DE1441485C1 - Anordnung zur Ortung und Frequenzmessung von Unterwasser-Schalloder Ultraschallquellen - Google Patents
Anordnung zur Ortung und Frequenzmessung von Unterwasser-Schalloder UltraschallquellenInfo
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- DE1441485C1 DE1441485C1 DE1962C0028770 DEC0028770A DE1441485C1 DE 1441485 C1 DE1441485 C1 DE 1441485C1 DE 1962C0028770 DE1962C0028770 DE 1962C0028770 DE C0028770 A DEC0028770 A DE C0028770A DE 1441485 C1 DE1441485 C1 DE 1441485C1
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Seilenwinkelortung oder Azimutwinkelortung und zur
Frequenzmessung von gegebenenfalls diskreten Unterwasser-Schal!- oder -Ultraschallquellen mit einem
Schallempfänger mit Hydrophonen.
Anordnungen dieser Art dienen insbesondere zum Anpeilen von Sonar-Sendern.
Die zur Zeit gebräuchlichen Geräte verwenden zu diesem Zweck gewöhnlich zwei Hydrophone mit im
wesentlichen kreisrunder Richtcharakteristik, die im rechten Winkel zueinander gekreuzt angeordnet sind.
Ihr wesentlicher Nachteil ist darin zu sehen, daß die
angenommene kreisrunde Form der Richtcharakteristik, die eine Grundvoraussetzung des Systems ist,
keineswegs streng eingehalten wird, und daß dieser Mangel sich in Abhängigkeit von den Eigenschaften des
ίο angepeilten Sonar-Geräts ändert, so daß die festgestellten
Seitenwinkel im allgemeinen sehr ungenau sind, ohne daß es möglich ist, Kompensationskurven zu
zeichnen, die für alle Anwendungsbedingungen gültig sind.
-.5 Zur Ortung von Schallwellen Undefinierter Frequenz,
z. B. Geräuschen, ist es bekannt, mehrere gerichtete
Empfänger, beispielsweise Hydrophonpaare mit Richtwirkung, im Winkel zueinander aufzustelien und die
Ausgangsspannungen der Empfänger, bei Hydrophonpaaren also die Resultierende der Ausgangsspannungen
der beiden Hydrophone des Paares, nach Verstärkung unmittelbar als Ablenkspannungen für einen Katodenstrahl-Oszillographen
zu verwenden. Die Lage des Lichtpunkts auf dem Schirm der Katodenstrahlröhre ist
dann eine Anzeige für die Richtung, aus der die Schallwellen kommen. Die Meßpenauigkeit dieser
Anordnung ist ajer wieder von der Genauigkeit des Richtdiagramms der gerichteten Empfänger abhängig.
Außerdem ist die Anzeige der Frequenz der Schallwellen
mit einer solchen Anordnung nicht möglich.
Schließlich ist auch eine Anordnung zur Feststellung
des Ortes des Vorbeigangs eines sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegenden Geschosses auf Grund der
Stoßwellen bekannt, bei welchem vier Mikrophone
r> benutzt werden, die im Abstand von 90° auf einem Kreis
angeordnet sind. Bei dieser Anordnung werden die Zeitpunkte des Eintreffens der Stoßwellen an den
Mikrophonen durch Differentiieren der Ausgangsspannungen der Mikrophone fastges; -lit und in Rechengeräte
eingegeben, die an Hand der Zeitunterschiede den Ort des Vorbeigangs ermitteln und mit Hilfe eines
Oszillographen anzeigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, die mit Hilfe von Hydrophonen
4r> sowohl die Sc lenrichtung als auch die Frequenz einer
Unterwasser-Schall- oder -Ultraschallquelle unmittelbaranzeigt.
Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Schallemptänger aus zwei Hydrophon-Dipolen
M besteht, weiche mit parallelen Polachsen im Winkel von
90u zueinander gekreuzt angeordnet sind, daß jedem Dipol eine elektronische Anordnung zugeordnet ist,
weiche eine der Phasendifferenz zwischen den von den beiden Hydrophon-Polen des Dipols kommenden
« Signalen proportionale Spannungen erzeugt, und daß
die beiden Spannungen den Ablenksystemen einer Oszillographenrohre zugeführt werden.
