DE1812643A1

DE1812643A1 - Doppler-Navigationssystem

Info

Publication number: DE1812643A1
Application number: DE19681812643
Authority: DE
Inventors: Farr Harold Kinsman
Original assignee: Arris Technology Inc
Current assignee: Arris Technology Inc
Priority date: 1968-01-16
Filing date: 1968-12-04
Publication date: 1969-08-14
Also published as: SE363532B; GB1228047A; US3436721A; DE1812643B2; NL6900405A; DK127140B; DE1812643C3; FR1596134A; NO128506B

Description

Anmelderin: General Instrument Corporation,

65 Gouverneur Street, Newark, New Jersey, USA

Doppler-Navigationssystem Die Erfindung betrifft ein Doppler-Navigationssystem.

Die Grundprinzipien der Dopplernavigation sind bereits bekannt. Zur Schiffsnavigation werden einer oder mehrere schmale Schallstrahlen auf den Meeresboden entlang Richtungen gerichtet, die einen größeren Winkel mit der Vertikalen bilden. Die Frequenzen der zurückgestreuten Signale, die für die einzelnen Strahlen empfangen werden, werden gemessen und mit der Sendefrequenz oder untereinander verglichen. Die beobachtete Frequenzverschiebung gibt ein MaS für die Komponente der Schiffebewegung entlang jeder Strahlrichtung. Durch geeignete Wahl von Schallstrahlen können die Komponenten der Bewegung in beiden horizontalen Richtungen bestimmt werden.

Für ein Schiff auf hoher See ist der Meeresboden der nächste und stabilste Lagebezugspunkt. Das akustische Dopplerverfahren erlaubt eine Navigation bezüglich dem Boden ohne vorherige Vermessung.

Sogar bei Satellitennavigation als Lagebestimmungssystem

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kann die Dopplernavigation zwei wesentliche Funktionen haben. Die eine ist, eine kontinuierliche Ortsbestimmung zwischen zwei Bestecken vorzunehmen«, Die andere, eine genaue Geschwindigkeitsangabe zum Zeitpunkt des Aufmachens des Bestecks zu machen, und zwar als eines der Daten, die zum Zurückführen der Satellitenmessung auf ein genaues Lagebesteck erforderlich sind. Ein akustisches Dopplersystem stellt eine genaue, in sich abgeschlossene Navigationseinrichtung dar, die besonders für Unterseeboote zweckmäßig ist. Für Schiffe an der Oberfläche ist das System unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen oder atmosphärischen Bedingungen.

Akustische Dopplernavigationseinrichtungen sind bereits erfolgreich in flachen Küstengewässern betrieben worden, wo leicht akustische Signale festgestellt werden können, die vom Boden zurückgestreut werden. In Gewässern, die tiefer als

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einige 10 m (Faden) sind, sind die praktischen Schwierigkeiten bei der Erzeugung schmaler Strahlen unter Unterdrückung von Dämpfung und Nachhall so groß, daß bisher Versuche nicht erfolgreich waren, Dopplermessungen mit vom Meeresboden rückgestreuten Strahlen vorzunehmen. Dopplersysterne, die in tiefem Wasser arbeiten, benutzen gewöhnlich Signale, die durch Teilchen im Wasser in der Nähe des Schiffs gestreut werden. Ein derartiges System mißt die Bewegung des Schiffs relativ zum Wasser anstatt zum Boden, weshalb Fehler infolge Oberflächenströmungen auftreten.

Um den Boden in tiefen Gewässern zu erreichen, müssen relativ niedrige Frequenzen von etwa 12 kHz oder weniger verwendet werden. Bei höheren Frequenzen sind die Verluste so hoch, daß außerordentlich hohe Sendeleistungen erforderlich sind. Zusätzlich erfordert eine genaue Dopplernavigation relativ schmale Schall strahlen im großen Gegensatz zu dem üblichen bodenbe schal Tsiden Sonar, und zur Erzeugung derartiger Schallstrahlen bei niedrigen Frequenzen große Wandler in der Größenordnung von 1 m (einige

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Fuß). Das führt seinerseits zu Schwierigkeiten bei der Stabilisierung der Strahlrichtung gegenüber Rollen, Stampfen und Gieren. Die Schwierigkeit wird außerdem dadurch erhöht, daß die Strahlen unter großen Winkeln zur Vertikalen ausgestrahlt werden müssen. Die vom Boden unter diesen Winkeln rückgestreute Energie stellt oft nur einen kleinen Bruchteil derjenigen Energie dar, die von einem Vertikalstrahl erhalten wird, wie er in gewöhnlichen Echolotsendern verwendet wird.

Eine weitere Schwierigkeit in tiefen Gewässern ist der Volumennachhall. Das Signal vom Boden kann viel schwächer als das durch Streuung durch Teilchen im Wasser verursachte sein. Beim Echoloten wird diese Schwierigkeit durch Verwendung kurzer Impulse überwunden, und erforderlichenfalls durch Ausblenden von Rückläufern von der Tiefenstreuschicht, wo der Volumennachhall besonders stark ist. Das ist in einem Dopplersystem nicht leicht möglich, da eine genaue Navigation eine sehr genaue Messung der Frequenz der Rücklaufsignale erfordert, was nur mit langen Impulsen oder vorzugsweise durch kontinuierlichen Empfang vorgenommen werden kann.

Die Erfindung betrifft ein Doppler-Geschwindigkeitsmeßsystem für Schiffe, die in tiefen Gewässern fahren. Das System hat eine Wandlereinheit zur Aussendung eines FächerStrahls, der unter einem Winkel zur Vertikalen gerichtet ist, und eine Empfangswandler- oder Hydrophoneinheit zum Empfang eines FächerStrahls, der in Richtung quer zu der des Sendestrahls gefächert ist und letzteren kreuzt. Ferner ist eine Empfängereinheit vorhanden, die auf Frequenzunterschiede zwischen dem gesendeten Fächerstrahl und dem empfangenen Fächerstrahl, der vom Boden rückgestreut oder reflektiert wird, anspricht. Der Empfänger benutzt diese Frequenzdifferenz zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Schiffes. Eine Anordnung von Sendewandlern ist auf der Längsachse oder in Kielrichtung angeordnet, um einen Fächerstrahl zu erzeugen, der querschiffs fächert. Eine andere Anordnung von Hydrophonen, wobei die Längsachse der Anordnung querschiffs verläuft, führt

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zu einem Empfangsfächerstrahl, der in Längslinie oder Kielrichtung verlauft.

Vorzugsweise sind zwei Facherstrahlsclinittstellen vorhanden, wobei die eine Schnittstelle nach vorn zu der Vertikalen und die andere nach achtern zu der Vertikalen zeigt, wobei der Empfänger auf eine Frequenzdifferenz in Vorder- und Ächterrichtung anspricht, das heißt auf die Summe der Dopplerverschiebungen in den beiden Richtungen. Zur Bestimmung der Drift ■ können zwei Facherstrahlsclinittstellen vorhanden sein, wobei die eine weg von der Vertikalen in Steuerbordrichtung und die andere weg von der Vertikalen in Backbordrichtung zeigt. Vorzugsweise verwendet das System vier Facherstrahlsclinittstellen, eine in Richtung Steuerbord nach vorn, eine andere in Richtung Backbord nach vorn, eine weitere in Richtung Steuerbord nach achtern und die vierte in Richtung Backbord nach achtern. Die vier empfangenen Strahlen können dann zur Messung sowohl von der Bahn- oder Vordergeschwindigkeit als auch der Driftgeschwindigkeit verwendet werden»

Im Gegensatz zu Echolot- oder Sonarsystemen, die Kurzimpuise verwenden, werden in einem Dopplersystem vorzugsweise lange Impulse verwendet, am besten, es wird kontinuierlich gesendet. In tiefen Gewässern kann jedoch der Nachhall das gewünschte Signal, das vom. Boden reflektiert wird, überschreiten. Um diese Schwierigkeit, zu überwinden, wird gemäß der "Erfindung ein Blenden vorgenommen, das seinerseits Impulse erfordert. Der Vorteil der Impulse wird mit dem Vorteil des kontinuierlichen Sendens kombiniert, indem eine Tasteneinrichtung verwendet wird, um die Sendefrequenz zyklisch zu ändern«, Der Empfänger wählt die empfangenen Frequenzen aus und trennt sowie blendet sie aus, um die Wirkung des Nachhalls kleinzuhalten» In nachfolgenden Zwischenverstärkern können die verschiedenen Frequenzen in einegemeinsame Frequenz für die Zähler des Empfängers umgesetzt werden«

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Mehrere Anordnungen von Wandlern können für mehrere Strahlen

verwendet werden, vorzugsweise sind jedoch eine einzige Sende-

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anordnung und eine einzige Empfängeranordnung zusammen mit einer Strahlsteuereinrichtung vorhanden, die die Phasendifferenz ausnutzt, um den Sendestrahl nach vorn und achtern zu steuern, und um die Empfangsstrahlen nach vorn Backbord und Steuerbord zu steuern, so daß die gewünschten vier Fächerstrahlschnittstellen erzeugt werden, obwohl nur zwei Wandleranordnungen verwendet werden. Das Verkabeln der Wandler in jeder Anordnung wird durch geeignete Auswahl der verwendeten Phasendifferenz stark vereinfacht. Ferner ist eine Einrichtung vorhanden, um die an Back- und Steuerbord empfangenen Fächersignale in Vorder- und Achterkeulen aufzuspalten, um getrennte Empfangskanäle für jede der vier Schnittstellen der Empfangs- und Sendestrahlen zu erhalten.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 die bevorzugte Verwendung von vier Schallstrahlen;

Fig. 2 die Entstehung jedes der vier Strahlen durch den Schnitt von zwei Fächerstrahlen;

Fig. 3 ein Dopplersystem mit einer geneigten Fächerstrahlschnittstelle ;

Fig. 4 die Verwendung von zwei entgegengesetzt geneigten Fächerstrahlschnittstellen;

Fig. 5 schematisch die Einrichtung gemäß der Erfindung für vier Fächerstrahlschnittstellen;

Fig. 6 eine Aufsicht auf die Verteilung der vier Fächerstrahlschnittstellen auf einem ebenen Meeresboden; Fig. 7 eine Erläuterung des Betriebs der Sendeanordnung; Fig. 8 eine Erläuterung des Betriebs des Empfängers; Fig. 9 die Strahlungsverteilung der Senderstrahlen;

Fig. 10 eine schematische Aufsicht auf die Hydrophonoder Empfängeranordnung;

Fig. 11 den Kabelanschluß an einen Wandler einer Anordnung von Wandlern, die als Hydrophon dienen; Fig. 12 die Strahlsteuerung;

Fig. 13 eine Anordnung von Hydrophonen für vier Dopplerstrahlen ;

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Pig. 14 ein System, das Echotief enloter* zusätzlich zu der Dopplergeschwindigkeitsmessimg vorjeiase-t?

Fig. 15 entsprechend άθάΐ FeIa 2D is* ?ig« 5, wie <3aa Anordnungsausgangssignal behandelt wird, um vieE Ausgangsstrahlkanäle zu erhalten/

Fig. 16 eine Erläuterung einer Pliasenaigle !anschaltung für einen der vier Strahlen?

Fig. 17 die Hydrophonverbindungen bei einer besonderen Polarisation der Wandler?

Fig. 18 den Kabelanschluß an die Eydrophoneinheiten; Fig. 19 die Kabelanschlüsse an den- Hydrophonen?

Fig. 20 die Auswahl der Tastimpulslänge;

Fig. 21 die gegenseitige Impulslage bei Verwendung von vier Frequenzen;

Fig. 22 diagonal entgegengesetzte Strahlen, die unter einem Winkel von 45° zur Vertikalen angeordnet sind;

Fig. 23 das Dopplersystem auf einem Schiff, das von einem Punkt A zu einem Punkt B fährt;

Fig. 24 die Strahlformengeometrie mit Wandlern, die um einen Abstand b getrennt, sind;

Fig. 25 einen Teil von Fig. 5, nämlich die Einrichtung zur Verarbeitung eines EmpfangsStrahlkanals?

Fig. 26 einen Teil von Fig. 5, nämlich die Behandlung von vier Fächerstrahlausgangssignalen; und

Fig. 27 die Verwendung zweier entgegengesetzt polarisierter Typen von Hydrophonen.

Fig. 1 zeigt die Verteilung von vier Schallstrahlen SM, SN, SP und SQ für ein Doppler-Navigationssystem. Diese vier Strahlen treffen auf den Meeresboden an Punkten M, H, P und Q, wobei M und N vorn zum Schiff S und P und Q achtern liegen. Es können auch weniger als vier Strahlen verwendet werden, das hier erläuterte Ausführungsbeispiel mit vier Strahlen hat jedoch praktische Vorteile. Die Frequenzdifferenz f_N - fp zwischen N und Q erlaubt die Bestimmung der Vorderkomponente der Schiffsgeschwindigkeit. Ähnlich gibt die Frequenzdifferenz f_M - f^

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die Querbahnkomponente oder Drift. Die Genauigkeit der Vordergeschwindigkeitsmessung wird durch Verwendung der kombinierten Frequenzdifferenz f„ + f_N - f_p - f_Q anstelle von entweder

f_M - f_. oder f_XT - f_ allein erhöht.
MP NQ

Das naheliegendste Verfahren, um die Verteilung von Fig. 1 erhalten, besteht im Senden von vier schmalen oder Suchlichtstrahlen mit Achsen in den ausgewählten Richtungen. Die Energie in jedem Strahl ist dann gewissermaßen auf eine schmale Bleistiftform begrenzt, wobei keiner der Strahlen von der genannten Achse um mehr als einen kleinen Winkel divergiert. Vier Empfangsstrahlen können durch den gleichen oder einen ähnlichen Wandler erzeugt werden, so daß die vier Empfänger nur auf Energie von den Bodenauftreffstellen M, N, P und Q ansprechen. Diese Strahlanordnung ist besonders für hohe Frequenzen und kurze Reichweiten geeignet, wo die Wandler klein sein können, und wo eine mechanische Stabilisierung leicht erreicht wird.

In einem für tiefe Gewässer geeigneten Dopplersystem erfordert jedoch die Erzeugung eines schmalen Strahls einen außerordentlich großen Wandler. Ein schmaler Strahl mit einem Öffnungswinkel von 2 bei 11 kHz erfordert einen Kreiswandler mit einem Durchmesser von etwa 4 m (13 Fuß). Da mindestens drei Strahlen für ein praktisches Dopplersystem wünschenswert sind, müssen mindestens drei derartiger großer Wandler für die Sendeanordnung vorhanden sein, und wenn nicht die Impulslänge gekürzt wird, um Senden und Empfangen mit dem gleichen Wandler zu ermöglichen, ist ein anderer Satz von drei großen Wandlern für den Empfang erforderlich. Bei großen Reichweiten ist die Stabilisierung außerdem bedeutend schwieriger. Wenn das Schiff um 5° während 5 see rollt, hat das einen geringen Effekt auf ein Signal, das in einer Entfernung von 100 Faden reflektiert wird, wobei die Hin- und Rücklaufzeit nur 0,25 see beträgt. Bei einer Entfernung von 2 000 Faden, wobei das Zeitintervall 5 see beträgt, ist

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jedoch der Empfangsstrahl nicht auf die beschallte Bodenfläche gerichtet,, außer bei sorgfältiger Stabilisierung. Die Anforderung für sehr große Wandler und eine genaue Stabilisierung machen die Verwendung von Schmalstrahlen in tiefen Gewässern unpraktisch.

