DE2649081A1

DE2649081A1 - Entfernungsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE2649081A1
Application number: DE19762649081
Authority: DE
Inventors: Jun William Roger Backman
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1975-10-28
Filing date: 1976-10-28
Publication date: 1977-05-12
Also published as: CA1048138A; DK440776A; BE847249A; US4054862A; GB1505977A

Description

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TsI-'L. O ÖS / £5 5719

München, den 26. Oktober 1976 Anwaltsaktenz.: 27 - Pat. 147

Raytheon Company, 141 Spring Street, Lexington, Mass. 02173, Vereinigte Staaten von Amerika

Entfernungsmeßeinrichtung

Die Erfindung Dezieht sich auf eine Entfernungsmeßeinrichtung, in welcher auszuwertende Echosignale unter Anwendung einer Korrelationstechnik verarbeitet werden.

In Entfernungsmeßsystemen und Tiefenmeßsystemen finden oft Korrelationsverfahren Anwendung. Bei Echolotgeräten hat sich ein Korrelator bewährt, welcher mit einstelligen digitalen Tastungen der empfangenen Echosignale arbeitet. Dem Korrelator ist ein die einstelligen digitalen Tastungen ableitender Taster oder sogenannter harter Begrenzer vorgeschaltet, wie dies in der US-Patentschrift 3 786 405 beschrieben ist. Ein Korrelator dieser Art eignet sich besonders für Echolotgeräte, da in einfacher ¥eise eine Korrelation zwischen einem phasenmodulierten Signal und einem phasenmodulierten Bezugssignal durchgeführt werden kann und der Aufbau gegenüber einem Korrelator stark vereinfacht wird, welcher mehrstellige Tastungen der auszuwertenden Daten verarbeiten kann. Ein derartiger Korrelator liefert ein deutliches

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Ausgangssignal in Abhängigkeit von Echosignalen, die von einem ebenen Gewässerboden her empfangen werden.

Nun treten aber Schwierigkeiten dann aui, wenn ein mit einstelligen digitalen Tastungen arbeitender Korrelator in einem Echolotgerät verwendet wird, welches Messungen an einem Gewässerboden oder dem Meeresboden durchführen soll, welcher stärker als 5° geneigt ist. Wie weiter unten ausgeführt wird, verursacht eine reflektierende Fläche, beispielsweise ein geneigter Grund oder Boden, der relativ zur Ausbreitungsrichtung des Schallstrahles des Echolot-Sendewandlers einen schiefen Winkel einnimmt, eine Reihe von Echosignalen, die in rascher zeitlicher Folge auftreten. Sind die Zeitzwischenräume zwischen diesen in rascher zeitlicher Folge auftretenden Echosignalen bedeutend kleiner als'ein Zeitintervall entsprechend dem Reziproken der Bandbreite des !Correlators, so erscheinen am Ausgang des Correlators zahlreiche Echoimpulse und jeder dieser Ausgangsimpulse besitzt eine Amplitude, welche wesentlich niedriger als diejenige eines einzigen Ausgangsimpulses ist, der auftreten würde, wenn ein Echo von einem flachen Boden oder Grund bei im übrigen gleichen Bedingungen hinsichtlich Signal-/Rauschverhältnis empfangen würde. Ein Benutzer des betreffenden Gerätes kann daher nur schwer beurteilen, welcher der rasch nacheinander auftretenden Impulse verminderter Amplitude der Tiefe des betreffenden Gewässers entspricht und in gleicher Weise ist es schwierig, eine automatische Einrichtung zur Verfolgung der Tiefe aufzubauen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, eine Entfernungsmeßeinrichtung, insbesondere ein Echolotgerät, so auszugestalten, daß eine genaue und eindeutige Anzeige auch bei ungünstigen Reflexionsverhältnissen erzielt wird. Der Aufbau der Meßeinrichtung soll dabei vergleichsweise einfach sein.

Ausgehend von einer Entfernungsmeßeinrichtung mit einem Echosignale von einem reflektierenden Objekt aufnehmenden Empfänger

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wird die vorstehend genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in diesem Empfänger eine Vorrichtung zur Ableitung einstelliger digitaler Tastungen der Echosignale vorgesehen ist, daß ferner eine Korrelationseinrichtung zum Vergleich der Tastungen mit einem den Echosignalen zugeordneten Bezugssignal dient, daß weiter mit dem Empfänger ein die Umhüllende der Echosignale bestimmender Umhüllungsdetelctor verbunden ist, daß fernerhin an die Korrelationseinrichtung eine Zeitmeßeinrichtung angeschlossen ist, mittels welcher der Zeitpunkt des Auftretens eines Maximalwertes im Ausgangssignal der Korrelationseinrichtung feststellbar ist und daß eine Steuerschaltung zwischen den Umhüllungsdetektor und die Zeitmeßeinrichtung geschaltet ist, welche die Zeitmeßeinrichtung während eines Zeitintervalls in Betrieb setzt, welches in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Umhüllungsdetektors bestimmt wrd.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform enthält also der akustische Echosignale aufnehmende Empfänger einen einstellige digitale Tastungen nehmenden Taster oder sogenannten harten Begrenzer, dessen Ausgang mit dem Eingang eines die einstelligen Tastungen verarbeitenden Korrelators verbunden ist, wie in der US—Patentschrift 3 786 405 angegeben. Vor der Gewinnung der einstelligen Tastungen werden vorzugsweise die empfangenen akustischen Echosignale verstärkt und durch ein Bandpaßfilter geführt, wonach sie zu dem einstelligen Taster gelangen. Die gefilterten Echosignale werden außerdem dem Umhüllungsdetelctor zugeführt, der Filtermittel, beispielsweise in Gestalt eines Integrators, enthält, um die Eigenschaften des Umhüllungsdetektors an die zu erwartende Umhüllende der empfangenen Echosignale anzupassen. Der Ausgang des Umhüllungsdetektors ist mit einem Scheitelwertdetektor verbunden, wie an sich aus der US-Patentschrift 3 852 705 bekannt. Die zuvor erwähnte Steuerschaltung dient zur Erzeugung eines Torschaltsignales in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Scheitelwertdetektors, wobei das Torschaltsignal einen

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Zeitbereich für das Auftreten eines darauffolgenden Echosignales bestimmt. Eine Folge von Echosignalen tritt entsprechend einer Folge ausgesendeter akustischer Signale auf, die auf den Meeresboden oder den Gewässerboden hin ausgestrahlt worden sind, was mittels eines Systems geschehen kann, wie es etwa in der US-Patentsehrilt 3 852 705 beschrieben ist.

