DE2516001A1

DE2516001A1 - Verfahren zur verbesserung der richtcharakteristik einer echolot- empfangsbasis und vorrichtungen zum ausueben dieses verfahrens

Info

Publication number: DE2516001A1
Application number: DE19752516001
Authority: DE
Inventors: Rolf Ing Grad Ziese
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1975-04-12
Filing date: 1975-04-12
Publication date: 1976-10-21
Also published as: US4025894A; DE2516001C2; FR2307426B1; NO142053B; JPS5843707B2; NO142053C; NO761121L; GB1496472A; FR2307426A1; JPS51126855A

Description

FRIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG in Essen

VERFAHREN ZUR VERBESSERUNG DER RICHTCHARAKTERISTIK EINER ECHOLOT-EMPFANGSBASIS UND VORRICHTUNGEN ZUM AUSÜBEN DIESES VERFAHRENS

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Richtcharakteristik einer aus mehreren in einer Ebene angeordneten Wandlern bestehenden Echolot-Empfangsbasis durch multiplikative Verarbeitung von aus den Empfangssignalen der Wandler gewonnenen Ausgangssignalen bei Verwenden eines Wasserschallsenders mit konstanter Sendefrequenz und Vorrichtungen zum Ausüben dieses Verfahrens.

In der Echolottechnik werden üblicherweise Echolot-Empfangsbasen verweadet, die nur aus einer geringen Anzahl von Wandlern bestehen und daher eine geringe räumliche Ausdehnung haben. Diese Anordnung ergibt jedoch eine ungünstige Form der Richtcharakteristik, die eine breite Hauptkeule und hohe Nebenkeulen aufweist. Eine breite Hauptkeule verhindert aber eine genaue Richtungsbestimmung einfallender Echosignale, wogegen starke Nebenkeulen die Richtungsbestimmung stark verfälschen können.

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Aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 34-7 732 ist schon ein Verfahren bekannt, durch multiplikative Verarbeitung von Empfangssignalen von Wandlern eine Verbesserung der Richtcharakteristik einer Echolot-Empfangsbasis zu erzielen.

Dieses Verfahren arbeitet jedoch mit einer besonders ausgebildeten Echolot-Empfangsbasis, die Paare von Wandlern enthält, die in vorgegebenen Abständen voneinander angeordnet sein müssen. Es ist somit nicht geeignet, eine Verbesserung der Richtcharakteristik einer ebenen Echolot-Empfangsbasis mit einer beliebigen Anzahl und Anordnung von Wandlern zu erzielen.

Es ist somit Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren zur Verbesserung der Richtcharakteristik einer ebenen Echolot-Empfangsbasis mit mehreren Wandlern anzugeben, das keine Anforderung an die Anzahl der Wandler und deren Anordnung stellt,und Schaltanordnungen zum Ausüben des Verfahrens zu schaffen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus jedem Empfangssignal, dessen Frequenz die Sendefrequenz ist, Ausgangssignale unterschiedlicher Frequenz abgeleitet werden, wobei mehrere Empfangssignale sowie von mehreren Eafjfangssignalen abgeleitete Ausgangssignale gleicher Frequenz

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zu. Gruppensignalen addiert werden, und daß die multiplikative Verarbeitung wenigstens eine erste Verarbeitung mit wenigstens einer Multiplikation von zwei Gruppensignalen unterschiedlicher Frequenz umfaßt, von denen das eine Gruppensignal die Sendefrequenz oder eine tiefere Frequenz aufweist und das andere Gruppensignal die Sendefrequenz oder eine höhere Frequenz aufweist, und wobei eine zweite Verarbeitung eine Multiplikation von Produkten der ersten Verarbeitung umfaßt.

Da somit nur die Frequenz - und nicht die Amplitudeninformation der Empfangssignale - benötigt wird, ist es in einer weiteren vorteilhaften Ausbildung dieser Erfindung vorgesehen, die Empfangssignale der Wandler in Rechteckimpulsfolgen gleicher Frequenz und konstanter Amplitude umzuwandeln. Damit ist einerseits eine Unabhängigkeit von unterschiedlichen Empfindlichkeiten der Wandler erreicht, andererseits ist ein Ableiten von Ausgangssignalen, die selbst eine Rechteckform aufweisen, aus Rechteckimpulsfolgen technisch leichter realisiert, als ein Ableiten von Ausgangssignalen aus sinusförmigen Empfangssignalen.

Die Gruppensignale geben in Abhängigkeit von ihrer Frequenz unterschiedliche Richtcharakteristiken an.

Werden die Empfangssignale aller Wandler addiert, so ist dieses Gruppensignal das Echosignal der Echolotempfangs-

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basis und gibt eine Richtcharakteristik an, die durch die Ausgestaltung der Echolotempfangsbasis vorgegeben ist. Ein Gruppensignal mit tieferer Frequenz gibt eine Richtcharakteristik mit breiterer Hauptkeule an, ein Gruppensignal höherer Frequenz gibt eine Richtcharakteristik mit schmaler Hauptkeule an.

