ekkolod

Ekkoloddet benyttes indenfor navigation, fiskeri, søkortopmåling, geologiske undersøgelser samt analyse af strukturer på havbunden og i vandsøjlen, herunder rørledninger, søkabler, olie- og gasinstallationer, vindmøllefundamenter, bropiller, vrag, havneanlæg etc.

Der findes forskellige typer af ekkolod, som er tilpasset ovennævnte varierede anvendelsesformål. Internationale standarder vedtaget af IMO, FN’s International Maritime Organisation, fastsætter minimum ydelseskrav til ekkoloddet om bord til rene sejladsformål. Minimumskravene sikrer at ethvert fartøj løbende kan opnå pålidelig information om dybdeforholdene under sejlads. Specialfartøjer med arbejdsopgaver til detaljeret analyse af objekter på og i havbunden eller i vandsøjlen vil typisk være udstyret med flere ekkolod for både at overholde IMO’s krav til et standard navigationsekkolod og de specifikke analyser, fartøjet anvendes til.

Dybden under kølen præsenteres som en profil på en skærm, så man som minimum kan se forløbet af de seneste 15 minutter. Bundprofilen kan vise om man holder sig på den planlagte side af en dybdekurve, specielle bundforhold afmærket i søkortet som forsænkninger, banker, vrag eller objekter generelt der udgør en ændring i vanddybden. Ekkoloddet har en række indstillingsmuligheder, så brugeren kan tilpasse præsentationen af de løbende indsamlede informationer, der er relevante i den givne driftssituation. Herunder den viste skala, forstærkning, impulslængde og en række dæmpningsfunktioner, der kan optimere fremstillingen på skærmen.

Med transducere, enheden i skibets bund der afgiver og modtager ekkoimpulsen og processorer indrettet til formålet kan retningen af lydsignalet styres. Dette udnyttes ved ekkolod med sidescan facilitet, også kaldet sidescan sonar, som muliggør præsentation af en profil af havbunden på tværs af skibets længderetning. Under sejlads i en kanal vil man således kunne se det skrånende forløb af brinken på begge sider af kanalen. Princippet anvendes i vid udstrækning ved søopmåling, idet dybdeforholdene registreres over et bredere bånd af havbunden end ved et ekkolod uden faciliteten. Ved søopmåling kan fartøjet således kortlægge dybdeforholdene ved færre gennemsejlinger af farvandet.

Ekkoloddets anvendelsesformål afgør hvilke frekvenser af lydimpulsen, der er mest fordelagtige. Et IMO standard ekkolod til sejlads anvender typisk lydfrekvenser mellem 20 kHz og 50 kHz med bølgelængder af størrelsesorden fra 8 cm til 3 cm. På dybt vand udenfor kontinentalsoklerne er arbejdsfrekvenser omkring 20 kHz til 30 kHz fordelagtige, mens frekvenser omkring 50 kHz er velegnede på lavere vanddybder. Lavfrekvente lydimpulser har stor rækkevidde med grov detaljeringsgrad, mens højfrekvente svingninger har kort rækkevidde med fin detaljeringsgrad. Bølgelængden indikerer hvilken størrelsesorden objekter kan detekteres i.

Fartøjer beskæftiget med undervandsaktiviteter vil anvende frekvenser både lavere og højere end ved et standard ekkolod. Ved søopmåling på store vanddybder op til 11.000 meter vil frekvenserne ligge på 10 kHz til 20 kHz med bølgelængder fra 15 cm til 8 cm.

Ved seismiske undersøgelser af strukturen under havbunden anvendes systemer med 400 Hz til 10 kHz med bølgelængder fra 4 m til 15 cm. Da lyd fra skibets maskineri og skruestøj ligger i dette frekvensbånd, slæbes lydimpulsgiveren og mikrofoner til at optage ekkoerne i vid udstrækning efter skibet, så ekkosignalerne isoleres fra skibets egenstøj.

Da havpattedyr anvender og hører frekvenser under 20 kHz kan der være hensyn at tage i forbindelse med anvendelse af lavfrekvente ekkolodsystemer, herunder populationen af arter i det pågældende område, dyrenes vandringer og ynglesæsoner. I visse områder kræves myndighedsgodkendelse inden et undersøgelsesprogram kan iværksættes.

Ved undersøgelser af objekter på havbunden og i vandsøjlen anvendes typisk frekvenser fra 200 kHz til 700 kHz, hvilket giver bølgelængder af størrelsesorden 8 mm til 2 mm. Rækkevidden i dette frekvensbånd er ringe, da ekkoimpulserne dels absorberes dels afbøjes af små partikler i vandmassen. Ekkoloddet vil for at komme tæt på objekterne derfor være monteret på en sonde, der nedsænkes og slæbes efter skibet, eller være monteret på en ROV, Remote Operated Vessel, en undervandsrobot, der er kontrolleret fra undersøgelsesskibet. Disse ekkolodsystemer kan opmåle med millimeters nøjagtighed og kan vise de indbyrdes afstandsforhold mellem objekter under vandoverfladen.

Ved fiskesøgning anvendes frekvenser fra 30 kHz til 220 kHz med bølgelængder fra 5 cm til 7 mm, hvilket giver høj detaljeringsgrad og mulighed for at se fisk, der står i vandsøjlen under skibet. Med de høje frekvenser er det muligt at se de enkelte fisk på ekkoloddet og bestemme både art og størrelse på fisken.

