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Verfahren und Vorrichtung zum Echoloten mit Schallimpulsen veränderbarer
Lotfolge Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Echoloten mit Schallimpulsen veränderbarer
Lotfolge, bei dem zwischen Aussendung eines Impulses und dem Empfang des zugehörigen
Echos wenigstens ein zweiter Impuls ausgesandt wird. Ferner bezieht sich die Erfindung
auf eine Vorrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens.
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Um dieses Verfahren durchführen zu können, muß zunächst die ungefähre
Entfernung des Objektes bestimmt werden. Daraufhin wird die Lotfolge so verändert,
insbesondere erhöht, daß das zu einer Aussendung gehörende Echo zwischen zwei späteren
Aussendungen empfangen wird. Aus der deutschen Patentschrift 905 343 ist ein mit
einer in diesem Sinne erhöhten Lotfolge arbeitendes Verfahren bekannt.
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Dabei ergibt sich jedoch der Nachteil, daß bei einer so erhöhten Lotfolge
tote Zonen für den Empfang der Echos entstehen und infolgedessen Echos ausfallen,
die gerade zur Zeit der Aussendung weiterer Impulse eintreffen. Dieses bekannte
Verfahren ist deswegen nur zur Richtungsbestimmung eines Objektes geeignet.
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Aus der deutschen Patentschrift 7350005 ist ein Echolotverfahren
bekannt, bei dem zwischen dem Aussenden eines Impuls es und dem Eintreffen des zugehörigen
Echos weitere Impulse ausgesandt werden.
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Um zu vermeiden, daß die eintreffenden Echos mit einer neuen Aussendung
zusammenfallen, erhöht oder erniedrigt man die Lotfolge etwas. Dabei wird jedoch
nicht vermieden, daß die Echos aus einem Sendeintervall in ein anderes wandern,
so daß man aus den empfangenen Echos die tatsächliche Entfernung des Objektes ohne
zusätzliche Meßvorgänge nicht fortlaufend bestimmen kann.
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Um diese bekannten Verfahren zu verbessern, ist in der deutschen
Patentschrift 919869 und der britischen Patentschrift 721 342 ein Echolotverfahren
vorgeschlagen worden, bei dem der Nachteil der toten Zonen für den Empfang von Echos
dadurch teilweise aufgehoben wird, daß zum Überbrücken der toten Zonen und damit
zum Messen in dem sie bedingenden kritischen Entfernungsbereich eine zweite Lotfolge
angewandt wird, die kein ganzzahliges Vielfaches der ersten Lotfolge sein soll.
Diese Maßnahme hat den Nachteil, daß mit zwei Entfernungsskalen gearbeitet werden
muß, die von der angewandten Lotfolge abhängig sind. Aber auch bei diesem Verfahren
wird es, insbesondere bei Ortsveränderungen des zu ortenden Objektes, wiederholt
vorkommen, daß das Echo in einem anderen Intervall als dem gewünschten, d. h. zwischen
zwei anderen Aussendungen empfangen werden wird, wodurch eine genaue Messung unmöglich
wird.
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Aus der Beschreibungseinleitung der deutschen Patentschrift 919 869
ist ein Echolotgerät mit optischer Anzeigevorrichtung bekannt, mit dem Entfernungen
gemessen werden können, die größer als die der Lotfolge entsprechende größte Entfernung
sind. Es muß dabei jedoch die Zahl der vollen Umläufe des Anzeigeorgans des Gerätes
zwischen Aussendung eines Impulses und dem Empfang des zugehörigen Echos festgestellt
werden, wobei ebenfalls nicht vermieden werden kann, daß die Echos bei Entfernungsänderungen
des Objektes aus dem gewünschten Empfangsintervall herauslaufen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die genannten Nachteile
der bekannten Verfahren zu vermeiden und ein Echolotverfahren mit Schallimpulsen
erhöhter Lotfolge, also ein nicht eindeutiges Echolotverfahren zu schaffen, mit
dem Entfernungen eines Objektes und Entfernungsänderungen stets genau bestimmt und
die einzelnen Echos stets zwischen zwei bestimmten Aussendungen empfangen werden
können.
