DE2727551C2

DE2727551C2 - Empfangseinrichtung bestehend aus einer Gruppe von elektromagnetischen Wandlern

Info

Publication number: DE2727551C2
Application number: DE2727551A
Authority: DE
Inventors: Arent Hendrik Kits Newport R.I. Heyningen van
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1976-06-17
Filing date: 1977-06-18
Publication date: 1984-04-26
Also published as: NO772104L; DE2727551A1; NL177252B; NL7706146A; JPS5325453A; AU2539577A; JPS5922911B2; NL177252C; CA1080338A; IT1078894B; DK266777A; DK150412B; GB1537972A; AU504628B2; FR2355302A1; NO147497B; US4060792A; DK150412C; FR2355302B1; NO147497C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Empfangseinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1. Derartige Empfangseinrichtungen sind aus der US-Patentschrift 33 09 706 bekannt.

Eine scharfe Amplitudenbegrenzung der Strahlerausgangssignale oder Wandlerausgangssignale bei der Bildung des Empfangsrichutrahls hat den Vorteil, daß die betreffende Schaltung gegenüber störungsbedingten Schwankungen der Amplitude der Strahlerausgangssignale oder Wandlerausgangssignale unempfindlich bleibt, da nach der Amplitudenbegrenzung die betreffenden Signale die Gestalt von amplitudengleichen Rechteckwellen oder Trapezwellen haben, welche in den zur Strahlrichtungseinstellung dienenden Verzöge- ^r>o rungseinrichtungen nur insoweit eine unterschiedliche Weiterverarbeitung erfahren, als eine gewählte Strahlrichtung eine jeweils unterschiedliche Verzögerung der einzelnen Strahlerausgangssignale bzw. Wandlerausgangssignale erfordert.

Es tritt nun die Schwierigkeit auf, daß bei der Bildung des Empfangsrichtstrahles unter Verwendung stark amplitudenbegrenzter Strahlerausgangssignale bzw. Wandlerausgangssignale zwar eine deutliche Hauptstrahlungskeule erreicht wird, die Nebenzipfel im ω Strahlungsdiagramm aber unzuträglich groß werden können.

In der aus der US-Patentschrift Ji 09 706 bekannten Empfangseinrichtung sind den Amplitudenbegrenzern zur scharfen Amplitudenbegrenzung jeweils Dämp- *" fungsglieder nachgeschaltet, welche jeweils derart unterschiedlich eingestellt sind, daß die von den in der Mitte der Strahlergruppe oder Wandlcrgruppe gelegenen Strahlern bzw. Wandlern stammenden Ausgangssignale die geringste Dämpfung erfahren. Mit einer derartigen unterschiedlichen Einstellung der Dämpfungsglieder läßt sich jedoch keine wirksame Unterdrückung der Nebenzipfel im Strahlungsdiagramm bei jeweils unterschiedlich gewählter Orientierung der Hauptstrahlungskeule erreichen.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei einer Empfangseinrichtung der eingangs erwähnten Art im Strahlungsdiagramm Nebenzipfel bei jeweils unterschiedlich gewählter Orientierung der Hauptstrahlungskeule wirkungsvoll abschwächen zu können, wenn zur Signalverarbeitung stark amplitudenbegrenzte Ausgangssignale der Strahler bzw. Wandler verwendet werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden 1 eil von Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Es zeigt sich, daß bei der hier vorgeschlagenen Schaltung der Vorteil der scharfen Amplitudenbegrenzung, nämlich die im wesentlichen amplitudengleiche Beaufschlagung der nachgeschalteten Verzögerungseinrichtungen, und damit die störungsunanfällige Einstellung der Orientierung des Empfangsrichtstrahles, erhalten bleibt, da die Gewichtung zur Abdämpfung oder Beseitigung der Nebenzipfel des Sirahlungsdiagramms, e.'St am Ausgang der Verzögerungseinrichtungen vorgenommen wird.

Die begrenzten Signale werden vorzugsweise durch eine Tastungseinriehtung getastet, wobei die so gewonnenen Proben zu Zeitpunkten genommen werden, die den jeweils aufeinanderfolgenden Lagen einer Wellenfront zugeordnet sind, welche sich an der Strahlerreihe oder Wandlerreihe vorbei ausbreitet. Die Proben sind EIN-BIT-Tastungen. Diese EIN-BIT-Tastungen werden mit mehrstelligen Gewichtsfaktoren multipliziert, wonach die resultierenden Produkte zusammenaddiert und in einem Tiefpaßfilter gefiltert werden, um Spektrumsanteile abzuschwächen, die auf der Begrenzung und der Tastung beruhen. Das Filterausgangssignal entspricht einem bestimmten Empfangs-Strahlungsdiagramm der Strahlerreihe oder Wandlerreihe mit Nebenzipfcln einer gegenüber der Hauptstrahlungskeule des .Strahlungsdiagramms ganz beträchtlich verminderten Amplitude.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform haben die Verzögerungseinrichtungen die Gestalt einer Reihe von vielfach angezapften Schieberegistern, welche jeweils über die Amplitudenbegrenzer mit je einem der Strahler oder Wandler gekoppelt sind.

