Schallgeschwindigkeitsprofiler (SVP) messen oder ermitteln die Schallgeschwindigkeit in der Wassersäule, um präzise Sonar-, hydrografische und unterwasserakustische Messungen zu ermöglichen. Die Systeme reichen von kompakten Schallgeschwindigkeitssensoren für AUVs, ROVs, Unterwassergleiter und USVs bis hin zu tragbaren, im freien Fall eingesetzten, von Schiffen aus eingesetzten und fest installierten Geräten.
In dieser Kategorie werden führende Anbieter von Schallgeschwindigkeitssensoren und -profiler vorgestellt, die die Korrektur von Echoloten, die Kartierung des Meeresbodens, die akustische Positionierung, Umweltuntersuchungen und die Analyse der Wassersäule unterstützen.
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Hydrografische und ozeanografische Ausrüstung für unbemannte und autonome Oberflächenfahrzeuge sowie Unterwasserfahrzeuge
Hydrografische Vermessungsgeräte: Multibeam-Echolote, Seitensichtsonare, Schallgeschwindigkeitssensoren und Profiler
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Schallgeschwindigkeitsmesser (SVPs) messen oder berechnen die Schallgeschwindigkeit in der Wassersäule und liefern Daten, die zur Verbesserung der Genauigkeit hydrografischer, ozeanografischer und unterwasserakustischer Systeme genutzt werden können. Da sich die Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit von Temperatur, Salzgehalt und Druck ändert, ist ein genaues Schallgeschwindigkeitsprofil überall dort wichtig, wo Sonarmessungen von der Ausbreitung akustischer Energie durch Meerwasser abhängen.
Ein Schallgeschwindigkeitsprofiler, gemeinhin als SVP bezeichnet, kann die Schallgeschwindigkeit entweder direkt messen oder aus gemessenen Parametern wie Temperatur, Leitfähigkeit und Druck berechnen, wobei der Salzgehalt aus der Leitfähigkeit abgeleitet wird. Die moderne SVP-Technologie reicht von kompakten Sensoren auf autonomen Plattformen bis hin zu tragbaren Sonden und von Schiffen aus eingesetzten Profiling-Systemen. Die geeignete Konfiguration hängt von der Untersuchungstiefe, der erforderlichen Genauigkeit, der Einsatzmethode, der Abtastrate, den Kalibrierungsanforderungen und der unterstützten akustischen Ausrüstung ab.
SVP1500 Schallgeschwindigkeitsprofiler von Hydro-Tech
Autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs) und Unterwassergleiter können kompakte SVP-Sensoren mitführen, um im Rahmen einer Mission Schallgeschwindigkeitsdaten zu erfassen. Die direkte Integration eines Schallgeschwindigkeitssensors in eine autonome Plattform kann die räumliche Abdeckung von Umweltmessungen erhöhen und die Abhängigkeit von schiffsgestützten Messungen verringern. Größe, Gewicht, Stromverbrauch, Abtastrate, Tauchtiefe, Sensorgenauigkeit und Datenschnittstelle sind bei der Auswahl der Messtechnik für ein AUV oder einen Gleiter von besonderer Bedeutung.
Ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge (ROVs) können integrierte Schallgeschwindigkeitssonden einsetzen, um lokale akustische Bedingungen während Inspektions-, Interventions-, Bau- und Vermessungsarbeiten zu erfassen. In der Nähe des Fahrzeugs erhobene Messdaten können Sonarsysteme rund um Unterwasserinfrastrukturen unterstützen. Die Integration in ein ROV kann zudem die Übertragung von Schallgeschwindigkeitsdaten über die Kommunikationsverbindung des Fahrzeugs an die Oberfläche ermöglichen, um diese zu überwachen, aufzuzeichnen oder zu verarbeiten.
