DE1281322B - Einrichtung zur Echolotung im Wasser - Google Patents

Einrichtung zur Echolotung im Wasser

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DE1281322B
DE1281322B DEF41252A DEF0041252A DE1281322B DE 1281322 B DE1281322 B DE 1281322B DE F41252 A DEF41252 A DE F41252A DE F0041252 A DEF0041252 A DE F0041252A DE 1281322 B DE1281322 B DE 1281322B
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Germany
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broadband
amplifier
echo
frequency
frequencies
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DEF41252A
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English (en)
Inventor
Dr Phil Nat Siegfr Fahrentholz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PHIL NAT SIEGFRIED FAHRENTHOLZ
Original Assignee
PHIL NAT SIEGFRIED FAHRENTHOLZ
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S1/00Beacons or beacon systems transmitting signals having a characteristic or characteristics capable of being detected by non-directional receivers and defining directions, positions, or position lines fixed relatively to the beacon transmitters; Receivers co-operating therewith
    • G01S1/72Beacons or beacon systems transmitting signals having a characteristic or characteristics capable of being detected by non-directional receivers and defining directions, positions, or position lines fixed relatively to the beacon transmitters; Receivers co-operating therewith using ultrasonic, sonic or infrasonic waves

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

  • Einrichtung zur Echolotung im Wasser In der Echolottechnik zur Wassertiefenlotung sind Geräte üblich, die mit Hilfe von in Resonanz arbeitenden Sende- und Empfangs einrichtungen mit periodischer Impuls auslösung und Echo empfang die Wassertiefen anzeigen oder registrieren. Dabei werden in der Unterwasserschalltechnik Frequenzen im sonoren und ultrasonoren Gebiet angewendet, z. B. zur Tiefseeforschung, und zur Erzielung großer Reichweiten tiefe Frequenzen von 8 bis 20 kHz und zum Bestimmen kleinerer Tiefen oder Entfernungen höhere Frequenzen bis 100 und 200 kHz. Fischsuchgeräte lassen sich mit Erfolg unter Anwendung von Frequenzen zwischen 30 und 100kHz bauen. Alle in Resonanz betriebenen Geräte haben aber den Nachteil, daß sie im wesentlichen nur eine bestimmte Größe der im Wasser befindlichen Reflektoren besonders gut aufzeichnen und daß man mit ihnen nicht alle an ein Echolot gestellte Aufgaben erfüllen kann. Ein Echolot soll z. B. nicht nur die Wassertiefe, sondern auch die Bodenschichtungen oder auf dem Boden oder im Boden befindliche Hindernisse aufzeichnen.
  • Es ist bereits bekannt, zum Zwecke der Echolotung nicht nur eine Resonanzfrequenz, sondern zwei verschiedene Resonanzfrequenzen, z. B. eine tiefe Frequenz zur Registrierung des festen Bodens und eine höhere Frequenz zur Registrierung des weichen Bodens, gleichzeitig in einem Lotgerät zu benutzen.
  • Aber auch hierbei muß man sich bei der Konstruktion des Apparates auf bestimmte Frequenzen festlegen.
  • Statt mehrerer Schwinger verschiedener Resonanz können dabei auch die Oberwellen eines in Resonanz betriebenen Schwingers benutzt werden.
  • Bei einem CW-Verfahren zur Entfernungsmessung im Wasser ist es bekannt, die Frequenz eines dauernd strahlenden Senders zu wobbeln. Dabei wird jedoch in jedem Augenblick nur eine einzige Frequenz abgestrahlt, und der Wobbelbereich ist auch relativ klein, nämlich nicht größer als der Hörbereich, so daß die höchste Frequenz z. B. 48 kHz und die niedrigste 36 kHz beträgt.
