Akoestische onderwatertechnieken

From MarineBiotech Infopages
Jump to: navigation, search
Figuur 1: Singlebeam. Transducer zendt geluid uit (blauwe kegel) dat reflecteert (witte ringen) en deels weer opgevangen wordt[1].

In water kan geluid zich veel verder voortplanten dan licht of elke andere vorm van radiatie, wegens de minimale absorptie door de omgeving. Hierdoor is geluid het primaire middel voor remote sensing en beeldvorming onder water. Instrumenten die geluid gebruiken voor het identificeren van objecten in de waterkolom en het bepalen van de diepte worden SONARs (SOund NAvigation and Ranging) genoemd[2]. Er zijn twee types: passieve en actieve[3]. Passieve SONARs luisteren naar geluid voortgebracht door dieren (bv. walvissen) of objecten (bv. schepen en duikboten). Actieve SONARs produceren zelf specifieke geluidsgolven en analyseren dan de reflectie (echo) hiervan. Deze “echo sounders” hebben meer diverse en complexere toepassingen en worden hier daarom verder besproken.

De vier belangrijkste akoestische onderwatertechnieken zijn de singlebeam en multibeam echosounders, de side-scan sonar en OARWS (Ocean Acoustic Waveguide Remote Sensing). Allen bestaan uit een projector die de geluidsgolven genereert en een signaalontvanger of hydrofoon die de echo ontvangt. Wanneer de zender ook kan ontvangen spreekt men van een transducer[4]. Gebaseerd op de reistijd of de energie van de teruggekaatste golven kan respectievelijk de diepte of de materie bepaald worden. De eigenschappen van de SONARs worden deels bepaald door de uitgezonden frequentie. Lagere geluidsfrequenties ondergaan minder absorptie en reiken dus verder dan hogere geluidsfrequenties. Alhoewel met lage frequenties een groter gebied kan gemonitord worden gaat dit meestal gepaard met bv. een verlies aan kwaliteit.

De eenvoudigste techniek is de singlebeam echosounder, die werd ontworpen in het begin van de 20ste eeuw. De ontwikkeling van deze en volgende SONARs is voornamelijk te danken aan militair onderzoek. Het zijn immers perfecte middelen voor de detectie van onderzeeërs en mijnen. In het wetenschappelijk milieu dienen ze onder meer voor het opstellen van Bodemtopografie en -dynamiek bathymetrische kaarten en het onderzoek naar vispopulaties en –dynamiek. Vissen kunnen gedetecteerd worden vanwege hun reflectieve eigenschappen. De meeste hebben een zwemblaas die meer dan 90% van de opvallende akoestische energie kan verstrooien (“scattering”). Sommigen, zoals Atlantische makreel, hebben geen zwemblaas maar zullen toch nog geluid diverteren met hun graten en spiermassa. Zwemblaasloze vissen produceren daarom zwakkere echo’s.


Singlebeam

Tot het begin van de jaren ’60 werden voornamelijk singlebeam echosounders (Figuur 1) gebruikt voor dieptemetingen[5]. Dit mechanisme maakt gebruik van één verticaal gerichte akoestische puls (“ping”), vergelijkbaar met een zoeklicht[4]. De transducer ontvangt een deel van de echo, waarmee de diepte berekend wordt als de reistijd van de puls. De echosounder wordt door een schip heen en weer meegesleept voor het afzoeken of analyseren van de zeebodem over een groter gebied. De “beam” of straal kan wijd zijn (“wide-beams”), waardoor een relatief groter oppervlak bestreken wordt. Dit gaat ten koste van de beeldkwaliteit. Duurdere “narrow-beams” leveren een duidelijker beeld op maar bedekken een geringere zone. Onder meer omdat het ene systeem een te lage beeldresolutie geeft en het andere een te klein gebied analyseert is de single-beam methode niet efficiënt genoeg voor het scannen van volledige regio’s. Zowel in tijd als ruimte heeft de methode beperkingen, waardoor slechts een partieel beeld kan worden verkregen van bijvoorbeeld de vis dynamiek en hoeveelheden[4].


Multibeam

Figuur 2: Multibeam. Transducer zendt geluid uit in verschillende aaneensluitende enkelvoudige stralen[6].

