NO334516B1 - Fremgangsmåte for å bestemme gjennomsnittlig lydhastighet i en vannmengde - Google Patents

Abstract

Nøyaktigheten ved undersøkelse av profiler i en vannmengde, med andre ord, beregning av dybdeverdier for en vannmengde, er vesentlig avhengig av bestemmelsen av lydens gjennomsnittshastighet. Spesielle inspeksjonsteknikker blir benyttet, hvilke er meget komplekse og forsinker undersøkelsesprosessen, ved avbrytelse av sveipe prosessen. Skulle spor av sveipet bli lagt ut, slik at de undersøkt båndene overlapper på nesten parallelle spor, kan en korreksjonsfaktor bli beregnet utfra helningen på profilen, med hvilken en estimert verdi for gjennomsnittlig hastighet på lyden kan bh forbedret. En dobbel iterasjon er tilstrekkelig til å føre til optimale resultater. Undersøkelser av vannmengder blir forbedret og gjort mye raskere i grad med frakoblet evaluering på slutten av undersøklesesveipet.

Description

Fremgangsmåte for å bestemme gjennomsnittlig lydhastighet i en vannmengde

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for bestemmelse av gjennomsnittlig lydhastighet i vann med et ekkolodd av den type som er angitt i innledningen i krav 1.

På forsknings- og oppmålingsskip blir det anvendt ekkolodd, som tjener til kartlegging og eksploatere vann.

Fra EP 629879 A2 er det kjent et vifteformet dybdeloddeinstrument som mottar de utsendte ultralydpulser igjen i et stort antall av nært fokuserte mottakssektorer.

Fra US 5422860 A er det kjent et system og metoder for hurtig bestemmelse av den relative hastigheten mellom et sonarsystem og en refleksiv overflate.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere forklart ved hjelp av tegninger av angitte utførelseseksempler. De viser:

Fig. 1 en fremstilling av målegeometrien,

Fig. 2 et bunnprofilutsnitt for fremstilling av romverdier, dybdeverdier og

stigning,

Fig. 3 et trackforløp med overlappende,

Fig. 4 overlappende ekkolodd med forskjellige stigning i overlappingsom rådet,

Fig. 5 et flytdiagram,

Fig. 6 et blokkskjema av et ekkolodd.

For å beskrive målegeometrien er det i Fig. 1 angitt et vanngående fartøy 10, som i det etterfølgende blir betegnet målefartøy 10, på vannoverflaten 20 på vannet 30. Dybden eller dybdeverdien T (i) til vannet på hvert målepunkt blir bestemt av bunnprofilen 40. Målefartøyet 10 er utstyrt med et ekkolodd, hvis vifte prinsipielt blir kjennetegnet med de delvis angitte sektorene. De enkelte sektorene er betegnet med tallverdiene for indeks i. Således er for den loddrette loddlinjen 50 mot høyre påført sektorene 1 til 7 og til venstre sektorene -1 til -3 til ekkoloddet. Sektorene blir i det etterfølgende også betegnet som mottakingsinnretninger.

Fra målefartøyet 10 blir det sendt ut en sendeimpuls, som blant annet blir spredt i mottakingssektor 5 på bunnen 40 henholdsvis blir reflektert og når lydstrålen 60 i mottakingsomformeren i målefartøyet 10. På den måten oppviser tangentene 61 til lydstrålen 60 den på kjølen målte vinkel a (i) med hensyn på loddretning 50. Den målte eller innstillbare vinkel a (i) blir midlere mottakingsvinkel am (i) i forhold til lydhastigheten ved kjølen Ck og den midlere lydhastigheten cm korrigert i vann og således tilordnet den korrigerte mottakingsinnretning i, her er i = 5. Sammenhengen mellom formelstørrelsene er beskrevet ved hjelp av likning 1.

Med en antagelse om en midlere lydhastighet cma, for eksempel cma= 1500 m/s kan den midlere mottakingsvinkel am (i)for hver sektor av ekkoloddet og dermed for hver mottakingsinnretning bli bestemt i henhold til 2:

Med hensyn til hver mottakingsinnretning i den målte løpetiden til loddimpulsene fremkommer således tilordnede dybde T (i) og rom A (i) til I Fig. 2 er det vist en bunnprofil og ekkoloddet med sektorene -3 til 4. Med den i disse sektorene målte løpetider blir bunnprofilen 41 beregnet, hvilken oppviser et sterkt krumt forløp. Denne bunnprofilen 41 avviker således sterkt mellom mottakingsinnretning -3 og 4 fra det reelle forløp til vannbunnen og kan tilnærmes ved hjelp av en korde 42. Stigningen til denne korden 42 kan bli beregnet som midlere stigning S til bunnprofilen 41 etter likning 5 idet T(-3), T(4) er de beregnede dybdeverdiene såvel som A(-3), A(4) er de beregnede romverdiene til hver av mottakingssektorene.

