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Schaltungsanordnung für Echolotanlagen mit einem Verstärker von innerhalb
der Lotperiode wechselndem Verstärkungsgrad Die Hauptpatentanmeldung bezieht sich
auf eine Schaltungsanordnung für Echolotanlagen, insbesondere für registrierende
Geräte, bei der das Echosignal nach Vorverstärkung einerseits dem das Wiedergabeorgan
speisenden Verstärker und andererseits einer bistabilen Kippschaltung zugeführt
wird, die vom Sendeimpuls in den einen und vom Bodenecho in den andern Zustand übergeführt
wird und die zur abwechselnden Sperrung und Entsperrung des Verstärkers dient, derart,
daß der Verstärker vom Bodenecho ab für den Rest der Lotperiode gesperrt ist.
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Eine solche Sperrung hat den Vorteil, daß die sogenannten Mehrfachechos,
die davon herrühren, daß das vom Boden kommende Echosignal von der Wasseroberfläche
nochmals auf den Boden zurückgespiegelt wird, nicht mit aufgezeichnet bzw. angezeigt
werden. Außerdem wird das Bodenecho verkürzt dargestellt, da es unmittelbar nach
dem Umschlag der bistabilen Kippschaltung abgeschaltet wird und dieser Umschlag
durch den Beginn des Bodenechos ausgelöst wird. Eine solche Verkürzung ist insbesondere
bei sehr langen Echos erwünscht. Die Verlängerung der Echosignale kommt dadurch
zustande, daß der Empfänger nicht nur Echos von demjenigen Teil des Bodens empfängt,
der unmittelbar unter der Meßstelle liegt, sondern auch Echos von weiter entfernten
Punkten des Bodens aufnimmt.
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Dies ist insbesondere der Fall, wenn nicht nur mit einer Meßstelle,
sondern mit mehreren relativ nahe beieinanderliegenden Meßstellen gearbeitet wird,
an denen gleichzeitig gelotet wird. Der Empfänger einer Meßstelle 2 empfängt dann
auch Echos, die von den Sendern der benachbarten Meßstellen 1 und 3 herrühren, die
sämtlich zur Verlängerung des Echos beitragen. Der Verstärker nach der Hauptpatentanmeldung
läßt also nur die ansteigende Flanke des Bodenechos passieren und auch diese nur
bis zu der Höhe, bei welcher die Kippschaltung umschaltet. Es hat sich herausgestellt,
daß diese extreme Verkürzung des dargestellten Echos zwar eine dünne und scharfe
Bodenkurve ergibt, daß dadurch aber doch ein Teil der Information, die das Echosignal
insbesondere über die Bodenbeschaffenheit enthält, verlorengeht.
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Es ist daher erwünscht, von dem Echo mehr als die Einsatzkante sichtbar
zu machen. Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.
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Die Erfindung besteht bei einer Schaltungsanordnung für Echolotgeräte
nach Patentanmeldung F 22275 IX d/74 d (deutsche Auslegeschrift 1 120 949) darin,
daß der bistabilen Kippschaltung eine Verzögerungseinrichtung vor- oder nachgeschaltet
ist, welche eine verzögerte Sperrung des Verstärkers bewirkt.
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Eine einfache Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß dem Eingang
der bistabilen Kippschaltung ein integrierendes Glied vorgeschaltet ist, das aus
einem Serienwiderstand und einer Parallelkapazität besteht, so daß das Echosignal
diesen Kondensator zunächst bis zu einer bestimmten Höhe aufladen muß, bevor die
Kippschaltung umschaltet. Hier besteht jedoch ein gewisser Nachteil insofern, als
die Amplitude des Bodenechos in die Verzögerungszeit eingeht, denn der Kondensator
erreicht die zur Einleitung der Umschaltung benötigte Spannung früher, wenn das
Echo signal groß und steil ist, als wenn es weniger steil und kleiner ist. Eine
definiertere Verzögerung läßt sich dadurch erreichen, daß der bistabilen Kippschaltung
ein monostabiler Multivibrator vorgeschaltet ist, der durch das Bodenecho angestoßen
wird und dessen rückwärtige Flanke zur Auslösung der bistabilen Kippschaltung verwendet
wird.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die bistabile Kippschaltung
zwar unverzögert auszulösen, aber dafür zu sorgen, daß sie verzögert auf den Verstärker
einwirkt. Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß derjenige Spannungszustand der
bistabilen Kippschaltung, der vom Sendeimpuls bis zum Bodenecho reicht und zur Offenhaltung
des Verstärkers
benutzt wird, an den Verstärker über einen Richtleiter
und einen Kondensator weitergeleitet wird, der über den Richtleiter geladen wird
und nach Beendigung des genannten Spannungszustandes die Öffnung des Verstärkers
noch kurzzeitig weiter aufrechterhält.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann von der bistabilen
Kippschaltung eine Gleichspannung abgeleitet werden, deren Höhe derjenigen Zeitdauer
entspricht, die von dem Sendeimpuls bis zum Einsatz des Bodenechos vergangen ist.
