Einleitung Wie es der Titel aussagt möchte ich mich hier ausschließlich mit der Anwendung des Doppler-Effekts in der Seefahrt in Form von Doppler-Sonar Geräten beschäftigen. In
der Grundform misst ein Single-Axis Doppler Sonar die Geschwindigkeit eines
Schiffes über Grund und alternativ auch durch das Wasser. Was ist
nun der Vorteil eines Doppler Sonars gegenüber einem herkömmlichen
Schiffslog?
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Für
kleinere Schiffe gibt es die Möglichkeit genaue Geschwindigkeitsmessungen
anhand von Landmarken durchzuführen. Dabei läuft das Schiff einen
Kurs parallel zu den Landmarken. Die Zeit für die Strecke wird gestoppt
und auf die Messstrecke umgerechnet. Das funktioniert sehr genau. Solche
Messstrecken gibt es an mehreren Stellen in der Bundesrepublik, z.B. an
der Elbe oder in der Ostsee vor Eckernförde. Aber große Schiffe
wie Supertanker, Containerschiffe etc. können diese Möglichkeit
nicht nutzen, weil die Gewässer in Küstennähe zu flach sind
und diese Schiffe sich am Meeresboden „festsaugen“ und nicht auf die Höchstgeschwindigkeit
kommen.
Alle weiter oben aufgeführten Schiffs-Log Anlagen messen die Geschwindigkeit gegen die umgebende Wassermasse. Zur präzisen Navigation ist aber die Geschwindigkeit über Grund viel wichtiger. Das hat zur Entwicklung von Doppler Sonar Anlagen geführt, welche die Geschwindigkeit über den Meeresgrund messen. Es gibt mehrere Hersteller von Doppler Sonargeräten mit sehr unterschiedlichen technischen Daten. Nachfolgend will ich mich aber auf das von der Debeg in den 70er Jahren eingesetzte Doppler „D“ Sonar System der Firma AMETEK aus San Diego USA beschränken und an einigen Stellen Querverweise zu anderen Systemen geben. Genauere
Navigation mit Doppler Sonar Anlagen
Das AMETEK Doppler „D“ System Die Dual Axis Version misst die Geschwindigkeit in der Backbord-Steuerbord Richtung und in der Schiffslängsrichtung. Ein Docking System ist die Vollversion, die aus zwei Dual Axis Schwingern besteht, von denen einer im Bereich des Vorschiffs, der Zweite im Bereich des Achterschiffs angebracht ist. An beiden Stellen wird also auch die Quergeschwindigkeit gemessen, was für die Darstellung von Drehkreisen von Bedeutung ist. Dazu lässt sich beim Dockingsystem jeweils die vordere oder die hintere Längsgeschwindigkeit auf das Darstellungsdisplay schalten. |
Die
Janus Konfiguration der Schwingerabstrahlung
Theoretisch könnte man ein Doppler Sonar nach folgendem Schema arbeiten lassen: |
Bei einem absolut ruhig in der See liegenden Schiff würde das auch funktionieren. Da aber die Eigenbewegung des Schiffes in die Messung mit eingeht und durch die Eigenbewegung eine Verfälschung des Signals eintritt, funktioniert es so in der Praxis nicht. Stattdessen wird die Abstrahlung und der Empfang des Doppler Signals in der Janus Konfiguration angewendet: |
Vereinfacht ausgedrückt funktioniert die Janus Konfiguration wie folgt: Angenommen wir fahren mit unserem Schiff vorwärts. Wir senden entlang der beiden Schenkel der Janus-Konfiguration einen Sendepuls von 300 kHz. Auf dem vorwärts gerichteten Schenkel erhalten wir ein Echo mit höherer Frequenz als die ausgesendeten 300 kHz. Auf dem rückwärts gerichteten Schenkel erhalten wir ein niedrigeres Echo als die ausgesendeten 300 kHz. Diese beiden Werte werden zusammengefasst und für die Anzeige der tatsächlichen Geschwindigkeit über Grund genutzt. Die während dieser Messung aufgetretene Verfälschung des Signal durch die Eigenbewegung ist durch die Nutzung der Janus Konfiguration eleminiert worden. Siehe auch die Erläuterungen des Herstellers im Bild „Janus Konfiguration“. So wie hier beschrieben, handelt es sich um eine Single Axis Version. Um eine Dual Axis Version des Schwingers zu erhalten werden zwei weitere |
Schwingerelemente,
um 90 Grad versetzt, mit im vergossenen Schwingergehäuse untergebracht.