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Um diese Aufgabe zu lösen, wird ein Schall-Echolot-Verfahren von
der im ersten Absatz beschriebenen Art vorgeschlagen, bei dem gemäß der Erfindung
die Impulsfolge in einem derartigen Verhältnis zu der mit dem zunächst auf eindeutige
Entfernungsmessung geschalteten Meßgerät ermittelten Entfernung des Objektes bestimmt
und weiterhin schrittweise oder kontinuierlich in Abhängigkeit von der Entfernung
gesteuert wird, daß jedes Echo stets innerhalb derselben,
durch
die Wahl des Verhältnisses der Lotfolgesteigerung bestimmten Zeitspanne zwischen
zwei ausgesandten Impulsen empfangen wird, wobei die genaue Entfernung des georteten
Objektes aus der durch das gewählte Verhältnis bekannten Anzahl der zwischen Aussendung
eines Impulses und Empfang des zuge hörigen Echos vergehenden vollständigen Sendeintervallen
(Zeitspannen) plus dem auf dem Anzeigegerät zu messenden Anteil des Sendeintervalls,
in dem das Echo eintrifft, bestimmt wird. Nach Bestimmung der Entfernung des Objektes
durch eindeutige Messung kann hierdurch die Lotfolge der Aussendungen derart erhöht
werden, daß ein Echo erst nach mehreren Impulsaussendungen empfangen wird und trotzdem
die genaue Entfernung des Objektes mit dem Meßgerät jederzeit gemessen werden kann.
Die Erfindung ermöglicht es somit, Entfernungsänderungen eines Objektes auf einfache
Weise aus einer Vielzahl von fortlaufenden Messungen mit einer bisher nicht erzielten
Genauigkeit festzustellen. Auch kann durch die erhöhte Lotfolge und durch die entsprechende
Verstellung des Empfängers, die in einer Vergrößerung des durch die Kathodenstrahlröhre
angezeigten Maßstabes sichtbar wird, die Entfernung des Objektes genauer festgestellt
werden.
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Die Entfernungsmessung wird am einfachsten, wenn manie Impulsfolge
in einem solchen Verhältnis zur Entfernung des Objektes erhöht und steuert, daß
die Echos in der Mitte des ihnen zugeordneten Sendeintervalls eintreffen und empfangen
werden.
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Verändert sich die Entfernung zum georteten Objekt, so erfolgt durch
die Beobachtungs- und Bedienungsperson eine sofortige Nachstellung, wobei durch
diese Nachstellung zusammen mit der ursprünglich festgestellten Entfernung die genaue
Entfernung des Objektes bestimmt wird. Das vorgeschlagene Verfahren ist auch für
Entfernungsmessungen bzw. Lotungen verhältnismäßig naheliegender Objekte geeignet,
denn auch in diesem Fall bringt die Vermehrung der eintreffenden Echos durch die
Erhöhung der Lotfolge noch eine genauere Anzeige als durch Einzellotungen.
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Bei Echolotverfahren mit erhöhter Lotfolge be steht der Nachteil,
daß Echos kurz nach Aussendung eines Schallimpulses eintreffen können, die dann
nicht festzustellen sind, weil sie im Bereich der abklingenden Schwingungen des
ausgesandten Schallimpulses eintreffen, d. h. im Bereich sogenannter toter Zonen.
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Durch das vorgeschlagene Verfahren wird zwar angestrebt, daß die Echos
stets in der Mitte zwischen zwei Aussendungen von Schallimpulsen eintreffen, jedoch
besteht das Bedürfnis, die Echos auch dann empfangen zu können, wenn sie unmittelbar
nach Aussendung eines Schallimpulses eintreffen. Nachschwingungen bei ausgesendeten
Schallimpulsen sind insbesondere bei Unterwassermessungen sehr störend.
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Nach der deutschen Patentschrift 671 644 ist es bekannt, Schallimpulse
verschiedener Frequenz nacheinander auszusenden, wobei sich dieselbe Frequenz so
lange nicht wiederholen soll, bis das Echo der ersten Aussendung eingetroffen ist.
Hierdurch erhält man eindeutige Aussagen über die Laufzeit des Schalls bis zum georteten
Objekt und zurück, d. h., man erhält eine Oberschneidung mehrerer eindeutiger Echolotmessungen.
Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß bei Messungen über große Entfernungen,
d. h. wenn eine große Erhöhung der Lotfolge gewünscht ist, sehr viele verschiedene
Frequenzen verwendet werden müssen, wodurch viele Messungen
ausfallen, weil die Absorption
besonders unter Wasser bei den verschiedensten Frequenzen verschieden groß ist.
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Um diesen Nachteil zu vermeiden und es zu ermöglichen, daß eintreffende
Echos auch unmittelbar hinter einer erfolgten Schallaussendung empfangen werden
können, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, zum Ausschalten der Hintergrundechos
einer vorhergehenden Aussendung beim Empfang eines Echos nacheinander Schallimpulse
mit unterschiedlicher Frequenz auszusenden, wobei nach Erhöhung der Lotfolge vor
Empfang eines bestimmten Echos mehrere Schallimpulse gleicher Frequenz ausgesandt
werden, jedoch jedes Echo stets nach Aussendung eines Impulses mit anderer Frequenz
empfangen wird. Dies wird durch die oben beschriebene Wahl der Erhöhung der Lotfolge
möglich. Auf diese Art kommt man im allgemeinen mit zwei oder drei verschiedenen
Frequenzen aus, deren Absorptionskoeffizienten sich nicht stark voneinander unterscheiden.
