DE2140257B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der zurückgelegten Fahrtstrecke eines Schiffs unter Ausnutzung des Dopplereffekts - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Messung der zurückgelegten Fahrtstrecke eines Schiffs unter Ausnutzung des DopplereffektsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der zurückgelegten Fahrtstrecke eines Schiffes unter
Ausnutzung des Dopplereffekts, bei dem Schallwellen einer gegebenen Frequenz impulsartig entlang mindestens
einer Richtung schräg zur vom Meeres- oder Seegrund gebildeten Reflexionsfläche ausgesandt werden
und bei dem in den Sendepausen zwischen den Impulsen die von der Fläche reflektierten Echosignale
empfangen werden und die Dauer einer bestimmten Anzahl von Schwingungen der ausgesandten Schallwellen
mit der Dauer derselben Anzahl von Schwingungen des Echosignals verglichen wird, woraus die zurückgelegte
Fahrtstrecke abgeleitet wird.
Zu diesen auf dem Fachgebiet bekannten Verfahren zählt auch dasjenige, Schallwellen kontinuierlich auszusenden
und diese Echos an Wandler-Empfängern, die ungleich den Wandler-Sendern sind, zu empfangen. Ein
wesentlicher Nachteil bei der kontinuierlichen Aussendung ist in der akustischen Kopplung zwischen Sendern
und Empfängern zu sehen. Unter dem Einfluß einer mechanischen Kopplung, von Verlusten beim Senden
und eventuell störenden Bewegungen wie Stampfen und Schlingern des Schiffes, empfangen die Empfänger
dauernd einen variablen Anteil von Signalen bei Sendefrequenz. Hierdurch wird das Dopplerfrequenzspektrum
ungünstig in der Breite gestreut; ein variabler Fehler beim Ermitteln der Mittelfrequenz dieses
Spektrums stellt sich ein, was sich in der Wiedergabetreue der Messungen ungünstig auswirkt.
Nach anderen bekannten Verfahrensvarianten werden Signale von einer Dauer, die in etwa gleich der
Dauer des Weges der Schallwellen zwischen Fahrzeug und Bezugsfläche entsprechend den schrägen Sende-
und Empfangsrichtungen sind, ausgesandt. Hier kann die Sendedauer stufenweise variiert werden, wenn die
Entfernung zwischen Fahrzeug und Bezugsfläche um bestimmte Größen, aber auch kontinuierlich zunimmt
oder abnimmt. Im letztgenannten Fall wird die Sendedauer proportional zu der das Fahrzeug von der
Oberfläche trennenden Entfernung. Diese Entfernung wird mit Hilfe einer Echosonde in der vertikalen oder
längs der Sende- oder Empfangsrichtungvn geortet. Die Empfangsdauer und damit die Folgeperiode der
ι ausgesandten Signale hängen von der Entfernung zwischen Fahrzeug und dieser Fläche ab.
Hier nutzt man den Vorteil beim Aussenden von Impulsen, daß ein einziger Wandler für jede Senderichtung
ausreicht; die Einflüsse der akustischen Kopplung, , die bei kontinuierlichem Aussenden beobachtet werden,
werden eliminiert.
Andererseits ist bekannt, daß beim Aussenden von Impulsen die Breite des auftretenden Bandes des
Spektrums der Sendefrequenzen umgekehrt proportional
der Sendedauer ist und eine Spektrallinienanordnung
umfaßt, deren Abstand umgekehrt proportional der Folgeperiode der Sendevorgänge ist. Da die
Sendedauer höchstens gleich dem Zeitintervall der Fortpflanzung der Signale auf dem Hin- und Herweg
zwischen Fahrzeug und Oberfläche ist, hat das mittlere Band des Sendespektrums eine variable Breite und
verbreitert sich, wenn dieser Weg abnimmt. Die Verbreiterung beeinflußt Qualität und Genauigkeit der
Messungen der Frequenz bzw. der Frequenzverschiebung.
Diese Nachteile der unerwünschten Verbreiterung des Frequenzspektrums sowie die oben erwähnten
Schwierigkeiten werden erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch
vermieden, daß die Impulspausen alle gleich lang sind und daß die mittlere Wiederholperiode aufeinanderfolgender
Sendeimpulse, bezogen auf eine bzw. berechnet bezüglich einer bestimmten Anzahl von Sende/Empfangszyklen,
konstant, d. h. unabhängig von Änderungen des Abstandes zwischen Schiff und Reflexionsfläche
gehalten wird.
Vorzugsweise wird der Startzeitpunkt für die Messung der Dauer der bestimmten Anzahl von
Schwingungen des Echosignals bezüglich des Beginns einer Impulspause um eine Zeitspanne verzögert, die
proportional zum Abstand des Schiffes von der Reflexionsfläche ist.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Diese Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß ein Synchronisator, der ein Bezugstaktsignal hoher Frequenz,
bezogen auf die Schallwellen, erseugt, sowie Phasenregelungsglieder vorgesehen sind, mit denen die
Frequenz der Echosignale ermittelt wird, und daß in den Frequenzmessern Zähler vorgesehen sind, mit denen die
Anzahl der Taktimpulse des Bezugstaktsignals gemessen wird, die während der Dauer der bestimmten Anzahl
von Echosignalperioden auftreten, und zwar getrennt für jede Richtung.
Varianten des obengenannten Verfahrens ermöglichen es, Meßfehler zu beheben, die man beobachtet,
wenn die Tiefe die kritischen Werte erreicht hat, für die die bendedauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Impulspausen benachbart oder im wesentlichen gleich der Fortpflanzungsdauer der Signale zwischen Schiff
und Meeresgrund ist.
