DE1798276B1 - Vorrichtung zur bestimmung der geschwindigkeit und/oder des weges von fahrzeugen durch messung des dopplereffektes - Google Patents

Description

Mittelwertbildner vorhanden ist, der aus den Schwerpunkten der empfangenen Dopplerspektren (Σ/) eine der Bewegung direkt proportionale Meßgröße liefert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwertbildner als Tracker (12) ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge-

energie die gewünschte Neigung gegen die interessierende Bewegungsrichtung aufweist.

Dabei kann der Winkel der Befestigung des Schwingerelementes in Abhängigkeit von der in der Umgebung des Schwingerelementes herrschenden Wassertemperatur geringfügig geändert werden; um den Fehlereinfluß auszugleichen, der bei der Dopplermessung von infolge von Temperaturschwankungen im Wasser hervorgerufenen, wechselnden Schallgeschwindigkeiten herrührt. Die übrigen Einflußgroßen auf die momentane Wasserschallgeschwindigkeit, insbesondere die in Küstennähe bedeutsamen Schwankungen von Salzgehalt und Verschmutzungsgrad des Wassers, werden durch eine solche temperaturabhängige Steuerung aber nicht erfaßt. Die Meßgenauigkeit dieser Anordnung ist daher nicht ausreichend, da sie durch Schwankungen der Schallgeschwindigkeit beeinflußt wird. Bei einer anderen in der genannten USA.-Patentschrift beschriebenen Anordnung ist das Schwingerelement durch eine aus vielen, äquidistant angeordneten Schwingerelementen bestehende Gruppe ersetzt, deren gemeinsame Oberfläche einen solchen Winkel gegen die Bewegungsebene aufweist, daß eine — zunächst — senkrecht von dieser Oberfläche abgestrahlte bzw. empfangene gebündelte Schallenergie die gewünschte Neigung hat. Die einzelnen Schwingerelemente sind dabei an verschiedene Punkte eines phasendrehenden Netzwerks angeschlossen, das aus einer aus der Sonar-Peiltechnik zur Richtungskompensation bekannten i^C-Verzögerungskette besteht. In Abhängigkeit von Schwankungen der umgebenden Wassertemperatur können sich hierbei die Phasendrehungen der einzelnen Glieder der Verzögerungskette ändern und so eine geringfügige Schwenkung der Schallabstrahlung, von der Lotrechten auf die Oberfläche der Schwingerelemente bewirken, um durch geänderte Abstrahl-/Empfangsrichtung den Temperaturanteil bei Schallgeschwindigkeitsschwankungen auf die Dopplermessung auszugleichen.

Auch mit einer solchen Einrichtung, die vor allem den Nachteil hat, daß sie den strömungstechnischen Anforderungen nicht entspricht, kann der Einfluß von Schwankungen der Wasserschallgeschwindigkeit insgesamt, unter Berücksichtigung aller ihrer Ursachen, nicht voll ausgeglichen werden. Auch werden hierbei als zusätzliche Unsicherheitsfaktoren die aus der Erstellung von Sonar-Peilanlagen geläufigen Probleme des praktischen Abgleichens und der Betriebskonstanz von Laufzeitkettengliedern für definierte Phasendrehungen zwischen benachbarten Schwingerelementen zusätzlich als Fehlerquellen eingeführt. Diese Bauart ist außerdem teuer, weil hochwertige Verzögerungsketten benötigt werden.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich ebene äquidistante Schwingergruppen besonders vorteilhaft zum Erzeugen gebündelter, gegen die Horizontale geneigter akustischer Wellen für Dopplermeßgeräte auf Fahrzeugen ausnutzen lassen, weil der von der Schallgeschwindigkeit abhängige Abstrahhmgswinkel gegen die Horizontale sich gerade so verändert, daß der Einfluß von Schwankungen der Schallgeschwindigkeit auf die Dopplerfrequenz eliminiert wird. Die Erfindung besteht darin, daß die ein/einen Schwingerelemente der parallel zu der Bewegungsrichtung im Boden des Fahrzeuges eingebauten Sende- und Empfangsschwingergruppen in der Reihenfolge längs der Bewegungskomponente zu einem Mehrphasensystem zusammengeschaltet sind, das sendeseitig an einen Mehrphasengenerator und empfangsseitig über die einzelnen Phasen in zyklischer Wiederholung durchschaltende Einrichtungen an eine frequenzbewertende Schaltung angeschlossen ist.

Als Mehrphasengenerator, zur Anregung der Schwingerelemente mit einer starr vorgegebenen Phasenverschiebung gegeneinander, eignet sich insbesondere ein Dreiphasengenerator. Gegenüber der Anwendung teurer Laufzeitglieder läßt sich bei dieser Ausführungsform der Erfindung die technisch elegante Lösung für die Erzeugung je einer gebündelten, schräg gerichteten Sende- bzw. Empfangskeule wirtschaftlich mit geringem Aufwand verwirklichen. Der mechanische Strömungswiderstand der flach im Boden des Wasserfahrzeuges eingebauten Schwingergruppen ist minimal. Besondere herausragende und teuere Haltekonstruktionen sind nicht erforderlich.

