Illustration einer Echolotung mit einem Fächerecholot .
Das MTVZA-Sounding, empfangen vom Meteor M2-2-Satelliten durch eine Amateurfunkstation

Die Echolotung , auch Tiefenlotung genannt, nutzt Sonar zur Entfernungsmessung , üblicherweise zur Bestimmung der Wassertiefe ( Bathymetrie ). Dabei werden Schallwellen ins Wasser gesendet und die Laufzeit zwischen Aussendung und Rückkehr eines Impulses gemessen. Die resultierende Laufzeit ermöglicht zusammen mit der Kenntnis der Schallgeschwindigkeit im Wasser die Bestimmung der Entfernung zwischen Sonar und Zielobjekt. Diese Informationen werden typischerweise für Navigationszwecke oder zur Erstellung von Seekarten verwendet .

Echolotung kann auch zur Entfernungsmessung anderer Ziele, wie beispielsweise Fischschwärme, eingesetzt werden . Hydroakustische Untersuchungen nutzen traditionell mobile Messungen von Booten aus, um die Fischbiomasse und räumliche Verteilung zu erfassen. Im Gegensatz dazu verwenden ortsfeste Verfahren stationäre Schallköpfe zur Überwachung vorbeiziehender Fische.

Der Begriff „Lotung“ wird für alle Arten von Tiefenmessungen verwendet, auch für solche, die ohne Schall auskommen , und hat keine Verbindung zum Wort „Schall“ im Sinne von Geräusch oder Ton. Die Echolotung ist eine schnellere Methode zur Tiefenmessung als die frühere Technik, bei der eine Lotleine bis zum Meeresgrund hinabgelassen wurde.

Geschichte

Der deutsche Erfinder Alexander Behm erhielt am 22. Juli 1913 das deutsche Patent Nr. 282009 für die Erfindung des Echolots (ein Gerät zur Messung von Meerestiefen sowie Entfernungen und Kursen von Schiffen oder Hindernissen mittels reflektierter Schallwellen). [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Zur gleichen Zeit wurde in Frankreich der Physiker Paul Langevin ( bekannt durch seine Forschungen in der Kernphysik und in Verbindung mit Marie Curie ) zu Beginn des Ersten Weltkriegs von den Laboren der französischen Marine angeworben und forschte (damals geheim) an aktiven Sonaren für die U-Boot-Jagd (unter Verwendung eines piezoelektrischen Senders ). Seine Arbeit wurde von anderen Wissenschaftlern und Technikern wie Chilowski, Florisson und Pierre Marti weiterentwickelt und umgesetzt. Obwohl ein voll funktionsfähiges Echolot (Sonar) im Krieg noch nicht einsatzbereit war, gab es bereits 1920 erfolgreiche Versuche vor Toulon und im Ärmelkanal , und es wurden französische Patente für zivile Anwendungen angemeldet. Ozeanographische Schiffe und französische Hochseefischereihilfsschiffe wurden bereits Mitte/Ende der 1920er Jahre mit Langevin-Florisson- und Langevin-Marti-Aufzeichnungssonaren ausgestattet. [ 4 ]

Eines der ersten kommerziellen Echolotgeräte war das Fessenden-Fathometer, das den Fessenden-Oszillator zur Erzeugung von Schallwellen nutzte. Es wurde erstmals 1924 von der Submarine Signal Company auf dem M&M-Liner SS Berkshire installiert. [ 5 ]

Technik

Diagramm zur Veranschaulichung des Grundprinzips der Echolotung

Die Entfernung wird gemessen, indem die halbe Laufzeit des Signalimpulses mit der Schallgeschwindigkeit in Wasser multipliziert wird, die etwa 1,5 Kilometer pro Sekunde beträgt. Die Schallgeschwindigkeit variiert geringfügig in Abhängigkeit von Temperatur, Druck und Salzgehalt. Für präzise Anwendungen der Echolotung, wie beispielsweise in der Hydrographie , muss die Schallgeschwindigkeit gemessen werden, typischerweise mithilfe einer Schallgeschwindigkeitssonde im Wasser. Die Echolotung ist eine spezielle Anwendung des Sonars zur Ortung des Meeresbodens. Da die Fadenlänge (Faden) eine historische Einheit für die Wassertiefe vor Einführung des SI-Systems war , wird ein Instrument zur Bestimmung der Wassertiefe manchmal auch als Fathometer bezeichnet .