Da jedes Hydrophon in bezug auf eine durch seinen geometrischen Mittelpunkt gehende Achse im wesentli-
M) chen richtwirkungsfrei ist. besteht ein Hydrophon-Pol
aus einem Hydrophon oder aus zwei gleichen und gleichachsig angeordneten Hydrophonen, deren Mittelpunkte
im Abstand voneinander auf der gemeinsamen Achse liegen. Im zweiten Fall liegt das Zentrum des Pols
ί>5 auf dem Mittelpunkt der Strecke, welche die Mittelpunkte
der beiden den Pol bildenden Hydrophone miteinander verbindet. Ein Hydrophon-Dipol besteht
aus zwei Hydrophon-Polen, deren Achsen parallel
TUJ
zueinander in einem bestimmten Abstand liegen und senkrecht zu der die Zentren der beiden Pole
verbindenden Geraden stehen.
Die Erfindung ergibt die Wirkung, daß die Richtung des den Mittelpunkt des Schirms mit dem ausgelenkten
Lichtpunkt verbindenden Vektors die Richtung der georteten Schallquelle anzeigt, und daß die Größe
dieses Vektors ein Maß für die Frequenz der empfangenes Schallweilen ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung des Erfindungsgenstandes werden die Auswirkungen des Wassenauschens
dadurch beseitigt, daß wenigstens ein Pol jedes Dipols aus zwei koaxialen, in geeignetem Abstand
voneinander entlang der gemeinsamen Achse angeordneten Hydrophonen besteht
Diese Ausbildung ergibt die Wirkung, daß die vom Wasserrauschen stammenden Signale zwischen den
beiden Polen jedes Dipols außer Korrelation gebracht werden.
Eine zweckmäßige Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes
besteht darin, daß am A.usgang jedes Pols der beiden Hydrophondipole ein Modulator angeschlossen
ist, daß jeder dieser Modulatoren an seinem anderen Eingang das Ausgangssignal eines Oberlagerungsoszillators
empfängt, daß der Ausgang eines Pols jedes Dipols mit dem zugeordneten Modulator direkt
verbunden ist, daß der Ausgang des zweiten Pols jedes Dipols mit dem zugeordneten Modulator über einen
90°-Phasenschieber verbunden ist, und daß die Phasenverschiebungen zwischen den Sinusspannungen, welche
von den beiden Modulatoren abgegeben werden, die an die Ausgänge der beiden Pole des gleichen Dipols
ingeschlossen sind, von einem Polaritätskoinzädenzkorrelator gemessen werden.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung r, beispielshalber erläutert. Es zeigt
Fig. 1 die Ausbreitung einer an einem akustischen Dipol ankommenden ebenen Welle,
Fig.2 eine schematische Darstellung der Sichtbarmachunt
des Seitenwinkels und der Frequenz,
Fig.3a eine Seitenansicht einer nach der Erfindung
ausgebildeten Anordnung,
F i g. 3b eine Oberansicht der Anordnung von F i g. 3a,
F i g. 3c einen Teil der Anordnung von F i g. 3a und 3b
in größerem Maßstab, -n
F i g. ί das Blockschaltbild der elektronischen Schaltung
der erfindungsgemäßen Anordnung,
F i g. 5 eine schematische Darstellung des Prinzips der Beseitigung von Mehrdeutigkeiten und
Fig.6 eine Darstellung verschiedener Vektoren, die
auf dem Schirm der Oszillographenröhre erscheinen können
Es sei zunächst das Prinzip der durchzuführenden Messung erläutert.
In F i g. I sind zwei gleichartige Hydrophone 1 und 2 dargestellt, die zu einem akustischen Dipol miteinander
verbunden sind. Die Strahlungsdiagramme dieser Hydrophone sind richtungsunabhängig und ihre Achsen
stehen senkrecht zu der Zeichenebene, weiche die Schwerpunkte enthält. ω
Eine aus der Richtung Δ kommende ebene Welle, die
einen Winkel θ mit der Grundlinie 1-2 des akustischen Dipols bildet, erreicht die Hydrophone 1 und 2 in den
Zeitpunkten /i bzw. t2, wobei sie die parallel zu Δ
liegenden Geraden Δ ι und Δ2 durchläuft.
Es ist zu erkennen, daß diese Geraden mit der Senkrechten auf d<c Grundlinie 1*2 des Dipols den
Winkel θ einschließen.