Die Erfindung bietet hier vorzugsweise die folgenden
Möglichkeiten:
a) zusätzliche und unregelmäßige Sendepausen zwischenzuschalten,
während deren man die Messungen vornimmt, wenn die konstante Foigcpcriodc
zwischen den Sendepausen im wesentlichen gleich der Fortpflanzungsdauer der Signale ist:
b) auf zwei Sendepausen eine zwischcnzuschicbcn. wenn die Sendedauer der Signale im wesentlichen
benachbart der Fortpflanzungsdauer der Signale ist;
c) eine Messung zu annulieren, wenn die Sendedaucr der Signale zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Sendepausen im wesentlichen gleich der Fortpflanzungsdauer der Signale wird und die folgende
Sendepause zu verzögern.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die Zeichnungen näher
erläutert werden, in denen
Fig. 1 die Anordnung eines Sende- und Empfangsstrahls für den Sonderfall einer Anwendung der
Erfindung auf ein Wasserfahrzeug zeigt;
Fig. 2 Chronogramme der verschiedenen durch die
benutzte Vorrichtung erzeugten Signale erkennen läßt:
Fig.3 die Anordnung der Sende- und Empfangsstrahlen, welche eine Bestimmung der Verschiebung des
Fahrzeugs nach zwei orthogonalen Richtungen ermöglichen, erkennen läßt;
Fig. 4 schematisch die Sendeanordnung für die Signale zeigt:
F i g. 5 schematisch eine Empfängeranordnung für die Signale erkennen läßt;
F i g. 6 schematisch die Vorrichtung zeigt, welche außerhalb der Empfängeranordnung ausgesandte Signale
zurückweisen kann; und
F i g. 7 schematisch den Synchronisator erkennen läßt, welcher sequentiell die Operationen steuert, die
von der Sender-Empfängereinrichtung auszuführen sind.
Nach Fig. 1 umfaßt das Fahrzeug wenigstens eine Sender-Empfängervorrichtung, die beispielsweise an
dessen Rumpf befestigt ist.
Die Achse des Sender-Empfängerwandlers für die Schallwellen befindet sich beispielsweise in einer
vertikalen Ebene, die die Längsachse des Fahrzeugs einschließt und einer bezüglich der Vertikalen geneigten
Richtung folgt, die in diesem Fall als Bezugsrichtung dient. Man bezeichnet mit β den durch die Richtung des
Sendestrahls mit der Vertikalen gebildeten Winkel^und ρ die Projektion des Geschwindigkeitsvektors V des
Fahrzeugs auf die Achse des Sendestrahls.
Bekanntlich ist dann, wenn AF die Abweichung zwischen der Frequenz der akustischen ausgesandten
Wellen und derjenigen nach Streuung durch die unter Wasser befindliche Reflexionsfläche empfangenen
Schallwellen ist ρ mit dieser Abweichung verknüpft durch die Beziehung:
Aus Zwcckmaßigkcitsgründcn hat man den Winkel β
gleich 30° gewählt. Die während eines Zcitintervalls Δι
durchfahrene Entfernung ist dann gleich
Das in Fig. 2a dargestellte Chronogramm zeigt, daß
die Schallwellenemission gebildet wird durch eine Aufeinanderfolge von Sendeimpulsen En, En. ι etc..
wobei jeder eine Dauer von ή hat und diese durch Sendepausen einer konstanten Dauer γ getrennt sind.
Mit Γ bezeichnet man die Folgeperiode der Signale
und mit Fn und 7Ii jeweils die Frequenz und die Periode
der die Emission bildenden Schwingung.
Die durch den Wandler (Darstellung 2b) empfangenen Echos Rn, Rn
> ι werden durch Signale der Frequenz F' und der Periode T' gebildet und bezüglich der
entsprechenden ausgesandten Signale (£„, En. \ etc )
um ein Zeitintervall gleich dem Fortpflanzungszeitintervall
der ausgesandten Signale auf dem Fahrzeug und Oberfläche trennenden Hin- und Herweg verzögert.
Während einer beliebigen der Unterbrechungen von der Dauer γ wird die Empfangsdauer für eine bestimmte
Anzahl JV' von Perioden des gleichzeitig mit dieser Unterbrechung empfangenen Signals bestimmt und zur
gleichen Zeil die Dauer der gleichen Anzahl N' von Perioden des Signals bei der Emissionsfrequenz F,t
festgelegt.
Diese Zeildauern werden berechnet ausgehend von der Periode J0 eines Signals der Frequenz Λι, die gleich
einem Vielfachem derjenigen des ausgesandten Signals ist. So wählt man beispielsweise
und bezeichnet mit N\ und /Vn jeweils die Anzahl von
Perioden ta, welche in N' Perioden des empfangenen
Signals und des ausgesandten Signals liegen.
Die Dopplerfrequenzabweichung AF zwischen der
Frequenz F'der empfangenen Signale und der Frequenz Fo der ausgesandten Signale ist noch gleich:
IF =
r f„
eine einfache Transformation, welche vorgenommen wird, indem man die oben bezeichneten Größen
berücksichtigt, ermöglicht es, die Beziehung (5) in eine Beziehung der Gestalt umzuformen:
IF =
N0-N1
N1N0
JV
„ = ^ IF (1) Nähert man N^N0 # JV5. was praktisch gerecht-
2 fertigt ist. so läßt sich die Beziehung (6) schreiben in
wobei die Wellenlänge der im Wasser ausgesandten bn Form von:
Signale ist
Da die Projektion von ρ= V · sin ß, ist die Geschwin- N-N 1
digkeit des Fahrzeugs mit AF verknüpft durch die IF # -——- ■ -ψ- (7)
Beziehung:
Nn
T0
V =
'■o
\F
2sin/i
wenn man Gleichung (1) berücksichtigt
wenn man Gleichung (1) berücksichtigt
(2) wenn man das die Größen N0 und JV' verknüpfende
Verhältnis berücksichtigt.
