DE3619253A1 - Verfahren zur akustischen vermessung des oberflaechenprofils eines gewaessergrundes - Google Patents
Verfahren zur akustischen vermessung des oberflaechenprofils eines gewaessergrundesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur akustischen Vermessung
des Oberflächenprofils eines Gewässergrundes, insbesondere des
Meeresbodens, der im Oberbegriff des Anspruchs angegebenen Art.
Ein solches Vermessungsverfahren ermöglicht die gleichzeitige
Vermessung des Oberflächenprofils des Gewässergrundes - im folgenden
auch Bodenprofil genannt - in einer Vielzahl von verschiedenen
Ortungsrichtungen, so daß mit dem Aussenden eines einzigen
Sendeimpulses, z. B. 64 Tiefenpunkte des Bodenprofils, quer zur
Fahrtrichtung des Wasserfahrzeugs erfaßt werden. Die Tiefenpunkte
aus einer Vielzahl von Sende- und Empfangsperioden ergeben in
Fahrtrichtung des Wasserfahrzeugs aneinandergereiht das Bodenprofil.
Bei der Vermessung des Bodenprofils entstehen aber erhebliche
Vermessungsfehler dann, wenn die Echos in den Empfangssignalen
der fächerartig aufgespannten Empfangsrichtkeulen oder Empfangsbeams
nicht exakt und zuverlässig genau detektiert werden. Mit
den herkömmlichen Methoden der Flanken- oder Schwellwertdiskriminierung
ist aber die Detektion der Echos sehr problematisch, da
nur Echos, die von rechtwinklig auf den Gewässergrund oder Meeresboden
auftreffenden Schallimpulsen herrühren, ein Abbild des
Schallimpulses selbst sind. Hier ist die Schwellwertdiskriminierung
sicher und hochgenau. Trifft hingegen ein Sendeimpuls unter
einem Einfallswinkel kleiner als 90° auf den Gewässergrund auf,
so werden die Schallimpulse nicht wieder in Sende- und damit in
Empfangsrichtung reflektiert, sondern am Gewässergrund gestreut.
Das empfangene Echo ist dann nicht mehr ein Abbild des Sendeimpulses,
sondern die Abrollfunktion des Sendeimpulses über den
Gewässergrund durch die Empfangsrichtkeule. Man erhält damit kein
diskretes Echo mehr, sondern eine Verteilungsfunktion über die
Empfangscharakteristik der Antenne. Bei einer solchen Verteilungsfunktion
ist aber die bisher übliche Methode der Schwellwertdiskriminierung
zur Detektion der Echos extrem fehlerhaft.
Hinzu kommt ein weiteres Phänomen, das in den technischen Grenzen
der Nebenzipfeldämpfung der Empfangsantenne begründet liegt. Da
senkrecht auf den Gewässergrund oder Meeresboden auftreffende
Sendeimpulse in Sende- und Empfangsrichtung zurückreflektiert
werden, schräg auf den Boden auftreffende Sendeimpulse jedoch
streuen oder scattern, ist die Amplitude des Senkrechtechos erheblich
größer als die der Schrägechos. Dies führt dazu, daß in
dem bei Schrägortung erhaltenen Empfangssignal auch immer ein
Bruchteil des Senkrechtechos enthalten ist, das aufgrund seiner
großen Amplitude - wenn auch gedämpft - über die Nebenzipfel
empfangen wird. Dieses Senkrecht- oder Nebenzipfelecho kann in
vielen Fällen zu einem Ansprechen des Schwellwertdiskriminators
führen und damit zu einer extremen Verfälschung der Echodetektion.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur akustischen
Vermessung des Oberflächenprofils eines Gewässergrundes
der eingangs genannten Art bezüglich der Genauigkeit und Zuverlässigkeit
der Echodetektion wesentlich zu verbessern.
Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zur akustischen Vermessung
des Oberflächenprofils eines Gewässergrundes der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die
Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine extrem
hohe Genauigkeit in der Bestimmung der für das Oberflächenprofil
eines Gewässergrundes erforderlichen Tiefenpunkte aus, die sonst
nur bei Echolotung mit einem Vertikallot bei relativ geringer
Bodenunebenheit erzielt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren
liefert auch dann noch zuverlässig genaue Vermessungspunkte,
wenn der zu vermessende Gewässergrund Hanglagen mit einer
Steigerung von ± 25% aufweist. Untersuchungen haben gezeigt, daß
auf dem Meeresboden - von ganz wenigen Ausnahmen abgesehen -
generell keine größeren Hanglagen vorhanden sind. Mit der erfindungsgemäßen
Verfahren wird die gleiche Arbeitsgeschwindigkeit
wie bei den bisher bekannten Verfahren mit fächerartig aufgespanntem
Vermessungslot erzielt, jedoch mit erheblich genauerem
Vermessungsergebnis.