Im Zeitpunkt d nimmt die Schnittlinie der ebenen Welle mit der Zeichenebene die Lage l-2i ein, wobei sie
mit der Grundlinie 1-2 und der Geraden Δ2 das Dreieck
l-2i-2 bildet, das bei 2i einen rechten Winkel aufweist,
während der zwischen der ebenen Welle l-2i und der Grundlinie 1-2 liegende Winkel den Wert θ hat
Die Phasenverschiebung h - ti zwischen den Laufzeiten,
welche die aus der Richtung Δ kommende Welle benötigt, um die Hydrophone 2 bzw. 1 zu erreichen, ist
gleich der Zeit, welche die Welle zum Durchlaufen der
Strecke 2i-2=l-2 · cos θ benötigt, wobei 0 der Seitenwinkel der Schallquelle in bezug auf die
Senkrechte zu der Grundlinie 1-2 ist welche bei dem gewählten Beispiel mit der Richtlinie des Schiffes
zusammenfällt
Dann gilt also:
r2 - r, = 2.1 —/cos«.
Darin sind d die Länge der Grundlinie 1-2, θ der
Seitenwinkel der Schallquelle, f die Frequenz der ausgesendeten Welle und cdie Ausbreitungskonstante.
Noch einfacher läßt sich schreiben:
I2- t, = Kfcosf),
wenn man setzt:
wenn man setzt:
K = 2 J-.
c
c
In Fig.2 ist ein erster Dipol 1-2 dargestellt, dessen
Grundlinie beispielsweise senkrecht zu der Richtlinie des Schiffes ist, während ein zweiter Dipol 3-4 den Dipol
1-2 im rechten Winkel kreuzt, so daß also die Grundlinie 3-4 parallel zu der Richtlinie des Schiffes liegt
Wie zuvor gilt:
:;nd in gleicher Weise gilt
U - ti = K fs'in Θ.
U - ti = K fs'in Θ.
F i g. 2 zeigt in vereinfachter Darstellung das zur Seitenwinkelortung dienende Gerät r.ich der Erfindung,
das zugleich die Frequenz der Schallquelle mißt
Eine elektronische Anordnung Θ12, die einem
Phasenmesser äquivalent ist und später genauer erläutert wird, mißt die Phasenverschiebung zwischen
den an den Hydrophonen 1 und 2 ankommenden korrelierten Weben, während eine gleichartige Anordnung
Θμ die gleiche Aufgabe für die Hydrophone 3 and
4 erfüllt
Arii Ausgang dieser Phasenmeßanordnungen werden
die Spannungsdifferenzen, die jeweils den von den Anordnungen &u bzw. Q» gemessenen Phasenverschiebungen
proportional sind, an die Ablenkplattenpaare 28i, 282 bzw. 28j, 284 einer Oszillographenröhre 28
angelegt. Dies'" Plattenpaare sind im rechten Winkel
zueinander gekreuzt angeordnet.
Der Kathödenstrählpunkt befindet sich in der
neutralen Stellung im Mittelpunkt des kreisrunden Schirms, wenn keine Spannungsdifferenz an den Platten
jedes Plattenpaares liegt. Beim Vorhandensein von Spannungen, welche Phasenverschiebungen anzeigen,
wird dieser Punkt entlang einem Vektor φη, der parallel
zu dem Dipol 1-2 dargestellt und proportional zu der am Dipol 1-2 gemessenenen Phasenverschiebung ist, und
entlang einem Vektor φν, der parallel zum Dipol 34
dargestellt und proportional zu der am Dipol 3-4 gemessenenen Phasenverschiebung ist, abgelenkt.
Für diese beiden Vektoren gilt:
Für diese beiden Vektoren gilt:
<pi2 ist proportional f2^-f|,alsozu /cos θ
g>34 ist proportional h— U, also zu /"sin Θ.
g>34 ist proportional h— U, also zu /"sin Θ.
Der resultierende Vektor φ (f, Q), welcher die
Auslenkung des Lichtpunktes zur Sichtbarmachung der georteten Schallquelle bewirkt, hat somit als Betrag eine
Länge, die der Frequenz fder Schallwelle proportional
ist, und als Argument den Seitenwinkel Θ, in welchem die Schallquelle zu hören ist.
Ein Ausführungsbeispiel des Schallortungsgeräls nach der Erfindung ist in Fig.3a, 3b und 3c für den
Schallempfänger und in Fig.4 für den elektronischen
Teil und die Anzeigeeinrichtung dargestellt.
Γ"*«». 0#*Uollf>ryinf8nfr£r jTjit 711/ρΐ crpl/rpii^tpn ΠίηηΙρη ict
in F i g. 3a in Seitenansicht und in F i g. 3b in Oberansicht
gezeigt, während F i g. 3c einen Dipol in Seitenansicht in vergrößertem Maßstab zeigt.