An einen Ausgangsanschluß des !Correlators ist ein weiterer ScheitelwertdetektOr angeschlossen, welcher von dem genannten Torschaltsignal der Steuerschaltung beaufschlagt wird, wodurch die Zeit ausgewählt wird, innerhalb welcher das Maximum des Korrelatorausgangssignales auftreten muß. Das Ausgangssignal des zweiten Scheitelwertdetektors tritt dann zu einem Augenblick auf, welcher der Tiefe des Gewässers entspricht.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:

Figur 1 eine schematische, schaubildliche Ansicht

eines Schiffes mit einem Echolotgerät, mittels welchem ein ebener Teil und ein geneigter Teil des Meeresbodens oder des Gewässerbodens akustisch abgetastet wird,

Figur 2 ein Blockschaltbild der hier vorgeschlagenen Entfernungsmeßeinrichtung,

Figur 5 ein Blockschaltbild des einstellige digitale Tastungen verwertenden !Correlators gemäß Figur 2,

Figur h ein Diagramm der Ausgangssignale des !Correlators und des Umhüllungsdetektors nach Figur 2 in Abhängigkeit von Echosignalen von dem ebenen Teil des Gewässerbodens nach Figur 1,

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Figur 5 ein Diagramm der Ausgangs signale des !Correlators und des Ümhüllungsdetelctors gemäß Figur 2 in Abhängigkeit von Echosignalen von dem geneigten Teil des Gewässerbodens gemäß Figur 1 und

Figur 6 ein Blockschaltbild der Scheitelwertdetektoren und der Zeitmeßeinrichtung sowie der Steuerschaltung gemäß Figur 2.

In Figur 1 ist ein Schiff 20 dargestellt, welches auf dem Gewässer 22 schwimmt und eine Entfernungsmeßeinrichtung 26 aufweist, die Schallwellen 24 aussendet. Die Entfernungsmeßeinrichtung 26 kann, wie in Figur 1 dargestellt, mit ihrer Schallstrahlungsrichtung nach abwärts weisen, um den Abstand zu reflektierenden Objekten zu messen oder es kann sich um ein nach vorwärts sendendes Echolotgerät handeln, wie in der US-Patentschrift 3 886 487 angegeben ist, um in diese Richtung den Abstand zwischen dem Schiff 20 und reflektierenden Objekten vor dem Schiff zu messen. Aus der US-Patentschrift 3 886 487 ist auch ein einstellige digitale Tastungen verarbeitender Korrelator bekannt, (siehe Figur 5 dieser Patentschrift). Auch die US-Patentschrift 3 786 405 zeigt in Figur 4 einen einstellige Tastungen verarbeitenden Korrelator.

In Figur 1 ist ein Zustand dargestellt, in welchem das Schiff aus einer Position oberhalb eines ebenen Teiles 28 des Grundes in einen Kanal einfährt, welcher einen abfallenden oder schrägen Boden oder Grund 30 besitzt. Die Schallwellen 24 des Schallstrahles, welcher von der Entfernungsmeßeinrichtung 26 ausgesendet wird, fächern sich mit zunehmender Entfernung von dem Schiff weg nach abwärts auf, wobei der Grad der Auffächerung von der Bündelung des ausgesendeten Schallstrahles abhängt. Schließlich werden Schallwellen von dem ebenen Teil 28 des Gewässerbodens oder Grundes und von dem geneigten Teil 30 des Grundes reflek-

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tiert. Im vorliegenden Falle ist bedeutsam, daß die Schallwellen 24, soweit sie auf den ebenen Teil 28 des Grundes auftreffen, sämtlich im wesentlichen gleichzeitig nach aufwärts reflektiert werden, so daß sich ein scharfes, genau definiertes Echo ergibt, während die Schallwellen 24, die auf den geneigten Teil 30 des Grundes treffen, jeweils einzeln zu unterschiedlichen Zeiten von diesem geneigten Teil JO des Grundes reflektiert werden, da die jeweiligen Punkte, an denen die Reflexionen auftreten, unterschiedlichen Abstand von dem Schiff 20 besitzen. Nachdem die einzelnen Schallwellen 24 an dem geneigten Teil des Gewässerbodens oder Grundes zu verschiedenen Zeiten reflektiert werden, hat das in der Entfernungsmeßeinrichtung 26 empfangene Echo die Gestalt einer Reihe von Signalimpulsen, welche in rascher zeitlicher Folge auftreten. Wie weiter unten ausgeführt wird, liefert der einstellige digitale Tastungen verarbeitende Korrelator der Entfernungsmeßeinrichtung 26 nach Figur 3 eine Folge von Ausgangsimpulsen verminderter Amplitude, welche in rascher Folge auftreten, wie weiter unten im Zusammenhang mit Figur 5 ausgeführt werden wird. Die Entfernungsmeßeinrichtung 26 enthält zur Auswertung dieser Impulse einen Umhüllungsdetektor, Scheitelwertdetektoren und Torschaltsignale erzeugende Einrichtungen, so daß die Tiefe des Gewässers 22 nach Figur 1 genau bestimmt werden kann.