Um sowohl vorwärts wie rückwärts gerichtete Sende- bzw. Empfangskeulen zu gewinnen, kann das Mehrphasensystem der Sende- bzw. Empfangsschwingergruppen in der Reihenfolge in der' Bewegungsrichtung benachbarter Schwingerelemente sowohl in zyklischer als auch in antizyklischer Wiederholung gleichzeitig, d. h. durch zwei einander gegensinnig überlagerte Drehfelder, betrieben bzw. durchgeschaltet werden.
Für diesen zyklischen und antizyklischen Betrieb werden im Mehrphasengenerator zweckmäßig zwei Oszillatoren kombiniert verwendet, deren Arbeitsfrequenzen einen geringfügigen Frequenzunterschied voneinander aufweisen. Die Möglichkeit, daß störende Sendeenergie des zyklischen Betriebes (d. h. der voraus gerichteten Schallstrahlung) über eine Voraus-Nebenkeule gerade in Richtung der Hauptkeule des antizyklischen Betriebes und damit der rückwärts gerichteten Schallstrahlung — oder umgekehrt — abstrahlt, ist dann nicht mehr problematisch, weil empfangsseitig über Frequenzdiskriminatoren eine Trennung solcher Energieanteile unterschiedlicher Herkunft durchgeführt werden kann.

Um den Einfluß von vertikalen Bewegungen, beispielsweise der Seegangsbewegungen bei Wasserfahrzeugen, auf die Messung des Dopplereffektes der horizontalen Nutzbewegung in an sich bekannter Weise zu eliminieren, wird empfangsseitig eine Differenzbildung ausgenutzt, der sich ein Mittelwertbildner anschließt, der aus den Schwerpunkten der empfangenen Dopplerspektren eine der Bewegung direkt proportionale Meßgröße liefert. Dieser Mittelwertbildner enthält zweckmäßig einen als Tracker ausgebildeten Integral-Frequenzregelkreis, der stets auf einen solchen Frequenzwert nachläuft, der für das Dopplerspektrum und damit die gesuchte Bewegungskomponente maßgebend ist. Die Summe von aus den Ausgangsfrequenzen nach empfangsseitiger Abtastung herausgefilterten Nutzspektren dient dem Regelkreis als Führungsgröße. Die Regelgröße des Regelkreises ist der Frequenzwert, dessen Abweichung von der Differenz der Sendefrequenzen proportional der Bewegungskomponente, d. h. der zu messenden Geschwindigkeit des Fahrzeuges ist.

Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt

F i g. 1 a eine Prinzipdarstellung der Anwendung des bekannten Janus-Verfahrens, bei einem Wasserfahrzeug in perspektivischer Darstellung,

Fig. Ib Richtcharakteristiken einer Sende- und Empfangsschwingergruppe der X- Koordinatenrichtung,

F i g. 2 eine an einen Dreiphasengenerator angeschlossene Sendeschwingergruppe,

F i g. 3 eine Sende- bzw. Empfangsschwingergruppe in anderer Ausführungsform, die durch ihre annähernd elliptische Flächenbesetzung Nebenkeulen der Richtcharakteristik reduziert,

F i g. 4 ein Blockschaltbild zur Erregung der Sendeschwingergruppe,

F i g. 5 ein Frequenzspektrum der Sende- und Empfangsfrequenzen,

F i g. 6 ein Frequenzspektrum der Empfangsfrequenzen nach antizyklischer Abtastung,

F i g. 7 ein Frequenzspektrum der Empfangsfrequenzen nach zyklischer Abtastung,

F i g. 8 ein Blockschaltbild der empfangsseitigen Abtastung,

F i g. 9 ein Blockschaltbild des Trackers.

In F i g. 1 a ist die Anwendung des Janus-Verfahrens nach dem bekannten Stand der Technik bei einem Wasserfahrzeug F dargestellt. Mit K₁ sind dabei die in Bewegungsrichtung, also auch vorwärts abgestrahlten Hauptkeulen der Sende- und Empfangsschwingergruppen, mit K₂ ihre entgegengesetzt, also nach rückwärts gerichteten Hauptkeulen bezeichnet.

In F i g. 1 b ist für eine Koordinatenrichtung, die Voraus-Fahrtrichtung oder x-Richtung als Riehtung der interessierenden Bewegungskomponente des Fahrzeuges F, die Richtcharakteristik von Sende- und Empfangsschwingern schematisch dargestellt. Hierbei sind mit K₁ bzw. K₂ wiederum die Hauptkeulen bezeichnet, während mit N₁ bzw. JV₂ auftretende Nebenkeulen bezeichnet sind.

Bei der Sendeschwingergruppe nach F i g. 2 sind scheibenförmige Schwingerelemente 1 in zwei oder mehr auf Lücke stehenden Zeilen nebeneinander in x-Richtung angeordnet und zu einer Gruppe 2 zusammengefaßt. Die notwendige Anzahl der Schwingerelemente 1 ergibt sich dabei in bekannter Weise aus der gewünschten Richtcharakteristik für die Keulen K in F i g. 1 b. Werden gleiche Elemente statt für den Sendefall für den Empfangsfall betrachtet, wird ihrem Bezugszeichen im folgenden ein Apostroph beigefügt.