Eine Multiplikation von Gruppensignalen entspricht also einer Multiplikation von unterschiedlichen Richtcharakteristiken.

Eine Definition der von den Gruppensignalen gebildeten Richtcharakteristiken in Bezug zu der Richtcharakteristik der Echolot-Empfangsbasis ist nur dann möglich, wenn Ausgangssignale gleicher Frequenz aus den Empfangssignalen sämtlicher Wandler abgeleitet werden, also nur die Frequenz des Gruppensignals ein Maß für seine Richtcharakteristik ist.

Eine Schaltanordnung zum Ausüben des Verfahrens nach dieser Erfindung ist in einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung besonders einfach ausführbar, wenn Ausgangssignale abgeleitet werden, deren Frequenz um den Faktor 2 von der Sendefrequenz abweichen.

Als Signalbildner sind dann einfache Kippschaltungen vorgesehen, wobei bistabile Kippschaltungen mit dynamischem

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Eingang vorgesehen sind, um aus den Empfangssignalen der Wandler Ausgangs signale abzuleiten, deren "Frequenz die Hälfte der Sendefrequenz beträgt. Zum Ableiten von Ausgangssignalen, deren Frequenz das Doppelte der Sendefrequenz beträgt, werden Kippschaltungen verwendet, die aus zwei monostabilen Kippstufen in Parallelschaltungen bestehen, wobei einer Kippstufe ein NAND-Gatter vorgeschaltet ist und wobei die Ausgänge der beiden Kippstufen auf ein weiteres NAND-Gatter als Ausgangsglied der Kippschaltung geschaltet sind.

Ausgangssignale gleicher Frequenz werden zu Gruppensignalen addiert, wobei nachgeschaltete Bandfilter die durch Addition von Rechteckimpulsen entstehenden Anteile unerwünschter Frequenzen ausfiltern. Die Empfangssignale der Wandler werden zu einem Gruppensignal mit Sendefrequenz addiert, das das Echosignal der Echolot-Empfangsbasis darstellt.

Jeweils zwei Gruppensignale werden auf einen Multiplizierer geschaltet, wobei eine Multiplikation des Echosignals mit einem Gruppensignal der halben Sendefrequenz eine Richtcharakteristik der Echolot-Empfangsbasis mit gedämpften Nebenkeulen ergibt. Eine Multiplikation des Echosignals mit einem Gruppensignal doppelter Sendefrequenz ergibt eine Richtcharakteristik mit erhöhter Richtschärfe der Hauptkeule, jedoch hohen Nebenkeulen.

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Eine Multiplikation der "beiden genannten Produkte ergibt eine Richtcharakteristik mit hoher Richtschärfe der Hauptkeule und sehr starker Dämpfung der Nebenkeulen, wie sie für eine Echolot-Empfangsbasis gev/ünscht ist und vorteilhaft anwendbar ist.

Die Erfindung ermöglicht es, ein Verfahren und Vorrichtungen zum Ausüben dieses Verfahrens zur Verbesserung der Richtcharakteristik einer Echolot-Empfangsbasis anzugeben, das keine Anforderung an eine besondere Gestaltung der Echolot-Empfangsbasis stellt und das somit auch für schon vorhandene und bereits verwendete ebene Echolot-Empfangsbasen auch noch nachträglich anwendbar ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltanordnung zum Ableiten von Ausgangssignalen gleicher Frequenz aus den Empfangssignalen sämtlicher Wandler,

Eig. 2 die Richtcharakteristiken eines Echosignals, eines Gruppensignals, dessen Frequenz die Hälfte der Frequenz des Echosignals beträgt, sowie eines Produktes einer Multiplikation beider Signale, . ;

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Fig. 3 die Richtcharakteristiken eines Echosignals, eines Gruppensignals, dessen Frequenz das Doppelte der Frequenz des Echosignals "beträgt, sowie eines Produktes einer Multiplikation beider Signale,

Fig. 4 die Richtcharakteristik der Produkte gemäß Fig.2 und 3 sowie eines Produkts einer Multiplikation der "beiden Produkte,

Fig. 5 eine Kippschaltung zum Bilden von Ausgangssignalen mit der Frequenz f/2 nach dem Blockschaltr bild gemäß Fig. 1,

Fig. 6 eine Kippschaltung zum Bilden von AusgangsSignalen mit der Frequenz 2f nach dem Blockschaltbild gemäß Fig. 1,

Fig. 7 Signalfolgen am Eingang und Ausgang der Kippschaltungen nach Fig. 5 und 6.

