DD152634A5 - Elektroakustische vorrichtung zur unterwassersignalisierung und-identifizierung eines seefahrzeuges - Google Patents

Abstract

Die Vorrichtung dient zur Signalisierung und Identifizierung von Seefahrzeugen und ist insbesondere im Falle bewaffneter Konflikte nuetzlich, um die Zugehoerigkeit der Seefahrzeuge feststellen und die Genfer Konventionen beruecksichtigen zu koennen. Die Vorrichtung enthaelt einen Sender (5) mit vier elektroakustischen Wandlern (10 bis 13), die sich unten am Schiffsrumpf befinden, an den Ecken eines Quadrates angeordnet sind und von einem wasserdichten Gehaeuse (24) umgeben sind. Die Wandler strahlen direkt ins Meerwasser ab, weil sie in einem Fenster (7) sitzen, das sich im Schiffsrumpf befindet. Die Vorrichtung enthaelt weiterhin eine Schaltung zur Steuerung der Wandler zwecks Abgabe eines dem Schiff zugehoerigen Identifizierungssignales, welches aus einer Folge von Zahlen und/oder Buchstaben im Morsecode besteht u. mindestens auf einer Frequenz ausgestrahlt wird, die eine Funktion der normalen Geraeuschkulisse des Schiffes ist und zwischen 4 und 6 kHz liegt. Die Sendeleistung des Signals richtet sich nach der Beziehung LI&indsI!>gleich LI&indbI! + * (dB), worin LI&indsI! der auf die Einheitdistanz bezogene Schallpegel des Identifikationssignals mit der mittleren Frequenz f&inds! ist.

Description

Berlin, den 21, 11. 80 57 987 13

Eloktroakustische Vorrichtung zur Unterwassersignalisierung und -identifizierung eines Seefahrzeuqes

Anwenduncjeqebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektroakustische Vorrichtung zur Untervvassersignalisierung und -identifizierung eines Seefahrzeuges, normalerweise eines Schiffes, Die Vorrichtung ist dazu bestimmt, daß im Falle eines bewaffneten Konfliktes der versehentliche Angriff, beispielsweise eines Unterseebotes auf Seefahrzeuge ausgeschlossen wird, die durch die Genfer Konventionen geschützt sind, insbesondere neutrale Schiffe, Lazarettschiffe, Rotkreuzhilfsschiffe und Rettungsschiffe, und zwar durch die Abgabe eines akustischen Unterwassersignals·

CharakterjLstik^ der bekannten technischen Lösungen

Das wichtigste Ziel der klassischen Unterwassermarine ist immer noch die Zerstörung von gegnerischen Handelsschiffen und Kriegsschiffen sowie die Seeblockade des Gegners« Die Fortschritte in der Unterseebootabwehr sowie in der Entwicklung der Unterseeboote hat dazu geführt, daß letztere in getauchtem Zustand stilliegen und mittels Abhöreinrichtungen Unterwassergeräusche in ihrem Überwachungsgebiet abhören. Nach Aufspürung eines Objektes wird dieses mittels Torpedo angegriffen, beispielsweise mittels drahtgesteuerter oder schallgesteuerter Torpedos, welche heute eine Reichweite über 25 Seemeilen besitzen. Unter diesen Umständen erfolgt die Aufspürung und Identifizierung eines eventuellen Ziels praktisch ausschließlich mittels Schall und praktisch niemals visuell» Ein Unterseeboot kann es sich kaum erlauben, bis auf Sehrohrtiefe aufzutauchen und schon gar nicht vollständig an die Oberfläche zu kommen, da es sonst unweigerlich aufgespürt und sofort vernichtet wird«

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Durch seine Bewegung gibt ein Seefahrzeug ein charakteristisches Unterwassergeräusch ab, nämlich Schraubengeräusche, Geräusche der Haupt- und Hilfsmaschinen, Buggergeräusche sowie die übrigen Fahrtgeräusche* Dieses Geräuschespektrum dient zur Aufspürung und Identifizierung von Schiffen durch Unterseeboote mittels passiver Sonargeräte* Dies sind riehtungsgebende Abhörnetze, die den Horizont sektorweise bedecken« Sie bestehen grundsätzlich aus Mikrophonen, Kompensationsnetzen, Verstärkern und den unterschiedlichen Vorrichtungen zur Signalverarbeitung und werden von geschultem Personal bedient, das die aufgefangenen Geräusche abhört und das von automatischen Geräten unterstützt wird, die je nach der Marine des Landes und 6er Art aer Tauchboote mehr oder weniger weit entwickelt sind« Im allgemeinen ist das Abhören durch ausgebildetes Personal die einfachste Technik und findet sich in sämtlichen Unterseebooten,

Ein Anstieg des Schallpegels am Ausgang des Passivsonares führt zur Auffindung eines möglichen Zieles«. Die spektralen Eigenheiten des Signals ("akustische Unterschrift") erlauben die Einteilung in eigene oder nichteigene Schiffe und in'die verschiedenen Arten der Seefahrzeuge, wie Handelsschiffe, Unterseebootjäger_s andere Kampfschiffe usw».

Wenn es auch theoretisch möglich ist, ein beliebiges Schiff durch dessen akustische Unterschrift zu identifizieren, so ist es doch in der Praxis nur für bestimmte Schiffe oder Schiffsarten möglich, die der jeweiligen Landesmarine bekannt sind» Insbesondere ist es praktisch unmöglich, neutrale Transportschiffe sowie solche, die durch die Genfer Konventionen geschützt sind, von Transportschaffen der Krieg-

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führenden zu unterscheiden· Im Falle eines Konfliktes werden die erstgenannten Schiffe als feindliche Schiffe eingestuft, und sie laufen Gefahr, ohne Warnung versenkt zu werden« Unter diesen Umständen kann eine Marine die Seeblockade auch auf neutrale Länder und Hilfsschiffe ausdehnen, unter dem Vorwand, daß es unmöglich ist, die Unversehrtheit die~ ser Schiffe wegen mangelnder Unterscheidungsmöglichkeit zu garantieren.