Rond 1960 werd de multibeam (Figuur 2) ontwikkeld, die is opgebouwd uit verschillende single narrow-beams. De transducer is zo gepositioneerd aan de onderkant van het schip dat een waaier van geluidsgolven wordt geproduceerd. De zeebodem wordt daardoor gescand door een lijn continue punten, loodrecht op de vaarrichting van het schip[4]. De breedte van die lijn op de bodem is de “swath” lengte, en kan uitgedrukt worden als de lengte in meter of het aantal graden van de hoek waaronder deze gevormd wordt. De transducer meet het tijds- en intensiteitsverschil tussen verzending en ontvangst en bepaalt zo respectievelijk de diepte en zeebodemkarakteristieken. Via computer kan de bodemtopografie dan gevisualiseerd worden. Voor de diepte gebeurt dit meestal aan de hand van kleurencodes, waarbij blauwe zones dieper zijn dan rode. De intensiteit van het signaal geeft inzicht over de hardheid, textuur en morfologie van de zeebodem. Een plat hard vlak weerkaatst meer straling dan een zacht, oneven substraat (bv. zand). De multibeam kan de zeebodem daardoor categoriseren. Om de klassen te linken aan het effectieve bodemtype dienen stalen genomen te worden[7][8].


Side-scan sonar

Figuur 3: Side-scan sonar: Twee transducers zenden geluidsgolven uit vanaf een sonarvis[9].

In tegenstelling tot single- en multibeams bepaalt een side-scan sonar (Figuur 3) primair niet de diepte tot de bodem maar de samenstelling ervan. Dit kan omdat verschillende materialen specifieke geluidsabsorberende en -reflecterende eigenschappen hebben. Sommige materialen (zoals metaal en pas gevormd vulkanisch gesteente) zijn sterk reflecterend, terwijl anderen dat niet zijn (bv. klei en slib). Sterke reflectoren creëren sterke echo’s met veel energie (een hoge amplitude) en omgekeerd[5]. De hoeveelheid teruggekaatste energie kan opgemeten worden en met kennis van de akoestische eigenschappen van voorkomende materie kan een beeld gevormd worden van de zeebodemtextuur. Het resultaat is een sonogram, een afbeelding met een twee-kleuren gradiënt die het energetisch spectrum van het teruggekaatste signaal weerspiegelt. Een optimaal resultaat wordt bekomen bij een kalme zee gedurende een rechte koers[10].

De sonar is opgebouwd uit twee transducers gemonteerd langs elk een kant van het toestel, zodat zowel links als rechts van het schip wordt gemeten. Net als bij een multibeam wordt dus een lijn opgemeten dwars op de vaarrichting. In tegenstelling tot een single- of multibeam wordt de side-scan sonar meestal op een sonarvis geplaatst (i.p.v. op de scheepsromp), een torpedovormige drager die dichtbij de bodem kan gesleept worden. Het is ook mogelijk de sonar te monteren op o.a. duikboten (zoals in 1936-1964 op de Trieste) of op AUVs. Omdat side-scan sonars meestal geen informatie verschaffen over de diepte en multibeams relatief weinig vertellen over de compositie, worden de twee soms complementair gebruikt[3].


OAWRS

Figuur 4: Schematische voorstelling van het OAWRS systeem gebruikt in de Golf van Maine in 2006[4].

Ocean Acoustic Waveguide Remote Sensing (OAWRS) is een recente ontwikkeling voor de ogenblikkelijke beeldvorming en continue monitoring van vispopulaties op grote schaal[11]. Het gescreende gebied overspant duizenden vierkante kilometers, wat minstens tienduizend keer meer is dan wat mogelijk is bij conventionele technieken. OARWS wordt zelden gebruikt voor bodemkartering maar eerder voor het lokaliseren van ver verwijderde populaties vis of andere organismen, zoals krill. Zowel informatie over de horizontale ruimtelijke dichtheid van de populaties, het gedrag en de vis abundantie wordt hierbij verkregen. Bij andere, meer traditionele methodes komt de boot zo dicht bij de organismen dat geen reëel beeld van de werkelijkheid verkregen wordt, gezien het normaal gedrag van organismen verstoord wordt. De ruimtelijke omvang van OAWRS elimineert dit ongewenste effect [11][4].