Eine Echolot-Empfangsbasis besteht, wie Fig. 1 zeigt, aus vier Wandlern 1 bis 4, die in einer Ebene angeordnet sind. Den Wandlern 1 bis 4 sind Schaltstufen 5 bis 8 mit infinit kleiner Schaltschwelle zum IMwandeln der Empfangssignale der Wandler 1 bis 4 in Rechteckimpulsfolgen gleicher Frequenz und konstanter Amplitude nachgeschaltet.

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Die Schaltstufen 5 bis 8 sind auf einen Addierer 9 geschaltet, dem ein Bandfilter 10 nachgeschaltet ist, dessen Mittenfrequenz fm gleich der Frequenz f eines verwendeten Wasserschallsenders (nicht gezeichnet) ist. Das Ausgangssignal des Bandfilters 10 gibt als Echosignal E die Richtcharakteristik der Echolot-Empfangsbasis an, wie sie in Fig. 2 in einer Darstellung der Amplitude in Abhängigkeit vom Einfallswinkel Q gegen die Normale auf der Ebene der Echolot-Empfangsbasis mit einer verhältnismäßig breiten Hauptkeule und einer nur um 10 db gedämpften ersten Nebenkeule dargestellt ist.

Den Schaltstufen 5 bis 8 sind Kippschaltungen 11 bis 14 und 15 bis 18 nachgeschaltet, wobei die Kippschaltungen 11 bis 14, wie Fig. 5 zeigt, aus einer bistabilen Kippstufe J1 mit einem dynamischen Eingang 32,bestehen, der bewirkt, daß die bistabile Kippstufe 31 bei jedem O/L-Übergang seines Eingangssignals a (vergl. Fig. 7) gekippt wird und so aus dem Signal a der Frequenz f ein Ausgangssignal b der Frequenz f/2 erzeugt.

Die Kippschaltungen 11 bis 14 sind auf einen Addierer 19 geschaltet, dem ein Bandfilter 20 mit der Mittenfrequenz f/2· nachgeschaltet ist und dessen Ausgangssignal ein erstes Gruppensignal G1 ist. Das Gruppensignal G1 gibt eine Richtcharakteristik an, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist und

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deren Hauptkeule doppelt so breit ist, wie die des Echosignals E und deren Nebenkeulen stark gedämpft sind.

Die Kippschaltungen 15 bis 18 enthalten, wie Fig. 6 zeigt, zwei monostabile Kippstufen 33 und 34-» wobei der Kippstufe 34-ein NAND-Gatter 35 vorgeschaltet ist und die Ausgänge der beiden monostabilen Kippstufen 33 "und 34- über ein weiteres NAND-Gatter 36 geschaltet sind, dessen Ausgang der Ausgang der Kippschaltungen 15 bis 18 ist.

Die monostabile Kippstufe 33 wird bei jedem O/l-Übergang des Eingangssignals a, die monostabile Kippstufe 34-, durch die Inventierung durch das vorgeschaltete NAND-Gatter 35» bei jedem L/O-Übergang des Eingangssignals a angetriggert. Die beiden monostabilen Kippstufen 33 und 34- sind derart ausgebildet, daß sie nach einer Zeit, die genau der Hälfte der Dauer eines Rechteckimpulses des Eingangssignals a entspricht, zurückkippen. Sie bilden somit Impulse c und d, die auf das NAND-Gatter 36 geschaltet werden, das eine Impulsfolge e mit der Frequenz 2f durchschaltet.

Die Kippschaltungen 15 bis 18 sind auf einen Addierer 21

geschaltet, dem ein Bandfilter mit der Mittenfrequenz 2f nachgeschaltet ist und dessen Ausgangssignal ein zweites Gruppensignal G2 ist. Das zweite Gruppensignal G2 gibt, wie Fig. 3 zeigt, eine Richtcharakteristik mit einer schmalen Hauptkeule und mit sehr großen Nebenkeulen an.

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Das Echosignal E ist über einen Gleichrichter 25 auf einen Multiplizierer 26 geschaltet, auf dessen anderem Eingang das erste Gruppensignal G1 geschaltet ist. Ein Ausgangssignal S1 am Multiplizierer 26 gibt bei einer Darstellung, bei der die Amplitude 0 db auf 1 normiert ist, eine Richtcharakteristik mit stark gedämpften Nebenkeulen an. (vergleiche Pig. 2).

Das Gruppensignal G2 ist über einen Gleichrichter 27 auf einen Eingang eines zweiten Multiplizierers 28 geschaltet, auf dessen anderen Eingang das Echosignal E geschaltet ist. Ein Ausgangesignal S2 am Ausgang des Multiplizierers 28 gibt eine Richtcharakteristik mit schmaler Hauptkeule und gedämpften Mebenkeulen an. (vergl, . 3).

