NL1020818C2 - Werkwijze en inrichting voor het opsporen van objecten op of in de bodem. - Google Patents

Description

Titel: Werkwijze en inrichting voor het opsporen van objecten op of in de bodem.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het opsporen van objecten op of in de bodem, omvattende de stappen van: het uitzenden van één of meerdere akoestische signalen naar de bodem, zodat na reflectie ten minste een eerste en tweede reflectiesignaal van het bodemoppervlak 5 door ontvangstorganen wordt ontvangen, en het detecteren van een loop tijdverschil tussen eerste en tweede reflectiesignalen.

Een dergelijke werkwijze is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift No. 5.563.848. Hierin wordt een akoestische detectie-inrichting beschreven, waarin signalen worden vergeleken van twee parallel 10 aan de bodem opgestelde microfoons. Indien één van de microfoons boven een object met een akoestische weerstand wordt gehouden en de andere microfoon boven een referentiegebied, ontstaat een detecteerbaar verschil tussen de ontvangen signalen, waaruit de aanwezigheid van het object wordt afgeleid. De inrichting kan worden gebruikt als detector voor het 15 opsporen van objecten in de bodem door de inrichting evenwijdig aan de bodem te bewegen. De inrichting is echter ongeschikt voor toepassingen, waarbij de signalen over een grotere afstand reizen voordat ze door de microfoons worden gedetecteerd, omdat de resolutie snel afheemt doordat de signalen in hetzelfde gebied van het bodemoppervlak treffen en niet meer 20 van elkaar verschillen. Verder is de inrichting alleen geschikt voor metingen recht onder de meetopstelling.

De uitvinding heeft tot doel te voorzien in een werkwijze, waarbij de nadelen van bovengenoemde stand van techniek niet of in verminderde mate optreden. Verder heeft de uitvinding tot doel te voorzien in een 25 inrichting die op grotere afstanden betrouwbare detectie oplevert, zodat de opsporing van objecten op of in de zeebodem mogelijk is.

1 fi 9 n & i & 2

Dit doel wordt bereikt door te voorzien in een werkwijze van bovengenoemde soort, verder omvattende de stappen van: het op een vaste positie boven het bodemoppervlak in een reeks opstellen van de bronnen en/of ontvangstorganen; 5 het berekenen van een looptijdverschil uit een weglengteverschil van de reflectiesignalen, onder dé aanname dat de reflectiesignalen door het bodemoppervlak zijn gereflecteerd, waarbij het bodemoppervlak is gemodelleerd volgens een voorbepaalde geometrie; het afleiden van de aanwezigheid van een object op of in de bodem 10 door het vergelijken van het gedetecteerde looptijdverschil met het berekende looptijdverschil.

Door de werkwijze volgens de uitvinding is het mogelijk te corrigeren voor de reflectie-eigenschappen van de bodem door de reflecties afkomstig van de bodem uit het signaal te verwijderen, zodat deze het meetresultaat 15 niet beïnvloeden.

In een voorkeursuitvoeringsvorm omvat de werkwijze de verdere stappen van het uitzenden van een pulssignaal en het ontvangen van het reflectiesignaal door twee op verschillende posities ten opzichte van het bodemoppervlak opgestelde ontvangstorganen. Door een dergelijke 20 opstelling wordt een ontvangst mogelijk van twee in de tijd gescheiden pulsen, die beide gereflecteerd zijn door een zelfde reflectieoppervlak. Uit het tijdverschil kan worden afgeleid of het reflectieoppervlak het bodemoppervlak is of een ander oppervlak van een object dat daaronder of boven is gelegen. Bij voorkeur omvat de werkwijze verder de stappen van: 25 het berekenen van een gecorrigeerd reflectiesignaal door het in de tijd verschuiven van het eerste reflectiesignaal over een tijdsinterval overeenkomend met het berekende looptijdverschil; en het bepalen van een verschilwaarde door aftrek van het gecorrigeerde eerste reflectiesignaal en het tweede reflectiesignaal, welke verschilwaarde indicatief is voor de 30 aanwezigheid van een object op of in de bodem.

