Testexperimente zur akustischen Navigation in Eis und Wasser für ...

Testexperimente zur akustischen Navigation in Eis und
Wasser für das Enceladus Explorer Projekt
von
Sebastian Franz Ludwig Verfers
Diplomarbeit in Physik
vorgelegt der
Fakultät für Mathematik, Informatik und
Naturwissenschaften
der RWTH Aachen
im August 2013
angefertigt am
III. Physikalischen Institut B
Prof. Dr. Christopher Wiebusch

Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis 3
1 Einführung 4
2 Enceladus Explorer 5
3 Die Eisschmelzsonde IceMole 8
3.1 Die Trägersonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.2 Akustische Navigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2.1 Akustisches Positionierungssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2.2 Akustisches System zur Vorfelderkundung . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.3 Daten System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4 Messung von Ultraschallwellen 20
4.1 Schallausbreitung in Flüssigkeiten und festen Körpern . . . . . . . . . . . 20
4.2 Akustische Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2.1 Elektroakustische Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2.2 Piezoelektrischer Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 24
5.1 Untersuchung der Synchronisation zwischen Signalerzeugung und Datenerfassung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.1.1 Aufbau und Durchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5.1.2 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5.2 Schwimmbad-Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5.2.1 Methodik und Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.2.2 Schwimmbad-Test 1: Konzepttest . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5.2.3 Schwimmbad-Test 2: Test der APS-DAQ-Elektronik . . . . . . . . 35
5.2.4 Schwimmbad-Test 3: APS Vollsystem-Test . . . . . . . . . . . . . . 42
5.2.5 Rekonstruktion der IceMole Position . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.2.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6 Tests des Akustischen Systems zur Vorfelderkundung (ARS) 51
6.1 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.2 DAQ der Phasenarrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.2.1 Pulsformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.2.2 Datennahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1

6.2.3 Datenverarbeitung und Filterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.3 Feldtest Morteratsch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.3.1 Testumgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.3.2 Funktionstest und Messungen in Wasser . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.3.3 Messungen im Firneis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.3.4 Messungen in Kompakteis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7 Zusammenfassung und Ausblick 67
Literaturverzeichnis 68
2

Abkürzungsverzeichnis
AAL Aachener Akustik Labor
ADC Analog-to-Digital-Converter (Analog-Digital-Wandler)
APS Acoustic Positioning System (Akustisches Positionierungssystem)
ARS Acoustic Reconnaissance System (Akustisches System zur Vorfelderkundung)
CDHS Command and Data Handling System (Computer zur Daten- und
Betriebskontrolle)
DAQ Data Aquisition (Datennahme)
EnEx Enceladus Explorer
FPGA Field Programmable Gate Array (Programmierbare Logikschaltung)
INMS Ion and Neutral Mass Spectrometer (Massenspektrometer)
IMU Inertial Measurement Unit (Inertialsensor-Einheit)
ITC International Transducer Corporation
MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor
(Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor)
PPS Puls Pro Sekunde
PVDF Polyvinylidenfluorid
PZT Blei-Zirkonat-Titanat
RAM Random Access Memory (Speicher mit wahlfreiem Zugriff)
SNR Signal to Noise Ratio (Signal zu Rausch Verhältnis)
SBT Schwimmbad-Test
SVuEnt Spannungsversorgung und Entkopplung
TTL Transistor-Transistor-Logik
UDP User Datagram Protocol (Netzwerkprotokoll)
3

1 Einführung
Im Zuge der Widerlegung des Geozentrischen Weltbildes durch die grundlegenden Arbeiten
von Nikolaus Kopernikus im 16. Jahrhundert hat sich das Bild der Menschheit und
deren Stellung im Universum grundlegend geändert. Spätestens seit der Renaissance hegen
sich nicht nur Zweifel daran, dass der Mensch im Mittelpunkt des Universums steht,
sondern auch an der Einzigartigkeit des Lebens auf unserem Planeten. Die Suche nach
extra-terrestrischem Leben wurde jedoch erst mit modernen Teleskopen und Raumsonden
möglich. Dabei macht die Größe und Vielzahl der möglichen Habitationen die Suche
komplex. Hieraus ergeben sich Fragen nach den grundlegenden Bedingungen, die zur
Entstehung von Leben beitragen.
In der Südpolarregion des Saturn-Mondes Enceladus existieren aktive kryovulkanische
Geysire. Unter der Oberfläche aus Eis wird flüssiges Wasser vermutet, das durch erhebliche
Gezeitenkräfte des Saturn eine ständige Energiezufuhr erfährt [23]. Die Raumsonde
Cassini konnte im Jahr 2008 die Zusammensetzung der durch die Geysire ausgeworfenen
Eispartikel untersuchen und fand organische Materialien [1]. Diese günstigen Bedingungen
machen Enceladus zu einem interessanten Kandidaten für die Suche nach Leben in
unserem Sonnensystem außerhalb der Erde.
Zur Klärung der Frage, ob Mikroorganismen auf Enceladus leben, ist eine Mission zum
Enceladus notwendig, die Proben aus den kryovulkanischen Spalten analysieren kann.
Um die Machbarkeit einer solchen Mission zu erforschen, wurde durch das Forschungszentrum
der Bundesrepublik Deutschland für Luft- und Raumfahrt (DLR) das Enceladus
Explorer (EnEx) Projekt ins Leben gerufen.
Zur Probennahme ist eine autonom navigierende Eisschmelzsonde vorgesehen. Der in
der Entwicklung befindliche ”
IceMole “ ist ein Prototyp einer solchen Sonde. Er soll im
Winter 2013/14 am Taylorgletscher in der Antarktis getestet werden, indem eine wasserführende
Spalte angebohrt und kontaminationsfrei eine Wasserprobe genommen wird.
Die autonome Navigation durch das Eis der Oberfläche erfordert die genaue Kenntnis der
Position der Sonde und der Beschaffenheit des Vorfeldes. Dies soll mit Hilfe eines akustischen
Positionssystems und eines Systems zur Vorfelderkundung durch Ultraschallsignale
realisiert werden. Die hierfür in den Kopf der Sonde integrierten Ultraschallsensoren
müssen unter möglichst realistischen Testbedingungen optimiert werden.
Ziel dieser Arbeit ist der Aufbau eines effizienten Messplatzes zum Test des akustischen
Positionierungs Systems und die Aufnahme von Testdaten zur Optimierung des Systems
zur Vorfelderkundung.
4

2 Enceladus Explorer
Der Enceladus ist ein Mond des Saturn, der nahezu vollständig mit Eis bedeckt ist. Mit
einer Albedo von 0,99 wird die Sonneneinstrahlung nahezu vollständig reflektiert. Trotz
einer Oberflächentemperatur von −200 ◦ C gilt Enceladus als einer der Kandidaten für
extraterrestrisches Leben in unserem Sonnensystem.
Abbildung 2.1: Oben rechts: Aufnahme der Eisfontänen
in der südpolarregion von Enceladus
durch Cassini. Unten: Zusammensetzung der
Eisfontänen gemessenen mit dem INMS der
Raumsonde Cassini. Die weißen Klammern zeigen
den Vergleich zur Zusammensetzung von
Kometen. [1]
Im Jahr 2005 passierte die Raumsonde
Cassini zum ersten mal Enceladus
und machte seit dem erstaunliche
Entdeckungen. Anders als die typische
von Kratern dominierte Oberfläche
unseres Mondes, zeigt die Oberfläche
der Südpolarregion des Enceladus tiefe
Risse und Verwerfungen. Die Unter
dem Namen ”
Tiger Stripes“ bekannte
Region weißt auf geologische Aktivität
hin. Die Oberflächentemperatur ist in
dieser Region um etwa 25 ◦ C wärmer
als die Umgebung [23]. Mit einem
Durchmesser von 500 km ist Enceladus
der kleinste Körper in unserem
Sonnensystem, der geologisch aktiv
ist. Die Deformation der Oberfläche
ist kryovulkanischen Ursprungs. Unter
der Eisoberfläche wird ein Ozean
aus flüssigem Wasser vermutet. Das
flüssige Wasser steigt unter Druck in
Spalten durch das Eis an die Oberfläche.
Dort verdampft und gefriert es schlagartig. Fontänen aus Eispartikeln und
gasförmigem Wasser reichen mehrere hundert Kilometer in den Orbit des Enceladus [24].
Ein Teil der Eispartikel regnet wieder auf die Oberfläche und bedeckt die Umgebung der
Spalten, der andere Teil speist den E-Ring des Saturn. Eine mögliche Energiequelle für
diesen Zyklus stellen neben der radiogenen Wärmeproduktion die durch die Bahnresonanz
zwischen Enceladus und Dione hervorgerufenen Gezeitenkräfte dar [23].
Cassini konnte 2008 bei einem Durchflug durch die Eisfontänen mit dem Ion and Neutral
Mass Spectrometer (INMS) an Bord der Sonde die Zusammensetzung der Eispartikel
untersuchen. Neben den Anteilen an Wasser, Methan und Kohlenstoff konnten Cassini
organische Komponenten in den Eisfontänen nachweisen [1]. Die kryovulkanischen Spal-
5

Spalte
2 Enceladus Explorer 6
ten auf Enceladus stellen günstige Bedingungen für Mikroorganismen dar. Neben den
organischen Bausteinen ist Wärme und Wasser vorhanden. Das Vorhandensein von organischen
Komponenten in den Eisfontänen der Südpolarregion des Enceladus beweist
jedoch nicht die Existenz von Mikroorganismen innerhalb der Spalten oder in einem
subglazialen Wasserreservoir. Um die Frage, ob Leben auf dem Enceladus existiert, beantworten
zu können, ist eine direkte Probennahme und Untersuchung des Wassers in
den Spalten notwendig.
Das Missionskonzept des Enceladus Explorers sieht eine Landung auf Enceladus in si-
Lander
Eispartikel
und Gas
Eis
Erwärmung
Subglaciales Wasser
Reservoir
Abbildung 2.2: Missionskonzept des Enceladus Explorers. Ein Lander landet in sicherer
Entfernung zur Spalte. Von dort navigiert eine Schmelzsonde autonom durch das Eis zur
Spalte und nimmt Proben des Wassers. (Lander aus [22])
cherer Entfernung zu einer kryovulkanischen Spalte vor. Der Lander stellt neben der
Untersuchung der Oberfläche die Energieversorgung und die Kommunikation über einen
Orbiter zur Erde sicher. Von hier aus navigiert eine Schmelzsonde, wie in Abbildung 2.2
dargestellt, durch das Eis zur Spalte und nimmt Proben des Wassers zur in situ Analyse.
Der IceMole ist ein Prototyp einer solchen Eisschmelzsonde, und befindet sich zur Zeit
in der Entwicklung.
Um das Konzept einer solchen Mission zu testen, soll der IceMole im Januar 2015 in
6

2 Enceladus Explorer 7
einem missionsähnlichen Szenario getestet werden. In den Blood Falls an der Zunge des
Taylor Gletschers im McMurdo Dry Valley in der Antarktis tritt hoch salines, eisenhaltiges
Wasser an die Oberfläche, oxidiert und sorgt so für die namensgebende Rotfärbung
der austretenden Sole. Ursprung dieses Wassers ist ein subglazialer See, in dem ein
Ökosystem aus Mikroorganismen vermutet wird, deren Metabolismus unabhängig von
Sauerstoff und Licht ist [20]. Der Beweis der Existenz solcher Mikroorganismen würde
nicht nur unsere Vorstellung über die Entwicklung des Lebens auf der Erde beeinflussen,
sondern würde auch die Suche nach extraterrestrischem Leben in neuen Umgebungen
untermauern. Der IceMole erfüllt genau die Anforderungen, um erstmalig kontaminationsfreie
Proben aus einer wasserführenden Spalte zwischen dem subglazialen See und
den Blood Falls nehmen zu können. Die Ähnlichkeit dieser Mission zum Einsatz auf dem
Enceladus macht sie zu einem idealen Testszenario.
7

3 Die Eisschmelzsonde IceMole
3.1 Die Trägersonde
Der an der FH Aachen entwickelte ”
IceMole“ ist eine Eisschmelzsonde. Durch die Kombination
aus einer Eisschraube an der Spitze des IceMole-Kopfes und Heizelementen in der
Stirnplatte kann im Gegensatz zu klassischen Eisschmelzsonden die Richtung der Fortbewegung
kontrolliert geändert werden [7]. Insbesondere ist eine Ausbreitung durch das Eis
entgegen der Schwerkraft möglich. Durch die differenziell ansteuerbaren Heizsegmente
im Kopf, kann das Eis in einer ausgezeichneten Richtung bevorzugt geschmolzen werden.
Der Kopf legt demnach an der erhitzten Seite eine größere Wegstrecke zurück, was zu
einer Richtungsänderung zur kälteren Seite des Kopfes führt. Die Eisschraube sorgt für
den nötigen ständigen Kontakt des Schmelzkopfes mit dem Eis. Weitere Heizelemente an
den Seiten der Sonde unterstützen die Fähigkeit Kurven zu fahren und verhindern das
Einfrieren der Sonde. Das durch die Drehung der Schraube entstehende Drehmoment auf
die Sonde wird teilweise durch die rechteckige Bauform des IceMole aufgefangen. Neben
der Heizleistung von maximal 3 kW [7] und der vorgegebenen Richtung der Eisschraube
ist die Länge der Sonde maßgeblich für den so erreichbaren Kurvenradius.
Die in Abbildung 3.1 dargestellte Trägersonde nimmt verschiedene Subsysteme zur Betriebskontrolle,
Probennahme und Navigation auf. Für den Datentransfer und die Stromversorgung
ist die Sonde über Kabel mit der Bodenstation verbunden. Zentrale Schnittstelle
ist hierbei die Command and Data Handling System (CDHS) Einheit, der Hauptcomputer
für die Betriebskontrolle der Sonde. Zwei Generatoren liefern redundant den
benötigten Strom für das gesamte System.
Die Probennahme wird durch eine Probennadel innerhalb der Eisschraube realisiert.
Nach dem Anbohren einer wasserführenden Spalte können so Proben des Wassers in
Container innerhalb der Trägersonde gepumpt werden und stehen zur weiteren Analyse
bereit. Eine entscheidende Rolle spielt hierbei die Dekontamination der Sonde. Um die
Qualität der Proben zu sichern, wird die gesamte Sonde auf dem Weg zur Spalte dekontaminiert.
Die Navigation der Sonde beruht auf einer Fusion verschiedener Informationen zu Ort
und Lage der Sonde. Diese Informationen werden im wesentlichen von drei Subsystemen
bereit gestellt. Die Inertial Measurement Unit (IMU) liefert über Messungen von
Beschleunigungen in allen drei Raumrichtungen relative Positionsänderungen, wodurch
nach Initialisierung einer Startposition der zurückgelegte Weg der Sonde rekonstruiert
werden kann. Nachteil dieses ”
Dead Reckoning“ Verfahrens ist der kumulierte Fehler auf
die Position, der bei längerer Fahrt immer größer wird. Ein Magnetometer im Icemole
kann während eines Messstopps die Lage der Sonde relativ zu einem Referenzmagnetometer
an der Oberfläche bestimmen. Voraussetzung ist ein homogenes Magnetfeld im
8

3 Die Eisschmelzsonde IceMole 9
Umfeld der Sonde und der Oberflächenstation. Beide Subsysteme befinden sich im mittleren
Teil der Trägersonde in der Attitude Box.
Das dritte Subsystem ist die akustische Navigation des IceMole. Sie stellt mit dem akustischen
Positionierungssystem (APS) nicht nur eine wichtige Stütze des Dead Reckoning
Verfahrens, sondern ist auch eine unabhängige Informationsquelle der Position des Ice-
Mole für die Sensorfusion. Die Informationen des akustischen Systems zur Vorfelderkundung
(ARS) über die Beschaffenheit des Eises im Vorfeld der Sonde sind entscheidend
für die Trajektorienplanung und das Sicherheitskonzept der Sonde.
Abbildung 3.1: Die IceMole Trägersonde mit den integrierten Subsystemen. Die Elektronik
für die Sensoren zur akustischen Navigation befindet sich in der Acoustic Box direkt
hinter dem IceMole Kopf. [16]
9

3 Die Eisschmelzsonde IceMole 10
3.2 Akustische Navigation
Aus den Zielen des EnEx Projektes ergeben sich Anforderungen an die Fähigkeiten
der Sonde. Für die Trajektorienplanung ist die ständige Kenntnis und Kontrolle der
Position der Sonde wichtig. Um eine mögliche Kollision mit Hindernissen im Eis, wie
Felseinschlüsse oder Spalten, zu verhindern, muss die Sonde die Fähigkeit besitzen, die
Beschaffenheit des Eises im Vorfeld zu untersuchen.
In der Seefahrt werden aktive Sonare (sound navigation and ranging) zur Navigation und
Entfernungsbestimmung bereits seit Anfang des 20. Jahrhunderts erfolgreich eingesetzt
[27]. Moderne Seitensichtsonare erreichen bei Frequenzen im kHz Bereich Reichweiten
von über 100 km [27]. In der Medizin wird die Sonografie als bildgebendes Verfahren, z.B.
in der Pränataldiagnostik, sehr erfolgreich eingesetzt. Mittels Untersuchung von Ultraschall
Echosignalen können ohne Schäden am Organismus innere Strukturen aufgelöst
werden.
Die Idee der akustischen Navigation des IceMole greift diese Technologien auf. Die zentrale
Herausforderung ist hierbei der Transfer dieser Technologien in das Medium Eis.
Außerdem müssen die Konzepte auf ihre Einsatzfähigkeit auf dem Enceladus überprüft
werden.
Die akustische Navigation des IceMole basiert auf zwei Subsytemen, die im folgenden
vorgestellt werden.
3.2.1 Akustisches Positionierungssystem
Funktionsprinzip
Das Ziel des Akustischen Positinierungsystems (APS) ist die Positionsbestimmung des
IceMole während der Fahrt durchs Eis [3]. Basierend auf einem Multilaterationsverfahren
wird über Laufzeitmessungen von Ultraschallsignalen die Position der Sonde im
dreidimensionalen Raum bestimmt. Hierzu steht, wie in Abbildung 3.2 verdeutlicht, an
der Oberfläche des Eises ein Array aus Ultraschallsendern zur Verfügung. Die gesendeten
Ultraschallsignale können von Sensoren im Kopf des IceMole aufgezeichnet werden.
Durch eine Zeitsynchronisation zwischen Sender und Empfänger kann die Laufzeit der
Signale ermittelt werden. Bei konstanter Schallgeschwindigkeit sollte diese proportional
zur Distanz zwischen Sender und Empfänger sein.
Als akustischer Sender wird das Model ITC-1001 der International Transducer Corporation
(ITC) aus Santa Barbara (Kalifornien) verwendet. Der Sender besteht im Kern aus einer
sphärischen Piezokeramiken aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) mit einer Resonanzfrequenz
von 16,5 kHz und zeichnet sich durch eine isotrope Abstrahlcharakteristik aus.
Die Piezokeramik umgibt ein kugelförmiges Gehäuse aus Kunststoff, wodurch der Sender
bis zu einer Tiefe von 1250 m wasserdicht ist [15].
Aus dem Einsatzprofil des IceMole ergeben sich Anforderungen an die Reichweite und
die Genauigkeit des APS. Ziel der Entwicklung ist es, die Position bei einer maximalen
Reichweite von 100 m mit einer Genauigkeit von 1 m zu bestimmen [3]. Ein kritischer Parameter
bei diesem Verfahren ist die Schallgeschwindigkeit. Wie in Abschnitt 4 erläutert,
ist die Schallgeschwindigkeit im Eis Druck- und Temperaturabhängig. Messungen im ant-
10