Diese Schwierigkeiten werden gernäß der Erfindung durch die Verwendung von gekreuzten Fächerstrahlen gemäß Fig. 2 überwunden. In Fig. 2 ist das Verfahren zum Erhalten eines Signals von einem Punkt abgebildet, der einer nur der vier Auftreffpunkte wie der Punkt N in Fig. 1 sein kann. Der Sender beschallt einen langen schmalen Streifen OR durch einen Fächerstrahl SOR. Ein Empfangsfächerstrahl schneidet diesen unter rechten Winkeln, um den Auftreffpunkt N zu definieren. Der Wandler, der zum Erzeugen oder zum Empfang eines Fächerstrahls erforderlich ist, ist eine lange, schmale Anordnung von kleinen Wandlern, die nur einen Bruchteil der gesamten aktiven Fläche haben, die zum Erzeugen eines schmalen Strahls erforderlich ist. Typisch kann die Sendeanordnung 13 cm (5 Zoll) breit und 4,20 m (14 Fuß) lang für einen 2°(bedeutet Dicke oder Breite)-Fächerstrahl bei 11 kHz sein. Die Empfangsanordnung kann die gleiche Länge haben, während, wie noch erläutert werden soll, die Breite auf etwa 50 cm (20 Zoll) erhöht ist, um eine bessere Unterscheidung zwischen Vorder- und Achterstrahl zu erreichen. Diese Wandleranordnungen können auf den Schiffsboden gesetzt werden, wobei die Konstruktion nicht wesentlich vergrößert wird. Grundsätzlich können sie mit dem Schiffsrumpf fluchten, es ist aber gewöhnlich praktischer, sie außen anzubringen« Die Sendeanordnung ist vorzugsweise mit ihrer Längsachse parallel zum Kiel angeordnet, während die Empfangshydrophonanordnung vorzugsweise mit ihrer Längsachse querschiffs angeordnet ist, wobei aber diese beiden Stellungen ausgetauscht werden können. Die Querschiffsanordnung kann in der Querschiffsvertikalebene gebogen sein, um dem Schiffsrumpf angepaßt zu sein. Acht derartige Anordnungen können verwendet"werden, und zwar jeweils zwei für die vier Punkte M, N, P und Q von Fig. 1 . Sechs können verwendet werden, zwei zum Senden und vier zum Empfangen. Vorzugsweise können eine einzige Sendeanordnung und

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eine einzige Empfangsanordnung verwendet werden, um Signale von allen vier Bodenauftreffpunkten zu verarbeiten, da die Fächerstrahlen über einen großen Winkelbereich durch eine elektronische Einrichtung gesteuert werden können, während die Wandler starr am Schiffsrumpf befestigt sind.

Bei der Stabilisation sind zwei Probleme zu beachten. Das eine besteht in der Notwendigkeit, zu gewährleisten, daß der Empfangsstrahl die Bodenfläche sieht, die durch den Sender beschallt ist. Das andere besteht in dem Einfluß der Schiffsbewegung auf die Dopplerfrequenz. Bezüglich des ersten Problems ist darauf hinzuweisen, daß die gekreuzten Fächerstrahlen eine Stabilisierung überflüssig machen, da die Empfangs- und Sendestrahlen sich immer schneiden, selbst wenn ein gewisses Rollen oder Gieren zwischen Senden und Empfang auftreten sollte. Das zweite Problem wird einfacher durch Verwenden der gemessenen Dopplerfrequenzen, wobei die Strahlen relativ zum Schiff festliegen, als dadurch gelöst, die Strahlen so zu steuern, daß ihre Richtungen fest relativ zur Erde bleiben.

Das Verfahren der gekreuzten Fächerstrahlen hat daher verschiedene wichtige Vorteile für ein Doppler-Navigationssystem für tiefe Gewässer. Es verringert in großem Maße die Größe und den Aufwand der erforderlichen Wandler, Es vermeidet die Notwendigkeit der Stabilisierung gegenüber Rollen, Stampfen und Gieren. Die Wandler sind der Form des Schiffsrumpfs angepaßt. Ein weiterer Vorteil, der unten genauer erläutert werden soll, besteht darin, daß die linear phasenabgeglichenen Anordnungen, die zum Erzeugen der Fächerstrahlen verwendet werden, die Eigenschaft haben, daß für mäßige Bandbreiten die beobachtete Dopplerverschiebung unabhängig von der Sendefrequenz und der Schallgeschwindigkeit ist, ausgenommen einige Korrekturen zweiter Ordnung, die mit Änderungen der Schiffslage zusammenhängen. Das steht im Gegensatz zu üblichen Systemen, bei denen die Schallgeschwindigkeit kritisch ist und sorgfältig gemessen werden muß, und wobei

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außerdem jede Änderung der Sendefrequenz die gleiche prozentuale Änderung in der Dopplerfrequenz mit sich bringt»

Gekreuzte Fächerstrahlen sind bereits für sehr verschiedene Zwecke verwendet, worden, beispielsweise zur Oberflächenver- messung des Bodens (US-Patentschriften 3 144 631 und 3 296 579). Sie sind bisher jedoch weder in der hier gezeigten Weise noch in einem Dopplersystem für Geschwindigkeitsmessung verwendet worden.

Gemäß Fig. 3 bewegt sich ein Schiff S mit einer Geschwindigkeit V und sendet ein Signal mit einer Frequenz f _e das an einem Punkt T am Boden rückgestreut wird und auf einer Bahn r zu einem Empfänger S zurückkehrt, der eine Frequenz f mißt. Die Differenz

f = f_r - f„ (D

ist die Dopplerfrequenzverschiebung.

Die Hin- und Rücklaufphasenverschiebung des Signals beträgt

2(2*rr/A) U)

wobei λ-die Wellenlänge ist. Die Dopplerkreisfrequenz to = 2Tf ist gleich der zeitlichen Änderung der Phasenverschiebung, so daß gilt

f = 2(dr/dt)/?U (3)

Da aber die Entfernungsänderung

dr/dt = Vcos «r' (4)

beträgt, wird

f = 2 (V/Λ) cos *~, (5)

wobei <5" der Winkel zwischen der Schiffsbahn und der Richtung des Signals ist.

In Vektorschreibweise kann das folgendermaßen geschrieben werden

f = 2(V ' ü)/X, (6)

wobei V der Schiffsgeschwindigkeitsvektor und u der Einheits-

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- li -

vektor der Strahlachse ist. Die Dopplerverschiebung f ist daher ein Maß für die Komponente der Schiffsgeschwindigkeit in der Strahlrichtung.

Es soll jetzt Fig. 4 betrachtet werden. Angenommen, zwei Strahlen breiten sich entlang Richtungen u, und u_ aus. Die Frequenzdifferenz der beiden Strahlen beträgt offensichtlich

f_d = 2V . (U₁ - U₂) /λ, · (7)

Wenn die beiden Strahlen in der gleichen Ebene wie eine der Schiffsachsen s liegen, und wenn sie einen gemeinsamen Winkel B mit entgegengesetzter Achsenrichtung bilden, dann ist u, - u entlang der Achse s. Wenn s ein Einheitsvektor ist, dann ist u, = U₂ gleich 2s cos B, so daß sich ergibt

f_d = 4(V.s") (cos Β)/λ,, (8)

wobei B ein konstanter Winkel ist, der unabhängig von der Schiffslage ist. Hier ist V . s die Komponente der Geschwindigkeit auf der Schiffsachse. Ein Vergleich mit Gleichung (6) zeigt, daß ein einziger Strahl (wie in Fig. 3) die Komponente der Geschwindigkeit auf der Strahlachse mißt, während zwei Strahlen (wie in Fig. 4) direkt die Geschwindigkeitskomponente auf einer ausgewählten Schiffsachse (nur multipliziert mit 2 cosB) ergeben.

Es soll darauf hingewiesen werden, daß die beiden Strahlen, die zum Messen der Geschwindxgkeχtskomponente längsschiffs (in Kielrichtung) verwendet werden, jeden üblichen gemeinsamen Winkel querschiffs bilden können. Das einzige Erfordernis besteht darin, daß beide Strahlen den gleichen Winkel B mit der Längsachse des Schiffs bilden, wobei der eine der Winkel nach vorn gemessen wird, während der andere nach achtern gemessen wird, und daß die beiden Strahlen in einer gemeinsamen Ebene mit der Achse liegen.

In ähnlicher Weise ergeben zwei Strahlen, die gleiche und entgegengesetzte Winkel mit der Backbord- und Steuerbordrichtung der Querschiffsachse bilden, eine Frequenz, die propor-

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tional zur Komponente der Schiffsgeschwindigkeit in der Querschiffs- oder Driftrichtung ist.

Wie oben beschrieben, kann die Frequenzdifferenz von einem Paar von Strahlen M und P oder N und Q in Fig. 1 verwendet werden, um die Geschwindigkeitskornponente in Kielrichtung zu ergeben. Diese werden vorzugsweise kombiniert, um die Frequenz

f_s = f_M - f_p + f_N - f_Q (9)

für die Längsschiffsgeschwindigkextskomponente in der Vorderrichtung (nur multipliziert mit 4) zu ergeben.

Ähnlich wird

^fa ^{= f}N ^{+ f}Q ™ ^fM - ^fP

für die Querschiffskomponente in der Steuerbordrichtung (wiederum mit 4 multipliziert) verwendet. Auch hier stellen f , f , f und f_n die Frequenzen dar, die durch die vier Strahlen in Fig. 1 empfangen werden. Es ist aas dieser Figur ersichtlich, daß der Vektor u, + u„ + u_ + u., der die Summe der Richtungen der

-1- c, J> ^i

vier Strahlen darstellt, in Richtung senkrecht zur Schiffsdeckebene verläuft.

Daher mißt die Frequenz

^fN^{+ f}P⁺

die Komponente der Geschwindigkeit in Hoch- und Tiefrichtung, das heißt senkrecht zur Deckebene» Diese Komponente ist wertvoll, da sie das Trimmen und/oder die Schlagseite des Schiffs betrifft, außerdem kann sie auch für tauchfähige Schiffe von Wert sein.

Hin- und Rücklaufs In Gleichung (5) tritt der Faktor 2 wegen des

mit einer Frequenzverschiebung in jeder Richtung auf. Für zwei Strahlen kann die Frequenzdifferenz; f^, die durch Gleichung (8) gegeben ist, auch geschrieben werden als

f_d = 4(V/ji) (cosE) (cosB) , wobei E der Winkel zwischen der Geschwindigkeit V und der ent-

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sprechenden Schiffsachse ist, die so ausgewählt ist, daß sie in einer gemeinsamen Ebene mit den beiden Strahlen liegt und einen gemeinsamen Winkel B mit beiden Strahlen bildet, wie in Fig. 4, wo die Achse mit s bezeichnet ist.

Für vier Strahlen, falls die Frequenz

^fs - ^fM ^{+ f}N - ^fP - ^fQ

wie in Gleichung (9) berechnet wird, ist diese mit V durch

f = 8(VA) (cosE) cosB

verknüpft, da sie im wesentlichen die Summe der beiden Fre- % quenzen ähnlich f, ist.

Fig. 5 zeigt die wesentlichen Komponenten des Doppier-Navigationssystems gemäß der Erfindung für tiefe Gewässer. Um einen kontinuierlichen Empfang ohne Interferenz durch Volumennachhall zu erreichen« nimmt der Sender ein Frequenzverschiebungstasten vor. Es werden hier vier Frequenzen verwendet, obwohl auch eine größere oder kleinere Anzahl verwendet werden kann. Für jeden Strahl werden alle Frequenzen verwendet, und es ist lediglich Zufall, daß hier vier Frequenzen und vier Strahlen verwendet werden. Das Empfangssignal, das jeder Sendefrequenz entspricht, wird abgetrennt und ausgeblendet, um einen * Empfang nur während des Intervalls vorzunehmen, wenn der Volumen- ™ nachhall gering ist.

Der Signalfluö beginnt mit den vier Oszillatoren T^, T₂, T₃ und T₄. Diese werden so getastet, daß das Senden zyklisch für jede Frequenz nacheinander vorgenommen wird. Die Tastgeschwindigkeit ist durch einen Rechner 80 auf der Grundlage der Tiefenoder Meßentfernungsxnformation bestimmt. Gemäß Fig. 5 kann diese Information in den Rechner 80 von einem Hilfstiefenecholot 81 eingegeben werden. Wenn das Doppler-Navigationssystem Teil eines Bodenvermessungssystems ist oder mit diesem kombiniert ist, kann die notwendige Information von dieser Quelle erhalten werden. Eine dritte Möglichkeit besteht in der Bestimmung der Meßent-

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fernungen durch Beobachtung der Eintreffzeit der Vorderkante jeder Frequenzkomponente in den Dopplerempfängern»

Das Ausgangssignal des Frequenztasters 12 ist ein kontinuierliches Wechselstromsignal variabler Frequenz. Dieses wird durch den Sender 14 verstärkt und in die Sendewandleranordnung 16 eingespeist, die den Sendeschal!strahl in noch zu beschreibender Weise erzeugt.

Das zurückkommende Signal wird durch eine noch zu beschreibende Hydrophonanordnung 18 empfangen. Die Signale von der Anordnung 18 werden durch Phasen- oder Strahlformverstärker 20 mit vier Ausgangskanälen verarbeitet, die die einzelnen Signale der Strahlen M, N, P und Q darstellen.

Die vier Ausgangssignale der strahlformenden Schaltungen 20 werden durch Dopplerempfänger verarbeitet» Die Signale werden zuerst in vier Hf-Verstärkerη 22M - 22Q verstärkt, und zwar in jeweils einem für jeden Strahl. Das Ausgangssignal jedes der vier Hf-Verstärker wird den Eingängen von vier (oder drei oder fünf usw. gewünschtenfalls) Kanälen zur Verarbeitung der verschiedenen Sendefrequenzen zugeführt, im vorliegenden Ausführungsbeispiel insgesamt 16 Kanälen. Nur die Verarbeitung für den Strahl M ist genauer in der Mitte von Fig. 5 abgebildet. Die erste Stufe jedes dieser Kanäle ist ein Gatter 31 (oder 32 oder 33 oder 34), das ausgeschaltet ist, wenn die entsprechende Frequenz gesendet wird, sowie für ein Zeitintervall danach, um das Abklingen des Volumennachhalls zu erlauben* wonach es einge? schaltet wird, um den Empfang zu erlauben. Den Gattern 31 - 34 schließen sich Filter 41 - 44 an, um die vier Frequenzbänder zu isolieren, sowie Mischer 51 - 54, um die Empfangsfrequenz in ein gemeinsames ZF-Band umzusetzen, so daß alle vier Kanäle kombiniert sein können, um einen kontinuierlichen Empfang zu ermöglichen. Alle Frequenzen sind um einen, gemeinsamen Wert L verschoben, um das algebraische Vorzeichen der Dopplerverschiebung beizubehalten. Der Mischer 51 im Frequenzkanal Nummer eins mischt das Empfangssignal mit einem Bezugssignal, das durch Überlagern des Überlagerungsoszillators L mit der Sende-

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frequenz T, entsteht. Das Bezugssignal für den Mischer Nummer zwei wird vom Überlagerungsoszillator L und der Sendefrequenz T abgeleitet usw. Die horizontalen Strichlinien in der Mitte von Fig. 5 stellen die weggelassenen zehn zusätzlichen Gatter, Filter und Frequenzumsetzmischer dar.