Eine derartige Situation ist für neutrale Länder, insbesondere für die Schweiz, unann-ehmbar, da deren Versorgung auf dem Seeweg bedroht oder abgeschnitten wird,. Weiterhin würden sich die neutralen Staaten einem unannehmbaren politischen Druck seitens aer Kriegführenden ausgesetzt sehen.

Bis heute wurde kein Unterwassersignalisierungs- und -identifizierungssystem auf akustischer Grundlage entwickelt und angewendet, obwohl 1917 eine Vereinbarung zwischen den kriegführenden Staaten vorsah, daß die alliierten Lazarettschiffe von Raddampfern zu begleiten wären» Deren besonderer akustischer Steckbrief sollte die Identifizierung von Lazarettschiffen durch die deutschen Unterseeboote erlauben, 1972 hat sich das Internationale Komitee vom Roten Kreuz (CICR) mit der Signalisierung und Identifizierung von Lazarett- und Hospitalschiffen während der Konferenz der Regierungsexperten über die Verstärkung und Entwicklung des internationalen Menschenrechtes im Falle bewaffneter Konflikte beschäftigt. Das Problem des Schutzes gegen Unterseebootsangriffe ist in der technischen Dokumentation festgehalten (Genf, April 1972). In diesen Dokumenten wird die Abstrahlung eines Unterwasserschallsignals mit einer zu

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vereinbarenden Impulsfolge empfohlen*

Die australischen Experten schlugen vor, in die technischen Zusatzdokumente der Genfer Konventionen einen neuen Artikel einzuführen, dar sich mit öer akustischen Unterwasser» signalisierung von Hospitalschiffen befaßt* Dessen Inhalt ist in großen Zügen folgender?

1« Sanitäre Seefahrzeuge sollen durch ein Signal identifiziert werden, welches von einem ungerichteten Sonar abgestrahlt wird β

2« Die abgestrahlte Leistung soll mindestens derjenigen gleichkommen, welche aer normalen Geräuschkulisse des Schiffes bei Höchstgeschwindigkeit zuzuordnen ist«

3e Das Signal soll nacheinander mit den Frequenzen 3,6 und 12 kHz abgestrahlt werden und besteht aus den Buchstaben HS (Hotel Sierra) im Morsecode und wird bei jeder Frequenz dreimal ausgestrahlt» wobei jede Gruppe der drei Sendungen von einem gleichmäßigen, 5-Sekunden-Signal auf der gleichen Frequenz gefolgt wird* Der Sendezyklus wird in Intervallen von höchstens zwei Minuten wiederholt«

Bis heute hat dieser Vorschlag noch nicht zur Entwicklung eines Signalisationssystems geführt, und nach den von der Anraelderin aufgestellten Berechnungen kann dieses System nicht zu befriedigenden -Ergebnissen führen«

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Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung war die Schaffung einer Vorrichtung zur Identifizierung von Schiffen durch Unterwasserabhörgerate, wobei diese Identifizierung durch Abgabe eines akustischen Unterwassersignals erreicht wird. Wenn man eine solche Vorrichtung sowie andere Identifizierungsmittel an Bord der Schiffe gegen Luftangriffe, durch Oberflächenschiffe oder durch Küstenbatterien installiert, kann ein neutraler Staat die Immunität dieser Seefahrzeuge beanspruchen, wobei er sich gleichzeitig den Kontrollen einer eventuellen Blockade unterwerfen kann« Die Grundlage und die Ausführung der Vor« richtung sind derart, daß sie nicht zu anderen Zwecken verwendet werden können, als für diejenigen, die vorgesehen sind· Ihre Verwendung zur Aufspürung und zur Ortung von Gegenständen unter Wasser ist demgemäß unmöglich·

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nun dadurch gekennzeichnet, daQ> sie einen Sender mit mindestens einem am Schiffsrumpf unter der Wasserlinie angebrachten elektroaku·=· stischen Wandler aufweist, der von einer elektrischen Schaltung gesteuert ist und mit hörbarer Frequenz ein dem Schiff zugeteiltes, individuelles Identifikationssignal ausstrahlt, das aus einem Vorsignal zur Anzeige des Sendebeginns und dann aus einer Reihe von kodierten Buchstaben und/oder Zahlen besteht, wobei der Sender und seine Betriebsschaltung so ausgeführt sind, daß das Signal auf mindestens einer dem

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Schiff zugeordneten Eigenfrequenz zwischen 4 kHz und 6 kHz ausgestrahlt wird und die Eigenfrequenz im Spektrum der Schiffsgeräusche, jedoch oberhalb diskreter Frequenzen vertikaler Spektrallinien und außerhalb deren Harmonischen liegt, wobei die Sendeleistung so bemessen ist, daß die auf Einhoitsabstand bezogene Schalleistung LI , (dB) des Identifikationssignals der mittleren Frequenz f (Hz) gleich oder größer ist als die auf Einheitsdistanz bezogene SGhallleistung LI. ·, (dB) der auf die Mittenfrequenz f. (Hz) bezogenen Geräuschbande, das Ganze derart, daß auf große Entfernung die Aufspürung des Schiffes durch seine Unterwassergeräusche möglich ist, welche das Umgebungsrauschen im Meer um einen Parameter Δ (dB) übersteigen, der sich nach Beziehung

EL f Δ = 40t + 10 Ig -££> - 15 Ig — +6

^Bob ^fb

berechnet, worin bedeuten?

«c_ и Schallabsorptionskoeffizient des Meerwassers s

bei der Frequenz f ;

^Bcs ^unc* ^Bcb ⁼ ^^ritiscne Markierungsbanden bei den Frequenzen f bzw β f. в s D

Befriedigende Ergebnisse wurden von der Anmelderin für

Δ »Werte von 7, 14 und 19 dB bei zugeordneten Sendefrequen- zen von 4» 5 bzw« б kHz erhalten«,

Die Sendeschaltung ist vorzugsweise so ausgebildet, daß sie kodierte Signale für Zahlen und Buchstaben abgeben kann, deren Dauer etwa 100 bis 800 ms beträgt,, wobei die Abstände

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zwischen den Zeichen etwa 800 ms und die Abstände zwischen Zeichengruppen, welche eine Zahl oder einen Buchstaben darstellen, etwa 1600 ms betragen.

