DE1673362B2 - Vorrichtung zur Messung der Fahrtgeschwindigkeit von Wasserfahrzeugen - Google Patents

Description

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ausgelegt ist, einem solchen Entfernungsbereich vor Fig. 1 zeigt den Verlauf einer Dopplerverschiebung

dem Schiffsbug zugeordnet ist, der im Bereich der Af bei vier verschiedenen vorgegebenen Fahrtge-

Störung des Wassers durch die Bugwelle des Wasser- schwindigkeiten v„ eines Wasserfahrzeuges. Hierbei

fahrzeuges hegt, und daß bei der Ermittlung dir Fahrt- wächst die Dopplerverschiebung Δ/mit zunehmendem

geschwindigkeit aus der gemessenen Doppierverschie- 5 Abstand j vor dem Bug innerhalb eines Störungs-

bung ohne Einrichtung den durch die Störung verur- bereiches SB nach einer Störungsfunktionskurve F,

sachten Meßfehler durch eine Berücksichtigung der die unter anderem von der Größe und Formgebung

durch Eichmessungen ermittelten Störfunktion korn- des Unterwasserschiffes abhängig ist, an.

pensiert. Die zur Messung der Dopplerverschiebung vom

Der der Dopplerverschiebung aus dem durch die io Schiffsbug in Fahrtrichtung voraus und annähernd

Zeitblende erfaßten Störungsbereich entsprechende horizontal ausgesendeten Wasserschallimpulse werden

Meßwert wird nach einer zweckmäßigen Weiterbildung von den Volumenelementen des Wassers zurück-

der Erfindung als Steuersignal einem Funktionsgene- gestreut. Es werden aber nur Echos empfangen, die

rator zugeführt, dessen Ausgangssignal der Doppler- innerhalb einer variablen Öffnungszeit Δ/ eines nach

verschiebung im ungestörten Bereich und damit der 15 und nach vom Abstand O über s_a bis auf den bereits

wahren Fahrtgeschwindigkeit im Wasser entspricht. weit im ungestörten Wasser liegenden Abstand j_(l

Dieses Ausgangssignal wird in einem sich anschlie- vorverlegten Meßbereiches α einer Zeitblende 5

ßenden Anzeigegerät an einer in Geschwindigkeits- (nach Fig. 3) liegen,

einheiten geeichten Skala angezeigt. Für jede der hier gewählten vier Fahrtgeschwindig-

Die Störungsfunktionskurvenschar wird in der 20 keiten v_H1 bis v_Ui durch das ungestörte Wasser erhält Weise ermittelt, daß die Zunahme der Dopplervcr- man durch die während der Vorverlegung des Meßschiebung über den gesamten Störungsbereich in bereiches α gemessene und registrierte Dopplerver-Fahrtrichtung gemessen und die Meßwerte zweck- Schiebung Δ/je eine dazugehörige Störungsfunktionsmäßigerweise aufgezeichnet werden. Die Messung wird kurve F₁ bis F₄.

bei konstanter Fahrtgeschwindigkeit durch das unge- 25 Bei der niedrigsten der vier Fahrtgeschwindigkeiten

störte Wasser durchgeführt unter Verschiebung des r«, beginnt das ungestörte Wasser, erkennbar am hier

von der Zeitblende erfaßten Meßbereiches vom Ein- beginnenden waagerechten Verlauf der zugehörigen

bauort der Unterwasserschall- Sende und -Empfangs- Störungsfunktionskurve F₁, bereits im Abstand J₁ vor

einrichtung in Fahrtrichtung bis in das ungestörte dem Schiffsbug. Mit zunehmender Fahrtgeschwindig-

Wasser hinein. 30 keit v_e verlagert sich dieser Übergang bis zum größten

Wird eine derartige Meßreihe unter verschiedenen Abstand J₄ bei der größten Fahrtgeschwindigkeit v_M1.

Fahrtgeschwindigkeiten aufgenommen, so erhält man Der Abstand J₄ entspricht der Gesamtausdehnung des

Störungsfunktionskurvenscharen, die den Aufbau des Störungsbereiches SB.

