WO2015110255A1 - Vorrichtung und verfahren zur meeresboden seismischen vermessungen mit einem u-boot - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur meeresboden seismischen vermessungen mit einem u-boot Download PDF

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WO2015110255A1
WO2015110255A1 PCT/EP2015/000090 EP2015000090W WO2015110255A1 WO 2015110255 A1 WO2015110255 A1 WO 2015110255A1 EP 2015000090 W EP2015000090 W EP 2015000090W WO 2015110255 A1 WO2015110255 A1 WO 2015110255A1
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Henrik BRANDT
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Thyssenkrupp Marine Systems Gmbh
Thyssenkrupp Ag
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    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/38—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting specially adapted for water-covered areas
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    • G01V1/38—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting specially adapted for water-covered areas
    • G01V1/3817—Positioning of seismic devices

Definitions

  • the present invention is based on a device for studying the seabed condition.
  • Such devices are known from the prior art and are used, for example, to search for oil or gas deposits on the seabed.
  • This seismic sources are used, which are towed by ships on the sea surface through the water and whose signals reflected at the seabed are recorded by means of hydrophones. From the recorded signals three-dimensional images of the seabed can be determined. The hydrophones are towed by the ships or buoys floating on the surface.
  • a disadvantage of these known devices is that only ice-free waters can be navigated with the aforementioned ships. An analysis of seabed conditions in the area of permanently ice-covered waters, such as in the Arctic, is not possible.
  • the device comprises a drive unit for moving the device through the water, a sound source for emitting sound waves in the direction of the seabed, a hydrophone arrangement with a plurality of hydrophones for receiving the emitted from the sound source and sound waves reflected from the seabed and an evaluation unit for determining the seabed condition as a function of the sound waves recorded by means of the hydrophone arrangement, the drive unit comprising a submarine for hauling the hydrophone arrangement under water.
  • the device according to the invention has the advantage over the prior art that the sound source and the hydrophone arrangement are moved or towed by a submarine, so that a study of the seabed is also possible in ice-covered waters, in that the submarine goes into diving and so can dunk under the ice. In this way, for example, a year-round study of the seabed in the Arctic region is possible. In particular, the investigation of the seabed conditions serves to obtain a three-dimensional image of the soil structure and thus to draw conclusions about possible gas or oil deposits in the seabed.
  • the submarine can be a manned submarine or an unmanned submarine.
  • the submarine includes a remote-controlled unmanned submarine or a preprogrammed unmanned submarine, which, for example, autonomously departs a pre-programmed area.
  • a manned submarine is used, the sound waves are preferably sent focused toward the seabed, for example, by a funnel-shaped arrangement of the sound source so that the crew of the submarine is not endangered.
  • the hydroformed assembly comprises a plurality of hydrophone chains, wherein each hydrophone chain has a carrier and a plurality of hydrophones lined up behind one another on the carrier.
  • the hydrophone chains are preferably arranged side by side, essentially in a common horizontal plane.
  • a planar matrix of many hydrophones is thus spanned in the horizontal plane, which detect the sound signals reflected at the seabed.
  • the device has at least one diverting unit towed by the submarine, which is fastened to the submarine via a diverting means and which extends along a transverse direction perpendicular to the direction of travel of the submarine Boat is staggered.
  • the diverter unit makes it possible to fan out the various hydrodynamic Sound chains along the transverse direction perpendicular to the direction of travel, so that the widest possible matrix of hydrophones is achieved and thus the largest possible seabed area can be analyzed during a single run over by the submarine.
  • the respective diverter unit is towed by the diverterstoff, in particular a limp towline, from the submarine.
  • the towline can be, for example, a beaten or braided rope made of wires, natural fibers or synthetic fibers, such as carbon fibers or polyethylene fibers.
  • the at least one diverter unit is coupled to the hydroforming chains via at least one traction means and is towed offset from the submarine in such a way that the hydrophone chains are spaced apart from one another via the at least one traction means in the horizontal plane. It is particularly preferable for exactly one diverter unit to be arranged on both sides of the hydrophone arrangement, which is in each case towed by the submarine via a diverting means.
  • the hydrophone chains are preferably arranged along the transverse direction between the two diverter units, wherein the two diverter units are also directly connected to one another via the traction means parallel to the transverse direction.
  • the traction means also comprises in particular a pliable leash, for example in the form of a beaten or braided rope of wires, natural fibers or synthetic fibers, such as carbon fibers or polyethylene fibers.
  • the traction means prevents the two Diverterizien diverge too far along the transverse direction.
  • the traction means extends substantially parallel to the transverse direction and wherein the traction means for each hydrophone chain has a loop through which passes the corresponding hydrophone chain.
  • the at least one diverter unit preferably has a streamlined base body, at least one rudder attached to the base body, and preferably at least one elevator attached to the base body.
  • the trimmable or fixed rudder is in each case oriented in such a way that the diverter units arranged on both sides of the hydrophone arrangement move apart along the transverse direction as they travel through the water and thus the maximum distance between the two diverter units predetermined by the traction means is maintained.