3

In een eerste detectie kunnen de ontvangstorganen op een eerste positie zijn opgesteld, uit welke detectie een radiele afstand van een object tot de ontvangstorganen kan worden afgeleid, en waarbij vervolgens in een tweede detectie de ontvangstorganen op een tweede positie zijn opgesteld, 5 zodat door middel van triangulatie de positie van het object kan worden bepaald.

In een verdere voorkeursuitvoeringsvorm omvat de werkwijze de verdere stappen van het berekenen van een gecorrigeerd signaal door het in de tijd verschuiven van het eerste signaal over een tijdsinterval 10 overeenkomend met het berekende looptijdverschil en het bepalen van een verschilwaarde door aftrek van het gecorrigeerde eerste signaal en het tweede signaal, welke verschilwaarde indicatief is voor de aanwezigheid van een object op of in de bodem. Door correctie en aftrek van de signalen ontstaat een verschilsignaal, dat theoretisch gelijk nul is bij afwezigheid van 15 reflecterende objecten op of in de bodem. Een afwijking van deze nulwaarde is derhalve indicatief voor een object met een reflectief oppervlak.

Een verfijning van de techniek wordt bereikt door het toepassen van een correctie voor het berekende amplitudeverschil ten gevolg van een berekende weglengteverschil van de signalen. De werkwijze wordt bij 20 voorkeur toegepast voor het opsporen van objecten in een zeebodem, waarbij de gekozen akoestische frequentie zodanig laag is dat een indringdiepte in de zeebodem varieert van 0-20 meter, waarbij de detectie plaatsvindt van een hoogte variërend van 3-500 meter boven het bodemoppervlak en waarbij de array-opstelling zodanig is dat een te onderzoeken gebied zich bevindt in 25 het zijwaartse hoekbereik van 5 - 70 °.

Het looptijdverschil kan worden berekend onder de aanname dat het bodemoppervlak een vlakke geometrie heeft. In een meer nauwkeurige benadering wordt een looptijdverschil berekend na het vaststellen van de bodemgeometrie door middel van bathymetrie. De bathymetrie kan worden n ? mi i e 4 uitgevoerd door middel van een echolood of een hoogfrequent side-scan interferometrie.

De uitvinding heeft verder betrekking op een inrichting voor het opsporen van objecten op of in de bodem volgens een werkwijze van een van 5 bovengenoemde aspecten, verder omvattende ten minste twee evenwijdige, op afstand van elkaar opgestelde arrays van hydrofoons met bevestigingsmiddelen om de inrichting in gebruik onder een vaartuig op te stellen, zodat de arrays ten opzichte van elkaar in hoogte verschillen ten opzichte van de bodem, en een akoestische bron die op een vaste hoogte ten 10 opzichte van de arrays is aangebracht, welke akoestische bron is ingericht voor het uitzenden van een akoestische puls in een laag frequentiespectrum dat geschikt om de zeebodem enkele meters te kunnen doordringen.

Voor het verkrijgen van een gewenste flexibiliteit bij het afstemmen van de inrichting is de afstand tussen de arrays bij voorkeur instelbaar. De 15 akoestische bron kan tussen de arrays zijn opgesteld. In bedrijf is de inrichting bij voorkeur kantelbaar over een hoek ten opzichte van een verticale richting van de opstelling. Hierdoor kan een hoekbereik worden gevarieerd waaronder een van belang geacht gebied wordt onderzocht. De werkdiepte van de inrichting is daarbij bij voorkeur instelbaar.

20

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de figuren. Hierin toont:

Fig. 1 een voorkeursopstelling van de inrichting volgens de uitvinding; 25 Fig. 2. een zijaanzicht van de inrichting volgens de uitvinding in bedrijf;

Fig. 3 een vooraanzicht van de inrichting volgens de uitvinding in bedrijf;

Fig. 4 een schematische opstelling voor een rekenvoorbeeld volgens de 30 werkwijze van de uitvinding; en 5

Fig. 5a-5c de resultaten weergeven van een 2D-modelanalyse onder toepassing van de werkwijze van de mtvinding.

In de figuren zijn gelijke of overeenkomstige delen met gelijke verwijzingscijfers benoemd.