Das Identifikationssignal kann im Morsekode vorliegen, wobei die Punkte etwa 200 ms und die Striche etwa 700 ml lang sind«

Vorzugsweise ist die Schaltung so eingerichtet, daß ein Sendesignal auf zwei Frequenzen f* und f„ erzeugt wird, die sich um 10 bis 300 Hz unterscheiden, wobei ungerade Zeichen in der Zeichenfolge mit der Frequenz f. und geradzahlige Zeichen mit der Frequenz f~ abgestrahlt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Sender vier an den Ecken eines Quadrates angeordnete Wandler auf, und die Steuerschaltung besitzt Umschalter, mit denen die Wandler jeweils paarweise und gegenphasig nach zwei mal vier aufeinanderfolgenden Anordnungen umschalten, die jeweils eine Sequenz bilden, so daß der Horizont in zwei mal vier Sendesektoren eingeteilt ist, und wobei ein vollständiger Signalcode pro Anordnung paarweise mit dazwischenliegenden Pausen gesendet wird, wie später noch eingehend beschrieben werden soll*

Der Sender ist vorzugsweise in einem dichten Gehäuse untergebracht, welches im Kielraum des Schiffes oberhalb einer Öffnung angebracht ist, die sich im Rumpf befindet, wobei der oder die Wandler vertikal montiert sind und ihre Schall»- membranen mindestens angenähert in der öffnungsebene des Rumpfes liegen»

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Die Steuerschaltung des Senders besitzt einen Impulsgenerator* der als Taktgeber (Uhr) arbeitet und mit einer Folgeschaltung verbunden ist« die die richtige Aufeinanderfolge d&r Einzelschritte koordiniert, die zur Bildung des kodierten Signales führen* Diese Folgeschaltung ist mit dem Sen« der über einen Kodierer verbunden, der mindestens eine Sendefrequenz des Signals erzeugt₍ und mit einem Verstärker, wobei der Generator zu einer Schaltkonsole führt, auf der sämtliche Sendeparameter über einen Umsetzer zusammengeschaltet, aer die vom Kodierer erzeugten Rechtecksignale in Sinusimpulse umwandelt» und Umschaltrelais sind vorgesehen, welche die Wandler umschalten und zwischen dem Verstärker und dem Sender geschaltet sind_e Die Relais werden durch die Folgeschaltung beeinflußt, die sich an der Steuerkonsole befindete

Es ist klar, daß es die erfindungsgemäße Vorrichtung einem Unterseeboot gestattet, das mit ihr ausgerüstete Seefahrzeug zu identifizieren, weil die Frequenz des Identifikationssignals zwischen 4 und 6 kHz liegt, d_e h. im Geräusch-Spektrum des aufzuspürenden Schiffes« Unterseeboote besitzen nämlich mindestens ein passives Abhörsonar mit einem Abhörspektrum von 500 Mz bis etwa 7 kHz« Weiterhin besitzen sie im allgemeinen mehrere Sonare zur Aufnahme von Frequenzen zwischen 100 und 50 000 Hz» Wenn also das Unterseeboot die Anwesenheit eines Schiffes aufspürt_f empfängt es das entsprechende Identifikationssignal, weil dieses mit einer Frequenz gesendet wird, die sich von den vertikalen Spektrallinien der normalen Geräusche und deren Harmonischen unterscheidet, so daß das Identifikationssignal von diesen senkrechten Linien odor ihren Harmonischen weder verdeckt

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wird noch mit ihnen verwechselbar ist. Weiterhin soll die Leistung des Identifikationssignals so gering wie möglich sein, damit der Platzbedarf und die Installations- und Betriebskosten der Vorrichtung so gering wie möglich sind, aber stark genug, damit das Signal stets empfangen werden kann und erkannt wird, wenn die Geräuschkulisse des Schiffes aufgefangen wird (Fahrgeräusch, Bugwelle, Schraubengeräusche usw_e). Diese Sendeleistung soll also ein klares, unterscheidbares Signal auch in den ungünstigsten Fällen liefern,

AuQ-fДЬХН¹"¹ P. s be i sp i el

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Schematische Darstellungen zur Erklärung der Signale, des verwendeten Kodes und der Unter™ Wassererscheinungen in bezug auf die Arbeitsweise der Vorrichtung werden ebenfalls gezeigt.

In der Zeichnung stellen dar:

Fig, 1: ein Diagramm zur Erläuterung der generellen

Unterwasser-Geräuschkulisse eines Oberflächenschiffes in einer Entfernung von mindestens mehreren hundert Metern;

Fig« 2: die graphische Darstellung eines Basiskodes für die Signalisierung und Identifizierung eines bestimmten Schiffes, wobei der Kode aus Morsezeichsn besteht;

Fig. 3: einen vertikalen Schnitt eines elektroakustischen Senders mit vier Wandlern, die in dem

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doppelten Boden eines Schiffes eingebaut sind, wobei der Sender durch eine 'Öffnung im Schiffsrumpf sendet;

Fig« 4; eine Unteransicht des Senders gemäß Fig«

mit den vier elektroakustischen Wandlern, die sich auf einer Grundplatte befinden, die einen Teil eines dichten» am Schiffsrumpf angebrachten Gehäuses bildet, in dem sich der Sender befindet;

Fig_e 5% eine schematische Erklärung der Art, mit der

der Horizont durch die Abstrahlung des Signalisierungs- und Identifizierungskodes in vier aufeinanderfolgende Sektoren überdeckt wird ι

Fig* 6: das Schaltschema für die elektrische und

elektronische Steuerung des in den Fig, 3 und 4 gezeigten Senders»

Bevor die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben wird, soll zuvor auf die Technik und andere Gegebenheiten eingegangen werden_e auf denen die Erfindung aufbaut»

Das Prinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die perio« dische Abstrahlung von Morsezeichen mit einem Identifizie~ rungskode, der das Kennzeichen des Schiffes (call sign) enthält« Das Senden geschieht durch Impulsmodulation einer kontinuierlichen Welle mit Hörfrequenz. Frequenzen» Lei~ stung, Dauer und Rhythmus der Morsesignale im abgegebenen

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Kode sind charakteristische Parameter der Vorrichtung. Sie werden durch die beiden folgenden Kriterien bestimmt:

1. Der Identifizierungskode muß absolut von einem getauchten Fahrzeug erkannt werden können, wenn dieses die Unterwasser-Geräuschkulisse des mit der Vorrichtung ausgerüsteten Schiffes empfängt;

2. Die Sendeleistung soll so gering wie möglich sein, darait der Platzbedarf und der Preis der Vorrichtung im Rahmen bleiben und diese auch für kleine Schiffe geeignet ist, aber groß genug sein, um das erste Kriterium zu erfüllen.

