DE2140257C3 - 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
30
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 'verdien und die Dauer einer bestimmten
Anzahl von Schwingungen der ausgesandten Schallwellen mit der Daueir derselben Anzahl von Schwingungen
des Echosignals verglichen wird, woraus die zurückgelegte Fahnsirecke abgeleitet wird.
Zu diesen auf idem 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 un|j;ünsiig 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 Wege·! der Schallwellen zwischen Fahrzeug und Bezugsflächi! entsorechend den schrägen Sende-
und Empfan;i;srichtung' r. 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 Empfangsrichtungen geortet Die
Empfangsdauer und damit die Folgeperiode der 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 umgetu;hrt proportional
der Folgeperiode der Sendevorgäiigf 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 dss 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, erzeugt, 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 Sendedauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Impulspausen benachbart oder im wesentlichen gleich der Fortpflanzungsdauer der Signale zwischen Schiff
und Meeresgrund isi.
Die Erfindung bietet hier vorzugsweise die folgenden Möglichkeiten:
a) zusätzliche und unregelmäßige Sendepausen zwischenzuschalten, während deren man die Messungen vornimmt, wenn die konstante Folgeperiode
zwischen den Sendepausen im wesentlichen gleich der Fortpflanzungsdauer der Signale ist;
b) auf zwei Sendepausen eine zwischenzuschieben, wenn die Sendedauer der Signale im wesentlichen
benachbart der Fortpflanzungsdauer der Signale ist;
c) eine Messung zu annulieren, wenn die Sendedauer der Signale zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Sendepausen im wesentlichen gleich der Fortpflanzungsdauer der Signale wird und die folgende
Sendepause zu verzögern.
Beispielsweise Ausfuhrungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die Zeichnungen näher
erläutert werden, in denen
F i g. 1 die Anordnung eines Sende- und Empfangsstrahls für den Sonderfall einer Anwendung der
Erfindung auf ein Wasserfahrzeug zeigt;
F i g. 2 Chronogramme der verschiedenen durch die
benutzte Vorrichtung erzeugten Signale erkennen läßt;
F i g. 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-Empfängervorrichtiing, die beispielsweise an
dessen Rumpf befestigt ist.
ι>ι.|ιαιι wciicfi ücitiiuci
ucis))icn«rci3C III CIIICI
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:
IF
(I)
V =
'■o
IF
2 sin/i
wenn man Gleichung (1) berücksichtigt.
(2)
Aus Zweckmäßigkeitsgründen hat man den Winkel β
gleich 30° gewählt. Die während eines Zeitintervalls Al durchfahrene Entfernung ist dann gleich
wobei die Wellenlänge der im Wasser ausgesandten Signale ist
Da die Projektion von ρ= V- sin ß, ist die Geschwindigkeit des Fahrzeugs mit AF verknüpft durch die
Beziehung:
E = J0 IF- K
Das in Fig. 2a dargestellte Chronogramm zeigt, daß
die Schallwellenemission gebildet wird durch eine Aufeinanderfolge von Sendeimpulsen En, E„+\ etc.,
wobei jeder eine Dauer von δ hat und diese durch Sendepausen einer konstanten Dauer γ getrennt sind.
Mit Γ bezeichnet man die Folgeperiode der Signale und mit Fo und 7"o jeweils die Frequenz und die Periode
der die Emission bildenden Schwingung.
Die durch den Wandler (Darstellung 2b) empfangenen Echos Rn, Rn+ 1 werden durch Signale der Frequenz
F' und der Periode V gebildet und bezüglich der entsprechenden aufgewandten Signale {/?_. F.r, ι 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 N' von Perioden des gleichzeitig mit dieser Unterbrechung empfangenen Signals bestimmt und zur
gleichen Zeit die Dauer der gleichen Anzahl N' von Perioden des Signals bei der Emissionsfrequenz Fo
festgelegt.