Unter Benutzung der Beziehung (3) drückt man
die vom l-'ahr/euj! wiihrend des Zeilinterv;ills /'
durchlaufende Hntl'ernitnu ;uis nls:
Wenn m;m set/I:
und wenn man darüber hinaus ein konstantes Verhältnis zwischen der Folgeperiode /' und der Dauer des
Meßzeitintervalls der Zahl N' von Perioden des Signals bei Emissionsfrequenz R, beibehält, d. h. wenn das
Verhältnis:
.V
2 ".V
IK)I
konstant isl. Die Gleichung (SI IiHM sich d;inn einfach
schreiben ;ils:
(II)
Wie man aus der graphischen Darstellung bin Fi g. 2
erkennt wird der Sender-Empfänger-Wandler während eines gewissen Bruchteils der Folgeperiode Γ gleichzeitig
durch die ausgesandten und durch die empfangenen Signale aktiviert. Die während der Unterbrechung der
Emissionen vorgenommenen Messungen beziehen sich jedoch nur auf die Echosignale der ausgesandten
Signale.
Man erkennt ebenfalls, daß die Echosignale Rn, An+1
etc.. der ausgesandten Signale zeitlich um ein Intervall gleich der Fortpflanzungszeit für Hin- und Hergang
T.\K. proportional der Entfernung zwischen Fahrzeug und unter Wasser befindlicher Oberfläche verschoben
sind. Ist TiR im wesentlichen gleich oder angenähert der
Folgeperiode der ausgesandten Signale, so befinden sich die Unterbrechungen zwischen den aufeinanderfolgenden
Signalen in vollständiger oder teilweiser Koinzidenz mit den Unterbrechungen zwischen den aufeinanderfolgenden
ausgesandten Signalen. Diese Störungen stellen sich ein, wenn die Entfernung zwischen Fahrzeug
und Boden gleich oder einen Vielfachen einer kritischen Entfernung proportional Γ ist. Bei jeder dieser
Tiefenabstufungen, die im folgenden durch »kritische Abstufungen« bezeichnet sein sollen oder in deren Nähe
besteht Gefahr, daß die Messungen verfälscht werden.
Einer der wichtigsten Punkte des Verfahrens besteht darin, während jeder der Unterbrechungen der
Emission und entsprechend der oder den Emissionsrichtungen ein Echo-Sondensignal In kurzer Dauer (Darstellung
2 c) auszusenden. Man bestimmt den Ankunftsaugenblick dieses Signals bezüglich eines Bezugszeitintervalls,
welches hinsichtlich jeder der Emissionsunterbrechungen festgelegt und von einer Dauer größer als diese
(Darstellung d und e) ist Wenn das Echo /'„ des
Echo-Sondierungssignals in diesem Bezugsintervall, jedoch vor dem Beginn eines der Unterbrecherintervalle
der Emission des Signals En beispielsweise einlangt
hat die Entfernung zwischen Fahrzeug und Bodenfläche einen Wert benachbart dem eines der Tiefenabstufungen.
Um die hieraus möglicherweise resultierenden Meßstörungen zu vermeiden, verlängert man die
Emissionsdauer des Signals um ein Zeitintervall das ausreicht, damit die Messung an einem regelmäßigen
Teil des Echos Rn beispielsweise (Darstellung f)
ι vorgenommen werden kann.
Um eine mittlere Folgeperiode zwischen den aufeinanderfolgenden Emissionen £„, E,M ι etc. ...
konstant zu halten und so die Berechnung der vom Fahrzeug durchlaufenen Entfernungen zu erleichtern,
Ii kürzt man die Dauer des folgenden ausgesandten
Signals, beispielsweise E',M i,ab.
Wenn V und Γ" zwei aufeinanderfolgende Folgeperioden
bedeuten, so wählt man Γ" derart, daß:
(12)
Man wiederholt den Vorgang so viele Male wie das Fahrzeug bei einer kritischen Stufe befindet.
Stellt man keinerlei Koinzidenz zwischen dem Bezugszeitintervall und dem Echo der aufeinanderfolgenden
Echosondierungssignale fest, so hält man natürlich den Wert der Folgeperiode Γ konstant.
Im kritischen Fall, wo das Echo eines der Echo-Sondierungsimpulse
/„ sich wenigstens in Teilübereinstimmung mit einem der Unterbrechungsintervalle γ
befindet, d. h. wenn die Entfernung zwischen Fahrzeug und Meeresbodenoberfläche fast gleich der Tiefe einer
der kritischen Stufen ist, wird die durchgeführte Messung völlig verfälscht.
Eine erste Variante des Verfahrens besteht darin, die Aufzeichnung der Messungen so viele Male zu
unterdrücken, wie die Koinzidenz festgestellt wurde und das Ergebnis der ersten exakten Messung, die außerhalb
dieser kritischen Stufe vorgenommen wurde, mit der Anzahl der annulierten Messungen zu multiplizieren, um
das Verhältnis zwischen der Folgeperiode Γ und dem Meßzeitintervall konstant und gleich 2'-' zu halten.
Nach einer zweiten Variante des Verfahrens führt man die Operation analog der vorherbeschriebenen
durch. Wenn Koinzidenz zwischen einem Intervall γ und dem Echo des Echo-Sondierungssignals beobachtet
wird, verlängert man die Dauer des folgenden ausgesandten Signals, beispielsweise En, derart, daß eine
korrekte Messung während des folgenden Zyklus vornehmbar ist. Man hält die mittlere Dauer des auf
zwei folgende Perioden berechneten Intervalls Γ auf einem konstanten Wert. Darüber hinaus multipliziert
man mit zwei das Ergebnis der korrekten Messung bis zu dem Augenblick, wo man keine Koinzidenz mehr
beobachtet.
