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Verfahren und Einrichtung zur kartographischen Aufzeichnung diskreter
Hbhenlinien von Gewässer-, insbesondere Meeresbodenprofilen Die Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Einrichtung zur kartographischen Aufzeichnung diskreter Höhenlinien
von Gewässer-, insbesondere Meeresbodenprofilen mittels Echolotung von Bord eines
Schiffes aus und unter Verwendung einer elektrisch betätigbaren, vorzugsweise einer
mit elektro-sensitivem Papier arbeitenden Schreibvorrichtung, deren Schreibblattvorschub
vorzugsweise der Schiffsgeschwindigkeit proportional ist, und bei der quer zum Schreibblattvorschub
entweder eine Reihe von SchFibstiften fest angeordnet ist (Vielstiftschreiber) oder
ein einziger Schreibstift bewegt wird.
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Aus dem DBP 1.284.638 ist bereits eine Einrichtung zur kartographischen
Aufzeichnung von Wassertiefen auf Schiffen bekannt, die in der vorausgesetzten Art
ausgebildet ist und arbeitet.
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Als Schreibvorrichtung dient hierbei eine solche mit einem einzigen,
quer zum Schreibblattvorschub bewegten Schreibstift.
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Bei dieser Einrichtung, die eine Ueile von hinreichend vielen, über
eine breite Front quer zur Fahrtrichtung angeordneten Lotschwingern
voraussetzt,
wird mittels synchron umlaufender mechanischer Kontaktverteiler (dort Umschalter
genannt) jeder dieser Lotschwinger einem bestimmten Breitenabschnitt des Schreibblattes
zugeordnet. Mittels weiterer Kontaktverteiler wird eine Reihe von Kondensatoren
auf verschieden hohe Spannungen aufgeladen, von denen jede einem bestimmten Tiefenbereich
zugeordnet ist. Die der jeweils von einem der Lotschwinger geloteten Tiefe zugeordnete
Ladespannung wird mittels eines weiteren Kontaktverteilers einem Wechslstromgenerator
zugeführt, zu dem Zwecke, dessen Ausgangsspannung zu steuern, welche dem Schreibstift
als Schreibepannung zugeleitet wird. Auf diese Weise werden die verschiedenen Lottiefenbereiche
durch unterschiedliche Schwärzungsgrade der Aufzeichnung kenntlich gemacht.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, solche mechanisch arbeitenden
Einrichtungen mit ihren bekannten Nachteilen, nämlich ihrem entsprechenden technischen
Aufwand, Raumbedarf und Gewicht zu vermeiden und ein Aufzeichnungsverfahren der
vorausgesetzten Art zu ersinnen, das mit elektronischen Mitteln durchführbar ist.
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Dieses Verfahren besteht erfindungsgenäß darin, daß zum Loten ein
nacheinander oder gleichzeitig einen Fächer von Lotetrahlen mit quer zur Fahrtrichtung
des lotenden Schiffes ausgerichteter Fächerebene aussendendes Lotgerät, vorzugsweise
ein quasigleichzeitig arbeitendes Fächerlot, verwendet wird, daß ferner die Echoimpulse
jeder Lotrichtung des Strahlfachera in einem
besonderen, dieser
Lotrichtung zugeordneten Register eines Binärspeichers (Schieberegister, Ringkernmatrix
o.dgl.) gespeichert und alle Speicherregister am Ende der Lotperiode abgefragt werden,
und daß jede einer diskreten Höhenlinie zugeordnete Stufe (Auskoppelstelle) jedes
Speicherregister6 zum Zwecke der Abfrage mit einem der fest angeordneten Schreibstifte
bzw.
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mit dem quer zur Vorschubrichtung des Schreibblattes bewegten Schreibstift
(oder ggf. seinem Betätigungsorgan) verbunden wird.
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Abgesehen davon, daß elektronische Schaltmittel erheblich leichter
sind und weniger Raum beanspruchen als elektromechanische, hat das erfindungsgemäße
Verfahren noch einen anderen entscheidenden Vorteil: Es erfordert nicht die Anbringung
einer Lotschwinger zeile, die sich über die gesamte Breite des jeweils aufzuzeichnenden
Streifens des Gewässerbodens erstreckt; dies bedeutet, daß das die Aufzeichnung
durchführende Schiff nicht mit Auslegern ausgerüstet zu sein braucht. Der somit
eingesparte mechanische Aufwand ist beträchtlich.