  • the submarine has at least one wing, wherein at least one of the hydrophone chains and / or the at least one diverter means is fastened to the at least one wing.
  • the wing has at least one winch on which the at least one hydrophone chain and / or the at least one divertersch is attached.
  • the winches are driven in particular via a hydraulic motor or an electric motor, so that an automated deployment or retrieval of the diverter units and / or the hydrophone chains is made possible by corresponding rotation of the winches.
  • the wing simultaneously comprises an elevator of the submarine.
  • Another object to solve the aforementioned object is a method for studying the seabed condition, in particular by means of the device according to the invention, wherein a sound source is moved through the water by means of a submersible located in submarine sound emitted by the sound source sound waves in the direction of the seabed be, where by means of submarine immersed in a hydrophone assembly is towed through the water, said by means of the hydrophone order emitted by the sound source and reflected from the seabed
  • the submarine may be a manned submarine or a remote unmanned submarine. It is also conceivable that the submarine includes a remote-controlled unmanned submarine or a preprogrammed unmanned submarine, which, for example, autonomously departs a pre-programmed area. If a manned submarine is used, the sound waves are preferably sent focused toward the seabed, for example, by a funnel-shaped arrangement of the sound source so that the crew of the submarine is not endangered.
  • the sound waves emitted by the sound source and reflected by the seabed are picked up by means of a hydrophone arrangement comprising a plurality of hydrophone chains, the hydrophone chains being moved by means of a diverter unit towed by the submarine along a direction of travel of the U-Boots vertical transverse direction be spaced.
  • a comparatively large matrix of hydrophones is thus fanned out in the horizontal plane of the submarine, so that a correspondingly large seabed area can be analyzed when driving over once.
  • At least one rudder and / or at least one elevator of the diverter unit is controlled via a signal line running in a hydrophone chain and / or in diverter means for hauling the diverter unit.
  • a signal line running in a hydrophone chain and / or in diverter means for hauling the diverter unit is controlled via a signal line running in a hydrophone chain and / or in diverter means for hauling the diverter unit.
  • the hydroformed chains are applied by means arranged in a wing of the submarine Win.
  • the winches are each driven by means of hydraulic or electric motors, so that an automated deployment and retrieval of the hydrophone chains and / or Diverterizien is made possible.
  • FIG. 1 shows a schematic plan view of a device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows a schematic side view of the device according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows a schematic detail view of a sound source of the device according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows a schematic detail view of two wings of the device according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 shows a schematic detail view of a diverter unit of the device according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows a schematic detail view of a traction device of the device according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic plan view of a device 1 for examining the seabed condition according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the device 1 has a submarine 2, which is in dive travel and thus moves below the sea surface through the water along a direction of travel 3.
  • the submarine 2 has on each side of a wing 4, in which optionally each elevator of the submarine 2 is integrated.
  • a drive screw 5 of the submarine 2 is schematically indicated in the rear region of the submarine 2.
  • a sound source 6 is further arranged, which is not shown in Figure 1 for reasons of clarity.
  • a hydrophone assembly 7 is attached, which consists of a plurality of hydrophone chains 8.
  • Each hydrophone chain 8 has a pliable carrier and a plurality of hydrofranules 11 lined up one behind the other on the carrier.
  • the hydrophone chains 8 are each attached at one end to one of the two wings 4, while the other end of each hydrophone chain 8 is towed as a free end.
  • the hydrophone chains 8 are dragged and thus swim substantially horizontally parallel to the direction of travel 3 in the water.
  • Each hydrophone chain 8 in this case has the plurality of hydrophones 11, which are lined up along the hydrophone chains 8 at regular intervals one behind the other. It can also be seen in FIG.
  • FIG. 2 shows a schematic side view of the device 1 according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • the hydrophone assembly 7 is submerged by means of the submarine 2, d. H. below the water surface 13, dragged through the water. In this way, the hydrophone assembly 7 can also be used in areas below located on the water surface 13 ice floes 14.
  • the sound source 6 is attached via a towline 16, which emit sound waves 12 in the direction of the seabed 15.
  • these underwater sound waves 15 are schematically indicated by arrows in FIG.
  • the sound waves 15 are reflected back towards the water surface 13 and impinge on the hydrophone arrangement 7.
  • the sound waves 12 reflected from the seabed 15 are picked up and transmitted to an evaluation unit (not shown) , It is conceivable that the evaluation unit is arranged in the submarine 2 and that the recorded signals are transmitted from the hydrophones 11 by means of signal conductors embedded in the hydrophone chains 7 to the evaluation unit. With the knowledge of the position of the receiving hydrophone 11 in the matrix, the recorded signals and their transit times allow conclusions to be drawn about the shape and geometry of the sea surface 15 at which the sound waves 12 were reflected. In this way, a determination of the seabed condition is also possible below ice layers 14 floating on the sea surface 13.
  • FIG. 3 illustrates a schematic detail view of the sound source 6 of the device 1 according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • the sound source 6 is connected via the towline 16 to the underside of the wing 4, so that the sound source 6 is towed by the submarine 2.
  • the hydrophone chains 8 emerge from the wing 4 in a streamlined manner.