Wird dieser Gleichspannung ein Sägezahn entgegengeschaltet, dessen Periode gleich
der Lotperiode ist, so wird der absolute Momentanwert einer solchen Sägezahnspannung
teils unterhalb des Niveaus der Gleichspannung und teils oberhalb dieses Niveaus
verlaufen. Der Augenblick, in dem diese Sägezahnspannung das Gleichspannungsniveau
schneidet, wird um so früher eintreten, je steiler dieser Sägezahn ist.
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Die Neigung dieses Sägezahnes kann nun so gewählt werden, daß dieser
Augenblick um die gewünschte Verzögerungszeit nach dem Beginn des Bodenechos eintritt.
Von diesem Augenblick an ist dann der Verstärker gesperrt. Eine solche Schaltung
kann mit Vorteil dazu benutzt werden, daß der Zeitpunkt der Sperrung dem Zeitpunkt
des Echoeinfalls mit einer gewissen Trägheit folgt, wenn dafür gesorgt wird, daß
die Gleichspannung ihrerseits sich mit dem Echoeinfall nicht momentan, sondern mit
einer gewissen Trägheit ändert. Bei plötzlichen Untiefen, wie sie z. B. beim Überfahren
eines größeren Steines oder eines verlorengegangenen Ankers eintreten, ist die Gleichspannung
beispielsweise erst nach 10 bis 20 Lotperioden auf den dem früheren Echoeinfall
entsprechenden Wert abgesunken, so daß die Offnungsdauer des Verstärkers in dieser
Zeit eine Verlängerung erfährt, und zwar ist diese Verlängerung derart, daß - ein
ansonsten ebener Boden vorausgesetzt - die untere Begrenzung des Echos im Echogramm
eine horizontale Linie darstellt, während die obere Begrenzung einen Höker mit scharfer
Einsatzkante aufweist. Plötzliche Untiefen, wie sie durch verlorengegangene Gegenstände,
Steine od. dgl. entstehen, werden dadurch deutlicher aus ihrer Umgebung herausgehoben.
Die erwähnte, vom Zeitpunkt des Echo einfalls abhängige Gleichspannung kann z. B.
durch eine Mittelwertbildung hergestellt werden. Ist die bistabile Kippschaltung
beispielsweise ein aus zwei Elektronenröhren bestehender bistabiler Multivibrator,
so fließt bekanntlich in einem solchen Multivibrator immer nur in einer der beiden
Röhren Strom, beispielsweise in der Röhre 1 während der Zeit zwischen dem Sendeimpuls
und dem Einfall des Bodenechos. Der über mehrere Lotperioden gebildete Mittelwert
dieses Stromes bzw. eines entsprechenden Spannungsabfalls, beispielsweise an dem
Kathodenwiderstand dieser Röhre, liefert dann die erwünschte, vom Zeitpunkt des
Echo einfalls abhängige Gleichspannung. Die bistabile Kippschaltung kann aber auch
so ausgebildet werden, daß sie einen Sägezahn liefert, der mit dem Sendeimpuls beginnt
und mit dem Bodenecho aufhört. Eine Spitzenspannungsmessung dieses Sägezahnes über
eine Diode und ein RC-Glied liefert dann ebenfalls eine Gleichspannung, die von
dem Augenblick des Echo einfalls innerhalb der Lotperiode abhängt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt,
und zwar zeigt
Fig. 1 das grundsätzliche Schaltungsschema nach der Hauptpatentanmeldung,
F i g. 1 a Kurven zur Erläuterung dieser Schaltung, Fig. 2 eine Abänderung des Schemas
nach Fig. 1 mit einer der bistabilen Kippschaltung vorgeschalteten Verzögerungseinrichtung,
Fi g. 2 a erläuternde Kurven hierzu, Fig. 3 einer der bistabilen Kippschaltung nachgeschaltete
Verzögerungseinrichtung, F i g. 3 a erläuternde Kurven hierzu, F i g. 4 eine weitere
Ausführungsform der Erfindungund Fig. 4 a und 4b Erläuterungen zu dieser Schaltung.