3 Die Eisschmelzsonde IceMole 11
2
5
1
FE 3
ZSE
4
6
ITC-1001
t 1
t 2
t 3
t 4
t 5
Eis
t 6
IceMole
ZSE = Zentrale Sender Einheit
FE = Frontend Elektronik
Spalte
Abbildung 3.2: Schematische Darstellung des APS Sender Arrays mit Zentraler Sendeeinheit.
Über die Laufzeiten t 1 bis t 6 kann bei bekannter Position der Sender über ein
Multilaterationsverfahren der Ort der Empfänger im Kopf der Sonde bestimmt werden.
arktischen Eis haben einen Gradienten der Schallgeschwindigkeit von 0,1 m/s pro m in
kompaktem Eis zwischen 250 m und 500 m Tiefe ergeben [2]. Bei einer Schallgeschwindigkeit
von 3840 m/s in kompaktem Eis [4] ergibt sich auf eine Distanz von 10 m ein
Fehler von 3 mm auf die Position.
Einen viel größeren Einfluss können durch die Dynamik des Gletschers entstehende Inhomogenitäten
im Eis haben. Beim plastischen Fließen des Gletschers verschieben sich
die Netzebenen des Eis Kristallgitters gegeneinander. Die Akkumulation dieser mikroskopischen
Bewegungen resultiert in einer enormen Bewegung des gesamten Gletschers
[11]. Hierbei können durch Unebenheiten in der Gletschersohle große Scherkräfte entstehen.
Diese resultieren in Risse und Spalten im Eis. Gletscherspalten zwischen Sender
und Empfänger können sich durch einen geringeren Transmissionskoeffizienten negativ
auf die Signalstärke auswirken. Die Anzahl der Sender wurde aus diesem Grund auf mindestens
6 festgesetzt. Jeder Sender ist bezüglich der Multilateration, für die mindestens
drei Signale vom IceMole empfangen werden müssen, redundant vorhanden.
11

3 Die Eisschmelzsonde IceMole 12
Sensoren
Die Sensoren für das APS bestehen im Kern aus drei Komponenten. Einer zylinderförmigen
Sensorhülse aus Messing, einem Schallwandler und einer Frontend Sensorplatine mit
zwei Verstärkungsstufen und jeweils einem Analog-to-Digital-Converter (ADC). Die Sensorhülse
dient der optimalen Ankopplung der Piezokeramik an den Kopf des IceMole.
Hierzu besitzt jede Sensorhülse ein Gewinde am sensorseitigen Ende. Bei Fehlfunktion
eines Sensors, kann dieser relativ einfach aus dem Kopf des IceMole aus geschraubt und
getauscht werden. Wie in Abbildung 3.3b dargestellt sind insgesamt vier SensorHülsen
an den jeweiligen Ecken des IceMole Kopfes in den Schmelzkörper aus Hovadur R○ CNCS
eingeschraubt. Den Schallwandler stellt eine PZT Piezokeramik dar. Diese ist so mit
dem Boden der Sensorhülse verklebt, dass kein direkter elektrischer Kontakt zwischen
Sensorhülse und den beiden Polen des PZT besteht. Jedoch stellt die sehr dünne Klebeschicht
einen Kondensator zwischen der Unterseite der Keramik und der Hülse dar,
wodurch die Signalübertragung ermöglicht wird. Oberhalb der Piezokeramik befindet
sich die Sensorplatine (siehe Abbildung 3.3a). Die akustischen Signale werden von dem
Schallwandler durch den Piezoelektrischen Effekt in analoge Spannungssignale umgewandelt
und an die Sensorplatine übertragen (siehe Abschnitt 4.2.2). Das Signal wird
hier in zwei Kanälen verstärkt und durch den jeweiligen ADC konvertiert. In dem ersten
Kanal wird das Signal um den Faktor 400 verstärkt. Im zweiten Kanal erfährt das bereits
verstärkte Signal eine weitere 20-fache Verstärkung. Dies hat den Vorteil, dass bei
größeren Entfernungen zur Quelle das Signal verstärkt werden kann, ohne bei Signalen
aus geringerer Distanz in den Sättigungsbereich des ADCs zu kommen.
Schmelzkopf
Phasenarrays
APS
Sensorhülsen
(a) Sensorhülse mit eingeklebtem
PZT und Sensorplatine
mit Vorverstärkern und ADCs.
(b) Technische Zeichnung der Rückseite des IceMole Schmelzkopfes
mit integrierten APS Senorpatronen und Phasenarrays [10].
Abbildung 3.3: Integration der APS Sensoren in den Schmelzkopf des IceMole.
12

3 Die Eisschmelzsonde IceMole 13
3.2.2 Akustisches System zur Vorfelderkundung
Funktionsprinzip von Sonaren
Ähnlich wie das Radar (Radio detection and ranging) nutzen Sonare die Reflektion
von Wellen an Grenzflächen um Objekte zu orten. Hierbei werden jedoch akustische
statt elektromagnetische Signale benutzt. Akustische Wellen haben in Wasser eine deutlich
größere Abschwächungslänge als elektromagnetische Wellen und damit eine größere
Reichweite. Aktive Sonare senden Schallpulse aus und zeichnen dann das Echo auf. Über
die Laufzeitdifferenz kann die Entfernung zum reflektierenden Objekt bestimmt werden.
Durch die Phasensteuerung von mehreren Schallquellen nebeneinander kann die Aussendung
des Schalls unter einem bestimmten Raumwinkel gebündelt werden. Durch Variation
des Raumwinkels und Auswertung des Schallechos in unterschiedlichen Richtungen
kann so ein Bild von den reflektierenden Objekten erzeugt werden. Die wesentlichen, zu
optimierenden Parameter bei Sonaren sind die Reichweite und die Ortsauflösung.
Reichweite
Die Schallleistung nimmt für akustische Quellen mit dem reziproken Abstandsquadrat
ab. Da beim aktiven Sonar die Schallquelle und der Schallempfänger am gleichen Ort sind
und lediglich Reflektionen gemessen werden, gilt für die Schallleistung das so genannte
r 4 Gesetz [27]
P E = P S · G2 · λ 2 · σ
(4π) 3 · r 4 . (3.1)
Bei gleicher Sendeleistung P S sinkt die vom Sonar empfangene Leistung P E mit der
vierten Potenz des Abstandes r zum untersuchten Objekt. Hierbei geht ein etwaiger Leistungsgewinn
durch Fokussierung der Schallkeule im Faktor G ein und der Rückstreuquerschnitt
des zu untersuchenden Objektes im Faktor σ. Aus der Abhängigkeit von dem Quadrat
der Wellenlänge λ folgt, dass bei gleicher Empfangsleistung die Reichweite für größere
Wellenlängen, also kleinere Frequenzen steigt. Die Minimierung der Frequenz zur Steigerung
der Reichweite hat jedoch Auswirkungen auf die Ortsauflösung des Sonars.
13

3 Die Eisschmelzsonde IceMole 14
Ortsauflösung
Die Auflösung beschreibt die Fähigkeit, inwieweit zwei benachbarte Punktreflektoren
von dem System im Bild getrennt dargestellt werden können [27]. Entscheidend für die
Auflösung ist hierbei das Verhältnis zwischen Apertur des Sonars und der Wellenlänge
des empfangenen Signals.
Bei einem Phasenarray aus mehreren akustisch aktiven
Elementen wird die Winkelauflösung durch
den Gangunterschied zwischen den einzelnen Elementen
begrenzt. Um dies zu verdeutlichen betrachte
man den Signalweg von einem Punkt frontal
vor dem Array und einem Punkt im gleichen
Abstand unter einem kleinen Einfallswinkel δ. Relativ
zum Signal von vorne kommt es bei dem benachbarten
Signal unter dem Einfallswinkel δ bei
bestimmten Elementen des Arrays zu einem Gangunterschied
∆s. Wird dieser größer als ein Viertel
der Wellenlänge des reflektierten Signals, setzt destruktive
Interferenz ein. Unter der Annahme kleiner
Winkeländerungen gilt:
δs = λ = L · sin δ (3.2)
4 2
⇒ sin δ = λ
2L . (3.3)
Bis zu einem gewissen Maße kann die Auflösung
durch eine Vergrößerung der Apertur L gesteigert
werden. Gleiches gilt bei Verringerung der Wellenlänge,
also Erhöhung der Frequenz der gesendeten
Ultraschall Signale.
Des Weiteren wird die Auflösung durch den minimal
auflösbaren Gangunterschied zwischen den
PZT
PZT
Phasenarray
δ
PZT
PZT
L/2
Δs
PZT
Abbildung 3.4: Zur Motivation
des Zusammenhangs zwischen
Auflösung, Apertur und Wellenlänge
bei einer linearen Strahlergruppe.
Elementen des Phasenarrays limitiert. Das heißt durch die Zeitauflösung der Datennahme.
Nach dem Abtasttheorem muss für die Abtastfrequenz f sampling die Nyquistbedingung
f sampling > 2 · t max (3.4)
gelten. Das heißt, um ein Signal eindeutig zu rekonstruieren, muss die Frequenz mit der
das Signal abgetastet wird mindestens doppelt so groß sein, wie die maximale Frequenz
f max des aufgezeichneten Signals [12]. Die Frequenz kann also nicht beliebig erhöht
werden, um die Auflösung zu steigern.
14

3 Die Eisschmelzsonde IceMole 15
Phasenarrays
Insgesamt sind vier Pasenarrays für die Integration in den IceMole Kopf vorgesehen.
Die einzelnen Arrays sind frontal in die Schmelzplatte eingelassen. Wie Abbildung 3.6
verdeutlicht, sind die Arrays kreuzförmig angeordnet. Zu einem festen Zeitpunkt kann
das Eis vor dem IceMole in zwei Ebenen untersucht werden. Durch die Eigendrehung des
IceMole während der Fahrt, ist der gesamte Raum im Vorfeld nach einer viertel Drehung
abgescannt.
Die Phasenarrays wurden von der Firma Imasonic speziell für die Anforderungen des
Akustischen Systems zur Vorfelderkundung (ARS) entwickelt und produziert. Ein Array
besteht aus 16 piezokeramischen Elementen die innerhalb des Arrays linear nebeneinander
angeordnet sind. Die 10 mm langen Elemente sind jeweils 2,06 mm breit und in
einem Abstand von 0.75 mm zueinander flach angeordnet, womit sich eine akustisch aktive
Breite von 44.21 mm ergibt [14]. Der seitliche Versatz der einzelnen Schallquellen
beträgt folglich d = 2,81 mm.
Die Abstrahlcharakteristik des Phasenarrays wird
von der Geometrie der akustisch aktiven Elemente
beeinflusst. Bei einer linearen akustischen
Strahlergruppe treten durch die Interferenz der
einzelnen Quellen abhängig von Abstand d und
Wellenlänge λ bei gleichphasiger Ansteuerung, also
nach vorne gerichteter Aussendung, neben dem
Hauptmaximum nach vorne Nebenmaxima unter
dem Winkel α auf. Die Bedingung für konstruktive
Interferenz ist hierbei durch Gleichung 3.5 gegeben
[27].
sin α m = ∆s
d
= m · λ
d
n = 0, 1, 2... (3.5)
Nebenmaxima treten auf, wenn der Gangunterschied
der einzelnen Punktquellen genau einem
α
PZT
d
Δs
PZT
d
PZT
Phasenarray
Abbildung 3.5: Skizze zur Verdeutlichung
der Entstehung der Nebenkeulen
in der Abstrahlcharakteristik
des Phasenarrays.
ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge entspricht (siehe Abbildung 3.5). Bei einer
Schallgeschwindigkeit von 3840 m/s in Eis mit einer Temperatur von 0 ◦ C [4] ergibt
sich eine Wellenlänge von 4,92 mm für eine Schallwelle, die bei der Resonanzfrequenz
des Phasenarrays von 780 kHz [14] ausgesendet wird. Da die Wellenlänge größer als der
Abstand d der Quellen ist, können zu den Nebenmaxima folglich nicht alle Elemente
des Arrays beitragen. Dadurch sind die Nebenkeulen der Schallaussendung deutlich weniger
ausgeprägt, als die Hauptkeule. Je kleiner das Verhältnis zwischen Abstand d der
Strahler und Wellenlänge λ, desto geringer sind die Nebenkeulen der Strahlungscharakteristik
ausgeprägt. Auch die Anzahl der Elemente hat Auswirkungen auf die Form der
Hauptkeule. Mit zunehmender Anzahl der Elemente in der Strahlergruppe nimm die
Anzahl der Nebenmaxima zwar zu, da es rein kombinatorisch mehr Winkel gibt unter
denen konstruktive Interferenz auftritt, aber die Breite der Strahlungskeulen wird auch
15

3 Die Eisschmelzsonde IceMole 16
geringer [19].
Das Gehäuse der Phasenarrays besteht wie der Schmelzkopf des IceMole aus einer Kupferlegierung
namens Hovadur R○ CNCS. Diese Legierung hat mit bis zu 240 W/(m · K)
eine Wärmeleitfähigkeit in der Größenordnung von Kupfer, ist aber mit einem Elastizitätsmodul
von 140 kN/mm 2 deutlich härter und beständiger gegen Abrieb [28]. Zur
Datenübertragung der aufgezeichneten Signale an das Daten System sind die Elemente
des Phasenarrays jeweils mit 16 abgeschirmten Koaxialkabeln verbunden.
Ziel des ARS ist die Erkennung von Strukturen im Vorfeld der Sonde bis zu einer Distanz
von 10 m. Dabei soll es möglich sein, Objekte von 5 cm Größe in einer Entfernung von
1 m und 20 cm große Objekten in 2 Entfernung aufzulösen. [18]
Abbildung 3.6: Technische Zeichnung der Integration der Phasenarrays in den Kopf des
IceMole [9]. Die Phasenarrays werden kreuzförmig um die Schraube in den Schmelzkopf
eingelassen.
16

3 Die Eisschmelzsonde IceMole 17
3.2.3 Daten System
Das Akustische Daten System umfasst die gesamte Hardware zur Auslese der akustischen
Sensoren im Kopf des IceMole. Die zur Datennahme (DAQ) benötigten Platinen befinden
sich in der Akustik Box im Rumpf des IceMole hinter der Kopfplatte der Trägersonde.
Im Laufe dieser Arbeit wurden von Dmitry Eliseev die Platinen zur Datennahme und
Ansteuerung des APS fertiggestellt und im Rahmen dieser Arbeit getestet. Die Platinen
des ARS befinden sich noch in der Entwicklung.
Abbildung 3.7: Akustik Box mit integrierter SVuEnt und APS-DAQ-Elektronik.
APS System
Der Datenfluss innerhalb des APS ist in Abbildung 3.8 dargestellt. Jeder einzelne Piezo
Empfänger ist innerhalb der Sensorhülse mit einer Frontend Platine zur Verstärkung der
Signale und Digitalisierung verbunden. Pro Sensorplatine können zwei Kanäle mit 400-
facher und 8000-facher Verstärkung ausgelesen werden. Die Auslese der ADCs erfolgt
über einen Field Programmable Gate Array (FPGA) auf der APS-DAQ-Platine. Beim
Start eines Digitalisierungsfensters werden mit einer Auslesefrequenz von 2 MHz in jedem
Ausleseschritt alle Kanäle der Sensorplatinen ausgelesen und vom FPGA in dem 16
MB großen Random Access Memory (RAM) geschrieben. Bei einem Zeitfenster von 32
ms für die Aufzeichnung einer Waveform und einer Genauigkeit der ausgelesenen Werte
des ADC von 12 Bit ergibt sich bei der Speicherkapazität des RAM eine maximale Zwischenspeicherung
von 16 Messungen. Ist der Speicher voll muss er vom Embedded-PC
ausgelesen werden. Zur Auslese des FPGA und weiteren Datenverarbeitung steht in der
Akustik Box ein Raspberry Pi als Embedded-PC zur Verfügung. Die ausgelesenen Daten
17

3 Die Eisschmelzsonde IceMole 18
Abbildung 3.8: Diagramm zum Datenfluss des APS. Die grau unterlegten Sensor-
Platinen befinden sich in den Sensorhülsen im Kopf des IceMole. Die APS-DAQ-Platine,
der Embedde PC und die SVuEnt sind in der Akustik Box untergebracht.
können vom Embedded-PC direkt weiterverarbeitet und ausgewertet werden. Rohdaten
und Ergebnisse der Datenverarbeitung werden über eine Netzwerkverbindung dann an
eine SQL Datenbank zur Oberfläche geschickt, wo sie zur Trajektorienplanung abgerufen
werden können. Die Spannungsversorgung für die APS-DAQ-Platine und den Embedded
PC wird durch die Spannungsversorgung und Entkopplung (SVuEnt) Platine bereitgestellt.
Gleichzeitig wird auf dieser Platine das RS-422 Signal zur Zeitsynchronisation in
ein Transistor-Transistor-Logik (TTL) Signal konvertiert.
ARS System
Das Datenerfassungssystem des ARS muss durch die höhere Anzahl an piezoelektrischen
Elementen in den Phasenarrays und eine höhere vorgesehene Datenrate auch größere Datenmengen
verarbeiten können. Zudem werden die Phasenarrays im Gegensatz zu den
Sensoren des APS nicht nur passiv betrieben, sondern müssen auch gerichtete akusti-
18

PCIe
Signalteiler
PA 4
PA 3
PA 2 PA 1
3 Die Eisschmelzsonde IceMole 19
sche Signale aussenden können. Die vorgesehene Platinenstruktur ist in Abbildung 3.9
dargestellt. Zentrale Steuereinheit des ARS-Mainboards ist, wie beim APS, ein FPGA.
Grundsätzlich lassen sich zwei Signalwege unterscheiden, die Signale zur aktiven Ansteuerung
der Elemente des Phasenarrays und die empfangenen passiven Antworten.
• Die Generierung der Ultraschallpulse für die Phasenarrays wird durch ein Array
aus Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) auf der Puls-
Former-Platine realisiert. Die Funktionsweise der Puls-Former-Platine wird im Abschnitt
6.2.1 näher erläutert. Eine Relais-Platine im Kopf des IceMole schaltet die
Pulse auf das jeweilige Phasenarray.
• Die vom Phasenarray während des Digitalisierungsfensters empfangenen Signale
werden wie beim APS über zwei ADCs mit unterschiedlicher Verstärkung digitalisiert
und vom FPGA in einen RAM geschrieben.
Die Signalteilung findet hierbei erst auf dem ARS-Mainboard statt. Um Störungen in
den empfangenen Signalen zu vermeiden, werden zwischen Signalteiler und Phasenarrays
Coaxial-Kabel verwendet. Der Embedded-PC wird über einen PCIe (Peripheral
Component Interconnect Express) Bus mit dem FPGA verbunden um eine höhere Datenübertragungsrate
zu gewährleisten. Zur Zeit der Anfertigung dieser Arbeit, wurden
von Stefan Wickmann Messungen zur Untersuchung der so erreichbaren Datenrate
durchgeführt (siehe [30]).
Architektur Feldtest des ARS-Systems 3. für
Kopfplatte
24V
Platine zur Spannungsversorgungs
Pulsformer
(MOSFETs Array)
Relais-Platine.
PA-Umschalten
Pulsformer
Steuerung
Multi-Coax
Embedded PC
NanoX
Ethernet
ARS
Mainboard
FPGA Unit
Spartan-6
LX 75T
Mehrkan.
ADC#1
Mehrkan.
ADC#2
Multi-Coax
Relays
Steuerung
RAM
256Mb
Hochspannungs-Leiterbus und Kabel
Digitale Leiterbus und Kabel
Stromversorgung
Analog-Leiterbus
Abbildung 3.9: Diagramm zum Datenfluss innerhalb des ARS. Die Platinen rechts von
der Kopfplatte befinden sich im Kopf des IceMole. ARS-Hauptplatine, Embedded PC,
Pulsformer und Spannungsversorgung sind in der Akustik Box untergebracht.
19

