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Sidescan-Sonar

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.

Die Abstrahlcharakteristik eines Transducers hängt von seinen Abmessungen ab. Für den Öffnungswinkel Alpha gilt:

sin(Alpha) = 1,22 x Lambda / Durchmesser

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.
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.
   
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

 

Leider ist das Boot am 7.8.13 während einer Messfahrt im Allgäu mit Mann und
   
 Maus (und Elektronik) gesunken !

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
 
 
Schaltung PDF-Format Tauchfahrt