DE1516593C1

DE1516593C1 - Verfahren zur Kompensation des Eigendopplers und zur Dopplerkennung reflektierender Objekte bei der Rueckstrahlortung

Info

Publication number: DE1516593C1
Application number: DE1516593A
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr Thiede
Original assignee: Fried Krupp AG; Atlas Elektronik GmbH
Current assignee: Fried Krupp AG; Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 1965-02-06
Filing date: 1965-02-06
Publication date: 1978-06-15
Also published as: GB1514157A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kompensation des Eigendoppiers und zur Dopplerkennung reflektierender Objekte bei der Rückstrahlortung, insbesondere bei der horizontalen Echolotung im Wasser.

Bei horizontal-Echolotanlagen stören bekanntlich Nachhallechos vom Boden bzw. der Meeresoberfläche den Empfang von Zielechos.

Eine Unterscheidung zwischen Zielechos und Nachhallechos ist, jedenfalls bei bewegten Zielen, möglich, wenn man durch geeignete Vorrichtungen den Dopplereffekt ausnutzt. Hat das Ortungsfahrzeug selbst eine Eigenfahrt eund ortet es mit einer Horizontal-Echolotanlage in Richtung <x gegenüber dem Fahrtvektor ν (Fig.2), so kommen bekantlich »Nachhallechos«, das sind Echos von ruhenden Objekten, mit einer Frequenz

1) fE=fs -(I +^-cosa)

zurück.

Dabei ist /_sdie Sendefrequenz der Echolotimpulse und c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen. lu Man kann auch schreiben

la) /e = f_s + füE\

D£bedeutet Eigendoppier. Die Zielechos von bewegten Zielen haben demgegenüber die Form

'' 2) f_E= fs+ foE+ for,

DFbedeutet Doppler fremd. Bei Horizontal-Echolotanlagen ist es erschwerend, daß der Wert DE in Abhängigkeit von λ positive wie negative Werte durchläuft, und man hat schon Vorrichtungen getroffen, um unabhängig von α und ν stets dieselbe Empfangsfrequenz zu erhalten, solange Eigendoppier vorliegt, mit anderen Worten, um die Frequenz des Nachhalls unabhängig von α und ν stets in derselben Frequenz

>^r) bzw. Tonhöhe zu bekommen.

Bei den bekannten Verfahren wird vom Fahrtmeßgerät des Ortungsfahrzeuges eine elektrische Steuergröße gewonnen, die proportional zur Größe ν ist, und außerdem ein Steuer-Signal, das der Richtung <x bzw.

jo dem cos <x proportional ist. Durch geeignete Verstimmung eines Überlagerungsoszillators wird dann entweder auf der Sende- oder auf der Empfangsseite dafür gesorgt, daß der Eigendopplerwert kompensiert wird.
Diese Verfahren befriedigen in der Praxis nicht, weil

i^r> sie Seegangsbewegungen des Ortungsfahrzeuges nicht erfassen und beim Kurswechsel nicht schnell genug folgen; denn bei etwas größeren Entfernungen dauert eine Lotperiode des Horizontal-Echolotvorgangs mehrere Sekunden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dauernde Anpassung an wechselnde Eigendopplerwerte zu schaffen. Bei der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von der Überlegung aus, daß eine dauernde Anpassung nur durch Ableitung der Kompensation aus dem Signalempfang selbst möglich

4¹") ist.

Das Wesen der Erfindung besteht demgemäß darin, daß zur Unterdrückung des durch die eigene Fahrt und Abstrahlrichtung bedingten Eigendoppiers zur empfangenen Frequenz (Originalfrequenz) eine Frequenz

V) hinzugefügt wird, die den umgekehrten Eigendoppier hat (Spiegelfrequenz), in der jedoch die Fremddopplerfrequenz unterdrückt wird, und daß sodann das Originalsignal mit dem Spiegelsignal überlagert wird.
Das gleiche Ergebnis kann man erfindungsgemäß

Yi nochdadurch erzielen, daß abweichend von dem obigen Verfahren die Fremddopplerfrequenz im Spiegelsignal gegen die Fremddopplerfrequenz im Originalsignal zeitlich verschoben wird und daß sodann das Originalsignal mit dem Spiegelsignal überlagert wird.