Nach einer dritten Variante des Verfahrens, wenn eine Koinzidenz zwischen einem Intervall γ und dem
Echosignal des Echo-Sondierungssignals beobachtet wird, unterbricht man während der Emission das
■folgende ausgesandte Signal (beispielsweise En auf der
Darstellung h) und nimmt während dieser zusätzlichen Unterbrechung die Frequenzmessung an einem nichtgestörten
Teil des Echosignals vor. Man erhält die Dauer γ jedes Signals konstant und schiebt eine zusätzliche
Unterbrechung während jeder der folgenden Perioden zwischen, wo man eine Koinzidenz ermittelt In diesem
Fall läßt man, um zu vermeiden, daß die Unterbrechung des empfangenen Signals entsprechend der zusätzlichen
Unterbrechung, die während der Emission des Signals En beispielsweise vorgenommen wurde, mit der zusätzlichen
Unterbrechung zusammeniFallen kann, die während der Emission des Signals E„+\ durchgeführt wurde, die
Folgeperiode T dieser zusätzlichen Unterbrechungen
variieren, indem man bei jeder Emission die Augenblikke f,, tu ι aufeinanderfolgender Unterbrechungen variieren
läßt.
Ein anderer wichtiger Punkt des Verfahrens besteht darin, den Augenblick h des Meßbeginns dem Augenblick
t\ des Beginns jedes Zeitintervalls γ derart zuzuordnen, daß eine räumliche Filtrierung der
empfangenen Frequenzen vorgenommen wird. Nach F i g. 1 sieht man tatsächlich, daß die entsprechend einer
der Richtungen ausgesandten Signale, die in der Sekundärschleife, deren Achse benachbart der Vertikalen
ist, liegen, vom Dopplereffekt nicht oder wenig beeinflußt sind. Die Ermittlung des Echos dieser Signale
von einer Frequenz gleich oder benachbart der der Emissionsfrequenz bringt eine Verbreiterung des
Dopplerfrequenzspektrums gegen diese mit sich.
Es stellt sich ein Fehler durch eine Verfälschung in der Messung der mittleren Frequenz des ermittelten
Spektrums und damit eine Meßstörung ein. Diese Verfälschung ist besonders beachtlich bei einem an der
Oberfläche befindlichen Schiff, daß sich in bewegtem Wasser fortbewegt, hinsichtlich der Messung, wo eine
Verminderung des Winkels β unter dem Einfluß des Schlingerns für eine Verstärkung der Amplituden der
Signale sorgt, deren Frequenz zwischen der Emissionsfrequenz Fo und der Frequenz F+/1F liegt, die
normalerweise in der durch β definierten Richtung beobachtet wird.
Man beobachtet, daß die Laufzeit für Hin- und Hergang zwischen Fahrzeug und Oberfläche der
akustischen ausgesandten Wellen entsprechend der Vertikalen gleich:
kung der Bezugsfläche unabhängig von deren Neigung bezüglich der Achsen des Fahrzeugs. Die für die
Pyramide gewählte Form ist nicht begrenzt. Man kann natürlich die Achsen der Wandler derart orientieren,
, daß die Pyramidengrundfläche rechteckf jrniig oder beispielsweise rauten- oder rhombusförmig ist. Man
geht zur Messung der Frequenzabweichung aufgrund des Dopplereffekts über, indem man direkt die
Frequenzen der entsprechend den Richtungen OB und in OA einerseits und Oßund OCandererseits reflektierten
Signale subtrahiert.
Bezeichnet Fn + AF und Fn-AF beispielsweise die
Frequenzen F« und Fi der entsprechend OB und OA
empfangenen Richtungen, so mißt man:
Ti« = F11-FA = 2 IF (14)
Mit den gleichen Bezeichnungen wie sie oben
definiert wurden, zeigt man einfach, daß die vom
in Fahrzeug während des Zeitintervalls Γ entsprechend
der Achse Oi durchfahrene Entfernung F./·, sich
schreiben läßt als:
\T =
2Z
(13)
Eine wirksame räumliche Filtrierung, die es ermöglicht,
den Einfluß der in einer Richtung benachbart der Vertikalen ausgesandten Signale zu eliminieren, wird
erhalten, indem man den Augenblick f2 für das öffnen
des Meßfensters um ein Intervall gleich Δ t bezüglich des Augenblicks fi (F i g. 2) verzögert.
Dieses Intervall At kann berechnet werden, indem
man die Messung der Fortpflanzungszeit für Hin- und Hergang der Echo-Sondierungsimpulse benützt, welche
in den Unterbrechungszeitintervallen ausgesandt wurden.
Fig.3 zeigt den Verlauf der Emissionsrichtungen
einer Anordnung aus Sender-Empfängerwandlern, die es erlaubt, einerceits den Einfluß der Schlinger- und
Stampfbewegungen zu eliminieren oder zu vermindern und die Messunp des durchfahrenen Raums entsprechend
zwei orthogonalen Richtungen vorzunehmen.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens arbeitet ausgehend von drei Wandlern, deren Achsen
parallel zu drei Kanten (OA, OB, OC beispielsweise) einer Pyramide mit quadratischer Grundfläche orientiert
sind, die darüber hinaus symmetrisch bezüglich der Vertikalen ist Man bezeichnet mit ω den gemeinsamen
Neigungswinkel der Emissionsachsen bezüglich der Vertikalen. Die Seiten AB und BC sind entsprechend
zwei Achsen parallel zur Längsachse und zur Querachse des Fahrzeugs angeordnet Diese Anordnung ermöglicht
eine günstige Kompensation der Störeffekte durch Stampfen und Schlingern. Sie sorgt ebenfalls für eine
günstige Kompensation der Neigungs- oder Gefällewir-E1x It Xn[N2-N1)I"
(15)
Man zeigt auf die gleiche Weise, daß die vom Fahrzeug während des gleichen Zeitintervalls längs der
Achse Oy durchfahrene Entfernung F./·, sich anschreiben
läßt als:
(16)
Unter diesen letztgenannten Bedingungen bezeichnen A/i, Afc und A/s die Anzahl von Perioden to innerhalb
j-, der A/-Perioden der jeweils entsprechend OB. OA, OC.
empfangenen Signale; k bezeichnet einen Koeffizienten, der sich vom Koeffizienten ρ (siehe Gleichung 10)
herleitet nach der Beziehung:
wo k' ein Proportionalitätsfaktor abhängig von der Geometrie der Emissionsachsen ist.