  • the schematically indicated drive screw 5 is located at the rear of the submarine 2.
  • FIG. 4 shows a schematic plan view of the detail of the two wings 4 of the device 1 according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • a winch 17 is arranged for each hydrophone chain 8, which is driven in each case by a hydraulic or electric motor, not shown, and on each of which a hydrophone chain 8 can be wound up. With the help of the winches 17, the individual hydrophone chains 8 are deployed and recovered.
  • FIG. 5 shows a schematic detail view of a diverter unit 18 of the device 1 according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • the device 1 has such a diverter unit 18 on each side of the hydrophone arrangement 7 (only one side is illustrated in FIG. 5) in order to space the individual hydrophone chains 8 along the transverse direction 9 from one another.
  • the underwater swimming body is attached via a diverting means 20 in the form of a sluggish towline on the submarine 2 and is towed by means of the Diverterffens 20 from the submarine 2 ,
  • the diverter 20 is preferably attached to a separate winch 17 in the wing 4 of the submarine 2 and thus can also be deployed as the hydrophone chains 8 also automated by the submarine 2 and caught up.
  • the two diverter units 18 on each side of the hydrophone arrangement 7 are connected to one another via a traction means 21 running along the transverse direction 9, which traction device likewise comprises a limp leash.
  • the rudders 19 of the two diverter units 18 are aligned such that during the towing process, the two diverter units 18 are driven apart as far as the traction means 21 along the transverse direction 9, and thus the hydraulic arrangement 7 is clamped in the horizontal plane.
  • the Diverter- units 18 are accordingly laterally offset by the corresponding flow of their rudder 19 to the course of the submarine 2 towed by the submarine 2. In this way, the two-dimensional matrix of the hydrophones 8 is clamped.
  • nodes 22 Between the hydrophone chains 8 and the traction means 21 exist nodes 22, which will be explained in more detail below with reference to FIG.
  • FIG. 6 shows a schematic detail view of a traction means 21 of the device 1 according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • the traction means 21 loops 23, through each of which a hydrophone chain 8 extends.
  • the loops 23 ensure that the hydrophone chains 8 are fixed along the transverse direction 9 and thus held at a constant distance 10 from each other.
  • the device 1 has a plurality of pairs of diverter units 18, which are each connected to a traction means 21 with each other.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Untersuchung der Meeresbodenbeschaffenheit vorgeschlagen, welche eine Antriebseinheit zur Bewegung der Vorrichtung durch das Wasser, wobei die Antriebseinheit ein U-Boot zum Schleppen der Hydrofonanordnung unter Wasser umfasst, eine Schallquelle zum Aussenden von Schallwellen in Richtung des Meeresbodens, eine Hydrofonanordnung mit einer Mehrzahl von Hydrofonen zum Aufnehmen der von der Schallquelle ausgesendeten und vom Meeresboden reflektierten Schallwellen und eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Meeresbodenbeschaffenheit in Abhängigkeit der mittels der Hydrofonanordnung aufgenommenen Schallwellen aufweist.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR MEERESBODEN SEISMISCHEN
VERMESSUNGEN MIT EINEM U-BOOT
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Untersuchung der Meeresbodenbeschaffenheit.
Solche Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden beispielsweise zur Suche nach Öl- oder Gasvorkommen auf dem Meeresboden eingesetzt. Hierbei werden seismische Quellen verwendet, welche von Schiffen an der Meeresoberfläche durch das Wasser geschleppt werden und deren am Meeresboden reflektierte Signale mittels Hydrofonen aufgenommen werden. Aus den aufgenommenen Signalen können dreidimensionale Abbilder des Meeresbodens bestimmt werden. Die Hydrofone werden dabei von den Schif- fen oder von an der Oberfläche schwimmenden Bojen geschleppt.