F i g. 3 zeigt, wie die Speisung der einzelnen Schwingerelemente 1 mit Spannung unterschiedlicher Er errechnet sich nach der Formel

X₁ =

3 cos 1

(1/3 wegen 120).

wobei α der Neigungs-Winkel einer Hauptkeule K der Richtcharakteristik gegen die Bewegungsebene ist. Bei üblichen Werten von α zwischen 45 und 60^c ergeben sich für X₁ Werte zwischen 0,67 und etwa 0,5 /. Da andererseits die Schwingerelemente 1 üblicherweise einen Durchmesser D von etwa 0,9 ... 1,1 λ haben, werden Schwingerelemente 1 dieser Abmessungen in mindestens zwei Zeilen auf Lücke versetzt nebeneinander angeordnet, so daß die genannten Abstände X₁ in x-Richtung realisierbar sind.

Es können auch noch weitere Zeilen hinzugefügt werden, wenn das erforderlich ist, um eine bestimmte Richtcharakteristik zu erzielen. Sind Schwingerelemente 1 kleineren Durchmessers D verfügbar oder ergeben sich für eine bestimmte gewünschte Charakteristik größere X₁-Werte, so wird man die Schwingerelemente 1 nebeneinander in durchgehenden Zeilen zu einer Gruppe 2 kombinieren.

Bekanntlich ergibt sich eine Dopplerfrequenz J J'_D aus Schallgeschwindigkeit c, Geschwindigkeit r der interessierenden Bewegungskomponente des Fahrzeuges F, der Sendefrequenz J'_s und dem Abstrahlwinkel α gegen die Bewegungskomponente nach der Formel

2 ν
J/i> = -—— ' f* ' cos α. (2)

Löst man die Gleichung (1) nach cos α auf und setzt sie in (2) ein, erhält man mit c — λ ■ f_s

AfD =

2 ν

■fs

Iv

Daraus ergibt sich die bemerkenswerte Eigenschaft dieser Anordnung der Schwingerelemente 1 in der Gruppe 2, daß die Schallgeschwindigkeit c\ deren Kompensation bei anderen Anordnungen stets kritisch und umständlich ist, in den Dopplereffekt nicht mehr eingeht. Die Dopplerfrequenz \f_D ist vielmehr nur vom Abstand X₁ der Schwingerelemente 1 und von der horizontalen Geschwindigkeit r abhängig.

Das ist deshalb von besonderer Bedeutung, weil ein Fehler in der Dopplerfrequenz J f_D sich bei der Wegmessung aufsummiert und die Genauigkeit

Phase dadurch erreicht wird, daß bei der gewählten 50 beeinträchtigt. Diese Unabhängigkeit von der Schall-

Ausführung mit einem Dreiphasengenerator als Mehrphasengenerator M zwei in x-Richtung benachbarte Schwingerelemente 1 speisende Spannungen jeweils um 120° gegeneinander phasenverschoben sind.

Dabei wird jedes dritte Schwingerelement 1 wieder mit der nach Betrag und Phase gleichen Spannung gespeist; _ alle jeweils dritten Schwingerelemente 1 können also miteinander verbunden werden. Die drei Zuleitungen R, S, T mit 0, 120 und 240^; Phasenverschiebung sind an den Dreiphasengenerator angeschlossen. Sie bilden ein Drehstromsystem mit der Betriebsfrequenz des Dreiphasengenerators als Umlauf- oder Drehfrequenz. Nach der Erfindung wären aber auch andere Mehrphasen-Systeme mit geringerem Phasenwinkel anwendbar.

Der A-bstand X₁ zweier Schwingerelemente ergibt sich aus dem gewünschten Abstrahl-Winkel α und der Wellenlänge / der abgestrahlten Sendefrequenz f_s.

geschwindigkeit c ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung.

Wird die Gruppe 2 aus dem Mehrphasengenerator M mit einem Drehfeld r, s, t, das mit der Sendefrequenz /_s der abgestrahlten Schallenergie periodisch umläuft, gespeist, so wird eine Hauptkeule K unter dem Winkel α gegen die Ebene der Gruppe 2 abgestrahlt. Da die Anordnung der Schwingerelemente 1 symmetrisch ist, ist eine Abstrahlung prinzipiell nach der einen wie nach der anderen Seite möglich. Tatsächlich hängt die Abstrahlrichtung nur vom Drehsinn, d. h. der Phasenfolge des Drehfeldes /·, s, r auf den Zuleitungen R, S, T und damit der zeitlichen Staffelung der Anregung der Schwingerelemente 1 ab. Da die Schwingerelemente 1 praktisch lineares elektromechanisches Verhalten aufweisen, ist es möglich, die Gruppe 2 mit zwei einander überlagerten Drehfeldern T₁, S₁, I₁: r₂, f₂, S₂ gleichzeitig

zu speisen, die entgegengesetzten Drehsinn haben. Dabei ist es nicht einmal erforderlich, daß beide Drehfelder r_f, s₍, i,- (i = 1,2) gleiche Dreh- und damit die Schwingerelemente 1 gleiche Sendefrequenz f_s = Z₁ = f₂ haben. Meist reicht es, wenn beide Frequenzen Z₁ und f₂ innerhalb der mechanischen Bandbreite der Schwingerelemente 1 liegen.

Die Darstellung in F i g. 1 b kann auch interpretiert werden als die zweier sendeseitiger Richtcharakteristiken und ihrer Hauptkeulen K₁ und K₂, wobei die Keule K₁ von einem Drehfeld T₁, S₁, t_u also mit der als zyklisch bezeichneten Phasenfolge 0,120,240°, z. B. nach voraus, unddie Keule K₂, mit dagegen antizyklischer Phasenfolge 0, 120, 240° von einem gegenläufigen Drehfeld r₂, t₂, S₂, dann nach rückwärts gerichtet, erzeugt wird.