  • Für seismische Untersuchungen im Wasser ist es ferner bekannt, zum Senden einen durch Explosion eines Gases oder durch eine Funkenentladung erzeugten Knall zu verwenden. Das Frequenzspektrum eines solchen Knalls liegt jedoch unterhalb oder nur am Rande des für die Echolotung in Frage kommenden Frequenzgebietes. Außerdem sind die Energieanteile der einzelnen Frequenzen in einem solchen Knall sehr unterschiedlich. Auch ist die Impulsdauer bei einem Knall nicht beliebig wählbar, wie dies für eine Echolotung wünschenswert ist.
  • Es ist auch bekannt, auf Flugzeugen einen Emp- fänger anzuordnen, der die vom Boden reflektierten höherfrequenten Anteile des Motorgeräusches empfängt, um auf diese Weise eine Anzeige für die Annäherung des Flugzeuges an den Boden zu erhalten.
  • Ferner ist es bekannt, zur Überwachung eines breiten Frequenzbandes auf Ultraschallimpulse das Prinzip des Korrelationsempfangs zu verwenden, bei dem das gesamte Empfangsband mit einer örtlich erzeugten Frequenz überlagert und die Summenfrequenz anschließend mit dem Originalband wieder überlagert wird, so daß am Ausgang die Oszillatorfrequenz erscheint, wenn in diesem Band an irgendeiner Stelle eine Impulsnachricht enthalten ist. Wenn das Originalband über ein Verzögerungsglied geführt wird, dessen Verzögerung einerseits möglichst groß, aber andererseits kleiner als die Impulslänge ist, gelingt es, das Breitbandrauschen, in dem die Nachricht ansonsten untergeht, mehr oder minder zu unterdrücken, so daß im wesentlichen nur die Nachricht übrigbleibt. Eine begrenzte Geheimhaltung der Nachricht kann dabei dadurch erhalten werden, daß der Empfang durch abstimmbare Empfänger unmöglich gemacht ist, indem die Impulsuachricht einem »random noise-Oenerator« aufmoduliert wird, d. h. einem Generator, der ein relativ schmalbandiges Rauschen erzeugt, dessen mittlere Frequenz sich willkürlich innerhalb des breiten Empfangsbandes ändert.
  • Schließlich ist es auch in der Radioastronomie bekannt, das breitbandige Dauerrauschen eines Gestirns durch Anwendung von Korrelationsverfahren zur Abstandsmessung auszunutzen.
  • Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Echolotung im Wasser mit einem Breitbandsender und einem Breitbandempfänger, bei der die Laufzeit von Impulsen gemessen wird, und zeichnet sich dadurch aus, daß als Breitbandsender ein impulsgetasteter Rauschgenerator dient.
  • Eine solche Einrichtung hat gegenüber der Verwendung diskreter Sendefrequenzen den Vorteil, daß im Lotraum keines der mehr oder minder selektiv reflektierenden Objekte unentdeckt bleibt und sich eine naturgetreue Darstellung des Lotraumes ergibt.
  • Die in den letzten Jahren bekanntgewordenen Kristalle mit gutem piezoelektrischem Effekt, wie z. B. das Bariumtitanat, ermöglichen es, elektroakustische Wandler zu bauen, die infolge der höheren Empfindlichkeit der Kristalle auch außerhalb der Resonanzfrequenz genügend Schallenergie abstrahlen oder aufnehmen, was bei den magnetostriktiven Schwingern immer auf größte Schwierigkeiten gestoßen ist. Gießt man einen Kristall hohen piezoelektrischen Effektes in ein gut isolierendes Gießharz geeigneter Dichte ein, so kann man ihn mit größtem Wirkungsgrad selbstverständlich in der durch seine Abmessung bedingten Resonanz betreiben, aber auch außerhalb der Resonanz, wenn man ihm höhere elektrische Energie zuführt. Dieses mit den heutigen elektronischen Mitteln zu tun, stellt keine Schwierigkeit dar, so daß eine Echolotung breitbandig z. B ! zwischen 5 und 100 kHz gleichzeitig möglich ist. Die Erfindung verwendet als Sendeeinnchtung hierfür einen Rauschgenerator, der über eine Torstufe zur Sendeimpulserzeugung getastet wird. Der Breit bandempfänger ist für den Echo empfang an den Breitbandverstärker angeschlossen, dessen Ausgangsspannungen dem Echolotanzeige- oder Registriergerät zugeführt werden. Es kann aber auch nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung zur Empfangs verstärkung ein Überlagerungsempfänger benutzt werden, dessen tberlagerer in seiner Frequenz kQe tinuierlich mittels eines Drehknopfes verstellbar ist.
