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Verfahren und Anordnung zur Messung der Entfernung von Unterwasserschallquellen
und sonstigen Strahlen, insbesondere fahrender Schiffe von einem U-Boot aus.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung
der Entfernung von Unterwasserschallquellen und sonstigen Strahlen, insbesondere
fahrender Schiffe von einem U-Boot aus.
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Zur Entfernungsbestimmung von Unterwasserschallquellen und auch anderen
Strahlen, im folgenden Ziel genannt, sind sowohl aktive Rückstrahlverfahren, die
mit Laufzeitmessung von Echolotimpulsen arbeiten, als auch passive Verfahren bekannt,
bei denen die Entfernung aus mehreren Peilungen der vom Ziel ausgesandten Strahlungsenergie
von verschiedenen Purten aus Meßbasis bestimmt wird Die Aktivverfahren baben beim
militärischen Einsatz den Nachteil, daß dem Gegner durch die Aussendung der Echolotimpulse
Informationen über die eigene Positinn gegeben werden
Außerdem ist
die Überbrückung größerer Entfernungen sch-ierig, da der Echopegel wegen des Hin-
und Rückweges bei gleicher Entfernung einer viel stärkeren Abnahme unterworfen ist
als die beim Passivverfahren ausgenutzte Strahlungsenergie des Zieles, die bis zum
Empfang nur die einfache Entfernung zurückzulegen hat. Schließlich haben die Aktivverfahren
den Nachteil, daß die Meßinformationen in Zeitabständen erhalten werden, die von
der zu rnesseden Entfernung abhängig sind.
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Obwohl nun beim Passivverfahren durch den zu ortenden Strahler ununterbrochen
Me#informationen zur Verfügung gestellt werden, haben sich gleichwohl diese Verfahren
zur Entfernungsbestiamung des Zieles bisher praktisch sicht durchsetzen können.
Die Entfernungsbestimmung durch mehrere Peilungen von verschiedenen Punkten aus
erfordert für ausreichende Meßgenauigkeiten eine große MeßbasisD die eine gleichzeitige
Peilung von verschiedenen Punkten des U-Bootes aus (Kreuzpeilung) als praktisch
indiskutabel ausschließt. Infolgedessen muß das U-Boot durch Eigenfahrt nacheinander
in die vorgegebenen Positionen der verschiedenen Punkte der Me#basis gebracht werden,
ehe eine Auswertung zur Bestimmung der Entfernung aus den verschiedenen peilme#werten
vorgenommen werden kann. Bei diesem Passivverfahren sind zur Entfernungsbestimmung
sich bewegender Ziele nicht nur zwei, sondern P eessungen von vier Basispunktez
in ausreichend großem Abstand vonenander erforderlich. Eine
solche
Messung ist aber sehr umständlich und zeitraubend und damit für den militarischen
Einsatz ungeeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Entfernungsbestimmung
von Wellenenergie abstrahlenden Zielen zu schaffen, das die ununterbrochen eintreffenden,
im Passivverfahren aufzunehmenden Zelinformationen für eine fortlaufende Entfernungsbestimmung
auszuwerten gestattet.
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Diese Aufgabe läßt sich gemäß der Erfindung dadurch lösen, da# die
Strahlungsintensität 10 der Quelle durch vorzugsweise einmalige Messung de Entfernung
R1 (Ausgangsmessung), z. B. nach dem Rückstrahlverfahren, und Messung der Strahlungsintensität
I der Quelle an der Beobachtungsstelle als 10 = I r12n bestimmt wird, und daß zur
laufenden Bestimmung der veränderlichen Entfernunggrö#e r nur noch die Strahlungsintersität
I der Quelle an der Beobachtungsstelle gemessen und entsprechend der Beziehung 1
1 r = (I)2n als Maß für'die jeweilige Entfernung benutzt wird.
