DE2854783A1

DE2854783A1 - Sonargeraet

Info

Publication number: DE2854783A1
Application number: DE19782854783
Authority: DE
Inventors: Robert Delignieres
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1977-12-20
Filing date: 1978-12-19
Publication date: 1979-06-21
Also published as: NO784256L; FR2431137B2; NL7812267A; DE2854783C2; JPS625301B2; US4216537A; FR2431137A2; NO148429C; NO148429B; GB2011076B; CA1112753A; GB2011076A; JPS5497064A

Description

SONARGERÄT

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sonargerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruch I. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Sonargerät, pit dem ein Bild der Oberfläche des Meeresbodens sowie der darunterliegenden Schicht ermittelt wird. Das Sonargerät ist getaucht und wird hinter einem Schiff hergezogen, so daß ein Bild des Meeresbodens zu beiden Seiten der vom Zugschiff verfolgten Route sowie ein seismischer Querschnitt durch die unmittelbar unter dem Meeresboden befindlichen Erdschichten erstellt werden können.

Die Erfindung eignet sich besonders für den Einsatz bei großer Wassertiefe.

Unabhängig von der Wassertiefe gibt es verschiedene Typen von Sonargeräten gemäß ihren spezifischen Anwendungen : Sonargeräte mit hoher Impulsfrequenz besitzen eine gute Auflösung aber nur eine kurze Reichweite, während Sonargeräte mit niedriger Frequenz eine große Reichweite, aber nur eine mittlere Auflösegenauigkeit besitzen; es gibt auch kombinierte Geräte, mit denen zugleich eine große Reichweite und eine gute Auflösung erreicht wird, die jedoch verhältnismäßig teuer sind. Meist wird die Sendefrequenz des Sonargeräts so festgelegt, daß ein Kompromiß zwischen Reichweite und Auflösung erreicht wird, und zwar für Anwendungen bei mittlerer Wassertiefe. Ein derartiges Gerät wird beispielsweise in der FR-PS 2 045 218 beschrieben. Wenn auch ein derartiges Gerät mit mittlerer Frequenz für die Messung des Meeresbodens

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mm *7 —

bei geringer Wassertiefe vielfach ausreicht, so gilt dies nicht bei sehr großer Wassertiefe, bei der sowohl die Durchdringungsqualitäten und die Auflösung optimisiert sein müssen. Das Sonargerät kann beispielsweise in einem stromlinienförmigen Tauchkörper oder "Fisch" untergebracht sein, der in große Tiefe abgesenkt wird. Die für das Absenken notwendige Zeit beträgt jedoch manchmal mehrere Stunden, so daß es notwendig wird, alle Untersuchungsmöglichkeiten auszuwerten, um kontinuierlich sowohl eine gute Durchdringung als auch eine gute Auflösung zu bekommen.

Andererseits weiß der Fachmann auf dem Gebiet der Sonargeräte, daß der Rückstreukoeffizient eines sandigen Bodens im wesentlichen von der Frequenz der ausgesendeten akustischen Impulse unabhängig ist, während der Streukoeffizient bei einem Geröllboden oder bei ähnlicher Struktur pro Oktave um drei bis sechs dB variiert. Es ist auch bekannt, daß der Rückstreukoeffizient eines felsigen Bodens wesentlich größer als der anderer Bodenstrukturen ist und sich deutlich von diesen abhebt.

Das erfindungsgemäße Gerät besitzt alle Eigenschaften, um gute Ergebnisse beim Einsatz in großen Tiefen zu liefern. Es ermöglicht die Erstellung eines topographischen Bildes des Meeresbodens ausgehend von einem sich bezüglich dieses Meeresbodens forttewegenden Gefährts.