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Die im Zuge des erfindungsgemaßen Verfahrens vorgeschlagene Fächerlotung
ist deshalb möglich, weil man den bei der Schräg lotung an sich entstehenden Tiefenmeßfehler
sehr leicht berücksichtigen kann, indem man gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung
der Erfindung jeweils das einem bestimmten, auf die Vertikale bezogenen Lotwinkel
d zugeordnete Speicherregist mit einer
Speichertaktfrequenz f =
fo cos a betreibt, wobei fo die Speichertaktfrequenz für die Vertikallotung bedeutet.
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Der hierfür erforderliche technische Aufwand besteht darin, daß man
für jede Lotstrahlrichtung ein Speicherregister vorsehen und, wenn man eine zur
Vertikalen symmetrische Ausrichtung des Lotfächer voraussetzt, für je zwei nach
links und rechts unter dem gleichen Winkel auszusendende Lotstrahlen eine besondere
Speichertaktfrequenz erzeugen muß. Wird also beispielsweise ein Fächer mit 20 Lotstrahlen
ausgesendet, so sind 20 Speicherregister und 10 verschiedene Takt frequenzen erforderlich.
Bei einem Fächer mit 21 Lotstrahlen, von denen der elfte genau vertikal gerichtet
ist, wären 11 verschiedene Taktfrequenzen nötig. Anstatt jede dieser Frequenzen
durch einen besonderen Oszillator zu erzeugen, könnte man selbstverständlich auch
einen Cberwelleiigenerator als Hutteroszillator vorsehen und die benötigten Frequenzen
aus dem Frequenzspektrum ausfiltern. In jedem Falle ist dies ein Aufwand, der in
der Elektronik als relativ bescheiden gelten kanr.
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Wollte man dagegen die eingangs erwähnte bekannte Einrichtung mit
Fächerlotung arbeiten lassen, so würde dies zii einem Mehraufwand ihren, der die
Apparatur unhandlich arld teuer macht, denn es müßten fünf der dort vorgesehenen
seclls Kontaktverteiler mit von Lotrichtung zu Lotrichtung geänderten Drehzahlen
angetrieben
werden. Dies setzt also der Anzahl der Lotrichtungen
entsprechend viele Antriebsmotoren oder ein vielstufiges Wechsel~ getriebe voraus.
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert.
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e zeigen die Abb.1 das schematisierte Schaltbild eines quasi-gleichzeitig
arbeitenden Iächerlotes, Abb. 2 eine Bilfsfigur zur Ermittlung der Zuordnung zwischen
den Auskoppelstellen der Schieberegister und den Schribstiften Abb. 3 ein vereinfachtes
Beispiel einer Schaltung zur Abfrage der Schieberegister Abb. 4 eine Verteilereinrichtung
für einen Einstiftschreiber.
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In der Abb. 1 ist SW ein Streifenwandler, d.h. eine Cruppe von (in
diesem Falle 6) Ultraschallwandlern, die zum Aucscnden der Lotsignale und auch zum
Empfangen der reflektierten Schosignale dienen.
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Soferii alle 6 Streifen gleichzeitig mit einem Lotimpuls beaufschlagt
werden, wird der Streifenwandler SW einen verhältnismäßig scharf gebündelten Lotstrahl
in Geradeauorichtung, d.h. auf der Normalen zur Wandleroberfläche aussenden. Sorgt
man jedoch dafür, daß die Streifen der Reihe nach, und war immer mit einer
gewissen,
gleichgroßen Zeitverschiebung beaufschlagt werden, so wird sich eine schräge verlaufende
Ultraschallwellenfront ausbilden; eß wird also ein Lotstrahl ausgesendet, dessen
Richtung von der Ceradeausrichtung um einen bestimmten Winkel abweicht.
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Die jeweils gewünschte Zeitverschiebung wird nit Laufzeitketten erzielt.