4 Messung von Ultraschallwellen
4.1 Schallausbreitung in Flüssigkeiten und festen Körpern
Die Ausbreitung von Schallwellen ist mit lokalen Schwankungen des Drucks p und der
Geschwindigkeit −→ v der Teilchen des Mediums um die Mittelwerte p 0 und −→ v 0 verbunden
[19].
p = p 0 + p ∼ (4.1)
−→ v =
−→ v 0 + −→ v ∼ (4.2)
Hierbei bezeichnet p ∼ den Schalldruck und −→ v ∼ die Schallschnelle. Die Variation dieser
Schallfeldgrößen ist im Vergleich zu den als statisch angenommenen Mittelwerten gering.
Die Kenntnis der Orts- und Zeitabhängigkeit der Schallfeldgrößen ermöglicht eine
vollständige Beschreibung der Struktur des Schallfeldes.
Ausbreitung in Flüssigkeiten
In Flüssigkeiten existieren keine Schubspannungen. Das heißt, die Richtung der Änderungen
der Schallfeldgrößen ist parallel zur Ausbreitungsrichtung der Schallwelle. Es existieren
also nur Longitudinalwellen. Die Zustandsänderung der Schallfeldgrößen passiert im Medium
in der Regel so schnell, dass kein Temperaturausgleich mit der Umgebung stattfindet,
das heißt der Prozess verläuft adiabatisch [19]. Für die Schallgeschwindigkeit c
in Flüssigkeiten gilt bei kleinen Amplitudenänderungen der Schallfeldgrößen relativ zu
den statischen Feldgrößen der Zusammenhang
√
K
c = . (4.3)
ρ 0
Wobei der Kompressionsmodul K der Kehrwert der adiabatischen Kompressibilität κ
des Mediums ist. Die Kompressibilität κ
[ ( )] 1 ∂p
κ =
(4.4)
ρ ∂ρ
adiabatisch
beschreibt die Änderung der Dichte der Flüssigkeit bei Druckänderungen. Da die Dichte
der Flüssigkeit von der absoluten Temperatur abhängt, variiert die Ausbreitungsgeschwindigkeit
von Schallwellen in Flüssigkeiten mit der Dichte und Temperatur. In allen
Flüssigkeiten nimmt die Schallgeschwindigkeit mit steigendem Druck zu [27].
20

4 Messung von Ultraschallwellen 21
Ausbreitung in festen Körpern
Im Gegensatz zu Flüssigkeiten und Gasen widersetzen sich Festkörper einer Formänderung,
was in dem Auftreten von Schubkräften resultiert, die einer Deformation entgegenwirken
[27]. Hierdurch breiten sich akustische Wellen nicht nur als Longitudinal-Wellen, sondern
auch als Transversal-Wellen aus. Die Überlagerung dieser beiden Wellen führt zu einer
Vielzahl an möglichen akustischen Wellen innerhalb eines Festkörpers. Das Verhältnis
der Ausbreitungsgeschwindigkeit c L von Longitudinal-Wellen im Verhältnis zur Ausbreitungsgeschwindigkeit
c T von Transversal-Wellen ist im allseits unbegrenzten isotropen
Festkörper gegeben durch [27]:
√
c L 2 · (1 − ν)
=
c T 1 − 2 · ν
(4.5)
Hierbei bezeichnet ν die Poisson-Zahl des Festkörpers, und beschreibt mit welcher relativen
Änderung der Dicke ein Festkörper auf relative Längenänderungen reagiert. Diese
dimensionslose Materialkonstante ist für alle Festkörper positiv und kleiner 0,5. Daraus
folgt
c L
c T
> 1 für alle Festkörper. (4.6)
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit c L von Longitudinal-Wellen ist grundsätzlich größer,
als die der Transversal-Wellen. Für Laufzeitmessungen von akustischen Signalen in Festkörpern,
ist also nur die Betrachtung von Longitudinal-Wellen von Bedeutung.
Absorption von Schallwellen
Die Ausbreitung der lokalen Schwankungen um die ungestörten Schallfeldgrößen wird
abhängig vom Medium in dem sich die Schallwelle ausbreitet gedämpft. Die Dämpfung
der Schallwelle sorgt dabei für einen exponentiellen Abfall der Amplitude. Hierbei spielen
in Flüssigkeiten drei Effekte eine Rolle:
• Die Viskosität η bezeichnet die Fließfähigkeit einer Flüssigkeit und ist ein Maß
für die innere Reibung des Mediums. Die innere Reibung ist der lokalen Positionsänderung
der Teilchen des Mediums grundsätzlich entgegengesetzt und entzieht
der Schallwelle so stetig Energie. Der Dämpfungskoeffizient α Viskosität kann durch
folgende Formel genähert werden [27]:
α Viskosität = 2 · η · ω2
3 · ρ 0 · c 3 (4.7)
Der Dämpfungskoeffizient steigt mit dem Quadrat der Frequenz ω der Schallwelle.
Hochfrequente Schallwellen werden demnach stärker absorbiert als niederfrequente.
• Da die Schwankung der Schallfeldgrößen sehr schnell sind, kann die Zustandsänderung
als adiabatisch angenommen werden. Dies erfordert kleine lokale Schwankungen der
Temperatur. Die Fähigkeit der Wärmeleitung ν des Mediums ist ein Maß für die
21

4 Messung von Ultraschallwellen 22
zeitliche Änderung des Wärmestroms bei einem gegebenen Temperaturgradienten.
Der Dämpfungskoeffizient beträgt näherungsweise [27]:
α Wärmeleitung =
(κ − 1) · ν · ω2
2 · κ · C V · ρ 0 · c 3 . (4.8)
Wobei C V die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen und κ der
Isentropenindex ist. Der Dämpfungskoeffizient steigt wie bei der inneren Reibung
mit dem Quadrat der Frequenz. In Wasser ist der Beitrag zur Dämpfung durch
die geringe Wärmeleitfähigkeit ν um mehrere Größenordnungen geringer als der
Beitrag durch die innere Reibung [27].
• Molekulare Absoption bezeichnet die Dämpfung des Schallfeldes durch die Anregung
der Moleküle. Hierbei werden die Moleküle abhängig von den jeweiligen
Translations- und Rotationsfreiheitsgraden in Schwingungen versetzt. Die Anregung
der Schwingung entzieht der Schallwelle Energie.
Zusätzlich zur Dämpfung durch das Medium, kommt es durch die ungerichtete Ausbreitung
einer Schallwelle im Raum zu einem Abfall der Schallleistung P proportional
zum Quadrat des Abstandes r zur Quelle. Da die Schallleistung proportional zum Quadrat
der Amplitude ist, resultiert dies in einer räumlichen Abnahme der Amplitude proportional
zu r. Anders als die Dämpfung, kann dieser Effekt jedoch durch die gerichtete
Aussendung oder Bündelung der Schallkeule minimiert werden.
22

4 Messung von Ultraschallwellen 23
4.2 Akustische Sensoren
4.2.1 Elektroakustische Wandler
Die verwendeten akustischen Empfänger und Sender sind elektroakustische Wandler,
die akustische Energie zunächst in mechanische und dann in elektrische umwandeln und
umgekehrt [27]. Piezokeramiken können durch den piezokeramischen Effekt als elektroakustische
Wandler eingesetzt werden. Hierbei ist von Vorteil, dass der Effekt umkehrbar
ist, piezokeramische Materialien können sowohl als Empfänger, als auch als Sender akustischer
Signale eingesetzt werden.
4.2.2 Piezoelektrischer Effekt
Der piezoelektrische Effekt beruht auf einer Umverteilung des Schwerpunktes der positiv
und negativ geladenen Konstituenten eines Stoffes und der daraus resultierenden Ausbildung
von Dipolen. Die meisten piezoelektrischen Materialien sind Kristalle, es gibt aber
auch semikristalline Kunstoffe wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) mit piezoelektrischen
Eigenschaften.
Abbildung 4.1: Geometrische Erklärung des piezoelektrischen Effekts. Durch die äußere
Krafteinwirkung kommt es zu einer Verlagerung der Ladungsschwerpunkte und einer
Ausbildung von Dipolen p Q .
Die verwendeten piezoelektrischen Wandler sind aus PZT gefertigt. Diese polykristalline
Keramik zeichnet sich durch einen sehr hohen piezoelektrischen Modul aus (um
einen Faktor fünf größer im Vergleich zu PVDF). Die Kristallstruktur ist Temperaturabhängig.
Oberhalb der kritischen Curietemperatur T C verlieren Kristalle ihre piezoelektrische
Eigenschaft. Die hohe Curietemperatur von 328 ◦ C erlaubt einen Betrieb von
PZT Keramiken auch bei hohen Temperaturen [27]. Dies ist wichtig für eine eventuelle
erhöhte Erwärmung des Schmelzkopfes des IceMole durch Kontaktverlust zum Eis.
23

5 Tests des Akustischen
Positionierungssystems (APS)
5.1 Untersuchung der Synchronisation zwischen
Signalerzeugung und Datenerfassung
Die Zentrale Sender Einheit (ZSE) des Arrays aus Ultraschall-Sendern generiert die Pulse
für die akustischen Sender. In Abbildung 5.1 ist das Signal nach der Verstärkung
durch die Frontend Elektronik des Senders exemplarisch dargestellt. Der akustische Sender
wird in dieser Konfiguration jede Sekunde mit einer Folge aus vier Schwingungen
mit einer Frequenz von 18 kHz und einer Amplitude von ca. 40 V angesteuert.
Gleichzeitig liefert sie ein differentielles Signal nach RS-422 Standard als Trigger für
die Zeitsynchronisation zwischen Signalgeber und Datenerfassungssystem (DAQ) der
Empfänger. Hierbei dient die fallende Flanke des Triggers als Referenzzeitpunkt für die
Laufzeitmessung der DAQ. Eine mögliche elektronische Verspätung zwischen Trigger
Flanke und dem Zeitpunkt des Aussenden eines Signals wirkt sich als systematischer
Fehler auf die Laufzeitmessung der Ultraschallsignale aus und bedarf deshalb einer genaueren
Betrachtung. Die zeitliche Variation der Flanke, der so genannte ”
Jitter “, wirkt
sich ebenfalls auf die Laufzeitmessung aus. Beider Größen wurden im Labor genauer untersucht.
Amplitude [V]
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-3
×10
-0.4 -0.2 0 0.2 0.4
Zeit [s]
Abbildung 5.1: Signal zur Ansteuerung der Sender aufgezeichnet mit einem Oszilloskop.
Am Oszilloskop wurde ein Offset von ca. -11 V eingestellt.
24

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 25
5.1.1 Aufbau und Durchführung
Um die Verspätung zwischen Trigger und Aussenden eines Signals durch Verzögerungen
in der Elektronik zu messen, wurde die ZSE im Labor mit der Frontend Elektronik eines
Senders verbunden. Mittels zwei Messspitzen wurde der von der ZSE erzeugte Puls
direkt am Ausgang der Frontend Elektronik abgegriffen. Zur Datennahme stand ein digitales
Oszilloskop (Tektronix DPO 4034) zur Verfügung. Das Oszilloskop kann über
das lokale Netzwerk angesteuert und ausgelesen werden [13]. Die ZSE liefert ein 1 Puls
Pro Sekunde (PPS) Signal zur Synchronisation mit der APS-DAQ. Dieses differentielle
Signal wird von der SVuEnt Platine in ein TTL Signal konvertiert und liefert dann den
Trigger für die Datenaufnahme. Zum Zeitpunkt der Messung stand die SVuEnt nicht
nicht zur Verfügung. Die Konvertierung des Triggers wurde von einer Testplatine mit
gleicher Schaltung durchgeführt.
Das Triggersignal und der Puls zur Ansteuerung der Sender wurden in sechs Durchläufen
mit dem Oszilloskop mit einer Abtastrate von 10 MHz gemessen und zur weiteren Datenanalyse
gespeichert.
5.1.2 Ergebnisse
Die fallende Flanke des Triggers weist, wie in Abbildung 5.2 gezeigt, eine maximale
Breite von wenigen Nanosekunden auf. Der Jitter der Triggerflanke konnte mit der
Samplingrate von 10 MHz nicht aufgelöst werden. Daraus folgt, dass der Jitter unterhalb
der Zeit zwischen zwei Datenpunkten liegen muss. Dies liefert eine obere Schranke
von 100 ns für den Jitter. Die Datennahme des APS erfolgt mit einer Datenrate von
2 MHz, womit die Auflösung des Oszilloskops für die obere Schranke ausreichend ist.
Die System-Anforderungen an das APS fordern eine Genauigkeit der Zeitauflösung von
1 µs. Die gemessene obere Schranke für den Jitter des Triggersignals liegt innerhalb der
Systemanforderungen.
Sowohl die Breite der Triggerflanke als auch der Jitter des Triggers haben nur geringen
Einfluss auf die Genauigkeit der Laufzeitmessungen. Ein Versatz des Triggers von 100
ns entspricht einer Differenz von 0,15 mm in der Laufstrecke der Ultraschall Signale in
Wasser und etwa 0,3 mm in Eis.
Abbildung 5.3 zeigt den Verlauf der Pulse für die sechs Messungen im Vergleich zur
fallenden Triggerflanke. Alle Messungen zeigen eine Verspätung von etwa 4 µs. Dies entspricht
in Eis einer systematischen Verschiebung der tatsächlichen Laufstrecke um 16 mm
zu größeren Distanzen. Der Signalweg zwischen Frontend Elektronik und Sender wurde
bei dieser Messung nicht berücksichtigt, ist aber vernachlässigbar klein 1 . Diese systematische
Verspätungen sollte sich als Offset bei einer Messung der Schallgeschwindigkeit
bemerkbar machen.
1 Die Länge des Kabels zwischen Piezokeramik im Sender und Frontend Elektronik beträgt ca. 2 m.
Daraus folgt für die Laufzeit des Signals t = < 10 −8 s.
2m
3·10 8 m s
25

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 26
amplitude [V]
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
-6
×10
-0.1 -0.05 0 0.05 0.1
Zeit [s]
Amplitude [V]
4
3
2
1
0
-4 -2 0 2 4
Zeit [s]
-6
×10
Abbildung 5.2: Oben: Breite der fallenden Flanke des Triggersignals. Aufgezeichnet mit
der maximalen Abtastrate des Oszilloskop von 2,5 GHz und über 32 Messungen gemittelt.
Unten: Jitter der fallenden Flanke des Triggersignals. Dargestellt sind sechs
unabhängigen Messungen mit einer Aufzeichnungsrate von 10 MHz.
amplitude [V]
30
20
10
run 01
run 02
run 03
run 04
run 05
run 06
trigger
0
-10
-20
-30
-40
-0.01 0 0.01 0.02 0.03
time [s]
-3
×10
Abbildung 5.3: Auftragung der Signalamplitude gegen die Zeit für sechs Pulse der ZSE
(run 01 bis run 06) im Vergleich zum gemittelten Triggersignal (trigger) in schwarz.
26

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 27
5.2 Schwimmbad-Tests
Der Test des Navigationskonzepts für den IceMole in Eis stellt im Labor eine große Herausforderung
dar. Das Frieren von ausreichend großen Eismengen ist sehr zeitintensiv
und mit hohen Kosten verbunden. Mit dem Aachener Akustik Labor (AAL) steht dem
Institut ein Messplatz zur Verfügung, um bis zu 3000 Liter Klareis herzustellen und für
akustische Tests zu instrumentalisieren. Allerdings dauert die Herstellung des Eises ca.
60 Tage. Des Weiteren ist der Abstand zwischen den zu testenden Sensoren durch den
maximalen Durchmesser des Tanks von 1,85 m limitiert [29].
Natürlich vorkommende große Eis-Volumina, wie Gletscher, bilden die ideale Testumgebung
für den IceMole. Allerdings sind diese Tests kostspielig und durch die fehlende
Infrastruktur auf Gletschern aufwendig.
Wasser bietet im Vergleich zu Eis als Testmedium erhebliche Vorteile. Es ist kostengünstig
in ausreichender Menge in der Nähe des Instituts vorhanden und das Einbringen von
Sensoren ist erheblich einfacher. Die für die Untersuchung akustischer Signale relevanten
Eigenschaften von Wasser und Eis sind ähnlich.
Die gesamte Entwicklung des IceMole und seiner Subsysteme beruht auf einem Zyklus
aus Weiterentwicklungen und Tests von Prototypen. Ziel der Schwimmbad-Tests (SBT)
war es, einen unmittelbaren Einsatz nahen, kostengünstigen Test der einzelnen Entwicklungsstufen
zu ermöglichen.
Zum Test des APS in einem größeren Wasservolumen wurde ein Messaufbau entwickelt,
um die relativen Abstände zwischen akustischen Sendern und Empfängern zu variieren.
Um ein einsatznahes Testumfeldes für das APS zu realisieren, ist ein möglichst reflektionsarmes,
großes Volumen nötig. Zur Verfügung stand das Sprungbecken der Ulla–
Klinger–Halle in Aachen. Das Becken fasst bei einer Breite von 14 m, 17,5 m Länge und
einer Tiefe von 4,55 m ein Wasservolumen von etwa 1100 m 3 .
Für die Messungen im Becken stand jeweils ein Zeitfenster von 4 Stunden zur Verfügung,
in dem frei vom Badebetrieb gemessen werden konnte. Hieraus ergeben sich Anforderungen
an die Komplexität und Mobilität des Messaufbaus. Bei der Realisierung wurde
darauf geachtet, die Komponenten einfach und gut transportabel zu halten, um ein
schnelles Auf- und Abbauen zu ermöglichen.
Ende Mai 2013 war ein Feldtest des IceMole auf dem Morteratsch Gletscher im Engadin
(Schweiz). Die Schwimmbad-Tests (SBT) sollten eine Möglichkeit bieten einzelne Komponenten
des APS und das Gesamtsystem im Vorfeld des Tests auf dem Gletscher in
möglichst realistischer Umgebung zu testen.
Hierbei standen die Tests folgender drei Schwerpunkte im Vordergrund: Test der APS
Sensoren, Test der Elektronik zur Datennahme und Test der Software und Datenprozession.
Des Weiteren konnten durch die Schwimmbad-Tests bereits in einem sehr frühen
Stand der Entwicklung Testdaten gewonnen werden.
27

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 28
5.2.1 Methodik und Aufbau
Der Aufbau im Schwimmbad soll die Bewegung der in den IceMole integrierten Sensoren
relativ zum Sender–Array simulieren. Es stellte sich jedoch als zweckmäßiger heraus
die Position der Sender bei festgehaltener Position der Sensoren im Testkopf zu
variieren, da das Datensystem des APS so während der Messung zugänglich bleibt.
Hierzu wurde ein APS-Sensor in einen
wasserdichten Testkopf aus Aluminium
integriert. Die Größe des Testkopfes
liegt mit einem Durchmesser
von 13 cm in der Größenordnung des
IceMole Kopfes, um ähnliche Resonanzfrequenzen
im Bereich von 10-
25 kHz zu erreichen. Abbildung 5.4
zeigt den Testkopf mit einer Sensoraufnahme.
Der Kopf wurde über Seile
höhenverstellbar an einen der etwa
1 m hohen Sprungturme befestigt. So
konnte die gesamte für die Messungen
benötigte DAQ in unmittelbarer Umgebung
zum Sensor gut zugänglich auf
dem Sprungbrett aufgebaut werden.
Des Weiteren wurde die gleichzeitige
Messung mehrerer Sender des Arrays
Deckel mit Dichtungsring
Kabeldurchführung
Aufhängung
Sensoraufnahme
Abbildung 5.4: IceMole Testkopf mit wasserdichtem
Deckel und Aufnahme für einen APS
Sensor.
auf die nacheinander stattfindende Messung eines Senders an unterschiedlichen Orten
reduziert. Der Sender wurde, wie die Skizze (a) in Abbildung 5.5 verdeutlicht, über Seile
höhenverstellbar an ein Floß fixiert. Der Schwimmkörper des Floßes wurde durch eine
5 cm dicke Polystyrol Platte realisiert. Diese wird von zwei kleineren 10 mm starken PVC
Platten umfasst, die die bei der Fixierung des Floßes an einem festen Ort auftretenden
Zugkräfte aufnehmen. Die Frontend Elektronik des Senders befindet sich auf der Oberseite
des Floßes in einem wasserdichten Gehäuse. Die Frontend Elektronik ist über ein
etwa 70 m langes Kabel mit der Zentrale Sende Einheit verbunden. Gewichte unterhalb
des Senders erhöhen die Trägheit des hinab hängenden Senders und sorgen für eine stabile
Lage im Wasser. Das Floß kann über Seile am Beckenrand fixiert werden. So kann
der Sender an jedem Ort innerhalb des Sprungbeckens zwischen einer Tiefe von 20 cm
und 200 cm fixiert werden.
Eine direkte Vermessung der Position des Senders relativ zum Becken ist bei dem verwendeten
Aufbau unpraktikabel. Das Floß ist während der Messungen vom Beckenrand
in der Regel nicht zugänglich. Darum wurden die Orte der Sender folgendermaßen rekonstruiert.
Die Position des Senders relativ zum Floß wurde für eine Messreihe festgelegt. Die Tiefe
wurde so gewählt, dass der Weg die Reflexionen der Signale am Boden des Beckens und
Wasseroberfläche möglichst maximal ist. Das bei den Messungen simulierte Array aus
akustischen Sendern befindet sich folglich bei allen Messungen in einer Ebene parallel
28

