2 Methodik .1 Einleitung
2.4 Das Parasoundsystem
Das von der Firma STN Atlas Elektronik GmbH, Bremen entwickelte Parasoundsystem stellt ein hochauflösendes Sediment-Echo graphie-System nach dem hydro akustischen Ver-fahren dar.
2.4.1 Die Funktionsweise des Parasoundsystems
Im Gegensatz zu den konventionellen Sedimentecholot-Systemen, die sich auf die Aussen-dung aufeinanderfolgender Schallimpulse beschränken, werden beim Parasound gleich-zeitig zwei benachbarte hohe Frequenzen ausgesendet (Holler, 1995). Der Schall wird durch 128 einzelne, in einem 0,9m x 1,20m großen Rechteck angeordnete piezoelektrische Schallgeber ("Transducer") erzeugt. Diese, fest im Schiffsrumpf installierten Sende- und Empfangskomponenten besitzen insgesamt eine Sendeleistung von 70 kW. Die ausgesen-deten Frequenzen, eine mit konstant 18kHz (Pilotfrequenz) und die andere variabel zwi-schen 20,5-23,5kHz, interferieren in der Wassersäule, die für die Wellenausbreitung durch die nichtlineare Beziehung zwischen Druck und Dichte kein ideales Medium ist. Durch diesen sogenannten parametrischen Effekt resultiert eine Sekundärfrequenz, die mit 2,5-5,5kHz jeweils der Differenz der beiden ausgesendeten Frequenzen entspricht (Holler, 1995).
Der durch die Interferenz entstehende geringe Abstrahlwinkel von ca. 4 ° (Spieß, 1992) hat
Methodik
ken von Rinnenstrukturen und eine kleinere beschallte Echofläche, der sogenannte
"Footprint", empfangen wird als bei herkömmlichen 3,5kHz Sedimentecholoten mit Öffnungswinkeln von 20-40°. Somit wirkt die Energie der Sekundärfrequenz, die sich auf die geringe Fläche von nur 7% der Wassertiefe konzentriert, höher auflösend als bei 3,5kHz Anlagen mit einem "F ootprint" von ca. 20% der Wassertiefe.
Der geringe Abstrahlwinkel von ca. 4° macht jedoch eine zusätzliche Strahlstabilisierung erforderlich, da die vom Seegang abhängige Neigungsänderung des Schiffes nicht mehr vernachlässigt werden kann. Erreicht wird diese Richtungssteuerung durch die unabhängig ansteuerbaren Schallgeber. Nachdem ein Kreiseltisch den Roll- und Stampfwinkel des Schiffes weitergegeben hat, werden die relativen Abstände der einzelnen 128 Elemente zu einer fiktiven horizontalen Bezugsfläche errechnet und daraufhin entsprechend verzögert angesteuert, so daß eine horizontale Schallfläche nach unten abgestrahlt wird. Da die Hub-bewegungen des Schiffes die Gesamtlaufzeit des ausgesendeten Signals beeinflussen, ist zusätzlich eine Hubkompensationsanlage zwischengeschaltet, die den Sende- und Emp-fangszeitpunkt so korrigiert, daß für die einzelnen Echogramme ein einheitliches Bezugs-niveau entsteht. Auf diese Weise kann der Tiefenverlauf auf ca. 10cm genau festgelegt werden.
Die entfernungsabhängige Amplitudenabnahme der ausgesendeten Signale wird durch ei-nen logarithmischen Verstärker kompensiert. Eine technisch aufwendige Breitbandverstär-kung und eine anschließende Isolierung des Frequenzbandes von 2-6kHz durch einen stei-len analogen Bandpaßfilter ermöglicht eine vollständige Trennung der parametrischen Komponente mit weniger als 1 % Wirkungsgrad von der wesentlich stärkeren hochfre-quenten Primärfrequenzen (18-23,5kHz).
Es läßt sich nicht nur die Höhe der ausgesendeten Frequenz variieren, sondern auch die Anzahl der ausgesendeten Perioden. Bis zu 8 Perioden der jeweiligen Sinusschwingung können aufeinanderfolgend ausgesendet werden. Bei einer Sekundärfrequenz von 4kHz entspricht das einer Gesamtzeit von 2ms. Mit der Verlängerung des Signals kann zum ei-nen eine höhere Energie ausgesendet werden und zum anderen eine stärkere konstruktive Interferenz innerhalb der Sedimentsäule aufgebaut werden (Spieß, 1992). Eine konstruk-tive Interferenz tritt ein, wenn der Gangunterschied zweier unterschiedlicher Wellen ge-rade ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist. So trifft Maximum auf Maximum und Minimum auf Minimum der beiden Wellen. Dies hat zur Folge, daß die Reflexions-amplituden erhöht werden (Gerthsen et al., 1989).
Die Einstellung des Tiefenbereichs (Range), der den Wert ::;;500m, ::;;1.000m, ::;;2.000m, ::;;5.000m und ::;;1O.000m betragen kann, legt fest, wann der "Transducer" von Senden auf Empfangen umschaltet. Das Tiefenfenster (Delay), welches den Ausschnitt auf dem Ana-logschrieb angibt wird manuell durch den Parasoundsystembetreuer nachgeführt. Er
ver-Methodik
folgt auf dem Analogschrieb die seismische Aufzeichnung und verhindert ein Herauslau-fen des Profils aus dem TieHerauslau-fenHerauslau-fenster.