Denne midlere stigningen S blir beregnet, ved at stigningen til bunnprofilen for hver mottakingsinnretning -3 til 4, blir bestemt som stigningen til korden mellom dybdeverdien til mottakingsinnretninger som ligger ved siden av hverandre og fra alle disse stigningene blir den midlere stigningen mellom de ytre mottakingsinnretningene -3 til 4 av sektorene beregnet ved lineær regresjon. Fortrinnsvis skjer dette med målefeilsspredning med utjevning. Stigningen S på bunnprofilen som blir bestemt på denne måten, som vist i Fig. 4, blir utnyttet til korreksjon av midlere lydhastighet cma.

I følge Fig. 3 er fartøyet med måleinnretningen angitt med en pil i et spor i det området som skal måles, som med to motsatt løpende spor 97 og 98 er angitt med et krumt overgangsområde 99. På den måten fremkommer som projeksjoner de angitte loddfølgene 101 til 107, som parvis overlapper i overlappingsområdet 100 mellom track 97 og 98. På denne måten blir med hensyn på fartsretningen fra høyre del av ekkoloddet loddrekkefølgen 102 nesten omfatte de samme bunnelementene som for høyre del av ekkoloddet med loddrekkefølgen 107, slik at ved løpetidsmåling av dette må samme dybdeverdier og dermed samme stigning bli oppnådd.

I Fig. 4 er loddrekkefølgen 102 og 107 fremstilt i et snitt gjennom vannet med vannoverflaten 20 og vannbunnen 40. Track 97 nr 1 ligger Loddrekkefølgen 102 til 107 overlapper i overlappingsområdet 100 og på grunn av den direkte løpetidsmålingen til beregnende dybdeverdier T (t-i) fremkommer bunnprofilene 43 og 45. Disse bunnprofilene 43 og 45 har i overlappingsområdet signifikant forskjellige midlere stigning som tilsvarer kordene 44 og 46, som også avviker fra et nesten plant forløp til bunnen 40. Dette avviket blir fremkalt ved spredningsegenskapene til lyd i vann, særlig ved lydbølgeforløp i avhengighet av hver lydhastighet og kan av den grunn bli benyttet til beregning av korreksjon av den antatte midlere lydhastighet cma.

Avviker stigningene Si og S2fra kordene 44 og 46 ubetydelig, så er den antatte midlere lydhastigheten Cmakorrekt. I motsatt fall blir ved systematisk endring den midlere lydhastigheten cmaog dybdeverdien T (i) til 1. track 97 og 2. track 98 beregnet på nytt inntil det blir oppnådd en optimal overensstemmelse med stigningen Si0g S2. Denne fremgangsmåten blir således vesentlig forenklet ved at den midlere lydhastigheten cmablir forandret med en forhåndsgitt liten verdi, for eksempel Acm= 1 m/s. Med måleverdiene til 1. track 97 foregår så en beregningen av en tredje Stigning S3i overlappingsområdet 100 og med måleverdiene til 2. tracks 98 blir en fjerde stigning S4beregnet. Differansen mellom stigningene S2- Si blir satt til differansen til stigningen S4- S3iforholdet og resulterer i en korreksjonsfaktor k

for korreksjonsverdien Acmog dermed en korrigert midlere lydhastighet c'ma

En ytterligere anvendelse av denne fremgangsmåten fører som regel til en optimal verdi av den opptatte midlere lydhastigheten cmahenholdsvis c'ma.

Ved hjelp av flytdiagrammet i Fig. 5 blir vurderingen av mottakssignalet i følge foreliggende oppfinnelse gjort tydeligere.

Med hensyn på den utstrålende sendeimpulsen blir fra ekkoloddet i hvert av de ca 80 mottakingssektorene fra bunnen av vannet reflekterende loddimpuls mottatt og for hver mottakingsinnretning blir løpetiden t (i) til loddimpulsen målt. For den etterfølgende vurdering blir disse løpetidene t (i), de antatte midlere lydhastighetene cmaog den ved kjølen målte lydhastighet Ck overført til dybde-rom-datamaskin 110 og videre fremstilles geometriske forhold, som vist i Fig. 1, og dybden T (i) i treffpunktet i henhold til likning 3 og rommet A (i) fra loddlinjen i følge likning 4 blir bestemt.