In jedem Dipol besteht einer der beiden Pole aus zwei
Hydrophonen, die zentrisch zu der gleichen senkrechten Achse angeordnet sind; dies sind für den Dipol 1-2 die
Hydrophone 1 und Γ und für den Dipol 3-4 die Hydrophone 3 und 3'.
F i g. 3c zeigt den gegenseitigen Abstand der Hydrophone 1 und Γ sowie den Abstand der senkrechten
Achse des Pols 1-Γ von der senkrechten Achse des Pols
2. Für das dargestellte Beispiel betragen diese Masse 100+100 = 200 mm bzw. 37,5 mm. Dabei ist der
Schallempfänger in einer Kuppel untergebracht, die aus einem zylindrischen Abschnitt mit dem Durchmesser
250 mm besteht, welcher von einer halbkugelförmigen Kalotte abgeschlossen ist, so daß die Gesamthöhe der
Kuppel 500 mm beträgt.
Später wird noch zu erkennen sein, daß es durch diese Abstände möglich ist, die vom Wasserrauschen
hervorgerufenen Störsignale zwischen den beiden Polen jedes Dipols außer Korrelation zu bringen, wobei
aber die Bedingung der Beseitigung von Mehrdeutigkeiten erfüllt bleibt.
Fig.4 zeigt das Blockschaltbild der elektronischen
Anordnung des erfindungsgemäßen Geräts.
Die von den Hydrophonen 1 (bzw. 1, l'),2 und 3 (bzw.
3, 3'), 4 empfangenen Signale werden nach Durchgang uncj
durch einen Vorverstärker 11, 21, 31 bzw. 41 einem Ein-Seitenband-Modulator 12, 22,32 bzw. 42 zugeführt.
Diese Modulatoren empfangen andererseits von einem Oszillator 5 eine Unterträgerfrequenz von beispielsweise
30 kHz, wobei der den Modulatoren 12 und 32 zugeführte Unterträger durch einen Phasenschieber 6
gegenüber dem den Modulatoren 22 und 42 zugeführten Unterträger um π/2 phasenverschoben wird.
Die Ausgangssignale der Ein-Seitenband-Modulatoren 12, 22,32 und 42 werden in den Schaltungskanälen
13,23,33 bzw. 43 von zwei Polaritätskoinzidenzkorrelatoren
herkömmlicher Art verstärkt und begrenzt; jeder dieser Korrelatoren enthält einen logischen Multiplikator
7 bzw. 8.
Wenn eine Azimutabtastung durchgeführt werden soll, d.h. eine Abtastung in bezug auf eine feste
Richtung, beispielsweise die Nordrichtung, ist es mittels Umschaltern 9 und 10 möglich, die Ausgangsspannungefl
der beiden Korrelatoren an Potentiometer 14, 15 &5
und 16, 17 anzulegen, mit denen zu dem festgestellten Seitenwinkel der Kurswinkel addiert werden kann.
Den Ablenkverstärkern 25 und 27 ist jeweils ein Dämpfungsglied 24 bzw. 26 zur Ablenkdehnung
vorgeschaltet. Dieses Dämpfungsglied ist normalerweise in Betrieb, kann aber mittels eines Umschalters 19
bzw. 20 abgeschaltet werden.
Die Verstärker 25 und 27 legen die Ablenkspannungen, die, je nachdem, ob die Umschalter 9 und 10 die zur
Kurswinkelkorrektur dienenden Glieder 14—18 einschalten oder nicht, dem Azimut oder dem Seitenwinkel
entsprechen, an eines der Ablenkplatlenpaare der Oszillographenröhre 28, die vorzugsweise mit Bildaufrechterhaltung
arbeiten.
Die Wahl einer Röhre mit Bildaufrechtefhaltung ermöglicht es, einen die Funktion φ (f, Θ) darstellende
Vektor auch dann zu erhalten, wenn die festgestellte Schallquelle Signale von sehr kurzer Dauer, beispielsweise
in der Größenordnung von 20 \is abgibt.
Es soll nun der Betrieb einer nach der Erfindung aiiscrpführten Ortimos- und Analvsatoreinrichtune für
den Fall untersucht werden, daß eine ebene Schallwelle, deren Frequenz / beispielsweise zwischen 2000 und
10 000 Hz liegt, aus einer im wesentlichen horizontalen Richtung mit dem Seitenwinkel θ ankommt.
