Multibeam-Echolote (MBES) sind aktive akustische Kartierungssysteme, die ein Bündel schmaler Strahlen aussenden, um dichte, georeferenzierte Tiefenmessungen und 3D-Modelle des Meeresbodens zu erstellen. Sie werden auf USVs, ROVs, AUVs und UUVs installiert und unterstützen hydrografische Vermessungen, Geländemodellierung, die Inspektion von Pipelines und Offshore-Infrastruktur, die Ortung von Wracks, die Kartierung von Lebensräumen sowie die Hindernisvermeidung.
Auf dieser Seite werden Hersteller von Multibeam-Echoloten für USVs, AUVs und ROVs vorgestellt, die Konfigurationen wie bathymetrische Systeme, hochauflösende Inspektionssysteme, Systeme mit großer Erfassungsbreite, vorwärtsgerichtete Systeme, Doppelkopfsysteme sowie interferometrische Systeme anbieten.
Lesen Sie den Technologieübersicht
Fortschrittliche Lösungen für die Unterwasserbildgebung und -ortung für unbemannte und autonome Wasserfahrzeuge
GNSS-Positionierungssysteme, 3D-SLAM und mobile Kartierung, unbemannte Oberflächenfahrzeuge
Hydrografische Vermessungsgeräte: Multibeam-Echolote, Seitensichtsonare, Schallgeschwindigkeitssensoren und Profiler
GNSS-Positionierungs- und Navigationssysteme, mobile Kartierung UAV-LiDAR und unbemannte Oberflächenfahrzeuge
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Multibeam-Echolote (MBES) sind aktive akustische Messgeräte, die den Meeresboden hochauflösend kartieren. Anstatt einen einzelnen Tiefenpunkt direkt unterhalb eines Schiffes zu erfassen, senden diese Systeme akustische Energie über einen weiten Winkelbereich aus und bilden so ein dichtes Fächer aus schmalen Empfangsstrahlen. Durch die Messung der akustischen Hin- und Rücklaufzeit sowie des Strahlwinkels und die anschließende Kombination dieser Messwerte mit Daten zu Position, Kurs, Bewegung und Schallgeschwindigkeit erzeugen sie präzise, georeferenzierte 3D-Punktwolken. Diese Multibeam-Sonartechnologie ermöglicht es unbemannten Oberflächenfahrzeugen (USVs) die sichere Kartierung weitläufiger Gebiete von der Oberfläche aus, während ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge (ROVs) und autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs) die Sensoren nahe an den Meeresboden bringen, um den Verlust an räumlicher Auflösung zu verringern, der mit großen akustischen Reichweiten in tiefen Gewässern einhergeht.
Surveyor 240 MBES“-Mehrstrahl-Echolot für kleine USVs von Cerulean Sonar
Viele fortschrittliche Systeme erfassen zudem die Intensität der akustischen Rückstreuung, die die Stärke des zurückgesendeten Signals misst, um Aufschluss über die Zusammensetzung des Meeresbodens zu geben. Stärkere Rückmeldungen deuten in der Regel auf härtere oder rauere Materialien wie Gestein oder Kies hin, während schwächere Signale auf weicheres Sediment hindeuten können. Da die Rückstreuung jedoch in hohem Maße von der Betriebsfrequenz, den Einfallswinkeln, der Rauheit des Meeresbodens und den Eigenschaften der Wassersäule abhängt, erfordert eine genaue Klassifizierung die Integration dieser Reflektivitätsdaten mit grundlegenden Bathymetriedaten, physikalischen Kernproben und hochauflösender Unterwasserfotografie.
Ein bathymetrisches Multibeam-Echolot-Vermessungssystem ist darauf ausgelegt, hochpräzise, georeferenzierte Tiefenmessungen zu liefern, die zu strukturierten bathymetrischen Gitternetzen und digitalen Geländemodellen verarbeitet werden können. Um eine vermessungstechnische Genauigkeit zu erreichen, muss das Sonar nahtlos mit hochwertigen Sensoren für Position, Kurs, Bewegung und Schallgeschwindigkeit integriert sein. Bei der Montage an AUVs oder ROVs arbeitet ein kompakter, druckfester Wandler näher am Meeresboden und kann häufig höhere Frequenzen nutzen, um eine bessere räumliche Auflösung zu erzielen, als dies bei oberflächenmontierten Systemen in tiefen Gewässern möglich ist.