Nachteilig an diesen bekannten Vorrichtungen ist, dass mit den vorgenannten Schiffen nur eisfreie Gewässer befahren werden können. Eine Analyse der Meeresbodenbeschaffenheit im Bereich von permanent mit Eis bedeckten Gewässern, wie beispielsweise in der Arktis, ist nicht möglich.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ver- fügung zu stellen, womit eine Untersuchung der Meeresbodenbeschaffenheit auch in solchen Gewässern möglich ist, in denen die Meeresoberfläche mit Eis bedeckt ist.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung zur Untersuchung der Meeresbodenbeschaffenheit, wobei die Vorrichtung eine Antriebseinheit zur Bewegung der Vorrichtung durch das Wasser, eine Schallquelle zum Aussenden von Schallwellen in Richtung des Meeresbodens, eine Hydrofonanordnung mit einer Mehrzahl von Hydrofonen zum Aufnehmen der von der Schallquelle ausgesendeten und vom Meeresboden reflektierten Schallwellen und eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Meeresbodenbeschaffenheit in Abhängigkeit der mittels der Hydrofonanordnung aufgenommenen Schallwellen aufweist, wobei die Antriebsein- heit ein U-Boot zum Schleppen der Hydrofonanordnung unter Wasser umfasst.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Schallquelle und die Hydrofonanordnung von einem U-Boot bewegt bzw. geschleppt werden, so dass eine Untersuchung des Meeresbodens auch in eisbedeckten Gewässern möglich ist, indem das U-Boot in Tauchfahrt übergeht und somit unter dem Eis hindurchtau- chen kann. Auf diese Weise ist beispielsweise ganzjährig eine Untersuchung der Meeresböden im Bereich der Arktis möglich. Die Untersuchung der Meeresbodenbeschaffenheit dient insbesondere dazu, ein dreidimensionales Abbild der Bodenstruktur zu erhalten und somit einen Rückschluss auf etwaige Gas- oder Ölvorkommen im Meeresboden zu ermöglichen. Das U-Boot kann ein bemanntes U-Boot oder ein unbemanntes U-Boot sein. Denkbar ist auch, dass das U-Boot ein ferngesteuertes unbemanntes U-Boot oder ein vorprogrammiertes unbemanntes U-Boot, welches beispielsweise selbstständig ein vorprogrammiertes Areal abfährt, umfasst. Wenn ein bemanntes U-Boot eingesetzt wird, werden die Schallwellen vorzugsweise fokussiert in Richtung Meeresboden gesendet, beispielsweise durch eine trichterförmige Anordnung der Schallquelle, damit die Mannschaft des U-Boots nicht gefährdet wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Hydrofonanordnung eine Mehrzahl von Hydrofonketten umfasst, wobei jede Hydro- fonkette ein Trägermittel und eine Mehrzahl von hintereinander an dem Trägermittel aufgereihten Hydrofonen aufweist. Die Hydrofonketten sind dabei vorzugsweise im Wesentlichen in einer gemeinsamen Horizontalebene nebeneinander angeordnet. In vorteilhafter Weise wird somit in der Horizontalebene eine flächige Matrix aus vielen Hydrofonen aufgespannt, welche die am Meeresboden reflektierten Schallsignale detektieren. Durch eine Auswertung der verschiedenen Reflektionssignale an unterschiedlichen Orten innerhalb der Matrix sowie der zugehörigen Detektionszeiten und Signallaufzeiten ist vorteilhafterweise eine Bestimmung der dreidimensionalen Struktur der Meeresbodenoberfläche möglich. Aus der Kenntnis des dreidimensionalen Verlaufs der Meeresbodenoberfläche kann wiederum auf das Vor- handensein oder Fehlen von etwaigen Gas- oder Ölvorkommen im Meeresboden rückgeschlossen werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung wenigstens eine vom U-Boot geschleppte Divertereinheit auf- weist, welche über ein Divertermittel am U-Boot befestigt ist und welche entlang einer zur Fahrtrichtung des U-Boots senkrechten Querrichtung zum U-Boot versetzt angeordnet ist. Vorteilhafterweise ermöglicht die Divertereinheit ein Auffächern der verschiedenen Hydro- fonketten entlang der zur Fahrtrichtung senkrechten Querrichtung, so dass eine möglichst breite Matrix von Hydrofonen erzielt wird und somit ein möglichst großer Meeresbodenbereich beim einmaligen Überfahren durch das U-Boot analysiert werden kann. Die jeweilige Divertereinheit wird über das Divertermittel, insbesondere eine biegeschlaffe Schleppleine, vom U-Boot geschleppt. Die Schleppleine kann beispielweise ein geschlagenes oder geflochtenes Seil aus Drähten, Naturfasern oder Kunststofffasern, wie Kohlefasern oder Po- lyethylenfasern, sein. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Divertereinheit über wenigstens ein Zugmittel mit den Hydrofonketten gekoppelt und wird derart versetzt zum U-Boot geschleppt, dass die Hydrofonketten über das wenigstens eine Zugmittel in der Horizontalebe- ne voneinander beabstandet werden. Besonders bevorzugt ist auf beiden Seiten der Hydro- fonanordnung genau eine Divertereinheit angeordnet, welche jeweils über ein Divertermittel vom U-Boot geschleppt wird. Die Hydrofonketten sind entlang der Querrichtung vorzugsweise zwischen den beiden Divertereinheiten angeordnet, wobei die beiden Divertereinheiten über das zur Querrichtung parallele Zugmittel auch untereinander direkt verbunden sind. Das Zugmittel umfasst insbesondere ebenfalls eine biegeschlaffe Leine, beispielsweise in Form eines geschlagenen oder geflochtenen Seils aus Drähten, Naturfasern oder Kunststofffasern, wie Kohlefasern oder Polyethylenfasern. Das Zugmittel verhindert, dass die beiden Divertereinheiten zu weit entlang der Querrichtung auseinander laufen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Zugmittel sich im Wesentlichen parallel zur Querrichtung erstreckt und wobei das Zugmittel für jede Hydrofonkette eine Schlaufe aufweist, durch welche die entsprechende Hydrofonkette verläuft. Auf diese Weise werden zueinander benachbarte Hydrofonketten jeweils in einem festgelegten und konstanten Abstand parallel zur Querrichtung gehal- ten, wodurch die Datenauswertung der aufgenommenen Signale vereinfacht wird. Die wenigstens eine Divertereinheit weist vorzugsweise einen stromlinienförmigen Grundkörper, wenigstens ein am Grundkörper befestigtes Seitenruder und vorzugsweise wenigstens ein am Grundkörper befestigtes Höhenruder auf. Das trimmbare