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Vorrichtung zur Anzeige der Einfallsrichtung von Unterwasserschaliwellen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Anzeige der Einfallsrichtung
von Unterwasserschallwellen mit Hilfe von zwei Empfängern oder Empfängergruppen
einer drehbaren Schallwandleranordnung und einer Kathodenstrahlröhre. Die bisher
bekannten Vorrichtungen dieser Art haben den Mangel, daß sie keine sinnfällige Darstellung
ergeben, wie sie von den Panoramageräten der Wasserschallteclmik oder Radartechnik
bekannt ist.
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Bei Einrichtungen zur Richtungsanzeige mittels elektromagnetischer
Wellen auf Flugzeugen ist es zwar bekannt, die Antenne und die anzeigende Kathodenstrahlröhre
starr mit dem Flugzeug zu verbinden, so daß die Winkelstellung der Kathodenstrahlröhre
immer mit der Winkeleinstellung der Antenne übereinstimmt; eine solche Einrichtung
ist jedoch bei willkürlich zum Fahrzeug drehbaren Schallempfangsgeräten nicht bekannt.
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Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß bei einer Vorrichtung
mit drehbarer Schallwandleranordnung der oben bezeichneten Art die Kathodenstrahlröhre
drehbar angeordnet ist und gleichsinnig mit der Basis der Empfängeranordnung verstellt
wird, so, daß der Entfernungsüberlauf in Richtung der Basisnormalen zeigt und daß
Signale, die schräg zu dieser Richtung einfallen, eine in Querrichtung dazu wirksame
Ablenkspannung erzeugen, welche aus der Phasendifferenz an den beiden Empfängern
gewonnen wird und dem Produkt aus der Winkelabweichung gegenüber der Normalen und
der Entfernung proportional ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Phasendifferenzanzeige
am Braunschen Rohr automatisch auf die Hauptstrahlrichtung der Drehbasis bezogen
ist und daß dem Beobachter eine sinnfällige Anzeige geboten wird, aus der die Abweichung
der Peilrichtung von der gesuchten Einfallsrichtung der Wellenenergie nach der einen
oder anderen Seite klar zu erkennen ist und die Drehrichtung für die Basis zur Herstellung
zur Übereinstimmung von Peilrichtung und Einfallsrichtung der Wellenenergie unmittelbar
zur Anzeige kommt.
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Die Zeichnung veranschaulicht zwei Ausführungsbeispiele nach der
Erfindung.
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F i g. 1 und 2 zeigen den Aufbau eines Gerätes zur Anzeige der Richtung
und Entfernung von Schallwellen in Vorder- und Seitenansicht; Fig. 3 zeigt eine
Schaltung mit aus der Phasendifferenz der Empfangsspannungen abgeleiteter Querablenkungsgleichspannung
für ein Gerät nach F i g. 1 und 2, F i g. 4 eine Schaltung mit phasendifferenzabhängiger
Aufhellung einer aus der einen Empfangsspan-
nung abgeleiteten, mit der Entfernung
anschwellenden Dreieckspannung durch eine aus der anderen Empfangsspannung abgeleitete
Aufhellspannung für ein Gerät nach F i g. 1 und 2.
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Das in F i g. 1 und 2 dargestellte Anzeigegerät besteht aus einem
pultförmigen Gehäuse 1, in dessen Pultfläche 2 nebeneinander ein Sichtfenster für
den Anzeigeschirm. 3 einer Braunschen Röhre 4 und ein Fenster für den Schreib streifen
5 eines Entfernungsschreibers vorgesehen ist.
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Die Kathodenstrahlröhre 4 ist um ihre Achse 6 drehbar. Auf der Achse
6 sitzt ferner ein Geber 7 zur synchronen Fernübertragung der Drehstellung der Kathodenstrahlröhre
über eine sogenannte elektrische Achse 8 auf einen Empfänger 9 mit einer Drehbasis,
die aus zwei im Abstand d=A/2 angeordneten Unterwasserschallempfängern 10 und 11
besteht, welche an einem gemeinsamen, um die Mittelachse drehbaren Träger 12 angeordnet
sind.
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Die Kathodenstrahlröhre 4 ist mit einem Handrad 13 verbunden und
trägt einen Zeiger 14, der über einer festen, am Gehäuse angebrachten Winkelskala
15 spielt.