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 29
Seile zur Fixierung
des Floß
Reflektionsschirm
Polystyrol
Sender
ITC-1001
Seile
Gewicht
(a) Schematischer Aufbau des Floßes zur Variation
der Position des Senders.
(b) Floß mit herab hängendem ITC-1001 und
montierter Frontend Elektronik bei den Tests
im Schwimmbad.
Abbildung 5.5: Floß zur Variation der Sender Position relativ zum IceMole Testkopf.
Zur Simulation des Sender-Arrays kann das gesamte Volumen des Beckens ausgenutzt
werden.
zur Wasseroberfläche in mittlerer Tiefe des Beckens. Die Position des Floßes relativ zum
Beckenrand wurde mit Hilfe eines Trilaterationsverfahrens bestimmt. Hierzu wurde die
Distanz r i des Floßes relativ zu drei festgelegten Messpunkten am Beckenrand gemessen.
Die Kreisgleichungen
(x i − x M i ) 2 + (y i − y M i ) 2 = r i
2
,i = 1..3 (5.1)
um den Messpunkt (x M i |y M i ) in der Ebene der Wasseroberfläche haben bei exakter
Messung genau einen Schnittpunkt. Durch die begrenzte Messgenauigkeit bei der Distanzmessung
und der statistischen Schwankung der Messung, existieren in der Regel
drei Schnittpunkte in direkter Umgebung des wahren Schnittpunktes.
Der geometrische Schwerpunkt
(
xs
y s
)
= 1 3
3∑
i=1
(
xi
y i
)
(5.2)
29

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 30
aus diesen drei Schnittpunkten stellt einen guten Schätzwert für die wahre Position dar.
Es wurden vor dem ersten Feldtest auf dem Morteratsch Gletscher drei Tests des APS
im Schwimmbad durchgeführt. Bei allen Tests wurde der in Abbildung 5.6 schematisch
dargestellte Aufbau mit den oben beschriebenen Komponenten verwendet.
17.5 m
Einstiegsmöglichkeiten
Sprungtürme
Floß mit Sender
IceMole
Testkopf mit
Empfänger
14 m
DAQ
Pulsgeber
Messpunkte zur
Ortsbestimmung des Senders
Abbildung 5.6: Skizze des Sprungbeckens der Ulla–Klinger–Halle von oben betrachtet
mit schematischem Messaufbau zum Test des APS.
30

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 31
5.2.2 Schwimmbad-Test 1: Konzepttest
Ziel des ersten APS Schwimmbad-Tests war ein konzeptioneller Test des Messaufbaus
und die Generierung von Testdaten zur Entwicklung eines Algorithmus zur Bestimmung
der Laufzeiten.
Datennahme
In der ersten Iteration der Schwimmbad-Tests wurde zunächst als Sensor ein PZT in
einer Hülse mit einer Verstärkerstufe verwendet. Die Digitalisierung fand außerhalb des
Beckens statt. Da die im IceMole integrierte DAQ noch nicht zur Verfügung stand, wurden
die verstärkten Signale mit der National Instruments DAQ Karte NI USB-6356
digitalisiert und aufgezeichnet. Das Labview Programm Signal Express von National Instruments
ermöglicht sowohl die Steuerung der DAQ Karte als auch die direkte Kontrolle
der Daten. Zur weiteren Analyse wurden die Daten in ASCII Tabellen lokal gespeichert.
An 8 verschiedenen Positionen des Senders wurde der Empfänger mehrmals 1 s lang mit
einer Samplingrate von 1 MHz ausgelesen. Als Trigger für die Auslese diente das 1 PPS
Signal der Zentralen Sende Einheit. Dieses wurde in einen 3,2 V TTL Rechteckpuls konvertiert.
Unterschreitet die fallende Flanke eine Schwelle von 1,6 V wird die Aufzeichnung
automatisiert gestartet.
Rekonstruktion der Positionen des Senders
Beim ersten Test des APS wurde die Position des Floßes über die Länge der drei Seile zur
Befestigung des Floßes bestimmt. Hierzu wurden bei der jeweiligen Messung Markierungen
an den Seilen angebracht. Über eindeutige Bezeichnungen der Markierungen konnten
die Längen der Seile den einzelnen Messungen zugeordnet werden. Durch späteren Vergleich
mit einem Maßband konnte so der Abstand zwischen den Fixpunkten und dem
Floß bestimmt werden. Über das in Abschnitt 5.2.1 beschriebene Rekonstruktionsverfahren
konnte die Position des Floßes in der zur Wasseroberfläche parallelen Ebene bestimmt
werden. Bei der Auswertung der Daten stellte sich eine systematische Unterschätzung der
Seillängen heraus. Dies lässt sich durch die im Labor rekonstruierte Dehnung der Seile
von ca. 7% im nassen Zustand erklären. Die rekonstruierte Dehnung der Seile wurde als
konstant angenommen und bei der Positionsbestimmung des Floßes berücksichtigt. Die
unterschiedliche Kraft beim Fixieren des Floßes während der Messungen führte jedoch
zu enormen Schwankungen bei den Fehlern in der Bestimmung der Referenzpositionen
der Sender.
31

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 32
Bestimmung der Laufzeit
Die aufgezeichneten Signale wurden zunächst über mindestens 15 Messungen gemittelt,
um das Rauschlevel zu reduzieren und die Signalqualität zu verbessern. Störgeräusche,
die nicht periodisch und nicht korreliert mit dem Trigger auftreten, können durch die
Mittlung unterdrückt werden.
Zur Bestimmung der Laufzeit wurde zunächst in einem Zeitfenster zwischen 0,5 s und 1 s
nach dem Trigger das mittlere Rauschen bestimmt. Nach 0,5 s muss ein mögliches Signal
eine Laufstrecke von etwa 750 m zurückgelegt haben. Durch die begrenzten Ausmaße des
Testbeckens und die dadurch hohe Anzahl an nötigen Reflexionen, um diese Laufstrecke
zurück zu legen, kann die Stärke eines möglichen Echos des Signals in diesem Zeitfenster
vernachlässigt werden. Durch die in Abschnitt 5.1 bestimmte Verspätung zwischen
Trigger und Aussenden des Signals, wurde der Nullpunkt für die Laufzeitmessung auf
4 µs gesetzt. Die Zeitmessung stoppt, wenn das Signal zum ersten mal das mittlere
Rauschen in der Messung um den Faktor 5 überschreitet. Als Fehler auf die Laufzeit
wurde die halbe Breite der ersten Flanke des Signals angenommen. Abbildung 5.7 zeigt
die ersten 10 ms der aufgezeichneten Signale exemplarisch für vier Messungen. Wie erwartet
steigt die Laufzeit des Signals mit der Entfernung zum Sensor. Ein eindeutiger
Zusammenhang zwischen Entfernung und Amplitude scheint jedoch nicht vor zu liegen.
Eine mögliche Ursache könnte die unterschiedliche Richtung sein, aus der das akustische
Signal in den Kopf eingekoppelt wird. Dies ist Gegenstand weiterführender Tests (siehe
Abschnitt 5.2.3).
32

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 33
Abbildung 5.7: Variation der Laufzeiten der akustischen Signale für unterschiedliche
Entfernungen. Die Distanzen variieren zwischen 2,23 m (a), 4,78 m (b), 6,69 m (c) und
10,68 m (d). Jeweils in rot ist die aus dem Algorithmus bestimmte Laufzeit eingezeichnet.
Eine Abstandsabhängigkeit der maximalen Amplitude des Signals ist nicht zu erkennen.
Der Winkel zwischen Testkopf und Sender ist für die einzelnen Messungen (a) bis (d)
nicht konstant und könnte der Ursprung für die Variation in der Amplitude sein.
Die Bauform der Sensorhülsen und des Dummy Kopfes lassen eine rotationssymmetrische
Sensitivität des Sensors bei Drehung um die Hauptachse erwarten. Um dies zu
testen wurde der Testkopf bei festgehaltener Position des Senders in vier Schritten gedreht.
Abbildung 5.8 zeigt die aufgenommenen über jeweils 32 Messungen gemittelten
Signale. Weder in der Phase noch in der Amplitude der führenden Schwingungsperioden
lässt sich ein signifikanter Unterschied erkennen. Die Abhängigkeit von der seitlichen
Variation des Winkels wurde beim ersten SBT nicht untersucht und könnte die Ursache
für die starken Variationen in der Signalamplitude sein.
33

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 34
amplitude [V]
1.5
Ausgangslage
39 Grad Drehung
104 Grad Drehung
1
180 Grad Drehung
0.5
0
-0.5
-1
0.0066 0.0068 0.007 0.0072 0.0074 0.0076 0.0078 0.008 0.0082
time [s]
Abbildung 5.8: Variation der aufgezeichneten Signale bei Rotation des Testkopfes um
die Längsachse. Die unterschiedlichen Graphen zeigen den Beginn des aufgezeichneten
Signals für die Ausgangslage bei 0 Grad und bei hierzu gedrehter Lage des Testkopfes.
Bestimmung der Schallgeschwindigkeit
Die Schallgeschwindigkeit im Wasser kann durch die geringen Temperatur und Druck
Schwankungen innerhalb des Testbeckens als konstant angenommen werden. Daraus
folgt, dass zwischen den vom APS gemessenen Laufzeiten t i und der über die Ortsrekonstruktion
der Sender Positionen bestimmten Entfernungen x i zwischen Sender und
Empfänger für alle Messungen i der lineare Zusammenhang
x i = p 0 + p 1 · t i (5.3)
bestehen sollte. Hierbei ist der Parameter p 1 die Schallgeschwindigkeit und p 0 der Achsenabschnitt.
Die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit liefert eine gute Plausibilitätsüberprüfung
für die gemessenen Laufzeiten. Zur Untersuchung dieses Zusammenhangs
wurden die bestimmten Entfernungen über den dazu gehörigen Laufzeiten aufgetragen
und eine lineare Regression durchgeführt. Abbildung 5.9 zeigt das Ergebnis.
Auffällig ist der Achsenabschnitt von 71.32 ± 21.97 cm. Hierfür gibt es zwei mögliche
Erklärungen: Entweder die Laufzeiten wurden systematisch zu klein bestimmt oder die
gemessenen Distanzen sind systematisch zu groß. Durch die geringe Reproduzierbarkeit
der Vermessung des Floßes mittels Seilen, ist die Position der Sender die unsicherste
34

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 35
distance [m]
14 χ 2
/ ndf
4.405 / 6
p0 0.7132 ±
0.2197
12
p1 1.476 ±
0.04842
10
8
6
4
2
1 2 3 4 5 6 7 8 9
runtime [ms]
Abbildung 5.9: Bestimmung der Schallgeschwindigkeit beim ersten Schwimmbad-Test
durch Auftragung der Distanz zwischen Sender und Empfänger gegen die Laufzeit der
akustischen Signale. Die gemessene Schallgeschwindigkeit p 1 beträgt 1476 ± 48 m s .
Messgröße. Bei einer Temperatur von 29 ◦ C beträgt die Schallgeschwindigkeit in destilliertem
Wasser 1507,1 m/s [17].
Der erste Schwimmbad-Test zeigte die Schwächen der verwendeten Methode zur Rekonstruktion
der Position des Senders. Die gemessene Schallgeschwindigkeit stimmt innerhalb
der einfachen Fehlerumgebung mit der Erwartung überein. Der Offset wird jedoch
durch die stark schwankenden Fehler bei der Messung der Distanz beeinflusst. Die Systematischen
Fehler bei der Bestimmung der Laufzeit, lassen sich daher nicht untersuchen.
5.2.3 Schwimmbad-Test 2: Test der APS-DAQ-Elektronik
Weiterentwicklungen und Datennahme
Kern der Weiterentwicklung des APS zwischen SBT 1 und SBT 2 ist die Fertigstellung
des ersten Prototyps der DAQ Elektronik durch Dmitry Eliseev. Der Vorverstärker innerhalb
des Testkopfes wurde durch eine Sensor-Platine mit einer Verstärkerschaltung
mit integrierter Digitalisierung durch einen ADC ersetzt. Die verstärkten, digitalisierten
Signale wurden von einer FPGA Entwicklungsplatine ausgelesen. Die Steuerung des
FPGA erfolgte über ein Notebook. Die Rohdaten wurden zur späteren Analyse lokal auf
einer SD Karte gespeichert. Um Speicherplatz zu minimieren wurden die Daten im Intel
HEX Format gespeichert. An jeder Sender Position wurden in jeweils 32 Messungen die
Sinale mit einer Abtastrate von 2 MHz aufgezeichnet.
35

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 36
Rekonstruktion der Sender Positionen
Die Positionsbestimmung der Sender lieferte
die größte Fehlerquelle beim SBT 1. Um
das Verfahren zu verbessern, wurde die Rekonstruktion
der Positionen von der Fixierung
des Floßes entkoppelt. Hierzu wurde
der Aufbau um ein Laserodometer erweitert.
Über dieses kann aus beliebiger Richtung
die Position des Reflektionsschirms auf dem
Floß relativ zum Beckenrand in einer Ebene
parallel zur Wasseroberfläche bestimmt werden.
Um das gesamte Testbecken sind Bohrlöcher
für Geländerstangen in den Boden eingelassen.
Das in Abbildung 5.10 gezeigte Stativ
wurde konstruiert, um von jedem dieser
Bohrlöcher aus die Distanz zum Reflektionsschirm
des Floßes messen zu können. Durch
einen Dreiwegeneiger lässt sich der Entfernungsmesser
in drei Achsen unabhängig
voneinander verstellen. Zwei kleine Wasserwaagen
sind seitlich zur Kontrolle der horizontalen
Lage des Messgeräts angebracht.
Der verwendete Laser Entfernungsmesser
LDM 70 der Firma Toolcraft liefert in einem
Messbereich von 0,05 m bis 70 m eine
Messgenauigkeit von 1,5 mm [5].
Wasserwaage
Stativ
LDM 70
Dreiwegeneiger
Abbildung 5.10: Stativ zur Aufnahme des
Laserodometers mit Dreiwegeneiger und
Neigungskontrolle.
Der Fehler auf die Distanzmessung resultiert in einer Ungenauigkeit in der Bestimmung
der Position des Senders (siehe Abschnitt 5.2.1). Dieser Fehler pflanzt sich gemäß des
Gaußschen Fehlerfortpflanzung auf die Berechnung der Distanz zwischen Sender und
Empfänger fort. Die Position des Empfängers wurde über eine Messung der Position der
Seile zur Aufhängung des Testkopfes relativ zu zwei Referenzpunkten am Beckenrand
gemessen. Die Tiefe wurde mit einem Maßband bestimmt. Insgesamt konnte mit diesem
Verfahren eine Bestimmung der Distanz zwischen akustischem Sender und Empfänger
mit einer Genauigkeit von wenigen Zentimetern erreicht werden. Abbildung 5.11 zeigt
die Projektion der Positionen des Senders auf die Wasseroberfläche.
36

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 37
Pos 02 Pos 04
Pos 01 Pos 03
Pos 06
IceMole
Testkopf
Pos 08
Pos 05 Pos 07
Messpunkte Laserodometer
I II III
Abbildung 5.11: Positionen des Senders während des einzelnen Messungen in einer Ebene.
In Blau ist die Projektion der Position des Testkopfes mit integriertem Empfänger in
diese Ebene dargestellt.
Bestimmung der Laufzeiten
Zur Laufzeitbestimmung wurden die aufgezeichneten akustischen Signale zunächst über
32 Messungen gemittelt. Abbildung 5.12 zeigt exemplarisch alle Messungen an einem
Messstop. Durch die minimale Variation der Phase in den einzelnen Messungen geht
durch die Mittlung kein Signal verloren, wohl aber das Rauschen, dessen Phase nicht
mit dem Trigger korreliert. Alle aufgezeichneten Signale zeigen in den ersten 0,2 ms
nach Beginn der Auslese ein Ausschwingen eines Störsignals. Dieses Verhalten ist vermutlich
auf den Umstand zurück zu führen, dass bei der im zweiten SBT verwendeten
Sensor Platine die Referenzspannung für den ADC mit der Versorgungsspannung des
Vorverstärkers verbunden ist [8]. Zu Beginn der Vorverstärkung könnte es so zu Oszillationen
in der Referenzspannung des ADC kommen. Der Effekt trat bei der nächsten
Iteration der Sensorplatine, bei der die beiden Spannungen entkoppelt wurden, nicht
mehr auf.
Das mittlere Rauschen in den gemittelten Daten des jeweiligen Messstopps multipliziert
mit dem Faktor 5 definiert die jeweilige Stopp Schwelle für die Signalamplitude. Bei
erstmaliger Überschreitung des Signals über diese Schwelle stoppt die Zeitmessung. Zur
Bestimmung des mittleren Rauschens wurde, wie in Abbildung 5.13 gezeigt, ein Zeitfenster
zwischen 0,2 ms und 2 ms benutzt. So gehen die nicht akustischen Artefakte aus
37

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 38
dem Beginn der Digitalisierung nicht in die Rauschmessung ein. Auch ist das Zeitfenster
kurz genug, um das erste Signal bei einem minimalen Abstand von etwa 3,4 m nicht mit
aufzuzeichnen.
In Abbildung 5.12 ist die Variation des einlaufenden Signals innerhalb der 32 Messungen
dargestellt. Die Unsicherheit der Laufzeitmessung wurde auf die maximale zeitliche
Variation in den einzelnen Messungen eines Messstopps von 2 µs festgelegt, und
ist damit zunächst sehr grob angesetzt, da dieser Fehler die Mittlung der Daten nicht
berücksichtigt.
amplitude [mV]
2600
2400
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
5.84 5.86 5.88 5.9 5.92 5.94 5.96 5.98
time [ms]
Abbildung 5.12: Aufgezeichnetes Signal bei Messstopp an Position 05. Aufgetragen ist die
am ADC anliegende Spannung über die Zeit. Die 32 Messungen sind in unterschiedlichen
Farben dargestellt. Der Jitter des Signals wurde jeweils an der ersten steilen Flanke
abgelesen.
38