ω) Das Spiegelsignal läßt sich bei Anwendung des ersten Verfahrens im Rückstrahlverfahren aus dem Nachhall unter Abschattung gegen die eigentliche Ortungsrichtung in einer um 180° gegen die Ortungsrichtung versetzten Richtung gewinnen, bei Anwendung des

6^r> zweiten Verfahrens dadurch, daß das Spiegelsignal durch Überlagerung des Originalsignals mit einer Hilfsfrequenz, die höher ist als die des Originalsignals, gewonnen wird.

Bei der zweiten Lösung besteht der Vorteil, daß sich das Verfahren auch in einem Zwischenfrequenzband durchführen läßt. Das Verfahren der Spiegelfrequenzausbildung sei an zwei Beispielen erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm einer Schaltung zur Durchführung eines Verfahrens nach der Erfindung in seiner ersten Ausführungsform,

F i g. 2 zeigt ein Teil eines Schiffes mit der in der Schaltung nach F i g. 1 vorgesehenen Sende- und Empfangseinrichtung,

F i g. 3 zeigt ein Blockdiagramm einer Schaltung für das Verfahren in seiner zweiten Ausführungsform,

F i g. 4 zeigt ein Frequenzdiagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des Verfahrens nach F i g. 3,..

Zunächst soll das Verfahren in seiner ersten Ausführungsform beschrieben werden, bei der die Spiegelfrequenz aus dem Nachhall gebildet wird.

Als Bestandteil einer horizontalen Echolot-Anlage sind zwei Schallwandler 1, 2 auf einem Schiff 3 um eine vertikale Achse 4 schwenkbar angeordnet. Der Wandler

1 ortet in Richtung α, der Wandler 2 in Richtung a + 180° gegen die Fahrtrichtung v. Die Wandler dienen als Sender und Empfänger von Wasserschallwellen. Die Wandler 1, 2 sind an ihrer Rückseite gegeneinander abgeschattet. Beide Wandler haben eine gebündelte Richtcharakteristik von z. B. ±5°.

In der Empfangsschaltung nach Fig. 1 arbeiten die Wandler als Empfänger 1 und Rückempfänger 2. Ihre sendeseitige Funktion kann im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung außer Betracht bleiben. Ist f_s die Frequenz des Sendesignals, foE die Frequenzverschiebung aus der Eigenfahrt mit der Geschwindigkeit voder der sogenannten Eigendoppier und /brdie Frequenzverschiebung aus der Fahrt des angeloteten fremden Schiffes in Richtung der Schallstrahlung oder der sogenannten Fremddoppier, so ergibt sich am Empfänger 1 die Empfangsfrequenz

/in = fs + /o£(+ f_DF) und am Empfänger 2 die Empfangsfrequenz

fe = fs- f_DE{+ f_DF)

Diese beiden Empfangsspannungen werden nach üblicher Vorverstärkung in Verstärkern 5 und 6, die eine zeitabhängige und automatische Verstärkungsregelung haben, auf eine Mischstufe 7 gegeben; hier werden in bekannter Weise die Summenfrequenz 2 f₅ (+ /df) und die Differenzfrequenz 2foE (+/df) gebildet. Die Klammern um die Wette /df sind gesetzt, um anzudeuten, daß Fremddoppler-Frequenzen fDF nur zeitweilig auftreten und dann mit großer Wahrscheinlichkeit nicht gleichzeitig beim Vor- und Rückempfänger, während die Eigendoppier-Frequenz Fde im Ortungsbereich ständig auftritt.