Diese Zeitdauern werden berechnet ausgehend von der Periode fo eines Signals der Frequenz /Ό, die gleich
einem Vielfachem derjenigen de.s ausgesandten Signals
ist. So wählt man beispielsweise
/n = 2"F0
(4)
und bezeichnet mit N\ und N0 jeweils die Anzahl von
Perioden ίο, 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
ΓΌ UCI OUSgCSiIlIVJtCII tJlgllfXIC 131 IIVSVII gtCICIt
(5)
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 -ff ι
N, Nn
N'
Ό
Nähert man N1N0 # N%. was praktisch gerechtfertigt ist. so läßt sich die Beziehung (6) schreiben in
Form von:
IF #
ν _
i»o
ι
ι
wenn man das die Größen Af0 und N' verknüpfende
Verhältnis berücksichtigt.
die vom Fahrzeug während des Zeitintervalls /' durchlaufende Entfernung aus als:
'« —ΛξΓ Tn = '« 'VN-· Tn
Wenn man setzt:
τ-"
'η
(8)
(9)
und wenn man darüber hinaus ein konstantes Verhältnis zwischen der Folgeperiode /' und der Dauer des
Meözeitintervalls der Zahl N'von Perioden des Signals
bei Emissionsfrequenz Fn beibehält, d. h. wenn das Verhältnis:
MeBstömngen 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)
vorgenommen werden kann.
Um eine mittlere Folgeperiode zwischen den aufeinanderfolgenden Emissionen En, f„n etc. ...
konstant zu halten und so die Berechnung der vom Fahrzeug durchlaufenen Entfernungen zu erleichtern,
ίο kürzt man die Dauer des folgenden ausgesandten Signals, beispielsweise £'„<. ι, ab.
Wenn f" und Γ" zwei aufeinanderfolgende Folgeperioden
bedeuten, so wählt man Γ" derart, daß:
(12)
2" /V
(10)
konstant ist. Die Gleichung (S) läßt sich dann einfach
schreiben als:
E1 ff An[Nn-N1)2'-'
(Ui
Wie man aus der graphischen Darstellung b in F i g. 2 erkennt wird der Sender-Empfänger-Wandler während
eines "ewissen 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 /?„, /?„.,
etc.. der ausgesandten Signale zeitlich um ein Intervall
gleich der Fortpflanzungszeit für Hin- und Hergang T.\R, proportional der Entfernung zwischen Fahrzeug
und unter Wasser befindlicher Oberfläche verschoben sind. Ist 7".(A im wesentlichen gleich oder angenähert der
Man wiederholt den Vorgang so viele Male wie das Fahrzeug bei einer kritischen Stufe befindet.
-Stellt man keinerlpi Knimic\pn7 7wi«rhpn rlem
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 21-· 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
L.daitvjiv.1
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 /„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
(lujfcjiiiiuicii .Tigudiv ocispicibwcibc Cn. ucrari, UaD 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 zusammenfallen kann, die während der Emission des Signals En-m durchgeführt wurde, die
Folgeperiode T dieser zusätzlichen Unterbrechungen
variieren, indem man bei jeder Emission die Augenblikke f» f/+i aufeinanderfolgender Unterbrechungen variieren
IaBt.
Ein anderer wichtiger Punkt des Verfahrens besteht darin, den Augenblick /2 des Meßbeginns dem Augen- -,
blick 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 r.
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
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 Emissions- .>·> frequenz Fo und der Frequenz F+ AF 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 im
akustischen ausgesandten Wellen entsprechend der Vertikalen gleich:
IT =
27.
C
13) ι· 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 rechteckförmig 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
OA einerseits und OB und OCandererseits reflektierten
Signale subtrahiert.