Es sei zunächst der Dipol 1,2 betrachtet:
Für eine ebene Welle, die von einer in großer Entfernung liegenden Quelle kommt, ist die Summe der
von den Hydrophonen 1 und Γ abgegebenen Spannungen g.i-sich der Spannung, die von einem Hydrophon
abgegeben würde, welche im Schwerpunkt der Strecke 1*1' liegt. Man kann den Abstand 1-Γ so bemessen, daß
das an den Hydrophonen 1 und Γ auftretende Wasserrauschen mit dem Wasserrauschen am Hydrophon
2 nicht korreliert ist.
Das gleiche gilt für das Wasserrauschen an den Hydrophonen 3, 3' das mit dem Wasserrauschen am
Hydrophon 4 nicht korreliert ist.
Später wird noch zu erkennen sein, daß der waagerechte Abstand zwischen den Schwerpunkten der
Pole des gleichen Dipols nicht ausreicht, um das Rauschen außer Korrelation zu bringen.
Für einen ausreichend starken Schall erhält man dann folgende Ausgangsspannungen an den Korrelatoren 7
bzw. B:
4/—sin«
4/—cosß.
Darin sind:
d = der Abstand der Dipole
c — die Geschwindigkeit der ankommenden Welle
Θ = der Seitenwinkel der Schallquelle.
Dieses Ergebnis setzt ferner voraus, daß zwischen den
beiden Kanälen jedes Polaritätskoinzidenzkorrelators ein ^-Phasenschieber nach Art des Phasenschiebers 6
eingefügt ist, der breitbandig ausgeführt sein muß.
Damit zu große Störphasenverschiebungen vermieden werden, wie sie durch einen breitbandigen
Phasenschieber hervorgerufen würden (die Notwendigkeit hierfür wird später noch zu erkennen sein), wird die
Phasenverschiebung um 90° nicht an den aus den Hydrophonen kommenden breitbandigen Signalen
vorgenommen, sondern an einer festen, reinen Sinusspannung, wodurch die Bildung von sehr viel (etwa
6mal) genaueren Phasenschiebern möglich wird.
Die Modulation dieser Sinusspannung der Frequenz F von beispielsweise 30 kHz mit den aus den Hydrophonen
kommenden Signalen der Frequenz / von beispielsweise 1OkHz würde die Bildung von zwei
vorherrschenden Frequenzen, den sog. Seitenbändern, hervorrufen, die bei F+fund bei F— f, im vorliegenden
B$?jpiei also bei 40 kHz und 20 kHz liegen würden.
Aufgrund derartiger Spannungen könnte kein Vergleich
der Signale in den Korrelatoren durchgeführt werden. Aus diesem Grund sind bei dem gewählten
Beispiel die Modulatoren 12 und 22 als Ein-Seitenband-Modulatoren ausgeführt, so daß nur eine einzige
Frequenz F+/Oder F-farn Eingang der Korrelatoren
vorhanden ist.
Wegen des Vorhandenseins des ,τ/2-Phasenschiebers
hat bekanntlich die Korrelationsfunktion von zwei sinusförmigen Eingangssignalen mit der Spitzenamplitlirlp Λ itnrl r\t*r \C r/»lcfrf»mif»n7 r.\ Ata <τ<*ιτΑηΒ*ιίιΐτ um ■*·
zeitlich verschoben sind, die folgende Form:
sin
Hieraus folgt, daß die Ausgangsspannung des Korrelators 7 den folgenden Wert hat:
S5 = — Aresin (sin ,·>
r)
und unter der Voraussetzung, daß
Ss(ß) = — ,..τ = 4/ — sin (9.
wenn ωτ durch seinen Ausdruck als Funktion von f
und Θ ersetzt wird.
Wenn dieses Ergebnis beispielsweise für den Korrelator 7 erhalten worden ist, genügt es, um die
Ausgangsspannung S5des Korrelators 8 zu erhalten, den ao
Wert Θ durch πΙ2-Θ zu ersetzen; diese Richtung spielt
für den Dipo! 3, 4 die gleiche Rolle wie die Richtung Θ
für den Dipol 1,2, was sich wie folgt schreiben läßt:
45
Die vorstehenden Formeln sind nur unter der Bedingung
gültig, weil für
I ·■> τ 1 > — ,
also für
Af- sinfi»
> 1
ι c 1
d sin θ > -4- -V = —r /■
d sin θ > -4- -V = —r /■
4 / 4
eine Mehrdeutigkeit bestehen würde.
Da gemäß der Erfindung der Abstand des Dipols kleiner als 1/4 der kürzesten Welle in dem Frequenzband
gewählt wird (also 3,75 cm für IO kHz oder A= 15 cm),besteht keine Mehrdeutigkeit.