In Figur 2 ist ein Blockschaltbild der Entfernungsmeßeinrichtung 26 gezeigt. Diese enthält einen Sendewandler 32 zum Aussenden der Schallwellen 24 gegen den ebenen Teil 28 und den geneigten Teil 30 des Gewässerbodens oder Grundes hin. Die an dem ebenen Teil 28 und dem geneigten Teil 30 des Grundes reflektierte Schallenergie wird von einem Empfangswandler 34 aufgenommen. Weiter enthält die Entfemungsmeßeinrichtung 26 einen Signalgenerator 36, Bandpaßfilter 38 und 40, einen Verstärker 42, einen Taster 44, einen Umhüllungsdetektor 46, einen Korrelator 48, einen Integrator 50, Scheitelwertdetektoren 52 und 5^»

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eine Zeitsteuerschaltung 56, einen Taktgeber 58 und echließlich ein Wiedergabegerät 60. Bei dem Wiedergabegerät 60 kann es sich um einen gebräuchlichen Tiefenschreiber handeln, wie er etwa in Figur 1 der TJS-Pa tent schrift 3 852705 gezeigt ist. Hierbei wird, was in der vorliegenden Beschreibung nicht im einzelnen ausgeführt ist, ein Schalter in Abhängigkeit von der Stellung eines Schreiborganes betätigt und bewirkt einen elektrischen Kontakt, so daß ein Auslösesignal auf der Leitung 62 auftritt, das zu dem Signalgenerator 36 und zu der Zeitsteuerschaltung 56 gelangt, um ein Echolot-Zeitintervall in Lauf zu setzen. In Abhängigkeit von dem Auslösesignal beginnt der Signalgenerator 36 mit der Abgabe eines weiteren Signales, welches durch den Sendewandler 32 ausgesendet wird und die Zeitsteuerschaltung 56 beginnt mit der Messung der Zeit, welche jeweils seit Aussendung des Signales des Sendewandlers 32 verstreicht. Daten entsprechend der Entfernung des ebenen Teiles 28 des Grundes oder des geneigten Teiles 30 des Grundes werden von der Zeitsteuerschaltung 5^> über die Leitung 64 an das Wiedergabegerät 60 abgegeben, um hier entweder aufgezeichnet zu werden oder gegebenenfalls auch in Form einer Digitalanzeige dargestellt zu werden, welche jedoch in Figur 2 nicht gezeigt ist.

Der Signalgenerator 36 bietet auf der Leitung 66 während eines bestimmten Zeitintervalls von beispielsweise 64 Millisekunden eine Folge von Impulsen dar, welche eine RechteckwelIe bilden und eine Impulswiederholungsfrequenz aufweisen, die innerhalb bestimmter Grenzen eine Modulation aufweist, um eine Impulsfolge mit einer größeren spektralen Bandbreite zur Verfugung zu

haben, so daß eine erhöhte Auflösung bezüglich der die Schallist, energie reflektierenden Punkte in dem Gewässer 22 zu erreichen/, welche hinsichtlich des Abstandes von dem Sendewandler 32 nahe beieinanderliegen. Das Rechteekwe11ensignal auf der Leitung 66 wird durch ein Bandpaßfilter 38 geführt, an dessen Ausgang 68 dann eine Sinuswelle auftritt, welche von dem Sendewandler 32

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in Schallenergie umgewandelt wird, um Schallwellen in das Gewässer 22 aussenden zu können. Das elektrische Signal der Leitung 68 und auch die akustischen Signale in dem Gewässer 22 besitzen die Gestalt eines trägermodulierten Impulses, wobei die Trägerfrequenz gleich der Impulswiederholungsfrequenz der Rechteckwelle auf der Leitung 66 ist und die Impulsdauer jeweils der Dauer der Impulsfolge auf der Leitung 66 entspricht. Das auf der Leitung 66 auftretende Signal wird auch dem Korrelator 48 zugeführt und dient hier als Bezugssignal, wie genauer anhand von Figur 3 beschrieben wird.

Die auf den Empfangswandler 34 treffenden Echosignale werden in elektrische Signale umgewandelt und von dem Verstärker 42 verstärkt und danach in dem Filter 40 einer Filterung unterzogen, um ein aufgrund des Durchgangs der Signale durch das Gewässer eingeführtes Rausehecho auszuscheiden. Der Ausgang des Filters 40 setzt sich aus vielen Echos zusammen, von denen jedes eine Gestalt ähnlich dem Signal auf der Leitung 68 besitzt. Der Ausgang des Filte.s 40 ist einerseits mit dem Taster 44 und andererseits mit dem Umhüllungsdetektor 46 verbunden. Der Taster 44 ist ein einstellige digitale Tastungen nehmender Taster, beispielsweise ein sogenannter harter Begrenzer, welcher eine Sinuswelle in eine Wellenform umformt, die nahezu eine Rechteckwelle ist, welche an die Leitung 70 weitergegeben wird, wobei eine hohe Spannung oder positive Spannung einem logischen Zustand 1 zugeordnet ist, während eine niedrige Spannung oder negative Spannung den logischen Wert 0 darstellt. Die Signale auf der Leitung 70 bilden das Eingangssignal für den Korrelator 48.

Der Umhüllungsdetektor 46 liefert ein Umhüllungssignal, welches sich insgesamt aus den Echos zusammensetzt, die von dem ebenen Gewässerbodenteil 28 oder dem geneigten Gewässerbodenteil 30 her empfangen werden. Die Ausgangssignale des Umhüllungsdetektors gelangen zu dem Integrator 50, der zweckmäßig die Gestalt eines

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Tiefpaßfilters hat, dessen Ansprechverhalten an die Umhüllende zu erwartender Echosignale angepaßt ist.