Für ein Docking System wird jeweils ein Dual Axis Schwingerelement
im Vorschiff und eines im Achterschiff installiert.
Die Schwingerkonstruktion des Doppler Sonar Eine wichtige Komponente des Doppler Sonars sind die Schwinger. Als Single Axis Version sind zwei Schwingerelemente für die Frequenz 300 kHz enthalten. In der Dual Axis Version kommen zwei weitere Elemente hinzu. Normalerweise ist der Schwingertopf ausgegossen, so dass die einzelnen Elemente und deren Neigung nicht sichtbar sind. Bei einem Besuch des Herstellers in San Diego USA ist es mir gelungen, ein Foto eines offenen Schwingers aus der Erprobungszeit zu machen. Daneben sehen wir das Foto eines vergossenen Schwingers in der Standard Ausführung. (Fotos unten) Links: Trainingskurs bei Ametek in San Diego |
Unten links: Ein offener Schwinger
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unten rechts: Ein vergossener Standardschwinger |
Zu
jedem Schwingerelement gehört ein Vorverstärker sowie ein elektronischer
Sende-/Empfangs-Umschalter. Es ist ein Thermistor integriert, damit wird
die Wassertemperatur ermittelt. Dieser Wert wird in den Rechenvorgang des
Gerätes eingebunden. In der militärischen Version wird dazu noch
der Salzgehalt des Wassers gemessen, dessen Wert ebenfalls in die Berechnung
der Geschwindigkeit eingeht. Durch das Loch in der Mitte des vergossenen
Schwingers wird eingedrungene Luft schnellstmöglich abgeführt.
Sehr wichtig ist es, geeignete Einbauplätze für die Schwinger zu finden. Ein Kriterium ist, möglichst keine Luftblasen in der konkaven Oberfläche des Schwingers anzusammeln. Die Werft lässt typischerweise von ihren Schiffen Blasenpläne in einer Schiffsbau-Versuchsanstalt herstellen. Das kann ein Anhalt für einen gut geeigneten Platz sein, aber auch die Erfahrung der Installationsfirma ist sehr wichtig. Durchweg wird man den vorderen Schwinger am Ende des Wulstbugs installieren und den Achteren im vordersten Bereich des Maschinenraums. Eine abgeschlossenen Zelle mit Mannlochdeckel ist die normale Einbauart. Die
Installation per Sea Chest
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Genau oberhalb des Sea Chest muss ein Auge für einen Flaschenzug angebracht werden. Die Abluft im Sea Chest wird per Rohrleitung bis weit oberhalb der äußeren Wasserlinie geführt und bleibt während des Betriebes permanent offen. Um den Schwinger einzusetzen wird die obere Abdeckung entfernt, danach wird diese Abdeckplatte auf das Tragerohr des Transducers aufgeschoben. Die Abdichtung zwischen dem äußeren Seewasser und dem Schiffsinneren wird durch die beiden Abdichtringe (O-Rings) hergestellt. Um den Schwinger im Wasser zu wechseln, muss er per Flaschenzug hochgezogen werden. Danach wird das Valve Gate geschlossen. Bevor man sich entschließt, die obere Abdeckplatte abzunehmen, kann mit dem kleinen Wasserhahn (Pet Cock) geprüft werden, ob der Druck aus dem Sea Chest Gehäuse abgebaut wurde. Erst nach dieser Prüfung sollte die obere Abdeckplatte abgenommen werden. |
Die
Ausrichtung des Schwingers
Vom Hersteller der Anlage wird eine Ausricht-Toleranz von +/- 0,5 Grad vorgegeben. Um diese Ausrichtgenauigkeit einzuhalten, muss nach folgender Anleitung vorgegangen werden: Der Point X wird von der Werft im Dock genau vermessen werden und außen am Schiffsboden markiert. |
In
den Sea Chest wird jetzt das Ausrichtungswerkzeug „Alignment Mandrel“ eingesetzt.
Oben und unten an diesem Werkzeug sind zwei Markierungsstriche vorhanden.
Das Zielfernrohr aus dem Werkzeugsatz wird unter dem Schiff angesetzt und
mit dem Markierungsstrich genau auf den Point X ausgerichtet. Danach wird
das Zielfernrohr innen im Schiff auf den „Alignment Mandrel“ aufgesetzt
und von der Werft danach ein Nirosta-Schild an der Zellenwand angebracht.
An diesem so in das Schiffsinnere transportierten „Point X“ wird der Schwinger
danach präzise ausgerichtet und anschließend festgesetzt.
Hopperbagger Johannes Gährs Zum 2. Teil des Berichtes Zum 3. Teil des Berichtes |