Nach dem Kombinieren der Ausgangssignale von den vier Frequenzkanälen für jeden Strahl werden die Signale von den vier Strahlen durch ZF-Verstärker 7OM - 7OQ verarbeitet und in Rechteckschaltungen 72M - 72Q rechteckig gemacht, um eine Folge von Standardimpulsen zu bilden, die mit einer Frequenz L + f wiederkehren, wobei L die Überlagerungsoszillatorfrequenz ist, die allen vier Strahlen gemeinsam ist, und f die Dopplerfrequenzverschiebung für diesen Strahl ist. Die Impulse werden durch Differentialverstärker 74, 76 und 78 verarbeitet, um die drei gewünschten Ausgangsfrequenzen f , f und f entsprechend Gleichungen (9) - (11) (vgl. oben) zu ergeben. Jeder der drei Zähler hat zwei Sätze von Eingangsanschlüssen (links gezeigt) + und -. Der Zähler addiert die Eingangsfrequenzen, die an den positiven Eingängen auftreten, und subtrahiert diejenigen, die an den negativen Eingangsanschlüssen auftreten. Ähnlich hat jeder Zähler einen positiven und einen negativen Ausgangsanschluß (rechts mit + und - bezeichnet) . Ausgangsimpulse von dem f -Zähler 74 treten zum Beispiel mit einer Frequenz f an dem positiven oder negativen Anschluß auf, je nachdem, ob f positiv oder negativ ist (für

Geschwindigkeit nach vorn oder achtern).

Die durch den Rechner 80 verwendete Gleichung zur Bestimmung der gefahrenen Strecke, zum Beispiel in Ostrichtung seit dem Zeitpunkt t = 0, als ein Anfangsbesteck aufgemacht wurdfe, bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt t = T, lautet

sT rT cT

= Af dt + Sf dt + Nf dt , (12)

Jo ^a Jo ^s Jo ⁿ

wobei jeder der Koeffizienten A, S und N von allen drei Lagevariablen abhängt, nämlich dem Rollwinkel, dem Stampfwinkel

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und dem Steuerkurs. Sie enthalten auch einen Proportionalitätsfaktor, der von Systemparametern wie dem Abstand der Elemente in der Anordnung abhängt.

Jedesmal, wenn der Rechner einen Impuls auf der positiven Leitung des f -Kanals feststellt, addiert er den Stromwert von

ei

A zum Strom E. Wenn ein Impuls im negativen f -Kanal auftritt,

CL

subtrahiert er A von E. In gleicher Weise wird ein Wert S oder N zu E addiert bzw. davon subtrahiert, wenn Impulse in

den f - und f -Kanälen auftreten,
s η

Eine ähnliche Gleichung mit anderen Koeffizienten A', S¹ und N¹ wird verwendet, um D zu berechnen, die in Nordrichtung durchfahrene Strecke. Wenn die Anfangswerte von D und E bekannt sind, werden diese in den Rechner manuell oder anderweitig eingegeben. Von diesem Zeitpunkt an bringen die Dopplerdaten D und E ständig wie eben beschrieben auf den neuesten Stand, und die Stromwerte werden als momentaner Ort auf einer Schreibmaschine, einem Drucker oder einer digitalen Anzeigeeinheit ausgelesen.

Nach dem eben erfolgten Überblick über die Vorrichtung sollen jetzt deren Teile genauer beschrieben werden.

Da es wünschenswert ist, die Geschwindigkeit mit einer Genauigkeit von mindestens 0,1 Knoten und vorzugsweise besser zu messen, sollte die Frequenz mit einer Genauigkeit von größenordnungsmäßig 0,1 Hz gemessen werden. Wenn ein gepulstes System verwendet werden sollte, würde das Impulslängen von einigen see erfordern, was die Fahrzeit bei mäßigen Tiefen überschisLten würde. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung arbeitet daher vorzugsweise in kontinuierlichem Sendebetrieb.

Die meisten Schwierigkeiten in einem Dopplernavigator sind durch die Abhängigkeit vom Strahlwinkel bedingt. Da der Winkelfehler mit der Strahlbreite ansteigt, ist es wichtig, die Strahlen möglichst schmal zu machen und sie unter großen Winkeln zur

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Vertikalen auszurichten. Vorzugsweise werden die Strahlen nicht mehr als 45 zur Vertikalen nach außen gerichtet, da der Entfernungsbereich schnell mit größeren Winkeln ansteigt und die Rückstreuleistung des Bodens schnell bei kleinen Aufstreifwinkeln abfällt. Die Zwillingsstrahltechnik hat den Vorteil, daß die Ausgangsgenauigkeit viel weniger von den Lageparametern, nämlich Rollwinkel und Stampfwinkel, abhängt, die vom Kreißelkompaß geliefert werden.

Die Fächerstrahlen werden durch lange, schmale Anordnungen von Wandlerelementen erzeugt, wobei eine Anordnung zum Senden vorgesehen ist, während eine andere Anordnung dazu rechtwinkelig für den Empfang vorgesehen ist. Für Schiffe mit großem, ebenem Boden befinden sich beide Anordnungen auf dem Boden des Schiffs in einer Ebene, die insgesamt parallel zur Deckebene verläuft. Auf kleinen Schiffen kann die Hydrophon- oder Empfangsanordnung, deren Längsachse querschiffs verläuft, aus dieser Ebene gekrümmt sein, um dem Schiffsrumpfprofil angepaßt zu sein.

Die Strahlrichtung wird durch elektrischen Phasenabgleich der Wandlerelemente gesteuert. Wenn das gemacht wird, bildet jeder Strahl im Fächer den gleichen Winkel mit der Achse der geraden Anordnung. Der Fächer wird daher ähnlich einer Kegelfläche gekrümmt« deren Achse auf der Anordnungsachse liegt, und deren Scheitelpunkt sich am Wandler befindet. Wenn ein derartiger Strahl einen ebenen Meeresboden schneidet, ist die Schnittkurve eine Hyperbel. Fig. 6 zeigt die Verteilung des Strahlsystem· gemäß der Erfindung, das einen ebenen Meeresboden schneidet, wenn das Schiff waagerecht liegt und sich direkt Über den Punkt 0 befindet. Wenn die Sendeanordnung parallel su OY verläuft, wird ein Fächerstrahl nach vorn um 30° auegestrahlt, um den Boden entlang einer Linie T₁T₃ zu schneiden oder zu beschallen, und ein zweiter Sendestrahl wird nach achtern ausgestrahlt, um den Boden entlang einer Linie T₃T₄ zu beschallen. Wenn die Empfangsanordnung parallel zur Linie GK liegt, werden ähnlich Empfangsstrahlen erzeugt, deren Schnittstellen auf gekrümmten

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Linien R,R¹ ₂ und R-R*. liegen. Die effektive Richtungsgenauigkeit ist durch die Dicke der Fächer bestimmt.

Alle diese Strahlen werden gleichzeitig unter Verwendung von nur zwei Wandleranordnungen erzeugt, nämlich einer zum Senden und einer zum Empfang. Die vier Empfangsstrahlen sprechen nur auf Energie an, die von den vier Punkten A, B, C und D des Bodens zurückgestreut oder reflektiert ist. Die gleichzeitigen Empfangestrahlen werden durch eine noch zu beschreibende Technik erzeugt. Als nächstes soll die Dual-Sendestrahltechnik beschrieben werden.

Bei einer typischen Anwendung einer elektronischen Strahl-* steuerung hat eine Wandleranordnung einen Satz von gleichen Wandlerelementen, die auf einer Linie mit konstantem Mitten-Mitten-Abstand b angeordnet sind. Die gesendete (oder empfangene) Schallenergie nimmt ein schmales Frequenzband mit einer Wellenlänge % im Wasser ein. Eine deutliche Phasenverschiebung wird in der elektrischen Schaltung erzeugt, die an jedes Element angeschlossen ist, so daß die Phase um einen konstanten Wert # von einem Element zum nächsten ansteigt. Die Phase des Elements Nummer η beträgt daher n# oder eine Konstante plus ηφ . Der Winkel B zwischen der Achse der Anordnung und irgendeinem Strahl im konischen Fächerstrahl ist gegeben durch

cosB * **/2JTb. (13)

Der Winkel, unter dem der Fächerstrahl zur Ebene senkrecht zur Anordnungsachse gesteuert ist, ist gegeben durch den Steuerwinkel

μ - 90° - B, (14)

wobei ferner gilt

(15)

Beim üblichen Betrieb ist der llementabstand b klein genug gewählt, um die Ungleichung

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+ sin μ_χ) (16)

zu erfüllen, das heißt kleiner als irgendein Wert zwischen halber und ganzer Wellenlänge zu sein, was von dem Betrag u des maximal zu verwendenden Steuerwinkels u (p - O) abhängt. Es würde dann ein einziger Fächerstrahl vorhanden sein, der die Richtung maximalen Sendens oder Empfangs der Schallenergie darstellt- In diesem System werden jedoch gleichzeitig zwei Sendefächer strahlen erzeugt, die unter gleichem Winkel nach vorn und achtern gesteuert sind. Das wird erreicht, indem φ gleich UT gesetzt und für den Abstand b ein Wert gewählt wird, der größer als Λ/(1 + sin ρ ) ist. Das führt zu Dualstrahlen unter einem Winkel + u, wobei sich u entsprechend Gleichung (15) zu

sin u = /l/2b (17)

berechnet. Diese Wahl von φ ist besonders zweckmäßig, da sie einfach durch Verbinden aller Wandlerelemente in Parallelschaltung, aber mit umgekehrter Polarität bei abwechselnden Elementen, erreicht wird.

Folgende Parameterwerte können beispielsweise verwendet werden:

Sendefrequenz = f = 10 700 Hz

SchalIge schwindigke it

in Wasser = C = 1490 m (4900 ft)/see

Wellenlänge = λ, = 14 cm (5,5") Steuerwinkel = μ- = 28° Elementabstand = b = 14,87 cm (5,85")

entsprechend Gleichung (17).

Um die Strahlungsverteilung genauer anzugeben, müssen bestimmte Winkel wie in Fig. 7 und 8 definiert werden. Hier bedeutet der Vektor u die Richtung des interessierenden Schallstrahls, entweder des gesendeten oder des empfangenen. (In letzterem Fall ist der Richtungssinn von u umgekehrt zu dem der Ausbreitungsrichtung.) Die Winkel A, B und C sind die Winkel zwischen U und der X-, Y- bzw. Z-Achse, wobei die X-Achse

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querschiffs entlang der Achse der Empfangsanordnung und die Y-Achse längsschiffs (in Kielrichtung) und entlang der Achse der Sendeanordnung verläuft. Die Winkel θ und u, die Komplemente der Winkel A und B, sind die Winkel, die durch u mit der YZ- bzw. XZ-Ebene gebildet werden. Die Werte von θ und u, wenn u in Richtung maximaler Ansprechbarkeit liegt, sind die Steuerwinkel in den beiden Richtungen.

Fig. 7 betrifft die Sendeanordnung. Hier hat der Fächerstrahl Richtungen u, die auf einer Kegelfläche liegen, deren Achse auf der Y-Achse liegt, das heißt Richtungen von u, für die B einen gewissen konstanten Wert 90 - u hat, wobei u der Steuerwinkel ist. Es ist daher zweckmäßig, verschiedene Strahlen innerhalb des Fächers durch den Drehwinkel ν zu unterscheiden, der der Winkel zwischen zwei Ebenen durch die Y-Achse ist, wobei die eine u und die andere die vertikale Richtung ζ enthält. In Fig. 8 haben für den Empfänger alle Symbole die gleiche Bedeutung wie in Fig. 7. Fig. 8 ist aber trotzdem gezeichnet worden, um den Steuerwinkel θ und den Drehwinkel u (anstatt u und f) zu erläutern, die verwendet werden können, um einen Empfangsfächerstrahl zu beschreiben, der auf einer Kegelfläche mit der Achse auf der X-Achse liegt.

Es ist erkannt worden, daß für einen Strahl, der unter dem gleichen Winkel θ = u = 28 in beiden Richtungen ausgestrahlt wird, die Drehwinkel den gemeinsamen Wert tr~ y - 32,1 haben und die Neigung zur Vertikalen C = 41,6° beträgt.

Fig. 9 zeigt näherungsweise die Strahlungsverteilung der Sendestrahlen. Die obere Kurve zeigt die Strahlungsintensität entlang entweder der Strecke T₁T₀ oder T₃T₄ von Fig. G als Funktion des Drehwinkels Vnm die Y-Achse. Die untere Kurve in Fig. 9 zeigt die Intensität des Sendestrahls entweder entlang R₃R₂ ¹ oder R₃R₄' als Funktion von 7?. Die Spitzen sind die Schnittstellen der Fächerstrahlen.

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Die Sendeverteilung besteht aus Strahlen, die sehr schmal in Vorder- und Achterrichtung sind, um eine hohe Genauigkeit bei der Messung der Längsbahnkomponente der Schiffsgeschwindigkeit zu erreichen. Die Sendestrahlen sind breit in der Querbahnrichtung, erstens, weil eine schmale Wandleranordnung aus Zweckmäßigkeits- und wirtschaftlichen Gründen verwendet wird, und zweitens, um Roll- und Steuerkursanderungeη zu kompensieren, was als nächstes beschrieben werden soll.

Wenn das Schiff rollt, dreht es sich lediglich um etwa die Achse der Sendeanordnung, so daß der Fächer weiter den Boden entlang der gleichen, aber ausgedehnten Strecken T-T '

und T T ' in Fig. 6 schneidet. Es wird jedoch eine bestimmte a a

Keule wie T,T_, abgebildet in Vollinie, entlang der Strecke T_fT_f' nach Back- oder Steuerbord verschoben, wie durch Strichlinienverlängerungen angedeutet ist. Wenn eine Änderung im Rollwinkel zwischen Senden und Empfangen auftritt, wird diese Keule seitlich zu der Empfangsansprechstrecke R₃ ¹*?¹ verschoben, aber sie schneiden sich weiter.

Es soll jetzt eine Konstruktion für Rollwinkel bis + 15

angenommen werden. Das bedeutet, daß der Sendestrahl sich bis

ο
zu 30 gegenüber dem Empfangsstrahl zwischen Senden und Empfangen drehen kann. Daher muß die Fächerbestrahlung sich über dem Bereich 32,1° + 30° oder von 2,1° bis 62,1° an jeder Seite erstrecken, was im wesentlichen einer Fächerbreite von -62,1 bis +52,1° entspricht.