oder feste Seitenruder ist insbesondere jeweils derart ausgerichtet, dass die auf beiden Seiten der Hydrofonanordnung angeordneten Divertereinheiten bei Fahrt durchs Wasser entlang der Querrichtung auseinanderfahren und somit der durch das Zugmittel vorgegebene Maximalabstand zwischen den beiden Divertereinheiten eingehalten wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorge- sehen, dass das U-Boot wenigstens einen Tragflügel aufweist, wobei wenigstens eine der Hydrofonketten und/oder das wenigstens eine Divertermittel an dem wenigstens einen Tragflügel befestigt ist. Vorzugsweise weist der Tragflügel wenigstens eine Winde auf, an welcher die wenigstens eine Hydrofonkette und/oder das wenigstens eine Divertermittel befestigt ist. In vorteilhafter Weise wird somit eine besonders stromlinienförmige Anordnung der Winden innerhalb der Tragflügel erreicht. Die Winden sind insbesondere über einen Hydraulikmotor oder einen Elektromotor angetrieben, so dass ein automatisiertes Ausbringen bzw. Einholen der Divertereinheiten und/oder der Hydrofonketten durch entsprechendes Drehen der Winden ermöglicht wird. Denkbar ist, dass der Tragflügel gleichzeitig ein Höhenruder des U- Boots umfasst.
Ein weiterer Gegenstand zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ist ein Verfahren zur Untersuchung der Meeresbodenbeschaffenheit, insbesondere mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei mittels eines in Tauchfahrt befindlichen U-Boots eine Schallquelle durch das Wasser bewegt wird, wobei mittels der Schallquelle Schallwellen in Richtung des Meeresbodens ausgesendet werden, wobei mittels des in Tauchfahrt befindlichen U-Boots eine Hydrofonanordnung durch das Wasser geschleppt wird, wobei mittels der Hydrofonan- Ordnung die von der Schallquelle ausgesendeten und vom Meeresboden reflektierten
Schallwellen aufgenommen werden und wobei mittels einer Auswerteeinheit die Meeresbodenbeschaffenheit in Abhängigkeit der mittels der Hydrofonanordnung aufgenommenen Schallwellen bestimmt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Schallquelle und die Hydrofonanordnung mittels eines in Tauchfahrt befindlichen U-Boots durchs Wasser geschleppt, so dass eine Untersuchung der Meeresbodenbeschaffenheit auch unterhalb von ewigem Eis, welches die Meeresoberfläche bedeckt, ermöglicht wird. Auf diese Weise wird eine Suche nach Öl- oder Gasvorkommen im Meeresboden, beispielsweise im Bereich der Arktis, ganzjährig möglich. Das U-Boot kann ein bemanntes U-Boot oder ein ferngesteuertes unbemanntes U-Boot sein. Denkbar ist auch, dass das U-Boot ein ferngesteuertes unbemanntes U-Boot oder ein vorprogrammiertes unbemanntes U-Boot, welches beispielsweise selbstständig ein vorprogrammiertes Areal abfährt, umfasst. Wenn ein bemanntes U-Boot eingesetzt wird, werden die Schallwellen vorzugsweise fokussiert in Richtung Meeresboden gesendet, beispielsweise durch eine trichterförmige Anordnung der Schallquelle, damit die Mannschaft des U-Boots nicht gefährdet wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die von der Schallquelle ausgesendeten und vom Meeresboden reflektierten Schallwel- len mittels einer eine Mehrzahl von Hydrofonketten umfassenden Hydrofonanordnung aufgenommen werden, wobei die Hydrofonketten mittels einer vom U-Boot geschleppten Divertereinheit entlang einer zur Fahrtrichtung des U-Boots senkrechten Querrichtung voneinan- der beabstandet werden. In vorteilhafter Weise wird somit eine vergleichsweise große Matrix von Hydrofonen in der Horizontalebene des U-Boots aufgefächert, so dass beim einmaligen Überfahren ein entsprechend großer Meeresbodenbereich analysiert werden kann. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Seitenruder und/oder wenigstens ein Höhenruder der Divertereinheit über eine in einer Hydrofonkette und/oder in einem Divertermittel zum Schleppen der Divertereinheit verlaufende Signalleitung gesteuert wird. In vorteilhafter Weise ist somit eine aktive Steuerung und Kontrolle der Divertereinheiten möglich, so dass die Grundfläche der Matrix aus Hydrofonen, beispielsweise auf die jeweiligen Bedürfnisse, aktiv angepasst werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Hydrofon ketten mittels in einer Tragfläche des U-Boots angeordneter Win- den ausgebracht werden. In vorteilhafter Weise werden die Winden jeweils mittels Hydraulikoder Elektromotoren angetrieben, so dass ein automatisiertes Ausbringen und Einholen der Hydrofonketten und/oder Divertereinheiten ermöglicht wird.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnun- gen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine schematische Aufsichtsdarstellung einer Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Figur 2 zeigt eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 3 zeigt eine schematische Detailansicht einer Schallquelle der Vorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 4 zeigt eine schematische Detailansicht zweier Tragflächen der Vorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Figur 5 zeigt eine schematische Detailansicht einer Divertereinheit der Vorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Figur 6 zeigt eine schematische Detailansicht eines Zugmittels der Vorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In Figur 1 ist eine schematische Aufsichtsdarstellung einer Vorrichtung 1 zur Untersuchung der Meeresbodenbeschaffenheit gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegen- den Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist ein U-Boot 2 auf, welches sich in Tauchfahrt befindet und sich somit unterhalb der Meeresoberfläche durch das Wasser entlang einer Fahrtrichtung 3 fortbewegt. Das U-Boot 2 weist auf jeder Seite einen Tragflügel 4 auf, in welchen optional jeweils ein Höhenruder des U-Boots 2 integriert ist. Zwischen den Tragflügeln 4 ist im Heckbereich des U-Boots 2 eine Antriebsschraube 5 des U-Boots 2 schema- tisch angedeutet. Unterhalb der Tragflächen 4 ist ferner eine Schallquelle 6 angeordnet, welche in Figur 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist.