Die Bestimmung der Parameter geschieht durch Berechnung, Simulierung und Versuche, wobei die folgenden Faktoren in Betracht zu ziehen sind:

1. Die Unterwasser-Geräuschkulisse des Schiffes, deren Spektrum in Fig« 1 schematisch dargestellt ist· Dieses typische Spektrum setzt sich aus einem kontinuierlichen Geräuschanteil 1 (Geräusch der Bugwelle, der Fahrt und der Schrauben) und den Spektrallinien 2 zusammen, die dem Geräusch aer Maschinen und Hilfseinrichtungen zuzuordnen sind und diskrete Frequenzen darstellen, deren Amplitude mit steigender Frequenz abnimmt» Wie aus Fig* I hervorgeht, besteht der kontinuierliche Geräuschanteil gemäß Linie 1 aus Frequenzen, die bis zu 20 kHz reichen. Die vertikalen Linien 2 (Geräusch der Maschinen und Hilfseinrichtungen innerhalb des Rumpfes) steigen bezüglich der Frequenzen an, wenn das Schiff schneller wird oder je kleiner es ist. Andererseits besitzen dies© Linien 2 stets Harmonische, die in Betracht zu ziehen sind« Nach

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zahlreichen Berechnungen und Versuchen hat die Anmelderin festgestellt, daß sich die Sendefrequenz des Identifizierungssignals im Gebiet zwischen 4 und 6 kHz befinden soll· Dieses Frequenzband ist im Diagramm Fig, I mit 3 bezeichnet«

2* Identifizierung des Schiffes;

Die akustische Geräuschkulisse eines Schiffes besteht grundsätzlich aus Spektrallinien des Eigengeräusches,, Diese Linien müssen bekannt sein, damit das Schiff identifiziert werden kann« Die Sendung eines Erkennungssignals im eigenen Geräuschspektrum des Schiffes ist daher erfor~ derlich, um die akustische Unterschrift des Schiffes zu bestätigen um so mehr, als diese Unterschrift eine Funk» tion äußerer Bedingungen ist, wie noch gezeigt wird«

3e Schalleitung im Wassers

Das Wasser leitet normalerweise den Schall derart» daß seine Stärke geometrisch abnimmt (Abnahme mit r oder

r , wobei r der Abstand von der Schallquelle ist) und wobei eine weitere Abschwächung durch Absorption stattfindet« Diese Absorption steigt expotentiell mit dem Abstand r und steigt ebenfalls schnell mit der Schallfrequenz an«

4e Unregelmäßigkeiten der Ausbreitung:

Auf Grund der Bedingungen der Schallausbreitung im Meer (Reflexionen am Meeresgrund und an der Oberfläche, die ständig in Bewegung ist, Krümmung der Schallwellen durch die ßathythermie) ist das an einem gegebenen Ort empfangene Schallsignal starken Pegeländerungen unterworfen_ä die sich wie das Fading radioelektrischer Wellen in der Atmosphäre auswirken,, Insbesondere kann ein kurzzeitiges

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Sendesignal, beispielsweise die Punkte und Striche eines Morsekodes, doppelt oder sogar mehrmals empfangen werden. Auf diese Weise kann ein Punkt durch ein starkes Echo verdoppelt werden und wird dann beim Empfang als zwei Punkte empfunden, und ein Strich kann in zwei Teile zerlegt werden, wodurch er ebenfalls als zwei Punkte oder als Strichpunkt oder als Punktstrich erscheint usw.

5» Maskierung des Identifizierungskodes: Der Kode muß beim Empfang eine Stärke haben, die sich durch ausgebildetes Personal oder einen automatischen Analysator bezüglich Frequenz und Amplitude vom Spektrum der maskierenden Geräusche des Schiffes unterscheiden läßt.

Es wurde nun gefunden, daß nach diesen Kriterien und Bedingungen der Identifizierungskode C, der in Fig, 2 dargestellt ist, sich am besten folgendermaßen darstellt:

Der Basiscode C, der das Identifizierungssignal im Frequenzbereich von 4 bis б kHz darstellt, besteht aus einem Signal für den Sendebeginn und für den Schiffsruf und wird eventuell wiederholt. Das Sendebeginnsignal -·-♦- erleichtert die Identifizierung der Morsesignale, deren Dauer und deren Verhältnis zwischen Punkt und Strich von den Telegraphiesignalen unterschiedlich sind, da sie auf die Verhältnisse unter V/asser ausgerichtet sind* In Fig* 2 ist beispielsweise aor Identifizierungskode des schweizerischen Motorschiffes M/S Regina dargestellt, deren Rufsignal HBDR ist. Der Kode C wird in Morsezeichen im Frequenzgebiet zwischen 4 und 6 kHz ausgestrahlt. Die Dauer der Morsesignale beträgt

·*«* ^ ^ ^β 21. 11. 80

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200 ms für die Punkte und 700 ms für die Striche« Die Abstände zwischen den Zeichen sind 800 ms und zwischen den Buchstaben 1600 ms« Auf Grund oer besonderen Ausbreitungsbedingungen sind diese Zeiten programmierbar und können schrittweise von 100 zu 100 ms ira Gebiet von 100 bis 800 ms für die Punkte und Striche und schrittweise um 200 oder 400 ms im Gebiet zwischen 200 und 3200 ms für die Abstände verändert werden*