Die Frequenzen Z₁ und f₂ der um 120° unterschiedlichen drei Phasen der Drehfelder r_h s_h i_; werden, wie F i g. 4 zeigt, in bekannter Weise durch Teilen von (ι χ 3) höheren Oszillatorfrequenzen gewonnen, wobei ι eine ganze Zahl ist. Die Oszillatorfrequenzen, die im Beispiel als 6 Z₁ und 6/₂ (d. h. ι = 2) gewählt sind, werden in den Oszillatoren 3 a und 3 b erzeugt und in drei in Ring geschalteten JX-Flip-Flops 4ä, 5a, 6a und 4b, 5b, 6b geteilt. Diese steuern unmittelbar die Sendestufen la und Ib, deren Ausgangsspannungen im zueinander entgegengesetzten Drehsinn, also die Drehfelder T₁ in der Weise r_t mit r₂, S₁ mit t₂ und J₁ mit s₂, über Filter 8_R, 8_S, 8_r addiert werden. Die so überlagerten Drehfelder r_;, s_;, i_; (z = 1,2) können dann über drei Zuleitungen R, S, T in Sternschaltung auf die Gruppe 2 der Schwingerelemente 1 geschaltet werden. Die allen Schwingerelementen 1 und den Sendestufen 7 gemeinsame Sternleitung ist in F i g. 4 nicht dargestellt.

Nebenzipfel N, wie sie in F i g. 1 b eingezeichnet sind, lassen sich mit geläufigen Methoden, wie durch Staffelung der Schwingerelemente 1 in einer Gruppe 2 in Form einer annähernd elliptischen Fläche entsprechend der Darstellung in F i g. 3 und/oder durch Schaltungsmittel zur Amplitudenstaffelung, reduzieren. Trotzdem läßt es sich nicht sicher vermeiden, daß Nebenzipfel N der sendeseitigen Vorwärts-Hauptkeule K₁ mit der Rückwärts-Hauptkeule K₁" des Empfängers und umgekehrt zusammenfallen. Die Folge davon ist eine geringe Ubersprechdämpfung.

Diese Schwierigkeit wird nach einer Weiterbildung der Erfindung dadurch vermieden, daß sendeseitig die beiden speisenden Drehfelder r,, s_;, i_; (/=1,2) etwas unterschiedliche Frequenzen haben, nämlich Z₁ und /₂. Mit der F i g. 5 wird diese Weiterbildung der Erfindung näher erläutert. Für die Lage der beiden Sendefrequenzen Zi und /₂ sowie die dopplerbehafteten Empfangssignale, nämlich der Dopplerspektren Zf₁ und Ef₂ der Voraus- und Rückwärts-Empfangskeulen K[ und K₂ bei Vorwärtsbewegung des Fahrzeuges F in x-Richtung gilt:

A Z₂

₂ ho

Z_{1 hor} der Dopplerfrequenzanteil durch
horizontale Bewegung,
der Dopplerfrequenzanteil durch
horizontale Bewegung,
_ven der Dopplerfrequenzanteil durch

vertikale Bewegung und mit
A f_{2 ver}, der Dopplerfrequenzanteil durch
vertikale Bewegung

J /i _ve

bezeichnet ist.

über Nebenzipfel, z. B. mittels JV₁ auf K₂, übersprechende Frequenzanteile der »falschen« Keule sind in Fig. 5, nach Dopplerbehaftung, gestrichelt eingezeichnet.

Durch Mischen werden die Dopplerspektren Z¹Z₁ und Ef₂ in gleiche Frequenzbänder transponiert. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten.

Im ersten Fall kann jeweils die Sendefrequenz f_s (Z₁ bzw. f₂) der entgegengesetzten Keule .K₁ bzw. K₂ zum empfangenen Dopplerspektrum Ef₂ bzw. Ef₁ der anderen Keule K₂ bzw. K₁ hinzuaddiert werden. Es werden also ein empfangenes Dopplerspektrum Ef und die Sendefrequenz der anderen Keule K zusammengefaßt:

Σ Z₁ + Zi = Zi

/1 _kor

+ Af₁

1 vert

+ /l = /l + /2 - ^/2tar +

Es ergibt sich aus der Differenzbildung beider Summen

da

Δ Ji vert ~ A J₂

_{2 ver},

ISt.

In F i g. 6 ist die Lage der Dopplerspektren nach dieser Transponierung dargestellt. Mit der Abkürzung Ef₆ werden die Ubersprechfrequenzen bezeichnet, die entstehen, wenn Sendeenergie der einen Keule über Nebenzipfel N in die andere Keule gelangt, dort dopplerbehaftet wieder empfangen und im Zuge des Abtastens mit der Sendefrequenz f_s der erstgenannten Keule gemischt wird. Die durch übersprechen aus den Dopplerspektren 2"Z₁ und 2"Z₂ entstehenden Spektren der Ubersprechfrequenzen betragen :

Zl Ho

r + J/l «» = ΣZ₁ +

und

ΣΖ*12 = 2 ft -

ver, = ΣZ₂ + f₂ I

darin gilt

\ — Zl +J/lfl-Zl + l/l hor + J f\ vert

/2 ~ ^flhor + --U₂verl ■>

J /2 hor — -Ul Aor ' J Jl vert —' -J Jl vert ι

Σ Z₂ ⁼ .12 + J/2 D

wobei mit:

Zi die (Sende-) Frequenz der Vorauskeule K₁. f₂ die (Sende-) Frequenz der Rückwärtskeule K₂,

da, wie aus Gleichung (3) hervorgeht, die Dopplerfrequenzen 1 Zd von den Sendefrequenzen Z₅ unabhängig sind. Die Ubersprechfrequenzen Ef_e liegen außerhalb eines Betriebsbereiches B, der durch maximal auftretende Dopplerabweichungen begrenzt ist (F i g. 6), und werden mittels Bandpässen 9 (Fig. 8) herausgefiltert.

