Das Echolot ist ein in der Schifffahrt verwendetes Gerät zur elektroakustischen Messung von Wassertiefen (Lotung). Gemessen wird die Zeit, die zwischen der Aussendung eines Schallimpulses (Wasserschall) und der Ankunft der vom Gewässerboden reflektierten Schallwellen verstreicht. Man unterscheidet zweckmäßig zwischen Echoloten für die sichere Navigation, solchen für Vermessungszwecke zur Erstellung von Seekarten und Bestimmung des Bedarfs an Baggering insbesondere von Wasserwegen und Forschungsecholoten. Eine sehr ähnliche Funktion haben aktive Sonargeräte. Diese werden aber nicht zur senkrechten Bestimmung der Wassertiefe, sondern für die überwiegend horizontale Unterwasserortung vor allem für militärische Zwecke eingesetzt.

mini|Schallausbreitung beim Echolot (schematisch)

Geschichte mini|Aufzeichnung der Echos auf einen Papierstreifen

Das Echolot wurde kurz vor dem Ersten Weltkrieg in verschiedenen Staaten gleichzeitig und weitgehend unabhängig voneinander entwickelt. In Deutschland gelang dem Physiker Alexander Behm der Durchbruch mit seinen Reichspatenten Nr. 310690 vom 7. Januar 1916 und Nr. 367202 vom 1. Juni 1920.Patentschriften als PDF siehe Alexander Behm: Dokumente, Downloads, abgerufen am 12. Januar 2014. Zur wirtschaftlichen Verwertung seiner Erfindung gründete er 1920 in Kiel die Behm-Echolot-Gesellschaft.

Funktionsweise mini|Schallwandler

Für ein Echolot benötigt man eine impulsartige Schallquelle, den reflektierenden Boden, einen Schallempfänger, eine Einrichtung zur Zeitmessung zwischen dem Sendezeitpunkt des Impulses und Empfang des Echosignals sowie eine Umrechnungsmethode für die Laufzeit in die Entfernung zwischen Sende-/Empfangseinrichtung und dem Boden.

Heute verwendet man vorwiegend kurze sinusförmige, elektronisch erzeugte Signale, die mit einem Schallwandler (engl.: Transducer) – auch Schwinger oder Geber genannt – in ein akustisches Signal gewandelt werden. Als Wandler werden üblicherweise Zylinder aus piezoelektrischem Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) verwendet, deren Zylinderhöhe die Resonanzfrequenz und deren Durchmesser die Richtungsauflösung bestimmt. Meist wird mit dem gleichen Schallwandler auch das akustische Empfangssignal in ein elektrisches Signal gewandelt. Die Empfangssignale werden meist mit einem Schreiber in vertikalen Linien dargestellt, moduliert mit der Intensität des Empfangssignales. Dadurch erhält man in der Abfolge dieser Linien eine Profillinie des Meeresbodens. Früher verwendete man dazu ein Wachs-Kohlepapier, bei dem die helle Wachsschicht je nach Intensität des Stromes weggebrannt wurde. Dieser Echogrammschreiber ist heute durch ein elektronisches Display ersetzt, das die gleiche Funktion erfüllt.

Nicht nur der Meeresboden verursacht Echos, sondern auch Fische, Wasserpflanzen und andere Objekte. Besonders wirksame Reflektoren sind Luftblasen. Die Anzeige von Fischen entsteht durch Echos der Luft in den Schwimmblasen der Fische. Der sonstige Fischkörper hat hingegen eine ähnliche akustische Impedanz wie das Wasser und reflektiert den Schall nicht. Diese Echos liefern wertvolle Informationen für Angler und Fischer, beispielsweise über Steilkanten, Löcher und Bewuchs, wo sich Fische besonders gern aufhalten. Entsprechend genutzte Echolote nennt man „Fishfinder“.

Je nachdem, ob es sich um ein Navigationslot, ein Vermessungslot oder ein Echolot für die Meeresforschung handelt, unterscheidet sich die Ausgestaltung der Elemente eines Echolotes erheblich, so dass sie getrennt diskutiert werden.

Frequenz, Öffnungswinkel und Pulsfolge Die verwendete Frequenz hängt von der Aufgabenstellung ab. Die Schalldämpfung im Wasser steigt mit der Frequenz stark an. Tiefwasser-Echolote verwenden deswegen recht tiefe Frequenzen, normalerweise 10 bis 20 kHz. Noch tiefere Frequenzen werden bei Sedimentloten gewählt wegen der starken Dämpfung des Schalls im Boden. Navigationslote nutzen heute überwiegend Frequenzen über 50 kHz.