Für jedes Schiff werden zwei unterschiedliche Sendefrequen™ zen ¹F₁ und f_p in dem genannten Frequenzband zwischen 4 und 6 kHz gewählt, die sich voneinander um 10 bis 200 Hz unterscheiden* Sie werden natürlich in Funktion des akustischen Steckbriefes des Schiffes (Fig«, I) derart gewählt, daß sie nicht in das Gebiet der senkrechten Spektrallinion 1 oder deren Harmonischen fallen* wobei ebenfalls die Dimensionen und aer Raumbedarf des Senders eine Rolle spielen«» Oeder Punkt oder Strichrdes Kodes C besteht aus einem Sinuswellenpaket mit geeigneter Dauer, und zwar abwechselnd auf den beiden Frequenzen f. und fp„ Die Signalpakete mit ungerader Ordnung werden auf der Frequenz f. und diejenigen mit gerader Ordnung auf aer Frequenz f„ gesendete Zwischen zwei Zeichen wird die Sendung während einer Dauer eingestellt, die dem Abstand der Zeichen bzw_e der Buchstaben entspricht.

Um die Notwendigkeit eines allseitig gerichteten Senders starker Leistung zu umgehen, wird eine gerichtete Sendung entlang einer Achse vorgenommen, die sich schrittweise änderte Der gesamte Horizont wird auf diese Weise abschnitte« weise überdeckt, indem die Richtungsachse schrittweise weitergeschaltet und dabei ein vollständiger Code in jeder Stellung abgestrahlt wird«

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Eine Sendefolge S besteht aus einer bestimmten Anzahl von Kodes C, die durch Pausen P (Funkstille) mit programmierbarer Dauer voneinander getrennt sind, beispielsweise 10, 20, 30, 40 und 60 s. Beispielsweise ist die Sendefolge für eine Abtastung des Horizontes in vier Sektoren aus vier Kodes C und drei Pausen P folgendermaßen zusammengesetzt: C-P-C-P-C-P-C. Die Art, mit der der Horizont in vier Sektoren überstrichen wird, soll zusammen mit Fig« 5 besprochen werden*

Die Sendung einer Sequenz S geschieht vollständig automatisch. Eine Zeitbasis fixiert die Anzahl der Sequenzen pro Stunde auf 1, 2, 3, 4 oder 8, Für eine maximale Reichweite von 40 km gilt für die Sendeleistung P folgende Beziehung*

LI₈₁ 7/ LI_bl + Δ (dB), worin bedeuten:

LI , den auf die Einheitsdistanz bezogenen Schallpegel des Identifikationssignals mit der mittleren Frequenz f in Hz; dieser Pegel ist definiert als das Minimum in den Senderichtungen, die den Schnittpunkten der Richtungsgebiete anschließend an den Sender entsprechen, wenn der Horizont abschnittsweise überstrichen wird;

LI,-, der auf die Einheitsdistanz bezogeno Schallpegel der Geräuschkulisse des Schiffes, bezogen auf eine Mittenfrequenz f. in Hz, wobei

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dieses Geräusch über weite Sirecken oberhalb des Hintergrundgeräusches des Meeres empfangen werden kann j

LI ·, und L-X, -| werden in Dezibel, bezogen auf eine Bezugsintensität Ir, ausgedrückt, welche 6,5 nW/m" in der Unterwasser-Akustik beträgt;

^ ein Parameter, dessen Wert in Dezibel nach fol

gender Formel berechnet vvirds

B„_e f_e Δ ^β Δ <*·« · г + 10 Ig —і^ - 15 Ig -^- + ^ M - & D, (dB)

^Bcb ^fb

wobei

^ oC in dB/km die Differenz der Schallabsorptionskoeffizienten im Meerwasser bei den Frequenzen f und f. beträgt,

r in km die maximale Aufspürreichvveite des Schiffes in einem auf f. zentrierten Frequenzgebiet bedeutet, wobei diese Geräusche die Unterwasser-Eigengeräusche des Schiffes über dem Grundgeräusch des Meeres darstellen«

^Scs ^unc* ^Bcb ^¹¹ ^² '^<ritiscne Maskierungsbanden boi den Frequenzen f bzw« f, darstellen,

Д M in dB der Unterschied der Empfangsverhältnisse bei den Frequenzen f_Q und f. eines Signales ist, das im Frequenzboreich des Geräusches eines passiven Sonars liegt,

J 21, 11. 80

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AD in dB der Unterschied der Richtungsgrößen eines passiven Sonars bei den Frequenzen f und f_K ist·

S D

Setzt man eine maximale erforderliche Reichweite von 40 km und die günstigsten Bedingungen für die Aufspürung eines Schiffes sowie die ungünstigsten Bedingungen für den Empfang des Identifizierungssignals ein, so erhält man die vereinfachte praktische Formel:

^Bcs ^fs д » 40 ♦ et _β + 10 Ig ™ - 15 Ig -Л + 6,

^{s b}cb ^rb worin B , ß ., f und f. wie oben definiert sind und ⁰^

CS CD SO S

der Absorptionskoeffizient des Meeresvvassers bei der Frequenz f ist» Die Logarithmen sind Zehnerlogarithmen.

Beispielsweise erhält man für f^ = 1 kHz und die Frequenzen f von 4; 5 und б kHz für д die IVerte von 7, 14 und 19 dB·

Die Sendeleistung darf nicht so hoch sein, daß an den Wandlern Cavitation eintritt. Insbesondere soll das Schiff bei geringen Meerestiefen die Fahrt vermindern, damit der Wert von NIhnl ^2uruc^9^ent« weil die Sendeleistung begrenzt ist.

