Testexperimente zur akustischen Navigation in Eis und Wasser für ...
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<strong>Testexperimente</strong> <strong>zur</strong> <strong>akustischen</strong> <strong>Navigation</strong> <strong>in</strong> <strong>Eis</strong> <strong>und</strong><br />
<strong>Wasser</strong> <strong>für</strong> das Enceladus Explorer Projekt<br />
von<br />
Sebastian Franz Ludwig Verfers<br />
Diplomarbeit <strong>in</strong> Physik<br />
vorgelegt der<br />
Fakultät <strong>für</strong> Mathematik, Informatik <strong>und</strong><br />
Naturwissenschaften<br />
der RWTH Aachen<br />
im August 2013<br />
angefertigt am<br />
III. Physikalischen Institut B<br />
Prof. Dr. Christopher Wiebusch
Inhaltsverzeichnis<br />
Abkürzungsverzeichnis 3<br />
1 E<strong>in</strong>führung 4<br />
2 Enceladus Explorer 5<br />
3 Die <strong>Eis</strong>schmelzsonde IceMole 8<br />
3.1 Die Trägersonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8<br />
3.2 Akustische <strong>Navigation</strong> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10<br />
3.2.1 Akustisches Positionierungssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10<br />
3.2.2 Akustisches System <strong>zur</strong> Vorfelderk<strong>und</strong>ung . . . . . . . . . . . . . . 13<br />
3.2.3 Daten System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17<br />
4 Messung von Ultraschallwellen 20<br />
4.1 Schallausbreitung <strong>in</strong> Flüssigkeiten <strong>und</strong> festen Körpern . . . . . . . . . . . 20<br />
4.2 Akustische Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23<br />
4.2.1 Elektroakustische Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23<br />
4.2.2 Piezoelektrischer Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23<br />
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 24<br />
5.1 Untersuchung der Synchronisation zwischen Signalerzeugung <strong>und</strong> Datenerfassung<br />
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24<br />
5.1.1 Aufbau <strong>und</strong> Durchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25<br />
5.1.2 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25<br />
5.2 Schwimmbad-Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27<br />
5.2.1 Methodik <strong>und</strong> Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28<br />
5.2.2 Schwimmbad-Test 1: Konzepttest . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31<br />
5.2.3 Schwimmbad-Test 2: Test der APS-DAQ-Elektronik . . . . . . . . 35<br />
5.2.4 Schwimmbad-Test 3: APS Vollsystem-Test . . . . . . . . . . . . . . 42<br />
5.2.5 Rekonstruktion der IceMole Position . . . . . . . . . . . . . . . . . 48<br />
5.2.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50<br />
6 Tests des Akustischen Systems <strong>zur</strong> Vorfelderk<strong>und</strong>ung (ARS) 51<br />
6.1 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51<br />
6.2 DAQ der Phasenarrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51<br />
6.2.1 Pulsformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52<br />
6.2.2 Datennahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54<br />
1
6.2.3 Datenverarbeitung <strong>und</strong> Filterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55<br />
6.3 Feldtest Morteratsch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57<br />
6.3.1 Testumgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57<br />
6.3.2 Funktionstest <strong>und</strong> Messungen <strong>in</strong> <strong>Wasser</strong> . . . . . . . . . . . . . . . 58<br />
6.3.3 Messungen im Firneis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59<br />
6.3.4 Messungen <strong>in</strong> Kompakteis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63<br />
7 Zusammenfassung <strong>und</strong> Ausblick 67<br />
Literaturverzeichnis 68<br />
2
Abkürzungsverzeichnis<br />
AAL Aachener Akustik Labor<br />
ADC Analog-to-Digital-Converter (Analog-Digital-Wandler)<br />
APS Acoustic Position<strong>in</strong>g System (Akustisches Positionierungssystem)<br />
ARS Acoustic Reconnaissance System (Akustisches System <strong>zur</strong> Vorfelderk<strong>und</strong>ung)<br />
CDHS Command and Data Handl<strong>in</strong>g System (Computer <strong>zur</strong> Daten- <strong>und</strong><br />
Betriebskontrolle)<br />
DAQ Data Aquisition (Datennahme)<br />
EnEx Enceladus Explorer<br />
FPGA Field Programmable Gate Array (Programmierbare Logikschaltung)<br />
INMS Ion and Neutral Mass Spectrometer (Massenspektrometer)<br />
IMU Inertial Measurement Unit (Inertialsensor-E<strong>in</strong>heit)<br />
ITC International Transducer Corporation<br />
MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor<br />
(Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor)<br />
PPS Puls Pro Sek<strong>und</strong>e<br />
PVDF Polyv<strong>in</strong>ylidenfluorid<br />
PZT Blei-Zirkonat-Titanat<br />
RAM Random Access Memory (Speicher mit wahlfreiem Zugriff)<br />
SNR Signal to Noise Ratio (Signal zu Rausch Verhältnis)<br />
SBT Schwimmbad-Test<br />
SVuEnt Spannungsversorgung <strong>und</strong> Entkopplung<br />
TTL Transistor-Transistor-Logik<br />
UDP User Datagram Protocol (Netzwerkprotokoll)<br />
3
1 E<strong>in</strong>führung<br />
Im Zuge der Widerlegung des Geozentrischen Weltbildes durch die gr<strong>und</strong>legenden Arbeiten<br />
von Nikolaus Kopernikus im 16. Jahrh<strong>und</strong>ert hat sich das Bild der Menschheit <strong>und</strong><br />
deren Stellung im Universum gr<strong>und</strong>legend geändert. Spätestens seit der Renaissance hegen<br />
sich nicht nur Zweifel daran, dass der Mensch im Mittelpunkt des Universums steht,<br />
sondern auch an der E<strong>in</strong>zigartigkeit des Lebens auf unserem Planeten. Die Suche nach<br />
extra-terrestrischem Leben wurde jedoch erst mit modernen Teleskopen <strong>und</strong> Raumsonden<br />
möglich. Dabei macht die Größe <strong>und</strong> Vielzahl der möglichen Habitationen die Suche<br />
komplex. Hieraus ergeben sich Fragen nach den gr<strong>und</strong>legenden Bed<strong>in</strong>gungen, die <strong>zur</strong><br />
Entstehung von Leben beitragen.<br />
In der Südpolarregion des Saturn-Mondes Enceladus existieren aktive kryovulkanische<br />
Geysire. Unter der Oberfläche aus <strong>Eis</strong> wird flüssiges <strong>Wasser</strong> vermutet, das durch erhebliche<br />
Gezeitenkräfte des Saturn e<strong>in</strong>e ständige Energiezufuhr erfährt [23]. Die Raumsonde<br />
Cass<strong>in</strong>i konnte im Jahr 2008 die Zusammensetzung der durch die Geysire ausgeworfenen<br />
<strong>Eis</strong>partikel untersuchen <strong>und</strong> fand organische Materialien [1]. Diese günstigen Bed<strong>in</strong>gungen<br />
machen Enceladus zu e<strong>in</strong>em <strong>in</strong>teressanten Kandidaten <strong>für</strong> die Suche nach Leben <strong>in</strong><br />
unserem Sonnensystem außerhalb der Erde.<br />
Zur Klärung der Frage, ob Mikroorganismen auf Enceladus leben, ist e<strong>in</strong>e Mission zum<br />
Enceladus notwendig, die Proben aus den kryovulkanischen Spalten analysieren kann.<br />
Um die Machbarkeit e<strong>in</strong>er solchen Mission zu erforschen, wurde durch das Forschungszentrum<br />
der B<strong>und</strong>esrepublik Deutschland <strong>für</strong> Luft- <strong>und</strong> Raumfahrt (DLR) das Enceladus<br />
Explorer (EnEx) Projekt <strong>in</strong>s Leben gerufen.<br />
Zur Probennahme ist e<strong>in</strong>e autonom navigierende <strong>Eis</strong>schmelzsonde vorgesehen. Der <strong>in</strong><br />
der Entwicklung bef<strong>in</strong>dliche ”<br />
IceMole “ ist e<strong>in</strong> Prototyp e<strong>in</strong>er solchen Sonde. Er soll im<br />
W<strong>in</strong>ter 2013/14 am Taylorgletscher <strong>in</strong> der Antarktis getestet werden, <strong>in</strong>dem e<strong>in</strong>e wasserführende<br />
Spalte angebohrt <strong>und</strong> kontam<strong>in</strong>ationsfrei e<strong>in</strong>e <strong>Wasser</strong>probe genommen wird.<br />
Die autonome <strong>Navigation</strong> durch das <strong>Eis</strong> der Oberfläche erfordert die genaue Kenntnis der<br />
Position der Sonde <strong>und</strong> der Beschaffenheit des Vorfeldes. Dies soll mit Hilfe e<strong>in</strong>es <strong>akustischen</strong><br />
Positionssystems <strong>und</strong> e<strong>in</strong>es Systems <strong>zur</strong> Vorfelderk<strong>und</strong>ung durch Ultraschallsignale<br />
realisiert werden. Die hier<strong>für</strong> <strong>in</strong> den Kopf der Sonde <strong>in</strong>tegrierten Ultraschallsensoren<br />
müssen unter möglichst realistischen Testbed<strong>in</strong>gungen optimiert werden.<br />
Ziel dieser Arbeit ist der Aufbau e<strong>in</strong>es effizienten Messplatzes zum Test des <strong>akustischen</strong><br />
Positionierungs Systems <strong>und</strong> die Aufnahme von Testdaten <strong>zur</strong> Optimierung des Systems<br />
<strong>zur</strong> Vorfelderk<strong>und</strong>ung.<br />
4
2 Enceladus Explorer<br />
Der Enceladus ist e<strong>in</strong> Mond des Saturn, der nahezu vollständig mit <strong>Eis</strong> bedeckt ist. Mit<br />
e<strong>in</strong>er Albedo von 0,99 wird die Sonnene<strong>in</strong>strahlung nahezu vollständig reflektiert. Trotz<br />
e<strong>in</strong>er Oberflächentemperatur von −200 ◦ C gilt Enceladus als e<strong>in</strong>er der Kandidaten <strong>für</strong><br />
extraterrestrisches Leben <strong>in</strong> unserem Sonnensystem.<br />
Abbildung 2.1: Oben rechts: Aufnahme der <strong>Eis</strong>fontänen<br />
<strong>in</strong> der südpolarregion von Enceladus<br />
durch Cass<strong>in</strong>i. Unten: Zusammensetzung der<br />
<strong>Eis</strong>fontänen gemessenen mit dem INMS der<br />
Raumsonde Cass<strong>in</strong>i. Die weißen Klammern zeigen<br />
den Vergleich <strong>zur</strong> Zusammensetzung von<br />
Kometen. [1]<br />
Im Jahr 2005 passierte die Raumsonde<br />
Cass<strong>in</strong>i zum ersten mal Enceladus<br />
<strong>und</strong> machte seit dem erstaunliche<br />
Entdeckungen. Anders als die typische<br />
von Kratern dom<strong>in</strong>ierte Oberfläche<br />
unseres Mondes, zeigt die Oberfläche<br />
der Südpolarregion des Enceladus tiefe<br />
Risse <strong>und</strong> Verwerfungen. Die Unter<br />
dem Namen ”<br />
Tiger Stripes“ bekannte<br />
Region weißt auf geologische Aktivität<br />
h<strong>in</strong>. Die Oberflächentemperatur ist <strong>in</strong><br />
dieser Region um etwa 25 ◦ C wärmer<br />
als die Umgebung [23]. Mit e<strong>in</strong>em<br />
Durchmesser von 500 km ist Enceladus<br />
der kle<strong>in</strong>ste Körper <strong>in</strong> unserem<br />
Sonnensystem, der geologisch aktiv<br />
ist. Die Deformation der Oberfläche<br />
ist kryovulkanischen Ursprungs. Unter<br />
der <strong>Eis</strong>oberfläche wird e<strong>in</strong> Ozean<br />
aus flüssigem <strong>Wasser</strong> vermutet. Das<br />
flüssige <strong>Wasser</strong> steigt unter Druck <strong>in</strong><br />
Spalten durch das <strong>Eis</strong> an die Oberfläche.<br />
Dort verdampft <strong>und</strong> gefriert es schlagartig. Fontänen aus <strong>Eis</strong>partikeln <strong>und</strong><br />
gasförmigem <strong>Wasser</strong> reichen mehrere h<strong>und</strong>ert Kilometer <strong>in</strong> den Orbit des Enceladus [24].<br />
E<strong>in</strong> Teil der <strong>Eis</strong>partikel regnet wieder auf die Oberfläche <strong>und</strong> bedeckt die Umgebung der<br />
Spalten, der andere Teil speist den E-R<strong>in</strong>g des Saturn. E<strong>in</strong>e mögliche Energiequelle <strong>für</strong><br />
diesen Zyklus stellen neben der radiogenen Wärmeproduktion die durch die Bahnresonanz<br />
zwischen Enceladus <strong>und</strong> Dione hervorgerufenen Gezeitenkräfte dar [23].<br />
Cass<strong>in</strong>i konnte 2008 bei e<strong>in</strong>em Durchflug durch die <strong>Eis</strong>fontänen mit dem Ion and Neutral<br />
Mass Spectrometer (INMS) an Bord der Sonde die Zusammensetzung der <strong>Eis</strong>partikel<br />
untersuchen. Neben den Anteilen an <strong>Wasser</strong>, Methan <strong>und</strong> Kohlenstoff konnten Cass<strong>in</strong>i<br />
organische Komponenten <strong>in</strong> den <strong>Eis</strong>fontänen nachweisen [1]. Die kryovulkanischen Spal-<br />
5
Spalte<br />
2 Enceladus Explorer 6<br />
ten auf Enceladus stellen günstige Bed<strong>in</strong>gungen <strong>für</strong> Mikroorganismen dar. Neben den<br />
organischen Bauste<strong>in</strong>en ist Wärme <strong>und</strong> <strong>Wasser</strong> vorhanden. Das Vorhandense<strong>in</strong> von organischen<br />
Komponenten <strong>in</strong> den <strong>Eis</strong>fontänen der Südpolarregion des Enceladus beweist<br />
jedoch nicht die Existenz von Mikroorganismen <strong>in</strong>nerhalb der Spalten oder <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em<br />
subglazialen <strong>Wasser</strong>reservoir. Um die Frage, ob Leben auf dem Enceladus existiert, beantworten<br />
zu können, ist e<strong>in</strong>e direkte Probennahme <strong>und</strong> Untersuchung des <strong>Wasser</strong>s <strong>in</strong><br />
den Spalten notwendig.<br />
Das Missionskonzept des Enceladus Explorers sieht e<strong>in</strong>e Landung auf Enceladus <strong>in</strong> si-<br />
Lander<br />
<strong>Eis</strong>partikel<br />
<strong>und</strong> Gas<br />
<strong>Eis</strong><br />
Erwärmung<br />
Subglaciales <strong>Wasser</strong><br />
Reservoir<br />
Abbildung 2.2: Missionskonzept des Enceladus Explorers. E<strong>in</strong> Lander landet <strong>in</strong> sicherer<br />
Entfernung <strong>zur</strong> Spalte. Von dort navigiert e<strong>in</strong>e Schmelzsonde autonom durch das <strong>Eis</strong> <strong>zur</strong><br />
Spalte <strong>und</strong> nimmt Proben des <strong>Wasser</strong>s. (Lander aus [22])<br />
cherer Entfernung zu e<strong>in</strong>er kryovulkanischen Spalte vor. Der Lander stellt neben der<br />
Untersuchung der Oberfläche die Energieversorgung <strong>und</strong> die Kommunikation über e<strong>in</strong>en<br />
Orbiter <strong>zur</strong> Erde sicher. Von hier aus navigiert e<strong>in</strong>e Schmelzsonde, wie <strong>in</strong> Abbildung 2.2<br />
dargestellt, durch das <strong>Eis</strong> <strong>zur</strong> Spalte <strong>und</strong> nimmt Proben des <strong>Wasser</strong>s <strong>zur</strong> <strong>in</strong> situ Analyse.<br />
Der IceMole ist e<strong>in</strong> Prototyp e<strong>in</strong>er solchen <strong>Eis</strong>schmelzsonde, <strong>und</strong> bef<strong>in</strong>det sich <strong>zur</strong> Zeit<br />
<strong>in</strong> der Entwicklung.<br />
Um das Konzept e<strong>in</strong>er solchen Mission zu testen, soll der IceMole im Januar 2015 <strong>in</strong><br />
6
2 Enceladus Explorer 7<br />
e<strong>in</strong>em missionsähnlichen Szenario getestet werden. In den Blood Falls an der Zunge des<br />
Taylor Gletschers im McMurdo Dry Valley <strong>in</strong> der Antarktis tritt hoch sal<strong>in</strong>es, eisenhaltiges<br />
<strong>Wasser</strong> an die Oberfläche, oxidiert <strong>und</strong> sorgt so <strong>für</strong> die namensgebende Rotfärbung<br />
der austretenden Sole. Ursprung dieses <strong>Wasser</strong>s ist e<strong>in</strong> subglazialer See, <strong>in</strong> dem e<strong>in</strong><br />
Ökosystem aus Mikroorganismen vermutet wird, deren Metabolismus unabhängig von<br />
Sauerstoff <strong>und</strong> Licht ist [20]. Der Beweis der Existenz solcher Mikroorganismen würde<br />
nicht nur unsere Vorstellung über die Entwicklung des Lebens auf der Erde bee<strong>in</strong>flussen,<br />
sondern würde auch die Suche nach extraterrestrischem Leben <strong>in</strong> neuen Umgebungen<br />
untermauern. Der IceMole erfüllt genau die Anforderungen, um erstmalig kontam<strong>in</strong>ationsfreie<br />
Proben aus e<strong>in</strong>er wasserführenden Spalte zwischen dem subglazialen See <strong>und</strong><br />
den Blood Falls nehmen zu können. Die Ähnlichkeit dieser Mission zum E<strong>in</strong>satz auf dem<br />
Enceladus macht sie zu e<strong>in</strong>em idealen Testszenario.<br />
7
3 Die <strong>Eis</strong>schmelzsonde IceMole<br />
3.1 Die Trägersonde<br />
Der an der FH Aachen entwickelte ”<br />
IceMole“ ist e<strong>in</strong>e <strong>Eis</strong>schmelzsonde. Durch die Komb<strong>in</strong>ation<br />
aus e<strong>in</strong>er <strong>Eis</strong>schraube an der Spitze des IceMole-Kopfes <strong>und</strong> Heizelementen <strong>in</strong> der<br />
Stirnplatte kann im Gegensatz zu klassischen <strong>Eis</strong>schmelzsonden die Richtung der Fortbewegung<br />
kontrolliert geändert werden [7]. Insbesondere ist e<strong>in</strong>e Ausbreitung durch das <strong>Eis</strong><br />
entgegen der Schwerkraft möglich. Durch die differenziell ansteuerbaren Heizsegmente<br />
im Kopf, kann das <strong>Eis</strong> <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er ausgezeichneten Richtung bevorzugt geschmolzen werden.<br />
Der Kopf legt demnach an der erhitzten Seite e<strong>in</strong>e größere Wegstrecke <strong>zur</strong>ück, was zu<br />
e<strong>in</strong>er Richtungsänderung <strong>zur</strong> kälteren Seite des Kopfes führt. Die <strong>Eis</strong>schraube sorgt <strong>für</strong><br />
den nötigen ständigen Kontakt des Schmelzkopfes mit dem <strong>Eis</strong>. Weitere Heizelemente an<br />
den Seiten der Sonde unterstützen die Fähigkeit Kurven zu fahren <strong>und</strong> verh<strong>in</strong>dern das<br />
E<strong>in</strong>frieren der Sonde. Das durch die Drehung der Schraube entstehende Drehmoment auf<br />
die Sonde wird teilweise durch die rechteckige Bauform des IceMole aufgefangen. Neben<br />
der Heizleistung von maximal 3 kW [7] <strong>und</strong> der vorgegebenen Richtung der <strong>Eis</strong>schraube<br />
ist die Länge der Sonde maßgeblich <strong>für</strong> den so erreichbaren Kurvenradius.<br />
Die <strong>in</strong> Abbildung 3.1 dargestellte Trägersonde nimmt verschiedene Subsysteme <strong>zur</strong> Betriebskontrolle,<br />
Probennahme <strong>und</strong> <strong>Navigation</strong> auf. Für den Datentransfer <strong>und</strong> die Stromversorgung<br />
ist die Sonde über Kabel mit der Bodenstation verb<strong>und</strong>en. Zentrale Schnittstelle<br />
ist hierbei die Command and Data Handl<strong>in</strong>g System (CDHS) E<strong>in</strong>heit, der Hauptcomputer<br />
<strong>für</strong> die Betriebskontrolle der Sonde. Zwei Generatoren liefern red<strong>und</strong>ant den<br />
benötigten Strom <strong>für</strong> das gesamte System.<br />
Die Probennahme wird durch e<strong>in</strong>e Probennadel <strong>in</strong>nerhalb der <strong>Eis</strong>schraube realisiert.<br />
Nach dem Anbohren e<strong>in</strong>er wasserführenden Spalte können so Proben des <strong>Wasser</strong>s <strong>in</strong><br />
Conta<strong>in</strong>er <strong>in</strong>nerhalb der Trägersonde gepumpt werden <strong>und</strong> stehen <strong>zur</strong> weiteren Analyse<br />
bereit. E<strong>in</strong>e entscheidende Rolle spielt hierbei die Dekontam<strong>in</strong>ation der Sonde. Um die<br />
Qualität der Proben zu sichern, wird die gesamte Sonde auf dem Weg <strong>zur</strong> Spalte dekontam<strong>in</strong>iert.<br />
Die <strong>Navigation</strong> der Sonde beruht auf e<strong>in</strong>er Fusion verschiedener Informationen zu Ort<br />
<strong>und</strong> Lage der Sonde. Diese Informationen werden im wesentlichen von drei Subsystemen<br />
bereit gestellt. Die Inertial Measurement Unit (IMU) liefert über Messungen von<br />
Beschleunigungen <strong>in</strong> allen drei Raumrichtungen relative Positionsänderungen, wodurch<br />
nach Initialisierung e<strong>in</strong>er Startposition der <strong>zur</strong>ückgelegte Weg der Sonde rekonstruiert<br />
werden kann. Nachteil dieses ”<br />
Dead Reckon<strong>in</strong>g“ Verfahrens ist der kumulierte Fehler auf<br />
die Position, der bei längerer Fahrt immer größer wird. E<strong>in</strong> Magnetometer im Icemole<br />
kann während e<strong>in</strong>es Messstopps die Lage der Sonde relativ zu e<strong>in</strong>em Referenzmagnetometer<br />
an der Oberfläche bestimmen. Voraussetzung ist e<strong>in</strong> homogenes Magnetfeld im<br />
8
3 Die <strong>Eis</strong>schmelzsonde IceMole 9<br />
Umfeld der Sonde <strong>und</strong> der Oberflächenstation. Beide Subsysteme bef<strong>in</strong>den sich im mittleren<br />
Teil der Trägersonde <strong>in</strong> der Attitude Box.<br />
Das dritte Subsystem ist die akustische <strong>Navigation</strong> des IceMole. Sie stellt mit dem <strong>akustischen</strong><br />
Positionierungssystem (APS) nicht nur e<strong>in</strong>e wichtige Stütze des Dead Reckon<strong>in</strong>g<br />
Verfahrens, sondern ist auch e<strong>in</strong>e unabhängige Informationsquelle der Position des Ice-<br />
Mole <strong>für</strong> die Sensorfusion. Die Informationen des <strong>akustischen</strong> Systems <strong>zur</strong> Vorfelderk<strong>und</strong>ung<br />
(ARS) über die Beschaffenheit des <strong>Eis</strong>es im Vorfeld der Sonde s<strong>in</strong>d entscheidend<br />
<strong>für</strong> die Trajektorienplanung <strong>und</strong> das Sicherheitskonzept der Sonde.<br />
Abbildung 3.1: Die IceMole Trägersonde mit den <strong>in</strong>tegrierten Subsystemen. Die Elektronik<br />
<strong>für</strong> die Sensoren <strong>zur</strong> <strong>akustischen</strong> <strong>Navigation</strong> bef<strong>in</strong>det sich <strong>in</strong> der Acoustic Box direkt<br />
h<strong>in</strong>ter dem IceMole Kopf. [16]<br />
9
3 Die <strong>Eis</strong>schmelzsonde IceMole 10<br />
3.2 Akustische <strong>Navigation</strong><br />
Aus den Zielen des EnEx Projektes ergeben sich Anforderungen an die Fähigkeiten<br />
der Sonde. Für die Trajektorienplanung ist die ständige Kenntnis <strong>und</strong> Kontrolle der<br />
Position der Sonde wichtig. Um e<strong>in</strong>e mögliche Kollision mit H<strong>in</strong>dernissen im <strong>Eis</strong>, wie<br />
Felse<strong>in</strong>schlüsse oder Spalten, zu verh<strong>in</strong>dern, muss die Sonde die Fähigkeit besitzen, die<br />
Beschaffenheit des <strong>Eis</strong>es im Vorfeld zu untersuchen.<br />
In der Seefahrt werden aktive Sonare (so<strong>und</strong> navigation and rang<strong>in</strong>g) <strong>zur</strong> <strong>Navigation</strong> <strong>und</strong><br />
Entfernungsbestimmung bereits seit Anfang des 20. Jahrh<strong>und</strong>erts erfolgreich e<strong>in</strong>gesetzt<br />
[27]. Moderne Seitensichtsonare erreichen bei Frequenzen im kHz Bereich Reichweiten<br />
von über 100 km [27]. In der Mediz<strong>in</strong> wird die Sonografie als bildgebendes Verfahren, z.B.<br />
<strong>in</strong> der Pränataldiagnostik, sehr erfolgreich e<strong>in</strong>gesetzt. Mittels Untersuchung von Ultraschall<br />
Echosignalen können ohne Schäden am Organismus <strong>in</strong>nere Strukturen aufgelöst<br />
werden.<br />
Die Idee der <strong>akustischen</strong> <strong>Navigation</strong> des IceMole greift diese Technologien auf. Die zentrale<br />
Herausforderung ist hierbei der Transfer dieser Technologien <strong>in</strong> das Medium <strong>Eis</strong>.<br />
Außerdem müssen die Konzepte auf ihre E<strong>in</strong>satzfähigkeit auf dem Enceladus überprüft<br />
werden.<br />