Es besitzt akustische Mittel zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Gefährts bezüglich einer ersten Fortbewegungsrichtung sowie mindestens einen Transduktor, dessen Richtdiagramm eine Hauptkeule schräg zur Senkrechten in einer orthogonalen Ebene zur ersten Fortbewegungsrichtung sowie eine im wesentlichen senkrechte Neben-

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keule besitzt. Ein solches Sonargerät ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Transduktor akustische Wellen zweier verschiedener Frequenzen aussendet und empfängt und daß er Sendemittel zur Steuerung der Übertragung von akustischen Impulsen zweier Frequenzen sowie Empfangsmittel besitzt, um ausgehend von Echos der ausgesandten Impulse Echogramme des Meeresbodens seitlich zur ersten Richtung zu bilden, um die Wassertiefe unter dem Gefährt durch Messung der Fortpflanzungszeit der ausgesendeten Wellen entlang der Richtungen der Nebenkeule zu bestimmen und die Fahrgeschwindigkeit des Gefährts einer zur ersten Richtung senkrechten Richtung durch Messung der Frequenz der akustischen Wellen zu bestimmen, die entlang einer bestimmten Richtung der Hauptkeule des Transduktors von diesem empfangen v/erden.

Die aufeinanderfolgende Aussendung von Impulsen zweier unterschiedlicher Frequenzen durch den Transduktor ergibt den Vorteil, daß zwei Arten von Echogrammen komplementärer Qualitäten entstehen. Die Verwendung der niedrigeren Frequenz gibt dem Gerät eine große Reichweite, während die Verwendung der höheren Frequenz eine bessere Auflösung sichert.

Die Verwendung eines Transduktors, dessen Richtdiagramm zwei Keulen in Verbindung mit geeigneten Sende- und Empfangsmitteln aufweist, ergibt neben den Echogrammen bei zwei verschiedenen Frequenzen ein Maß für die Transversalgeschwindigkeit des Gefährts sowie für den Abstand vom Meeresboden, während bei bekannten Geräten diese verschiedenen Ergebnisse nur durch jeweils spezialisierte, unabhängige Systeme vom Typ Echosonde oder Doppler-Sonar erreicht werden.

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Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Das erfindungsgemäße Gerät ermöglicht schließlich'eine Messung der Veränderung des Eückstreukoeffizienten, woraus sich Rückschlüsse auf die i\rt des Meeresbodens ziehen lassen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Äusführungsbeispiels mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Gefährts, das das erfindungsgemäße Sonargerät trägt.

Fig. 2 zeigt dasselbe Gefährt von vorne.

Fig. 3 zeigt, wie eine Bezugsachse OM im Inneren eines Sendestrahls eines seitlichen Transduktors zur Bestimmung der Quergeschwindigkeit des Gefährts liegt.

Fig. 4 zeigt in Blockschaltform das erfindungsgemäße Sonargerät.

Fig. 5 zeigt schematisch einen Sendemodulator und

Fig. 6 zeigt die Vergleichsmittel der identischen Charakteristiken der auf zwei verschiedenen Frequenzen ausgesandten Impulse, wobei diese Mittel den Empfangsmitteln der von den seitlichen Transduktoren empfangenen Echos zugeordnet sind.

Das erfindungsgemäße Gerät ist in ein Gefährt eingebaut, das beispielsweise aus einem stromlinienförmigen Tauchkörper oder Fisch 1 bekannter Art (Fig. 1, Fig.2) besteht und Stabilisierungsflächen trägt. Diese Flächen umfassen beispielsweise einen hohlen Kegelstumpf 3 um das hintere Ende des Gefährts und Seitenflossen Zusätzlich können noch nicht dargestellte Kontrollmittel vorgesehen sein, mit denen die Eintauchtiefe des Gefährts geändert oder

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stabilisiert wird. Das Gefährt ist beispielsweise über elektrische Kabel 4 mit einem Zugschiff auf der Meeresoberfläche verbunden. Über die Kabel werden die bei der Echographie anfallenden Daten übertragen. Ein Schleppseil 5 nimmt die mechanischen Kräfte auf.

