement des Gewässerbodens in verschiedenen Empfängerstreifen, die eine unterschiedliche Lage innerhalb des Fächers aufweisen und damit einen Schallempfang aus unterschiedlichen Richtungswinkeln festlegen, vermessen wird. Eine unbekannte Größe, nämlich das Bodensediment, wird damit eliminiert. Für jeden auf der Kurslinie des Schiffes erfaßten Bodenpunkt steht damit eine gemessene Rückstreufunktion in Abhängigkeit von den einzelnen Empfängerstreifen innerhalb des Fächers und damit eine winkelabhängige Rückstreufunktion zur Verfügung. Wird diese Rückstreufunktion zur Korrektur der im Meßbetrieb in den Empfängerstreifen erhaltenen Daten verwendet, so sind danach noch auftretende lokale Variationen in den Bodenrückstreuwerten eindeutig als Änderungen der Bodensedimentart oder des Bodensedimentzustandes zu interpretieren.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zweckmäßigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die im Meßbetrieb erhaltenen Rückstreuwerte in gleicher Weise, wie eingangs zum Stand der Technik beschrieben, normiert, um die verfälschenden Einflüsse von Winkeländerungen durch Schallbeugungen, Bodenneigungen in Richtung quer zur Fahrtrichtung und Schallimpulsausbreitung innerhalb der Abschnitte, sowie die unterschiedliche Größe der Empfängerstreifen im Fächer zu kompensieren. Im Kalibrierbetrieb werden vor Erstellung der Kalibrierkurven die gemessenen Rückstreuwerte mit dem gleichen Algorithmus normiert, so daß auch hier die verfälschenden Einflüsse von Winkeländerung durch Schallbeugungen, durch Bodenneigungen, jetzt aber in Fahrtrichtung, durch Schallimpulsausbreitung innerhalb der Lotabschnitte und unterschiedliche Breite der Empfängerstreifen in Fahrtrichtung des Fächers kompensiert sind.

Die Erfindung ist anhand eines mittels der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Messung der akustischen Rückstreueigenschaft des Meeresbodens im folgenden näher erläutert. Dabei zeigen jeweils in schematischer Darstellung:

Fig. 1 und 2 jeweils eine perspektivische Ansicht eines Senderzielstreifens und eines Fächers von Empfängerstreifen, die mittels eines Fächerlots von einem Vermessungsschiff aus akustisch auf dem Meeresboden erzeugt werden, und zwar im Meßbetrieb (Fig. 1) und im Kalibrierbetrieb (Fig. 2),

Fig. 3 ein der Verdeutlichung des Verfahrens dienendes Schema der räumlichen Zuordnung von im Meß- und Kalibrierbetrieb zu verschiedenen Zeitpunkten während der Fahrt des Vermessungsschiffes gewonnenen Schallrückstreuwerten in Zuordnung zu den einzelnen Bodenabschnitten,

Fig. 4 eine im Meßbetrieb für einen Lotabschnitt erstellte Kalibrierkurve.

Bei dem Verfahren zur Messung der akustischen Rückstreueigenschaft von Gewässerböden, vorzugsweise des Meeresbodens eines Seegebiets, wird ein an sich bekanntes sog. Fächer-Echolot mit einer Sende- und Empfangsvorrichtung verwendet, das am Boden eines Wasserfahrzeugs, hier eines Oberflächenschiffs 110, installiert ist. Anordnung und Ausbildung der Sende- und Empfangsvorrichtung mit Sende- und Empfangsantenne, auf deren Darstellung hier verzichtet worden ist, kann so getroffen sein, wie dies in der US-PS 3 144 631 beschrieben ist.

