DE2425920C2

DE2425920C2 - Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit eines Schiffes

Info

Publication number: DE2425920C2
Application number: DE2425920A
Authority: DE
Inventors: Ingvar Täby Andermo; Karl-Gustav Stockholm Masreliez
Original assignee: Jungner Marine AB
Current assignee: Jungner Marine AB
Priority date: 1973-06-01
Filing date: 1974-05-30
Publication date: 1984-02-02
Also published as: ES426809A1; SE371020B; FR2231976A1; US3991398A; GB1478023A; FR2231976B1; BR7404402D0; IT1011896B; DE2425920A1; NO133638B; NO741927L; JPS5050081A; NO133638C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Messen der Geschwindigkeit eines Schiffes nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Bei dem aus der DE-OS 22 33 241 bekannten, gattungsgemäßen Gerät werden nach dem »Janus«-Navigationsverfahren von zwei getrennten Sende- und Empfangseinrichtungen nach vorne und nach hinten gerichtete Schallstrahlen ausgesendet, an Reflexionsobjekten im Wasser reflektiert und empfangen. Durch die differentiellt Frequenzmodulation der von getrennten Sendern mit getrennten Sendeantennen erzeugten und von im Wasser unterhalb des Schiffes liegenden Objekten

in reflektierten Signale, die von getrennten Empfangsantennen in elektrische Empfangssignale umgewandelt werden, läßt sich die relative Geschwindigkeit des Schiffsrumpfes gegenüber den Reflexionsobjekten ermitteln. Durch differentielle Frequenzmodulation

)5 der Empfangssignale aufgrund der relativen Schiffsgeschwindigkeit zu den im Wasser liegenden Reflexionsobjekten werden Vorwärts- und Rückwärts-Freigabeimpulse mit einer Dauer, die gleich einer festgelegten Anzahl von Perioden der jeweils empfangenen und

4(i gegeneinander differentiell frequenzmodulierten Signale ist. erzeugt. Der differentielle Unterschied in der Dauer von zwei Freigabeimpulsen wird als Maß der differentiellen Dopplerverschiebung verwendet, die die entsprechenden Vorwärts- und Rückwärts-Schallimpulse erfahren haben. Dieser Typ eines Geschwindigkeitsmessers arbeitet natürlich unabhängig von Reflexionen am Meeresboden und gibt daher nicht die Geschwindigkeit eines Schiffes über Grund, sondern lediglich die Geschwindigkeit eines Schiffes gegenüber dem Wasser an. Aufgrund der sehr niedrigen Meßentfernung zwischen Schiffsrumpf und Reflexionsobjekt kann dieser Typ eines Geschwindigkeitsmessers in Frequenzbereichen arbeiten, in denen die akustischen Signale eine hohe Dämpfung haben. Bei diesen hohen Frequenzbereichen hat das akustische Signal eine kurze Wellenlänge, so daß Sendewandler und Empfangswandler mit relativ kompakten Abmessungen eine stark gebündelte Sende- bzw. Empfangs-Keule haben. Damit ist eine genaue Bestimmung der Sende- bzw. Empfangs-

bo winkel der ausgesendeten bzw. empfangenen Signale gegenüber der Längsrichtung des Schiffes möglich. Aufgrund der stark gebündelten Keulencharakteristika der Antennen findet eine praktisch punktförmige Festlegung des Reflexionsortes statt. Gegenüber einem

t>5 derart eingegrenzten und zum Schiffskörper festgelegten Reflexionsort erfahrt das Sendesignal bei seiner Reflexion eine einheitliche Frequenzmodulation, so daß das Empfangssignal gegenüber dem Sendesignal im

Frequenzbereich als schmalbandiger, versetzter Impuls erscheint Da zwei getrennte Sendeantennen mit getrennt gebündelten, entgegegesetzt orientierten Keuiun verwendet werden, haben die empfangenen Signale im Frequenzbereich einen klar definierten positiven bzw. negativen Frequenzversatz gegenüber den Sendesignalen. Da dieser Frequenzversatz proportional zur Schiffsgeschwindigkeit gegenüber den im Wasser liegenden Reflexionsobjekten ist, läßt sich aufgrund des Frequenzversatzes in einfacher Weise die Schiffsgeschwindigkeit ermitteln.

Aus der DE-AS16 23 491 ist bereits ein Meßgerät mit folgenden Merkmalen bekannt:

Einer Sendeeinrichtung an Bord eines Schiffes mit wenigstens einem Sender und wenigstens einer Sendeantenne, die zum Übertragen eines kohärenten akustischen Signals zu einem Bezugsort, von dem das kohärente, akustische Signal reflektiert wird, an dem Sender angeschlossen ist,

einer Empfangseinrichtung an Bord des Schiffes mit einer an wenigstens einem Empfänger angeschlossenen ersten Empfangsantenne, deren Antennenkeule sich fast vollständig mit einer Sendekeule deckt, wobei die Empfangseinrichtung das reflektierte Signal empfängt, das sich aus der Summe der Reflexionen an jedem Punkt des Bezugsortes innerhalb des Keulenbereiches zusammensetzt, und

einer an der Empfangseinrichtung angeschlossenen Verarbeitungseinrichtung.