Um unnötigen Aufwand Fal vermeider, wird für einen Streifenwandler und einen bestimmten
Lotstrahlwinkel nur eine Laufzeitkette vorgesehen, die in gleichmäßigen, der Zahl
der Streifen entsprechenden Abständen angezapft iet. Sollen Schräglotungen unter
mehreren verechiedenen Winkeln ausgeführt werden so sind naturgemäß mehrere, entsprechend
verschieden bemessene Laufzeitketten vorzuseheni von denen die jeweils benötigte
eingeschaltet wird. Geschieht das Einschalten verschiedener, für monoton ansteigende
(oder kleiner werdende) Laufzeiten bemessener Laufzeitketten hinreichend rasch nacheinander,
ßo ist damit bereits ein quaai-gleichzeitig arbeitendes Echolot verwirklicht. Allerdings
darf die Weiterschaltung auf die nächote Laufzeitkette nicht vor dem Ende der Laufzeit
der gerade eingeschalteten Laufzeitkette erfolgen, jedoch wirft diese Bedingung
kein Problem auf, da in der Praxis folgende Werte vorliegen: Bei Lotstrahlwinkeln
von 360, 24Q, 120 und bei einem gegenseitigen Hittenabstand der Schwingerstreifen
von 36 xm betragen die erforderlichen Laufzeiten 98 µ sec. bzw. 70 µsec . bzw. 35
P sec.
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Die Weiterschaltung von einer Laufzeitkette auf die nächste erfolgt
dagegen (aus anderen1 hier nicht zu erörternden Gründen) jeweils erst nach etwa
200/usec. Aber auch unter dieser Voraussetzung würde die Aussendung eines 7-strahligen
Lotfächers (einschl. der Geradeausrichtung) nicht länger als 1,4 Millisekunden dauern
und kann daher gegenüber der Schallgeschwindigkeit im Wasser (1500 m/sec.) durchaus
als quasi-gleichzeitig gelten.
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In dem Schaltbild der Abb. 1 ist T ein Taktgeber, der sowohl den Sendegenerator
SG als auch den als Verteiler wirkenden Schalter S 1 triggert, welcher zwar als
mechanischer Schalter gezeichnet, aber elektronisch ausgeführt zu denken ist. SM
ist die sogenannte Sender-Matrix, welche zwei verschieden bemessen zu denkende Laufzeitketten
enthält. Jede dieser Laufzeitketten hat 6 Anzapfungen, die über die 6 Generatorendstufen
GE mit den 6 Streifen des Streifenwandlers SW verbunden sind. Der Schalter S 1 verbindet
in dem vom Taktgeber T vorgegebenen T&¼t den Sendegenerator SG nacheinander
mit den beiden Laufzeitkettens und zwar mit ihrem oberen Ende, sodann mit den Generatorendstufen
unmittelbar (Geradeauslotung) und danach wieder mit den Laufzeitketten, jedoch nunmehr
mit dem unteren Ende der Laufzeitketten und in umgekehrter Rcienfolge. Das Anschalten
an das entgegengesetzte Ende der Laufzeitketten hat zur Folge, daß die Lufzeitketten
in umgekehrter Richtung durchlaufen und somit die Streifen des
Streifenwandlers
SW in umgekehrter Reihenfolge nacheinander beaufschlagt werden, eo daß der Lotstrahl,
der vorher nach links ausgelenkt worden sein möge, nunmehr um denselben Winkel nach
rechts ausgelenkt wird.
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Einen mit der Sendermatrix SM übereinstimmenden Aufbau weist die Empfängermatrix
EM auf. Würde man zur Anzeige der empfangenen Echosignale eine Einstrahl-Kathodenstrahlröhre
verwenden, so müßte auch noch ein dem Schalter S 1 entsprechender Schalter S 2 (Empfangsverteiler)
vorgesehen werden, der die Horizontal-Ablenkelektroden der Kathodenstrahlröhre nacheinander
mit den 5 Ausgängen der Empfängermatrlx entsprechend den 5 Empfangsrichtungen zu
verbinden hätte, und zwar unter Anwendung einer sampling- und scanning-Technik in
vielen engen, waagerecht liegenden Zeilen.
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Im vorliegenden Falle soll jedoch jeder dieser Ausgänge mit dem Eingang
eines besonderen, diesem Ausgang und somit der entsprechenden Empfangsrichtung zugeordneten
Schieberegister fest verbunden werden. Daher ist hier ein Empfangsverteiler entbehrlich.