Durch die optimale Anpassung des Echoerwartungsfensters an die
Empfangsrichtung und die Gewässertiefe unter Berücksichtigung
einer möglichen Hanglage des Gewässergrundes wird ein sehr gutes
Nutz-/Störverhältnis erzielt, so daß die durch Scattern in der
Amplitude erheblich reduzierten Echos, die zudem noch eine Verteilungsfunktion
über die von der Empfangsrichtkeule erfaßte
Bodenfläche darstellen, sich ausreichend deutlich vom Rauschen
abheben. Durch die Bildung des Schwerpunktintegrals kann das Echo
sehr genau eliminiert und die Echolaufzeit exakt vermessen werden.
Zum Aufspannen des Echoerwartungsfensters wird eine Echoerwartungszeit
vorgegeben, die von einer bekannten Lottiefe abgeleitet
wird. Da üblicherweise eine Anfangslottiefe nicht zur Verfügung
steht, wird gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 2 zur Ableitung der
Echoerwartungszeit nach Aussenden des Schallimpulses auch ein
ungerichteter Signalempfang durchgeführt und die Echolaufzeit des
im empfangenen Singals ersten Echos bestimmt. Da dieses erste
Echo immer von dem auf den Gewässergrund senkrecht auftreffenden
Sendeimpuls herrührt, damit ein Abbild des Schallimpulses selbst
ist und eine relativ große Amplitude aufweist, führt die herkömmliche
Methode der Flanken- oder Schwellwertdiskriminierung zu
einer exakten Bestimmung dieser Erstecholaufzeit.
Zweckmäßigerweise wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 3 als Echoerwartungszeit
die in der vorhergehenden Sende- und Empfangsperiode ermittelte
Erstecholaufzeit verwendet. Dadurch kann der über die Empfangsrichtkeule
gerichtet durchgeführte Signalempfang nur für das
Zeitintervall des Echoerwartungsfensters durchgeführt werden. Da
zur Off-Line-Verarbeitung des Empfangssignals zwecks Echodetektion
dieses abgespeichert werden muß, kann damit die Speicherkapazität
relativ klein gehalten werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
nach Anspruch 4 wird auch die Echolaufzeit des ersten Echos im
Signalverlauf des parallel zum gerichteten Empfang durchgeführten
ungerichteten Empfang dazu verwendet, die Echogrenzen dieses
ersten Echos zu bestimmen. Die vordere Echogrenze ergibt sich
dabei aus der Erstecholaufzeit und die hintere aus der Summe von
Erstecholaufzeit und Sendeimpulsdauer. Wird nunmehr das über die
Empfangsrichtkeule gerichtet empfangene Empfangssignal in diesen
Zeitgrenzen entsprechend bedämpft, so ist das Senkrechtecho, das
nach den vorherstehenden Ausführungen über die Nebenzipfel von
der Empfangsantenne bei gerichtetem Empfang empfangen wird, aus
dem Empfangssignal eliminiert und verfälscht nicht die Schwerpunktberechnung.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ergibt sich auch aus Anspruch 6. Durch diese Maßnahme wird die
Genauigkeit der Echodetektion weiter verbessert. Bei der Festlegung
der hinteren, zeitlich größeren Fenstergrenze des Echoerwartungsfensters
wird zusätzlich die physische Öffnungscharakteristik
der Empfangsrichtkeule berücksichtigt. Da das empfangene
Echo eine Abrollfunktion des Sendeimpulses über die von der Empfangsrichtkeule
am Gewässergrund ausgeschnittene Bodenfläche
darstellt, wird die hintere Fenstergrenze so dimensioniert, daß
der Sendeimpuls außerhalb des Echoerwartungsfensters auch die
gesamte, durch die Öffnungscharakteristik der Antenne vorgegebene
Bodenfläche beleuchten kann und kein Echoaustritt durch vorzeitiges
Schließen des Echoerwartungsfensters verlorengeht.