Als Ausführungsbeispiel wird vorliegend ein Schallortungssystcm beschrieben und demgemäß sind in diesem System Schallwandler vorgesehen. Es versteht sich jedoch, daß die hier gegebene Lehre in gleicher Weise für mit elektromagnetischer Strahlung arbeitende Systeme verwendbar ist.

Die Schieberegister dienen als Speicher zum Abspeichern der einer Begrenzung unterzogenen Wandlersignale, wobei ausreichend Speicherplatz vorgesehen ist. um den Ablauf der Wanderung der Schallwellenfront festzuhalten, die sich an der Wandlergruppc vorbei ausbreite!. Die einzelnen Anzapfungen der Schieberegister ermöglichen die Intnahme von Proben ein/einer Wandlersignalo entsprechend den aufeinanderfolgenden Lagen der Wellenfront relativ zur Wandlergruppc Vorliegend wird eine Schiebercgistersteuerscliaitung \ er« endet, w eiche dazu dient, die (leu ichuingsfaktoren auf die in den Schieberegistern gespeicherten Signale /u

verteilen, um ein rasches Abtasten in einer Ebene zu ermöglichen, beispielsweise in der Azimutebene im Falle einer zylindrischen Wandleranordnung. Die Probennahme geschieht mit einer Geschwindigkeit oberhalb der Nyquistgeschwind^:rkeit, beispielsweise mit einer dreifach so hohen Geschwindigkeit, um die in den von der Einrichtung empfangenen Signalen enthaltene Information zur Verfügung zu halten.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeic hnung beschrieben. Es stellt dar

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Empfangseinrichtung zur Bildung eines Empfangsrichtstrahles mit einer Wandlergruppe in Gestalt einer linearen Anordnung von sechs elektroakustischen Wandlern,

F i g. 2 ein Blockschaltbild einer Empfangseinrichtung zur Bildung eines Empfangsrichtstrahles mit einer Wandlergruppe in Gestalt einer kreisförmigen Anordnung von acht elektroakustischen Wandlern,

Fig.3 eine Wertetabelle von Gewiehtungsfaktoren für die lineare Wandlergruppe gemäß Fig. 1,

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Leistungspegels entsprechend dem Strahlungsdiagramm für die lineare Wandlergruppe gemäß F i g. 1 bei Benutzung der Gewichtungsfaktoren gemäß F i g. 3 und

Fig. 5 eine Abbildung des Strahlungsdiagramms für die lineare Wandlergruppe von sechs Wandlerelementen gemäß Fig. 1 bei Verwendung amplitudenbegrenzter Signale und Vornahme einer Amplitudenabstufung, wobei in den Fig. 4 und 5 ein Vergleich für verschiedene Gruppen von Gewichtungsfaktoren durchgeführt ist. 7

In Fig. 1 ist also ein Blockschaltbild einer Empfangseinrichtung 20 gezeigt, welche zur Formung des Empfangsstrahlungsdiagramms für Schallstrahlung dient, die auf eine lineare Gruppe von Wandlern 22 trifft. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel mit sechs Wandlern 22 gezeigt. Die von den Wandlern 22 jeweils in Abhängigkeit von eintreffender Schallenergie erzeugten elektrischen Signale werden über Verzögerungseinrichtungen 24 an Multiplikationseinheiten 26 angekoppelt, wobei für jeden der Wandler 22 jeweils eine Verzögerungseinrichtung 24 und eine Multiplikationseinheit 26 vorgesehen sind. Die Ausgangssignale der Multiplikationseinheiten 26 gelangen zu einer Summationseinrichtung 28, in welcher die Ausgangssignale der Multiplikationseinheiten aufaddiert werden. Das Ausgangssignal der Summationseinrichtung 28 wird an einen Digital-/Analog-Umsetzer angekoppelt, welcher in F i g. 1 mit 30 bezeichnet ist. Das Ausgangssignal des Digital-/Analog-Umsetzers 30 wiederum wird über ein Tiefpaßfilter 32 an eine Anzeigeeinrichtung 34 angekoppelt. Es ist jedoch auch möglich, in einer nicht dargestellten Weise das Summensignal vom Ausgang der Summationsstufc 28 unmittelbar an ein digitales Filter für eine digitale Signalverarbeitung anzukoppeln, welche die Tiefpaß-Filterung durch das Filter 32 mit umfaßt. Danach kann das gefilterte Digitalsignal über den Digital-/Analog-Umsetzer 30 zu der Anzeigeeinrichtung 34 geführt oder aber in digitaler Form weitergeleitet werden, um in digitalen Anzeigcmitteln ⁽ zur Darstellung zu gelangen. Die Einrichtung 20 enthält weiter einen Speicher 3h /ur Speicherung von Gewichuingskodfizientcn, welche in den Mulliplikationsemheiten 26 als Multiplikationsfaktoren verwendet werden. Außerdem ist eine Strahlstetiereinrichuing 38 ' vorgesehen, welche Steuersignale an den Speicher 36 und an die Yer/ogerungseinrichiungen 24 sowie an die Anzeigeeinrichtung 34 lielen. Schließlich ist ein Taktgeber 40 vorgesehen, der Taktsignale zur Synchronisation des Betriebes der Verzögerungseinnchtungen 24 und der Strahlsteuereinrichtung 38 bereitstellt