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 39
Abbildung 5.13: Exemplarische Veranschaulichung des Algorithmus zur Bestimmung der
Laufzeiten. (a) Gesamtes aufgezeichnetes Signal bei Messstopp an Position 05 über 32
Messungen gemittelt. (b) Bestimmung des mittleren Rauschens in einem Zeitfenster
zwischen 0,2 ms und 2 ms. (c) Anfang des einlaufenden Signals. Die rote durchgehende
Linie zeigt die bestimmte Laufzeit, und der statistische Fehler auf die Laufzeit ist durch
die gestrichelte rote Linie dargestellt.
Bestimmung der Schallgeschwindigkeit
Aus den rekonstruierten Positionen der Sender und der gemessen Position des IceMole
Testkopfes lässt sich die Distanz bestimmen. In der Tabelle 5.1 sind die bestimmten
Entfernungen die aus den akustischen Daten gewonnen Laufzeiten aufgeführt.
Mit der Definition der Stop Schwelle für die Zeitmessung geht abhängig von der Höhe
der Schwelle ein systematischer Fehler in die Zeitmessung ein. Diese Verspätung muss
sich als Versatz zu größeren Laufzeiten in der Messung der Schallgeschwindigkeit bemerkbar
machen.
Die Auftragung von Distanz gegen Laufzeit zeigt einen klaren linearen Zusammenhang.
39

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 40
Nr.
Position des
Senders
Distanz [m]
Fehler auf die
Distanz [m]
Laufzeit [ms]
1 01 3,4888 0,0062 2,312 0,002
2 02 5,2785 0,0044 3,504 0,002
3 03 6,8247 0,0049 4,529 0,002
4 08 6,8559 0,0360 4,569 0,002
5 04 8,0589 0,0042 5,351 0,002
6 05 8,9088 0,0043 5,913 0,002
7 06 11,215 0,0042 7,449 0,002
8 07 12,873 0,0024 8,551 0,002
Fehler auf die
Laufzeit [ms]
Tabelle 5.1: Die bestimmten Distanzen zwischen Sender und Empfänger und die zugehörigen
Laufzeiten mit Fehlern.
Distanz [m]
12
χ 2
/ ndf
1.482 / 6
p0 0.009679 ±
0.005997
p1 1.504 ±
0.0009518
10
8
6
4
2 3 4 5 6 7 8 9
Laufzeit [ms]
Abbildung 5.14: Lineare Regression zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit beim
zweiten SBT. Der Parameter p0 gibt den Achsenabschnitt an und die Schallgeschwindigkeit
in m ms
entspricht Parameter p1.
Die Lineare Regression liefert eine Schallgeschwindigkeit von 1504 ± 1 m s
. Der Achsenabschnitt
in der Auftragung beim ersten SBT hat sich auf Grund des neuen Verfahrens zur
Bestimmung der Position des Floßes nicht bestätigt und liegt nur noch bei 9,7 ± 5,9 mm.
Dies entspricht einer Unterschätzung der Laufzeiten von etwa 6 µs oder die Distanzen
wurden etwa 1 cm zu groß gemessen. Da der Algorithmus zur Laufzeitbestimmung die
Laufzeiten eher überschätzt, ist ein systematischer Fehler bei der Positionsmessung des
Testkopfes wahrscheinlicher.
40

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 41
Richtungsabhängigkeit der Laufzeit
Beim ersten SBT wurde die Rotationsabhängigkeit der Sensitivität bei Rotationen um
die Symmetrieachse des Testkopfes untersucht. Viel interessanter ist jedoch die Auswirkung
bei seitlicher Rotation um eine Rotationsachse orthogonal zur Symmetrieachse,
da dieser Winkel sich bei der Fahrt des IceMole unter dem Array hinweg ändert. Die
Aufhängung des Testkopfes wurde zur Untersuchung dieses Zusammenhangs durch eine
drehbare Aufhängung ersetzt. Bei fester Position des Senders in einer Entfernung von
6,86 m wurde nun der Kopf in 8 Schritten um 360 Grad gedreht. Untersucht wurde der
resultierende Unterschied in den ermittelten Laufzeiten. Abbildung 5.15 zeigt die bestimmten
Laufzeiten in Abhängigkeit zum Winkel aus der das Signal kommt. Bei 0 und
360 Grad befindet sich der Sender frontal vor dem Testkopf.
Die Amplitude des Signals zeigte Winkel abhängige Schwankungen. Die Schwelle für die
time [ms]
4.63
4.62
χ 2
/ ndf
5.385 / 8
p0 4.589 ±
0.006667
4.61
4.6
4.59
4.58
4.57
4.56
4.55
0 50 100 150 200 250 300 350
angle [deg]
Abbildung 5.15: Variation der Laufzeit bei Einkopplung des akustischen Signals aus unterschiedlicher
Richtung. Der Parameter p0 gibt den Mittelwert der gemessenen Laufzeit
an.
Messung der Laufzeit wurde aus diesem Grund auf den 3-fachen Mittelwert des Rauschens
herab gesetzt. Trotzdem hat der Algorithmus zur Bestimmung der Laufzeiten
bei manchen Messungen erst die zweite Periode des Signals erkannt. Die Variation der
gemessenen Laufzeit liegt in der Größenordnung einer Schwingungsperiode. Der in Abbildung
5.15 dargestellte Fehler auf die Laufzeit wurde unter Berücksichtigung dieses
Umstandes angepasst und repräsentiert nicht die statistische Schwankung der Laufzeit.
Dieser Umstand weißt auf eine Schwäche des Algorithmus zur Bestimmung der Laufzeit
bei kleineren Signalamplituden auf. Sinkt die erste Periode des einlaufenden Signals unter
die Schwelle zur Bestimmung der Laufzeit, wird die Laufzeit unterschätzt.
Im IceMole sind vier Sensoren jeweils an den Ecken des Kopfes montiert. Dies sollte den
Einfluss der Richtungsabhängigkeit der Signalamplitude minimieren.
41

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 42
5.2.4 Schwimmbad-Test 3: APS Vollsystem-Test
Der dritte SBT stellte einen Test des gesamten APS in enger Anlehnung an den Einsatz
beim ersten Feldtest auf dem Morteratsch Gletscher dar. Bis auf die Sensoren wurden
alle Komponenten der APS-DAQ in der finalen Version getestet.
Die DAQ Entwicklungsplatine wurde im SBT 2 erfolgreich getestet und wurde danach
in der finalen Version für den Feldtest auf dem Morteratsch Gletscher produziert. Die
Auslese der Daten erfolgte über den Embedded PC (Raspberry PI). Die Spannungsversorgung
des APS-DAQ-Systems wurde durch die SVuEnt-Platine bereit gestellt.
Der SBT 2 zeigte, wie in Abschnitt 5.2.3 erläutert, Oszillationen im Signal beim Start
der Digitalisierung. Aus diesem Grund wurde für den SBT 3 von Dmitry Eliseev ein
neuer Sensorprototyp mit einer überarbeiteten Sensor-Platine produziert.
Wesentliche Neuentwicklung zwischen dem zweiten und dritten SBT war auf der Softwareseite
des Systems. Das gesamte APS wurde mittels User Datagram Protocol (UDP)
Befehlen über ein lokales Netzwerk gesteuert. Beim Start eines Digitalisierungs-Fensters
durch den Operator wurde vom Embedded PC in der Akustik Box ein UDP-Befehl
an die ZSE des Arrays gesendet. Hierauf wurde von der ZSE der Sender angesteuert
und gleichzeitig ein Signal zur Synchronisation an die APS-DAQ gesendet. Zur Ansteuerung
der Sender wurde von der ZSE im Abstand von 50 ms eine Pulsfolge von 5
Sinus-Schwingungen erzeugt.
Datennahme
Die von Simon Zierke entwickelte neue Software zur Datennahme stellte ein Auslesetool
mit SQL Klient bereit. Hierbei wurden die Rohdaten wie im finalen IceMole Konzept
für die Tests in der Antarktis direkt in einer SQL-Datenbank gespeichert und stehen so
global für die weitere Analyse und zur Systemkontrolle bereit. Die Struktur der Datenbank
ist in Abbildung 5.16 gezeigt. Hier wird eine Fahrt des IceMole mit einem Run
bezeichnet. Im Fall des SBT 3 ist der gesamte Test ein Run. Während der Fahrt werden
so genannte Messstopps durchgeführt, welche in der Datenbankstruktur mit Stop
bezeichnet wurden. Das muss nicht zwangsläufig ein Stopp in der Fahrt des IceMole bedeuten.
Vielmehr wird ein Messstop durch die Zeit definiert, die benötigt wird, um alle
sechs Sender nacheinander anzusteuern und die Sensoren mit der APS-DAQ auszulesen.
Die Aufzeichnung der Signale von einem Sender wird mit einem Event bezeichnet. Ein
Stop besteht folglich aus sechs Events. Beim SBT 3 wurde die SQL-Datenbank zur
Aufzeichnung der Rohsignale verwendet. Während eines Events wurden 16 Signale aufgezeichnet
und in der RawData Tabelle gespeichert. Vorprozessierte HighLevel Daten
wie Laufzeiten aus gemittelten Signalen und Werte zur Datenqualität (z.B. Signal to Noise
Ratio (SNR)) wurden noch nicht direkt bestimmt. Die Analyse der Rohdaten hatte
jedoch die Entwicklung einer echtzeit Analyse Software zur Ermittlung von Laufzeit-
Daten zum Ziel.
42

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 43
Run
run_id
creation_time
start_time
start_clock
stop_time
stop_clock
Config
config_id
creation_time
sample_rate
sample_count
sample_offset
trigger_count
trigger_interval
description
Stop
stop_id
run_id
config_id
creation_time
note
Event
event_id
stop_id
creation_time
ntp_time
clock_count
pinger_id
event_type
Log
log_id
creation_time
log_level
log_message
RawData
raw_data_id
event_id
clock_offset
channel_id
raw_data
HighLevel
high_level_id
event_id
clock_offset
channel_id
arrival_time
arrival_time_sigma
snr
energy
max_amp
duration
quality_flag
Abbildung 5.16: Struktur der SQL Datenbank Tabellen [32]. Im SBT 3 wurde die Struktur
von Run bis RawData zur Aufzeichnung der Signale benutzt.
Rauschlevel
Durch die Entkopplung der Versorgungsspannung des Verstärkers von der Referenzspannung
des ADCs der Sensorplatine wurden die Oszillation in der Spannung zu Beginn
des Aufzeichnung des Signals vollständig unterdrückt. Das Update der Sensorplatinen
äußerte sich aber auch in einer Reduktion des Rauschlevels. Abbildung 5.17 zeigt jeweils
eine Rauschmessung beim zweiten und dritten SBT. Das Signal wurde bei den gleichen
Umgebungsbedingungen bei ausgeschaltetem Sender und laufenden Umwälzpumpen im
Schwimmbecken aufgezeichnet. Es wurden gemittelten Signale verglichen, um auszuschließen,
dass kurzzeitige Störgeräusche die Messung beeinflussen. Variationen im mittleren
Rauschen in den einzelnen Messungen wurden jedoch nicht beobachtet. Das mittlere
Rauschen konnte von 12,4 mV beim SBT 2 auf 6,0 mV beim SBT 3 reduziert werden.
Da die anderen Komponenten der APS-DAQ das Rauschlevel des Signals nicht beeinflussen,
ist die Rauschminimierung auf die neue Sensorplatine zurück zu führen. Durch
Erhöhung der Amplitude der Pulse der ZSE zur Ansteuerung der Sender, konnte die Signalamplitude
beim dritten SBT erhöht werden. Die Amplitude des Signals war bei allen
Messungen unabhängig von Abstand und Richtung des Senders im Sättigungsbereich des
ADCs.
Für den dritten SBT ergibt sich aus diesem Umstand eine untere Schranke für das
SNR von 533. Unter der Annahme, dass die Steigerung der Signalamplitude nur auf die
veränderte Ansteuerung der Sender zurück zu führen ist, ergibt sich mindestens eine
Steigerung des SNR um den Faktor 2.
43

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 44
amplitude [mV]
1760
1740
1720
1700
1680
1660
1640
1620
1600
1580
1560
0 5 10 15 20 25 30
time [ms]
amplitude [mV]
1760
1740
1720
1700
1680
1660
1640
1620
1600
1580
1560
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03
time [s]
Abbildung 5.17: Vergleich des Rauschlevels zwischen den Iterationen der Sensor-Platinen
beim zweiten und dritten SBT. Oben: Messung des Rauschens beim SBT 2 über 32 ms
ergab ein mittleres Rauschen von 12,4 mV. Unten: Messung des Rauschens mit der variierten
Sensor-Prototyp beim SBT 3. Das Rauschlevel konnte um den Faktor zwei auf
6,0 mV reduziert werden.
Bestimmung der Laufzeit
Jeder Messung wurde bei der Speicherung in der Datenbank eine eindeutige RawData
ID zugeordnet. Da nur der erste Kanal mit einer 400 fachen Verstärkung von nur einer
der vier Sensorplatinen angeschlossen wurde, aber immer alle 8 Kanäle des APS Systems
ausgelesen werden (siehe Abschnitt 3.2.3), wird die i-te Einzelmessungen mit der
RawData ID:
ID = ID 0 + i · 8 (5.4)
gespeichert. Die erste Messung eines Digitalisierungs-Fensters wird mit der RawData ID
ID 0 abgespeichert.
Zur Analyse der Daten wurden die einzelnen Messungen mit der RawData ID von der
Datenbank abgerufen. Anders als beim zweiten SBT wurde die Laufzeit in jeder einzelnen
Messung an einer festen Position bestimmt. Die Laufzeit der Signale von einer Position
des Senders ergeben sich dann über die Mittlung der 16 Laufzeiten. Dies ist möglich
44

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 45
da sie Signale im Schwimmbad sich erheblich vom Rauschen abheben. Die Signale aller
Messungen waren beim dritten SBT unabhängig von Entfernung und Einfallwinkel im
Sättigungsbereich des ADCs.
Als Schwelle für das Ende der Laufzeitmessung wurde wie beim zweiten SBT der Zeitpunkt
festgelegt, bei dem die Amplitude des Signals zum ersten mal das mittlere Rauschen
um den Faktor fünf übersteigt. Auch die Bestimmung des Rauschlevels wurde wie
beim zweiten SBT durchgeführt. Wie die Ergebnisse in Tabelle 5.2 zeigen, ist der Fehler
auf die Laufzeit grundsätzlich deutlich unter dem bei SBT 2 angenommen Wert von
2 µs. Das liegt daran, dass der statistische Fehler auf die Laufzeit durch die Mittlung
der Laufzeiten in den einzelnen Messungen minimiert wird.
Messstopp Sender Position
RawData
ID
Mittlere Laufzeit
[ms]
1 01 513 1,44059 0,00019
8 02 1537 2,83247 0,00009
10 03 1793 4,25084 0,00007
11 04 1921 4,87897 0,00038
12 05 2049 2,53584 0,00015
13 06 2177 2,98672 0,00033
Fehler auf die Laufzeit
[ms]
Tabelle 5.2: Laufzeiten beim dritten SBT. Die RawData ID ist jeweils von der ersten der
16 Messungen an einer Position. Die mittlere Laufzeit stellt den Mittelwert aus den in
den 16 Messungen bestimmten Laufzeiten dar. Der Fehler auf die Laufzeit ist der Fehler
auf den Mittelwert.
45

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 46
Bestimmung der Schallgeschwindigkeit
Eine lineare Regression an die Auftragung der Distanz zwischen Sender und IceMole
Testkopf gegen die ermittelte Laufzeit der Signale lieferte konsistente Ergebnisse mit
den vorherigen SBTs. Abbildung 5.18 zeigt das Ergebnis der linearen Regression. Die
Distanz [m]
7
χ 2
/ ndf
5.417 / 4
p0 0.0001697 ±
0.01102
p1 1.511 ±
0.003003
6
5
4
3
2
1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
Laufzeit [ms]
Abbildung 5.18: Bestimmung der Schallgeschwindigkeit beim dritten SBT. Der Parameter
p0 gibt den Achsenabschnitt an und p1 entspricht der Schallgeschwindigkeit in
m
ms .
Schallgeschwindigkeit im Wasser des Testbeckens wurde zu 1511 ± 3 m s
bestimmt. Der
Algorithmus zur Bestimmung der Laufzeit liefert eine mit der Erwartung von 1507 m s
[17] konsistente Schallgeschwindigkeit. Der Achsenabschnitt von 0 ± 11 mm ist ein klares
Indiz dafür, dass keine weiteren systematischen Fehler in der Laufzeitbestimmung auftauchen.
Abildung 5.19 zeigt die in den Schwimmbad-Tests gemessenen Schallgeschwindigkeiten
im Vergleich zur Erwartung in Abhängigkeit von der Wassertemperatur. Als Vergleich
dient ein Polynom fünften Grades, welches an Messwerte der Schallgeschwindigkeit u bei
Variation der Temperatur angepasst wurde [17]. Das Polynom hat folgende Parametrisierung:
u =1402, 736 + 5, 03358 · T + 0, 0579506 · T 2 + 3, 31636 · 10 −4 · T 3 −
1, 45262 · 10 −6 · T 4 + 3, 0449 · 10 −9 · T 5 .
(5.5)
Die Messungen wurden bei einem Umgebungsdruck p von ungefähr 1 atm mit Schallsignalen
bei einer Frequenz von 750 kHz in destilliertem Wasser genommen.
46

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 47
Die Temperatur des Wassers im Testbecken wurde während des zweiten SBT und noch
einmal mit einer größeren Genauigkeit beim dritten SBT gemessen. Die Temperatur
des Wassers beim ersten SBT wurde nicht bestimmt. Die Variation der Temperatur des
ständig beheizten Beckens kann allerdings als gering angenommen werden.
Die gemessenen Schallgeschwindigkeiten stimmen innerhalb ihrer Fehler mit der Erwar-
1540
1520
Schallgeschwindigkeit [m/s]
1500
1480
1460
1440
Landolt-Boernstein
APS Pool Test 1
APS Pool Test 2
APS Pool Test 3
1420
24 25 26 27 28 29 30
Temperatur [C]
Abbildung 5.19: Vergleich der gemessenen Schallgeschwindigkeiten mit der Temperatur
abhängigen Erwartung aus [17].
tung überein. Aus den in SBT 1 bis 3 gemessenen Schallgeschwindigkeiten c i lässt sich
ein mit der Genauigkeit der Messung σ ci gewichteter Mittelwert x gemäß
c =
∑
i w i · c
∑ i
i w mit w i = 1
i
σc 2 i
(5.6)
berechnen. Der Fehler auf den Mittelwert ergibt sich gemäß der Gaußschen Fehlerfortpflanzung
zu
√
1
σ c = ∑
i w . (5.7)
i
Durch den deutlich größeren Fehler der Messung beim ersten SBT geht die gemessene
Schallgeschwindigkeit mit einer deutlich geringeren Gewichtung in diesen Mittelwert ein.
Es ergibt sich eine Schallgeschwindigkeit c von 1504,69 ± 0,95 m s .
47

