DE2140257B2

DE2140257B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der zurückgelegten Fahrtstrecke eines Schiffs unter Ausnutzung des Dopplereffekts

Info

Publication number: DE2140257B2
Application number: DE2140257A
Authority: DE
Inventors: Robert Colombes Delignieres (Frankreich)
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1970-08-13
Filing date: 1971-08-11
Publication date: 1981-01-22
Also published as: DE2140257A1; GB1334585A; FR2101056B1; NL179762B; US3781774A; NL7110447A; DE2140257C3; SU552037A3; FR2101056A1; NL179762C; NO133730C; NO133730B

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 E_n, E_n. 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 F_n und 7Ii jeweils die Frequenz und die Periode der die Emission bildenden Schwingung.

Die durch den Wandler (Darstellung 2b) empfangenen Echos R_n, R_n > ι werden durch Signale der Frequenz F' und der Periode T' gebildet und bezüglich der

entsprechenden ausgesandten Signale (£„, E_n. \ 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:

N_n

T₀

V =

'■o

\F

2sin/i
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 R_n, A_n+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 I_n 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 E_n 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 R_n 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 E_n, 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 E_n 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 E_n 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 F_n + AF und F_n-AF beispielsweise die Frequenzen F« und Fi der entsprechend OB und OA empfangenen Richtungen, so mißt man:

Ti« = F₁₁-F_A = 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-E_1x It X_n[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 I_n 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

Patentansprüche:

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 (F_n) 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.