Jede der Verzögerungseinnchtungen 24 enthält einen Vorverstärker 42, einen Begrenzer 44, eine Tasteinrichtung 46, ein mit vielfachen Anzapfungen versehenes Schieberegister 4S und einen Wählerschalter 50. In jeder Verzögerungseinrichtung 24 is^:. der Vorverstärker 42 über einen Anschluß D mit dem jeweils zugehörigen Wandler 22 verbunden, um die Ausgangssignale des Wandlers auf einen geeigneten Amplitudenwert zu verstärken, um damit den Amplitudenbegrenzer 44 zu betreiben. Der Amplitudenbegrenzer 44, beispielsweise eine an sich bekannte Begrenzerschaltung, schneidet die Amplitude des angekoppelten Signales des Vorverstärkers 42 ab. Während das Eingangssignal zu dem Amplitudenbegrenzer 44 noch Sinuswellenform hat, ist das Ausgangssignal entsprechend einer Trapezwelle oder nahezu einer Rechteckwelle geformt, wobei die Annäherung an die RechteckweJle auf der Tatsache beruht, daß der Abschneidpegel des Amplitudenbegrenzers 44 weit unter der Maximalamplitude der Sinuswelle liegt und beispielsweise weniger als einige Prozent hiervon beträgt. Diese Begrenzung kann daher als eine scharfe Begrenzung oder eine Untersuchung lediglich der Nulldurchgänge bezeichnet werden.

Die Tasteinrichtung 46 arbeitet in Abhängigkeit von Taktsignalen, welche dieser Baueinheit über den Anschluß C von dem Taktgeber 40 her zugeführt werden und liefert eine Tastung oder Probe des begrenzten Signales des Amplitudenbegrenzers 44 an das Schieberegister 48, wenn eine Auslösung durch einen Taktimpuls am Anschluß C erfolgt. Die Verwendung des Amplitudenbegrenzers 44 bewirkt eine Erhaltung der Nulldurchgänge des sinusförmigen Signales vom Ausgang des Vorverstärkers 42, wobei die begrenzten Signale eine Amplitude besitzen, welche gegenüber Amplitudenänderungen des sinusförmigen Signales invariant bleibt. Der Vorverstärker 42 enthält ein Bandpaßfilter zum Ausscheiden von Rauschsignalkomponenten im Spektralbereich außerhalb des Durchlaßbandes des Filters, wobei solche Rauschsignalkomponenten beispielsweise von Störungen in dem Meer oder Gewässer verursacht w erden, in welchem sich der Wandler 22 befindet. Die Ausgangssignale der Tasteinrichtung 46. welche auf der Leitung 52 auftreten, sind also eine Folge von .Signalimpulsen verhältnismäßig hoher Spannung, die jeweils einen logischen Zustand entsprechend dem Wert 1 darstellen, woran sich eine Folge von verhältnismäßig niedrige Amplitude aufweisenden Signalimpulsen anschließt, die jeweils einer logischen 0 entsprechen, wobei charakteristischerweise eine Anzahl solcher Impulse auf der Leitung 52 für je eine Periode des begrenzten Signales des Amplitudenbegrenzers 44 auftritt. Wenn beispielsweise vier Einser gefolgt von vier Nullen auftreten, was vier Impulse der Leitung 52 entsprechend dem logischen Zustand 1 und darauffolgend vier Impulse entsprechend dem logischen Zustand 0 innerhalb jeder Periode des begrenzten Signales bedeutet, so werden Phasendifferenzen zwischen den Signalen der aufeinanderfolgenden Wandler 22 in Abhängigkeit von einer auftreffenden Wellenfront akustischer Energie in Werten von 45 festgehalten. Die Taktgeschwindigkeit des Taktgebers 40 kann so eingestellt werden, daß sich eine gewünschte Anzahl von Tastungen je Penode des ainplitudenbegrenzien Signals ergibt.

