DE3785927T2

DE3785927T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Eisdicke.

Info

Publication number: DE3785927T2
Application number: DE87305987T
Authority: DE
Inventors: Roger G Pridham
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1986-06-02
Filing date: 1987-07-07
Publication date: 1994-02-03
Anticipated expiration: 2007-07-08
Also published as: EP0298165B1; DE3785927D1; EP0298165A1; US4697254A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Messung der Eisdicke und genauer eine Messung der Eisdicke unter Verwendung eines Sonarsystemes, das in dem Wasser unterhalb der Eisschicht angeordnet ist.
Es besteht der Bedarf bezüglich der Kenntnis der Dicke einer Eisdecke in vielen Anwendungsfällen, in denen die Dicke des Eises die Grenzen bestimmt, bei denen bestimmte Ausrüstungen funktionieren. Einer dieser Anwendungsfälle betrifft die Operation von Unterseebooten, bei denen sich ein Unterseeboot in einem Gewässer befindet, das von einer Eisdecke überlagert ist. Um eine Beschädigung des Unterseebootes zu verhindern, wenn dieses auf tauchen soll, ist es notwendig, daß die Dicke der Eisdecke bekannt ist, bevor das Auftauchen versucht wird. Wenn die Eisdecke dicker ist als eine vorgeschriebene Dicke, ist das Unterseeboot nicht in der Lage, die Eisdecke zu durchbrechen und der Stoß kann eine Beschädigung des Unterseebootes oder seines Inhaltes aufgrund der Stärke des Stoßes an dem Eis bewirken, welches für ein Durchbrechen zu dick ist.
Aus diesem Grunde ist es notwendig, daß eine genaue Bestimmung der Dicke der Eisdecke vorgenommen wird, bevor versucht wird, die Eisdecke zu durchbrechen.
Die Veröffentlichung DE-A-3 235 372 beschreibt eine Einrichtung und ein Verfahren zur Messung der Dicke einer Sedimentschicht (Schlamm), die das Bett eines Gewässers überdeckt. Bei diesem bekannten Verfahren werden zwei hohe Frequenzen, eine bei 80 kHz und die ander bei 72 kHz als Beispiel, horizontal von einem elektroakustischen Sender in das Wasser zu einem Reflektor ausgesendet, der eine zentrale Öffnung hat, an der ein elektroakustischer Empfänger montiert ist. Der Reflektor reflektiert den horizontalen Strahl von Schallenergie vertikal nach abwärts. Der Abstand zwischen dem Sender und dem Reflektor ist ausreichend groß für die parametrische Erzeugung der Differenzfrequenz von 8 kHz in dem Wasser, so daß der Reflektor die zwei hohen Frequenzen und die Differenzfrequenz reflektiert. Die beiden hohen Frequenzen werden von der Trennfläche zwischen dem Wasser und der Sedimentschicht zu dem Empfänger reflektiert, die Differenzfrequenz jedoch breitet sich durch das Sediment aus und wird von der Trennschicht zwischen dem Sediment und dem harten Gewässerboden reflektiert. Der Empfänger ist mit zwei Filtern gekoppelt, von denen einer die höhere der beiden hohen Frequenzen auswählt und der andere die Differenzfrequenz auswählt. Der Abstand zwischen dem Empfänger und der oberen Trennfläche wird aus der Zeit des Hochfrequenzechos bestimmt und der Abstand zwischen dem Empfänger der unteren Trennfläche wird aus der Zeit des Differenzfrequenzechos bestimmt. Die Pegel der ausgesendeten und empfangenen Signale werden ebenso gemessen und die Übertragungsverluste bei der Hochfrequenz und bei der Differenzfrequenz sowie die Dicke der Sedimentschicht werden errechnet. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Messung der Eisdicke mit folgenden Verfahrensschritten geschaffen:
Erzeugen eines amplitudenmodulierten Schallsignales im Wasser mit einer ersten Trägerfrequenz und einer Modulationsfrequenz;
Erzeugen eines unmodulierten Dauerstrich-Schallsignales mit einer zweiten Trägerfrequenz in dem Wasser am Ende des genannten amplitudenmodulierten Schallsignales,
wobei die erste und die zweite Trägerfrequenz so gewählt sind, daß die Schallenergie bei diesen Trägerfrequenzen von einer Eisdecken-Wasser-Trennfläche reflektiert wird und das amplitudenmodulierte Schallsignal mit dem Wasser nichtlinear in Wechselwirkung tritt, so daß Schallenergie bei der Modulationsfrequenz erzeugt wird und die Modulationsfrequenz derart gewählt ist, daß die Schallenergie mit Modulationsfrequenz sich durch die Eisdecke ausbreitet und an der Luft-Eis- Trennfläche reflektiert wird und wobei die reflektierte Schallenergie mit Modulationsfrequenz und das reflektierte unmodulierte Schallsignal mit der zweiten Trägerfrequenz nichtlinear in dem Wasser in Wechselwirkung treten, so daß ein frequenzmoduliertes Signal der zweiten Trägerfrequenz entsteht;
Detektieren des reflektierten amplitudenmodulierten Schallsignals der ersten Trägerfrequenz von der Eisdecken-Wasser-Trennfläche;
Detektieren des frequenzmodulierten Signales der zweiten Trägerfrequenz; und auf diese Weise Messen der Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen des reflektierten amplitudenmodulierten Schallsignals und dem Eintreffen des frequenzmodulierten Signales der zweiten Trägerfrequenz zur Gewinnung einer Anzeige der Dicke der Eisdecke.
Gemäß einem andern Aspekt der Erfindung wird eine Einrichtung zur Messung der Eisdicke angegeben, mit
Mitteln zur Erzeugung eines amplitudenmodulierten Schallsignales in Wasser mit einer ersten Trägerfrequenz und einer Modulationsfrequenz;
Mitteln zur Erzeugung eines unmodulierten Dauerstrich- Schallsignals in dem Wasser am Ende des amplitudenmodulierten Schallsignals bei einer zweiten Trägerfrequenz, wobei die erste und die zweite Trägerfrequenz so gewählt sind, daß Schallenergie bei diesen Trägerfrequenzen von einer Eisdecken-Wasser-Trennfläche reflektiert wird und die Modulationsfrequenz so gewählt ist, daß Schallenergie bei der Modulationsfrequenz sich durch das Eis fortpflanzt und an einer Luft-Eis- Trennfläche reflektiert wird;
Mitteln zur Detektierung des amplitudenmodulierten Schallsignals, das von dem Eis an der Oberfläche des Wasser reflektiert wird;
Mitteln zum Detektieren eines frequenzmodulierten Signales mit der zweiten Trägerfrequenz, das durch nichtlineare Wechselwirkung in dem Wasser vom unmodulierten Dauerstrich-Schallsignal der zweiten Trägerfrequenz, reflektiert an der Eisdecken-Wasser- Trennfläche, und von der Schallenergie mit Modulationsfrequenz, reflektiert an der Luft-Eis-Trennfläche, erzeugt worden ist; und
