Unterwasser-Infrastruktur

LiDAR-Messung statt Tauchgang: Optische Sensoren für effizienteres Zustandsmonitoring

Schäden an kritischer Infrastruktur unterhalb von Gewässeroberflächen sind naturgemäß nicht auf den ersten Blick erkennbar. Umso wichtiger ist eine regelmäßige Inspektion. Das Zustandsmonitoring von Unterwasser-Bauwerken – wie z. B. Offshore-Windenergieanlagen, Pipelines und Seekabeln, Tidenhubkraftwerken, Bohrplattformen oder Hafeninfrastrukur – wird heute vorwiegend rein visuell durch Taucher durchgeführt, die dabei hohen Risiken ausgesetzt sind. Angesichts der wachsenden Anzahl an Windenergieanlagen und Unterwasser-Pipelines allein wird deutlich, dass eine rein visuelle Inspektion durch Menschen nur mit enormem Zeitaufwand und in der Folge hohen Kosten zu bewältigen ist.

Neben dem Zustandsmonitoring gewinnt auch die Erfassung beweglicher Objekte unter Wasser an Bedeutung: Auf dem Meeresboden befinden sich Munitionsaltlasten (unexploded ordnance) in großer Menge. Die Blindgänger müssen erfasst werden, um eine sichere Kampfmittelräumung zu gewährleisten. Auch die Außenhaut von Schiffen muss zukünftig systematischer als bisher erfasst werden: Schiffsrümpfe werden zunehmend als Träger für Schmuggelware genutzt. Zudem treiben mitunter zentimeterdicke Ablagerungen an Schiffsrümpfen, das sogenannte Biofouling, den Kraftstoffverbrauch der Schiffe in die Höhe. Auch vor diesem Hintergrund sind effizientere Methoden zur Vermessung von Unterwasserobjekten nötig. Messsysteme, die Inspektionsaufgaben automatisiert übernehmen, sind daher dringend gefragt. LiDAR-Scanner messen sehr präzise auch unter Wasser und ermöglichen damit eine echte 3D-Erfassung von Unterwasser-Infrastruktur. Fraunhofer IPM ist es in den vergangenen Jahren gelungen, die besonderen Herausforderungen für ein Einsatz der LiDAR-Technologie unter Wasser zu meistern; dazu gehören u. a. die starke Lichtabschwächung und die Trübheit des Wassers. 

Bauwerke in großer Tiefe millimeter genau erfasst

Unser laserbasiertes System für die 3D-Inspektion von Unterwassergroßstrukturen, das Underwater LiDAR System ULi, arbeitet auf der Basis des Pulslaufzeitverfahrens, das für den Einsatz im trüben Medium Wasser weiterentwickelt wurde. Das scannende System umfasst neben der Messtechnik Algorithmen für die schnelle und zuverlässige Datenauswertung und Dateninterpretation. Durch die Analyse mehrerer rückgestrahlter Pulse ignoriert das System sowohl streulichtunabhängige Ergebnisse als auch Störpartikel im Wasser. Die Integration des Gesamtsystems in ein entsprechendes Druckgehäuse und die Verwendung spezieller wassertauglicher Komponenten ermöglicht den Einsatz auf ferngesteuerten oder autonomen Unterwasserfahrzeugen. Damit wird es erstmals möglich sein, sehr genaue 3D-Daten für ein breites Spektrum an Unterwasser-Inspektionsaufgaben effizient zu gewinnen.

Der am Fraunhofer IPM entwickelte Unterwasser-Laserscanner ULi vermisst 3D-Strukturen unter Wasser – in Bewegung von einem ferngesteuerten Tauchroboter, also einem ROV (remotely operated vehicle) aus; das System kann aber auch statisch verwendet werden. ULi taucht hunderte Meter tief und erfasst Objekte mit Millimetergenauigkeit über Distanzen von mehreren zehn Metern. Dabei gilt: Je klarer das Wasser, desto besser das Messergebnis. Die Messdistanz liegt dabei etwa doppelt so weit wie die Sichtweite, wobei sich Strukturen deutlich unter einem Zentimeter auflösen lassen. Damit misst das System bis zu zehnmal genauer als zum Beispiel Sonar-Systeme und liefert ein präzises 3D-Modell des Objekts. ULi erfasst Unterwasser-Infrastruktur basierend auf dem Pulslaufzeit-Verfahren (Pulsed time-of-flight) mit Laserlicht von 532 nm Wellenlänge und nimmt bis zu 100 000 Messpunkte pro Sekunde auf. Der Messstrahl wird durch zwei rotierende Keilprismen abgelenkt. So erfasst der Scanner das volle Sichtfeld, ohne dass der Sensor bewegt werden muss.