209 518/m

Im zweiten Fall wird jeweils die Sendefrequenz der entgegengesetzten Keule subtrahiert, wobei sich aus der Subtraktion

σA - f₂ = Λ -J₂ + j Z_{1 hor} + Jf₁ ,,,„

— Jl ~ /l ⁼ ~~fl + fz ~~ -UZhor + ^Jzvert

2(fl~fz) + -lflhor+ IJz hor

ergibt.

Nach zusätzlicher Subtraktion des Gliedes 2 (/, -J₂) bleibt die gesuchte Dopplergröße

-J Jl hor + ^Jz hor '

und es betragen die in diesem Falle aus den Dopplerspektren Ef₁, Ef₂ auftretenden niederfrequenten Spektren der übersprechfrequenzen

"fä Zl — fl + J /l hor + -J Jl vert ~~ /l ⁼ -J /l hor + J Jl vert

"füZZ ⁼ /2 ~~ -! Λ ftor + -J Λ reri ~ Λ ⁼ ~~ J Jz hor + -I Λ tvrt '

die wiederum durch Bandpässe9 (Fig. 8) abgetrennt werden, wie dies mit gestrichelten senkrechten Linien in F i g. 7 angedeutet ist.

Die praktische Bedeutung dieser Transponierung liegt darin, daß das übersprechen durch Nebenzipfel N der einen Richtung in die Hauptkeulen K, K' der anderen Richtung durch empfangsseitige Frequenzselektion der Frequenzanteile von den Sende-Frequenzen,/i und f₂ reduziert wird, so daß sich die Nebenzipfeldämpfungen beim Senden und Empfangen addieren. Ist die Dämpfung der Nebenzipfel beim Senden oder Empfangen beispielsweise 12db, so ergibt sich insgesamt, d. h. über einen ganzen Sende- und Empfangsweg, eine gesamte Nebenzipfeldämpfung von 24 db. Ohne Frequenzselektion würde sich dagegen nur eine Dämpfung von insgesamt 12 db ergeben, die eine Anwendung der Erfindung erheblich beeinträchtigen würde.

Die Dreiphasigkeit ist bei dieser Betrachtung noch nicht berücksichtigt worden. Tatsächlich werden die Frequenzen f_x und J₂ dreiphasig der Gruppe 2 der sendenden Schwingerelemente 1 zugeführt. Ebenso werden die empfangenen Dopplerspektren Ef₁, Ef₂ der Voraus- und der Rückwärtskeulen K₁, K₂ einander überlagert als Dreiphasensignal an der Gruppe 2' der empfangenen Schwingerelemente Γ erhalten.

Zum Verständnis der Funktion der Empfangsseite sollen zunächst die bei der Frequenzumsetzung entstehenden Spektren erläutert werden. Nach einem weiteren Schritt der Erfindung wird nämlich die Aufspaltung zwischen dem Signal der Vorauskeule K₁ und dem Signal der Rückwärtskeule K₂ mit der Frequenzumsetzung in sinnvoller Weise kombiniert.

Bei der in F i g. 8 schematisch dargestellten Schaltungsordnung auf der Empfangsseite sind die Schwingerelemente 1 ebenfalls dreiphasig zusammengefaßt. Die drei Zuleitungen R', S', T — die allen Schwingern gemeinsame Sternleitung ist nicht dargestellt — führen an zwei als Kommutatoren arbeitende Abtaster 10a und 10fr mit je drei Segmenten Ila, 11fr, die für eine Wirkungsweise nach dem

IO

20 zweiten Fall der Mischung geschaltet sind. Der eine Abtaster 10a läuft mit der Sendefrequenz/, zyklisch in der Phasenfolge des Drehfeldes r₂, -S₂, t₂ um. Das von der Vorauskeule K₁ ankommende Dopplerspektrum Ef₁ durchläuft in der gleichen Phasenfolge, nämlich mit dem Drehfeld r,, S₁. t_x, die Schwingerelemente Γ, und es entsteht am Ausgang des Abtasters 10a ein Differenzspektrum Ef₁ — J₂. Das ebenfalls anliegende, von der Rückwärtskeule K₂ stammende Dopplerspektrum Ef₂ weist jedoch antizyklische Signal-Phasenfolge entsprechend einem Drehfeld r₂, t₂, s₂ auf, ergibt also ein im Vergleich dazu hochfrequentes Summenspektrum Ef₂ + J₂, das herausgefiltert werden kann. Der andere Abtaster 10fr läuft mit der Frequenz J\ bei antizyklischem Drehfeld r_x, t_x , S₁. Sinngemäß entstehen ein Differenzspektrum J[ — EJ₂, dazu ein Summenspektrum -Vi + J\ ■ das wiederum herausgefiltert werden kann. Wenn man die Drehrichtung der beiden Abtaster ΙΟ« und 10fr gegenüber der Darstellung in F i g. 8 umkehren, jedoch die Umlauffrequenzen beibehalten würde, so würden sich nach der Abtastung Frequenzen wie im oben erläuterten ersten Fall als Nutzsignale -/1 +Jz=Ji