In der Standardausführung werden zylinderförmige Schallwandler verwendet. Die Zylinderhöhe ist maßgeblich für die Frequenz, während der Zylinderdurchmesser relativ zur Zylinderhöhe (also zur Wellenlänge des Schalls) maßgeblich für den Abstrahlwinkel ist. Bei 60 kHz und einem Durchmesser des aktiven Wandlerbereichs von 5 cm beträgt der Winkelbereich etwa 30°. Abstrahlwinkel nennt man den Bereich, bei denen die Sendeleistung um 3 dB gegenüber dem Maximum des Schallpegels abgefallen ist. Dieser Winkelbereich ist eine Funktion des Wandlerdurchmessers relativ zur Wellenlänge. Der Winkelbereich ist daher annähernd umgekehrt proportional zur Frequenz. Bei hohen Frequenzen erhält man also schon mit kleinen Wandlerflächen eine sehr hohe Auflösung, während bei tiefen Frequenzen für Tiefseelote ganz erhebliche Wandlerdurchmesser erforderlich wären, die sich mit einzelnen Wandlerelementen technisch nicht mehr verwirklichen lassen. Man verwendet dann Gruppen von Wandlern, um die erforderliche Bündelung zu erreichen.

Die Pulsfolgefrequenz, also wie häufig eine Echolotung vorgenommen werden kann, hängt vor allem von der Wassertiefe, dem für die graphische Darstellung eingestellten Tiefenbereich und der Sendeleistung ab. Bevor ein neuer Impuls gesendet wird, muss das Bodenecho natürlich abgewartet werden. Wenn die Sendeleistung zu hoch eingestellt ist, kann aber das an der Meeresoberfläche reflektierte Signal erneut wie das ursprüngliche Sendesignal abgestrahlt werden. Dadurch können sehr ähnliche Bodenprofile bei genau doppelter Tiefe auftreten, die dann bei zu schneller Pulsfolge nach dem nächsten Sendesignal empfangen werden und daher vor dem Echo dieses folgenden Signals empfangen werden und ein Tiefenprofil mit wesentlich geringerer Tiefe als das richtige Sendesignal vortäuschen (Phantomecho). Die Sendeleistung muss deswegen wassertiefenabhängig eingestellt werden. Bei modernen Lotanlagen wird dies durch Regelung der Empfangsverstärkung und Anpassung der Sendeleistung auf den eingestellten Tiefenbereich automatisch vorgenommen. Bei zu geringer Einstellung des Wassertiefenbereiches können dennoch Phantomechos vorkommen. Für Sedimentecholote und seismische Lote stellen derartige Mehrfachechos ein erhebliches Problem dar.

Während die Signallänge eines Lotsignals üblicherweise bei größenordnungsmäßig 1 ms liegt, ist die Pulsfolgefrequenz aus den genannten Gründen bei einem Tiefenbereich von 100 m mindestens 1,4 s.

Fußabdruck Durch den Öffnungswinkel ergibt sich am Boden ein flächiger Messbereich (engl. footprint, Fußabdruck), dessen Durchmesser proportional zur Wassertiefe zunimmt. Bei einem großen Fußabdruck setzt das Echo abrupt von der Stelle her ein, die innerhalb des Fußabdruckes dem Echolot am nächsten liegt, also nur bei konstanter Wassertiefe direkt unter dem Schiff. Der Echopegel nimmt an den „Rändern“ des Fußabdruckes nicht abrupt ab, wie es das schematische Abbild vortäuscht, sondern allmählich. Starke Reflektoren außerhalb des Fußabdruckes können also auch Echos liefern. mini|Geometrie des Fußabdrucks: Winkel Durchmesser 10° 0,17 × Wassertiefe 20° 0,35 × Wassertiefe 30° 0,53 × Wassertiefe 40° 0,72 × Wassertiefe 50° 0,93 × Wassertiefe 60° 1,15 × Wassertiefe 70° 1,40 × Wassertiefe 80° 1,68 × Wassertiefe 90° 2,00 × Wassertiefe 100° 2,38 × Wassertiefe

Messbereich Der Tiefenmessbereich ist abhängig von Sendeleistung, Frequenz, sowie Störgeräuschen und Empfindlichkeit. Bei Echoloten für Tiefwasser werden Frequenzen zwischen 15 und 50 kHz verwendet. Bodenechos aus bis zu 100 m Tiefe werden schon mit 200 kHz erreicht.