Die Impulse der Leitung 52 werden in Abhängigkeit

der über den Anschluß C vom Taktgeber 40 her angekoppelten Taktsignale in das Schieberegister 48 eingegeben und der Reihe nach verschoben. Die Taktimpulse für das Schieberegister 48 werden über die Leitung 54 zugeführt, welche von der Leitung 56 abzweigt, weichletztere die Taktimpulse zu der Tastungseinrichtung 46 liefert. Während sich das Schieberegister 48 mit Impulsen von der Leitung 52 auffüllt, wird in ihm der Ablauf des Eintreffens der Wellenfront am Wandler 22 festgehalten. Das Schieberegister 48 besitzt eine ausreichende Länge, um Daten über ein Zeitintervall gleich derjenigen Zeit zu speichern, welche die Wellenfront, insbesondere die Wellenfront der akustischen Energie, zur Ausbreitung längs der Gruppe von Wandlern vom ersten bis zum letzten Wandler 22 benötigt. Faiis gewünscht, können auch andere Formen von Speichern eingesetzt werden, beispielsweise Speicher mit wahlfreiem Zugriff. In dem Schieberegister 48 ist jedenfalls ausreichender Speicherplatz vorgesehen, um ein Strahlungsdiagramm entsprechend einem Längsstrahler erzeugen zu können. Soll nur ein Querstrahldiagramm erzeugt werden, so können die Tasteinrichtung 46, das Schieberegister 48 und der Wählerschalter 50 weggelassen werden und das begrenzte Signal wird unmittelbar von dem Amplitudenbegrenzer 44 an die zugehörige Multiplikationseinheit 26 angekoppelt. Da das begrenzte Signal im wesentlichen die Gestalt einer Rechteckwelle hat, kann dieses Signal unmittelbar als ein einstelliges Digitalsignal zur Durchführung der Multiplikation verwendet werden.

Das Schieberegister 48 besitzt eine Vielzahl von Anzapfungen, welche durch die Leitungslinien 58 dargestellt sind, je eine der Leitungen 58 ist mit je einer Zelle des Schieberegisters 48 verbunden, um den in der betreffenden Zelle gespeicherten Impuls an den Wählerschalter 50 ankoppeln zu können. In Abhängigkeit von einer Digitalzahl, welche durch die Strahlsteuereinheit 38 an den Anschluß A geliefert wird, wählt der Wählerschalter 50 eine der Leitungen 58 aus, durch welche dann der dort anstehende Impuls über den Anschluß San die zugehörige Multiplikationseinheit 26 angekoppelt wird. Es sei darauf hingewiesen, daß über die Leitung 60 von der Strahlsteuereinheit 38 sechs gesonderte Schaltbefehlssignale geleitet werden und daß sich die Leitung zu den einzelnen Anschlüssen A der jeweiligen Verzögerungseinrichtungen 24 verzweigt, um die Wählerschalter 50 jeweils einzeln zu betätigen. Die Wählerschalter 50 wählen jeweils die Leitungen 58 aus, durch welche von dem Schieberegister 48 diejenigen Tastungen entnommen werden, welche der Zeit des Auftreffens einer Weiienfront auf den Wandlern 22 jeweils entsprechen, so daß dann ein Empfangs-Strahlungsdiagramm entsteht. Ein derartiges Strahlungsdiagramm besitzt eine ausgeprägte Hauptstrahlungskeule und außerdem Nebenzipfel, welche ausreichend hohe Amplitude besitzen, um Signale zu empfangen, welche im Meer aus einer Richtung eintreffen, welche dem Bereich seitlich der Hauptstrahlungskeule entspricht, wobei die Amplituden der Nebenzipfel dadurch vergrößert sind, daß eine Begrenzung der Signale mittels des Amplitudenbegrenzers 44 erfolgt ist.

In Übereinstimmung mit der hier gegebenen Lehre werden die Amplituden der Nebenzipfel dadurch vermindert, daß die von den Wählerschaltern 50 an dem Anschluß B jeder Verzögerungseinrichtung 24 dargebotenen Signale mit Gewichtungsfaktoren multipliziert werden, wobei die einzelnen Gewichiungsfnktorcn jeweils gesondert für je eine der Verzögerungseinrichtungen 24 und je einen der Wandler 22 festgelegt werden. Die Leitung 62, welche, wie aus F i g. 1 ersichtlich, von dem Speicher 36 ausgeht, verzweigt sich zu den einzelnen Multiplikationseinheiten 26. um diesen jeweils einen geeigneten Gewichtungsfaktor zuführen zu können. Spezifische Werte der Gewichtungsfaktoren werden nachfolgend in Verbindung mit F i g. 3 angege-K) ben. Eine wesentliche Eigenschaft des hier angegebenen Systems ist die vergleichsweise einfache Möglichkeit, die Multiplikation in jeder der Multiplikationseinheiien 26 durchzuführen. Es sei darauf hingewiesen, daß die Signale, welche an den verschiedenen Anschlüssen S auftreten, EIN-BIT-Signale sind, die entweder den logischen Wert 1 oder den logischen Wen 0 besitzen. Die auf der Leitung 62 anstehenden Gewichtungsfakloren haben die Gestalt vielsteiliger Digitalzahlen.