Die akustische <strong>Navigation</strong> des IceMole basiert auf zwei Subsytemen, die im folgenden<br />
vorgestellt werden.<br />
3.2.1 Akustisches Positionierungssystem<br />
Funktionspr<strong>in</strong>zip<br />
Das Ziel des Akustischen Posit<strong>in</strong>ierungsystems (APS) ist die Positionsbestimmung des<br />
IceMole während der Fahrt durchs <strong>Eis</strong> [3]. Basierend auf e<strong>in</strong>em Multilaterationsverfahren<br />
wird über Laufzeitmessungen von Ultraschallsignalen die Position der Sonde im<br />
dreidimensionalen Raum bestimmt. Hierzu steht, wie <strong>in</strong> Abbildung 3.2 verdeutlicht, an<br />
der Oberfläche des <strong>Eis</strong>es e<strong>in</strong> Array aus Ultraschallsendern <strong>zur</strong> Verfügung. Die gesendeten<br />
Ultraschallsignale können von Sensoren im Kopf des IceMole aufgezeichnet werden.<br />
Durch e<strong>in</strong>e Zeitsynchronisation zwischen Sender <strong>und</strong> Empfänger kann die Laufzeit der<br />
Signale ermittelt werden. Bei konstanter Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit sollte diese proportional<br />
<strong>zur</strong> Distanz zwischen Sender <strong>und</strong> Empfänger se<strong>in</strong>.<br />
Als akustischer Sender wird das Model ITC-1001 der International Transducer Corporation<br />
(ITC) aus Santa Barbara (Kalifornien) verwendet. Der Sender besteht im Kern aus e<strong>in</strong>er<br />
sphärischen Piezokeramiken aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) mit e<strong>in</strong>er Resonanzfrequenz<br />
von 16,5 kHz <strong>und</strong> zeichnet sich durch e<strong>in</strong>e isotrope Abstrahlcharakteristik aus.<br />
Die Piezokeramik umgibt e<strong>in</strong> kugelförmiges Gehäuse aus Kunststoff, wodurch der Sender<br />
bis zu e<strong>in</strong>er Tiefe von 1250 m wasserdicht ist [15].<br />
Aus dem E<strong>in</strong>satzprofil des IceMole ergeben sich Anforderungen an die Reichweite <strong>und</strong><br />
die Genauigkeit des APS. Ziel der Entwicklung ist es, die Position bei e<strong>in</strong>er maximalen<br />
Reichweite von 100 m mit e<strong>in</strong>er Genauigkeit von 1 m zu bestimmen [3]. E<strong>in</strong> kritischer Parameter<br />
bei diesem Verfahren ist die Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit. Wie <strong>in</strong> Abschnitt 4 erläutert,<br />
ist die Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit im <strong>Eis</strong> Druck- <strong>und</strong> Temperaturabhängig. Messungen im ant-<br />
10
3 Die <strong>Eis</strong>schmelzsonde IceMole 11<br />
2<br />
5<br />
1<br />
FE 3<br />
ZSE<br />
4<br />
6<br />
ITC-1001<br />
t 1<br />
t 2<br />
t 3<br />
t 4<br />
t 5<br />
<strong>Eis</strong><br />
t 6<br />
IceMole<br />
ZSE = Zentrale Sender E<strong>in</strong>heit<br />
FE = Frontend Elektronik<br />
Spalte<br />
Abbildung 3.2: Schematische Darstellung des APS Sender Arrays mit Zentraler Sendee<strong>in</strong>heit.<br />
Über die Laufzeiten t 1 bis t 6 kann bei bekannter Position der Sender über e<strong>in</strong><br />
Multilaterationsverfahren der Ort der Empfänger im Kopf der Sonde bestimmt werden.<br />
arktischen <strong>Eis</strong> haben e<strong>in</strong>en Gradienten der Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit von 0,1 m/s pro m <strong>in</strong><br />
kompaktem <strong>Eis</strong> zwischen 250 m <strong>und</strong> 500 m Tiefe ergeben [2]. Bei e<strong>in</strong>er Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit<br />
von 3840 m/s <strong>in</strong> kompaktem <strong>Eis</strong> [4] ergibt sich auf e<strong>in</strong>e Distanz von 10 m e<strong>in</strong><br />
Fehler von 3 mm auf die Position.<br />
E<strong>in</strong>en viel größeren E<strong>in</strong>fluss können durch die Dynamik des Gletschers entstehende Inhomogenitäten<br />
im <strong>Eis</strong> haben. Beim plastischen Fließen des Gletschers verschieben sich<br />
die Netzebenen des <strong>Eis</strong> Kristallgitters gegene<strong>in</strong>ander. Die Akkumulation dieser mikroskopischen<br />
Bewegungen resultiert <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er enormen Bewegung des gesamten Gletschers<br />
[11]. Hierbei können durch Unebenheiten <strong>in</strong> der Gletschersohle große Scherkräfte entstehen.<br />
Diese resultieren <strong>in</strong> Risse <strong>und</strong> Spalten im <strong>Eis</strong>. Gletscherspalten zwischen Sender<br />
<strong>und</strong> Empfänger können sich durch e<strong>in</strong>en ger<strong>in</strong>geren Transmissionskoeffizienten negativ<br />
auf die Signalstärke auswirken. Die Anzahl der Sender wurde aus diesem Gr<strong>und</strong> auf m<strong>in</strong>destens<br />
6 festgesetzt. Jeder Sender ist bezüglich der Multilateration, <strong>für</strong> die m<strong>in</strong>destens<br />
drei Signale vom IceMole empfangen werden müssen, red<strong>und</strong>ant vorhanden.<br />
11
3 Die <strong>Eis</strong>schmelzsonde IceMole 12<br />
Sensoren<br />
Die Sensoren <strong>für</strong> das APS bestehen im Kern aus drei Komponenten. E<strong>in</strong>er zyl<strong>in</strong>derförmigen<br />
Sensorhülse aus Mess<strong>in</strong>g, e<strong>in</strong>em Schallwandler <strong>und</strong> e<strong>in</strong>er Frontend Sensorplat<strong>in</strong>e mit<br />
zwei Verstärkungsstufen <strong>und</strong> jeweils e<strong>in</strong>em Analog-to-Digital-Converter (ADC). Die Sensorhülse<br />
dient der optimalen Ankopplung der Piezokeramik an den Kopf des IceMole.<br />
Hierzu besitzt jede Sensorhülse e<strong>in</strong> Gew<strong>in</strong>de am sensorseitigen Ende. Bei Fehlfunktion<br />
e<strong>in</strong>es Sensors, kann dieser relativ e<strong>in</strong>fach aus dem Kopf des IceMole aus geschraubt <strong>und</strong><br />
getauscht werden. Wie <strong>in</strong> Abbildung 3.3b dargestellt s<strong>in</strong>d <strong>in</strong>sgesamt vier SensorHülsen<br />
an den jeweiligen Ecken des IceMole Kopfes <strong>in</strong> den Schmelzkörper aus Hovadur R○ CNCS<br />
e<strong>in</strong>geschraubt. Den Schallwandler stellt e<strong>in</strong>e PZT Piezokeramik dar. Diese ist so mit<br />
dem Boden der Sensorhülse verklebt, dass ke<strong>in</strong> direkter elektrischer Kontakt zwischen<br />
Sensorhülse <strong>und</strong> den beiden Polen des PZT besteht. Jedoch stellt die sehr dünne Klebeschicht<br />
e<strong>in</strong>en Kondensator zwischen der Unterseite der Keramik <strong>und</strong> der Hülse dar,<br />
wodurch die Signalübertragung ermöglicht wird. Oberhalb der Piezokeramik bef<strong>in</strong>det<br />
sich die Sensorplat<strong>in</strong>e (siehe Abbildung 3.3a). Die <strong>akustischen</strong> Signale werden von dem<br />
Schallwandler durch den Piezoelektrischen Effekt <strong>in</strong> analoge Spannungssignale umgewandelt<br />
<strong>und</strong> an die Sensorplat<strong>in</strong>e übertragen (siehe Abschnitt 4.2.2). Das Signal wird<br />
hier <strong>in</strong> zwei Kanälen verstärkt <strong>und</strong> durch den jeweiligen ADC konvertiert. In dem ersten<br />
Kanal wird das Signal um den Faktor 400 verstärkt. Im zweiten Kanal erfährt das bereits<br />
verstärkte Signal e<strong>in</strong>e weitere 20-fache Verstärkung. Dies hat den Vorteil, dass bei<br />
größeren Entfernungen <strong>zur</strong> Quelle das Signal verstärkt werden kann, ohne bei Signalen<br />
aus ger<strong>in</strong>gerer Distanz <strong>in</strong> den Sättigungsbereich des ADCs zu kommen.<br />
Schmelzkopf<br />
Phasenarrays<br />
APS<br />
Sensorhülsen<br />
(a) Sensorhülse mit e<strong>in</strong>geklebtem<br />
PZT <strong>und</strong> Sensorplat<strong>in</strong>e<br />
mit Vorverstärkern <strong>und</strong> ADCs.<br />
(b) Technische Zeichnung der Rückseite des IceMole Schmelzkopfes<br />
mit <strong>in</strong>tegrierten APS Senorpatronen <strong>und</strong> Phasenarrays [10].<br />
Abbildung 3.3: Integration der APS Sensoren <strong>in</strong> den Schmelzkopf des IceMole.<br />
12
3 Die <strong>Eis</strong>schmelzsonde IceMole 13<br />
3.2.2 Akustisches System <strong>zur</strong> Vorfelderk<strong>und</strong>ung<br />
Funktionspr<strong>in</strong>zip von Sonaren<br />
Ähnlich wie das Radar (Radio detection and rang<strong>in</strong>g) nutzen Sonare die Reflektion<br />
von Wellen an Grenzflächen um Objekte zu orten. Hierbei werden jedoch akustische<br />
statt elektromagnetische Signale benutzt. Akustische Wellen haben <strong>in</strong> <strong>Wasser</strong> e<strong>in</strong>e deutlich<br />
größere Abschwächungslänge als elektromagnetische Wellen <strong>und</strong> damit e<strong>in</strong>e größere<br />
Reichweite. Aktive Sonare senden Schallpulse aus <strong>und</strong> zeichnen dann das Echo auf. Über<br />
die Laufzeitdifferenz kann die Entfernung zum reflektierenden Objekt bestimmt werden.<br />
Durch die Phasensteuerung von mehreren Schallquellen nebene<strong>in</strong>ander kann die Aussendung<br />
des Schalls unter e<strong>in</strong>em bestimmten Raumw<strong>in</strong>kel gebündelt werden. Durch Variation<br />
des Raumw<strong>in</strong>kels <strong>und</strong> Auswertung des Schallechos <strong>in</strong> unterschiedlichen Richtungen<br />
kann so e<strong>in</strong> Bild von den reflektierenden Objekten erzeugt werden. Die wesentlichen, zu<br />
optimierenden Parameter bei Sonaren s<strong>in</strong>d die Reichweite <strong>und</strong> die Ortsauflösung.<br />
Reichweite<br />
Die Schallleistung nimmt <strong>für</strong> akustische Quellen mit dem reziproken Abstandsquadrat<br />
ab. Da beim aktiven Sonar die Schallquelle <strong>und</strong> der Schallempfänger am gleichen Ort s<strong>in</strong>d<br />
<strong>und</strong> lediglich Reflektionen gemessen werden, gilt <strong>für</strong> die Schallleistung das so genannte<br />
r 4 Gesetz [27]<br />
P E = P S · G2 · λ 2 · σ<br />
(4π) 3 · r 4 . (3.1)<br />
Bei gleicher Sendeleistung P S s<strong>in</strong>kt die vom Sonar empfangene Leistung P E mit der<br />
vierten Potenz des Abstandes r zum untersuchten Objekt. Hierbei geht e<strong>in</strong> etwaiger Leistungsgew<strong>in</strong>n<br />
durch Fokussierung der Schallkeule im Faktor G e<strong>in</strong> <strong>und</strong> der Rückstreuquerschnitt<br />
des zu untersuchenden Objektes im Faktor σ. Aus der Abhängigkeit von dem Quadrat<br />
der Wellenlänge λ folgt, dass bei gleicher Empfangsleistung die Reichweite <strong>für</strong> größere<br />
Wellenlängen, also kle<strong>in</strong>ere Frequenzen steigt. Die M<strong>in</strong>imierung der Frequenz <strong>zur</strong> Steigerung<br />
der Reichweite hat jedoch Auswirkungen auf die Ortsauflösung des Sonars.<br />
13
3 Die <strong>Eis</strong>schmelzsonde IceMole 14<br />
Ortsauflösung<br />
Die Auflösung beschreibt die Fähigkeit, <strong>in</strong>wieweit zwei benachbarte Punktreflektoren<br />
von dem System im Bild getrennt dargestellt werden können [27]. Entscheidend <strong>für</strong> die<br />
Auflösung ist hierbei das Verhältnis zwischen Apertur des Sonars <strong>und</strong> der Wellenlänge<br />
des empfangenen Signals.<br />
Bei e<strong>in</strong>em Phasenarray aus mehreren akustisch aktiven<br />
Elementen wird die W<strong>in</strong>kelauflösung durch<br />
den Gangunterschied zwischen den e<strong>in</strong>zelnen Elementen<br />
begrenzt. Um dies zu verdeutlichen betrachte<br />
man den Signalweg von e<strong>in</strong>em Punkt frontal<br />
vor dem Array <strong>und</strong> e<strong>in</strong>em Punkt im gleichen<br />
Abstand unter e<strong>in</strong>em kle<strong>in</strong>en E<strong>in</strong>fallsw<strong>in</strong>kel δ. Relativ<br />
zum Signal von vorne kommt es bei dem benachbarten<br />
Signal unter dem E<strong>in</strong>fallsw<strong>in</strong>kel δ bei<br />
bestimmten Elementen des Arrays zu e<strong>in</strong>em Gangunterschied<br />
∆s. Wird dieser größer als e<strong>in</strong> Viertel<br />
der Wellenlänge des reflektierten Signals, setzt destruktive<br />
Interferenz e<strong>in</strong>. Unter der Annahme kle<strong>in</strong>er<br />
W<strong>in</strong>keländerungen gilt:<br />
δs = λ = L · s<strong>in</strong> δ (3.2)<br />
4 2<br />
⇒ s<strong>in</strong> δ = λ<br />
2L . (3.3)<br />
Bis zu e<strong>in</strong>em gewissen Maße kann die Auflösung<br />
durch e<strong>in</strong>e Vergrößerung der Apertur L gesteigert<br />
werden. Gleiches gilt bei Verr<strong>in</strong>gerung der Wellenlänge,<br />
also Erhöhung der Frequenz der gesendeten<br />
Ultraschall Signale.<br />
Des Weiteren wird die Auflösung durch den m<strong>in</strong>imal<br />
auflösbaren Gangunterschied zwischen den<br />
PZT<br />
PZT<br />
Phasenarray<br />
δ<br />
PZT<br />
PZT<br />
L/2<br />
Δs<br />
PZT<br />
Abbildung 3.4: Zur Motivation<br />
des Zusammenhangs zwischen<br />
Auflösung, Apertur <strong>und</strong> Wellenlänge<br />
bei e<strong>in</strong>er l<strong>in</strong>earen Strahlergruppe.<br />
Elementen des Phasenarrays limitiert. Das heißt durch die Zeitauflösung der Datennahme.<br />
Nach dem Abtasttheorem muss <strong>für</strong> die Abtastfrequenz f sampl<strong>in</strong>g die Nyquistbed<strong>in</strong>gung<br />
f sampl<strong>in</strong>g > 2 · t max (3.4)<br />
gelten. Das heißt, um e<strong>in</strong> Signal e<strong>in</strong>deutig zu rekonstruieren, muss die Frequenz mit der<br />
das Signal abgetastet wird m<strong>in</strong>destens doppelt so groß se<strong>in</strong>, wie die maximale Frequenz<br />
f max des aufgezeichneten Signals [12]. Die Frequenz kann also nicht beliebig erhöht<br />
werden, um die Auflösung zu steigern.<br />
14
3 Die <strong>Eis</strong>schmelzsonde IceMole 15<br />
Phasenarrays<br />
Insgesamt s<strong>in</strong>d vier Pasenarrays <strong>für</strong> die Integration <strong>in</strong> den IceMole Kopf vorgesehen.<br />
Die e<strong>in</strong>zelnen Arrays s<strong>in</strong>d frontal <strong>in</strong> die Schmelzplatte e<strong>in</strong>gelassen. Wie Abbildung 3.6<br />
verdeutlicht, s<strong>in</strong>d die Arrays kreuzförmig angeordnet. Zu e<strong>in</strong>em festen Zeitpunkt kann<br />
das <strong>Eis</strong> vor dem IceMole <strong>in</strong> zwei Ebenen untersucht werden. Durch die Eigendrehung des<br />
IceMole während der Fahrt, ist der gesamte Raum im Vorfeld nach e<strong>in</strong>er viertel Drehung<br />
abgescannt.<br />
Die Phasenarrays wurden von der Firma Imasonic speziell <strong>für</strong> die Anforderungen des<br />
Akustischen Systems <strong>zur</strong> Vorfelderk<strong>und</strong>ung (ARS) entwickelt <strong>und</strong> produziert. E<strong>in</strong> Array<br />
besteht aus 16 piezokeramischen Elementen die <strong>in</strong>nerhalb des Arrays l<strong>in</strong>ear nebene<strong>in</strong>ander<br />
angeordnet s<strong>in</strong>d. Die 10 mm langen Elemente s<strong>in</strong>d jeweils 2,06 mm breit <strong>und</strong> <strong>in</strong><br />
e<strong>in</strong>em Abstand von 0.75 mm zue<strong>in</strong>ander flach angeordnet, womit sich e<strong>in</strong>e akustisch aktive<br />
Breite von 44.21 mm ergibt [14]. Der seitliche Versatz der e<strong>in</strong>zelnen Schallquellen<br />
beträgt folglich d = 2,81 mm.<br />
Die Abstrahlcharakteristik des Phasenarrays wird<br />
von der Geometrie der akustisch aktiven Elemente<br />
bee<strong>in</strong>flusst. Bei e<strong>in</strong>er l<strong>in</strong>earen <strong>akustischen</strong><br />
Strahlergruppe treten durch die Interferenz der<br />
e<strong>in</strong>zelnen Quellen abhängig von Abstand d <strong>und</strong><br />
Wellenlänge λ bei gleichphasiger Ansteuerung, also<br />
nach vorne gerichteter Aussendung, neben dem<br />
Hauptmaximum nach vorne Nebenmaxima unter<br />
dem W<strong>in</strong>kel α auf. Die Bed<strong>in</strong>gung <strong>für</strong> konstruktive<br />
Interferenz ist hierbei durch Gleichung 3.5 gegeben<br />
[27].<br />
s<strong>in</strong> α m = ∆s<br />
d<br />
= m · λ<br />
d<br />
n = 0, 1, 2... (3.5)<br />
Nebenmaxima treten auf, wenn der Gangunterschied<br />
der e<strong>in</strong>zelnen Punktquellen genau e<strong>in</strong>em<br />
α<br />
PZT<br />
d<br />
Δs<br />
PZT<br />
d<br />
PZT<br />
Phasenarray<br />
Abbildung 3.5: Skizze <strong>zur</strong> Verdeutlichung<br />
der Entstehung der Nebenkeulen<br />
<strong>in</strong> der Abstrahlcharakteristik<br />
des Phasenarrays.<br />
ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge entspricht (siehe Abbildung 3.5). Bei e<strong>in</strong>er<br />
Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit von 3840 m/s <strong>in</strong> <strong>Eis</strong> mit e<strong>in</strong>er Temperatur von 0 ◦ C [4] ergibt<br />
sich e<strong>in</strong>e Wellenlänge von 4,92 mm <strong>für</strong> e<strong>in</strong>e Schallwelle, die bei der Resonanzfrequenz<br />
des Phasenarrays von 780 kHz [14] ausgesendet wird. Da die Wellenlänge größer als der<br />
Abstand d der Quellen ist, können zu den Nebenmaxima folglich nicht alle Elemente<br />
des Arrays beitragen. Dadurch s<strong>in</strong>d die Nebenkeulen der Schallaussendung deutlich weniger<br />
ausgeprägt, als die Hauptkeule. Je kle<strong>in</strong>er das Verhältnis zwischen Abstand d der<br />
Strahler <strong>und</strong> Wellenlänge λ, desto ger<strong>in</strong>ger s<strong>in</strong>d die Nebenkeulen der Strahlungscharakteristik<br />
ausgeprägt. Auch die Anzahl der Elemente hat Auswirkungen auf die Form der<br />
Hauptkeule. Mit zunehmender Anzahl der Elemente <strong>in</strong> der Strahlergruppe nimm die<br />
Anzahl der Nebenmaxima zwar zu, da es re<strong>in</strong> komb<strong>in</strong>atorisch mehr W<strong>in</strong>kel gibt unter<br />
denen konstruktive Interferenz auftritt, aber die Breite der Strahlungskeulen wird auch<br />
15
3 Die <strong>Eis</strong>schmelzsonde IceMole 16<br />
ger<strong>in</strong>ger [19].<br />
Das Gehäuse der Phasenarrays besteht wie der Schmelzkopf des IceMole aus e<strong>in</strong>er Kupferlegierung<br />
namens Hovadur R○ CNCS. Diese Legierung hat mit bis zu 240 W/(m · K)<br />
e<strong>in</strong>e Wärmeleitfähigkeit <strong>in</strong> der Größenordnung von Kupfer, ist aber mit e<strong>in</strong>em Elastizitätsmodul<br />
von 140 kN/mm 2 deutlich härter <strong>und</strong> beständiger gegen Abrieb [28]. Zur<br />
Datenübertragung der aufgezeichneten Signale an das Daten System s<strong>in</strong>d die Elemente<br />
des Phasenarrays jeweils mit 16 abgeschirmten Koaxialkabeln verb<strong>und</strong>en.<br />
Ziel des ARS ist die Erkennung von Strukturen im Vorfeld der Sonde bis zu e<strong>in</strong>er Distanz<br />
von 10 m. Dabei soll es möglich se<strong>in</strong>, Objekte von 5 cm Größe <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Entfernung von<br />
1 m <strong>und</strong> 20 cm große Objekten <strong>in</strong> 2 Entfernung aufzulösen. [18]<br />
Abbildung 3.6: Technische Zeichnung der Integration der Phasenarrays <strong>in</strong> den Kopf des<br />
IceMole [9]. Die Phasenarrays werden kreuzförmig um die Schraube <strong>in</strong> den Schmelzkopf<br />
e<strong>in</strong>gelassen.<br />
16
3 Die <strong>Eis</strong>schmelzsonde IceMole 17<br />
3.2.3 Daten System<br />
Das Akustische Daten System umfasst die gesamte Hardware <strong>zur</strong> Auslese der <strong>akustischen</strong><br />
Sensoren im Kopf des IceMole. Die <strong>zur</strong> Datennahme (DAQ) benötigten Plat<strong>in</strong>en bef<strong>in</strong>den<br />
sich <strong>in</strong> der Akustik Box im Rumpf des IceMole h<strong>in</strong>ter der Kopfplatte der Trägersonde.<br />
Im Laufe dieser Arbeit wurden von Dmitry Eliseev die Plat<strong>in</strong>en <strong>zur</strong> Datennahme <strong>und</strong><br />
Ansteuerung des APS fertiggestellt <strong>und</strong> im Rahmen dieser Arbeit getestet. Die Plat<strong>in</strong>en<br />
des ARS bef<strong>in</strong>den sich noch <strong>in</strong> der Entwicklung.<br />
Abbildung 3.7: Akustik Box mit <strong>in</strong>tegrierter SVuEnt <strong>und</strong> APS-DAQ-Elektronik.<br />
APS System<br />
Der Datenfluss <strong>in</strong>nerhalb des APS ist <strong>in</strong> Abbildung 3.8 dargestellt. Jeder e<strong>in</strong>zelne Piezo<br />
Empfänger ist <strong>in</strong>nerhalb der Sensorhülse mit e<strong>in</strong>er Frontend Plat<strong>in</strong>e <strong>zur</strong> Verstärkung der<br />
Signale <strong>und</strong> Digitalisierung verb<strong>und</strong>en. Pro Sensorplat<strong>in</strong>e können zwei Kanäle mit 400-<br />
facher <strong>und</strong> 8000-facher Verstärkung ausgelesen werden. Die Auslese der ADCs erfolgt<br />
über e<strong>in</strong>en Field Programmable Gate Array (FPGA) auf der APS-DAQ-Plat<strong>in</strong>e. Beim<br />
Start e<strong>in</strong>es Digitalisierungsfensters werden mit e<strong>in</strong>er Auslesefrequenz von 2 MHz <strong>in</strong> jedem<br />
Ausleseschritt alle Kanäle der Sensorplat<strong>in</strong>en ausgelesen <strong>und</strong> vom FPGA <strong>in</strong> dem 16<br />
MB großen Random Access Memory (RAM) geschrieben. Bei e<strong>in</strong>em Zeitfenster von 32<br />
ms <strong>für</strong> die Aufzeichnung e<strong>in</strong>er Waveform <strong>und</strong> e<strong>in</strong>er Genauigkeit der ausgelesenen Werte<br />
des ADC von 12 Bit ergibt sich bei der Speicherkapazität des RAM e<strong>in</strong>e maximale Zwischenspeicherung<br />
von 16 Messungen. Ist der Speicher voll muss er vom Embedded-PC<br />
ausgelesen werden. Zur Auslese des FPGA <strong>und</strong> weiteren Datenverarbeitung steht <strong>in</strong> der<br />
Akustik Box e<strong>in</strong> Raspberry Pi als Embedded-PC <strong>zur</strong> Verfügung. Die ausgelesenen Daten<br />
17
3 Die <strong>Eis</strong>schmelzsonde IceMole 18<br />
Abbildung 3.8: Diagramm zum Datenfluss des APS. Die grau unterlegten Sensor-<br />
Plat<strong>in</strong>en bef<strong>in</strong>den sich <strong>in</strong> den Sensorhülsen im Kopf des IceMole. Die APS-DAQ-Plat<strong>in</strong>e,<br />
der Embedde PC <strong>und</strong> die SVuEnt s<strong>in</strong>d <strong>in</strong> der Akustik Box untergebracht.<br />
können vom Embedded-PC direkt weiterverarbeitet <strong>und</strong> ausgewertet werden. Rohdaten<br />
<strong>und</strong> Ergebnisse der Datenverarbeitung werden über e<strong>in</strong>e Netzwerkverb<strong>in</strong>dung dann an<br />
e<strong>in</strong>e SQL Datenbank <strong>zur</strong> Oberfläche geschickt, wo sie <strong>zur</strong> Trajektorienplanung abgerufen<br />
werden können. Die Spannungsversorgung <strong>für</strong> die APS-DAQ-Plat<strong>in</strong>e <strong>und</strong> den Embedded<br />
PC wird durch die Spannungsversorgung <strong>und</strong> Entkopplung (SVuEnt) Plat<strong>in</strong>e bereitgestellt.<br />
Gleichzeitig wird auf dieser Plat<strong>in</strong>e das RS-422 Signal <strong>zur</strong> Zeitsynchronisation <strong>in</strong><br />
e<strong>in</strong> Transistor-Transistor-Logik (TTL) Signal konvertiert.<br />
ARS System<br />
Das Datenerfassungssystem des ARS muss durch die höhere Anzahl an piezoelektrischen<br />
Elementen <strong>in</strong> den Phasenarrays <strong>und</strong> e<strong>in</strong>e höhere vorgesehene Datenrate auch größere Datenmengen<br />
verarbeiten können. Zudem werden die Phasenarrays im Gegensatz zu den<br />
Sensoren des APS nicht nur passiv betrieben, sondern müssen auch gerichtete akusti-<br />
18
PCIe<br />
Signalteiler<br />
PA 4<br />
PA 3<br />
PA 2 PA 1<br />
3 Die <strong>Eis</strong>schmelzsonde IceMole 19<br />
