Verbundprojekt "Akustischer Horizont": Systementwicklung zur schallbasierten volumetrischen Sedimentklassifizierung mit dem Ziel einer verbesserten Ausweisung eines sicheren Nautischen Horizontes in Häfen; Teilvorhaben: Entwicklung eines scannenden hdydroakustischen Messsystems

Abstract

Bisher werden die Flüssigschlicke mit Single-Beam-Echoloten bzw. Sub-Bottom Profilern gemessen und ausgewertet. Dadurch werden linienhafte Messdaten erfasst, welche in die Fläche interpoliert werden müssen. Die Genauigkeit der Ergebnisse hängt stark von der Dichte der Messlinien ab. Dies beeinflusst direkt den Zeit- und Kostenaufwand für Messung und Auswertung. Die in den Echoloten verwendeten Arbeitsfrequenzen sind typischerweise für die akustische Bestimmung der rheologischen Eigenschaften von Flüssigschlicken nicht optimal. Ziel des Projektes war die Entwicklung eines innovativen, scannenden akustischen Messsystems zur effizienten Qualifizierung der Gewässersohle in Häfen (und anderen Wasserstraßen) insbesondere hinsichtlich deren Durchfahrbarkeit. Das System soll es ermöglichen, den nautisch sicheren Horizont bei den verschiedenen auftretenden Sedimenten, Suspensionen und Konsolidierungsgraden deutlich exakter als bisher zu bestimmen. Durch die Kenntnis der flächenhaften Sedimentsituation können Schiffe deutlich sicherer durch Häfen und Wasserstraßen manövrieren. Zudem lassen sich durch die gesicherte Freigabe größerer Wassertiefen auch Schiffe mit größerem Tiefgang abfertigen, was zum einen die wirtschaftliche Effizienz des Hafens erhöht und zum anderen die Umweltbelastung aufgrund des effizienteren Waren- und Personentransportes sowie der Reduzierung von Unterhaltungstätigkeiten verringert. Neben der o.g. besseren Ausnutzung der Wassertiefe sowie der damit verbundenen Erhöhung der Tiefgänge der Seeschiffe werden auch interne Abläufe im Hafen durch eine flächenhafte Ausweisung der Sedimentcharakteristik verbessert Die akustischen Eigenschaften von Flüssigschlicken wurden in Laborversuchen untersucht. Die in den Untersuchungen erzielten Ergebnisse flossen in die Entwicklung der analytischen Auswertealgorithmen sowie der KI basierten Auswertung ein. Basierend auf der Evaluierung der idealen Arbeitsfrequenzen mit Bestandsdaten wurden die Anforderungen an eine geeignete Multibeam Antenne spezifiziert und durch einen Projektpartner entwickelt sowie mittels Sparse Ansatz final produziert wurde. Angepasst an die Antenne wurde eine 64 kanalige ultra low noise und hochauflösende Sende-Empfangselektronik entwickelt und aufgebaut. Die Elektronik wurde im Zusammenspiel mit der Antenne im Labor sowie im Testbecken in Betrieb genommen. Zwecks Anschlußfähigkeit wurden für die Datenakquisition und Datenaufbereitung verschiedene Schnittstellen und Formate für Entwicklung, Datenaustausch mit Projektpartnern und Third-party Tools realisiert. Der Projektablauf und die Durchführung wurden durch die Auswirkungen der Corona Pandemie und deren Folgen wie Kontaktbeschränkungen und Lieferkettenprobleme erheblich gestört und verzögert. Trotzdem konnte durch umfangreiche Elektronik-Redesigns aufgrund nicht mehr verfügbarer Bauteile und Module, in Verbindung auch mit Hersteller- und Technologiewechsel sowie weiterer Workarounds ein Funktionsmuster des flächenhaften Messsystems inkl. grundlegenden Auswertealgorithmen entwickelt und erstellt werden. Aufgrund der beschriebenen erheblichen Beschränkungen und Verzögerungen konnten die Feldmessungen nicht mehr innerhalb des Projekts durchgeführt werden. Diese sind aber aufgrund des umfangreichen und turnusmäßigen Messprogramms im Hamburger Hafen zwecks nautischer Tiefe auch nach Projektabschluss möglich. Mit den vorliegenden Ergebnissen können die Felddaten als Grundlage für eine genaue und effiziente flächenhafte Bestimmung des nautischen Horizonts dienen. Currently, liquid mud is measured and evaluated using single-beam echo sounders or sub-bottom profilers. This results in track-based measurement data, which must be interpolated into an area. The accuracy of the results heavily depends on the size of the measurement grid. This directly affects the time and cost required for measurement and evaluation. The operating frequencies used in the echo sounders are typically not optimal for the acoustic determination of the rheological parameters of the fluid mud. The aim of the project was to develop an innovative, scanning acoustic measurement system for the efficient qualification of the nautical depths in ports (and other waterways), particularly concerning their navigability. The system is intended to enable a much more accurate determination of the nautically safe horizon for the various occurring sediments, suspensions, and degrees of consolidation than previously possible. By understanding the large scale sediment situation, ships can maneuver much more safely through ports and waterways. Additionally, the secured release of greater water depths allows for the handling of ships with a larger draft, which on the one hand increases the economic efficiency of the port and on the other hand reduces environmental impact due to more efficient goods and passenger transport as well as the reduction of maintenance or dredging activities. Besides the aforementioned better utilization of water depth and the associated increase in the draft of sea-going vessels, internal processes in the port are also improved through an area-wide designation of sediment characteristics. The acoustic properties of fluid mud were investigated in laboratory experiments. The results obtained in these investigations were incorporated into the development of analytical evaluation algorithms as well as AI-based evaluation. Based on the evaluation of the ideal operating frequencies with existing data, the requirements for a suitable multi-beam antenna were specified and finally developed and produced by a project partner using a sparse approach. A 64-channel ultra-low noise and high-resolution transmit-receive electronics system was developed and built, adapted to the antenna. The electronics were commissioned in conjunction with the antenna in the laboratory and in a test basin. For connectivity, various interfaces and formats for data acquisition and data processing were implemented for development, data exchange with project partners, and third-party tools. The project process and implementation were significantly disrupted and delayed by the impacts of the COVID-19 pandemic and its consequences, such as contact restrictions and supply chain issues. Nevertheless, through extensive electronics redesigns due to no longer available components and modules, in conjunction with manufacturer and technology changes as well as further workarounds, a functional prototype of the area-wide measurement system including basic evaluation algorithms was developed and created. Due to the significant restrictions and delays described, field measurements could no longer be carried out within the project. However, these are possible after the project completion due to the extensive and regular measurement program in the Port of Hamburg for nautical depth. With the present results, the field data can serve as a basis for an accurate and efficient area-wide determination of the nautical horizon.