Die- eintreffenden Echos können jedoch genau von den abklingenden Schallwellen des
gerade ausgesandten Impulses getrennt werden.
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Zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung
mit einem Sender, einem Sende-und Empfangsschalter, einem Empfänger und einem Anzeigegerät
(Kathodenstrahlröhre) vorgeschlagen, bei welchem gemäß der weiteren Erfindung an
das Anzeigegerät eine mechanisch arbeitende Stelleinrichtung od. dgl. zum Nachstellen
eines die Lotfolge bestimmenden Steuergerätes entsprechend angezeigten Entfernungsänderungen
angeschlossen ist, wobei das Steuergerät sowohl mit dem Sender als auch mit dem
Sender und Empfangsschalter, dem Empfänger und dem Anzeigegerät gekoppelt ist, so
daß sämtliche Einrichtungen synchron mit der Lotfolgeveränderung verstellt werden
können. Die Bedienung des Gerätes Wird hierdurch besonders einfach.
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In der Zeichnung sind in Fig. 1 bis 5 grafische Darstellungen zur
Erläuterung der Erfindung zu erkennen, während F i g. 6 im wesentlichen ein symbplhaftes
Schaltbild einer zum Durchführen des Verf ahrens geeigneten Vorrichtung enthält.
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In F i g. 1 ist symbolhaft eine Kathodenstrahlröhre 4 mit Zeitbasis
5 dargestellt. Die Punkte 1 und 3 bezeichnen auf der Zeitbasis Schallimpulsaussendungen,
die mit dem Rand der Kathodenstrahlröhre 4 zusammenfallen. Innerhalb der Kathodenstrahlröhre
4 ist ein Echo 2 zu erkennen, welches der Aussendung 1 entspricht und nach einer
Zeitspanne 6 und vor Aussendung des nächsten Schallimpulses eingetroffen ist.
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Hierbei handelt es sich also um eine eindeutige Messung, bei der ein
Impuls erst dann ausgesendet wird, wenn das Echo des vorhergehenden Impulses eingetroffen
ist. Die Zeitspanne 6 gibt deshalb ein direktes Maß für die Entfernung des georteten
Objektes. Die Messung der Entfernung kann beispielsweise mittels eines Handrades
erfolgen, welches eine Meßmarke auf das festgestellte Echo dreht. Die Entfernung
wird dann abgenommen und z. B. auf einem Entfernungsmesser sichtbar gemacht.
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F i g. 2 zeigt, daß vor dem Eintreffen des Echos 2 eine weitere Aussendung
7 eines Schallimpulses stattgefunden hat. Damit das Echo 2 und weitere Echos stets
in der Mitte zwischen zwei Aussendungen empfangen werden, soll die Zeitspanne 8
zwischen der Aussendung 1 und der Aussendung 7 bzw. den folgenden Aussendungen jeweils
zwei Drittel der Zeitspanne
6 betragen. Gegenüber der Zeitspanne
6 ist dann die Lotfolge auf das 1,Sfache gesteigert worden.
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Gleichzeitig mit der Lotfolgesteigerung wird auch die Geschwindigkeit
der Zeitablenkung der Kathodenstrahlröhre im entsprechenden Maßstab vergrößert,
so daß das Echo in der Mitte der Kathodenstrahlröhre erscheint, wie Fig. 3 a zeigt.
Ist die Zeitspanne 6 durch die vorhergehende eindeutige Messung nicht richtig abgenommen
worden und ist die Lotfolge auf das 1,Sfache des ungenau festgestellten Entfernungswertes
gesteigert worden, so erscheint das Echo nicht mehr in der Mitte der Kathodenstrahlröhre,
wie Fig. 3b zeigt.
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Die Abweichung des Echos von der Mitte der Kathodenstrahlröhre stellt
in vergrößertem Maßstab den Fehler der anfänglichen eindeutigen Entfernungsmessung
dar. Durch Koppelung des Entfernungshandrades mit dem die Lotfolge bestimmenden
Steuergerät (vgl. F i g. 6) wird durch Drehung dieses Handrades entsprechend den
eintreffenden Echos neben der Steuerung der Lotfolge auch die Zeitbasis der Kathodenstrahlröhre,
die Umschaltung von Sender und Empfänger und das Umschalten des Sende- und Empfangsschalters
gesteuert. Dadurch kann man die eintreffenden Echos stets in der Mitte zwischen
zwei Aussendungen halten und auch auf der Kathodenstrahlröhre in dieser Stellung
sichtbar machen.
