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Einrichtung und Verfahren zur Echolotung, insbesondere für Zwecke
der Tiefseeforschung Bei größeren Meerestiefen von beispielsweise mehr als 1000
m ist die Auskunft, welche ein registrierendes Echolot über die Beschaffenheit des
Meeresbodens liefert, für viele Zwecke unzureichend. Dies liegt im wesentlichen
daran, daß die ausgestrahlte akustische Energie nicht genügend scharf gebündelt
werden kann, und die Lotfolge wegen des zu großen Meßbereiches viel zu klein ist,
eine Abbildung des Bodens zu ermöglichen. Bei einer Bündelschärfe von beispielsweise
100, die schon verhältnismäßig schwierig zu erreichen ist, und einer Tiefe von 1000
m, erfaßt der Lotstrahl bereits eine Fläche mit einem Durchmesser von 170 m gleichzeitig.
Die Detailstruktur des Bodens kann daher nicht mehr genau wiedergegeben werden.
Die Lotfolge im 1000-m-Meßbereich ist kleiner als einmal in der Sekunde, im 15-m-Meßbereich
hingegen 50 Lotungen je Sekunde. Ein weiterer Nachteil bei der Tiefseelotung ist
der, daß schwächere Echos, wie sie beispielsweise von Fischen in der Nähe des Meeresbodens
erzeugt werden, infolge der großen Entfernung zum Schiff verlorengehen bzw. im Störpegel
untertauchen.
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Es ist bereits bekannt, vom Schiff aus einen unbemannten Behälter
an einer besonderen Leine oder an der Kurrleine eines Fischnetzes unter Wasser nachzuschleppen,
der die Schwinger einer Echolotanlage enthält, deren zugehöriges Anzeige- oder Registriergerät
sich an Bord des Schiffes befindet.
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Dabei können die Schwinger für eine Vertikallotung oder für eine Horizontallotung
bestimmt sein, wobei im letzteren Falle die Richtung auch zyklisch selbsttätig geändert
werden kann, so daß eine radarartige Abtastung des Horizontes, beispielsweise zum
Aufsuchen von U-Booten, zustande kommt. In einem anderen bekannten Falle ist der
Behälter mit einem eigenen Antrieb ausgestattet, so daß er dem Schiff an der Leine
vorausläuft. Der Antrieb kann dabei aus im Behälter mitgeführten elektrischen Batterien
gespeist werden. In einem weiteren bekannten Falle enthält ein in der Tiefe nachgeschleppter
Behälter Horchgeräte, um auf diese Weise aus dem Störgeräusch des Schiffes herauszukommen.
Bei allen diesen bekannten Anordnungen erfolgt aber die Feststellung der Echolot-
oder Horchergebnisse an Bord des Schiffes. Dort befinden sich die entsprechenden
Anzeige-, Registrier- oder akustischen Wiedergabegeräte sowie die zugehörigen Verstärker.
Der Behälter ist also jeweils über ein elektrisches Kabel mit dem Überwasserschiff
verbunden. Ein solches Kabel ist bei größeren Tiefen unbequem und schwierig zu handhaben,
da es gegen mechanische Beschädigungen empfindlich ist und bei größeren Tiefen mit
einer besonderen Zugentlastung ausgestattet werden muß, um das Eigengewicht des
Kabels aufzufangen.
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Echo lotung, bei welcher
ein zur Echolotung dienender, mit Echolotschwingern ausgerüsteter Behälter in so
großen Tiefen von einem Schiff nachgeschleppt wird, daß der restliche Abstand vom
Behälter bis zum Meeresboden kleiner ist als der Abstand vom Schiff bis zum Behälter.