sche Signale aussenden können. Die vorgesehene Plat<strong>in</strong>enstruktur ist <strong>in</strong> Abbildung 3.9<br />
dargestellt. Zentrale Steuere<strong>in</strong>heit des ARS-Ma<strong>in</strong>boards ist, wie beim APS, e<strong>in</strong> FPGA.<br />
Gr<strong>und</strong>sätzlich lassen sich zwei Signalwege unterscheiden, die Signale <strong>zur</strong> aktiven Ansteuerung<br />
der Elemente des Phasenarrays <strong>und</strong> die empfangenen passiven Antworten.<br />
• Die Generierung der Ultraschallpulse <strong>für</strong> die Phasenarrays wird durch e<strong>in</strong> Array<br />
aus Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) auf der Puls-<br />
Former-Plat<strong>in</strong>e realisiert. Die Funktionsweise der Puls-Former-Plat<strong>in</strong>e wird im Abschnitt<br />
6.2.1 näher erläutert. E<strong>in</strong>e Relais-Plat<strong>in</strong>e im Kopf des IceMole schaltet die<br />
Pulse auf das jeweilige Phasenarray.<br />
• Die vom Phasenarray während des Digitalisierungsfensters empfangenen Signale<br />
werden wie beim APS über zwei ADCs mit unterschiedlicher Verstärkung digitalisiert<br />
<strong>und</strong> vom FPGA <strong>in</strong> e<strong>in</strong>en RAM geschrieben.<br />
Die Signalteilung f<strong>in</strong>det hierbei erst auf dem ARS-Ma<strong>in</strong>board statt. Um Störungen <strong>in</strong><br />
den empfangenen Signalen zu vermeiden, werden zwischen Signalteiler <strong>und</strong> Phasenarrays<br />
Coaxial-Kabel verwendet. Der Embedded-PC wird über e<strong>in</strong>en PCIe (Peripheral<br />
Component Interconnect Express) Bus mit dem FPGA verb<strong>und</strong>en um e<strong>in</strong>e höhere Datenübertragungsrate<br />
zu gewährleisten. Zur Zeit der Anfertigung dieser Arbeit, wurden<br />
von Stefan Wickmann Messungen <strong>zur</strong> Untersuchung der so erreichbaren Datenrate<br />
durchgeführt (siehe [30]).<br />
Architektur Feldtest des ARS-Systems 3. <strong>für</strong><br />
Kopfplatte<br />
24V<br />
Plat<strong>in</strong>e <strong>zur</strong> Spannungsversorgungs<br />
Pulsformer<br />
(MOSFETs Array)<br />
Relais-Plat<strong>in</strong>e.<br />
PA-Umschalten<br />
Pulsformer<br />
Steuerung<br />
Multi-Coax<br />
Embedded PC<br />
NanoX<br />
Ethernet<br />
ARS<br />
Ma<strong>in</strong>board<br />
FPGA Unit<br />
Spartan-6<br />
LX 75T<br />
Mehrkan.<br />
ADC#1<br />
Mehrkan.<br />
ADC#2<br />
Multi-Coax<br />
Relays<br />
Steuerung<br />
RAM<br />
256Mb<br />
Hochspannungs-Leiterbus <strong>und</strong> Kabel<br />
Digitale Leiterbus <strong>und</strong> Kabel<br />
Stromversorgung<br />
Analog-Leiterbus<br />
Abbildung 3.9: Diagramm zum Datenfluss <strong>in</strong>nerhalb des ARS. Die Plat<strong>in</strong>en rechts von<br />
der Kopfplatte bef<strong>in</strong>den sich im Kopf des IceMole. ARS-Hauptplat<strong>in</strong>e, Embedded PC,<br />
Pulsformer <strong>und</strong> Spannungsversorgung s<strong>in</strong>d <strong>in</strong> der Akustik Box untergebracht.<br />
19
4 Messung von Ultraschallwellen<br />
4.1 Schallausbreitung <strong>in</strong> Flüssigkeiten <strong>und</strong> festen Körpern<br />
Die Ausbreitung von Schallwellen ist mit lokalen Schwankungen des Drucks p <strong>und</strong> der<br />
Geschw<strong>in</strong>digkeit −→ v der Teilchen des Mediums um die Mittelwerte p 0 <strong>und</strong> −→ v 0 verb<strong>und</strong>en<br />
[19].<br />
p = p 0 + p ∼ (4.1)<br />
−→ v =<br />
−→ v 0 + −→ v ∼ (4.2)<br />
Hierbei bezeichnet p ∼ den Schalldruck <strong>und</strong> −→ v ∼ die Schallschnelle. Die Variation dieser<br />
Schallfeldgrößen ist im Vergleich zu den als statisch angenommenen Mittelwerten ger<strong>in</strong>g.<br />
Die Kenntnis der Orts- <strong>und</strong> Zeitabhängigkeit der Schallfeldgrößen ermöglicht e<strong>in</strong>e<br />
vollständige Beschreibung der Struktur des Schallfeldes.<br />
Ausbreitung <strong>in</strong> Flüssigkeiten<br />
In Flüssigkeiten existieren ke<strong>in</strong>e Schubspannungen. Das heißt, die Richtung der Änderungen<br />
der Schallfeldgrößen ist parallel <strong>zur</strong> Ausbreitungsrichtung der Schallwelle. Es existieren<br />
also nur Longitud<strong>in</strong>alwellen. Die Zustandsänderung der Schallfeldgrößen passiert im Medium<br />
<strong>in</strong> der Regel so schnell, dass ke<strong>in</strong> Temperaturausgleich mit der Umgebung stattf<strong>in</strong>det,<br />
das heißt der Prozess verläuft adiabatisch [19]. Für die Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit c<br />
<strong>in</strong> Flüssigkeiten gilt bei kle<strong>in</strong>en Amplitudenänderungen der Schallfeldgrößen relativ zu<br />
den statischen Feldgrößen der Zusammenhang<br />
√<br />
K<br />
c = . (4.3)<br />
ρ 0<br />
Wobei der Kompressionsmodul K der Kehrwert der adiabatischen Kompressibilität κ<br />
des Mediums ist. Die Kompressibilität κ<br />
[ ( )] 1 ∂p<br />
κ =<br />
(4.4)<br />
ρ ∂ρ<br />
adiabatisch<br />
beschreibt die Änderung der Dichte der Flüssigkeit bei Druckänderungen. Da die Dichte<br />
der Flüssigkeit von der absoluten Temperatur abhängt, variiert die Ausbreitungsgeschw<strong>in</strong>digkeit<br />
von Schallwellen <strong>in</strong> Flüssigkeiten mit der Dichte <strong>und</strong> Temperatur. In allen<br />
Flüssigkeiten nimmt die Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit mit steigendem Druck zu [27].<br />
20
4 Messung von Ultraschallwellen 21<br />
Ausbreitung <strong>in</strong> festen Körpern<br />
Im Gegensatz zu Flüssigkeiten <strong>und</strong> Gasen widersetzen sich Festkörper e<strong>in</strong>er Formänderung,<br />
was <strong>in</strong> dem Auftreten von Schubkräften resultiert, die e<strong>in</strong>er Deformation entgegenwirken<br />
[27]. Hierdurch breiten sich akustische Wellen nicht nur als Longitud<strong>in</strong>al-Wellen, sondern<br />
auch als Transversal-Wellen aus. Die Überlagerung dieser beiden Wellen führt zu e<strong>in</strong>er<br />
Vielzahl an möglichen <strong>akustischen</strong> Wellen <strong>in</strong>nerhalb e<strong>in</strong>es Festkörpers. Das Verhältnis<br />
der Ausbreitungsgeschw<strong>in</strong>digkeit c L von Longitud<strong>in</strong>al-Wellen im Verhältnis <strong>zur</strong> Ausbreitungsgeschw<strong>in</strong>digkeit<br />
c T von Transversal-Wellen ist im allseits unbegrenzten isotropen<br />
Festkörper gegeben durch [27]:<br />
√<br />
c L 2 · (1 − ν)<br />
=<br />
c T 1 − 2 · ν<br />
(4.5)<br />
Hierbei bezeichnet ν die Poisson-Zahl des Festkörpers, <strong>und</strong> beschreibt mit welcher relativen<br />
Änderung der Dicke e<strong>in</strong> Festkörper auf relative Längenänderungen reagiert. Diese<br />
dimensionslose Materialkonstante ist <strong>für</strong> alle Festkörper positiv <strong>und</strong> kle<strong>in</strong>er 0,5. Daraus<br />
folgt<br />
c L<br />
c T<br />
> 1 <strong>für</strong> alle Festkörper. (4.6)<br />
Die Ausbreitungsgeschw<strong>in</strong>digkeit c L von Longitud<strong>in</strong>al-Wellen ist gr<strong>und</strong>sätzlich größer,<br />
als die der Transversal-Wellen. Für Laufzeitmessungen von <strong>akustischen</strong> Signalen <strong>in</strong> Festkörpern,<br />
ist also nur die Betrachtung von Longitud<strong>in</strong>al-Wellen von Bedeutung.<br />
Absorption von Schallwellen<br />
Die Ausbreitung der lokalen Schwankungen um die ungestörten Schallfeldgrößen wird<br />
abhängig vom Medium <strong>in</strong> dem sich die Schallwelle ausbreitet gedämpft. Die Dämpfung<br />
der Schallwelle sorgt dabei <strong>für</strong> e<strong>in</strong>en exponentiellen Abfall der Amplitude. Hierbei spielen<br />
<strong>in</strong> Flüssigkeiten drei Effekte e<strong>in</strong>e Rolle:<br />
• Die Viskosität η bezeichnet die Fließfähigkeit e<strong>in</strong>er Flüssigkeit <strong>und</strong> ist e<strong>in</strong> Maß<br />
<strong>für</strong> die <strong>in</strong>nere Reibung des Mediums. Die <strong>in</strong>nere Reibung ist der lokalen Positionsänderung<br />
der Teilchen des Mediums gr<strong>und</strong>sätzlich entgegengesetzt <strong>und</strong> entzieht<br />
der Schallwelle so stetig Energie. Der Dämpfungskoeffizient α Viskosität kann durch<br />
folgende Formel genähert werden [27]:<br />
α Viskosität = 2 · η · ω2<br />
3 · ρ 0 · c 3 (4.7)<br />
Der Dämpfungskoeffizient steigt mit dem Quadrat der Frequenz ω der Schallwelle.<br />
Hochfrequente Schallwellen werden demnach stärker absorbiert als niederfrequente.<br />
• Da die Schwankung der Schallfeldgrößen sehr schnell s<strong>in</strong>d, kann die Zustandsänderung<br />
als adiabatisch angenommen werden. Dies erfordert kle<strong>in</strong>e lokale Schwankungen der<br />
Temperatur. Die Fähigkeit der Wärmeleitung ν des Mediums ist e<strong>in</strong> Maß <strong>für</strong> die<br />
21
4 Messung von Ultraschallwellen 22<br />
zeitliche Änderung des Wärmestroms bei e<strong>in</strong>em gegebenen Temperaturgradienten.<br />
Der Dämpfungskoeffizient beträgt näherungsweise [27]:<br />
α Wärmeleitung =<br />
(κ − 1) · ν · ω2<br />
2 · κ · C V · ρ 0 · c 3 . (4.8)<br />
Wobei C V die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen <strong>und</strong> κ der<br />
Isentropen<strong>in</strong>dex ist. Der Dämpfungskoeffizient steigt wie bei der <strong>in</strong>neren Reibung<br />
mit dem Quadrat der Frequenz. In <strong>Wasser</strong> ist der Beitrag <strong>zur</strong> Dämpfung durch<br />
die ger<strong>in</strong>ge Wärmeleitfähigkeit ν um mehrere Größenordnungen ger<strong>in</strong>ger als der<br />
Beitrag durch die <strong>in</strong>nere Reibung [27].<br />
• Molekulare Absoption bezeichnet die Dämpfung des Schallfeldes durch die Anregung<br />
der Moleküle. Hierbei werden die Moleküle abhängig von den jeweiligen<br />
Translations- <strong>und</strong> Rotationsfreiheitsgraden <strong>in</strong> Schw<strong>in</strong>gungen versetzt. Die Anregung<br />
der Schw<strong>in</strong>gung entzieht der Schallwelle Energie.<br />
Zusätzlich <strong>zur</strong> Dämpfung durch das Medium, kommt es durch die ungerichtete Ausbreitung<br />
e<strong>in</strong>er Schallwelle im Raum zu e<strong>in</strong>em Abfall der Schallleistung P proportional<br />
zum Quadrat des Abstandes r <strong>zur</strong> Quelle. Da die Schallleistung proportional zum Quadrat<br />
der Amplitude ist, resultiert dies <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er räumlichen Abnahme der Amplitude proportional<br />
zu r. Anders als die Dämpfung, kann dieser Effekt jedoch durch die gerichtete<br />
Aussendung oder Bündelung der Schallkeule m<strong>in</strong>imiert werden.<br />
22
4 Messung von Ultraschallwellen 23<br />
4.2 Akustische Sensoren<br />
4.2.1 Elektroakustische Wandler<br />
Die verwendeten <strong>akustischen</strong> Empfänger <strong>und</strong> Sender s<strong>in</strong>d elektroakustische Wandler,<br />
die akustische Energie zunächst <strong>in</strong> mechanische <strong>und</strong> dann <strong>in</strong> elektrische umwandeln <strong>und</strong><br />
umgekehrt [27]. Piezokeramiken können durch den piezokeramischen Effekt als elektroakustische<br />
Wandler e<strong>in</strong>gesetzt werden. Hierbei ist von Vorteil, dass der Effekt umkehrbar<br />
ist, piezokeramische Materialien können sowohl als Empfänger, als auch als Sender akustischer<br />
Signale e<strong>in</strong>gesetzt werden.<br />
4.2.2 Piezoelektrischer Effekt<br />
Der piezoelektrische Effekt beruht auf e<strong>in</strong>er Umverteilung des Schwerpunktes der positiv<br />
<strong>und</strong> negativ geladenen Konstituenten e<strong>in</strong>es Stoffes <strong>und</strong> der daraus resultierenden Ausbildung<br />
von Dipolen. Die meisten piezoelektrischen Materialien s<strong>in</strong>d Kristalle, es gibt aber<br />
auch semikristall<strong>in</strong>e Kunstoffe wie Polyv<strong>in</strong>ylidenfluorid (PVDF) mit piezoelektrischen<br />
Eigenschaften.<br />
Abbildung 4.1: Geometrische Erklärung des piezoelektrischen Effekts. Durch die äußere<br />
Krafte<strong>in</strong>wirkung kommt es zu e<strong>in</strong>er Verlagerung der Ladungsschwerpunkte <strong>und</strong> e<strong>in</strong>er<br />
Ausbildung von Dipolen p Q .<br />
Die verwendeten piezoelektrischen Wandler s<strong>in</strong>d aus PZT gefertigt. Diese polykristall<strong>in</strong>e<br />
Keramik zeichnet sich durch e<strong>in</strong>en sehr hohen piezoelektrischen Modul aus (um<br />
e<strong>in</strong>en Faktor fünf größer im Vergleich zu PVDF). Die Kristallstruktur ist Temperaturabhängig.<br />
Oberhalb der kritischen Curietemperatur T C verlieren Kristalle ihre piezoelektrische<br />
Eigenschaft. Die hohe Curietemperatur von 328 ◦ C erlaubt e<strong>in</strong>en Betrieb von<br />
PZT Keramiken auch bei hohen Temperaturen [27]. Dies ist wichtig <strong>für</strong> e<strong>in</strong>e eventuelle<br />
erhöhte Erwärmung des Schmelzkopfes des IceMole durch Kontaktverlust zum <strong>Eis</strong>.<br />
23
5 Tests des Akustischen<br />
Positionierungssystems (APS)<br />
5.1 Untersuchung der Synchronisation zwischen<br />
Signalerzeugung <strong>und</strong> Datenerfassung<br />
Die Zentrale Sender E<strong>in</strong>heit (ZSE) des Arrays aus Ultraschall-Sendern generiert die Pulse<br />
<strong>für</strong> die <strong>akustischen</strong> Sender. In Abbildung 5.1 ist das Signal nach der Verstärkung<br />
durch die Frontend Elektronik des Senders exemplarisch dargestellt. Der akustische Sender<br />
wird <strong>in</strong> dieser Konfiguration jede Sek<strong>und</strong>e mit e<strong>in</strong>er Folge aus vier Schw<strong>in</strong>gungen<br />
mit e<strong>in</strong>er Frequenz von 18 kHz <strong>und</strong> e<strong>in</strong>er Amplitude von ca. 40 V angesteuert.<br />
Gleichzeitig liefert sie e<strong>in</strong> differentielles Signal nach RS-422 Standard als Trigger <strong>für</strong><br />
die Zeitsynchronisation zwischen Signalgeber <strong>und</strong> Datenerfassungssystem (DAQ) der<br />
Empfänger. Hierbei dient die fallende Flanke des Triggers als Referenzzeitpunkt <strong>für</strong> die<br />
Laufzeitmessung der DAQ. E<strong>in</strong>e mögliche elektronische Verspätung zwischen Trigger<br />
Flanke <strong>und</strong> dem Zeitpunkt des Aussenden e<strong>in</strong>es Signals wirkt sich als systematischer<br />
Fehler auf die Laufzeitmessung der Ultraschallsignale aus <strong>und</strong> bedarf deshalb e<strong>in</strong>er genaueren<br />
Betrachtung. Die zeitliche Variation der Flanke, der so genannte ”<br />
Jitter “, wirkt<br />
sich ebenfalls auf die Laufzeitmessung aus. Beider Größen wurden im Labor genauer untersucht.<br />
Amplitude [V]<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
-10<br />
-20<br />
-30<br />
-40<br />
-50<br />
-3<br />
×10<br />
-0.4 -0.2 0 0.2 0.4<br />
Zeit [s]<br />
Abbildung 5.1: Signal <strong>zur</strong> Ansteuerung der Sender aufgezeichnet mit e<strong>in</strong>em Oszilloskop.<br />
Am Oszilloskop wurde e<strong>in</strong> Offset von ca. -11 V e<strong>in</strong>gestellt.<br />
24
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 25<br />
5.1.1 Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />
Um die Verspätung zwischen Trigger <strong>und</strong> Aussenden e<strong>in</strong>es Signals durch Verzögerungen<br />
<strong>in</strong> der Elektronik zu messen, wurde die ZSE im Labor mit der Frontend Elektronik e<strong>in</strong>es<br />
Senders verb<strong>und</strong>en. Mittels zwei Messspitzen wurde der von der ZSE erzeugte Puls<br />
direkt am Ausgang der Frontend Elektronik abgegriffen. Zur Datennahme stand e<strong>in</strong> digitales<br />
Oszilloskop (Tektronix DPO 4034) <strong>zur</strong> Verfügung. Das Oszilloskop kann über<br />
das lokale Netzwerk angesteuert <strong>und</strong> ausgelesen werden [13]. Die ZSE liefert e<strong>in</strong> 1 Puls<br />
Pro Sek<strong>und</strong>e (PPS) Signal <strong>zur</strong> Synchronisation mit der APS-DAQ. Dieses differentielle<br />
Signal wird von der SVuEnt Plat<strong>in</strong>e <strong>in</strong> e<strong>in</strong> TTL Signal konvertiert <strong>und</strong> liefert dann den<br />
Trigger <strong>für</strong> die Datenaufnahme. Zum Zeitpunkt der Messung stand die SVuEnt nicht<br />
nicht <strong>zur</strong> Verfügung. Die Konvertierung des Triggers wurde von e<strong>in</strong>er Testplat<strong>in</strong>e mit<br />
gleicher Schaltung durchgeführt.<br />
Das Triggersignal <strong>und</strong> der Puls <strong>zur</strong> Ansteuerung der Sender wurden <strong>in</strong> sechs Durchläufen<br />
mit dem Oszilloskop mit e<strong>in</strong>er Abtastrate von 10 MHz gemessen <strong>und</strong> <strong>zur</strong> weiteren Datenanalyse<br />
gespeichert.<br />
5.1.2 Ergebnisse<br />
Die fallende Flanke des Triggers weist, wie <strong>in</strong> Abbildung 5.2 gezeigt, e<strong>in</strong>e maximale<br />
Breite von wenigen Nanosek<strong>und</strong>en auf. Der Jitter der Triggerflanke konnte mit der<br />
Sampl<strong>in</strong>grate von 10 MHz nicht aufgelöst werden. Daraus folgt, dass der Jitter unterhalb<br />
der Zeit zwischen zwei Datenpunkten liegen muss. Dies liefert e<strong>in</strong>e obere Schranke<br />
von 100 ns <strong>für</strong> den Jitter. Die Datennahme des APS erfolgt mit e<strong>in</strong>er Datenrate von<br />
2 MHz, womit die Auflösung des Oszilloskops <strong>für</strong> die obere Schranke ausreichend ist.<br />
Die System-Anforderungen an das APS fordern e<strong>in</strong>e Genauigkeit der Zeitauflösung von<br />
1 µs. Die gemessene obere Schranke <strong>für</strong> den Jitter des Triggersignals liegt <strong>in</strong>nerhalb der<br />
Systemanforderungen.<br />
Sowohl die Breite der Triggerflanke als auch der Jitter des Triggers haben nur ger<strong>in</strong>gen<br />
E<strong>in</strong>fluss auf die Genauigkeit der Laufzeitmessungen. E<strong>in</strong> Versatz des Triggers von 100<br />
ns entspricht e<strong>in</strong>er Differenz von 0,15 mm <strong>in</strong> der Laufstrecke der Ultraschall Signale <strong>in</strong><br />
<strong>Wasser</strong> <strong>und</strong> etwa 0,3 mm <strong>in</strong> <strong>Eis</strong>.<br />
Abbildung 5.3 zeigt den Verlauf der Pulse <strong>für</strong> die sechs Messungen im Vergleich <strong>zur</strong><br />
fallenden Triggerflanke. Alle Messungen zeigen e<strong>in</strong>e Verspätung von etwa 4 µs. Dies entspricht<br />
<strong>in</strong> <strong>Eis</strong> e<strong>in</strong>er systematischen Verschiebung der tatsächlichen Laufstrecke um 16 mm<br />
zu größeren Distanzen. Der Signalweg zwischen Frontend Elektronik <strong>und</strong> Sender wurde<br />
bei dieser Messung nicht berücksichtigt, ist aber vernachlässigbar kle<strong>in</strong> 1 . Diese systematische<br />
Verspätungen sollte sich als Offset bei e<strong>in</strong>er Messung der Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit<br />
bemerkbar machen.<br />
1 Die Länge des Kabels zwischen Piezokeramik im Sender <strong>und</strong> Frontend Elektronik beträgt ca. 2 m.<br />
Daraus folgt <strong>für</strong> die Laufzeit des Signals t = < 10 −8 s.<br />
2m<br />
3·10 8 m s<br />
25
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 26<br />
amplitude [V]<br />
3.5<br />
3<br />
2.5<br />
2<br />
1.5<br />
1<br />
0.5<br />
0<br />
-6<br />
×10<br />
-0.1 -0.05 0 0.05 0.1<br />
Zeit [s]<br />
Amplitude [V]<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
-4 -2 0 2 4<br />
Zeit [s]<br />
-6<br />
×10<br />
Abbildung 5.2: Oben: Breite der fallenden Flanke des Triggersignals. Aufgezeichnet mit<br />
der maximalen Abtastrate des Oszilloskop von 2,5 GHz <strong>und</strong> über 32 Messungen gemittelt.<br />
Unten: Jitter der fallenden Flanke des Triggersignals. Dargestellt s<strong>in</strong>d sechs<br />
unabhängigen Messungen mit e<strong>in</strong>er Aufzeichnungsrate von 10 MHz.<br />
amplitude [V]<br />
30<br />
20<br />
10<br />
run 01<br />
run 02<br />
run 03<br />
run 04<br />
run 05<br />
run 06<br />
trigger<br />
0<br />
-10<br />
-20<br />
-30<br />
-40<br />
-0.01 0 0.01 0.02 0.03<br />
time [s]<br />
-3<br />
×10<br />
Abbildung 5.3: Auftragung der Signalamplitude gegen die Zeit <strong>für</strong> sechs Pulse der ZSE<br />
(run 01 bis run 06) im Vergleich zum gemittelten Triggersignal (trigger) <strong>in</strong> schwarz.<br />
26
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 27<br />
5.2 Schwimmbad-Tests<br />
Der Test des <strong>Navigation</strong>skonzepts <strong>für</strong> den IceMole <strong>in</strong> <strong>Eis</strong> stellt im Labor e<strong>in</strong>e große Herausforderung<br />
dar. Das Frieren von ausreichend großen <strong>Eis</strong>mengen ist sehr zeit<strong>in</strong>tensiv<br />
<strong>und</strong> mit hohen Kosten verb<strong>und</strong>en. Mit dem Aachener Akustik Labor (AAL) steht dem<br />
Institut e<strong>in</strong> Messplatz <strong>zur</strong> Verfügung, um bis zu 3000 Liter Klareis herzustellen <strong>und</strong> <strong>für</strong><br />
akustische Tests zu <strong>in</strong>strumentalisieren. Allerd<strong>in</strong>gs dauert die Herstellung des <strong>Eis</strong>es ca.<br />
60 Tage. Des Weiteren ist der Abstand zwischen den zu testenden Sensoren durch den<br />
maximalen Durchmesser des Tanks von 1,85 m limitiert [29].<br />
Natürlich vorkommende große <strong>Eis</strong>-Volum<strong>in</strong>a, wie Gletscher, bilden die ideale Testumgebung<br />
<strong>für</strong> den IceMole. Allerd<strong>in</strong>gs s<strong>in</strong>d diese Tests kostspielig <strong>und</strong> durch die fehlende<br />
Infrastruktur auf Gletschern aufwendig.<br />
<strong>Wasser</strong> bietet im Vergleich zu <strong>Eis</strong> als Testmedium erhebliche Vorteile. Es ist kostengünstig<br />
<strong>in</strong> ausreichender Menge <strong>in</strong> der Nähe des Instituts vorhanden <strong>und</strong> das E<strong>in</strong>br<strong>in</strong>gen von<br />
Sensoren ist erheblich e<strong>in</strong>facher. Die <strong>für</strong> die Untersuchung akustischer Signale relevanten<br />
Eigenschaften von <strong>Wasser</strong> <strong>und</strong> <strong>Eis</strong> s<strong>in</strong>d ähnlich.<br />
Die gesamte Entwicklung des IceMole <strong>und</strong> se<strong>in</strong>er Subsysteme beruht auf e<strong>in</strong>em Zyklus<br />
aus Weiterentwicklungen <strong>und</strong> Tests von Prototypen. Ziel der Schwimmbad-Tests (SBT)<br />
war es, e<strong>in</strong>en unmittelbaren E<strong>in</strong>satz nahen, kostengünstigen Test der e<strong>in</strong>zelnen Entwicklungsstufen<br />
zu ermöglichen.<br />
Zum Test des APS <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em größeren <strong>Wasser</strong>volumen wurde e<strong>in</strong> Messaufbau entwickelt,<br />
um die relativen Abstände zwischen <strong>akustischen</strong> Sendern <strong>und</strong> Empfängern zu variieren.<br />
Um e<strong>in</strong> e<strong>in</strong>satznahes Testumfeldes <strong>für</strong> das APS zu realisieren, ist e<strong>in</strong> möglichst reflektionsarmes,<br />
großes Volumen nötig. Zur Verfügung stand das Sprungbecken der Ulla–<br />
Kl<strong>in</strong>ger–Halle <strong>in</strong> Aachen. Das Becken fasst bei e<strong>in</strong>er Breite von 14 m, 17,5 m Länge <strong>und</strong><br />
e<strong>in</strong>er Tiefe von 4,55 m e<strong>in</strong> <strong>Wasser</strong>volumen von etwa 1100 m 3 .<br />
Für die Messungen im Becken stand jeweils e<strong>in</strong> Zeitfenster von 4 St<strong>und</strong>en <strong>zur</strong> Verfügung,<br />