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Auf diese Weise erhält man eine ununterbrochene Entfernungsmessung,
die nach erstmaliger Bestimmung eines Entfernungsanfangswertes auf rein passiver
Messung beruht. Dabei kann die Ausgangsmessung whlweise. nach einem der bekannten
aktiven Verfahren oder nach einem-Passivverfahren durchgeführt werden. Für
kleine
Entfernungen kann, die Passivmessung durch Kreuzpeilung und für-gröBere EntSernungen
nach dem bekannten Vierpunktbasts-Verfahren erfolgen.
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Durch Heranziehung der Stahlungsintensitatsmessung läßt sich ferner
auch die passive Ausgangsmessung wesentlich vereinfachen und verkürzen, indem diese
Ausgangsmessung nach einem Dreipunktbasis-Peilverfahren mit zusätzlicher Messung
der StrahlungsintensiSten der Quelle in den drei Basispunkten erfolgt.
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Die Vorrichtung zur Ausübung des neuen Meßverfahrens ist zweckmäßig
mit einem Regelverstärker versehen, der auf einen konstanten Ausgangswert einstellbar
und dessen Stellorgan mit einer Skala für die zu messende Entfernung verbunden ist.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an einigen Ausführungsbeispielen
veranschaulicht.
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Fig. 1, 2 und 3 zeigen Wegdiagramme für verschiedene Passivverfahren
zur Durchführung von Ausgangsmessungen nach der Erfindung, Fig. 4 zeigt eine Vorriachtung
zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung für Unterwasserschallortuno und Fig.
5 das Richtdiagramm der Empfangsanordnung in Fig. 4.
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Bei dem ersten, in Fig. 1 dargestellten Verfahren passiver Entfernungsmessung
nach der Erfindung läuft das beobachtende Fahrzeug, z. B. U-Boot A während einer
ersten Meßphase, die zur Bestimmung der Strahlungsintensität 10 der zu ortenden
Strahlungsquelle diente auf einem geraden Kurs a. Das auf gleichbleibendem Kurs
d laufende Ziel, z. B. ein Überwasserfahrzeug B, dessen Schraubengeräusch von einer
Unterwasserschallempfangseinrichtung des U-Bootes aufgenommen wird5 werde im Punkt
A1 der Kurslinie a mit einem Schalldruck Pl gemessen. Gleichzeitig wird die Richtung
der einfallenden Schallwellen gemessen. Es ist also der Schalldruck P1 and der Winkel
α zum punkt P1 bekannt. Unbekannt dagegen ist noch die Grö#e der Entfernung
r1. In der Zeit # t läuft das U-Boot von A1 nach A2 über eine Strecke sl. Dabei
ändert die Geräuschquelle ihren Ort von B1 nach B2 und wird dann in richtung ß beobachtet.
Gleichzeitig wird der Schalldruck p2 am Beobachtungsort A2 gemessen, während die
Entfernung r2 wieder unbekannt ist.
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Auf der weiteren Fahrt von A2 nach A3 über die Strecke s2 ändert das
U-Boot seine Geschwindigkeit, so daß bei gleicher laufzeit A t die beiden Strecken
sich verhalten wie die beiden verschiedenen Fahrtgeschwindigkeiten des U-Bootes
über diese Strecken. Das Zielschiff B hat in der Zeit A t wieder eine gleiche Strecke
auf der Linie b von B2 nach B3 zurückgelegt. und hat in B3 den Abstand r3 vom U-Boot.
Im Punkt A3 wird wieder die Richtung γ und der Schalldruck p) gemessene
Aus
den so durchgeführten Messungen lassen sich die Entfernungen rl, r2, r3 ermitteln;
denn die Schalldrücke verhalten sich bei den Entfernungen wie
In diesen Gleichungen ist po der im Fernfeld gemessene, auf 1 m vom Mittelpunkt
der Geräuschquelle zurückgerechnete Quellenschalldruck, dessen logarithmisches Maß
20 Ig pO unter dem Namen "Zielpegel" bekannt ist. Der Exponent n hängt von der Wassertiefe
ab. Im tiefen Wasser, wo sich die Schallwellen kugelförmig ausbreiten, ist n = 1.
Findet eine Schallausbreitung in Form von Zylinderwellen statt, so wie es beispielsweise
bei sehr flachem Wasser der Fall ist, wird n = 1/2.