Die entsprechend den Richtungen OA, OB, OC
4-> festgestellten Frequenzabweichungen sind nämlich proportional den Projektionen des Geschwindigkeitsvektors auf diese und damit sin ω. Der Koeffizient k'
hängt ab vom Verhältnissen zwischen den Werten der Winkel β und ω. Aus Vereinfachungsgründen kann man
den Wert des Winkels ω derart wählen, daß k einfach gleich (ρ—1) wird.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist eine Emissionsanordnung, eine Empfänger- und
Rechner-Anordnung und einen Synchronisator zum Koordinieren der verschiedenen Funktionen dieser
Anordnungen auf.
Die in F i g. 4 dargestellte Einrichtung umfaßt einen Oszillator 2, welcher Schwingungen von der Frequenz
Fi sowie Schwingungen von der Frequenz F0 erzeugt,
welche jeweils als Echo-Sondierungssignale und als Meßsignale für den Dopplereffekt verwendet werden.
Ein vom Synchronisator gesteuerter Modulator 3 läßt die Signale von der Frequenz F0 während der
aufeinanderfolgenden Intervdle δ passieren, genauso
b5 wie die Signale von der Frequenz Fi, während
Intervallen von einer Zeitdauer die kleiner als die der Unterbrecherzeitintervalle y der Emissionen sind
Signale, die aus dem Modulator kommen, speisen drei
Eniissionswege, die jeweils durch einen Verstärker, den
sogenannten »Driver« (3a. 3b und 3c). einen Leistungsgenerator
(4a, 4b und 4c) und einen Wandler (5;i, 5b und
5c) gebildet sind. Die drei Wandler sind in den durch F i g. 3 definierten Richtungen orientiert. ί
Die in Fig. 5 dargestellte Empfängereinrichtung umfaßt drei Empfängerwege, die mit den drei Wandlern
verbunden sind. Jede hiervon umfaßt in Reihe und hintereinander einen Vorverstärker (6a, 6b und 6c), eine
Krequenzfolgeschaltung (7a. Tb und Tc) und ein m
Frequenzmeßgerät (8a, Sb und Sc) welches die Anzahl N], Ni oder Ni von Impulsen bei Taktfrequenz 2"Fu,
ausgehend von einem durch ein Signal der Größenordnung DM definierten Augenblick, zählt. Letzteres
genauso wie die »Taktimpulse« wird durch den ι;
Synchronisator 1 erzeugt. Die Frequenzmesser 8a und 8b sind an eine Summiereinrichtung 10 angeschlossen,
welche die Subtraktion der Impulse Λ/ι und /VS vornimmt. In gleicher Weise werden die Frequenzmeßgeräte
8a und 8c an eine Summiereinrichtung 11 .>u
angeschlossen, welche die Subtraktion der Impulse N]
und Nt vornimmt. Diese Anschlüsse werden über drei
UND-Torschaltungen 9a, 9b und 9c vorgenommen,
welche durch ein Signal DTgeöffnet werden, das durch den Synchronisator 1 erzeugt wurde. Dieses Signal DT r>
wird nur erzeugt, wenn die Signalechos der Echo-Sondierungssignale nicht mit den Zeitintervallen γ (siehe
Fig.2) koinzidieren. Die Empfängeranordnung umfaßt
auch zwei Anzeigeeinrichtungen 12 und 13, die an die Summiereinrichtungen 10 und 11 angeschlossen sind, in
welche die Differenzen N]-N2 und N2-Ni in Entfernungsanzeigen
umformen und sie in gewählten Einheiten anzeigen.
Eine der Besonderheiten der Empfängeranordnung ist in der Anwendung des Zählens bei Hochfrequenz zu r>
sehen. Man berechnet die Frequenzen der aus den Wandlern 5a, 5b und 5c austretenden Signale direkt und
unabhängig voneinander und nicht die Frequenzen der Niederfrequenzsignale, welche durch Demodulation der
empfangenen Signale erhalten wurden. 4»
Diese Zählung ermöglicht eine Erhöhung der Meßgenauigkeit
In dem Fall, wo die Emissionsachse und die Empfangsachse zusammenfallen oder für den Fall, wenn
die entsprechend den drei Achsen vorgenommenen Messungen voneinander unabhängig sind, wird eine
Summiereinrichtung, beispielsweise 10 oder II, an jede
Ausgangsklemme der Torschaltungen 9a, 9b und 9c angeschlossen. Diese Summiereinrichtungen subtrahieren
von den Zahlen N\, N2 und N3 eine Zahl N0 (siehe
Gleichung 11) vom Impulsen die von einem Oszillator von einer Frequenz gleich der für die Emission
verwendeten geliefert werden.
Eine andere Besonderheit der Empfängeranordnung ermöglicht es, nur einen einzigen Wandler für jede
Emissions- und Empfangsrichtung der Echo-Sondierungssignale und der Frequenzmeßsignale zu verwenden.
Man wählt für die Frequenz F\ der Echo-Sondierungssignale eine für die Wandler charakteristische
zweite Frequenz. eo
Der in F i g. 6 dargestellte Schaltkreis verbindet einen
der Sender, 4a beispielsweise mit dem Wandler 5a und mit dem Eingang des entsprechenden Weges der
Empfängeranordnung.