Mitteln zur Gewinnung einer Anzeige der Dicke des Eises durch Messen des Zeitunterschiedes zwischen der Feststellung des amplitudenmodulierten Schallsignales und der Feststellung des frequenzmodulierten Signales der zweiten Trägerfrequenz.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel verwendet eine parametrische Sendereihenanordnung und eine parametrische Empfangsreihenanordnung zur Messung der Eisdicke bei Einsatz eines einzigen Hochfrequenzwandlers. Die Erfindung wird als Zusatz zu einem Hochfrequenz-Sonarsystem 1 beschrieben, das in einem Unterseeboot-Oberseiten-Schallortungsbetrieb verwendet wird, der zur Navigation unter einer Eisdecke dient und eine zusätzliche Funktion zur Messung der Eisdicke umfaßt. Die vorliegende Erfindung schafft ein Sonarsystem, das sich für die Messung der Eisdicke eignet, wobei die Oberseiten-Schallortungssensoren 11 auf einem Unterseeboot einer Art sind, bei welcher die Sensoren sowohl für den Sendebetrieb als auch für den Empfangsbetrieb bedeutsames Ansprechen nur bei hohen Frequenzen, beispielsweise oberhalb von 150 kHz, haben. Der Schall dämpft sich bei diesen Frequenzen rasch in Eis ab. Es ist daher wünschenswert, bei etwa 10 kHz zu arbeiten, um eine ausreichende Eindringung in das Eis hindurch zu haben, so daß das Echo von der Luft- Eis-Trennfläche detektiert werden kann. Die parametrische Senderreihentechnik für die Erzeugung eines niederfrequenten Signales durch die nichtlineare Wechselwirkung zweier höherer Frequenzen mit einer Differenzfrequenz gleich derjenigen des niederfrequenten Signales ist den Fachleuten allgemein bekannt. Daher kann alternativ diese bekannte Technik der Erzeugung eines niederfrequenten Signales angewendet werden, indem die oberseitigen Schallortungswandler zur Erzeugung eines niederfrequenten 10 kHz-Sendesignales verwendet werden, das die Eisdecke durchdringen kann. Die Eisdicke wird abgeschätzt, indem die Laufzeit in einer Richtung durch das Eis mit der abgeschätzten Schallgeschwindigkeit in Eis multipliziert wird.
Es sei auf Fig. 1 Bezug genommen. Hier ist ein Unterseeboot 10 gezeigt, das einen oberseitigen Schallortungswandler 11 der Hochfrequenzart aufweist, wobei beide genannten Teile in einer Meerwasserumgebung 12 eingetaucht sind. Ein Sendesignal 13 trifft, wie dargestellt, die Unterseite 18 der Eisdecke 19, von wo das reflektierte Signal 14 durch den Wandler 11 wieder empfangen wird. Die Laufzeit des Sendesignales 13, die aus dem reflektierten Signal 14 ermittelt wird, liefert die Tiefe des Unterseebootes 10 unterhalb der Unterseite 18 der Eisdecke. Das Signal 13 ist ein hochfrequenter Träger, der mit einem niederfrequenten Signal amplitudenmoduliert ist, das die Eisdecke durchdringt. Die Eisdecken-Wasser-Trennfläche 18 ist klar definiert durch die Rückstreuung des hochfrequenten Trägers des Signals 13. Andererseits wird ein nichtlinear (oder parametrisch) erzeugtes Differenzsignal 15 (im vorliegenden Beispiel 10 kHz) durch das ausgesendete Signal 13 in dem Wechselwirkungsbereich des Meerwassers 12 erzeugt, das sich von dem oberseitigen Schallortungs-Sendewandler 11 bis zu der Eisdecke 19 erstreckt (ein Wechselwirkungsbereich von etwa 100 in ist angemessen, um eine ausreichende Amplitude der Differenzfrequenz zu erzeugen, um detektierbar zu sein). Das 10 kHz-Differenzsignal 15 breitet sich in die Eisdecke 19 hinein aus und wird von der oberen Trennfläche reflektiert (d. h., der Trennfläche 16 zwischen Luft 17 und Eis 19). Die 10 kHz-Differenzfrequenz 15', welche von der oberen Grenzfläche 16 reflektiert wird, breitet sich durch die Eisdecke 19 und das Wasser 12 zurück zu dem Hochfrequenzwandler 11 aus.