<strong>in</strong> dem frei vom Badebetrieb gemessen werden konnte. Hieraus ergeben sich Anforderungen<br />
an die Komplexität <strong>und</strong> Mobilität des Messaufbaus. Bei der Realisierung wurde<br />
darauf geachtet, die Komponenten e<strong>in</strong>fach <strong>und</strong> gut transportabel zu halten, um e<strong>in</strong><br />
schnelles Auf- <strong>und</strong> Abbauen zu ermöglichen.<br />
Ende Mai 2013 war e<strong>in</strong> Feldtest des IceMole auf dem Morteratsch Gletscher im Engad<strong>in</strong><br />
(Schweiz). Die Schwimmbad-Tests (SBT) sollten e<strong>in</strong>e Möglichkeit bieten e<strong>in</strong>zelne Komponenten<br />
des APS <strong>und</strong> das Gesamtsystem im Vorfeld des Tests auf dem Gletscher <strong>in</strong><br />
möglichst realistischer Umgebung zu testen.<br />
Hierbei standen die Tests folgender drei Schwerpunkte im Vordergr<strong>und</strong>: Test der APS<br />
Sensoren, Test der Elektronik <strong>zur</strong> Datennahme <strong>und</strong> Test der Software <strong>und</strong> Datenprozession.<br />
Des Weiteren konnten durch die Schwimmbad-Tests bereits <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em sehr frühen<br />
Stand der Entwicklung Testdaten gewonnen werden.<br />
27
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 28<br />
5.2.1 Methodik <strong>und</strong> Aufbau<br />
Der Aufbau im Schwimmbad soll die Bewegung der <strong>in</strong> den IceMole <strong>in</strong>tegrierten Sensoren<br />
relativ zum Sender–Array simulieren. Es stellte sich jedoch als zweckmäßiger heraus<br />
die Position der Sender bei festgehaltener Position der Sensoren im Testkopf zu<br />
variieren, da das Datensystem des APS so während der Messung zugänglich bleibt.<br />
Hierzu wurde e<strong>in</strong> APS-Sensor <strong>in</strong> e<strong>in</strong>en<br />
wasserdichten Testkopf aus Alum<strong>in</strong>ium<br />
<strong>in</strong>tegriert. Die Größe des Testkopfes<br />
liegt mit e<strong>in</strong>em Durchmesser<br />
von 13 cm <strong>in</strong> der Größenordnung des<br />
IceMole Kopfes, um ähnliche Resonanzfrequenzen<br />
im Bereich von 10-<br />
25 kHz zu erreichen. Abbildung 5.4<br />
zeigt den Testkopf mit e<strong>in</strong>er Sensoraufnahme.<br />
Der Kopf wurde über Seile<br />
höhenverstellbar an e<strong>in</strong>en der etwa<br />
1 m hohen Sprungturme befestigt. So<br />
konnte die gesamte <strong>für</strong> die Messungen<br />
benötigte DAQ <strong>in</strong> unmittelbarer Umgebung<br />
zum Sensor gut zugänglich auf<br />
dem Sprungbrett aufgebaut werden.<br />
Des Weiteren wurde die gleichzeitige<br />
Messung mehrerer Sender des Arrays<br />
Deckel mit Dichtungsr<strong>in</strong>g<br />
Kabeldurchführung<br />
Aufhängung<br />
Sensoraufnahme<br />
Abbildung 5.4: IceMole Testkopf mit wasserdichtem<br />
Deckel <strong>und</strong> Aufnahme <strong>für</strong> e<strong>in</strong>en APS<br />
Sensor.<br />
auf die nache<strong>in</strong>ander stattf<strong>in</strong>dende Messung e<strong>in</strong>es Senders an unterschiedlichen Orten<br />
reduziert. Der Sender wurde, wie die Skizze (a) <strong>in</strong> Abbildung 5.5 verdeutlicht, über Seile<br />
höhenverstellbar an e<strong>in</strong> Floß fixiert. Der Schwimmkörper des Floßes wurde durch e<strong>in</strong>e<br />
5 cm dicke Polystyrol Platte realisiert. Diese wird von zwei kle<strong>in</strong>eren 10 mm starken PVC<br />
Platten umfasst, die die bei der Fixierung des Floßes an e<strong>in</strong>em festen Ort auftretenden<br />
Zugkräfte aufnehmen. Die Frontend Elektronik des Senders bef<strong>in</strong>det sich auf der Oberseite<br />
des Floßes <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em wasserdichten Gehäuse. Die Frontend Elektronik ist über e<strong>in</strong><br />
etwa 70 m langes Kabel mit der Zentrale Sende E<strong>in</strong>heit verb<strong>und</strong>en. Gewichte unterhalb<br />
des Senders erhöhen die Trägheit des h<strong>in</strong>ab hängenden Senders <strong>und</strong> sorgen <strong>für</strong> e<strong>in</strong>e stabile<br />
Lage im <strong>Wasser</strong>. Das Floß kann über Seile am Beckenrand fixiert werden. So kann<br />
der Sender an jedem Ort <strong>in</strong>nerhalb des Sprungbeckens zwischen e<strong>in</strong>er Tiefe von 20 cm<br />
<strong>und</strong> 200 cm fixiert werden.<br />
E<strong>in</strong>e direkte Vermessung der Position des Senders relativ zum Becken ist bei dem verwendeten<br />
Aufbau unpraktikabel. Das Floß ist während der Messungen vom Beckenrand<br />
<strong>in</strong> der Regel nicht zugänglich. Darum wurden die Orte der Sender folgendermaßen rekonstruiert.<br />
Die Position des Senders relativ zum Floß wurde <strong>für</strong> e<strong>in</strong>e Messreihe festgelegt. Die Tiefe<br />
wurde so gewählt, dass der Weg die Reflexionen der Signale am Boden des Beckens <strong>und</strong><br />
<strong>Wasser</strong>oberfläche möglichst maximal ist. Das bei den Messungen simulierte Array aus<br />
<strong>akustischen</strong> Sendern bef<strong>in</strong>det sich folglich bei allen Messungen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Ebene parallel<br />
28
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 29<br />
Seile <strong>zur</strong> Fixierung<br />
des Floß<br />
Reflektionsschirm<br />
Polystyrol<br />
Sender<br />
ITC-1001<br />
Seile<br />
Gewicht<br />
(a) Schematischer Aufbau des Floßes <strong>zur</strong> Variation<br />
der Position des Senders.<br />
(b) Floß mit herab hängendem ITC-1001 <strong>und</strong><br />
montierter Frontend Elektronik bei den Tests<br />
im Schwimmbad.<br />
Abbildung 5.5: Floß <strong>zur</strong> Variation der Sender Position relativ zum IceMole Testkopf.<br />
Zur Simulation des Sender-Arrays kann das gesamte Volumen des Beckens ausgenutzt<br />
werden.<br />
<strong>zur</strong> <strong>Wasser</strong>oberfläche <strong>in</strong> mittlerer Tiefe des Beckens. Die Position des Floßes relativ zum<br />
Beckenrand wurde mit Hilfe e<strong>in</strong>es Trilaterationsverfahrens bestimmt. Hierzu wurde die<br />
Distanz r i des Floßes relativ zu drei festgelegten Messpunkten am Beckenrand gemessen.<br />
Die Kreisgleichungen<br />
(x i − x M i ) 2 + (y i − y M i ) 2 = r i<br />
2<br />
,i = 1..3 (5.1)<br />
um den Messpunkt (x M i |y M i ) <strong>in</strong> der Ebene der <strong>Wasser</strong>oberfläche haben bei exakter<br />
Messung genau e<strong>in</strong>en Schnittpunkt. Durch die begrenzte Messgenauigkeit bei der Distanzmessung<br />
<strong>und</strong> der statistischen Schwankung der Messung, existieren <strong>in</strong> der Regel<br />
drei Schnittpunkte <strong>in</strong> direkter Umgebung des wahren Schnittpunktes.<br />
Der geometrische Schwerpunkt<br />
(<br />
xs<br />
y s<br />
)<br />
= 1 3<br />
3∑<br />
i=1<br />
(<br />
xi<br />
y i<br />
)<br />
(5.2)<br />
29
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 30<br />
aus diesen drei Schnittpunkten stellt e<strong>in</strong>en guten Schätzwert <strong>für</strong> die wahre Position dar.<br />
Es wurden vor dem ersten Feldtest auf dem Morteratsch Gletscher drei Tests des APS<br />
im Schwimmbad durchgeführt. Bei allen Tests wurde der <strong>in</strong> Abbildung 5.6 schematisch<br />
dargestellte Aufbau mit den oben beschriebenen Komponenten verwendet.<br />
17.5 m<br />
E<strong>in</strong>stiegsmöglichkeiten<br />
Sprungtürme<br />
Floß mit Sender<br />
IceMole<br />
Testkopf mit<br />
Empfänger<br />
14 m<br />
DAQ<br />
Pulsgeber<br />
Messpunkte <strong>zur</strong><br />
Ortsbestimmung des Senders<br />
Abbildung 5.6: Skizze des Sprungbeckens der Ulla–Kl<strong>in</strong>ger–Halle von oben betrachtet<br />
mit schematischem Messaufbau zum Test des APS.<br />
30
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 31<br />
5.2.2 Schwimmbad-Test 1: Konzepttest<br />
Ziel des ersten APS Schwimmbad-Tests war e<strong>in</strong> konzeptioneller Test des Messaufbaus<br />
<strong>und</strong> die Generierung von Testdaten <strong>zur</strong> Entwicklung e<strong>in</strong>es Algorithmus <strong>zur</strong> Bestimmung<br />
der Laufzeiten.<br />
Datennahme<br />
In der ersten Iteration der Schwimmbad-Tests wurde zunächst als Sensor e<strong>in</strong> PZT <strong>in</strong><br />
e<strong>in</strong>er Hülse mit e<strong>in</strong>er Verstärkerstufe verwendet. Die Digitalisierung fand außerhalb des<br />
Beckens statt. Da die im IceMole <strong>in</strong>tegrierte DAQ noch nicht <strong>zur</strong> Verfügung stand, wurden<br />
die verstärkten Signale mit der National Instruments DAQ Karte NI USB-6356<br />
digitalisiert <strong>und</strong> aufgezeichnet. Das Labview Programm Signal Express von National Instruments<br />
ermöglicht sowohl die Steuerung der DAQ Karte als auch die direkte Kontrolle<br />
der Daten. Zur weiteren Analyse wurden die Daten <strong>in</strong> ASCII Tabellen lokal gespeichert.<br />
An 8 verschiedenen Positionen des Senders wurde der Empfänger mehrmals 1 s lang mit<br />
e<strong>in</strong>er Sampl<strong>in</strong>grate von 1 MHz ausgelesen. Als Trigger <strong>für</strong> die Auslese diente das 1 PPS<br />
Signal der Zentralen Sende E<strong>in</strong>heit. Dieses wurde <strong>in</strong> e<strong>in</strong>en 3,2 V TTL Rechteckpuls konvertiert.<br />
Unterschreitet die fallende Flanke e<strong>in</strong>e Schwelle von 1,6 V wird die Aufzeichnung<br />
automatisiert gestartet.<br />
Rekonstruktion der Positionen des Senders<br />
Beim ersten Test des APS wurde die Position des Floßes über die Länge der drei Seile <strong>zur</strong><br />
Befestigung des Floßes bestimmt. Hierzu wurden bei der jeweiligen Messung Markierungen<br />
an den Seilen angebracht. Über e<strong>in</strong>deutige Bezeichnungen der Markierungen konnten<br />
die Längen der Seile den e<strong>in</strong>zelnen Messungen zugeordnet werden. Durch späteren Vergleich<br />
mit e<strong>in</strong>em Maßband konnte so der Abstand zwischen den Fixpunkten <strong>und</strong> dem<br />
Floß bestimmt werden. Über das <strong>in</strong> Abschnitt 5.2.1 beschriebene Rekonstruktionsverfahren<br />
konnte die Position des Floßes <strong>in</strong> der <strong>zur</strong> <strong>Wasser</strong>oberfläche parallelen Ebene bestimmt<br />
werden. Bei der Auswertung der Daten stellte sich e<strong>in</strong>e systematische Unterschätzung der<br />
Seillängen heraus. Dies lässt sich durch die im Labor rekonstruierte Dehnung der Seile<br />
von ca. 7% im nassen Zustand erklären. Die rekonstruierte Dehnung der Seile wurde als<br />
konstant angenommen <strong>und</strong> bei der Positionsbestimmung des Floßes berücksichtigt. Die<br />
unterschiedliche Kraft beim Fixieren des Floßes während der Messungen führte jedoch<br />
zu enormen Schwankungen bei den Fehlern <strong>in</strong> der Bestimmung der Referenzpositionen<br />
der Sender.<br />
31
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 32<br />
Bestimmung der Laufzeit<br />
Die aufgezeichneten Signale wurden zunächst über m<strong>in</strong>destens 15 Messungen gemittelt,<br />
um das Rauschlevel zu reduzieren <strong>und</strong> die Signalqualität zu verbessern. Störgeräusche,<br />
die nicht periodisch <strong>und</strong> nicht korreliert mit dem Trigger auftreten, können durch die<br />
Mittlung unterdrückt werden.<br />
Zur Bestimmung der Laufzeit wurde zunächst <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Zeitfenster zwischen 0,5 s <strong>und</strong> 1 s<br />
nach dem Trigger das mittlere Rauschen bestimmt. Nach 0,5 s muss e<strong>in</strong> mögliches Signal<br />
e<strong>in</strong>e Laufstrecke von etwa 750 m <strong>zur</strong>ückgelegt haben. Durch die begrenzten Ausmaße des<br />
Testbeckens <strong>und</strong> die dadurch hohe Anzahl an nötigen Reflexionen, um diese Laufstrecke<br />
<strong>zur</strong>ück zu legen, kann die Stärke e<strong>in</strong>es möglichen Echos des Signals <strong>in</strong> diesem Zeitfenster<br />
vernachlässigt werden. Durch die <strong>in</strong> Abschnitt 5.1 bestimmte Verspätung zwischen<br />
Trigger <strong>und</strong> Aussenden des Signals, wurde der Nullpunkt <strong>für</strong> die Laufzeitmessung auf<br />
4 µs gesetzt. Die Zeitmessung stoppt, wenn das Signal zum ersten mal das mittlere<br />
Rauschen <strong>in</strong> der Messung um den Faktor 5 überschreitet. Als Fehler auf die Laufzeit<br />
wurde die halbe Breite der ersten Flanke des Signals angenommen. Abbildung 5.7 zeigt<br />
die ersten 10 ms der aufgezeichneten Signale exemplarisch <strong>für</strong> vier Messungen. Wie erwartet<br />
steigt die Laufzeit des Signals mit der Entfernung zum Sensor. E<strong>in</strong> e<strong>in</strong>deutiger<br />
Zusammenhang zwischen Entfernung <strong>und</strong> Amplitude sche<strong>in</strong>t jedoch nicht vor zu liegen.<br />
E<strong>in</strong>e mögliche Ursache könnte die unterschiedliche Richtung se<strong>in</strong>, aus der das akustische<br />
Signal <strong>in</strong> den Kopf e<strong>in</strong>gekoppelt wird. Dies ist Gegenstand weiterführender Tests (siehe<br />
Abschnitt 5.2.3).<br />
32
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 33<br />
Abbildung 5.7: Variation der Laufzeiten der <strong>akustischen</strong> Signale <strong>für</strong> unterschiedliche<br />
Entfernungen. Die Distanzen variieren zwischen 2,23 m (a), 4,78 m (b), 6,69 m (c) <strong>und</strong><br />
10,68 m (d). Jeweils <strong>in</strong> rot ist die aus dem Algorithmus bestimmte Laufzeit e<strong>in</strong>gezeichnet.<br />
E<strong>in</strong>e Abstandsabhängigkeit der maximalen Amplitude des Signals ist nicht zu erkennen.<br />
Der W<strong>in</strong>kel zwischen Testkopf <strong>und</strong> Sender ist <strong>für</strong> die e<strong>in</strong>zelnen Messungen (a) bis (d)<br />
nicht konstant <strong>und</strong> könnte der Ursprung <strong>für</strong> die Variation <strong>in</strong> der Amplitude se<strong>in</strong>.<br />
Die Bauform der Sensorhülsen <strong>und</strong> des Dummy Kopfes lassen e<strong>in</strong>e rotationssymmetrische<br />
Sensitivität des Sensors bei Drehung um die Hauptachse erwarten. Um dies zu<br />
testen wurde der Testkopf bei festgehaltener Position des Senders <strong>in</strong> vier Schritten gedreht.<br />
Abbildung 5.8 zeigt die aufgenommenen über jeweils 32 Messungen gemittelten<br />
Signale. Weder <strong>in</strong> der Phase noch <strong>in</strong> der Amplitude der führenden Schw<strong>in</strong>gungsperioden<br />
lässt sich e<strong>in</strong> signifikanter Unterschied erkennen. Die Abhängigkeit von der seitlichen<br />
Variation des W<strong>in</strong>kels wurde beim ersten SBT nicht untersucht <strong>und</strong> könnte die Ursache<br />
<strong>für</strong> die starken Variationen <strong>in</strong> der Signalamplitude se<strong>in</strong>.<br />
33
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 34<br />
amplitude [V]<br />
1.5<br />
Ausgangslage<br />
39 Grad Drehung<br />
104 Grad Drehung<br />
1<br />
180 Grad Drehung<br />
0.5<br />
0<br />
-0.5<br />
-1<br />
0.0066 0.0068 0.007 0.0072 0.0074 0.0076 0.0078 0.008 0.0082<br />
time [s]<br />
Abbildung 5.8: Variation der aufgezeichneten Signale bei Rotation des Testkopfes um<br />
die Längsachse. Die unterschiedlichen Graphen zeigen den Beg<strong>in</strong>n des aufgezeichneten<br />
Signals <strong>für</strong> die Ausgangslage bei 0 Grad <strong>und</strong> bei hierzu gedrehter Lage des Testkopfes.<br />
Bestimmung der Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit<br />
Die Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit im <strong>Wasser</strong> kann durch die ger<strong>in</strong>gen Temperatur <strong>und</strong> Druck<br />
Schwankungen <strong>in</strong>nerhalb des Testbeckens als konstant angenommen werden. Daraus<br />
folgt, dass zwischen den vom APS gemessenen Laufzeiten t i <strong>und</strong> der über die Ortsrekonstruktion<br />
der Sender Positionen bestimmten Entfernungen x i zwischen Sender <strong>und</strong><br />
Empfänger <strong>für</strong> alle Messungen i der l<strong>in</strong>eare Zusammenhang<br />
x i = p 0 + p 1 · t i (5.3)<br />
bestehen sollte. Hierbei ist der Parameter p 1 die Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit <strong>und</strong> p 0 der Achsenabschnitt.<br />
Die Bestimmung der Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit liefert e<strong>in</strong>e gute Plausibilitätsüberprüfung<br />
<strong>für</strong> die gemessenen Laufzeiten. Zur Untersuchung dieses Zusammenhangs<br />
wurden die bestimmten Entfernungen über den dazu gehörigen Laufzeiten aufgetragen<br />
<strong>und</strong> e<strong>in</strong>e l<strong>in</strong>eare Regression durchgeführt. Abbildung 5.9 zeigt das Ergebnis.<br />
Auffällig ist der Achsenabschnitt von 71.32 ± 21.97 cm. Hier<strong>für</strong> gibt es zwei mögliche<br />
Erklärungen: Entweder die Laufzeiten wurden systematisch zu kle<strong>in</strong> bestimmt oder die<br />
gemessenen Distanzen s<strong>in</strong>d systematisch zu groß. Durch die ger<strong>in</strong>ge Reproduzierbarkeit<br />
der Vermessung des Floßes mittels Seilen, ist die Position der Sender die unsicherste<br />
34
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 35<br />
distance [m]<br />
14 χ 2<br />
/ ndf<br />
4.405 / 6<br />
p0 0.7132 ±<br />
0.2197<br />
12<br />
p1 1.476 ±<br />
0.04842<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9<br />
runtime [ms]<br />
Abbildung 5.9: Bestimmung der Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit beim ersten Schwimmbad-Test<br />
durch Auftragung der Distanz zwischen Sender <strong>und</strong> Empfänger gegen die Laufzeit der<br />
<strong>akustischen</strong> Signale. Die gemessene Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit p 1 beträgt 1476 ± 48 m s .<br />
Messgröße. Bei e<strong>in</strong>er Temperatur von 29 ◦ C beträgt die Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit <strong>in</strong> destilliertem<br />
<strong>Wasser</strong> 1507,1 m/s [17].<br />
Der erste Schwimmbad-Test zeigte die Schwächen der verwendeten Methode <strong>zur</strong> Rekonstruktion<br />
der Position des Senders. Die gemessene Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit stimmt <strong>in</strong>nerhalb<br />
der e<strong>in</strong>fachen Fehlerumgebung mit der Erwartung übere<strong>in</strong>. Der Offset wird jedoch<br />
durch die stark schwankenden Fehler bei der Messung der Distanz bee<strong>in</strong>flusst. Die Systematischen<br />
Fehler bei der Bestimmung der Laufzeit, lassen sich daher nicht untersuchen.<br />
5.2.3 Schwimmbad-Test 2: Test der APS-DAQ-Elektronik<br />
Weiterentwicklungen <strong>und</strong> Datennahme<br />
Kern der Weiterentwicklung des APS zwischen SBT 1 <strong>und</strong> SBT 2 ist die Fertigstellung<br />
des ersten Prototyps der DAQ Elektronik durch Dmitry Eliseev. Der Vorverstärker <strong>in</strong>nerhalb<br />
des Testkopfes wurde durch e<strong>in</strong>e Sensor-Plat<strong>in</strong>e mit e<strong>in</strong>er Verstärkerschaltung<br />
mit <strong>in</strong>tegrierter Digitalisierung durch e<strong>in</strong>en ADC ersetzt. Die verstärkten, digitalisierten<br />
Signale wurden von e<strong>in</strong>er FPGA Entwicklungsplat<strong>in</strong>e ausgelesen. Die Steuerung des<br />
FPGA erfolgte über e<strong>in</strong> Notebook. Die Rohdaten wurden <strong>zur</strong> späteren Analyse lokal auf<br />
e<strong>in</strong>er SD Karte gespeichert. Um Speicherplatz zu m<strong>in</strong>imieren wurden die Daten im Intel<br />
HEX Format gespeichert. An jeder Sender Position wurden <strong>in</strong> jeweils 32 Messungen die<br />
S<strong>in</strong>ale mit e<strong>in</strong>er Abtastrate von 2 MHz aufgezeichnet.<br />
35
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 36<br />
Rekonstruktion der Sender Positionen<br />
Die Positionsbestimmung der Sender lieferte<br />
die größte Fehlerquelle beim SBT 1. Um<br />
das Verfahren zu verbessern, wurde die Rekonstruktion<br />
der Positionen von der Fixierung<br />
des Floßes entkoppelt. Hierzu wurde<br />
der Aufbau um e<strong>in</strong> Laserodometer erweitert.<br />
Über dieses kann aus beliebiger Richtung<br />
die Position des Reflektionsschirms auf dem<br />
Floß relativ zum Beckenrand <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Ebene<br />
parallel <strong>zur</strong> <strong>Wasser</strong>oberfläche bestimmt werden.<br />
Um das gesamte Testbecken s<strong>in</strong>d Bohrlöcher<br />
<strong>für</strong> Geländerstangen <strong>in</strong> den Boden e<strong>in</strong>gelassen.<br />
Das <strong>in</strong> Abbildung 5.10 gezeigte Stativ<br />
wurde konstruiert, um von jedem dieser<br />
Bohrlöcher aus die Distanz zum Reflektionsschirm<br />
des Floßes messen zu können. Durch<br />
e<strong>in</strong>en Dreiwegeneiger lässt sich der Entfernungsmesser<br />
<strong>in</strong> drei Achsen unabhängig<br />
vone<strong>in</strong>ander verstellen. Zwei kle<strong>in</strong>e <strong>Wasser</strong>waagen<br />
s<strong>in</strong>d seitlich <strong>zur</strong> Kontrolle der horizontalen<br />
Lage des Messgeräts angebracht.<br />
Der verwendete Laser Entfernungsmesser<br />
LDM 70 der Firma Toolcraft liefert <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em<br />
Messbereich von 0,05 m bis 70 m e<strong>in</strong>e<br />
Messgenauigkeit von 1,5 mm [5].<br />
<strong>Wasser</strong>waage<br />
Stativ<br />
LDM 70<br />
Dreiwegeneiger<br />
Abbildung 5.10: Stativ <strong>zur</strong> Aufnahme des<br />
Laserodometers mit Dreiwegeneiger <strong>und</strong><br />
Neigungskontrolle.<br />
Der Fehler auf die Distanzmessung resultiert <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Ungenauigkeit <strong>in</strong> der Bestimmung<br />
der Position des Senders (siehe Abschnitt 5.2.1). Dieser Fehler pflanzt sich gemäß des<br />
Gaußschen Fehlerfortpflanzung auf die Berechnung der Distanz zwischen Sender <strong>und</strong><br />
Empfänger fort. Die Position des Empfängers wurde über e<strong>in</strong>e Messung der Position der<br />
Seile <strong>zur</strong> Aufhängung des Testkopfes relativ zu zwei Referenzpunkten am Beckenrand<br />
gemessen. Die Tiefe wurde mit e<strong>in</strong>em Maßband bestimmt. Insgesamt konnte mit diesem<br />
Verfahren e<strong>in</strong>e Bestimmung der Distanz zwischen akustischem Sender <strong>und</strong> Empfänger<br />
mit e<strong>in</strong>er Genauigkeit von wenigen Zentimetern erreicht werden. Abbildung 5.11 zeigt<br />
die Projektion der Positionen des Senders auf die <strong>Wasser</strong>oberfläche.<br />
36
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 37<br />
Pos 02 Pos 04<br />
Pos 01 Pos 03<br />
Pos 06<br />
IceMole<br />
Testkopf<br />
Pos 08<br />
Pos 05 Pos 07<br />
Messpunkte Laserodometer<br />
I II III<br />
Abbildung 5.11: Positionen des Senders während des e<strong>in</strong>zelnen Messungen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Ebene.<br />
In Blau ist die Projektion der Position des Testkopfes mit <strong>in</strong>tegriertem Empfänger <strong>in</strong><br />
diese Ebene dargestellt.<br />
Bestimmung der Laufzeiten<br />
Zur Laufzeitbestimmung wurden die aufgezeichneten <strong>akustischen</strong> Signale zunächst über<br />
32 Messungen gemittelt. Abbildung 5.12 zeigt exemplarisch alle Messungen an e<strong>in</strong>em<br />
Messstop. Durch die m<strong>in</strong>imale Variation der Phase <strong>in</strong> den e<strong>in</strong>zelnen Messungen geht<br />