Er umfaßt zwei Wandler 14 und 15, welche den ^s
jeweiligen Wandler mit dem Generator 4a und dem Vorverstärker »Driver« 6a verbinden. Letzterer ist ein
Differentialverstärker und hat einen zweiten direkt mit dem Generator 4a verbundenen Eingang. Die Echosignale
und die Echos der Meßfrequenzsignale werden an die Empfängeranordnung über den Vorverstärker 6a
übertragen. Die ausgesandten Signale werden unterdrückt, da sie sich im Vorverstärker 6a den direkt aus
dem Generator 4a kommenden Signalen überlagern.
Der schematisch in F i g. 6 dargestellte Synchronisator
umfaßt zwei Binärzählwerke Ci und C2, welche mit
Impulsen der »Taktgeberfrequenz« H] gespeist sind und
erzeugt in Aufeinanderfolge eine Impulsfolge, welche aufeinanderfolgende wiederkehrende Augenblicke definiert,
die regelmäßig über die Zeit bezüglich einander versetzt sind. Der Zähler C] wird verwendet, wenn die
Folgeperiode Γ (siehe F i g. 2) konstant ist. Die Signale RECi, die er aussendet, wenn er seine maximale
Kapazität erreicht, definieren die Perioden Γ. Der Zähler C2 wird nur verwendet, wenn die Folgeperiode Γ
unregelmäßig ist und um einen mittleren konstanten Wert variiert.
Der Synchronisator umfaßt auch eine Anordnung aus elektronischen Torschaltungen und bistabilen Kippschaltungen,
welche ausgehend von aus Zählern Ci und Ci austretenden Impulsen die Steuersignale der Senderund
Empfängeranordnung erzeugen. Die Torschaltungsanordnung umfaßt zwei UN D-Torschaltungen 161
und 162, die jeweils mit den Klemmen der Bezugsausgänge 55 von Ci und C2 verbunden sind, zwei
UND-Torschaltungen 171 und 172 die jeweils mit den Ausgangsklemmen 525 von Ci und C2 verbunden sind,
zwei UND-Torschaltungen 181 —182, die jeweils mit den Ausgangsklemmen S 35 von Ci und Ci verbunden
sind und zwei UND-Torschaltungen 191 und 192, die jeweils mit der Ausgangsklemme verbunden sind, die
mit 5360 von Ci bezeichnet ist sowie mit einer Ausgangsklemme einer ODER-Torschaltung 36 verbunden
ist, die Impulse zur Nullrückstellung (RAZ) des Zählwerks Ci liefert. Diese Paare von Torschaltungen
161 und 162, 171 und 172, 181 und 182, 191 und 192 liefern jeweils über ODER-Torschaltungen 31,32,33,34
ein Signal DM für den Meßbeginn (Augenblick f2), ein
Signal DE für den Sendebeginn (Augenblick (4), ein
Signal DTfür den Beginn der Übertragung der Impulse, die in den Summiereinrichtungen 10 und 11 enthalten
sind, an die Einrichtungen 12 und 13 (Fig.5) und ein
Signal FE, welches die Unterbrechung der Aussendung im Augenblick fi steuert. Zwei K-ippschaltungen 38 und
39, von denen die eine jeweils durch die Ausgangsklemmen 5350 und 510 von Ci, die andere durch das
wiederkehrende Signal REC] und die Ausgangsklemme 525 von Ci gesteuert ist, erzeugen die Signale FA und
CE, welche jeweils das Bezugszeitintervall und das Unterbrecherzeitintervall der Emission begrenzen.
Die Wahl zwischen den beiden UND-Torschaltungen jedes der Torschaltungspaare 161, 162 etc. ... wird
durch eine bistabile Kippschaltung 40 gesteuert Während der regelmäßigen Arbeitsperioden von der
konstanten Periode Γ sind allein die UND-Torschaltungen, welche mit den Ausgangsklemmen des Zählwerks
Ci verbunden sind, aktiviert
Für den Fall, daß eine Koinzidenz in einer UND-Torschaltung 22 zwischen dem Echosignal ESdes
Echo-Sondierungssignals und dem Signal entsprechend dem Bezugszeitintervall FA vorhanden ist, läßt das
Auslösen der bistabilen Kippschaltung 40 das öffnen der UND-Torschaltungen zu, welche mit den Ausgangsklemmen
des Zählwerks C2 verbunden sind. Die Kippschaltung 40 wird andererseits über eine ODER-Torschaltung
35 durch ein Nullrückstellungssignal des
Zählers C2 (RAZC2) und duruh ein Signal betätigt, daß
aus einer UND-Torscha!tung 21 stammt. Letztere wird durch das Signal REi-I oder durch ein wiederkehrendes
Signal RECi ausgelöst, welches gleichzeitig mit dem
Signal RAZCi und mit dem Signal ausgesandt wird,
welches aus dem Ausgang der bistabilen Kippschaltung 40 stammt und eizeugt so die Deblockierungssignale für
die Torschaltungen 162—192.
Ist eine Koinzidenz in einer UND-Torschaltung 24
zwischen den Signalen CE FA und ES vorhanden, d. hwenn
das Signalecho (/'„ beispielsweise) des Echo-Sondierungssignals
In in Koinzidenz mit einem Unterbrechersignal γ für die Emission (siehe F i g. 3) ist. wird
ein mit IHM bezeichnetes Meßsperrsignal durch diese UN D-Torschaltung 24 erzeugt.