Es ist auch möglich, anstelle der Originalfrequenz /j in den Verstärkern zunächst eine Zwischenfrequenz zu bilden, wie es in der Praxis vielfach geschieht, wobei selbstverständlich die Dopplerinformation im Zwischenfrequenzbereich erhalten bleiben muß. Für den Fortgang des Verfahrens macht es keinen Unterschied, ob man die Originalfrequenz oder eine Zwischenfrequenz nimmt.

Im Anschluß an die Mischstufe 7 werden die Signale

2 fs (+ /of) und 2 foE (+ fDF), die als Summen- und Differenzfrequenz in der Mischstufe entstehen, in einem anschließenden Bandpaß 8 bzw. Tiefpaß 9 gefiltert.

Das Summenfrequenzsignal aus dem Bandpaß 8 ist nun bereits das vom Eigendoppier fpE befreite Signal, das nur noch Fremddopplerinformationen enthält. Es kann in bekannter Weise zur Trennung von Nachhallechos von den Echos bewegter Ziele benutzt werden. Hierfür wird in F i g. 1 ein Beispiel gegeben, und zwar ist hier eine Mischstufe 10 vorgesehen, in der das Frequenz-Summensignal 2 f_s(+ füF) mit einer Frequenz 2 f_s-1000 Hz so überlagert wird, daß am Ausgang ein Signal von der Form 1000 (+ fDF) Hz, entsteht. Das Ausgangssignal geht einmal unmittelbar

ίο auf einen Transformator 71 und außerdem über ein frequenzabhängig phasendrehendes Netzwerk 12, das für 1000 Hz zwischen Ein- und Ausgang keine Phasendrehung, für höhere bzw. tiefere Frequenzen einen etwa linear anwachsenden bzw. abfallenden Phasenverlauf hat, auf einen Transformator T₂.

Wird der Schalter Si zwischen den Sekundärausgängen der Transformatoren T₁ und T₂ geschlossen, so wird am Ausgang die Spannungsdifferenz der beiden Signale gebildet. Solange kein Fremddoppier /df vorhanden ist, entsteht am Ausgang der Mischstufe 10 ein Signal von 1000 Hz. Bei 1000 Hz sind Ein- und Ausgangsspannung des phasendrehenden Netzwerkes in Phase. Die gegeneinandergeschalteten Ausgangsseiten von 71 und T₂ ergeben also eine Ausgangsspannung Null, d. h., es > erfolgt keine Anzeige. Erst wenn ein Fremddoppier foF vorliegt, entsteht eine von 1000 Hz abweichende Frequenz. Dann sind Eingang und Ausgang nicht mehr in Phase. Die Gegeneinanderschaltung der Sekundärseite von 71 und T₂ hebt sich nicht mehr auf. Das den Fremddoppier fpF enthaltende Signal eines bewegten Zieles kommt zur Anzeige.

Der Schalter Si kann geöffnet werden, wenn man mit einem Transformator 71 und T₂ allein alle Ziele, also ruhende und bewegte Ziele, beobachten will.

J5 Da beim Auftreten eines Fremddoppiers foF nicht ohne weiteres zu erkennen ist, ob /df vom Empfänger 1 oder vom Rückempfänger 2 stammt, wird eine Diskriminatoreinrichtung benutzt; denn unabhängig davon, ob der Empfänger 1 oder der Rückempfänger 2 den Fremddoppier /oFauffaßt, entsteht in jedem Fall ein positiver Wert fDF — mit anderen Worten, der Fremddoppier ist hoch — wenn ein Ziel sich nähert, und ein negativer Wert füF bzw. der Fremddoppier ist tief, wenn sich das Ziel entfernt.