Mit der Sendevorrichtung wird ein im wesentlichen lotrecht unter dem Schiff quer zu dessen Fahrtrichtung oder quer zur mit dieser übereinstimmenden Schiffslängsachse liegender Senderzielstreifen 112 auf dem Meeresboden 111 mit Schallimpulsen beschallt. Durch eine entsprechende Ausbildung der Sendeantenne, z. B. als Linienarray, und/oder durch elektronische Richtungsbildung sind die von der Sendeantenne ausgehenden Schallstrahlen so gebündelt, daß sie einen Öffnungswinkel 2ϑ_-3 in Fahrtrichtung von ≈ 2° und quer zur Fahrtrichtung von ≈ 60 bis 120° aufweisen. Ein solcher Sendeschallstrahl oder Sendebeam ist in Fig. 1 schematisch dargestellt und mit 113 bezeichnet. Die Projektion des Sendebeams 113 auf den Meeresboden 111 bildet den Senderzielstreifen 112.

Die im Sendezielstreifen 112 am Meeresboden 111 reflektierten Schallenergien werden mittels der Empfangsvorrichtung richtungsselektiv empfangen. Durch entsprechende elektronische Verarbeitung der einzelnen Empfangssignale wird erreicht, daß die Empfangsvorrichtung mit Empfangsantenne einen Fächer 114 von in Fahrtrichtung sich erstreckenden, quer zur Fahrtrichtung aneinandergereihten schmalen Empfangsbeams 116 oder Empfangssektoren erzeugt, die am Meeresboden 111 Empfängerstreifen 115 begrenzen, wie sie in Fig. 1 und 2 skizziert sind. Der Öffnungswinkel 2ϑ_-3 der Empfangsbeams 116 beträgt in Fahrtrichtung etwa 15° und quer dazu ≈ 20° Die Empfangsantenne der Empfangsvorrichtung ist relativ zu der Sendeantenne so angeordnete, daß der Senderzielstreifen 112 von dem Fächer 114 der Empfängerstreifen 115 überdeckt wird.

Zur Messung der akustischen Rückstreueigenschaft des Meeresbodens 111 in dem zu vermessenden Seegebiet, auch Bodenrückstreumaß des Meeresbodens 111 genannt, werden im Meßbetrieb in bekannter Weise über die Sendeantenne von der Sendevorrichtung Schallimpulse ausgesendet, wobei jeder Schallimpuls den Meeresboden 111 im Senderzielstreifen 112 beschallt. Wegen der Kreuzanordnung von Senderzielstreifen 112 und Empfängerstreifen 115 wird in jedem Empfängerstreifen 115 nur ein Abschnitt A akustisch "beleuchtet", der klein ist gegen die auf den Meeresboden 111 projizierte Fläche der Empfangsbeams 116, die identisch ist mit den Empfängerstreifen 115. Bei gleichem Öffnungswinkel 2ϑ_-3 aller Empfangsbeams 116 nimmt die Breite der Empfängerstreifen 115 mit anwachsendem Richtungswinkel der Empfangsbeams 116 im Fächer 114 nach außen hin zu, was in der Darstellung der Zeichnung nicht weiter berücksichtigt ist. Damit vergrößert sich auch die Fläche der akustisch beleuchteten Abschnitte A, und zwar ausgehend von dem lotrecht unter Schiffslängsachse liegenden Abschnitt A0, im folgenden kurz Lotabschnitt A0 genannt, der von dem im wesentlichen lotrecht unter Empfangsantennenmitte liegenden Empfängerstreifen 115 ausgeschnitten ist, bis zu dem im äußersten Empfängerstreifen 115 des Fächers 14 liegenden Abschnitt AIX.

