DE2006152A1

DE2006152A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Unterschei dung zwischen Echosignalen von reflektieren den Korpern verschiedener Schallharte bei der Echolotung im Wasser

Info

Publication number: DE2006152A1
Application number: DE19702006152
Authority: DE
Inventors: Rolf 2800 Bremen Ziese
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1970-02-11
Filing date: 1970-02-11
Publication date: 1971-08-19
Also published as: SE363407B; FR2091959A1; FR2091959B1; DE2006152B2

Description

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FRIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT BESCHRnKKTu¹K HAFTUNG

in iissen

Verfahren und Vorrichtung zur Unterscheidung zwischen Echosignalen von reflektierenden Körpern verschiedener Schallhärte bei der Echolotung im "Wasser

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterscheidung zwischen Echosignalen von reflektierenden Körpern verschiedener Schallhärte bei der Echolotung im Wasser zu schaffen.

Bei der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von der bekannten Beobachtung aus, daß bei der Reflexion von Schallwellen Phasenanomalien auftreten, die auf unterschiedliche Schallhärten der reflektierenden Körper zurückzuführen sind. Bei Schallreflexionen an einem Medium mit kleinerer Schallgeschwindigkeit als Wasser, insbesondere bei Reflexionen an der Wasseroberfläche, tritt ein Phasensprung von l80 auf, während Reflexionen"an einem Medium mit größerer Schallge schwindigkeit als Wasser die Phase nicht beeinflussen. Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, diesen Effekt zu der ge wünschten Unterscheidung zwischen reflektierenden Körpern verschiedener Schallhärte mit Hilfe der Darstellung von Unter-

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schieden zwischen den von ihnen zurückkehrenden Echosignalen auszunutzen. Die erfindungsgeraäße Lösung der Aufgabe besteht darin, daß Sendesignale zur Echolotung verwendet werden, die wenigstens zwei verschiedene phasenstarr miteinander gekoppelte Bezugsschwingunrjen unterschiedlicher Frequenz enthalten, daß daraus hervorgehende Bezugsschwingungen von Echosignalen voneinander getrennt, ihre Phasenverschiebung gegenüber der Phasenlage der Bezugsschwingungen der Sendesignale vor der Reflexion gemessen und als Kriterium für die Schallhärte der* reflektierenden Körper benutzt wird.

Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß die durch einen reflektierenden Körper hervorgerufene Phasenverschiebung für die verschiedenen Bezugsschwingungen im wesentlichen gleich groß ist.

Zur Ausübung des neuen Verfahrens kann die Echolotsendeeinrichtung für Sendesignale ausgelegt sein, die wenigstens zwei phasenstarr miteinander gekoppelte Bezugsschwingungen unterschiedlicher Frequenz enthalten, während die Echolot-Empfangseinrichtung Mittel zum Trennen der Bezugsschwingungen voneinander enthält, an die ein Phasendiskriminator zur Messung der schallhärteabhiingigen Verschiebung der gegenseitigen Phasenlage der Echos der Bezugsschwingungen, bezogen auf die gegenseitige Phasenlage der Bezugsschwingungen bei der Aus-

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senduiig, angeschlossen ist.

Besonders übersichtliche Verhältnisse ergeuen sich, wenn die Frequenzen der Bezugsschwinpungen des Sendesignals ein Verhältnis von f = η · f. aufweisen, wobei der Faktor η ganz- i) zahliq ist und vorzugsweise den Wert 2 hat, und phasenstarr so miteinander gekoppelt sind, daß die Kulidurchgänge der ßezugsschvingüng niederer Frequenz mit.Nulldurchgängeri der L>ezu£sschwiiigung höherer Frequenz zusammenfallen.

In der echolot—Ernpf angseinrichtung kann im Phasendiskrimiiia— tor für die Bezugaschwingung niederer Frequenz ein Impulsformer vorgesehen sein, in dem die Bezugsschwingung niederer Freciu'enz in ein Vergleichssignal umgewandelt wird, dessen Frequenz der höheren Frequenz der anderen Bezugsschwingung entspricht und dessen Nulldurchgänge mit den l<ulldurchgärigen der anderen Bezugsschwingung zusammenfallen. Ein solches Ver^ gleichssignal kann in einer Vergleichsstufe mit der Bezugsschwingung der empfangenen höheren Frequenz verglichen werden. Für das vom Phasendiskriminator ausgegebene Ausgangssignal kann ein Littelwertbildner mit einer nachgeschalteten Schwel-2ö lenstufe vorgesehen sein»

Zweckmäßig erfolgt' die Echoanzeige in herkömmlicher Weise.