Zf₂+fl =./l

1 Jz hor+ If₂ ver,

ergeben, aus denen sich durch Differenzbildung zwischen diesen beiden Spektren der Nutzdoppier

J JDS ⁼ -J Jl Iwr + U₂ hor

ergibt. Welche der beiden Möglichkeiten in der Praxis angewendet werden soll, hängt vom Aufwand ab: im Prinzip sind beide gleichwertig. Bei gemischter Anwendung kommt man sogar mit nur einem Abtaster 10 aus.

Praktisch werden die in der F i g. 8 angedeuteten Abtaster 10a und 10fr mit elektronischen Mitteln realisiert, z. B. mit gesteuerten Feldeffektransistoren.

Die übertragung der grundsätzlichen Schaltung in elektronische Schaltungstechnik ist dem Fachmann geläufig.

Die von den Abtastern 10« und 10fr abgegebenen Frequenzen, die transponierten Dopplerspektren entsprechend dem oben erläuterten zweiten Fall

EJ₁ - J₂ und J₁ - Ef₂ ,

werden vorteilhaft in einem Frequenz-Tracker 12 weiterverarbeitet.

Dieser hat die Aufgabe, die für den momentanen Doppler repräsentative Schwerpunktfrequenz des transponierten Dopplerspektrums stetig zu ermitteln und diese bei einem eventuellen Signalausfall zu speichern, damit eine anschließend erfolgende, hierauf basierende. Wegintegration nicht unterbrochen wird. Die Schwerpunktfrequenz wird nach zweckmäßiger Umformung, die noch beschrieben wird, stetig an einen weiterverarbeitenden Dopplerrechner 13 abgegeben, der die anfallenden fahrzeugbezogenen Geschwindigkeitsinformationen beispielsweise in nordbezogene Wegangaben umrechnet. Zunächst werden in Bandpässen 9«, 9fr die von den Abtastern 10«, 10fr erzeugten transponierten Dopplerspektren

^Z₁ - fz und ./; - Zf₂ von unerwünschten Mischprodukten befreit und innerhalb des Trackers 12 auf (F i g. 9) zwei Frequenzdiskriminatoren 14«, 14fr gegeben.

Diese prüfen für jedes der beiden transponierten Dopplerspektren, ob es in der Mitte zwischen zwei, durch Teilerschaltungen 15a, 15fr aus einer — im als Spannungs-Frequenz-Wandler ausgeführten Hilfsoszillatorl6 erzeugten — Hilfsfrequenz/_A gewonnenen, Frequenzen — und -&- liegt. Dies wird erreicht, mn j.

indem das Dopplerspektrum je Kanal mit -^- und

— in Mischstufen 17a, 17fr gemischt wird.
Die neu entstehenden Spektren

liebige Nutzdoppier Af_DN folgenden Bedingungen genügen:

- (Z₁ -fz + Afdn) = (Zi -S₁ +

Λ (

m ( (Si- <

ΣΛ -Si) yr\ Jh

~h) η

werden über Tiefpässen 18 a, 18 b gleicher Grenzfrequenz frequenzabhängig geschwächt und gegenpolig gleichgerichtet. Liegt die Schwerpunktfrequenz auf Grund der aktuellen Frequenzverteilung im

Dopplerspektrum symmetrisch zwischen — und —,

so ist der Ausgangsstrom der Frequenzdiskriminatoren 13 a und 13 b gleich Null, bei einer Abweichung dagegen positiv bzw. negativ proportional zur Unsymmetrie.

Bei ruhiger horizontaler Fahrt des Fahrzeuges F sind die transponierten Dopplerspektren der Voraus- und der Rückwärtskeule K[ und K'₂ gleich, und die Ausgangsströme bzw. Spannungen U₁ der Frequenzdiskriminatoren 14a, 14b ebenfalls nach Betrag und Richtung gleich.

Sie fließen in den Summationspunkt 19 eines Integrators 20. Die Ausgangsspannung des Integrators 20 steuert als Regelspannung U_R die Hilfsfrequenz/_ft des Hilfsoszillators 16. Die Frequenzdiskriminatoren 14 a, 14 fr, der Integrator 20 und der Hilfsoszillator 16 einschließlich der Teilerschaltungen 15a, 15fr bilden einen Regelkreis mit /-Verhalten. Der Regelkreis wirkt in der Weise, daß im Summationspunkt 19 die Ausgangsströme der Frequenzdiskriminatoren 14a, 14b auf Null geregelt werden.

Ist der horizontalen Bewegung des Fahrzeuges F eine periodische vertikale Bewegung überlagert, dann sind die Ströme der beiden Frequenzdiskriminatoren 14 a, 14 b ungleich gepolt, weil die Vertikalkomponenten der Dopplerspektren in den beiden Kanälen der Frequenzdiskriminatoren 14 a, 14 b ungleiches Vorzeichen haben. Im Summationspunkt 19 heben sich aber die durch die Vertikalkomponenten hervorgerufenen Gleichströme bereits auf, so daß die Ausgangsspannung des Integrators 20, die Regelspannung U_R, proportional zur Horizontalgeschwindigkeit ist und diese allein bei Signalausfall gespeichert wird. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß nur ein Integrator 20 benötigt wird und daß dieser nur der im allgemeinen langsamen horizontalen Geschwindigkeitsänderung des Fahrzeuges F zu folgen braucht.

