DE1812643C3 - Schallecho-Doppler-Geschwindigkeitsmeßanordnung für Schiffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mit Schallwellen, insbesondere Ultraschallwellen, arbeitende Doppler-Geschwindigkeitsmeßanordnung für Schiffe mit mehreren von einem Sender gespeisten elektroakustischen Wandlern zum Aussenden von in mehreren Richtungen schräg nach unten verlaufenden Schallwellen und mit einem an entsprechend viele Hydrophone angeschlossenen Empfänger zum Empfang der dopplerfrequenzverschobenen Echowellen des Bodens und zum Bestimmen der Schiffsgeschwindigkeit durch Messung der Dopplerschen Frequenzverschiebung der Echowellen gegenüber den ausgesendeten Schallwellen, wobei die auszuwertende Echozone jeweils durch den Überlappungsbereich des Sendestrah's mit der Empfangscharakteristik (die im folgenden als Empfangsstrahl bezeichnet ist) definiert ist.

Die Grundprinzipien der Dopplernavigation sind bereits bekannt. Zur Schiffsnavigation werden einer oder mehrere schmale Schallstrahlerbündel auf den Meeresboden in Richtungen gerichtet, die einen größeren Winkel mit der Vertikalen bilden. Die Frequenzen der zurückreflektierten Signale, die für die einzelnen Strahlenbündel empfangen werden, werden gemessen und mit der Sendefrequenz oder untereinander verglichen. Die beobachtete Frequenzverschiebung gibt ein Maß für die Komponente der Schiffsbcwegung entlang jeder Strahlrichtung. Durch geeignete Wahl von Schallstrahlenbündeln 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 des Bodens ohne vorherige Vermessung. Eine akustische Doppler-Geschwindigkeitsmeßanordnung stellt eine genaue, in sich abgeschlossene Navigationseinrichtung dar, die besonders für Unterseeboote zweckmäßig ist. Für an der Oberfläche fahrende Schiffe ist die Anordnung unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen oder atmosphärischen Bedingungen.

Akustische Doppler-Navigationseinrichtungen 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 einige 10'-'m sind, sind die praktischen Schwierigkeiten bei der Erzeugung schmaler Streifen unter Unterdrückung von Dämpfung und Nachhall groß. In tiefen Gewässern arbeitende Doppler-Geschwindigkeitsmeßeinrichtungen benutzen gewöhnlich Signale, die drrch Teilchen im Wasser in der Nähe des Schiffes gestreut werden. Ein deraiiiges System mißt die Bewegung des Schiffs relativ zum Wasser anstatt zum Boden, wodurch Fehler infolge Oberflächenströmungen auftreten.

Um den Boden in tiefen Gewässern zu erreichen, müssen relativ niedrige Frequenzen von etwa 12 kHz und weniger verwendet werden. Bei höheren Frequenzen sind die Verluste to hoch, daß außerordentlich hohe Sendeleistungen erforderlich sind. Zusätzlich erfordert eine genaue Dopplcr-Navigation relativ schmale Schallstrahlcnbündel in: Gegensatz zu dem üblichen bodenbcschallendcn Sonar, und zur Erzeugung derartiger Schallstrahlen bei niedrigen Frequenzen große Wandler in der Größenordnung von I in. Das führt einerseits 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 üblichen Echolotsendern verwendet wird.

Eine weitere Schwierigkeit in tiefen Gewässern ist der Volumennachhall. Das Signal vom Boden kann viel schwächer als das durch Stieuung durch Teilchen

ίο im Wasser erzeugte Signal sein. Beim Echoloten wird diese Schwierigkeit durch Verwendung kurzer Impulse überwunden und erforderlichenfalls durch Ausblenden von Rückläufern von der Tiefenstreuschicht, wo der Volumenhall besonders stark ist. Das ist bei einer Doppler-Geschwindigkeitsmeßanordnung nicht ohne weiteres möglich, da eine genaue Navigation eine sehr genaue Messung der Frequenz des Rücklaufsignals erfordert, was nur mit langen Impulsen oder vorzugsweise durch kontinuierlichen Empfang vorgenommen werden kann.

Aus der USA.-Patentschrift 3 257 638 ist eine mit Ultraschall arbeilende Doppler-Navigationsanordnung für Schiffe bekannt, bei der mehrere, auf verschiedenen Seiten des Kiels des Schiffes angebrachte Sende- und Empfangswandler verwendet sind, mittels denen in mehrere Richtungen, vorzugsweise kielparallel oder querschiffs nach unten verlaufende schmale Strahlenbündel von Ultraschallenergie gesendet bzw. empfangen werden, woraus die Geschwindigkeit

des Schiffs bestimmt werden kann. Weiterhin ist es bekannt, zur Vermessung des Meeresbodens rechtwinklig zueinander verlaufende fächerförmige Sende- und Empfangsstrahlen bei mit Ultraschall arbeitenden Einrichtungen zu verwenden, was im folgenden

noch im einzelnen an Hand der Fi g. 1 erläutert wird. Aus der deutschen Auslegeschrift 1 076 757 ist ein Navigationsradargerät für Flugzeuge bekannt, bei welchem die Dopplereffekte, mit denen die Bodenechos behaftet sind, zur Messung der Horizontaigeschwindigkeit und der Abtrift des Flugzeugs ausgenützt werden. Um die am Boden angestrahlte Fläche möglichst klein zu machen, werden Höchstfrequen/-wellen im Zentimeterwellenbereich verwendet, da hierdurch die Energie in einem Bündel mit sehr gcringein öffnungswinkel konzentriert werden kann. Hierbei werden die Strahlenbündel elektromagnetischer Energie, die Fächerform aufweisen, alsHöcbstfrequenzimpulse so abgestrahlt, daß Hyperbelbogen bzw. Winkel für genaue Meßzwecke ausreichend bemessen sind.

Gemäß der Erfindung ist eine mit Schallwellen, insbesondere Ultraschallwellen, arbeitende Doppler-Geschwindigkeitsmeßanordnung für Schiffe der eingangs beschriebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß die elektroakustischen Wandler in an sich bekannter Weise so ausgebildet sind, daß die Sendestrahlcn Fächerform aufweisen, und daß in an sich bekannter Weise die Hydrophone so ausgebildet sind, daß die Empfangscharakterisiiken die Form eines quer zu

6r der Richtung des Fächers des betreffenden Sendcstrahls verlaufenden und diesen schneidenden Fächers aufweisen.

Vorzugsweise sind die Sendewandler kielparallel bzw. die Hydrophone querschiffs so angeordnet, daß der Sendefächerstrahl querschiffs bzw. die Empfangsfächercharakteristik etwa kiclparallel verläuft. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung zeigt eine der Fädicrschnittstellen nach vorn bzw. in Backbord-

richtung und die andere der Fächerschnittstellen nach achtern bzw. in Stcucrbordrichtung, so daß durch den Empfänger die Geschwindigkeit des Schiffs in Kursrichtung bestimmbar ist.

Für die zwei Fächerschnittsteüen braucht nur eine einzige gemeinsame Anordnung von Sendewandlern bzw. Hydrophonen und eine entsprechende Steuereinrichtung für die Wandler- bzw. Hydrophonanordnung vorgesehvi. zu sein, die eine Umschaltung der Phasendifferenzcn zwischen den Sendcwandlern bzw. Hydrophonen zum abwechselnden Steuern des Sonde Strahls bzw. der Empfangscharakteristik nach vorn und achtern bzw. nach Backbord oder Steuc^rbord vornimmt. Zur Bestimmung der Kurs- und der Abtriftgeschwindigkeit eines Schiffes kann je eine der Fächerschnittstellen in Backbord- und Steuerbordrichtung voraus sowie in Backbord- und in Steuerbordrichtung nach achtern zeigen.

Hierbei sind gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung für die vier Fächerschnittstcllen nur eine einzige gemeinsame Anordnung von Sendewandlern und von Hydrophonen vorgesehen, jeder dieser Anordnungen ist eine Strahl- bzw. Charakteristiksteuereinrichtung zugeordnet, die eine Umschaltung der Phasendifferenz zwischen den Sendewandlern bzw. den Hydrophonen zum abwechselnden Steuern des Scndestrahls von vorn und achtern bzw. der Empfangscharakteristik nach Backbord und Steuerbord derart vornehmen, daß die -gewünschten vier Fächcrschniitstellen sich aufeinanderfolgend ergeben.

Im Gegenb^U zu ircholoi- o-ici Sonarsysteiuci, be: ucr.^r. kurze Impulse verwendet werden, iind in einer Doppler-GeschwindigkeitsmeßLinorcuiung vorzugsweise lange Impulse verwendet; am besten ist es. wenn kontinuierlich gesendet wird. In tiefen Gewässern kann jedoch der Nachhall das gewünschte Signal, das vom Boden reflektiert wird, überschreiten. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, wird bei einer Ausführungsform der Erfindung ein Ausblenden vorgenommen, das seinerseits Impulse erfordert, die in vorteilhafter Weise mit dem kontinuierlichen Senden kombiniert werden, um dadurch die Sendefrequenz zyklisch zu ändern. In dem Empfänger werden dann mittels Filter die empfangenen Frequenzen ausgewählt, getrennt sowie ausgeblendet, um dadurch die Wirkung des Nachhalls klein zu halten. In nachgcschalteten Zwischenverstärkern können die verschiedenen Frequenzen dann in eine gemeinsame Frequenz für die Zähler im Empfänger umgesetzt werden.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.

Es zeigt

Fi g. 1 die bevorzugte Verwendung von vier Schall-Strahlen,

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

Fig. 3 ein Dopplcrsystcm mit einer geneigten Fächerstrahlschniltstelle,

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,

F i g. 7 eine Erläuterung des Betriebs der Sendcanordnung,

F i g. 8 eine Erläuterung des Betriebs des Empfiin gcrs,

F i g. 9 die Strahlungsvcrteilung der Scnderstrahlcn, Fig. 10 eine schematiche Aufsicht auf die Hydroplion- oder E;mpfängeranordnung,

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 ίο vier Dopplerstrahlen.

F ι g. 14 ein System, das Echotiefcnloten zusätzlich zu der Dopplcrgcschwindigkcitsmcssung vernimmt,

Fig. 15 entsprechend dem Feld 20 in Fig. 5, wie das Anordnungsausgangssignal behandelt wird, um vier Ausgangsstrahlkanäle zu erhalten,

Fig. 16 eine Erläuterung einer Phascnahgieichschaltung iür einen der vier Strahlen,

Fig. 17 die Hydrophonverbindungen bei eine! besonderen Polarisation der Wandler,
ao Fig. 18 den Kabelanschluß an die Hydrophoneinheiten,

Fig. 19 die Kabelanschlüsse an aen Hydrophonen, F i g. 20 die Auswahl der Tastimpulslänge,

Fig. 21 die gegenseitige Impiilslage bei Verwendung von vier Frequenzen,

F i p.. 22 diagonal entgegengesetzte Strahlen, die unter einem Winkel von 45 zur Vertikalen angeordnet sind,

Fig. 23 das Dopplcrsystem auf einem Schill, davon einem Punkt /1 zu einem Punkt B fährt.

Fig. 24 die Strahlformcngeomelric'mit Wandlet ί. die um einen Abstand b getrennt sind.

Fig. 25 einen Teil von Fig. 5. nämlich J ic Einrichtung zur Verarbeitung eines Enipfanesstrahikana's.

Fig. 26 einen Teil von Fig. 5, näiiilich .!ic Behandlung NOn vier Fächcrstrahlauseaiinssiiznalcn. un;<

Fig. 27 die Verwendung zweier entgegengesetzt polarisierter Typen von Hydrophonen.
Fig. 1 zeigt Jie Verteilung von vier Schal'lstrahlcn SM, SN, SP und SQ für eine Doppler-Geschwindigkeitsmeßanordnung. Diese vier Strahlen treffen auf den Meeresboden an Punkten Λί, N. P und O. wobei M und N vor dem Schiff 5 und P und Q achter;: liegen. Es können auch weniger als vier Strahle;; verwendet werden; das hier erläuterte Ausfiihningsbeispiel mit vier Strahlen hat jedoch praktische Vorteile. Die Frequenzdilierenz /_v - j₀ zwischen ,V und Q erlaubt die Bestimmung der Schiffsgeschwindigkeit in Kursrichtung. Ahnlich gibt die Frequenzd'fTerenz /_M /_v die Querbahnkomponente oder Drift. Die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung in Kursrichtung wird durch Verwendung der kombinierten FrequenzdifFerenz 1_M -'- /_v - /,, — /₍, an Stelle sr ■ entweder /₁₍ -- f_f> oder j_N — /_c> allein erhöht.