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Sobald die Echos aus der Mitte der Anzeige entsprechend der Entfernungsänderung
zum georteten Objekt herauslaufen, nimmt man mit dem Entfernungshandrad eine Korrektur
vor, so daß die Echos wieder in die Mitte zurückwandern. Die Veränderung des Entfernungshandrades
entspricht der Korrektur und damit der Entfernungsänderung. Da die Echos in kurzen
zeitlichen Abständen hintereinander einlaufen, sind die vorgenommenen Korrekturen
in der Entfernungsmessung klein und regelmäßig. Je nach Größe der Entfernung und
je nach den Empfangsverhältnissen wird auf drei, vier oder mehr Aussendungen in
einer Zeitspanne 6 umgeschaltet. Die Entfernungsmessung wird dadurch genauer, denn
die auf der Kathodenstrahlröhre sichtbare Länge der Zeitbasis stellt hierbei immer
kleinere Entfernungsstrecken dar, so daß eventuelle Fehler wegen des steigenden
Maßstabes immer genauer zu erkennen sind.
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Gemäß F i g. 4 und 5 wird der störende Einfluß der Hintergrundechos
der einzelnen ausgesandten Schallimpulse durch Verwendung verschiedener Frequenzen
bei den aufeinanderfolgenden Aussendungen ausgeschaltet. Gemäß F i g. 4 erfolgt
eine Aussendung 2 b vor Empfang des zur Aussendung la gehörenden Echos, wobei die
Aussendung 1 a mit der Frequenz A und die Aussendung 2 b mit der Frequenz B erfolgt.
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Die entsprechenden Echos können dann störungsfrei empfangen werden,
wenn sie nach Aussendung eines Schallimpulses mit anderer Frequenz empfangen werden.
Die dritte Aussendung 3 a mit der Frequenz A erfolgt vor Empfang des Echos 2 b,
während die Aussendung 4b wiederum mit der Frequenz B und die Aussendung 5 a wiederum
mit der Frequenz A erfolgt.
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Gemäß F i g. 5 erfolgen vor Empfang des zur Aussendung 1 a gehörenden
Echos zwei Aussendungen 2 b und 3 c, wobei die Aussendung 3 c mit der Frequenz C
erfolgte, die sich von den Frequenzen A und B unterscheidet.
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F i g. 6 zeigt ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Durchführen
des beschriebenen Echolotverfahrens. Ein Sender 11 sendet Impulse mit Frequenzen
entsprechend
der Einstellung eines Frequenzprogrammschalters 22 in einer Reihenfolge aus, die
durch ein die Lotfolge der Aussendungen steuerndes Gerät 20 bestimmt wird. Die elektrischen
Sendeimpulse werden mittels eines Sende- und Empfangsschalters 12 an einen Wandler
13 weitergeleitet, der sie in Schallimpulse umwandelt und in einem gerichteten Bündel
ausstrahlt. Die Schallimpulse pflanzen sich in Richtung 14 fort und werden von einem
Objekt 15 in Richtung 16 reflektiert und über den Reflektor 13 und den Sende- und
Empfangsschalter 12 einem Empfänger 17 zugeleitet. Dieser verstärkt von den empfangenen
Signalen nur diejenigen, auf die er abgestimmt ist.
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Durch die Einstellung der Lotfolge werden die vom Objekt eintreffenden
Echos stets die gewünschte Frequenz besitzen. Vom Empfänger können sie über einen
Verstärker an ein Entfernungsmeßgerät 18 verstärkt weitergegeben werden. Mit diesem
Gerät kann die Entfernung mit Hilfe eines Entfernungshandrades 19 gemessen werden.
Dieses Entfernungshandrad steuert, wenn es in einem gewissen Verhältnis mit einem
Verhältnisschalter 21 eingestellt ist, die Lotfolge der Aussendung über das Gerät
20.
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Die von der Entfernung abhängige und durch das Gerät 20 gesteuerte
Lotfolge bewirkt das Aussenden von Impulsen in der richtigen Reihenfolge der verschiedenen
Sendefrequenzen des Senders 11 und stimmt gleichzeitig den Empfänger 17, die Zeitbasis
des Entfernungsmeßgerätes 18 und die Umschaltungen des Sende- und Empfangsschalters
12 hierauf ab.
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Es erfolgt also eine Veränderung sowohl auf der Sende- als auch auf
der Empfangsseite der Vorrichtung.