Hinter der Mischstufe 7, in der außerdem das Signal

2/d£(± /df)

gebildet wird, entsteht folgende Zuordnungsmöglichkeit für den Diskriminator:

Ist der Zieldoppler hoch und kommt vom Empfänger 1, dann wird die Ausgangsfrequenz 2 foE ± füF der Mischstufe 7 größer, sobald das Zielecho eintrifft. Kommt es vom Rückempfänger 2, so wird sie kleinen Ist der Zieldoppler tief und kommt vom Empfänger 1, so wird die Ausgangsfrequenz 2 foe ± /oFder Mischstufe 7 kleiner, sobald das Zielecho eintrifft. Kommt es vom Rückempfänger 2, so wird sie größen

Diese Kennzeichen reichen zu einer Diskriminatorentscheidung aus. Hierfür ist in F i g. 1 als Beispiel eine Ausführung gezeichnet. Das Frequenz-Summensignal wird nach Heruntermischung auf den Wert 1000 Hz (± fDF) am Ende der Mischstufe 10 auf einem Ratio-Detektor 13 für 1 kHz gegeben, der die erforderliche 90°-Drehung zwischen einem Längstransformator 14 und einem Quertransformator 15 durch eine Laufzeitverzögerung von 0,25 ms über eine Verzögerungsleitung 16 erreicht. Die Ausgangsspannung des Ratio-Detektors geht auf einen bistabilen

Multivibrator 17, an dessen Ausgang ein Relais K 2 mit zwei Erregerwicklungen liegt. Solange kein Fremddoppler (df vorhanden ist, solange am Ratio-Detektor 13 nur die Frequenz 1000 Hz auftritt, werden die beiden Wicklungen des Relais gleich stark erregt, und das Relais Kl hält seine Schaltzunge Ki in neutraler Lage. Tritt ein Fremddoppier fop »hoch« auf, so schaltet das Signal die Zunge K2 in Lage I. Bei Fremddoppier (df »tief« geht die Zunge in Lage II.

Entsprechend wird das Differenzsignal 2/d£(±/df) ausgewertet, um den beim Eintreffen des Zielechos auftretenden Frequenzsprung zu erfassen. Hinter dem Tiefpaßfilter 9 wird hierfür das Signal zunächst begrenzt, um nur die Frequenzinformation zu verarbeiten. Hierzu dienen zwei Begrenzer-Dioden 18 am Eingang einer Verstärkerröhre lf^die in einer Spule 21 eine frequenzproportionale Wechselspannung erzeugt. Diese Wechselspannung wird über einen Gleichrichter 20 gleichgerichtet. Die gleichgerichtete Spannung wird einem.Zeitkreis 22/23 zugeführt, an dessen Widerstand 22 eine frequenzproportionale Gleichspannung entsteht. Die Zeitkonstante des Kreises 22/23 entspricht etwa der Impulslänge, die vom Sendesignal her bekannt ist. Das Gleichspannungssignal hinter dem Zeitkreis wird in einer Stufe 24 verstärkt und in einem Differenzierkreis 25, 26 differenziert. Hinter dem Differenzierkreis liegt wieder ein bistabiler Multivibrator 27 und an dessen Ausgang ein Relais K1 mit zwei Erregerwicklungen. Sobald der Frequenzsprung beim Eintreffen eines fremddopplerbehafteten Zielechos so positiv ist, werden die beiden Kontakte k\, Zr₂ des Relais K\ in Lage drei (III) geschaltet, ist der Frequenzsprung negativ, werden sie in Lage IV geschaltet. Durch Hintereinanderschalten der beiden Kontakte k\ und k₂ wird ein Schauzeichen D_s\ betätigt, wenn das Zielecho vom Wandler 1 empfangen wird und ein Schauzeichen Da, wenn das Zielecho vom Wandler bzw. Rückempfänger 2 kommt.

Wie bereits erwähnt, ist es in hohem Grade unwahrscheinlich, daß dopplerbehaftete Zielechos im selben Augenblick sowohl im Wandler 1, wie im Wandler 2 empfangen werden.