Die in den einzelnen Abschnitten A vom Meeresboden 111 zurückgestreute Schallenergie wird getrennt aus den einzelnen Empfängerstreifen 115 von der Empfangsvorrichtung empfangen und als elektrische Meßgrößen ausgegeben. Diese elektrischen Meßgrößen sind durch verschiedene, durch reale Schallausbreitungsbedingungen und durch Systemvariablen und -konstanten der Sende- und Empfangsvorrichtung bedingten Einflüssen verfälscht. Sie werden daher mittels eines Algorithmus in Rückstreuwerte konvertiert, bei welchen diese verfälschenden Einflüsse eliminiert sind. Ein solcher, beispielsweise in [1] theoretisch erläuterter Algorithmus berücksichtigt dabei insbesondere die winkelabhängige Sendeenergieverteilung im betrachteten Raumwinkel, sphärische Ausbreitungsverluste und Absorptionsverluste im Seewasser, Winkeländerungen durch Schallstrahlbeugungen, Bodenneigungen in Fahrtquerrichtung, Echointegration durch Schallimpulsausbreitung innerhalb der einzelnen beleuchteten Bodenabschnitte A und die Systemvariablen und -konstanten der Sende- und Empfangsvorrichtung. Die so erhaltenen Schallrückstreuwerte werden in Zuordnung zu den einzelnen Empfängerstreifen 115, aus denen sie empfangen wurden, abgespeichert, so daß die räumliche Zuordnung von Rückstreuwert und Bodenelement ersichtlich ist. Dies ist im oberen Teil der Fig. 3 in schematischer Weise verdeutlicht. Hier sind die beschallten Abschnitte A in ihrer räumlichen Zuordnung dargestellt. Mit I bis IX sind die Empfängerstreifen 115 auf Steuer- und Backbordseite des Vermessungsschiffes 110 bezeichnet, mit 0 ist der lotrecht unter Empfangsantennenmitte und damit in Schiffslängsachse liegende Empfängerstreifen 115 gekennzeichnet. Die horizontal aneinandergereihten arabischen Ziffern kennzeichnen Lotungen, also die aufeinanderfolgende Aussendung von Schallimpulsen, während sich das Vermessungsschiff in Pfeilrichtung 117 vorwärts bewegt. Bei an die Frequenz der Schallimpulsaussendung angepaßter Fahrgeschwindigkeit des Vermessungsschiffes 110 wird damit ein komplettes Gebiet des Meeresbodens 110 in einer der Fächerbreite entsprechenden Breite beschallt. In dem in Fig. 3 dargestellten Schema hat sich das Vermessungsschiff um die lotfache Breite des Senderzielstreifens 112 in Fahrtrichtung vorgeschoben. Die in den einzelnen Abschnitten A nach Konvertierung erhaltenen Rückstreuwerte sind in den einzelnen Abschnitten A lediglich durch Punkte markiert. In Wirklichkeit sind aber die skalaren Werte der Schallrückstreuung erfaßt, so daß sich eine Verteilungsfunktion der Schallrückstreuung über die Breite des Fächers 114 quer zur Fahrtrichtung ergibt. Die von dem lotrecht unter Empfangsantennenmitte liegenden Empfängerstreifen 115 überdeckten, aufeinanderfolgend akustisch beleuchteten Lotabschnitte A0 sind durch Kreuzschraffur herausgehoben.

Diese so gewonnene Verteilungsfunktion des Rückstreumaßes des vermessenen Meeresbodens 111 läßt aber noch nicht eindeutige Rückschlüsse auf Bodensedimentart oder Bodensediment zustand zu, da lokale Variationen des Rückstreumaßes sowohl von einer Änderung des Bodensediments herrühren können, als auch von der physikalischen Winkelabhängigkeit des Rückstreumaßes sowie von Veränderungen der Bodenneigung in Fahrtrichtung bewirkt werden können. In dem vorstehend genannten Algorithmus zur Konvertierung der von der Empfangsvorrichtung nach Empfang der rückgestreuten Schallenergien ausgegebenen elektrischen Meßgrößen ist die Abhängigkeit vom Einfallswinkel der Schallfront nur insoweit kompensiert, als der Schallstrahlwinkel gegen eine in der Querebene zur Fahrtrichtung liegende Flächennormale auf jedem vom Abschnitt A überdeckten Bodenelement berücksichtigt ist. Der Rückstreukoeffizient der innerhalb der Abschnitte A beschallten Bodenelemente ist aber jeweils von der Flächennormalen des Bodenelements bestimmt, die ein Raumvektor ist, und damit eine (im Algorithmus erfaßte) Vektorkomponente in der Querebene zur Fahrtrichtung und eine (vom Algorithmus nicht erfaßte) Vektorkomponente in der Parallelebene zur Fahrtrichtung hat. Um die dadurch und durch die physikalische Abhängigkeit des Rückstreumaßes vom Schallstrahlwinkel bedingte Zweideutigkeit zu beseitigen, wird zusätzlich zum Meßbetrieb ein Kalibrierbetrieb eingeführt, in welchem durch geeignete Messungen Kalibrierkurven erzeugt werden, die eine in-situ- Kalibrierung der im Meßbetrieb gewonnenen Verteilungsfunktion der Schallrückstreuwerte erlauben.