Die Ausgangssignale des Korrelators 48 werden einem Scheitelwertdetektor 52 zugeführt, während die Ausgangssignale des Integrators 50 zu einem weiteren Scheitelwertdetektor 54 gelangen, welcher genauso ausgebildet ist wie der Scheitelwertdetektor Der Korrelator 48 und die Scheitelwertdetektoren 52 und 54 werden jeweils durch Taktsignale c betrieben, die von dem Taktgeber 58 auf der Leitung 72 bereitgestellt werden. Die Scheitelwertdetektoren 52 und 54 sprechen auf ein über die Leitung 74 abgegebenes Nachführungs-Torschaltsignal an, das von der Zeitsteuerschaltung 56 erzeugt wird und liefern über die Leitung bzw. 78 Ausgangssignale an die Zeitsteuerschaltung 56, worauf weiter unten im Zusammenhang mit Figur 6 näher eingegangen wird. Die Ausgangssignale auf der Ausgangsleitung 80 des Korrelators und die Ausgangssignale auf der Ausgangsleitung 82 des Integrators 50 sollen später anhand der Figuren 4 und 5 näher untersucht werden.

Aus Figur 3 ist zu ersehen, daß der Korrelator 48 Schalter 84 und 86, Schieberegister 88 und 90, eine Taktgebereinheit 92, einen Koinzidenzdetektor 94 und einen Integrator 96 enthält. Der Schalter 84 gibt Signale entweder von der Leitung 66 oder der Leitung 98 an das Schieberegister 88 weiter, wobei die Leitung die Signale vom Ausgang des Schieberegisters 88 abnimmt. Der Schalter 86 gibt Signale entweder von der Leitung 70 oder von der Leitung 100 an das Schieberegister 90 weiter, wobei die Leitung 100 die Signale von dem Ausgang des Schieberegisters abnimmt. Die Zeitsteuereinheit 92 erzeugt Steuersignale auf der Leitung 102, die sich in der dargestellten ¥eise verzweigt, so daß einzelne Steuersignale zu den Schaltern 84 und 86 und jeweils zu den Schieberegistern 88 und 90 gelangen. Die Ausgangssignale der Schieberegister 88 und 90 werden über die Leitung

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bzw. die Leitung 100 zu dem Koinzidenzdetektor 94 weitergeleitet, der ein digitales Ausgangssignal auf der Leitung 104 abgibt, das den logischen Wert 1 annimmt, wenn die Signale aui den Leitungen 98 und 100 gleiche Polarität besitzen, während das Ausgangssignal des Detektors 94 auf der Leitung 104 den logischen Wert 0 annimmt, wenn die Signale auf den Leitungen 98 und 100 entgegengesetzte Polarität besitzen. Die auf der Leitung 104 auftretenden Signale werden danach in dem Integrator 96 miteinander kombiniert. Der Integrator 96 kann in einfacher Weise durch ein Tiefpaßfilter gebildet sein, welcher auf der Leitung 80 das Korrelatorausgangssignal abgibt.

Im Betrieb wird das Auslösesignal über die Leitung 62 dem Korrelator 48 zugeführt und setzt die Taktgebereinheit 92 in Betrieb, die den Taktsignalen c entsprechend den Schalter 84 und das Schieberegister 88 beaufschlagt, so daß die Vergleichsimpulsfolge von der Leitung 66 in das Schieberegister 88 einzieht. Das Schieberegister 88 besitzt N-Zellen, wobei die Zahl N gleich der Anzahl von Impulsen in der Impulsfolge ist, welche über die Leitung 66 eintrifft. Danach koppelt der Schalter 84 die Signale der Leitung 98 an das Schieberegister 88 an, so daß das Bezugssignal in einem Kreis durch das Schieberegister 88 umläuft.

Das Schieberegister 90 besitzt eine Registerzelle weniger als das Schieberegister 88. Die Taktgeschwindigkeit der Schieberegister 88 und 90 ist ausreichend hoch, so daß ein vollständiger Umlauf der Daten innerhalb einer Periode der Impulsfolge der Leitung 66 durchgeführt werden kann. Der Schalter 86 wird einmal während jedes Umlaufs der Daten durch das Schieberegister 90 hindurch betätigt, so daß eine neue Tastung des auf der Leitung 70 auftretenden Echosignals aufgenommen und das Schieberegister 90 allmählich aufgefüllt wird, wenn die Echosignaltastungen auf der Leitung 70 eintreffen. Nachdem das Schieberegister 90 gefüllt ist, wird die erste Tastung, welche in das Schieberegi-

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ster eingegeben worden ist, zu Gunsten einer neuen, auf der Leitung 70 eintreffenden Tastung fallengelassen. Die beiden Schieberegister 88 und 90 werden durch die Taktgebereinheit 92 mit derselben Taktgeschwindigkeit weitergeschaltet und da die Anzahl der Zellen in den beiden Schieberegistern 88 und 90 verschieden ist, erkennt man, daß die umlaufenden Daten relativ zueinander schrittweise verschoben werden, so daß eine Übereinstimmung der Polaritäten einer Tastung des Echosignals und jeder Tastung des Bezugssignales der Reihe nach überprüft werden kann. Nachdem der Korrelator 48 nur einstellige digitale Tastungen auswertet, sind die auf der Leitung 104 auftretenden Ausgangssignale des Detektors 94 dieselben, welche auch auftreten würden, wenn die Signale auf den Leitungen 98 und 100 miteinander multipliziert würden, wie dies bei einem vielstelligen Korrelator der Fall ist. Die Geschwindigkeit des Auftretens der Signale auf der Leitung 104 stimmt mit derjenigen der Taktsignale für die Schieberegister 88 und 90 überein und diese Geschwindigkeit ist bedeutend höher als die Wiederholungsfrequenz der Impulse innerhalb der auf der Leitung 66 auftretenden Impulsfolge. Der logische Wert 1 auf der Leitung 104 wird durch eine hohe Spannung repräsentiert, während der logische ¥ert 0 durch eine niedrige Spannung dargestellt wird, so daß die Größe des auf der Leitung 80 auftretenden Ausgangssignales des Integrators 96 zunimmt, wenn viele Signale entsprechend einer logischen 1 auftreten, während die Größe des Integratorausgangssignales abnimmt, wenn weniger Signale der logischen Bedeutung 1 auftreten. Wird die Integration in dem Integrator 96 durch ein Tiefpaßfilter durchgeführt, so ist die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters gleich der Grundbandbreite der Frequenzmodulation, welche durch den Signalgenerator 36 nach Figur 2 vorgenommen wird.

