DE1673362A1

DE1673362A1 - Vorrichtung zur Messung der Fahrgeschwindigkeit von Wasserfahrzeugen mittels Wasserschall

Info

Publication number: DE1673362A1
Application number: DE19671673362
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl-Phys Dr-In Maass; Wolfgang Dipl-Ing Stednitz
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1967-06-10
Filing date: 1967-06-10
Publication date: 1971-05-06
Also published as: DE1673362B2; NL6807800A; DE1673362C3; SE332309B; FR1571576A

Description

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PRIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT BESCHR]\NKTER HAFTUNG IN ESSEN

Vorrichtung zur Messung der Fahrtgeschwindigkeit von Wasserfahrzeugen mittels Wasserschall.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Fahrtgeschwindigkeit von Wasserfahrzeugen durch das Wasser, bei der vom Wasserfahrzeug aus in Vorausrichtung Wasserschallimpulse bestimmter Frquenz im wesentlichen horizontal ausgestrahlt werden und eine Dopplerverschiebung der durch Volumenstreuung im Wasser zurückkehrenden Echoimpulse gemessen wird.

Bei derartigen Vorrichtungen ist es bekannt, durch eine Zeitblende die aus dem Störunge- oder Bugwellenbereich unmittelbar vor dem Wasserfahrzeug zurückkehrenden Echos zu unterdrücken, weil dieser Störungsbereich durch die Bugwelle des auf oder unter der Wasseroberfläche sich bewegenden Wasserfahrzeuges selbst einer mehr oder weniger starken Relativgeschwindigkeit gegenüber dem ungestörten Wasser in größerem Abstand vom V/asser fahrzeug unterworfen ist und infolgedessen bei einer Horizontal-Echolotung eine Dopplerverschiebung ergibt, die zwar die Relativgeschwindigkeit dieses Störunge- oder Bugwellenbereiches gegenüber dem Wasserfahrzeug richtig wiedergibt, nicht aber die im allgemeinen interessierende Relativgeschwindigkeit zwischen dem Wasserfahrzeug und dem ungestörten Wasser. Aus diesem Grunde wird durch Unterdrückung der Echos aus dem Störungebereich zur exakten Bestimmung der Fahrtgeschwindigkeit die Dopplermessung auf das ungestörte Wasser in genügendem Abstand vor dem Wasserfahrzeug bezogen. Zur Verwirklichung dieser Aufgabe werden Wasserschallimpulse bestimmter Frequenz angenähert horizontal in Vorausrichtung ausgesendet, der Empfangsverstärker für die Echos aus Entfernungen unmittel-

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bar vor dem Wasserfahrzeug zunächst gesperrt und erst für einen solchen Entfernungsbereich kurzzeitig geöffnet, in dem das Wasser durch das sich bewegende Wasserfahrzeug noch nicht gestört ist. Für größere Wasserfahrzeuge, insbesondere solche mit Bugwulst, kommen dabei Entfernungen zwischen 15 m und 25 m vor dem Bug in Betracht. Dieser Verzicht auf die Nahechos hat den Nachteil, daß - insbesondere bei Vorliegen von Störungen - die schwache Intensität der Echos außerhalb des Nahbereiches nicht ausreicht, um den Störpegel zu überwinden·.- Ferner ergibt sich der Nachteil, daß bei Messung in flachen Flüssen trotz Bündelung des nach vorn gerichteten Schallstrahles dieser den Boden des Flusses oder die Böschungen trifft und daß von diesen Bereichen relativ stärkere Echos reflektiert werden, die bei Vorliegen einer Flußströmung von dem gegen das Wasser gemessenen Geschwindigkeitswert abweichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit der eine einwandfreie Messung der Relativgeschwindigkeit auch bei verhältnismäßig hohem Störpegel und in flachen Gewässern zu erreichen ist, und zwar unter Berücksichtigung der Erkenntnis, daß der Storungsfaktor eines im Wasser bewegten Wasserfahrzeuges innerhalb^ines Bugwellenbereiches im wesentlichen nur von drei Größen abhängig ist, nämlich von der Form und Oberflächenbeschaffenheit des Wasserfahrzeuges, von den auf seinen Rumpf bezogenen Ortskoordinaten im Bugwellenbereich oder Störungsbereich und von der Fahrtgeschwindigkeit des Wasserfahrzeuges relativ zum ungestörten Wasser.