Deze akoestische onderwatertechniek werd ontwikkeld door het Massachusetts Institute of Techno-logy, MIT, in het Amerikaanse Cambridge. In 1995 werden onderzeese bergen en bergkammen gevisualiseerd. De eerste en geslaagde test voor visonderzoek vond plaats in 2003 langs de oostkust van Amerika. In één seconde werd hierbij een oppervlakte groter dan Vlaanderen ontleed. In 2006 vond een tweede succesvolle studie plaats op de Georges Bank waarbij het schoolvormingsproces van haring werd bestudeerd tijdens het kuitschieten. Akoestische signalen worden uitgezonden door verscheidene onder elkaar hangende zenders, waarna deze zowel door het oppervlak als de bodem worden gereflecteerd. Hierdoor vormen zich zogenaamde “waveguide modes” of verticale staande golven die de volledige diepte overspannen. Omdat de golven vanaf hun oorsprong zich in een cirkelvorm gaan uitbreiden, wordt een groot driedimensionaal gebiedt gescand. De gebruikte frequenties benaderen de zwemblaasresonantie, waardoor alle vissen (met een zwemblaas) een echo produceren. Die echo’s worden opgevangen door een reeks van ontvangers die door een schip worden voortgesleept. In de toekomst zal het waarschijnlijk mogelijk zijn met een gefixeerd systeem te werken, wat doorlopende monitoring mogelijk maakt voor lange termijnen[11].

OAWRS wordt gezien als een veelbelovende techniek. Ze wordt verwacht in staat geacht een accurater beeld te schetsen van de visdynamiek en –hoeveelheid op regionale schaal[4]. Voor hoge resolutie surveys zullen CFFS (Conventional Fish-Finding Sonars; single-/multibeams en side-scan sonars) nodig blijven[2]. Ook werd er recent aangetoond dat de met OAWRS geproduceerde geluidsgolven het gedrag van walvissen zou beïnvloeden[12].


Zie ook

http://en.wikipedia.org/wiki/Multibeam_echosounder

http://nl.wikipedia.org/wiki/Side_scan_sonar

http://nl.wikipedia.org/wiki/Singlebeam


Bronnen

  1. http://www.divediscover.whoi.edu/tools/sonar-singlebeam.html
  2. 2.0 2.1 http://books.mcgraw-hill.com/EST10/site/spotlight/underthesea/pdf/EST_Remote_sensing_%20of_%20fish_YB.pdf
  3. 3.0 3.1 http://www.nauticalcharts.noaa.gov/hsd/SSS.html
  4. 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 Makris, N. C., Jagannathan, S., Ignisca, A., 2010. Oceanography. Ocean Acoustic Waveguide Remote Sensing: Visualizing Life Around Seamounts. 23, p2.
  5. 5.0 5.1 http://www.ldeo.columbia.edu/res/pi/MB-System/sonarfunction/SeaBeamMultibeamTheoryOperation.pdf
  6. http://annaroseandthesea.blogspot.be/
  7. http://www.sgmeet.com/osm2012/viewabstract2.asp?AbstractID=12875
  8. http://www.infomar.ie/data/DataProcessing.php
  9. http://gralston1.home.mindspring.com/Sidescan.html
  10. http://www.abc.se/~pa/mar/sidescan.htm
  11. 11.0 11.1 11.2 Jagannathan, S., Bertsatos, I., Symonds, D., Chen, T., Nia, H. T., Jain, A. D., Andrews, M., Gong, Z., Nero, R., Ngor, L., Jech, M., Godo, O. R., Lee, S., Ratilal, P., Makris, N., 2009. Ocean Acoustic Waveguide Remote Sensing (OAWRS) of marine ecosystems. Marine Ecology-Progress Series. 395, p137-160.
  12. Risch, D., Corkeron, P. J., Ellison, W. T., Van Parijs, S. M., 2012. Changes in Humpback Whale Song Occurrence in Response to an Acoustic Source 200 km Away. Plos One. 7.


The main author of this article is Van Beveren, Elisabeth
Please note that others may also have edited the contents of this article.

Citation: Van Beveren, Elisabeth (2019): Akoestische onderwatertechnieken. Available from http://www.coastalwiki.org/wiki/Akoestische_onderwatertechnieken [accessed on 23-02-2020]