Das bekannte Verfahren, um die Verteilung vor Fin. 1 zu erhalten, besteht im Senden von vier schmalen oder Suchstrahlcn mit Achsen in den ausgewählten Richtungen. Die Energie in jedem Strahl ist danr gewissermaßen auf eine schmaleBIcistiftformbegrenzt wobei keiner der Strahlen von der genannten Achse um mehr als einen kleinen Winkel divergiert. Vici Empfangsstrahlen können durch den gleichen odei einen ähnlichen Wandler erzeugt werden, so daß die vier Empfänger nur auf Energie von den Bodenauf treffstellen M, N, P und Q ansprechen. Diese Strahl anordnung ist besonders für hohe Frequenzen unc kurze Reichweiten geeignet, wo die Wandler kleir

»ein 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 kreisförmigen Wandler mit einem Durchmesser von etwa 4 m. Da mindestens drei Strahlen für ein praktisches Dopplcrsystem 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 tu 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 etwa 165 m reflektiert wird, wobei die Hin- und Rücklaufzeit nur ao 0.25 see beträgt. Bei einer Entfernung von etwa 3300 m. wobei das Zeitintervall 5 see beträgt, ist jedoch der Emofangsstrahl nicht auf die beschallte Bodenfläche gerichtet, außer bei sorgfältiger Stabilisierung. Die Anforderung für sehr große Wandler und eine genaue Stabilisierung machen die Verwendung von Schmalstrahlcn in tiefen Gewässern unpraktisch. Diese Schwierigkeiten werden gemäß der Erfindung durch die Verwendung von gekreuzten Fächcrstrahlcn gemäß F i g. 2 überwunden. In F i g. 2 ist das Verfahren zum Erhalten eines Signals von einem Punkt abgebildet, der einer nur der vier AuftrclT-punktc wie der Punkt/V in Tig. 1 sein kann. Der Sender beschallt einen langen schmalen Streifen OR durch einen Fächerstrahl SOR. Ein Empfangsfächcrstrahl schneidet diesen unter rechten Winkeln, um den Auftreffpunkt ,V 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 Scndcanordnung 13 em breit und 4,20 m lang für einen 2 ' breiten Fächerstrahl bei 11 kHz sein. Die Empfangsanordnung kann die gleiche Länge haben, während, wie noch erläutert werden soll, die Breite auf etwa 50 cm erhöht ist, um eine bessere Unterscheidung zwischen Vorder- und Achterstrahl zu erreichen. Diese Wandleranordnungen können auf tien 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 Längsechse 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 Oucrsehiffsvertikalebene 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 eine einzige Empfangsanordnung verwendet werden, um Signale von allen vier Bodenauflreffpunktcn zu verarbeiten, da die Fächcrstrahlen 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 besieht in dem Einfluß der Schiffsbewegung auf die Dopplerfrequenz. Bezüglich des ersten Problems ist darauf hinzuweisen, daß die gekreuzten Fächersirahlen 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 Dopplerfrcquenzcn, 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 eine Dopplcr-Geschwindigkeitsmeßanordnung 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 Fächcrslrahlcn verwendet werden, die Eigenschaft haben, daß für mäßige Bandbreiten die beobachtete Dopplervcrschiebung unabhängig von der Sendcfrcquen/. und der Schallgeschwindigkeit ist, ausgenommen einige Korrekturen zweite Ordnung, die mit Änderungen der Schiffslagc zusammenhangen. Das steht im Gegensatz zu üblichen Systemen, bei denen die Schallgeschwindigkeit kritisch ist und sorgfältig gemessen werden muß. und wobei außerdem jede Änderung der Sendefrequenz die gleiche prozentuale Ändcrunc in der Dopplerfrequenz mit sich bringt.

Gekreuzte Schallfä'chcrstrahlen sind bereits für sehr verschiedene Zwecke verwendet worden, beispielsweise zur Oberflächcnvermcssung des Bodens (US A.Patentschriften 3 144 631 und 3 296 579). Sie sind bisher jedoch weder in der hier gezeigten Weise noch in einem Schallecho-Dopplersystem für Schiffs-Geschwindigkcitsmcssung verwendet worden.

Gemäß F i g. 3 bewegt sich ein Schiff S mit einet Geschwindigkeit V und sendet ein Signal mit einei Frequenz /„, das an einem Punkt Γ am Boden rückgestreut wird und auf einer Bahn r zu einem Empfänger i' zurückkehrt, der eine Frequenz/_r mißt. Die Differenz.

I = U-U (1)

ist die Dopplerfrequenzverschicbung.

Die Hin- und Rücklaufphasenverschiebung de Signals beträgt

2(2.11·/;.)

(2)

wobei λ die Wellenlänge ist. Die Dopplerkreisfre qucnzf!) == 2π/ ist gleich der zeitlichen Änderun der Phasenverschiebung, so daß gilt

/ = 2 (dr/dr)/*

(3)

Da aber die Entfernungsänderung

Ähnlich wird

beträgt, wird

or/dt = Kcos ο
/= 2 (F/;.) cos σ

wobei η der Winkel zwischen der Schiffsbahn und der Richtung des Signals ist.

In Vektorschreibweise kann das folgendermaßen geschrieben werden:

wobei F der Schiffsgeschwindigkeitsvektor und u der Einheitsvektor der Strahlachse ist. Die Dopplerverschiebung / ist daher ein Maß für die Komponente der Schiffsgeschwindigkeit in der Strahlrichtung.

Es soll jetzt F i g. 4 betrachtet werden. Angenommen, zwei Strahlen breiten sich entlang Richtungen «, und ü„ aus. Die Frequcnzdifferenz der beiden Strahlen betragt offensichtlich

/„ = 2F-(/v, -M₂

(7)

Wenn die beiden Strahlen in der gleichen Ebene wie eine der Schiffsachsen ν liegen, und wenn sie einen gemeinsamen Winkel B mit entgegengesetzter Achsenrichtung bilden, dann ist (Z₁ — Ti., entlang der Achse .v. Wenn ν ein Einheitsvektor ist, dann ist M₁ = H₂ gleich 2.v cos B, so daß sich ergibt

U = 4 (F ■ S) (cos B)IX

(8)

wobei B ein konstanter Winkel ist, der unabhängig vcr·. der SchilTslage ist. Hier ist F ■ "s die Komponente der Geschwindigkeit auf der Schiffsachse. Ein Vergleich mit Gleichung (6) zeigt, daß ein einziger Strahl (wie in F i g. 3) die Komponente der Geschwindigkeit ::;!f der Sirahlachse mißt, während zwei Strahlen (wie in F i g. 4) direkt die Geschwindigkeitskomponente auf einer ausgewählten Schiffsachse (nur multipliziert mit 2 cos B) ergeben.

Es soll darauf hingewiesen werden, daß die beiden Strahlen, die zum Messen der Geschwindiqkeitskomponcntc längsschiffs (in Kielrichtung) verwendet werden, jeden üblichen gemeinsamen Winkel querschiiTs 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 Stcuerbordrichtung der Querschiffachse bilden, eine Frequenz, die proportional zur Komponente der Schiffsgeschwindigkeit in der QucrschifTs- oder Driftrichtung ist.

Wie oben beschrieben, kann die Frequenzdiffercnz von einem Paar von Strahlen M und P oder N und Q in F i g. 1 verwendet werden, um die Geschwindigkeitskomponente in Kielrichtung zu ergeben. Diese werden vorzugsweise kombiniert, um die Frequenz

= /«- fp +-fs - fo

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

fa = fs

(10)

für die Querschiffskomponente in der Steuerbordrichtung (wiederum mit 4 multipliziert) verwendet, auch hier stellen f_M, /,_v, //> und /,, die Frequenzen dar, die durch die vier Strahlen in F i g. I empfangen weiden. Es ist aus dieser Figur ersichtlich, daß der ίο Vektor M₁ + Tt., + M₃ + M₄, der die Summe der Richtungen der vier Strahlen darstellt, in Richtungen senkrecht zur Schiffsdeckebene verläuft.

Daher mißt die Frequenz

fn = - (Zm + fs + fr + 1q) (H)

die Komponente der Geschwindigkeit in Hoch- und Tiefrichtung, d. h. senkrecht zur Deckebene. Diese

ao Komponente ist wertvoll, da sie das Trimmen und, oder die Schlagsei'e des Schiffs betrifft: außerdem kann sie auch für tauchfähige Schiffe vor Wert sein. In Gleichung (5) tritt der Faktor 2 wegen lies Hin- und Rücklaufs mit einer Frequenzverschiebung in je-

a5 der Richtung auf. Für zwei Strahlen kann die Frequenzdifferenz f_d, die durch Gleichung (S) gegeben ist, auch geschrieben werden als

/</ = 4(F/;.) (cos E) (cos B)

wobei /^r der Winkel zwischen der Geschwindigkeit V und der entsprechenden 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 F i g. 4, wo die Achse mit ϊ bezeichnet ist.

Für vier Strahlen, falls die Frequenz

is -"" /μ + fs ~- fr * A>

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

verknüpft, da sie im wesentlichen die Summe der beiden Frequenzen ähnlich j_a ist.

F i g. 5 zeigt die wesentlichen Komponenten der Doppler-Geschwindigkeitsmcßanordnung gemäß der Hrlindung für tiefe Gewässer. Um einen kontinuierlichen Empfang ohne Interferenz durch Volumennachhall zu erreichen, nimmt der Sender ein Frequcnzvcrschiebungstiistcn 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 Volumennachhall gering ist.

Der Signalfluß beginnt mit den vier Oszillatorer F₁, F₂, F₃ und F₄. Diese werden so getastet, daß da:

Senden zyklisch für jede Frequenz nacheinander vor genommen wird. Die Tastgeschwindigkeit ist durcr einen Rechner 80 auf der Grundlage der Tiefen- ode Meßcntfernungsinformation bestimmt. Gemäß F i g. i

kann diese Information in den Rechner 80 von einem Hilfstiefenecholat 81 eingegeben werden. Wenn das Doppler-Navigationssystem Teil eines Bodenvermessungssystems ist oder mit diesem kombiniert ist, kann die notwendige Information von dieser (Juelle erhalten werden. Eine dritte Möglichkeit besteht in der Bestimmung der Meßentfernungen durch Beobachtung der Eintreffzeit der Vorderkante jeder Frequenzkomponente in den Dopplerempfängern.

Das Ausgangssignal des Frequenztasters 12 ist ein to kontinuierliches Wechselstromsignal variabler Frequenz. Dieses wird durch den Sender 14 verstärkt und in die Sendewandleranordnung 16 eingespeist, die den ^endeschallstrahl 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 Strahlformverstiirker 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 Dopplercmpfänger verarbeitet. Die Signale werden zuerst in vier Hf-Verslärkern 22M bis 22Q verstärkt, und zwar in jeweils einem für jeden Strahl. Das Ausgangssignal jedes der vier Hf-Verstärker wird den Eingängen von vier (oder gewünschtenfalls drei oder fünf usw.) 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 F i g. 5 abgebildet. Die erste Stufe jedes dieser Kanäle ist ein Steuerglied 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 eingeschaltet wird, um den Empfang zu erlauben. Den Steuergliedcrn 31 bis 34 schließen sich Filter 41 bis 44 an, um die vier Frequenzbänder zu isolieren, sowie Mischer 51 bis 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 Vert L verschoben, um das algebraische Vorzeichen der Dopplerverschiebung beizubehalten. Der Michcr 51 im Frequerizkanal Nummer 1 mischt das Empfangssignal mit einem Bezugssignal, das durch Überlagern des Überlagerungsoszillators L mit der Sendefrequcnz F₁ entsteht. Das Bezugssignal für den Mischer Nummer 2 wird vom Überlagerungsoszillator L und der Sendefrequenz F₂ abgeleitet usw. Die horizontalen Strichlinien in der Mitte von F i g. 5 stellen die weggelassenen zehn zusätzlichen Stcucrglieder, Filter und Frequenzumsetzmischer dar.

Nach dem Kombinieren der Ausganssignale von den vier Frequenzkanälen für jeden Strahl werden die Signale von den vier Strahlen durch ZF-Verstärker70M bis 70(2 verarbeitet und in Rechteckschaltungen 72M bis 72Q rechteckig gemacht, um eine Foige von Standardimpulsen zu bilden, die mit einer Frequenz L + f wiederkehren, wobei L die Überlagerungsoszillatorfrequenz ist, die allen vier Strahlen gemeinsam ist, und / die Dopplerfrequenzverschiebung für diesen Strahl ist. Die Impulse werden durch DifTcrenzzählcr 74, 76 und 78 verarbeitet, um die drei gewünschten Ausgangsfrequenzen /_s) f_a und /„ entsprechend Gleichungen (9) bis (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). Ausgangsimpulsc von dem /,,-Zähler treten z. B. mit einer Frequenz /_s an dem positiven oder negativen Anschluß auf, je nachdem, ob /_s positiv oder negativ ist (für Geschwindigkeit nach vorn oder achtern). Die durch den Rechner 80 verwendete Gleichung zur Bestimmung der gefahrenen Strecke, z. B. in Ostrichtung seit dem Zeitpunkt t = 0, als ein Anfangsbesteck aufgemacht wurde, bis zum gegenwärtigen Zeitpunk t = T, lautet

TTT

E= fAfadt+ fSfsdi+ fNfndr, (12) aod

wobei jeder der Koeffizienten A, S und N von allen drei Lagevariablen abhängt, nämlich dem Rollwinkel, dem Stampfwinkel 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 /„-Kanals feststellt, addiert er den Stromwert von A zum Strom E. Wenn ein Impuls im negativen /_a-Kanal auftritt, subtrahiert er A von E. In gleicher Weise wird ein Wert S oder N zu E addiert bzw. davon subtrahiert, wenn Impulse in den /_s- und /„-Kanälen auftreten.

Eine ähnliche Gleichung mit anderen Koeffizienten A'. S' und N' 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 mii einer Genauigkeit von mindestens 0,18 km/h un«. vorzugsweise besser zu messen, sollte die Frequenz mit einer Genauigkeit von größenordnungsmäßit 0,1 Hz gemessen werden. Wenn ein gepulstes System verwendet werden sollte, würde das Impulslängen von einigen see erfordern, was die Fahrzei bei mäßigen Tiefen überschreiten würde. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung arbeitet daher vorzugsweise in kontinuierlichem Sendebetrieb.