Die Multiplikation in den Multiplikationseinheiten 26

2(i wird also einfach in der Weise ausgeführt, daß dem Gewichtungsfaktor ein positives Vorzeichen zugeordnet wird, wenn das Signal an dem Anschluß B den logischen Wert 1 hat, während dem Gewichtungsfaktor ein negatives Vorzeichen zugeordnet wird, wenn das Signal an dem Anschluß B den logischen Wert 0 aufweist. Mit anderen Worten, ein an dem Anschluß B auftretendes Signal dient lediglich als Vorzeichenbit für einen auf der Leitung 62 auftretenden Gewichtungsfaktor. Die Summationsstufe 28 summiert dann die

iü Ausgangssignale der Multiplikationseinheiten 26 zusammen, wobei die positiven und negativen Vorzeichen der Ausgangssignale der Multiplikationseinheiten beachtet werden.

Das Ausgangssignai der Summationsstufe 28 hat die Gestalt einer Digitalzahl, welche dann mittels des Digital-/Analog-Umsetzers 30 in ein Analogsignal umgeformt wird. Das Analogsignal, welches am Ausgang des Umsetzers 30 erscheint, hat die Gestalt einer Folge von Impulsen mit jeweils veränderlichen Amplituden, wobei jede Amplitude der Größe der Digitalzahl entspricht, welche am Ausgang der Summationsstufe 28 auftritt und eine derartige Digitalzahl in Abhängigkeit von jedem Taktimpuls erzeugt wird, welcher von dem Taktgeber 40 über die Leitung 56 an die Taster 46 der Verzögerungseinrichtungen 24 angekoppelt wird. Das Tiefpaßfilter 32 besitzt eine Grenzfrequenz, die ausreichend niedrig liegt, so daß Spektralbereiche abgedämpft werden, welche der Tastungsfrequenz im Ausgangssignal des Digital-/Analog-Umsetzers 30 entsprechen, so daß sich eine kontinuierliche analoge Signalwelle ergibt, die am Ausgang des Filters 32 abgenommen werden kann. Das von dem Filter 32 erzeugte Signal soll unter Bezugnahme auf F i g. 4 näher betrachtet werden.

Die Anzeigeeinrichtung 45 kann von einer Kathodenstrahlröhre gebildet sein, welcher die Ablenkspannungen über eine Leitung 64 von der Strahlsteuereinheit 38 zugeführt werden, wobei die Ablenkspannungen eine bestimmte Zuordnung zur Orientierung des Empfangsrichtstrahles besitzen, der von dem System 20 erzeugt wird. Die Amplitude der aus einer bestimmten Richtung des Strahlungsdiagramms her empfangenen Signale, wie sie vom Ausgang des Filters 32 abgenommen werden können, werden also in der richtigen Lagebeziehung durch das Anzeigegerät 34 dargestellt. Die Strahlsteuereinrichtung 38 kann von Hand betätigt werden, um einen Empfangsrichtstrahl in eine bestimmte Richtung zu bringen oder es kann eine Vorprogram-

mierung vorgesehen sein, so daß eine bestimmte Folge von Richtstrahlen erzeugt wird, die in bestimmte Richtungen weisen. Die Strahlsteuereinheit liefert über die Leitung 60 dabei die erforderlichen Schaltbefehlssignale und über die Leitung 66 die Speichersteuersignale, derart, daß die erforderlichen Verzögerungen und Gewichtungsfaktoren auf die Signale einwirken, welche von den Wandlern 22 empfangen worden sind.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform eines Systems, welches hier mit 2OA bezeichnet ist. Das System 20A enthält wiederum die Wandler 22, die Verzögerungseinrichtungen 24, die Multiplikationseinheiten 26, die Summationsstufe 28, den Digital-/Analog-Umsetzer 30, das Filter 32, das Anzeigegerät 34 und den Speicher 36, also all diejenigen Bauteile, welche auch in Fig. 1 gezeigt waren. Bei dem vorliegenden System sind jedoch die Wandler 22 in einer kreisförmigen Anordnung vorgesehen, wobei das System 2OA acht Wandler 22 enthält. Demgemäß sind auch acht Verzögerungseinrichtungen 24 und acht Multiplikationseinheiten 26 vorgesehen, die jeweils einem der acht Wandler zugeordnet sind. Die Ausgangssignale der einzelnen Wandler 22 werden über die Verzögerungseinrichtung 24 an die Multiplikationseinheiten 26 angekoppelt und werden dann gewichtet und in der Summationsstufe 28 summiert, wonach die Signale gefiltert werden, so daß sie ein gefiltertes Analogsignal ergeben, was mittels des Digital-/Analog-Ümsetzers 30 und des Filters 32 geschieht, wie zuvor im Zusammenhang mit F i g. 1 schon ausgeführt wurde.

