Einstrahl-Echolote (SBES) sind aktive akustische Messgeräte, die von ROVs, AUVs und USVs aus die Entfernung zum Meeresboden, zu unter Wasser liegenden Grenzen oder zu nahegelegenen Zielen messen. Durch die Aussendung eines fokussierten Impulses und die Zeitmessung des zurückkehrenden Echos unterstützen sie Tiefenmessungen, Altimetrie, Geländeabtastung, Hinderniserkennung sowie Einstrahl-Bathymetrie-Vermessungen.
Auf dieser Seite werden führende Anbieter von Einstrahl-Echoloten vorgestellt, die kompakte Konstruktionen liefern, die für unbemannte Plattformen mit begrenzter Nutzlast und Bandbreite geeignet sind.
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Fortschrittliche Lösungen für die Unterwasserbildgebung und -ortung für unbemannte und autonome Wasserfahrzeuge
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Ein Einstrahl-Echolot (SBES) ist ein aktives akustisches Messgerät, das dazu dient, die Entfernung zwischen einem Unterwasserwandler und einer Grenze oder einem Ziel zu messen. Das System sendet einen kontrollierten akustischen Impuls aus, erfasst das zurückkehrende Echo und berechnet die Entfernung anhand der Hin- und Rücklaufzeit sowie der Schallgeschwindigkeit im Wasser. Für Unterwasserplattformen dient diese Konfiguration als unverzichtbares Werkzeug zur Kartierung von Tiefen, zur Berechnung der Höhe über dem Meeresboden oder zur Gewährleistung eines sicheren Abstands.
Im Gegensatz zu Multibeam-Systemen, die einen breiten Streifen kartieren, liefert ein Einstrahl -Sonarsystem eine Tiefen- oder Entfernungsmessung entlang eines schmalen akustischen Strahls, wodurch eine Abfolge einzelner Messungen entlang der Fahrroute der Plattform entsteht. Folglich erfordert die Planung einer Vermessung mit einem Einstrahl-Echolot eine sorgfältige Abwägung der Linienabstände, um sicherzustellen, dass relevante Merkmale zwischen benachbarten Transekten nicht übersehen werden. Auf ROV-, AUV- und USV-Plattformen wird ein SBES aufgrund seiner kompakten Größe, seines geringen Stromverbrauchs und seiner unkomplizierten Datenausgabe besonders geschätzt, wenn Nutzlastkapazität, Batterielaufzeit oder Kommunikationsbandbreite begrenzt sind.
Echolot Sounder S500 mit Einzelstrahl von Cerulean Sonar
Einstrahl-Echolote messen die Wassertiefe direkt unter einem Vermessungsschiff oder einem unbemannten Wasserfahrzeug (USV), indem sie die Laufzeit der vom Meeresboden reflektierten akustischen Impulse berechnen. In Kombination mit präzisen Positionsdaten lassen sich anhand dieser Messungen Tiefenprofile, Konturen und bathymetrische Modelle für Flüsse, Seen, Kanäle, Häfen und Küstengewässer erstellen. Da jede Messung nur einen schmalen Bereich abdeckt, müssen die Vermessungslinien sorgfältig geplant werden, um eine angemessene Abdeckung zu gewährleisten und das Risiko zu verringern, dass Meeresbodenmerkmale zwischen benachbarten Transekten übersehen werden.
Bei Unterwasserfahrzeugen dient ein nach unten gerichtetes Einstrahlsonar als Höhenmesser, indem es den Abstand zwischen dem Wandler und dem Meeresboden misst. Für ROV-Piloten sind Echtzeit-Höhenangaben unerlässlich, um bei Sichtinspektionen und Manipulatorarbeiten in Gewässern mit schlechter Sicht einen sicheren Sicherheitsabstand einzuhalten. AUVs nutzen diese Messung im Rahmen ihrer Leit- und Steuerungssysteme, um eine stabile Höhe für die optische Bildgebung und die Datenerfassung mit Seitensichtsonar aufrechtzuerhalten.
Algorithmen zur Geländeverfolgung ermöglichen es einem AUV, den Konturen des Meeresbodens zu folgen, anstatt eine konstante Tiefe beizubehalten, wodurch die bordseitigen Sensoren innerhalb ihres optimalen Betriebsbereichs bleiben. Der Einstrahl-Höhenmesser liefert einen kontinuierlichen Strom von Entfernungsmessungen an den Steuerungscomputer des Fahrzeugs, der die Steuerflächen oder Triebwerke anpasst, um die vorgegebene Höhe beizubehalten. Praktische Umsetzungen erfordern eine Datenvalidierung und robuste digitale Filterung, um zu verhindern, dass anomale Echos von Meereslebewesen, Schwebstoffen, steilen Hängen oder Trümmern unerwünschte Steuerungsreaktionen auslösen.