Ausgehend von dieser Überlegung wird zur Lösung dieser Aufgabe die Dopplerverschiebung im Nahbereich zur Geschwindigkeitsmessung unter der Voraussetzung herangezogen, daß eine Zeitblende für einen eng begrenzten Meßbereich mit einer Öffnungszeit vorgesehen ist, die auf einen bestimmten

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Abstand vor dem Bug des sich auf oder unter der Wasseroberfläche bewegenden Wasserfahrzeuges eingestellt ist, der im Störungsbereich des Wasserfahrzeuges (Bugwellenbereich) liegt, und daß die Dopplerverschiebung aus diesem ausgewählten Abstand innerhalb des Störungsbereiches unter Berücksichtigung von durch Eichmessungen ermittelten Störungsfunktionskurveη als Maß für die Fahrtgeschwindigkeit in ungestörten Wasser dient. Dabei wird die Zeitblende für die Messung zweckmäßig auf eine Schalllaufzeit für eine Entfernung eingestellt, die im &££ gemeinsamen Geradlinigkeitsbereich der interessierenden Störungsfunktionskurvenschar liegt. Dadurch läßt sich eine wesentlichen über öfen ganzen Geschwindigkeitsbereich gleichbleibende Meßgenauigkeit zwischen der gemessenen Relativgeschwindigkeit zum gestörten und der gesuchten Fahrtgeschwindigkeit durch ungestörtes Wasser erzielen.

Man kann den der Dopplerverschiebung aus dem durch die Zeitblende erfaßten Störungsbereich entsprechenden Meßwert^ auch als Steuersignal einem Funktionsgenerator zuführen, dessen Ausgangssignal der Dopplerverschiebung im ungestörten Bereich und damit der wahren Fahrtgeschwindigkeit im Wasser entspricht und in einem sich anschließenden Anzeigegerät an einer in Geschwindigkeitseinheiten geeichten Skala angezeigt wird.

Zur Ermittlung der Störungsfunktionskurvenschar ist es notwendig, die Zunahme der Dopplerverschiebung über den gesamten Störungsbereich in Fahrtrichtung zu messen, zweckmäßigerweise in Verbindung mit einer Aufzeichnung der Meßwerte. Die Messung geschieht bei konstanter Fahrtgeschwindigkeit zum ungestörten Wasser unter Verschiebung des von der Zeitblende erfaßten Meßbereiches vom Einbauort der hier benutzten, horizontal arbeitenden Unterwasserschall -Sende- und Empfangseinrichtung in Fahrtrichtung bis in das ungestörte Wasser hinein.

Wiederholt man eine derartige Meßreihe unter verschiedenen

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Fahrtgeschwindigkeiten, so erhält man Storungsfunktionskurvenscharen, die zunächst den Aufbau des Storungsbereiches wiedergeben, vor allem aber die Grundlagen für die Dimensionierung des Funktionsgenerators für die erfindungsgemäße Ableitung der wahren Fahrtgeschwindigkeit durch das ungestörte Wasser aus der gemessenen Dopplerverschiebung im Störungsbereich liefern.

Darüber hinaus geben die hierbei gewonnenen Informationen dem Schiffbauer wertvolle Erkenntnisse über die von der Gestaltung des Unterwasserschiffes abhängigen Strömungsverhältnisse am Bug, wo ein großer Teil der Antriebsleistung eines Wasserfahrzeuges aufgezehrt wird.