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Wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, 8011 jede einer diskreten Höhenlinie
zugeordnete Stufe jedes der an die Ausgänge der Empfängermatrix angeschlossenen
Schieberegister zum Zwecke der Abfrage mit einem der fest angeordneten Schreibstifte
verbunden werden. Anhand der in Abb. 2 gezeichneten iiilfsfigur läßt sich die erforderliche
Anordnung in elektrischer und geometrischer
Hinsicht ermitteln,
wie dies aus Gründen der Ubersichtlichkeit nur zum Teil durchgeführt ist.
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Hierin ist F ein Fächer von 20 Lotstrahlen, und H1 ... H4 sind vier
Höhenlinien. Die unterste Höhenlinie H4 entspricht der ausgeleuchteten Breite am
Meeresboden bei der größten Wassertiefe des jeweils gewählten Meßbereiches. Jeder
Strahl des Fächers F wird durch seine gestrichelt gezeichnete Strahlmitte repräsentiert,
wie dies für die ersten 3 Strahlen durchgeführt ist.
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Jedem der 20 Strahlen des Fächers F ist eines der Schieberegister
SR 1 ... SR 20 zugeordnet. Die durch die Pfeile an ihren unteren Enden angedeuteten
Eingänge der Schieberegister sind an die Ausgange einer entsprechend ausgebildeten
Enpfängermatrix angeschlossen zu denken. Jedes der Schieberegister weist so viele
Auskoppel stellen auf wie die Anzahl der aufzuzeichnenden Höhenlinien beträgt, im
vorliegenden Falle also nur 4. Lediglich aus Gründen der Anschaulichkeit sind die
Auskoppelstellen A1, A2, A3 bzw. A4 dort gezeichnet, wo die Höhenlinien H1 ... H4
die Darstellung der Schieberegister schneiden.
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TS ist eine quer um Schreibblattvorschub anzuordnende elektriach isolierende
Trageschiene, auf der die Schreibstifte SSt befestigt sind. Die Schreibstifte SSt
sind nicht gleichmäßig auf der Trageschiene TS verteilt und können es auch nicht
aein. Ihre Lage, d.h. ihr Abstand Lt von der Fächermitte berechnet sich nach der
folgenden
Formel: La = a . tg α . k Hierbei bedeutet a den Abstand zwischen aei Zentralpunkt
ZP und der Höhenlinie, welcher die Nadel zugeordnet ist, d den Strahlwinkel und
k den Abbildungsmaßstab.
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Die Werte für La lassen sich mittels der Hilfsfigur aber auch grafisch
ermitteln, nämlich dadurch, daß man immer von dem Schnittpunkt einer Hbhenlinie
mit der jeweiligen Strahlmitte das Lot auf die Darstellung der Trageschiene TS fällt.
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Jeder dieser Schnittpunkte ist im übrigen, wie in der Abbildung 2
teilweise durchgeführt, durch eine Abfrageleitung AL mit der der entsprechenden
Höhenlinie zugeordneten Auskoppelstelle des dem betreffenden Fächeretrahl zugeordneten
Schieberegisters zu verbinden.
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Da die Abb. 2 nur eine Hilfefigur, also kein eigentliches Schaltbild
darstellt, sind die Abfrageleitungen AL durchgehend gezeichnet. In der Virklichkeit
weist jede Abfrageleitung einen elektronisch steuerbaren Schalter auf, und zun Zwecke
der Ab frage werden alle diese Schalter gichzeitig auf Durchgang gesteuert Die Abb.
3 zeigt die Schaltungseinzelheiten an einem vereinfachten Beispiel mit 2 Schieberegistern
SRg und SR1, deren jedes
zwei Auskoppelstellen aufweist. Das Schieberegister
SRQ ist der Gereadeauslotung zugeordnet und wird daher von einem Taktgeber T0 mit
einer Schiebetaktfrequenz f0 getaktet. Diese Taktfrequenz fO ist gleich oder sogar
identisch mit der Frequenz des Taktgebers T in Abb. 1. Das Schieberegister SR1 dagegen
ist einer Lotstrahlauslenkung um den Winkel d 1 zugeordnet. Sein Taktgeber T1 erzeugt
dementsprechend eine Schiebetaktfrequenz f . cos a 0 Als elektronisch steuerbare
Schalter in den Abfrageleitungen AL01, AL11, AL02 und AL12 sind die Und-Tore UTO1,
UT11, UT02 und UT12 vorgesehen.