An den beiden Tragflächen 4 ist eine Hydrofonanordnung 7 befestigt, welche aus einer Mehrzahl von Hydrofonketten 8 besteht. Jede Hydrofonkette 8 weist ein biegeschlaffes Trä- germittel und eine Mehrzahl von hintereinander an dem Trägermittel aufgereihten Hydrofo- nen 11 auf. Die Hydrofonketten 8 sind jeweils mit einem Ende an einer der beiden Tragflächen 4 befestigt, während das andere Ende einer jeden Hydrofonkette 8 als freies Ende nachgeschleppt wird. Durch die Fahrt des U-Boots 2 werden die Hydrofonketten 8 nachgeschleppt und schwimmen somit im Wesentlichen horizontal parallel zur Fahrtrichtung 3 im Wasser. Jede Hydrofonkette 8 weist dabei die Mehrzahl von Hydrofonen 11 auf, welche entlang der Hydrofonketten 8 in regelmäßigen Abständen hintereinander aufgereiht sind. In Figur 1 ist ferner zu erkennen, dass die Hydrofonketten 8 entlang einer zur Fahrtrichtung 3 senkrechten Querrichtung 9 aufgefächert werden, wodurch voneinander benachbarte Hydrofonketten 8 jeweils um einen nahezu konstanten Abstand 10 parallel zur Querrichtung 9 von- einander beabstandet sind. Auf diese Weise wird mittels der Hydrofonanordnung 7 eine zweidimensionale Matrix von Hydrofonen 11 aufgespannt, welche sich in einer Horizontalebene parallel zur Fahrtrichtung 3 und parallel zur Querrichtung 9 erstreckt. Der Mechanis- mus zum Auffächern der Hydrofonketten 8 entlang der Querrichtung 9 wird weiter unten anhand von Figuren 5 und 6 näher erläutert.
Die Funktionsweise der Vorrichtung 1 wird im Folgenden anhand von Figur 2 schematisch beschrieben.
In Figur 2 ist eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung 1 gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Hydrofonanordnung 7 wird mittels des U-Boots 2 unter Wasser, d. h. unterhalb der Wasseroberfläche 13, durch das Was- ser geschleppt. Auf diese Weise kann die Hydrofonanordnung 7 auch in Bereichen unterhalb von an der Wasseroberfläche 13 befindlichen Eisschollen 14 eingesetzt werden. An der Unterseite des U-Boots 2 ist über eine Schleppleine 16 die Schallquelle 6 befestigt, welche Schallwellen 12 in Richtung des Meeresbodens 15 aussenden. Zur Verdeutlichung der Funktionsweise der Vorrichtung 1 sowie des entsprechenden erfindungsgemäßen Verfahrens zur Untersuchung der Meeresbodenbeschaffenheit sind in Figur 2 diese Unterwasserschallwellen 15 schematisch durch Pfeile angedeutet. Die Schallwellen 15 werden vom Meeresboden je nach Oberflächenbeschaffenheit und Oberflächengeometrie zurück in Richtung der Wasseroberfläche 13 reflektiert und treffen dabei auf die Hydrofonanordnung 7. Mit Hilfe der Hyd- rofone 1 1 werden die vom Meeresboden 15 reflektierten Schallwellen 12 aufgenommen und an eine nicht dargestellte Auswerteeinheit übermittelt. Denkbar ist, dass die Auswerteeinheit im U-Boot 2 angeordnet ist und dass die aufgenommenen Signale von den Hydrofonen 11 mittels in die Hydrofonketten 7 eingebetteter Signalleiter an die Auswerteeinheit übermittelt werden. Die aufgenommenen Signale und deren Laufzeiten erlauben bei Kenntnis der Position des aufnehmenden Hydrofons 11 in der Matrix Rückschlüsse auf die Form und Geomet- rie der Meeresoberfläche 15, an der die Schallwellen 12 reflektiert wurden. Auf diese Weise ist eine Bestimmung der Meeresbodenbeschaffenheit auch unterhalb von an der Meeresoberfläche 13 schwimmenden Eisschichten 14 möglich.