Das Gerät besitzt zwei seitliche Transduktoren 6 und länglicher Form, die beispielsweise auf den Seitenwänden des Gefährts angebracht sind,und sie sind außerdem zu beiden Seiten des Gefährts schräg nach unten ausgerichtet. Beispielsweise sind die Achsen der Transduktoren G und 7 bezüglich der Senkrechten um 70 geneigt. Ganz allgemein sind die Transduktoren so gewählt und angeordnet, daß ihre Richtdiagramme je eine Nebenkeule in senkrechter Richtung besitzen unter der Voraussetzung, daß das Gefährt stabilisiert ist und sich mit konstanter Tauchtiefe fortbewegt . Die Hauptkeulen der Richtdiagramme liegen in den Transduktorachsen und werden für die Ermittlung der Echogramme des Meeresbodens zu beiden Seiten des ?7eges des Gefährts verwendet. Jeder Transduktor 6 und 7 besitzt mindestens zwei Resonanzfrequenzen, eine in Kompressionsrichtung und die andere in Transversalrichtung. Aufgrund der Bauart der Transduktoren sind diese Frequenzen ungleich, wobei die Frequenz f.. höher als die Frequenz f_. ist. Die maximale Auflösung ergibt sich bei der höheren Frequenz und die größere Reichweite ergibt sich bei der niedrigeren Frequenz. Beispielsweise liegen die beiden Resonanzfrequenzen bei 20 bzw. 70 IcHz.

Uählt man für die niedrigere Frequenz f in beiden Transduktoren G, 7 denselben Uert, dann versorgt man die beiden Trans-

oulsen unterschie

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duktoren mit Signalimpulsen unterschiedlicher Frequenz f und f"_

ORiGlNAL INSPECTED

derart, daß

.ei — c- ι λ ^r· ι r ^

fn = f _ AP (Ί)

Δ T: ist ein Frequenzband, dessen Bandbreite kleiner als die Hälfte der den beiden Transduktoren geraeinsamen Durchlaßbandbreite F-, gewählt ist. Die Impuls signale £' und f" v/erden

b "BB

durch Impulse der Frequenz f.. verlängert. Uenn die Sendeleistung in den Iifebenkeulen ausreicht, dann ergibt sich eine parametrische akustische \7elle, die sich vertikal fortpflanzt und deren Frequenz f gleich zweimal der Durchlaßbandbreite der Transduktoren ist. Diese Frequenz £ ist sehr niedrig, beispielsweise 1 kHz, so daß diese parametrisch^ akustische Welle in den Meeresboden eindringt und die sedimentären Schichten nahe dem Meeresboden durchdringt. Die Richtv/irkung der parametrischen Uelle gleicht größenordnungsmäßig der der Hebenkeulen des Sichtdiagramms der Transduktoren. Eine Sonde G, auch Hydrophon genannt, befindet sich im unteren Scheitel des Gefährts und empfängt die Echos der parametrischen akustischen Uelle. Ihre Durchlaßbandbreite ist auf die Frequenz f_p abgestimmt.

Die Lage des Gefährts bezüglich des Meeresbodens wird durch die gleichzeitige Auswirkung der von den Transduktoren 6 und 7 empfangenen Echos der entlang den Nebenkeulen ausgesandten akustischen Impulse ermittelt, wie weiter unten im einzelnen erläutert wird.

Die Fortbewegungsgeschwindigkeit des Gefährts entlang e iner Querrichtung wird aus der Verschiebung der Dopplerfrequenz

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· -.-.,._ ORIGiNALlNSPECTED

abgeleitet, die die Echos der entlang den Hauptkeulen der Transduktoren ausgesandten akustischen Impulse erfahren. Die Frequenzverschiebung aufgrund des Dopplereffekts hängt von der Sende- und der Empfangsrichtung der akustischen Wellen ab. Da die Sendekeule jedes Transduktors einen ziemlich großen Öffnungswxnkel besitzt, kann die Messung der Quergeachwindigkeit nur eine Bedeutung besitzen, wenn man eine Bezugsachse OM konstanter Neigung bezüglich der Senkrechten festlegt, die innerhalb des Öffnungswinkels der Hauptkeule der Transduktoren G und 7 liegt (Fig. 3). Die Geschwindigkeit wird also ausgehend von den entlang dieser Achse empfangenen Echos gemessen. Wenn t die Fortpflanzungszeit der akustischen Sendeimpulse entlang der Senkrechten in den Nebenkeulen über eine Strecke OZ ist, die der Wassersäule h unter dem Gefährt entspricht, dann kommen die Echos entlang der Richtung OM der Hauptkeulen nach einer Zeit t an, gemäß folgender Formel :

cos U.