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Der Einfachheit halber wird mit kugelförmiger Schallausbreitung gerechnet,
also mit n = 1. Abweichende Exponenten bringen keine neuen Erkenntnisse und lassen
sich gegebenenfalls später einführen bzw. in einem programmierten Rechner berücksichigen.
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Aus den geometrischen Beziehungen der Fig. 1 und den Werten der Schalldrücke
P1, P2 und P) läßt sich po errechnen zu
wobei
Das Plus- oder Minuszeichen entscheidet sich daraus, daß po positiv sein mu#. Die
drei Entfernangen sind nunmehr r1 = po/p1, r2 = po/p2 und r3 = po/p3.
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Bei abweichendem Exponenten n gilt also entsprechend rn = Po p(r)
Damit lä#t sich die Ortskurve des beobachteten Schiffes zeichnen, indem man die
Entfernungen rl, r2, r3 von den eigenen bekannten Positionen A1, A2, A aus in den
richtungenα,ß,γ einträgt. Die Durchführung wird zweckmä#ig von einem
hierfür programmierten Rechner vorgenommen.
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Ist erst einmal po ermittelt, dann ist es anschlie3end möglich, anhand
der Beziehung r = rtr)
durch fortlaufende Messung des Schalldruckes
p die Entfernung laufend zu bestimmen. Durch Plotten der gemessenen Richtung und
Entfernung gewinnt man auf diese Weise mit rein passiven Methoden die Bewegungsdaten
der beobachtetena Geräuschquelle und kann durch Hinzunehmen wei'cerer Meßpunkte
zu verbesserten Werten von p0 kommen. Man kann sogar erkennen, wenn das seobachtete
Fahrzeug einen Kurswechsel vornimmt, allerdings nur, wenn dieser Kurswechsel nicht
während der ersten beiden Me#-abschnitte # t erfolgt.
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Das in Fig. 2 veranschaulichte Beispiel zeit; wie sich po ermitteln
lä#t, wenn man darauf Wert legt, die eigene Geschwindigkeit beizubehalten. Hier
laufe das beobachtete Fahrzeug B genau wie in Fig. 1 von B1 rach B2 weiter nach
B3 in gleichen Zeiten # t, und das eigene Fahrzeug laufe ebenso wie in Fig. 1 von
A1 nach A2.
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Anstatt jetzt mit veränderter Geschwindigkeit im alten Kurs -veiterzufahren,
ändert das eigene U-Boot seinen Kurs urn einen Winkel &und behält seine Geschwindigkeit
bei. Auch jetzt läßt sich po aus dem bei A) gemessenen Schalldruck p5 zusamrnen
mit den Schalldrücken p1 und p2 ermitteln zu
mit Z2 = 4 cos ß/P2 - cosd + cos(α-#)/P1 - cos γ +
cos(γ-#)/P3 N hat denselben Wert wie im ersten Beispiel.
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Das Beibehalten der Eigengeschwindigkeit bietet die Möglichkeit, mit
einer Messung des tz/Stör-Verhältnisses anstelle der Schalldruckmessung zu arbeiten.
Dabei braucht man nicht auf Absolutwerte zurückzugreifen; denn bei gleicher Geschwindigkeit
bleibt der Störpegel bzw. der Störschalldruck pN erhalten.
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Anstelle des Quellenschalldruckes p0 tritt dann allerdings ein Relativwert
po/pn, der sich anhand derselben genannten Beziehung ergibt, wenn man statt der
Werte p1, p2 und p3 die Werte p1/pn, p2/pn und p3/pn einsetzt.
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Entsprechent gilt dann auch
Die Verwendung der Nutz/Stör-Verhältnisse anstelle der reinen Schalldrücke ist insbesondere
bei grö#eren Entfernungen vor tellhaft, wenn nämlich Schalldruck und Schallströmung
noch in gleicher Crâ#enordnung vorliegen. Auch in diesem Falle ist es zwskm@@ig,
die We#werte in einen programmierten Rechner einsugeben,
der die
Entfernun0-;swerte errechnet und dann fortlaufend nach Durchfahren weiterer Strecken
neue Entfernungswerte ermittelt und aufgrund neuer Messungen zu besseren Werten
kommt.