Bei Verschiebung des Meßbereiches der Zeitblende aus dem gestörten in den ungestörten Bereich kann, vorzugsweise automatisch, eine Verlängerung der Öffnungszeit der Zeitblende erfolgen, da die Dopplerverschiebung im ungestörten Bereich innerhalb jeder Richtung von den Ortskoordinaten unabhängig ist.

Die Erfindung sei an Hand der Zeichnung näher veranschaulicht.

Fig. 1 zeigt den Verlauf der Dopplerverschiebung in Abhängigkeit vom Abstand des Meßbereiches der Zeitblende vor dem fahrenden Wasserfahrzeug für vier verschieden^ große Fahrtgeschwindigkeiten,

Fig. 2 die Abhängigkeit der gesuchten Fahrtgeschwindigkeit ν im ungestörten Wasser von der gemessenen Relativgeschwindigkeit V₁ zum gestörten Wasser liegenden Meßbereich der Zeitblende,

Fig. 5 das Schaltbild einer Vorrichtung zur Aufnahme der Storungsfunktionskurvenschar nach Fig. 1 und/oder zur Messung der wahren Fahrtgeschwindigkeit ν nach Fig. 2, und

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Fig. 4 eine Abwandlung dieser Vorrichtung zur gleichzeitigen Messung im gestörten und ungestörten Wasser.

Fig. 1 zeigt den Verlauf einer Dopplerverschiebung Δ f bei vier verschiedenen vorgegebenen Fahrtgeschwindigkeiten ν eines Wasserfahrzeuges. Hierbei wächst die Dopplerverschiebung <Δ. f mit zunehmendem Abstand s vor dem Bug innerhalb eines Störungebereiches SB nach einer Störungsfunktionskurve F, die unter anderem von der Größe und Formgebung des Unterwasserschiffes abhängig ist, an.

Die zur Messung der Dopplerverschiebung vom Schiffsbug in Fahrtrichtung voraus und annähernd horizontal ausgesendeten Wasserschallimpulse werden von den Volumenelementen des Wassers zurückgestreut. Es werden aber nur Echos empfangen, die innerhalb einer variablen Öffnungszeit At eines nach und nach vom Abstand 0 über s_Q

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bis auf den bereits weit im ungestörten Wasser liegenden Abstand s vorverlegten Meßbereiches a einer Zeitblende (nach Fig. 3) liegen.

Für jede der hier gewählten vier Fahrtgeschwindigkeiten V₁ bis ν u durch das ungestörte Wasser erhält man durch die während der Vorverlegung des Meßbereiches a gemessene und registrierte Dopplerverschiebung Zl f je eine dazugehörige Störungsfunktionskurve F, bis F₂,.

Bei der niedrigsten der vier Fahrtgeschwindigkeiten ^vul ^beS^{innt das} ungestörte Wasser, erkennbar am hier beginnenden waagerechten Verlauf der zugehörigen Störungsfunktionskurve F₁, bereits im Abstand s, vor dem Schiffsbug. Mit zunehmender Fahrtgeschwindigkeit ν verlagert sich dieser Übergang bis zum größten Abstand S₂, bei der größten Fahrt geschwindigkeit ν u. Der Abstand S₂, entspricht der Gesaintausdehnung des Störungsbereiches SB.

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Während der Aufnahme dieser Störungsfunktionskurven F., die vorzugsweise zu Eich- und Prüfzwecken, jedoch nicht während der eigentlichen Geschwindigkeitsmessung mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu erfolgen hat, wird zweckmäßigerweise mittels einer Automatik die Öffnungszeit Δ. t der Zeitblende 5 während der Vorverlegung von Δ^_Ά ^aui> A. t„ im ungestörten Wasser erweitert.