Sie zeichnet sich dadurch aus, daß dieser Behälter nicht nur in an sich bekannter
Weise eine eigene Stromversorgung, sondern auch eine Registriereinrichtung zur Aufzeichnung
der Echolotergebnisse enthält, so daß keine elektrischen Leitungen von dem Behälter
zum Schiff erforderlich sind, und daß das Schiff eine Einrichtung besitzt, mit welcher
Zeitmarken in Form akustischer Signale zu dem Behälter übermittelt werden, welche
von dem Registriergerät mit aufgezeichnet werden.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es nicht in allen
Fällen erforderlich ist, daß das Lotergebnis schon während der Lotung an Bord des
Schiffes sichtbar gemacht und ausgewertet werden muß. Dies gilt vor allem für Vermessungs-
und Forschungsarbeiten, wo es nicht auf eine unmittelbare wIrtschaftliche oder strategische
Nutzbarmachung der Lotergebnisse ankommt. Um die richtige Auswertung der Lotergebnisse
zu ermöglichen, werden daher die Zeitmarken übermittelt. Voraussetzung hierfür ist
natürlich ein geeignetes Ortungsverfahren für das Überwasserschiff und eine Beziehung
zwischen dem Schiffs ort und den eingetasteten Zeitmarken. Die erfindungsgemäße
Einrichtung ist nicht nur von Vorteil, wenn der Behälter in sehr großen Tiefen nachgeschleppt
wird, so daß eine elektrische Leitung sehr lang wird, sondern auch
dann,
wenn bei geringen Tiefen sehr viele Leitungen zwischen dem Behälter und dem Uberwasserschiff
erforderlich sind. Dies ist z. B. der Fail bei einer Unterwasser-Flächenlotung,
bei der eine Plattform unter Wasser nachgeschleppt wird, welche eine Vielzahl von
Echolot-Sende- und Empfangsschwingern enthält, so daß bis zu 50 Leitungen zwischen
dieser Plattform und dem Überwasserschiff erforderlich sind.
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Die Gesamttiefe setzt sich zusammen aus der Länge der Schleppleine,
die beispielsweise an der Haspel abgelesen werden kann, und der auf dem Registrierpapier
in dem Behälter aufgezeichneten Entfernung vom Behälter bis zum Meeresboden. Da
die Leine nicht senkrecht nach unten hängt, sondern infolge der Fahrt des Schiffes
und des Strömungswiderstandes des Behälters und der Leine selbst einen nach rückwärts
gerichteten Bogen beschreibt, bedarf der erstere Wert noch einer Korrektur. Diese
kann aus einer Tabelle oder einer Kurvenschar entnommen werden, welche die wirkliche
Tiefe als Funktion der Länge der Leine und der Geschwindigkeit des Schiffes angibt.
Diese Kurven können z. B. dadurch gewonnen werden, daß man den Behälter bei verschiedenen
Fahrtstufen und bei verschiedenen Längen der Leine jeweils von oben anlotet oder
umgekehrt die Meeresoberfläche vom Behälter anlotet und die Ergebnisse im Behälter
registriert.
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Wie jedes andere Echolotgerät, so ist auch das in dem Behälter untergebrachte
Gerät für einen bestimmten Meßbereich ausgelegt, der beispielsweise 0 bis 200 m
betragen möge. Wird dieser Bereich infolge Anwachsens der Meerestiefe überschritten,
so muß sich das Gerät durch Vorverlegung des Auslösezeitpunktes selbsttätig auf
den nächsten Bereich von beispielsweise 100 bis 300m umschalten. Derartige selbsttätige
Einrichtungen sind bekannt. Es ist aber auch möglich, diese Umschaltung vom Schiff
aus durch Abstrahlung akustischer Steuersignale auszulösen, die von einem oder mehreren
zusätzlichen Empfangsschwingern an der Oberseite des Behälters aufgenommen werden.
Hierzu ist natürlich erforderlich, daß der Abstand des Behälters vom Meeresboden
auf dem Schiff wenigstens annähernd bekannt ist. Das Schiff kann zu diesem Zweck
selbst eine registrierende Echoloteinrichtung aufweisen, welche den Meeresboden
unmittelbar anlotet. Diese Lotung sei im Folgenden als Bordlotung und die Lotung
im Behälter zum Unterschied davon als Schleppiotung bezeichnet. Aus der Differenz
des Ergebnisses der Bordleitung und der von der korrigierten Länge der Leine abgelesenen
Tiefe des Behälters ergibt sich dann die Höhe des Behälters über dem Meeresboden,
so daß das Bedienungspersonal erkennen kann, wann eine Bereichumschaltung notwendig
ist. Im übrigen kann die Bordlotung auch so ausgebildet sein, daß der Behälter durch
die Lotung miterfaßt wird, so daß er im Echogramm an Bord des Schiffes erkennbar
ist, und dabei auch sein Abstand vom Meeresboden abgelesen werden kann.