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Ausgelöst wird die Abfrage der Schieberegister durch den Nockenkontakt
NK, der am Ende jeder Lotperiode betätigt wird. Der Auslöseimpuls gelangt jedoch
nicht unmittelbar an die erwähnten Und-Tore, sondern zunächst an die Eingänge der
beiden monostabilen Multivibratoren MV1 und MV2. Deren Rückkippzeitkonstante bestimmt
die Dauer der Abfrage und somit den Schwärzungsgrad der Aufzeichnung.
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Wählt man also diese Rückkippzeitkonstanten unterschiedlich, so kann
man die verschiedenen Hohenlinien durch unterschiedliche Schwärzung kenntlich machen.
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In jede Schreibleitung ist ein Schreibverstärker 5V01, 5V111 3V02
bzw. SV12 eingeschaltet, dessen Schreibleitung zwecks Wählbarkeit des gewünschten
Schwärzungsbereiches einstellbar ist. Da die
Anzahl an hinreichend
gut unterscheidbaren Schwärzungstufen bekanntlich nicht sehr groß ist, sind noch
Schaltmittel für eine weitere Kennungsmöglichkeit vorgesehen. Diese weitere Kennung
besteht in einer periodischen Unterbrechung der Aufzeichnung.
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Zu diesem Zweck sind die astabilen Multivibratoren AM1 und AM2 vorgesehen,
die nach Schließung der Schalter SCH1 und SCH2 auf den einen Eingang des NAND-Tores
NAND 1 bzw. NAND 2 arbeiten.
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Auf den anderen Eingang Jedes dieser beiden NAND-Tore arbeitet einer
der monostabilen Multivibratoren MV1 und MV2. Die periodische Unterbrechung der
Aufzeichnung kommt nun dadurch zustande, daß jeder der von den Multivibratoren AM1
und AH2 abgegebenen Impulse während seiner Impulsdauer die NICHT-UND-Bedingung stört
und somit die Sperrung der NAND-Tore verursacht.
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Um auch hierbei zwei unterschiedliche Kennungen zu erzielen, wird
man die astabilen Multivibratoren AH1 und AM2 auf unterschiedliche Impulsfrequenzen
abstimmen.
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Die Abb. 4 veranschaulicht die Abfrage der Schieberegister im Falle
der Verwendung eines Einstiftschreibers. Hierin ist KV ein Kontaktverteiler, an
dessen Kontaktlamellen die Auskoppelstellen der Schieberegister SR1, Sir2, SR3 und
Sir, in geeigneter 3 S4 Zuordnung angeschlossen sind. Der Kontaktarm des Kontaktverteilers
KV ist mit der den Schreibstift SSt tragenden Gleithülse GH verbunden. Die Gleithülse
GH ist auf einer Gleitschiene GS verschiebbar gelager.
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Die Gleithülse GH mit dem Schreibstift SSt und der Kontaktarm des
Kontaktverteilers KV werden durch nicht weiter dargestellte Antriebsmittel in solchem
Verbund angetrieben, daß, während der Schreibstift SSt in der Richtung des gezeichneten
Pfeiles über die Aufzeichnungsfläche AF geführt wird, der Kontaktarm des Kontaktverteilers
KV alle seine Kontaktlamellen nacheinander überstreicht und somit die angeschlossenen
Auskoppelstellen nacheinander abfragt, indem er sie mit der Gleithülse GH bzw.
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dem Schreibstift SSt verbindet.
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Die rechte Hälfte des Kontaktverteilers KV ist nicht mit Lamellen
versehen, da sie von dem Kontaktarm während des Rücklaufes des Schreibstiftes SSt
überstrichen wird.
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Selbstverständlich könnte auch der Kontaktverteiler KV durch elektronische
Mittel verwirklicht werden. Dies ist jedoch nicht so unbedingt erforderlich, da
er ohnehin nicht schneller arbeiten darf, als es die Hechanik der Schreibvorrichtung
zuläßt.