Die meisten Schwierigkeiten in einem Dopplernavigator sind durch die Abhängigkeit vom Strahl winkel bedingt. Da der Winkclfehler mit der Strahl breite ansteigt, ist es wichtig, die Strahlen möglichs schmal zu machen und sie unter großen Winkeln zu Vertikalen auszurichten. Vorzugsweise werden di< Strahlen nicht mehr als 45° zur Vertikalen nacr

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außen gerichtet, da der Entfernungsbereich schnell mit größeren Winkeln ansteigt und die Rückstreuleistung des Bodens schnell bei kleinen Auftreffwinkeln abfällt. Die Zv-Ülingsstrahltechnik hat den Vorteü, daß die Ausgangsgenauigkeit viel weniger von den Lageparametern, nämlich Rollwinkel und Stampfwinkel, abhängt, die vom Kreiselkompaß geliefert werden.

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

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 Vertei.ung Jcs Strahlsystems gemäß der Erfindung, das «^rien ebenen Meeresboden schneidet, v.enn das Schiff waagerecht liegt und sich direkt über dem Punkt O befindet. Wenn die Sendeanordnung parallel zu OY vciläuft, wird ein Fächerstrahl nach vorn um 30° ausgestrahlt, um den Boden entlang einer Linie T₁T., zu schneiden oder zu beschallen, und ein zweiter Sendestrahl wird nach achtern ausgestrahlt, um den Boden entlang einer Linie T₃T₁^ zu beschallen. Wenn die Empfangsanordnung parallel zur Linie OX liegt, werden ähnlich Empfangsstrahlen erzeugt, deren Schnittstellen auf gekrümmten linien R₁R'., und R₃R'4 liegen. Die effektive Richtungsgenauigkeit ist durch die Dicke der Fächer bestimmt.

Alle diese Strahlen werden gleichmäßig unter Ver-Wendung 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 M, N, P und Q des Bodens zurückgestreut oder reflektiert ist. Die gleichzeitigen Empfangsstrahlen werden diml· ine noch zu beschreibende Technik erzeugt. Als midistes soll die Dual-Sendestrahltechnik beschrieben werden.

Bei einer typischen Anwendung einer elektronisehen Strahlsteuerung hat eine Wandlcranordnung einen Satz von gleichen Wandlerclementen, die auf einer Linie mit konstantem Mittcn-Mitten-Abstand b angeordnet sind. Die gesendete (oder empfangene) Schallenergie nimmt ein schmales Frc.ji.cnzband mit einer Wellenlänge /. im Wasser ein. liine deutliche Pliascnverschicbung wird in der elektrischen Schaltung erzeugt, die an jedes Element angeschlossen ist. so daß die Phase um einen konstanten Wert <1> von einem Element zum nächsten ansteigt. Die Phase des Elements Nummer μ beträgt daher η Φ oder eine Konstante plus η Φ. Der Winkel/? /wischen der Achse der Anordnung und irgendeinem Strahl im konischen Fächerstrahl ist gegeben durch

cosß = Φλ/2πο

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

_{wobei ferner}

μ — 90° — B
_ ,

(14)
\ )

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

b <//(l + sin μ_ζ)

(16)

zu erfüllen, d. h. kleiner als irgendein Wert zwischen halber und ganzer Wellenlänge zu sein, was von dem Betrag μ_χ des maximal zu verwendenden Steuerw;;
kels/< (u_x > 0) abhängt. Es würde dann ein einzige; Fächerstrahl vorhanden sein, der die Richtung maximalen Sendens oder Empfangs der Schallenergie darstellt. In diesem System werden jedoch gleichzeitig zwei Sendefächcrstrahlen erzeugt, die unter gleichem Winkel nach vorn und achtern gesteuert sind. Das wird erreicht, indem Φ gleich .-/ pesetzt und für den Abstand b ein Wert gewählt ^i: J. der größer als //(1 -r sin μ_χ) ist. Das führt /u Du<iistmhlcr. ■· ;'.er einem Winkel ± μ, wobei sich μ entSprechern! Gleichung (15) zu

sin// = )J2b

(17)

berechnet. P^;ese Wahl von Φ ist besonders zweckmäßig, da sie einfach durch Verbinden aller vVandlerelemcntc in Parallelschaltung, aber mit i>m<:ckehrter Polarität bei abwechselnden Elementen, erreicht wird.

Folgende Parameterwerte können beispielsweise verwendet werden:

Scidefrcquenz /₀ = 10 700 Hz

Schallgeschwindigkeit in Wasser C = 1472 m sek

Wellenlänge χ = 14 cm

StcuL-rwinkel μ — 28°

Elementabstand O = 14,87 cm

entsprechend Gleichung (17).

Um die Strahlungsvcrteilung genauer anzugeben, müssen bestimmte Winkel wie in Fig. 7jjnd 8 definiert werden. Hier bedeutet der Vektor u die Richtung des interessiercP'On Schallstrahls, entweder des gesendeten oder des empfangenen. (In letzterem Fall ist der Richtungssin:i von Ti umgekehrt zu dem der Ausbreitungsrichtung.) Die Winkel A, B und C sind die Winkel Ti zwischen der X-, Y- bzw. Z-Achse, wobei die .Y-Achse querschiffs entlang der Achse der Empfangsanordnung und die V-Achsc liingsschüfs (in Kielrichtungi und entlang der Achse ck; Sendcanordnung verläuil. Die Winkel (-) und //. iK Komplemente der Winkel A und B, sind die Winkel, die durch Tt mit der YZ- bzw. Ä'Z-Ebene gebildet werden. Die Werte von W und//, wenn//in Richtung maximaler Ansprechbarkeit liegt, sind die Wuerwinkel in den beiden Richtungen.

F i g. 7 betrifft die Scndcanordnung. Hier hat dei

15 ^W 16

Fächerstrahl Richtungen Ti, die auf einer Kegelfläche Die eben beschriebene Sendeslrahlverteilung hat

liegen, derenAchse auf der K-Achse liegt, d.h. Rieh- zwei Hauptkeulen, die voraus und nach achtern ge-

tungen von u, für die B einen gewissen konstanten richtet sind, und wird für die Doppler-Navigations-Wert 90' —//„ hat, wobei//₍₎ der Steuerwinkel ist. Es ist vorrichtung verwendet. Wenn außerdem die gleiche

daher zweckmäßig, verschiedene Strahlen innerhalb 5 Sendeanordnung als Teil einer Tiefenecholot- oder

des Fächers durch den Drehwinkel τ zu unterschei- Bodenvermessungsvorrichtung verwendet werden

den, der der Winkel zwischen zwei Ebenen durch die soll, ist eine zweite Sendekanal- und Schalkinrich-

y-Achse ist, wobei die une u und die andere die tung vorhanden, so daß in Intervallen ein kurzer Im-

vertikale Richtung ζ enthält. In Fig. 8 haben für puls hoher Energie der Anordnung zugeführt wird,

den Empfänger alle Symbole die gleiche Bedeutung io wobei alle Elemente mit der gleichen Polarität anstatt

wie in Fig. 7. F ig. 8 ist aber trotzdem gezeichnet abwechselnder Polarität für aufeinanderfolgende EIe-

worden, um den Steuerwinkel H und den Dreh- meine verbunden sind. Das erzeugt einen einzigen

winkel n (anstatt μ und τ) zu erläutern, die verwen- Fächerstrahl, der in der Vertikalquerschiffebene liegt

det werden können, um einen Empfangsfächerstrahl und den Boden entlang der Linie XOX in Fi g. 6 be-

zu beschreiben, der auf einer Kegeltlächc mit der 15 schallt. Die er'.iolotstrahlerzeugende Schaltung kann

Achse auf der .Y-Achse liegt. ferner verfeinert werden, um sie z. B. gegen ein

Es ist erkannt worden, daß für einen Strahl, der Stampfen zu stabilisieren (vgl. zum Beispiel USA-

unter dem gleichen Winkel θ = μ = 28^L in beiden Patentschrift 3 144 631).

Richtungen ausgestrahlt wird, die Drehwinkel den Wie bereits erwähnt wurde, ist die Sendefächergemeinsamen Wert τ - )/ = 32,1 - haben und die 20 strahlbreite so auseelegt, daß sie 60° in Querschiff-Ncigung zur Vertikalen C = 41,6° beträgt. richtung übertrifftrunfdas Rollen zu kompensieren

{"ig. 9 zeigt näherungsweise die Strahlungsvertei- und die erforderliche Breite der Wandler zu verrin-

lunj der Scndestrahlen. D.o obere Kurve zeigt die gern. Bei Verwendung auf e_:ncm Schiff, dessen RoI-

Slrahlungsinter.shäi entlang entweder der Streö.e Jen als klein zu erwarten ist, kann es jedoch vorteil-

7' T₂ oder 7".₍7'₄ von Fig. 6 als Funktion des Dreh- 25 haft sein, den Fächer, der durch die Strecke T₁ T., in

winkeis 7 um die Y-Achse. Die untere Kurve in Fig. 6 angedeutet ist. in zwei kleinere Keulen auf-

F ig. 9 zeigt die Intensität des Sendestrahls entweder zuspalten. die die Mitte .V/ bzw. ,V haben, um die

entlang R₁R./ oder Κ.,Κ/ als Funktion von f. Die Energie im Bereich der F.mpfangsstrahlen zu kon/en-

Spil.cn sind die. Seim nstellei! der Fächerstrahlen, triercn. Ähnlich kann 7",7~₄ ;ί zwei Keulen mit den

Die Seiidevcrk-ilung besteht aus Strahlen, die sehr 30 Mitten P bzw. Q aufgespalten werden. Das kann er-'..:sr.:·! in Yordet- und Achterrichtung sind, um eine reicht werden, indem Elemente der Aneignung IVmliohe Genauigkeit ivi der Messung der Längsbahn- zugefügt werien. um sie in QuerschifTsrichlung zu komponente dc; Schiffsgeschwindigkeit zu erreichen. verbreitein. An Stelle einer einzigen Reihe parallel \i Scndestrahlen sind breit und in der Qin.. bahn- zum Kiel sind dann zwei oder mehr derartiger Reihen rk llung, erstens, weil ..ine schmale Wandleranord- 35 vorhanden. Benachbaite Elemente in jeder Reihe nung aus /weckmäßigkeits- um! wirtschaftlichen werden dann in entgegengesetzter Polarität ver-Cnvüiden verwendet v. inl. und zweitens, um Roll- drahtet, und alle Elemente werden an einen gcmein- und Steucrkursändcrungen /.1.1 kompensieren, a.is als samen Kanal angeschlossen. Das führt zu einer zweifachstes beschrieben weriL-n soll, dimcnsionalen Anordnung von Wandlerelementen.

Wenn das Schifi rollt, dreht es sich led'^lich um 40 die gleichmäßig auf einem rechUvkicen Gitter verctwa die Achse dct Scndeanordnung. si daß der «eilt sind. Die FulariUii der elckinseheri Anschlüsse Vächcr weiter den Boden entlang der gleichen, aber iitcrniert entlant; beider Achsen de-. Giuers. so it.iß ausgedehnten Strecken T₁T₁' und 1',,T₁₁' in F i g. f> das Polaritätsschcma ein schachbrettartiges Muster schneidet. i^:.s wird jedoch eine· bestimmte Keule ist. wobei die roten Felder die eine Polarität und die wie TJ.,, abgebildet "l Vollinie. enth·..g der Strecke 45 schwarzen Felder nie andere Polarität bedeuten. T₁T1' nach Back- oder Steuerhon' verschoben, wie Wenn die Elemente so von einer gemeinsamen durch Strichlinicnverläiuvrungcn angedeutet ist. Quelle angesteuert werden, hat die Sendeansprech-Wcnn eine Änderung im Rolhvinkel zwischen Senden verteilung vier identische Strahlen, deren Projektion und Empfangen auftritt, wird diese Keule seitlich zu auf die Ebene der Anordnung entlang den \ ier Diagodci Empfangsstrecke RJi.,' verschoben, aber sie 50 nairichtungen verläuft. Gewöhnlich wird es vorzuschneiden sich weiter. ziehen sein, die Ouer^chitfsabmessuiK der Anord-

Es nm) jetzt eiiv Konstruktion für Rolhvinkel bis nung klein im Vergleich /v der Vorder- und Achter-

^; IV angenommen werden. Dnv bedeutet, daß der abmessung zu halten, und zwar aus Wirtschaftlich-

isciiilcstrahl sich bis zu 30 gegenüber den': l^:mp- keitsuründer. und um zu gewährleisten, daß die vier

fangsslrahl zwischen Senden und Empfangen drehen 55 Strahlen jeweils fächerförmig sind,

kann. Daher muß die Fächcibestrahlung sich über Der Sendcstrahl dient zum Beschallen 'vstimmk"

dem Bereich 32,l^{c ;} 30^: oder \on 2,1 bis 62.1 an Flächen des Bodens, und die beiden beulen des

jeder Seile erstrecken, was im wesentlichen einer Sendestrahis können durch einen gemeinsamen Osz.il

Fächerbreite von (S2.1 b.s ■ f>2,l cntspi:. ir.. ialor T/eugt werili-n. Das Γπ;pfangs:-.\s'ein muß je-

In der ^-Rie'iuing wnd eine Strahlbreite μ : Hei- 60 d-.i.-h die 1-neiLMc ·>οη jedem der vier Hodenpimktc

Ipiclswcise 1 . gemessen bei halbci l.cisli!".g ( .■ .ili). i^olictcn und .1. \ier getrenn'en \iiⁱi7ani.'ssctialtun-

tcrwende;.. Eine gleichmäßige Anordnung wäre dann .._L-n 'Hler Sn ahlkaniilen Kilon. Die Technik tier F.mp-

tlwü .15.5 Wellenlängen oder 3.5"⁷In iüi ■ 14 cm ianjjvstrahlbildin'i'. is! daher \ ίι 'er des Sendestrahl';

Wie oben angenommen !am:. Die Berück-iclitipung verschieden. 111 > I -es. ndc· e 1 ■ -. 11 f Λ der Mitten-Mitten-

tines zusätzlicliei: I-aklois einci■ S-.-kantc von 30 zu· ^f", Abstand d<:r UydroplnT.elementc kleiner als etwa

Strahlstein-iunii ei gibt eir.e ΑπιήΙιιιπ; ;slancc von zwei Driticl . incr Wellenlänge sein, um die Bildnne

4.12m. Wie ohcu berech-v-i, sollte :r ricuicni- von me-iiroicn Ha₁ pd-.enlen zu veniieiilen. während

abstand« Ii-■■■ 14.87cm betrauen. der l.len-cnlabstand der Sendeanordmnu: croßer als

dieser Wert gewählt ist, um die beiden Hauptkeulen tu 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 und einer Länge L von 50 cm. Die Hydrophone zeigen nach vorn und achtern und sind Seite an Seite angeordnet. Die Anordnung ist viel langer 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 Elektroden an der Innen- und Außenseite haben (vgl. F i g. 11 fÜT ein Hydrophon). Eine einzelne Erd- oder Sammelleitung ist mit einer Elektrode jedes Elements verbunden, z. B. mit allen inneren Elektroden. Der Übrige Anschluß jedes Elements ist an die strahlerreugende Schaltung angeschlossen.

