Sidescan-Sonar
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Prinzip:
Auch ein Sidescan-Sonar arbeitet wie das >>Echolot<<
mit Schallimpulsen. Im Gegensatz zum Echolot dient das Sidescan
nicht vornehmlich zur Tiefenmessung sondern zu Abbildung des See-
oder Meeresgrund. Mit einem Schallimpuls wird beim Sidescan ein
linienförmiger Ausschnitt des Grundes, senkrecht zur Bewegung
des Geräts, abgetastet. Durch Aneinanderreihen dieser Linien
(Zeilen) entsteht ein Flächenbild des Grunds. Die linienförmige
Abtastung geschieht durch eine spezielle Form des Transducers dessen
Abstrahlcharakteristik fächerförmig sein muß. In
der Bewungsrichtung muß dieser Fächer möglichst
schmal sein, senkrecht dazu möglichst breit. |
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Die Abstrahlcharakteristik eines Transducers hängt von seinen
Abmessungen ab. Für den Öffnungswinkel Alpha gilt:
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sin(Alpha) = 1,22 x Lambda / Durchmesser
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Die Strahlkeule
wird demnach umso enger je größer die Abmessungen des
Transducers im Vergleich zur Wellenlänge sind. In Wasser gilt
für die Frequenz: |
Lamda H20
= 1480 / Frequenz |
Wellenlänger
in Meter, Frequenz in Hertz |
Um den gewünschten fächerförmigen Strahl zu erreichen muss
der Transducer in einer Dimension lang und in der anderen kurz sein, d.h.
eine stabartige Form haben. Bei einer Frequenz von 500 kHz und den Transducerabmessungen
von 5 x 100 mm gäbe das einen Strahlfächer 46 x 2 °. In
diesem Bereich sollten sich die Werte bewegen. Allerdings sind Betrachtungen
eine starke Vereinfachung der Wirklichkeit. Reale Transducer haben Nebenkeulen
in denen auch Energie abgestrahlt wird.
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Aus der Laufzeit des empfangen Signals
kann der Abstand des reflektierenden Objektes rekonstruiert werden.
Daraus wird die X-Achsen Position des Pixels im zu erstellendem Bild
berechnet. Die Intensität des Empfangssignals ergibt den Z-Wert,
den Helligkeitswert des Pixels. Die Y-Position wird aus der Vorwärtsbewegung
des Transducers bestimmt. Das heißt die Bewegung des Transducers
zwischen zwei Sendepulse sollte etwa der Y-Weite des Footprints der
Sendekeule entsprechen. |
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Transducer:
Der Transducerstab wurde aus einer zur Verfügung stehenden Piezoplatte
gesägt. Das meist verwendete PZT (Bleizirkonattitanant, PbZrTi)
ist relativ weich und kann gut mit einer Diamantsäge geschnitten
werden.Hat man keine größere Platte zur Verfügung
kann der Stab aus kleineren Teilstücken zusammen gesetzt werden.
(z.B. Oppernann-Elektronik
PKUG 100 ). Der hier verwendete Stab 90 mm lange hat eine
Querrschnitt von 6 x 5 mm und damit zwei Resonanzfrequenzen bei 320
und 390 kHz.Die tiefere Frequenz entspricht der Breitenschwingung,
die höhere der Dickenschwingung. Der Piezostab wurde unter Zwischenlage
von Moosgummi in einen Plexiglashalter eingepresst und die Oberseite
mit selbstklebender Alufolie abgedeckt. So wird eine wasserdichte,
aber akustisch durchlässige Abdeckung erreicht. Das Foto zeigt
den Transducer bevor der Abdeckung mit Alufolie. |
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Es gibt Simmulationsprogramme die die Abstrahlcharakteristik
eines Transducers berechnen können. Eines ist das Programm >
Ultrasim <. Dieses Programm kann man frei downloaden es
benötigt aber die Umgebung von
> Mathlab <. Da dem Verfasser Mathlab nicht zur Verfügung
steht hat sich > René
Pascal ( www.beugungsbild.de) < auf Anfrage freundlicherweise
erklärt die Simmulationen durchzuführen.
Die folgenden Bilder zeigen die Ergebniss, die recht vielversprechend
aussehen, lediglich die vertikale Strahlungskeule könnte noch
breiter sein |
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Schaltung:
Die Schaltung wurde auf zwei Platinen, Sender und Empfänger
aufgeteilt, um eine gegenseitige Einflussung zu vermeiden. Der Sender
verwendet einen 74S124 Oszillator, dessen Schwingung wird über
ein Gate dem Sendeverstärker zugeführt. Die Endstufe wird
mit einer Betriebsspannung von 150V betrieben. Diese Spannung wird
mit einem Spannungswandler erzeugt. Zur Anpassung der Endstufe an
den Transducer wird ein Ringkerntrafo verwendet. Die beiden, der Backbord
und der Steuerbord- Transducer werden abwechselnd über ein Relais
an die Elektronik geschaltet.
