DE2516001C2

DE2516001C2 - Verfahren zur Verbesserung der Richtcharakteristik einer ebenen Echolot- Empfangsbasis und Vorrichtung zum Ausüben dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE2516001C2
Application number: DE2516001A
Authority: DE
Inventors: Rolf Ing.(grad.) 2861 Worphausen Ziese
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1975-04-12
Filing date: 1975-04-12
Publication date: 1983-03-24
Also published as: FR2307426B1; NO761121L; GB1496472A; NO142053C; DE2516001A1; NO142053B; FR2307426A1; JPS51126855A; JPS5843707B2; US4025894A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Richtcharakteristik einer ebenen Echolot-Empfangsbasis der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art und eine Vorrichtung zum Ausüben dieses Verfahrens.
In der Echolottechnik werden üblicherweise Echolot-Empfangsbasen verwendet, 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.

Aus der DE-OS 22 52 671 ist eine Anordnung zum Bestimmen der Richtung einfallender Schallwellen bekannt, bei welcher eine erste Empfangsanordnung mit Doppelachtcharakteristik und eine zweite Empfangsan-Ordnung mit kreisförmiger Charakteristik verwendet wird und damit eine Anzeige der Einfallsrichtung von Schallwellen aus sämtlichen Richtungen in einer durch die Doppelachtcharakteristik vorgegebene Ebene ermöglicht wird. Diese Anordnung ist jedoch nicht als Echolotempfangsbasis verwendbar, da eine solche nur aus möglichst einer Richtung empfindlich sein soll, nämlich in der Richtung, aus der reflektierte Anteile der ausgesendeten Schallenergie zu erwarten sind.

Aus der DE-OS 23 47 732 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 Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren

zur Verbesserung der Richtcharakteristik einer ebenen Echolot-Empfangsbasis mit mehreren Wandlern anzu-

geben, das keine Anforderung an die Anzahl der Wandler und deren Anordnung stellt, und eine Schaltanordnung zum Ausüben des Verfahrens zu schaffen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäfi bei einem Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 gelöst.

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 sinusförmige!. Empfangssignalen.

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

Werden die Empfangssignale aller Wandler addiert, so entsteht das erste Gruppensignal, das eine Richtcharakteristik angibt, die durch die geometrische Anordnung der Wandler der Echolotempfangsbasis und durch die Frequenz der Gruppensignale vorgegeben ist. Werden die Empfangssignale nicht ailer sondern ausgewählter, nebeneinanderliegender Wandler addiert, so entsteht ein Gruppensignal, das eine breite Richtcharakteristik angibt. Das Gruppensignal mit tieferer Frequenz gibt eine Richtcharakteristik mit breiterer Hauptkeule an, das Gruppensignal höherer Frequenz gibt eine Richtcharakteristik mit schmaler Hauptkeule an.

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

Eine Definition der vom zweiten und dritten Gruppensignal 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.

Werden Ausgangssignale gleicher Frequenz nicht von sämtliche/i Wandlern gebildet, sondern von ausgewählten, nebeneinanderliegenden Wandlern, so entsteht ein Gruppensignal, das eine verbreiterte Richtcharakteristik angibt.

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 Frequenz der Empfangssignale, also von der Sendefrequenz des verwendeten Wasserschallsenders, abweichen.

Eine solche vorteilhafte Schaltanordnung ergibt sich aus Anspruch 3. Um aus den Empfangssignalen der Wandler Ausgangssignale abzuleiten, deren Frequenz die Hälfte der Frequenz der Empfangssignale beträgt, werden Signalbildner verwendet, die als einfache Kippschaltungen ausgebildet sein können, wobei bistabile Kippschaltungen mit dynamischem Eingang vorgesehen sind. Zum Ableiten von Ausgangssignalen, deren Frequenz das Doppelte der Frequenz der Empfangssignale beträgt, werden ebtnfalls als Kippschaltungen ausgebildete Signalbildner verwendet Diese bestehen jedoch aus zwei monostabilen Kippstufen in Parallelschaltung, wobei einer Kippstufe ein NAND-Gatter 5 oder ein Inverter vorgeschaltet ist und die Ausgänge beider Kippstufen auf ein OR-Gatter geschaltet sind, dessen Ausgang den Ausgang der Kippschaltung bildet. Die so gebildeten 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 ebenfalls zu einem Gruppensignal addiert, dessen Frequenz notwendigerweise der Frequenz der Empfangssignale ist, also der Sendefrequenz des verwendeten Wasserschallsenders entspricht, und welches das Echosignal der Echolot-Empfangsbasis darstellt.