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durch eine Echoanzeigeeinrichtung, die an einem Empfangskanal für eine der Bezugsschwingungen, z.B. für die Bezugsschwingung der niederen Frequenz^angeschlossen ist.

Das aus dem Phasendiskriminator gewonnene Ausgangssignal läßt sich in einer Prüfstufe anzeigen und/oder zur Ableitung eines Steuersignals für die Echoanzeigeeinrichtung verwenden, um z.B. die Echosginale für die Anzeige mit einer entsprechenden Kennung zu versehen oder die Anzeige nur bei Echosignalen von interessierenden reflektierenden Körpern freizugeben.

In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel bei Lotung gegen die Wasseroberfläche veranschaulicht. Es zeigt

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Echolotvorrichtung

mit Einrichtungen zur Unterscheidung reflektierender Körper nach ihrer Schallhärte mit schall-

härteabhängiger Anzeige,

Fig. 2 das Schema eines Echosignals nach Reflexion an einem schallharten Körper und ein Spannungs-Zeitdiagramm über seine Verarbeitung in der Vorrichtung nach Fig. 1, und

Fig. 3 das Schema eines Echosignals nach Reflexion an einem schallweichen Körper und ein Spannungs-Zeitdiagramra über seine Verarbeitung in der Vor-

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richtung nach Fig. 1.

Zur Durchführung des Unterscheidungsverfahrens nach der Erfindung werden von einer Echolot-Sendeeinrichtung, bestehend aus einem Echolotsender 1 mit Sendeschwinger 2, Sendesignale S ausgesandt, die zwei phasenstarr miteinander gekoppelte Bezugs— schwingungen S₁ und s einer niederen Frequenz f und einer höheren Frequenz f„ enthalten. Diese Frequenzen haben vorzugsweise ein Verhältnis von f _ « η . f.. , wobei der Faktor η eine . ganzzahlige Größe ist. -

Die Nulldurchgänge der Bezugsschwingung S₁ niederer Frequenz f fallen mit dam Nulldurchgängen der Bezugsschwingung s„ höherer Frequenz f^ zusammen (vergl. Fig. 2.).

Bei der Reflexion des Sendesignals S « S₁ + s~ bleibt die gegenseitige Phasenlage der Bezugsschwingungen erhalten, wenn das reflektierende Objekt aus einem Medium mit größerer Schallgeschwindigkeit als Wasser W besteht; dagegen tritt eine Veränderung der gegenseitigen Phasenlage auf, wenn das reflektierende Objekt aus einem Medium mit kleinerer Schallgeschwindigkeit als Wasser W besteht. Dieser letztere Fall liegt insbesondere dann, vor, wenn eine Reflexion an der Wasseroberfläche mit Luft L als angrenzendem Medium stattfindet. Diese Veränderung der gegenseitigen Phasenlage ist darauf zurückzuführen,

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daß bei der Schallreflexion an einem Medium mit kleinerer Schallgeschwindigkeit als Wasser W ein Phasensprung von lou auftritt, während die Reflexion an einem Medium mit größerer Schallgeschwindigkeit als Wasser W ohne Phasensprung vor sich geht. Dieses unterschiedliche Verhalten tritt zwar gleicherweise für beide Bezugsschwingungen auf; da jedoch diese Bezugsschwingungen verschiedene/ Frequenzen f. und f aufweisen, entspricht der Phasensprung von IdO für die Bezugsschwingung niederer Frequenz entsprechend der größeren Wellenlänge einem größeren Laufweg im Wasser W als für die Bezugsschwingung der höheren Frequenz f_? mit der kleineren Wellenlänge.

Wie Fig. 2 zeigt, sind die Bezugsschwingungen s. und s des Sendesignals S phasenstarr so miteinander gekoppelt, daß bei jedem Nulldurchgang von S₁ auch eine positive Halbwelle von s beginnt. Bei einer Reflexion dieses Sendesignals S ■ s + s an einem schallharten Medium mit höheren Schallgeschwindigkeit als Wasser haben Bezugsschwingungen e. und e₂ eines Echosignals E die gleiche Phasenlage wie die Bezugsschwingungen S₁ und s im Sendesignal S.