Bezeichnet Fn + AF und Fn-AF beispielsweise die
Frequenzen Fn und F.\ der entsprechend OB und OA
empfangenen Richtungen, so mißt man:
= Fn^l-A = 2 If
(14)
Mit den gleichen Bezeichnungen wie sie oben definiert wurden, zeigt man einfach, daß die vom
Fahr7eiig während dp* Zeitintervall« Γ enunrerheml
der Achse O, durchfahrene Entfernung F/-, sich schreiben läßt als:
E1x U /,,(/V2-/V1)2*
(15)
Man zeigt auf die gleiche Weise, daß die vom Fahrzeug während des gleichen Zeitintervalls längs der
Achse O1 durchfahrene Entfernung F/-, sich anschreiben
läßt als:
116)
Eine wirksame räumliche Filtrierung, die es ermöglicht, den Einfluß der in einer Richtung benachbart der t<
> Vertikalen ausgesandten Signale zu eliminieren, wird erhalten, indem man den Augenblick h für das Öffnen
des Meßfensters um ein Intervall gleich A t bezüglich des
Dieses Intervall At kann berechnet werden, indem r,
man die Messung der Fortpfianzungszeit 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, einerseits den Einfluß der Schlinger- und
Stampfbewegungen zu eliminieren oder zu vermindern und die Messung 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 bo
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 G-efällewir-Unter
diesen letztgenannten Bedingungen bezeichnen Nu /Vi und /Vj die Anzahl von Perioden ίο innerhalb
der yV'-Perioden der jeweils entsprechend OB, OA, OC, empfangenen Signale; kbezeichnet einen Koeffizienten,
der sich vom Koeffizienten ρ (siehe Gleichung 10) herleitet nach der Beziehung:
k = k'Uj- I)
wo k' ein Proportionalitätsfaktor abhängig von der Geometrie der Emissionsachsen ist.
Die entsprechend den Riciuungen OA, OB. OC
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 (o- I) 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 Fo erzeugt, weiche jeweils als Echo-Sondierungssignale und als
Meßsignale für den Dopplereffekt verwendet werden. Ein vom Synchronisator gesteuerter Modulator 3 läßt
die Signale von der Frequenz Fo während der aufeinanderfolgenden Intervalle ό passieren, genauso
wie die Signale von der Frequenz Fi, während Intervallen von einer Zeitdauer die kleiner als die der
Unterbrecherzeitintervalle γ der Emissionen sind
Signale, die aus dem Modulator kommen, speisen drei
Il
Emissionsweije, die jeweils durch einen Verstärker, den
sogenannten »Driver« (3a, 3b utid 3c), einen Leistungsgenerator
(4a, 4b und 4c) und einen Wandler (5a, 5b und 5c) gebildet sind. Die drei Wandier sind in den durch
F i g. 3 definierten Richtungen orientiert. ί
Die in Fig.5 dargestellte Empfängereinnchtung umfaßt drei Empfilngerwege, die mit den drei Wandlern
verbunden sind, jede hiervon umfaßt in Reihe und hintereinander einen Vorverstärker (6a, 6f>
und 6c/ eine Frequenzumschaltung (7a, Tb und Tc) und ein in
FrequenzmeOigerät (8a, Sb und Sc) welches die Anzahl
Ni, N2 oder .Vi von Impulsen bei Taktfrequenz 2"F0,
ausgehend von einem durch ein Signal der Größenordnung DM definierten Augenblick, zählt. Letzteres
genauso wie die »Taktimpulse« wird durch den r, Synchronisator 1 erzeugt. Die Frequenzmesser 8a und
Hb sind an eine Siimmiereinrichtung IO angeschlossen,
welche die Subtraktion der Impulse N\ und N2
vornimmt. In gleicher Weise werden die Frequenzmeß-
angeschlossen, welche die Subtraktion der Impulse /Vi
und Ns vorrt.inmt. Diese Anschlüsse werden über drei
UND-Torschiiltungen 9a, 9b und 9c vorgenommen,
welche durch ein Signal DTgeöffnet werden, das durch den Synchronisator 1 erzeugt wurde. Dieses Signal DT :">
wird nur erzeugt, wenn die Signalechos der Echo-Sondierungssignale nicht mit den Zeitintervallen γ (siehe
Fig. 2) koinzieiieren. Die Empfängeranordnung umfaßt
auch zwei An;ieig«:einrichtungen 12 und 13, die an die
.Summiereinrichtungen 10 und 11 angeschlossen sind, in
welche die Differenzen N\ — Λ/2 und Ni-Nj in Fntfernungsanzeigeri:
umformen und sie in gewählten Linheiten anzeigen.