Um die Beschreibung der Strahlerzeugung zu vereinfachen, soll zuerst nur die Erzeugung von Empfangsstrahlen beschrieben werden, die nur vertikal Sowie nach vorn und achtern gerichtet sind. Diese Erläuterung soll dann auf vier Doppelstrahlen 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 μ = Φ λ/2 .-Tb (18)

wobei μ der Steuerwinkel, Φ die Phasenverschiebung von einem Element zum nächsten, / die Wellenlänge und b der Abstand zwischen den Elementen oder Ringen jedes Hydrophons ist. Es ist sehr vorteilhaft, Φ gleich einem eanzzahligen 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 Vorüer- und Achterrichtung zu erzeugen, für die Dopplernavigation zwei Vorder- und Achterstrahlen mit im wesentlichen gleicher Richtung wie die Sendestrahlen T₁T., und T_:i7₄ in Fig. 6 plus einen ungesteuerten Strahl, der in der Vertikalquerschiffebene 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 Stampfen und Gieren zu kompLMsieren und die Verwendung von relativ kurzen Hydrophonen yii erlauben. Die drei Strahlen können mit einem Dreiphasenhyilrophon mit </>=120° erzeugt werden, und es sind drei Ausgangsanschlüsse plus Erde vorhanden. Ein Vierphasensystem mit ♦ = 90° und vier Ausgangsanschlüssen plus Erde hat jedoch gewisse Vorteile, was zuerst erläutert werden soll.

Fig. 11 zeigt die Skizze eines Hydrophons. Es ist ■lit acht Ringelcmenten versehen, obwohl die tatsächliche Anzahl nicht kritisch ist und auch neun Oder zehn usw. sein kann. Jedes vierte Ringelement fet mit dem gleichen Anschluß verbunden. Wie üben können als typische Parameter /. =- 14 cm, μ ~- 28'\ »bcr jetzt Φ=90° oder .-r/2 verwendet werden, so daß Gleichung (18) einen Mitte-Mitte-Abstand b der Ringe von 7,45 cm 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 A, 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 betrach-

tet, 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 Auf-

bau 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.

F i g. 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".

Um gewünschtenfalls einen Mittelstrahl zu erzeugen, werden die Signale von allen vier Anschlüssen direkt ohne irgendwelche Phasenverschieoung kombiniert. Für den Vorder- und Achterstrahl unterscheiden sich jedoch die Signale um 90° von einem Element zum anderen. 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 D' übrig. Für den Vorderstrahl eilt das Signal am Anschluß D oder D' dem Signal an C oder C um 90° vor. Die strahlerzeugende Schaltung für diesen Strahl führt daher eine Verzögerung in IY und ein Voreilen in C ein. Der Achterstrahl wird durch den entgegengesetzten Vorgang erzeugt. Das Ergebnis von Fig. 11 und 12 ist die Erzeugung von drei Ausgangskanälen für jedes Hydrophon. Die Vorderstrahlan-Schlüsse 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 Achtcranschlüsse.

Es ist jedoch einfacher, den Betrieb der Vordcr- und Achtersteuerung mit dem der Back- und Steuerbcrdsteuerung in einem einzigen Netzwerk zu kombinieren. Die Eingänge in dieses Netzwerk sind die 4 «-Anschlüsse, die aus vier Anschlüssen von jedem dei n Hydroplane 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 <■ 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 er-

läutern, 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 4;i Anschlüsse zeigt, die in der gleichen Aufsicht wie die η 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-Achter- und 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, G, H ... auftreten, Phasen von 0, 'K). 180, 270, 0, 90° . . . Die Phi-ie 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 Achtersieuerbordrichtung 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 Ki Ausgang von einem Anschluß, Bewegung entlang einer Zeile um zwei Anschlüsse und anschließend Bewegung entlang einer Spalte um zwei Anschlüsse die Gesamtphasenverschiebung 1801180", was immer Null ist. Die Bewegung um vier Anschlüsse entlang einer Zeile führt offensichtlich auch zur gleichen Phase zurijck. 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 /!-Anschlüsse können miteinander verbunden werden, ebenso alle ß-Anschlüsse usw. Der ganze Anordnungsausgang reduziert sich damit auf nur acht Anschlüsse.

Wenn es auch gewünscht ist, Strahlen zum Echoloten zu erzeugen, müssen die Verbindungen über iso'iiw.ende Widerstände vorgenommen werden. Es sind dann jeweils zwei Widerstände von jedem Anschluß der Anordnung vorhanden, einer für das Echolot und einer für die Doppler-Geschwindigkeitsmeßanordnung. Das ist in Fig. 14 abgebildet, die einen Teil dci gleichen Anschlußanordnung wie in Fig. 13, aber nur mit den ersten sechs Hydrophonen zeigt. (Der Einfachheit halber zeigt Fig. 14 Echolotauseänge von nur drei der sechs Hydrophone und Verbindungen mit nur zwei der Dopplerausgangsanschlüsse D_n und Go.) Um die Anzahl und Länge der Verbindungsleitungen zu reduzieren, sind die acht Widerstände vorzugsweise einstückig mi! dem Hydrophon ausgebildet, so daß jedes Hydrophuii fünf Signalleitungen zusätzlich zu Erde und Abschirmungen hat. d. h. eine Leitung für das Echolot und vier für den Dopplernavigator. Die vier Dopplericitimgen von jedem Hydrophon sind zu einem Sammelkabel mit acht Leitungen A_n, B_n bis H_n zusammengefaßt.

Fig. 15 erläutert die Schaltung 20 von Fi g. 5 und zeigt, wie die Signals von den acht Kanälen der Anordnung behandelt werden können, um vier Ausgangsstrahlkanäle zu erhalten. Diese Ausgange sind mit M, N, P und O gemäß F i g. 1 bezeichnet. Die Signale an den Anschlüssen C, G', H' und D' sind in Phase mit denen an C₀, G₀, H₀ und D₀, 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,

ίο den Vordersteuerbordstrahl, erläutert. Es ist ersichtlich, daß die Welle an den Anschlüssen D' und G zum gleichen Zeitpunkt ankommt, so daß diese direkt kombiniert werden können. Da sie zuerst am Anschluß H' 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° an Stelle von -90 ,

0, +90° gemacht werden. AJIe Phasenverschiebungsverstärker sind jedoch identisch.

Wenn das Echoloten nicht erforderlich ist, kann eine weitere Vereinfachung vorgenommen werden. In Fig. 11 können die Elemente A und C mit umge-

kehrter 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

3" in zwei verschiedenen Weisen vorgenommen werden. Die beiden Ringe können identisch erzeugt und polasiert 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, v'obei 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 Bodenzeilon 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 M 4-) -polarisiert

6" 'st, und ein zweites, identisches, aber in entgegengesetzter Richtung polarisiertes, das ■— — ''- \- — —f !- von links nach rechts polarisiert ist. Die nebencinanderlicgcndcn 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 C₀, D₀, G₀ und H₀ in F i g. 15 Ausgangssignale von zwei Hydrophonen des einen Typs empfangen, während die An-

Schlüsse A₀, B₀, E₀ und F₀ Ausgangssignale von zwei Hydrophonen des anderen Typs empfangen. Die Anschlüsse A₀ und C₀ werden dann direkt miteinander an Stelle über einen Transformator wie in F i g. 1 5 verbunden, was ähnlich für die P;-.arc (V₀ und E_H usw. gilt. Dadurch bleiben nur vier Anschlüsse C₀, Ci₀. A₁ und //„ übrig, die ähnlich C", (T. A und /)' in Fig. 15 behandelt werden. Das ist in Fig. 27 abgebildet, die die Verdrahtung der einzelnen Empfangselemeni? zeigt. Jede vertikale Gruppe von acht Elementen entspricht einem Hydrophon wie oben im Zusammenhang mit Fig. 11 und 17 beschrieben. Diese zeigen nach vorn und achlern, aber die /Anordnung ist querschifTs angeordnet, und nur ein Teil der Anordnung ist in Seiten-Scitcn-Richuing in F i g. 27 abgebildet. Die vier Ausgangsanschlüsse der Anordnung sind mit /), H, C und C bezeichnet, und diese emsprechen den Anschlüssen A, Ii', G und C". wegen dor auf Fig. 15 verwiesen wird. Ihre Ausgangssignale werden verarbeitet, um die vier Strahlkanii'e M. N, P, und Q zu ergeben, wobei die Strahlrichtungen durch Pfeile in der oberen Sinken LeV: von Fig. 27 angedeutet sind, die natürlich gleich den Strahl richtungen sind, die zuerst in F i g,. 1 g;/eigt sind. Die Polarisation der einzelnen Elemente ■' ird durch plus- und minus-Vorzcichen angegeben. >vas bereits vorher unter Bezugnahme aui Fig. !⁷ eik'ärl wurde (mit der Ausnahme, daß in Fig 17 d,is Hydrophon horizontal gezeichnet ist. wahrend es in Fig. 27 vertikal gezeichnet ist). In den meisten 1 '.W-lcn ist es zweifelhaft, ob der zusätzliche Aufwand der Verwendung vor; ■>'■·, J, Arten von 11;. iirc-.pl-.nr.er i'mch ,im Wrglasscn von νί·" l'ransforiiv.'.'Tcii eercchtfertigt werden kann. ;n manchen Fülle" ist jedoch die Vereinfachung der Verkabelung am Boden des Schiffs von Bedeutung.

In F i g. 17 sind die beiden isolierenden Widerstände als Ic;! des Hydror^uons gebaut zusammen mit einer Ab:;chirm- und r'.n-M 'Vusgangslc'tungcn. nämlich A. H und iirde.

In Fig. IS verläuft ein Sammelkubcl mit den gleichen Leitungen zu alle.] ungcradzahüe niuvincne rtcn Hydrophonen, wobei einzeln*; Hydrophonverbinder ermöglichen. daß alle derartigen Hvdrophone parallel geschaltet sind (vorausgesetzt. daB die Hydrophone entlang der Anordnung nacheinander nummeriert sind). Ein zweites Kabel verläuft zu alien geradzahlig nummerierten Hydrophonen Das führt zu dem Gcsamtverkabelungsschema von Fig. 19. wo jedes der beiden Kabel in Fig. 19 tatsächlich drei Leitungen und eine Abschirmung wie in Fig. 1 S aufweist.

Die in Fig. 14 abgebildete Technik zur Verwendung von Widerständen, um Eingänge sowohl für da? Echolot als auch die dopplcrstrahlerzeugenden Schaltungen vorzusehen, macht von der Annahme Gebrauch, daß der Tnnenwidcrstar.d der Hydrophonelcmcnte klein cenuc im Vcrcleich zu abnehmbar·.-:-.

Widerstandswerten ist, so daß die Widerstandsbelastung die 1 Ivdrophonspannungen nicht zu stark ändeti. Wenn r^ ni>'ht möglich ist. diesen Widerstand abzuschätzen, müssen Vorverstäiker für eine zusätzliehe Isolierung \erwendct weiden. Die odensiehtlichstc lösung besteht jedoch in einem einzelnen Vonei-liiikcr an icdeni de: vier Allsgangsanschlüsse jedes Hydrophons vor dem Einsang in ι!_;- Widerstandsnetzwerk von Fig. 14. Eine einfachere Lösung

ίο besteht jedoch darin, einen einzigen Vorverstärker an Her Eeholotansgangsleitiing von jedem Hydrophon vorzusehen. Die acht Widerstände und der einzelne Vorverstärker, erforderlich tür jedes H\ drophon, können einstückig mi', dem Hydrophon ausgebildet sein. Die zu dem Echolot führenden Widerstände können dann einen viel höheren Widerstandswert aufweise;-.

duck' aγ. einen Vorverstärker aniic-

schlossen sind, anstatt ein langes Kabel zu tuikn. Die mit dem Dorpiernavigalor \erbundenen Wider-

ao stände können auf jeden Fall groß gemacht werden, da eine große Anzahl mit einem gemeinsamen Anschluß mit relativ kurzen Verbindungen zwischen Hydrophonen \erbunden ist.