In der 7 -Richtung wird gemäß der Erfindung eine Strahlbreite von beispielsweise 2 , gemessen bei halber Leistung (-3db), verwendet. Eine gleichmäßige Anordnung wäre dann etwa 25,5 Wellenlängen oder 3,57 m (11,7 ft) für λ= 14 cm (5,5") wie oben angenommen lang. Die Berücksichtigung eines zusätzlichen Faktors einer Sekante von 30° zur Strahlsteuerung ergibt eine Anordnungslänge von 4,12 m (13,5 ft). Wie oben berechnet, sollte der Elementabstand a = b = 14,87 cm (5,85") betragen.

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Die eben beschriebene Sendestrahlverteilung hat zwei Hauptkeulen, die vorn und achtern gerichtet sind, und wird für die Doppler-Navigationsvorrichtung verwendet. Wenn außerdem die gleiche Sendeanordnung als Teil einer TiefenecMot- oder Bodenvermessungsvorrichtung verwendet werden soll, ist eine zweite Sendekanal-und Schalteinrichtung vorhanden, so daß in Intervallen ein kurzer Impuls hoher Energie der Anordnung zugeführt wird, wobei alle Elemente mit der gleichen Polarität anstatt abwechselnder Polarität für aufeinanderfolgende Elemente verbunden sind. Das erzeugt einen einzigen Fächerstrahl, der in der Vertikalquerschiffebene liegt und den Boden entlang der Linie XOX in Fig. 6 beschallt. Die echolotstrahlerzeugende Schaltung kann ferner verfeinert werden, um sie zum Beispiel gegen ein Stampfen zu stabilisieren (vgl. zum Beispiel US-Patentschrift 3 144 631).

Wie bereits erwähnt wurde, ist die Sendefächerstrahlbreite so ausgelegt, daß sie 60° in Querschiffrichtung übertrifft, um das Rollen zu kompensieren und die erforderliche Breite der Wandler zu verringern. Bei Verwendung auf einem Schiff, dessen Rollen als klein zu erwarten ist, kann es jedoch vorteilhaft sein, den Fächer, der durch die Strecke T,T₂ in Fig. 6 angedeutet ist, in zwei kleinere Keulen aufzuspalten, die die Mitte M bzw. N haben, um die Energie im Bereich der Empfangsstrahlen zu konzentrieren. Ähnlich kann T.,T. in zwei Keulen mit den Mitten P bzw. Q aufgespalten werden. Das kann erreicht werden, indem Elemente der Anordnung hinzugefügt werden, um sie in Querschiffsrichtung zu verbreitern. Anstelle einer einzigen Reihe parallel zum Kiel sind dann zwei oder mehr derartiger Reihen vorhanden. Benachbarte Elemente in jeder Reihe werden dann in entgegengesetzter Polarität verdrahtet, und alle Elemente werden an einen gemeinsamen Kanal angeschlossen. Das führt zu einer zweidimensionalen Anordnung von Wandlerelementen, die gleichmäßig auf einem rechteckigen Gitter verteilt sind. Die Polarität der elektrischen Anschlüsse alterniert entlang beider Achsen des

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Gitters, so daß das PolaritäteBchema ein schachbrettartiges Muster ist, wobei die roten Felder die eine Polarität und die schwarzen Felder die andere Polarität bedeuten. Wenn die Elemente so von einer gemeinsamen Quelle angesteuert werden, hat die Sendeansprechverteilung vier identische Strahlen, deren Projektion auf die Ebene der Anordnung entlang den vier Diagonalrichtungen verläuft. Gewöhnlich wird es vorzuziehen sein, die Querschiffsabmessung der Anordnung klein im Vergleich zu der Vorder- und Achterabmessung zu halten, und zwar aus Wirtschaftlichkeitsgründen und um zu gewährleisten, daß die vier Strahlen jeweils fächerförmig sind.

Der Sendestrahl dient zum Beschallen bestimmter Flächen des Bodens, und die beiden Keulen des SendeStrahls können durch einen gemeinsamen Oszillator erzeugt werden. Das Empfangssystem muß jedoch die Energie von jedem der vier Bodenpunkte isolieren und zu vier getrennten Ausgangsschaltungen oder Strahlkanälen leiten. Die Technik der Empfangsstrahlbildung ist daher von der des.rSendestrahls verschieden. Insbesondere muß der Mitten-Mitten-Abstand der Hydrophonelemente kleiner als etwa zwei Drittel einer Wellenlänge sein, um die Bildung von mehreren Hauptkeulen zu vermeiden, während der Elementabstand der Sendeanordnung größer als dieser Wert gewählt ist, um die beiden Hauptkeulen zu erzeugen.

Fig. 10 ist eine Aufsicht auf die Empfangs- oder Hydrophonanordnung. Jedes Hydrophon, das durch eine einzelne Linie dargestellt ist, ist typisch ein Zylinder mit einem Durchmesser von größenordnungsmäßig 2,5 cm {1") und einer Länge L

nach/ von 50 cm (20"). Die Hydrophone zeigen vorn und achtern und sind Seite an Seite angeordnet. Die Anordnung ist viel länger als in Fig. 10 abgebildet und verläuft querschiffs. Ein einzelnes Hydrophon kann aus mehreren empfindlichen Empfangselementen bestehen, die typisch Ringe oder kurze Zylinder aus elektrostriktivem Keramikmaterial sind, die jeweils zwei

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Elektroden an der Innen- und Außenseite haben (vgl. Fig. 11 für ein Hydrophon). Eine einzelne Erd- oder Sammelleitung ist mit einer Elektrode jedes Elements verbunden, zum Beispiel mit allen inneren Elektroden. Der übrige Anschluß jedes Elements ist an die strahlerzeugende Schaltung angeschlossen.

Um die Beschreibung der Strahlerzeugung zu vereinfachen,

soll zuerst nur die Erzeugung von Empfangsstrahlen beschrieben

nach/
werden, die nur vertikal sowie vorn und achtern gerichtet sind. Diese Erläuterung soll dann auf vier Dopplerstrahlen ausgedehnt werden, die nach Back- und Steuerbord ebenso wie vorn und achtern gerichtet sind, sowie auf zusätzliche Strahlen für Echolotung. Die strahlerzeugende Schaltung beruht auf der Gleichung (15), das heißt

sin u =M/22b , (18)

wobei ρ der Steuerwinkel, φ die Phasenverschiebung von einem Element zum nächsten, Λ, die Wellenlänge und b der Abstand zwischen den Elementen oder Ringen jedes Hydrophons ist. Es ist sehr vorteilhaft, φ gleich einem ganzzahligen Vielfachen eines Bruchteils von 360 wie 90 oder 120 zu wählen, da dann nur drei oder vier verschiedene Phasen vorhanden sind und alle Ringe der gleichen Phase zusammengeschaltet werden können, um die Anzahl der Anschlüsse klein zu halten.

Im allgemeinen dürfte es vorzuziehen sein, drei Strahlen in Vorder- und Achterrichtung zu erzeugen, für die Dopplernavigation zwei Vorder- und Achterstrahlen mit im wesentlichen gleicher Richtung wie die Sendestrahlen T, T» und T-^T₄ in Fig. 6 plus einen, ungesteuerten Strahl, der in der Vertikalquer schiffebene liegt und den Boden entlang der Linie OX in Fig. 6 zur Echolotung schneidet. Die Strahlbreiten der Empfangsstrahlen, die in Vorder- und Achterrichtung gemessen sind, sind größer als die der Sendestrahlen, um ein Staunen und Gieren zu kompensieren und die Verwendung von relativ kurzen Hydrophonen zu erlauben. Die drei Strahlen können mit einem Dreiphasenhydrophon

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mit ρ = 120 erzeugt werden, und es sind drei Ausgangsanschlüsse plus Erde vorhanden. Ein Vierphasensystem mit φ = 90 und vier Ausgangsanschlüssen plus Erde hat jedoch gewisse Vorteile, was zuerst erläutert werden soll.

Fig. 11 zeigt die Skizze eines Hydrophons. Es ist mit acht Ringelementen versehen, obwohl die tatsächliche Anzahl nicht kritisch ist und auch neun oder zehn usw. sein kann. Jedes vierte Ringelement ist mit dem gleichen Anschluß verbunden. Wie oben können als typische Parameter λ = 14 cm (5,5"), u = 28 , aber jetzt Φ = 90° oder O-/2 radian verwendet werden, so daß Gleichung (18) einen Mitte-Mitte-Abstand b der Ringe von 7,45 cm (2,93") ergibt. Für eine Welle, die aus der Vorderrichtung eintrifft, haben die Signale an den Ausgangsanschlüssen A, B, C und D die Vektor- oder Phasenbeziehung, die durch die vier Pfeile A₁. B, C und D in Fig. 11 angegeben ist. Die Empfangselemente (Fig. 11) können mechanisch in einem gemeinsamen Gehäuse (nicht abgebildet) montiert sein und werden gewöhnlich als ein Hydrophon betrachtet, was aber nicht wichtig ist. Die aufnehmenden Elemente können jeweils in einem einzelnen Gehäuse untergebracht und dann verdrahtet werden. Außerdem brauchen die einzelnen Elemente nicht notwendigerweise ringförmig zu sein. Der angegebene Aufbau ist im Handel erhältlich mit Ausnahme der gemäß der Erfindung angebrachten zusätzlichen Leitungen im Gegensatz zu einem üblichen Hydrophon, bei dem alle Elemente mit gemeinsamen Anschlüssen verbunden sind.

Fig. 12 erläutert das Prinzip der Vierphasenstrahlerzeugung, angewendet auf Vorder- und Achtersteuerung. In der Praxis ist diese Technik etwas abgewandelt, da auch nach Back- und Steuerbord gesteuert werden muß. Die Verstärker A₁ und A₂ sind identisch, wobei jeder zwei Ausgangsanschlüsse mit Phasenverschiebungen hat, die um 90° differieren. Sie können so aufgebaut sein, daß dem Signal eine Voreilphasenverschiebung von 45 am oberen Ausgangsanschluß und eine Verzögerung von 45° am unteren Anschluß gegeben wird, jeweils gemessen relativ zum Eingangsanschluß D' bzw. C .

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Um gewünschtenfalls einen Mittelstrahl zu erzeugen, werden die Signale von allen vier Anschlüssen direkt ohne irgendwelche Phasenverschiebung kombiniert. Für den Vorder- und Achterstrahl unterscheiden sich jedoch die Signale um 90° von einem Element zum andern. Da die Phasenverschiebung von A bis C 180 beträgt, können diese Signale wie abgebildet in Transformatoren kombiniert werden, was auch für die Signale von B und D zutrifft. Daher bleiben nur zwei Ausgangsanschlüsse C und D¹ übrig. Für den Vorderstrahl eilt das Signal am Anschluß D oder D¹ dem Signal an C oder C um 90° vor. Die strahlerzeugende Schaltung für diesen Strahl führt daher eine Verzögerung in D¹ und ein Voreilen in C ein. Der Achterstrahl wird durch den entgegengesetzten Vorgang erzeugt. Das Ergebnis von Fig. Il und Fig. 12 ist die Erzeugung von drei Ausgangskanälen für jedes Hydrophon. Die VorderStrahlanschlüsse von allen Hydrophonen können in weitere Phasenschaltungen eingespeist werden, die den Vorderstrahl in getrennte Strahlen in Back- und Steuerbordrichtung unterteilen, und ähnlich für die Mittel- und Achteranschlüsse.

Es ist jedoch einfacher, den Betrieb der Vorder- und Achtersteuerung mit dem der Back- und Steuerbordsteuerung in einem einzigen Netzwerk zu kombinieren. Die Eingänge in dieses Netzwerk sind die 4N-Anschlüsse, die aus vier Anschlüssen von jedem der N Hydrophone bestehen. (Zum Echoloten sind die vier Anschlüsse von jedem Hydrophon, wie bereits in Fig. 12 gezeigt, kombiniert, um ein Ausgangssignal von jedem Hydrophon zu ergeben, und diese N Anschlüsse sind mit einem besonderen strahlerzeugenden Netzwerk verbunden, das nur für diesen Zweck verwendet wird und hier nicht erläutert zu werden braucht.)

Um die Erzeugung der vier Dopplerstrahlen zu erläutern, soll zuerst eine Technik beschrieben werden, die verwendet werden kann, wenn die Anordnung sich in einer Ebene befindet. Es soll in diesem Zusammenhang auf die Teilanordnung von Fig. 13 hingewiesen werden, die die 4N Anschlüsse zeigt, die in der

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gleichen Aufsicht wie die N Hydrophone in Fig. 10 verteilt sind. Das erste Hydrophon wird durch die vier Anschlüsse dargestellt, die die erste vertikale Spalte links mit A, B, C, D wie in Fig. 11 bezeichnet aufweisen. Die anderen Hydrophone sind identisch, obwohl die Anschlüsse unterschiedlich bezeichnet sind. Die vier Strahlrichtungen, die auf die Horizontalebene projiziert sind, bilden Winkel von 45° mit der Vorder-Achterund Back-Steuerbord-Richtung. Für ein Signal, das in Richtung in der Mitte zwischen vorn und Steuerbord eintrifft, haben die Spannungen, die an der oberen Zeile der Anschlüsse D, H,

B, F, D, H auftreten, Phasen von 0°, 90°, 180°, 270°, 0°,

90° . Die Phase ändert sich in der gleichen Weise entlang

der linken Spalte A, B, C, D. Das gleiche gilt für jede Reihe und Spalte.

Für eine Welle, die aus der Achtersteuerbordrichtung eintrifft, tritt der gleiche Vorgang mit der Ausnahme auf, daß die Phasenverschiebung entlang jeder Spalte in der entgegengesetzten Richtung vor sich geht. Unabhängig davon, welche der vier Richtungen betrachtet wird, unterscheidet sich jedoch die Phase um 180 für beliebige zwei Anschlüsse, die in der gleichen Reihe oder Spalte liegen und durch einen anderen Anschluß getrennt sind. Daher ist bei Ausgang von einem Anschluß, Bewegung entlang einer Zeile um zwei Anschlüsse und anschließend Bewegung entlang einer Spalte um zwei Anschlüsse die Gesamtphasenverschiebung 180° + 180°, was immer Null ist. Die Bewegung um vier Anschlüsse entlang einer Zeile führt offensichtlich auch zur gleichen Phase zurück. Das erlaubt die Aufteilung der gesamten Anschlußanordnung in Zellen, deren jede acht Anschlüsse enthält, wie durch die Rechtecke in Fig. 13 dargestellt ist. Entsprechende Anschlüsse in jeder Zelle haben die gleiche Phase und sind durch die gleichen Buchstaben in Fig. 13 bezeichnet. Alle Α-Anschlüsse können miteinander verbunden werden, ebenso alle B-Anschlüsse usw. Der ganze Anordnungsausgang reduziert sich damit auf nur acht Anschlüsse.