Fig. 3 zeigt die gegenseitige Phasenlage der Bezugsschwingungen e. und e„ im Echosignal £ bei Reflexion des Sendesignals S an einem Medium mit kleinerer Schallgeschwindigkeit als Wasser W, z.B. bei Reflexion an Luft L über der Oberfläche des

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Wassers W. Dabei ergibt sich eine gegenseitige Phasenverschiebung von l8ö°, was einer halben Viellenlä»ge de Bezugsschwingung mit der höheren Frequenz f entspricht. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, beginnt bei jedem Nulldurchgang der Bezugsschwingung e, mit der niederen Frequenz f eine negative Halbwelle der Bezugssehwingung e. mit der höheren Frequenz f . Diese gegenseitige Phasenverschiebung wird in der Vorrichtung nach Fig. 1 gemessen und ausgewertet, um zwischen Echosginalen E an schallharten Objekten und Echosignalen E an schallweichen

Iu Objekten zu unterscheiden. Zu diesem Zweck sind in dem Echolotenipfanger 4 Bandfilter 5 und 6 für die Frequenzen f und f„ der beiden Bezugsschwingungen e. und e„ vorgesehen, die über einen Empfangsschwinger J5 dem Echolotempfänger 4 zugeführt werden. Aus der Bezugsschwingung e. niederer Frequenz f* wird in üblicher Weise über eine Hüllkurvendetektion mit Hilfe eines Demodulators 7 und eine anschließende Schwellenstufe 8 ein Echoauslöseimpuls Un für eine Echoanzeigeeinrichtung 9 erzeugt.

Von den Bezugsschwingungen e, und e„ abgeleitete Spannungen U und Ug an den Ausgängen der Bandfilter 5 und 6 werden einem Phasendiskriminator 10 zugeführt. Da die Phaseninformation aus den unterschiedlichen Nulldurchgängen der Bezugsspannungen e und e, bezogen wird, kann die Auswertung durch eine Begrenzerschaltung erleichtert werden. Deshalb werden die Spannungen U-

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-Οund IL· Begrenzerstufen 11 und 12 im Phasendiskriminator 10 zugeführt. Die Spannung U . der niederen Frequenz f gelangt in einen Impulsformer 13, in welchem aus der Spannung U.. mit der niederen Frequenz f. eine Spannung U der doppelten Frequenz f- abgeleitet wird, derart, daß bei jedem Nulldurchgang der Spannung U._n ein positiver Impuls erzeugt wird. Dadurch wird erreicht, daß die Spannung U₁- unabhängig davon, ob bei der Reflexion ein Phasensprung auftritt oder nicht, die gleiche Phasenlage hat. Diese Spannung U wird in einer Vergleichsstufe 14 mit der Spannung U aus der Begrenzerstufe 12 verglichen. Das Ausgangssignal U , der Vergleichsstufe 14 wird einem kittelwertbildner 15 zugeleitet, dessen Ausgang mit einer Schwellenstufe 16 zur Phasenerkennung verbunden ist. Das Ausgangssignal der Schwellenstafe 16 bzw. des Phasendiskriminators 10 gelangt in eine Prüfstufe 17 zur Ableitung eines Schallhärtesignals U _ für die Echoanzeigeeinrichtung 9.

Dieses Schallhärtesignal u\_ läßt sich außerhalb der eigentlichen Echoanzeigeeinrichtung 9 für beliebige andere Funktionen, beispielsweise in Form von weiteren Anzeige-, von Warn- und Steuersignalen verwerten.

Fig. 2a) veranschaulicht die Arbeitsweise des Phasendiskrimina-

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tors vergleichsweise für die Verarbeitung von Spannungen U_ und

IL· bei einer Reflexion an einem schallharten Medium, und ο

Fig. 3a) bei einem schallweichen Medium. Zur Unterscheidung sind die Spannungen für die Reflexionen an einem schallharten Medium mit ausgezogenen Linien dargestellt und mit dem Indsc Ii bezeichnet, während die Spannungen für die Reflexion an einem schallweichen Medium mit Strichlinien dargestellt und mit dem Index w bezeichnet sind. Wie zu erkennen ist, liefert die Vergleichsstufe 14 nur ein Ausgangssignal U.,, wenn die Reflexion ohne Phasensprung vor sich geht, weil der reflektierende Körper aus einem schallhärteren Medium besteht als Wasser.