Hochauflösende Multibeam-Sonarsysteme für Inspektionszwecke arbeiten mit erhöhten akustischen Frequenzen und kurzen Abständen, um feine Details an der Unterwasserinfrastruktur zu erfassen; einige Systeme bieten unter günstigen Kurzstreckenbedingungen eine Entfernungsauflösung im Millimeterbereich. Diese Systeme werden in der Regel auf Arbeits-ROVs unter Verwendung von Schwenk- und Neigehalterungen eingesetzt und ermöglichen es den Piloten, Rohrleitungen, Fundamente und Verteiler aus verschiedenen Blickwinkeln zu inspizieren. Sie erzeugen akustische Echtzeitbilder und – je nach Systemkonfiguration und Verarbeitungsmethode – dichte 3D-Punktwolken, um strukturelle Anomalien ohne physischen Kontakt zu erkennen.
Breitstrahl-Kartierungssysteme nutzen ausgedehnte Winkelbereiche und schnelle Impulsraten, um große Meeresbodenflächen in weniger Durchgängen abzudecken und so die Betriebseffizienz zu maximieren. Bei USVs kann ein Multibeam-Echolot für flache Gewässer ein Mehrfaches der lokalen Wassertiefe abdecken, wobei die Leistungsfähigkeit jedoch eine sorgfältige Steuerung der Nutzlastleistung, der Fahrzeugstabilität, der Bewegungskompensation und der Überlappung der Vermessungslinien erfordert, um Lücken in der Abdeckung zu vermeiden. Auch AUVs nutzen breite Erfassungsbereiche, was eine präzise Höhensteuerung erfordert, um eine gleichmäßige Messdichte aufrechtzuerhalten.
Ein vorausschauendes Multibeam-Sonarsystem durchleuchtet den Weg vor einem Fahrzeug anstatt den direkt darunter liegenden Meeresboden und dient somit als unverzichtbares Hilfsmittel zur Hindernisvermeidung und Zielortung. Diese Hochfrequenzsysteme erzeugen videoähnliche akustische Bilder, die trübes oder stockdunkles Wasser durchdringen. Obwohl sie ideal für die Navigation geeignet sind, müssen Bediener die Kalibrierung und Geometrie des Systems sorgfältig prüfen, bevor sie zuverlässige Maß- oder Vermessungsdaten aus den Bildern gewinnen können.
Ein Dual-Head-Multibeam-Echolotsystem kombiniert zwei Wandlerköpfe mit überlappenden oder sich ergänzenden Sichtfeldern, um die Erfassungsreichweite zu erweitern, akustische Abschattungen zu reduzieren und die Vermessung steiler Hänge oder vertikaler Strukturen zu verbessern. USVs verwenden häufig nach außen geneigte Doppelköpfe, um die Erfassungsbreite in flachen Gewässern zu maximieren, während ROVs diese einsetzen, um sowohl den Meeresboden als auch vertikale Strukturen gleichzeitig zu untersuchen. Diese Konfiguration erfordert eine präzise physikalische Kalibrierung sowie eine enge zeitliche Synchronisation, koordinierte Auslösung oder Frequenztrennung, um akustisches Übersprechen zu verhindern.
Die ROV-Integration hängt von der Fahrzeugklasse ab. Große ROVs der Arbeitsklasse tragen schwere Nutzlasten, während Plattformen der Beobachtungsklasse kompakte Multibeam-Echolot-Konstruktionen erfordern, um Auftrieb und Widerstand zu bewältigen. Bei der Anbringung des Sonars müssen akustische Abschattungen durch Triebwerke, Manipulatoren oder Kabelmanagementsysteme vermieden werden, wobei für die Meeresbodenkartierung nach unten gerichtete Halterungen und für Pipelines sowie Unterwasserverteiler schräge Halterungen zum Einsatz kommen.
Dank der Telemetrie über das Verbindungskabel mit hoher Bandbreite erhalten die Bediener Echtzeit-Bilder des Multibeam-Sonars, um die Verstärkungs- und Reichweiteneinstellungen spontan anzupassen. Die Aufrüstung bestehender Fahrzeuge erfordert einen präzisen Auftriebsausgleich, um ein stabiles Handling während des Starts, der Bergung und des Unterwasserflugs zu gewährleisten.
Die Integration eines Multibeam-Echolots für den AUV-Einsatz erfordert die Unterbringung des Sensors hinter einer hydrodynamischen Verkleidung, um die Batterie bei Langzeitmissionen zu schonen. Eine präzise, autonome Leitungsverfolgung ist entscheidend für die Erzeugung sauberer akustischer Strahlen und hochwertiger Multibeam-Vermessungsdaten.