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Ein drittes Beispiel, den Zielpeoel po zu ermitteln, ist in Fig 3
dargestellt0 Dieses dritte Verfahren beruht darauf, daß man die Messungen mit stehender
Peilung durchführt. Das kann aus der Anfangssituation zufällig entstanden sein,
kann aber auch bewu#t herbeigeführt werden, Im Punkte A1 wird das Ziel unter dem
Winkelα1 beobachtet. Der gemessene Schalldruck beträgt p1. In der Zeit # t1
wird eine Strecke v1 # t1 durchlaufen, wobei sich voraussetzungsgemäß die Peilrichtung
α1 nicht ändert. Nach Ablauf der Zeit # t1 befindet sich das eigene Schiff
bei A2 und registriert den Schalldruck p1. Jetzt wird die Eigengeschwindigkeit von
v1 auf v2 geändert und dabei der Kurs so korrigiert, daß man wieder mit stehender,
d. h. unveränderter Peilung fährt, eine Maßnahme, die sich in kurzer Zeit durchführen
läßt Der neue Peilwinkel bei der Geschwindigkeit v2 seid2.
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Mit der Geschwindigkeit v2 läuft man einen neuen Zeitraum # t2 bis
zum Punkte A3. Dort wird der Schalldruck p3 gemessen. Eine einfache Rechnung ergibt
hier wieder den Quellenschalldruck
Wählt man die Seiden Zeitabschnitte # t1 = # t2 = # t, dann vereinfacht aich der
Rusdruck für den Quellenschalldruck p0 zu
Ferner wird in disem Falle die Geschwindigkeit des beobachteten Fabrzeuges
und sein Kurswinkel γ errechnet sich aus
Auch hier wird man zweckmä#ig mit einem programmierten Rechner arbeiten und kann
nach Durchlaufen weiterer Abschnitte # t unter stehender Peilung und unter erneuter
Geschwindigkeitsänderung zu verbesserten Werten pO kommen.
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Das Verfahren versagt nur, wenn man ohne Kursänderung mit gleichmä#iger
Geschwindigkeit fährt, weil sich dann mathematisch
unbestimmte
Ergebnisse der Form O/O ergeben. Es ist vielmehr erforderlich, die 3-Punkt-Bestimmung,
en der Richtung und Schalldrücke gemessen werden, so vorzunehmen, daß entweder bei
Beibehaltung der Eigengeschwindigkeit mit Kurswechseln gearbeitet wird oder daß
bei Beibehaltung des eigenen Kurses mit verschiedenen Eigengeschwindigkeiten in
den einzelnen Meßstrecken gearbeitet wird. Selbstverständlich ist es auch möglich,
mit verschiedenen Geschwindigkeiten und Kurswechsel zu operieren.
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Die Ermittlung des Schallquellendruckes po kann auch, wenn es die
Umstände ermöglichen, zunächst durch aktive Entfernungsbestimmung ermittelt werden,
indem man über eine aktive Messung den stand r bestimmt und zugleich den Schalldruck
p mißt. po ist dann gleich r # p.
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Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung nach der Erfindung zur Richtungsbestimmung
von akustischen Signal- und Geräuschquellen unter Wasser.
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Zum Empfang der Unterwasserschallwellen sind fünf breitbandige Schallempfänger
1 bis 5 vorgeseherl, deren Abstand voneinander klein ist im Vergleich zu den Wellenlängen
der Schallsignale bzw. der Schallgeräusche, deren Richtung bestimt werden soll.
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Vier ungerichtete Empfänger 1 bis 4 bilden eine Kreuzgruppe aus um
900 gegeneinander winkelversetzten Zweiergruppen 1, 5 und 2, 4. In ihrer Mitte ist
der Empfänger 5 angeordnet. Es kann
auch auf den gesonderten Empfänger
5 verzichtet werden, wenn man die Summenspannung aller vier Empfänger 1 bis 4 bildet.