Wenn es auch gewünscht ist, Strahlen zum Echoloten zu

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erzeugen, müssen die Verbindungen über isolierende Widerstände vorgenommen werden. Es sind dann jeweils zwei Widerstände von jedem Anschluß der Anordnung vorhanden, einer für das Echolot'-:: und einer für das Doppler-Navigationssystem. Das ist in Fig. abgebildet, die einen Teil der gleichen Anschlußanordnung wie in Fig. 13, aber nur mit den ersten sechs Hydrophonen zeigt. (Der Einfachheit halber zeigt Fig. 14 Echolote*ausgänge von nur drei der sechs Hydrophone und Verbindungen mit nur zwei der Dopplerausgangsanschlüsse D und G .) Um die Anzahl und Länge der Verbindungsieitungen zu reduzieren, sind die acht Widerstände vorzugsweise einstückig mit dem Hydrophon ausgebildet, so daß jedes Hydrophon fünf Signalleitungen zusätzlich zu Erde und Abschirmungen hat, das heißt, eine Leitung für das Echolot'.:■ und vier für den Dopplernavigator. Die vier DopplerIeitungen von jedem Hydrophon sind zu einem Sammelkabel mit acht Leitungen A , B , ... H zusammengefaßt.

Fig. 15 erläutert die Schaltung 20 von Fig. 5 und zeigt, wie die Signale von den acht Kanälen der Anordnung behandelt werden können, um vier Ausgangsstrahlkanäle zu erhalten. Diese Ausgänge sind mit M, N, P und Q gemäß Fig. 1 bezeichnet. Die Signale an den Anschlüssen C, G¹, H' und D' sind in Phase mit denen an C , G , H und D , schließen aber ebenso den Beitrag von den anderen vier Anordnungsanschlüssen ein. Das Prinzip der Phasenschaltungen in Fig. 15 ist in Fig. 16 für den Strahl N, den Vordersteuerbordstrahl, erläutert. Es ist ersichtlich, daß die Welle an den Anschlüssen D¹ und G¹ zum gleichen Zeitpunkt ankommt, so daß diese direkt kombiniert werden können. Da sie zuerst am Anschluß H¹ und später am Anschluß C eintrifft, wird eine Verzögerung in ersterem und eine Voreilung in letzterem bewirkt. Die Phasenverschiebungen, die für die Phasenverschiebungsverstärker in Fig. 15 abgebildet sind, sind jedoch nur Verhältnisse. Sie könnten beispielsweise 0, 90° und 180° anstelle von -90°, 0, +90° gemacht werden. Alle Phasenverschiebungsverstärker sind jedoch identisch.

Wenn das Echoloten nicht erforderlich ist, kann eine weitere

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Vereinfachung vorgenommen werden. In Fig. 11 können die Elemente A und C mit umgekehrter Polarität innerhalb des Hydrophons verbunden werden, was ähnlich auch für B und D gilt. Das Hydrophon benötigt dann nur zwei Ausgangsanschlüsse A und B plus Erde. Die Verbindung der beiden Elemente mit entgegengesetzter Polarität kann in zwei verschiedenen Weisen vorgenommen werden. Die beiden Ringe können identisch erzeugt und polarisiert werden, wobei der innere Anschluß eines Rings mit dem äußeren Anschluß des anderen Rings verbunden ist. Oder sie können in entgegengesetzter Richtung polarisiert werden, wobei beide äußeren Anschlüsse mit einer Leitung und beide inneren Anschlüsse mit der anderen Leitung verbunden werden. Fig. 17 zeigt die Verbindung für ein derartiges Hydrophon, wobei die Polarisation jedes Elements oder Rings durch + oder - angedeutet ist;

Bei Verwendung eines derartigen Hydrophons werden die oberen beiden Zeilen von Anschlüssen in Fig. 13 überflüssig. Wenn alle Hydrophone identisch sind, dann sind die Anschlüsse in den zwei Bodenzeilen in Zellen zusammengefaßt, wie genau in Fig. 13 abgebildet ist, und ihre Ausgangssignale werden wie in Fig. 15 verarbeitet. Grundsätzlich können die isolierenden Widerstände von Fig. 14 weggelassen werden, aber in der Praxis werden sie vorzugsweise verwendet, selbst wenn ein Echoloten nicht erforderlich ist. Sie erfüllen den zusätzlichen Zweck der Isolierung eines defekten Hydrophons, so daß ein Kurzschluß in einem Hydrophon nicht die ganze Anordnung außer Betrieb setzt. Es ist jedoch nur ein Widerstand für jede Leitung erforderlich.

Die in Fig. 15 gezeigten Transformatoren können weggelassen werden, wenn zwei Typen von Hydrophonen verwendet werden, nämlich ein Hydrophon gemäß Fig. 17, das ++—++— polarisiert ist, und ein zweites, identisches, aber in entgegengesetzter Richtung polarisiertes, das —++—++ von links nach rechts polarisiert ist. Die nebeneinanderliegenden Hydrophone werden dann aufeinanderfolgend in Paaren montiert, zwei vom ersten Typ, dann zwei vom zweiten Typ* dann zwei vom ersten Typ usw., so daß die Anschlüsse C , D , G und H in Fig. 15 Ausgangssignale von

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181 26A3

zwei Hydrophonen des einen Typs empfangen, während die Anschlüsse A ,· B , E und F Ausgangssignale von zwei Hydrophonen des anderen Typs empfangen. Die Anschlüsse A und C werden dann direkt miteinander anstelle über einen Transformator wie in Fig. 15 verbunden, was ähnlich für die Paare G

und E usw. gilt. Dadurch bleiben nur vier Anschlüsse C , G , ο oo

D und H übrig, die ähnlich C, G¹, D¹ und H¹ in Fig. 15 behandelt werden. Das ist in Fig. 27 abgebildet, die die Verdrahtung der einzelnen Empfangselemente zeigt. Jede vertikale Gruppe von acht Elementen entspricht einem Hydrophon wie oben im Zusammenhang mit Fig. 11 und Fig. 17 beschrieben. Diese

/nach
zeigen vorn und achtern, aber die Anordnung ist querschiffs angeordnet, und nur ein Teil der Anordnung ist in Seiten-Seiten-Richtung in Fig» 27 abgebildet. Die vier Ausgangsanschlüsse der Anordnung sind mit D, H, G und C bezeichnet, und diese entsprechen den Anschlüssen D¹, H', G¹ und C, wegen der auf Fig. 15 verwiesen wird. Ihre Ausgangssignale werden verarbeitet, um die vier Strahlkanäle M, N, P und Q zu ergeben, wobei die Strahlrichtungen durch Pfeile in der oberen linken Ecke von Fig. 27 angedeutet sind, die natürlich gleich den Strahlrichtungen sind, die zuerst in Fig. 1 gezeigt sind. Die Polarisation der einzelnen Elemente wird durch plus- und minus-Vorzeichen angegeben, was bereits vorher unter Bezugnahme auf Fig. 17 erklärt wurde (mit der Ausnahme, daß in Fig. 17 das Hydrophon horizontal gezeichnet ist, während es in Fig. 27 vertikal gezeichnet ist). In den meisten Fällen ist es zweifelhaft, ob der zusätzliche Aufwand der Verwendung von zwei Arten von Hydrophonen durch das Weglassen von vier Transformatoren gerechtfertigt werden kann. In manchen Fällen ist jedoch die Vereinfachung der Verkabelung am Boden des Schiffs von Bedeutung.

In Fig. 17 sind die beiden isolierenden Widerstände als Teil des Hydrophons gebaut, zusammen mit einer Abschirm- und drei Ausgangsleitungen, nämlich A, B und Erde.

In Fig. 18 verläuft ein Sammelkabel mit den gleichen Leitungen

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zu allen ungaradzahlig nununerierten Hydrophonen, wobei einzelne Hydrophonverbinder ermöglichen, daß alle derartige Hydrophone parallel geschaltet sind (vorausgesetzt, daß die Hydrophone entlang der Anordnung nacheinander nummeriert sind). Ein zweites Kabel verläuft zu allen geradzahlig nummerierten Hydrophonen. Das führt zu dem Gesamtverkabelungsschema von Fig. 19, wo jedes der beiden Kabel in Fig. 19 tatsächlich drei Leitungen und eine Abschirmung wie in Fig. 18 aufweist.

Die in Fig. 14 abgebildete Technik zur Verwendung von Widerständen, um Eingänge sowohl für das Echolote* als auch die dopplerstrahlerzeugenden Schaltungen vorzusehen, macht von der Annahme Gebrauch, daß der Innenwiderstand der Hydrophonelemente klein genug im Vergleich zu annehmbaren Widerstandswerten ist, so daß die Widerstandsbelastung die Hydrophonspannungen nicht zu stark ändert. Wenn es nicht möglich ist, diesen Widerstand abzuschätzen, müssen Vorverstärker für eine zusätzliche Isolierung verwendet werden. Die offensichtlichste Lösung besteht jedoch in einem einzelnen Vorverstärker an jedem der vier Ausgangsanschlüsse jedes Hydrophons vor dem Eingang in das Widerstandsnetzwerk von Fig. 14. Eine einfachere Lösung besteht jedoch darin, einen einzigen Vorverstärker an der Echolote*ausgangsleitung von jedem Hydrophon vorzusehen. Die acht Widerstände und der einzelne Vorverstärker, erforderlich für jedes Hydrophon, können einstückig mit dem Hydrophon ausgebildet sein. Die zu dem Echolote* führenden Widerstände können dann einen viel höheren Widerstandswert aufweisen, da sie direkt an einen Vorverstärker angeschlossen sind, anstatt ein langes Kabel zu treiben. Die mit dem Dopplernavigator verbundenen Widerstände können auf jeden Fall groß gemacht werden, da eine große Anzahl mit einem gemeinsamen Anschluß mit relativ kurzen Verbindungen zwischen Hydrophonen verbunden ist.

Wenn die Größe und Form des Schiffs keine ebene Empfangsanordnung erlauben, kann diese gekrümmt sein, um dem Schiffsrumpf angepaßt zu sein. Die bev orzugte Ausführung besteht darin, daß

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die kurzen Vorder- und Achterzeilen oder Hydrophone parallel zum Kiel und zueinander bleiben, aber die verschiedenen Hydrophone auf einer Kurve angeordnet sind, die dem Querschnitt des Schiffsrumpfs angepaßt ist. Bei diesem Aufbau kann der Vorteil der 90 -Phasenlage der Vorder- und Achterrichtung beibehalten werden, um die Anzahl der Ausgangsleitungen pro Hydrophon zu begrenzen, was bereits erläutert wurde. Es ist jedoch gewöhnlich nicht möglich, die Leitungen von den verschiedenen Hydrophonen so zu kombinieren, wie es für eine ebene Anordnung beschrieben wurde. Dafür müssen alle Leitungen an das Phasennetzwerk angeschlossen werden. Dieses Netzwerk ist von üblicher Bauart. Um einen Strahl in einer bestimmten Richtung zu erzeugen, wird eine bestimmte Phasenverschiebung in jeder Leitung von der Anordnung erzeugt, und die erhaltenen Signale werden in einem einzigen Kanal kombiniert. Es können so viel Ausgangskanäle erzeugt werden, wie gewünscht wird, einschließlich vier Kanälen für die vier Dopplerstrahlen plus zusätzlicher Kanäle für ein Echolote*· oder einer Bodenvermessungsvorrichtung, falls es gewünscht ist.

Die Anzahl der Leitungen, die pro Hydrophon und für eine Anordnung von N Hydrophonen erforderlich sind, entweder in ebener oder gekrümmter Anordnung für einen Dopplerempfang mit und ohne Einrichtung für Bodenvermessung, ist in der folgenden Tabelle für die Dreiphasen- und Vierphasenstrahlerzeugung abgebildet:

Anordnung sform

Anwendung

Doppler Vermessung Hydrophon Anordnung Hydrophon Anordnung

Eben

3
4

9	9	2
N +		5
3N		2
3N	4

4 N + 8

gekrümmt

3
3

2N 4N

3/015

- 33 -

In der obigen Tabelle sind eine gemeinsame Erdrückleitung und gewünschtenfalls eine besondere Abschirmung nicht enthalten.

Die Vierphasenhydrophone in der ersten und dritten Zeile der Tabelle sind in Fig. 17 und die in der vierten Zeile in Fig. 11 abgebildet. Die Vierphasenanordnungsverdrahtung in der ersten Zeile ist in Fig. 27 und die in der zweiten Zeile in Fig. 14 abgebildet. In letzterer Figur sind nur drei der N Leitungen zu dem Echolot»«- und nur zwei der acht Leitungen zu den Dopplerempfängern gezeigt. Die Vierphasenhydrophonverdrahtung, die der Zeile 2 der Tabelle entspricht, ist durch Fig. 14 verständlich, wo das Hydrophon, das durch die ersten vier Elemente Ki. B, C und D links dargestellt ist, eine Leitung hat, die zum Echolote* geht, sowie vier Leitungen, die zum Dopplernavigator gehen, von denen nur die Leitung D gezeigt ist, während drei andere ähnliche Leitungen über Widerstände mit den Elementen A, B und C verbunden sind. Das Dreiphasenhydrophon für die erste, dritte und vierte Zeile ist ähnlich dem von Fig. 11, hat aber nur drei Anschlüsse. Das Dreiphasenhydrophon für die zweite Zeile ist ähnlich wie in Fig. 14 verdrahtet, wobei eine Leitung zu dem Echolote·· geht, aber nur drei Leitungen zu den Doppler verlaufen.

Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß die Dreiphasenverdrahtung einen gewissen Vorteil bedeutet, wenn die Empfangsanordnung auch mit einer Bodenvermessungseinrichtung kombiniert werden soll. Andererseits gewährleistet die Vierphasentechnik eine bessere Unterscheidung zwischen den Vorder- und Achterempfangsstrahlen. Jeder Aufbau hat also gewisse Vorteile.

Beim Feststellen eines Echos von einem tiefen Meeresboden tritt unter anderem die Schwierigkeit auf, genug reflektierte Energie zu erhalten, um das Untergrundrauschen zu übertreffen, und außerdem das Bodenecho von der Energie zu unterscheiden, die durch die im Wasser verteilten Teilchen gestreut wird, was Volumennachhair genannt wird. Es ist notwendig, den Volumennachhall von dem Signal zu trennen, wenn der Dopplernavigator die wahre Geschwindigkeit relativ zum Boden und nicht die Geschwindigkeit

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relativ zum Wasser feststellen soll, das nicht im voraus angebbare Strömungen aufweist.

Beim Echoloten ist es relativ einfach, den Volumennachhall zu beseitigen, indem kurze Impulse gesendet werden und ein Empfänger mit einem Gatter oder zeitlich veränderlicher Verstärkung verwendet wird, der den starken Volumennachhall unterdrückt, der während des ersten Abschnitts der Empfangsperiode auftritt. Der Volumennachhall, der etwas später zum Zeitpunkt auftritt, wenn das Bodenecho zurückkommt, ist klein genug, so daß er keine Schwierigkeiten bereitet.