5

In figuur 1 is schematisch een hydrofoonopstelling 1 weergegeven voor het opsporen van objecten op of in de bodem. De hydrofoonopstelling 1 omvat twee precies of nagenoeg evenwijdige arrays 2 van hydrofoons 3, die geschikt zijn voor het ontvangen van akoestische signalen uitgezonden door 10 een akoestische bron 4. De arrays 2 worden bij voorkeur door een stalen frame 5 in de juiste positie ten opzichte van elkaar gehouden en zijn bij voorkeur akoestisch ontkoppeld van het frame. De bron is bijvoorbeeld een luchtkanon die een puls uitzendt in het bereik van 10Hz - 3kHz. De bron kan op afstand zijn opgesteld maar kan bij voorkeur ook in of aan de 15 inrichting 1 zijn bevestigd. De afstand tussen hydrofoons 3 dient te worden afgestemd op een frequentiebereik van de akoestische signalen en kan enkele tientallen centimeters bedragen. Een voorkeursafstand voor een geometrie, waarbij een indringdiepte van enkele meters in de zeebodem wordt verschaft is een hydrofoonopstelling van twee rijen met elk twintig 20 hydrofoons, in een onderlinge afstand van een meter opgesteld. De rijen zijn daarbij op een afstand van 2-20 meter van elkaar opgesteld, bij voorkeur ca. 5 meter. Hierdoor kan de werkwijze worden toegepast voor het opsporen van objecten in een zeebodem, waarbij de gekozen akoestische frequentie zodanig laag is dat een indringdiepte in de zeebodem varieert van 0- 10 25 meter, waarbij de detectie plaatsvindt van een hoogte variërend van 10-500 meter boven het bodemoppervlak en waarbij de array-opstelling zodanig is dat een te onderzoeken gebied zich bevindt in het zijwaartse hoekbereik van 20 - 70 °. Genoemde intervallen dienen als voorbeeld, ook buiten deze intervallen kunnen in de praktijk goede resultaten worden geboekt.

l '· y j; ύ * O

- * ^ > f » ï \ $· 6

In figuren 2 en 3 is weergegeven hoe de opstelling 1 in bedrijf actief is. De hydrofoonarrays 2 worden onder een schip 6 gehangen dat naar een van belang geacht gebied is gevaren. Het schip wordt stationair ten opzichte van het gebied gehouden, en door de bron 4 worden signalen uitgezonden.

5 Door de specifieke arrayopstelling worden verschilsignalen buiten het van belang geachte gebied 7 op verder bekende wijze onderdrukt. Het bestudeerde gebied 7 is derhalve een smalle strook van de bodem die dwars op de lengterichting van de inrichting 1 is gericht. Daarbij is de breedte van de strook afhankelijk van de lengte van de arrays 2. Bekende technieken 10 zoals de synthetische apertuur kunnen worden toegepast voor een verdere verhoging van de resolutie van de hydrofoonopstelling. In figuur 3 is verder weergegeven dat het frame 1 enigszins over een hoek α ten opzichte van een verticale richting van de opstelling kan worden gevarieerd. Hierdoor kan een optimale gevoeligheid worden ingesteld.

15 In figuur 4 is een schematische opstelling weergegeven waarin met een vereenvoudigd rekenvoorbeeld de werkwijze van de uitvinding kan worden toegepast. In de figuur is op een eerste hoogte een bron sl en een hydrofoon hl gelokaliseerd, op coördinaat (0,3). Op een tweede hoogte is een bron s2 en een hydrofoon h2 gelokaliseerd, op coördinaat (0,2). Een signaal, 20 uitgezonden door sl of s2 reflecteert via een positie d op de zeebodem op coördinaat (4,0). Een object b ligt onder de zeebodem op coördinaat (3,-1). Het looptijdverschil tussen een reflectie via b of d is volgens het navolgende rekenvoorbeeld indicatief voor de aanwezigheid van het object b in de zeebodem. Volgens een eerste meting legt een signaal een weg 11 af van sl 25 via d naar hl ter grootte van 10 m. (d.w.z. 2x V42 +32 ). In een tweede meting legt een signaal via een weg van s2 naar d naar h2 ter lengte 12 = 8.94m af (d.w.z. 2x v42 + 22 ). Een tijdverschuiving ("compressie") voor dit punt met een factor 0.894 zal het signaal op hl laten samenvallen met het signaal op h2.