5 Offensichtlich Wäre im entgegengesetzten Fall, d. h. für Frequenzen über 10 kHz oder Wellenlängen unter 15 cm, der erhaltene Seitenwinkel der Schallquelle bei dem gewählten Beispiel falsch,
5 Offensichtlich Wäre im entgegengesetzten Fall, d. h. für Frequenzen über 10 kHz oder Wellenlängen unter 15 cm, der erhaltene Seitenwinkel der Schallquelle bei dem gewählten Beispiel falsch,
Diese notwendige Einschränkung des Abstandes der Hydrophone eines Dipols ergäbe die Wirkung, daß die
von ihnen aufgenommenen, dem Wasserrauschen entsprechenden Signale miteinander korreliert würden,
wenn nicht einer der hydrophonischen Pole jedes Dipols gemäß der F.rfindung aus zwei in ausreichendem
Abstand voneinanderliegenden Hydrophonen bestünde, wie das Beispiel von F i g. 3c zeigt.
Es sind sonst keine Maßnahmen zur Beseitigung von
iribfllUVUllgnVIIVII VI[VIUbIlIbIl. IIUI5IUIIU UbI III UbI
Schaltung hervorgerufenen Phasenverschiebung um ir/2 ist zu erkennen, daß die Ausgangsspannung eines
Korrelators ihr Vorzeichen ändert, wenn sich das Vorzeichen der akustischen Verzögerung zwischen den
beiden Hydrophonen des Dipols seinerseits umkehrt.
Die Kombination der Ausgangsspannungen der beiden Korrelatoren ermöglicht somit die Identifizierung
des Quadranten, in dem sich die Schallquelle befindet (+ + Quadrant I, + - Quadrant II,
Quadrant III. - + Quadrant IV)(siehe Fig. 5).
Wie aus F i g. 4 zu erkennen ist, kann die Ortung der
JU Schallquelle nach Wunsch entweder dem Seitenwinkel
nach oder dem Azimut nach erfolgen, indem für den zweiten Fall die Ausgangsklemmen der Koinzidenzkor·
relatoren 7 und 8 an eine an sich bekannte Kurswinkelkorrekturanordnung angeschlossen werden,
welche durch die Phasenschieber 14 bis 17 dargestellt ist und die Wirkung ergibt, daß an einem der Ablenkplattenpaare
der Oszillographenröhre 28 Spannungen angelegt werden, die derart phasenverschoben sind, daß
der auf der Oszillographenröhre erscheinende Vektor um einen Winkel gedreht wird, der im wesentlichen
gleich dem Kurswinkel ist.
Im vorstehenden wurde angenommen, daß die Richtung Θ der ankommenden Welle durch Reflexionen
am Schiffsrumpf nicht beeinflußt wird, und daß ferner keine störende Phasenverschiebung von der Funkanlage
herrührt.
Es sollen nun die Maßnahmen untersucht werden, die nach der Erfindung getroffen werden, damit unter
Berücksichtigung der verschiedenen Störursachen eine ausreichende Meßgenauigkeit erhalten wird.
Der Schallempfänger wird so weit wie möglich von den Teilen des Rumpfes entfernt, welche zu Schallreflexionen
führen können, beispielsweise ganz vorn oder ganz oben am Turm eines U-Bootes.
Der verbleibende Fehler wird dadurch so weit wie möglich herabgesetzt, und insbesondere in dem
ungünstigsten Fall der Winkelmessungen in der Querrichtung. Die Symmetrie des Schiffsrrmpfes in
bezug auf die Richtlinie des Schiffes macht nämlich von vornherein den Einfluß der Reflexionen auf die
Winkelmessung in den Richtungen, die in der Nähe der
Kurslinie liegen, gering.
Hinsichtlich der Verformung des Feldes durch die Kuppel und die Hydrophone selbst äußert sich der
b5 dadurch hervorgerufene Fehler an der Ablesung des
Seitenwinkels am stärksten, wenn die gemessene Quelle in der Achse des Dipols liegt Die Symmetrie des
Schallempfängers stellt dann einen beträchtlichen
50
kompensierenden Faktor dar, weil die Fehler der Seitenwinkelmessung infolge dieser Symmetrie im
wesentlichen zu Null werden, wenn die ankommende Welle der Achse eines Dipols folgt.
Es seien nun die Phasenverschiebungen untersucht, die von den Verstärkern der elektronischen Anordnung
oder von Verstimmungen der ττ/2-Phasenschieber
hervorgerufen werden.