Für die eigentliche Ableitung der Fahrtgeschwindigkeit ν aus einer gemessenen Relativgeschwindigkeit ν , im Meßbereich a der Zeitblende 5 wird diese Zeitblende fest auf den Abstand s_o eingestellt. Dann erhält man, wie Fig. 2 zeigt, eine im mittleren Geschwindigkeitsbereich sogar fast lineare Abhängigkeit der wahren Fahrtgeschwindigkeit ν von der gemessenen Relativgeschwindigkeit ν , nach der Funktion ν = g(v_rel), die sich bei Verwendung eines abgestimmten Funktionsgenerators bei der Geschwindigkeitsanzeige berücksichtigen läßt.

Die zur Durchführung der Messung dienende Apparatur ist in Fig. j5 schematisch dargestellt und arbeitet mit einem Impulsgenerator 1, der in regelmäßigen Zeitabständen von beispielsweise 100 Millisek. Wasserschallimpulse mit einer Frequenz von beispielsweise 4MHZ erzeugt. Die Impulsfolge wird durch einen Taktgeber 2 bestimmt, und die vom Impulsgenerator 1 erzeugten Impulse werden über eine Weiche 5 ^auf einen z. B. magnetostriktiven Wasserschallschwinger 4 gegeben. Dieser Schwinger wird dann zu 4MHZ-Schwingungen angeregt und sendet Wasserschallimpulse von beispielsweise 0,5 Millisek. Dauer in der vorgegebenen Lotfolge von lOO Millisek.

Die Aussendung erfolgt gerichtet, und zwar vorzugsweise unter einem kleinen Winkel << gegen die Horizontalrichtung nach unten geneigt und mittels eines an sich bekannten Stabilisierungsgerätes in seiner Neigung

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stabilisiert.

Die durch Streuung aus dem Wasser zurückkehrenden Echoimpulse werden über die Weiche 3 einer durch den Taktgeber 2 mitangesteuerten Zeitblende 5 zugeführt, deren Meßbereich a nur Echoimpulse aus dem Abstand s_

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vor dem Wasserfahrzeug wahrönd ihrer kurzen Öffnungszeit Oita für eine Dopplerauswertung.freigibt.

Dabei kann die Zeitblende 5 so ausgebildet sein, daß ihr Meßbereich a — vorzugsweise unter entfernungsabhängiger Veränderung ihrer Öffnungszeit ^ t von einem Anfangswert Uita bis zum Maximalwert Λ tu — über einen großen Bereich des Abstandes s vom Bug (Abstand o) bis in das ungestörte Wasser (Abstand s ,Fig.l) verschiebbar ist.

Diese Verschiebung wird vorzugsweise zu Eichzwecken und zur Aufnahme der wasserfahrzeugeigenen Störungsfunktionskurven F benutzt.

Die Frequenzen der bei der eigentlichen Fahrtmessung von der fest auf den Abstand s_& eingestellten Zeitblende 5 durchgelassenen Echoimpulse werden in an sich bekannter Weise durch einen beispielsweise aus einer Mischstufe mit Diskriminator bestehenden Dopplerauswerter 9 verglichen, und die Dopplerverschiebung Δ, f erscheint an seinem Ausgang als Dopplersignal u^.

An den Dopplerauswerter 9 schließt sich ein Funktionsgenerator 6 an, der das der Relativgeschwindigkeit v_rel im Meßbereich a der Zeitblende 5 entsprechende Dopplersignal υ« nach den ihm als Kennlinien eingegebenen Störungsfunktionskurven F in das der wahren Fahrtgeschwindigkeit ν durch das Wasser entsprechende Fahrtsignal Up umformt.

Die Fahrtgeschwindigkeit ν wird analog zu diesem

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Fahrtsignal u„ in einem Anzeigegerät 7 zur Anzeige gebracht.

In Fig 4 ist eine Erweiterung der Vorrichtung nach Fig. 5 schematisch dargestellt, welche die Messung der Dopplerverßchiebung Δ f nicht nur im Störungsbereich SB, sondern zusätzlich in einem in Fahrtrichtung weiter vorn liegenden Meßbereich a des ungestörten Wassers ermöglicht.