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Anstatt den Meßbereich des Registriergerätes im Behälter selbsttätig
oder durch Fernsteuerung umzuschalten, kann man auch auf jede Bereichumschaltung
verzichten und stattdessen bei Anderung der Meerestiefe den Behälter vom Schiff
aus durch Ablassen der Leine tiefer herunterlassen oder umgekehrt, so daß ein Abstand
vom Meeresboden von beispielsweise 200 m nicht überschritten wird und
andererseits
eine Bodenberührung vermieden wird.
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Diese von Zeit zu Zeit vorgenommenen Veränderungen der Länge der Leine
stellen sich im Registrierergebnis auf dem Papier des Behälters als Sprungstellen
der Bodenkurve dar, was bei der Auswertung des Echogramms zu beachten ist. Es ist
jedoch möglich, sowohl auf die vorstehend geschilderte Tiefennachführung des Behälters
als auch auf eine Bereichumschaltung seines Lotgerätes zu verzichten, wenn man sich
auf den Standpunkt stellt, daß die Schlepplotung nur Aufschluß über die Struktur
des Bodens geben soll, während eine eindeutige Auskunft über den Abstand vom Behälter
bis zum Meeresboden nicht erforderlich ist, nachdem die Gesamttiefe ohnehin vom
Schiff aus gemessen wird. Die Anforderung an das Lotgerät kann also dahingehend
vereinfacht werden, daß die aufzuzeichnenden Tiefenkurven keine eindeutige Beziehung
zu der Null-Linie auf dem Registrierpapier zu haben brauchen. Andererseits muß natürlich
dafür Sorge getragen werden, daß die aufzuzeichnende Bodenkurve nicht aus dem Bereich
des Registrierpapiers herauswandert. Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausbildung
der Erfindung wird daher folgendermaßen verfahren: Während eines Umlaufs der Schreibfeder
wird eine Vielzahl von Sendeimpulsen gesendet, die einen konstanten zeitlichen Abstand
voneinander aufweisen, der kleiner ist als die Zeitdauer, welche die Schreibfeder
für das Überfahren der Papierhöhe benötigt. Auf diese Weise wird erreicht, daß bei
Herauswandern der registrierten Kurve über den oberen oder unteren Papierrand hinaus
eine zweite, parallel versetzte und kongruente Kurve von unten bzw. oben in das
Papier hineinwandert. Die beiden Kurven stammen von Sendeimpulsen, die um gleiche
Beträge gegenüber den zugehörigen beiden Null-Linien versetzt sind. Um welche Stufe
diese Impulse vorverlegt sind, ist aus den Kurven jedoch nicht ersichtlich, so daß
eine absolute Tiefenbestimmung nicht möglich ist, während jedoch Anderungen der
Tiefe einwandfrei ablesbar sind.
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In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Ein Überwasserschiff 1 zieht an einer Leine 2 den Behälter 3, welcher eine selbständige
und mit Stromversorgungseinrichtungen ausgestattete Echolotapparatur mit sich führt,
die ein Längsprofil des überfahrenden Meeresgrundes aufzeichnet. Die Lotwege sind
dabei durch Pfeile 4 und 5 angedeutet.
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Das Schiff besitzt seinerseits ebenfalls eine Echolotapparatur, mit
welcher der Boden von oben angelotet wird. Diese Bordlotung, deren Lotwege mit 6
und 7 bezeichnet sind, liefert die absolute Tiefe des Meeresbodens, während die
Schlepplotung in erster Linie die Aufgabe hat, über die Struktur des Bodens Auskunft
zu geben. An dem Behälter sind unten die beiden Schwinger 8 und 9 für die Sendung
und den Empfang der Lotimpulse dargestellt. Ein weiterer Schwinger 10 an der Oberseite
des Körpers kann dazu dienen, vom Schiff aus Zeitmarken oder Steuersignale zu empfangen.