Störungsbereiches wiedergeben. Vor allem aber liefern Während dtr Aufnahme dieser Störungsfunktionssie aus der gemessenen Dopplerverschiebung im Stö- 35 kurven F, die vorzugsweise zu Eich- und Prüfzwecken, rungsbereich die Grundlagen für die Dimensionierung jedoch nicht während der eigentlichen Geschwindigdes Funktionsgenerators für die erfindungsgemäße keitsmessung mit Hilfe der erfindungsgemäßen VorAbleitung der wahren Fahrtgeschwindigkeit durch das richtung zu erfolgen hat, wird zweckmäßigerweise ungestörte Wasser. mittels einer Automatik die Öffnungszeit Δ/ der Zeit-

Darüber hinaus geben die hierbei gewonnenen 40 blende 5 während der Vorverlegung von Δί_α auf Δ/_Μ Informationen dem Schiffbauer wertvolle Erkennt- im ungestörten Wasser erweitert,
nisse über die von der Gestaltung des Unterwasser- Für die eigentliche Ableitung der Fahrtgeschwindigschiffes abhängigen Strömungsverhältnisse am Bug, keit v„ aus einer gemessenen Relativgeschwindigkeit wo ein großer Teil der Antriebsleistung eines Wasser- v_rei im Meßbereich α der Zeitblende 5 wird diese Zeitfahrzeuges aufgezehrt wird. 45 blende fest auf den Abstand s_a eingestellt. Dann erhält

Bei Verschiebung des Meßbereiches der Zeitblende man, wie Fig. 2 zeigt, eine im mittleren Geschwindig

aus dem gestörten in den ungestörten Bereich kann, keitsbereich sogar fast lineare Abhängigkeit der wali-

vorzugsweife automatisch, eine Verlängerung der öff- ren Fahrtgeschwindigkeit v„ von der gemessenen

nungszeit der Zeitblende erfolgen, da die Doppler- Relativgeschwindigkeit v_rei nach der Funktion v„ =

verschiebung im ungestörten Bereich innerhalb jeder 50 gOvri), die sich bei Verwendung eines abgestimmten

Richtung von den Ortskoordinaten unabhängig ist. Funktionsgenerators bei der Geschwindigkeitsanzeige

Die Erfindung sei an Hand der Zeichnung näher berücksichtigen läßt,

veranschaulicht. Die zur Durchführung der Messung dienende Appa-

Fig. I zeigt den Verlauf der Dopplerverschiebung ratur ist in Fig. 3 schematisch dargestellt und arbeitet

in Abhängigkeit vom Abstand des Meßbereiches der 55 mit einem Impulsgenerator 1, der in regelmäßigen

Zeitblende vor dem fahrenden Wasserfahrzeug für vier Zeitabständen von beispielsweise 100 Millisekunden

verschieden große Fahrtgeschwindigkeiten, Wasserschallimpulse mit einer Freauenz von beispiels-

Fig. 2 die Abhängigkeit der gesuchten Fahrtge- weise 4 MHZ erzeugt. Die Impulsfolge wird durch

schwindigkeit v„ im ungestörten Wasser von der ge- einen Taktgeber 2 bestimmt, und die vom Impuls-

messenen Relativgeschwindigkeit v_r,j zum ungestörten 60 generator 1 erzeugten Impulse werden über eine

Wasser liegenden Meßbereich der Zeitblende, Weiche 3 auf einen z. B. magnetostriktiven Wasser-

Fig. 3 das Schaltbild einer Vorrichtung zur Aufnah- schallschwinger 4 gegeben. Dieser Schwinger wird

me der Störungsfunktionskurvenschar nach Fig. 1 dann zu 4 MHZ-Schwingungen angeregt und sendet

und/oder zur Messung der wahren Fahrtgeschwindig- Wasserschallimpulse von beispielsweise 0,5 MiIIi-

keit v_B nach Fig. 2 und 6₅ Sekunden Dauer in der vorgegebenen Lotfolge von

Fig. 4 eine Abwandlung dieser Vorrichtung zur 100 Millisekunden.

gleichzeitigen Messung im gestörten und ungestörten Die Aussendung erfolgt gerichtet, und zwar vorWasser, zugsweise unter einem kleinen Winkel α gegen die

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Horizontalrichtung nach unten geneigt und mittels direkt gemessene Fahrgeschwindigkeit v„ an. Dieser eines an sich bekannten Stabilisierungsgerätes in seiner zweite Kanal dient hauptsächlich zum Abgleich des

Neigung stabilisiert. Kanals mit dem liTdex a, vor allem zum Abgleich des

Die durch Streuung aus dem Wasser zurückkehren- Funktionsgenerators 6. Bei richtigem Abgleich müssen

den Echoimpulse werden über die Weiche 3 einer 5 beide Anzeigegeräte 7_O und 7j, bei allen Fahrtgeschwin-

durch den Taktgeber 2 mitangesteuerten Zeitblende 5 digkeiten r« gleiche Werte der jeweiligen Fahrtge-

zugeführt, deren Meßbereich α nur Echoimpulse aus schwindigkeit v„ anzeigen.