Der Synchronisator umfaßt auch zwei UND-Torschaltungen
29 und 30, deren Eingangsklemmcn jeweils mit den S480 und 5420 des Zählers G bezeichneten
Ausgangsklemmen verbunden sind und die jede durch die Signale betätigt werden, die aus einem der Ausgänge
der Kippschaltung 41 stammen. Die aus den U N D-Torschaltungen 29 und 30 stammenden Signale passieren
eine ODER-Schaltung 36 und bilden die Nullrückstellungssignale des Zählers C2 (RAZCi) sowie die Signale
RECi. welche eine der Eingangsklemmen der UND-Torschaltung 21 speisen. Das Signal IHM wird benutzt
um eine UND-Torschaltung 20 zu schließen, welche die aus der ODER-Torschaltung 32 stammenden Signale
empfängt. Wenn die UND-Torschaltung 20 offen ist, wird das Signal, welches sie erzeugt, als Befehl zur
Übertragung der Impulse, die in den Zählwerken 10 und
11 (Fig.5) enthalten sind, an die Anzeigeanordnungen
12 und 13 verwendet. Der Befehl IHM sperrt fehlerhafte
Messungen, welche während des Meßintervalls durchgeführt werden könnten.
Die Kippschaltung 41 wird durch das Signal IHM an
ihre »Taktgeberw-Eingangsklemme betätigt. Das als folgendes ausgesandte Signal hat eine Zeitdauer P, die
bezüglich der normalen Wiederholperiode der Emission Γ verlängert ist. Diese Verschiebung des Emissionsendes
wird sichergestellt durch das aus der Torschaltung 30 stammende Signal. Für den Fall, daß aufeinanderfolgende
Verschiebungen notwendig sind, betätigt die Kippschaltung 41 abwechselnd die Torschaltung 29 und
die Torschaltung 30. Aufgrund dieser Tatsache wird das Nullrückstellungssignai des Zählers C2 alternativ um
·, zwei vorher festgelegte Zeitintervalle so lange verzögert, wie das Fahrzeug sich in Höhe einer der
kritischsten Stufen befindet. Schließlich läßt das durch die Kippschaltung 40 ausgesandte Signal, bei Koinzidenz
zwischen den Signalen ES und FA. das Öffnen
in einer UND-Torschaltung 33 und die Rückstellung auf 35
des Zählwerks C2 zu.
Der Synchronisator arbeitet selbsttätig. Ein Kreis kann ihm jedoch fakultativ zugeordnet werden, um ein
eingreifen von Hand in seine Arbeitsweise zu
π ermöglichen. Dieser Kreis umfaßt drei bislabile
Kippschaltungen 42, 43, 44. die durch drei nicht-dargestellte Drucktasten gesteuert werden, die es ermöglichen,
eine aus ihnen zu wählen. Diese Kippschaltungen empfangen an ihren »Taktgeber bzw. Uhr« genannten
:n Eingangsklemmen ein Signal, das aus einer UND-Torschaltung
28 stammt, deren Auslösung durch ein Signal REC sichergestellt ist. bei dem es sich entweder um das
Signal REC, oder um das Signal RECi handelt. Das aus
der Torschaltung 28 stammende Signal besteht aus
j-, Impulsen von einer Bezugsfrequenz H\. Drei UND-Torschaltungen
25, 26 und 27 empfangen einesteils jeweils die durch die Kippschaltungen 42, 43 und 44
ausgesandten Signale und andererseits Impulse mit drei
unterschiedlichen Frequenzen, deren Wert jeweils ein
in Vielfaches voneinander ausmacht. Eine dieser Frequenzen
ist gleich H1. Diese drei UND-Torschaltungen 25,26
und 27 liefern über eine ODER-Torschaltung 37 ein Bezugssignal, welches zum Zählen der Impulse in den
Zählwerken Ci und C2 und in den FrequenzmeBgeräten
π 8a. 86 und 8c(F i g. 5) verwendet wird.
Die selbsttätige Arbeitsweise entspricht dem Einschalten der Kippschaltung 42. Die Verwendung der
Kippschaltungen 43 und 44 ermöglicht es, die Dauer des Meßzeitintervalls zu verdoppeln oder zu vervierfachen
und die Eigengenauigkeit der Messung zu erhöhen. Der beschriebene Kreis umfaßt drei Drucktasten, um von
Hand eingreifen zu können.
Hier/u 4 Blatt Zeichnungen
Claims (14)
1. Verfahren zur Messung der zurückgelegten
Fahrtstrecke eines Schiffes unter Ausnutzung des Dopplereffekts, bei dem Schallwellen einer gegebenen
Frequenz impulsartig entlang mindestens einer Richtung schräg zur vom Meeres- oder Seegrund
gebildeten Reflexionsfläche ausgesandt werden, und bei dem in den Sendepausen zwischen den Impulsen
die von der Fläche reflektierten Echosignale empfangen werden und die Dauer einer bestimmten
Anzahl von Schwingungen der ausgesandten Schallwellen mit der Dauer derselben Anzahl von
Schwingungen des Echosignals verglichen wird, woraus die zurückgelegte Fahrtstrecke abgeleitet
wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulspausen alle gleich lang sind und daß die
mittlere Wiederholperiode aufeinanderfolgender Sendeimpulse, bezogen auf eine bzw. berechnet
bezüglich einer bestimmten Anzahl von Sende/Empfangszyklen, konstant, d. h. unabhängig von Änderungen
des Abstandes zwischen Schiff und Reflexionsfläche, gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Dauer der bestimmten
Anzahl von Schwingungen des empfangenen Signals in jeder Sendepause, bezogen auf eine
konstante Anzahl von Sende/Empfangszyklen erfolgt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der
Sendeimpulse mindestens gleich der Dauer der Pausen gewählt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der
Sendeimpulse konstant ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Startzeitpunkt für die Messung der
Dauer der bestimmten Anzahl von Schwingungen des Echosignals bezüglich des Beginns einer
Impulspause um eine Zeitspanne verzögert wird, die proportional zum Abstand des Schiffes von der
Reflexionsfläche ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Sendepausen in die
Sendeimpulse eingefügt werden, wenn die normalen Sendepausen mit den Pausen im Echosignal
aufgrund der Signallaufzeit zusammenfallen, und daß die Messung der Dauer der bestimmten Anzahl
von Schwingungen des Echosignals dann in diesen zusätzlichen Pausen erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konstante Anzahl von Sende/Empfangszyklen
zwei beträgt und daß die Sendepause zwischen zwei Impulsen eines Paares verzögert
wird, wenn die durchschnittliche Impulsdauer zwischen zwei Pausen die Laufzeit der Signale vom
Schiff zur Reflexionsfläche und zurück übersteigt.
