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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.
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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.
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Aber auch hierbei muß man sich bei der Konstruktion des Apparates
auf bestimmte Frequenzen festlegen.
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Statt mehrerer Schwinger verschiedener Resonanz können dabei auch
die Oberwellen eines in Resonanz betriebenen Schwingers benutzt werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Schließlich ist es auch in der Radioastronomie bekannt, das breitbandige
Dauerrauschen eines Gestirns durch Anwendung von Korrelationsverfahren zur Abstandsmessung
auszunutzen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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A b b. 2 zeigt den Einbau einer Vielzahl von Breitbandwandlern im
Schiffsboden eines Forschungsschiffes.
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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.
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Eine genügend feine Unterteilung der gesamten Gruppe in Teilgruppen
für die Teilbänder ergibt dann nahezu gleiche Richtwirkung für alle Frequenzen des
breiten Bandes.
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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.
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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.