In den Fig» 3, 4 und 5 sind ein elektroakustischer Sender und eine Konsole mit den Steuerschaltungen 6 des Senders 5 wiedergegeben« Der Sender 5 liegt im Schiffsraum und strahlt unmittelbar durch eine öffnung 7 im Schiffsrumpf 8 (Fig. 3) ab«, Das Steuerpult б (Fig_e 6) befindet sich im Maschinenraum oder in anderer, Räumen* Es ist einerseits mit

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dem elektrischen Bordnetz und andererseits mit dem elektroakustischen Sender durch entsprechende elektrische Kabel 30 (Fig«, 3) verbunden*

Der Sender 5 weist vier elektroakustisch^ Wandler 10,· 11; 12j 13 auf, die senkrecht stehen und deren Sendeflächen nach dem Meeresgrund gerichtet sind« Diese vier Wandler befinden sich an den Ecken eines Quadrates und werden getrennt über elektrische Kabel 30 von der Schaltkonsole 6 gespeist· Diese vier Wandler bilden den Sender, dessen Konfiguration (Abstände zwischen den Achsen, Phasenlage der Speisespannungen) so festgelegt ist_f daS man die verschiedenen Richtungslagen und Arbeitsfrequonzen erhält© Durch Umschaltung der Speisungen der Wandler erzielt man eine schrittweise veränderliche Richtungsgabe zur abschnittsvveisen Oberstreichung des Horizonteso

In Fig» 5 ist gezeigt, wie die vier Wandler 10; 11; 12; 13 umgeschaltet werden_t um vollständige Identifizierungskodes in aer Zusammensetzung gemäß Fig_e 2 nacheinander in vier unterschiedlichen Achsen abzustrahlen» Nach Fig_e 5a werden die Wandler 10; 11 zunächst mit entgegengesetzter Phasenlage (Phasenverschiebung um 180°) betrieben, was durch die Zeichen + und - wiedergegeben wird« Man erhält so eine Sendung in den zwei Richtungen« die durch den Pfeil 14.in Fig₀ 5a angegeben sind«, Dabei wird der gesamte, in Fig« 2 dargestellte Kode gesendet, und dann schaltet die Vorrichtung gemäß Fig«, б die Wandler nach dem Schema von Fig_e 5b um_e Mach dieser Umschaltung wird der Kode O erneut in den beiden durch den Pfeil 15 angegebenen Richtungen abgestrahlt« Zwischen diesen beiden Sendungen ist eine Pause vorgesehen, wio bereits oben beschrieben wurde_e Danach werden die fol-

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genden Sendungen mit den dazwischenliegenden Pausen abgegeben, und zwar in den in den Fig. 5c und 5d gezeigten Richtungen, wobei die vier gemäß Fig. 5a bis 5d gesendeten Kodes eine Sequenz darstellen. Während der zweiten Sequenz der vier Kodes gemäß den Fig. 5e, 5f, 5g und 5h wird wiederum in den gleichen vier Achsen gesendet, jedoch unter Verwendung anderer Wandler. Gemäß Fig. 5e geschieht die Sendung entlang einer Achse 16, die zur Achse 14 in Fig* 5a parallel ist, mit Hilfe der Wandler 12; 13 und nicht der Wandler 10; 11. Diese Schaltungsart erlaubt den Ausgleich аѳг Betriebszeiten jedes Wandlers und verhindert demgemäß eine zu schnelle Alterung eines Wandlers gegenüber einem anderen. Am Ende der beiden Sequenzen von je vier Kodes tritt wiederum die Schaltung gemäß Fig. 5a ein und der Zyklus beginnt von neuem.

Die beschriebenen Sequenzen erlauben es mit Hilfe von vier Wandlern, die paarweise umgeschaltet werden, den Horizont in vier Abschnitten in den vier in Fig. 5 dargestellten Achsen zu überstreichen und gleichzeitig eine gute Ausbreitung des Signals rund um das Schiff zu erzielen. Es ist jedoch klar, daß man den Horizont ebenfalls mit einer größeren Anzahl von Wandlern überstreichen kann, die paarweise oder jeweils zu dreien geschaltet werden. Sämtliche Kombinationen sind möglich, und eine Begrenzung ist nur bezüglich Kosten und Raumbedarf denkbar.

Dem Fachmann ist weiterhin klar, daß ein Sender aus drei Wandlern, die paarweise oder nacheinander einzeln, doppelt usiv* geschaltet werden, ebenfalls befriedigend arbeitet. Im Grenzfall kommt man mit einem Wandler aus. In diesem Falle

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ist es klar, daß die Hauptkomponente der Sendung, die vertikal nach unten gerichtet ist, im wesentlichen verloren geht_e Ein einzelner Wandler muß demgemäß eine viel größere Leistung abgeben können, da ein Teil der abgegebenen Leistung verloren ist.

Im Falle der Verwendung eines einzigen Wandlers ist es ebenfalls möglich, ihn horizontal oder angenähert horizontal an einer drehbaren Vorrichtung anzubringen, die eine Umdrehung von 360 gegenüber der Vertikalen ausführen kann«

Eine Kombination aus vier Wandlern, wie sie gemäß der Fig* 3 bis 6 dargestellt und oben beschrieben ist, ergibt ausgezeichnete Resultate, weil die Schaltung der Wandler jeweils paarweise und gegenphasig praktisch horizontal abstrahlende Komponenten ergibt©

Der Sender 4 ist über einer kreisförmigen öffnung im Schiffsrumpf angebracht, vorzugsweise im Wasserballast« Er befindet sich im letzten Drittel des Schiffes und in genügendem Abstand vom Kiel, damit er gegen die Einwirkungen von Stützen geschützt ist, wenn sich das Schiff im Trockendock oder Schwimmdock befindete

In den Fig_e 3 und 4 sind Konstruktionen und Einzelheiten des Sender 5 gezeigt» Bei diesem Beispiel sind die Wandler ΙΟ; Hi 12; 13 elektroakustisch^ Wandler vom Typ TR-бIA, also handelsübliche piezoelektrische Wandler« Selbstverständlich können auch andere Wandler verwendet werden» Sie sind vertikal auf einer Grundplatte 21 (FrLg₀ 3 und 4) be» festigt« Von unten her gesehen stellen sich die Sendeflächen der Wandler an dsn Ecken eines Quadrates dar* wobei der