An Stelle einer einzigen Zeitblende 5 und eines einzigen Dopplerauswerters sind hier zwei Zeitblenden 5_a und 5, mit je einem Dopplerauswerter 9_a bzw. 9, in parallelen Kanälen angeordnet.

Der Kanal mit dem Index a, bei dem sich dem Dopplerauswerter 9 der Funktionsgenerator 6 und ein Anzeigegerät 7_a anschließt, entspricht genau der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung. Er dient zur Messung der wahren Fahrtgeschwindigkeit ν über die I^Lativgeschwindigkeit ν - im Störungsbereich SB, seine Zeitblende 5_a ist auf den Abstand s_a (Fig.l) eingestellt.

Der Kanal mit dem Index b besitzt keinen Funktionsgenerator, sondern seinem Dopplerauswerter 9, ist unmittelbar ein Anzeigegerät 7_fa nachgeschaltet. Die Zeitblende 5_b ist auf den Meßbereich a im ungestörten Wasser eingestellt, das Anzeigegerät 7, zeigt also die direkt gemessene Fahrtgeschwindigkeit ν an. Dieser zweite Kanal dient hauptsächlich zum Abgleich des Kanals mit dem Index a, vor allem zum Abgleich des Funktionsgenerators 6. Bei richtigem Abgleich müssen beide Anzeigegeräte 7_a und 7, bei allen Fahrtgeschwindigkeiten v_u gleiche Werte der jeweiligen Fahrtgeschwindigkeit ν anzeigen.

Als Hilfsmittel für den Feinabgleich ist nach Fig.

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noch ein Differenzanzeiger 8 vorgesehen, der vorzugsweise mit gedehntem Anzeigebereich die Differenz zwischen den Anzeigegeräten 7_O und 7, mit der Wirkung einer Lupe erkennen läßt.

Unter den weiteren möglichen Abwandlungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 3 und Fig. ^ seien hier nur einige kurz angedeutet.

So läßt sich mit Hilfe eines einfachen Umschalters auf dem Anzeigegerät 7 unter Umgehung des Funktionsgenerators 6 auch die aus der Dopplerverschiebung,. ^ f im Meßbereich a gewonnene Relativgeschwindigkeit V₁ im Storungsbereich anzeigen und ihre Differenz gegenüber der Fahrtgeschwindigkeit ν auf dem Differenzanzeiger ο ablesen.

Die bei Einbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung erforderliche und mit Sorgfalt durchzuführende Aufnahme der von der Formgebung des Wasserfahrzeuges abhängigen Störungsfunktionskurven F (nach Fig. 1) unter Verlegung des Meßbereiches a der Zeitblende 5 ist bereits oben beschrieben worden.

Das Ergebnis der Auswertung der Störungsfunktionskurven F ist die in Fig. 2 dargestellte Funktion v_y = g(v_rel), die als Kennlinie des Funktionsgenerators 6 dient. Diese Funktion gilt nur für einen bestimmten Abstand s_a vor dem Bug des Wasserfahrzeuges.

Bei der Verwendung mehrerer umschaItbarer Meßbereiche a für die Zeitblende 5 mit verschiedenen Abständen s vor dem Bug, insbesondere zu dem Zweck, auch bei extremen Fahrtzuständen immer im linearen Teil einer der Störungsfunktionskurven F zu arbeiten, benötigt man für jeden dieser UmschaItbereiche einen besonderen Funktionsgenerator 6.