Der Mittelwertsbildner 15 in Form eines RC-GIiedes mit der anschließenden Schwellenstufe 16 ist vorgesehen, um geringe Laufzeitunterschiede durch den Phasengang der Anordnung nicht als Phaseninformation zu werten. Ferner ist noch eine zusätzliche Steuerleitung 18 vorgesehen, durch welche die Schwellenstufe 8 mit der Vergleichsstufe 14 verbunden wird, um diese Vergleichsstufe 14 erst dann zu aktivieren, wenn ein Echo erkannt wird.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE!

{ 1./Verfahren zur Unterscheidung zwischen Echosignalen von reflektierenden Körpern verschiedener Schallhärte bei der Echolotung im Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß Sendesignale (S) zur Echolotung verwendet werden, die wenigstens zwei phasenstarr miteinander gekoppelte Bezugsschwingungen (β., a ) unterschiedlicher Frequenz (f.» f~) enthalten, daß daraus hervorgehende Bezugsschwingungen (e. , e_) von Echosignalen (E) voneinander getrennt, ihre Phasenverschiebung (Δ)?) gegenüber der Phasenlage der Bezugsschwingungen (s~, s_) der Sendesignale (S)^ vor der Reflexion gemessen und als Kriterium für die Schallhärte der reflektierenden Körper benutzt wird.
2. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Echolotsender (l) für Sendesignale (S) ausgelegt ist, die wenigstens zwei phasenstarr miteinander gekoppelte Bezugsschwingungen (».» ·₂) unterschiedlicher Frequenz (f., f_) enthalten, daß ein dazugehöriger Echolotempfänger (4) Mittel zum Trennen der beiden Bezugsschwingungen (e., e_) enthält, denen ein Phasendiskriminator (lO) zur Messung einer schallhärteabhängigen Phasenverschiebung (Af) der gegenseitigen Phasenlage der Bezugsschwingungen (e., e_), bezogen auf die gegenseitige Phasenlage der Bezugsschwingungen (s., s_?) der Sendesignale (S), nachgeschaltet ist, der zur Abgabe eines Schallhürtesignala (U₁₇) eingerichtet ist. ... 11

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3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen (f^, i^ der Bezugsschwingungen (S₁, S^) der Sendesignale (s) ein gegenseitiges Verhältnis von f„ = η . f besitzen, wobei der Faktor η ganzzahlig ist und vorzugsweise den Wert 2 besitzt, und daß die Nulldurchgänge der niederfrequenten Bezugsschwingungen (s ) jeweils mit einem Nulldurchgang einer Bezugsschwingung (s_?) der höheren Frequenz (f,) zusammenfallen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Phasendiskrirainator (lO) für die Bezugsschwingungen (e.) niederer Freauenz (f₁) ein Impulsformer (I3) vorgesehen ist, in dem die Bezugsschwingung (e.) niederer Frequenz (fj) iⁿ ein Vergleichssignal (U₁-) umgewandelt wird, dessen Frequenz der höheren Frequenz (f_?) der anderen Bezugsschwingung (e„) entspricht und dessen Nulldurchgänge mit mmm Nulldurchgängen der anderen Bezugsschwingung (e~) zusammenfallen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Phasendiskriminator (lO) eine Vergleichsstufe (14) für den Vergleich des Vergleichssignals (U₁-) mit den durch Begrenzung der höherfrequenten Bezugsschwingung (e ) in einer Begrenzerstufe (12) erhaltenen Ausgangsspannung (U₁₇) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß

ein Mittelwertbildner (15) für das Ausgangssignal (U..) der

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Vergleichsstufe (14) ^mit einer nachgeschalteten Schwellenstufe (l6) vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine herkömmliche Echoanzeigeeinrichtung (9) an einen Empfangskanal für eine der Bezugsschwingungen, z.B. die Bezugsschwingung (e.) der niederen Frequenz (f«) angeschlossen ist.

Ö. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangssignal (^₁,) am Ausgang des Phasendiskriminators (lO) in einer Prüfstufe (17) angezeigt wird und/oder zur Ableitung eines Schallhärtesignals (U₁₇) dient, welches zur schallhärteabhängigen Echoanzeige in der Echoanzeigeeinrichtung (9) und bei Bedarf als Steuersignal für andere überwachungseinrichtungen verwendbar ist.

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