Das System 20A ist so aufgebaut, daß es einen rasch umlaufenden cmpfangsrichtstrahl in solcher Weise zu erzeugen vermag, daß die Kreissymmetrie der kreisförmigen Anordnung der Wandler 22 ausgenützt wird. Es sei angenommen, daß die Wandleranordnung des Systems 20Λ so betrieben wird, daß acht Richtstrahlen erzeugt werden, welche so orientiert sind, daß die Achse maximaler Empfindlichkeit zwischen dem ersten und dem zweiten Wandler 22, dann zwischen dem zweiten und dem dritten Wandler 22 usw. liegt, so daß die *o Richtung maximaler Empfindlichkeit jeweils in Schritten von 45° weitergeschwenkt wird und insgesamt acht solche Richtstrahlen erzeugt werden. Die einzelnen Wandler 22 sind dabei in Fig. 2 von 1 bis 8 numeriert. Aufgrund der Tatsache, daß die Verzögerungseinrichtungen 24 die vollständige Historie des Vorbeilaufs einer Strahlungswellenfront an der Anordnung der Wandler 22 speichert, wird offenbar, daß die einzelnen Richtstrahlen durch Betätigung der Wählerschalter 50 der Verzögerungseinrichtungen 24 mit beliebiger Geschwindigkeit gebildet werden können, so daß jeweils einzelne Richtstrahlen entstehen, die in verschiedene Richtungen mit einer gewünschten Geschwindigkeit orientiert werden, wobei diese Geschwindigkeiten sogar höher als die Tastfrequenz der Taster 46 der Verzögerungseinrichtungen 24 sein können. Wenn beispielsweise Proben mit einer Geschwindigkeit von 100 kHz durch die Taster 46 genommen werden, so bleiben die Daten in den Schieberegistern 48 der Verzögerungseinrichtungen 24 während einer Zeit- so dauer von lOMikrosekunden unverändert. Werden die Wählerschalter 50 mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 MHz betätigt, so kann während des 10 Mikrosekunden-Zeitintervalls eine Strahltastung für jede der acht Richtstrahlen erzeugt werden. Bezogen auf die Tastfrequenz der Tasteinrichtungen 46 kann man also davon ausgehen, daß das System 2OA die Strahltastungen für die acht gesonderten Empfangsrichtstrahlen gleichzeitig erzeugt, da sämtliche acht Empfangsrichtstrahlen für jede Eingangstastung erzeugt werden. Würde man sämtliche acht Empfangsrichtstrahlen tatsächlich gleichzeitig erzeugen, so würde das acht Gruppen von Multiplikaiionseinheiten 26 anstelle der einzigen Gruppe von acht Multiplikationscinheiten gemäß F i g. 2 erfordern. Es ergibt sich aber, daß die Ausgangssignale, welche in dem Anzeigegerät 34 zur Anzeige gelangten, bei Erzeugung durch acht Gruppen von Multiplikationseinheiten nicht von denjenigen Signalen unterscheidbar wären, die von der einzigen Gruppe von Multiplikationseinheiten 26 erzeugt werden, da in jedem Falle für jede Tastung der Taster 46 dieselben acht Richtstrahlen erzeugt werden.

Eine rasche Zuteilung von Steuersignalen zu den Anschlüssen A der Verzögerungseinrichtungen 24 sowie von Multiplikationsfaktoren zu den Multiplikationseinheiten 26 zur sequentiellen Erzeugung der Tastungen der zuvor erwähnten acht Richtstrahlen oder einer Untergruppe hiervon wird durch vielstufige Schieberegister 68 und 70, Schalter 72 und 74 und eine Strahlsteuereinheit 384 bewerkstelligt, welche sämtlich durch einen Taktgeber 4OA synchronisiert sind. Falls gewünscht, kann anstelle der Schieberegister 68 und 70 auch eine andere Speichereinrichtung eingesetzt werden, beispielsweise ein Speicher mit wahlfreiem Zugriff. Im Betrieb führt die Strahlsteuereinheit 38,4 Gewichtungsfaktoren, welche dem Speicher 36 entnommen werden, über den Schalter 74 in das Schieberegister 70 ein. Letzteres, welches vielstufig ausgebildet ist, hat die Gestalt mehrerer Schieberegistereinheiten, deren Zellen parallelgeschaltet sind, so daß die verschiedenen Stellen der Gewichtungsfaktoren gespeichert werden können. Es werden also acht mehrstellige Gewichtungsfaktoren taktweise in das Schieberegister 70 in Abhängigkeit von Taktsignalen eingegeben, die von dem Taktgeber 40A über die Leitung 76 zugeführt werden. Die Strahlsteuereinheit 38Λ und der Taktgeber 40/4 arbeiten in entsprechender Weise wie zuvor bezüglich der Strahlsteuereinheit 38 und des Taktgebers 40 im Zusammenhang mit Fig. 1 ausgeführt. Zusätzlich werden jedoch Signale zur Betätigung der Schalter 72 und 74 und der Schieberegister 68 und 70 geliefert. Analog der Füllung des Schieberegisters 70 liefert also die Strahlsteuereinheit 38/4 eine Gruppe von Steuersignalen für die Wählerschalter 50 der jeweiligen Verzögerungseinheiten 24, indem die mehrstelligen Schaltersteuerungssignale über den Schalter 72 in das Schieberegister 68 eingegeben werden, wobei diese vierteiligen Signale taktweise aufgrund der über die Leitung 76 zugeführten Taktsignale in das Schieberegister 68 einwandern. Nachdem die Schieberegister 68 und 70 gefüllt sind, betätigt die Strahlsteuereinheit durch ein an dem Anschluß K auftretendes Signal die Schalter 72 und 74, so daß die Ausgangssignale des Schieberegisters 68 bzw. 70 an den jeweiligen Eingang rückgekoppelt werden. In Abhängigkeit von aufeinanderfolgenden Taktsignalen des Taktgebers 4OA für die Schieberegister 68 und 70 werden die vielsteiligen Digitalzahlen, welche die von den Wählerschaltern 50 der Verzögerungseinrichtungen 24 zu wählenden Verzögerungen bzw. die den Multiplikationseinheiten 26 jeweils zuzuführenden Gewichtungsfaktoren darstellen, an den Ausgangs-Anzapfungen des Schieberegisters 68 bzw. des Schieberegisters 70 vorbeigeführt. Die Ausgangsanzapfungen des Schieberegisters 68 sind in dem Leitungsstrang 78 zusammengefaßt, der sich zu den Anschlüssen A der jeweiligen Verzögerungseinrichtun-