Hat das Vermessungsschiff 110 im Meßbetrieb eine Weglänge in Fahrtrichtung 117 zurückgelegt, so sind von der Sendevorrichtung eine Vielzahl von Senderzielstreifen 112 aufeinanderfolgend akustisch beleuchtet worden, die in Fig. 3 mit den arabischen Ziffern 1 bis 10 gekennzeichnet sind. In jedem Senderzielstreifen 112 wurden durch die Empfängerstreifen 115 des Fächers 114 die Abschnitte A überdeckt. Die aus den Abschnitten A rückgestreute Schallenergie wurde gemessen und die elektrischen Meßgrößen in Rückstreuwerte konvertiert. Zu einem frei wählbaren, im folgenden noch näher definierten Zeitpunkt, wird die Sende- und Empfangsvorrichtung auf Kalibrierbetrieb umgeschaltet, d. h. es werden der Sendebeam 113 und der Fächer 114 von Empfangsbeams 116 gemeinsam aus ihrer in Fig. 1 dargestellten Grund- oder Meßstellung um 90° um die Schiffshochachse in ihre in Fig. 2 dargestellte Eich- oder Kalibrierstellung geschwenkt. Diese Schwenkung erfolgt bevorzugt durch Umschalten einer zwischen den Antennen (Sende- und Empfangsantenne) und Vorrichtungen (Sende- und Empfangsvorrichtung) angeordneten Relaismatrix, welche die einzelnen Antennenwandler von der jeweils zugeordneten Vorrichtung trennt und an die jeweils andere Vorrichtung anschließt. Dies setzt eine gleiche geometrische Ausbildung der Sende- und Empfangsantenne voraus. In Einzelfällen kann die Schwenkung aber auch durch gemeinsame mechanische Drehung der Sende- und Empfangsantenne erfolgen. Der Senderzielstreifen 112 und die Empfängerstreifen 115 des Fächers 114 nehmen nunmehr eine Lage ein, wie sie in Fig. 2 schematisch skizziert ist. Der Senderzielstreifen 112 liegt nunmehr lotrecht unter Längsschiff und die quer zur Fahrtrichtung 117 des Vermessungsschiffes 110 ausgerichteten Empfängerstreifen 115 sind in Fahrtrichtung 117 nebeneinander aufgereiht. Der Senderzielstreifen 112 überdeckt in der Kalibrierstellung des Fächerlots exakt denjenigen Teil des Vermessungsgebietes, in dem die Lotabschnitte A0 definiert sind. Nunmehr wird in gleicher Weise wie im Meßbetrieb die aus den einzelnen Lotabschnitten A0 unter Schiffslängsachse rückgestreuten Schallenergie gemessen und mit dem beschriebenen Algorithmus in Rückstreuwerte aus den Lotabschnitten A0 konvertiert. Wird das Fächerlot über eine Reihe von Schallzyklen hinweg konstant im Kalibrierbetrieb eingesetzt, so wird bei idealer gerader Kurslinie jeder Lotabschnitt A0 von allen Empfängerstreifen 115 überdeckt und somit jedes von einem Lotabschnitt A0 eingegrenzte Bodenelement von einer ganzen Reihe von Empfangsbeams 116 mit unterschiedlicher Winkelorientierung vermessen. Dies ist im unteren Teil der Fig. 3 beispielhaft für den Lotabschnitt A0₁₀ dargestellt, der im Senderzielstreifen 112 mit der Ziffer 10 liegt. In Fig. 3 ist in dem geschwenkten Fächer 114 die Kennzeichnung der nunmehr in Fahrtrichtung 117 nebeneinanderliegenden Empfängerstreifen 115 mit den römischen Ziffer I bis IX und mit 0 beibehalten. Die vom Lotabschnitt A0₁₀ bei Beschallung durch einen Sendeschallimpuls zurückgestreute Schallenergie wird zunächst in der Empfangsvorrichtung aus dem lotrechten Empfängerstreifen 115 mit der Kennzeichnung 0 empfangen, im nächsten Schallzyklus im Empfängerstreifen I, darauf folgend im Empfängerstreifen II, III usw. bis zuletzt im Empfängerstreifen IX. Damit wird das vom Lotabschnitt A0₁₀ eingegrenzte Bodenelement aus zehn verschiedenen Richtungswinkeln vermessen und unter zehn verschiedenen Richtungswinkeln die rückgestreute Schallenergie gemessen und die elektrischen Meßgrößen mit Hilfe des beschriebenen Algorithmus in Rückstreuwerte konvertiert. Die Rückstreuwerte ergeben in Zuordnung zu den einzelnen Empfangsstreifen 0, I bis IX die sog. Kalibrierkurve, wie sie beispielhaft in Fig. 4 dargestellt ist. Eine solche Kalibrierkurve wird für jeden Lotabschnitt A0, also Lotabschnitt A0₀ bis A0₁₀, erstellt.