In Figur 4 sind zwei Diagramme dargestellt, wobei im Diagramm A das auf der Leitung 80 dargebotene Korrelatorausgangssignal und im Diagramm B das auf der Leitung 82 nach Figur 2 dargebotene

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Ausgangssignal des Umhüllungsäetektors und Integrators dargestellt sind. In Figur 4 sind die Verhältnisse bei Abtastung eines ebenen Teiles 28 des Grundes oder Gewässerbodens nach Figur 1 bei festem Untergrund und bei einem hohen Signal-/Rauschverhältnis gezeigt. Das Diagramm A läßt eine Folge Kleiner Impulse erkennen, welche in unregelmäßigen Zeitabständen auftreten, während ein großer Impuls festzustellen ist, der die Erfassung des Grundes anzeigt. Auf der mit T bezeichneten Abszisse ist die Zeit aufgetragen, so daß der Zeitpunkt des Auftretens des die Erfassung des Grundes anzeigenden Impulses abgelesen werden kann. Das auf der Leitung 62 nach Figur 2 zugeführte Auslösesignal tritt zu Beginn jeder Echolotung auf und entspricht der Zeit T= Null. In der Darstellung B ist ein allmählicher Anstieg und ein allmählicher Abfall des Echosignales festzustellen,-welches die Erfassung des Gewässerbodens anzeigt, wobei die Breite des Impulses bedeutend größer als die entsprechende Impulsbreite in dein Diagramm A ist, da der Korrelator 48 bezüglich der breitbandigen Modulation, welche von dem Signalgenerator 36 nach Fxgur 2 erzeugt wird, als ein angepaßtes Filter wirksam ist und daher einen bedeutend schmäleren Impuls erzeugen kann als dies mit dem Umhüllungsdetektor 46 und dem Integrator 50 nach Figur 2 der Fall ist.

Auch Figur 5 zeigt zwei Diagramme A und B. Das Diagramm A läßt wiederum den Verlauf des Korrelatorausgangssignales der Leitung 80 erkennen und das Diagramm B zeigt das auf der Leitung auftretende Ausgangssignal des Integrators nach Figur 2. Figur gilt jedoch für den Fall des Auftreffens der Schallwellen auf den geneigten Teil 30 des Gewässerbodens nach Figur 1 sowie auch für einen durch eine Sedimentschicht überdeckten Gewässerboden oder Meeresboden mit hohem Signal~/Rauschverhältnis. Man erkennt, daß der Korrelator 48 eine Anzahl von Mehrfachechos erzeugt, welche sämtlich eine stark verkleinerte Amplitude gegenüber dem Bodenerfassungsimpuls des Diagramms A nach Figur 4

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aulweisen. Im Gegensatz hierzu zeigt jedoch das Diagramm B nach

die
Figur 5 eine Form des / Erlassung des Grundes signalisierenden Impulses am Ausgang des Uialiüllungsdetektors 46 und des Integrators 50, welche im wesentlichen der Form des Impulses des Diagramms B nach Figur 4 entspricht. Man erkennt also, daß ein ge-

mit
neigter oder/einer Sedimentschicht überdeckter Gewässerboden oder Meeresboden das Ausgangssignal des Umhüllungsdetektors im wesentlichen unverändert läßt, während eine bemerkenswerte Änderung im Ausgang des jeweils eine einstellige Tastung verarbeitenden Korrelators eintritt.

Figur 6 zeigt als Blockschaltbild die Scheitelwertdetektoren 52 und 54 und die Zeitsteuereinrichtung 56 mit den jeweiligen Verbindungen zu dem Korrelator 48, dem Integrator 50, der Wiedergabeeinrichtung 60 und dem Taktgeber 58 gemäß Figur 2, Jeder der Scheitelwertdetektoren 52 und 5^ besitzt im wesentlichen gleiche Bauteile, nämlich einen Vergleicher IO6, UND-Schaltelemente 108 und 110, einen Zähler 112, einen Digital-/Analogumsetzer 114, welcher naehlolgend einlach als Umsetzer bezeichnet wird, eine Summationsschaltung II6 und eine Bezugsspannungsquelle 118 mit einem Einstellknopl 120, mittels welchem die Größe der Bezugsspannung wahlweise einstellbar ist. Die Zeitsteuerschaltung 56 enthält die Register 122 und 124, Zähler 126, 128 und 130, ein einstellbares und rückstellbares Flip-Flop-Schaltelement 132, eine Additionseinrichtung 134, eine Subtraktionseinrichtung 136 und eine veränderlich einstellbare Bezugssignalquelle 138 zur Erzeugung von Digitalzahlen, wobei die Bezugssignalquelle eine Gruppe von Spannungen bereitstellt, welche jeweils logische Werte von 1 und 0 entsprechend einer Digitalzahl wiedergeben, welche mittels eines Einstellknoples 140 der Bezugssignalquelle 138 gewählt werden kann.