Bei diesem aus der DE-AS 16 23 491 bekannten Gerät werden mehrere, lateral beabstandete Sendewandler bzw. Sendeantennen mit kohärenten Sendesignalen beaufschlagt, die gegeneinander leicht frequenzverschoben sind. Vorzugsweise hat z. B. eine linke Sendekeule eine Phasennacheilung bzw. niedrigere Frequenz als eine mittlere Sendekeule, die wiederum eine Phasennacheilung bzw. niedrigere Frequenz als eine rechte Sendekeule hat. Durch die Überlagerung der drei Einzelsendekeulen ergibt sich eine Gesamtsendekeule, deren Hauptstrahirichtung durch Variation der oben genannten Phasendifferenzen verschwenkt werden kann. Die jeweilige Frequenz- bzw. Phasen-Differenz der einzelnen Sendesignale, die ein Maß der Sendekeulenrichtung darstellt, wird einer Winkelablenkschaltung zur Erzeugung eines X-Signals für einen Oszillographen-Bildschirm zugeführt. Das Sendesignal wird an einem Objekt reflektiert und kehrt phasenverschoben zur Empfangsantenne zurück. Aus der Phasendifferenz zwischen dem Sentfesignal und dem Empfangssignal ermittelt eine Entfernungsablenkschaltung das Signal zur X-Ablenkung des Oszillographen. Auf diese Weise wird auf dem Bildschirm des Oszillographen eine Darstellung des abgetasteten Objektes wiedergegeben. Dieses Meßgerät ist nicht zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Schiffes geeignet.

Aus der DE-OS 16 73 405 ist bereits ein akustischer Geschwindigkeitsmesser mit einem Schallsender und einem Schallempfänger bekannt, wobei der Schallempfänger Echos von Inhomogenitäten in der Umgebung des Schiffes empfangt. Der Unterschied in der Frequenz des Echos wird nach dem Dopplereffekt zur Bestimmung der Geschwindigkeit verwendet. Dieses Gerät dient also lediglich dazu, die Geschwindigkeit eines Schiffes gegenüber einem bestimmten Bereich im Wasser, nicht jedoch die Geschwindigkeit eines Schiffes gegenüber Grund zu bestimmen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs so weiterzubilden, daß es zur Messung der Geschwindigkeit eines Schiffes gegenüber Grund geeignet ist

Diese Aufgabe wird bei einem Gerät nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptaospruchs gelöst

Das erfindungsgemäße Gerät arbeitet mit einer vorzugsweise vertikal nach unten gerichteten Sendekeule mit breitem Öffnungswinkel und erlaubt somit hohe in Meßentfernungen und kleine Antennenabmessungen. Das reflektierte Signal stellt sich als Integral über einzelne, entsprechend des Dopplereffektes modulierte Einzelsignale dar. Das Reflexionssignal wird von zwei in Meßrichtung beabstandeten Empfangsantennen empfangen. Ein Korrelator ermittelt aus den Empfangssignalen die Schiffsgeschwindigkeit. Bei Verwendung von Afitennengruppen läßt sich zusätzlich zur Ermittlung der Größe des Geschwindigkeitsvektors auch seine Ausrichtung festlegen.

2(i Daher wird durch die Erfindung der Vorteil erreicht, daß aufgrund der möglichen, großen Keulenöffnungswinkel äußerst kleine akustische Antennen verwendet werden können, die mit einer niedrigen Sendefrequenz betrieben werden können, was sich wiederum günstig auf die Reichweite des Senders auswirkt.

. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Meßeinrichtung auch bei großen Wassertiefen mit hoher Genauigkeit arbeitet, indem durch entsprechende Unterdrückung bestimmter Echoanteile solche Fehler «ι ausgeschaltet werden, die von der Schallreflexion durch Wassermassen erzeugt werden, die zwischen dem Schiff und dem Grund als Störung vorhanden sein können.

Während das erfindungsgemäße Gerät im Gegensatz zu bekannten Geräten, die auf dem Doppler-Effekt basieren, mit verhältnismäßig geringer Frequenz und hoher Senderreichweite arbeitet, läßt sich dieses Gerät in vorteilhafter Weise mit einer Tiefenmeßeinrichtung kombinieren.

Weiterhin weist die erfindungsgemäße Anordnung den Vorteil auf, daß zur Messung der Geschwindigkeit eines Schiffes zwei oder drei Paare von Empfängern miteinander gekoppelt werden können, und zwar vorzugsweise paarweise, so daß auf diese Weise die Geschwindigkeitskomponenten innerhalb eines Fahrtgeschwindigkeitsbereiches in beliebiger Richtung ermittelt werden können.

Weiterhin ist es somit möglich, eine Anordnung vorzusehen, in welcher die Antennenelemente mit Schaltern derart gekoppelt sind, daß die Empfangsantennen so in verschiedenen Meßrichtungen arbeiten, um sowohl die Längs- als auch die Quergeschwindigkeitskomponente eines Schiffes zu erfassen.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt Fig. 1 ein Anwendungsbeispiel für die Meßeinrichtung an Bord eines Schiffes,
Fig. 2 ein Blockdiagramm der Meßeinrichtung, F i g. 3 Beispiele für die Form der zwei stochastischen Signale,

bO Fig. 4 und 5 zwei alternative Übergangsfunktionen zwischen Sender und Empfänger,

Fig. 6, 7 und 8 die Art und Weise, wiegesendete und empfangene Impulse zeitlich bei verschiedenen Übergangsfi^quenzen zwischen dem Sender und den Empb5 fängern verteilt sein können,

Fig. 9 eine Anordnung mit paarweise vorgesehenen Empfangsantennen, die unter bestimmten Winkeln angeordnet sind,

Fig. 10 ein Blockdiagramm für die Verarbeitung der Signale, welche von den Empfangsantennen gemäß Fig. 9 empfangen wurden,

Fig. 11 die zwei kreisförmigen Empfangsantennen auf einem gegenseitigen Abstand von 2L, mit einer imaginären Verlagerung von einem der Empfänger,

Fig. 12 zwei rechteckige Empfangsantennen,

Fig. 13a und 13b die Funktion 0 für zwei Abmessungen des Fühlers,

Fig. 14 eine spezielle Ausbildung der Fühlerelemente, und zwar für besonders hohe Genauigkeitsanforderungen,