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Fig. 1 zeigt eine registrierende Einrichtung mit dem umlaufenden
Band 1, welches mit der Registrierfeder 2 die Echosignale auf dem Papier 3 aufzeichnet.
Das Band trägt außer der Registrierfeder noch ein Magnetstück 4v welches in der
Spule 5 den Sendeimpuls erzeugt, der in dem Sender 6 den Ultraschallimpuls auslöst.
Das empfangene Echo wird in dem Vorverstärker 7 verstärkt und verzweigt sich dann
anschließend einerseits zu dem Endverstärker 8 und andererseits zu der bistabilen
Kippschaltung 9. Das an dem Verzweigungspunkt anstehende Echosignal wird in F i
g. 1 a durch die Kurve A dargestellt, die außer dem Bodenecho E noch ein Doppelecho
E' enthält, dessen Aufzeichnung unerwünscht ist und durch die bistabile Kippschaltung
unterdrückt werden soll. Diese Schaltung liefert ein Signal der Kurvenform B, das
dem Verstärker über die Leitung 10 zugeführt wird und diesen unmittelbar nach dem
Einsatz des Echos für den Rest der Lotperiode sperrt.
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Nach Fig. 2 ist diese Einrichtung durch einen monostabilen Multivibrator
11 erweitert, welcher der bistabilen Kippschaltung 9 vorgeschaltet ist. Der monostabile
Multivibrator liefert ein Zeichen gemäß der Kurve D in Fig. 2 a, das entsprechend
der Kurve F differenziert wird, so daß ein positiver und ein negativer Zacken entsteht,
und der negative Zacken wird dazu benutzt, die bistabile Kippschaltung zum Umschlag
zu veranlassen, so daß diese ein Zeichen entsprechend der Kurve G an den Verstärker
abgibt, das sich von demjenigen der Kurve B in Fig. la durch eine Verlängerung um
die Zeit dt unterscheidet, die ihrerseits der Breite des Multivibratorimpulses in
der Kurve D entspricht.
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Bei der Schaltung nach F i g. 3 besteht die bistabile Kippschaltung
9 aus den beiden Gasentladungstrioden 30 und 31, die beide zunächst durch nicht
gezeichnete negative Gittervorspannungen gesperrt sein mögen. Die Röhre 30 wird
durch das Bodenecho E geöffnet und brennt dann über die Widerstände 42 und 43 weiter,
bis der Sendeimpuls S die Röhre 31 kurzzeitig öffnet, so daß die Spannung an der
Anode dieser Röhre zusammenbricht, wodurch auch die Röhre 30 erlischt. An der Anode
der Röhre 31 ergibt sich dann ein Spannungsverlauf entsprechend der Kurve H, der
zur Zeit ts einen hohen positiven Wert annimmt und im Zeitpunkt tE auf einen kleineren
Wert abfällt. Das Potential an der Anode der Röhre 31 wird über die Diode 32 an
den Kondensator 34 und über den Widerstand 33 an die Glimmlämpchen 35 und 36 weitergeleitet.