Das Teilerverhältnis der Teilerschaltungen 15 a, 15 b

f f

muß, damit -^- und -^- symmetrisch zur Schwerpunktfrequenz des Dopplerspektrums liegen, für be-

zweckmäßigerweise dimensioniert man ferner gemäß der Beziehung:

(A -h + 4Äw) 7 = 7-;

m, n, p, q, r ganzzahlig, um am Eingang des Dopplerrechners 13 gerade eine vorgebbare Impulszahl pro Wegeinheit zu erhalten.

Für eine gute Regelsteilheit, d. h. eine große Reaktionsschnelligkeit des Trackers 12, soll ferner die Differenz

fdu)

und damit der auszuregelnde Frequenzhub möglichst

klein sein. Das Verhältnis — , ein Maßstabs-Um-

rechnungsfaktor von vorbeschriebener Bedeutung,

beträgt in einem konkreten Fall -5-. Ein weiterer

Teiler 21 mit dem Teilerverhältnis ρ liefert eine geschwindigkeitsabhängige Frequenz/,,, deren weitere Auswertung noch beschrieben wird.

Die Zahlenwerte der Faktoren m, η und ρ werden so gewählt, daß der Aufwand für die Teiler 15 und 21 minimal ist. Die Zahl der Möglichkeiten ist bei vernünftigem Aufwand und zweckmäßiger Auslegung sehr begrenzt. Beispielsweise werden folgende Zahlenwerte gewählt:

m = 2-12
/ι = 2·15

ρ = 2 · 20 ^y

(Der Faktor 2 ist notwendig, um Tastverhältnis 1:1 an den Ausgängen der parallel arbeitenden Teilerschaltungen 15a und 15b zu bekommen.)
Ist Z₁ — /₂ + 4/rw beispielsweise 3 kHz, dann sind

f_h = 8OkHz

Λ	= 3,333 kHz
m	= 2,666 kHz
η	= 2,OkHz,
k

und die Grenzfrequenz der Tiefpässe in den Frequenzdiskriminatoren 14a, 14fr beträgt

) g = 2 .-τ · 333 sec

-1

Um nach einer Frequenzmischung nach der zweiten der beiden Möglichkeiten, die oben beschrieben worden sind, das für die Weiterverarbeitung allein, interessierende Dopplersignal zu erhalten, wird in einer Differenzstufe 22 die Differenz zwischen der der geschwindigkeitsabhängigen Frequenz/„ proportio-

nalen Anzahl der Impulse des Teilers 21 und der Anzahl der Impulse des Teilers 23 gebildet: Der Teiler 21 liefert:

Die Differenzstufe 22 gibt an zwei Ausgängen die Frequenz

	der	Wl	-/2	+	4ω	r	_ fk
	Teiler	23			q	P
und

Ui ~ Ji) ~ ■

woraus sich die Differenz

ergibt.

Der Teiler 23 hat also die Aufgabe, die Frequenzdifferenz (Z₁ —f₂) mit dem gleichen Maßstabsfaktor — zu versehen wie das Dopplerspektrum

(Zi-

ab, wobei der eine Ausgang Impulse bei Vorwärts-, der andere bei Rückwärtsbewegung abgibt. Die Impulse werden auf den Dopplerrechner 13 gegeben und können z. B. dazu dienen, über Zählwerke den zurückgelegten Weg anzuzeigen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der beschriebenen Doppler-Meßanordnung ist es möglich, ein und dieselbe Gruppe von Schwingerelementen im Impulsbetrieb als Sender und Empfänger zu betreiben.

Des weiteren kann es zweckmäßig sein, zwischen die Empfangsschwingergruppe und die elektronischen Abtaster Zwischenverstärker einzuschalten.

In den beschriebenen Ausführungsbeispielen sind nur die Bewegungen des Fahrzeuges F in einer Koordinatenrichtung erfaßt. Man kann die vorliegende Erfindung aber auch zur Erfassung von Bewegungskomponenten in zwei Koordinatenrichtungen anwenden, wozu jedoch zusätzliche Schaltungsmittel erforderlich sind, die um 90° azimutal versetzt wirksam sind. Im übrigen ist die Erfindung nicht nur bei Wasserfahrzeugen, sondern auch bei Land- oder Luftkissenfahrzeugen anwendbar.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrphasengenerator (M) als Dreiphasengenerator ausgebildet ist.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schwingerelemente (1, 1') je einer der Phasen des Mehrphasensystems der Sende-ZEmpfangsschwinger-

   Patentansprüche- ⁹· ^Vorrichtu"g ^{nach den} vorhergehenden An

   sprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß auf der

   1. Vorrichtung zur Bestimmung der Geschwin- Sendeseite eine Einrichtung zur impulsartigen

   digkeit und/oder des Weges von Fahrzeugen Ansteuerung der Sendeelemente (1) und auf der

   durch Messung des Dopplereffektes mittels gegen 5 Empfangsseite eine Einrichtung vorgesehen ist, die Bewegungsrichtung um einen Winkel α ge- die die frequenzbewertende Schaltung während

   neigter, gebündelter Schallwellen, die von aus der Sendeimpulse sperrt,

   äquidistanten einzelnen Schwingerelementen bestehenden ebenen parallelen Sende- und Empfangs-

   schwingergruppen abgestrahlt bzw. empfangen io

   werden, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schwingerelemente (1, Γ) der parallel zur Bewegungsrichtung im Boden des