Eine der Besonderheiten der Empfängeranordnung ist in der Anwendung des Zählens bei Hochfrpquenz zu r>
sehen. Man berechnet die Frequenzen der aus den Wandlern 5a, :ib und 5c austretenden Signale direkt und
unabhängig voneinander und nicht die Frequenzen der Niederfrequenzsignale, welche durch Demodulation der
empfangenen Signale erhalten wurden.
Diese Zahlung ermöglicht eine Erhöhung der Meßgenauigkeit.
In dem Fall, wo die Emissionsachse und die tmptangsachüe zusammenfallen oder für den KaII, wenn
die entsprechend den drei Achsen vorgenommenen 4",
Messungen voneinander unabhängig sind, wird eine Summiereinrichtung, beispielsweise 10 oder 11, an jede
Ausgangsklenime der Torschaltungen 9a. 9b und 9c
angeschlossen. Diese Summiereinrichtungpn subtrahieren von den Zahlen Nu Ni und N) eine Zahl /V0 (siehe τι
Gleichung 111 vom Impulsen die von einem Oszillator von einer Frequenz gleich der für die Emission
verwendeten geliefert werden.
Eine andere Besonderheit der Empfängeranordnung ermöglicht e«, nur einen einzigen Wandler für jede
Emissions- und Empfangsrichtung der Echo-Sondierungssignale und der Frequenzmeßsignale zu verwenden.
Man wählt für die Frequenz Fi der Echo-Sondierungssignale
«ine für die Wandler charakteristische zweite Frequenz. t>o
Der in F i g. '5 dargestellte Schaltkreis verbindet einen
der Sender, 4.·ι beispielsweise mit dem Wandler 5a und mit dem Eingang des entsprechenden Weges der
Empf ängerano rdnung.
Er umfaßt zwei Wandler 14 und 15, welche den 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 Echosi gnale 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 übeHagern
Der schematisch in F i g. 6 dargestellte Synchronisator umfaßt zwei Binärzählwerke G und C2, welche rnit
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 G wird verwendet, wenn die Folgeperiode Γ (siehe Fig. 2) konstant ist. Die Signale
REC), die er aussendet, wenn er seine maximale Kapazität erreicht, definieren die Perioden /'. Der
Zähler d wird nur verwendet, wenn die Folgeperiode Γ unregelmäßig ist und um einen mittleren konstanten
Wert variiert.
elektronischen Torschaltungen und bistabilen Kippschaltungen, welche ausgehend von aus Zählern G und
Ci austretenden Impulsen die Steuersignale der Senderund Empfängeranordnung erzeugen. Die Torschaltungsanordnung
umfaßt zwei UND-Torschaltungen 161
und 162, die jeweils mit den Klemmen der Bezugsausgänge S 5 von G und Ci verbunden sind, zwei
UND-Torschaltunj:en 171 und 172 die jeweils mit den
Ausgangsklemmen 525 von C\ und Ci verbunden sind, zwei UND-Torschaltungen 181 — 182, die jeweils mit
den Ausgangsklemmen S35 von G und Ci verbunden
sind und zwei UND-Torschaltungen 191 und 192, die jeweils mit der Ausgangsklemme verbunden sind, die
mit 5360 von Q bezeichnet ist sowie mit einer Ausgangsklemme einer ODER-Torschaltung 36 verbunden
ist. die Impulse zur Nuilrückstellung (RAZ) des
Zählwerks C: 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 ti), ein
Signal DE für den Sendebeginn (Augenblick fj). ein
Signal DTiür den Beginn der Übertragung der Impulse,
die in den Summiereinrichtungen 19 und 11 enthalten sind, an die tmrichtungen 12 und 13 (Fig. 5) und ein
Signal FE. welches die Unterbrechung der Auss^.jdung
im Augenblick t\ steuert. Zwei Kippschaltungen 38 und 39, von denen die eine jeweils durch die Ausgangsklemmen
5350 und 510 von G, die andere durch das wiederkehrende Signal REC\ und die Ausgangsklemme
525 von G 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
G verbunden sind, aktiviert.