Jeweils zwei Gruppensignale werden auf einen Multiplizierer geschaltet, wobei eine Multiplikation des ersten Gruppensignals, welches das Echosignal bildet, mit dem zweiten Gruppensignal der halb so großen Frequenz eine Richtcharakteristik mit gedämpften Nebenkeulen ergibt. Eine Multiplikation des ersten Gruppensignals mit dem dritten Gruppensignal der doppelt so großen Frequenz ergibt eine Richtcharakteristik mit erhöhter Richtschärfe der Hauptkeule, jedoch hohen Nebenkeulen.

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 gewünscht 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.

Der Erfindungsgegenstand ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltanordnung,

F i g. 2 eine Darstellung von Richtcharakteristiken eines ersten Gruppensignals, dessen Frequenz der konstanten Frequenz eines verwendeten Wasserschallsenders entspricht, eines zweiten Gruppensignals mit halb so großer Frequenz und des Produktes der Multiplikation beider Gruppensignale,

F i g. 3 eine Darstellung von Richtcharakteristiken des ersten Gruppensignals in Fig. 2, eines dritten Gruppensignals mit doppelt so großer Frequenz und des Produktes der Multiplikation beider Gruppensignale,

F i g. 4 eine Darstellung der Richtcharakteristik der Produkte gemäß F i g. 2 und 3 und des Produktes der .Multiplikation der beiden Produkte,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer Kippschaltung in Fig. 1 zum Bilden von Ausgangssignalen mit niedriger Frequenz,

F i g. 6 ein Ausführungsbeispiel einer Kippschaltung in ^p ig. 2 zum Bilden von Ausgangssignalen mit hoher Frequenz,

F i g. 7 eine Darstellung von Signalfolgen an den Kippschaltungen in F i g. 5 und 6.

Eine Echolot-Empfangsbasis besteht, wie F i g. 1 zeigt, aus vier Wandlern 1—4, die in einer Ebene angeordnet sind. Den Wandlern 1—4 sind Schaltstufen 5—8 zum Umwandeln der Empfangssignale der Wandler 1—4 in Rechteckimpulsfolgen gleicher Frequenz und konstanter Amplitude nachgeschaltet. Hierzu weisen die Schaltstufen 5—8 eine möglichst kleine Schaltschwelle auf, die vorzugsweise einen infinit kleinen Abstand vom Nullpotential der Empfangssignale hat. Eine solche Schaltstufe ist z. B. durch einen Zero Crossing Detektor mit einer auf dem Nullpotential der Empfangssignale liegenden Schaltschwelle realisierbar. Ein solcher Zero Crossing Detektor ist z. B. in dem Datenbuch der National Semiconductor Corporation »Linear Databook«, Seite 5—15, dargestellt.

Die Schailtstufen 5—8 sind auf einen Addierer 9 geschaltet, dem ein Bandfilter !0 nachgeschaltet ist, dessen Mittenfrequenz fm gleich der Sendefrequenz f eines verwendeten Wasserschallsenders (nicht gezeichnet) ist. Am Ausgang des Bandfilters 10 steht ein erstes Gruppensignal an, das als Echosignal E die Richtcharakteristik der Echolot-Empfangsbasis angibt, wie sie in F i g. 2 in einer Darstellung der Amplitude in Abhängigkeit vom Einfallswinkel ϋ· gegen die Normale auf der Ebene der Echolot-Empfangsbasis mit einer verhältnismäßig breiten Hauptkeule und einer nur um lOdb gedämpften ersten Nebenkeule dargestellt ist.