Der Schaltungsaulbau der Scheitelwertdetektoren 52 und 54 entspricht demjenigen der Schaltung nach Figur 3 der US-Patent-

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schrift 3 852 705. Der Vergleiciier 106 spricht auf den Unterschied der Größe der Analogspannung auf der Ausgangsleitung 80 des Korrelators 48 und der Größe der Analogspannung am Ausgang der Summationsschaltung 116 an. Das Ausgangssignal des Korrelators 48 gelangt über einen Anschluß A zu dem positiven Eingangsanschluß des Vergleichers 106, während das Ausgangssignal der Summationsschaltung 116 dem negativen Eingangsanschluß des Vergleichers 106 zugeleitet wird. Hat das Signal an dem positiven Eingangsanschluß einen größeren Betrag als das Signal an dem negativen Eingangsanschluß des Vergleichers 106, so liefert dieser an die UND-Schaltelemente 108 und 110 ein Signal entsprechend einer logischen 1. Wenn der Betrag des Signales am positiven Eingangsanschluß des Vergleichers 106 nicht größer als der Betrag des Signales am negativen Eingangsanschluß des Vergleichers 106 ist, so gelangt von dem Vergleicher 106 ein Signal entsprechend einer logischen 0 zu den UND-S ehalt el einen ten 108 und 110.

Das Torschaltsignal auf der Leitung 74 hat während seiner Dauer eine verhältnismäßig hohe Spannung entsprechend einer logischen 1, während auf der Leitung 74 eine verhältnismäßig niedrige Spannung entsprechend einer logischen 0 auftritt, wenn kein Verfolgungs-Torschaltsignal vorhanden ist. Das Torschaltsignal der Leitung 74 wird über Anschlüsse D sowohl dem Scheitelwertdetektor 52 als auch dem Scheitelwertdetektor 54 zugeführt und bewirkt in dem Scheitelwertdetektor 52 , daß das Ausgangssignal des UND-Schaltelementes 108 eine logische 1 wird, wenn der Korrelator 48 ein Signal liefert, das größer ist als das Ausgangssignal der Summationsschaltung 116. Das Taktsignal c, das an den Anschluß C des Scheitelwertdetektors 52 gelegt wird, gelangt zusammen mit dem Torschaltsignal der Leitung 74 und dem Ausgangssignal des Vergleichers 106 zu dem UND-Schaltelement 110, das demgemäß Taktimpulse zu dem Zähler 112 immer dann durchläßt, wenn das Signal an dem Anschluß B, zu welchem das Aus-

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gangssignal des UND-Schaltelementes 108 gelangt, eine logische i ist.

Der Zähler 112 zählt die von dem UNTD-S ehalt element 110 zugeführten Taktimpulse und gibt seinen Zählerstand in Gestalt einer Digitalzahl an den Umsetzer 114 ab, welcher die Digitalzahl entsprechend dem Zählerstand in eine Analogspannung umwandelt, welche mit einer von der Spannungsquelle 118 bereitgestellten Spannung in der Summationsschaltung 116 addiert wird, so daß das zuvor erwähnte Ausgangssignal entsteht, das dem negativen Eingangsanschluß des Vergleichers 116 zugeführt wird. Man erkennt, daß während einer Zählung durch den Zähler 112 das Ausgangssignal des Umsetzers 114 ständig ansteigt, bis die Größe des Signales an dem negativen Eingangsanschluß des Vergleichers 116 gleich groß oder größer als die Größe des Signales an dem Anschluß A geworden ist. Zu dieser Zeit liefert der Vergleicher 106 dann eine logische 0, welche das UN"D-Schaltelement 110 ausschaltet, so daß keine Taktimpulse mehr von dem Eingangsanschluß C zu dem Zähler 112 gelangen können. Wenn das Ausgangssignal des Korrelators 48 abermals den Wert des Ausgangs der Summationsschaltung 116 während der Dauer des Verfolgungs-Torschaltsignales der Leitung 74 übersteigt, so beginnt der Zähler 112 abermals zu zählen, bis der Ausgang der Summationsschaltung Il6 wieder gleich oder größer als das Signal an dem Anschluß A geworden ist.

Man erkennt also, daß der Zähler 112 während der Dauer des über den Anschluß D zugeführten Torschaltsignales immer dann zählt, wenn das Korrelatorausgangssignal an dem Anschluß A größer als das Ausgangssignal der Summationsschaltung 116 ist und, wie oben ausgeführt wurde, ist das an dem Anschluß B dargebotene Signal eine logische 1, während der Zähler 112 zählt. Der endgültige Zählerstand des Zählers 112, welche während der Dauer des Ver— folgungs-Torschaltsignales erreicht wurde, entspricht also der

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Maximalamplitude, welche von dem Ausgangssignal des !Correlators 48 erreicht wurde und demgemäß entspricht der letzte Zeitpunkt, zu welchem das Signal an dem Anschluß B noch eine logische 1 war, dem Maximalwert des Ausgangssignales des !Correlators 48 während der Dauer des üher den Anschluß D zugeführten Yerfol— gungs-Torschaltsignales. Aus der folgenden Beschreibung der Zeitsteuerschaltung 56 ergibt sich, daß das an dem Anschluß B aultretende Signal als Signal zur Weiterschaltung des Registers 122 verwendet wird.