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Bei Eichung der Skala des Anzeigegerätes 7 bzw. 7_Q

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nach der Punktion ν = g(v _Ί) kann auf den bzw. die Punktionsgeneratoren β verzichtet werden.

ferner ist es vorteilhaft, zusätzlich zur Fahrtgeschwindigkeit ν durch das Wasser die Relativgeschwindigkeit v-, über den Grund zu wissen.Dabei kann nach dem Verfahren des "Time-Sharing" oder "Time-Multiplex" abwechselnd je ein Wasserschallimpuls nach voraus gegen das Wasser und einer schräg abwärts nach voraus gegen den Grund gerichtet ausgestrahlt werden. Die beiden so über eine getrennte Dopplerwertung erhaltenen Geschwindigkeitswerte werden zweckmäßig gemeinsam in einem Anzeigegerät 7 auf verschiedenen Skalen angezeigt. Zusätzlich kann als dritter Meßwert die Differenz zwischen diesen beiden Geschwindigkeiten angezeigt werden, die der Komponente der Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in Schiffsvorausrichtung entspricht.

Schließlich können die dargestellten Messungen nicht nur in Vorausrichtung, sondern auch in anderen Richtungen durchgeführt werden, insbesondere auch, um eine etwaige Abdrift zu erfassen.

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1. Vorrichtung zur Messung der Fahrtgeschwindigkeit von Wasserfahrzeugen durch das Wasser, bei der vom Wasserfahrzeug aus in Vorausrichtung Wasserschallimpulse bestimmter Frequenz im wesentlichen horizontal ausgestrahlt werden und eine Dopplerverschiebung der durch Volumenstreuung im Wasser zurückkehrenden Echoimpulse gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zeitblende (5) für einen eng begrenzten Meßbereich (a) mit einer Öffnungszeit ( At) vorgesehen ist, die auf einen bestimmten Abstand (s) vor dem Bug des sich auf oder unter der Wasseroberfläche bewegenden Wasserfahrzeuges eingestellt ist, der im Störungebereich des Wasserfahrzeuges (Bugwellenbereich) liegt, und daß die Dopplerverschiebung ( Δf) aus diesem ausgewählten Abstand (s) innerhalb des Störungsbereiches unter Berücksichtigung von durch Eichmessungen ermittelten Störungsfunktionskurven (F) als Maß für die Fahrtgeschwindigkeit (v_u) im ungestörten Wasser dient.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgewählte Abstand (s) des Meßbereiches

(a) der Zeitblende (5) im gemeinsamen Geradlinigkeitsbereich der für das betreffende Wasserfahrzeug ermittelten Störungsfunktionskurven (F) liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (s) des Meßbereiches (a) der Zeitblende (5) vorzugsweise über den gesamten Störungebereich (SB) bis in das ungestörte Wasser hinein verschiebbar ist.

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4. Vorrichtung nach Anspruch J5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Öffnungszeit ( ZIt) der Zeitblende (5) bei Verschiebung des Meßbereiches (a) in Fahrtrichtung voraus automatisch verlängert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet^ daß für die Umwandlung der im Störungebereich (SB) ermittelten Dopplerverschiebung ( Δ. f) in die gesuchte Fahrtgeschwindigkeit (v ) in ungestörtem Wasser ein Funktionsgenerator (6) vorgesehen ist, dessen Kennlinie auf den Störungsfunktionskurven (F) basiert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anzeige der jeweils ermittelten Fahrtgeschwindigkeit (v ) ein oder mehrere Anzeigegeräte (7) vorhanden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß-an Stelle des Funktionsgenerators (6) eine unter Berücksichtigung der Kennlinie des Funktionsgenerators (6) gestaltete Skala im Anzeigegerät (7) vorhanden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei getrennte Meßkanäle (Index a und b, Fig. 4) zur gleichzeitigen Ermittlung der Fahrigeschwindigkeit (ν ) vorhanden sind, von denen der eine (Index a) seine Meßwerte aus dem Störungebereich (SB), der andere (Index b) aus einem bereits im ungestörten Wasser liegenden Meßbereich (a ) bezieht, wobei die Anzeige getrennt auf zwei Anzeigegeräten (7_a* 7_b) erfolgt und zur besseren Erkennbarkeit von Anzeigeunterschieden ein Differenzanzeiger (6) vorgesehen sein kann.

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