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Die Empfangsspannungen U1, U3 der beiden Empfänger 1 und 5 werden
auf einen Differenzkanal 6, die der beiden Empfänger 2 und 4, U2 und U4 auf einen
Differenzkanai 7 geschaltet.
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Die Differenzsignale U6, U7 bilden zwei um 900 gegeneinander versetzte
8er-Charakteristiken R11 und R2' @ (Fig. 5) und werden deshalb im folgenden 8er-Signale
genannt. Die 8er-Signlle U6, U7 werden in zwei regelbaren Verstärkern 8 und 9 mit
logarithmischer Kennlinie verstärkt und in zwei anschließenden elektronischen Multiplikatoren
10 und 11 mit einem Signal U8 multipliziert, das aus dem Empfangssignal des Empfängers
5 mit der Tundumcharakteristik Ro, im folgende Rundum-Signal U5 genannt, durch breitbandige
90°-Drehung in einem Phasenschieber 12 abgeleitet wird Anschließend werden die beiden
Produktsignale U q U11 aus den Multiplikatoren 10 und 11 auf zwei Integratoren 15
und 14 gegeben. Die Zeitkonstante dieser Integratoren wird so gewählt, da# sie gro#
ist gegenüber der Zeitdauer der Schwankangen der beobachteten Geräusche, also beispielswaise
gegenüber den Perioden der durch die Schraubendrehzahl von Schiffen bedingten periodisohen
Schlägen. Die @@plerten Produktsignale U13, U14 können direkt auf die @@@@ geka
@szten Ablenksysteme der Kathodenstrahlröhre 15 @@@@@@@@ werden. Dort entstünde
dans, da die integrierten Pred@tsigele Sleichegannungen darstellen, als Anzeige
ein
Punkt P, der n der Mitte des Bildschirmes aus in Richtung der
einfallenden Schallwellen zeigt.
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Fällt beispielsweise aus Richtung γ, so wie es in Fig. 4 angedeutet
ist, das Geräusch ein, so erscheint an der Kathodenstrahlröhre ebenfalls in Richtung
γ der Anzei-epunkt P. Dieser Anzeigepunkt ist durch die Integration der Integratoren
15 und 14 soweit beruhigt, daß er praktisch konstant an einer Stelle stehenbleibt,
jedenfalls solange der abstand der Geräuschquelle sich nicht wesentlich ändert.
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Da aber für das Auge ein Pfeil von der Mitte in Richtung γ anschaulicher
wirkt werden hinter die beiden Integratoren 13 und 14 noch Zerhacker 16 und 17 geschaltet,
die die Gleichspannungen U13, U14 der Integratoren mit einer beliebigen, für das
Auge nicht mehr wahrnehmbaren Frequenz zerhacken.
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Die gebildeten Ablenksignale U16, U17 erzeugen dann einen Strich Z,
der von der Mitte aus in Richtung γ bis zum Endpunkt P dz Gleichspannungsanzeige
verläuft. Der Verstärkungsgrad der beiden Verstärker 8 und 9 kann von Hand mit Hilfe
eines Potentiometers 18 auf eine passende Strichlänge dingereglt werden. Es kann
aber auch durch eins an sich bekans Autcmetik defür gesorgt werden, da# die Strichlänge
stets konstant bleibt und sich bis zu einem vergegebenen Wert auf-
Für
Geräusche mit Teiltonspektrum, insbesondere Schraubengeräusch von Schiffen, läßt
sich erfindungsgemä# ein besonders günstiges Nutz-Stör-Verhältnis erreichen, indem
man dafür sorgt, da# in den Weg zwischen den Empfängern 1 und 3 zum Differenzkanal
5 und in den Weg zwischen den Empfängern 2 und 4 zum Differenzkanal 7 je eine Verzögerungskette
eingeschaltet wird, deren Verzögerungszeit der Grundperiode oder einem ganzen Vielfachen
der Grundperiode des Signalgrundtones entspricht, wooei liler unter Signalgrundton
die Grundlinie des überlagerten Linienspektrums verstanden wird.