Dersom ved måling av vann at dybdeangivelsen må foreligge i et terristisk, for eksempel et kartesisk koordinatsystem, etter geografisk lengde og bredde, står i koordinatberegneren 120 posisjons- og navigasjonsdataene til målefartøyet, som blant annet kan bli nøyaktig målt med midlet GPS-satelittnavigasjon, på ethvert sted der tracks står til rådighet. Dermed ligger posisjonen til fartøyet (se Fig. 3) nøyaktig fast og romverdien til bunnelementet angir hver loddrekkefølge, som tverrfjerning av bunnelementet med hensyn på hver posisjon til målefartøyet, og kan bli omregnet til geografiske lengde- og breddeangivelser. Deretter blir det fra måledataene av to ved siden av hverandre liggende tracks, som hver måler loddrekkefølgen, ved hvilke de geografiske koordinatene til romverdiene overensstemmer henholdsvis de adskiller seg bare ved en ubetydelig forhåndgitt avstand. For eksempel for to loddrekkefølger 102 og 107 blir på grunn av deres geografiske koordinater overensstemmende romverdier bestemt i overlappingsområdet 100 i Fig. 3 og 4, hvis dybde- og romverdi i ettertilkoblede stigningsberegner 130 ytterligere bearbeidet. Når også bestemmelsen av overlappingsområdet 100 med loddrekkefølge 102 og 107 på grunn av koordinater må følge, så kan den videre bearbeiding av måledataene absolutt med en egnet en- eller to dimensjonal indusering bli lagt til grunn. I den videre beskrivelsen blir således indeksen i også bli benyttet for å kjennetegne dybden T (i) og rom A (i).

Etterhverandrefølgende måledata av loddrekkefølgen 107 og 102 i Fig. 4 har dybdeverdier T (i) og romverdi A (i) som følge at overlappingsområdet 100 hver danner et avsnitt av bunnprofilen 45 og 43.1 stigningsdatamaskinen 130 blir først for etterhverandrefølgende romverdiene A (i) til hver loddrekkefølge 102 og 107 i Fig. 4 enkelt-stigningen til hvert bunnelement beregnet og med disse stigningsverdiene under anvendelse av beregningsfremgangsmåter med lineær regresjon blir den midlere stigningen til gulvprofilen 43 og 45 bestemt i overlappingsområdet 100. Denne midlere stigningen blir med Si og S2og tilsvarende stigning til kordene 44 og 46. Den første stigningen Si for loddrekkefølgen 102 og den andre stigningen S2for loddrekkefølgen 107 blir sammenliknet i prøveoperasjonen 135 og evaluert den for beregning av A (i) og T (i) som startverdi eller bekreftet antatt midlere lydhastighet cmasom ytterligere tillatte verdi, når differansen i stigningen S2minus Si er mindre enn 1 %° (?) til stigningen Si eller S2. Er dette kriteriet tilfredsstilt blir iterasjonen avsluttet i avgjørelsestrinnet 140 og datautgivelsesenheten 145 aktivert.

Dersom startverdien til den antatte midlere lydhastigheten cmablir bestemt utilstrekkelig, blir denne startverdien variert med en korrekturverdi, for eksempel Ac = 1 m/s. I dybde-rom-datamaskinen 110 blir romverdien A (i) og dybdeverdien T (i) til loddrekkefølgen 107 og 102 beregnet på nytt. Likeså må de geografiske koordinatene til de målte bunnelementene, overlappingsområdet og stigningen likeledes beregnes på nytt. Ved hjelp av lineær regresjon i regneenhet 130 blir for bunnprofil 43 til loddrekkefølge 102 beregnet en tredje stigning S3og for bunnprofil 45 til loddrekkefølge 107 en fjerde stigning S4. Med stigningsdifferansen S2minus Si og S4minus S3blir ved kvotientdannelse bestemt en korrekturfaktor k i henhold til likning 6, med denne blir korrekturverdien til lydhastigheten Acmmultiplisert og en forbedring av de evaluerte startverdiene til midlere lydhastighet c-ma foretatt i følge likning 7. Med den forbedrede midlere lydhastigheten c'ma blir ved ny beregning romverdien A (i) og dybdeverdien T (i) optimert. Erfaringsmessig fører allerede en toganger anvendelse av denne iterasjonen til et optimalt resultat for den antatte midlere lydhastigheten cmaog dermed til meget nøyaktige dybdeverdier.

Ved flere ganger gjennomføring av denne iterasjonsprosessen i følge Fig. 5 kan man oppnå meget høy nøyaktighet for korrektur av målingene. Tilsvarende simulering har imidlertid vist at allerede ved to ganger iterasjon gir den innen måleteknikken nødvendige nøyaktighet.