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Durch einen in den Zeichnungen nicht dargestellten Sender werden
Unterwasserschallsignale in bestimmten Zeitabständen (Lotfolge) ausgesandt. Die
Aussendung kann gerichtet z. B. mit einer Richtkeule von etwa 300 Breite erfolgen.
Dabei ist der Sender fest mit der Drehbasis verbunden, so daß seine Hauptstrahlrichtung
mit der Hauptempfangsrichtung der Empfangsbasis 10, 11 übereinstimmt. Der Kathodenstrahl
wird im Takte der Signalaussendungen von einem Nullpunkt A aus in Durchmesserrichtung
n über den Schirm 3 abgelenkt, derart, daß die Kippüberlaufrichtung n stets mit
der jeweiligen Peilrichtung n der Drehbasis 10, 11 übereinstimmt und mit der Vorausrichtung
0, d. h. Fahrtrichtung des Beobachtungsfahrzeuges,
den gleichen
Winkel « einschließt. Dabei ist das Anzeigegerät so angeordnet, daß die Vorausrichtung
sinnfällig mit dem Nullpunkt der Skala 15 zusammenfällt. Der Zeiger 14 gibt dann
an der Skala 15 die Backbord- oder Steuerbordlage des Zieles richtig wieder, wenn
die Schalleinfallsrichtung m mit der Peilrichtung n zusammenfällt. Um diese Einstellung
zu erleichtern, wird die Winkelabweichung zwischen der Peilrichtung n und der Schalleinfallsrichtung
m durch eine Querablenkung des Kathodenstrahles zur Anzeige gebracht.
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Fig. 3 und 4 zeigen zwei verschiedene Schaltungen zur Erzeugung einer
solchen Querablenkung aus der Phasendifferenz der Empfangsspannung der Empfänger
10 und 11.
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Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, werden die beiden Empfangs spannungen
auf je eine auf die Signalfrequenz abgestimmte Verstärkerstufe 16, 17 gegeben. Das
Signal ul des Empfängers 10 wird nach Vorverstärkung in der Verstärkerstufe 16 einmal
direkt auf das Steuergitter einer Enneode 18 gegeben, zum zweiten nach Phasendrehung
um 900 im Phasenglied 19 auf das zweite Steuergitter der Enneode 18. Das Signal
u. des Empfängers 11 wird nach Verstärkung in der Verstärkerstufe 17 auf das Steuergitter
einer zweiten Enneode 20 gegeben, die auf ihr anderes Steuergitter das um 900 gedrehte
Signal vom Empfänger 10 bekommt. Die beiden Enneoden 18 und 20 liegen in einer Brückenschaltung
21 und erhalten über ihre Anoden eine Kippspannung im Takte der Echoaussendung aus
der für die Erzeugung des Entfernungskipps an dem Plattenpaar a vorgesehenen Kippschaltung22
für das Braunsche Rohr 4. Die an den Anoden abgenommenen Spannungen werden gleichgerichtet
mit Hilfe zweier Gleichrichter 23 und 24. Die als Differenz an diesen beiden Gleichrichtern
entstehende Gleichspannung wird durch einen Gleichspannungverstärker 25 nachverstärkt
und auf das zum Entfernungskippüberlauf senkrechte Plattenpaar b der Braunschen
Röhre 4 geschaltet.
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Zur Lichtaufhvellung wird das Signal vom Empfänger 11 benutzt, und
zwar wird es anschließend an die Verstärkerstufe 17 mit einem Gleichrichter 26 gleichgerichtet.
Die dadurch entstehende Hüllkurve des Signals wird in einem Verstärker 27 nachverstärkt
und direkt auf das zur Hellsteuerung des Kathodenstrahlfleckes dienende Gitter der
Kathodenstrahlröhre 4 gegeben.