dem Abstand s_a vor dem Wasserfahrzeug während Als Hilfsmittel für den Feinabgleich ist nach Fig. 4

ihrer kurzen Öffnungszeit Δ/α für eine Doppleraus- noch ein Differenzanzeiger 8 vorgesehen, der vorzugs-

wertung freigibt. io weise mit gedehntem Anzeigenbereich die Differenz

Dabei kann die Zeitblende 5 so ausgebildet sein, daß zwischen den Anzeigegeräten 7„ und 7t, mit der Wirkung

ihr Meßbereich a — vorzugsweise unter <*ntfernungs- einer Lupe erkennen läßt.

abhängiger Veränderung ihrer Öffnungszeit Δί von Unter den weiteren möglichen Abwandlungen der

einem Anfangswert At_a bis zum Maximalwert Δ/_α — erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 3 und

über einen grüßen Bereich des Abstandes s vom Bug 15 Fig. 4 seien hier nur einige kurz angedeutet.

(Abstand O) bis in das ungestörte Wasser (Abstand s_u, So läßt sich mit Hilfe eines einfachen Umschalters

Fig. I) verschiebbar ist. auf dem Anzeigegerät 7„ unter Umgehung des Funk-

Diese Verschiebung wird vorzugsweise zu Eich- tionsgenerators 6 auch die aus der Dopplerverschie-

zwecken und zur Aufnahme der wasserfahrzeugeigenen bung Δ/ im Meßbereich α gewonnene Relativge-

Störungsfunktionskurven F benutzt. 20 schwindigkeit iy_p, im Störungsbereich anzeigen und

Die Frequenzen der bei der eigentlichen Fahrt- ihre Differenz gegenüber der Fahrtgeschwindigkeit v_u messung von der fest auf den Abstand s_a eingestellten auf dem Differenzanzeiger 8 ablesen.
ZeitblenJc J uurchgelassenen Echoimpulse werden in Die bei Einbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung an sich bekannter Weise durch einen beispielsweise aus erforderliche und mit Sorgfalt durchzuführende Aufeiner Mischstufe mit Diskriminator bestehenden »5 nähme der von der Formgebung des Wasserfahrzeuges Dopplerauswerter 9 verglichen, und die Dopplerver- abhängigen Störungsfunktionskurven F (nach Fig. 1) Schiebung Δ/ erscheint an seinem Ausgang als Dopp- unter Verlegung des Meßbereiches α der Zeitblende 5 lersignal ud- ist bereits oben beschrieben worden.

An den Doppterauswerter 9 schließt sich ein Funk- Das Ergebnis der Auswertung der Störungsfunktionsgenerator 6 an, der das der Relativgeschwindig- 30 tionskurven F ist die in Fig. 2 dargestellte Funktion keit Vrei im Meßbereich σ der Zeitblende 5 entspre- v„ ■= gi^rei), die als Kennlinie des Funktionsgenerachende Dopplersignal ud nach den ihm als Kennlinien tors 6 dient. Diese Funktion gilt nur für einen bestimmeingegebenen Störungsfunktionskurven F in das der ten Abstand s_a vor dem Bug des Wasserfahrzeuges,
wahren Fahrtgeschwindigkeit v„ durch das Wasser Bei der Verwendung mehrerer umschaltbarer MeP-enu^·cvhende Fahrtsignal up umformt. 35 bereiche α für die 7eitblende 5 mit verschiedenen

Die Fahrtgeschwindigkeit ν« wird analog zu diesem Abständen s vor dem Bug, insbesondere zu dem

Fahrtsignal «f in einem Anzeigegerät 7 zur Anzeige Zweck, auch bei extremen Fahrtzuständen immer im

gebracht. linearen Teil einer der Störungsfunktionskurven F zu

In Fig. 4 ist eine Erweiterung der Vorrichtung nach arbeiten, benötigt man für jeden dieser Umschalt-

Fig. 3 schematisch dargestellt, welche die Messung 40 bereiche einen besonderen Funktionsgenerator 6.

der Dopplerverschiebung Δ/ nicht nur im Störungs- Bei Eichung der Skala des Anzeigegerätes 7 bzw. 7_a

bereich SB, sondern zusätzlich \r- einem in Fähnrich- nach der Funktion r„ = gi\_rei) kann auf den bzw. die

tung weiter vorn liegenden Meßbereich a_u des unge- Funktionsgeneratoren 6 verzichtet werden,

störten Wassers ermöglicht. Ferner ist es vorteilhaft, zusätzlich zur Fahrtge-

An Stelle einer einzigen Zeitblende 5 und eines 45 schwindigkeit r» durch das Wasser die Relativgeschwin-

einzigen Doppelauswerters sind hier zwei Zeitbienden digke't iy,j über den Grund zu wissen. Dabei kann