Den Schaltstufen 5—8 sind weiter Kippschaltungen 11 — 14 und 15—18 nachgeschaltet, wobei die Kippschaltungen 11 — 14 aus einer bistabilen Kippstufe 31 mit einem dynamischen Eingang 32 bestehen (F i g. 5), der bewirkt, daß die bistabile Kippstufe 31 bei jedem O/L-Übergang seines Eingangssignals a (F i g. 7) gekippt wird und so aus dem Signal a der Frequenz f ein Ausgangssignal feder Frequenz 'Ii erzeugt.

Die Kippschaltungen 11 — 14 sind auf einen Addierer 19 geschaltet dem ein Bandfilter 20 mit der Mittenfrequenz Ί-ι nachgeschaltet ist und dessen Ausgangssignal ein zweites Gruppensignal G\ ist. Das Gruppensignal G\ gibt eine Richtcharakteristik an, wie sie in Fig.2 dargestellt ist, deren Hauptkeule doppelt so breit ist wie die des Echosignals E und deren Nebenkeulen stark gedämpft sind.

Die Kippschaltungen 15—18 enthalten zwei monostabile Kippstufen 33 und 34 (Fi g. 6), wobei der Kippstufe 34 ein N AN D-Gatter 35 oder ein Inverter vorgeschaltet ist und die Ausgänge der beiden monostabilen Kippstufen 33 und 34 auf ein OR-Gatter 36 geschaltet sind, dessen Ausgang der Ausgang der Kippschaltungen 15—18 ist. Die monostabile Kippstufe 33 wird bei jedem 0/L-Übergang des Eingangssignals a, die monostabile Kippstufe 34, durch die Inventierung durch das vorgeschaltete NAND-Gatter 35, bei jedem L/0-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 OR-Gatter 36 geschaltet werden, das eine Impulsfolge e mit der Frequenz 2f durchschaltet (Fig. 7).

Die Kippschaltungen 15— iS sind auf einen Addierer 21 geschaltet, dem ein Bandfilter 22 mit der Mittenfrequenz 2( nachgeschaltet ist und dessen Ausgangssignal ein drittes Gruppensignal Gi ist. Das dritte Gruppensignal C7 gibt, wie Fig. 3 zeigt, eine Richtcharakteristik mit einer schmalen Hauptkeule und mit sehr großen Nebenkeulen an.
Das erste Gruppensignal oder Echosignal E ist über einen Gleichrichter 25 auf einen Multiplizierer 26 geschaltet, auf dessen anderen Eingang das zweite Gruppensignal G\ geschaltet ist. Ein Ausgangssignal S\ am Multiplizierer 26 gibt bei einer Darstellung, bei der die Amplitude 0 db auf 1 normiert ist, eine Richtcharakteristik mit stark gedämpften Nebenkeulen an (Fig. 2).

Das dritte Gruppensignal Gi ist über einen Gleichrichter 27 auf einen Eingang eines zweiten Multiplizierers 28 geschaltet, auf dessen anderen Eingang das erste Gruppensignal £ geschalte* ist. Ein Ausgangssigna! S₂ am Ausgang des Multiplizierers 28 gibt eine Richtcharakteristik mit schmaler Hauptkeule und gedämpften Nebenkeulen an (F i g. 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 Ausgangssignal S₃ am Ausgang des Multiplizierers 29 gibt eine Richtcharakteristik mit schmaler Hauptkeule und sehr stark gedämpften Nebenkeulen an (F i g. 4).