Wenn die G'öl.V und i-orm des Schiffs keine ebene rmpfangsanordiin» erlauben, kann diese gekrümmt -■•.■in. um dem SchiHsr.impf anecpaü-i /u sein. Die be-νοΓ/H!" L Ausführung besteht darin, ά.ι'Λ ·:. kurzen Vorder- und Achterzeilen oder Hydrophon, parallel zum Kiel und zueinander Neibcn. aber die vi.-eliie

3c denen Hydrophone au' einer Kuivc anc^.^rdnet -ind. die dem Querschnitt des SchitTsrumjTT^ angepaiV; "M Bei '1ies?:r: Aui'uui kann der Vorteil ti.. °t: -Γ]·;,sei lage der \'order- und Aehterriclituni; tu;'".i.üie;: werden, um die Anzahl eier Ausgangsleitungen pr.

Hydrophon zu begrenzen, was bereits erläutert wr-dc Es M jedoch gewöhnlich nicht mögiieh. die i.ergingen von den verschiedenen Hydrophonen m-. π: ί.-.·ί:- biniercp. wie es für eine ebene- Anordnung be^e'r.riebe;; wurde. P-.ifiii -.iiis-^>i ::!!e Leitungen ;m di-· ί'Ί,ί-sfnnetzwerk anüesehlos^en werden. Diese- Net/-λei! ist \on üblicher B.hmi;. I'm einen Strahl in eine; bestimmten Richtung ?.v- erzeugen, wird eine !i-'-iimniu Phasenverschiebung in jeder Leitung von >'.: Nnoid niipo erzeugt, und die erhaltenen Signale wcx'en if einem einzigen Kanal kombiniert. Es körnen s,- \i.-j Ausgangskanäle erzeugt werden, wie gewürz,ht wir.; einschließlich vier Kanälen für die vier Dopp'eistrahlen plus zusätzlicher Kanäle für ein Echolot ode; einer Bodenvcrmessungsvorrichtung. falls es yj-

5c wünscht is·.

F' .■ Λ··.':ί!ι'ΐ der Lcitiincen. eiie pro Hvcir.ip''.-;i unc' für eiiie Anordf-..-ng von >i Hydrophonen erfordeilicl· ^cind. entweder in eberer odrr i;ckriimm!t-r Anordnung für einen Dopplerempfang mit und ohne Einrichtunn für Bode-nv ermessunc. ist in der folgender Tabelle für die Dreiphasen- und Vierphasenstrahlerzeücuns abgebildet·

Anordnungsform

Anwendung

3 I'hascn

4 Phasen

Eben
gekrümmt

Doppler J Vermessung j Hydrophon j Anordnung \ Hydrophon

X X

X X

X X

71 -f 9

3/1
3;;

:ophon	Anordnung
7	4
5	n + S
	In
4	An

1 312 643

23 24

in .μ ^oiuen Tabelle sind emc gemeinsame ^τ:;α- i'.'iiuei Siehe·' ι Ycijuenzeenauigkeil, d. h. gleich einigen

rücklciiuiii; .nid siewünsch'.enfaiis cmc ,le-crdere \b- ee. scm. 'n Wasser mit einer Tiefe von etwa

schirmung nicm enthalten. Y-uOni belogt die Hin- und Rücklaufzeit iur den

Die Yierphascnhydrophone in da ersten mn: cirit- akustischen '.mpuls bei I 350 m/sec und einem Winkel

icn Zeile -ic Tabelle sind i:i F i e. 17 WM Oie ^;" 'er '. ' ■'-".< 4!.;; zur Vertikalen wie oben erwähnt 2 ■ 3300 Mertcn Ze. ι ί i^::g. ii .i^J.?>:ebilciel. Die '· ^;ern!i en- 3'Ί) cos 4 1 /-> '■ iO4 see.

anordnung eiurahUing ;'■ der ersten Zeile - η Venn .'er N;n./.liail jnsgc! !ende werden soll, muli

I- ; .c. J" ". .d die <n der r.vrnii Zeile r.\ r u:. \ ± ab- -nc impulsiänge ^eträciitlich kurzer als dieser Wert

ebiluci. ι .i iet/terer :^;;üur sind nur ure; -ier ;i Lrtun- -en. in F i ;. ?0 ^ird ein Impuls . v", der Länge T ge-

|eu /.:., dein i-'choloi und ;■, ir zwei ier adit ! !linger, ;u >cnn:t, auf Jen dnc Periode P folgt, um das Abklin-

Iu den Doppleremp'ängcrn gezeigt. Die "' ic: -hasen- sen des Yohimennnchhalls zu ermöglichen, wonach

IlyUrophonverdrahtu-ι;, die der _t:'eile 2 der I ;,ίνίν .ins Signal A¹ empfangen wird. Die Hin- und Rück-

tntspricht, ■<! ;im,i Fig. 14 verständlich. vn,¹ ..m»· iaui/eit des Echos beträgt E= D+ T. Nach dem

Hydrophon, da^ Jurch die ersten vier Elemente .-!. ii. iliT.pf-.'.ng des Echos kann eine zweite Sendung X.,

( und /J links ..i.-ri;estcl!t ist. eine Leitung :i;u. die 15 ausgelöst werden. Die Impulssendungen werden mit

Ium Echolot gi.ht. sowie vier Leitungen, lic /11:71 einer i'eriode P wiederholt, die größer als E- T--

l)oppieiruvi:z:ii'·! :eiu,,. von denen nur die Leitung D ■ 2 7" ■ ein muß.

!■>.. gtveit; ist. λ,ι· :end drei andere ähnliche i.eitun- Als Dimensionicrungserfordeinis soli angenommen

gen über Widcr>uinec mu den Elementen A. B und C werden, daß die Zeit D. die das Abklingen des Nach-

\erbunden sino. Has Dreiphasenhydrophon ^ri:r die so halls erlaubt, größer als eine Hälfte der Impuls-

er^;.:. diiite i'"d -ierte Zeile . t ähnlich liem von länge 7' ist. in einer Tiefe von etwa 3300m, wo die

Fi c. 11. hat .i^er nur drei Anschlüsse. Das Drei- Hin- und Rücklaufechi-, en E~D ~ T-- 1,5 · 7" einen

phasenhvdroph :;i für die zweite Zeile ist ähnlich wie Wert von etwa 6,5 see hat. ist eine Impulslänge

in rig. 1-4 verdrahtet, wobei eine Leitung zu dem T =-- 6,5-1.5 =- 4,33 see erlaubt. Die Impulswieder-

Iicholot geht, aber nur drei Leitungen zu den Dopp- 55 hoKingspenodc muß den Wert Γ --- E+ T= 10.8 sec

!er.iiipfär.^ern verlaufen. überschreiten. Bei dieser rolgefrequenz wird eine

Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß die Dreiphasen- Dopplerinformation während etwa 40% der Zeit ge-

verj'-n.huing einen gewissen Vorteil bedeutet, wenn halten. Wenn Ungenauigkeiten infolge Stampfen und

cue Ivupfanasatiordnune auch mit einer Bodenve;- Rollen und infolge des Boden\erlaufs erlaubt sein

mcssungseinrichtung kombiniert werden soll. Ande- 30 sollen, muß P erhöht werden, und die Informations-

rerseits gewährleistet die Vierp'nasentechnik eine frequenz fällt weiter. Obwohl diese Frequenz noch

l->e-Lie (nterseheidung .-wischen den Vorder- und für manche Anwendungen ausreichend sein kann, ist

Achterempfangsstrahlen. Jeder Aufbau hat also gc- eine größere Genauigkeit immer wünschenswert.
Misse Vorteile. Ein kontinuierlicher Empfang kann durch Senden

Beim Feststellen eines Echos von einem tiefen 35 von Impulsen verschiedener Frequenz erreich; wcr-Meeresboden tritt unter anderem die Schwierigkeit den. so daß das zu irgendeinem Zeitpunkt cmpfanauf. genug reflektierte Energie zu erhalten, um das gene Signal durch geeignetes Filtern von übcrlage-Untergrundrauschen /.u übertreffen und außerdem rungen und Vohimcnnachhall infolge gleichzeitigen das Bodenecho von der Energie zu unterscheiden, oder kurz vorher erfolgten Sendens einer anderen die durch die im Wasser verteilten Teilchen gestreut 40 Frequenz unterschieden werden kann. Wenn beiwird, was Volumennachhall genannt wird. Es ist not- spielsweisc drei Frequenzen verwendet werden, könwendig. den Volumennachhall von dem Signal zu nen diese getastet werden, um drei aufeinanderfolirennen, wenn der Dopplc^rnavigator die wahre Ge- gende Impulse zu ergeben, die jeweils 4 see während =chwindigkeit Haliv zum Boden und nicht die Ge- einer Gesamtzeit von 12 see lang sind, so daß ein schwindigkeit relativ zum Wasser feststellen soll, das 45 kontinuierliches Senden bei einer 12-sec-Frequenznicht im voraus angebbare Strömungen aufweist. tastperiode ermöglicht wird.

Beim Echoloten ist es relativ einfach, den VoIu- Das würde der Bedingung genügen, daß die

mennachhal! zu beseitigen, indem kurze Impulse ge- Periode 10,8 see überschreitet. Es muß jedoch det

sendet werden und ein Empfänger mit einem Steuer- Empfang von vier verschiedenen Strahlen von Signa-

giicd oder zeitlich veränderlicher Verstärkung ver- E° Icn erlaubt sein, die nicht alle gleichzeitig eintreffen

ivendet wird, der den starken Volumennachhall Das erste Eintreffen, das angenommen für der

unterdrückt, der während des ersten Abschnitts der Strahl Λί zum Zeitpunkt E₁ stattfindet, muß die Nach-

Empfangsperiode auftritt. Der Volumennachhall, der hallbedingung D 4- T -= E₁ erfüllen, wobei D größei

etwas später zum Zeitpunkt auftritt, wenn das Boden- als TIl ist. Das letzte Eintreffen, das angenommer

echo zurückkommt ist klein genug, so daß er keine 55 zum Zeitpunkt E₃ für den Strahl Q stattfindet, der zi

Schwierigkeiten bereitet. dem Strahl M diagonal entgegengesetzt gerichtet ist

Bei dem Dopplernavigator ist diese Schwierigkeit muß die Bedingung erfüllen, daß E₃ + T kleiner al:

jedoch größer, da die Echofrequenz sehr genau ge- die Sendeperiode P ist. Um daher P groß genug zu ma

messen werden muß, was relativ lange Impulse erfor- chen. ist es wünschenswert, vier Frequenzen anstatt dre

dert. Tatsächlich ist ein kontinuierliches Senden wün- 6" Frequenzen zu verwenden. Das ist in Fi g. 21 gezeigt Sehenswert, um Lücken in der Geschwindigkeitsinfor- Bei kontinuierlichem Senden beträgt der höchst

mation zu vermeiden. mögliche Wert des Verhältnisses

Es ist wünschenswert, die Frequenz mit einer Ge- _

nauigkeit von größenordnungsmäßig 0,1 Hz zu mes- ^a~ ·"> ^{! v} '

sen. Die für diese Genauigkeit erforderliche Impuls- 65 α = (P — T)/(D 4- T) (20)

länge hängt vom Signal-Rausch-Verhältnis ab. Für _, . _ ... ,.„,,,

vernünftige Werte der Impulslänge sollte sie jedoch ^{Rei i7} Frequenzen ^be'™gt die Sendefolgepenod

größenordnungsmäßig gleich dem Kehrwert der er- Γ ?Τ (21)

tnd das Meßentfernungsverhältnis beträgt

a -■- (q - 1)/(1 · D:T) (221

Für DT --- 12 und q -- 4 wird a — 2.
Die Beziehung zwischen der Bodenneigunj..

ί?ί —- tg λ i- >:■

ynd dem .VieBentfenuingOcrhahnis c, Lm;-. jii i· Fig. 22 am?ei..ile' werden, dl·.· iiir den FaI! \on .\u: diagonal enigegengeseuu■;. ';·.·,ahU.i-s ge,··.-.· Vn ^e; i-.' die der Einfachheit halbe,' ein-■■ Winkel von J¹- ns:' der Vertikalen an Stelle do- genaueren. ohe:;er\vähr;·· te-η Werts von 4"i.(v' bilden.

Wenn sich das Schiff am Punkt Λ 'κΊί:κ ■.;. betragen die Meßenifernungc de: beiden Mrahlen .·-, und. »■.. Und dir entsprechenden i u-L·; r, und c..·. Au;· :'.e; Figur loigt das Mntferi ungv\ e:': 'dtnis 7-'.i

möglichst große Entfernungsvariation ermöglichen, aber die Vorrichtung sollte so aufgebaut sein, daß sie gelegentliche Signalverluste toleriert. Wenn die Ausgangsschaltung des Empfangers eine phas.Ks'arie Schleife ist. kann das er ti··:'"' ^vcde:; indem ;ci übe;·'··.':;-! imi'.scszilUi'or fin e;:. !·:·. .jUer.-'".alien a.'

I' ■ : vji,e:i. ;esten i^:>i,i,. cii- ^; : der Anhanc'- ; ■■·'■'■ -.'■. ■ '.ipiMe: in!.-¹·;::->;' von de^r f-iequen/ -iiit ki Ti tiT.T:. ! :'■ d:.'.:-e^:n /liisamn;· ;<r;t;:;; im darauf liin^u^e ■■er.. c-.ß die Anorununi: vor. plnwenabgegliehener, .',■!'irdiv.mgen einen g^>ßen \ :i:iei] mit sich biing'.

lim das eim'usehe:: soIicü Duai^': .-!ilen v,-^:,e in E i s:,. " und G.eicinmr !^' b;:;iachie: werdeii Da 'i^:'V: :'i:t Doppierfreeiu. ■ .-· ve:M:i;ieiuin;-'

f_d

4 I" I₁CiS/?]

i;n(i 'ianiil

ta ---■ in - I ).·' d'7 ^! i.! :.:'·'

Für d;iv Enifenuingsscil. ^;)-. w .": ciüp! -.ic!; _t-jne I?;μEj■ ιfieipiiri2 rr, ■ 1 ."- oder em Neigunc^winkei i. ; 8,4 . ;'>:!S ^UiM liie nii'ilere Neigun;¹. .·■■.>■■■/i·. ;· rv>c; ZioljHinKtcn \: >n diagonal cntgcr^n'csci'U¹ !■';·'.:hler. d;i: und ist der ''dchstwert. dei mii vier ί^:π· · laienzen erlaubt i^'.. ^Wi" di" 7ei'i. um das A''f'!!!ger· li^'s \'i'li!niennach!¹;:iis zu er la üben, die halbe ι '.·: '.ils

}
1 ;\: miitle;. ** ei iii in c bi° /ν; 24.4 tr;.gh.ir.