Nachdem der Kondensator 34, wie die Kurve I zeigt, relativ schnell aufgeladen worden
ist, zünden die Glimmlämpchen 35 und 36. Wenn das Potential an der
Anode
der Röhre 31 im Zeitpunkt tE abfällt, gibt der Kondensator 34 seine Ladung über
den Widerstand 33 an die Glimmlampen 35 und 36 ab, die dann noch kurze Zeit weiterbrennen,
so daß an dem Verbindungspunkt der beiden Glimmlampen ein Potential entsprechend
der Kurve K entsteht. Die Brenndauer der Glimmlampen ist also um die Zeit dt gegenüber
der Kurve B in F i g. 1 a nach rechts verschoben. Die Spannung der Glimrnlampe 36
wird dem Bremsgitter der Röhre 37 des Endverstärkers 8 zugeführt, an dem gleichzeitig
über einen Widerstand 38 eine negative Spannung anliegt, so daß die Röhre 37 gesperrt
ist, wenn die Glimmlampe 36 nicht brennt.
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Die öffnungszeit des Verstärkers reicht somit um die Zeit d t über
den Einsatz des Bodenechos hinaus.
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Bei der Ausführungsform nach F i g. 4 besteht die bistabile Kippschaltung
9 wiederum aus den Gasentladungstrioden 30 und 31. Der Ladekondensator 44 und die
Widerstände 42 und 43 sind jedoch so bemessen, daß an der Anode der Röhre 31 ein
sägezahnförmiger Spannungsanstieg zustande kommt, der in Fig. 4 a dargestellt ist.
Zur Zeit tE (Echoeinfall) erreicht diese Sägezahnkurve ihre Spitze. Über die Diode
46 lädt sich der Kondensator 45 auf diese Spitze auf. Die Entladungszeitkonstante
des Kondensators (Widerstand 56) ist so bemessen, daß die Spannung innerhalb einer
Lotperiode nur unwesentlich absinkt, wie dies etwa der gestrichelten Linie in Fig.
4 a entspricht. Praktisch entsteht also an dem Kondensator 45 eine Gleichspannung.
An den Kondensator 47 wird eine negative Sägezahnspannung erzeugt, und zwar wird
dieser Kondensator über den Widerstand 48 von einer negativen Spannungsquelle her
aufgeladen und über die Gasentladungsröhre 49 entladen, sobald der Sendeimpuls an
das negativ vorgespannte Gitter dieser Röhre eintrifft. Der negative Sägezahn am
Kondensator 47 und die positive Gleichspannung am Kondensator 45 sind über die Widerstände
50 und 51 einander entgegengeschaltet, und die resultierende Spannung wird an das
Bremsgitter der Röhre 37 des Endverstärkers 8 geführt. Die Neigung des Sägezahns
wird durch den Widerstand 48 so bemessen, daß der Zeitpunkt, in dem die Momentanspannung
des negativen Sägezahnes die positive Gleichspannung kompensiert, um die Zeit t
nach der Ankunft des Bodenechos liegt. In diesem Augenblick wird die Röhre 37 gesperrt,
wobei dieser Vorgang durch die Kapazität 52 beschleunigt werden kann, durch die
eine Rückkopplung vom Schirmgitter auf das Bremsgitter erfolgt. Das Schirmgitter,
welches über einen Widerstand 53 von der positiven Spannungsquelle gespeist wird,
muß infolge der Stromverteilung bei Negativerwerden des Bremsgitters einen höheren
Strom aufnehmen, so daß sein Potential niedriger wird, und dieser Potentialabfall
wird über den Kondensator 52 auf das Bremsgitter gekoppelt, wodurch der Vorgang
der Sperrung beschleunigt wird. Wie schon erwähnt, kann die Entladezeitkonstante
des Kondensators 45 so bemessen werden, daß die Gleichspannung an diesem Konden-
sator
bei einem plötzlichen Amplitudenabfall des Sägezahnes in Fig. 4 a, d. h. wenn das
Echo plötzlich früher auftritt, wie es bei verlorengegangenen Gegenständen der Fall
ist, seine Spannung zunächst für die Dauer von beispielsweise 20 Lotperioden beibehält,
so daß der Zeitpunkt der Sperrung des Verstärkers von der plötzlichen Verkürzung
der Echolaufzeit unbeeinflußt bleibt. In der Registrierung ergibt sich dann eine
nach oben gerichtete Verlängerung der von der Schreibfeder erzeugten Striche, die
eine steile Front aufweist und dann allmählich abnimmt. Dies ist in Fig. 4b dargestellt.
Hindernisse bzw. aufgefundene Gegenstände werden hierdurch stärker aus ihrer Umgebung
herausgehoben.