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ίο

gen 24 verzweig!. Die Ausgangsanschlüssc des Schieberegisters 70 sind zu dem Leitungssirang 80 zusammengefaßt, welcher sich zu den einzelnen Multiplikationseinheuen 26 hin verzweigt. Auf diese Weise werden die Verzögerungswerte und die Gewichtungsfaktoren den Signalen der Anordnung der Wandler 22 so zugeteilt, daß rasch jeweils einzelne der insgesamt acht Empfangsrichtstrahlen in sich wiederholender Weise der Reihe nach gebildet werden.

Nunmehr seien die F i g. 3,4 und 5 näher betrachtet. In Fig. 3 ist eine Tabelle von Gewichtungsfaktoren zur Modifizierung der Ausgangssignale einer Wandlergruppe, beispielsweise einer solchen gemäß F i g. 1. in F i g. 4 eine Gruppe von Strahlungsdiagrammen zum Vergleich der Wirkungen der verschiedenen Gewichtungsfaktoren, in Fig. 5 in Polarkoordinaten ein Diagramm dargestellt, welches die Strahlungsleistung einer Sechselementengruppe gemäß Fig. 1 bei Verwendung von Dolph-Tschebyscheff-Gewichtungsfaktoren mit und ohne Filterung durch das Filter 32 und das Strahlungsdiagramm wiedergibt, das bei gleichförmiger Gewichtung erzielt wird. Die Wahl der Gewichtungsfaktoren ist in der Veröffentlichung »Principles of Underwater Sound For Engineers« von R. J. Urick, McGraw-Hill Book Company, 1967, erläutert, insbesondere im Zusammenhang mit Figur 3.10 sowie im zugehörigen Text.

Die in der Tabelle nach F i g. 3 angegebenen Gewichtungsfaktoren beziehen sich auf eine gleichförmige Gewichtung, eine Binomialgewichtung und eine Gewichtung mit Dolph-Tschebyscheff-Gewichtungsfaktoren, wobei die drei Fälle in den drei Zeilen der Tabelle festgehalten sind. Die Anordnung der mit A bis Fbezeichneten Wandler entspricht den sechs Wandlern 22 nach Fig. 1, wobei die Spalten die numerischen Werte der Gewichtungsfaktoren aufweisen, die über die Leitung 62 den Multiplikationseinheiten 26 zugeführt werden, in denen die Signale der jeweiligen Wandler 22 nach Fig. 1 verarbeitet werden. In Fig. 4 ist das Ergebnis einer gleichförmigen Gewichtung näherungsweise durch eine langgestrichelte Linie wiedergegeben, welche das Strahlungsdiagramm für eine Anordnung von sechs Wandlerelementen über dem Azimutwinkel aufgetragen angibt, wobei dieser Winkel in der Zeichnung mit θ bezeichnet ist. Das Ergebnis einer Binomialgewichtung ist näherungsweise durch eine kurzgestrichelte Kurve gezeigt und das Ergebnis einer Gewichtung mit Dolph-Tschebyscheff-Gewichtungsfaktoren ist näherungsweise mit einer durchgehenden Linie eingezeichnet. Im einzelnen ist festzustellen, daß die gleichförmige Gewichtung die üblichen Gitter-Maxima und Gitter-Nullstellen einführt, daß ferner die Binomialgewichtung zu einer einzigen Strahlungskeule mittlerer Breite führt, während die Gewichtung mit Dolph-Tschebyscheff-Gewichtungsfaktoren eine verhältnismäßig schmale Hauptstrahlungskeule mit Nebenstrahlungskeulen verminderter Amplitude erzeugt. Die Gewichtungsfaktoren für eine kreisförmige Wandlergruppe gemäß Fig. 2 sind gegenüber den in F i g. 3 angegebenen Faktoren leicht geändert, um die Versetzung der Wandler 22 gegenüber einer Mittellinie der Gruppe zu kompensieren. Der Abstand zwischen den Wandlern in der Gruppe beträgt beispielsweise größenordnungsmäßig eine halbe Wellenlänge der auf die Wandlergruppe treffenden Strahlung. Durch entsprechende Auswahl der Gewichtungsfakioren läßt sich die jeweilige Gestalt des Strahlungsdiagramms verwirklichen.