Die hori'/', ■ "inil·.¹ Entd-'nuing ;-.»-^;schen cl-.-n /1l'^:- --. punkicn i-.i eiwa i.;ojipL-!t so üroß wie die trailer; • iete, G. h. etv-ii ~ süi b:--i einer 'EirΓ.■ \-^n clw-' ."i300 m. >ieei^les!iodL'Utlächer. deren mi-¹ '.iv M-.-ie'iiic auf 7,5 km ι'' übertritT". sind niclv übli, '

Eine weiu-re Schwierigkeit ist ■.'.-.■ Andern:^.; des 4;'. Nießenlfcmiingsverhäiin^:sses infolge Rollens. Dei !⁷rfindiing üec^: die Erkenr :^:iis zugrunde, dal¹ ΚονΊ!·:· nationen von Rollen und Stampfen auftreten k.'ir.njn. die ei:-· ML-^cni'ernimgFverhältnis erlauiien, ιΙλ\ iU>ppe!i sr :-<■>.!'■ \\\. -ü- Vicie auf cinivii fluchen Meere::- · boden i ■■■ Das Ί :. !.i-.ie Nie^enifernuTigsM.rhällni'·· bertciinei sich, [ails (-ic \:i und Siarripferi riielit b. ruii. s'u-utigt werden, durcl; die folgende G!eu !iunj:

n>s(. ■■■ cos it cos; ι -..' ι

mit // -⁷ !<■ ρ 2.·: . ;.. - 32.1 \ RoHuinkc! !5 . T :„ Roüwir.kel 17.i ', so da!.' --ich covC O.S44 ergibt. Das Verhältnis, der MeIv. _:-,n'einun*: /i;r T'efc beliägi I cos Γ -~ 1,18. Damn ergib! sieb, a'- das Verhältnis von größter zn klein _τ MeLV cntlei: ¹MH' für einen Rollwinkel von i Ί5' über ebenen Meeiesboden näherungswcisc α -^: 2.

Die Vorrichtung kann einen maximalen Rollwinkel über einem ebenen Meeresboden oder bis zu 18° Ncirung hei fehlendem Rollen tolerieren, eine zeitliche Kombination von großen Neigungen und Rollwinkeln konnte jedoch zu Schwierigkeiten führen. Es ist wünsehenswert, die Empfänger so zu steuern, daß sie eine ■■ fii! c'.t GesJ.--Vindigkcitski'!',".; o:',..n\c p.u¹ Sehii"'-: chve ]\ r-"i;;_;M '">ie i "^p; ...;;.■■.!··. ü^:c^ ■■ gib' d^n gcsamien DiU^-..ιρ' .>,'::.::ι·λ ^fi":· ..i; gewähltes /leitintervall als

·.·- \\,>ri stelM da- Si.i.',:;'. .:;-.:. - ^ ent¹, ;·:: des !ΐΐΓ/.ΪΓι^ anki-mn^i. \\'oi'!e^; ' ■;■.'■-'•uir.e

1 r-ji/ci' ,'os-: ί :ic^:- 'ü,;h; ■ '. - >.'■■ Γπι:^π:κ:ι η .'ί .'-'ι¹-;:¹.'

ν - ι .-:,·>.■■ 2 ■/')*

wi'be' uei Pi k'poi'',ona:.iai*.iak'.-'-" in/' '.:^:!^:' i;n.;ii,:: "

.■■.'ahicrzeugeude¹.·; r-ci'.aiiiiug. v. ^r-c. aiifgciviu' viid. d>i die I'';.isenversch:;:biiTn:. ¹Z¹ :-\ ;;iie!i:';in:ib]ianüij! i-· f-'as '<vird leicht ei reich*, wenn der eil-Td^rliche ■ ü i;i'r---t-erciv'h nitht ;v- groß ist. ΐ atsäcliüch hrn·:-.; di f'!i-;'v'nio:i:ijitäisfakto'· nu: \on '/' und dai- ^;.ie:"cn' ibsiand ') ab und ist u.miit utuibi: in;::: ',on d: Schalige-cliv.indigkei^!. im Wasser. Π,·ν ist ein be träciii'ichi.! Vorteil r:'''eniiber Doppleinavigalondueine fesie SirLili'i'iL ■ -f.in;", benutzen, die durch di !nec'n.r.ii'-ctie Aus;..-'Hi! .^; ei:]:.- nicht pliasena'oc^ .'iiciu".·"· Wandie:;·. i\ ■ ^!.',π!Ρ"· is:. Eür derartit S\ steine ist die genaue k> Γ'!;::.- der SciiaUgescnwir iiiekeit nvitwcndis, v.iö u; :■ '.vird norma'erv, ei« durcii ein besonderes I'-'ti'iiTi,. '' «emessen. Andere; >en>. \ariicn die Strai". :iehuiUL, \ on einer phasennV genhchcncn Anordnunt; mil der 1 rciiuen?. und d·. Scha!!L2e~. i^vindigkeit. uni die Dopplerfrequcny fi eine bestimmte Geschwindigkeit des Schiffs kmisla; zu hatten. Wenn die Anordnung eine Viernhasci strahlcrzeugungsschaliung verwende!, ist </' = ."?' und Gleichung (31) veieinfacht sich 7u

s --■ N_d ■ b

(32)

Die während jeder Dopplerpcriode gefahrene Streck ist gleich dem Abstand zwischen den Elementen der Anordnung.

1 Bi 643

Gleichung (31) kann direk, aus ilen ersten C'b,·- legungen heraus abgeleitet wurden, is soll ein i-'in Strahlsystem mit einem Sm tier au, dem sieb bewrgender Schiff und einem staiionären iimpl.ini'cr u"¹ Wasser betrachtet werden ln\ Zähle· mi Iv₁ m.· -.nzahi von Schwingungen ί,,ί. ά\-.· während ::■·; /en ; gesendet werden, und ein aii-ierer die Anzahl i.;. dii. im gleichen Zeitintervall empiaiisjen werden. In Mii'ser Weise ergibt sich der iLiii'tiahldopplerwert ils Dili.·- renz. zwischen den beiden Zähle; ständen de ν Zi.hler. Wit s„ soll die Strecke AH i.jz.eichnei werdr-. die ♦om Schili während der Zeit v'iivchiaiire;! wird, wähtend der der Dopple; ν cn U₁-Kh.' c<ne Periode wie in Fig. 23 ist. Die WcllenfrontcT. ehren A und B sind f.A und Cß senkrecht :u- Richtung ΛO' di.-r Strahltchst. Der Abstand A'-i ist dann gleich der Wciluilange/. Dieser Abstand stellt die einzige Dopplerjicriode dar, die der Fmpfänper feststellt, führend lich das Schiff von Λ nach H bc^vept. d. h... der Hmpläneer zahlt die f'_nf-l^]erioiiepi. cue \< r.renu dieser Zeit

tesendei werden, plus d:r schon η Wasser befinden Periode.

.Jas Dreieck A'B (j η Fig. Γ-i "ibt die strahl-♦i.-eugende Geometrie an, woliei /'; den Abstand zv.iti?hen zwei benachbarten W andlereiementen .-(' >;nd B bezeichnet, während d den Abstand bedeutet, d·τ li'.irch die Welle in einer Zeit durchlaufen wird die «1er Phasenxerschiebung Φ zwischen A' und /?' e:·;-tpri. ht. Dieser Zusammenhaut; drückt -ich :uis in

Die Ähnlichkeit beulet ^; ΐ-κ-fke fuhr: /,. .5·,, - b ■■ d
.■-„= 2 ^h/Φ

(33'

Dir vsü'ircnd /V₁, D .pnierpcnodcn Strecke beträgt N^s_n oder

.v — {2:rb -7'(A'.,

(36)

ergib· das /"■ , 1(14110 Hz. F., ■■■ IfITi(V) Hz, .^r, MiSi)(¹Hz und F, 1 I 000 Hz.

/v.n i mpfang irgendein; Strahls muß zuerst jcdes ο'-.τ \ίο^ hinpfangssignaie entsprechend den vier ■\u<-strahluugen i-.ientin/ieit im.I ausgeblendet werden. um das Signal anzunehmen und den Nachhall zu unterdrücken. Die vier Signale für einen Strahl miissen auch in eine gemeinsame Frequenz umgesetzt ^-.iden. so oViß sic kombiniert werden können, um ■:''. koiitinuic-i üflics '\usg;'tig-^igna! für diesen Stnihlkau;'.! zu ergehen. Beim Mischen vc.ii Signalen aus ilen verschiedenen Strahlkanälen muli das algebrar-cii..-Vorzeichen de: Dopp!erfre(.]i:cuzen erhalten bleiben. Fs wird daher die Frequenz L eines O^vrlagerungsoszillators eingeführt, so daß sich als Λ..-gangssignal jedes Strahlkanals ein Signal der Frequenz I.-'· > ergibt.

Fig. 25 'eigt die Verarbeitung in eine— Strahlkanal. Ms sind ein Mischer Λίλ'. ein Steuerglied GA \ν,νΛ ein Filter /■'■'. vorhanden. Zunächst wird die Cberlagerur.gsos/iIlatorfrequenz /. mit jeder der Sendefrequenzen F₁, ,'■",. F.. und F._; gemischt (vgl. dies'.· Oszillaioren auch in Fig. 5V um vier Bczugsireciuenzen ,u erzeugen

Die überiagcrungsos/illnu.rfrequenz soll beispiclsweise /. 1 kllv betr^ce:-). (Der genaue Wert kann davon abweichend gewählt weiden, um das Filtern :^· ;■ α vereinfachen, unerwünschte Oberschwindungen klein zu halten usw.) Da F₁, ungefähr bei MkHz iiegt. lieg! I ,' ungefähr bei 7 kHz.

Da< λ::-gangssignal au- dem ausgezahlten Strahl-

kanai der Strahle--cuguncrsschaiiunc. -.B. dem Ka-

S5 na! A-/ von Fig. 15, !'at vier Frequenzkomponenten

(38)

Vvenn de; Empfänger am einem Schiff mnivi-_r< ist. anstatt stationär zu sein, ergibt sich eine ihn- und Hiicklauf-Dopplcrverschiebunc, die doppelt so groß ist, und wenn zwei Vorder- und AchtcrsiraHon ve·- Wendet werden, ergibt sich ein weiierer Faktor zwei. Die Verwendung dieses Gesamtfaktors vier ergibt Gleichung (",I).

l.s ist also ersichtlich, daß die Verwendung vnn piiascnabgeglichcncn Anoidnmicen stark den Finflüß von Schwankungen der Frequenz und der Schaligetchwindigkeit reduziert.

Als nächstes soll eine Empfangssignalverarbeitung für einen Dopplemavigator beschrieben werden, der kontinuierlich sendet, wobei das Senden auf vier vertchicdene Frequenzen wie oben erläutert getastet wird. Eine ähnliche Signalverarbeitung kann jedoch auch für irgendeine andere Anzahl von Sendefrequenzen verwendet werden. Als typische Dopplerver-Schiebung soll ein Wert von 2 Hz pro km/h augetiommen werden. Da der zulässige Bereich -9 bis 4 41 km/h betragen soll, wird eine Bandbreite von 50-2= 100 Hz benötigt. Die vier Sendefrequenzen "5 Werden im Abstand von 200 Hz gewählt und mit F₁, Γ,, F, und Fj bezeichnet. Wenn das Band seine Mittenfrequenz bei 10,7 kHz w-ic oben angenommen hat, ■■■ .-.bei / ciic D.'ippicrverschiebur.g für diesen Strahl ist. ;/.11 einem Zeiirunkt ist leweils nur eine KomponcTte \'urhandcr!..) Dieses Signal wir.ί in einen HF-Verstärker mit einer Bandbreite von etwa 10 30(1 bis Ii ¹Oi)Hz eingespeist, wobei die Bandbreite nusreicht, um alle l-requ-.-nzen F_n" vv verstärken ;vgl dun. HF-Verstä·-ker 22Λ/ in Fi g. 5).

Das Ausgnngssignal des ;1F-Verstärkers wird i'- \ier verschiedene Kanäle eingespeist, um die viel Freqnenzkomponenten F₁". F₂". F.," und F₄" zu verarbeiten. Die erste Stufe im F₁ "-Kanal ist ein Steuerglied CA }■!. das ausgeschaltet ist. wenn F₁ gescn· Jet wird, sowie eir.e ausreichende Zeit danach, urr das Abklingen des Nachhalls zr, ermöglichen. Da: Steuerglied wird dann eingeschaltet und bleibt einge =, haltet bis kurz vor dem Beginn des nächsten F. Senden?. Die näch;,u Stufe ist ein Filter FI 41 vor etwa 100 Hz Bandbreite, um ',' von den anderen Si gnalen z_u trennen. Obwohl ein letztes Filtern in de ZF-Stufe vorgenommen wird, ist es wünschenswert auch ein HF-Filtern vorzunehmen, um ein Über lasten der Mischer durch das Signal zu vermeiden das zum Zeitpunkt gesendet wird, wenn das Steuer glied offen ist.