7

Vervolgens wordt dezelfde compressiefactor toegepast bij een reflectie via een in de bodem begraven object b. De signaalpadlengte 11' van sl via b naar hl is wederom 10m (na compressie derhalve 8.94). De signaalpadlengte 12' is nu echter veranderd: deze loopt van s2 via b naar h2 5 en bedraagt derhalve 2x λ/32 + 32 = 8.49. Dit betekent dat gebruik makend van een compressiefactor 0.894 er een verschil optreedt van 0.45 m (te weten: 8.94-8.49) resulterend in een verschilsignaal waarin de reflectie van b zichtbaar wordt. Dit loop tijdverschil is waarneembaar en is indicatief voor de aanwezigheid van een object b in de bodem.

10 In figuur 5a is een schematische opstelling in 2D weergegeven, waarbij twee hydrofoons 8, 9zijn opgesteld op 10 en 10.5 meter boven een , gemodelleerd oppervlak 10 met 400 diffractors die een gelijke afstand van 5 cm ten opzichte van elkaar hebben, maar een willekeurige hoogte tussen 0 en 20 cm bezitten. Gebruik werd gemaakt van een pulsvorm in een 15 frequentiegebied van 1 tot 3 kHz. De bron 11 was opgesteld op een hoogte van 10 meter. In fig. 5b is een signaal weergegeven zoals dit door een van de hydrofoons 8 of 9 is ontvangen. Een reflecterend object 12 was gemodelleerd op 10m afstand van de verticaal, 1 meter onder het bodemoppervlak.

Figuur 5c toont een overblijvend signaal 13 en omhullende 14 na 20 tijdcorrectie en aftrek van het referentiesignaal. Duidelijk is de respons te zien tengevolge van de aanwezigheid van het object 12. De verschuiving in de x-richting (de piek 15 ligt voorbij de 10m) komt doordat het onder het oppervlak gelegen object 12 langs een cirkelbaan met als middelpunt de ontvanger naar het oppervlak 10 wordt geprojecteerd; m.a.w., de piek geeft 25 de radiele afstand weer van ontvanger tot object. Door het herhalen van de meting vanuit een tweede positie, kan de werkelijke locatie van het object, en de diepte waarop het object zich onder de bodem bevindt, worden bepaald.

· .' ··' , ;·η ; H

8

Hoewel in het voorbeeld van figuren 5a-c een vlakke bodemgeometrie is gemodelleerd, spreekt vanzelf dat de methode ook kan worden toegepast bij andere bodemgeometrieën, die door middel van dieptemeting zijn bepaald. Zulke metingen kunnen worden uitgevoerd met 5 conventionele bathymetrie, zoals bijvoorbeeld een hoogfrequente interferometrische side-scan.

De uitvinding is niet beperkt tot de in de beschrijving weergegeven voorbeelden maar omvat ook allerlei variaties en modificaties daarvan. Dergelijke variaties worden geacht te liggen binnen de reikwijdte van de 10 uitvinding, zoals gedefinieerd in de navolgende conclusies.

Claims (14)