Der Zähler 126 der Zeitsteuerschaltung 56 nimmt eine Zählung der von dem Taktgeber 58 zugeführten Taktimpulse vor und wird jeweils durch das Auslösesignal der Leitung 62 auf Null zurückgestellt. Der Zählerstand des Zählers 126 wird über die Leitungen 142 den Registern 122 und 124 mitgeteilt. Die Beaufschlagung des Registers 122 durch das an dem Anschluß B auftretende Signal bewirkt ein Ablesen des Zählerstandes des Zählers 126 durch das Register 122, wobei die Ablesung ständig aufdatiert wird, solange das auf d^r Leitung 76 auftretende Signal einen logischen ¥ert entsprechend einer 1 hat. Am Ende des Verfolgungs—Torschaltsignales der Leitung 74 ist die in dem Register 122 gespeicherte Digitalzahl der Zählerstand des Zählers 126 zum Zeitpunkt des Auftretens der Maximalamplitude des Ausgangssignales des !Correlators 48. Diese Zahl wurde durch Zählen der Taktimpulse des Taktgebers 58 erhalten und stellt daher die Zeitdauer dar, die seit Auftreten des Auslösesignals bis zum Auftreten der Maximalamplitude des Ausgangssignales des Korrelators 48 verstrichen ist. Die in dem Register 122 gespeicherte Zahl ist demgemäß proportional zur Tiefe oder zur Entfernung der reflektierenden Fläche in dem Meer oder Gewässer 22 nach Figur 1, von welcher das Maximum in dem Echo und damit im Korrelatorausgangssignal herrührt. Die der Tiefe entsprechenden Daten werden von dem Register 122 über eine Gruppe von Leitungen zu dem Wiedergabegerät übertragen. Man erkennt, daß die einzelnen Stellen einer Zahl, welche die betreffenden Daten enthält, übertragen werden und die

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Leitung 64 entsprechend viele Adern aufweist.

Der Scheitelwertdetektor 54 arbeitet in derselben Weise wie der Scheitelwertdetektor 52. Hier wird jedoch dem Anschluß A des Scheitelwertdetektors 54 das Ausgangssignal des Integrators 50 mitgeteilt und demgemäß wird das an dem Anschluß B auftretende Schaltsignal über die Leitung 78 dann zu dem Register 124 übertragen, wenn das Maximum der Amplitude auf der Ausgangsleitung des Integrators 50 auftritt. Die in dem Register 124 gespeicherte Zahl stellt eine Entfernungsinformation in derselben ¥eise dar, wie die in dem Register 122 gespeicherte Zahl, wobei auch die in dem Register 124 gespeicherten Daten der Tiefe entsprechen, wie sie von dem Umhüllungsdetektor 46 und dem Integrator 50 bestimmt wird.

Das erwähnte Verfolgungs-Torschaltsignal der Leitung 74 wird durch die Flip-Flop-Schaltung 132 erzeugt. Das Signal wird durch Einstellen der Flip-Flop-Schaltung 132 ausgelöst, wobei diese Einstellung dann erfolgt, wenn dem Anschluß S der Flip-Flop-Schaltung 132 ein Setzsignal von dem Zähler 128 zugeführt wird. Das Verfolgungs-Torschaltsignal wird beendet, wenn die Flip-Flop-Schaltung durch ein Rückstellsignal zurückgestellt wird, das dem Rückstelleingang der Schaltung von dem Zähler 130 zugeführt wird. Die Zähler 128 und 130 zählen von einem bestimmten Zählerstand aus zurück, wobei dieser vorgegebene Zählerstand den Zählern jeweils über den Eingang P aufgeprägt wird. Die Zähler 128 und 130 zählen ebenso wie der Zähler 126 die Taktimpulse des Taktgebers 58. Die Voreinstellung des Zählers 128 wird durch eine von der Subtraktionsschaltung I36 bereitgestellte Zahl vorgenommen, während die Voreinstellung des Zählers I30 durch eine Zahl erfolgt, die von der Additionsschaltung 134 bereitgestellt wird. Die Subtraktionsschaltung 136 ist mit dem Register 124 und der Bezugssignalquelle 138 verbunden und subtrahiert die von der Bezugssignalqüelle I38 bezogene Digitalzahl von der in dem Register 124 gespeicherten Digitalzahl. Die Differenz dieser Zahlen ist

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dann diejenige Zahl, auf welche der Zähler 128 voreingestellt wird. Die Additionsschaltung 134 ist in entsprechender Weise sowohl mit dem Register 124 als auch mit der Bezugssignalquelle gekoppelt und bildet eine Digitalzahl, welche die Summe der Zahlen der Bezugssignalquelle 138 und des Registers 124 darstellt. Diese Summen-Digitalzahl ist dann diejenige Zahl, aui welche der Zähler 130 voreingestellt wird.

Die Zähler 128 und I30 werden durch das Auslösesignal der Leitung 62 in Lauf gesetzt. Nachdem der Zähler 128 auf eine Digitalzahl voreingestellt ist, welche kleiner ist als diejenige, auf welche der Zähler I30 voreingestellt ist, erreicht der Zähler 128 zuerst den Zählerstand Null und löst die Flip-Flop-Schaltung 132 aus, bevor der Zähler I30 den Zählerstand Null erreicht und die Flip-Flop-Schaltung 132 rüekstellt. Auf diese Weise bestimmt der Zähler 128 den Beginn des Verfolgungs-Torsehaltsignales, während der Zähler I30 das Ende des Torschaltsignales bestimmt. Man erkennt ohne weiteres, daß die in dem Register gespeicherte Zahl die Tiefe oder Entfernung entsprechend der zeitlichen M.tte des Verfolgungs-Torschaltsignales darstellt, während die von der Bezugssignalquelle 138 gelieferte Zahl die halbe Dauer oder die halbe Breite des Torschaltsignales der Leitung 74 bedeutet. Man erkennt also, daß der Umhüllungsdetektor 46 und der Integrator 50 die zeitliche Lage und damit den Tiefenbereich des Verfolgungs-Torschaltsignales 74 festlegen und damit das Zeitintervall bestimmen, in welchem der Scheitelwertdetektor 52 in Betrieb gesetzt wird, um die Zeit des Auftretens des maximalen Impulses am Ausgang des Korrelators 48 zu messen. Es sei darauf hingewiesen, daß die vorstehend beschriebene digitale Schaltung unabhängig von der Art der Strahlungsenergie arbeitet, welche in das Gewässer 22 nach Figur 1 ausgesendet wird und folglich läßt sich diese Schaltung auch für Messungen verwenden, bei denen beispielsweise elektromagnetische Energie ausgesendet wird, welche beispielsweise eine aus-

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reichend niedrige Frequenz aufweist, um sich durch das Wasser hindurch ausbreiten zu können.