Eine zweckmäßige Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens mit vorteilhaften Ausführungsformen ergibt sich
aus den weiteren Ansprüchen 8 bis 11.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische, teilweise perspektivische
Ansicht einer von einem Fächer-Echolot eines
Vermessungsschiffes erzeugten Beleuchtung
eines Gewässergrundes,
Fig. 2 eine schematische Darstellung von Empfangsrichtungen
des Fächer-Echolots in Fig. 1 unter
Berücksichtigung von maximal angenommenen
Hanglagen des Gewässergrundes,
Fig. 3 ein Diagramm der vorderen und hinteren Fenstergrenze
eines Echoerwartungsfensters in
Abhängigkeit von dem Winkel ϕ der Empfangsrichtung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer von dem
Fächer-Echolot unter einem Empfangswinkel ϕ
ausgehenden Empfangsrichtkeule mit dem Öffnungswinkel
2ϑ,
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Empfangsvorrichtung
des Fächer-Echolots in Fig. 1,
Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Echodiskriminators
in Fig. 5,
Fig. 7 ein Diagramm eines durch ein Echoerwartungsfenster
begrenzten Empfangssignals.
Bei dem Verfahren zur akustischen Vermessung des Oberflächenprofils
des Meeresbodens wird ein an sich bekanntes sog. Fächer-
Echolot mit einer Sende- und Empfangsvorrichtung verwendet, das
am Boden eines Wasserfahrzeugs, hier eines Oberflächenschiffes
10, installiert ist. Anordnung und Ausbildung der Sende- und
Empfangsvorrichtung des Echolots, auf dessen Darstellung hier
verzichtet worden ist, kann so getroffen sein, wie dies in der
US-PS 31 44 631 beschrieben ist.
Mit der Sendevorrichtung wird ein im wesentlichen lotrecht unter
dem Schiff 10 quer zu dessen Fahrtrichtung liegender Senderzielstreifen
11 auf dem Meeresboden 12 mit Schallimpulsen beschallt.
Durch eine entsprechende Ausbildung der Sendeantenne, z. B. als
Lineararray, und/oder durch elektronische Richtungsausbildung ist
der von der Sendevorrichtung ausgehende mit 13 angedeutete Sendebeam
so gebündelt, daß sein Öffnungswinkel 2ϑ -3 in Fahrtrichtung
des Schiffes 10 ungefähr 1° und quer zur Fahrtrichtung
ungefähr 60° bis 90° aufweist.
Die im Senderzielstreifen 11 durch Reflexion am Meeresboden 12
entstehenden Echos werden von der Empfangsvorrichtung richtungsselektiv
empfangen. Wie in Fig. 5 schematisch dargestellt ist,
weist die Empfangsvorrichtung hierzu eine Empfangsantenne 14 mit
einer Vielzahl äquidistant angeordneter, elektroakustischer Wandler
15 auf. Durch entsprechende elektronische Verarbeitung der
Empfangssignale der einzelnen Wandler 15 wird erreicht, daß die
Empfangsvorrichtung einen Fächer 16 von in Fahrtrichtung sich erstreckenden,
quer zur Fahrtrichtung aneinandergereihten schmalen
Empfangsbeams 17 aufspannt, die am Meeresboden 12 Empfängerstreifen
18 begrenzen, wie sie in Fig. 1 skizziert sind. Der Öffnungswinkel
2j -3 der Empfangsbeams 17 beträgt in Fahrtrichtung etwa
15° und quer dazu ungefähr 1°. Die Empfangsvorrichtung ist relativ
zu der Sendevorrichtung so angeordnet, daß der Senderzielstreifen
11 von dem Fächer 16 der Empfängerstreifen 18 überdeckt
wird. Im Fächer 16 sind dabei etwa 64 Empfangsbeams 17 vorhanden.
Zur Gewinnung des Oberflächenprofils des Meeresbodens 12 werden
nunmehr in bekannter Weise Schallimpulse ausgesendet und der
Senderzielstreifen 11 am Meeresboden 12 akustisch beleuchtet.
Über die Empfangsbeams 17 werden richtungsselektiv Empfangssignale
erfaßt. In diesen Empfangssignalen sind die von dem Schallimpuls
am Meeresboden 12 ausgelösten Echos enthalten. Diese Echos
werden in den einzelnen Empfangssignalen detektiert, die Echolaufzeit
vom Meeresboden 12 zu der Empfangsvorrichtung, die
gleich der halben Zeitspanne vom Aussenden des Sendeimpulses bis
zum Eintreffen der Echos ist, bestimmt und daraus unter Berücksichtigung
der momentanen Schallgeschwindigkeit in Wasser Tiefenpunkte
des Meeresbodens 12 bestimmt, die in Zuordnung zu dem
jeweiligen Ursprungsort der Echos ein Meßprofil des Meeresbodens
12 in dem Bereich des Senderzielstreifens 11 ergeben. Die in
Vorschub- oder Fahrtrichtung des Schiffes 10 erhaltene Vielzahl
von einzelnen Meßprofilen bildet räumlich aneinandergereiht das
Oberflächenprofil des Meeresbodens 12 im Vermessungsgebiet längs
einer sog. Vermessungsspur.