ο ^2to

Wählt man den Winkel OC mit 30 , dann ist diese Zeit t = —

Y7

Die Fortbewegungsgeschwindigkeit in Querrichtung wird also aus den nach einem Intervall der Zeitdauer t ankommenden Echos der entlang den Hauptkeulen der Transduktoren 6 und 7 ausc£sandten Impulse gemessen.

Zur Messung der Fortbewegungsgeschwindigkeit des Gefährts entlang seiner Längsachse besitzt das Gerät außerdem zwei zusätzliche Transduktoren 9 und 10, die vorn und hinten in der Längsachse des Gefährts angebracht sind und akustische Energie der Frequenz

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f schräg nach vorne und symmetrisch hierzu schräg nach hinten
abstrahlen.

Man ermittelt die Frequenzverschiebung aufgrund des
Dopplereffekts der von den Transduktoren 9 und 10 ausgesandten akustischen Wellen und leitet daraus die Längsgeschwindigkeit
des Gefährts ab»

Die Steuer- und Kontrollvorrichtung, die in Fig. 4 dargestellt ist, besitzt mehrere Sende- und Empfangskanäle, die mit den Transduktoren zusammenwirken. Die Transduktoren 6, 7, 9 und 10 werden je durch Sendemittel beaufschlagt, die Verstärker 11, 12, 13 und L4 besitzen und von einem Sendemodulator 15,der nachfolgend näher beschrieben wird, Impulssignale der Frequenz f„, f* und f" zugeführt erhalten.

Die seitlichen Transduktoren 6 und 7 sind außerdem mit Empfangsmitteln verbunden, die je einen Verstärker 16 bzw. 17
mit festem Verstärkungsgrad und einen Verstärker 18 bzw. 19 mit programmierbarem Verstärlcungsgrad zur Verstärkung der Empfangssignale aufweisen. Die verstärkten Signale gelangen von den Verstärkern 18, 19 an zwei Demultiplexierer 20 und 21, in denen
die hohen von den niederen Frequenzen getrennt werden. Der Demultiplexierer 20 liefert auf zwei getrennten Äusgangskanälen
die beispielsweise auf backbord erhaltenen Signale _f deren
Frequenzen den Sendefrequenzen f' und f„ entsprechen. Der Demultiplexierer 2.1 liefert entsprechend auf zwei getrennten Ausgängen die EmpfangssignaIe von Steuerbord, deren Frequenzen den Sendefrequenzen f" und f entsprechen. Die Ausgänge der beiden Demultiplexierer 20 und 21 sind an Eingangskanäle eines Viel-

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MSPSCTED

spurregistriergeräts 22 bekannter i\rt angeschlossen.

Die Ausgänge der Verstärker 16 und 17 sind außerdem an ein Detektororgan 23 angeschlossen, das die gleichzeitige Ankunft der ersten Echos ermittelt, d.h. der Echos, die von den entlang der Nebenkeulen der seitlichen Transduktoren 6 und 7 ausgesandten Impulse herrühren. - Die gleichzeitige Berücksichtigung der Echos auf zwei unterschiedlichen Empfangskanälen ergibt einen Schutz gegen.'Fehlmessungen aufgrund von parasitären Reflexionen. Sobald das Organ 23 ein erstes Echo vom Meeresboden festgestellt hat, liefert es einen Impuls ICI.