Fig. 15 eine Fühleranordnung zur Messung von Geschwindigkeitskomponenten in einer beliebigen Ausbreitungsrichtung,

Fig. 16 ein Blockdiagramm einer Meßeinrichtung einschließlich der Elektronik zur Ermittlung der Tiefe,

Fig. 17 einen Fühler mit einem geschlitzten Antennenelement und ein Blockdiagramm einer Anlage mit dem Fühler,

Fig. 18 die Ausgangsspannung U_T als Funktion der Ausbreitungsrichtung,

Fig. 19 einen Fühler mit einer Anzahl von hexagonalen Antennenelementen mit einem Blockdiagramm einer Anlage mit dem Fühler,

Fig. 20 und 21 einen akustischen Fühler mit einer Anzahl von Abtastbereichen und

Fig. 22 eine Schaltung zur Messung der Zeitverzögerung zwischen den zwei Fühlern gemäß Fig. 20 und 21.

Die Fig. 1 veranschaulicht die Anwendung an Bord eines Schiffes. Eine akustische Sendeantenne S und zwei Empfangsantennen A/l und Ml sind unten in den Schiffsrumpf eingbaul. Die Sende- und die Empfangsantennen sind in der Fig. 2 in vergrößertem Maßstab dargestellt. Aus dieser Darstellung geht weiterhin hervor, daß diese drei Einheiten hintereinander angeordnet sind, wobei die zwei Empfangselemente jeweils vor bzw. hinter dem Sendeelement angeordnet sind, und zwar auf einem Abstand L zwischen jedem Empfangselement und dem Sendeelement.

Für eine Signalkomponente, welche von dem Sender zu einem Punkt P_k auf dem Meeresgrund geht und dann nach einer Reflexion zu einem der Empfänger zurückkehrt, beispielsweise zu A/l, ergibt sich für den insgesamt zurückgelegten Weg:

, X,-L/2

sin σ

Das auf diese Weise vom Punkt P_k reflektierte Signal eiit somit bei seiner Ankunft aiii Empfänger A/1 in seiner Phase dem gesendeten Signal nach, und zwar um

λ sin a-

wobei λ die Wellenlänge des gesendeten Signals in Wasser bedeutet.

Das von A/l empfangene Gesamtsignal setzt sich aus reflektierten Signale aus einer großen Anzahl von Punkten auf dem Meeresboden zusammen, die innerhalb der Sender-Empfänger-Keule liegen, wobei jeweils ein Signal der oben beschriebenen Art entsteht. Die Phasenwinkel der verschiedenen Komponenten des Gesamtphasenwinkels unterscheiden sich voneinander, wobei der Unterschied jeweils von der Lage des Reflexionspunktes abhängt Somit weist das Gesamtsignal eine Amplitude auf, die von den einzelnen Reflexionen aus dem Gesamtbereich innerhalb der Keule abhängt. Eine bestimmte Senderfrequenz und -amplitude in Verbindung mit einer bestimmten Sender-Empfänger-Anordnung führt somit immer zu einer ·") bestimmten Amplitude des empfangenen Signals. Dies trifft auch für den Fall zu, daß der Sender und der Empfänger ausgetauscht werden, weil die Gesamtentfernung Sender-Reflexionspunkt-Empfänger für jeden Reflexionspunkt auch dann unverändert bleibt, wenn

11) der Sender und der Empfänger vertauscht werden. Dies fuhrt dazu, daß dann, wenn sich das Fahrzeug über die Entfernung L bewegt hat, das Paar Ml-S sich zu den Stellen bewegt hat, die vorher von S-Ml eingenommen wurden, und das von A/2 empfangene Signal ist iden-

i"> tisch mit dem vorher von A/l empfangenen Signal.

Man kann sich ein Bild darüber verschaffen, wie schnell das Signal im Empfänger bei der Bewegung des Schiffes sich verändert, d. h., wie groß die Spektralbreite der Signalmodulation ist, wenn man den Phasenwinkel der durch den Punkt P_k reflektierten Signalkomponente betrachtet:

φ = ^ln -2- ^Xk~ ^U2 ^k λ sin a

Wenn man diesen Ausdruck nach X differenziert und der Tatsache Rechnung trägt, daß α von X_k abhängt, so ergibt sich

in H fti. 2 TT

— · 2sina.

dX

Dies bedeutet, das Φ_Α durch 2 π Radianten geht, d. h. eine Umdrehung ausführt, wenn X_k sich um

2 sin a

ändert.

-in Durch Kombination aller Signalkombination aller Signalkomponenten innerhalb des Keulenbereichs der Sender- und der Empfängerantennen erhält man ein Signal, das eine Amplitudenmodulation über den Weg aufweist, und zwar mit einem Modulationsspektrum, welches sich auf Frequenzen erstreckt, die der Wellenlänge

λ ■

2 sin φ

Keulenwinkel ist. Die Modulation ist stochastisch und kann beispielsweise eine in der Fig. 3 dargestellte Form aufweisen. Es ist ersichtlich, daß die Breite des Modulationsspektrums,

d. h. die Signalauflösung unabhängig von dem Abstand zum Meeresgrund ist Dies ist von großer Bedeutung im Hinblick auf die Nützlichkeit dieses Meßverfahrens bei sehr großer Meerestiefe. Gemäß den obigen Erläuterungen ist das vom zweiten Empfanger empfangene Signal identisch mit demjenigen, welches vom Erstempfänger empfangen wird, wobei jedoch eine Zeitverzögerung bis zu T= L/v auftritt Dies ist in der Fig. 3 mittels der zwei Signale 51 und 52 veranschaulicht, die jeweils von Ml und Ml ausgehen.