Bei der nunmehr zu beschreibenden zweiten Ausführungsform nach Fig.3 wird die Spiegelfrequenz mit elektronischen Mitteln gebildet.

Das im Empfänger 1 aufgenommene Signal f_s 4- /de (+ /df) wird über den Verstärker 6 auf die Mischstufe 7 gegeben. Dieser Mischstufe wird abweichend vom ersten Beispiel ein Signal 2 f_s zugeführt. Der Wert 2 f_s ist hier an sich unwesentlich. Er wird gewählt, um analog so zum ersten Beispiel mit denselben Frequenzen zu arbeiten. Das Signal 2 /, kann z. B. vom Oszillator 28 des elektrischen Sendegenerators gewonnen werden, indem dessen Sendefrequenz f_s in einer Frequenzverdopplungsstufe 29 auf 2 f_s verdoppelt wird. Die Mischstufe 7 bildet dann die Differenzfrequenz f_s — /de(— /df)· Auch hier gilt analog zum ersten Beispiel, daß man anstelle der Originalsendefrequenz sinngemäß eine Zwischenfrequenz als Signal verwenden kann.

Die Frequenz hinter der Mischstufe 7 ist nun bereits *>o die gewünschte Spiegelfrequenz. Sie wird in einem Bandpaß 30 gefiltert. Anschließend wird das Signal in einer Verzögerungskette 31 verzögert. Prinzipiell kann die Dauer der Verzögerung beliebig sein. Man wird sie zweckmäßig etwa gleich der Impulsdauer des Signals ^b5 wählen. Das Originalsignal f_s + {de (+ /df) vom Verstärker 7 und das verzögerte Spiegelsignal U — Ide (- (df) werden auf eine Mischstufe 32 gegeben; außerdem wird das Signal f_s + f_DE (+/df) vom Verstärker 7 noch einmal über eine Leitung 33 und die Verzögerungskette 31 auf die Mischstufe 32 gegeben. Diese Mischstufe bildet die Summenfrequenz der Eingangssignale

fs + /"αεί+ fDF) + fs-

= 2 Ä (+ fDE)

Die zeitliche Folge der Signale ist in F i g. 4 erläutert. Darin stellt die Abszisse den Zeitablauf t über eine Lotperiode dar, wobei der sich unmittelbar an das Sendesignal anschließende Teil der Lotperiode unterdrückt ist. Die Ordinate in F i g. 4 stellt die Frequenz dar. Beim Wert 0 der Darstellung beginnend, hat das Empfangssignal zunächst eine um den Eigendoppier /de höhere Frequenz als die Sendefrequenz f_s und behält diesen Wert bis zum Eintreffen des fremddopplerbehafteten Zielechos, jedenfalls solange keine Seegangsbewegungen von Einfluß sind, sonst überlagert sich der Einfluß der Seegangsbewegung.

Im gezeichneten Beispiel ist angenommen, der Fremddoppier sei hoch. Während der Signaldauer des Echos steigt nun die Frequenz auf den Wert fs + foE + /dfund fällt dann wieder auf /j + /de zurück. Die Signaldauer des Echos ist in jedem Fall klein gegenüber dem Einfluß einer Seegangsbewegung auf den Eigendoppier. Am Eingang der Mischstufe 32 liegt nun das Signal und das verzögerte Signal, das in seinem Frequenzsprung in Fig.4 gestrichelt gezeichnet ist, außerdem das verzögerte Spiegelsignal. Die obere Linie in F i g. 4 gibt die Ausgangsfrequenz der Mischstufe 32 wieder. Man sieht, daß nur beim Eintreffen des fremddopplerbehafteten Original-Zielechos die Ausgangsfrequenz auf den Wert 2 f_s + f_Dp ansteigt, sonst aber stets die Frequenz 2 /j gebildet wird, auch dann wenn das fremddopplerbehaftete, verzögerte Zielecho eintrifft.