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 48
5.2.5 Rekonstruktion der IceMole Position
Mit den in 5.2.4 bestimmten Laufzeiten ist es unter Kenntnis der Positionen der Sender
und der Schallgeschwindigkeit möglich die Position des Testkopfes, oder genauer des
integrierten Sensors, zu bestimmen. Hierzu wurden die Laufzeiten t n zunächst mit der
in Abschnitt 5.2.4 ermittelten Schallgeschwindigkeit in Laufstrecken r n umgerechnet.
Der Ort des IceMole muss die Kreisgleichungen
√
D n = ((x n − x Empf ) 2 + (y n − y Empf ) 2 + (z n − z Empf ) 2 ) (5.8)
für alle 6 Messungen erfüllen. Hierbei sind D n die aus den Laufzeiten und der Schallgeschwindigkeit
von 1, 511 m ms bestimmten Laufstrecken und (x n, y n , z n ) ist die Position
des n-ten Senders. Als Koordinatensystem wurde das für die Rekonstruktion der Sender
Positionen mit dem Laserodometer definierte System festgelegt (Siehe Abbildung 5.20).
Zur Schätzung der Position des Testkopfes wurde die TMinuit Klasse aus dem Root-
Framework des Cern benutzt. Mit TMinuit wurde die benutzerdefinierte χ 2 - Funktion
χ 2 =
Anzahl
∑Sender
n=1
(D n − r n ) 2
σ 2 n
(5.9)
minimiert. Hierbei sind (x Empf , y Empf , z Empf ) die freien Parameter. Die Auflösung der
χ 2 - Funktion σ n wurde auf 1 mm gesetzt und ergibt sich aus dem maximalen Fehler auf
die Laufzeiten von 0,38 µs multipliziert mit der Schallgeschwindigkeit.
Tabelle 5.3 zeigt die Ergebnisse der Rekonstruktion der Position des Testkopfes aus den
6 Positionen des Senders des dritten SBTs und den ermittelten Laufzeiten.
x [m] y [m] z [m]
Gemessene Position 0.00 5,79 -1,44
Fehler auf Messung 0.01 0,01 0,02
Rekonstruierte Position 0,013 5,810 -1,977
Fehler auf rekonstruierte Position
0,001 0.001 0,071
Tabelle 5.3: Rekonstruierte Position des Testkopfes im Vergleich zur gemessenen Position.
Die Position des Testkopfes wurde zum Vergleich in x- und y-Richtung mit dem
Laserodometer ausgemessen. Die Bestimmung der Tiefe erfolgte mittels eines Maßbandes.
Die Position des Testkopfes wurde während des SBTs bestimmt. Die Messung der Tiefe
des Testkopfes ist aufgrund der eingeschränkteren Zugangsmöglichkeiten ungenauer.
Die Rekonstruktion lieferte in x- und y-Richtung im Rahmen der Messfehler konsistente
Werte mit der Messung. Die rekonstruierte Tiefe weicht jedoch erheblich vom Messwert
ab. Die Position wurde über die Minimierung der Fehlerquadrate relativ zur Messung
53,7 cm zu hoch geschätzt. Der Grund hierfür liegt in der Geometrie des simulierten
48

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 49
Sender-Arrays. Wie Abbildung 5.20 verdeutlicht, liegt der Sender an allen Positionen
auf der gleichen Seite des IceMole Testkopfes.
Die Tiefe wurde in Anlehnung an den Einsatz des Sender-Arrays auf einem Gletscher
nicht variiert. Die Positionierung eines Senders unterhalb des IceMole wäre ideal für eine
exakte Bestimmung der Tiefe, ist aber in Eis deutlich aufwendiger zu realisieren. Für
eine genauere Ermittlung der z-Koordinate ist die Positionierung eines Senders genau
über dem IceMole empfehlenswert.
Pos 05
IceMole
Testkopf
Pos 02 Pos 04
Pos 01 Pos 03
Pos 06
I
Messpunkte Laserodometer
II
III
Abbildung 5.20: Rekonstruierten Positionen des simulierten Sender-Arrays beim dritten
SBT. In Blau ist die Projektion der Position des Testkopfes mit integriertem Empfänger
in diese Ebene dargestellt.
49

5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 50
5.2.6 Zusammenfassung
Das Konzept des APS wurde erfolgreich in Wasser getestet. Die Synchronisation zwischen
ZSE und APS-DAQ ist zeitlich sehr stabil und ermöglicht eine Messung der Laufzeiten
mit einer Genauigkeit von unter 1 µs.
Der Algorithmus zur Laufzeitbestimmung lieferte mit der Erwartung konsistente Laufzeiten.
Der statistische Fehler auf die Laufzeiten konnte durch die Mittlung über mehrere
Messungen auf unter 1 µs reduziert werden. Der Algorithmus neigt zu einer Signalamplitudenabhängigen,
systematischen Überschätzung der Laufzeiten in der Größenordnung
des Anstiegs der ersten Signalflanke. Bei hinreichend großen Amplituden ist diese allerdings
konstant und kann aus den Laufzeiten rausgerechnet werden. Schwächen zeigte der
Algorithmus jedoch bei geringen Signalamplituden, bei denen die Laufzeit unkontrolliert
überschätzt wird.
Die Daten der Laufzeitmessung ermöglichten eine Rekonstruktion der Position des Ice-
Mole Testkopfes mit einer Genauigkeit von 1 mm in der Ebene parallel zum Sender-Array.
Die rekonstruierte Tiefe weicht um ca. einen halben Meter von der wahren Tiefe ab. Allerdings
wurde das Array nur auf einer Seite des IceMole Testkopfes simuliert und nur
ein APS Sensor verwendet.
Die Schallgeschwindigkeit in Wasser bei einer Temperatur von 29 ◦ C wurde mit einer
Genauigkeit von unter 1 m s
bestimmt und beträgt 1504,69 ± 0,95 m s .
Das APS wurde bei Feldtest 1 auf dem Morteratsch Gletscher erfolgreich eingesetzt.
Hierbei konnte die Funktionalität der akustischen Ortung gezeigt werden.
50

6 Tests des Akustischen Systems zur
Vorfelderkundung (ARS)
6.1 Zielsetzung
Das zweite Subsystem der akustischen Navigation des IceMole erfordert durch ein anderes
Anforderungsprofil auch eine andere Messumgebung. Das ARS hat die Bildgebung
des Vorfeldes und das Erkennen von voraus liegenden Strukturen im Eis zum Ziel.
Nach der Inbetriebnahme der Phasenarrays im Labor, wurden im Rahmen eines Feldtests
auf dem Morteratsch Gletscher im Engadin (Schweiz) Testmessungen mit einem
Phasenarray in Eis genommen.
6.2 DAQ der Phasenarrays
Zur Ansteuerung der Phasenarrays und Datennahme im Labor und beim Feldtest stand
ein National Instruments DAQ System zur Verfügung. Zentraler Rechner der DAQ stellt
ein NI PXIe-8135 dar. Dieser ist zur Erzeugung der Sendepulse für das Phasenarray
mit dem NI PXI-6541, einem digitalen Pulsgenerator, verbunden. Hierüber können unabhängig
voneinander auf 32 Kanälen Signale mit einer Frequenz von 48 Hz bis 50 MHz
erzeugt werden [6]. Zur Messung der empfangenen Echos wurde ein NI 5752 Digitalisierer
benutzt.
(a)
(c)
(b)
(d)
Abbildung 6.1: Die DAQ zur Ansteuerung der Phasenarrays im Feldeinsatz auf dem Morteratsch
Gletscher. (a) NI PXI System mit Pulsgenerator und Analog Digital Wandler
zur Datennahme. (b) Pulsformer. (c) Über ein lokales Netztwerk kann mittels Remote-
Desktop auf das NI PXI System zugegriffen werden. (d) Phasenarray.
51

6 Tests des Akustischen Systems zur Vorfelderkundung (ARS) 52
6.2.1 Pulsformer
Um die Resonanzfrequenz der Phasenarrays von 780 kHz zu treffen, werden vom Pulsgenerator
Rechteck-Pulse mit einer Breite von 640 ns erzeugt. Dies entspricht der halben
Schwingungsperiode einer 780 kHz Schwingung. Über die Verspätung mit der die einzelnen
Kanäle des Phasenarrays angesteuert werden, kann die Richtung der Aussendung
oder die Fokusweite variiert werden (siehe Abschnitt 3.2.2). Die zentrale Herausforderung
bei der Transformation dieser Pulse ist die Geschwindigkeit in der alle 16 Pulse des
Delaygenerators transformiert werden müssen.
Die vom Pulsgenerator NI PXI-6541 generierten Pulse sind reine TTL Pulse. Zur Ansteuerung
der Phasenarrays werden allerdings Pulse mit einer Amplitude von -70 V
benötigt. Um die benötigten Pulse zu transformieren wurde von Peter Linder (FH Aachen)
eine Verstärkerschaltung entwickelt. Dieser in Abbildung 6.2 dargestellte Pulsformer
besteht aus fünf Komponenten.
• Zunächst wird eine externe Spannungsversorgung auf auf -63V und -70V transformiert.
Diese Spannungen liegen an der Versorgerschaltung an. Sie liefert die
nötige Potentialdifferenz für die Rechteck-Pulse zur Ansteuerung der Phasenarrays.
Über Kondensatoren wird ein Leistungseinbruch bei gleichzeitiger Schaltung
aller Kanäle vermieden.
• Die Erste Stufe besteht aus einem invertierenden Schmitt-Trigger pro Kanal.
Schmitt-Trigger sind Komparatoren bei der Ein- und Ausschaltspannung nicht
zusammenfallen. Sie zeichnen sich durch eine sehr schnelle Arbeitsweise aus. Das
am Eingang anliegende Signal wird so zu einem scharfen invertierten Rechteck
Puls.
• Die Offset Platine besteht im wesentlichen aus einer AC-Kopplung und einem
zweiten invertierenden Schmitt-Trigger.
• Die Endstufe besteht aus einem Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor
(MOSFET) pro Kanal. Als Steuersignal für den jeweiligen Transistor dient der
Puls des zweiten Schmitt-Triggers. Mit der fallenden Flanke des Steuerpulses nach
640 ns wird die aufgebaute Potentialdifferenz über Widerstände abgeführt.
• Die Signalteiler-Platine gibt den erzeugten Puls an das Pasenarray weiter. Jeder
Kanal des Phasenarrays ist gleichzeitig über einen Widerstand mit einem ADC des
NI 5752 Digitalisierers verbunden. Zum Schutz der Eingänge der Digitalisierung,
werden Zener Dioden in Sperrichtung zur Limitierung der am ADC anliegenden
Spannung eingesetzt.
52

6 Tests des Akustischen Systems zur Vorfelderkundung (ARS) 53
Abbildung 6.2: Foto des geöffneten Pulsformers mit der Spannungsversorgung und den
Platinen zur Erzeugung des Sende-Pulses für das Phasenarray.
Abbildung 6.3: Schaltplan des Pulsformers. Die in Kästen umrandeten Komponenten
sind jeweils auf einer Platine untergebracht. Siehe Text zur Erläuterung der Komponenten.
[26]
53

6 Tests des Akustischen Systems zur Vorfelderkundung (ARS) 54
6.2.2 Datennahme
Zur Datennahme verfügt das NI PXI System über eine NI 5752 DAQ-Karte mit bis zu
32 analogen Eingängen. Die Eingangssignale können bei einer maximalen Amplitude von
±2, 1 V mit der maximalen Abtastrate von 50 MHz aufgenommen werden [21]. Gesteuert
wird die Digitalisierung von einem Labview Programm zur Datenerfassung. Das von
Peter Linder entwickelte Programm ermöglicht eine direkte Darstellung der Signale aller
16 ausgelesenen Kanäle des Phasenarrays.
Die Software nutzt standardmäßig die vom Phasenarray ausgesendeten Pulse als Trigger,
ermöglicht aber auch eine Aufzeichnung der Daten nach manueller Auslösung durch
den Benutzer. Bei gewünschter Speicherung der aufgezeichneten Daten, werden die an
den einzelnen Kanälen des Analog Digital Konverters anliegenden Spannungen in 16 Bit
Integer Werte konvertiert und in eine Textdatei geschrieben. Gespeichert werden die
Rohdaten aller 16 Kanäle ohne vorherige Datenverarbeitung.
Da Pulsformer und DAQ Karte gleichzeitig an den jeweiligen Kanälen des Phasenarrays
angeschlossen sind, ist die Datennahme während der Pulsaussendung nicht möglich. Der
Analog Digital Wandler ist während dieser Zeit in Sättigung. Die Pulsbreite gibt hierbei
die Dauer des Fensters vor, in dem kein Signal aufgezeichnet werden kann.
Bei jeder Messung wurden die Phasenarrays mit einer Abtastrate f Sampling von 50 MHz
ausgelesen. Abhängig von der eingestellten Anzahl der Datenpunkte N Sampling wird das
Zeitfenster der Datennahme für eine Messung festgesetzt. Die Tiefe d, bis zu der Echos
von Strukturen im Eis aufgelöst werden können, hängt folgendermaßen von diesen Parametern
ab:
d = ∆s
2 = N Sampling · c Schall
(6.1)
2 · f Sampling
Hierbei ist c Schall die Schallgeschwindigkeit im untersuchten Medium und ∆s die zurück
gelegte Wegstrecke der Ultraschall-Signale. Um die Datenmengen zu reduzieren wurde
die Anzahl der Datenpunkte N S pro Messung an die erwartete Entfernung zwischen
Phasenarray und Struktur im Eis angepasst. Bei einer Schallgeschwindigkeit von 3840 m s
in Eis mit einer Temperatur von 0 ◦ C [4] ergeben sich ca. 26000 Datenpunkten pro 1 m
Tiefe und Element des Phasenarrays.
Eis in Gletschern erzeugt durch das plastische Fließen des Gletschers beim Aufbrechen
einzelner Eislagen oder bei schnellen Temperaturänderungen Störgeräusche. Diese
Störgeräusche haben ein sehr breites Frequenzspektrum und unter Umständen eine
sehr große Reichweite. In den Rohdaten sind diese Störungen kaum von Signalen zu
unterscheiden. Um eine Unterscheidung zu ermöglichen, wurden bei der Datennahme
grundsätzlich zwei unterschiedliche Methoden angewandt. Bei einer Untersuchung des
Eises in einer ausgezeichneten Richtung ohne Variation des Winkels unter dem die Schallkeule
vom Phasenarray ausgesendet wird, können Störgeräusche nur durch Mittlung über
mehrere Messungen erkannt werden. Da Störgeräusche zeitlich nicht mit dem Aussenden
der Pulse korrelieren, sinkt die Amplitude der Störgeräusche bei einer Mittlung der
Daten im Gegensatz zur Signalamplitude. Nachteil ist die Erzeugung sehr großer Datenmengen.
Eine andere Methode ist die Variation des Winkels unter dem die Schallkeule
ausgesandt wird. Störungen sollten nur unter einem bestimmten Winkel auftauchen. Ein
von einem Objekt im Eis reflektiertes Signal sollte beim überstreichen der Schallkeule
über einen bestimmten Winkelbereich an Amplitude zu- und abnehmen.
54

6 Tests des Akustischen Systems zur Vorfelderkundung (ARS) 55
6.2.3 Datenverarbeitung und Filterung
Zur Rauschminimierung wurde ein digitaler Bandpass-Filter auf die Messdaten der einzelnen
Kanäle angewandt. Die Wirkungsweise des Filters beruht auf einer Transformation
des Signals in die Frequenzdomain mittels einer schnellen Fourier Transformation
(FFT) und anschließender Filterung der zum Signal beitragenden Frequenzen. Zur
Transformation wurde die TVirtualFFT Klasse aus dem ROOT-Framework des Cern
benutzt. Die TVirtualFFT Klasse enthält verschiedene Funktionen zur Fouriertransformation.
Die FFT stellt eine schnelle Methode zur Berechnung der Diskreten Fourier
Transformation (DFT) eines Signals dar [12].
Der Bandpass Filter besteht aus drei Schritten.
• Zunächst wurden die Rohdaten durch die FFT in die Frequenzdomain transformiert.
Der mittlere Graph in Abbildung 6.4 zeigt das so erzeugte diskrete Frequenzspektrum
des Signals an einem Beispiel. Die Zielfrequenz des Signals liegt
bei 780 kHz.
• Im Frequenzspektrum wurden nun bestimmte Frequenzen aus dem Spektrum gefiltert.
Hierzu wurde die Ausgabe der FFT elementweise mit der Filterfunktion
⎧
⎨ 0 , für F(i) < a
B(i) = 1 , für a ≤ F(i) < b
(6.2)
⎩
0 , für b < F(i)
multipliziert. Hierbei ist F (i) die Frequenz des i-ten Elements des Frequenzspektrums.
Die Magnitude für alle Frequenzen unterhalb der unteren Grenze a und
oberhalb der oberen Grenze b des Bandpass-Filters wird so auf Null gesetzt.
• Das so erzeugte diskrete Frequenzspektrum wurde nun mit der inversen FFT
zurück transformiert. Das gefilterte Signal setzt sich nur noch aus den Frequenzen
innerhalb der Grenzen des Bandpass-Filters zusammen.
Abbildung 6.4 zeigt die Wirkung des Filters auf die Rohdaten einer Messung in Wasser.
Für die Messung wurde das Phasenarray frontal vor einem ca. 12 cm großen Stein im
Schmelzkanal positioniert. Die Distanz zwischen Array und Stein betrug 40±5 cm. Bei
einer Laufstrecke der Signale von 80±10 cm und einer Schallgeschwindigkeit in Wasser
bei einer Temperatur 1 ◦ C von 1407,7 m s
ergibt sich eine erwartete Laufzeit von
0,568±0,073 ms. Aufgrund der guten Übereinstimmung der Laufzeit mit der Erwartung,
kann das Signal bei 0,57 ms mit dem Echo vom Stein identifiziert werden. Des Weiteren
zeigen die Daten bei allen benachbarten Messungen ein Echo nach der gleichen Zeit,
lediglich die Amplitude nimmt nach außen hin ab.
Die Grenzen des Bandpassfilters wurden hier auf 200 kHz und 1,2 MHz gesetzt. Bei einer
weiteren Eingrenzung der Frequenz wurde beobachtet, dass die Signalamplitude sinkt,
ohne dass die Amplitude des Rauschens sinkt.
55

6 Tests des Akustischen Systems zur Vorfelderkundung (ARS) 56
Amplitude [# ADC Kanal]
Rohdaten
5000
4000
3000
2000
1000
0
-1000
-2000
-3000
-4000
-5000
0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012
Zeit [s]
Magnitude [# ADC Kanal / Hz]
20000
15000
10000
5000
Frequenzspektrum
0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
3
×10
8000
Frequenz [Hz]
Amplitude [# ADC Kanal]
Signal nach Bandpass Filter
5000
4000
3000
2000
1000
0
-1000
-2000
-3000
-4000
-5000
0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012
Zeit [s]
Abbildung 6.4: Filterung des Signals einer Messung im Wasser gefüllten Schmelzkanal des
IceMole. Oben: Von Kanal 0 aufgezeichnete Rohdaten des Phasenarrays bei Aussendung
eines Pulses unter einem Winkel von 0 Grad. Am Anfang der Aufzeichnung ist der
Sende-Puls zu sehen, der langsam abklingt. Nach 0,57 ms ist das Echo von einem im
Schmelzkanal in einer Entfernung von ca. 0,42 m deponierten ca. 12 cm großen Stein zu
sehen. Mitte: Frequenzspektrum des Signals. In rot sind die Grenzen eines Bandpass-
Filters bei 200 kHz und 1,2 MHz eingezeichnet. Unten: Das zurück transformierte Signal
zeigt keine Abnahme in der Signalamplitude. Die Unterdrückung der niederfrequenten
Grundschwingung am Anfang des Signals ist deutlich zu erkennen.
56