Bei den obigen Ausführungen ist angenommen, daß die Sendeantenne auf halbem Weg zwischen den zwei Empfangsantennen angeordnet ist Eine Verlagerung der Sendeantenne an eine beliebige andere Stelle ent-

lang der Meßrichtung, d. h. eine gerade Linie, welche die zwei Empfangsantennen miteinander verbindet, führt zu einem Symmetriemangel bei den von den zwei Empfangern aufgenommenen Signalen. Bei einer geringfügigen Verlagerung der Sendeantenne tritt jedoch nur eine geringfügige Unsymmetrie auf. Dadurch wird es gemäß Fig. 4 möglich, eine der Empfangsantennen als Sendeantenne zu verwenden, vorausgesetzt, daß die Übertragung intermittierend erfolgt, wobei das entsprechende Antennenelement zwischen der Funktion als Sender und als Empfänger entsprechend umgeschaltet wird.

Aus der Fig. 5 ist weiterhin ersichtlich, daß es möglich ist, mit beiden Antennenelementen gemeinsam zu senden, wonach ein Umschalten auf Empfang für jedes einzelne Antennenelement durchgeführt wird. In diesem Falle ist die Sendekeule schmaler als die Empfangskeule, und das Frequenzspektrum der Modulation der Empfangersignale wird durch die Sendekeule begrenzt.

Die F i g. 6 zeigt ein Diagramm, wie Senden und Empfangen zeitlich verteilt sein können. Der Sendeimpuls S ist hier verhältnismäßig lang (z. B. T₁ = 100 ms). Während dieser Zeitperiode ist die Antenne mit dem Sender verbunden. Die Antenne wird dann auf den Empfänger umgeschaltet, wobei die Kurve M das Tastsignal des Empfängers veranschaulicht. Die Kurve E veranschaulicht das Echosignal. Die Verstärkung in den Empfängerverstärkern kann mit einer Einrichtung durchgeführt werden, welche die Abhängigkeit der Empfangersignale vom Abstand zum Meeresboden kompensiert. Es ist weiterhin möglich, die Verstärker mit entsprechenden Tastfunktionen zusätzlich zu der Umschaltung der Verbindung zur Antenne auszurüsten, beispielsweise zu dem Zweck, das Bodenecho zu eliminieren und gegen eine Wassermasse auf vorgegebenem Abstand von dem Fahrzeug zu messen.

Die Fig. 7 zeigt ein anderes Beispiel für die Umschaltfolge zwischen dem Sender und dem Empfänger. In diesem Beispiel ist das Umschaltintervall sehr kurz, beispielsweise 1 ms. Soweit die geschwindigkeitsabhängige Modulation betroffen ist, können die Empfängersignale als kontinuierlich angesehen werden, es ist jedoch möglich, dieselben Antennenelemente sowohl zum Senden als auch zum Empfangen zu verwenden.

Die Sender-Empfänger-Umschaltung gemäß Fig. 6 hat eine funktionale Begrenzung bei sehr geringen Tiefen dadurch, daß das durch den Boden reflektierte Echo zum Teil bereits zurückkehrt, bevor der Sendeimpuls vollständig ist. Dadurch wird der ausnutzbare Anteil des Bodenechos allmählich mit abnehmender Tiefe geringer. Schließlich wird er kürzer als die Zeitverzögerung zwischen den zwei Empfängersignalen T = L/v.

Dies führt zu Schwierigkeiten bei der Messung der Zeitverzögerung. Wenn ein kontinuierliches Signal oder eine Impulsform gemäß Fig. 7 verwendet wird, besteht eine derartige Begrenzung nicht, hier wird jedoch der Tiefenbereich stattdessen dadurch begrenzt, daß Echos von inhomogenen Abschnitten der Wassermasse bei großen Entfernungen zum Boden quasi »ertränkt« werden.

Die Fig. 8 veranschaulicht eine Möglichkeit der Impulsform, bei welcher vorausgesetzt ist, daß die obengenannten Begrenzungen gemäß Fig. 6 und 7 überwunden werden können. Im Prinzip werden hier Impulselemente dadurch erreicht, daß die Impulsdiagramme für den Sender gemäß Fi g. 6 und 7 miteinander multipliziert werden, wodurch der Sender dazu gebracht wird, während der Zeitperiode 7Ί Impulszüge zu liefern. Der Empfänger wird mit der Antenne zwischen den kurzen Sendeimpulsen und weiterhin während der Zeiten zwischen den Impulszügen verbunden.

Dadurch wird es möglich, Signale im Empfänger auch während der Zeit 7Ί und bei geringen Tiefen zu ernp fangen.

Die Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm, wie die Signale von den Empfängerantennen in den HF-Verstärkern Fi

ίο und Fl jeweils verstärkt werden und wie die Amplitudenhülle durch die Gleichrichter Dl und Dl jeweils ermittelt wird, wonach die Einheit T_n, die Signale 51 und 52 vergleicht, die Geschwindigkeit bestimmt und Ausgangssignale erzeugt, die beispielsweise einer Geschwindigkeitsanzeigeeinrichtung / und einer Entfernungsanzeigeeinrichtung D zugeführt werden können. Die Ausgangssignale können beispielsweise aus einer Spannung oder einem Strom bestehen, wobei diese Signale der Geschwindigkeit proportional sind, soweit es die Geschwindigkeitsanzeigeeinrichtung betrifft, und aus einer Impulsfolge, deren Frequenz der Geschwindigkeit proportional ist, soweit die Entfernungsanzeigeeinrichtung R betroffen ist, die in diesem Falle aus einem Impulszähler bestehen kann.

