Vermessung von Kavernen

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Die Vermessung unterirdischer Hohlräume - wie zum Beispiel Kavernen - erfolgt mittels Sonarsonden. Sonarsonden für geophysikalische Messungen zur Volumen- und Formbestimmung in Kavernen und Hohlräumen im Untergrund basieren auf dem Echolotprinzip.

Sonarsonden messen grundsätzlich keine Entfernungen, sie ermitteln die Laufzeit, die ein Ultraschallimpuls von der Messsonde zur Kavernenwand und wieder zurück zur Sonde braucht. Aus diesem Grund ist es unerlässlich, bei der Vermessung die Schallgeschwindigkeit im zu vermessenden Medium mit zu erfassen. Zu den physikalischen Parametern einer Vermessung gehören auch die Parameter Temperatur, Druck etc., welche die Sonardaten beeinflussen oder zur Steigerung und Überprüfbarkeit der Ergebnisse beitragen.

Echogramm einer horizontalen Ebene

Um Sonarsignale auswerten zu können, müssen alle Signale und Signalformen in die Auswertung einbezogen werden. Es ist für qualitative Messungen zwingend nötig, Sonarsignale zu korrelieren und zur Interpretation und Dokumentierung in die Auswertung einzubeziehen.

Die ausgesandten Ultraschallwellen unterliegen auf dem Weg zum Reflexionsort und zurück einer räumlichen und zeitlichen Dämpfung, das heißt, die Schallenergie nimmt mit der Entfernung und in Funktion mit der Zeit, ab. Je kürzer die Wellenlänge, bzw. je höher die Frequenz, desto größer ist die Dämpfung im Medium. Diese Dämpfung lässt sich, wenn man die relevanten Parameter des Mediums kennt, weitgehend kompensieren.

Oftmals kommt hier ein automatisches Verfahren, das sogenannte TVG (Time-Variable-Gain), üblich bei Echoloten für Schiffe, zur Anwendung. Der Nachteil dieser Regelung liegt in der starren Anpassung des Dämpfungsverlaufs, der meist nur an Seewasser angepasst ist. Die Dämpfungseigenschaften in einer Kaverne sind jedoch komplexer und dabei abhängig von den Eigenschaften des umgebenden Mediums sowie dessen Zusammensetzung. Um dieser Situation gerecht werden zu können, ist eine optimale Bündelung des Messstrahls sicherzustellen, die Voraussetzung für eine den Rahmenbedingungen angepasste Aussteuerung ist. Bei dieser Verfahrensweise ist für jeden einzelnen Messpunkt getrennt eine Optimierung durchzuführen. Darstellung der Dämpfung mit der Entfernung für verschiedene Medien

Haben die Schallwellen ihr Ziel, den Reflexionsort, erreicht, wird in Abhängigkeit von Struktur und Härte des Zielortes ein Schallimpuls reflektiert. Dabei werden aber nur die Schallanteile zum Ausgangsort zurückreflektiert, die auf ein zur Schallausbreitungsrichtung senkrechtes Flächenelement treffen. Alle anderen Schallanteile - und dies ist in der Regel der größte Teil - werden diffus in den Raum reflektiert und können ihrerseits wieder Reflexionen verursachen, die als Messwerte interpretiert werden. Je nach Beschaffenheit der Kavernenwand findet also eine Beeinflussung der Signalantwort statt.

Die Signalantwort kann einerseits mehrere direkte Reflexionen von einem Zielort beinhalten und andererseits indirekte Reflexionen aus anderen Bereichen, deren Energie aber deutlich über der Energie der Antworten vom eigentlichen Zielort liegen kann. Reflexionen an der Kavernenwand: grün = direkt, schwarz und blau = diffus :[1]

Da neben der Hauptkeule bei der Ultraschallabstrahlung aber auch immer Nebenkeulen erzeugt werden und es auch zu einer Abstrahlung nach hinten kommt, können zusätzliche Seiten- und Rückwandreflexionen auftreten. Schallkeule und zugehörige Echos für verschiedene Kavernenformen (grün = optimal ausgesteuert, rot = unangepasst ausgesteuert): [2]. Schwebeteilchen im Strahlenweg oder Vorsprünge, die von den Seitenflanken der Schallkeule oder von Reflexionen getroffen werden, liefern ebenfalls Messwerte.