Mit diesen Kalibrierkurven werden nunmehr die im Meßbetrieb in Zuordnung zu den einzelnen Empfängerstreifen 115 erhaltenen Rückstreuwerte des Meeresbodens 111 korrigiert, wobei jeweils eine Kalibrierkurve für alle bei einer Lotung innerhalb des gleichen Senderzielstreifens 112 erhaltenen Rückstreuwerte gültig ist. So wäre theoretisch die in Fig. 4 dargestellte Kalibrierkurve für den Lotabschnitt A0₁₀ ausschließlich für die Kalibrierung der im Schallzyklus mit der Ziffer 10 im gleichen Senderzielstreifen 112 erhaltenen Meßwerte anzuwenden. Entsprechend wäre eine für den Lotabschnitt A0₉ in gleicher Weise erstellte Kalibrierkurve für alle die Rückstreuwerte gültig, die durch die Beschallung im Senderzielstreifen 112, der in Fig. 1 mit der Ziffer 9 gekennzeichnet ist, gewonnen worden sind. In der Praxis bewirken jedoch Kursvariationen des Vermessungsschiffes 110 Abweichungen von der idealen Kurslinie. Damit ist die beschriebene eindeutige Zuordnung schwierig und es wird eine Mitteilung der Kalibrierkurven für mehrere oder alle Lotabschnitte A0 erforderlich, die dann auf die Meßwerte aus einer Mehrzahl von Lotungen angewendet wird. Die Kalibrierung erfolgt in der Weise, daß die den einzelnen Empfängerstreifen 0 und I bis IX zugeordneten Rückstreuwerte mit den Kalibrierwerten korrigiert werden, die in den einzelnen, den Empfängerstreifen 0, I bis IX zugehörigen Kalibrierkurven bzw. in der gemittelten Kalibrierungskurve enthalten sind.