Die meisten kartierten Meerestiefen basieren auf einer durchschnittlichen oder standardisierten Schallgeschwindigkeit. Wo höhere Genauigkeit erforderlich ist, können Durchschnittswerte und sogar saisonale Standards auf Meeresregionen angewendet werden. Für hochpräzise Tiefenmessungen, die üblicherweise speziellen oder wissenschaftlichen Vermessungen vorbehalten sind, wird ein Sensor abgesenkt, um Temperatur, Druck und Salzgehalt zu messen. Diese Faktoren dienen dazu, die tatsächliche Schallgeschwindigkeit in der jeweiligen Wassersäule genauer zu bestimmen. Dieses Verfahren wird häufig vom US Office of Coast Survey für Navigationsvermessungen der US-Küstengewässer eingesetzt. [ 6 ]

Typen

Einzelstrahl

Strahlform eines Einzelstrahl-Echolots auf einem unbemannten Überwasserfahrzeug

Ein Einzelstrahl-Echolot ist eines der einfachsten und grundlegendsten Unterwassersonargeräte. Es ist in der Schifffahrt weit verbreitet und wird auf verschiedenen Meeresrobotern eingesetzt. Es funktioniert, indem ein Wandler einen Impuls durch das Wasser aussendet und die zurückkehrenden Echos empfängt. Anhand dieser Daten kann es die Entfernung zum stärksten Echo bestimmen, beispielsweise zum Meeresboden, einem Betonbauwerk oder einem anderen größeren Hindernis. [ 7 ] Ein Fischfinder ist ein Echolot, das sowohl von Freizeit- als auch von Berufsfischern verwendet wird.

Multibeam

Multibeam-Sonar wird zur Kartierung des Meeresbodens eingesetzt.

Ein Fächerecholot (MBES) ist ein Sonargerät zur Kartierung des Meeresbodens . Es sendet fächerförmig unterhalb seines Senders/Empfängers Schallwellen aus . Die Laufzeit der Schallwellen vom Meeresboden zurück zum Empfänger dient zur Berechnung der Wassertiefe. Im Gegensatz zu anderen Sonaren und Echoloten nutzt das Fächerecholot (MBES) Beamforming , um Richtungsinformationen aus den zurückkehrenden Schallwellen zu gewinnen und so mit einem einzigen Signal eine Reihe von Tiefenmessungen zu erzeugen .

Gebräuchliche Verwendung

Neben der Navigationshilfe (die meisten größeren Schiffe verfügen zumindest über ein einfaches Echolot) wird die Echolotung häufig zum Fischen eingesetzt . Höhenunterschiede deuten oft auf Stellen hin, an denen sich Fische sammeln. Auch Fischschwärme werden erfasst. [ 8 ]

Hydrographie

In Gebieten, in denen detaillierte bathymetrische Daten erforderlich sind, kann ein präzises Echolot für hydrographische Arbeiten eingesetzt werden. Bei der Bewertung eines solchen Systems sind zahlreiche Faktoren zu berücksichtigen, darunter die vertikale Genauigkeit, die Auflösung, die akustische Strahlbreite des Sende-/Empfangsstrahls und die akustische Frequenz des Wandlers .

Ein Beispiel für ein präzises Zweifrequenz-Echolot ist das Teledyne Odom MkIII.

Die meisten hydrographischen Echolote arbeiten mit zwei Frequenzen. Das bedeutet, dass ein niederfrequenter Impuls (typischerweise um 24 kHz) gleichzeitig mit einem hochfrequenten Impuls (typischerweise um 200 kHz) ausgesendet werden kann. Da die beiden Frequenzen getrennt sind, stören sich die beiden Rücksignale in der Regel nicht. Die Zweifrequenz-Echolotung bietet viele Vorteile, darunter die Möglichkeit, eine Vegetationsschicht oder eine Schicht aus weichem Schlamm über einer Gesteinsschicht zu identifizieren.

Ein Screenshot, der den Unterschied zwischen Einzel- und Zweifrequenz-Echogrammen zeigt.

Die meisten hydrographischen Messungen erfolgen mit einem 200-kHz-Schallkopf, der für küstennahe Arbeiten bis zu einer Tiefe von 100 Metern geeignet ist. In tieferen Gewässern wird ein Schallkopf mit niedrigerer Frequenz benötigt, da das akustische Signal niedrigerer Frequenzen in der Wassersäule weniger stark gedämpft wird. Gängige Frequenzen für Tiefsee-Lotungen sind 33 kHz und 24 kHz.

Die Strahlbreite des Schallkopfes ist für den Hydrographen ebenfalls relevant, da für eine optimale Datenauflösung eine geringe Strahlbreite vorteilhaft ist. Je höher die Betriebsfrequenz, desto geringer die Strahlbreite. Dies ist insbesondere bei Tiefsee-Sondierungen wichtig, da die Ausbreitungsfläche des akustischen Impulses am Meeresboden sehr groß sein kann.