Wenn die zuvor angegebenen Vorsichtsmaßnahmen getroffen sind, kann angenommen werden, daß der
Fehler in dem Schallempfänger im Mittel kleiner als ±1° gemacht werden kann, wobei die größten
akustischen Fehler in den Richtungen auftreten, die um 45° gegen die Achsen geneigt sind, während in der
Richtung dieser Achsen die kleinsten Fehler vorhanden lind.
Die von der elektronischen Anordnung hervorgerufenen
Phasenverschiebungen sind ihrerseits in Richtung 4er Achsen ^rößer als bei ύ^ν. F.ichtun^n, die 45° σ6σ6η
diese Achsen geneigt sind.
Es ist möglich, die von den nichtlinearen Verzerrungen in den Verstärkern der Begrenzerstufen und von
einer Unsymmetrie oder Verzerrung in den Begrenzern leibst hervorgerufene Phasenverschiebung derart zu
begrenzen, daß der von den Begrenzern stammende Fehler in der Größenordnung von 1/1000 gehalten wird.
Zu diesem Zweck verwendet man beispielsweise •inen Dynamikkompressor, der mit einer Oberwellenfilferung
ausgestattet ist, und es ermöglicht, die modulierte Trägerschwingung auf einem konstanten Pegel in der jo
Größenordnung von 10 Volt zu halten, während die iegrenzung, beispielsweise mit Hilfe einer Schmitt-Kippschaltung,
mit einer Genauigkeit von 10 mV bei der
Auslösung erfolgen kann.
Jedoch wäre der Phasenverschiebungsfehler von sich ή
■us größer als ± 1 °, wenn ein breitbandiger π/2-Phasen-
«chieber verwendet wird. Infolge der Verwendung des Phasenschiebers auf der Trägerfrequenzseite ist es
dagegen ohne weiteres möglich, den Phasenverschiebungsfehler kleiner als 0,15° zu halten, was auf der
Röhre einem Fehler von weniger als ±1° gegenüber den Achsen entspricht.
Unter diesen Bedingungen bleibt der Gesamtfehler fcei der Seitenwinkelablesung unter ±2°, und er kann
•ogar bis in die Nähe von ±1° herabgesetzt werden, wenn jedes der zu dem Fahler beitragenden Elemente
im obigen Sinne besonders sorgfältig hochgezüchtet wird.
An Hand von F i g. 6 soll nun untersucht werden, was ■uf der Bildaufrechterhaltungsröhre 28 zunächst beim
Fehlen einer entfernten Schallquelle und dann beim Auftreten von korrelierten Signalen am Ausgang der
Korrelatoren stattfindet
Beim Fehlen von Signalen erzeugt das Ausgangsrauschen der Korraiatoren einen Fleck im Mittelpunkt der
Bildaufrechterhaltungsröhre. Wenn die Integrationszeitkonstante am Ausgang jedes der Korrelatoren 7 und
8 etwa 10 ms beträgt, also die Hälfte dei kürzesten Impulsdauer, wenn sie für die von der Anordnung zu
analysierenden Signale in Betracht gezogen wird, und die Bandbreite im Maßstab der Anzeigeeinrichtung
beispielsweise höchstens 1OkHz beträgt, läßt sich zeigen, daß bei einer entsprechenden Beseitigung der
Korrelation des Rauschens an den Hydrophonen das Rauschen auf dem Anzeigeschirm einen Kreis um den
Ursprung mit einem Radius Bs von elwa 240 Hz
einnimmt,so daß die Ortung von mindestens 1000 Hz an einwandfrei ist.
Wenn das von dem »Sonar«-Gerät kommende Signs! kräftig empfangen wird, erzwingt es seine Korrelation,
und der Vektor /Θ, welcher das geortete »Sonar«-Gerät dsrstellt, zeichnet sich deutlich auf dem Schirm der
Röhre ab (Punkte A und Cin F i g. 6).
Wenn das Verhältnis des Nutzsignals zum Rauschen in der Nähe von 1 liegt, ist der Vektor f, Θ ungenau und
er bildet sich über den Wert f hinaus und zu beiden Seiten des Wertes Θ durch eine ausgedehnte Ablenkzone
ab (schraffierter Bereich B in F i g. 6).
Wenn ein Signal zugleich mit einem Rauschen vorhanden ist, nehmen die Ausgangsspannungen folgende
Werte an:
4'
worin 5,- und Be die Leistungen des Signals bzw. des
Rauschens am Eingang sind.