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verbesserung der Richtcharakteristik einer ebenen Echolot-Empfangsbasis mit einer zur Basisebene senkrechten maximalen Empfangsempfindlichkeit die aus einer Vielzahl von in der Basisebene angeordneten und zur Empfangsrichtung ausgerichteten Wandlern besteht, bei welchem Signale, die aus Empfangssignalen der Wandler mit einer der konstanten Sendefrequenz eines Wasserschallsenders entsprechenden Frequenz abgeleitet sind, multiplikativ verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Empfangssignalen Ausgangssignale mit unterschiedlichen und von der Frequenz (f) der Empfangssignale abweichenden, sowohl höheren als tieferen Frequenzen (2 / bzw. ''/2) gebildet werden, daß die Empfangssignale zu einem ersten Gruppensignal (E) und jeweils die Ausgangssignale gleicher Frequenz (2 f bzw. ¹Ii) zu weiteren Gruppensignalen (Gi bzw. Gi) addiert werden und daß bei der multiplikativen Verarbeitung wenigstens zwei Multiplikationen von Gruppensignalen (E, G\ bzw. E, Gi), bei denen jeweils das erste Gruppensignal (E) und ein Gruppensignal (Gi bzw. Gi) mit einer höheren bzw. tieferen Frequenz (2 / bzw. ¹Ii) multipliziert werden und wenigstens eine weitere Multiplikation der Produkte (Su Sb) aus den Gruppensignal-Multiplikationen durchgeführt werden.

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 Rechteckimpulsfolgen mit konstanter Amplitude abgeleitet werden, wobei unerwünschte Frequenzanteile aus den Gruppensignalen (E, Gi, G₂) ausgefiltert werden.

3. Schaltanordnung zum Ausüben des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2 mit einer Echolot-Empfangsbasis aus mehreren in einer Ebene angeordneten Wandlern und mit Multiplizierern für die Verarbeitung von Signalen, die aus Empfangssignalen der Wandler mit einer der konstanten Sendefrequenz des verwendeten Wasserschallsenders entsprechenden Frequenz gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Wandler (1—4) eine Schaltstufe (5—8) mit einer auf dem Nullpotential der Empfangssignale liegenden Schaltschwelle, z. B. ein Zero Crossing Detektor, nachgeschaltet ist und die Ausgänge der Schaltstufen (5—8) auf einen ersten Addierer (9) geschaltet sind, dem ein Bandfilter (10) mit der Sendefrequenz (f) als Mittenfrequenz nachgeschaltet ist, an dessen Ausgang das erste Gruppensignal, das ein Echosignal (E) ist, ansteht, daß den Schaltstufen (5—8) Signalbildner (Kippschaltungen 11 — 18) nachgeschaltet sind, von denen eine erste Gruppe (11 — 14) zum Bilden von Ausgangssignalen mit der halben Sendefrequenz (f) ausgebildet ist und von denen eine zweite Gruppe (15—18) zum Bilden von Ausgangssignale mit der doppelten Sendefrequenz (f) ausgebildet ist, daß die Signalbildner (Kippschaltungen 11 — 14) der ersten Gruppe über einen zweiten Addierer (19) auf ein zweites Bandfilter (20) mit der halben Sendefrequenz (f) als Mittenfrequenz geschaltet sind, an dessen Ausgang ein zweites Gruppensignal (G\) ansteht, daß die Signalbildner (Kippschaltungen 15 — 18) der zweiten Gruppe über einen dritten

Addierer (21) auf ein drittes Bandfilter (22) mit der doppelten Sendefrequenz (f) als Mittenfrequenz geschaltet sind, an dessen Ausgang ein drittes Gruppensignal (G2) ansteht, und daß ein erster Multiplizierer (26) mit dem Echosignal (E) und dem zweiten Gruppensignal (G\) und ein zweiter Multiplizierer (28) mit dem Echosignal (E) und dem dritten Gruppensignal (Gi) beaufschlagt ist und daß ein dritter Multiplizierer (29) dem ersten und zweiten Multiplizierer (26,28) nachgeschaltet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalbildner (Kippschaltungen 11 — 14) der ersten Gruppe aus einer bistabilen Kippstufe (31) mit einem dynamischen Eingang (32) bestehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalbildner (Kippschaltungen 15—18) der zweiten Gruppe aus zwei monostabilen Kippstufen (23, 34) in Parallelschaltung bestehen, wobei einer Kippstufe (34) ein NAND-Gatter (35) vorgeschaltet ist und wobei die Ausgänge der Kippstufen (33,34) auf ein OR-Gatter (36) geschaltet sind, dessen Ausgang jeweils den Ausgang der Sigiialbildner (Kippschaltungen 15—18) bildet.