Die Ergebnisse werden analog auf einem DESO-25 Schwarzweiß-Schreiber und farbig nach einer Digitalisierung durch das Datenerfassungssystem Paradigma aufgezeichnet (Spieß, 1992).
2.4.2 Grenzen des Parasoundsystems
Ein Nachteil des Parasoundsystems ist der Verlust des reflektierten Si-gnals, sobald der Meeresboden steiler ist als der halbe Winkel des ausgesendeten Schallkegels, also ca. 2°. Bei einem größeren Winkel trifft das reflektierte Signal nicht die Empfangseinheit, sondern geht daran vorbei (siehe Abb. 7).
Nach Geyer (1983) ist die Grenze der vertikalen Auflösung des Pa-rasoundsystems d durch die
Wel-Abb. 7: Schematische Zeichnung zur Erläuterung des Verlustes des ausgesendeten Parasoundsignals bei einem Neigungswinkel des Meeresbodens >
r
lenlänge des ausgesendeten Signals A, in dem Ausbreitungsmedium vorgegeben und be-trägt:
d=!A.
4 Über den Bezug
A=~
f
kann nun bei Angabe der ausgesendete Frequenzjund der Ausbreitungsgeschwindigkeit v der Abstand d berechnet werden.
Bei einer Ausbreitungsgeschwindigkeit v von 1500 m/s und einer Frequenzjvon 4kHz re-sultiert eine Wellenlänge A, von
1500 mls
=
37 5 cm 4000 Hz 'Somit ergibt sich für die Auflösung d (=1/40 ein Abstand von 9,375cm.
Methodik
Die horizontale Auflösung ist bei den Messungen durch den eingestellten Tiefenbereich festgelegt. In der nachstehende Tabelle sind typische Werte aufgefülui:
Tab. 2: Beispielwerte für die horizontale Aujlösung des Parasoundsystems (aus: Spieß, 1993) Wassertiefe Zweiwege- Trigger- Durch-mes- Schußabstand/Uberlappungszahl
laufzeit periode ser 5 kn 10 kn 15 kn
(m) (s) (s) (m) (m) / () (m) / () (m) / ()
50 007 021 3 5 05/07 1 0/3 1 5/2
100 0,13 0,42 70 1 0/07 2,0/3 30/2
200 0,27 0,83 14,0 2,0/07 4,0/3 8,0/2
500 067 133 35,0 3,3/10 6,6/5 100/3
Zweiwegelaujzeit: Zeit, die das Signal vom "Transducer" zum Rejlexionshorizont und zurück braucht.
Triggerperiode: Der Zyklus, in dem sich alle Operationen während des Echolotbetriebs wieder-holen.
Durchmesser: Durchmesser des Footprints, der sich aus dem Abstrahlwinkel und der Wasser-tiefe ergibt.
Schußabstand: Der Schußabstand ergibt sich aus der Triggerperiode und der Schiffsgeschwin-digkeit.
Überlappungszahl: Anzahl aufeinanderfolgender Pulse, deren Echojläche sich überlappen.
2.5 Darstellung der Echogramme
Eine gängige Technik zur Darstellung der Echogramme ist die Papieraufzeichnung mit EPC-Recordern. Sie verwenden zwar nur 16 Graustufen, doch ist eine Unterscheidung zwischen benachbarten Graustufen und eine gute Reproduktion schwierig. Die aufgezeich-neten Reflektoren erscheinen mit zunehmender Eindringtiefe in das Sediment durch zu-nehmende Absorption häufig nur noch hellgrau. Durch natürliche Amplitudenschwankun-gen können die Reflektoren entlang eines Profils streckenweise auch vollständig ver-schwinden. Der Schwellenwert kann zwar manuell nachgeführt und somit an die aktuellen Reflexionsverhältnisse angepaßt werden, dies verhindert allerdings eine objektive Repro-duktion und behindert detaillierte vergleichende Analysen verschiedener Profilabschnitte.
Bei dem für die Parasoundanlage verwendeten analogen Ausgabegerät DESO 25 wurde daher eine andere Darstellungsform geschaffen. Der Dynamikumfang der empfangenen Signale wird in einer Baueinheit reduziert und oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes in einem einheitlichen Grau dargestellt. Neuere Versionen des Gerätes verwenden zusätz-lich ein differenziertes Signal der Hüllkurve der empfangenen Werte. Ein Gleichrichter-modul übernimmt dabei jeden ansteigenden Amplitudenwert, läßt allerdings nur eine be-stimmte prozentuale Amplitudenabnahme des vorherigen Wertes zu. Nach Differenzierung der asymmetrischen Einhüllenden erhält man ein Maximum an den jeweiligen steilen
An-Methodik
stiegsflanken, die im Echogramm als schwarze Linie den jeweiligen Reflexionseinsatz markieren.
Durch diese Methode wirkt das Echogramm kontrastreicher und auch schwächere Reflek-toren werden deutlicher abgebildet (Spieß, 1992).
2.6 Aufbereitung der Rohdaten