5_a und 5{> mit je einem Dopplerauswerter 9_a bzw. 9& abwechselnd je ein Wasserschallimpuls nach voraus

in parallelen Kanälen angeordnet. gegen das Wasser und einer schräg abwärts nach voraus

Der Kanal mit dem Index a, bei dem sich dem Dopp- gegen den Grund gerichtet ausgestrahlt werden. Die

lerauswerter 9_O der Funktionsgenerator 6 und ein 5° beiden so über eine getrennte Dopplerwertung erhal-

Anzeigegerät 7„ anschließt, entspricht genau der in tenen Geschwindigkeitswerte werden zweckmäßig ge-

Fig. 3 dargestellten Vorrichtung. Er dient zur Messung meinsam in einem Anzeigegerät 7 auf verschiedenen

der wahren Fahrtgeschwindigkeit v_u über die Relativ- Skalen angezeigt. Zusätzlich kann als dritter Meßwert

geschwindigkeit r_rei im Störungsbereich SB, seine die Differenz zwischen diesen beiden Geschwindig-

Zeitblende 5_a ist auf den Abstand s_a {Fig. 1) ein- 55 keiten angezeigt werden, die der Komponente der

gestellt. Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in Schiffs-

Der Kanal mit dem Index b besitzt keinen Funktions- vorawsrichtung entspricht.

generator, sondern seinem Dopplerauswerter 9s ist Schließlich können die dargestellten Messungen

unmittelbar ein Anzeigegerät 7& nachgeschaltet Die nicht nur in Vorausrichtung, sondern auch in anderen

Zeitblende 5» ist auf den Meßbereich a_H im ungestörten ^6o Richtungen durchgeführt werden, insbesondere auch,

Wasser eingestellt, das Anzeigegerät Tb zeigt also die um eine etwaige Abtrift zu erfassen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

ä 1ΓΜ

Claims (7)

1 2 der in Vorausrichtung Wasserschallimpulse bestimm- Patentansprüche: ter Frequenz im wesentlichen horizontal ausgestrahlt werden, bei der eine kurzzeitig geöffnete Zeitblende

1. Vorrichtung zur Messung der Fahrtgeschwin- die aus dem Nahbereich und die aus dem Fernbereich digkeit von Wasserfahrzeugen, bei der in Voraus- 5 zurückkehrenden Echos unterdrückt, und bei der die richtung Wasserschallimpulse bestimmter Frequenz Dopplerverschiebung der durch Reflexion im Wasser im wesentlichen horizontal ausgestrahlt werden, zurückkehrenden Echoimpulse gemessen wird und bei der eine kurzzeitig geöffnete Zeitblende die aus daraus ein Maß für die Fahrtgeschwindigkeit gewondem Nahbereich und die aus dem Fernbereich nen wird.

zurückkehrenden Echos unterdrückt, und bei der ic Es ist bei Vorrichtungen dieser Art bereits vorgedie Dopplerverschiebung der durch Reflexion im schlagen worden, durch eine Zeitblende, die aus dem Wasser zurückkehrenden Echoimpulse gemessen Störungs- oder Bugwellenbereich unmittelbar vor dem wird und daraus ein Maß für die Fahrtgeschwin- Wasserfahrzeug zurückkehrenden Echos zu unterdigkeit gewonnen wird, dadurch gekenn- drücken, weil dieser Störungsbereich durch die Bugzeichnet, daß der Öffnungsbereich (Δί_α), für 15 welle des auf oder unter dem Wasser sich bewegenden den die Zeitblende (5) ausgelegt ist, einem solchen Wasserfahrzeuges selbst einer mehr oder weniger Entfernungsbereich (a) vor dem Schiffsbug züge- starken Relativgeschwindigkeit gegenüber dem ungeordnet ist, der im Bereich der Störung des Wassers störten Wasser in größerem Abstand vom Wasserfahrdurch die Bugwelle des Wasserfahrzeuges liegt, und zeug unterworfen ist und infolgedessen eine Horizondaß bei der Ermittlung der Fahrtgeschwindigkeit 20 talecholotung eine Dopplerverschiebung ergibt, die (v) aus der gemessenen Dopplerverschiebung (Δ/) zwar die Relativgeschwindigkeit dieses Störungs- oder eine Einrichtung (6) den durch die Störung verur- Bugwellenbereiches gegenüber dem Wasserfahrzeug sachten Meßfehler durch eine Berücksichtigung richtig wiedergibt, nicht aber die im allgemeinen der durch Eichmessungen ermittelten Störfunktion interessierende Relativgeschwindigkeit zwischen dem kompensiert. »5 Wasserfahrzeug und dem ungestörten Wasser. Aus