In Fig. 5 und 6 ist der Kalibriervorgang zeichnerisch erläutert. Dabei ist in Fig. 5 mit Kurve a ein Beispiel einer gemittelten Kalibrierkurve dargestellt. Kurve b zeigt ein Beispiel einer Meßkurve auf Backbord- oder Steuerbordseite. Wie in Fig. 4 ist wiederum das Rückstreumaß SC über die Empfängerstreifen 0 und I-IX des Fächers 114 aufgetragen. In Fig. 6 ist die gleiche Meßkurve wie in Fig. 5 wiederum mit b bezeichnet und mit c die kalibrierte Meßkurve. Zur Durchführung der Kalibrierung wird in der Kalibrierkurve a für jeden Empfängerstreifen 0, I-IX die Differenz des Kalibrierwertes zu einer willkürlich, vorzugsweise parallel zur Abszisse, festgelegten Normierungsgeraden N bestimmt (Fig. 5) und diese Differenz zu dem Meßwert der Meßkurve b in dem zugeordneten Empfängerstreifen 0, I-IX hinzuaddiert (Fig. 6). Damit ergibt sich die kalibrierte Meßkurve c in Fig. 6. Durch diese Kalibrierung ist in der kalibrierten Verteilerfunktion des Bodenrückstreumaßes (kalibrierte Meßkurve c) neben der physikalischen Winkelabhängigkeit des Rückstreumaßes auch jegliche Änderung kompensiert, die durch eine in Fahrtrichtung liegende Neigung der Bodenelemente hervorgerufen wird. Jede jetzt noch in der kalibrierten Verteilungsfunktion der Rückstreuwerte auftretende lokale Änderung des Bodenrückstreumaßes ist damit nur noch durch eine Änderung der Bodensedimentart oder des Bodensedimentzustandes bedingt und damit eindeutig.

Damit das Vermessungsschiff 110 eine stetige Vermessungsfahrt ausführen kann und dabei der gesamte Meeresboden 111 unter der Fächerbreite im Meßbetrieb lückenlos erfaßt wird, wird das Fächerlot alternierend im Meß- und Kalibrierbetrieb betrieben. So wird z. B. wechselweise eine Lotung im Meßbetrieb und die nächste Lotung im Kalibrierbetrieb durchgeführt, d. h. bei jeder zweiten Schallimpulsaussendung im Sendebeam 113 wird das Fächerlot von seiner Grund- oder Meßstellung in seine Eich- oder Kalibrierstellung umgeschwenkt. Damit erhält man eine solche Überlappung des Vermessungsgebiets durch das Fächerlot, daß der beschriebene Meß- und Kalibrierbetrieb lückenlos und ohne Genauigkeitseinbuße bei konstanter Fahrt des Vermessungsschiffes 110 durchgeführt werden kann. Selbstverständlich ist es auch möglich, im Meßbetrieb mehrere Schallimpulse hintereinander auszusenden und anschließend erst den Kalibrierbetrieb aufzunehmen. Doch gibt es hier eine Grenze, von welcher an gewisse Lücken im Meßbetrieb und größere Ungenauigkeiten im Kalibrierbetrieb in Kauf genommen werden müssen.

Literaturangabe:
[1] Moustier de, C. Approaches to acoustic backscattering measurements from the deep seaf loor, Marine Physical Laboratory, Scripps Institution of Oceanography, University of California, San Diego, Symposium on Current Practices and New Technoloy in Ocean Engineering, Am. Soc. of Mech. Eng., OED 11, Seiten 137-143 (reprinted in Trans. of the ASME, J., Energy Resources Tech., 110, 77-84, 1988).

Claims (6)