In Figur 3 ist eine schematische Detailansicht der Schallquelle 6 der Vorrichtung 1 gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. Die Schallquelle 6 ist über die Schleppleine 16 mit der Unterseite des Tragflügels 4 verbunden, so dass die Schallquelle 6 vom U-Boot 2 nachgeschleppt wird. An einer achterlichen Abrisskante des profilierten Tragflügels 4 treten die Hydrofonketten 8 in einer strömungsgünstigen Art und Weise aus dem Tragflügel 4 aus. Darüber ist die schematisch angedeutete Antriebsschraube 5 am Heck des U-Boots 2 eingezeichnet. In Figur 4 ist eine schematische Aufsichtsdetaildarstellung der beiden Tragflächen 4 der Vorrichtung 1 gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Innerhalb der Tragfläche 4 ist für jede Hydrofonkette 8 eine Winde 17 angeordnet, welche jeweils von einem nicht gezeigten Hydraulik- oder Elektromotor angetrieben wird und auf welcher jeweils eine Hydrofonkette 8 aufwickelbar ist. Mit Hilfe der Winden 17 werden die einzelnen Hydrofonketten 8 ausgebracht und wieder eingezogen.
In Figur 5 ist eine schematische Detailansicht einer Divertereinheit 18 der Vorrichtung 1 gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Vorrich- tung 1 weist an jeder Seite der Hydrofonanordnung 7 eine solche Divertereinheit 18 auf (in Figur 5 ist nur eine Seite illustriert), um die einzelnen Hydrofonketten 8 entlang der Querrichtung 9 voneinander zu beabstanden. Die Divertereinheit 18 umfasst hierfür einen stromlinienförmig ausgebildeten Unterwasserschwimmkörper mit feststehenden oder aktiv steuerbaren Seiten- und Höhenrudern 19. Der Unterwasserschwimmkörper ist über ein Divertermittel 20 in Form einer biegeschlaffen Schleppleine am U-Boot 2 befestigt und wird mittels des Divertermittels 20 vom U-Boot 2 nachgeschleppt. Das Divertermittel 20 ist vorzugsweise an einer eigenen Winde 17 im Tragflügel 4 des U-Boots 2 befestigt und kann somit wie die Hydrofonketten 8 ebenfalls automatisiert vom U-Boot 2 ausgebracht und eingeholt werden. Die beiden Divertereinheiten 18 auf jeder Seite der Hydrofonanordnung 7 sind über ein entlang der Querrichtung 9 verlaufendes Zugmittel 21 , welches ebenfalls eine biegeschlaffe Leine umfasst, miteinander verbunden. Die Seitenruder 19 der beiden Divertereinheiten 18 sind derart ausgerichtet, dass während des Schleppvorgangs die beiden Divertereinheiten 18 entlang der Querrichtung 9 so weit auseinander getrieben werden, wie es das Zugmittel 21 erlaubt, und somit in der Horizontalebene die Hydrofonanordnung 7 aufgespannt wird. Die Diverter- einheiten 18 werden durch die entsprechende Anströmung ihrer Seitenruder 19 demnach seitlich versetzt zum Kurs des U-Boots 2 vom U-Boot 2 geschleppt. Auf diese Weise wird die zweidimensionale Matrix der Hydrofone 8 aufgespannt. Zwischen den Hydrofonketten 8 und dem Zugmittel 21 existieren Knotenpunkte 22, welche im Folgenden anhand von Figur 6 näher erläutert werden.
In Figur 6 ist eine schematische Detailansicht eines Zugmittels 21 der Vorrichtung 1 gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. In den Knotenpunkten 22 weist das Zugmittel 21 Schlaufen 23 auf, durch welche jeweils eine Hydrofonkette 8 verläuft. Die Schlaufen 23 sorgen dafür, dass die Hydrofonketten 8 entlang der Querrich- tung 9 fixiert und somit auf einem konstanten Abstand 10 zueinander gehalten werden. Denkbar ist, dass die Vorrichtung 1 eine Mehrzahl von Paaren von Divertereinheiten 18, die jeweils mit einem Zugmittel 21 untereinander verbunden sind, aufweist.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 U-Boot
3 Fahrtrichtung
4 Tragflügel
5 Antriebsschraube
6 Schallquelle
7 Hydrofonanordnung 8 Hydrofonkette
9 Querrichtung
10 Abstand
1 1 Hydrofon
12 Schallwelle 13 Wasseroberfläche
14 Eis
15 Meeresboden
16 Schleppleine
17 Winde
18 Divertereinheit
19 Seitenruder
20 Divertermittel
21 Zugmittel
22 Knotenpunkt 23 Schlaufe

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung (1 ) zur Untersuchung der Meeresbodenbeschaffenheit aufweisend eine Antriebseinheit zur Bewegung der Vorrichtung (1 ) durch das Wasser, wobei die Antriebseinheit ein U-Boot (2) zum Schleppen der Hydrofonanordnung (7) unter Wasser umfasst, eine Schallquelle (6) zum Aussenden von Schallwellen (12) in Richtung des Meeresbodens (15), eine Hydrofonanordnung (7) mit einer Mehrzahl von Hydro- fonen (1 1 ) zum Aufnehmen der von der Schallquelle (6) ausgesendeten und vom Meeresboden (13) reflektierten Schallwellen (12) und einer Auswerteeinheit zur Bestimmung der Meeresbodenbeschaffenheit in Abhängigkeit der mittels der Hydrofonanordnung (7) aufgenommenen Schallwellen (12).
2. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Hydrofonanordnung (7) eine Mehrzahl von Hydrofonketten (8) umfasst, wobei jede Hydrofonkette (8) ein Trägermittel und eine Mehrzahl von hintereinander an dem Trägermittel aufgereihten Hydrofonen (1 1 ) aufweist.
3. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 2, wobei die Hydrofonketten (8) im Wesentlichen in einer gemeinsamen Horizontalebene nebeneinander angeordnet sind.
4. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 3, wobei die Vorrichtung (1 ) wenigstens eine vom U- Boot (2) geschleppte Divertereinheit (18) aufweist, welche über ein Divertermittel (20) am U-Boot (2) befestigt ist und welche entlang einer zur Fahrtrichtung (3) des U-Boots (2) senkrechten Querrichtung (9) zum U-Boot (2) versetzt angeordnet ist.
5. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 4, wobei die wenigstens eine Divertereinheit (18) über wenigstes ein Zugmittel (21 ) mit den Hydrofonketten (8) gekoppelt ist und derart versetzt zum U-Boot (2) geschleppt wird, dass die Hydrofonketten (8) über das wenigstens eine Zugmittel (21 ) in der Horizontalebene voneinander beabstandet werden.
6. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 5, wobei das Zugmittel (21 ) sich im Wesentlichen parallel zur Querrichtung (9) erstreckt und wobei das Zugmittel (21 ) für jede Hydrofonkette (8) eine Schlaufe (23) aufweist, durch welche die entsprechende Hydrofonkette (8) verläuft.
7. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Divertereinheit (18) einen stromlinienförmigen Grundkörper, wenigstens ein am Grundkörper befestigtes Seitenruder (19) und vorzugsweise wenigstens ein am Grundkörper befestigtes Höhenruder aufweist.
8. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei das U-Boot (2) wenigstens einen Tragflügel (4) aufweist, wobei wenigstens eine der Hydrofonketten (8) und/oder das wenigstens eine Divertermittel (20) an dem wenigstens einen Tragflügel (4) befestigt ist.
9. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 8, wobei der Tragflügel (4) wenigstens eine Winde (17) aufweist, an welcher die wenigstens eine Hydrofonkette (8) und/oder das wenigstens eine Divertermittel (20) befestigt ist.
10. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 9, wobei die Vorrichtung (1 ) einen Hydraulikmotor oder einen Elektromotor zum Antreiben der Winde (17) aufweist.
1 1. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Tragflügel (4) ein Höhenruder für das U-Boot (2) umfasst.
12. Verfahren zur Untersuchung der Meeresbodenbeschaffenheit, insbesondere mittels einer Vorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines in Tauchfahrt befindlichen U-Boots (2) eine Schallquelle (6) durch das Wasser bewegt wird, wobei mittels der Schallquelle (6) Schallwellen (12 in Richtung des Meeresbodens (15) ausgesendet werden, wobei mittels des in Tauchfahrt befindlichen U-Boots (2) eine Hydrofonanordnung (7) durch das Wasser geschleppt wird, wobei mittels der Hydrofonanordnung (7) die von der Schallquelle (6) ausgesendeten und vom Meeresboden (15) reflektierten Schallwellen (12) aufgenommen werden und wobei mittels einer Auswerteeinheit die Meeresbodenbeschaffenheit in Abhängigkeit der mittels der Hydrofonanordnung (7) aufgenommenen Schallwellen (12) bestimmt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die von der Schallquelle (6) ausgesendeten und vom Meeresboden (15) reflektierten Schallwellen (12) mittels einer eine Mehrzahl von Hydrofonketten (8) umfassenden Hydrofonanordnung (7) aufgenommen werden, wobei die Hydrofonketten (8) mittels einer vom U-Boot (2) geschleppten Diver- tereinheit (18) entlang einer zur Fahrtrichtung (3) des U-Boots (2) senkrechten Querrichtung (9) voneinander beabstandet werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei wenigstens ein Seitenruder (19) und/oder wenigstens ein Höhenruder der Divertereinheit (18) über eine in einer Hydrofonkette (8) und/oder in einem Divertermittel (20) zum Schleppen der Divertereinheit (18) verlaufende Signalleitung gesteuert werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei die Hydrofonketten (8) mittels in einer Tragfläche (4) des U-Boots (2) angeordneter Winden (17) ausgebracht werden.
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