   Fahrzeuges (F) eingebauten Sende- und Empfangs- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschwingergruppen (2, T) in der Reihenfolge längs 15 Stimmung der Geschwindigkeit und/oder des Weges der Bewegungskomponente zu einem Mehrphasen- von Fahrzeugen durch Messung des Dopplereffektes system zusammengeschaltet sind, das sendeseitig mittels gegen die Bewegungsrichtung um einen Winan einen Mehrphasengenerator (M) und emp- kel α geneigter, gebündelter Schallwellen, die von fangsseitig über die einzelnen Phasen in zyklischer aus äquidistanten einzelnen Schwingerelementen beWiederholung durchschaltende Einrichtungen an 20 stehenden ebenen parallelen Sende- und Empfangseine frequenzbewertende Schaltung angeschlossen Schwingergruppen abgestrahlt bzw. empfangen

   werden.

   Bei Vorrichtungen der genannten Art ist es üblich, mit mehreren Abstrahlkeulen, sogenannten Dopplerfühlern oder -keulen, zu arbeiten. Häufig ben.utzt man, um die Bewegung des Fahrzeuges aus Bewegungskomponenten in Form zweier rechtwinklig zueinander ausgerichteter Koordinaten in der Ebene der Bewegung zu erfassen, zwei Dopplerfühler, deren

   gruppen (2,2') durch den' Mehrphasengenera- 30 Strahlrichtungen azimutal um 90^: gegeneinander tor (M) in der Reihenfolge längs der Bewegungs- verdreht sind und unter einem Winkel « von etwa komponenten sowohl in zyklischer als auch in 45 bis 60^: gegen die Bewegungsebene schräg strahlen antizyklischer Wiederholung gleichzeitig betreib- bzw. aus dieser Richtung empfangen. Zu jedem Sendebar sind. fühler gehört ein entsprechender Empfangsfühler.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- 35 Strahlt beispielsweise das eine Dopplerfühlerpaar kennzeichnet, daß der zyklische und der anti- in Richtung »Voraus« und »Rückwärts«, so ist durch zyklische Betrieb mit geringfügigem Frequenzunterschied erfolgt.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß empfangsseitig eine Dopplerfrequenz (J/_D) bei zyklischer und antizyklischer Abtastung gewonnener Empfangsfrequenzen bewertende Einrichtung (Frequenzdiskriminatoren 14a, \4b) vorhanden ist.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, da- 45 Fahrzeuges einfach einbauen lassen und eine strödurch gekennzeichnet, daß empfangsseitig ein mungstechnisch günstige Form haben; ferner soll

   der Einfluß schwankender Schallgeschwindigkeit ohne Einfluß auf die Meßgenauigkeit sein.

   Bisher sind bei Wasserfahrzeugen Schwingeranordnungen bekannt, bei denen jede Abstrahlkeule von je einem Schwingerelement geeigneter Größe abgestrahlt bzw. empfangen wird und vier Schwingerelemente für die vier Sendekeulen und vier weitere Schwingerelemente für die vier Empfangskeulen auf

   kennzeichnet, daß der Tracker (12) ein über je 55 zwei kegelförmigen Haltern angebracht sind. Die einen Frequenzdiskriminator (14a, \4b) im An- beiden je vier Schwingerelemente tragenden, zur schluß an die zyklische und die antizyklische Entkopplung von Sende- und Empfangskeulen geAbtastung (Abtaster 10a, lOft), ein den Frequenz- wohnlich übereinander oder nebeneinander angeabweichungen (Sf₁-f₂; Σ/₂ — Z₁) proportio- ordneten Kegel sind aber nur für geringere Geschwinnale Gleichspannung (U₁) — die den Schwer- 60 digkeiten geeignet und beispielsweise bei im flachen punkten der empfangenen Dopplerspektren (Σ f) Wasser fahrenden Wasserfahrzeugen wegen ihrer entsprechen — erzeugender Regelkreis ist, in exponierten Lage unterhalb des Bodens sehr gefährdem die Gleichspannungen (L',) zu einer Regel- det. In der USA.-Patentschrift 3 274 535 ist eine spannung (U_R) aufintegriert werden, welche über Anordnung beschrieben, bei der das Schwingereinen als Spannungsfrequenzwandler ausgeführten f>s element unter einem solchen Winkel unterhalb des Hilfsoszillator (16) die Frequenzabweichungen Boden-, an einem Wasserfahrzeug befestigt ist. daß ausregelt und die das Maß für die Bewegungs- tue senkrecht /ur Oberfläche des Schwingerelementes größe ist. abgestrahlte bzw. empfangene gebündelte Schall-

   Ermittlung der Frequenzdifferenz zwischen einem Voraus- und dem dazugehörigen Rückwärts-Empfangsfuhler unmittelbar die Dopplerfrequenz meßbar. Diese Methode ist unter dem Namen »Janus-Verfahren« bekanntgeworden und beispielsweise in der französischen Patentschrift 1 273 530 beschrieben. Ein Problem besteht darin, hierfür Schwingeranordnungen zu finden, die sich am Boden eines