Die Einrichtung T_m kann beispielsweise so aufgebaut sein, wie es in der schwedischen Patentschrift 3 48 055 beschrieben ist, wo Ausgangssignale erzeugt werden, wie es oben erläutert wurde, wobei auch die Signale in den Zeitperioden zwischen den langen Impulsen gemäß

JO Fig. 6 und 8 berücksichtigt werden.

Die normale Fahrtrichtung eines Schiffes wird durch seine Längsachse angegeben. Unter dem Einfluß von Meeresströmungen und unter dem Einfluß des Windes jedoch kann es oft vorkommen, daß sich das Schiff entlang einer Linie bewegt, die etwas von seiner Längsachse abweicht. Wenn der Winkel zwischen der Fahrtrichtung und der Schiffslängsachse mit δ bezeichnet wird, wobei die Fahrtgeschwindigkeit mit ν bezeichnet ist, während die Geschwindigkeitskomponenle in der Längsachsenrichtung v_x ist, während die Geschwindigkeitskomponente in der Querrichtung mit v_v. bezeichnet wird, dann ergibt sich die folgende Beziehung:

v_x = ν cos <5; ν,. = ν sin <5.

Eine Meßeinrichtung für Navigationszwecke muß in erster Linie dazu dienen, eine Information über die Geschwindigkeitskomponente v_x in Richtung der Schiffslängsachse zu liefern, ss ist jedoch darüber hinaus auch erforderlich, eine Information darüber zu erhalten, wie hoch die Geschwindigkeitskomponente v, in der Querrichtung ist, um die Bewegung des Schiffes im Bereich von Untiefen, Bänken, usw. zu kennen. Es wird hier beschrieben, wie die Längsgeschwindigkeitskomponente v_x direkt aus einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung dadurch entnommen werden kann, daß die Empfangsantennen in entsprechender Weise ausgebildet werden. Weiterhin werden auch einige Verfahren angegeben, mit denen auch die Quergeschwin-■ digkeitskomponente v_v. ermittelt werden kann.

Eine bevorzugte Ausfiihrungsform der Empfangsantennen ist in der Fi g. 11 dargestellt. Hierbei besteht die Empfangsantenne aus kreisförmigen Elementen, die auf einem Abstand von TL voneinander angeordnet sind. Die Sendeantenne sollte auf halbem Weg zwischen den Empfangsantennen liegen, sie ist jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt
Die Verarbeitung von Signalen erfordert, daß das

Signal von der Empfangsantenne Λ/1 gespeichert wird und mit dem Signal von der Empfangsantenne Ml verglichen wird, welches mit einer bestimmten Zeitverzögerung folgt. Während dieser Zeitverzögerung bewegt sich die Empfangsantenne Ml entlang einer Linie, die den Winkel ö mit der geraden Linie bildet, welche die zwei Empfangsantennen miteinander verbindet.

Die Zeitverzögerungs-Meßeinrichtung T_m stellt sich auf die Zeitverzögerung ein, bei der eine maximale Korrelation zwischen den zwei Signalen besteht, was eine ι ο maximale Überlappung der zwei in der Fig. 14 dargestellten Flächen bedeutet. Dies tritt dann auf, wenn der Mittelabstand zwischen Ml und dem verlagertem Empfänger Ml (= MT) ein Minimum ist. In diesem Zeitpunkt ist

Ml um 2Z- · cos δ

in bezug auf das Signalmuster verlagert. Der Korrelator zeigt dann eine Geschwindigkeit an, welche der Zeitverzögerung

Z-coscS

25

10

Die angezeigte Geschwindigkeit

ν,

entspricht.

cos ö
anstatt des exakten Wertes

v_x = ν ■ cos δ

wird erhalten.

Diese Antennenkonfiguration führt somit zu einer falschen Geschwindigkeitsanzeige, wenn eine Drift vorhanden ist. Sie ist jedoch für die Fälle von begrenzter Genauigkeitsanforderung brauchbar, wenn zu erwarten ist, daß die Driftwinkel verhältnismäßig klein sind.

In der Fig. 12 sind rechteckige Empfangsantennen dargestellt. Der Bereich der Empfindlichkeit der Empfänger liegt jedoch praktisch etwas außerhalb der geometrischen Antennenoberflächen. Zur Vereinfachung wird der Berechnung hier ein Empfindlichkeitsbereich der Empfänger zugrundegelegt, der mit der geometrischen Form der Empfangsantennen zusammenfällt.

Bei .einer Verlagerung 5 in einer Richtung, die einen Winkel δ mit der geraden Linie zwischen den Mittelpunkten der Empfangsantennen bildet, ergeben sich die folgenden Überlappungsflächen Ö:

O= (a-\2L- x\)(b-\y\) = (a-\2L - x\)(h- χ\ΐιιηδ\) = (a-'\2L - scosö\)(b -

für

2L-a<x<2L + a~b<y<b.

Die Funktion Ö ist für die zwei Fühlerabmessungen in den Fig. 13a und 13b dargestellt.