durch die Mittlung ke<strong>in</strong> Signal verloren, wohl aber das Rauschen, dessen Phase nicht<br />
mit dem Trigger korreliert. Alle aufgezeichneten Signale zeigen <strong>in</strong> den ersten 0,2 ms<br />
nach Beg<strong>in</strong>n der Auslese e<strong>in</strong> Ausschw<strong>in</strong>gen e<strong>in</strong>es Störsignals. Dieses Verhalten ist vermutlich<br />
auf den Umstand <strong>zur</strong>ück zu führen, dass bei der im zweiten SBT verwendeten<br />
Sensor Plat<strong>in</strong>e die Referenzspannung <strong>für</strong> den ADC mit der Versorgungsspannung des<br />
Vorverstärkers verb<strong>und</strong>en ist [8]. Zu Beg<strong>in</strong>n der Vorverstärkung könnte es so zu Oszillationen<br />
<strong>in</strong> der Referenzspannung des ADC kommen. Der Effekt trat bei der nächsten<br />
Iteration der Sensorplat<strong>in</strong>e, bei der die beiden Spannungen entkoppelt wurden, nicht<br />
mehr auf.<br />
Das mittlere Rauschen <strong>in</strong> den gemittelten Daten des jeweiligen Messstopps multipliziert<br />
mit dem Faktor 5 def<strong>in</strong>iert die jeweilige Stopp Schwelle <strong>für</strong> die Signalamplitude. Bei<br />
erstmaliger Überschreitung des Signals über diese Schwelle stoppt die Zeitmessung. Zur<br />
Bestimmung des mittleren Rauschens wurde, wie <strong>in</strong> Abbildung 5.13 gezeigt, e<strong>in</strong> Zeitfenster<br />
zwischen 0,2 ms <strong>und</strong> 2 ms benutzt. So gehen die nicht <strong>akustischen</strong> Artefakte aus<br />
37
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 38<br />
dem Beg<strong>in</strong>n der Digitalisierung nicht <strong>in</strong> die Rauschmessung e<strong>in</strong>. Auch ist das Zeitfenster<br />
kurz genug, um das erste Signal bei e<strong>in</strong>em m<strong>in</strong>imalen Abstand von etwa 3,4 m nicht mit<br />
aufzuzeichnen.<br />
In Abbildung 5.12 ist die Variation des e<strong>in</strong>laufenden Signals <strong>in</strong>nerhalb der 32 Messungen<br />
dargestellt. Die Unsicherheit der Laufzeitmessung wurde auf die maximale zeitliche<br />
Variation <strong>in</strong> den e<strong>in</strong>zelnen Messungen e<strong>in</strong>es Messstopps von 2 µs festgelegt, <strong>und</strong><br />
ist damit zunächst sehr grob angesetzt, da dieser Fehler die Mittlung der Daten nicht<br />
berücksichtigt.<br />
amplitude [mV]<br />
2600<br />
2400<br />
2200<br />
2000<br />
1800<br />
1600<br />
1400<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
5.84 5.86 5.88 5.9 5.92 5.94 5.96 5.98<br />
time [ms]<br />
Abbildung 5.12: Aufgezeichnetes Signal bei Messstopp an Position 05. Aufgetragen ist die<br />
am ADC anliegende Spannung über die Zeit. Die 32 Messungen s<strong>in</strong>d <strong>in</strong> unterschiedlichen<br />
Farben dargestellt. Der Jitter des Signals wurde jeweils an der ersten steilen Flanke<br />
abgelesen.<br />
38
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 39<br />
Abbildung 5.13: Exemplarische Veranschaulichung des Algorithmus <strong>zur</strong> Bestimmung der<br />
Laufzeiten. (a) Gesamtes aufgezeichnetes Signal bei Messstopp an Position 05 über 32<br />
Messungen gemittelt. (b) Bestimmung des mittleren Rauschens <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Zeitfenster<br />
zwischen 0,2 ms <strong>und</strong> 2 ms. (c) Anfang des e<strong>in</strong>laufenden Signals. Die rote durchgehende<br />
L<strong>in</strong>ie zeigt die bestimmte Laufzeit, <strong>und</strong> der statistische Fehler auf die Laufzeit ist durch<br />
die gestrichelte rote L<strong>in</strong>ie dargestellt.<br />
Bestimmung der Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit<br />
Aus den rekonstruierten Positionen der Sender <strong>und</strong> der gemessen Position des IceMole<br />
Testkopfes lässt sich die Distanz bestimmen. In der Tabelle 5.1 s<strong>in</strong>d die bestimmten<br />
Entfernungen die aus den <strong>akustischen</strong> Daten gewonnen Laufzeiten aufgeführt.<br />
Mit der Def<strong>in</strong>ition der Stop Schwelle <strong>für</strong> die Zeitmessung geht abhängig von der Höhe<br />
der Schwelle e<strong>in</strong> systematischer Fehler <strong>in</strong> die Zeitmessung e<strong>in</strong>. Diese Verspätung muss<br />
sich als Versatz zu größeren Laufzeiten <strong>in</strong> der Messung der Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit bemerkbar<br />
machen.<br />
Die Auftragung von Distanz gegen Laufzeit zeigt e<strong>in</strong>en klaren l<strong>in</strong>earen Zusammenhang.<br />
39
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 40<br />
Nr.<br />
Position des<br />
Senders<br />
Distanz [m]<br />
Fehler auf die<br />
Distanz [m]<br />
Laufzeit [ms]<br />
1 01 3,4888 0,0062 2,312 0,002<br />
2 02 5,2785 0,0044 3,504 0,002<br />
3 03 6,8247 0,0049 4,529 0,002<br />
4 08 6,8559 0,0360 4,569 0,002<br />
5 04 8,0589 0,0042 5,351 0,002<br />
6 05 8,9088 0,0043 5,913 0,002<br />
7 06 11,215 0,0042 7,449 0,002<br />
8 07 12,873 0,0024 8,551 0,002<br />
Fehler auf die<br />
Laufzeit [ms]<br />
Tabelle 5.1: Die bestimmten Distanzen zwischen Sender <strong>und</strong> Empfänger <strong>und</strong> die zugehörigen<br />
Laufzeiten mit Fehlern.<br />
Distanz [m]<br />
12<br />
χ 2<br />
/ ndf<br />
1.482 / 6<br />
p0 0.009679 ±<br />
0.005997<br />
p1 1.504 ±<br />
0.0009518<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2 3 4 5 6 7 8 9<br />
Laufzeit [ms]<br />
Abbildung 5.14: L<strong>in</strong>eare Regression <strong>zur</strong> Bestimmung der Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit beim<br />
zweiten SBT. Der Parameter p0 gibt den Achsenabschnitt an <strong>und</strong> die Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit<br />
<strong>in</strong> m ms<br />
entspricht Parameter p1.<br />
Die L<strong>in</strong>eare Regression liefert e<strong>in</strong>e Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit von 1504 ± 1 m s<br />
. Der Achsenabschnitt<br />
<strong>in</strong> der Auftragung beim ersten SBT hat sich auf Gr<strong>und</strong> des neuen Verfahrens <strong>zur</strong><br />
Bestimmung der Position des Floßes nicht bestätigt <strong>und</strong> liegt nur noch bei 9,7 ± 5,9 mm.<br />
Dies entspricht e<strong>in</strong>er Unterschätzung der Laufzeiten von etwa 6 µs oder die Distanzen<br />
wurden etwa 1 cm zu groß gemessen. Da der Algorithmus <strong>zur</strong> Laufzeitbestimmung die<br />
Laufzeiten eher überschätzt, ist e<strong>in</strong> systematischer Fehler bei der Positionsmessung des<br />
Testkopfes wahrsche<strong>in</strong>licher.<br />
40
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 41<br />
Richtungsabhängigkeit der Laufzeit<br />
Beim ersten SBT wurde die Rotationsabhängigkeit der Sensitivität bei Rotationen um<br />
die Symmetrieachse des Testkopfes untersucht. Viel <strong>in</strong>teressanter ist jedoch die Auswirkung<br />
bei seitlicher Rotation um e<strong>in</strong>e Rotationsachse orthogonal <strong>zur</strong> Symmetrieachse,<br />
da dieser W<strong>in</strong>kel sich bei der Fahrt des IceMole unter dem Array h<strong>in</strong>weg ändert. Die<br />
Aufhängung des Testkopfes wurde <strong>zur</strong> Untersuchung dieses Zusammenhangs durch e<strong>in</strong>e<br />
drehbare Aufhängung ersetzt. Bei fester Position des Senders <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Entfernung von<br />
6,86 m wurde nun der Kopf <strong>in</strong> 8 Schritten um 360 Grad gedreht. Untersucht wurde der<br />
resultierende Unterschied <strong>in</strong> den ermittelten Laufzeiten. Abbildung 5.15 zeigt die bestimmten<br />
Laufzeiten <strong>in</strong> Abhängigkeit zum W<strong>in</strong>kel aus der das Signal kommt. Bei 0 <strong>und</strong><br />
360 Grad bef<strong>in</strong>det sich der Sender frontal vor dem Testkopf.<br />
Die Amplitude des Signals zeigte W<strong>in</strong>kel abhängige Schwankungen. Die Schwelle <strong>für</strong> die<br />
time [ms]<br />
4.63<br />
4.62<br />
χ 2<br />
/ ndf<br />
5.385 / 8<br />
p0 4.589 ±<br />
0.006667<br />
4.61<br />
4.6<br />
4.59<br />
4.58<br />
4.57<br />
4.56<br />
4.55<br />
0 50 100 150 200 250 300 350<br />
angle [deg]<br />
Abbildung 5.15: Variation der Laufzeit bei E<strong>in</strong>kopplung des <strong>akustischen</strong> Signals aus unterschiedlicher<br />
Richtung. Der Parameter p0 gibt den Mittelwert der gemessenen Laufzeit<br />
an.<br />
Messung der Laufzeit wurde aus diesem Gr<strong>und</strong> auf den 3-fachen Mittelwert des Rauschens<br />
herab gesetzt. Trotzdem hat der Algorithmus <strong>zur</strong> Bestimmung der Laufzeiten<br />
bei manchen Messungen erst die zweite Periode des Signals erkannt. Die Variation der<br />
gemessenen Laufzeit liegt <strong>in</strong> der Größenordnung e<strong>in</strong>er Schw<strong>in</strong>gungsperiode. Der <strong>in</strong> Abbildung<br />
5.15 dargestellte Fehler auf die Laufzeit wurde unter Berücksichtigung dieses<br />
Umstandes angepasst <strong>und</strong> repräsentiert nicht die statistische Schwankung der Laufzeit.<br />
Dieser Umstand weißt auf e<strong>in</strong>e Schwäche des Algorithmus <strong>zur</strong> Bestimmung der Laufzeit<br />
bei kle<strong>in</strong>eren Signalamplituden auf. S<strong>in</strong>kt die erste Periode des e<strong>in</strong>laufenden Signals unter<br />
die Schwelle <strong>zur</strong> Bestimmung der Laufzeit, wird die Laufzeit unterschätzt.<br />
Im IceMole s<strong>in</strong>d vier Sensoren jeweils an den Ecken des Kopfes montiert. Dies sollte den<br />
E<strong>in</strong>fluss der Richtungsabhängigkeit der Signalamplitude m<strong>in</strong>imieren.<br />
41
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 42<br />
5.2.4 Schwimmbad-Test 3: APS Vollsystem-Test<br />
Der dritte SBT stellte e<strong>in</strong>en Test des gesamten APS <strong>in</strong> enger Anlehnung an den E<strong>in</strong>satz<br />
beim ersten Feldtest auf dem Morteratsch Gletscher dar. Bis auf die Sensoren wurden<br />
alle Komponenten der APS-DAQ <strong>in</strong> der f<strong>in</strong>alen Version getestet.<br />
Die DAQ Entwicklungsplat<strong>in</strong>e wurde im SBT 2 erfolgreich getestet <strong>und</strong> wurde danach<br />
<strong>in</strong> der f<strong>in</strong>alen Version <strong>für</strong> den Feldtest auf dem Morteratsch Gletscher produziert. Die<br />
Auslese der Daten erfolgte über den Embedded PC (Raspberry PI). Die Spannungsversorgung<br />
des APS-DAQ-Systems wurde durch die SVuEnt-Plat<strong>in</strong>e bereit gestellt.<br />
Der SBT 2 zeigte, wie <strong>in</strong> Abschnitt 5.2.3 erläutert, Oszillationen im Signal beim Start<br />
der Digitalisierung. Aus diesem Gr<strong>und</strong> wurde <strong>für</strong> den SBT 3 von Dmitry Eliseev e<strong>in</strong><br />
neuer Sensorprototyp mit e<strong>in</strong>er überarbeiteten Sensor-Plat<strong>in</strong>e produziert.<br />
Wesentliche Neuentwicklung zwischen dem zweiten <strong>und</strong> dritten SBT war auf der Softwareseite<br />
des Systems. Das gesamte APS wurde mittels User Datagram Protocol (UDP)<br />
Befehlen über e<strong>in</strong> lokales Netzwerk gesteuert. Beim Start e<strong>in</strong>es Digitalisierungs-Fensters<br />
durch den Operator wurde vom Embedded PC <strong>in</strong> der Akustik Box e<strong>in</strong> UDP-Befehl<br />
an die ZSE des Arrays gesendet. Hierauf wurde von der ZSE der Sender angesteuert<br />
<strong>und</strong> gleichzeitig e<strong>in</strong> Signal <strong>zur</strong> Synchronisation an die APS-DAQ gesendet. Zur Ansteuerung<br />
der Sender wurde von der ZSE im Abstand von 50 ms e<strong>in</strong>e Pulsfolge von 5<br />
S<strong>in</strong>us-Schw<strong>in</strong>gungen erzeugt.<br />
Datennahme<br />
Die von Simon Zierke entwickelte neue Software <strong>zur</strong> Datennahme stellte e<strong>in</strong> Auslesetool<br />
mit SQL Klient bereit. Hierbei wurden die Rohdaten wie im f<strong>in</strong>alen IceMole Konzept<br />
<strong>für</strong> die Tests <strong>in</strong> der Antarktis direkt <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er SQL-Datenbank gespeichert <strong>und</strong> stehen so<br />
global <strong>für</strong> die weitere Analyse <strong>und</strong> <strong>zur</strong> Systemkontrolle bereit. Die Struktur der Datenbank<br />
ist <strong>in</strong> Abbildung 5.16 gezeigt. Hier wird e<strong>in</strong>e Fahrt des IceMole mit e<strong>in</strong>em Run<br />
bezeichnet. Im Fall des SBT 3 ist der gesamte Test e<strong>in</strong> Run. Während der Fahrt werden<br />
so genannte Messstopps durchgeführt, welche <strong>in</strong> der Datenbankstruktur mit Stop<br />
bezeichnet wurden. Das muss nicht zwangsläufig e<strong>in</strong> Stopp <strong>in</strong> der Fahrt des IceMole bedeuten.<br />
Vielmehr wird e<strong>in</strong> Messstop durch die Zeit def<strong>in</strong>iert, die benötigt wird, um alle<br />
sechs Sender nache<strong>in</strong>ander anzusteuern <strong>und</strong> die Sensoren mit der APS-DAQ auszulesen.<br />
Die Aufzeichnung der Signale von e<strong>in</strong>em Sender wird mit e<strong>in</strong>em Event bezeichnet. E<strong>in</strong><br />
Stop besteht folglich aus sechs Events. Beim SBT 3 wurde die SQL-Datenbank <strong>zur</strong><br />
Aufzeichnung der Rohsignale verwendet. Während e<strong>in</strong>es Events wurden 16 Signale aufgezeichnet<br />
<strong>und</strong> <strong>in</strong> der RawData Tabelle gespeichert. Vorprozessierte HighLevel Daten<br />
wie Laufzeiten aus gemittelten Signalen <strong>und</strong> Werte <strong>zur</strong> Datenqualität (z.B. Signal to Noise<br />
Ratio (SNR)) wurden noch nicht direkt bestimmt. Die Analyse der Rohdaten hatte<br />
jedoch die Entwicklung e<strong>in</strong>er echtzeit Analyse Software <strong>zur</strong> Ermittlung von Laufzeit-<br />
Daten zum Ziel.<br />
42
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 43<br />
Run<br />
run_id<br />
creation_time<br />
start_time<br />
start_clock<br />
stop_time<br />
stop_clock<br />
Config<br />
config_id<br />
creation_time<br />
sample_rate<br />
sample_count<br />
sample_offset<br />
trigger_count<br />
trigger_<strong>in</strong>terval<br />
description<br />
Stop<br />
stop_id<br />
run_id<br />
config_id<br />
creation_time<br />
note<br />
Event<br />
event_id<br />
stop_id<br />
creation_time<br />
ntp_time<br />
clock_count<br />
p<strong>in</strong>ger_id<br />
event_type<br />
Log<br />
log_id<br />
creation_time<br />
log_level<br />
log_message<br />
RawData<br />
raw_data_id<br />
event_id<br />
clock_offset<br />
channel_id<br />
raw_data<br />
HighLevel<br />
high_level_id<br />
event_id<br />
clock_offset<br />
channel_id<br />
arrival_time<br />
arrival_time_sigma<br />
snr<br />
energy<br />
max_amp<br />
duration<br />
quality_flag<br />
Abbildung 5.16: Struktur der SQL Datenbank Tabellen [32]. Im SBT 3 wurde die Struktur<br />
von Run bis RawData <strong>zur</strong> Aufzeichnung der Signale benutzt.<br />
Rauschlevel<br />
Durch die Entkopplung der Versorgungsspannung des Verstärkers von der Referenzspannung<br />
des ADCs der Sensorplat<strong>in</strong>e wurden die Oszillation <strong>in</strong> der Spannung zu Beg<strong>in</strong>n<br />
des Aufzeichnung des Signals vollständig unterdrückt. Das Update der Sensorplat<strong>in</strong>en<br />
äußerte sich aber auch <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Reduktion des Rauschlevels. Abbildung 5.17 zeigt jeweils<br />
e<strong>in</strong>e Rauschmessung beim zweiten <strong>und</strong> dritten SBT. Das Signal wurde bei den gleichen<br />
Umgebungsbed<strong>in</strong>gungen bei ausgeschaltetem Sender <strong>und</strong> laufenden Umwälzpumpen im<br />
Schwimmbecken aufgezeichnet. Es wurden gemittelten Signale verglichen, um auszuschließen,<br />
dass kurzzeitige Störgeräusche die Messung bee<strong>in</strong>flussen. Variationen im mittleren<br />
Rauschen <strong>in</strong> den e<strong>in</strong>zelnen Messungen wurden jedoch nicht beobachtet. Das mittlere<br />
Rauschen konnte von 12,4 mV beim SBT 2 auf 6,0 mV beim SBT 3 reduziert werden.<br />
Da die anderen Komponenten der APS-DAQ das Rauschlevel des Signals nicht bee<strong>in</strong>flussen,<br />
ist die Rauschm<strong>in</strong>imierung auf die neue Sensorplat<strong>in</strong>e <strong>zur</strong>ück zu führen. Durch<br />
Erhöhung der Amplitude der Pulse der ZSE <strong>zur</strong> Ansteuerung der Sender, konnte die Signalamplitude<br />
beim dritten SBT erhöht werden. Die Amplitude des Signals war bei allen<br />
Messungen unabhängig von Abstand <strong>und</strong> Richtung des Senders im Sättigungsbereich des<br />
ADCs.<br />
Für den dritten SBT ergibt sich aus diesem Umstand e<strong>in</strong>e untere Schranke <strong>für</strong> das<br />
SNR von 533. Unter der Annahme, dass die Steigerung der Signalamplitude nur auf die<br />
veränderte Ansteuerung der Sender <strong>zur</strong>ück zu führen ist, ergibt sich m<strong>in</strong>destens e<strong>in</strong>e<br />
Steigerung des SNR um den Faktor 2.<br />
43
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 44<br />
amplitude [mV]<br />
1760<br />
1740<br />
1720<br />
1700<br />
1680<br />
1660<br />
1640<br />
1620<br />
1600<br />
1580<br />
1560<br />
0 5 10 15 20 25 30<br />
time [ms]<br />
amplitude [mV]<br />
1760<br />
1740<br />
1720<br />
1700<br />
1680<br />
1660<br />
1640<br />
1620<br />
1600<br />
1580<br />
1560<br />
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03<br />
time [s]<br />
Abbildung 5.17: Vergleich des Rauschlevels zwischen den Iterationen der Sensor-Plat<strong>in</strong>en<br />
beim zweiten <strong>und</strong> dritten SBT. Oben: Messung des Rauschens beim SBT 2 über 32 ms<br />
ergab e<strong>in</strong> mittleres Rauschen von 12,4 mV. Unten: Messung des Rauschens mit der variierten<br />
Sensor-Prototyp beim SBT 3. Das Rauschlevel konnte um den Faktor zwei auf<br />
6,0 mV reduziert werden.<br />
Bestimmung der Laufzeit<br />
Jeder Messung wurde bei der Speicherung <strong>in</strong> der Datenbank e<strong>in</strong>e e<strong>in</strong>deutige RawData<br />
ID zugeordnet. Da nur der erste Kanal mit e<strong>in</strong>er 400 fachen Verstärkung von nur e<strong>in</strong>er<br />
der vier Sensorplat<strong>in</strong>en angeschlossen wurde, aber immer alle 8 Kanäle des APS Systems<br />
ausgelesen werden (siehe Abschnitt 3.2.3), wird die i-te E<strong>in</strong>zelmessungen mit der<br />
RawData ID:<br />
ID = ID 0 + i · 8 (5.4)<br />
gespeichert. Die erste Messung e<strong>in</strong>es Digitalisierungs-Fensters wird mit der RawData ID<br />
ID 0 abgespeichert.<br />
Zur Analyse der Daten wurden die e<strong>in</strong>zelnen Messungen mit der RawData ID von der<br />
Datenbank abgerufen. Anders als beim zweiten SBT wurde die Laufzeit <strong>in</strong> jeder e<strong>in</strong>zelnen<br />
Messung an e<strong>in</strong>er festen Position bestimmt. Die Laufzeit der Signale von e<strong>in</strong>er Position<br />
des Senders ergeben sich dann über die Mittlung der 16 Laufzeiten. Dies ist möglich<br />
44
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 45<br />
da sie Signale im Schwimmbad sich erheblich vom Rauschen abheben. Die Signale aller<br />
Messungen waren beim dritten SBT unabhängig von Entfernung <strong>und</strong> E<strong>in</strong>fallw<strong>in</strong>kel im<br />
Sättigungsbereich des ADCs.<br />
Als Schwelle <strong>für</strong> das Ende der Laufzeitmessung wurde wie beim zweiten SBT der Zeitpunkt<br />
festgelegt, bei dem die Amplitude des Signals zum ersten mal das mittlere Rauschen<br />
um den Faktor fünf übersteigt. Auch die Bestimmung des Rauschlevels wurde wie<br />
beim zweiten SBT durchgeführt. Wie die Ergebnisse <strong>in</strong> Tabelle 5.2 zeigen, ist der Fehler<br />
auf die Laufzeit gr<strong>und</strong>sätzlich deutlich unter dem bei SBT 2 angenommen Wert von<br />
2 µs. Das liegt daran, dass der statistische Fehler auf die Laufzeit durch die Mittlung<br />
der Laufzeiten <strong>in</strong> den e<strong>in</strong>zelnen Messungen m<strong>in</strong>imiert wird.<br />
Messstopp Sender Position<br />
RawData<br />
ID<br />
Mittlere Laufzeit<br />
[ms]<br />
1 01 513 1,44059 0,00019<br />
8 02 1537 2,83247 0,00009<br />
10 03 1793 4,25084 0,00007<br />
11 04 1921 4,87897 0,00038<br />
12 05 2049 2,53584 0,00015<br />
13 06 2177 2,98672 0,00033<br />
Fehler auf die Laufzeit<br />
[ms]<br />
Tabelle 5.2: Laufzeiten beim dritten SBT. Die RawData ID ist jeweils von der ersten der<br />
16 Messungen an e<strong>in</strong>er Position. Die mittlere Laufzeit stellt den Mittelwert aus den <strong>in</strong><br />
den 16 Messungen bestimmten Laufzeiten dar. Der Fehler auf die Laufzeit ist der Fehler<br />
auf den Mittelwert.<br />
45
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 46<br />
Bestimmung der Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit<br />
E<strong>in</strong>e l<strong>in</strong>eare Regression an die Auftragung der Distanz zwischen Sender <strong>und</strong> IceMole<br />
Testkopf gegen die ermittelte Laufzeit der Signale lieferte konsistente Ergebnisse mit<br />
den vorherigen SBTs. Abbildung 5.18 zeigt das Ergebnis der l<strong>in</strong>earen Regression. Die<br />
Distanz [m]<br />
7<br />
χ 2<br />
/ ndf<br />
5.417 / 4<br />
p0 0.0001697 ±<br />
0.01102<br />
p1 1.511 ±<br />
0.003003<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5<br />
Laufzeit [ms]<br />
Abbildung 5.18: Bestimmung der Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit beim dritten SBT. Der Parameter<br />
p0 gibt den Achsenabschnitt an <strong>und</strong> p1 entspricht der Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit <strong>in</strong><br />
m<br />
ms .<br />
Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit im <strong>Wasser</strong> des Testbeckens wurde zu 1511 ± 3 m s<br />
bestimmt. Der<br />
Algorithmus <strong>zur</strong> Bestimmung der Laufzeit liefert e<strong>in</strong>e mit der Erwartung von 1507 m s<br />
[17] konsistente Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit. Der Achsenabschnitt von 0 ± 11 mm ist e<strong>in</strong> klares<br />
Indiz da<strong>für</strong>, dass ke<strong>in</strong>e weiteren systematischen Fehler <strong>in</strong> der Laufzeitbestimmung auftauchen.<br />
Abildung 5.19 zeigt die <strong>in</strong> den Schwimmbad-Tests gemessenen Schallgeschw<strong>in</strong>digkeiten<br />
im Vergleich <strong>zur</strong> Erwartung <strong>in</strong> Abhängigkeit von der <strong>Wasser</strong>temperatur. Als Vergleich<br />
dient e<strong>in</strong> Polynom fünften Grades, welches an Messwerte der Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit u bei<br />
Variation der Temperatur angepasst wurde [17]. Das Polynom hat folgende Parametrisierung:<br />
u =1402, 736 + 5, 03358 · T + 0, 0579506 · T 2 + 3, 31636 · 10 −4 · T 3 −<br />
1, 45262 · 10 −6 · T 4 + 3, 0449 · 10 −9 · T 5 .<br />
(5.5)<br />
Die Messungen wurden bei e<strong>in</strong>em Umgebungsdruck p von ungefähr 1 atm mit Schallsignalen<br />
bei e<strong>in</strong>er Frequenz von 750 kHz <strong>in</strong> destilliertem <strong>Wasser</strong> genommen.<br />
46
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 47<br />
Die Temperatur des <strong>Wasser</strong>s im Testbecken wurde während des zweiten SBT <strong>und</strong> noch<br />
e<strong>in</strong>mal mit e<strong>in</strong>er größeren Genauigkeit beim dritten SBT gemessen. Die Temperatur<br />