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seitliche Abstand d zwischen benachbarten Wandlern aus konstruktiven Gründen so klein wie möglich ist» Die kreisförmige Öffnung 7 (Fig. 3) ist aus dem Schiffsrumpf 8 ausgeschnitten, und der Umfang ist durch den Verstärkungsring 22 verstärkt. Die Grundplatte ist mit dem Verstärkungsring 22 durch Bolzen 23 verschraubt. Zwei Stellungen sind möglich % In der ersten Stellung sind die Seiten des durch die Wandler gebildeten Quadrates parallel bzw. senkrecht zur Längsachse des Schiffes; nach der zweiten Möglichkeit sind die Diagonalen des Quadrates parallel bzw« senkrecht zu dieser Achse* Ein Zwischenring 24 befindet sich zwischen dem Verstärkungsring 22 und aer Grundplatte 21, damit man einen Abstand e zwischen den Abstrahlungsflachen der Wandler und der Außenhaut des Rumpfes 8 erhält, wobei e zwischen 25 und 35 mm beträgt. Der Sender 5 ist von einem wasserdichten Gehäuse umgeben, das am Verstärkungsring 22 angeschweißt und mittels Bolzen 26 durch einen Deckel 27 verschlossen ist. Zwischen dem Gehäuse 25 und dem Deckel 27 liegt eine Dichtung 28. Wenn der Sender nicht arbeitet, schraubt man eine abnehmbare Schutzplatte 29 in die Öffnung 7 des Schiffsrumpfes 8« Die Speisekabel 30 der Wandler 10; 11; 12; 13 durchdringen das wasserdichte Gehäuse 25 an Stopfbüchsen 31 und führen zur nichtdargestellten Schaltkonsole in einem Schutzrohr 32 im Ro.hrtunnel des Schiffes, Die Wandler 10; 11; 12; 13 sind mit der Grundplatte 21 über Schrauben 33 verschraubt, nachdem sie in die Ausschnitte 34 (Fig. 4) in der Platte 21 eingeführt worden sind. Diese Ausschnitte sind sorgfältig mit kegelstumpfförmigen Rändern bearbeitet, damit durch das Einpassen der Wandler die Dichtigkeit des Senders gewährleistet wird. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, sind die Wandler 10; 11; 12; 13 nach oben in einem Rahmen 35 eingepaßt, der

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mit Hilfe von Stehbolzen 36 und Abstandshülsen 37 mit der Grundplatte 21 verbunden ist,, Die Kabel 30 sind im Inneren des Gehäuses 25 durch dichte Steckanschlüsse 9 miteinander verbunden«

Die Abmessungen und konstruktiven Anordnungen des Senders müssen natürlich von Fall zu F_all geprüft und gegebenenfalls in Funktion des verfügbaren Raumes und der Vorschriften der Klassierungsorgane geändert werden«

Das Blockschema' in Fig_e 5 zeigt die grundsätzliche Struktur im Schaltpult 6«

Die Speisegeräte 41 sind mit dem Bordnetz 40 über nichtdargestellte Sicherungen und Schalter verbunden und liefern die für die Gesamtschaltung erforderlichen Ströme und Spannungen· Die Steuerungs- und Befehlsgruppe 42 dient zur Ein~ Stellung und Steuerung des Systems und zur Festlegung der Sendeparameter« Sie enthält nichtdargestellte Umschalter, Drehköpfe und Druckknöpfe, wobei einige von ihnen an der Frontplatte zugänglich sind_s andere nicht« Die Gruppe 42 erlaubt die Wahl der Dauer der Morsesignale, die Dauer der Pausen zwischen jedem <ode, die Dauer zwischen den Sequenzen u svv·

Ein Kodierer 45 ist einerseits mit dem Generator 43 und andererseits mit der Folgeschaltung 44 verbunden und erzeugt Pakete von Rechteckimpulsen, deren Frequenzen f. und f_? abwechseln, mi't der Dauer und dem Rhythmus des Signalkodes C, der zu senden ist; dieser Kode befindet sich in einem Lese~ speicher (ROM), der für jedes Schiff speziell programmiert

21. 11. 80 57 987 13

ist und der später nicht geändert werden kann»

Ein Interface 46 erregt die Relais 50 in Abhängigkeit von den Befehlen der Folgeschaltung 44. Ein Umsetzer 47 wandelt die Pakete von Rechteckimpulsen des Kodierers 45 in Sinuswellenpakete um, deren Amplitude von der Servoqruppe 49 bestimmt wird*

Ein Verstärker 43 liefert die zum Senden nötige Leistung und kompensiert die Reaktivierung mittels passender Reaktanzen,

Die Servogruppe 49 steuert die dem Sender zugeführte Leistung durch Einwirkung auf den Verstärkungsfaktor des Umsetzers 47« Sie schützt weiterhin den Verstärker 48 gegen Überlastung, beispielsweise infolge Kurzschluß.

Die Relais 5O₁ die durch das Interface 46 erregt werden, schalten die Speisungen der Wandler nach dem in Fig. 5 gezeigten Schema um» Ventilatoren 51 dienen zur Kühlung der Stufen, in denen Verlustleistung auftritt, insbesondere des Verstärkers 4S₉

Das Ganze befindet sich in nichtdargestellten Einschüben, die in einen ebenfalls nichtdargestellten Metallschrank gehören« Dieser enthält Ventilationsöffnungen mit Staubfiltern. Die Steuerschaltung 42, der Generator 43, die Folgeschaltung 44, der Kodierer 45 und das Interface 46 sind in Digitaltechnik ausgeführt, während der Umsetzer 47 und die Servogruppe 49 in Analogtechnik ausgebildet sind. Die einzelnen Schaltungen baut man vorzugsweise mit Hilfe an sich

⁸⁰

bekannter analoger und digitaler integrierter Schaltungen und von diskreten elektronischen und elektrischen Bauteilen auf und benutzt dazu noch einschiebbare gedruckte Schaltungen. Die einzelne Ausgestaltung dieser Baugruppen ist dem Fachmann bekannt und soll in dieser Beschreibung nicht näher erläutert werden«

Die Speisegeräte 41, aer Verstärker 48 und die Relais 50 baut man mit Hilfe von elektronischen, elektrischen und elektromechanischen bzw« optoelektronischen Bauteilen, die zur Zeit erhältlich sind, auf«

Es ist klar, daß die Ausgestaltung aer Schaltkreise jederzeit an den Fortschritt aer Technik angepaßt wird, was die Erfindung nicht berührt, insbesondere unter Verwendung der jetzt zugänglichen Mikroprozessoren«