Die Empfangsvorrichtung des Fächer-Echolots ist in Fig. 5 im
Blockschaltbild dargestellt. Die elektroakustischen Wandler 15
sind über einen zeitabhängigen Verstärkungsregler 19 einerseits
einem Richtungsbildner 20 und andererseits einem Flankendiskriminator
21 zugeführt. In dem Verstärkungsregler 19 wird die
entfernungsabhängige Dämpfung der Amplituden der Echos kompensiert,
so daß die einlaufenden Echos eine von der Länge des Ausbreitungsweges
im Wasser unabhängige Amplitude aufweisen. Der
Richtungsbildner 20 bildet aus den verstärkten Ausgangssignalen
der Wandler 15 eine Vielzahl, hier 64, von Empfangsrichtkeulen
oder Empfangsbeams 17, wie sie vorstehend bereits angesprochen
sind. Der Flankendiskriminator 21, der z. B. ein einfacher
Schwellwertschalter sein kann, detektiert in den Ausgangssignalen
der Wandler 15 das von allen Echos zeitlich zuerst eintreffende
Erstecho und gibt dessen Echolaufzeit T aus. Diese Echolaufzeit T
wird einerseits einem Echodiskriminator 22 und andererseits einem
Rechenwerk 23 zugeführt. Der Echodiskriminator 22 ist mit dem
Richtungsbildner 20 verbunden und detektiert - wie noch im einzelnen
erläutert wird - die in den Empfangssignalen der einzelnen
Empfangsbeams 17 enthaltenen Echos und bestimmt die Echolaufzeiten
dieser Echos. Hierzu erhält er von dem Rechenwerk 23 die
Zeitgrenzen eines adaptiven Echoerwartungsfensters angeliefert.
Die Echolaufzeiten werden von dem Echodiskriminator 22 dem Rechenwerk
23 zugeführt, das hieraus die Tiefenwerte ermittelt und
in Zuordnung zu dem Ursprungsort der Echos das Meßprofil im Bereich
des Senderzielstreifens 11 ausgibt.
Zur Detektion der Echos in den einzelnen Empfangssignalen der
Empfangsbeams 17 wird um eine Echoerwartungszeit ein zeitliches
Erwartungsfenster aufgespannt. Als Echoerwartungszeit wird dabei
die von dem Flankendiskriminator 21 geliefere Echolaufzeit T des
Erstechos verwendet. Die zeitlichen Fenstergrenzen des Echoerwartungsfensters
werden dabei in Abhängigkeit von dem Empfangswinkel ϕ
der Empfangsrichtkeule oder des Empfangsbeams 17 und einer maximal
angenommenen Hanglage des Meeresbodens 12 in Richtung des
Empfangsbeams 17 bemessen.
In Fig. 2 sind schematisch mehrere Empfangsbeams 17, die unter
einem Empfangswinkel ϕ liegen, dargestellt. Die Hanglage des
Meeresbodens 12 ist dabei mit einer Steigung +⊖ bzw. einem
Gefälle -⊖ eingezeichnet. Aufgrund dieser geometrischen Verhältnisse
wird die vordere Zeitgrenze T V des Echoerwartungsfensters
gemäß
und die hintere Fenstergrenze T H des Echoerwartungsfensters gemäß
berechnet. T ist dabei die Echoerwartungszeit, die hier der von
dem Flankendiskriminator 21 gelieferte Echolaufzeit T des ersten
Echos gewählt ist. Die auf T normierten Fenstergrenzen T V und T H
sind in Fig. 3 in Abhängigkeit von dem Empfangswinkel ϕ für positive
(in Fig. 2 rechts) und für negative (in Fig. 2 links) Empfangswinkel
ϕ dargestellt. Die Differenz T H - T V ergibt die Fensterlänge
des Echoerwartungsfensters, das um die Echoerwartungszeit
T (in Fig. 3 die d-Achse) aufgespannt wird. Bei dem Diagramm
der Fenstergrenzen T V und T H in Fig. 3 in Abhängigkeit von
dem Empfangswinkel +ϕ bzw. -ϕ ist die Hanglage des Meeresbodens
12 mit einer Steigung ⊖ = ± 25% angenommen. In der Praxis
hat sich gezeigt, daß eine größere Steigung oder ein größeres
Gefälle des Meeresbodens, von einigen Ausnahmen abgesehen, nirgends
auftritt.