Bei dem Dopplernavigator ist diese Schwierigkeit jedoch größer, da die Echofrequenz sehr genau gemessen werden muß, was relativ lange Impulse erfordert. Tatsächlich ist ein kontinuierliches Senden wünschenswert, um Lücken in der Geschwindigkeitsinformation zu vermeiden.

Es ist wünschenswert, die Frequenz mit einer Genauigkeit von größenordnungsmäßig 0,1 Hz zu messen. Die für diese Genauigkeit erforderliche Impulslänge hängt vom Signal-Rausch-Verhältnis ab. Für vernünftige Werte der Impulslänge sollte sie jedoch größenordnungsmäßig gleich dem Kehrwert der erforderlichen Frequenzgenauigkeit, das heißt gleich einigen see, sein. In Wasse* mit einer Tiefe von 2000 Faden beträgt die Hin- und Rücklaufzeit für den akustischen Impuls bei 820 Faden/sec und einem Winkel von 41,6 zur Vertikalen wie oben erwähnt 2 . 2000/fe20.cos41,6^ = 6,54 see.

Wenn der Nachhall ausgeblendet werden soll, muß die Impulslänge beträchtlich kürzer als dieser Wert sein. In Fig. 20 wird ein Impuls X, der Länge T gesendet, auf den eine Periode D folgt, um das Abklingen des Volumennachhalls zu ermöglichen, wonach das Signal R empfangen wird. Die Hin- und Rücklaufzeit des Echos beträcht E = D + T. Nach dem Empfang des Echos kann eine·zweite Sendung X₂ ausgelöst werden. Die ImpulsSendungen werden mit einer Periode P wiederholt, die größer als E + T = D + 2T sein muß.

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Als Dimensionierungserfordernis soll angenommen werden, daß die Zeit D, die das Abklingen des Nachhalls erlaubt, größer als eine Hälfte der Impulslänge T ist. In einer Tiefe von 2000 Faden, wo die Hin- und Rücklaufechozeit E = D + T = 1,5.T einen Wert von etwa 6,5 see hat, ist eine Impulslänge T = 6,5/1,5 = 4,33 see erlaubt. Die Impulswiederholungsperiode muß den Wert P = E + T = 10,8 see überschreiten. Bei dieser Folgefrequenz wird eine Dopplerinformation während etwa 40 % der Zeit gehalten. Wenn Ungenauigkeiten infolge Stampfen und Rollen und infolge des Bodenverlaufs erlaubt sein sollen, muß P erhöht werden, und die Informationsfrequenz fällt weiter. Obwohl diese Frequenz noch für manche Anwendungen ausreichend sein kann, ist eine größere Genauigkeit immer wünschenswert.

Ein kontinuierlicher Empfang kann durch Senden von Impulsen verschiedener Frequenz erreicht werden, so daß das zu irgendeinem Zeitpunkt empfangene Signal durch geeignetes Filtern von Überlagerungen und Volumennachhall infolge gleichzeitigem oder kurz vorher erfolgten Sendens einer anderen Frequenz unterschieden werden kann. Wenn beispielsweise drei Frequenzen verwendet werden, können diese getastet werden, um drei aufeinanderfolgende Impulse zu ergeben, die jeweils 4 see während einer Gesamtzeit von 12 see lang sind, so daß ein kontinuierliches Senden bei einer I2sec-Frequenztastperiode ermöglicht wird.

Das würde der Bedingung genügen, daß die Periode 10,8 see überschreitet. Es muß jedoch der Empfang von vier verschiedenen Strahlen von Signalen erlaubt sein, die nicht alle gleichzeitig eintreffen. Das erste Eintreffen, das angenommen für den Strahl M zum Zeitpunkt E^ stattfindet, muß die Nachhallbedingung D + T = E, erfüllen, wobei D größer als T/2 ist. Das letzte Ein-•teffen, das angenommen zum Zeitpunkt E₃ für den Strahl Q stattfindet, der zu dem Strahl M diagonal entgegengesetzt gerichtet ist, muß die Bedingung erfüllen, daß E- + T kleiner als die Sendeperiode P ist. Um daher P groß genug zu machen, ist es wünschenswert, vier Frequenzen anstatt drei Frequenzen zu ver-

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wenden. Das ist in Fig. 21 gezeigt.

Bei kontinuierlichem Senden beträgt der höchstmögliche Wert des Verhältnisses

^{a = E}3^/El (19)

a = (P - T)/(D + T) . (20)

Bei N Frequenzen beträgt die Sendefolgeperiode

P = NT , (21)

und das Meßentfernungsverhältnis beträgt

a = (N - 1)/(1 + D/T). (22)

Für D/T = 1/2 und N = 4 wird a = 2.

Die Beziehung zwischen der Bodenneigung

m = tan pe (23)

und dem Meßentfernungsverhältnis a kann aus Fig. 22 abgeleitet werden, die für den Fall von zwei diagonal entgegengesetzten Strahlen gezeichnet ist, die der Einfachheit halber einen Winkel von 45° mit der Vertikalen anstelle des genaueren, oben erwähnten Werts von 41,6 bilden.

Wenn sich das Schiff am Punkt S befindet, betragen die Meßentfernungen der beiden Strahlen r, und r_ und die entsprechenden Tiefen z, und z_. Aus der Figur folgt das Entfernungsverhältnis zu

a = T₃A₁ = ζ₃/ζ_χ (24)

und für die Bodenneigungstangente

m = (Z₃- Z₁)Z(Z₃ + Z₁) (25)

und damit

m = (a - l)/(a + 1). (26)

Für das Entfernungsverhältnis a = 2 ergibt sich eine Bodenneigung m = 1/3 oder ein Neigungswinkel öl = 18,4°. Das stellt

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die mittlere Neigung zwischen zwei Zielpunkten von diagonal entgegengesetzten Strahlen dar und ist der Höchstwert, der mit vier Frequenzen erlaubt ist, wenn die Zeit, um das Abklingen des Volumennachhalls zu erlauben, die halbe Impulslänge beträgt. Bei fünf Frequenzen anstatt vier ist eine mittlere Neigung bis zu 24,4 tragbar.

Die horizontale Entfernung zwischen den Zielpunkten ist etwa doppelt so groß wie die mittlere Tiefe, das heißt 4 Meilen bei einer Tiefe von 2000 Faden. Meeresbodenflächen, deren mittlere Neigung auf 4 Meilen 18° übertrifft, sind nicht üblich.

Eine weitere Schwierigkeit ist die Änderung des Meßentfernungsverhältnisses infolge Rollens. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Kombinationen von Rollen und Stampfen auftreten können, die ein Meßentfernungsverhältnis erlauben, das doppelt so groß wie die Tiefe auf einem flachen Meeresboden ist. Das kleinste Meßentfernungsverhältnis berechnet sich, falls Gieren und Stampfen nicht berücksichtigt werden durch die folgende Gleichung:

cosC = cospcoszf , (27)

mit ρ = |i_o = 28°_f T₀ = 32,1°, Rollwinkel = 15°, T = ¹T Rollwinkel = 17,1°, so daß sich cosC = 0,844 ergibt. Das Verhältnis der Meflentfernung zur Tiefe beträgt 1/cosC = 1,18. Damit ergibt sich als das Verhältnis von größter zu kleinster Meßentfernung für einen Rc
boden näherungsweise «*· a

Meßentfernung für einen Ro!Winkel von +15° über ebenen Meeres-

Die Vorrichtung kann einen maximalen Rollwinkel über einem ebenen Meeresboden oder bis zu 18 Neigung bei fehlendem Rollen tolerieren, eine zeitliche Kombination von großen Neigungen und Rollwinkeln könnte jedoch zu Schwierigkeiten führen. Es ist wünschenswert, die Empfänger so zu steuern, daß sie eine möglichst große Entfernungsvariation ermöglichen, aber die Vorrichtung sollte so aufgebaut sein, daß sie gelegentliche Signal-

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Verluste toleriert. Wenn die Ausgangsschaltung des Empfängers eine phasenstarre Schleife ist, kann das erreicht werden, indem der überlagerungsoszillator für ein Frequenzhalten ausgelegt ist, wenn das Signal ausfällt.

Das Frequenztasten läßt die Frage der Abhängigkeit der Dopplermessung von der Frequenz aufkommen. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß die Anordnung von phasenabgeglichenen Anordnungen einen großen Vorteil mit sich bringt.

Um das einzusehen, sollen Dualstrahlen wie in Fig. 4 und Gleichung (8) betrachtet werden. Das führt zur DopplerfrequenzverSchiebung

^fd ^{= 4v} _s(^cosB)/^ . (28)

wenn die Geschwindigkeitskomponente auf der Schiffsachse V beträgt. Die Integration dieses Werts gibt den gesamten Dopplerperiodenwert für ein ausgewähltes Zeitintervall als

N = 4s(cosB)/A , (29)

wobei s die während dieser Zeit gefahrene Strecke ist. Dieser Wert stellt das Signal dar, das entlang der Achse des Strahls ankommt, wobei Gleichung (13) gilt,

(cosB)/A = V>/2«-b . (30)

Das Einsetzen dieser Gleichung in Gleichung (29) und Umformen nach s ergibt

s = (JTb /2φ) Ν . (31)

Dieser Gleichung ist zu entnehmen, daß die gefahrene Strecke proportional zum Dopplerperiodenwert ist, wobei der Proportionalitätsfaktor (-3"b /2 φ) unabhängig von der Frequenz ist, vorausgesetzt, daß die strahlerzeugenden Schaltungen so aufgebaut sind, daß die Phasenverschiebung φ frequenzunabhängig ist. Das wird leicht erreicht, wenn der erforderliche Frequenzbereich nicht zu groß ist. Tatsächlich hängt: der Proportionalität »faktor nur von φ und dem Elementabstand b ab und ist damit unabhängig von der Schallgeschwindigkeit im Wasser. Das

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ist ein beträchtlicher Vorteil gegenüber Dopplernavigatoren, die eine feste Strahlrichtung benutzen, die durch die mechanische Ausrichtung eines nichtphasenabgeglichenen Wandlers bestimmt ist. Für derartige Systeme ist die genaue Kenntnis der Schallgeschwindigkeit notwendig, und diese wird normalerweise durch ein besonderes Instrument gemessen. Andererseits variiert die Strahlrichtung von einer phasenabgeglichenen Anordnung mit der Frequenz und der Schallgeschwindigkeit, um die Dopplerfrequenz für eine bestimmte Geschwindigkeit des Schiffs konstant zu halten. Wenn die Anordnung eine Vierphasenstrahlerzeugungsschaltung verwendet, ist P == ZT/ 2 und Gleichung (31) vereinfacht sich zu

s = Nb . (32)

Die während jeder Dopplerperiode gefahrene Strecke ist gleich dem Abstand zwischen den Elementen in der Anordnung.

Gleichung (31) kann direkt aus den ersten Überlegungen heraus abgeleitet werden. Es soll ein Einstrahlsystem mit einem Sender auf dem sich bewegenden Schiff und einem stationären Empfänger im Wasser betrachtet werden. Ein Zähler mißt die Anzahl von Schwingungen f t, die während der Zeit t gesendet werden, und ein anderer die Anzahl ft, die im gleichen Zeitintervall empfangen werden. In dieser Weise ergibt sich der Einstrahldopplerwert als Differenz zwischen den beiden Zählerständen der Zähler. Mit s soll die Strecke AB bezeich-

net werden, die vom Schiff während der Zeit durchfahren wird, während der der Dopplerwert genau eine Periode wie in Fig. 23 ist. Die Wellenfronten durch A und B sind FA und GB senkrecht zur Richtung AG der Strahlachse. Der Abstand AG ist dann gleich der Wellenlänge Λ,. Dieser Abstand stellt die einzige Dopplerperiode dar, die der Empfänger feststellt, während sich das Schiff von A nach B bewegt, das heißt der Empfänger zählt die f t Perioden, die während dieser Zeit gesendet werden, plus der schon im Wasser befindlichen Periode.

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Das Dreieck A¹B¹G' in Fig. 24 gibt die strahlerzeugende Geometrie an, wobei b den Abstand zwischen zwei benachbarten Wandlerelementen A' und B¹ bezeichnet, während d den Abstand bedeutet, der durch die Welle in einer Zeit durchlaufen wird, die der Phasenverschiebung φ zwischen A¹ und B¹ entspricht. Dieser Zusammenhang drückt sich aus in

α/Λ = Φ/2& . (33)

Die Ähnlichkeit beider Dreiecke führt zu

s_o = bVd (34)

s_o = 2jrb /ψ . (35)

Die während N Dopplerperioden durchlaufene Strecke beträgt

Ns oder
ο

s = {2&ο/φ) N . (36)

Wenn der Empfänger auf einem Schiff montiert ist, anstatt stationär zu sein, ergibt sich eine Hin- und Rücklauf-Dopplerverschiebung, die doppelt so groß ist, und wenn zwei Vorder- und Achterstrahlen verwendet werden, ergibt sich ein weiterer Faktor zwei. Die Verwendung dieses Gesamtfaktors vier ergibt Gleichung (31).

Es ist also ersichtlich, daß die Verwendung von phasenabgeglichenen Anordnungen stark den Einfluß von Schwankungen der Frequenz und der Schallgeschwindigkeit reduziert.

Als nächstes soll eine Empfangssignalverarbeitung für einen Dopplernavigator beschrieben werden, der kontinuierlich sendet, wobei das Senden auf vier verschiedene Frequenzen wie oben erläutert getastet wird. Eine ähnliche Signalverarbeitung kann jedoch auch für irgendeine andere Anzahl von Sendefrequenzen verwendet werden. Als typische Dopplerverschiebung soll ein Wert von 3,7 Hz/Knoten angenommen werden. Da der zulässige Bereich -5 bis +22 Knoten betragen soll, wird eine Bandbreite von 27 . 3,7 = 100 Hz benötigt. Die vier Sendefrequenzen werden im

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Abstand von 200 Hz gewählt und mit T,, T₂, T_ und T₄ bezeichnet. Wenn das Band seine Mittenfrequenz bei 10,7 kHz wie oben angenommen hat, ergibt das T, = 10,400 Hz, T₂ = 10.600 Hz, T₃ = 10 800 Hz und T₄ = 11 000 Hz.

Zum Empfang irgendeines Strahls muß zuerst jedes der vier Empfangssignale entsprechend den vier Ausstrahlungen identifiziert und ausgeblendet werden, um das Signal anzunehmen und den Nachhall zu unterdrücken. Die vier Signale für einen Strahl müssen auch in eine gemeinsame Frequenz umgesetzt werden, so daß sie kombiniert werden können, um ein kontinuierliches Ausgangssignal für diesen Strahlkanal zu ergeben. Beim Mischen von Signalen aus den verschiedenen Strahlkanälen muß das algebraische Vorzeichen der Dopplerfrequenzen erhalten bleiben. Es wird daher die Frequenz L eines Überlagerungsoszillators eingeführt, so daß sich als Ausgangssignal jedes Strahlkanals ein Signal der Frequenz L + f ergibt.