Die Filterausgangssignale F_n" werden in Mischen Λ/Λ'51 bis 54 mit der Bezugsfrequenz. F₀ gemischt um ein Signal der Frequenz

(3^q)

zu ergeben.

I 312

Aus den obigen Gleichungen ioigi. daß aile /VSiinale von einem Strahl die gleiche frequenz

P = LH (40)

riaben. Die vier Signale P₁, P,„ P._s und P₄ vom Strahl A werden daher zu einem einzigen Ausgangssignal durch ein Widerstandsaddiernetzwerk kombiniert. Das gleiche ist für jeden der anderen drei Strahlen der Fail.

Die vier Ausgangssignale von Fig. 25 werden ge- :u maß Fig. 26 weiterverarbeiiet. Das Eingangssignal Λ/ in dieser Figur stellt das Signal vom Strahl Λ/ dar, das an dieser Steile die Frequenz

■" M — ^L- '" IM '-5

hat, wobei f_M die Dopplerverschiebung im Strahl M ist. Ahnlich ist N ein Signal der Frequenz P_n = L-J_n usw. Diese werden in ZF-Verstärkern 70 weiterverarbeitet, wo em letztes filtern stattfindet. Für ein ao 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 S. · eifen sind bereits bekannt (vgl. '.um Beispiel «Phase Lock Techniques« von Floyvl M. Gardner, John Hiley & Sons 1966, oder »Phase-Locked Loop Dynamics«, ""uerbi. Proceedings of the IEEE, Vol. 51, Nr. 12, Dezember Ϊ963_{: 3}ο S. 1737). Die phasenstarre Schleife ermöglicht ein Frequenzband, das schmaler als das lÜO-Hz-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 Änderungsgei.chwindigkeit der Frequenz infolge Beschleunigung oder Lageänderung bestimmt. Diese Bandbreite ist nur ein Bruchteil der gesamten Bandbreite, die für den vollständigen Bereich von DopjVierfrequenzen 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 F₁, und das Bodensignal wird empfangen mit der Frequenz F₃" = F₃ + /, die dem früheren Senden der Frequenz F₃ entspricht. Zu diesem Zeitpunkt ist der Empfangskanal für die Frequenz Nu . ner eins abgeschaltet, und irgendein Übersprechen oder ein Volumennachhall infolge F₁, 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 phasenstarrc Schleife wird das Signal jedes Strahls in Schaltungen 72 auf Rechteckform gebracht, um eine Folge von Standardimpulsen der Frequenz P^, P_n usw. herzustellen (F i g. 5 zeigt auch Verstärker 70, phasenstarre Schleifen 71 und Rechteckschaltungen 72).

Gemäß Gleichung (9) soll die Frequenz

/s — 1m + 1n — Ip ~~ Iq

erzeugt werden, die die Längsschiffsges^iwindigkeitkomnonrnte darstellt. Das wird ii\w:h H.isneisr-

impuisfoigen in einen Dirlerenzzähler vorgenommen. Die M- und /V-Signale werden den positiven Eingangsanschlüssen des Zählers und die P- und O-Signaie den negativen Eingangsanschlüssen zugeführt, wie aus F i g. 5 ur.d 26 ersichtlich ist. Der Zähler gibt Impulse mit eint, i'requenz ;/_s! ab, und diese Impulse treten am positiven oder negativen Ausgangsanschiuß auf. je nachdem, ob /_s positiv oder negativ ist.

Der Dirlerenzzähler ist ein einfacher Speicner. der mehrere Zustünde annehmen kann, Jere.n Anzahl ^ieich der Anzahl uer Eingangsanschiüsse ist. im vorliegenden Fall vier. Das Auftreten eines impulses an einem aer positiven Eingangsanschlüsse erhöht Jen Zähler um einen Pegel, wenn er im Zustand eins, zwei oder drei ist. Wenn der Zähler im Zustand vier ist, bleib¹, der Zustand unverändert, aber ein impuls wird am positiven AusgüHgsansch;uß abgegeben. Ähnlich wird dusch das Auttreten eines Impulse ^n einem der negativen Eingangsanschiüsse dei Zahler 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, so daß beim gleichzeitigen Auftreten von zwei oder mehr Impulsen an verschiedenen Eingängen keine Impn'sc verlorengehen, und die Ausgangsimpuise häuieu sie. mehl so ;_ltuk, daß der Rechner sie nicht auflösen kann. Das Eingangssignal de: Zählers ist P_M-rPs—Pi'~Pi,), aber die gemeinsame Frequenz L hebt sich auf, so daß wie gewünscht /„. + /_Λ■ — * ρ — /_υ übrigbleibt.

Die üeschv' digkeitskomponente querschiffs wird in der gleichen Weise durch Einspeisen der Signale des S- und C2-Kanals in die positiven Anschlüsse einec Zählers und der Signale des M- und P-Kanais in die negativen Anschlüsse bestimmt, um das Ausgangssignal /„ gemäß Gleicl.^ag (10) zu erhalten.

Die vertikale Geschwindigkeitskomponente :si etwas anders, da AL — P_M — P_NP,,-P_Q eingespeist werden müssen, um /„ entsprechend Gleichung (11) zu erhalten, d. h., 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 /_s, /„ und /„ proportional zu den Cjeschwindigkeitskomponenten auf den drei Schiffsachsen. Die drei Zähler sind ebenfalls in F i g. 5 abgebilde'.. Sie sollen als nächste ^K?schricbeii werden.

Der Differenzzä^Kler kann wie folgt erläutert werden. Er hat η positive Eingangsanschlüsse und k negative Eingangsanschiüsse plus einen nositiven unc¹ einen negativen Ausgangsanschluß. Impulsfolgen dei Frequenzen /,, /,, /₃ bis /,- werden in die positiver Eingangsanschlüsse und ^₁, g₂, g₃ bis g_k in die negativen Eingangsanschlüsse eingespeist. Die nächste Eingangsfrequenz beträgt

(43)

Ein Eingangspuls der Frequenz F so!! am positive Alisgangsanschluß erzeugt weiden, wenn F P'^iti

S₂- S₁ = P-M

m.

31 32

ist, und am negativen Ausganssanschluß, wenn F Ausgangsanschiuß im stationären Zustand auftreten, negativ ist. ~ Dann ist p = 0 und

Der Zähler kann eine endliche Anzahl S₀ von Zuständen S= 1, 2, 3 bis S₀ abnehmen. Jedesmal, wenn
ein Impuls an einem der positiven Eingangsanschlüsse 5
auftritt, wird der Zustand um einen Pegel angehoben, Jetzt ist die Gesamtzahl der in den posr:. en Em-

außer wenn S = S₀, in w .!ehern Fall er auf S₀ bleibt^ gangsanschluß / eingespeisten Impulse aber einen Impuls am positiven Ausganssanschluß

abgibt. Jedesmal, wenn ein Impuls an einem der ne- P₁ = //,· + Ai (-"

iiativen Eingangsanschlüsse auftritt, wird der Zu-

-ιand um einen Pegel abgesenkt, außer wenn S= 1 wobei Ai < 1 ist. Die Anzahl der in den negativen ist. in welchem Fall er auf 1 bleibt und ein Impuls Eingangsanschluß ι eingespeisten Impulse ist .ni negativen Ausgangsanschluß ..ngeeeben wird.

Ls soll jetzt ein geeigneter Dimensionierungswert für S_u bestimmt werden, ferner soll gezeigt werden,

daß der resultierende Ausgangsimpulszählerstand wobei Λ,- < ! ist. Daraus ergibt sich sich vom resultierenden Eingangszählerstand um
nicht mehr als S₁₁ 1 unterscheidet."

Es soll angenommen werden, daß zu irgendeinem
Zeitpunkt r—-(I der Zähler sich in seinem Anfangs- 20
j istand S₁ befindet. Zu einem etwas späteren Zeit-{■ nkt 1 ist er dann im Zu-tand S... P₁ soll die Anzahl oder
der in den /,-Anschluß während dieser Zeit eingespeisten Impulse sein, P., die Anzahl der in d.;i 1.,- S₂ "~ ^S. "^{: tF} " Ί ^Λ~ ^ + · ■ · ^ ^Ai ~~ ^f'i ~~ ;i Anschluß eingespeisten. 'M_x die Anzahl der in de"n 25
ι,'.-Anschluß eingespeisten. M., die Anzahl der in den.

M₁ = tg: - O₁

(51)

S₁-S₁ = IiI₁ -I₁+...
- A₁ - 'U'j -

-- m

ί,',-Anschluß eingespeisten usw. Dann ist

Der Term iF wird nicht größer als Null, und die Summe der übrigen Terme ist kleiner als j - k ■

P -- P₁ ■■ P.₂ ... P₁ (44) I

:^ahsr ist .V, .S₁ "kleiner als j + k + m. S,- .V₁ ist aber .■ine aanze Zahl. Wenn also keine negativen Impulse

30 eine ganze /.am. wenn atso Keine neg;i die Gesamtzahl der positiven Eincanesimpulse, und während d s In.crvalls abgegeben werden, so dab

m- π. ergib'. ■ -<± M Af₁ M., - ... - M_k (45)

civ Gesamtzahl der negativen Eiimannsimpu'^e. Alm-1 : soll /' die Gesamtzahl der Ausgangsimpilse am positiven Ausgangsanschluß und m di- Gi. s iintzahl .im neuativen Auscanc-ansehluß sein Fs versieht sich, daß

Sobald der Zähler einen Impuls am negative n Au*- uanüsanschhiß abgesehen hat und damit den Zustand \, 1 erreicht hat. kann der maximale Pcoe! nicht ■V:eiii übcrschreiton

S., -- S_x - [P ρ) (Λ/ m) (4rV> (P in)¹! (P MYi (S. - SJ ι ■: ;7)

S,.

W\. im also
V

k I ■ Λ\

k .

(5'S)

(i'?r für großes / nähenmgsweise Null wird. Zu einem beliebigen Zeitpunkt tritt ein Fehler \p d neu ^c'recke auf. der ciargesiellt wird durch

.V₁ S. r(p . _p:\ (p M).

gilt, wobei der Betrag des zweiten Terms reclits ge- 4; ringer als SJt ist. Die 1, uhierenrie Ausgan.sisfrci|;.enz

(p m)'t unterscheidet -ich daher von der resultie- gewählt w ird. gibt der Zähler niemals einen jn :tiven rcnden Eingangsfre(]ue!/ i/' Λ/) ,' um einen Term. Impuls ab. sobald der erste negative Impuls abge-

sieben worden ist. vorausgesetzt, daß F nicht größer

beliebigen Zeitpunkt tritt ein Fehler \p der gcfahre- 50 ^.Is Null wird. Nach e^:ne;n transicnten Signal könnte

er sehlimiiT-i·. nfalls nicht mehr als / : k 1 positive Imniilse al-u^ben. bevor ein negativer Impuls abge-ίΐί ^:v!i w ird.

Der Fall />!' führt zum gleichen Erfordernis die Differenz zwischen de: algebraischen Summe dor 55 niurdidi .S₁₁ / ■ A.

F.inoangsinipidse nnil der der Aiiseangsimpu'se. Die- D..raus i-t der Schluß zu eichen. 1. .■/· die Aii/di¹

scr I'ehler kann nicht größer al- S., 1 word η. dor Zu-'.jiu!e ausreicht, wenii sie gleich der Gesamt-

Dahcr s.'ll im !!''"enu ^:nen V₁₁ niögli· ' ' '.in ^e- ..\,i ' d r I ! nea · ■■--;i n->^ti;'--;. ist. Außerdem ist ;i.ihallen werd.-i. im , .11 ! e.hier und den A,/. i;ul an
F.inrichtuii'oen klein zu : 1 -11!011. !'in zweites 1 -'rd,·
nis besieht darin, daß im -tat^;on^:'T-/n Zustand d:e
Atis>j:müsimpulsL' an nur einem c.t :v:d ■· Au-gar.¹
anschlüsse auftreten sollen, tr : .· Αΐ"·ζ:. : d. · P.. Ί-neniiil·. ί hrec huniien !dein zu ii;;'.' ·τ. d.:- !!..if.'¹'' .'-,, -^I'
n-!('glich·-'. klein gewählt ".erde:¹ 'Mi die \n ·';:'
.AuSi¹MIi liiijiul·-·."· zu erh ■■''

I -oi; ziiei'.! / ■ i' .:ί.·-· ίιιί ■■ "·^; ' ^v s.. L-ev.ai'll werde; d ke'· !" '■■

■kv. -'big r.l· -rhau;' nachdem

■•id '■'>.<-

' ^!ii.-ile::uni;en eisichtlicli. daß hei /■ '■ 0 .N o-üan^sjnipulsc abgegeben werd."¹

i.:Viir,j; H. diUiiungi.il erreicht \u "ii.; .i ·. d... liie / di^! \, / · k d:. : Zu-U:' ,U r '· " hi" V\ ;se kann gezoi):; w eic;,·¹ 'vii ·.' ' ■' :.'>!\\ ond'c ais auch liinre;

H, ■■.;<

33 34

Takt, der durch die Tiefe oder die Entfernung des Komponenten entlang den Erdkoordinaten Norden,

Schiffs vom Boden bestimmt ist. Wenn der Doppler- Osten und Vertikale berechnet werden,

navigator zusammen mit einer Bodenvermessungsein- Für Navigation in tiefen Gewässern gibt dieses

richtung betrieben wird, gibt letzterer die notwendige Vorgehen noch eine gute Genauigkeit, da die Ande-