6 Tests des Akustischen Systems zur Vorfelderkundung (ARS) 57
6.3 Feldtest Morteratsch
Nach der Inbetriebnahme der Phasenarrays mit der in Abschnitt 6.2 beschriebenen DAQ
wurden im Rahmen des ersten Feldtests des IceMole auf dem Morteratsch Gletscher im
Engadin (Schweiz) erste Testdaten mit dem System genommen. Hierbei stand zunächst
der Test der Ansteuerung der Phasenarrays und der Datennahme unter einsatznahen
Bedingungen im Vordergrund.
Ein weiterer zentraler Untersuchungsgegenstand war die Reichweite, bis zu der größere
Strukturen im Eis vom Phasenarray erkannt werden können.
Abbildung 6.5: Testumgebung des Feldtests auf dem Morteratsch Gletscher.
6.3.1 Testumgebung
Unter Berücksichtigung der geplanten Test-Manöver des IceMole und der Tests der anderen
Subsysteme wurde während des Feldtests ein Testfeld in unmittelbarer Umgebung
einer größeren Gletscherspalte gewählt. Hier wurden an verschiedenen Stellen Messungen
mit dem Phasenarray durchgeführt.
Zur besseren Handhabung während der Messungen wurde das Phasenarray in Anlehnung
an die Integration im Schmelzkopf in ein zylinderförmiges Gehäuse aus Aluminium
mit einem Durchmesser von 10 cm eingelassen. Während einer Messung wurde das Phasenarray
an eine ebene Oberfläche des Eises frontal vor der Ziel-Struktur gedrückt. Der
Anpressdruck schmilzt das Eis vor dem Phasenarray wodurch sich ein dünner Wasserfilm
zwischen Array und Eis bildet. Dies ist Wichtig für die Ankopplung des Arrays an das
Eis. Der Reflektionsfaktor r beim Übergang einer Schallwelle von Medium 1 zu Medium
2 ist abhängig von der Differenz der Schallkennimpedanzen Z i der Medien [27]:
r = Z 2 − Z 1
Z 1 + Z 2
(6.3)
Um so mehr Schallleistung reflektiert wird, desto weniger Schallleistung wird transmittiert
[27]. Da die Differenz der Schallkennimpedanzen beim Übergang von Luft zu Eis
deutlich größer ist als beim Übergang von Wasser zu Eis, erhöht der Wasserfilm zwischen
Array und Eis die Ankopplung des Arrays an das Eis.
57

6 Tests des Akustischen Systems zur Vorfelderkundung (ARS) 58
6.3.2 Funktionstest und Messungen in Wasser
Um die einwandfreie Arbeitsweise der DAQ der Phasenarrays
nach dem Transport auf den Gletscher zu testen wurden
zunächst Messungen in Wasser genommen. Der in Abbildung
6.6 gezeigte Aufbau ähnelte hierbei den Messungen in einem
Wasser gefüllten Becken während der Inbetriebnahme der Phasenarrays
im Labor. Für die Messung stand ein ca. 70 cm tiefer
Schmelzkanal des IceMole zur Verfügung. Das Phasenarray
wurde horizontal in einer Entfernung von 54±1 cm frontal vor
der Rückwand des Schmelzkanals befestigt. Zusätzlich wurde
der Griff eines Eispickels zwischen Phasenarray und Rückwand
befestigt. Der Pickel wurde leicht seitlich vor dem Phasenarray
in einem Abstand von 22±1 cm. platziert. Mit dem Phasenarray
wurde nun ein Winkelbereich von ±30 Grad unter-
Phasenarray
Pickel
Abbildung 6.6: Aufbau
zum Funktionstest des
Phasenarrays.
sucht. Bei einer Schallgeschwindigkeit von 1407,7 m s
[17] ergibt
sich eine Laufzeit von 0,313 ± 0,014 s für die Reflexion vom Pickel
und 0,767 ± 0,014 s für die Reflexion der Rückwand des
Schmelzkanals.
Abbildung 6.7 zeigt exemplarisch die unter einem Sendewinkel
von 0 Grad aufgenommene Messung. Bei einer Laufzeit
von 0,315 ms ist ein deutliches Signal zu erkennen. Ein weiteres
deutlich schwächeres Signal beginnt bei 0,762 ms und ist deutlich breiter. Die Signale
können eindeutig mit den erwarteten Reflexionen identifiziert werden. Beide Signale sind
in den Messungen sämtlicher Sendewinkel zu sehen. Lediglich die Amplitude der Reflexion
des Pickels nimmt nach außen hin ab. Die Reflexion der Rückwand ist deutlich
breiter, da Die Rückwand nicht eben ist.
Amplitude [# ADC Kanal]
10000
5000
0
-5000
-10000
0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012
Zeit [s]
Abbildung 6.7: Testmessung in Wasser bei einem Sendewinkel von 0 Grad mit einem Frequenzfilter
bis 200 kHz und ab 1,2 MHz. Die Reflexionen des Pickels und der Rückwand
des Schmelzkanals sind klar zu erkennen.
58

6 Tests des Akustischen Systems zur Vorfelderkundung (ARS) 59
6.3.3 Messungen im Firneis
Im Umfeld des Testbereiches des IceMole wurden mehrere Messungen mit dem Phasenarray
im Firneis an der Oberfläche des Gletschers durchgeführt.
Struktur des Firneises
Durch Schwankungen der Witterungsbedingungen wie Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit
und Windgeschwindigkeit unterliegen die akkumulierten Schneemassen auf einem
Gletscher einer Metamorphose. Hierbei findet eine Umwandlung der hexagonalen
Schneeflocken in Firnkörner statt. Zwischen Neuschnee an der Oberfläche und Gletschereis
in größerer Tiefe entsteht eine Schicht aus Firneis. Die Dicke dieser Schicht und
die Geschwindigkeit der Ausbildung ist stark von den Witterungsbedingungen und dem
Breitengrad abhängig. [31]
Firneis zeichnet sich durch eine körnige Struktur
aus. Bei der Metamorphose zu kompaktem Eis
wird Luft eingeschlossen [31]. Abbildung 6.8 zeigt
eine Aufnahme der Struktur von Firneis in einer
Tiefe von ca. 50 cm unterhalb der lockeren Schneedecke
auf dem Morteratsch Gletscher. Im Eis sind
mehrere Einschlüsse aus Luftblasen zu erkennen,
deren Durchmesser im Bereich von wenigen Millimetern
liegt.
Die Firnlinie bezeichnet die Grenze zwischen Firn,
der mindestens eine Ablationsperiode überdauert
hat, und der Eisphase an der Gletscheroberfläche
[31]. Unterhalb der Firnlinie ist das Eis den jahreszeitlichen
Schwankungen der Temperatur nahezu
nicht ausgesetzt. Das Alter des unter der Schicht
aus Firneis befindlichen Eises ist deutlich höher
als das der Oberfläche. Der größere Druck erhöht
die Dichte und macht das Eis kompakter. Auch die
Abbildung 6.8: Struktur des Firneises
auf dem Morteratsch Gletscher
in einer Tiefe von ca. 50 cm.
Größe und Anzahl der im Eis eingeschlossenen Luftblasen sinkt mit der Tiefe [25]. Dies
führte zu der Idee die Messungen in tieferen Eisschichten durchzuführen.
Im Rahmen der durch den Aufbau der DAQ limitierten Reichweite wurden Messungen
bis zu einer Tiefe von 1,3 m unterhalb der Schneedecke durchgeführt.
59

6 Tests des Akustischen Systems zur Vorfelderkundung (ARS) 60
Messungen und Ergebnisse
Das Phasenarray wurde unmittelbar vor verschiedene Objekte und Grenzflächen positioniert.
Untersucht wurde der Übergang von Eis zu Wasser und Luft. Als Grenzfläche
standen die Schmelzkanäle des IceMole und die in Abbildung 6.5 gezeigte Spalte zur
Verfügung. Dabei war ein Schmelzkanal mit Schmelzwasser gefüllt und ein Schmelzkanal
mit Luft gefüllt. Der Übergang von Eis zu Luft, sollte wegen der größeren Differenz in
der Schallkennimpedanz eine stärkere Reflexion hervor rufen.
Zur Messung wurde das Phasenarray frontal vor der Ziel-Struktur an das Eis gekoppelt.
Nun wurde der Winkel der ausgesendeten Schallkeule über einen Bereich von 90 Grad
symmetrisch von einer zur anderen Seite durchgefahren. Danach wurde der Anstellwinkel
des Arrays variiert und die Prozedur wiederholt. Die Entfernung zwischen Grenzschicht
und Phasenarray wurde insgesamt über einen Bereich von 20 cm bis 250 cm variiert.
Des Weiteren wurde ein etwa 12 cm großer Stein und eine 2 cm dicke Eisenstange in ein
mit Wasser gefülltes Schmelzloch eingebracht und mit dem Phasenarray ins Visier genommen.
In sämtlichen Messungen wurden keine Echos der Grenzflächen im erwarteten
Zeitfenster erkannt.
Abbildung 6.9 zeigt exemplarisch eine der Messungen, bei dem das Phasenarray auf die
Spalte gerichtet ist. Charakteristisch für alle Messungen ist der Beginn des aufgezeichneten
Signals, der sich, wie Abbildung 6.10 zeigt, von dem in Wasser unterscheidet. Zu
beachten ist, dass aufgrund der größeren Schallgeschwindigkeit in Eis die Laufstrecke
des Signals im Medium bei gleicher Laufzeit um den Faktor 2,74 größer ist 1 . Die am
Piezo abgegriffene Spannung fällt in Wasser innerhalb von 20 µs auf das Rauschniveau
ab. Bei der Messung in Eis ist das Ausschwingen des Sensors verzögert. Es dauert ca.
45 µs bis das Rauschniveau erreicht ist. Die auffällige Modulation des Abfalls könnte
durch Reflexionen und Beugung der akustischen Welle unmittelbar vor dem Phasenarray
und damit verbundener destruktiver Interferenzen hervorgerufen werden. In Wasser tritt
dieser Effekt wegen der Isotropie nicht auf.
1 Abschätzung mit den Schallgeschwindigkeiten bei einer Temperatur von 0 ◦ C in Wasser aus [17] und
c
in Eis aus [4]: Eis
c W asser
= 3840 = 2, 74 1403
60

6 Tests des Akustischen Systems zur Vorfelderkundung (ARS) 61
Amplitude [# ADC Kanal]
Magnitude [# ADC Kanal/Hz]
Amplitude [# ADC Kanal]
Rohdaten
5000
4000
3000
2000
1000
0
-1000
-2000
-3000
-4000
-5000
0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 0.0014 0.0016 0.0018 0.002
Zeit [s]
Frequenzspektrum
20000
18000
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
0 1000 2000 3000 4000 5000
3
×10
6000
Frequenz [Hz]
Signal nach Bandpass Filter
5000
4000
3000
2000
1000
0
-1000
-2000
-3000
-4000
-5000
0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 0.0014 0.0016 0.0018 0.002
Zeit [s]
Abbildung 6.9: Oben: Rohdaten einer Messung mit dem Pasenarray frontal auf die Spalte
gerichtet. Die Entfernung zur Spalte betrug 2,5 m, was einer erwarteten Laufzeit von
1,3 ms entspricht. Das Array befand sich während der Messung in einer Tiefe von 1,3 m
unter der Schneedecke. Mitte: Frequenzspektrum des aufgezeichneten Signals. In rot sind
die Grenzen des verwendeten Bandpass-Filters eingezeichnet. Es wurden alle Anteile mit
Frequenzen unterhalb von 720 kHz und oberhalb von 830 kHz raus gefiltert. Unten: Mit
Bandpass gefiltertes Signal. Es ist keine Reflexion in dem erwarteten Zeitfenster zu
erkennen.
61

6 Tests des Akustischen Systems zur Vorfelderkundung (ARS) 62
Amplitude [# ADC Kanal]
20000
15000
10000
5000
0
-5000
-10000
-15000
-20000
0 0.02 0.04 0.06 0.08
×10
0.1
Zeit [s]
-3
Amplitude [# ADC Kanal]
20000
15000
10000
5000
0
-5000
-10000
-15000
-20000
0 0.02 0.04 0.06 0.08
×10
0.1
Zeit [s]
Abbildung 6.10: Vergleich der ersten 0,1 ms eines Signals bei Aussendung unter einem
Winkel von 0 Grad in Wasser (oben) und Eis (unten). In Eis tritt eine Modulation
des exponentiellen Abfalls der am Piezo abgegriffenen Spannung auf. Dies könnte die
Leistung der Schallwelle im Eis minimieren.
-3
62

6 Tests des Akustischen Systems zur Vorfelderkundung (ARS) 63
6.3.4 Messungen in Kompakteis
Abbildung 6.11: Aufnahme durch eine etwa
30 cm dicke Wand aus kompaktem Eis in der
Gletscherhöhle.
In den Messungen im Firneis der
Oberfläche des Gletschers konnten keine
eindeutigen Reflexionen von Strukturen
im Eis oder Grenzflächen erkannt
werden. Auf dem Weg zum
Testfeld in der Nähe der Gletscherzunge
wurde jedoch eine begehbare
Höhle entdeckt die einen Einblick in
das kompakte, deutlich tiefer liegende
Gletschereis gewährte. Die Oberfläche
des Gletschers war in diesem
Bereich mit Ablagerungen von Geröll
und größeren Felsen bedeckt. Dieses
als Toteis bezeichnete Eis wird von der
sie bedeckenden Schicht aus Sedimenten
weites gehend von der Sonneneinstrahlung
geschützt und überdauert länger als der sich zurück ziehende Hauptgletscher
[11]. Abbildung 6.11 zeigt die Struktur des Eises innerhalb der Höhle. Die Zahl der eingeschlossenen
Luftblasen ist deutlich geringer, als im Firneis. Manche Bereiche sind völlig
frei von erkennbaren Einschlüssen.
Testumgebung und Aufbau der Messung
Das Eis in der Höhle war eine ideale Testumgebung für die Messungen mit dem Phasenarray,
abgesehen von der Infrastruktur. Um die Phasenarrays unabhängig von den
Generatoren für die Energieversorgung des IceMole zu betreiben, wurde die ARS-DAQ
mit einem auf 240 V hoch transformierten Akkumulator betrieben. Die Ladung des Akkumulators
limitierte das Zeitfenster für die Messungen auf etwa eine Stunde. Durch die
Entfernung zum Testfeld und den damit verbundenen logistischen Aufwand konnte die
Messung nur an einem Tag durchgeführt werden.
Abbildung 6.12 zeigt den Aufbau der Messung und das Profil der untersuchten Eis-
Wand. Das Phasenarray wurde horizontal an eine sich verjüngende Wand gepresst. Die
Messung entspricht einem Szenario in dem der IceMole sich schräg auf eine Luft gefüllte
Spalte zu bewegt. Die Dicke der Wand frontal vor dem Phasenarray konnte nur grob mit
einem Maßband ermittelt werden und beträgt 50 ± 5 cm.
63

6 Tests des Akustischen Systems zur Vorfelderkundung (ARS) 64
Eis
Wasser
Eis
DAQ
Eis
Phasen-
Array
(a) Testeis im Profil. Das vom oberen
Teil des Gletschers stammende,
mäandernde Schmelzwasser am
Boden der Höhle hat die steilen
Eiswände geformt.
(b) Skizze der Messumgebung und des Aufbaus innerhalb
der Höhle.
Abbildung 6.12: Aufbau der Messungen in kompaktem Eis einer Höhle in der Nähe der
Gletscherzunge.
Messungen und Ergebnisse
Die DAQ der Phasenarrays wurde durch die
Versorgung über den Akkumulator gestört.
An allen Eingängen der NI Digitalisierungskarte
war ein periodisches Signal mit einer
Amplitude in der Größenordnung des Sende-
Pulses der Phasenarrays zu sehen. Abbildung
6.13 zeigt das Störsignal bei ausgeschaltetem
Pulsformer. Mit einer Frequenz
von 100 kHz taucht ein scharfer Puls auf.
Da die Amplitude der Störung regelmäßig
wie der Sende-Puls im Sättigungsbereich der
ADCs der Datennahme lagen, konnte die
Schwelle des automatisierten Triggers nicht
mehr an den Sendepuls angepasst werden.
Beim Start einer Messung löste das erste Signal
in Sättigung die Digitalisierung aus.
Es wurden insgesamt 111 Messungen genommen.
In 17 der Messungen startete die
Digitalisierung mit dem Sende-Puls der Pha-
Abbildung 6.13: Störsignal während der
Messungen in der Höhle. Dargestellt sind
die einzelnen Kanäle der DAQ in unterschiedlichen
Farben.
64

6 Tests des Akustischen Systems zur Vorfelderkundung (ARS) 65
senarrays. Bei alle 17 Messungen war der Winkel, unter dem das Ultraschall-Signal ausgesendet
wurde, unterschiedlich. Dieser Umstand erschwert die Suche nach akustischen
Signalen erheblich.
Durch den angewandten Filter auf die Messdaten konnte die Störung unterdrückt werden.
Da aber in den 17 Messdaten keine Messung mit gleichem Sendewinkel vorlag sind einzeln
auftretende Pulse nicht als akustische Echos des Phasenarrays identifiziert werden.
Durch die Breite der Schallkeule sollte ein akustisches Signal z.B. von der Rückwand
jedoch in benachbarten Messungen auftauchen. Pulse die eindeutig diesem Kriterium
entsprechen konnten in den Daten mit dem angewandten Filter nicht identifiziert werden.
Abbildung 6.14 zeigt exemplarisch eine Messung unter einem Sende-Winkel von 35 Grad
und 38 Grad. Das Auftauchen des Pulses in beiden Messungen zur gleichen Zeit relativ
zum Sendepuls spricht für eine akustische Reflexion. Die Laufzeit von 439 µs entspricht
einer Laufstrecke von 1,68 m. Die Distanz zwischen Phasenarray und reflektierender
Struktur beträgt folglich 84 cm was im Rahmen der Variation der Dicke der Eiswand
möglich ist. Andere Messungen in diesem Winkelbereich stehen nicht zur Verfügung. Die
Struktur des Pulses ist nach den Erfahrungen vorheriger Messungen untypisch. Während
bei den Messungen in Wasser und im Labor ein exponentiell steigender Einschwingvorgang
des Sensors gefolgt von einem breiten Abfall der Amplitude beobachtet wurde, ist
dieser Puls erstaunlich symmetrisch.
Alle weiteren mit dem verwendeten Filter aufgelösten Signale tauchen nur in einem Datensatz
zu einem festen Winkel auf.
Um gesicherte Erkenntnisse über die Reichweite der Phasenarrays zu treffen reichen die
in der Höhle genommenen, verwertbaren Daten nicht aus. Es gibt Indizien dafür, dass
Reflexionen von der Rückwand der untersuchten Eiswand in einzelnen Messungen empfangen
wurden. Eine genaue Untersuchung der Reichweite der Phasenarrays in Klareis
sollte im Labor stattfinden und kann mit dem Kühlcontainer des AAL überprüft werden.
65

6 Tests des Akustischen Systems zur Vorfelderkundung (ARS) 66
Amplitude [# ADC Kanal]
40000
30000
20000
10000
0
-10000
-20000
-30000
-40000
×10
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Zeit [s]
-3
Abbildung 6.14: Oben: Messung bei einem Sendewinkel von 38 Grad im kompakten Eis
der Höhle. Unten: Messung bei einem Sendewinkel von 35 Grad. Beide Messungen zeigen
ein starkes Signal nach 439 µs. Bei einer größeren Auflösung wird die Struktur des Pulses
deutlich. Es zeigen sich zwei für akustische Signale untypische scharfe Doppelpulse.
66