Fig. 25 zeigt die Verarbeitung in einem Strahlkanal. Es sind ein Mischer MX, ein Gatter GA und ein Filter FL vorhanden. Zunächst wird die Überlagerungsoszillatorfrequenz L mit jeder der Sendefrequenzen T,, T₃, T- und T₄ gemischt (vgl. diese Oszillatoren auch in Fig. 5), um vier Bezugsfrequenzen zu erzeugen

^Fn ^{= T}n " ^L (n - 1, 2, 3, 4) . (37)

Die Überlagerungsoszillatorfrequenz soll beispielsweise L = 4 kHz betragen. (Der genaue Wert kann davon abweichend gewählt werden, um das Filtern zu vereinfachen, unerwünschte Oberschwingungen klein zu halten usw.) Da T_R ungefähr bei 11 kHz liegt, liegt F ungefähr bei 7 kHz.

Das Ausgangssignal aus dem ausgewählten Strahlkanal der Strahlerzeugungsschaltung, zum Beispiel dem Kanal M von Fig. 15, hat vier Frequenzkomponenten

^Rn ^{= T}n ^{+ f} (n = 1, 2,3, 4) , (38)

wobei f die Doj£.erverschiebung für diesen Strahl ist. (Zu einem

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Zeitpunkt ist jeweils nur eine Komponente vorhanden.) Dieses Signal wird in einen Hf-Verstärker mit einer Bandbreite von etwa 10 300 bis 11 100 Hz eingespeist, wobei die Bandbreite ausreicht, um alle Frequenzen R zu verstärken (vgl. den Hf-Verstärker 22M in Fig. 5).

Das Ausgangssignal des Hf-Verstärkers wird in vier verschiedene Kanäle eingespeist, um die vier Frequenzkomponenten R,, R„, R_ und R. zu verarbeiten.. Die erste Stufe im R,-Kanal ist ein Gatter GA (31), das ausgeschaltet ist, wenn T, gesendet wird, sowie eine ausreichende Zeit danach, um das Abklingen des Nachhalls zu ermöglichen. Das Gatter wird dann eingeschaltet und bleibt eingeschaltet bis kurz vor dem Beginn des nächsten T,-Sendens. Die nächste Stufe ist ein Filter FL (41) von etwa 100 Hz-Bandbreite,, um R, von den anderen Signalen zu trennen. Obwohl ein letztes Filtern in der ZF-Stufe vorgenommen wird, ist es wünschenswert, auch ein Hf-FiItem vorzunehmen, um ein Überlasten der Mischer durch das Signal zu vermeiden, das zum Zeitpunkt gesendet wird, wenn das Gatter offen ist.

Die Filterausgangssignale R werden in Mischern MX (51 - 54) mit der Bezugsfrequenz F gemischt, um ein Signal der Frequenz

^Pn - ^Rn - ^Fn ⁽³⁹⁾

zu ergeben.

Aus den obigen Gleichungen folgt, daß alle P Signale von einem Strahl die gleiche Frequenz

P = L + f (4O)

haben. Die vier Signale P,, P₂, P₃ und P. vom Strahl A werden daher zu einem einzigen Ausgangssignal durch ein Widerstandsaddiernetzwerk kombiniert. Das gleiche ist; für jeden der anderen drei Strahlen der Fall.

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Die vier Ausgangssignale von Fig. 25 werden gemäß Fig. 26 weiterverarbeitet. Das Eingangssignal M in dieser Figur stellt das Signal vom Strahl M dar, das an dieser Stelle die Frequenz

^PM - ^{L + f} M

hat, wobei f die Dopplerverschiebung im Strahl M ist. Ähnlich ist N ein Signal der Frequenz P = L + f usw. Diese werden in ZF-Verstärkern 70 weiterverarbeitet, wo ein letztes Filtern stattfindet. Für ein maximales Signal-Rausch-Verhältnis kann eine phasenstarre Schleife 71 an dieser Stelle verwendet werden, da das Signal aus einem Schmalbandspektrum mit einer Mittenfrequenz besteht, die sich langsam verschiebt, wenn das Schiff beschleunigt wird. Phasenstarre Schleifen sind bereits bekannt (vgl. zum Beispiel "Phase Lock Techniques" von Floyd M. Gardner, John Wiley Se Sons (1966) , oder "Phase-Locked Loop Dynamics", Viterbi, Proceedings of the IEEE (Vol. 51, Nr. 12) Dezember 1963, S. 1737). Die phasenstarre Schleife ermöglicht ein Frequenzband, das schmaler als das lOOHz-Band ist, das erforderlich wäre, um alle möglichen Dopplerfrequenzen aufzunehmen, wenn ein übliches, fest abgestimmtes Filter verwendet würde. Die tragbare Untergrenze für die effektive Bandbreite der phasenstarren Schleife ist durch die spektrale Bandbreite infolge der Strahlbreite und durch die Änderungsgeschwindigkeit der Frequenz infolge Beschleunigung oder Lageänderung bestimmt. Diese Bandbreite ist nur ein Bruchteil der gesamten Bandbreite, die für den vollständigen Bereich von Dopplerfrequenzen in jedem Strahl erforderlich ist.

Es ist auch ersichtlich, daß das schmale ZF-Band weiter den Einfluß des Volumennachhalls unterdrückt. Angenommen, zu einem bestimmten Zeitpunkt sendet die Sendeanordnung mit der Frequenz T, und das Bodensignal wird empfangen mit der Frequenz R_ = T₃ + f, die dem früheren Senden der Frequenz T₃ entspricht. Zu diesem Zeitpunkt ist der Empfangskanal für die Frequenz Nummer eins abgeschaltet, und irgendein Übersprechen

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_ 44 -

oder ein Volumennachhall infolge T-, was durch die Kanäle 2, 3 oder 4 verarbeitet wird, wird in Frequenzen außerhalb des ZF-Durchlaßbereichs umgesetzt.

Nach dem Schmalbandigermachen durch den ZF-Verstärker und durch die phasenstarre Schleife wird das Signal jedes Strahls in Schaltungen 72 auf Rechteckform gebracht, um eine Folge von Standardimpulsen der Frequenz P_M, P_n usw. herzustellen (Fig. 5 zeigt auch Verstärker 70, phasenstarre Schleifen 71 und Rechteckschaltungen 72.)

Gemäß Gleichung (9) soll die Frequenz

f = f_M + f„ - f_ - f. s M N P Q

erzeugt werden, die die Längsschiffsgeschwindigkeitkomponente darstellt. Das wird durch Einspeisen der Impulsfolgen in einen Differentialzähler vorgenommen. Die M- und N-Signale werden den positiven Eingangsanschlüssen des Zählers und die P- und Q-Signale den negativen Eingangsanschlüssen zugeführt, wie aus Fig. 5 und 26 ersichtlich ist. Der Zähler gibt Impulse mit einer Frequenz j f f ab, und diese Impulse treten am positiven oder negativen Ausgangsanschluß auf, je nachdem, ob f positiv oder negativ ist.

Der Differentialzähler ist ein einfacher Speicher, der mehrere Zustände annehmen kann, deren Anzahl gleich der Anzahl der Eingangsanschlüsse ist, im vorliegenden Fall vier. Das Auftreten eines Impulses an einem der positiven Eingangsanschlüsse erhöht den Zähler um einen Pegel, wenn er im Zustand eins, zwei oder drei ist. Wenn der Zähler im Zustand vier ist, bleibt der Zustand unverändert, aber ein Impuls wird am positiven Ausgangsanschluß abgegeben. Ähnlich wird durch das Auftreten eines Impulses an einem der negativen Eingangsanschlüsse der Zähler um einen Pegel erniedrigt, wenn er im Zustand zwei, drei oder vier ist. Wenn er den Pegel eins aufweist, dann bleibt der Zustand unverändert, aber ein Impuls wird am negativen Ausgangsanschluß abgegeben. In ihrer praktischen Form werden die Eingangs- und Ausgangssignale puffergespeichert,

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so daß beim gleichzeitigen Auftreten von zwei oder mehr Impulsen an verschiedenen Eingängen keine Impulse verloren gehen, und die Ausgangsimpulse haufen sich nicht so stark, daß der Rechner sie nicht auflösen kann. Das Eingangssignal des Zählers ist Pj. + P - P - P , aber die gemeinsame Frequenz L hebt sich auf, so daß wie gewünscht f_M + f„ - f - f_n übrigbleibt.

Die Querschiffsgeschwindigkeitskomponente wird in der gleichen Weise durch Einspeisen der Signale des N- und Q-Kanals in die positiven Anschlüsse eines Zählers und der Signale des M- und P-Kanals in die negativen Anschlüsse bestimmt, um das Ausgangssignal f gemäß Gleichung (10) zu erhalten.

Die vertikale Geschwindigkeitskomponente ist etwas anders, da 4L - P_M - P_n - P_ - P₀ eingespeist werden müssen, um f entsprechend Gleichung (11) zu erhalten, das heißt, die L Komponenten heben sich nicht auf, und L muß in die vier positiven Anschlüsse eingespeist werden. Da acht Eingangsanschlüsse vorhanden sind, hat dieser Kanal einen Acht-Zustands-Zähler.

Die Ausgangssignale für den Rechner sind die drei positiven und drei negativen Kanäle mit den Impulsfolgen der Frequenz f , f und f proportional zu den Geschwindigkeits-

S el Xl

komponenten auf den drei Schiffsachsen. Die drei Zähler sind ebenfalls in Fig. 5 abgebildet. Sie sollen als nächste beschrieben werden.

Der Differentialzähler kann wie folgt erläutert werden. Er hat η positive Eingangsanschlüsse und k negative Eingangsanschlüsse plus einen positiven und einen negativen Ausgangsanschluß. Impulsfolgen der Frequenzen f^, t^, f₃ ... f_n werden in die positiven Eingangsanschlüsse und g^, g₂* ^3 ··· 9^ i*¹ die negativen Eingangsanschlüsse eingespeist. Die nächste Eingangsfrequenz beträgt

F = f_x + f₂ + ... + f_n - g₁ - g₂ - ... - g_k . (43)

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Ein Eingangspuls der Frequenz F soll am positiven Ausgangsanschluß erzeugt werden, wenn F positiv ist, und am negativen Ausgangsanschluß, wenn F negativ ist.

Der Zähler kann eine endliche Anzahl S von Zuständen

S=I, 2, 3 ... S annehmen. Jedesmal, wenn ein Impuls an einem der positiven Eingangsanschlüsse auftritt, wird der Zustand um einen Pegel angehoben, außer wenn S=S, in welchem Fall er auf S bleibt, aber einen Impuls am positiven Ausgangsanschluß abgibt. Jedesmal, wenn ein Impuls an einem der negativen Eingangsanschlüsse auftritt, wird der Zustand um einen Pegel abgesenkt, außer wenn S=I ist, in welchem Fall er auf 1 bleibt und ein Impuls am negativen Ausgangsanschluß abgegeben wird.

Es soll jetzt ein geeigneter Dimensionierungswert für S bestimmt werden, ferner soll gezeigt werden, daß der resultierende Ausgangsimpulszählerstand sich vom resultierenden Eingangszählerstand um nicht mehr als S-I unterscheidet.

Es soll angenommen werden, daß zu irgendeinem Zeitpunkt t = 0 der Zähler sich in seinem Anfangszustand S, befindet. Zu einem etwas späteren Zeitpunkt T ist er dann im Zustand S~· P, soll die Anzahl der in den f.-Anschluß während dieser Zeit eingespeisten Impulse sein, P₂ die Anzahl der in den f₂~Anschluß eingespeisten, M, die Anzahl der in den g,-Anschluß eingespeisten, M₂ die Anzahl der in den g₂-Anschluß eingespeisten usw. Dann ist

P = P₁ + P₂ + ... +P_n (44)

die Gesamtzahl der positiven Eingangsimpulse, und

M = M₁ + M₂ + ... + \ (45)

die Gesamtzahl der negativen Eingangsimpulse» Ähnlich soll ρ die Gesamtzahl der Ausgangsimpulse am positiven Ausgangsanschluß und m die Gesamtzahl am negativen Ausgangsanschluß sein. Es versteht sich, daß

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- 47 -

S₂ = S₁ +(P - ρ) - (M- m) (46)

(ρ - m)/T = (P- M)/T + (S₁ - S₂)/T (47)

gilt, wobei der Betrag des zweiten Terms rechts geringer als S /T ist. Die resultierende Ausgangsfrequenz (p - m)/T unterscheidet sich daher von der resultierenden Eingangsfrequenz (P - M)/T um einen Term, der für großes T näherungsweise Null wird. Zu einem beliebigen Zeitpunkt tritt ein Fehler in der gefahrenen Strecke auf, der dargestellt wird durch

S₁ - S₂ = (p - m) - (P-M), (48)

die Differenz zwischen der algebraischen Summe der Eingangsimpulse und der der Ausgangsimpulse. Dieser Fehler kann nicht größer als S-I werden.

Daher soll im allgemeinen S möglichst klein gehalten werden, um den Fehler und den Aufwand an Einrichtungen klein zu halten. Ein zweites Erfordernis besteht darin, daß im stationären Zustand die Ausgangsimpulse an nur einem der beiden Ausgangsanschlüsse auftreten sollen, um die Anzahl der Rechnerunterbrechungen klein zu halten, das heißt S soll möglichst klein gewählt werden, ohne die Anzahl der Ausgangsimpulse zu erhöhen.

Es soll zuerst F "S 0 angenommen werden. S soll so gewählt werden, daß keine Impulse am positiven Ausgangsanschluß im stationären Zustand auftreten. Dann ist ρ = 0 und

S₂-S₁=P-M+m . (49)

Jetzt ist die Gesamtzahl der in den positiven Eingangsanschluß i eingespeisten Impulse

^Pi ^{= Tf}i ⁺Ai . (50)

wobei \& i{ <-1 ist. Die Anzahl der in den negativen Eingangsanschluß i eingespeisten Impulse ist

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^Mi ^{β Tg}i ⁺⁵i ^ί51)

wobei Ιζ. J<1 ist. Daraus ergibt sich

= TF + A₁ + Δ₂ + . . . + Δ - S₁ - 6 - ... - £_k + m (53)

Der Term TF wird nicht größer als Hull, und die Summe der übrigen Terme ist kleiner als η + k + m. Daher ist S. - S, kleiner als η + k + m. S- - S₁ ist aber eine ganze Zahl. Wenn

«£ JL

also keine..negative η Impulse während des Intervalls abgegeben werden, so daß m = 0, ergibt sich

S- - S₁ *£ η + k -. 1 . (54)

Sobald der Zähler einen Impuls am negativen Ausgangsahschluß abgegeben hat und damit den Zustand S₁ = 1 erreicht hat, kann der maximale Pegel nicht mehr überschreiten

S = η + k - 1 + S₁ -= η + k . (55) max J-

Wenn also

S_o = η + k (56)

gewählt wird, gibt der Zähler niemals einen positiven Impuls ab, sobald der erste negative Impuls abgegeben v/orden ist, vorausgesetzt, daß F nicht größer als Null wird. Mach einem transienten Signal könnte er schlimmstenfalls nicht mehr als η + k - 1 positive Impulse abgeben, bevor ein negativer Impuls abgegeben wird.

Der Fall F ^ 0 führt zum gleichen Erfordernis, nämlich S = η + k .