Da die akustische Telemetrie unter Wasser bandbreitenbegrenzt ist, speichern die Systeme Rohdaten an Bord und nutzen Echtzeit-Edge-Verarbeitung, um die Messdichte zu überwachen. Diese lokale Datenverarbeitung kann Echtzeit-Bathymetrie erzeugen, um geländegestützte Navigations- und Hindernisvermeidungssysteme anzusteuern – selbst bei Mikro-AUVs, die auf kompakte Sonarköpfe mit geringem Stromverbrauch beschränkt sind.
Ozeanografisches Multibeam-Echolot MS8200 für die Tiefseekartierung von Hydro-Tech
Bei der USV-Integration muss dem Herabgleiten von Blasen an der Luft-Wasser-Grenzfläche entgegengewirkt werden, um eine Signalverfälschung durch Luftblasen zu vermeiden. Integratoren setzen tiefe V-Rumpfhalterungen, einziehbare Fallkiele oder starre, über die Seite ragende Stangen ein, um den Sensor zu sichern und gleichzeitig den hydrodynamischen Widerstand zu minimieren.
Zur Korrektur von Wellenbewegungen setzen USVs auf ein eng gekoppeltes GNSS-/Trägheitsnavigationssystem (INS) mit kalibrierten Hebelarmen. Während bei küstennahen Einsätzen Daten gestreamt werden, sind Offshore-Transite auf den bordeigenen Speicher angewiesen, was eine effiziente, stromsparende Multibeam-Hardware erfordert, um lange Vermessungen zu ermöglichen.
Eine professionelle Multibeam-Vermessung ist eine weit verbreitete Methode zur Erstellung hochpräziser Karten von Häfen, Flussläufen und Küstenschifffahrtswegen. Der Einsatz eines Flachwasser-Multibeam-Sonars auf einem autonomen USV ermöglicht es den Betreibern, systematische, wiederholbare Vermessungslinien sicher durchzuführen und gleichzeitig den Einsatz von Personal und bemannten Vermessungsschiffen in gefährlichen Flachwasserzonen zu reduzieren.
Durch die Erfassung eines dichten Netzes akustischer Messpunkte können Vermessungsingenieure hochauflösende digitale Geländemodelle erstellen, die die Morphologie des Meeresbodens im Feinskala offenlegen. Diese detaillierten Modelle zeigen Sandwellen, felsige Riffe und lokale Auswaschungszonen, die mit spärlichen Einstrahl-Messungen nur schwer oder gar nicht zuverlässig zu erkennen sind.
Die Offshore-Wind-, Öl- und Gasindustrie setzt auf Multibeam-Vermessungsgeräte, um Turbinenfundamente zu planen, Unterwasserkabel zu verlegen und Pipelines zu inspizieren. Bei der Pipeline-Vermessung kartiert das Multibeam-Scan-Sonar den Verlauf der Rohrleitung und hilft dabei, gefährliche freie Spannweiten, freiliegende Abschnitte oder lokale Meeresbodenerosion zu identifizieren.
Ein 3D-Multibeam-Scanning-Sonar kann historische Schiffswracks und unter Wasser liegende archäologische Stätten ohne physischen Kontakt kartieren. Durch mehrere Durchläufe aus unterschiedlichen Winkeln werden akustische Schatten reduziert, sodass Forscher komplexe vertikale Strukturen rekonstruieren und empfindliche Stätten auf physischen Verfall und Umweltveränderungen überwachen können.
Durch die Kombination von Multibeam-Bathymetrie mit kalibrierter akustischer Rückstreuung können Wissenschaftler marine Lebensräume kartieren und Meeresboden-Ökosysteme klassifizieren. Darüber hinaus können Systeme, die für die Abbildung der Wassersäule ausgerüstet sind, Signale aus der Wassersäule erfassen, um Gasausströmungen, hydrothermale Plumes und biologische Streuschichten zu verfolgen.
Die Landschaft der akustischen Unterwasserkartierung entwickelt sich rasant weiter, angetrieben von mehreren zentralen technologischen Trends:
Diese kontinuierlichen technologischen Fortschritte erweitern den Einsatzbereich von Multibeam-Sensoren über herkömmliche Messinstrumente hinaus und ermöglichen anpassungsfähigere Vermessungsabläufe, eine Datenauswertung in Echtzeit sowie eine größere Autonomie auf entsprechend ausgestatteten Unterwasserplattformen.
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