8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die konstante Anzahl der Sende/Empfangszyklen zwei beträgt und daß ein Meßergebnis
annulliert wird, wenn die Impulsdauer zwischen zwei Pausen der Laufzeit der Signale vom Schiff zur
Reflexionsfläche und zurück entspricht.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit gemessen
wird, indem während der Imnulsnausen .Schallimnul-
se in derselben Richtung wie die erstgenannten Impulse ausgesandt werden und ihre Laufzeit
gemessen wird.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Oszillator und einem
Modulator zur Erzeugung von periodischen elektrischen impulsen, mit Wandlern zur Aussendung von
Schallwellen entsprechend diesen Signalen gemäß mindestens einer Richtung, mit Empfangsverstärkern
für die von den aus diesen Richtungen reflektierten Schallwellen erlangten elektrischen
Signalen, mit Frequenzmessern zur Messung des Unterschiedes zwischen der Dauer einer bestimmten
Anzahl von Schwingungen der ausgesandten Schallwellen und der Dauer derselben Anzahl von
Schwingungen des Echosignals, und mit einem Anzeigegerät für die Anzeige dieses Unterschiedes
in Form einer Streckenlänge, dadurch gekennzeichnet, daß ein Synchronisator (Fig.7), der ein
Bezugstaktsignal hoher Frequenz, bezogen auf die Schallwellen, erzeugt, sowie Phasenregelungsglieder
(7a, 7 b, Tc) vorgesehen sind, mit denen die Frequenz
der Echosignale ermittelt wird, und daß in den Frequenzmessern Zähler (8a, Sb, &c) vorgesehen
sind, mit denen die Anzahl der Taktimpulse des Bezugstaktsignals gemessen wird, die während der
Dauer der bestimmten Anzahl von Echosignalperioden auftreten, und zwar getrennt für jede
Fahrtrichtung.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Oszillator (2) Echolotsignale einer Frequenz (F\) und Meßsignale einer anderen
Frequenz (Fn) liefert und daß der Synchronisator die
Aussendung dieser Echolotsignale während der Impulspausen der Meßsignale bewirkt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Empfangsverstärker je einen Differentialverstärker (6a, 6b, Sc) aufweisen,
dessen Eingangsklemmen einerseits an einen der Wandler (5a, 5b, 5c) auf der Sendeseite angeschlossen
sind und andererseits periodische elektrische Impulse zugeführt erhalten.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß der Synchronisator (F i g. 7) einen ersten Zähler (Ci) konstanter wiederkehrender
Periode besitzt, der mit Taktimpuhen gespeist wird und an mehreren unterschiedlichen Ausgängen
Folgeimpulse gleicher Dauer liefert, sowie einen zweiten Zähler (C2), dessen Zählkapazität größer
als die des ersten Zählers ist und dessen Zählperiode nach jedem Zyklus umschaltbar ausgebildet ist, daß
dieser zweite Zähler (C2) mit Taktimpulsen gespeist ist und am Ausgang Folgen unterschiedlicher
Impulse gleicher Dauer liefert, daß weiter logische Glieder (31 bis 34) an ausgewählte Ausgänge der
beiden Zähler angeschlossen sind und durch Signale einer Kippstufe (40) so gesteuert werden, daß
Steuersignale (DM) geliefert werden, die die Meßdauer ^i 2 — f 3), Steuersignale (DE), die den
Sendebeginn angeben, Steuersignale (FS, DT), die das Anzeigegerät (12,13) steuern, und Steuersignale
(FE) geliefert werden, die die Unterbrechung der Aussendung bewirken, daß weiter zwei Kippstufen
(38,39) an vorgewählte Ausgänge des ersten Zählers (Ci) angeschlossen sind und Signale (FA) konstanter
Periode liefern, durch die ein Bezugszeitintervall größer als die Dauer der Sendeunterbrechungen
bestimmt wird. bzw. Signale (CE) liefern, durch die
ein Zeitintervall gleich der gewählten Dauer der Sendeunterbrechungen begrenzt wird, daß weiter
logische Glieder (22) auf die Kippstufe (40) einwirken, durch die der zweite /üähler (C 2)
angesteuert wird, wenn eine Koinzidenz zwischen den Echolotsignalen (ES) und den Steuersignalen
(FA) ermittelt wird, durch die das Bezugszeitintervall begrenzt wird, wobei der erste Znhler (C 1I)
angesteuert wird, wenn die Echosignale außerhalb des Beiugszeitintervalls auftreten, daß weiter
logische Glieder (24, 29, 30, 36) und eine Kippstufe (4J) vorgesehen sind, die den Nullsetzur.gszeitpunkt
und die Wiederkolperiode des zweiten Zählers bestimmen gemäß der dreifachen Koinzidenz
zwischen den Echosignalen (ESJl den Steuersignalen
(CEJl die ein Bezugszeitintervall gleich der Dauer
der Sendeunterbrechungen begrenzen und den Steuersignalen (FA). die das Zeitintervall größer als
die Sendeunterbrechungen begrenzen, wobei das durch das logische Glied (20) erzeugte Signal die
Übertragung der Ergebnisse von den Meßeinrichtungen an das Anzeigegerät (12, 13) verhindert.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß logische Glieder (25 bis 28) und
von Hand einstellbare Kippstufen. (42 bis 44) vorgesehen sind, an denen die jeweilige Meßdauer
gemäß dem Abstand zwischen Schiff und Reflexionsfläche einstellbar ist.
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