  • Dies gibt die Moglichkeit, mit dem Raus. chgemrator zwar breitbandig zu senden, aber durch Bildung der Zwischenfrequenz schmalbandig zu empfangen, wodurch sich das Echolot allen jeweils auftretenden Forderungen anpassen läßt, d. b., es läßt sich die Betriebsfrequenz kontinuierlich von der tiefen bis zur hohen Frequenz durchfahren, womit sich eine Trennung von Gegenständen verschiedener Härte und Größe erzielen läßt. Es kann nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung die Echoloteinrichtung z B. so ausgebildet sein, daß sie wahlweise eine Anzeige oder Registrierung mit Breitband ermöglicht und durch Betätigen eines Umschalters mittes des Überlagerers zur besseren Analyse des Gesamtechobildes das jeweils ausgesuchte schmale Frequenzband benutzt In A b b. 1 bewirkt das Anzeige- oder Registriergerät 1 die Impuls auslösung über den Rauschgenerator 2, der seine elektrischen Impulse an den Breitbandwandler 3 abgibt. Es können selbstverständlich statt des gezeichneten einen Wandlers, der wahlweise als Sender und Empfänger dient, zwei getrennte Wandler zum Senden und Empfangen benutzt werden. Zum Empfang aller Echos sind einmal ein Breitbandverstärker 4 undloder ein Uberlagerungsverstärker 5 vorhanden, die mittels der Umschalter 6 und 7 wahlweise an das Registrier- oder Anzeigegerät 1 geschaltet werden können. Die Echofrequenz wird in der Mischstufe 8 mit der Dszillatorfrequenz 9 so überlagert, daß sich eine Zwischenfrequenz 10 ergibt.
  • A b b. 2 zeigt den Einbau einer Vielzahl von Breitbandwandlern im Schiffsboden eines Forschungsschiffes.
  • Wenn alle Frequenzen des breiten Bandes mit gleicher Richtwirkung abgestrahlt und eçmpfaNen werden sollen, so muß d für alle Frequenzen gleich sein (d = Ausdehnung der Gruppe, 1 = Wellenlänge). Es müssen also die tieferen Frequenzen von allen Schwingern der rechteckförmigen Anordnung, die höheren Frequenzen entsprechend ihren Wellenlängen nur von den weiter innen liegenden abgestrahlt und empfangen werden. Dies kann man dadurch erreichen, daß zwischen die äußeren Schwinger und den Empfangsverstärker Filter, die die höheren Frequenzen sperren, eingeschaltet werden.
  • Eine genügend feine Unterteilung der gesamten Gruppe in Teilgruppen für die Teilbänder ergibt dann nahezu gleiche Richtwirkung für alle Frequenzen des breiten Bandes.
  • Wird eine derartige Breitbandecholotgruppe, eingebaut in ein geeignetes Gehäuse, mittels eines Zugkabels in Bpdennähe abgelassen, so lassen sich mit großer Lotfolge Aufnahmen der Bodenschichtungen usw. durchführen. Auch für die Hindernissuche in Wasserstraßen unter Verwendung von Auslegern und Profil-und Flächenechographen kann das beschriebene Breitbandverfahren Anwendung finden.
  • Ferner besteht die Möglichkeit, eine akustische Breitbandgruppe in einen Schleppkörper einzubauen und mit einem Rauschgenerator großer Leistung zu erregen, so daß diese Einrichtung, für das Scheuchen von Viralen und zur Durchführung von Schallausbreitungsmessungen im freien Wasser benutzt werden kann. Ein Rotationskörper, besetzt mit Breitbandsendern, ist dabei zum Nachschleppen besonders geeignet.