Die Weiterverarbeitung des Signals kann wieder in derselben Art und Weise — wie im vorigen Beispiel beschrieben — vorgenommen werden, indem nach F i g. 2 ein Signal 1000 Hz (+ f_DF) gebildet wird und die Nachhallunterdrückung, das ist die Befreiung vom Eigendoppier, mit Hilfe einer Verzögerung von 1 ms und zweier gegeneinandergeschalteter Transformatoren 14,15 vorgenommen wird.

Im Rahmen der Erfindung sind mancherlei Abänderungen und Ausführungen möglich. Insbesondere läßt sich das Verfahren auch bei sogenannten Panorama-Sonaranlagen mit einer Zylinder-Wandlerbasis anwenden, die aus Streifen aufgebaut ist und bei der Teilgruppen benachbarter Streifen zur Bildung von Empfangsrichtungen mit Hilfe eines Kompensationsnetzwerkes herangezogen werden. Hier nimmt man dann je zwei gegenüberliegende Teilgruppen und verwendet deren Signalspannung zur Spiegelfrequenzbildung. Da man bei solchen Sonar-Anlagen oft daran interessiert ist, akustisch einen Eindruck zu gewinnen, ob überhaupt ein Fremddoppier vorliegt, läßt sich das beschriebene Verfahren auch dergestalt verwenden, daß man sämtliche Kanalpaare der Panorama-Sonaranlage zusammenschaltet, denn alle Kanalpaare ergeben bei nicht vorhandenem Fremddoppier die vom Eigendoppier befreite Empfangsfrequenz 2 /j. Diese Empfangsfrequenz reduziert in ihrer Empfangsamplitude beispielsweise mit einem Sperrfilter, wodurch die Nachhallechos im gesamten Horizontbereich unterdrückt werden. Tritt irgendwo ein Fremddoppler auf, kommt es akustisch klar heraus und macht den Orter auf ein vorhandenes Ziel aufmerksam.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Kompensation des Eigendopplers und zur Dopplerkennung reflektierender Objekte bei der Rückstrahlortung, insbesondere bei der horizontalen Echolotung im Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung des durch die eigene Fahrt und Abstrahlrichtung bedingten Eigendoppiers zur empfangenen Frequenz (Originalfrequenz) eine Frequenz hinzugefügt wird, die den umgekehrten Eigendoppier hat (Spiegelfrequenz), in der jedoch die Fremddopplerfrequenz unterdrückt wird, und daß sodann das Originalsignal mit dem Spiegelsignal überlagert wird.

2. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fremddopplerfrequenz im Spiegelsignal gegen die Fremddopplerfrequenz im Originalsignal zeitlich verschoben wird und daß sodann das Originalsignal mit dem Spiegelsignal überlagert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelsignal im Rückstrahlverfahren aus dem Nachhall unter Abschattung gegen die eigentliche Ortungsrichtung in einer um 180° gegen die Ortungsrichtung versetzten Richtung gewonnen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelsignal durch Überlagerung des Originalsignals mit einer Hilfsfrequenz, die höher ist als die des Originalsignals, gewonnen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kennzeichnung der Einfallsrichtung von der empfangenen Frequenz (Originalfrequenz) eine Frequenz abgezogen wird, die den umgekehrten Eigendoppier hat (Spiegelfrequenz).

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Summenfrequenz aus Originalfrequenz und Spiegelfrequenz mit einem Signal 2 Z₁- /überlagert wird, wobei /beispielsweise 1 kHz beträgt, so daß nach entsprechender Filterung ein Signal f±for (Doppler fremd) entsteht, das zur akustischen und/oder optischen Anzeige dient.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Panorama-Sonaranlagen die Signale aller Empfangsgruppen oder Empfangsgruppenpaare zusammengeschaltet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 2 und 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei elektronischer Kompensation sowohl die Spiegelfrequenz als auch die Originalfrequenz verzögert werden, letztere jedoch außerdem unverzögert benutzt wird.