1. Verfahren zur Messung der akustischen Rückstreueigenschaft von Gewässerböden, insbesondere von Meeresböden, unter Verwendung eines auf einem Schiff installierten, eine Sende- und Empfangsvorrichtung mit Sende- und Empfangsantenne aufweisenden akustischen Fächerlots, bei welchem mittels der Sendevorrichtung eine Vielzahl von sich im wesentlichen lotrecht unter Sendeantennenmitte quer zur Fahrtrichtung (117) des Schiffes (110) erstreckenden, in Fahrtrichtung (117) aufeinanderfolgenden, schmalen Senderzielstreifen (112) auf dem Gewässerboden (111) jeweils nacheinander mit Schallimpulsen beschallt wird, bei welchen mittels der Empfangsvorrichtung zu jedem Senderzielstreifen (112) jeweils ein Fächer (114) von sich in Fahrtrichtung (117) erstreckenden, quer zur Fahrtrichtung (117) aneinandergereihten, schmalen Empfängerstreifen (115) gebildet wird, die jeweils einen den zugehörigen Senderzielstreifen (112) überdeckenden Abschnitt (A) aufweisen und von denen ein Abschnitt (A0) im wesentlichen lotrecht unter Empfangsantennenmitte liegt, und bei welchem die aus den einzelnen, den jeweils beschallten Senderzielstreifen (112) überdeckenden Abschnitten (A) der Empfängerstreifen (115) eines Fächers (114) rückgestreute Schallenergie, Schallpegel oder Schallamplitude (Schallrückstreuung) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zu wählbaren Zeitpunkten der Senderzielstreifen (112) und der Fächer (114) von Empfängerstreifen (115) jeweils aus ihrer Grund- oder Meßstellung (Meßbetrieb) um 90° um die Schiffshochachse vorübergehend in eine Eich- oder Kalibrierstellung (Kalibrierbetrieb) so geschwenkt werden, daß der Senderzielstreifen (112) sich im wesentlichen lotrecht unter dem Schiff (110) in Schiffslängsachse erstreckt und die Empfängerstreifen (115) wieder quer dazu verlaufen, daß im Kalibrierbetrieb in gleicher Weise wie im Meßbetrieb die Schallrückstreuung aus den einzelnen, von Senderzielstreifen (112) und Empfängerstreifen (115) des Fächers (114) überdeckten Abschnitten (A0) gemessen wird, daß für jeden der im Meßbetrieb von dem im wesentlichen lotrecht unter der Schiffslängsachse liegenden Empfängerstreifen (115) und den Senderzielstreifen (112) überdeckten Abschnitten (Lotabschnitte A0) des Meeresbodens (111), der im Kalibrierbetrieb aufeinanderfolgend von allen Empfängerstreifen (115) des Fächers (114) überstrichen wird, eine Kalibrierkurve (Fig. 4) erstellt wird, in welcher die aus diesem Lotabschnitt (A0) im Kalibrierbetrieb in den einzelnen Empfängerstreifen (115) gemessenen Schallrückstreuwerte den jeweiligen Empfängerstreifen (115) zugeordnet sind, und daß mit den so für jeden Lotabschnitt (A0) erstellten Kalibrierkurven die im Meßbetrieb aus den einzelnen Abschnitten (A) erhaltenen Schallrückstreuwerte korrigiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für eine Mehrzahl von Lotabschnitten (A0) erstellten Kalibrierkurven gemittelt und die gemittelte Kalibrierkurve zur Korrektur der im Meßbetrieb erhaltenen Schallrückstreuwerte verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kalibrierung der im Meßbetrieb erhaltenen Schallrückstreuwerte für jeden Empfängerstreifen (115) in der Kalibrierkurve der Differenzwert zu einer Normgeraden (N) ermittelt und dieser zu dem Schallrückstreuwert hinzuaddiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kalibrier- und Meßbetrieb gemessenen Schallrückstreuwerte vor Erstellung der Kalibrierkurven und Durchführung der Korrektur mittels der Kalibrierkurven in einer solchen Weise normiert werden, daß verfälschende Einflüsse von Winkeländerungen durch Schallbeugungen, Bodenneigungen, Schallimpulsausbreitung innerhalb der Abschnitte (A), unterschiedliche Größe der Empfängerstreifen (115) im Fächer (114), etc. kompensiert sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Empfängerstreifen (115) innerhalb des Fächers (114) durch die Richtungswinkel von in der Empfangsvorrichtung durch Signalverarbeitung erzeugten Empfangsbeams (116) bestimmt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsbeams (116) den gleichen Öffnungswinkel (2ϑ_-3) aufweisen, wobei von den orthogonalen Winkelkomponenten des Öffnungswinkels (2ϑ_-3) die eine Winkelkomponente ein Vielfaches der anderen Winkelkomponente beträgt.