ADCPs & DVLs: Neueste technische Entwicklungen

Ein REMUS-Fahrzeug zeigt das traditionelle DVL-Array mit vier Elementen (Photo Courtesy Hydroid)

Der kompakte ECO ADCP (Foto mit freundlicher Genehmigung von Nortek)

Previous Next

Alle Seeleute kennen die Bewegungen des Ozeans. Einige leben davon, den Wind und die Wellen zu reiten, andere halten Ausschau nach einer Schiene mit ein bisschen Grün im Gesicht. Die Messung der Bewegung des Wassers oder von Objekten im Wasser ist jedoch ein zentraler Aspekt vieler Meerestechnologien und -anwendungen. Es ist möglich, ein Prinzip von Schallwellen zu verwenden, das als Doppler-Effekt bezeichnet wird, um die Bewegung im Wasser zu messen. Eine Schallwelle hat eine höhere Frequenz oder Tonhöhe, wenn sie sich zu Ihnen bewegt, als wenn sie sich entfernt. Sie hören den Doppler-Effekt in Aktion, wenn eine Polizeiautosirene mit einer charakteristisch zunehmenden Geräuschintensität vorbeifährt, die beim Vorbeifahren des Autos nachlässt.

Der Doppler-Effekt aktiviert ein wichtiges Ozeaninstrument, das als akustischer Doppler-Stromprofiler (ADCP) bezeichnet wird. Dieses Gerät misst die Bewegung des vorbeiströmenden Wassers. In einer stationären Boje oder am Meeresboden montiert, liefert es ein Maß für die Wasserströmung. Alternativ kann das Instrument, wenn es auf einer beweglichen Plattform wie einem Unterwasserfahrzeug montiert ist, die Bewegung relativ zum Wasser oder zum Meeresboden messen. Dies ist als Doppler Velocity Log (DVL) bekannt. Die ersten Patente für die leistungsfähigsten Breitband-ADCPs wurden 1997 erteilt. Diese Fähigkeit leitete die moderne Ära der Strommessung ein. In den Jahrzehnten seitdem haben Ozeanographen und Ozeaningenieure diese Werkzeuge in einer Vielzahl von Konfigurationen eingesetzt und Tausende wurden ausgeliefert. Aber was haben die letzten Jahre auf das Feld gebracht?

Ein Inline-DVL auf dem Fusion-Fahrzeug (Foto mit freundlicher Genehmigung von Nortek)

Da das ADCP / DVL-Ökosystem ausgereift ist, gab es viele Innovationen. In letzter Zeit haben führende Hersteller kreative Entwicklungen auf den Markt gebracht. Teledyne RDI, der Nachfolger des ersten Unternehmens, das das ADCP kommerzialisiert hat, liefert weiterhin Schlüsseltechnologien, insbesondere DVLs, für Unterwasserfahrzeuge. Eines der am häufigsten eingesetzten unbemannten Unterwasserfahrzeuge ist Hydroids REMUS. In diesem Fahrzeug wird normalerweise die kompakte DVL von Teledyne in der ursprünglichen Konfiguration von vier in einem Ring montierten Wandlern verwendet. Die DVLs in diesen Fahrzeugen ergänzen die GPS-Positionen, die an der Oberfläche aufgezeichnet wurden, und häufig die Trägheitsbewegungsmessungen, um das Fahrzeug bei der Verfolgung seiner Position zu unterstützen und eine bessere „Dead Reckoning“ zu erreichen.

Das Vier-Wandler-Array ist nicht die einzige Konfiguration für eine DVL, und UUVs sind nicht die einzigen Nutznießer. Eine andere Konfiguration ist ein phasengesteuertes Array. Dies sieht aus wie eine einzelne Wandlerfläche, ist jedoch eine elektronisch computergesteuerte Anordnung von Wandlerelementen, die eine Reihe von akustischen "Strahlen" erzeugt, die in verschiedene Richtungen weisen. Vor kurzem hat Teledyne den ersten Phased-Array-DVL mit einer Nennweite von 6000 Metern vorgestellt, den Pionier 300. Bei einer bestimmten Größe und Leistung bietet die Phased-Array-Technologie eine größere Bodenverfolgungsreichweite als herkömmliche DVLs in diesem Fall bis zu 275 Metern vom Meeresboden. Der Pioneer DVL wurde an Bord des von Vulcan Inc unterstützten ROV mit hoher Leistung eingesetzt, da er im Pazifik zahlreiche Schiffswrackentdeckungen im Zweiten Weltkrieg machte. Dieselbe Konfiguration wird jetzt in Teledynes neuestem DVL, dem Tasman, verwendet. Eingeführt im April 2019. Das vor Ort austauschbare Phased-Array-Wandler-Design verbessert die Positionsgenauigkeit, macht eine Schallkorrektur überflüssig und verringert den Luftwiderstand eines Unterwasserfahrzeugs. Dieses Instrument bietet auch eine Ethernet-Konnektivität, die bei den immer anspruchsvolleren Unterwasserfahrzeugen von heute hilfreich ist.