Det prinsipielle blokkdiagrammet i Fig. 6 viser et ekkoloddanlegg i et målefartøy. Det finns en sendeomformer 80, en mottaksomformer 81 og en lydhastighetssensor 82 for måling av lydhastighet Ck forbundet til kjølen av fartøyet med et ekkolodd 85. Vanligvis benytter ekkoloddet 85 samtlige navigasjons- og fartøysdata, som kurs, hastighet, posisjon etter geografisk lengde og bredde, rulle-, stampe- og giervinkel og så videre, for å muliggjøre en nøyaktig kartlegging av måleresultatene. Disse dataene blir tilført over navigasjonssnittstedet 86. Med ekkoloddet 85 er dessuten forbundet med en datavisning i form av en dataskjerm 87. Videre er den utstyrt med en regneenhet 90, i hvilken de i følge oppfinnelsen korrekturene til midlere lydhastighet for nøyaktig beregning av dybdeverdiene og dermed blir bunnprofilen bestemt.

Sendeomformeren 80 oppviser en retningskarakteristikk, som er innrettet på tvers av fartsretningen, for å sende ut lyd i hele sektoren, som fra mottakingsviften til mottakingsomformeren 81 er utildekket. I langsgående retning av fartøyet er sendeomformeren 80 sterkt buntet, for å konsentrere lydstrålingen i nytteområdet.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for bestemmelse av gjennomsnittlig lydhastighet med ekkolodd som er installert på et vanngående fartøy, som på grunn av hver utløste sendeimpulserfor et antall angitte mottaksinnretninger i bunnelementene reflekterer henholdsvis oppfanger loddimpulsene, måler deres gangtid og beregner fra gangtiden en dybdeverdi for gjennomsnittlig lydhastighet med en kjent regresjonsfremgangsmåte, karakterisert vedat fartøyet (10) som skal undersøke vannmengden (40) fører minst to i det vesentlig parallelle tracks (97, 98) slik at vifteloddene (102,107) overlapper at for en følge av bunnelementer i overlappingsområdet (100) til vifteloddene (102,107) av minst to tracks (97, 98) med løpetidsmålinger t (i) til hver loddinnretning beregner de tilhørende dybdeverdiene T (i) og stigningen S blir bestemt ved den dybdeverdi målte vannbunnprofil, idet en 1. stigning med løpetidsmålingen av 1. tracks (97) og en 2. stigning S2med løpetidsmåling av 2. tracks (98) blir bestemt, og forhåndsverdi for midlere lydhastighet cmaderetter blir korrigert, når en ved en sammenlikning av 1. og 2. stigning beregnet stigningsdifferens avviker fra et forhåndsgitt minimum.

2. Fremgangsmåte i følge krav 1, karakterisert vedat det for beregning av korreksjonsverdi til forhåndsgitt verdi av må lydhastigheten cmabli endret med et lite beløp, fortrinnsvis Ac = 1 m/s, som for følge av bunnelementene med de endrede forhåndsverdiene til lydhastigheten cma, med løpetidsmålingen t (i) til 1. track en 3. stigning, vannmengdeprofilen , med løpetidsmålinger t (i) til 2. tracks en 4. stigning S4og av 3. og 4. stigning blir beregnet en 2. stigningsdifferanse, som blir beregnet med forhold k til 1. og 2. stigningsdifferanse av korreksjonsverdien til forhåndsverdien til lydhastigheten cmablir målt og at med den korrigerte forhåndsverdien til lydhastigheten til 1. stigningsdifferansen for sammenlikningen blir beregnet på nytt.

3. Fremgangsmåte i følge krav 1 eller 2, karakterisert vedat for hver track (97, 98) blir stigningen Si, S2, S3, S4i vannmengdeprofil (41, 43, 45) i overlappingsområdet (100) beregnet ved anvendelse av lineær regresjon på den for hvert enkelt bunnelement bestemte lokale stigning i vannmengden.

4. Fremgangsmåte i følge krav 1 eller 2, karakterisert vedat overfarten av vannmengden (40) foregår ved etterhverandre løpende tracks (97, 98).

5. Fremgangsmåte i følge et av kravene 1 til 3,karakterisert vedat den parallelle avstanden mellom tracksene (97, 98) er bestemt av målegeometrien til ekkoloddet (85).

6. Fremgangsmåte i følge kravene 1 til 5, karakterisert vedat posisjonen til fartøyet (10) blir målt ved hjelp av et satelittnavigasjonssystem og de i posisjonen til fartøyet (10) relaterte bunnelementer blir bestemt i et terrestrisk koordinatsystem etter geografisk lengde og bredde.