Bemannte Vermessungsschiffe und unbemannte Oberflächenfahrzeuge (USVs) können sowohl Profilierungsgeräte als auch kontinuierlich arbeitende Schallgeschwindigkeitsmesser unterstützen. An der Oberfläche montierte Sensoren messen die Bedingungen am Sonarkopf, während ausfahrbare Profiler Schwankungen in der gesamten Wassersäule erfassen. Auf USVs können automatisierte Ausbringung und Datenübertragung dazu führen, dass SVP-Messungen Teil eines umfassenderen autonomen hydrografischen Arbeitsablaufs werden.
Tragbare SVPs sind für den Feldeinsatz konzipiert, bei dem die Geräte leicht transportiert und von kleinen Booten, Anlegestellen, Küstenstandorten oder größeren Vermessungsschiffen aus eingesetzt werden müssen. Diese Instrumente kombinieren in der Regel Tiefenmessung mit direkter Schallgeschwindigkeitsmessung oder anderen Umweltsensoren. Eine tragbare Schallgeschwindigkeitssonde kann für wiederholte manuelle Messungen sowie für Vermessungsteams nützlich sein, die an mehreren Standorten tätig sind. Der Kalibrierungsstatus, der Zustand der Sensoren und eine kontrollierte Sinkgeschwindigkeit sind wichtig, um ein repräsentatives Profil zu erhalten.
Einsetzbare SVPs werden in die Wassersäule abgesenkt oder sinken von selbst ab, während sie Messungen in aufeinanderfolgenden Tiefen aufzeichnen. Freifallsysteme können wiederholte Messdurchläufe beschleunigen, wobei die Ausbring- und Bergungsmethoden je nach System variieren. Eine schnelle Profilierung kann insbesondere bei hydrografischen Einsätzen in Gebieten von großem Wert sein, in denen Schichtung, Süßwasserzufluss, Gezeitenaustausch oder sich ändernde Temperaturbedingungen dazu führen, dass sich die Schallgeschwindigkeit des Wassers im Laufe der Zeit erheblich ändert.
Feste Schallgeschwindigkeitssensoren liefern wiederholte oder kontinuierliche Messungen an einem bestimmten Standort. Sie können an Sonarköpfen, Schiffsrümpfen, Unterwasserstrukturen, Überwachungsstationen oder langlebigen ozeanografischen Plattformen installiert werden. Im Gegensatz zu einem Volltiefenprofilierer misst ein fest installierter Schallgeschwindigkeitssensor die Bedingungen an einem einzigen Punkt; daher werden diese Instrumente häufig in Verbindung mit periodischen Wassersäulenprofilen eingesetzt, wenn die vertikalen Schwankungen der Schallgeschwindigkeit erheblich sind.
Die hydrografische Vermessung ist eine der Hauptanwendungen für Schallgeschwindigkeitsprofilierungen. Mehrstrahl- und Einstrahl-Echolote bestimmen die Tiefe anhand der akustischen Laufzeit, weshalb genaue Kenntnisse der Schallgeschwindigkeit unerlässlich sind, um die Laufzeit in eine Entfernung umzurechnen. Insbesondere bei Multibeam-Systemen können Änderungen der Schallgeschwindigkeit in der Wassersäule zu einer Brechung der Schallstrahlen führen und die berechnete Position der Meeresbodenmessungen verfälschen. SVP-Daten ermöglichen es der Vermessungssoftware, diese Strahlweg-Effekte zu kompensieren, und tragen zu zuverlässigeren bathymetrischen Ergebnissen bei.
Schallgeschwindigkeitssensor von AML Oceanographic
Ein Schallgeschwindigkeitsmesser in Oberflächennähe kann zudem Messwerte im Umfeld des Wandlers liefern, die die Strahlsteuerung und erste akustische Berechnungen unterstützen. Vollständige Wassersäulenprofile behalten ihre Bedeutung, da Oberflächenbedingungen allein tiefere Thermoklinen oder andere vertikale Gradienten nicht beschreiben können. Profile sollten zudem mit einem Zeitstempel versehen, positioniert, einer Qualitätsprüfung unterzogen und den entsprechenden Vermessungsdaten zugeordnet werden.