SPRINT-NAV funktioniert auch bei extremen Winkeln gut (Foto mit freundlicher Genehmigung von Sonardyne)

Inzwischen wurde der Syrinx DVL bei Sonardyne in eine innovative Lösung integriert - den hybriden akustisch-trägen Navigator SPRINT-Nav. Hier sind die DVL-Wandler, die Trägheitsbewegungseinheit und der Tiefensensor zusammen untergebracht, was eine Reihe von Vorteilen bietet. Beispielsweise werden die einzelnen DVL-Strahlen verwendet, um die INS-Lösung zu aktualisieren und gleichzeitig einen DVL-Geschwindigkeitsvektor zu berechnen. Das Ergebnis ist eine genauere und robustere akustisch-träge Lösung, bei der das INS einzelne Strahlmessungen verwerfen kann und auch dann bestehen bleibt, wenn einige DVL-Strahlen die untere Verriegelung verlieren. Die Ausrichtungsversätze zwischen den verschiedenen Sensoren werden im Werk berechnet, damit das System schnell mobilisiert werden kann und keine GPS-Ausrichtungsläufe erforderlich sind. Der Einsatz ist so flexibel, dass das System auch in extremen Winkeln montiert werden kann.

Ein weiterer innovativer Hersteller ist Nortek. Während die meisten DVLs einen zylindrischen Formfaktor verwenden, ist dies für einige Anwendungen nicht immer geeignet. In einem Fall verlangte ein neues Unterwasserfahrzeug, der Fusion von SRS, eine andere Form. Fusion ist ein Hybrid-Unterwasserfahrzeug, das AUV- und ROV-Funktionen mit der Navigation und dem Vortrieb von Tauchern in einem System kombiniert. Nortek lieferte kleinere Wandler und Elektronik für dieses Fahrzeug sowie eine einzigartige Inline-Wandleranordnung. Darüber hinaus wurde in der Instrumentensuite ein spezieller Höhenmesser für eine genauere Höhenmessung direkt unter dem Fahrzeug hinzugefügt. Die Weiterentwicklung der DVLs ermöglicht weitere Innovationen bei Unterwasserfahrzeugen, deren Navigation von ihnen abhängt.

Während sich DVLs zusammen mit Unterwasserfahrzeugen rasant weiterentwickeln, entwickeln sich auch ihre ADCP-Verwandten weiter. Nortek bietet hier ein weiteres Beispiel. Um die Effizienz des Betriebs zu verbessern und die Kosten für aktuelle Messungen zu senken, haben sie kürzlich die ECO-Plattform eingeführt. ECO, Norteks Mini-ADCP für Flachwasserprofile, wurde Ende 2019 zum Verkauf angekündigt. Es verfügt über ein tragbares, drahtlos aufgeladenes 1-MHz-ADCP, das mit einer Smartphone-App programmiert wurde. Die Datenverarbeitung und Qualitätssicherung erfolgt über einen automatischen Cloud-basierten Service. Zusätzlich zu diesen Anpassungen für das Instrument selbst ging Nortek noch einen Schritt weiter und entwickelte ein kompaktes Bojen- und Zeitfreigabesystem, um den Einsatz in flachen Gewässern zu vereinfachen.

ADCPs und DVLs sind wohl eine der wichtigsten Voraussetzungen sowohl für die Ozeanographie als auch für die Unterwasserrobotik. Sie sind zwar keine neue Technologie, haben sich aber in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt. Neue Array-Designs, eine immer größere Vielfalt im Frequenzbereich und neuartige Konfigurationen sind schnell in Erscheinung getreten. Innovationen, die von aktuellen Verbrauchertechnologien wie Apps und Cloud Computing inspiriert sind, sind aufregende Entwicklungen, die in der Instrumentierung von Ozeanen nur selten zu finden sind. Die Nachfrage nach Messungen der Wasserbewegung ist jedoch erheblich und treibt ebenso bedeutende Innovationen voran. Das nächste Jahrzehnt der Bewegung wird spannend.

Der Tasman DVL verwendet ein einzelnes, phasengesteuertes Array (Foto mit freundlicher Genehmigung von Teledyne Marine).