Information über die Bodentiefe. Falls das nicht der 5 rangen im Rollen, Stampfen und Gieren quasi-pe-

FaIl ist, bieten sich zwei andere Möglichkeiten an: riodisch sind und ihr Einfluß auf die Dopplerfrequcn-

ein einfaches Tiefenlot üblichen Aufbaus mit einem zen sich über Perioden, die langer als ein oder zwei

besonderen kleinen Wandler für eine andere Fre- Minuten sind, ausmittelt.

quenz oder eine Einrichtung zum Messen der Zeit des Wenn jedoch momentane Gescbwindigkeitsmes-Signaleintreffens in einem oder mehreren Strahlka- io sungen oder sehr genaue Durchschnittsgeschwindignälen der Dopplerempfänger. Letzteres Verfahren keiten benötigt werden, kann der Rechner so prohat den Nachteil, daß db Meßentfernungsbereiche grammiert werden, daß er dann ein- genauere Beder Dopplerstralilen wegen des Schiffsrofiens vari- rechnung wie folgt vornimmt. Bei Kenntnis der ieren. Auch ist die Sendeleistung, die zum Betreiben Schiffsgeschwindigkeit beim Senden kann die Doppder Dopplerstrahlen als Echolot erforderlich ist, viel 15 lerverschiebung, die zu diesem Zeitpunkt auftritt, begrößer als sonst benötigt. Die Ursachp dafür ist, daß rechnet und von dem beobachteten Wert subtrahiert die effektive Rausch-Bandbreite eines Empfängers, werden um die beim Empfang auftretende Verschiedie für Dopplernavigation erforderlich ist, viel schma- bung zu erhalten. Letztere erlaubt die Berechnung ler gemacht werden kann, als die zum Echolot er- der Geschwindigkeit beim Empfang. Näherungsweise forderliche. 20 kann für die Geschwindigkeit für die Anfangsperiode

Es soll hier angenommen werden, daß ein Hilfs- die scheinbare Geschwindigkeit genommen werden, tiefenlot vorhanden ist und daß die gemessene Tiefe die durch Vernachlässigen der Hin- und Rücklaufcodiert und zum Rechner übertragen wird, der für die echozeit erhalten wird.

Doppler-Datenverarbeitung benutzt wird. Bei Ver- Offensichtlich handelt es sich dabei um eine iteratvendung der oben angegebenen Berechnungen ergibt 25 ti ve Berechnung, bei der die Geschwindigkeit V(t) zu «ich, daß der Meßentfernungsbereich vom 1,12- bis irgendeinem Zeitpunkt r, der im Speicher gespeichert 2.-!4-fachen der Tiefe (gemessen durch ein Weitstrahl- ist, berechnet und t_c see später ais Eingangswert für echolot) variiert, wenn die Variation auf eine maxi- die Berechnung einer neuen Geschwindigkeit V{t-r r,) trial erlaubte Bodenneiguni; bei fehlendem Rollen zu- benützt wird, wobei /,. die Hin- und Rücklaufechozeit rückzuführen ist, oder vom etwa 1,18- bis 2faclu 30 ist. Das kann unbegrenzt oft wiederholt werden, um wenn sie auf maximales Rollen bei fehlender Boden- die Geschwindigkeit zu allen Zeiten zu bestimmen, neigung zurückzuführen ist. Daher tollte die Impuls- Der Rechnerspeichcr speichert die Geschwindigkeitsfolgeperiode P so gewählt werden, daß sie eine Echo- daten während der letzten t_c. see, fügt die neuesten Hin- und Rücklaufzeit E gleich dem 2,1 fachen des Daten hinzu und löscht die alten während des weite-Wertes E₀ ermöglicht, der beim Echolot beobachtet 35 ren Zeitablaufs. Möglicherweise überlagern sich Meß-Vird. Andererseits gilt P—-E+T, wobei T--P-4 die und Rechenfehler, weshalb es wünschenswert sein Impulslänge für eine Frequenz ist. Daher berechnet kann, eine gewisse Dämpfung der Berechnung vorlich die Periode zunehmen, damit die berechnete Geschwindigkeit

nicht zu weit von der 'scheinbaren« Geschwindigkeit.

P-- (4/3) E= (4/3) 2. 1 ZT₀ 40 dem aus den Dopplerwertcn durch Vernachlässigen

©der der Echoverzögeiungszeit erhaltenen Wert, abweicht.

P-- °, 8 E₀. Es soll noch eine weitere Schwierigkeit erwähnt

werden. Wegen der Änderung des Schiffsoris zwi-

Das ist die gesamte zu verwendende Foleeperiodc. sehen Senden und Empfangen unterscheide! sich die

Jede Frequenz wird während eines Vierteis dieser 45 Bahn des Scndeslrahls vom Schiff zum Boden etwas

£eit oder T-OJE₁₁ gesendet. Aul" das Senden von der des Empf:!iigsstrahls vom Boden zurück zum

•iner bestimmten Frequenz folgt ein Intervall Schiff. Insbesondre unterscheidet sich die Richtung

f) = 772 ==0,35E₀ zum Abklingen des Nachhalls. Die des Sendestrahls, wenn er das Schiff verläßt, etwas

Steuerglieder für diesen Frequenzkanal sind dann ein- von der des Empfangsstrahls. Die einfachste Lösung

{eschaltet und bleiben bis kurz vor dem nächsten 50 ist. einfach die Ortsänderung zu vernachlässigen, was

enden dieser Frequenz eingeschaltet. gewöhnlich zu hinreichend genauen Ergebnissen füh-

Der Rechner muß die Schiffsgeschwindigkeit oder ren wird. Wenn jedoch eine größere Genauigkeit er-

Uic clu'chfahrene Strecke bestimmen, wobei die forderlich ist, kann die scheinbare Geschwindigkeit

Popplerfrcquenzverschiebungen der vier Strahlen verwendet werden, um die Ortsänderung zu berech-

•der die üopplerdiffcrenzfrequcnzen /,, /„ und /„ ge- 55 nen. Für eine noch höhere Genauigkeit kann dann

{eben sind, die die Geschwindigkeiten auf den diei die berechnete Geschwindigkeit verwendet werden,

chiffsachsen darstellen. Zwischen Senden und Emp- um eine verbesserte Ortsänderung zu erhalten, es ist

fangen kann eine Änderung im Ort. der Lage und der aber sehr zweifelhaft, ob das noch notwendig ist.

Geschwindigkeit des Schiffs auftreten. In flachem In den Ansprüchen soll durch die Bezugnahme auf

.Vasser, \vu ._r,v Hin- und RücklaufcJiozeit kurz ist, ^6o die Verwendung der Frequenzdifferenz zwischen dem

kann diseer i.rekt vernachlässigt werden, so daß die Sendestrahl und dem Fmpfangsstrahl (z.B. bei Ver-

. "obachteten Frequenzdifferenzen /„, /„ und /„ direkt Wendung nur einer Strahlschnittstclle) nicht die Ver-

die Gesclivvindigkeitskomponenten entlang den wcndung der Differenz zwischen den F.mpfangsfre-

Schiffsachscn angeben. Wenn die Schiffslage (Roll- ouenzen diicki wie oben erläutert ausgeschlossen

winkel, Steigungswinkel und Steuerkurs) gegeben ist, 65 werden, wenn mehrere Strahlschnittstellen verwendet

können aus diesen Geschwindigkeiten sofort die werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Mit Schallwellen, insbesondere Ultraschallwellen, arbeitende Doppler-Geschwindigkeitsmeßanordnung für Schiffe mit mehreren von einem Sender gespeisten elektroakustischen Wandlern zum Aussenden von in mehreren Richtungen schräg nach unten verlaufenden Schallwellen und mit einem an entsprechend viele Hydrophone angeschlossenen Empfänger zum Empfang der dopplerfrequenzverschobenen Echowellen des Bodens und zum Bestimmen der Schiffsgeschwindigkeit durch Messung der Dopplerschen Frequenzverschiebung der Echowellen gegenüber den ausgesandten Schallwellen, wobei die auszuwertende Echozone jeweils durch den Überlappungsbereich des Sendestrahles mit der Empfangscharakteristik definiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektroakustischen Wandler an (16) in an sich bekannter Weise so ausgebildet sind, daß die Sendestrahlen Fächerform (SOR in Fig. 2; T₁T.,, T₁T₄, in Fig. 6) aufweisen, und daß in an sich bekannter Weise die Hydrophone (18) so ausgebildet sind, daß die Empfangscharakteristiken die Form eines quer zu der Richtung des Fächers des betreffenden Sendestrahls verlaufenden und diesen schneidenden Fächers (RJt.,,, K₄A₄., R₁R.., R._tR₃.) aufweisen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurrh gekennzeichnet, daß die Sendewandlei (16) kic^parallel angeordnet sind, derart, daß der Sendefächerstrahl (SOR; T_xT.,. 7.,T₄) querschiffs verläuft, und daß die Hydrophone (18) qucrschilTs angeordnet sind, derart, daß die Empfangsfächcrcharakteristik (RJi.,., RJi₄., R₁R₁., R_:,R-_r) etwa kielparallel verlauft.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine (SM oder SN) dei Fächerschnittstellen nach vorn und die andere (SP bzw. SQ) der Fächerschnittstellen nach achtern zeigt, so daß durch den Empfänger (20 bis 80) die Geschwindigkeit des ^-uifis (S) in Kursrichluiig bestimmbar ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die zwei Fächerschnittstellen (SM, SP bzw. SN, SQ) nur eine einzige gemeinsame Anordnung von Sendewandlcrn (16) vorgesehen ist, und daß der Wandleranordnung eine Strahisteuereinrichtung (12) zugeordnet ist. die eine Umschaltung der Phasendifferenz zwischen den Sendewandlern zum abwechselnden Steuern des Sendestrahls nach vorn (T₁7'.,) und achtern (T₁T₁) vornimmt.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß eine (SM oder Si') der Fächerschnittstcllcn in Backbordrichtung und die andere (SN bzw. SQ) der Fächerschnittstcllcn in Steuerboreinchtung zeigt, so daß durch den Empfänger (20 bis 80) die Abtriftgesdiv, indiuke>: ck-·* Schiffs (.V) bestimmbar ist.

o. Anordnung nach Anspruch 5 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß für die zwei Fächi-rschnittstcllcn (SM. SN b/w. SP. SQ) -r,\< ,'ine ·. ,nzige gemeinsame Anordnung von Hydrophonen (18) vorgesehen ist. und daß der Hydrophonanordnung eine CharaktcristikstciiereinrichUing (20) zugeordnet ist, die eine Umschaltung der Phasendifferenz zwischen den Hydrophonen zum abwechselnden Steuern der Empfangscharakteristiken nach Backbord (Rß.„ bzw. R₁R₁.) und Steuerbord (R_AR_r bzw. RgR₃ ^-) vornimmt.

7. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß je eine der Fächerschnittstellen in Backbordrichtung voraus (SM), in Steuerbordrichtung voraus (SN), in Backbordrichtung nach achtern (5P) und in Steuerbordrichtung nach achtern (SQ) zeigt, so daß sowohl die Kurs- als auch die Abtriftgeschwindigkeit des Schiffes (S) bestimmbar ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die vier Fächerschnittstellen (SM, SN, SP, SQ) nur eine einzige gemeinsame Anordnung von Sendewandlern (16) und nur eine einzige gemeinsame Anordnung von Hydrophonen (18) vorgesehen sind, und daß jeder der Anordnungen eine Strahl- bzw. Charakteristiksteuereinrichtung (12, 20) zugeordnet ist, die eine Umschaltung der Phasendifferenz zwischen den Sendewandlern bzw. den Hydrophonen zrm abwechselnden Steuern des Sendestrahls von vorn (T₁T.,) und achtern (T₃T₄) bzw. der Empfangscharakteristik nach Backbord (R₂R, und R₁R₁.) und Steuerbord (A₄R₄. und R₃R₃.) derart vornehmen, daß die gewünschten vier Fächerschnittstellen sich aufeinanderfolgend ergeben.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Sendesignal ein kontinuierliches Signal gesendet wird, und daß der Empfänger Fil'er (41 bis 44) zur Auswahl der Empfangsfrequenzen, Steuerglicder (31 bis 34) zum Ausblenden der ausgewählten Frequenzen, um den Nachhall klein zu halten, und Mischeinrichtungen (51 bis 54) aufweist, um die Frequenzen in eine gemeinsame Frequenz zur Verwendung in Zählern (74 bis 78) umzusetzen.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Scndcwandler (16) eindimensional, lineal angeordnet sind, wobei aufeinanderfolgende Elemente abwechselnd eine unterschiedliche Polarität aufweisen und an ein einziges Paar \on Anschlüssen angeschlossen sind, wodurch eine Ansprechverteilimg m : zwei fächerförmigen Strahlen (T₁T.,, T_xT₄) erzeugt ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydrophonanordnung (18; F i g. 10; F i g. 19) eine zweidimcnsionale, ebene Anordnung mit "^-Phasendifferenz ist, und daß alle Elemente an nur vier Anschlüsse (A, B, C, D; M, N, P, Q), also jedes vierte Element an denselben Anschluß der vier Anschlüsse, und an eine gemeinsame Riicklcitupg angeschlossen sind, wodurch Fächercharakterist ι ken erzeugt sind, die sich mit den Scndcfächerstrahlcn schneiden.

12. \m>rdnung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente der Mvdrophonanordnung in parallelen Zeilen nach vorn und achtern mit jeweils 120 Phasendifferenz in Vorder- und Achterrichtimg angeordnet sind, so daß alle Elemente auf jeder Vorder- und Achterzeile an nur drei Anschlüsse aiiM/hließbar sind.