Das Detektieren des niederfrequenten 10 kHz-Reflektionssignales 15' unter Verwendung des Hochfrequenzwandlers 11 geschieht dadurch, daß dem hochfrequenten amplitudenmodulierten Träger 13 ein Dauerstrich-Sendesignal 30 längerer Dauer mit einer hohen unmodulierten Trägerfrequenz folgt. Diese hohe Trägerfrequenz braucht nicht dieselbe zu sein wie diejenige, die für die anfängliche Aussendung des Signales 13 verwendet wird. Die zweite Aussendungsfrequenz 30 ist unmoduliert, so daß keine Differenzfrequenzkomponenten auf dem Weg durch das Wasser 12 von dem Wandler 11 zu der Trennfläche 18 zwischen Eisdecke und Wasser erzeugt werden. Die ausgesendete unmodulierte Trägerfrequenz 30 wird aber von der Wasser-Eis-Trennfläche 18 zurück zu dem oberseitigen Schallortungs-Empfangswandler 11 gestreut, der auch als Sender verwendet wird. Dieses reflektierte hochfrequente Dauerstrichsignal 30' breitet sich zurück zu dem Sender zusammen mit den 10 kHz-Differenzfrequenzkomponenten 15' aus, die auf der vorausgehenden, mit 10 kHz amplitudenmodulierten Trägerfrequenz beruhen, und welche von der Eisdecke 19 und der Luft-Eis-Trennfläche 16 reflektiert werden. Die 10 kHz-Differenzfrequenzkomponenten 15' und die unmodulierte Trägerfrequenz 30' treten nichtlinear im Wasser in solcher Weise in Wechselwirkung, daß Seitenbänder bei 10 kHz auf jeder Seite des Hochfrequenzträgers 30' erzeugt werden. Diese Seitenbänder entstehen, da der nichtlineare Effekt sich als eine Frequenzmodulation der zurückgestreuten Trägerkomponenten durch die zurückgestreuten 10 kHz-Komponenten darstellt. Dieser frequenzmodulierte Hochfrequenzträger wird von dem Hochfrequenz-Schallortungswandler 11 auf der Oberseite empfangen und durch Frequenzmodulations-Aussonderung in einem FM-Empfänger verarbeitet, um ein Echosignal von der Luft-Eis-Trennfläche 16 zu erhalten. Wenn die Eisdicke, die durch das Ansprechverhalten der Eisdickenmeßeinrichtung 30 nach Fig. 2 bestimmt wird, geringer als eine maximale Dicke von beispielsweise fünf Fuß ist, so wird ein unterscheidbares Echosignal 27' von dem FM-Empfänger 20 von der Eis-Luft-Trennfläche 16 her festgestellt. Eine sehr dicke Eisdecke, bei der ein Unterseeboot nicht auftauchen kann, kann durch das Ausbleiben eines festgestellten Echos von der Eis-Luft-Trennfläche 16 her identifiziert werden, was auf der Abschwächung der Modulierungsfrequenz 15 in dem Eis beruht.
Es sei nun auf Fig. 2 Bezug genommen. Hier ist ein Blockschaltbild eines Sonarsystems 30 nach der Erfindung gezeigt. Der bei der Behandlung von Fig. 1 erwähnte Wandler 11 ist mit einem Sender 21 und einem dualen AM/FM-Empfänger 20 verbunden, der ein Ausgangssignal entweder für ein amplitudenmoduliertes oder ein frequenzmoduliertes empfangenes Signal liefern kann. Der Sender 21 wird durch den 10 kHz-Amplitudenmodulator 24 moduliert, dessen Ausgang über das Gatter 25 mit dem Sender 21 verbunden ist. Das Gatter 25 wird durch einen Impuls von einer Impulsquelle 26 aktiviert und während dieser Zeit wird der Ausgang des Senders 21 mit einem 10 kHz-Signal amplitudenmoduliert. Typischerweise ist die Dauer des Impulses 260 von Fig. 2 1 ms, was die