Bezüglich der Zeitmarken wird noch bemerkt, daß die Eintastung der Marken im Registriergerät
des Behälters mit einer Zeitverzögerung erfolgen muß, entsprechend der Zeitdifferenz,
mit der Schiff und Behälter ein und denselben Punkt des Meeresbodens überlaufen.
Der Behälter hat zweckmäßig stromlinienförmige Gestalt, damit er einen möglichst
geringen Wasserwiderstand aufweist. Legt man durch die Längsachse des Körpers eine
Ebene, welche auch die an der Unterseite des Körpers angebrachten Schwinger
enthält,
so muß zur Erzielung einer senkrechten Lotung dafür gesorgt werden, daß diese Ebene
auf der Meeresoberfläche senkrecht steht und gleichzeitig die Längsachse des Behälters
parallel zur Meeresoberfläche verläuft. Ersteres kann durch geeignete Tieflegung
des Schwerpunktes des Behälters und letzteres beispielsweise durch Anordnung horizontaler
Leitflächen 12 am Ende des Körpers erfolgen, die einen von einem Seilzug abhängigen
Winkel einnehmen.
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Fig. 2 zeigt das Prinzip des für die Schlepplotnng als besonders
geeignet beschriebenen Lotgerätes. Auf dem umlaufenden Band 20 sind eine Feder 21
sowie eine Anzahl von Nocken 22, 23, 24, 25 und 26 angebracht, welche bei Überlaufen
des ortsfesten Kontaktes 27 jeweils einen Sendeimpuls auslösen. Der Abstand der
Nocken ist konstant und kleiner als die Papierhöhe. Echoimpulse, die von zwei zeitlich
aufeinanderfolgenden Sendeimpulsen herrühren, müssen auch in dem gleichen Zeitabstand
an der Feder 21 eintreffen, d. h., sie werden auf dem Papier in einem Abstand aufgezeichnet,
der kleiner ist als die Papierhöhe, so daß, wenn die Kurve 29 aus dem Papier herauswandert,
die Kurve 30 dafür in das Papier hineinwandert. Da die Kurven keine eindeutige Beziehung
zu den beiden Nullinien 31 und 32 haben, können diese auch mit bekannten Mitteln
unterdrückt werden. Ein geeigneter Aufzeichnungsmaßstab beträgt z. B. 0,5 cm/m,
so daß einer Papierbreite von 20 cm einer Tiefenänderung von 40 m entspricht.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung kann verschiedene Abwandlungen erfahren,
ohne daß der Rahmen der Erfindung überschritten wird. So kann z. B. der nach dem
oben beschriebenen Verfahren ohne eine eindeutige Beziehung zur Null-Linie empfangene
Echoimpuls außer zur Registrierung dazu benutzt werden, in einer Einrichtung des
Behälters einen neuen, auf das Schiff zu gerichteten Sendeimpuls, vorzugsweise auf
einer abweichenden Frequenz auszulösen, der auf dem Schiff empfangen und dort registriert
wird, so daß auch auf dem Schiff eine Kurve des Meeresbodens zur Verfügung steht,
welche allerdings weniger Details aufweist, da die schwachen Echos fehlen, welche
nicht imstande sind, einen neuen Sendeimpuls in der Einrichtung des Behälters auszulösen.
Das für die Aufzeichnung dieser vom Behälter abgestrahlten Impulse an Bord des Schiffes
benötigte Registriergerät, das also keine Sendeimpulsauslösung besitzt, bedarf an
sich keiner Synchronisierung. Jedoch kann man aus der mittleren Frequenz der empfangenen
Impulse eine Regelspannung ableiten, welche die Umlaufzahi des registrierenden Organs
mit der des umlaufenden Organs im Behälter wenigstens einigermaßen in Tritt hält,
um so ein allzu häufiges Auswandern der Kurven aus dem Papier zu vermeiden.