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- diesem Grunde wird durch Unterdrückung des Echos kennzeichnet, daß der ausgewählte Abstand (5) des aus dem Störungsbereich zur exakten Bestimmung Meßbereiches (a) der Zeitblende (5) im gemein- der Fahrtgeschwindigkeit die Dopplermessung auf das samen Gradlinigkeitsbereich der für das betreffende ungestörte Wasser in genügendem Abstand vor dem Wasserfahrzeug ermittelten Störungsfunktionskur- 30 Wasserfahrzeug bezogen. Zur Verwirklichung dieser ven (F) liegt. Aufgabe werden Wasserschallimpulse bestimmter Fre-

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- quenz angenähert horizontal in Voransrichtung ausgekennzeichnet, daß der Abstand (s) des Meßbe- sendet, der Empfangsverstärker für die Echos aus Entreiches (a) der Zeitblende (5) über den gesamten fernungen unmittelbar vor dem Wasserfahrzeug zu-Störungsbereich (SB) bis in das ungestörte Wasser 35 nächst gesperrt und erst für einen solchen Entfernungshinein verschiebbar ist. bereich kurzzeitig geöffnet, in dem das Wasser durch

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- das sich bewegende Wasserfahrzeug noch nicht gestört kennzeichnet, daß sich die Öffnungszeit (At) der ist. Für größere Wasserfahrzeuge, insbesondere solche Zeitblende (5) bei Verschiebung des Meßbereiches mit Bugwulst, kommen dabei Entfernungen zwischen (α) in Fahrtrichtung voraus automatisch verlängert. 40 15 m und 25 m in Betracht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- Dieser Verzicht auf die Nahechos hat den Nachteil, kennzeichnet, daß für die Umwandlung der im daß — insbesondere bei Vorliegen von Störungen — Störungsbereich (SB) ermittelten Dopplerverschie- die schwache Intensität des Echos außerhalb des Nahbung (Δ/) in die gesuchte Fahrtgeschwindigkeit bereichs nicht ausreicht, um den Störpegel zu über-(v„) in ungestörtem Wasser ein Funktionsgene- 45 winden. Ferner ergibt sich der Nachteil, daß bei Mes· rator (6) vorgesehen ist, dessen Kennlinie auf den sung in flachen Flüssen trotz Bündelung des nach Störungsfunktionskurven (F) basiert. vorne gerichteten Schallstrahls dieser den Boden des

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch Flusses oder die Böschungen trifft und daß von diesen gekennzeichnet, daß an Stelle des Funktions- Bereichen relativ stärkere Echos reflektiert werden, generators (6) eine unier Berücksichtigung der 50 die bei Vorliegen einer Flußströmung von dem gegen Kennlinie des Funktionsgenerators (6) gestaltete das Wasser gemessenen Geschwindigkeitswert abSkala im Anzeigegerät (7) vorhanden ist. weichen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kennzeichnet, daß zwei getrennte Meßkanäle Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaf-(Index α und b, Fig. 4) zur gleichzeitigen Ermitt- 55 fen, mit der eine einwandfreie Messung der Relativlung der Fahrtgeschwindigkeit (v„) vorhanden sind, geschwindigkeit auch bei verhältnismäßig hohem von denen der eine (Index a) seine Meßwerte aus Störpegel und in flachen Gewässern zu erreichen ist. dem Störungsbereich (SÄ), der andere (Index b) Dabei wird die Erkenntnis berücksichtigt, daß der aus einem bereits im ungestörten Wasser liegenden Störungsfaktor eines im Wasser bewegten Wasser-Meßbereich (ö«) bezieht, wobei die Anzeige ge- 60 fahrzeuges innerhalb seines Bugwellenbereiches im trennt auf zwei Anzeigegeräten (7_O, Tb) erfolgt und wesentlichen nur von drei Größen abhängig ist, nämzur besseren Erkennbarkeit von Anzeigenunter- lieh der Form und Oberflächenbeschaffenheit des schieden ein Differenzanzeiger (8) vorgesehen sein Wasserfahrzeuges, von den auf seinen Rumpf bezogefcann. nen Ortskoordinaten im Bugwellenbereich oder Stö-

65 rungsbereich und von der Fahrtgeschwindigkeit des

Wasserfahrzeuges relativ zum ungestörten Wasser.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

der Fahrtgeschwindigkeit von Wasserfahrzeugen, bei löst, daß der Öffnungsbereich für den die Zeitblende