Damit also das Gerät insbesondere hinsichtlich der Frequenzmessung genau ist, muß es mit einem
ausreichend großen Rauschabsland arbeiten.
F i g. 6 zeigt den Schirm der Oszillographenröhre für den Fall, daß sich drei Sonargeräte A, B und C
gleichzeitig in dem Meßraum befinden, wobei angenommen worden ist, daß die von den verschiedenen
Sonargeräten stammenden Impulse zeitlich nicht zusammenfallen. Die Wahrscheinlichkeit einer solchen
Koinzidenz ist sehr gering, und man würde dann einen resultierenden Vektor ohne nutzbare Bedeutung erscheinen
sehen.
Natürlich bleibt das Prinzip, für welches zuvor ein besonderer Anwendungsfall beschrieben worden ist,
auch für andere Frequenzbänder, insbesondere solche, die den Bereich von 10 Kilohertz sehr weit nach oben
übersteigen, vollkommen gültig und anwendbar.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Anordnung zur Seitenwinkelortung oder Azimutwinkelortung und zur Frequenzmessung von
gegebenenfalls diskreten Unterwasser-Schall- oder -Ultraschallquellen mit einem Schallempfänger mit
Hydrophonen, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallempfänger aus zwei Hydrophon-Dipolen
besteht, welche mit parallelen Polachsen im Winkel von 90° zueinander gekreuzt angeordnet
sind, daß jedem Dipol eine elektronische Anordnung zugeordnet ist, welche eine der Phasendifferenz
zwischen den von den beiden Hydrophon-Polen des Dipols kommenden Signalen proportionale Spannungen
erzeugt, und daß die beiden Spannungen den Ablenksystemen einer Oszillographenröhre zugeführt
werden.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennieichne-i,
daß wenigstens ein Pol jedes Dipols aus Iwci koaxialen, in geeignetem Abstand voneinander
entlang der gemeinsamen Achse angeordneten Hydrophonen besteht.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang jedes Pols der
beiden Hydrophondipole ein Modulator angeschlossen ist, daß jeder dieser Modulatoren an seinem
»nderen Eingang das Ausgangssignal eines Überlageiungsoszillators
empfängt, daß der Ausgang eines Pols jedes Dipols mit dem zugeordneten
Modulat - direkt verbunden ist, daß der Ausgang *ies zweiten Pols jedes Dipols mit dem zugeordneten
Modulator über einen 901--Phasenschieber verbunden
ist, und daß die Phasenverschiebungen zwischen ilen Sinusspannungen, weiche von den beiden
Modulatoren abgegeben werden, die an die Ausgänge der beiden Pole des gleichen Dipols angeschlossen
sind, von einem Polaritätskoinzidenzkorrelator gemessen werden.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Modulatoren als Einseitenbandmodulatoren ausgeführt sind.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiche von einem Wasserfahrzeug
getragen wird, das einem beliebigen Kurswinkel folgt und mit einer den Kurswinkel wiedergebenden
Schaltung ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß an die Eingänge der Ablenkschaltungen
Potentiometer angeschlossen sind, weiche von der den Kurswinkel wiedergebenden Schaltung derari
betätigt werden, daß den den Ablenksystemen zugeführten Spannungen vom Kurswinkel abhängige
zusätzliche Spannungen überlagert werden.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillographenröhre
eine Bildaufrechterhaltungsröhre ist.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR883258A FR1605544A (de) | 1961-12-28 | 1961-12-28 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1441485C1 true DE1441485C1 (de) | 1980-04-03 |
Family
ID=8769545
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1962C0028770 Expired DE1441485C1 (de) | 1961-12-28 | 1962-12-27 | Anordnung zur Ortung und Frequenzmessung von Unterwasser-Schalloder Ultraschallquellen |
Country Status (4)
Country | Link |
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DE (1) | DE1441485C1 (de) |
FR (1) | FR1605544A (de) |
GB (1) | GB1560681A (de) |
NL (1) | NL160393C (de) |
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GB2147760B (en) * | 1983-10-07 | 1987-04-15 | Racal Res Ltd | Direction finding systems |
US4703459A (en) * | 1984-12-03 | 1987-10-27 | Exxon Production Research Company | Directional acoustic logger apparatus and method |
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-
1962
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- 1962-12-27 DE DE1962C0028770 patent/DE1441485C1/de not_active Expired
- 1962-12-27 NL NL287201A patent/NL160393C/xx not_active IP Right Cessation
Also Published As
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NL160393C (nl) | 1979-10-15 |
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