Bei der Festlegung der hinteren, zeitlich größeren Fenstergrenze
T H des Echoerwartungsfensters ist zu berücksichtigen, daß die
Empfangsbeams 17 nicht unendlich schmal sind, sondern einen Öffnungswinkel
quer zur Fahrtrichtung von ca. 1° aufweisen. Ein
solcher Empfangsbeam ist in Fig. 4 schematisch dargestellt, wobei
sein Empfangswinkel mit ϕ und sein Öffnungswinkel mit 2ϑ bezeichnet
ist. Da, wie einleitend bereits beschrieben, das über
dem Empfangsbeam 17 empfangene Echo kein Abbild des ausgesandten
Schallimpulses, sondern eine Abrollfunktion des Schallimpulses
über den vom Empfangsbeam 17 erfaßten Abschnitt des Meeresbodens
12 darstellt, ist bei der Bemessung der hinteren Fenstergrenze
T H eine maximal mögliche Echolänge zu beachten. Diese
Echolänge ist von der Geometrie des vom Empfangsbeam 17 am Meeresboden
12 erfaßten Flächenabschnittes abhängig und somit von
dem Empfangswinkel ϕ des Empfangsbeams 17, dem Öffnungswinkel 2ϑ
des Empfangsbeams 17 und vom Gefälle -⊖ der maximal angenommenen
Hanglage des Meeresbodens 12. Unter Berücksichtigung dieser Abhängigkeiten
wird die hintere Fenstergrenze T H um ein Zeitinkrement
Δ T zu größeren Zeiten hin verschoben, wobei sich das Zeitinkrement
Δ T gemäß
berechnet. Die korrigierte hintere Zeitgrenze T* H ergibt sich
somit aus der Addition des Zeitinkrements Δ T zu der hinteren
Fenstergrenze T H gemäß
T* H = T H + T (4)
Die korrigierte hintere Fenstergrenze T* H ist, normiert auf die
Echoerwartungszeit T, in Fig. 3 ebenfalls in Abhängigkeit von den
Empfangswinkeln ϕ der Empfangsbeams 17 dargestellt. Die tatsächliche
Fensterlänge ergibt sich damit aus der Differenz der korrigierten
hinteren Fenstergrenze T* H und der vorderen Fenstergrenze
T V . Diese Fenstergrenzen werden von dem Rechenwerk 23 für jeden
Empfangswinkel ϕ der 64 Empfangsbeams 17 gemäß den angegebenen
Gleichungen berechnet und dem Echodiskriminator 22 zugeführt.
In dem Echodiskriminator 22 werden für jeden Empfangsbeam 17 von
dem durch das Echoerwartungsfenster begrenzten Empfangssignal das
Schwerpunktintegral gebildet. Allgemein lautet das Schwerpunktintegral:
wobei dA ein Flächenelement des Empfangssignals und T die Zeitvariable
ist. Die Zeitkomponente T S des so gefundenen Schwerpunktes
ergibt die Echolaufzeit für das detektierte Echo. Um die
Sicherheit der Detektion zu vergrößern, werden nach dem Auffinden
des ersten Schwerpunktes die Integrationsgrenzen, ausgehend von
den Zeitgrenzen T V und T* H des Echoerwartungsfensters reduziert,
und zwar symmetrisch zu dem zuerst gefunden Schwerpunkt T S .
Diese Prozedur wird mehrmals mit weiterer Reduzierung der Integrationsgrenzen
durchgeführt, so daß die Echodetektion und die
Echolaufzeitbestimmung mit einer nur sehr kleinen Fehlertoleranz
behaftet ist.
Der Aufbau des Echodiskriminators 22 ist im einzelnen in Fig. 6
dargestellt. Für jeden von dem Richtungsbildner 20 gelieferten
Richtungskanal, der einem Empfangsbeam 17 entspricht, sind die
gleichen Bauelemente in gleicher Schaltungsanordnung vorgesehen,
so daß in Fig. 6 dies nur für einen einzigen Empfangsbeam oder
Richtungskanal dargestellt ist.
Am Ausgang des Richtungskanals des Richtungsbildners 20 ist eine
Torschaltung 24 angeschlossen, an deren Steuereingang ein Toröffnungsimpuls
liegt. Dieser Toröffnungsimpuls legt das Echoerwartungsfenster
fest, in welchem das über den Richtungskanal aufgefaßte
Empfangssignal zur Echodetektion erfaßt und abgespeichert
wird. Da das Echoerwartungsfenster um die Echoerwartungszeit T
aufgespannt wird, beträgt die vordere Impulsgrenze T + T V und die
hintere Impulsgrenze T +T* H . In dieser Zeit ist die Torschaltung
24 durchgeschaltet und das Empfangssignal liegt an einem der
Torschaltung 24 nachgeschalteten Maximumsucher 25. Da die Begrenzung
des auszuwertenden Empfangssignals On-Line während der Empfangsperiode
durchgeführt wird, müssen die Fenstergrenzen des
Echoerwartungsfensters zum Zeitpunkt der Toröffnung bereits festgelegt
sein. Aus diesem Grund wird für die Echoerwartungszeit T
die vom Flankendiskriminator 21 in der unmittelbar vorhergehenden
Sende- und Empfangsperiode ausgegebene Echolaufzeit T des Erstechos
verwendet.