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Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgendermaßen. Der Anodenstrom
in einer Enneode ist zwischen 0 und 180° im wesentlichen umgekehrt proportional
der Phasendifferenz zwischen den an ihre Gitter gelegten Spannungen. In der Enneode
18 ist aber diese Phasendifferenz stets gleich 90°, während sich in der Enneode
20 eine Abweichung von 90° oben oder unten ergibt, welche der Phasendifferenz der
beiden Empfangsspannungen entspricht. Die Differenz der gleichgerichteten Spannungen
an den Gleichrichtern 23, 24 ist also der Phasendifferenz der Empfangs spannungen
proportional. Da die Phasendifferenz zwischen den Empfangsspannungen bei einem Abstand
der Empfänger 10 und 11 von s/2 gleich z sie , ist, ergibt sich für kleine Werte
von 1 auch Proportionalität zwischen der Querablenkungsspannung an Plattenpaar b
und dem Einfallswinkel y.
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Der Anodenstrom in den Enneoden ist ferner der angelegten Speisespannung
proportional. Da nun
diese Speisespannung vom Kippspannungsgenerator 22 für die Entfernungskippspannung
des Braunschen Rohres geliefert wird, ist auch die Differenz der Spannung an den
Gleichrichtern 23, 24 ebenso wie die Kippspannung des Generators 22 der von der
Signalaussendung bis zur Echorückkehr verflossenen Zeit bzw. der von dem Signal
zurückgelegten Entfernung r proportional.
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Die Querablenkung s am Braunschen Rohr 4 ist somit für kleine Werte
von dem Produkt aus der Entfernung r des reflektierenden Objektes und dem Winkel
« zwischen Einfallsrichtung und Hauptstrahlrichtung der Drehbasis 10, 11 proportional,
während die Längsablenkung r der Laufzeit oder Entfernung entspricht.
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Bei Beginn einer Lotperiode bewegt sich, bei der Stelle A am Braunschen
Rohr beginnend, der zunächst verdunkelte Leuchtfleck in Richtung der Nulllinie.
Wird während dieses Überlaufes ein Signal empfangen, das gegenüber der Haupteinfallsrichtung
eine Winkelabweichung , hat, so wird durch die an den beiden Gleichrichtern 23,
24 erzeugte Differenzgleichspannung eine Auslenkung senkrecht zur Überlaufrichtung
proportional dem Produkt aus Entfernung r und Winkel ^ und über den Verstärker 27
gleichzeitig eine Hellsteuerung für die Dauer des Signals hervorgerufen. Es entsteht
also entweder ein Leuchtfleck oberhalb oder unterhalb der an sich verdunkelten Nullinie
je nachdem ob der Einfallswinkel; nach der einen oder anderen Seite von der Hauptstrahlrichtung
abweicht. Die Aufhellung P des Leuchtfleckes erfolgt somit an einer Stelle, deren
Lage zum Ausgangspunkt A der Ablenkung der Lage des reflektierenden Objektes zum
Beobachtungspunkt entspricht.
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F i g. 4 ist ein Beispiel für eine zweite Art der Ablenkung. 10 und
11 sind wieder Empfänger einer Drehbasis mit dem Empfängerabstand s./2, 16 und 17
Vorverstärker für die beiden Empfangsspannungen ul und u.2. Das Signal ul 1 vom
Empfänger 10 wird in einem Doppelbegrenzer 28 zu einer Rechteckspannung u1, umgeformt
und in einem Verstärker 29 nachverstärkt. Das Signal u. vom Empfänger 11 wird in
einem Phasendrehglied 30 um 900 phasenverschoben und die so erhaltene Spannung u2,
in einer Begrenzerstufe 31 ebenfalls zu einer Rechteckspannung u" umgeformt und
in einer Verstärkerstufe 32 nachverstärkt. Das Signal vom Empfänger 10 wird hinter
der Begrenzerstufe in einer Integrierstufe 33 in eine Dreieckspannung u1,, umgeformt.
Die Dreieckspannung u1'' wird in einer Verstärkerstufe 34 nachverstärkt. In dem
Verstärker 34 wird die Anodenspannung wieder mit dem Kippüberlauf für die Entfernungsablenkung
am Plattenpaar a moduliert. Dieses modulierte Signal rc,"' wird nunmehr auf die
senkrecht zum Kippüberlauf liegenden Platten b des Braunschen Rohres 4 gegeben.