Claims (4)

1. 21. 11. 80 57 987 13

   ErfindungsanSpruch

   1, Elektroakustisch© Vorrichtung zur Unterwassersignalisierung und -identifizierung eines Seefahrzeuges, gekennzeichnet dadurch, daß sie einen Sender mit mindestens einem am Schiffsrumpf unter der Wasserlinie angebrachten elektroakustischen Wandler aufweist, der von einer elektronischen Schaltung gesteuert ist und mit hörbarer Frequenz ein dem Schiff zugeteiltes, individuelles Identifikationssignal ausstrahlt, das aus einem Vorsignal zur Anzeige des Sendebeginns und dann aus einer Reihe von kodierten Buchstaben und/oder Zahlen besteht, wobei der Sender und seine Betriebsschaltung so ausgeführt sind, daß das Signal auf mindestens einer dem Schiff zugeordneten Eigenfrequenz zwischen 4 kHz und б kHz ausgestrahlt wird und die Eigenfrequenz im Spektrum der Schiffsgeräusche, jedoch oberhalb diskreter Frequenzen vertikaler Spektrallinien und außerhalb deren Harmonischen liegt, und wobei die Sendeleistung so bemessen ist, daß die auf Einheitsabstand bezogene Schallleistung LI , (dB) des Identifikationssignals der mittleren Frequenz f (Hz) gleich oder größer ist als die auf Einheitsdistanz bezogene Schalleistung LL· π (dB) der auf die Mittenfrequenz f. (Hz) bezogenen Geräuschbande, das Ganze derart, daß auf große Entfernung die Aufspürung des Schiffes durch seine Unterwassergeräusche möglich ist, welche das Umgebüngsrauschen im Meer um einen Parameter ^ (dB) übersteigen, der sich nach oer Beziehung

   ^Bcs f_e

   д в 40 OC + 10 Ig — - 15 Ig -ü * 6

   ^Bcb ^fb

   37 ²¹· ^{lle 80}

   57 987 13 - 26 -

   berechnet, worin bedeuten:

   ос = Schallabsorptionskoeffizient des Meeresvvassers bei der Frequenz f j

   B und B . (Hz) = kritische Markierungsbanden bei den

   CS CD

   Frequenzen f bzw« f. «

   2» Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Schaltung und der Sender zum Ausstrahlen eines Signals mit einer Leistung entsprechend д-Werten von 7, 14 und 19 dB mit entsprechenden Frequenzen von 4, 5 bzw* 6 kHz eingerichtet sind«

   3« Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch» daß die Schaltung und der Sender zur Erzeugung von kodierten Zeichen, die Zahlen und Buchstaben darstellen, mit einer Dauer von 100 bis 800 ms eingerichtet sind, wobei die Zeiten zwischen den Zeichen etwa 800 ms und die Zeiten zwischen Zeichengruppen, die eins Zahl oder einen Buchstaben darstellen, etwa 1600 ms betragen«

   4» Vorrichtung nach Punkt 3., gekennzeichnet dadurch, daß die Schaltung zur Erzeugung eines Identifizierungssignals in Morsekode eingerichtet ist, wobei die einen Punkt darstellenden Zeichen eine Dauer von 200 ms und die einen Strich darstellenden Zeichen eine Dauer von 700 ms aufweisen«

   5_e. Vorrichtung nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Schaltung zur Erzeugung eines Signals auf zwei Frequenzen f. und fp eingerichtet ist, die sich um 10 bis

   337
2. 21. 11. 80 57 987 13

   - 27 ~

   200 Hz voneinander unterscheiden, wobei die Zeichen mit ungerader Ordnung in deren Aufeinanderfolge im Signal mit der Frequenz f_± und die Zeichen in geradem Rang mit der Frequenz f_? abgestrahlt werden·
3. 6. Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Sender aus mehreren Wandlern besteht, und daß die Schaltung zur Versorgung der Wandler mindestens in paarweiser Schaltung eingerichtet ist, um den Horizont in mehreren Abschnitten zu überstreichen.

   7· Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Sender vier Wandler aufweist, die an den Eckleisten des Quadrates angeordnet sind, und daß die Steuerschaltung Umschalter besitzt, mit denen die Wandler paarweise und gegenphasig nach zwei mal vier aufeinander?ol~ genden Anordnungen schaltbar sind, welche jeweils eine Sequenz bilden, derart, daß der Horizont in zwei mal vier Sendesektoren überstrichen wird, wobei ein vollständiger Signalcode von jeder paarweisen Schaltung von Wandlern mit dazwischenliegenden Pausen abgestrahlt wi rd.
4. 8. Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Sender in einem waaserdichten Gehäuse untergebracht ist, welches sich im Unterteil des Schiffsrumpfes oberhalb einer darin angebrachten öffnung befindet, daß der oder die Wandler vertikal eingebaut sind und deren Sendemembranen mindestens angenähert in der Ebene der öff~ nung im Schiffsrumpf liegen.

   337 ^{2U 1U 80}

   57 987 ІЗ

   - 28 -

   9e Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Steuerschaltung des Senders einen Impulsgenerator besitzt« der als Taktgeber arbeitet und mit einer Folgeschaltung verbunden ist, welche der richtigen Aufeinanderfolge der zur Bildung des kodierten Signals führenden Operationen dient, daß die Folgeschaltung über eine Kodierschaltung mit dem Sender verbunden ist, welche mindestens eine Sendefrequenz des Signals erzeugt, und daß schließlich ein Verstärker vorhanden ist, wobei der Impulsgenerator mit Steuerorganen an einer Schalttafel verbunden ist, mit denen sich die Sendepararneter einstellen lassen_e

   10» Vorrichtung nach Punkt 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Kodierschaltung mit dem Verstärker über einen Umsetzer verbunden ist, der die von der Kodierschaltung erzeugten Rechteckimpulse in sinusförmige Impulse umwandelt, und daß die Umschalt relais der Wandler zwischen dem Verstärker und dem Sender liegen, wobei die Relais über einen Interface durch die Folgeschaltung gesteuert werden, welche unmittelbar vom Steuerpult beeinflußbar ist«

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