For alle kategorier af ekkolod gælder, at de kan være udstyret med CHIRP, Compressed High Intensity Radiation Pulse, teknologi. Princippet i teknologien er at lydimpulsen udsendes som et sammenhængende signal med en trinløst varierende frekvens over et bånd på eksempelvis 50 kHz for et fiskesøgningsekkolod. De reflekterede ekkoimpulser modtages og registreres indenfor samme frekvensbånd. Ekkosignalerne behandles og koordineres i ekkoloddets processor, så detaljeringsgrad og fordele ved de enkelte frekvenser udnyttes. Ved fiskesøgning kan et CHIRP signal med eksempelvis 50 kHz båndbredde udnyttes ved lave, medium og høje frekvenser.

Et IMO standard ekkolod skal have en strålevidde på minimum 20° på tværs skibets længderetning og minimum 10° i skibets længderetning. Strålevidden er defineret som vinklen mellem de to retninger, hvor effekten af ekkoimpulsen er det halve af den maksimale effekt i impulsens hovedretning. Der udbredes således også energi udenfor den nominelle strålevidde, men naturligvis er signalstyrken her væsentligt svagere.

Illustrationerne viser hvilken dybde der detekteres, når skibet ligger på ret køl og under krængning. På ekkoloddet vil den målte dybde afbildes og opfattes som dybden under kølen – altid mindre end den aktuelle dybde. Med den store strålevidde får man et tidligt forvarsel om reduceret vanddybde, og ud fra forsigtighedsprincipperne anvendt i sejladsplanlægning og under afviklingen af sejladsen bidrager dette til sikkerheden.

Det er klart at med en smal strålevidde, som opnås ved højfrekvente specialekkolod, fås en mere præcis dybde. Disse ekkolod anvender i vid udstrækning sidescan faciliteten, og tillige vil der være kompenseret for skibets krængning og duvning.

Lydens udbredelseshastighed i vand varierer med saltindhold, temperatur og tryk. Den vil typisk ligge mellem 1.485 m/s til 1.515 m/s. Ved et IMO standard ekkolod regnes med 1500 m/s som standard, så variationen vil typisk være indenfor 1%. Ud fra et rent navigatorisk og sikkerhedsmæssigt synspunkt er standardværdien tilstrækkelig. Under sejlads vil man udover temperaturen ved overfladen ikke have information om de foreliggende konditioner, og man har heller ikke dokumentation for hvilke konditioner, der var gældende under opmålingen af det aktuelle farvand, som afspejles i søkortet.

En række usikkerheder bidrager til den samlede usikkerhed ved måling af vanddybden:

• tidevand
• opstuvning af vand på grund af vind ved en læ kyst, pålandsvind; eller reduceret vanddybde på grund af vind ved en luv kyst, fralandsvind
• skibets bevægelser i sø og dønning
• skibets krængning, herunder sejlskibe, hvor transduceren ikke er placeret i skibets diametralplan, ref illustrationerne hvor skibet ligger på ret køl og med 10° krængning
• squat, skibet ændrer dybgang ved sejlads i farvande, hvor vanddybden er mindre end 2,5 gange skibets dybgang. Effekten forstærkes ved høj fart, mindre vanddybde og i snævert farvand og kan for store skibe andrage flere meter. Squateffekten med øget dybgang er størst ved skibets agterende, og da transduceren er monteret i forskibet kan den aflæste vanddybde under kølen således være større end den faktiske dybde ved agterenden af skibet.

Ved specialekkolod til detaljerede analyser af objekter på havbunden kan der kompenseres for variationen af udbredelseshastigheden. En mere nøjagtig værdi kan opnås enten ved decideret måling af udbredelseshastigheden eller ved beregning på grundlag af målte værdier af temperatur, saltholdighed og tryk. En tommelfingerregel siger at lydens udbredelseshastigheden i havvand stiger med 3 m/s til 5 m/s pr. °C temperaturen stiger, 1,3 m/s pr. promille saltholdigheden stiger og 1.7 m/s pr. 100 m vanddybden stiger.

Ved måling af udbredelseshastigheden nedsænkes en sonde, hvorpå der er monteret en lydimpulsgiver og en mikrofon med en arbejdsfrekvens på 1 MHz til 4 MHz til den vanddybde, man ønsker at arbejde i. På grundlag af den målte tid fra afgivelse til modtagelse af lydimpulsen beregnes lydens hastighed. Sonden kan være monteret på nedsænket udstyr, så lydens hastighed løbende opdateres.

Ved beregning af lydens udbredelseshastighed er det nedsænkede udstyr monteret med temperatur-, saltholdigheds- og tryksensorer. Der er udviklet en række formler, der ved input af de tre parametre beregner lydens hastighed, som i lighed med direkte måling af udbredelseshastigheden kan opdateres løbende i ekkoloddets processorenhed.

Opfindelsen af ekkoloddet går tilbage til den tyske fysiker Alexander Behm (1880-1952), der fik patent på det i 1913. Ekkoloddet har i moderne tid stort set afløst ældre dybdemålere som håndloddet og dybdeloddet.