Zweidimensionale Lotstreifen Das konventionelle Echolot liefert je gesendetem Schallsignal (Ping) nur einen Tiefenwert, in der Abfolge also ein Tiefenprofil auf einer Linie. Für Meeresbodenkartierungen ist dies unbefriedigend, weil das Messschiff ein enges Netz von Linien abfahren muss, um eine hinreichend zuverlässige flächige Tiefenkarte zu erzeugen. Es gibt zwei Möglichkeiten von dieser Lotlinie zu einem Lotstreifen bei einem Überlauf zu kommen und damit die Zahl notwendiger Überläufe zu verringern. Bei beiden handelt es sich um sogenannte Multibeam-Echolote. Man kann eine ganze Reihe von Loten nebeneinander anordnen, die jeweils mit kleiner Winkelauflösung parallele Lotlinien aufnehmen (Flächenlot), oder man kann das gleiche mit einer Echolotanlage hoher Winkelauflösung mit mehreren Lotstrahlen unterschiedlicher Winkellagen nebeneinander erreichen (Fächerlot).

mini|Schwingereinheit (zusammen­geklappt) eines Flächenecholot; zum Messbetrieb werden die beiden beweglichen Rahmenteile mit Schwingern nach außen geklappt

Das Flächenecholot dient der Vermessung in sehr flachen Gewässern, insbesondere Flüssen, Kanälen und Hafengebiete. Dafür wird eine ganze Reihe von Schwingern nebeneinander mit definiertem Abstand und geringem Öffnungswinkel eingesetzt. Benachbarte Schwinger werden gleichzeitig mit unterschiedlichen hohen Sendefrequenzen betrieben. Sendefrequenzbereich, Öffnungswinkel und Schwingerabstand bestimmen sich nach der Messtiefe und dem Sohlezustand des Messgebietes und können in der Regel eingestellt oder verändert werden.

mini|Fächerecholot

Beim Fächerecholot nimmt die Gesamtbreite des Lotstreifens proportional zur Tiefe zu. Es ist daher bei sehr geringer Wassertiefe im Vergleich zum Flächenecholot ungeeignet, das umgekehrt bei größerer Wassertiefe nicht mehr einsetzbar ist.

Beim Fächerecholot wird mit einer Gruppe von Wandlern in Längsrichtung eine Senderichtkeule hoher Bündelung (beispielsweise 1,5°), aber großer Breite von bis zu etwa 150° quer zur Fahrtrichtung gebildet, also eine Richtkeule in Form eines Fächers. Empfangsseitig wird eine Wandlergruppe quer zur Fahrtrichtung verwendet. Diese Wandler werden durch Laufzeitverzögerung oder Phasendrehung der Empfangssignale so zusammengeschaltet, dass gleichzeitig in Querrichtung eine große Zahl von hochauflösenden Einzelkeulen gebildet wird. Man kann sich dies so vorstellen, dass ein hochauflösender Strahl elektronisch geschwenkt wird. Würde man dies seriell, von Ping zu Ping durchführen (wie beim Radar üblich), würde dies wegen der im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit geringen Schallgeschwindigkeit zu viel Zeit erfordern. Deswegen werden die Empfangsrichtkeulen gleichzeitig gebildet. Je nach Verteilung der Strahlen quer zur Fahrtrichtung entsteht ein Fächer von 120 bis 150° Breite. Die Fächeröffnung kann bei modernen Systemen dem Gewässerprofil, der Schiffsgeschwindigkeit und der Wassertiefe angepasst werden. Zur Vermessung von Hafenanlagen werden Fächerwinkel bis zu 210° verwendet. Der Fächer erfasst Streifen des Meeresbodens entlang des Schiffskurses. Je größer die Wassertiefe, desto breiter ist der erfasste Streifen.

Fügt man mehrere überlappende Streifen zusammen, kann daraus ein digitales Geländemodell berechnet und schließlich eine topografische Karte erstellt werden. Voraussetzung für die Vermessung mit einem Fächerecholot ist ein hochgenauer Lagesensor, mit dessen Daten man die Verfälschung der Tiefendaten durch die Schiffsbewegung korrigieren kann. Dies ist nicht unproblematisch:

wird der Fußabdruck mit flacher werdendem Winkel immer größer und der Echosignaleinsatz unschärfer, weil er nicht mehr vom nächsten Punkt des Meeresbodens, sondern vom „Rand“ des Fußabdrucks stammt; führen Winkelfehler zu großen Abstandsfehlern und damit zu großen Fehlern der errechneten Wassertiefe; und werden flachere Strahlen bei geschichtetem Wasser gebrochen, was zu sehr großen Messfehlern führen kann, wenn dies nicht genau berücksichtigt wird.

Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit im Wasser