Durch die Montage eines Einstrahl-Echolots in nach vorne gerichteter oder seitlicher Ausrichtung können Betreiber dieses zur gerichteten Abstandsmessung, zur Hinderniswarnung oder als Andockhilfe nutzen. Der Sensor misst die Entfernung nur innerhalb seines schmalen akustischen Strahls und liefert weder die Zielform noch die Peilungsabdeckung oder räumliche Details, wie sie bei einem Bildsonar verfügbar sind. Es wird daher in der Regel als ergänzender Entfernungsmesssensor und nicht als einziges Kollisionsvermeidungssystem des Fahrzeugs eingesetzt. Mehrere kompakte Einheiten können rund um das Fahrzeug positioniert werden, um Entfernungsmessungen in mehreren ausgewählten Richtungen zu ermöglichen.
Kleine USVs, die für die Bathymetrie mit Einstrahlsonar ausgerüstet sind, eignen sich gut zur Kartierung von Seen, Teichen, Stauseen und empfindlichen Feuchtgebieten, die für größere bemannte Schiffe möglicherweise schwer zugänglich sind. Neben der Tiefenprofilierung können kalibrierte akustische Rückmeldedaten die Interpretation von Bodenmerkmalen, Sedimentschichten oder untergetauchter Vegetation unterstützen. Zweifrequenz- oder Breitbandsysteme können zusätzliche Informationen liefern, um Vegetationsechos vom darunterliegenden Gewässergrund zu unterscheiden, wobei eine zuverlässige Klassifizierung in der Regel eine geeignete Verarbeitung, Kalibrierung und unterstützende Referenzdaten erfordert.
ROV-Installationen erfordern ein Echolot, das zuverlässig neben Triebwerken, Hydraulikausrüstung, Leistungselektronik, Beleuchtungssystemen und Kabelkommunikation betrieben werden kann. Zu den Integrationsaspekten zählen Druckfestigkeit, Betriebsfrequenz, Messbereich, Aktualisierungsrate, Datenschnittstelle, Strombedarf, Befestigungsgeometrie sowie die Kompatibilität mit dem Steuerungs- oder Navigationssystem des Fahrzeugs.
Der Wandler sollte über einen ungehinderten Schallweg verfügen und so positioniert sein, dass Störungen durch den ROV-Rahmen, Werkzeuge, Kufen und andere Sensoren minimiert werden. Er sollte zudem von den Strömungen der Triebwerke sowie von Bereichen ferngehalten werden, in denen Turbulenzen oder mitgerissene Blasen die Schallenergie streuen, die Echosignale abschwächen oder einen zeitweiligen Verlust der Bodenverankerung verursachen könnten. Zur Reduzierung von Störungen können zudem eine elektrische Erdung, die Kabelführung sowie die Synchronisation mit anderen akustischen Messgeräten erforderlich sein.
Echolot D270 mit Einzelstrahl für bathymetrische Vermessungen von CHC Navigation
AUVs erfordern eine hohe operative Autonomie, Energieeffizienz und zuverlässige Entscheidungsfindung an Bord bei Verwendung eines Echolots mit Einzelstrahlkonfiguration. Moderne AUV-Höhenmesser können neben jeder Entfernungsmessung Informationen zur Signalstärke, Qualitätsindikatoren oder den Status der Bodenerkennung liefern. Das Steuerungssystem des Fahrzeugs kann diese Daten nutzen, um unzuverlässige Daten oder den Verlust der Bodenverfolgung zu erkennen und eine entsprechende Reaktion einzuleiten, wie z. B. Aufsteigen, Verlangsamung oder Änderung der Missionsroute.
Auf USV-Plattformen wird der Wandler in der Regel in den Rumpf integriert oder an einer starren Stange befestigt, um stabile und genau gemessene Abstände relativ zur GNSS-Antenne und anderen Navigationssensoren zu gewährleisten, die für die Einstrahl-Bathymetrie verwendet werden. Die Installation muss Schwankungen des Transducer-Tiefgangs, Vibrationen, Strömungsgeräusche und das Abklingen von Blasen auf ein Minimum reduzieren, insbesondere bei steigender Fahrgeschwindigkeit und zunehmendem Seegang.
Vermessungssysteme verfügen üblicherweise über Kurs- und Bewegungsmessungen, sodass wellenbedingte Hebungs-, Nick- und Rollbewegungen berücksichtigt werden können, sofern dies aufgrund der Vermessungsgeometrie und der Genauigkeitsanforderungen erforderlich ist. Eine genaue Zeitsynchronisation, Schallgeschwindigkeitsmessungen, Tiefgangskorrekturen, die Systemkalibrierung sowie die Nachbearbeitung sind ebenfalls wichtig, um zuverlässige georeferenzierte Tiefenwerte zu ermitteln.
Rasante Fortschritte in der Sensorelektronik und der digitalen Signalverarbeitung erweitern die Einsatzmöglichkeiten von Einstrahlsystemen auf unbemannten Plattformen.
Durch die Kombination dieser fortschrittlichen digitalen Funktionen mit einer von Grund auf robusten Messmethode bleiben moderne Einstrahlsysteme eine zuverlässige, ressourcenschonende Option für Anwendungen, bei denen präzise Messungen entlang eines schmalen akustischen Strahls ausreichen.
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