Für den Fall, daß eine Koinzidenz in einer UND-Torschaltung 22 zwischen dem Echosignal £5des
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 Ci verbunden sind. Die Kippschaltung 40 wird andererseits über είπε ODER-Torschaltune
35 durch ein Nullrückstellunessienal des
Zählers C2 (RAZC2) und durch ein Signal betätigt, daß
aus einer UND-Torschaltung 21 stammt. Letztere wird
durch das Signal REQ oder durch ein wiederkehrendes Signal REC2 ausgelöst, welches gleichzeitig mit dem
Signal RAZC2 und mit dem Signal ausgesandt wird,
welches aus dem Ausgang der bistabilen Kippschaltung 40 stammt und erzeugt so die Deblockierungssignale fur
die Torschaltungen 162—192.
Ist eine Koinzidenz in einer UND-Torschaltung 24 zwischen den Signalen CE, FA und ES vorhanden, d. k,
wenn das Signalecho (/'„ beispielsweise) des Echo-Sondierungssignals /„ in Koinzidenz mit einem Unterbrechersignal γ fur die Emission (siehe F i g. 3) ist, wird
ein mit IHM bezeichnetes Meßsperrsignal durch diese UND-Torschaltung 24 erzeugt
Der Syiichronisator umfaßt auch zwei UN D-Torschaltungen 29 und 30, deren Eingangsklemmen jeweils
mit den 5480 und 5420 des Zählers C2 bezeichneten
Ausgangsklemmen verbunden sind und die jede durch die Signale betätigt werden, die aus einem der Ausgänge
der Kippschaltung 41 stammen. Die aus den UND-Torschaltungen 29 und 30 stammenden Signale passieren
eine ODER-Schaltung 36 und bilden die Nullrückstellungssignale des Zählers C2 (RAZC2) sowie die Signale
REC2, weiche 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 (F i g. 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 »Taktgeber«-Eingangsklemme betätigt Das als
folgendes ausgesandte Signal hat eine Zeitdauer Γ", 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
Nullrücksteilungssignal 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
ίο 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
is ermöglichen. Dieser Kreis umfaßt drei bistabile
Kippschaltungen 42,43,44, die durch drei nicht-dargestelite Drucktasten gesteuert werden, die es ermöglichen, eine aus ihnen zu wählen. Diese Kippschaltungen
empfangen an ihren »Taktgeber bzw. Uhr« genannten
>o 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 RECx oder um das Signal REC2 handelt Das aus
der Torschaltung 28 stammende Signal besteht aus
Impulsen von einer Bezugsfrequenz H\. Drei UND-Torschaltungen 23, 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
jo Vielfaches voneinander ausmacht Eine dieser Frequenzen ist gleich H1. Diese drei UN D-Torschaltungen 25,26
und 27 liefern über eine ODER-Torschaltung 37 ein Bezugssignal, welches zum Zählen der Impulse in den
Zählwerken C] und C2 und in den Frequenzmeßgeräten
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.
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 Räche 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 «deich 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 Impulspausen Schallimpulse in derselben-Richtung wie die erstgenannten
Impulse ausgesandt werden und ihre Laufzeit gemessen wird,
JO, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I 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 Empfanpsverstärkern 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
{Ta, Tb, Tc) vorgesehen sind, mit denen die Frequenz
der Echosignale ermittelt wird, und daß in den Frequenzmessern Zähler (8a, Sb, Sc) 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 ^F0) 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 Serjieseite 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 (Cl) konstanter wiederkehrender Periode besitzt, der mit Taktimpulsen 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 (i2-r3), 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 Zähler (C2) angesteuert wird, wenn eine Koinzidenz zwischen
den Echolotsignalen (ES) und den Steuersignalen (FA) ermittelt wird, durch die das Bezugszeitintervall begrenzt wird, wobei der erste Zähler (Ci)
angesteuert wird, wenn die Echosignale außerhalb des Bezugsxeitintervalls auftreten, daß weiter
logische Glieder (24,29,30,36) und eine Kippstufe
(41) vorgesehen sind, die den Nullsetzungszeitpunkt und die Wiederholperiode des zweiten Zählers
bestimmen gemäß der dreifachen Koinzidenz zwischen dem Echosignalen (ES), den Steuersignalen
(CE), 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 da« Anzeigegerät (12,13) verhindert
14. Vorrichtung nach Anspruch IS, 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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