Daraus ist der Schluß zu ziehen, daß die Anzahl der Zustände ausreicht, wenn sie gleich der Gesamtzahl der Eingangsanschlüsse

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ist. Außerdem ist aus den obigen Überlegungen ersichtlich, daß bei F=O überhaupt keine Ausgangsimpulse abgegeben werden, nachdem stationäre Bedingungen erreicht worden sind. Das zeigt, daß die Zahl S = η + k der Zustände ausreicht. In ähnlicher Weise kann gezeigt werden, daß diese Zahl sowohl notwendig als auch hinreichend ist.

Der Rechner liefert Taktsignale zum Tasten der Senderfrequenzen und zum Betätigen der Gatter in den Empfängern. Das Takten beruht auf einem Takt, der durch die Tiefe oder die Entfernung des Schiffs vom Boden bestimmt ist. Wenn der Dopplernavigator zusammen mit einer Bodenvermessungseinrichtung betrieben wird, gibt letzterer die notwendige Information über die Bodentiefe. Falls das nicht der Fall ist, bieten sich zwei andere Möglichkeiten an: ein einfaches Tiefenlot üblichen Aufbaus mit einem besonderen kleinen Wandler für eine andere Frequenz oder eine Einrichtung zum Messen der Zeit des Signaleintreffens in einem oder mehreren Strahlkanälen der Dopplerempfänger. Letzteres Verfahren hat den Nachteil, daß die Meßentfernungsbereiche der Dopplerstrahlen wegen des Schiffsrollens variieren. Auch ist die Sendeleistung, die zum Betreiben der Dopplerstrahlen als Echolot erforderlich ist, viel größer als sonst benötigt. Die Ursache dafür ist, daß die effektive Rausch-Bandbreite eines Empfängers, die für Dopplernavigation erforderlich ist, viel schmaler gemacht werden kann, als die zum Echoloten erforderliche.

Es soll hier angenommen werden, daß ein Hilfstiefenlot vorhanden ist, und daß die gemessene Tiefe codiert und zum Rechner übertragen wird, der für die Doppler-Datenverarbeitung benutzt wird. Bei Verwendung der oben angegebenen Berechnungen ergibt sich, daß der Meßentfernungsbereich vom 1,12- bis 2,24-fachen der Tiefe (gemessen durch ein Weitstrahlecholot) variiert, wenn die Variation auf eine maximal erlaubte Bodenneigung bei fehlendem Rollen zurückzuführen ist, oder vom etwa

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1,18- bis 2-fachen, wenn sie auf maximales Rollen bei fehlender Bodenneigung zurückzuführen ist. Daher sollte die Impulsfolgeperiode P so gewählt werden, daß sie eine Echo-Hin- und Rücklaufzeit E gleich dem 2,1-fachen des Werts E ermöglicht, der beim Echolot beobachtet wird. Andererseits gilt P = E + T, wobei T = P/4 die Impulslänge für eine Frequenz ist. Daher berechnet sich die Periode zu P = (4/3)E = (4/3)2,1 E oder

P = 2,8 E_o .

Das ist die gesamte zu verwendende Folgeperiode. Jede Frequenz wird während eines Viertels dieser Zeit oder T= 0,7 E ge-

sendet. Auf das Senden einer bestimmten Frequenz folgt ein Intervall D = T/2 =0,35 E zum Abklingen des Nachhalls. Die Gatter für diesen Frequenzkanal sind dann eingeschaltet und bleiben bis kurz vor dem nächsten Senden dieser Frequenz eingeschaltet.

Der Dopplerrechner muß die Schiffsgeschwindigkeit oder die durchfahrene Strecke bestimmen, wobei die DopplerfrequenzverSchiebungen der vier Strahlen oder die Dopplerdifferenzfrequenzen f , f und f gegeben sind, die die Geschwindigkeiten auf den drei Schiffsachsen darstellen. Zwischen Senden und Empfangen kann eine Änderung im Ort, der Lage und der Geschwindigkeit des Schiffs auftreten. In Plachwasserdopplersysteinen, wo die Hin- und Rücklaufechozeit kurz ist, kann dieser Effekt vernachlässigt werden, so daß die beobachteten Frequenzdifferenzen f , f und f direkt die Geschwindigkeits-

s a n

komponenten entlang den Schiffsachsen angeben. Wenn die Schiffslage (Rollwinkel, Steigungswinkel und Steuerkurs) gegeben ist, können aus diesen Geschwindigkeiten sofort die Komponenten entlang den Erdkoordinaten Norden, Osten und Vertikale berechnet werden.

Für Navigation in tiefen Gewässern gibt dieses Yorgehen noch eine gute Genauigkeit, da die Änderungen im Rollen, Stampfen und Gieren quasi-periodiscli sind und ihr Einfluß auf die Dopplerfrequenzen sich über Perioden, die langer als ein oder zwei min sind, ausmitteit»

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Wenn jedoch momentane Geschwindigkeitsmessungen oder sehr genaue Durchschnittsgeschwindigkeiten benötigt werden, kann der Rechner so programmiert werden, daß er dann eine genauere Berechnung wie folgt vornimmt. Bei Kenntnis der Schiffsgeschwindigkeit beim Senden kann die Dopplerverschiebung, die zu diesem Zeitpunkt auftritt, berechnet und von dem beobachteten Wert subtrahiert werden, um die beim Empfang auftretende Verschiebung zu erhalten. Letztere erlaubt die Berechnung der Geschwindigkeit beim Empfang. Näherungsweise kann für die Geschwindigkeit für die Anfangsperiode die scheinbare Geschwindigkeit genommen werden, die durch Vernachlässigen der Hin- und Rücklaufechozeit erhalten wird.

Offensichtlich handelt es sich dabei um eine iterative Berechnung, bei der die Geschwindigkeit V(t) zu irgendeinem Zeitpunkt t, der im Speicher gespeichert ist, berechnet und t see später als Eingangswert für die Berechnung einer neuen Geschwindigkeit V(t + t ) benutzt wird, wobei t die Hin- und Rücklaufechozeit ist. Das kann unbegrenzt oft wiederholt werden, um die Geschwindigkeit zu allen Zeiten zu bestimmen. Der Rechnerspeieher speichert die Geschwindigkeitsdaten während der letzten t see, fügt die neuesten Daten hinzu und löscht die alten während des weiteren Zeitablaufs. Möglicherweise überlagern sich Meß- und Rechenfehler, weshalb es wünschenswert sein kann, eine gewisse Dämpfung der Berechnung vorzunehmen, damit die berechnete Geschwindigkeit nicht zu weit von der "scheinbaren" Geschwindigkeit, dem aus den Dopplerwerten durch Vernachlässigen der Echoverzögerungszeit erhaltenen Wert, abweicht.

Es soll noch eine weitere Schwierigkeit erwähnt werden. Wegen der Änderung des Schiffsorts zwischen Senden und Empfangen unterscheidet sich die Bahn des Sendestrahls vom Schiff zum Boden etwas von der des Empfangsstrahls vom Boden zurück zum Schiff. Insbesondere unterscheidet sich die Richtung des Sendestrahls, wenn er das Schiff verläßt, etwas von der des

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Empfangsstrahls. Die einfachste Lösung ist, einfach die Ortsänderung zu vernachlässigen, was gewöhnlich zu hinreichend genauen Ergebnissen führen wird. Wenn jedoch eine größere Genauigkeit erforderlich ist, kann die scheinbare Geschwindigkeit verwendet werden, um die Ortsänderung zu berechnen. Für eine noch höhere Genauigkeit kann dann die berechnete Geschwindigkeit verwendet werden, um eine verbesserte Ortsänderung zu erhalten, es ist aber sehr zweifelhaft, ob das noch notwendig ist.

In der vorangegangenen Beschreibung sind also der Aufbau, die Theorie und der Betrieb des akustischen Fächerstrahl-Dopplernavigationssystems und die mit ihm bei Gebrauch in tiefen Gewässern erzielten Vorteile angegeben worden. In den Ansprüchen soll durch die Bezugnahme auf die Verwendung der Frequenzdifferenz zwischen dem Sendestrahl und dem Empfangsstrahl (zum Beispiel bei Verwendung nur einer Strahlschnittstelle) nicht die Verwendung der Differenz zwischen den Empfangsfrequenzen direkt wie oben erläutert ausgeschlossen werden, da die Sendefrequenz wegfällt, wenn mehrere Strahlschnittstellen verwendet werden.

Patentansprüche

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Claims

12. November 1968 EH/St Meine Akte: G-2285

Patentansprüche

1. Geschwindigkeitsmeßsystem für Schiffe, mit einem Dopplersender und -empfänger, gekennze ichnet durch eine Wandlereinheit (16) zum Senden eines Fächerstrahls (SOR in Fig. 2; T,, T_; T-, T.) und eine Empfangswandleroder Hydrophoneinheit (18) zum Empfang eines Fächerstrahls (R,R ', R_R ', R-R-', R₄R₄ ¹), der in Richtung quer zu der des Sendestrahls fächerförmig verläuft und den Sendestrahl schneidet, wobei eine Schnittstelle (SN, SQ, SP, SM) der Fächerstrahlen unter einem Winkel zur Vertikalen angeordnet ist, der Empfänger (20 - 80) auf eine Dopplerfrequenzdifferenz ansprechbar und durch ihn die Schiffsgeschwindigkeit bestimmbar ist.

2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Anordnung von Sendewandlern (16), die nach vorn und nach achtern oder in Kielrichtung angeordnet sind, um einen Fächerstrahl (SOR; T,, T₇; T^,T₄) zu erzeugen, der querschiffs fächerförmig verläuft, und durch eine Anordnung von Hydrophonen (18 in Fig. 10, 19), die querschiffs angeordnet ist, um einen Empfangsfächerstrahl R₁R₁'/ ^R?^R2'' ^R3^R3'' ^R4^R4'^ zu erzeugen, der nach vorn oder nach achtern oder in Kielrichtung fächerförmig verläuft.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Fächerstrahlschnittstellen vorhanden sind, daß die eine Fächerstrahlschnittstelle (SM, SN) nach vorn zur Vertikalen zeigt, und daß die andere Fächerstrahlschnittstelle (SP, SQ) nach achtern zur Vertikalen zeigt, so daß durch den Empfänger (20 - 80) die Geschwindigkeit des Schiffs (S) in Vorder- und Achter- oder Kursrichtung bestimmbar ist.

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4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net , daß eine einzige Anordnung von Sendewandlern (16) nach vorn und achtern angeordnet ist, und daß eine Strahlsteuereinrichtung (16) der Sendeanordnung zugeordnet ist und eine Phasendifferenz zwischen den Wandlern in der Anordnung zum Steuern des Sendestrahls nach vorn (T, T_,· Fig. 9) und achtern (T₃T₄? Fig. 9) ausnutzt, um die gewünschten beiden Fächerstrahlschnittstellen zu ergeben.

5. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Fächerstrahlschnittstellen vorhanden sind, daß die eine Fächerstrahlschnittstelle (SN, SQ) von der Vertikalen weg in Steuerbordrichtung zeigt, und daß die andere Fächerstrahlschnittstelle (SM, SP) von der Vertikalen weg in Backbordrichtung zeigt, so daß durch den Empfänger (20 - 80) die Drift- oder Seitengeschwindigkeit des Schiffs (S) bestimmbar ist.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß eine einzige Anordnung von Hydrophonen (187 Fig. 10, 19) querschiffs angeordnet ist, daß eine Strahlsteuereinrichtung (207 Fig. 15) der Hydrophonanordnung zugeordnet ist und eine Phasendifferenz zwischen den Wandlern (Fig. 11) in der Anordnung (18? Fig. 10, 19) zum Steuern der Empfangsstrahlen nach Backbord (R₁R₁' 7 ^R ₂ ^R2 ' ^ ¹^^{10 steuer}" bord (R₀R₀'7 R„R„') benutzt, so daß die gewünschten beiden FächerstrahlSchnittstelieη malten werden, um die Drift- oder Seitengeschwindigkeit zu bestimmen.

7. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vier derartige Fächerstrahlschnittstellen vorhanden sind, daß die eine Schnittstelle (SH) von der Vertikalen weg in Vordersteuerbordrichtung zeigt, daß eine andere Schnittstelle (SM) von der Vertikalen weg in Vorderbackbordrichtung zeigt, daß eine andere Schnittstelle (SR) von der Vertikalen weg in Achterbackbordrichtung zeigt, und daß die vierte Schnittstelle (SQ) von der Vertikalen weg in Ächter-Steuerbordrichtung zeigt. 909833/0153

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8. System nach Anspruch 7, dadurch gekenn ze ichn e t , daß nur eine Anordnung von Sendewandlern (16) nach vorn und achtern angeordnet ist, daß eine Anordnung von Hydrophonen (18; Fig. 10, 19) querschiffs angeordnet ist, und daß eine Strahlsteuereinrichtung (16, 20; Fig. 11 - 18) jeder Anordnung zugeordnet ist und eine Phasendifferenz zwischen den Wandlern in der Anordnung zum Steuern des Sendestrahls nach vorn (T,T ) und achtern (T₃T₄) und zum Steuern des Empfangsstrahls nach Backbord (R..R ') und Steuerbord (R-R₄ ¹) benutzt, um die gewünschten vier Fächerstrahlenschnittstellen (SM, SN, SQ, SP) bei Verwendung von nur zwei Wandleranordnungen zu ergeben.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß ein kontinuierliches Signal gesendet wird, und daß eine Tasteinrichtung (12, 80; Fig. 5) vorhanden ist, die die Sendefrequenz zyklisch ändert, und daß der Empfänger eine Einrichtung (41 - 44) zur Auswahl der Empfangsfrequenzen, eine Einrichtung (31 - 34) zum Ausblenden der ausgewählten Frequenzen, um den Nachhall klein zu halten, und eine Einrichtung (51 - 54) hat, um diese in eine gemeinsame Frequenz zur Verwendung in Zählern (74 - 78) umzusetzen.

10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Sendeanordnung (16) eine eindimensionale oder lineare Anordnung ist, bei der aufeinanderfolgende Elemente mit abwechselnder Polarität an ein einziges Paar von Anschlüssen angeschlossen ist, um eine Ansprechverteilung mit zwei fächerförmigen Strahlen (T,T₂, T-T₄) zu erzeugen.

11. Dopplersystem nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Empfangsanordnung (18; Fig. 10, 19).eine zweidimensionale oder planare Anordnung mit 90 -Phasenabgleich ist, und daß alle Elemente an

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vier Anschlüsse und eins gemeinsame Rückleitung (Fig» 11? 15) angeschlossen sind, um dadurch Fächerstrahlen zum Schnitt mit den Sendefächerstrahlen zu ergeben.

12. System nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch g ekennzeichnet , daß die Empfangsanordnung (18; Fig. 10, 19) eine zweidimensional Anordnung ist, daß die Anordnungselemente in parallelen Linien nach vorn und achtern mit 120 -Phasendifferenz in Vorder- und Achterrichtung angeordnet sind, so daß alle Elemente auf jeder Vorder- und Achterlinie an nur drei Anschlüsse anschließbar sind»

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