Aus der F i g. 13a ist ersichtlich, daß Ö ihr Maximum bei einer Verlagerung s hat, was bei einer Projektion auf die x-Achse dem Empfänger-Antennen-Abstand von 2Z- bei kleinen Werten von «5 entspricht. Dies setzt voraus, daß die Geschwindigkeit, die auf die .v-Achse projiziert wird, gemessen wird, d. h. v\ = ν cos <5. Mit zunehmenden Werten von δ zeigt die Uberlappungsfunktion Ö eine wachsende Unsymmetrie, die zu Fehlern führt, wenn »\ gemessen wird. Die Größe des Fehlers hängt nicht nur von δ ab, sondern auch von den Fühlerabmessungen und von Einzelheiten in der Zeitverzögerungs-Meßeinrichtung. Aus der Fig. 13a ergibt sich jedoch, daß dies nicht zu einem Problem führen sollte, bei Winkeln bis zu 30° annehmbare Ergebnisse zu erhalten. Bei größeren Winkeln sollte der Abmessung eine besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Wenn beispielsweise b viermal so groß ist wie 2L, läßt sich eine exakte Messung von ν_Λ. in einem Winkelbereich von ±60° durchführen (Fig. 13b). Ein geringfügiger Fehler kann jedoch dabei in den seitlichen Teilen des Winkelbereichs auftreten, und zwar aufgrund der Ausbildung der Zeitverzögerungseinrichtung. Wo die Genauigkeit besonders hoch sein muß (in der Größenordnung von einigen Promille), kann der Meßfehler der Zeitverzögerungs-Meßeinrichtung bei der Bestimmung der Position des Maximums einer asymmetrischen Überlappungsfunktion durch eine spezielle Ausbildung der Empfangsantennen kompensiert werden.

Der Fehler, welcher die Bestimmung von v_x für große Werte von δ beeinflußt, ist gemäß Fig. 13 derart beschaffen, daß die Anzeige des Korrelationsmaximums einer kürzeren Meßbasis L entspricht, als dies tatsächlich der Fall ist. Dieser Fehler kann somit dadurch kompensiert werden, daß die Empfangsantennen eine leichte Krümmung quer zu der Meßrichtung erhalten. Dies ist in der Fig. 14 dargestellt, wo die Krümmung der Empfangsantennen stark übertrieben ist, um in der Figur deutlich sichtbar zu werden.

Die F i g. 9 zeigt, wir vier Empfangsantennen angeordnet sein können, um zwei Meßrichtungen X' und X" auf jeder Seite der Längsrichtung des Schiffes zu bilden. Für Fahrtrichtungen, die in einem Bereich von etwa ±20° von der Längsrichtung des Schiffes abweichen, können direkte Messungen der Geschwindigkeitskomponenten in den zwei Richtungen A" und X" durchgeführt werden, aus denen die exakten Werte von v_A.und v_v berechnet werden können. Die Fig. 10 zeigt ein Blockdiagramm für die Verarbeitung der Signale in den erwähnten Fällen. Die Signale, welche die Werte von v_x und Vj. darstellen, können dann einer Anzeige-und/oder einer Navigationseinrichtung zugeführt werden, die beispielsweise einen Schreiber zur kontinuierlichen Aufzeichnung der Position auf einer entsprechenden Fläche aufweist Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeitskomponenten in der Längsrichtung (vj und in der Querrichtung (v,) bei verhältnismäßig kleinen Werten des Winkels δ ist in der Fig. 17 dargestellt Wie oben bereits ausgeführt wurde, sind im Prinzip zwei Empfangsantennen Ml und Ml vorhanden, wobei jedoch Ml in zwei gleiche Teile geteilt ist, nämlich in MlA und MlB, und zwar verteilt über die Hauptmeßrichtung.

Um die Geschwindigkeitskomponente in der Meßrichtung zu ermitteln, werden die Signale von den zwei

Antennenteilen MlA und MlB in dem Addierer 217 addiert, woraus das Signal Sl gewonnen wird. 52 ist dem Signal äquivalent, welches von der unterteilten Antenne erhalten worden wäre, wenn sie nicht unterteilt wäre. Die Einheiten 219,221,223 und 224 bewirken die Geschwindigkeitsbestimmung, wobei die Zeitverzögerungseinheit ι derart eingestellt ist, daß die elektrische Verzögerung in der Einheit rgleich der Zeitverzögerung zwischen den Signalen 5Ί und Sl ist, was sich aus der Geschwindigkeitskomponente v_v des Schiffes in der Meßrichtung ergibt. Die Einheit 216 erzeugt die Differenz zwischen den Signalen aus den Antennenteilen 212 und 213. Das auf diese Weise erhaltene Signal S3 wird mit dem verzögerten Signal 51 (r-r) in der Einheit 220 multipliziert. Das Tiefpaßfilter LP(IlZ) filtert hauptsächlich die Gleichspannungskomponente aus, die in dem erzeugten Signal vorhanden ist, und man erhält eine Ausgangsspannung U_T. U_T wird eine Funktion der Fahrtrichtung relativ zu der Meßrichtung, beispielsweise gemäß Fig. 18, wobei v_v die Geschwindigkeitskomponente in der Meßrichtung und v, die Geschwindigkeitskomponente in einem rechten Winkel zu dieser Richtung darstellt. Diese Funktion ist möglicherweise nicht linear, sie läßt sich jedoch leicht in eine im wesentlichen gerade Linie linearisieren. Dadurch wird es sehr leicht, die Spannung U_T zur Bestimmung des Driftwinkels oder in Verbindung mit dem Signal für die Geschwindigkeit v_v. zur Bestimmung von ν,, heranzuziehen und weiterhin auch zur Bestimmung der integrierten Drift über eine gewünschte Zeitperiode. Die oben beschriebene Anlage ermöglicht es

ίο somit, für Navigationszwecke die Fahrtroute von Schiffen im Bereich von Untiefen, Bänken, usw. zu bestimmen, und zwar auch dann, wenn die Fahrtrichtung etwas von der Schiffslängsachse abweicht.
Nachfolgend wird die Funktion U_T gemäß Fig. 18 analysiert.

Die Einheiten 220 und 222 bilden näherungsweise die Kreuzkorreiationsfunkiion Tür die Signale 51 und 53 am Punkt r = LZv_x, wobei L die Meßbasis darstellt, welche gleich dem halben Abstand der Meßrichtung zwischen

2c dem Antennenelement 211 und den Antennenelementen 212 und 213 ist, d. h.