In Fig. 7 ist beispielhaft ein durch das Echoerwartungsfenster
begrenztes Empfangssignal, wie es an dem Maximumsucher 25 ansteht,
dargestellt. Auf die Einbeziehung von evtl. Störungen oder
des immer vorhandenen Rauschens im Empfangssignal ist aus
Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet worden. Da bereits die
Richtungsbildung im Richtungsbildner 20 durch digitale Signalverarbeitung
erzeugt wird, liegt das in Fig. 7 analog dargestellte
Empfangssignal in Form von diskreten Werten vor. Dem Maximumsucher
25 ist ein Cash-Speicher 26 nachgeschaltet, an dem wiederum
eine Recheneinheit 27 angeschlossen ist. Der Sample-Takt für den
Maximumsucher 25, der gleich der Einschreibfrequenz des Cash-
Speichers 26 ist, wird von einem Taktgenerator 28 geliefert. Der
Sample-Takt wird dabei an die Fensterlänge des Echoerwartungsfensters
adaptiert und ist entsprechend dem Verhältnis von Kapazität
des Cash-Speichers 26 zur Fensterlänge bemessen.
Der Maximumsucher 25 sucht aus einer durch den Sample-Takt vorgegebenen
Anzahl von diskreten Werten des Empfangssignals den Maximalwert
aus. Mit dem Sample-Takt wird dieser Maximalwert in den
Cash-Speicher 26 eingeschrieben. Mit dem Einschreiben wird gleichzeitig
der Maximumsucher 26 gecleart, so daß er nunmehr nachfolgend
aus der nächsten Anzahl von diskreten Werten des Empfangssignals
den Maximalwert eliminiert. Der Cash-Speicher 26 wird während
der Toröffnungszeit der Torschaltung 24 mit diesen Sample-
Werten gefüllt. Sperrt die Torschaltung 24 wieder, so ist der
Cash-Speicher 26 vollständig aufgefüllt, beispielsweise mit
1024 Samples, die exakt auf die Fensterlänge des Echoerwartungsfensters
aufgeteilt sind.
Mittels der Recheneinheit 27 werden nunmehr Off-Line, die im
Cash-Speicher 26 enthaltenen Speicherwerte ausgelesen und das
Schwerpunktintegral gemäß
gebildet, wobei U die Amplitude (Spannung) des Empfangssignals
und t n das durch den Sample-Takt festgelegte Zeitinkrement ist.
U n sind dabei die im Cash-Speicher 26 abgelegten Abtastwerte,
während t n der Speicheradresse des Cash-Speichers 26 entspricht.
Die Konstante C berücksichtigt, daß anstelle eines Flächenelements
U n (t) · Δ t lediglich die Spannung U n (t) bei der Schwerpunktsberechnung
verwendet wird. Wird Δ t = 1 gewählt, ist C = 1.
Die Zeitkomponente T S des Schwerpunktes wird dem Rechenwerk 23
zugeführt, der daraus mit einer ihm zugeführten Korrektur- und
Skalierungsgröße K die Tiefenpunkte berechnet. Die Größe K berücksichtigt
Schallgeschwindigkeit, Ausbreitungsanormalien und
einen in Eichmessungen gefundenen Kalibrierungsfaktor.