1. Werkwijze voor het opsporen van objecten op of in de bodem, omvattende de stappen van: - het uitzenden van één of meerdere akoestische signalen naar de bodem, zodat na reflectie ten minste een eerste en tweede reflectiesignaal 5 van het bodemoppervlak door ontvangstorganen wordt ontvangen, en - het detecteren van een looptijdverschil tussen eerste en tweede reflectiesignalen; met het kenmerk, dat de werkwijze de verdere stappen omvat van: - het op een vaste positie boven het bodemoppervlak in een reeks 10 opstellen van de bronnen en/of ontvangstorganen; - het berekenen van een looptijdverschil uit een weglengteverschil van de reflectiesignalen, onder de aanname dat de reflectiesignalen door het bodemoppervlak zijn gereflecteerd, waarbij het bodemoppervlak is gemodelleerd volgens een voorbepaalde geometrie; 15. het afleiden van de aanwezigheid van een object op of in de bodem door het vergelijken van het gedetecteerde looptijdverschil met het berekende looptijdverschil.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de werkwijze verder de stappen omvat van: 20. het uitzenden van een pulssignaal; en - het ontvangen van een reflectiesignaal door twee op verschillende posities ten opzichte van het bodemoppervlak opgestelde ontvangstorganen.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de werkwijze verder de stappen omvat van: 1 Π9ΠΑ1 ft - het berekenen van een gecorrigeerd reflectiesignaal door het in de tijd verschuiven van het eerste reflectiesignaal over een tijdsinterval overeenkomend met het berekende looptijdverschil; - het bepalen van een verschilwaarde door aftrek van het gecorrigeerde 5 eerste reflectiesignaal en het tweede reflectiesignaal, welke verschilwaarde indicatief is voor de aanwezigheid van een object op of in de bodem.

4. Werkwijze volgens ten minste één van de voorgaande conclusies, waarbij in een eerste detectie de ontvangstorganen op een eerste positie zijn opgesteld, uit welke detectie een radiele afstand van een object tot de 10 ontvangstorganen kan worden afgeleid, en waarbij vervolgens in een tweede detectie de ontvangstorganen op een tweede positie zijn opgesteld, zodat < door middel van triangulatie de positie van het object kan worden bepaald.

5. Werkwijze volgens ten minste één van de voorgaande conclusies, waarbij een correctie wordt toegepast voor het berekende amplitudeverschil 15 ten gevolg van een berekende weglengteverschil van de reflectiesignalen.

6. Werkwijze volgens ten minste één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de werkwijze wordt toegepast voor het opsporen van objecten in een zeebodem, waarbij de gekozen akoestische frequentie zodanig laag is dat een indringdiepte in de zeebodem varieert van 0-20 20 meter, waarbij de detectie plaatsvindt van een hoogte variërend van 3-500 meter boven het bodemoppervlak en waarbij de array-opstelling zodanig is dat een te onderzoeken gebied zich bevindt in het zijwaartse hoekbereik van 5 - 70

7. Werkwijze volgens ten minste één van de voorgaande conclusies, met 25 het kenmerk, dat een looptijdverschil wordt berekend onder de aanname dat het bodemoppervlak een vlakke geometrie heeft. 'i ‘j ; m» J :i ύ

8. Werkwijze volgens ten minste één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat een loop tijdverschil wordt berekend na het vaststellen van de bodemgeometrie door middel van bathymetrie.

9. Werkwijze volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de bathymetrie 5 wordt uitgevoerd door middel van een echolood of hoogfrequent side-scan interferometrie.

10. Inrichting voor het opsporen van objecten op of in de bodem volgens de werkwijze van ten minste één van de conclusies 1- 9, omvattende ten' minste twee evenwijdige, op afstand van elkaar opgestelde arrays van 10 hydrofoons met bevestigingsmiddelen om de inrichting in gebruik onder een vaartuig op te stellen, zodat de arrays ten opzichte van elkaar in hoogte verschillen ten opzichte van de bodem, en een akoestische bron die op een vaste hoogte ten opzichte van de arrays is aangebracht, welke akoestische bron is ingericht voor het uitzenden van een akoestische puls in een laag 15 frequentiespectrum dat geschikt om de zeebodem enkele meters te kunnen doordringen.

11. Inrichting volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de afstand tussen de arrays instelbaar is.

12. Inrichting volgens conclusie 10 of 11, met het kenmerk, dat de 20 akoestische bron tussen de arrays is opgesteld.

13. Inrichting volgens ten minste één van de conclusies 10-12, met het kenmerk, dat de inrichting in bedrijf kantelbaar over een hoek ten opzichte van een verticale richting van de opstelling.

14. Inrichting volgens ten minste één van de conclusies 10-13, met het 25 kenmerk, dat de werkdiepte van de inrichting instelbaar is. 1 i's Ag 1 g