Bezugnehmend auf die Fig. 4 und 5 sei gesagt, daß die mit A bzw. B bezeichneten Kurven jeweils die Ausgänge des Filters 32 im Falle der Gewichtung mit Dolph-Tschebyscheff-Gewichtungsfakioren bzw. im Falle der gleichförmigen Gewichtung wiedergeben. Die Kurve C entspricht dem Strahlungsdiagramm, wie es sich ergibt, wenn man das Signal am Eingang zu dem Filter 32 im Falle der Gewichtung mit Dolph-Tschebyscheff-Gewichtungsfaktoren betrachtet.

Das Signal, welches sich bei Summation in der Summationsstufe 28 und Umwandlung in ein Analogsignal durch den Digital-ZAnalog-Umsetzer 30 ergibt, enthält Spektrallinien, die aus dem Bereich der Bandbreite des Sign;iles fallen, wobei diese Spektrallinien auf der Tastung durch die Tasteinrichtungen 52 beruhen. Das Strahlungsdiagramm, wie es sich bei Untersuchung des Signales am Ausgang des Umsetzers 30 ergibt, ist durch die zuvor erwähnte Kurve C in Fi g. 5 eingezeichnet. Es sei bemerkt, daß die Kurve C unerwünscht große Nebenzipfel aufweist, welche aber durch Filterung in dem Filter 32 vermindert werden. Die Verbesserung bezüglich der Seitenstrahlungskeulen, welche durch Filterung in dem Filter 32 erzielt wird, beruht vermutlich auf der Beseitigung der erwähnten Spektrallinien außerhalb des Durchlaßbandes in dem Signal. Es sei darauf hingewiesen, daß mittels des Systems 20 nach Fig. 1 ein Strahlungsdiagramm mit einer Richtcharakteristik und Seitenstrahlungskeulen erzielt wird, welches denjenigen Strahlungsdiagramrnen gleichwertig oder überlegen ist, welche durch bisher verwendete Strahlungsformungseinrichtungen erzielt werden konnten, hei denen die Signale der verschiedenen Wandler in üblicher Weise miuels Verstärkern mit angepaßtem Verstärkungsgewinn verarbeitet werden, wobei die Verstärker eine automatische Verstärkungsgradregelung besitzen, was insgesamt die Kompliziertheil der Schaltung wesentlich erhöht, während demgegenüber das hier vorgeschlagene System 20 sich durch Einfachheit auszeichnet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Empfangseinrichtung, bestehend aus einer Gruppe von elektromagnetischen Strahlern oder elekiroakustischen Wandlern (22), deren Signale jeweils einem Amplitudenbegrenzer (44) zur scharfen Amplitudenbegrenzung zugeführt sind, dessen Ausgangssignal nach Weiterverarbeitung in einer Schaltung, welche eine zur Strahlrichtungseinstellung dienende Verzögerungseinrichtung (48) und eine zur Strahlformung dienende Gewlchtungseinrichtung (26) enthält, einer Summationseinrichtung (28) zur Erzeugung eines Summensignals zugeleitet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils das Ausgangssignal des Amplitudenbegrenzers (44) erst der Verzögerungseinrichrmg (48) und dann der der Strahlformung dienenden Gewichtseinrichtung (26) zugeführt ist.

2. Empfangseinrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Amplitudenbegrenzcr (44) und Verzögerungseinrichtung (48) je eine Tastungseinriehtung (46) zur Abnahme von Abtastproben des Signals eingefügt ist und die Verzögerungseinrichtung so aufgebaut ist, daß sie solche Abtastproben verarbeiten kann, und daß an den Ausgang der Summationseinrichtung (28) ein Digital-/Analogumsetzer(30) geschaltet ist.

3. Empfangseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Summationseinrichtung (28) bzw. dem Digital/Analogumsetzcr (30) jo ein Tiefpaßfilter (32) nachgeschaltet ist, das nur die Grundwelle durchläßt.