7 Zusammenfassung und Ausblick
Während des Feldtests des IceMole auf dem Morteratsch Gletscher wurden Daten in
Firneis und Klareis als Grundlage für die gezielte Weiterentwicklung des ARS genommen.
Die ARS-DAQ ermöglichte bei Messungen in Wasser die Aufzeichnung von Reflektionen
aus einer Entfernung von 54 cm. Systematische Fehler der ARS-DAQ konnten bei
den Messungen in Wasser nicht festgestellt werden.
In Firneis konnten mit dem verwendeten Filter ab einer Entfernung von 20 cm keine
Strukturen erkannt werden.
Die Messungen in Klareis können im Labor unter besseren Bedingungen wiederholt werden.
Das AAL hat die Möglichkeiten hierzu Messungen bis zu einer Entfernung von
1,85 m durchzuführen.
Um Echos in Eis zu empfangen kann die Leistung der Phasenarrays noch gesteigert werden.
Neben der Steigerung der Amplitude der Sende-Pulse würde auch eine Ansteuerung
durch mehrere Pulse mit festem Phasenabstand die Leistung erhöhen, wenn der Phasenabstand
mit der Wellenlänge einer 780 kHz Schwingung in Eis übereinstimmt. Hierzu
benötigt die Pulsformer-Schaltung jedoch leistungsfähigere Kondensatoren um die nötige
Energie für schnelle Pulsfolgen bereitzustellen.
Des Weiteren wurde beobachtet, dass die Ortsauflösung der Phasenarrays sehr gering
ist. Durch die Phasensteuerung der einzelnen Elemente des Arrays kann eine Fokussierung
der ausgesendeten Schallkeule erreicht werden. Dazu ist ein besseres Verständnis
der Form der Schallkeule nötig. Eine Vermessung der Abstrahlcharakteristik im Labor
unter Variation der Fokussierung könnte wichtige Erkenntnisse zur Steigerung der Ortsauflösung
liefern.
Der Aufbau eines Testumfeldes für das APS wurde während dieser Arbeit realisiert.
Die Platinen der APS-DAQ wurden erfolgreich getestet und konnten beim Test auf dem
Morteratsch Gletscher eingesetzt werden.
Zur Bestimmung der Laufzeiten steht ein einfacher Algorithmus zur Verfügung, der in
den Tests die erwarteten Laufzeiten lieferte. Die mit den gemessenen Laufzeiten rekonstruierte
Position des IceMole liegt innerhalb der Anforderungen des Systems.
Um die Schwächen des Algorithmus bei kleinen Signalamplituden zu kompensieren,
kann das SNR durch den Einsatz von Filtern verbessert werden. Mit einer Hilbert-
Transformation könnte über den Betrag des analytischen Signals die Einhüllende des
Signals berechnet werden. So könnte verhindert werden, dass die Laufzeit aufgrund von
geringen Amplituden beim Einschwingvorgang des Sensors überschätzt wird.
67

Literaturverzeichnis
[1] Comets and Enceladus – Similar Chemistry. http://www.nasa.gov/images/
content/219448main_PIA10357-516.jpg. abgerufen am 12.08.2013.
[2] Abbasi et al.: Measurement of sound speed vs. depth in South Pole ice for neutrino
astronomy. Astropart.Phys., 33:277–286, 2010.
[3] Ameres, Gerald et al.: System Design - Navigation. Technischer Bericht, Enceladus
Explorer Collaboration, Dez. 2012.
[4] C. Vogt, K. Laihem und C. Wiebusch: Speed of sound in bubble-free ice. Journal
of the Acoustical Society of America 124, Seiten 3613–3618, 2008.
[5] Conrad Electronic SE: LDM 70 Laser-Entfernungsmesser Bediehnungsanleitung.
Hirschau, 2013.
[6] Corporation, National Instruments: Specifications for the NI PXI/PCI-
6541/6542, Sep 2004.
[7] Dachwald, Bernd: Enceladus Explorer - A maneuverable subsurface probe for
autonomous navigation through deep ice. In: 63th International Astronautical Congress,
2012.
[8] Eliseev, Dmitry: Persöhnliche Mitteilung, 2013.
[9] Feldmann, Marco: Technische Zeichnung Antriebskopf mit Phasenarrays. Internes
EnEx Dokument, 07 2012.
[10] Feldmann, Marco: Technische Zeichnung Schmelzkopf DAQ. Internes EnEx Dokument,
07 2012.
[11] Frank Press, Raymond Siever: Allgemeine Geologie, Kapitel 15. Gletscher: Die
Tätigkeit des Eises, Seite 326 ff. Spektrum Akademischer Verlag, 1995.
[12] Grüningen, Daniel Ch. von: Digitale Signalverarbeitung. Fachbuchverlag Leipzig,
3 Auflage, 2004.
[13] Heinen, Dirk: Labormessung von Laser-induzierten thermoakustischen Signalen
im Lichte des akustischen Neutrino-Nachweises. Diplomarbeit, RWTH Aachen,
2011.
[14] Imasonic: Measurement Report 750kHz 16ch linear array. Technischer Bericht,
Imasonic, 2013.
68

Literaturverzeichnis 69
[15] International Transducer Corporation, Santa Barbara, CA 93111: Model
ITC-1001 spherical Omnidirectional Transducer, 2012.
[16] Kowalski, Dr. Julia et al.: EnEx System Design. Technischer Bericht, Enceladus
Explorer Collaboration, April 2013.
[17] Landolt-Börnstein: Group II Molekules and Radicals, Seiten 67 – 72. Springer-
Verlag, 2006.
[18] Linder, Peter: System Design - Ultraschall Umfelderkundung. Technischer Bericht,
Enceladus Explorer Collaboration, März 2013.
[19] Meyer, Erwin und Ernst-Georg Neumann: Physikalische und technische Akustik.
Friedrich Vieweg und Sohn, 1979.
[20] Mikucki, Jill A. und John C. Priscu: Bacterial Diversity Associated with Blood
Falls, a Subglacial Outflow from the Taylor Glacier, Antarctica. Applied and Environmental
Microbiology, 73(12):4029, 2007.
[21] National Instruments Corporation: NI 5752 Specifications, Mai 2010.
[22] Pappalardo, R.T. et al.: Science Potential from a Europa Lander. Astrobiology,
13(8):741, 2013.
[23] Parkinson et al.: Enceladus: Cassini observations and implications for the search
for life. Astronomy and Astrophysics, 463:353–357, 2007.
[24] Porco et al.: Cassini Observes the Active South Pole of Enceladus. Science,
311:1393, 2006.
[25] Price, P. B.: Attenuation of acoustic waves in glacial ice and salt domes. Journal
of Geophysical Research, 111, 2006.
[26] Primadita, Felicia: Entwicklung eines phasengesteuerten Ultraschall-Arrays zur
Bildgebung im Eis – Entwicklung der Elektronik und Testmessung. Bachelorarbeit,
FH Aachen, Juli 2013.
[27] Reinhard Lerch, Gerhard Sessler und Dietrich Wolf: Technische Akustik.
Springer-Verlag, 2009.
[28] Schmelzmetall Gruppe: Übersicht Hovadur. www.schmelzmetall.de, 2006.
[29] Vogt, Christian: Aufbau eines Messplatzes zum Test akustischer Sensoren für den
Nachweis ultra-hochenergetischer Neutrinowechselwirkungen. Diplomarbeit, RWTH
Aachen, 2007.
[30] Wickmann, Stefan: Entwicklung von Ansteuerungs- und Datenerfassungssoftware
fur das akustische Navigationssystem des Enceladus Explorer Projekts. Bachelorarbeit,
RWTH Aachen, 2013.
69

Literaturverzeichnis 70
[31] Wilhelm, Friedrich: Schnee- und Gletscherkunde. Walter de Gruyter, 1975.
[32] Zierke, Simon: Persöhnliche Mitteilung, 2013.
70

Abbildungsverzeichnis
2.1 Oben rechts: Aufnahme der Eisfontänen in der südpolarregion von Enceladus
durch Cassini. Unten: Zusammensetzung der Eisfontänen gemessenen
mit dem INMS der Raumsonde Cassini. Die weißen Klammern zeigen den
Vergleich zur Zusammensetzung von Kometen. [1] . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Missionskonzept des Enceladus Explorers. Ein Lander landet in sicherer
Entfernung zur Spalte. Von dort navigiert eine Schmelzsonde autonom
durch das Eis zur Spalte und nimmt Proben des Wassers. (Lander aus [22]) 6
3.1 Die IceMole Trägersonde mit den integrierten Subsystemen. Die Elektronik
für die Sensoren zur akustischen Navigation befindet sich in der
Acoustic Box direkt hinter dem IceMole Kopf. [16] . . . . . . . . . . . . . 9
3.2 Schematische Darstellung des APS Sender Arrays mit Zentraler Sendeeinheit.
Über die Laufzeiten t 1 bis t 6 kann bei bekannter Position der Sender
über ein Multilaterationsverfahren der Ort der Empfänger im Kopf der
Sonde bestimmt werden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.3 Integration der APS Sensoren in den Schmelzkopf des IceMole. . . . . . . 12
3.4 Zur Motivation des Zusammenhangs zwischen Auflösung, Apertur und
Wellenlänge bei einer linearen Strahlergruppe. . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.5 Skizze zur Verdeutlichung der Entstehung der Nebenkeulen in der Abstrahlcharakteristik
des Phasenarrays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.6 Technische Zeichnung der Integration der Phasenarrays in den Kopf des
IceMole [9]. Die Phasenarrays werden kreuzförmig um die Schraube in
den Schmelzkopf eingelassen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.7 Akustik Box mit integrierter SVuEnt und APS-DAQ-Elektronik. . . . . . 17
3.8 Diagramm zum Datenfluss des APS. Die grau unterlegten Sensor-Platinen
befinden sich in den Sensorhülsen im Kopf des IceMole. Die APS-DAQ-
Platine, der Embedde PC und die SVuEnt sind in der Akustik Box untergebracht.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.9 Diagramm zum Datenfluss innerhalb des ARS. Die Platinen rechts von
der Kopfplatte befinden sich im Kopf des IceMole. ARS-Hauptplatine,
Embedded PC, Pulsformer und Spannungsversorgung sind in der Akustik
Box untergebracht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1 Geometrische Erklärung des piezoelektrischen Effekts. Durch die äußere
Krafteinwirkung kommt es zu einer Verlagerung der Ladungsschwerpunkte
und einer Ausbildung von Dipolen p Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
71

Abbildungsverzeichnis 72
5.1 Signal zur Ansteuerung der Sender aufgezeichnet mit einem Oszilloskop.
Am Oszilloskop wurde ein Offset von ca. -11 V eingestellt. . . . . . . . . . 24
5.2 Oben: Breite der fallenden Flanke des Triggersignals. Aufgezeichnet mit
der maximalen Abtastrate des Oszilloskop von 2,5 GHz und über 32 Messungen
gemittelt. Unten: Jitter der fallenden Flanke des Triggersignals.
Dargestellt sind sechs unabhängigen Messungen mit einer Aufzeichnungsrate
von 10 MHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5.3 Auftragung der Signalamplitude gegen die Zeit für sechs Pulse der ZSE
(run 01 bis run 06) im Vergleich zum gemittelten Triggersignal (trigger)
in schwarz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5.4 IceMole Testkopf mit wasserdichtem Deckel und Aufnahme für einen APS
Sensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.5 Floß zur Variation der Sender Position relativ zum IceMole Testkopf. Zur
Simulation des Sender-Arrays kann das gesamte Volumen des Beckens
ausgenutzt werden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.6 Skizze des Sprungbeckens der Ulla–Klinger–Halle von oben betrachtet mit
schematischem Messaufbau zum Test des APS. . . . . . . . . . . . . . . . 30
5.7 Variation der Laufzeiten der akustischen Signale für unterschiedliche Entfernungen.
Die Distanzen variieren zwischen 2,23 m (a), 4,78 m (b), 6,69 m
(c) und 10,68 m (d). Jeweils in rot ist die aus dem Algorithmus bestimmte
Laufzeit eingezeichnet. Eine Abstandsabhängigkeit der maximalen Amplitude
des Signals ist nicht zu erkennen. Der Winkel zwischen Testkopf und
Sender ist für die einzelnen Messungen (a) bis (d) nicht konstant und
könnte der Ursprung für die Variation in der Amplitude sein. . . . . . . . 33
5.8 Variation der aufgezeichneten Signale bei Rotation des Testkopfes um
die Längsachse. Die unterschiedlichen Graphen zeigen den Beginn des
aufgezeichneten Signals für die Ausgangslage bei 0 Grad und bei hierzu
gedrehter Lage des Testkopfes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.9 Bestimmung der Schallgeschwindigkeit beim ersten Schwimmbad-Test durch
Auftragung der Distanz zwischen Sender und Empfänger gegen die Laufzeit
der akustischen Signale. Die gemessene Schallgeschwindigkeit p 1 beträgt
1476 ± 48 m s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.10 Stativ zur Aufnahme des Laserodometers mit Dreiwegeneiger und Neigungskontrolle.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.11 Positionen des Senders während des einzelnen Messungen in einer Ebene.
In Blau ist die Projektion der Position des Testkopfes mit integriertem
Empfänger in diese Ebene dargestellt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.12 Aufgezeichnetes Signal bei Messstopp an Position 05. Aufgetragen ist die
am ADC anliegende Spannung über die Zeit. Die 32 Messungen sind in
unterschiedlichen Farben dargestellt. Der Jitter des Signals wurde jeweils
an der ersten steilen Flanke abgelesen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
72

Abbildungsverzeichnis 73
5.13 Exemplarische Veranschaulichung des Algorithmus zur Bestimmung der
Laufzeiten. (a) Gesamtes aufgezeichnetes Signal bei Messstopp an Position
05 über 32 Messungen gemittelt. (b) Bestimmung des mittleren Rauschens
in einem Zeitfenster zwischen 0,2 ms und 2 ms. (c) Anfang des einlaufenden
Signals. Die rote durchgehende Linie zeigt die bestimmte Laufzeit, und
der statistische Fehler auf die Laufzeit ist durch die gestrichelte rote Linie
dargestellt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.14 Lineare Regression zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit beim zweiten
SBT. Der Parameter p0 gibt den Achsenabschnitt an und die Schallgeschwindigkeit
in m ms
entspricht Parameter p1. . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.15 Variation der Laufzeit bei Einkopplung des akustischen Signals aus unterschiedlicher
Richtung. Der Parameter p0 gibt den Mittelwert der gemessenen
Laufzeit an. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.16 Struktur der SQL Datenbank Tabellen [32]. Im SBT 3 wurde die Struktur
von Run bis RawData zur Aufzeichnung der Signale benutzt. . . . . . . . 43
5.17 Vergleich des Rauschlevels zwischen den Iterationen der Sensor-Platinen
beim zweiten und dritten SBT. Oben: Messung des Rauschens beim SBT
2 über 32 ms ergab ein mittleres Rauschen von 12,4 mV. Unten: Messung
des Rauschens mit der variierten Sensor-Prototyp beim SBT 3. Das
Rauschlevel konnte um den Faktor zwei auf 6,0 mV reduziert werden. . . . 44
5.18 Bestimmung der Schallgeschwindigkeit beim dritten SBT. Der Parameter
p0 gibt den Achsenabschnitt an und p1 entspricht der Schallgeschwindigkeit
in m ms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.19 Vergleich der gemessenen Schallgeschwindigkeiten mit der Temperatur
abhängigen Erwartung aus [17]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.20 Rekonstruierten Positionen des simulierten Sender-Arrays beim dritten
SBT. In Blau ist die Projektion der Position des Testkopfes mit integriertem
Empfänger in diese Ebene dargestellt. . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.1 Die DAQ zur Ansteuerung der Phasenarrays im Feldeinsatz auf dem Morteratsch
Gletscher. (a) NI PXI System mit Pulsgenerator und Analog
Digital Wandler zur Datennahme. (b) Pulsformer. (c) Über ein lokales
Netztwerk kann mittels Remote-Desktop auf das NI PXI System zugegriffen
werden. (d) Phasenarray. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.2 Foto des geöffneten Pulsformers mit der Spannungsversorgung und den
Platinen zur Erzeugung des Sende-Pulses für das Phasenarray. . . . . . . 53
6.3 Schaltplan des Pulsformers. Die in Kästen umrandeten Komponenten sind
jeweils auf einer Platine untergebracht. Siehe Text zur Erläuterung der
Komponenten. [26] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
73

Abbildungsverzeichnis 74
6.4 Filterung des Signals einer Messung im Wasser gefüllten Schmelzkanal des
IceMole. Oben: Von Kanal 0 aufgezeichnete Rohdaten des Phasenarrays
bei Aussendung eines Pulses unter einem Winkel von 0 Grad. Am Anfang
der Aufzeichnung ist der Sende-Puls zu sehen, der langsam abklingt. Nach
0,57 ms ist das Echo von einem im Schmelzkanal in einer Entfernung von
ca. 0,42 m deponierten ca. 12 cm großen Stein zu sehen. Mitte: Frequenzspektrum
des Signals. In rot sind die Grenzen eines Bandpass-Filters bei
200 kHz und 1,2 MHz eingezeichnet. Unten: Das zurück transformierte Signal
zeigt keine Abnahme in der Signalamplitude. Die Unterdrückung der
niederfrequenten Grundschwingung am Anfang des Signals ist deutlich zu
erkennen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.5 Testumgebung des Feldtests auf dem Morteratsch Gletscher. . . . . . . . 57
6.6 Aufbau zum Funktionstest des Phasenarrays. . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.7 Testmessung in Wasser bei einem Sendewinkel von 0 Grad mit einem
Frequenzfilter bis 200 kHz und ab 1,2 MHz. Die Reflexionen des Pickels
und der Rückwand des Schmelzkanals sind klar zu erkennen. . . . . . . . 58
6.8 Struktur des Firneises auf dem Morteratsch Gletscher in einer Tiefe von
ca. 50 cm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.9 Oben: Rohdaten einer Messung mit dem Pasenarray frontal auf die Spalte
gerichtet. Die Entfernung zur Spalte betrug 2,5 m, was einer erwarteten
Laufzeit von 1,3 ms entspricht. Das Array befand sich während der Messung
in einer Tiefe von 1,3 m unter der Schneedecke. Mitte: Frequenzspektrum
des aufgezeichneten Signals. In rot sind die Grenzen des verwendeten
Bandpass-Filters eingezeichnet. Es wurden alle Anteile mit Frequenzen
unterhalb von 720 kHz und oberhalb von 830 kHz raus gefiltert. Unten:
Mit Bandpass gefiltertes Signal. Es ist keine Reflexion in dem erwarteten
Zeitfenster zu erkennen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.10 Vergleich der ersten 0,1 ms eines Signals bei Aussendung unter einem Winkel
von 0 Grad in Wasser (oben) und Eis (unten). In Eis tritt eine Modulation
des exponentiellen Abfalls der am Piezo abgegriffenen Spannung
auf. Dies könnte die Leistung der Schallwelle im Eis minimieren. . . . . . 62
6.11 Aufnahme durch eine etwa 30 cm dicke Wand aus kompaktem Eis in der
Gletscherhöhle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.12 Aufbau der Messungen in kompaktem Eis einer Höhle in der Nähe der
Gletscherzunge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.13 Störsignal während der Messungen in der Höhle. Dargestellt sind die einzelnen
Kanäle der DAQ in unterschiedlichen Farben. . . . . . . . . . . . . 64
6.14 Oben: Messung bei einem Sendewinkel von 38 Grad im kompakten Eis der
Höhle. Unten: Messung bei einem Sendewinkel von 35 Grad. Beide Messungen
zeigen ein starkes Signal nach 439 µs. Bei einer größeren Auflösung
wird die Struktur des Pulses deutlich. Es zeigen sich zwei für akustische
Signale untypische scharfe Doppelpulse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
74

Tabellenverzeichnis
5.1 Die bestimmten Distanzen zwischen Sender und Empfänger und die zugehörigen
Laufzeiten mit Fehlern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.2 Laufzeiten beim dritten SBT. Die RawData ID ist jeweils von der ersten
der 16 Messungen an einer Position. Die mittlere Laufzeit stellt den
Mittelwert aus den in den 16 Messungen bestimmten Laufzeiten dar. Der
Fehler auf die Laufzeit ist der Fehler auf den Mittelwert. . . . . . . . . . 45
5.3 Rekonstruierte Position des Testkopfes im Vergleich zur gemessenen Position.
Die Position des Testkopfes wurde zum Vergleich in x- und y-
Richtung mit dem Laserodometer ausgemessen. Die Bestimmung der Tiefe
erfolgte mittels eines Maßbandes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
75

Selbstständigkeitserklärung
Ich erkläre hiermit, dass ich diese Arbeit selbstständig verfasst und keine anderen, als
die angegebenen Quellen benutzt habe. Alle Stellen, die wörtlich oder sinngemäß aus
Quellen entnommen wurden, habe ich als solche gekennzeichnet.
Aachen, den 28.08.2013, Sebastian Franz Ludwig Verfers