Ein Multispektral-Fächerstrahl-Echolot ist eine Erweiterung eines Zweifrequenz-Vertikalstrahl-Echolots. Es misst nicht nur zwei Tiefensignale direkt unterhalb des Sonars bei zwei verschiedenen Frequenzen, sondern auch mehrere Tiefensignale bei verschiedenen Frequenzen, in verschiedenen Einfallswinkeln und an verschiedenen Positionen auf dem Meeresboden. Diese Systeme werden im Abschnitt „ Fächerstrahl-Echolot“ detaillierter beschrieben .

Echolote werden in Laboranwendungen eingesetzt, um Sedimenttransport, Kolkbildung und Erosionsprozesse in maßstabsgetreuen Modellen (hydraulischen Modellen, Gerinnen usw.) zu überwachen. Sie können auch zur Erstellung von 3D-Konturdiagrammen verwendet werden.

Normen für hydrographische Echolotung

Die erforderliche Präzision und Genauigkeit des hydrographischen Echolots wird durch die Anforderungen der Internationalen Hydrographischen Organisation (IHO) für Vermessungen nach IHO-Standards definiert. [ 9 ] Diese Werte sind in der IHO-Publikation S44 enthalten.

Um diese Standards zu erfüllen, muss der Vermesser nicht nur die vertikale und horizontale Genauigkeit des Echolots und des Schallkopfes, sondern das gesamte Vermessungssystem berücksichtigen. Ein Bewegungssensor, insbesondere die Hubkomponente (bei Einzelstrahl-Echolotung), kann eingesetzt werden, um die durch die Schiffsbewegung auf der Wasseroberfläche verursachten Messfehler zu reduzieren. Sobald alle Messunsicherheiten der einzelnen Sensoren ermittelt sind, erstellt der Hydrograph eine Unsicherheitsbilanz, um festzustellen, ob das Vermessungssystem die Anforderungen der IHO erfüllt.

Verschiedene hydrographische Organisationen verfügen über eigene Feldverfahren und Handbücher, die ihre Vermesser bei der Einhaltung der erforderlichen Standards unterstützen. Zwei Beispiele hierfür sind die Publikation EM110-2-1003 des US Army Corps of Engineers [ 10 ] und das „Field Procedures Manual“ der NOAA [ 11 ] .

Siehe auch

Referenzen

  1. ^ Salous, Sana (2013). Funkwellenausbreitungsmessung und Kanalmodellierung . John Wiley & Sons . S. 424. ISBN 9781118502327Die
  2. ^ Xu, Guochang (2010). Sciences of Geodesy - I: Advances and Future Directions . Springer Publishing . S. 281. ISBN 9783642117411Die
  3. ↑ Werner Schneider. „Alexander Behm – Der Erfinder des Echolots“ . Abgerufen am 9. April 2014 .
  4. ^ Lelong, Benoit. „Paul Langevin und die Sous-Marine-Detektion, 1914-1929. Ein Arzt für industrielle und militärische Innovation (Epistemologiques, 2001)“ .
  5. ^ „Fessenden Fathometer Amplifier – Submarine Signal Company“ . The Subchaser Archives . 20. März 2007. Abgerufen am 12. April 2018 .
  6. ^ NOAA Field Procedures Manual, Website des Office of Coast Survey ( http://www.nauticalcharts.noaa.gov/hsd/fpm/fpm.htm Archiviert am 10. August 2011 im Internet Archive )
  7. ^ „Ein Leitfaden für den reibungslosen Betrieb von Unterwassersonaren und akustischen Geräten“ . Blue Robotics . Abgerufen am 12. Januar 2024 .
  8. ^ „Fishfinders Guide“ (in deutscher Sprache). Archiviert vom Original am 17. Februar 2017. Abgerufen am 16. Februar 2017 .
  9. ^ Internationales Hydrographisches Büro (Februar 2008). „IHO-Standards für hydrographische Vermessungen“ (PDF) (5. Auflage). Archiviert vom Original (PDF) am 8. Oktober 2011.{{cite journal}}: Zeitschrift zitieren erfordert |journal=( Hilfe )
  10. ^ „EM 1110-2-1003 (01. Jan. 02)“ . Archiviert vom Original am 20. Juli 2011. Abgerufen am 9. Juni 2011 ., USACE-Veröffentlichung EM 1110-2-1003.
  11. ^ [1] Archiviert am 16. Mai 2011 in der Wayback Machine , NOAA Field Procedures Manual.

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