des <strong>Wasser</strong>s beim ersten SBT wurde nicht bestimmt. Die Variation der Temperatur des<br />
ständig beheizten Beckens kann allerd<strong>in</strong>gs als ger<strong>in</strong>g angenommen werden.<br />
Die gemessenen Schallgeschw<strong>in</strong>digkeiten stimmen <strong>in</strong>nerhalb ihrer Fehler mit der Erwar-<br />
1540<br />
1520<br />
Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit [m/s]<br />
1500<br />
1480<br />
1460<br />
1440<br />
Landolt-Boernste<strong>in</strong><br />
APS Pool Test 1<br />
APS Pool Test 2<br />
APS Pool Test 3<br />
1420<br />
24 25 26 27 28 29 30<br />
Temperatur [C]<br />
Abbildung 5.19: Vergleich der gemessenen Schallgeschw<strong>in</strong>digkeiten mit der Temperatur<br />
abhängigen Erwartung aus [17].<br />
tung übere<strong>in</strong>. Aus den <strong>in</strong> SBT 1 bis 3 gemessenen Schallgeschw<strong>in</strong>digkeiten c i lässt sich<br />
e<strong>in</strong> mit der Genauigkeit der Messung σ ci gewichteter Mittelwert x gemäß<br />
c =<br />
∑<br />
i w i · c<br />
∑ i<br />
i w mit w i = 1<br />
i<br />
σc 2 i<br />
(5.6)<br />
berechnen. Der Fehler auf den Mittelwert ergibt sich gemäß der Gaußschen Fehlerfortpflanzung<br />
zu<br />
√<br />
1<br />
σ c = ∑<br />
i w . (5.7)<br />
i<br />
Durch den deutlich größeren Fehler der Messung beim ersten SBT geht die gemessene<br />
Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit mit e<strong>in</strong>er deutlich ger<strong>in</strong>geren Gewichtung <strong>in</strong> diesen Mittelwert e<strong>in</strong>.<br />
Es ergibt sich e<strong>in</strong>e Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit c von 1504,69 ± 0,95 m s .<br />
47
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 48<br />
5.2.5 Rekonstruktion der IceMole Position<br />
Mit den <strong>in</strong> 5.2.4 bestimmten Laufzeiten ist es unter Kenntnis der Positionen der Sender<br />
<strong>und</strong> der Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit möglich die Position des Testkopfes, oder genauer des<br />
<strong>in</strong>tegrierten Sensors, zu bestimmen. Hierzu wurden die Laufzeiten t n zunächst mit der<br />
<strong>in</strong> Abschnitt 5.2.4 ermittelten Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit <strong>in</strong> Laufstrecken r n umgerechnet.<br />
Der Ort des IceMole muss die Kreisgleichungen<br />
√<br />
D n = ((x n − x Empf ) 2 + (y n − y Empf ) 2 + (z n − z Empf ) 2 ) (5.8)<br />
<strong>für</strong> alle 6 Messungen erfüllen. Hierbei s<strong>in</strong>d D n die aus den Laufzeiten <strong>und</strong> der Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit<br />
von 1, 511 m ms bestimmten Laufstrecken <strong>und</strong> (x n, y n , z n ) ist die Position<br />
des n-ten Senders. Als Koord<strong>in</strong>atensystem wurde das <strong>für</strong> die Rekonstruktion der Sender<br />
Positionen mit dem Laserodometer def<strong>in</strong>ierte System festgelegt (Siehe Abbildung 5.20).<br />
Zur Schätzung der Position des Testkopfes wurde die TM<strong>in</strong>uit Klasse aus dem Root-<br />
Framework des Cern benutzt. Mit TM<strong>in</strong>uit wurde die benutzerdef<strong>in</strong>ierte χ 2 - Funktion<br />
χ 2 =<br />
Anzahl<br />
∑Sender<br />
n=1<br />
(D n − r n ) 2<br />
σ 2 n<br />
(5.9)<br />
m<strong>in</strong>imiert. Hierbei s<strong>in</strong>d (x Empf , y Empf , z Empf ) die freien Parameter. Die Auflösung der<br />
χ 2 - Funktion σ n wurde auf 1 mm gesetzt <strong>und</strong> ergibt sich aus dem maximalen Fehler auf<br />
die Laufzeiten von 0,38 µs multipliziert mit der Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit.<br />
Tabelle 5.3 zeigt die Ergebnisse der Rekonstruktion der Position des Testkopfes aus den<br />
6 Positionen des Senders des dritten SBTs <strong>und</strong> den ermittelten Laufzeiten.<br />
x [m] y [m] z [m]<br />
Gemessene Position 0.00 5,79 -1,44<br />
Fehler auf Messung 0.01 0,01 0,02<br />
Rekonstruierte Position 0,013 5,810 -1,977<br />
Fehler auf rekonstruierte Position<br />
0,001 0.001 0,071<br />
Tabelle 5.3: Rekonstruierte Position des Testkopfes im Vergleich <strong>zur</strong> gemessenen Position.<br />
Die Position des Testkopfes wurde zum Vergleich <strong>in</strong> x- <strong>und</strong> y-Richtung mit dem<br />
Laserodometer ausgemessen. Die Bestimmung der Tiefe erfolgte mittels e<strong>in</strong>es Maßbandes.<br />
Die Position des Testkopfes wurde während des SBTs bestimmt. Die Messung der Tiefe<br />
des Testkopfes ist aufgr<strong>und</strong> der e<strong>in</strong>geschränkteren Zugangsmöglichkeiten ungenauer.<br />
Die Rekonstruktion lieferte <strong>in</strong> x- <strong>und</strong> y-Richtung im Rahmen der Messfehler konsistente<br />
Werte mit der Messung. Die rekonstruierte Tiefe weicht jedoch erheblich vom Messwert<br />
ab. Die Position wurde über die M<strong>in</strong>imierung der Fehlerquadrate relativ <strong>zur</strong> Messung<br />
53,7 cm zu hoch geschätzt. Der Gr<strong>und</strong> hier<strong>für</strong> liegt <strong>in</strong> der Geometrie des simulierten<br />
48
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 49<br />
Sender-Arrays. Wie Abbildung 5.20 verdeutlicht, liegt der Sender an allen Positionen<br />
auf der gleichen Seite des IceMole Testkopfes.<br />
Die Tiefe wurde <strong>in</strong> Anlehnung an den E<strong>in</strong>satz des Sender-Arrays auf e<strong>in</strong>em Gletscher<br />
nicht variiert. Die Positionierung e<strong>in</strong>es Senders unterhalb des IceMole wäre ideal <strong>für</strong> e<strong>in</strong>e<br />
exakte Bestimmung der Tiefe, ist aber <strong>in</strong> <strong>Eis</strong> deutlich aufwendiger zu realisieren. Für<br />
e<strong>in</strong>e genauere Ermittlung der z-Koord<strong>in</strong>ate ist die Positionierung e<strong>in</strong>es Senders genau<br />
über dem IceMole empfehlenswert.<br />
Pos 05<br />
IceMole<br />
Testkopf<br />
Pos 02 Pos 04<br />
Pos 01 Pos 03<br />
Pos 06<br />
I<br />
Messpunkte Laserodometer<br />
II<br />
III<br />
Abbildung 5.20: Rekonstruierten Positionen des simulierten Sender-Arrays beim dritten<br />
SBT. In Blau ist die Projektion der Position des Testkopfes mit <strong>in</strong>tegriertem Empfänger<br />
<strong>in</strong> diese Ebene dargestellt.<br />
49
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 50<br />
5.2.6 Zusammenfassung<br />
Das Konzept des APS wurde erfolgreich <strong>in</strong> <strong>Wasser</strong> getestet. Die Synchronisation zwischen<br />
ZSE <strong>und</strong> APS-DAQ ist zeitlich sehr stabil <strong>und</strong> ermöglicht e<strong>in</strong>e Messung der Laufzeiten<br />
mit e<strong>in</strong>er Genauigkeit von unter 1 µs.<br />
Der Algorithmus <strong>zur</strong> Laufzeitbestimmung lieferte mit der Erwartung konsistente Laufzeiten.<br />
Der statistische Fehler auf die Laufzeiten konnte durch die Mittlung über mehrere<br />
Messungen auf unter 1 µs reduziert werden. Der Algorithmus neigt zu e<strong>in</strong>er Signalamplitudenabhängigen,<br />
systematischen Überschätzung der Laufzeiten <strong>in</strong> der Größenordnung<br />
des Anstiegs der ersten Signalflanke. Bei h<strong>in</strong>reichend großen Amplituden ist diese allerd<strong>in</strong>gs<br />
konstant <strong>und</strong> kann aus den Laufzeiten rausgerechnet werden. Schwächen zeigte der<br />
Algorithmus jedoch bei ger<strong>in</strong>gen Signalamplituden, bei denen die Laufzeit unkontrolliert<br />
überschätzt wird.<br />
Die Daten der Laufzeitmessung ermöglichten e<strong>in</strong>e Rekonstruktion der Position des Ice-<br />
Mole Testkopfes mit e<strong>in</strong>er Genauigkeit von 1 mm <strong>in</strong> der Ebene parallel zum Sender-Array.<br />
Die rekonstruierte Tiefe weicht um ca. e<strong>in</strong>en halben Meter von der wahren Tiefe ab. Allerd<strong>in</strong>gs<br />
wurde das Array nur auf e<strong>in</strong>er Seite des IceMole Testkopfes simuliert <strong>und</strong> nur<br />
e<strong>in</strong> APS Sensor verwendet.<br />
Die Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit <strong>in</strong> <strong>Wasser</strong> bei e<strong>in</strong>er Temperatur von 29 ◦ C wurde mit e<strong>in</strong>er<br />
Genauigkeit von unter 1 m s<br />
bestimmt <strong>und</strong> beträgt 1504,69 ± 0,95 m s .<br />
Das APS wurde bei Feldtest 1 auf dem Morteratsch Gletscher erfolgreich e<strong>in</strong>gesetzt.<br />
Hierbei konnte die Funktionalität der <strong>akustischen</strong> Ortung gezeigt werden.<br />
50
6 Tests des Akustischen Systems <strong>zur</strong><br />
Vorfelderk<strong>und</strong>ung (ARS)<br />
6.1 Zielsetzung<br />
Das zweite Subsystem der <strong>akustischen</strong> <strong>Navigation</strong> des IceMole erfordert durch e<strong>in</strong> anderes<br />
Anforderungsprofil auch e<strong>in</strong>e andere Messumgebung. Das ARS hat die Bildgebung<br />
des Vorfeldes <strong>und</strong> das Erkennen von voraus liegenden Strukturen im <strong>Eis</strong> zum Ziel.<br />
Nach der Inbetriebnahme der Phasenarrays im Labor, wurden im Rahmen e<strong>in</strong>es Feldtests<br />
auf dem Morteratsch Gletscher im Engad<strong>in</strong> (Schweiz) Testmessungen mit e<strong>in</strong>em<br />
Phasenarray <strong>in</strong> <strong>Eis</strong> genommen.<br />
6.2 DAQ der Phasenarrays<br />
Zur Ansteuerung der Phasenarrays <strong>und</strong> Datennahme im Labor <strong>und</strong> beim Feldtest stand<br />
e<strong>in</strong> National Instruments DAQ System <strong>zur</strong> Verfügung. Zentraler Rechner der DAQ stellt<br />
e<strong>in</strong> NI PXIe-8135 dar. Dieser ist <strong>zur</strong> Erzeugung der Sendepulse <strong>für</strong> das Phasenarray<br />
mit dem NI PXI-6541, e<strong>in</strong>em digitalen Pulsgenerator, verb<strong>und</strong>en. Hierüber können unabhängig<br />
vone<strong>in</strong>ander auf 32 Kanälen Signale mit e<strong>in</strong>er Frequenz von 48 Hz bis 50 MHz<br />
erzeugt werden [6]. Zur Messung der empfangenen Echos wurde e<strong>in</strong> NI 5752 Digitalisierer<br />
benutzt.<br />
(a)<br />
(c)<br />
(b)<br />
(d)<br />
Abbildung 6.1: Die DAQ <strong>zur</strong> Ansteuerung der Phasenarrays im Felde<strong>in</strong>satz auf dem Morteratsch<br />
Gletscher. (a) NI PXI System mit Pulsgenerator <strong>und</strong> Analog Digital Wandler<br />
<strong>zur</strong> Datennahme. (b) Pulsformer. (c) Über e<strong>in</strong> lokales Netztwerk kann mittels Remote-<br />
Desktop auf das NI PXI System zugegriffen werden. (d) Phasenarray.<br />
51
6 Tests des Akustischen Systems <strong>zur</strong> Vorfelderk<strong>und</strong>ung (ARS) 52<br />
6.2.1 Pulsformer<br />
Um die Resonanzfrequenz der Phasenarrays von 780 kHz zu treffen, werden vom Pulsgenerator<br />
Rechteck-Pulse mit e<strong>in</strong>er Breite von 640 ns erzeugt. Dies entspricht der halben<br />
Schw<strong>in</strong>gungsperiode e<strong>in</strong>er 780 kHz Schw<strong>in</strong>gung. Über die Verspätung mit der die e<strong>in</strong>zelnen<br />
Kanäle des Phasenarrays angesteuert werden, kann die Richtung der Aussendung<br />
oder die Fokusweite variiert werden (siehe Abschnitt 3.2.2). Die zentrale Herausforderung<br />
bei der Transformation dieser Pulse ist die Geschw<strong>in</strong>digkeit <strong>in</strong> der alle 16 Pulse des<br />
Delaygenerators transformiert werden müssen.<br />
Die vom Pulsgenerator NI PXI-6541 generierten Pulse s<strong>in</strong>d re<strong>in</strong>e TTL Pulse. Zur Ansteuerung<br />
der Phasenarrays werden allerd<strong>in</strong>gs Pulse mit e<strong>in</strong>er Amplitude von -70 V<br />
benötigt. Um die benötigten Pulse zu transformieren wurde von Peter L<strong>in</strong>der (FH Aachen)<br />
e<strong>in</strong>e Verstärkerschaltung entwickelt. Dieser <strong>in</strong> Abbildung 6.2 dargestellte Pulsformer<br />
besteht aus fünf Komponenten.<br />
• Zunächst wird e<strong>in</strong>e externe Spannungsversorgung auf auf -63V <strong>und</strong> -70V transformiert.<br />
Diese Spannungen liegen an der Versorgerschaltung an. Sie liefert die<br />
nötige Potentialdifferenz <strong>für</strong> die Rechteck-Pulse <strong>zur</strong> Ansteuerung der Phasenarrays.<br />
Über Kondensatoren wird e<strong>in</strong> Leistungse<strong>in</strong>bruch bei gleichzeitiger Schaltung<br />
aller Kanäle vermieden.<br />
• Die Erste Stufe besteht aus e<strong>in</strong>em <strong>in</strong>vertierenden Schmitt-Trigger pro Kanal.<br />
Schmitt-Trigger s<strong>in</strong>d Komparatoren bei der E<strong>in</strong>- <strong>und</strong> Ausschaltspannung nicht<br />
zusammenfallen. Sie zeichnen sich durch e<strong>in</strong>e sehr schnelle Arbeitsweise aus. Das<br />
am E<strong>in</strong>gang anliegende Signal wird so zu e<strong>in</strong>em scharfen <strong>in</strong>vertierten Rechteck<br />
Puls.<br />
• Die Offset Plat<strong>in</strong>e besteht im wesentlichen aus e<strong>in</strong>er AC-Kopplung <strong>und</strong> e<strong>in</strong>em<br />
zweiten <strong>in</strong>vertierenden Schmitt-Trigger.<br />
• Die Endstufe besteht aus e<strong>in</strong>em Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor<br />
(MOSFET) pro Kanal. Als Steuersignal <strong>für</strong> den jeweiligen Transistor dient der<br />
Puls des zweiten Schmitt-Triggers. Mit der fallenden Flanke des Steuerpulses nach<br />
640 ns wird die aufgebaute Potentialdifferenz über Widerstände abgeführt.<br />
• Die Signalteiler-Plat<strong>in</strong>e gibt den erzeugten Puls an das Pasenarray weiter. Jeder<br />
Kanal des Phasenarrays ist gleichzeitig über e<strong>in</strong>en Widerstand mit e<strong>in</strong>em ADC des<br />
NI 5752 Digitalisierers verb<strong>und</strong>en. Zum Schutz der E<strong>in</strong>gänge der Digitalisierung,<br />
werden Zener Dioden <strong>in</strong> Sperrichtung <strong>zur</strong> Limitierung der am ADC anliegenden<br />
Spannung e<strong>in</strong>gesetzt.<br />
52
6 Tests des Akustischen Systems <strong>zur</strong> Vorfelderk<strong>und</strong>ung (ARS) 53<br />
Abbildung 6.2: Foto des geöffneten Pulsformers mit der Spannungsversorgung <strong>und</strong> den<br />
Plat<strong>in</strong>en <strong>zur</strong> Erzeugung des Sende-Pulses <strong>für</strong> das Phasenarray.<br />
Abbildung 6.3: Schaltplan des Pulsformers. Die <strong>in</strong> Kästen umrandeten Komponenten<br />
s<strong>in</strong>d jeweils auf e<strong>in</strong>er Plat<strong>in</strong>e untergebracht. Siehe Text <strong>zur</strong> Erläuterung der Komponenten.<br />
[26]<br />
53
6 Tests des Akustischen Systems <strong>zur</strong> Vorfelderk<strong>und</strong>ung (ARS) 54<br />
6.2.2 Datennahme<br />
Zur Datennahme verfügt das NI PXI System über e<strong>in</strong>e NI 5752 DAQ-Karte mit bis zu<br />
32 analogen E<strong>in</strong>gängen. Die E<strong>in</strong>gangssignale können bei e<strong>in</strong>er maximalen Amplitude von<br />
±2, 1 V mit der maximalen Abtastrate von 50 MHz aufgenommen werden [21]. Gesteuert<br />
wird die Digitalisierung von e<strong>in</strong>em Labview Programm <strong>zur</strong> Datenerfassung. Das von<br />
Peter L<strong>in</strong>der entwickelte Programm ermöglicht e<strong>in</strong>e direkte Darstellung der Signale aller<br />
16 ausgelesenen Kanäle des Phasenarrays.<br />
Die Software nutzt standardmäßig die vom Phasenarray ausgesendeten Pulse als Trigger,<br />
ermöglicht aber auch e<strong>in</strong>e Aufzeichnung der Daten nach manueller Auslösung durch<br />
den Benutzer. Bei gewünschter Speicherung der aufgezeichneten Daten, werden die an<br />
den e<strong>in</strong>zelnen Kanälen des Analog Digital Konverters anliegenden Spannungen <strong>in</strong> 16 Bit<br />
Integer Werte konvertiert <strong>und</strong> <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e Textdatei geschrieben. Gespeichert werden die<br />
Rohdaten aller 16 Kanäle ohne vorherige Datenverarbeitung.<br />
Da Pulsformer <strong>und</strong> DAQ Karte gleichzeitig an den jeweiligen Kanälen des Phasenarrays<br />
angeschlossen s<strong>in</strong>d, ist die Datennahme während der Pulsaussendung nicht möglich. Der<br />
Analog Digital Wandler ist während dieser Zeit <strong>in</strong> Sättigung. Die Pulsbreite gibt hierbei<br />
die Dauer des Fensters vor, <strong>in</strong> dem ke<strong>in</strong> Signal aufgezeichnet werden kann.<br />
Bei jeder Messung wurden die Phasenarrays mit e<strong>in</strong>er Abtastrate f Sampl<strong>in</strong>g von 50 MHz<br />
ausgelesen. Abhängig von der e<strong>in</strong>gestellten Anzahl der Datenpunkte N Sampl<strong>in</strong>g wird das<br />
Zeitfenster der Datennahme <strong>für</strong> e<strong>in</strong>e Messung festgesetzt. Die Tiefe d, bis zu der Echos<br />
von Strukturen im <strong>Eis</strong> aufgelöst werden können, hängt folgendermaßen von diesen Parametern<br />
ab:<br />
d = ∆s<br />
2 = N Sampl<strong>in</strong>g · c Schall<br />
(6.1)<br />
2 · f Sampl<strong>in</strong>g<br />
Hierbei ist c Schall die Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit im untersuchten Medium <strong>und</strong> ∆s die <strong>zur</strong>ück<br />
gelegte Wegstrecke der Ultraschall-Signale. Um die Datenmengen zu reduzieren wurde<br />
die Anzahl der Datenpunkte N S pro Messung an die erwartete Entfernung zwischen<br />
Phasenarray <strong>und</strong> Struktur im <strong>Eis</strong> angepasst. Bei e<strong>in</strong>er Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit von 3840 m s<br />
<strong>in</strong> <strong>Eis</strong> mit e<strong>in</strong>er Temperatur von 0 ◦ C [4] ergeben sich ca. 26000 Datenpunkten pro 1 m<br />
Tiefe <strong>und</strong> Element des Phasenarrays.<br />
<strong>Eis</strong> <strong>in</strong> Gletschern erzeugt durch das plastische Fließen des Gletschers beim Aufbrechen<br />
e<strong>in</strong>zelner <strong>Eis</strong>lagen oder bei schnellen Temperaturänderungen Störgeräusche. Diese<br />
Störgeräusche haben e<strong>in</strong> sehr breites Frequenzspektrum <strong>und</strong> unter Umständen e<strong>in</strong>e<br />
sehr große Reichweite. In den Rohdaten s<strong>in</strong>d diese Störungen kaum von Signalen zu<br />
unterscheiden. Um e<strong>in</strong>e Unterscheidung zu ermöglichen, wurden bei der Datennahme<br />
gr<strong>und</strong>sätzlich zwei unterschiedliche Methoden angewandt. Bei e<strong>in</strong>er Untersuchung des<br />
<strong>Eis</strong>es <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er ausgezeichneten Richtung ohne Variation des W<strong>in</strong>kels unter dem die Schallkeule<br />
vom Phasenarray ausgesendet wird, können Störgeräusche nur durch Mittlung über<br />
mehrere Messungen erkannt werden. Da Störgeräusche zeitlich nicht mit dem Aussenden<br />
der Pulse korrelieren, s<strong>in</strong>kt die Amplitude der Störgeräusche bei e<strong>in</strong>er Mittlung der<br />
Daten im Gegensatz <strong>zur</strong> Signalamplitude. Nachteil ist die Erzeugung sehr großer Datenmengen.<br />
E<strong>in</strong>e andere Methode ist die Variation des W<strong>in</strong>kels unter dem die Schallkeule<br />
ausgesandt wird. Störungen sollten nur unter e<strong>in</strong>em bestimmten W<strong>in</strong>kel auftauchen. E<strong>in</strong><br />
von e<strong>in</strong>em Objekt im <strong>Eis</strong> reflektiertes Signal sollte beim überstreichen der Schallkeule<br />
über e<strong>in</strong>en bestimmten W<strong>in</strong>kelbereich an Amplitude zu- <strong>und</strong> abnehmen.<br />
54
6 Tests des Akustischen Systems <strong>zur</strong> Vorfelderk<strong>und</strong>ung (ARS) 55<br />
6.2.3 Datenverarbeitung <strong>und</strong> Filterung<br />
Zur Rauschm<strong>in</strong>imierung wurde e<strong>in</strong> digitaler Bandpass-Filter auf die Messdaten der e<strong>in</strong>zelnen<br />
Kanäle angewandt. Die Wirkungsweise des Filters beruht auf e<strong>in</strong>er Transformation<br />
des Signals <strong>in</strong> die Frequenzdoma<strong>in</strong> mittels e<strong>in</strong>er schnellen Fourier Transformation<br />
(FFT) <strong>und</strong> anschließender Filterung der zum Signal beitragenden Frequenzen. Zur<br />
Transformation wurde die TVirtualFFT Klasse aus dem ROOT-Framework des Cern<br />
benutzt. Die TVirtualFFT Klasse enthält verschiedene Funktionen <strong>zur</strong> Fouriertransformation.<br />
Die FFT stellt e<strong>in</strong>e schnelle Methode <strong>zur</strong> Berechnung der Diskreten Fourier<br />
Transformation (DFT) e<strong>in</strong>es Signals dar [12].<br />
Der Bandpass Filter besteht aus drei Schritten.<br />
• Zunächst wurden die Rohdaten durch die FFT <strong>in</strong> die Frequenzdoma<strong>in</strong> transformiert.<br />
Der mittlere Graph <strong>in</strong> Abbildung 6.4 zeigt das so erzeugte diskrete Frequenzspektrum<br />
des Signals an e<strong>in</strong>em Beispiel. Die Zielfrequenz des Signals liegt<br />
bei 780 kHz.<br />
• Im Frequenzspektrum wurden nun bestimmte Frequenzen aus dem Spektrum gefiltert.<br />
Hierzu wurde die Ausgabe der FFT elementweise mit der Filterfunktion<br />
⎧<br />
⎨ 0 , <strong>für</strong> F(i) < a<br />
B(i) = 1 , <strong>für</strong> a ≤ F(i) < b<br />
(6.2)<br />
⎩<br />
0 , <strong>für</strong> b < F(i)<br />
multipliziert. Hierbei ist F (i) die Frequenz des i-ten Elements des Frequenzspektrums.<br />
Die Magnitude <strong>für</strong> alle Frequenzen unterhalb der unteren Grenze a <strong>und</strong><br />
oberhalb der oberen Grenze b des Bandpass-Filters wird so auf Null gesetzt.<br />
• Das so erzeugte diskrete Frequenzspektrum wurde nun mit der <strong>in</strong>versen FFT<br />
<strong>zur</strong>ück transformiert. Das gefilterte Signal setzt sich nur noch aus den Frequenzen<br />
<strong>in</strong>nerhalb der Grenzen des Bandpass-Filters zusammen.<br />
Abbildung 6.4 zeigt die Wirkung des Filters auf die Rohdaten e<strong>in</strong>er Messung <strong>in</strong> <strong>Wasser</strong>.<br />
Für die Messung wurde das Phasenarray frontal vor e<strong>in</strong>em ca. 12 cm großen Ste<strong>in</strong> im<br />
Schmelzkanal positioniert. Die Distanz zwischen Array <strong>und</strong> Ste<strong>in</strong> betrug 40±5 cm. Bei<br />
e<strong>in</strong>er Laufstrecke der Signale von 80±10 cm <strong>und</strong> e<strong>in</strong>er Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit <strong>in</strong> <strong>Wasser</strong><br />
bei e<strong>in</strong>er Temperatur 1 ◦ C von 1407,7 m s<br />
ergibt sich e<strong>in</strong>e erwartete Laufzeit von<br />
0,568±0,073 ms. Aufgr<strong>und</strong> der guten Übere<strong>in</strong>stimmung der Laufzeit mit der Erwartung,<br />
kann das Signal bei 0,57 ms mit dem Echo vom Ste<strong>in</strong> identifiziert werden. Des Weiteren<br />
zeigen die Daten bei allen benachbarten Messungen e<strong>in</strong> Echo nach der gleichen Zeit,<br />
lediglich die Amplitude nimmt nach außen h<strong>in</strong> ab.<br />
Die Grenzen des Bandpassfilters wurden hier auf 200 kHz <strong>und</strong> 1,2 MHz gesetzt. Bei e<strong>in</strong>er<br />
weiteren E<strong>in</strong>grenzung der Frequenz wurde beobachtet, dass die Signalamplitude s<strong>in</strong>kt,<br />
ohne dass die Amplitude des Rauschens s<strong>in</strong>kt.<br />
55
6 Tests des Akustischen Systems <strong>zur</strong> Vorfelderk<strong>und</strong>ung (ARS) 56<br />
Amplitude [# ADC Kanal]<br />
Rohdaten<br />
5000<br />
4000<br />
3000<br />
2000<br />
1000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
-3000<br />
-4000<br />
-5000<br />
0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012<br />