Wie eingangs bereits dargelegt, wird über jede Empfangsrichtkeule
durch die immer vorhandenen Nebenzipfel der Antennencharakteristik
ein Bruchteil des sog. Senkrechtechos - das ist ein von
einem senkrecht auf dem Meeresboden 12 auftreffenden Schallimpuls
ausgelöstes Echo - empfangen. Liegt dieses Senkrechtecho innerhalb
des Echoerwartungsfensters, so geht dieses Senkrechtecho bei
der Bildung des Schwerpunktintegrals mit ein und verfälscht die
Echodetektion. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, wird dieses Senkrechtecho
bei einer zugelassenen Hanglage mit einer Steigung von
⊖=± 25% im Echoerwartungsfenster derjenigen Empfangssignale
enthalten sein, die unter einem Empfangswinkel ϕ zwischen 0° und
ca. 28° empfangen werden. In diesem Bereich hat die vordere Grenze
T V des Echoerwartungsfensters in Fig. 3 einen negativen Wert,
was bedeutet, daß das Echoerwartungsfenster zu einem Zeitpunkt
geöffnet wird, der kleiner als die Echoerwartungszeit T ist. Da
die Echoerwartungszeit T aber gleich der vom Flankendiskriminator
21 ausgegebenen Echolaufzeit des sog. Erstechos ist, das
identisch ist mit dem Senkrechtecho, ist in dem genannten Empfangswinkelbereich
die Echodetektion mit einem relativ großen
Fehler behaftet. Um diesen zu elinimieren, wird die vom
Flankendiskriminator 21 ausgegebene Echolaufzeit T des Erstechos
der Recheneinheit 27 zugeführt. Da gleichzeitig die Recheneinheit
27 die Zeitdauer oder Zeitlänge L des Sendeimpulses kennt,
werden bei der Schwerpunktintegralbildung die im Cash-Speicher 26
in dem Zeitbereich T bis T + L enthaltenen Abtastwerte in ihrer
Größe um einen vorgegebenen Betrag reduziert, was einer Dämpfung
des Empfangssignals in diesem Zeitbereich T bis T + L gleichkommt.
Auf diese Weise ist der Einfluß des über die Nebenzipfel empfangenen
Senkrechtechos eliminiert und die Fehlertoleranz bei der
Echodetektion auch in diesem Empfangswinkelbereich auf das gleiche
Maß zurückgeführt, wie bei größeren Empfangswinkeln ϕ, im
Beispiel der Fig. 3 größer 28°.
Claims (11)
1. Verfahren zur akustischen Vermessung des Oberflächenprofils
eines Gewässergrundes, insbesondere des Meeresbodens, bei
welchem von einem Wasserfahrzeug aus Schallimpulse ins Wasser
ausgesendet werden, in über mindestens eine Empfangsrichtkeule,
die unter einem Empfangswinkel zur Vertikalen geschwenkt
ist, aufgefaßten Empfangssignalen von den Schaltimpulsen am
Gewässergrund ausgelöste Echos detektiert, die Echolaufzeiten
bestimmt und daraus Tiefenpunkte des Gewässergrundes ermittelt
werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Detektion der
Echos in den Empfangssignalen um eine aus der Echoausbreitung
von einer bekannten Lottiefe aus abgeleitete Echoerwartungszeit
(T) ein zeitliches Echoerwartungsfenster aufgespannt
wird, dessen Fenstergrenzen (T V , T H ) in Abhängigkeit von dem
Empfangswinkel ϕ der Empfangsrichtkeule (17) und einer
maximal angenommenen Hanglage (R) des Gewässergrundes in
Richtung der Empfangsrichtkeule (17) bemessen werden, daß von
dem durch das Echoerwartungsfenster begrenzten Empfangssignal
das Schwerpunktintegral gebildet wird und daß mit der Zeitkomponente
(T S ) des Schwerpunktes die Echolaufzeit festgelegt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich
ein ungerichteter Signalempfang durchgeführt wird
und daß die Echolaufzeit des im Signalverlauf zeitlich ersten
Echos als Echoerwartungszeit (T) verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Echoerwartungszeit (T) in einer unmittelbar vorhergehenden
Sende- und Empfangsperiode bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zeitgrenzen (T, T + L) des im Signalverlauf zeitlich ersten
Echos bestimmt werden und daß das Empfangssignal im Echoerwartungsfenster
vor der Schwerpunktintegralbildung in diesen
Zeitgrenzen (T, T + L) in einem vorgegebenen Maß bedämpft wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die vordere Fenstergrenze (T V ) gemäß
und die hintere Fenstergrenze (T H ) gemäß
bemessen wird, wobei ϕ der gegen die Vertikale gemessene
Empfangswinkel der Empfangsrichtkeule (17), () die Steigung
bzw. die Neigung der maximal angenommenen Hanglage und T die
Echoerwartungszeit ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß bei der Bemessung der hinteren, zeitlich späteren
Fenstergrenze (T H ) zusätzlich eine maximal mögliche
Echolänge berücksichtigt wird, die aus dem Empfangswinkel ϕ
der Empfangsrichtkeule (17), dem Öffnungswinkel (2ϑ) der
Empfangsrichtkeule (17) und der maximal angenommenen Hanglage