Schallgeschwindigkeitsprofiler unterstützen die Kartierung des Meeresbodens in Küsten-, Offshore-, Hafen- und Binnengewässerumgebungen. Genaue Profildaten können Sonarmessungen verbessern, die zur Kartierung der Meeresbodenmorphologie, von Navigationskanälen, ausgebaggerten Bereichen, Baustellen und Korridoren für Offshore-Infrastruktur verwendet werden. Vermessungsingenieure können Profile in geplanten Intervallen oder als Reaktion auf sich ändernde Umweltbedingungen erfassen, die während des Betriebs auftreten.
Bei Offshore-Energie- und Meeresbauprojekten sind zuverlässige Informationen zur Schallgeschwindigkeit besonders wichtig, wenn wiederholte Vermessungen verglichen werden müssen oder wenn akustische Messungen in hochpräzise Positionierungssysteme integriert werden. Eine geeignete Profilierung hilft dabei, echte Meeresbodenmerkmale von Artefakten zu unterscheiden, die durch Schwankungen in der Schallausbreitung verursacht werden.
Meereswissenschaftler nutzen Schallgeschwindigkeitsdaten sowohl zur Unterstützung akustischer Instrumente als auch zur Charakterisierung der physikalischen Struktur der Wassersäule. Veränderungen von Temperatur, Salzgehalt und Druck beeinflussen das Schallgeschwindigkeitsprofil (SVP) des Wassers und können auf unterschiedliche Schichten, Vermischungsprozesse, Süßwassereinflüsse oder andere Umweltbedingungen hinweisen. Wenn die Schallgeschwindigkeit berechnet und nicht direkt gemessen wird, wirken sich die Genauigkeit und die Kalibrierung der zugrunde liegenden Sensoren auf das resultierende Profil aus.
Schallgeschwindigkeitssonden können zudem Unterwasserinspektionen und -überwachungsmaßnahmen unterstützen, bei denen Bildgebungssonar, akustische Ortung und verwandte Instrumente zum Einsatz kommen. Bei Infrastrukturvermessungen können diese Informationen dazu beitragen, die Konsistenz zwischen Beobachtungen zu gewährleisten, die in unterschiedlichen Tiefen, an verschiedenen Orten oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten erhoben wurden.
Die Schallgeschwindigkeit ist im Ozean nicht überall gleich. Temperatur, Salzgehalt und Druck variieren je nach Tiefe und Standort und erzeugen Schallgeschwindigkeitsgradienten, die die Schallwege durch Brechung ablenken können. Ein einzelnes Profil kann daher an Aussagekraft verlieren, wenn sich ein Schiff in eine andere Wassermasse begibt oder wenn Gezeiten- und Wetterbedingungen die örtlichen Gegebenheiten verändern.
Die Häufigkeit der Profilmessungen sollte den Anforderungen an die Vermessungsgenauigkeit sowie der Geschwindigkeit der Umweltveränderungen entsprechen. Starke Thermoklinen, Flussabflüsse, Vermischung in Mündungsgebieten und saisonale Erwärmung können zusätzliche Messungen erforderlich machen. SVP-Software kann bei der Überprüfung von Profilen, der Identifizierung ungewöhnlicher Messwerte, der Verwaltung von Datensätzen und der Anwendung geeigneter Profile während der akustischen Datenverarbeitung helfen. Bei der Qualitätskontrolle sollten zudem Sensordrift, Verschmutzung, Druckabweichungen und unrealistische Gradienten berücksichtigt werden.
Die SVP-Technologie konzentriert sich zunehmend auf Automatisierung, Integration und Umweltmessungen im Rahmen unbemannter und hocheffizienter Vermessungsvorgänge. Für zukünftige Systeme zur Schallgeschwindigkeitsprofilierung sind mehrere Bereiche von Bedeutung:
Diese Entwicklungen erweitern die Rolle des Schallgeschwindigkeitsprofilers von einem eigenständigen Instrument hin zu einer integrierten Komponente autonomer hydrografischer und ozeanografischer Systeme.
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