Zeit [s]<br />
Magnitude [# ADC Kanal / Hz]<br />
20000<br />
15000<br />
10000<br />
5000<br />
Frequenzspektrum<br />
0<br />
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000<br />
3<br />
×10<br />
8000<br />
Frequenz [Hz]<br />
Amplitude [# ADC Kanal]<br />
Signal nach Bandpass Filter<br />
5000<br />
4000<br />
3000<br />
2000<br />
1000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
-3000<br />
-4000<br />
-5000<br />
0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012<br />
Zeit [s]<br />
Abbildung 6.4: Filterung des Signals e<strong>in</strong>er Messung im <strong>Wasser</strong> gefüllten Schmelzkanal des<br />
IceMole. Oben: Von Kanal 0 aufgezeichnete Rohdaten des Phasenarrays bei Aussendung<br />
e<strong>in</strong>es Pulses unter e<strong>in</strong>em W<strong>in</strong>kel von 0 Grad. Am Anfang der Aufzeichnung ist der<br />
Sende-Puls zu sehen, der langsam abkl<strong>in</strong>gt. Nach 0,57 ms ist das Echo von e<strong>in</strong>em im<br />
Schmelzkanal <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Entfernung von ca. 0,42 m deponierten ca. 12 cm großen Ste<strong>in</strong> zu<br />
sehen. Mitte: Frequenzspektrum des Signals. In rot s<strong>in</strong>d die Grenzen e<strong>in</strong>es Bandpass-<br />
Filters bei 200 kHz <strong>und</strong> 1,2 MHz e<strong>in</strong>gezeichnet. Unten: Das <strong>zur</strong>ück transformierte Signal<br />
zeigt ke<strong>in</strong>e Abnahme <strong>in</strong> der Signalamplitude. Die Unterdrückung der niederfrequenten<br />
Gr<strong>und</strong>schw<strong>in</strong>gung am Anfang des Signals ist deutlich zu erkennen.<br />
56
6 Tests des Akustischen Systems <strong>zur</strong> Vorfelderk<strong>und</strong>ung (ARS) 57<br />
6.3 Feldtest Morteratsch<br />
Nach der Inbetriebnahme der Phasenarrays mit der <strong>in</strong> Abschnitt 6.2 beschriebenen DAQ<br />
wurden im Rahmen des ersten Feldtests des IceMole auf dem Morteratsch Gletscher im<br />
Engad<strong>in</strong> (Schweiz) erste Testdaten mit dem System genommen. Hierbei stand zunächst<br />
der Test der Ansteuerung der Phasenarrays <strong>und</strong> der Datennahme unter e<strong>in</strong>satznahen<br />
Bed<strong>in</strong>gungen im Vordergr<strong>und</strong>.<br />
E<strong>in</strong> weiterer zentraler Untersuchungsgegenstand war die Reichweite, bis zu der größere<br />
Strukturen im <strong>Eis</strong> vom Phasenarray erkannt werden können.<br />
Abbildung 6.5: Testumgebung des Feldtests auf dem Morteratsch Gletscher.<br />
6.3.1 Testumgebung<br />
Unter Berücksichtigung der geplanten Test-Manöver des IceMole <strong>und</strong> der Tests der anderen<br />
Subsysteme wurde während des Feldtests e<strong>in</strong> Testfeld <strong>in</strong> unmittelbarer Umgebung<br />
e<strong>in</strong>er größeren Gletscherspalte gewählt. Hier wurden an verschiedenen Stellen Messungen<br />
mit dem Phasenarray durchgeführt.<br />
Zur besseren Handhabung während der Messungen wurde das Phasenarray <strong>in</strong> Anlehnung<br />
an die Integration im Schmelzkopf <strong>in</strong> e<strong>in</strong> zyl<strong>in</strong>derförmiges Gehäuse aus Alum<strong>in</strong>ium<br />
mit e<strong>in</strong>em Durchmesser von 10 cm e<strong>in</strong>gelassen. Während e<strong>in</strong>er Messung wurde das Phasenarray<br />
an e<strong>in</strong>e ebene Oberfläche des <strong>Eis</strong>es frontal vor der Ziel-Struktur gedrückt. Der<br />
Anpressdruck schmilzt das <strong>Eis</strong> vor dem Phasenarray wodurch sich e<strong>in</strong> dünner <strong>Wasser</strong>film<br />
zwischen Array <strong>und</strong> <strong>Eis</strong> bildet. Dies ist Wichtig <strong>für</strong> die Ankopplung des Arrays an das<br />
<strong>Eis</strong>. Der Reflektionsfaktor r beim Übergang e<strong>in</strong>er Schallwelle von Medium 1 zu Medium<br />
2 ist abhängig von der Differenz der Schallkennimpedanzen Z i der Medien [27]:<br />
r = Z 2 − Z 1<br />
Z 1 + Z 2<br />
(6.3)<br />
Um so mehr Schallleistung reflektiert wird, desto weniger Schallleistung wird transmittiert<br />
[27]. Da die Differenz der Schallkennimpedanzen beim Übergang von Luft zu <strong>Eis</strong><br />
deutlich größer ist als beim Übergang von <strong>Wasser</strong> zu <strong>Eis</strong>, erhöht der <strong>Wasser</strong>film zwischen<br />
Array <strong>und</strong> <strong>Eis</strong> die Ankopplung des Arrays an das <strong>Eis</strong>.<br />
57
6 Tests des Akustischen Systems <strong>zur</strong> Vorfelderk<strong>und</strong>ung (ARS) 58<br />
6.3.2 Funktionstest <strong>und</strong> Messungen <strong>in</strong> <strong>Wasser</strong><br />
Um die e<strong>in</strong>wandfreie Arbeitsweise der DAQ der Phasenarrays<br />
nach dem Transport auf den Gletscher zu testen wurden<br />
zunächst Messungen <strong>in</strong> <strong>Wasser</strong> genommen. Der <strong>in</strong> Abbildung<br />
6.6 gezeigte Aufbau ähnelte hierbei den Messungen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em<br />
<strong>Wasser</strong> gefüllten Becken während der Inbetriebnahme der Phasenarrays<br />
im Labor. Für die Messung stand e<strong>in</strong> ca. 70 cm tiefer<br />
Schmelzkanal des IceMole <strong>zur</strong> Verfügung. Das Phasenarray<br />
wurde horizontal <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Entfernung von 54±1 cm frontal vor<br />
der Rückwand des Schmelzkanals befestigt. Zusätzlich wurde<br />
der Griff e<strong>in</strong>es <strong>Eis</strong>pickels zwischen Phasenarray <strong>und</strong> Rückwand<br />
befestigt. Der Pickel wurde leicht seitlich vor dem Phasenarray<br />
<strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Abstand von 22±1 cm. platziert. Mit dem Phasenarray<br />
wurde nun e<strong>in</strong> W<strong>in</strong>kelbereich von ±30 Grad unter-<br />
Phasenarray<br />
Pickel<br />
Abbildung 6.6: Aufbau<br />
zum Funktionstest des<br />
Phasenarrays.<br />
sucht. Bei e<strong>in</strong>er Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit von 1407,7 m s<br />
[17] ergibt<br />
sich e<strong>in</strong>e Laufzeit von 0,313 ± 0,014 s <strong>für</strong> die Reflexion vom Pickel<br />
<strong>und</strong> 0,767 ± 0,014 s <strong>für</strong> die Reflexion der Rückwand des<br />
Schmelzkanals.<br />
Abbildung 6.7 zeigt exemplarisch die unter e<strong>in</strong>em Sendew<strong>in</strong>kel<br />
von 0 Grad aufgenommene Messung. Bei e<strong>in</strong>er Laufzeit<br />
von 0,315 ms ist e<strong>in</strong> deutliches Signal zu erkennen. E<strong>in</strong> weiteres<br />
deutlich schwächeres Signal beg<strong>in</strong>nt bei 0,762 ms <strong>und</strong> ist deutlich breiter. Die Signale<br />
können e<strong>in</strong>deutig mit den erwarteten Reflexionen identifiziert werden. Beide Signale s<strong>in</strong>d<br />
<strong>in</strong> den Messungen sämtlicher Sendew<strong>in</strong>kel zu sehen. Lediglich die Amplitude der Reflexion<br />
des Pickels nimmt nach außen h<strong>in</strong> ab. Die Reflexion der Rückwand ist deutlich<br />
breiter, da Die Rückwand nicht eben ist.<br />
Amplitude [# ADC Kanal]<br />
10000<br />
5000<br />
0<br />
-5000<br />
-10000<br />
0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012<br />
Zeit [s]<br />
Abbildung 6.7: Testmessung <strong>in</strong> <strong>Wasser</strong> bei e<strong>in</strong>em Sendew<strong>in</strong>kel von 0 Grad mit e<strong>in</strong>em Frequenzfilter<br />
bis 200 kHz <strong>und</strong> ab 1,2 MHz. Die Reflexionen des Pickels <strong>und</strong> der Rückwand<br />
des Schmelzkanals s<strong>in</strong>d klar zu erkennen.<br />
58
6 Tests des Akustischen Systems <strong>zur</strong> Vorfelderk<strong>und</strong>ung (ARS) 59<br />
6.3.3 Messungen im Firneis<br />
Im Umfeld des Testbereiches des IceMole wurden mehrere Messungen mit dem Phasenarray<br />
im Firneis an der Oberfläche des Gletschers durchgeführt.<br />
Struktur des Firneises<br />
Durch Schwankungen der Witterungsbed<strong>in</strong>gungen wie Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit<br />
<strong>und</strong> W<strong>in</strong>dgeschw<strong>in</strong>digkeit unterliegen die akkumulierten Schneemassen auf e<strong>in</strong>em<br />
Gletscher e<strong>in</strong>er Metamorphose. Hierbei f<strong>in</strong>det e<strong>in</strong>e Umwandlung der hexagonalen<br />
Schneeflocken <strong>in</strong> Firnkörner statt. Zwischen Neuschnee an der Oberfläche <strong>und</strong> Gletschereis<br />
<strong>in</strong> größerer Tiefe entsteht e<strong>in</strong>e Schicht aus Firneis. Die Dicke dieser Schicht <strong>und</strong><br />
die Geschw<strong>in</strong>digkeit der Ausbildung ist stark von den Witterungsbed<strong>in</strong>gungen <strong>und</strong> dem<br />
Breitengrad abhängig. [31]<br />
Firneis zeichnet sich durch e<strong>in</strong>e körnige Struktur<br />
aus. Bei der Metamorphose zu kompaktem <strong>Eis</strong><br />
wird Luft e<strong>in</strong>geschlossen [31]. Abbildung 6.8 zeigt<br />
e<strong>in</strong>e Aufnahme der Struktur von Firneis <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er<br />
Tiefe von ca. 50 cm unterhalb der lockeren Schneedecke<br />
auf dem Morteratsch Gletscher. Im <strong>Eis</strong> s<strong>in</strong>d<br />
mehrere E<strong>in</strong>schlüsse aus Luftblasen zu erkennen,<br />
deren Durchmesser im Bereich von wenigen Millimetern<br />
liegt.<br />
Die Firnl<strong>in</strong>ie bezeichnet die Grenze zwischen Firn,<br />
der m<strong>in</strong>destens e<strong>in</strong>e Ablationsperiode überdauert<br />
hat, <strong>und</strong> der <strong>Eis</strong>phase an der Gletscheroberfläche<br />
[31]. Unterhalb der Firnl<strong>in</strong>ie ist das <strong>Eis</strong> den jahreszeitlichen<br />
Schwankungen der Temperatur nahezu<br />
nicht ausgesetzt. Das Alter des unter der Schicht<br />
aus Firneis bef<strong>in</strong>dlichen <strong>Eis</strong>es ist deutlich höher<br />
als das der Oberfläche. Der größere Druck erhöht<br />
die Dichte <strong>und</strong> macht das <strong>Eis</strong> kompakter. Auch die<br />
Abbildung 6.8: Struktur des Firneises<br />
auf dem Morteratsch Gletscher<br />
<strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Tiefe von ca. 50 cm.<br />
Größe <strong>und</strong> Anzahl der im <strong>Eis</strong> e<strong>in</strong>geschlossenen Luftblasen s<strong>in</strong>kt mit der Tiefe [25]. Dies<br />
führte zu der Idee die Messungen <strong>in</strong> tieferen <strong>Eis</strong>schichten durchzuführen.<br />
Im Rahmen der durch den Aufbau der DAQ limitierten Reichweite wurden Messungen<br />
bis zu e<strong>in</strong>er Tiefe von 1,3 m unterhalb der Schneedecke durchgeführt.<br />
59
6 Tests des Akustischen Systems <strong>zur</strong> Vorfelderk<strong>und</strong>ung (ARS) 60<br />
Messungen <strong>und</strong> Ergebnisse<br />
Das Phasenarray wurde unmittelbar vor verschiedene Objekte <strong>und</strong> Grenzflächen positioniert.<br />
Untersucht wurde der Übergang von <strong>Eis</strong> zu <strong>Wasser</strong> <strong>und</strong> Luft. Als Grenzfläche<br />
standen die Schmelzkanäle des IceMole <strong>und</strong> die <strong>in</strong> Abbildung 6.5 gezeigte Spalte <strong>zur</strong><br />
Verfügung. Dabei war e<strong>in</strong> Schmelzkanal mit Schmelzwasser gefüllt <strong>und</strong> e<strong>in</strong> Schmelzkanal<br />
mit Luft gefüllt. Der Übergang von <strong>Eis</strong> zu Luft, sollte wegen der größeren Differenz <strong>in</strong><br />
der Schallkennimpedanz e<strong>in</strong>e stärkere Reflexion hervor rufen.<br />
Zur Messung wurde das Phasenarray frontal vor der Ziel-Struktur an das <strong>Eis</strong> gekoppelt.<br />
Nun wurde der W<strong>in</strong>kel der ausgesendeten Schallkeule über e<strong>in</strong>en Bereich von 90 Grad<br />
symmetrisch von e<strong>in</strong>er <strong>zur</strong> anderen Seite durchgefahren. Danach wurde der Anstellw<strong>in</strong>kel<br />
des Arrays variiert <strong>und</strong> die Prozedur wiederholt. Die Entfernung zwischen Grenzschicht<br />
<strong>und</strong> Phasenarray wurde <strong>in</strong>sgesamt über e<strong>in</strong>en Bereich von 20 cm bis 250 cm variiert.<br />
Des Weiteren wurde e<strong>in</strong> etwa 12 cm großer Ste<strong>in</strong> <strong>und</strong> e<strong>in</strong>e 2 cm dicke <strong>Eis</strong>enstange <strong>in</strong> e<strong>in</strong><br />
mit <strong>Wasser</strong> gefülltes Schmelzloch e<strong>in</strong>gebracht <strong>und</strong> mit dem Phasenarray <strong>in</strong>s Visier genommen.<br />
In sämtlichen Messungen wurden ke<strong>in</strong>e Echos der Grenzflächen im erwarteten<br />
Zeitfenster erkannt.<br />
Abbildung 6.9 zeigt exemplarisch e<strong>in</strong>e der Messungen, bei dem das Phasenarray auf die<br />
Spalte gerichtet ist. Charakteristisch <strong>für</strong> alle Messungen ist der Beg<strong>in</strong>n des aufgezeichneten<br />
Signals, der sich, wie Abbildung 6.10 zeigt, von dem <strong>in</strong> <strong>Wasser</strong> unterscheidet. Zu<br />
beachten ist, dass aufgr<strong>und</strong> der größeren Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit <strong>in</strong> <strong>Eis</strong> die Laufstrecke<br />
des Signals im Medium bei gleicher Laufzeit um den Faktor 2,74 größer ist 1 . Die am<br />
Piezo abgegriffene Spannung fällt <strong>in</strong> <strong>Wasser</strong> <strong>in</strong>nerhalb von 20 µs auf das Rauschniveau<br />
ab. Bei der Messung <strong>in</strong> <strong>Eis</strong> ist das Ausschw<strong>in</strong>gen des Sensors verzögert. Es dauert ca.<br />
45 µs bis das Rauschniveau erreicht ist. Die auffällige Modulation des Abfalls könnte<br />
durch Reflexionen <strong>und</strong> Beugung der <strong>akustischen</strong> Welle unmittelbar vor dem Phasenarray<br />
<strong>und</strong> damit verb<strong>und</strong>ener destruktiver Interferenzen hervorgerufen werden. In <strong>Wasser</strong> tritt<br />
dieser Effekt wegen der Isotropie nicht auf.<br />
1 Abschätzung mit den Schallgeschw<strong>in</strong>digkeiten bei e<strong>in</strong>er Temperatur von 0 ◦ C <strong>in</strong> <strong>Wasser</strong> aus [17] <strong>und</strong><br />
c<br />
<strong>in</strong> <strong>Eis</strong> aus [4]: <strong>Eis</strong><br />
c W asser<br />
= 3840 = 2, 74 1403<br />
60
6 Tests des Akustischen Systems <strong>zur</strong> Vorfelderk<strong>und</strong>ung (ARS) 61<br />
Amplitude [# ADC Kanal]<br />
Magnitude [# ADC Kanal/Hz]<br />
Amplitude [# ADC Kanal]<br />
Rohdaten<br />
5000<br />
4000<br />
3000<br />
2000<br />
1000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
-3000<br />
-4000<br />
-5000<br />
0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 0.0014 0.0016 0.0018 0.002<br />
Zeit [s]<br />
Frequenzspektrum<br />
20000<br />
18000<br />
16000<br />
14000<br />
12000<br />
10000<br />
8000<br />
6000<br />
4000<br />
2000<br />
0<br />
0 1000 2000 3000 4000 5000<br />
3<br />
×10<br />
6000<br />
Frequenz [Hz]<br />
Signal nach Bandpass Filter<br />
5000<br />
4000<br />
3000<br />
2000<br />
1000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
-3000<br />
-4000<br />
-5000<br />
0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 0.0014 0.0016 0.0018 0.002<br />
Zeit [s]<br />
Abbildung 6.9: Oben: Rohdaten e<strong>in</strong>er Messung mit dem Pasenarray frontal auf die Spalte<br />
gerichtet. Die Entfernung <strong>zur</strong> Spalte betrug 2,5 m, was e<strong>in</strong>er erwarteten Laufzeit von<br />
1,3 ms entspricht. Das Array befand sich während der Messung <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Tiefe von 1,3 m<br />
unter der Schneedecke. Mitte: Frequenzspektrum des aufgezeichneten Signals. In rot s<strong>in</strong>d<br />
die Grenzen des verwendeten Bandpass-Filters e<strong>in</strong>gezeichnet. Es wurden alle Anteile mit<br />
Frequenzen unterhalb von 720 kHz <strong>und</strong> oberhalb von 830 kHz raus gefiltert. Unten: Mit<br />
Bandpass gefiltertes Signal. Es ist ke<strong>in</strong>e Reflexion <strong>in</strong> dem erwarteten Zeitfenster zu<br />
erkennen.<br />
61
6 Tests des Akustischen Systems <strong>zur</strong> Vorfelderk<strong>und</strong>ung (ARS) 62<br />
Amplitude [# ADC Kanal]<br />
20000<br />
15000<br />
10000<br />
5000<br />
0<br />
-5000<br />
-10000<br />
-15000<br />
-20000<br />
0 0.02 0.04 0.06 0.08<br />
×10<br />
0.1<br />
Zeit [s]<br />
-3<br />
Amplitude [# ADC Kanal]<br />
20000<br />
15000<br />
10000<br />
5000<br />
0<br />
-5000<br />
-10000<br />
-15000<br />
-20000<br />
0 0.02 0.04 0.06 0.08<br />
×10<br />
0.1<br />
Zeit [s]<br />
Abbildung 6.10: Vergleich der ersten 0,1 ms e<strong>in</strong>es Signals bei Aussendung unter e<strong>in</strong>em<br />
W<strong>in</strong>kel von 0 Grad <strong>in</strong> <strong>Wasser</strong> (oben) <strong>und</strong> <strong>Eis</strong> (unten). In <strong>Eis</strong> tritt e<strong>in</strong>e Modulation<br />
des exponentiellen Abfalls der am Piezo abgegriffenen Spannung auf. Dies könnte die<br />
Leistung der Schallwelle im <strong>Eis</strong> m<strong>in</strong>imieren.<br />
-3<br />
62
6 Tests des Akustischen Systems <strong>zur</strong> Vorfelderk<strong>und</strong>ung (ARS) 63<br />
6.3.4 Messungen <strong>in</strong> Kompakteis<br />
Abbildung 6.11: Aufnahme durch e<strong>in</strong>e etwa<br />
30 cm dicke Wand aus kompaktem <strong>Eis</strong> <strong>in</strong> der<br />
Gletscherhöhle.<br />
In den Messungen im Firneis der<br />
Oberfläche des Gletschers konnten ke<strong>in</strong>e<br />
e<strong>in</strong>deutigen Reflexionen von Strukturen<br />
im <strong>Eis</strong> oder Grenzflächen erkannt<br />
werden. Auf dem Weg zum<br />
Testfeld <strong>in</strong> der Nähe der Gletscherzunge<br />
wurde jedoch e<strong>in</strong>e begehbare<br />
Höhle entdeckt die e<strong>in</strong>en E<strong>in</strong>blick <strong>in</strong><br />
das kompakte, deutlich tiefer liegende<br />
Gletschereis gewährte. Die Oberfläche<br />
des Gletschers war <strong>in</strong> diesem<br />
Bereich mit Ablagerungen von Geröll<br />
<strong>und</strong> größeren Felsen bedeckt. Dieses<br />
als Toteis bezeichnete <strong>Eis</strong> wird von der<br />
sie bedeckenden Schicht aus Sedimenten<br />
weites gehend von der Sonnene<strong>in</strong>strahlung<br />
geschützt <strong>und</strong> überdauert länger als der sich <strong>zur</strong>ück ziehende Hauptgletscher<br />
[11]. Abbildung 6.11 zeigt die Struktur des <strong>Eis</strong>es <strong>in</strong>nerhalb der Höhle. Die Zahl der e<strong>in</strong>geschlossenen<br />
Luftblasen ist deutlich ger<strong>in</strong>ger, als im Firneis. Manche Bereiche s<strong>in</strong>d völlig<br />
frei von erkennbaren E<strong>in</strong>schlüssen.<br />
Testumgebung <strong>und</strong> Aufbau der Messung<br />
Das <strong>Eis</strong> <strong>in</strong> der Höhle war e<strong>in</strong>e ideale Testumgebung <strong>für</strong> die Messungen mit dem Phasenarray,<br />
abgesehen von der Infrastruktur. Um die Phasenarrays unabhängig von den<br />
Generatoren <strong>für</strong> die Energieversorgung des IceMole zu betreiben, wurde die ARS-DAQ<br />
mit e<strong>in</strong>em auf 240 V hoch transformierten Akkumulator betrieben. Die Ladung des Akkumulators<br />
limitierte das Zeitfenster <strong>für</strong> die Messungen auf etwa e<strong>in</strong>e St<strong>und</strong>e. Durch die<br />
Entfernung zum Testfeld <strong>und</strong> den damit verb<strong>und</strong>enen logistischen Aufwand konnte die<br />
Messung nur an e<strong>in</strong>em Tag durchgeführt werden.<br />
Abbildung 6.12 zeigt den Aufbau der Messung <strong>und</strong> das Profil der untersuchten <strong>Eis</strong>-<br />
Wand. Das Phasenarray wurde horizontal an e<strong>in</strong>e sich verjüngende Wand gepresst. Die<br />
Messung entspricht e<strong>in</strong>em Szenario <strong>in</strong> dem der IceMole sich schräg auf e<strong>in</strong>e Luft gefüllte<br />
Spalte zu bewegt. Die Dicke der Wand frontal vor dem Phasenarray konnte nur grob mit<br />
e<strong>in</strong>em Maßband ermittelt werden <strong>und</strong> beträgt 50 ± 5 cm.<br />
63
6 Tests des Akustischen Systems <strong>zur</strong> Vorfelderk<strong>und</strong>ung (ARS) 64<br />
<strong>Eis</strong><br />
<strong>Wasser</strong><br />
<strong>Eis</strong><br />
DAQ<br />
<strong>Eis</strong><br />
Phasen-<br />
Array<br />
(a) Testeis im Profil. Das vom oberen<br />
Teil des Gletschers stammende,<br />
mäandernde Schmelzwasser am<br />
Boden der Höhle hat die steilen<br />
<strong>Eis</strong>wände geformt.<br />
(b) Skizze der Messumgebung <strong>und</strong> des Aufbaus <strong>in</strong>nerhalb<br />
der Höhle.<br />
Abbildung 6.12: Aufbau der Messungen <strong>in</strong> kompaktem <strong>Eis</strong> e<strong>in</strong>er Höhle <strong>in</strong> der Nähe der<br />
Gletscherzunge.<br />
Messungen <strong>und</strong> Ergebnisse<br />
Die DAQ der Phasenarrays wurde durch die<br />
Versorgung über den Akkumulator gestört.<br />
An allen E<strong>in</strong>gängen der NI Digitalisierungskarte<br />
war e<strong>in</strong> periodisches Signal mit e<strong>in</strong>er<br />
Amplitude <strong>in</strong> der Größenordnung des Sende-<br />
Pulses der Phasenarrays zu sehen. Abbildung<br />
6.13 zeigt das Störsignal bei ausgeschaltetem<br />
Pulsformer. Mit e<strong>in</strong>er Frequenz<br />
von 100 kHz taucht e<strong>in</strong> scharfer Puls auf.<br />
Da die Amplitude der Störung regelmäßig<br />
wie der Sende-Puls im Sättigungsbereich der<br />
ADCs der Datennahme lagen, konnte die<br />
Schwelle des automatisierten Triggers nicht<br />
mehr an den Sendepuls angepasst werden.<br />
Beim Start e<strong>in</strong>er Messung löste das erste Signal<br />
<strong>in</strong> Sättigung die Digitalisierung aus.<br />
Es wurden <strong>in</strong>sgesamt 111 Messungen genommen.<br />
In 17 der Messungen startete die<br />
Digitalisierung mit dem Sende-Puls der Pha-<br />
Abbildung 6.13: Störsignal während der<br />
Messungen <strong>in</strong> der Höhle. Dargestellt s<strong>in</strong>d<br />
die e<strong>in</strong>zelnen Kanäle der DAQ <strong>in</strong> unterschiedlichen<br />
Farben.<br />
64
6 Tests des Akustischen Systems <strong>zur</strong> Vorfelderk<strong>und</strong>ung (ARS) 65<br />
senarrays. Bei alle 17 Messungen war der W<strong>in</strong>kel, unter dem das Ultraschall-Signal ausgesendet<br />
wurde, unterschiedlich. Dieser Umstand erschwert die Suche nach <strong>akustischen</strong><br />
Signalen erheblich.<br />
Durch den angewandten Filter auf die Messdaten konnte die Störung unterdrückt werden.<br />
Da aber <strong>in</strong> den 17 Messdaten ke<strong>in</strong>e Messung mit gleichem Sendew<strong>in</strong>kel vorlag s<strong>in</strong>d e<strong>in</strong>zeln<br />
auftretende Pulse nicht als akustische Echos des Phasenarrays identifiziert werden.<br />
Durch die Breite der Schallkeule sollte e<strong>in</strong> akustisches Signal z.B. von der Rückwand<br />
jedoch <strong>in</strong> benachbarten Messungen auftauchen. Pulse die e<strong>in</strong>deutig diesem Kriterium<br />
entsprechen konnten <strong>in</strong> den Daten mit dem angewandten Filter nicht identifiziert werden.<br />
Abbildung 6.14 zeigt exemplarisch e<strong>in</strong>e Messung unter e<strong>in</strong>em Sende-W<strong>in</strong>kel von 35 Grad<br />
<strong>und</strong> 38 Grad. Das Auftauchen des Pulses <strong>in</strong> beiden Messungen <strong>zur</strong> gleichen Zeit relativ<br />