U_T= MV[Sl(I- τ)S3U)]

ι + T

= -γ JSl U- T)S3(i)dt

= -γ JSl U - T)[SlA(I) - SlB(t)]dt

= -γ j

51 U-T)SlA(I)Ut - -γ

= U_AT- U_BT.

(Z₄₇-und i/_srsind näherungsweise die Kreuzkorrelationsfunktion zwischen 51 und SlA und zwischen Sl und 52ß, und zwar jeweils am Punkt r = LZv_x.

In bezug auf ihre Mittelwerte sind diese zwei Kreuzkorrelationsfunktionen gleich, vorausgesetzt das v_v. = 0, was sich aus der Symmetrie der Antennenanordnung ergibt. Wenn jedoch die Fahrtrichtung von der Meßrichtung derart abweicht, daß beispielsweise der Antennenteil 213 etwas außerhalb des Bereiches des verwendeten Signalmusters liegt, das ursprünglich von der Empfangsantenne 211 während einer Periode erfaßt wurde, die gleich r = LZv_x ist, dann wird U_BT< U_ATund Utpositiv. In derselben Weise wird U₇ negativ, wenn die Fahrtrichtung von der Richtung der Messung in entgegengesetzter Richtung abweicht. Je größer die Abweichung der Fahrtrichtung in bezug auf die Meßrichtung ist, um so größer ist die Amplitude von U_T. Die Linearität von Uj hängt von den entsprechenden Eigenschaften der Multiplikationseinheit 220 ab.

In bestimmten Fällen wie bei Anlegemanövern ist es wesentlich, daß man in der Lage ist, Fahrtrichtungen zu messen, die einen willkürlichen Winkel mit der Schiffslängsachse bilden. Dies kann mittels einer Anlage geschehen, die eine Meßeinrichtung gemäß der Erfindung aufweist, indem drei Paare von Empfangsantennen unter jeweils 120° Winkelversatz gemäß Fig. 15 verwendet werden. Wenn jedes Antennenpaar derart ausgebildet ist, daß es zur Geschwindigkeitsmessung innerhalb eines Winkelbereichs von etwa ±60° verwendbar ist, so bleibt außerhalb seiner Meßrichtung der Geschwindigkeitsvektor stets innerhalb des Meßbereichs von wenigstens zwei Antennenpaaren, und man erhält zwei entsprechende Komponenten. Somit ist es stets möglich, die Komponenten v_v und v, aus den Geschwindigkeitsmessungen zu berechnen, welche durch diese Empfängerpaare durchgeführt werden.

Die Fig. 19 zeigt einen Weg, wie eine Antenne aus einer Anzahl von Elementen aufgebaut sein kann, welche von einer Geschwindigkeitsmeßeinrichtung zu einer anderen umschaltbar ist, und zwar gemäß der Erfindung, um die Geschwindigkeit in einer bestimmten Fahrtrichtung zu ermitteln. Durch Verwendung von sechs kreisförmigen oder unter Umständen hexagonalen Elementen, die gemäß der Zeichnung angeordnet sind, erhält man 6 Meßrichtungen, wobei die zwei Empfangsantennen für jede Fahrtrichtung jeweils aus zwei Elementen bestehen. Die Umschaltung zwischen den einzelnen Antennenelementen wird derart gesteuert, daß die in Frage stehende Fahrtrichtung durch zwei benachbarte Meßrichtungen eingeschlossen wird. Durch Verwendung von zwei Geschwindigkeitsmeßeinheiten 311 und 312 werden die Geschwindigkeitskomponenten v_o und v_A entlang den angeschlossenen Meßrichtungen bestimmt, wodurch es möglich wird, die tatsächliche Fahrtrichtung zu berechnen.

Die beschriebene Antennenanordnung kann auch mit einer Einrichtung gemäß Fig. 17 verwendet werden. Die Signale von zwei Übertragern, die in der Fahrt-

richtung vorne angeordnet sind, ■.verden addiert,woraus sich 51 ergibt (z.B. die Übertrager Al und Al in der F i g. 17). SlA und S2B werden aus den Übertragern A4 und A5 jeweils erhalten.

Die Fig. 16 zeigt, wie die Fühlersignale bei der Tiefenmessung mittels einer elektronischen Anordnung erreichbar sind, indem parallel mit der Tiefenmeßelektronik gearbeitet wird. Eines der Fühlersignale ist für die Tiefenmessung ausreichend, durch Addition der Signale von beiden Fühlern wird jedoch ein verbesserter Rauschabstand erreicht, und somit ergibt sich ein verbesserter Abstandsbereich. Die Tiefenmeßeinrichtung liefert das Tiefensignal, und das digitale Signal P zur Steuerung des Tastsignals für die Geschwindigkeitsmeßeinrichtung ergibt sich für Messungen gegenüber dem Boden oder einer entsprechenden Wassermasse.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Geschwindigkeit bis zu einem Wert 0 herunter ermittelt werden, indem zwei Abtastelemente verwendet werden, vorausgesetzt, daß sich diese mit einer bekannten Geschwindigkeit gegenüber dem Schiff bewegen. Eine derartige Bewegung kann hervorgerufen werden, indem ein Fühler mit mehreren Elementen verwendet wird, wodurch zwei Ausgangssignale durch entsprechende Schalter erzeugt werden, welche die Signalausgänge mit einem Sensorelement nach dem anderen in einer Folge verbinden, woduch eine Bewegung der Abtastbereiche simuliert wird.

Die F i g. 20 zeigt eine Horizontalprojektion eines akustischen Fühlers, wie er oben beschrieben wurde, während die F i g. 21 eine schematische Darstellung der entsprechenden Installation an Bord eines Schiffes zeigt. Die Größe des Fühlers ist im Vergleich zu derjenigen des Schiffes stark übertrieben. In Wirklichkeit beträgt die Größe des Fühlers nur einige Dezimeter oder weniger, während die Länge des Schiffes im Bereich von etwa 200 m liegen kann. Der akustische Fühler besteht aus einem Transmitterelement 14 und einer Anzahl von Empfangselementen (von denen in der Figur 10 Stück dargestellt sind).