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Zunächst ist die hierbei entstehende Dreieckspanspannung, die allmählich
mit dem Überlauf anschwillt, noch verdunkelt. Die Hellsteuerung erfolgt nunmehr
durch das Signal vom Empfänger 11, das anschließend durch eine Begrenzer- und Verstärkerstufe
31 und 32 einer Differenzierung durch ein Differenzierungsglied 35 unterworfen wird.
Die so erhaltene Spannung u wird in einer Verstärkerstufe 36 nachverstärkt und zur
Hellsteuerung in einer definierten Lage während des Dreiecküberlaufes benutzt. Dadurch
entsteht im Braunschen Rohr ein Bild, das
ebenfalls eine Auslenkung
erfährt, die der Entfernungr, vom Nullpunkt A her gesehen, und dem Winkel r proportional
ist.
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Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgendermaßen. Durch die 900-Phasenverschiebung
der Spannung u.2 im Phasendrehglied 30 wird die mit der Integration der Spannung
U1' in der Integrierstufe 33 verbundene 900 -Phasenverschiebung der abgeleiteten
Dreieckspannung ausgeglichen, so daß für y = 0 die Spitzen von u.,"' auf die Nulldurchgänge
von um''' zu liegen kommen. Durch die Begrenzerstufe 28 mit dem anschließenden Verstärker
29 wird erreicht, daß die Spitzengröße h in der Querablenkung unabhängig von der
Amplitude des einfallenden Signals ist, sie hängt nur von der bei Echoankunft seit
der Signalaussendung verflossenen Zeit oder der Entfernung r ab und ist auch an
sich unabhängig von der Größe des Einfallswinkels y. Dagegen hängt die Momentangröße
der Dreieckspannung zur Zeit der Aufhellung durch die positiven Spitzen der Spannung
u2"' vom Einfallswinkel y ab, und zwar ist der Phasenwinkel zwischen jeder positiven
Spitze der Spannung u2"' und dem Nulldurchgang der Dreieckspannung u"' gleich gr
sin ;.. Für kleinere Werte von I, ist infolgedessen der Abstand s der durch die
Spannung u2"' aufgehellten Stellen P der Dreieckkurve um''' proportional der Größe
des Einfallswinkels y. Da anderseits durch die Modulation mit der entfernungsabhängigen,
vom Kippgenerator 22 gelieferten Kippspannung die Größe der Querablenkungsspannung
u1 für jede Phase der Entfernung r proportional ist, besteht auch, wie im ersten
Ausführungsbeispiel, Proportionalität zwischen dem Abstand s und dem Produkt aus
Entfernung r und Einfallswinkel ,.
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Durch Bemessung der Proportionalitätsfaktoren für die Querablenkspannung
läßt sich erreichen, daß der Winkel a zwischen Nullrichtung und Verbindungsstrahl
m vom Nullpunkt A zum Punkt P der Aufhellung mit dem Einfallswinkel r übereinstimmt
oder mit einem gewünschten Faktor multipliziert erscheint.
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Durch Erhöhung beispielsweise der Verstärkung in der Gleichspannungsverstärkerstufe
25 nach Fig. 1 oder in der Verstärkerstufe 34 nach F i g. 2 kann der Winkel a vergrößert
werden. Durch Umschaltung des Verstärkungsgrades könnte daher von einer Grobeinstellung
bei z. B. naturgetreuer Winkelabbildung auf eine Feineinstellung bei übernatürlich
großer Winkelabbildung übergangen werden.
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Die Querablenkung erfolgt in beiden Ausführungsbeispielen nur, solange
das Echosignal einfällt, und zwar in einem Abstand vom Nullpunkt A des Kippüberlaufes,
welcher dem zeitlichen Ablauf vom Be-
ginn der Lotperiode proportional ist und der
damit die Entfernung r des reflektierenden Objektes vom Beobachtungspunkt anzeigt.
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Mit den dargestellten Schaltungen lassen sich Phasendifferenzen zwischen
- 90 und + 900 eindeutig darstellen. Bei einem Abstand der beiden Empfänger von
,î./2 lassen sich damit Winkelabweichungen y im Einfallbereich von 1300 gegenüber
der Normalen eindeutig darstellen. Da bei den üblichen Suchstrahlverfahren die Breite
des Suchstrahls gewöhnlich schmaler als 600 ist, läßt sich das Verfahren also zur
Darstellung von angeloteten Objekten benutzen.