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Für Untersuchungen der Bodenbeschaffenheit, z. B. der Formen der
Riffelbildungen auf dem Meeresboden von Geschiebewanderungen, ist die Anwendung
einer Ausführungsform nach Fig. 3 besonders zweckmäßig. Ein druckdichter Behälter
40 enthält ein Echolot mit einem sehr kleinen Meßbereich und eine Registrierung
in besonders großem Maßstab.
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Der Meßbereich von z. B. 15 m gestattet die Registrierung mit 50 Lotungen
je Sekunde und bei Verwendung einer Registrierpapierbreite von 10 bis 20 cm eine
Registrierung im Maßstab 1: 20, d. h. 1 cm auf dem Papier sind 20 cm Tiefe. Der
druckdichte Be-
hälter ist auf einem Schlitten 41 montiert, dessen Abstand der Kufen
groß genug ist, um eine scharfgerichtete Echolotung vorzugsweise mit Ultraschall
hoher Frequenz durchzuführen. Die Kufen des Schlittens mögen 5 bis 10 m hoch sein.
Außer dem druckdichten Behälter für die Aufnahme der Registrierapparatur hat der
Schlitten zweckmäßig weitere Behälter 42 und 43, die geflutet und auch mittels Preßluft
entleert werden können, damit der Schlitten auch an der Wasseroberfläche hinter
einem Meßschiff hergeschleppt werden kann. Die Kufen können auch mit Rädern oder
kettenartigen Einrichtungen versehen sein, mit denen der Schlitten auf dem Boden
leichter vorwärtsbewegt werden kann. In den Schlitten eingebaute Preßluftfiaschen
und ein über ein Kabel oder drahtlos mittels Unterwasserschall betätigbares Ventil
kann dafür sorgen, daß beim Anfahren gegen ein Hindernis auf dem Boden die Wassertanks
entleert werden, so daß der Schlitten sich selbsttätig befreit und an die Oberfläche
aufschwimmt. Ein Registriergerät zeichnet selbsttätig mit hoher Impulsfolge in Form
einer wirklichen Abbildung der Bodenform nur den Grund auf. Steht der Schlitten
still, so hat man ein Grundgestell, das über längere Zeit zur automatischen Registrierung
von über dem Boden hinweggleitenden Geschiebe dient. Zieht man ihn langsam auf dem
Boden weiter, so können alle Bodenunebenheiten infolge der großen Lotfolge und des
großen Aufzeichnungsmaßstabes gut erkannt werden, worin ein Fortschritt für die
Ozeanographie oder die Untersuchung von Sandwanderungen und Riffelbildungen in Küstennähe
liegt.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der Einrichtung kann an Stelle
eines einfachen Körpers mit nur einem Schwingerpaar ein floßartiger Körper von der
Gestalt oder wenigstens von dem Profil eines Flugzeugflügels nachgeschleppt werden,
welcher eine größere Breite aufweist und mit einer Vielzahl von Schwingerpaaren
in gleichmäßigen Abständen besetzt ist. Mit einer solchen oder ähnlich ausgebildeten
Einrichtung kann eine Vielzahl von Längsprofilkurven gleichzeitig auf einer gemeinsamen
Papierfläche geschrieben werden. Der Körper braucht dabei nicht im ganzen druckfest
ausgebildet zu sein, sondern es genügt, wenn die Kammer, welche die elektrische
Ausrüstung aufnimmt, wie in Fig. 3, druckfest ausgebildet ist, während die übrigen
Teile geflutet werden können. Insbesondere in dieser Form ist das Verfahren nach
der Erfindung auch zum Aufsuchen von verborgenen oder verlorengegangenen Gegenständen
geeignet. Voraussetzung hierfür ist natürlich ein geeignetes Ortungsverfahren für
das Schiff und eine Beziehung zwischen dem Ort des Schiffes und dem in das Registriergerät
eingetasteten Zeitmarken.