(R) des Gewässergrundes (12) in Richtung der Empfangsrichtkeule
(17) berechnet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Berücksichtigung der maximalen Echolänge die hintere Fenstergrenze
(T H ) um ein Zeitinkrement (Δ T) gemäß
zu größeren Zeitwerten verschoben wird, wobei ϕ der gegen die
Vertikale gemessene Empfangswinkel und 2ϑ der Öffnungswinkel
der Empfangsrichtkeule (17), R die Steigung bzw. Neigung der
maximal angenommenen Hanglage und T die Echoerwartungszeit
ist.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Empfangsantenne
(14) aus einer Vielzahl von äquidistant angeordneten elektroakustischen
Wandlern (15), einen an der Antenne (14) vorzugsweise
über einen zeitabhängigen Verstärkungsregler (19)
angeschlossenen Richtungsbildner (20) zum Bilden der mindestens
einen Empfangsrichtkeule (17), vorzugsweise einer Vielzahl
von in einem Sektor fächerartig aufgespannten Empfangsrichtkeulen
(17), einen an dem Richtungsbildner (20) angeschlossenen
Echodiskriminator (22) zur Echodetektion in dem
über die mindestens eine Empfangsrichtkeule (17), vorzugsweise
in jeder Empfangsrichtkeule (17), erhaltenen Empfangssignal
und einen eingangsseitig mit der Antenne (14), vorzugsweise
unter Zwischenschaltung des Verstärkungsreglers
(19), verbundenen und ausgangsseitig an den Echodiskriminator
(22) angeschlossenen Flankendiskriminator (21) zur
Detektion des im Empfangssignal der Antenne (14) enthaltenen
Erstechos.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der
Echodiskriminator (22) in Zuordnung zu jeder Empfangsrichtkeule
(17) eine Torschaltung (24) mit einer dem Echofenster
entsprechenden Toröffnungszeit, einen der Torschaltung (24)
nachgeschalteten Maximumsucher (25), einen dem Maximumsucher
(25) nachgeschalteten Speicher (26) zum Einschreiben der
Maximalwerte und eine am Speicherausgang angeschlossene Recheneinheit
(27) zum Berechnen des Schwerpunktintegrals aus
den im Speicher (26) abgelegten Maximalwerten aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein
die Toröffnungszeit für die mindestens eine Empfangsrichtkeule
(17), vorzugsweise für jede der Empfangsrichtkeulen (17),
festlegendes Rechenwerk (23) einerseits mit dem Flankendiskriminator
(21) und andererseits mit dem Steuereingang der
Torschaltung (24) verbunden ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einschreibfrequenz des Speichers (26) an die Fensterlänge
des Echoerwartungsfensters adaptiert ist.
Priority Applications (5)
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DE19863619253 DE3619253A1 (de) | 1986-06-07 | 1986-06-07 | Verfahren zur akustischen vermessung des oberflaechenprofils eines gewaessergrundes |
EP87106760A EP0249036A3 (de) | 1986-06-07 | 1987-05-09 | Verfahren zur Echolaufzeitbestimmung |
JP13197287A JPS6326524A (ja) | 1986-06-07 | 1987-05-29 | 水底への音響パルス照射によりトリガされるエコ−の走行時間の測定法および装置 |
NO872300A NO872300L (no) | 1986-06-07 | 1987-06-02 | Fremgangsmaate til bestemmelse av ekkohastighet. |
US07/058,932 US4809241A (en) | 1986-06-07 | 1987-06-05 | Method and apparatus for echo transit time determination |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19863619253 DE3619253A1 (de) | 1986-06-07 | 1986-06-07 | Verfahren zur akustischen vermessung des oberflaechenprofils eines gewaessergrundes |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE3619253A1 true DE3619253A1 (de) | 1987-12-10 |
Family
ID=6302547
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19863619253 Withdrawn DE3619253A1 (de) | 1986-06-07 | 1986-06-07 | Verfahren zur akustischen vermessung des oberflaechenprofils eines gewaessergrundes |
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---|---|
JP (1) | JPS6326524A (de) |
DE (1) | DE3619253A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113189676A (zh) * | 2021-05-25 | 2021-07-30 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于声学暗室的声学相位中心校准方法及*** |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11506809B2 (en) * | 2020-05-29 | 2022-11-22 | Saudi Arabian Oil Company | System and method for acoustically imaging wellbore during drilling |
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- 1986-06-07 DE DE19863619253 patent/DE3619253A1/de not_active Withdrawn
-
1987
- 1987-05-29 JP JP13197287A patent/JPS6326524A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN113189676A (zh) * | 2021-05-25 | 2021-07-30 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于声学暗室的声学相位中心校准方法及*** |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS6326524A (ja) | 1988-02-04 |
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