zum Sendepuls spricht <strong>für</strong> e<strong>in</strong>e akustische Reflexion. Die Laufzeit von 439 µs entspricht<br />
e<strong>in</strong>er Laufstrecke von 1,68 m. Die Distanz zwischen Phasenarray <strong>und</strong> reflektierender<br />
Struktur beträgt folglich 84 cm was im Rahmen der Variation der Dicke der <strong>Eis</strong>wand<br />
möglich ist. Andere Messungen <strong>in</strong> diesem W<strong>in</strong>kelbereich stehen nicht <strong>zur</strong> Verfügung. Die<br />
Struktur des Pulses ist nach den Erfahrungen vorheriger Messungen untypisch. Während<br />
bei den Messungen <strong>in</strong> <strong>Wasser</strong> <strong>und</strong> im Labor e<strong>in</strong> exponentiell steigender E<strong>in</strong>schw<strong>in</strong>gvorgang<br />
des Sensors gefolgt von e<strong>in</strong>em breiten Abfall der Amplitude beobachtet wurde, ist<br />
dieser Puls erstaunlich symmetrisch.<br />
Alle weiteren mit dem verwendeten Filter aufgelösten Signale tauchen nur <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Datensatz<br />
zu e<strong>in</strong>em festen W<strong>in</strong>kel auf.<br />
Um gesicherte Erkenntnisse über die Reichweite der Phasenarrays zu treffen reichen die<br />
<strong>in</strong> der Höhle genommenen, verwertbaren Daten nicht aus. Es gibt Indizien da<strong>für</strong>, dass<br />
Reflexionen von der Rückwand der untersuchten <strong>Eis</strong>wand <strong>in</strong> e<strong>in</strong>zelnen Messungen empfangen<br />
wurden. E<strong>in</strong>e genaue Untersuchung der Reichweite der Phasenarrays <strong>in</strong> Klareis<br />
sollte im Labor stattf<strong>in</strong>den <strong>und</strong> kann mit dem Kühlconta<strong>in</strong>er des AAL überprüft werden.<br />
65
6 Tests des Akustischen Systems <strong>zur</strong> Vorfelderk<strong>und</strong>ung (ARS) 66<br />
Amplitude [# ADC Kanal]<br />
40000<br />
30000<br />
20000<br />
10000<br />
0<br />
-10000<br />
-20000<br />
-30000<br />
-40000<br />
×10<br />
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6<br />
Zeit [s]<br />
-3<br />
Abbildung 6.14: Oben: Messung bei e<strong>in</strong>em Sendew<strong>in</strong>kel von 38 Grad im kompakten <strong>Eis</strong><br />
der Höhle. Unten: Messung bei e<strong>in</strong>em Sendew<strong>in</strong>kel von 35 Grad. Beide Messungen zeigen<br />
e<strong>in</strong> starkes Signal nach 439 µs. Bei e<strong>in</strong>er größeren Auflösung wird die Struktur des Pulses<br />
deutlich. Es zeigen sich zwei <strong>für</strong> akustische Signale untypische scharfe Doppelpulse.<br />
66
7 Zusammenfassung <strong>und</strong> Ausblick<br />
Während des Feldtests des IceMole auf dem Morteratsch Gletscher wurden Daten <strong>in</strong><br />
Firneis <strong>und</strong> Klareis als Gr<strong>und</strong>lage <strong>für</strong> die gezielte Weiterentwicklung des ARS genommen.<br />
Die ARS-DAQ ermöglichte bei Messungen <strong>in</strong> <strong>Wasser</strong> die Aufzeichnung von Reflektionen<br />
aus e<strong>in</strong>er Entfernung von 54 cm. Systematische Fehler der ARS-DAQ konnten bei<br />
den Messungen <strong>in</strong> <strong>Wasser</strong> nicht festgestellt werden.<br />
In Firneis konnten mit dem verwendeten Filter ab e<strong>in</strong>er Entfernung von 20 cm ke<strong>in</strong>e<br />
Strukturen erkannt werden.<br />
Die Messungen <strong>in</strong> Klareis können im Labor unter besseren Bed<strong>in</strong>gungen wiederholt werden.<br />
Das AAL hat die Möglichkeiten hierzu Messungen bis zu e<strong>in</strong>er Entfernung von<br />
1,85 m durchzuführen.<br />
Um Echos <strong>in</strong> <strong>Eis</strong> zu empfangen kann die Leistung der Phasenarrays noch gesteigert werden.<br />
Neben der Steigerung der Amplitude der Sende-Pulse würde auch e<strong>in</strong>e Ansteuerung<br />
durch mehrere Pulse mit festem Phasenabstand die Leistung erhöhen, wenn der Phasenabstand<br />
mit der Wellenlänge e<strong>in</strong>er 780 kHz Schw<strong>in</strong>gung <strong>in</strong> <strong>Eis</strong> übere<strong>in</strong>stimmt. Hierzu<br />
benötigt die Pulsformer-Schaltung jedoch leistungsfähigere Kondensatoren um die nötige<br />
Energie <strong>für</strong> schnelle Pulsfolgen bereitzustellen.<br />
Des Weiteren wurde beobachtet, dass die Ortsauflösung der Phasenarrays sehr ger<strong>in</strong>g<br />
ist. Durch die Phasensteuerung der e<strong>in</strong>zelnen Elemente des Arrays kann e<strong>in</strong>e Fokussierung<br />
der ausgesendeten Schallkeule erreicht werden. Dazu ist e<strong>in</strong> besseres Verständnis<br />
der Form der Schallkeule nötig. E<strong>in</strong>e Vermessung der Abstrahlcharakteristik im Labor<br />
unter Variation der Fokussierung könnte wichtige Erkenntnisse <strong>zur</strong> Steigerung der Ortsauflösung<br />
liefern.<br />
Der Aufbau e<strong>in</strong>es Testumfeldes <strong>für</strong> das APS wurde während dieser Arbeit realisiert.<br />
Die Plat<strong>in</strong>en der APS-DAQ wurden erfolgreich getestet <strong>und</strong> konnten beim Test auf dem<br />
Morteratsch Gletscher e<strong>in</strong>gesetzt werden.<br />
Zur Bestimmung der Laufzeiten steht e<strong>in</strong> e<strong>in</strong>facher Algorithmus <strong>zur</strong> Verfügung, der <strong>in</strong><br />
den Tests die erwarteten Laufzeiten lieferte. Die mit den gemessenen Laufzeiten rekonstruierte<br />
Position des IceMole liegt <strong>in</strong>nerhalb der Anforderungen des Systems.<br />
Um die Schwächen des Algorithmus bei kle<strong>in</strong>en Signalamplituden zu kompensieren,<br />
kann das SNR durch den E<strong>in</strong>satz von Filtern verbessert werden. Mit e<strong>in</strong>er Hilbert-<br />
Transformation könnte über den Betrag des analytischen Signals die E<strong>in</strong>hüllende des<br />
Signals berechnet werden. So könnte verh<strong>in</strong>dert werden, dass die Laufzeit aufgr<strong>und</strong> von<br />
ger<strong>in</strong>gen Amplituden beim E<strong>in</strong>schw<strong>in</strong>gvorgang des Sensors überschätzt wird.<br />
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70
Abbildungsverzeichnis<br />
2.1 Oben rechts: Aufnahme der <strong>Eis</strong>fontänen <strong>in</strong> der südpolarregion von Enceladus<br />
durch Cass<strong>in</strong>i. Unten: Zusammensetzung der <strong>Eis</strong>fontänen gemessenen<br />
mit dem INMS der Raumsonde Cass<strong>in</strong>i. Die weißen Klammern zeigen den<br />
Vergleich <strong>zur</strong> Zusammensetzung von Kometen. [1] . . . . . . . . . . . . . 5<br />
2.2 Missionskonzept des Enceladus Explorers. E<strong>in</strong> Lander landet <strong>in</strong> sicherer<br />
Entfernung <strong>zur</strong> Spalte. Von dort navigiert e<strong>in</strong>e Schmelzsonde autonom<br />
durch das <strong>Eis</strong> <strong>zur</strong> Spalte <strong>und</strong> nimmt Proben des <strong>Wasser</strong>s. (Lander aus [22]) 6<br />
3.1 Die IceMole Trägersonde mit den <strong>in</strong>tegrierten Subsystemen. Die Elektronik<br />
<strong>für</strong> die Sensoren <strong>zur</strong> <strong>akustischen</strong> <strong>Navigation</strong> bef<strong>in</strong>det sich <strong>in</strong> der<br />
Acoustic Box direkt h<strong>in</strong>ter dem IceMole Kopf. [16] . . . . . . . . . . . . . 9<br />
3.2 Schematische Darstellung des APS Sender Arrays mit Zentraler Sendee<strong>in</strong>heit.<br />
Über die Laufzeiten t 1 bis t 6 kann bei bekannter Position der Sender<br />
über e<strong>in</strong> Multilaterationsverfahren der Ort der Empfänger im Kopf der<br />
Sonde bestimmt werden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11<br />
3.3 Integration der APS Sensoren <strong>in</strong> den Schmelzkopf des IceMole. . . . . . . 12<br />
3.4 Zur Motivation des Zusammenhangs zwischen Auflösung, Apertur <strong>und</strong><br />
Wellenlänge bei e<strong>in</strong>er l<strong>in</strong>earen Strahlergruppe. . . . . . . . . . . . . . . . . 14<br />
3.5 Skizze <strong>zur</strong> Verdeutlichung der Entstehung der Nebenkeulen <strong>in</strong> der Abstrahlcharakteristik<br />
des Phasenarrays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15<br />
3.6 Technische Zeichnung der Integration der Phasenarrays <strong>in</strong> den Kopf des<br />
IceMole [9]. Die Phasenarrays werden kreuzförmig um die Schraube <strong>in</strong><br />
den Schmelzkopf e<strong>in</strong>gelassen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16<br />
3.7 Akustik Box mit <strong>in</strong>tegrierter SVuEnt <strong>und</strong> APS-DAQ-Elektronik. . . . . . 17<br />
3.8 Diagramm zum Datenfluss des APS. Die grau unterlegten Sensor-Plat<strong>in</strong>en<br />
bef<strong>in</strong>den sich <strong>in</strong> den Sensorhülsen im Kopf des IceMole. Die APS-DAQ-<br />
Plat<strong>in</strong>e, der Embedde PC <strong>und</strong> die SVuEnt s<strong>in</strong>d <strong>in</strong> der Akustik Box untergebracht.<br />
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18<br />
3.9 Diagramm zum Datenfluss <strong>in</strong>nerhalb des ARS. Die Plat<strong>in</strong>en rechts von<br />
der Kopfplatte bef<strong>in</strong>den sich im Kopf des IceMole. ARS-Hauptplat<strong>in</strong>e,<br />
Embedded PC, Pulsformer <strong>und</strong> Spannungsversorgung s<strong>in</strong>d <strong>in</strong> der Akustik<br />
Box untergebracht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19<br />
4.1 Geometrische Erklärung des piezoelektrischen Effekts. Durch die äußere<br />
Krafte<strong>in</strong>wirkung kommt es zu e<strong>in</strong>er Verlagerung der Ladungsschwerpunkte<br />
<strong>und</strong> e<strong>in</strong>er Ausbildung von Dipolen p Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23<br />
71
Abbildungsverzeichnis 72<br />
5.1 Signal <strong>zur</strong> Ansteuerung der Sender aufgezeichnet mit e<strong>in</strong>em Oszilloskop.<br />
Am Oszilloskop wurde e<strong>in</strong> Offset von ca. -11 V e<strong>in</strong>gestellt. . . . . . . . . . 24<br />
5.2 Oben: Breite der fallenden Flanke des Triggersignals. Aufgezeichnet mit<br />
der maximalen Abtastrate des Oszilloskop von 2,5 GHz <strong>und</strong> über 32 Messungen<br />
gemittelt. Unten: Jitter der fallenden Flanke des Triggersignals.<br />
Dargestellt s<strong>in</strong>d sechs unabhängigen Messungen mit e<strong>in</strong>er Aufzeichnungsrate<br />
von 10 MHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26<br />
5.3 Auftragung der Signalamplitude gegen die Zeit <strong>für</strong> sechs Pulse der ZSE<br />
(run 01 bis run 06) im Vergleich zum gemittelten Triggersignal (trigger)<br />
<strong>in</strong> schwarz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26<br />
5.4 IceMole Testkopf mit wasserdichtem Deckel <strong>und</strong> Aufnahme <strong>für</strong> e<strong>in</strong>en APS<br />
Sensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28<br />
5.5 Floß <strong>zur</strong> Variation der Sender Position relativ zum IceMole Testkopf. Zur<br />
Simulation des Sender-Arrays kann das gesamte Volumen des Beckens<br />
ausgenutzt werden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29<br />
5.6 Skizze des Sprungbeckens der Ulla–Kl<strong>in</strong>ger–Halle von oben betrachtet mit<br />
schematischem Messaufbau zum Test des APS. . . . . . . . . . . . . . . . 30<br />
5.7 Variation der Laufzeiten der <strong>akustischen</strong> Signale <strong>für</strong> unterschiedliche Entfernungen.<br />
Die Distanzen variieren zwischen 2,23 m (a), 4,78 m (b), 6,69 m<br />
(c) <strong>und</strong> 10,68 m (d). Jeweils <strong>in</strong> rot ist die aus dem Algorithmus bestimmte<br />
Laufzeit e<strong>in</strong>gezeichnet. E<strong>in</strong>e Abstandsabhängigkeit der maximalen Amplitude<br />
des Signals ist nicht zu erkennen. Der W<strong>in</strong>kel zwischen Testkopf <strong>und</strong><br />
Sender ist <strong>für</strong> die e<strong>in</strong>zelnen Messungen (a) bis (d) nicht konstant <strong>und</strong><br />
könnte der Ursprung <strong>für</strong> die Variation <strong>in</strong> der Amplitude se<strong>in</strong>. . . . . . . . 33<br />
5.8 Variation der aufgezeichneten Signale bei Rotation des Testkopfes um<br />
die Längsachse. Die unterschiedlichen Graphen zeigen den Beg<strong>in</strong>n des<br />
aufgezeichneten Signals <strong>für</strong> die Ausgangslage bei 0 Grad <strong>und</strong> bei hierzu<br />
gedrehter Lage des Testkopfes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34<br />
5.9 Bestimmung der Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit beim ersten Schwimmbad-Test durch<br />
Auftragung der Distanz zwischen Sender <strong>und</strong> Empfänger gegen die Laufzeit<br />
der <strong>akustischen</strong> Signale. Die gemessene Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit p 1 beträgt<br />
1476 ± 48 m s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35<br />
5.10 Stativ <strong>zur</strong> Aufnahme des Laserodometers mit Dreiwegeneiger <strong>und</strong> Neigungskontrolle.<br />
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36<br />
5.11 Positionen des Senders während des e<strong>in</strong>zelnen Messungen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Ebene.<br />
In Blau ist die Projektion der Position des Testkopfes mit <strong>in</strong>tegriertem<br />
Empfänger <strong>in</strong> diese Ebene dargestellt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37<br />
5.12 Aufgezeichnetes Signal bei Messstopp an Position 05. Aufgetragen ist die<br />
am ADC anliegende Spannung über die Zeit. Die 32 Messungen s<strong>in</strong>d <strong>in</strong><br />
unterschiedlichen Farben dargestellt. Der Jitter des Signals wurde jeweils<br />
an der ersten steilen Flanke abgelesen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38<br />
72
Abbildungsverzeichnis 73<br />
5.13 Exemplarische Veranschaulichung des Algorithmus <strong>zur</strong> Bestimmung der<br />
Laufzeiten. (a) Gesamtes aufgezeichnetes Signal bei Messstopp an Position<br />
05 über 32 Messungen gemittelt. (b) Bestimmung des mittleren Rauschens<br />
<strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Zeitfenster zwischen 0,2 ms <strong>und</strong> 2 ms. (c) Anfang des e<strong>in</strong>laufenden<br />
Signals. Die rote durchgehende L<strong>in</strong>ie zeigt die bestimmte Laufzeit, <strong>und</strong><br />
der statistische Fehler auf die Laufzeit ist durch die gestrichelte rote L<strong>in</strong>ie<br />
dargestellt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39<br />
5.14 L<strong>in</strong>eare Regression <strong>zur</strong> Bestimmung der Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit beim zweiten<br />
SBT. Der Parameter p0 gibt den Achsenabschnitt an <strong>und</strong> die Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit<br />
<strong>in</strong> m ms<br />
entspricht Parameter p1. . . . . . . . . . . . . . . . 40<br />
5.15 Variation der Laufzeit bei E<strong>in</strong>kopplung des <strong>akustischen</strong> Signals aus unterschiedlicher<br />
Richtung. Der Parameter p0 gibt den Mittelwert der gemessenen<br />
Laufzeit an. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41<br />
5.16 Struktur der SQL Datenbank Tabellen [32]. Im SBT 3 wurde die Struktur<br />
von Run bis RawData <strong>zur</strong> Aufzeichnung der Signale benutzt. . . . . . . . 43<br />
5.17 Vergleich des Rauschlevels zwischen den Iterationen der Sensor-Plat<strong>in</strong>en<br />
beim zweiten <strong>und</strong> dritten SBT. Oben: Messung des Rauschens beim SBT<br />
2 über 32 ms ergab e<strong>in</strong> mittleres Rauschen von 12,4 mV. Unten: Messung<br />
des Rauschens mit der variierten Sensor-Prototyp beim SBT 3. Das<br />
Rauschlevel konnte um den Faktor zwei auf 6,0 mV reduziert werden. . . . 44<br />
5.18 Bestimmung der Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit beim dritten SBT. Der Parameter<br />
p0 gibt den Achsenabschnitt an <strong>und</strong> p1 entspricht der Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit<br />
<strong>in</strong> m ms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46<br />
5.19 Vergleich der gemessenen Schallgeschw<strong>in</strong>digkeiten mit der Temperatur<br />
abhängigen Erwartung aus [17]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47<br />
5.20 Rekonstruierten Positionen des simulierten Sender-Arrays beim dritten<br />
SBT. In Blau ist die Projektion der Position des Testkopfes mit <strong>in</strong>tegriertem<br />
Empfänger <strong>in</strong> diese Ebene dargestellt. . . . . . . . . . . . . . . . . . 49<br />
6.1 Die DAQ <strong>zur</strong> Ansteuerung der Phasenarrays im Felde<strong>in</strong>satz auf dem Morteratsch<br />
Gletscher. (a) NI PXI System mit Pulsgenerator <strong>und</strong> Analog<br />
Digital Wandler <strong>zur</strong> Datennahme. (b) Pulsformer. (c) Über e<strong>in</strong> lokales<br />
Netztwerk kann mittels Remote-Desktop auf das NI PXI System zugegriffen<br />
werden. (d) Phasenarray. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51<br />
6.2 Foto des geöffneten Pulsformers mit der Spannungsversorgung <strong>und</strong> den<br />
Plat<strong>in</strong>en <strong>zur</strong> Erzeugung des Sende-Pulses <strong>für</strong> das Phasenarray. . . . . . . 53<br />
6.3 Schaltplan des Pulsformers. Die <strong>in</strong> Kästen umrandeten Komponenten s<strong>in</strong>d<br />
jeweils auf e<strong>in</strong>er Plat<strong>in</strong>e untergebracht. Siehe Text <strong>zur</strong> Erläuterung der<br />
Komponenten. [26] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53<br />
73
Abbildungsverzeichnis 74<br />
6.4 Filterung des Signals e<strong>in</strong>er Messung im <strong>Wasser</strong> gefüllten Schmelzkanal des<br />
IceMole. Oben: Von Kanal 0 aufgezeichnete Rohdaten des Phasenarrays<br />
bei Aussendung e<strong>in</strong>es Pulses unter e<strong>in</strong>em W<strong>in</strong>kel von 0 Grad. Am Anfang<br />
der Aufzeichnung ist der Sende-Puls zu sehen, der langsam abkl<strong>in</strong>gt. Nach<br />
0,57 ms ist das Echo von e<strong>in</strong>em im Schmelzkanal <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Entfernung von<br />
ca. 0,42 m deponierten ca. 12 cm großen Ste<strong>in</strong> zu sehen. Mitte: Frequenzspektrum<br />
des Signals. In rot s<strong>in</strong>d die Grenzen e<strong>in</strong>es Bandpass-Filters bei<br />
200 kHz <strong>und</strong> 1,2 MHz e<strong>in</strong>gezeichnet. Unten: Das <strong>zur</strong>ück transformierte Signal<br />
zeigt ke<strong>in</strong>e Abnahme <strong>in</strong> der Signalamplitude. Die Unterdrückung der<br />
niederfrequenten Gr<strong>und</strong>schw<strong>in</strong>gung am Anfang des Signals ist deutlich zu<br />
erkennen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56<br />
6.5 Testumgebung des Feldtests auf dem Morteratsch Gletscher. . . . . . . . 57<br />
6.6 Aufbau zum Funktionstest des Phasenarrays. . . . . . . . . . . . . . . . . 58<br />
6.7 Testmessung <strong>in</strong> <strong>Wasser</strong> bei e<strong>in</strong>em Sendew<strong>in</strong>kel von 0 Grad mit e<strong>in</strong>em<br />
Frequenzfilter bis 200 kHz <strong>und</strong> ab 1,2 MHz. Die Reflexionen des Pickels<br />
<strong>und</strong> der Rückwand des Schmelzkanals s<strong>in</strong>d klar zu erkennen. . . . . . . . 58<br />
6.8 Struktur des Firneises auf dem Morteratsch Gletscher <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Tiefe von<br />
ca. 50 cm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59<br />
6.9 Oben: Rohdaten e<strong>in</strong>er Messung mit dem Pasenarray frontal auf die Spalte<br />
gerichtet. Die Entfernung <strong>zur</strong> Spalte betrug 2,5 m, was e<strong>in</strong>er erwarteten<br />
Laufzeit von 1,3 ms entspricht. Das Array befand sich während der Messung<br />
<strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Tiefe von 1,3 m unter der Schneedecke. Mitte: Frequenzspektrum<br />
des aufgezeichneten Signals. In rot s<strong>in</strong>d die Grenzen des verwendeten<br />
Bandpass-Filters e<strong>in</strong>gezeichnet. Es wurden alle Anteile mit Frequenzen<br />
unterhalb von 720 kHz <strong>und</strong> oberhalb von 830 kHz raus gefiltert. Unten:<br />
Mit Bandpass gefiltertes Signal. Es ist ke<strong>in</strong>e Reflexion <strong>in</strong> dem erwarteten<br />
Zeitfenster zu erkennen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61<br />
6.10 Vergleich der ersten 0,1 ms e<strong>in</strong>es Signals bei Aussendung unter e<strong>in</strong>em W<strong>in</strong>kel<br />
von 0 Grad <strong>in</strong> <strong>Wasser</strong> (oben) <strong>und</strong> <strong>Eis</strong> (unten). In <strong>Eis</strong> tritt e<strong>in</strong>e Modulation<br />
des exponentiellen Abfalls der am Piezo abgegriffenen Spannung<br />
auf. Dies könnte die Leistung der Schallwelle im <strong>Eis</strong> m<strong>in</strong>imieren. . . . . . 62<br />
6.11 Aufnahme durch e<strong>in</strong>e etwa 30 cm dicke Wand aus kompaktem <strong>Eis</strong> <strong>in</strong> der<br />
Gletscherhöhle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63<br />
6.12 Aufbau der Messungen <strong>in</strong> kompaktem <strong>Eis</strong> e<strong>in</strong>er Höhle <strong>in</strong> der Nähe der<br />
Gletscherzunge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64<br />
6.13 Störsignal während der Messungen <strong>in</strong> der Höhle. Dargestellt s<strong>in</strong>d die e<strong>in</strong>zelnen<br />
Kanäle der DAQ <strong>in</strong> unterschiedlichen Farben. . . . . . . . . . . . . 64<br />
6.14 Oben: Messung bei e<strong>in</strong>em Sendew<strong>in</strong>kel von 38 Grad im kompakten <strong>Eis</strong> der<br />
Höhle. Unten: Messung bei e<strong>in</strong>em Sendew<strong>in</strong>kel von 35 Grad. Beide Messungen<br />
zeigen e<strong>in</strong> starkes Signal nach 439 µs. Bei e<strong>in</strong>er größeren Auflösung<br />
wird die Struktur des Pulses deutlich. Es zeigen sich zwei <strong>für</strong> akustische<br />
Signale untypische scharfe Doppelpulse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66<br />
74
Tabellenverzeichnis<br />
5.1 Die bestimmten Distanzen zwischen Sender <strong>und</strong> Empfänger <strong>und</strong> die zugehörigen<br />
Laufzeiten mit Fehlern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40<br />
5.2 Laufzeiten beim dritten SBT. Die RawData ID ist jeweils von der ersten<br />
der 16 Messungen an e<strong>in</strong>er Position. Die mittlere Laufzeit stellt den<br />
Mittelwert aus den <strong>in</strong> den 16 Messungen bestimmten Laufzeiten dar. Der<br />
Fehler auf die Laufzeit ist der Fehler auf den Mittelwert. . . . . . . . . . 45<br />
5.3 Rekonstruierte Position des Testkopfes im Vergleich <strong>zur</strong> gemessenen Position.<br />
Die Position des Testkopfes wurde zum Vergleich <strong>in</strong> x- <strong>und</strong> y-<br />
Richtung mit dem Laserodometer ausgemessen. Die Bestimmung der Tiefe<br />
erfolgte mittels e<strong>in</strong>es Maßbandes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48<br />
75
Selbstständigkeitserklärung<br />
Ich erkläre hiermit, dass ich diese Arbeit selbstständig verfasst <strong>und</strong> ke<strong>in</strong>e anderen, als<br />
die angegebenen Quellen benutzt habe. Alle Stellen, die wörtlich oder s<strong>in</strong>ngemäß aus<br />
Quellen entnommen wurden, habe ich als solche gekennzeichnet.<br />
Aachen, den 28.08.2013, Sebastian Franz Ludwig Verfers