In den Fig. 20 und 21 sind zwei Signale Sl und Sl durch zwei Arme SwI und SwI jeweils abgegriffen, die sich an dem Fühlerfeld mit einer Geschwindigkeit V₀ entlangbewegen. Der Abstand zwischen den Armen ist

s L. Wenn die Geschwindigkeit des Objektes ν = 0, so nehmen die zwei Signale 51 und Sl eine Zeitverzögerung von T₀ = LAz₀ in bezug aufeinander an, und zwar aufgrund der Tatsache, daß die Abtastung durch die Schalter SwI und SwI jeweils erfolgt. Wenn sich das

ίο Objekt bewegt, hängt die Zeitverzögerung von der Gesamtgeschwindigkeit

2v+H)

ab.

Die Signalverarbeitung zur Bestimmung von ν kann beispielsweise gemäß Fig. 22 durchgeführt werden. Fl und Fl sind Filter, welche den Abtasteffekt in den Signalen von 5ΉΊ und SwI jeweils eliminieren, so daß wieder kontinuierliche Signale erzeugt werden. Die Funktionen der üurch die Schalter A, C, Al, Al, A3, A 4, E, F, sowie durch die Blöcke C. /, A/F und die Steuereinheit ausgeführt werden, sind in der schwedisehen Patentschrift 3 48 055 erläutert Ein Ausgangssignal, welches aus Impulsen besteht, deren Frequenz der Geschwindigkeit proportional ist, wird dadurch erreicht, daß das Signal /i von der Schaltung gemäß Fig. 22 mit der Pilotfrequenz/₂ für die Abtastschalter des Fühlers kombiniert wird, wobei die Geschwindigkeit ν des gemessenen Objektes

beträgt.

Die Erzeugung von/aua/i und/₂ oben kann mittels einer Anzahl von bekannten Digitalschaltungen durch- <to geführt werden.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gerät zum Messen der Geschwindigkeit eines Schiffes mit

einer Sendeeinrichtung an Bord des Schiffes mit einem Sender und wenigstens einer Sendeantenne, die zum Übertragen eines akustischen Signals zu einem Bezugsort, von dem das akustische Signal reflektiert wird, an dem Sender angeschlossen ist, sowie mit einer Empfangseinrichtung an Bord des Schiffes mit einer an wenigstens einem Empfänger angeschlossenen ersten und zweiten Empfangsantenne, die jeweils das reflektierte Signal empfängt, das sich aus der Summe der Reflexionen an jedem Punkt des Bezugsortes innerhalb ihres jeweiligen Keutenbereiches zusammensetzt, und
einer an der Empfangseinrichtung angeschlossenen Einrichtung, die die empfangenen Signale miteinander vergleicht und als Ergebnis des Signalvergleichs ein die Schiffsgeschwindigkeit anzeigendes Ausgangssignal erzeugt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Sender ein kohärentes akustisches Signal liefert,

daß sich die Antennenkeulen der Empfangsantennen (AfI, Ml) fast vollständig mit der Antennenkeule der Sendeantenne decken,
daß die zweite Empfangsantenne (Ml) von der ersten Empfangsantenne (Ml) beabstandet ist und daß sich deren Empfangssignal aus der Summe der Reflexionen des gleichen akustischen Sendesignals an jedem Punkt (Pk) des Bezugsortes innerhalb des Keulenbereiches zusammensetzt, und
daß die von der Verarbeitungseinrichtung (Tm) empfangenen, als Funktion der Schiffsgeschwindigkeit modulierten akustischen Signale angenähert den gleichen Amplitudenverlaufaufweisen und eine Zeitverschiebung zueinander haben, die eine Funktion des Abstandes der Empfangsantennen (Fl, DX; Fl, Dl) in Meßrichtung voneinander sowie eine Funktion der Schiffsgeschwindigkeit darstellt.

2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine an die Sendeeinrichtung und an die Empfangseinrichtung angeschlossene Schalteinrichtung zum Umschalten von wenigstens einer Antenne (Ml, Ml) zwischen dem wenigstens einen Sender (S) und dem wenigstens einen Empfänger (Fl, Dl; Fl, Dl).

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Empfangsantenne (Ml, Ml) eine Form aufweist, die rechtwinklig zur Meßrichtung eine größere Abmessung hat als in Meßrichtung.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Empfangsantenne (AfI, Af2) rechteckig ist.

5. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsantenne (AfI, Af2) eine bestimmte Krümmung in Richtung der größeren Abmessung aufweist.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vier Empfangsantennen (MV, MT; Ml", Ml") vorgesehen sind, die paarweise nebeneinander angeordnet sind, wobei die Antennen jedes Paares derart angeordnet sind, daß die Meßrichtung eines Paares unter einem bestimmten Winkel zu der Meßrichtung eines anderen Paares steht, und daß die Längsachse des Schiffes mit der Winkelhalbierenden des Winkels zwischen den Meßrichtungen höchstens einen kleinen Winkel einschließt

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sechs Empfangsantennen (MV, MT; Ml", MV; MV", Aß") paarweise angeordnet sind, und zwar in der Weise, daß drei Meßrichtungen gebildet sind, und daß die Paare zueinander derart ausgerichtet sind, daß die Meßrichtung Winkel von etwa 120⁰C miteinander bilden, so daß auf diese Weise die Geschwindigkeitskomponenten in einer beliebigen Fahrtrichtung gemessen werden können.