Claims (8)

  1. Patentansprüche : 1. Einrichtung zur Echolotung im Wasser, bei der die Laufzeit von Impulsen gemessen wird, mit einem Breitbandsender und einem Breitbandempfänger, dadurch gekennzeichnet, daß als Breitbandsender ein impulsgetasteter Rauschgenerator dient.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektroakustischer Wandler ein in einen Kunststoff eingebetteter Kristall hohen piezoelektrischen Effektes Verwendung findet, der außerhalb seiner Resonanz mit wesentlich größerer elektrischer Energie erregt wird, als dies bei Impulserzeugung in seiner Resonanz erforderlich iSt.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Empfangsverstärker ein aperiodischer Verstärker benutzt wird.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß außer einem Breitbandverstärker für den Echo empfang auch ein oberlage. rungsverstärker wahlweise anschaltbar ist, der durch Bildung einer Zwischenfrequenz aus dem Breitbandecha ein beliebig wählbares schmales Frequenzband zur Echo anzeige heraushebt und daß diese Frequenz mit einem Knopf am Verstärker einstellbar ist, so daß sich z. B. ein Band von 5 bis 150 kHz kontinuierlich durchfahren läßt.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mittels Umschalter zusätzlich ein Betrieb der Echoloteinrichtung in der Resonanz der Schwinger für große Reichweiten möglich ist.
  6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Breitbandwandler auf großer Fläche in den Boden eines Schiffes eingebaut sind und daß ihre Ausdehnung so groß gewählt ist, daß auch die tiefste Frequenz des zur Lotung benutzten Bandes noch ausreichende Richtwirkung aufweist und daß aus der Gesamtgruppe Teilgruppen gebildet werden, die derart an den Breitbandempfangsverstärker angeschlossen sind, daß die Richtwirkungen für alle Frequenzen des breiten Bandes nahezu gleich sind, indem zwischen die am Rand der Gruppe liegenden Schwinger und den Verstärker entsprechende Filter zur Unterdrückung der höheren Frequenzen geschaltet sind, und daß zur Bemessung der Filter von Teilgruppe zu Teilgruppe im Boden des Schiffes schließlich für die höchsten Frequenzen des Bandes nur die innersten Schwinger der Gruppe wirksam sind, daß also d/Ä für alle Frequenzen möglichst gleich ist.
  7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schwingergruppe mit Breitbandwandler in ein Gehäuse eingebaut ist, das in Bodennähe heruntergelassen oder nachgeschleppt werden kann.
  8. 8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie für Profil- und Flächenechographen in Verbindung mit Meßschiffen und Auslegern Anwendung finden.
    In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 708 402 ; deutsche Auslegeschriften Nr. 1 037 328, 1128329; französische Patentschrift Nr. 1 293 274; USA.-Patentschriften Nr. 2 977 568, 3 064 235; »VDI-Nachrichten«, 1962, Nr. 34, S. 1; »Nachrichten-Technik«, 1961, H. 1, S. 2 bis 7; »The Mining Engineer«, 1961, Nr. 4, S. 264.
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE708402C (de) * 1937-12-07 1941-07-19 Aeg Anordnung zur Abstandsanzeige auf Fahrzeugen, insbesondere Luftfahrzeugen
DE1037328B (de) * 1953-08-07 1958-08-21 Dr Phil Siegfried Fahrentholz Einrichtung zur Echolotung, insbesondere im Wasser
US2977568A (en) * 1951-05-17 1961-03-28 Jr Arthur H Roshon Frequency-modulated echo ranging equipment
DE1128329B (de) * 1955-05-27 1962-04-19 Electroacustic Gmbh Echoloteinrichtung fuer Unterwasserschall
FR1293274A (fr) * 1960-05-26 1962-05-11 Kelvin & Hughes Ltd Perfectionnements au sondage par écho
US3064235A (en) * 1955-11-07 1962-11-13 Keith E Geren Audible broadband sonar monitor

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