angemessene Zeit dafür ist, daß das 10 kHz-Signal 15 durch eine fünf Fuß dicke Eisdecke 14 läuft und daß das 10 kHz-Signal 15', das von der Eis-Luft-Trennfläche 16 reflektiert wird, zurück durch die Eisdecke zu der Wasser-Eis-Trennfläche 18 läuft. Die Dauer des Impulses 260 und damit die Dauer des amplitudenmodulierten Sendesignales 13 wird durch eine Steuereinrichtung 261 gesteuert, um das gesendete Signal 13 optimal zu der Zeit abzuschalten, zu der das reflektierte 10 kHz-Signal 15' seinen Rückweg durch das Wasser 12 antritt.
Zu Ende des Impulses 260 der Quelle 26 wird die Impulsquelle 22 aktiviert, um einen Einschaltimpuls 220 an den Sender 21 zu liefern, der diesen dazu veranlaßt, ein unmoduliertes Dauerstrich-Ausgangssignal 30 zu erzeugen, das nicht dieselbe Trägerfrequenz wie die ursprüngliche Aussendung 13 zu haben braucht und für die Dauer des Impulses 220 zu dem Wandler 11 gelangt. Das amplitudenmodulierte reflektierte Signal 14 wird durch den AM-Teil des Empfängers 20 detektiert, um das Signal 14' an dem Ausgang des Filters 23 darzubieten. Für den Empfang des FM-Signales 27, das auf der Wechselwirkung der Signale 15' und 30' beruht, liefert der FM-Teil des Empfängers 20, der mit dem Wandler 11 verbunden ist, ein Ausgangssignal 27' von einer Bandpaßfilterschaltung 23, deren Funktion darin besteht, die Bandbreite des empfangenen Signales auf 2 kHz zu begrenzen, damit das detektierte 10 kHz-modulierte FM-Rückkehrsignal von einer Millisekunde aufgrund der Dauer von einer Millisekunde des amplitudenmodulierten Sendesignales 13 gefiltert wird. Der Abstand des Wandlers 11 unterhalb der Eisdecke 19 wird zu 100 in angenommen, was ein ausreichender Abstand ist, um den Wechselwirkungsbereich für die nichtlineare Wechselwirkung des modulierten Signales 13 zu bilden, um parametrisch ein angemessenes 10 kHz-Signal 15 zu erzeugen. Die 10 kHz-Modulationsfrequenz ist mehr oder weniger willkürlich gewählt unter Berücksichtigung der folgenden Überlegungen. Der parametrische Sendesignalquellenpegel verändert sich entsprechend 40 log W, worin W die Modulationsfrequenz ist. Demgemäß ist eine höhere Modulationsfrequenz wünschenswert, um den Leistungspegel der Modulationsfrequenz (Differenzfrequenz) W zu erhöhen, mit dem diese in die Unterseite der Eisdecke 19 eintritt. Die Abschwächung in dem Eis erhöht sich jedoch entsprechend der Erhöhung der Frequenz W. Die 10 kHz-Modulationsfrequenz ist daher als ein Beispiel für einen Wert gewählt, der als ein Optimalbereich für die Modulationsfrequenzen zu nehmen ist. Der Leistungspegel des Senders 21 braucht nur in der Nähe von 40 Watt liegen, um ein detektierbares Signal 27' von der Eis-Luft-Trennfläche 16 der Eisdecke 14 zu erhalten.
Die Dicke D der Eisdecke 19 bestimmt sich aus der verstrichenen Zeit TT zwischen den detektierten Signalen 14' und 27', multipliziert mit dem Bruch aus der Schallgeschwindigkeit in Eis CICE und zwei (, um zu berücksichtigen, daß TT die Hin- und Rücklaufzeit durch das Eis ist), (nämlich D ist = TT·CICE/2).
Fig. 3 zeigt die Sendesignale 13, 30 von dem Sender 21, die reflektierten Signale 14, 30' und 27, welche von dem Empfänger 20
Text fehlt.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Eisdicke, mit folgenden Verfahrensschritten:

Erzeugen eines amplitudenmodulierten Schallsignales (13) im Wasser (12) mit einer ersten Trägerfrequenz und einer Modulationsfrequenz;

Erzeugen eines unmodulierten Dauerstrich-Schallsignales (30) mit einer zweiten Trägerfrequenz in dem Wasser (12) am Ende des genannten Amplitudenmodulierten Schallsignales (13),

wobei die erste und die zweite Trägerfrequenz so gewählt sind, daß die Schallenergie bei diesen Trägerfrequenzen von einer Eisdecken-Wasser-Trennfläche reflektiert wird und das amplitudenmodulierte Schallsignal (13) mit dem Wasser (12) nichtlinear in Wechselwirkung tritt, so daß Schallenergie bei der Modulationsfrequenz erzeugt wird und die Modulationsfrequenz derart gewählt ist, daß die Schallenergie mit Modulationsfrequenz sich durch die Eisdecke (19) ausbreitet und an der Luft-Eis-Trennfläche (16) reflektiert (15') wird und wobei die reflektierte Schallenergie mit Modulationsfrequenz (15) und das reflektierte unmodulierte Schallsignal (30') mit der zweiten Trägerfrequenz nichtlinear in dem Wasser (12) in Wechselwirkung treten, so daß ein frequenzmoduliertes Signal (27) der zweiten Trägerfrequenz entsteht;

Detektieren des reflektierten amplitudenmodulierten Schallsignals (14) der ersten Trägerfrequenz von der Eisdecken-Wasser-Trennfläche (18);

Detektieren des frequenzmodulierten Signales (27) der zweiten Trägerfrequenz; und auf diese Weise Messen der Zeitdifferenz (TT) zwischen dem Eintreffen des reflektierten amplitudenmodulierten Schallsignals (14) und dem Eintreffen des frequenzmodulierten Signales (27) der zweiten Trägerfrequenz zur Gewinnung einer Anzeige der Dicke der Eisdecke (19).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Trägerfrequenz und die zweite Trägerfrequenz dieselben Frequenzen sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugen des amplitudenmodulierten Signales (13) in der Form der Aussendung eines Impulssignales geschieht.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Errechnen der Eisdicke (D) aus der genannten Zeitmessung (TT) und der Geschwindigkeit (CICE) von Schall in Eis.

5. Einrichtung zur Messung der Eisdicke, mit

Mitteln, (11, 24, 21, 25, 26) zur Erzeugung eines amplitudenmodulierten Schallsignales (13) in Wasser mit einer ersten Trägerfrequenz und einer Modulationsfrequenz;

Mitteln, (11, 21, 22) zur Erzeugung eines unmodulierten Dauerstrich-Schallsignals (30) in dem Wasser am Ende des amplitudenmodulierten Schallsignals bei einer zweiten Trägerfrequenz, wobei die erste und die zweite Trägerfrequenz so gewählt sind, daß Schallenergie bei diesen Trägerfrequenzen von einer Eisdecken-Wasser-Trennfläche (18) reflektiert wird und die Modulationsfrequenz so gewählt ist, daß Schallenergie bei der Modulationsfrequenz sich durch das Eis fortpflanzt und an einer Luft-Eis- Trennfläche reflektiert wird;

Mitteln, (11, 20) zur Detektierung des amplitudenmodulierten Schallsignals, das von dem Eis (19) an der Oberfläche (18) des Wassers (12) reflektiert wird;

Mitteln (11, 20, 23) zum Detektieren eines frequenzmodulierten Signales 27 mit der zweiten Trägerfrequenz, das durch nichtlineare Wechselwirkung in dem Wasser (12) vom unmodulierten Dauerstrich-Schallsignal der zweiten Trägerfrequenz, reflektiert (30') an der Eisdecken-Wasser-Trennfläche (18), und von der Schallenergie mit Modulationsfrequenz, reflektiert (15') an der Luft-Eis-Trennfläche (16), erzeugt worden ist; und

Mitteln zur Gewinnung einer Anzeige der Dicke (D) des Eises (19) durch Messen des Zeitunterschiedes (TT) zwischen der Feststellung des amplitudenmodulierten Schallsignales (14) und der Feststellung des frequenzmodulierten Signales (27) der zweiten Trägerfrequenz.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Trägerfrequenz dieselben Frequenzen sind.