Den Multiplizierern 26 und 28 ist ein dritter Multiplizierer 29 nachgeschaltet, wobei zwischen dem Multiplizierer 28 und Multiplizierer 29 ein Gleichrichter 30 zwischengeschaltet ist. Ein Ausgangs signal S3 am Ausgang des Multiplizierers 29 gibt, wie !ig. 4 zeigt, eine Richtcharakteristik mit schmaler Hauptkeule und sehr stark gedämpften Nebenkeulen an.

- PATENTANSPRÜCHE -

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Claims

— ΊΊ — PATENTANSPRÜCHE

1.) Verfahren zur Verbesserung der Richtcharakteristik einer aus mehreren in einer Ebene angeordneten Wandlern bestehenden Echolot-Empfangsbasis durch multiplikative Verarbeitung von aus den Empfangssignalen der Wandler gewonnenen Ausgangssignalen bei Verwenden eines Wasserschallsenders konstanter Sendefrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß aus jedem Empfangssignal, dessen Frequenz die Sendefrequenz ist, Ausgangssignale unterschiedlicher Frequenz abgeleitet werden, wobei mehrere Empfangssignale sowie von mehreren Empfangssignalen abgeleitete Ausgangssignale gleicher Frequenz zu Gruppensignalen addiert werden, daß die multiplikative Verarbeitung wenigstens eine erste Verarbeitung mit wenigstens einer Multiplikation von zwei Gruppensignalen unterschiedlicher Frequenz umfaßt, von denen das eine Gruppensignal die Sendefrequenz oder eine tiefere Frequenz aufweist und das andere Gruppensignal die Sendefrequenz oder eine höhere Frequenz aufweist und wobei eine zweite Verarbeitung eine Multiplikation von Produkten der ersten Verarbeitung umfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangssignale der Wandler in Rechteckimpulsfolgen gleicher

Frequenz und konstanter Amplitude umgewandelt werden, und daß die Ausgangssignale in Form von Reenteckimpulsfolgen mit konstanter Amplitude abgeleitet werden, wobei unerwünschte Frequenzanteile aus den Gruppensignalen ausgefiltert werden.

3· Schaltanordnung zum Ausüben des Verfahrens nach Anspruch 2, mit Ableiten von Ausgangssignalen, deren Frequenzen um den Faktor 2 von der Sendefrequenz abweichen, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Wandler (1 bis 4) eine Schaltstufe (5 his mit infinit kleiner Schaltschwelle nachgeschaltet ist, deren Ausgänge auf einen ersten Addierer (9) geschaltet sind, dem ein Bandfilter (10) mit der Sendefrequenz (f) als Mittenfrequenz nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal als Gruppensignal aus Empfangssignalen ein Echosignal (E) ist, daß den Schaltstufen (5 bis 8) Signalbildner (Kippschaltungen 11 bis 18) nachgeschaltet sind, von denen eine erste Ausführung zum Bilden von Ausgangssignalen mit der halben Sendefrequenz ausgebildet ist und von denen eine zweite Ausführung zum Bilden von Ausgangssignalen mit doppelter Sendefrequenz ausgebildet ist, daß die Signalbildner (Kippschaltungen 11 bis 14) der ersten Ausführung über einen zweiten Addierer (19) auf ein zweites Bandfilter (20) mit der halben Sendefrequenz als Mittenfrequenz geschaltet ' sind, dessen Ausgangssignal ein erstes Gruppensignal (G1) ist, daß die Signalbildner (Kippschaltungen 15 bis 18) der

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zweiten Ausführung über einen dritten Addierer (21) auf ein drittes Bandfilter (22) mit der doppelten Sendefrequenz als Mittenfrequenz geschaltet sind, dessen Aus gangs signal ein zweites Gruppensignal (G-2) ist, und daß Multiplizierer (26, 28, 29) vorgesehen sind, wobei die Eingangssignale eines ersten Multiplizierers (26) das Echosignal (E) und das erste Gruppensignal (G1) sind und wobei die Eingangssignale eines zweiten Multiplizierers (28) das Echosignal (E) und das zweite Gruppensignal (G2) sind und wobei die Eingangssignale eines dritten Multiplizierers (29) die Ausgangssignale der beiden anderen Multiplizierer (26, 28) sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet« daß die Signalbildner (Kippschaltungen 11 bis H) der ersten Ausführung aus einer bistabilen Kippstufe (31) mit einem dynamischen Eingang (32) bestehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalbildner (Kippschaltungen 15 bis 18) der zweiten Ausführung aus zwei monostabilen Kippstufen (33, 34) in Parallelschaltung bestehen, wobei einer Kippstufe (34) ein NAND-Gatter (35) vorgeschaltet ist und wobei die Ausgänge der Kippstufen (33, 34) auf ein weiteres NAND-Gatter (36) geschaltet sind, dessen Ausgang der Ausgang des Signalbildners ist.

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