Betrachtet man nochmals die Figuren 4 und 5, so sieht man, daß die Diagramme A und B jeweils einen Bereichsausschnitt wiedergeben, wie er durch das Verfolgungs-Torschaltsignal festgelegt wird. In den Figuren 4 und 5 ist der Bereichsausschnitt, welcher entsprechend der Untersuchung der Umhüllenden durch den Umhüllung sd et ekt or 46 nach Figur 2festgelegt wird, so gelegt, daß Mehrdeutigkeiten der von dem Korrelator 48 abgegebenen Impulse beseitigt werden. Insbesondere für den in Figur 5 wiedergegebenen Fall ist die Beseitigung der Mehrdeutigkeit wegen der verhältnismäßig ähnlichen Amplitude der verschiedenen Impulse, welche von dem Korrelator 48 erzeugt werden, von Bedeutung. In Figur 4 sind unterbrochene Linien entsprechend der Höhe der jeweiligen, von dem Scheitelwertdetektor festgestellten Amplitude eingezeichnet, wobei es sich hier um die Größe des Zählerstandes des Zählers 112 des Scheitelwertdetektors 52 handelt. Man erkennt, daß der Signalwert des Scheitelwertdetektors sein Maximum zu einer Zeit erreicht, während welcher der Korrelator 48 innerhalb des Verfolgungs-Torschaltintervalles sein maximales Ausgangssignal darbietet.

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JU

Leerseite

Claims

Patentansprüche

Ij Entlernungsnießeinrichtung mit einem Echosignale von einem reflektierenden Objekt aufnehmenden Empfänger, dadurch gekennzeichnet, daß in diesem Empfänger eine Vorrichtung (44) zur Ableitung einstelliger digitaler Tastungen der Echosignale vorgesehen ist, daß ferner eine Korrelationseinrichtung (48) zum Vergleich der Tastungen mit einem den Echosignalen zugeordneten Bezugssignal (36, 66) dient, daß weiter mit dem Empfänger ein die Umhüllende der Echosignale bestimmender Umhüllungsdetektor (46, 50) verbunden ist, daß fernerhin an die Korrelationseinrichtung eine Zeitmeßeinrichtung (122, 126, 58, 52) angeschlossen ist, mittels !welcher der Zeitpunkt des Auftretens eines Maximalwertes im Ausgangssignal der Korrelationseinrichtung feststellbar ist und daß eine Steuerschaltung (124, 128, 130, 132, 134, I36) zwischen den Umhüllungsdetektor und die Zeitmeßeinrichtung geschaltet ist, welche die Zeitmeßeinrichtung während eines Zeitintervalls in Betrieb setzt, welches in Abhängigkeit von Ausgangssignal des Umhüllungsdetektors bestimmt wird.
2. Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelationseinrichtung (48) ein Ein-Bit-Korrelator (Figur 3) ist.
3. Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitmeßeinrichtung (122, 126, 58, 52) einen Scheitelwertdetektor (52) enthält, mittels welchem der Maximalwert des Ausgangssignales der Korrelationseinrichtung (48) bestimmbar ist.

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4. Entf ernungsmeßeinriclitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Uinhüllungsdetelrfcor (46, 50) Filtermittel (50) zur Anpassung des Impulsansprechverhaltens an die Umhüllende zu erwartender Echosignale enthält.
5. Entf ernungsmeßeinriclitung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umhüllungsdetektor (46, 50) an einen Scheitelwertdetektor (54) angeschlossen ist, welcher das Auftreten eines Maximalwertes des Ausgangssignales des Umhüllungsdetektors signalisiert und die genannte Steuerschaltung beaufschlagt.
6. Entfernungsmeßeinriclitung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (124, 128, 13O, 132, 134, I36, 74) ein von dem dem Umhüllungsdetektor (46, 5O) zugeordneten Scheitelwertdetektor (54) gesteuerten Torschaltsignalgenerator enthält, dessen Ausgang mit dem bzw. einem einen Maximalwert des Ausgangssignales der Korrelationseinrichtung (48) anzeigenden Scheitelwertdetektor (52) verbunden ist.
7. Entf ernungsmeßeinriclitung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Korrelationseinrichtung (48) als Bezugssignal ein von den von einem Sender (32) gegen das reflektierende Objekt hin abgestrahlten Sendesignalen abgeleitetes Signal verwendet wird.
8. Verfahren zur Bestimmung der Entfernung zwischen einem Sender und eiiem reflektierenden Objekt, insbesondere unter Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem reflektierenden Objekt her eintreffenden Echosignale mit von den Sendesignalen abgeleiteten Bezugssignalen einer Korrelation unterzogen werden und daß das innerhalb eines bestimmten Zeitabschnittes nach Ausstrahlung der Sendesignale auftretende Korrelationsergebnis ausgewertet wird.

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9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des genannten bestimmten Zeitabschnittes entsprechend dem Ergebnis einer gleichzeitig durchgeführten Untersuchung der Umhüllenden der Amplituden der Echosignale gewählt wird*

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