Im Empfänger wird ein Verstärker MC1350 als regebarer Eingangsverstärker
verwendet. Das Signal wird dann in einem LA1260 weiter verstärkt
und demoduliert.Das so erhaltene Echosignal wird nochmals verstärkt
und dann dem AD-Wandler des Prozessors zugeführt. Ein weiterer
Kanal verarbeitet das Signal mit einem logarithmischen Verstärker
AD8307. |
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Test:
Zum ersten Test wurde der Transducer in einem mit Wasser gefüllten
Eimer gehängt. Im aufgezeichnetem Signal sind 24 Echos erkennbar.
Da der Wasserstand 18 cm betrug entsprechen 24 Echos einer insgesamten
Lauflänge von 24 x 2 x 18 cm = 8,6 Metern. Berücksichtig
man die Verluste die bei jeder Reflektion anfallen ist die wirkliche
Reichweite sicher deutlich größer.
Über die wirklichen Möglichkeiten kann aber natürlich
nur ein Feldtest Klarheit bringen.
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Zum Feldtest des Geräts wurde ein Modellboot umgerüstet.
Der Rumpf des kleinen Hafenschleppes bietet mit 60 Länge genügend
Platz um alles ein zu bauen. Die beiden Sidescan-Transducer sind links
und rechts am Rumpf mit langen Abstandsbolzen befestigt.
Ein zusätzliches <Echolot
> wurde mitschiffs am Kiel eingebaut. Auf einer Platine
im Bug befinden sich noch ein Kompass-, Beschleunigungs- und ein GPS-Sensor.
Alle Messdaten werden auf einer SD-Karte abgespeichert. Die ursprüngliche
27 MHz-Fernsteuerung wurde entfernt und durch eine etwas zuverlässigere
2,4 GHz-Anlage ersetzt. Die Steuerung und Datenaufnahme übernimmt
der bewährte Arduino. Um die Anlage zum Test einfach zu halten
wurde auf eine drahtlose Übertragung der Daten verzichtet. Stattdessen
werden die Messdaten auf einer SD-Karte zur späteren Auswertung
gespeichert. |
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Das untere Bild zeigt die ersten Ergebnisse einer kurzen Fahrt auf
dem Mollsee des Münchner Westpark-Geländes. Oben die Anzeige
des Echolots, unten die beiden Sidescan-Kanäle. Die größte
überfahrenen Tiefe beträgt etwa 4 Meter. |
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Die Nullline des Sidescan
folgt natürlich dem Tiefenprofil, das auch vom Echolot angezeigt
wird. Aber jenseits der Nulllinie können im Sidescan schon Strukturen
gesehen werden. Für eine bessere Anzeige könnte man die
Nulllinie mit Hilfe der Echolotdaten korrigieren.
Allerdings ist vor Allem der Backbord-Kanal noch von starken Störungen
überlagert die möglicherweise vom Umschaltrelais verursacht
werden.
Schwerwiegender ist aber die Tatsache das die Empfindlichkeit der
Schaltung noch viel zu klein ist sodass nur Strukturen im Bereich
von einem bis zwei Metern angezeigt werden. So muß entweder
die Empfindlichkeit des Empfängers oder die Leistung des Senders
erhöht werden. Allerdings muß hier noch berücksichtigt
werden das es am Grúnd des Mollsees außer Schlamm wahrscheinlich
nicht viel zu entdecken gibt. |
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Mit verbessertem Sender und Empfänger werden deutlich
bessere Ergebnisse erhalten. Mit einem eingebauten GPS-Modul wird
auch die Fahrt des Bootes aufgezeichnet. Das Bild zeigt links den
abgefahrerem Kurs. In der Mitte die Daten des Sidescans und rechts
die Echolot-Daten. Der Bereich der Anzeige beträgt 6 Meter, d.h.
die Reichweite wurde stark vergrößert und man kann schon
Strukturen am Grund erkennen. |
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Nach etlichen
Umbauten des Senders und Empfängers konnte die Reichweite noch
deutlich vergrößert werden. Der im obigen Echolotbild deutlich
sichtbare Gegenstand (wahrscheinlich ein Betonfundament ?)kann nun
im Sidescan gut gesehen werden. Man sieht das es zwei Gegenstände
sind, die auch getrennte Schatten werfen. Sie liegen etwa in der Mitte
des Sees in 3 Metern Tiefe. Der Abstand zur Kurslinie beträgt
8 Meter und das gesamte Bild zeigt einen Bereich von 24 x 56 Meter.
Deutlich sichtbar sind aber auch die Störungen durch Interferenzstreifen
die durch Mehrfachreflexion vom Grund und der Wasseroberfläche
stammen.
Eine Anfrage an die Stadt München bezüglich des Objektes
blieb leider unbeantwortet und ein Versuch das Objekt mit dem
>ROV< optisch zu lokalisieren scheiterte an den schlechte
Sichtbedingungen im See. Sobald man in die Nähe des Grundes kommt
wird soviel Schlamm aufgewirbelt das die Sichtweite unter 20 Zentimeter
fällt. Das kurze Video zeigt einen Tauchversuch. |
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Leider ist das Boot am 7.8.13
während einer Messfahrt im
Allgäu mit Mann und
Maus (und Elektronik) gesunken !
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Da eine Bergung momentan nicht möglich
ist und zu einem späteren Zeitpunkt die Korossion der Schaltungen wahrscheinlich
schon zu weit fortgeschritten ist wurden die Arbeiten vorerst eingestellt |
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