Um eine Messrichtung korrekt zu erfassen, muss diese also mehrfach erfasst werden. Nur so ist erstens eine optimierte Aussteuerung und zweitens eine Korrelation der Ergebnisse jeder Antwort mit Plausibilitätsprüfung möglich.

Es ist für qualitativ hochwertige Messungen zwingend nötig, in jeder Messrichtung die Signalantwort mehrfach zu erfassen!

Dazu muss gewährleistet sein, dass:

der Messsensor solange in der Ausrichtung verharrt, bis die Messwerterfassung abgeschlossen ist
für jede Messwertaufnahme die Ausrichtung der Sonde in X, Y und Z-Richtung kontrolliert und ggf. nachgeführt wird, alle Einstellungsparameter für jeden einzelnen Messpunkt erfasst und verwaltet werden, jedes Echosignal erfasst, korreliert und auf Plausibilität geprüft wird.

Das bedeutet, dass die Messsonde durch Stabilisatoren fixiert sein muss.

All diese Maßnahmen stellen einen erheblichen Aufwand dar, der derzeit weltweit nur von einem deutschen Unternehmen betrieben wird. Eine Messsonde, die Messrichtung für Messrichtung verharrt, würde aufgrund ihrer flexiblen Aufhängung an einem Messkabel zwangsläufig, sofern sie nicht stabilisiert ist, anfangen zu schwingen. Eine Einhaltung der Messrichtung für eine Messwertaufnahme unter Berücksichtigung der physikalischen Rahmenbedingungen ist dann nicht mehr möglich. Aus diesem Grund drehen sich alle anderen am Markt befindlichen Systeme kontinuierlich und nehmen dann, zumeist ausgelöst durch die Schrittmotorsteuerung, Messungen vor. Dazu wird zu Beginn der Messwertaufnahme die Nordrichtung ermittelt und dann in kalkulierten Schritten, abhängig vom Schrittmotor und Getriebe, Messungen ausgelöst. So ergeben sich zum Beispiel gleichmäßig Messwerte alle 0,7 Grad oder 1,4 Grad. Diese Werte sind rein rechnerisch aus Getriebe und Schrittmotor ermittelt und beruhen nicht auf Messwerten in diesen Richtungen. Die Positionierung einer Sonde auf exakte Richtungswerte ist, aufgrund der flexiblen Aufhängung, selbst mit einer mit Kreiselstabilisatoren ausgestatteten Messsonde, nicht realisierbar.

Die durch kontinuierliche Drehung der Messsonde verursachte Abweichung der Sende- und Empfangsrichtung ist keine Mehrfacherfassung in einer Messrichtung möglich. Eine Messwertaufnahme kann somit nicht optimiert werden! Außerdem findet eine Verschleifung der Ergebnisse statt, da sich die Richtung der Sonde zwischen Aussendung und Empfang des Signals verändert.

Bei einer Laufzeitmessung muss auf jeden Fall solange gewartet werden, bis ein plausibles Ergebnis vorliegt! Die Zeit dafür hängt von der Kavernenform ab und kann für jede Messrichtung unterschiedlich sein.

Neben dem vorher beschriebenen qualitativen Messverfahren gibt es auch einfache, auf dem Fischlotverfahren basierende Vermessungssysteme. Diese Vermessungssysteme scannen die Kavernenwand durch kontinuierliches Drehen des Messkopfes. Kontinuierliche Messungen laufen daher in der Regel durchschnittlich 3 bis 5 mal schneller ab und sind somit, neben Einsparungen im technologischen Aufwand, auch in der Durchführung preiswerter. Man beachte aber, dass solche kontinuierlichen Messungen lediglich für Trendmessungen in gleichmäßigen und runden Kavernen akzeptable Ergebnisse liefern können.