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Da die seiden Multiplikatoren 10, 11 nach Methoden der Korrelationstechnix
zwischen dem Summensignal 1 und den beiden Differenzsignalen der gekreuzten Gruppen
arbeiten, korrelieren selbst oreitoandise statistische Geräusche infolge der Verzögerung
nicht mehr, korrelieren aber wieder tonartige, weil die Korrelationsfunktion nach
Verzögerung des einen Weges um die Grundtonperiode wieder stark ansteigt. Die Verzögerung
lä#t sich epenso wie in der Abbildung gezeigt, durch Einschaltung einer Verzögerungskette
19 in den Kanal zwischen dem Empfänger 5 und dem 90°-glied 12 einführen.
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Der gemeinsame aegelknopf 20 der logarithmischen Potentiometer der
beiden Regelverstärker 8 und 9 enthält einen Pfeil 21, der auf eine verstellbare
Skala mit logarithmischer Beschriftung zeigt. Diese Skala enthält ihrerseits einen
weiteren Pfeil 23,
der auf eine feste Skala 24 mit eingeeichten
Werten des Schal].-quellendruckes po bzw. des Zielmaßes hinweist.
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Die Länge des Anzei, jestriches Z ist zunächst willkürlich.
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Ist, wie oben beschrieben, entweder durch eine aktive Ortung oder
mittels passiver Verfahren einmal der Schallquellendruck pO bzw. das Zielmaß des
Zieles ermittelt, dann stellt man die drehbare Skala 22 mit ihrem Pfeil auf diesen
Wert und regelt den Drehknopf der beiden gekoppelten logarithmischen Potentiometer
der Verstärker 8 und 9 so ein, daß die Strichlänge am Kathodenstrahlrohr 15 auf
eine vorgezeichnete Länge anwächst.
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Der Pfeil 21 des Drehknopfes 20 zeit dann auf den Entfernungs-Wert,
der auf der Skala 22 eingraviert ist. Dieser Entfernungswert gibt den Abstand des
Zieles an.
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Die Skalen 22 lassen sich auswechseln für verschiedene Schallausbreitungsbedingungen.
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In Tiefseegebieten, also in den üblichen Ozeanen, wählt man die Skala
so, da# sie einer Ausbreitung wie r = po entspricht; in Küstenshelfgebieten oder
Seegepieten, die relativ flach sind, wie z. B. die Ostsee in der Nähe der deutschen
Küste, wählt man die Skala so, daß sie einem Ausbreitungsgesetz wie r0,7 = po/p
entspricht.
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Die elektronische Ausführung in der beschriebenen Form 54bt dann zugleich
die laufende Richtung und die Entfernung mit Hilfe rein passiver Methoden an.
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Selbstverständlich läßt sich auch die Verstärkungsregelung automatisieren,
indem die Regelverstärker über bekannte Regelschaltungen jeweils auf gleiche Ausgangsspannungen
des anzeigenden Striches aufgeregelt werden.
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Im Rahmen der Erfindung soll jedoch die als Beispiel gezeigte Schaltung
nur dazu dienen, die grundsätzliche Wirkungsweise der passiven Ortung, also der
gleichzeitigen laufenden Bestimmung von Richtung und Entfernung zu demonstrieren.
Selbstverständlich sind hier im Rahmen der bekannten Möglichkeiten vielerlei Abwandlungen
gegeben, die sich auf die angewendeten Ortungssysteme jeweils anpassen lassen.
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Das angegebene Verfahren läßt. sich auch auf andere passive Ortungsverfahren
übertragen, beispielsweise auf die Messung der Infrarotintensität des Motors eines
Flugzeuges von einem anderen bewegten Flugzeug aus oder der Infrarot intensität
des Schornsteins eines Schiffes oder bei der Feldstärkenmessung von Radarstrahlen
auf bewegten Fahrzeugen.
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Die Verfahren lassen sich auch bei feststehenden Beobachtungsstationen
anwenden, wenn man die Schallquellendrucke bzw0 Zielpegel bzw. deren analoge elektrische
oder Infrarotmerkmale Z0 Bo mit Hilfe aktiver Methoden bestimmt.