Die Transdiktoren 9 und 10 sind ebenfalls mit Empfangsmitteln 24 und 25 verbunden, die die Echos der akustischen Impulse der Frequenz f_T verstärken. Die Empfangsmittel 24 und 25 sind mit Meßelementen 26 bzw. 27 verbunden, die die Periode der von den Transduktoren 9 und 10 empfangenen Signale messen. Die Ausgänge der Demultiplexierer 20 und 21, die Signale hoher Frequenz liefern, sind außerdem an je ein Meßelement 28 bzw. 29 angeschlossen, das die Periode der von den seitlichen Transduktoren 6 und 7kommenden Signale mißt.

Die Ausgänge der Meßelemente 26 bis 29 sind an eine Recheneinheit 30 angeschlossen. Diese vergleicht die Perioden der von den beiden Transduktoren 9 und 10 empfangenen Signale mit der Periode der entsprechenden Sendesignale und ermittelt daraus die Verschiebegeschwindigkeiten V des Gefährts entlang der Hauptfortbewegungsrichtung.

Der Impuls ICI, der vom Detektororgan 23 bei Eintreffen der ersten Echos vom Meeresboden erzeugt wird, wird der Recheneinheit 30 zugeleitet, die · auch die Förtpflmzungsdauer der akustischen Signale ermittelt und daraus die Höhe der Wassersäule unter dem

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Gefährt sowie die Dauer der Intervalle t (siehe Gleichung 3)
ableitet. Nach diesem Intervall vergleicht die Recheneinheit
die Perioden der von den Meßelementen 28 und 29 gemessenen Signale mit der Periode der ,Sendesignale und leitet daraus die Transversalgeschwindigkeit V _r des Gefährts über Grund ab.

Die Recheneinheit ist vom digitalen Typ und führt die
Rechnungen mit Hilfe eines internen Taktgebers aus, der Impulse II sehr hoher Frequenz zur Bestimmung eines Zeitmaßstabs liefert. Diese Impulse H dienen auch als Zeitmaßstab für die Meßelemente 26 bis 29, um die Periode der empfangenen Signale zu bestimmen.

Die Sonde S ist an Empfangsmittel angeschlossen, die einen Verstärker 31 mit festem Verstärkungsgrad und einen Verstärker mit programmierbarem Verstärkungsgrad umfassen, dessen Ausgang
ebenfalls an einen Kanaleingang des Registriergeräts 22 angeschlossen ist. Das Programm zur Bestimmung der Verstärkungsgrade der Verstärker 18, 19 und 32, sowie die Steuerimpulse für den
Modulator 15 sind vorab in der Recheneinheit 30 registriert und werden mit jedem Sende- Empfangszyklus bereitgestellt.

Der Sendemodulator 15, der in Fig. 5 im einzelnen dargestellt ist, besitzt zwei identische Untereinheiten miu je einem Speicher 33 und 34, der nacheinander an einen Bigita1-Analog-Wandler 43 bzw. 44 eine Folge gespeicherter Vierte aufgrund externer Steuersignale liefert. Es gibt η gespeicherte Werte entsprechend η aufeinanderfolgenden Abtastproben der Sinusfunktion die über einen vollständigen Zyklus von 2 JC verteilt sind. An den Adressen 0 und (n-1) jedes Speichers ist der Wert 0 eingeschrieben. Ausgehend von den η digitalen Werten in jedem Speicher bildet

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- J.G -

der Digital-Ana log-Wandler -4-3 bzw. 44 eine Sinus funktion nach, deren Frequenz von der Periode des externen Steuersignals abhängt, mit dem der jeweilige Speicher nacheinander ausgelesen

wird. Beispielsweise wird für η der Wert 512, d.h. 2 gewählt.

Das externe Steuer- oder Adressiersignal wird dem Speicher 33 bzw. 34 von je einem modulo η Zähler 35 bzw. 36 geliefert. Diese Zähler zählen die von je einem Zähler 37 bzw. modulo N bzw. N¹ gelieferten Impulse. Letztere Zähler zählen wahlweise Taktimpulse H, bzw. H„ eines Taktgebers 45. Die Umschaltung zwischen den beiden Frequenzen erfolgt für jeden der beiden Zähler 37 und 38 in einem elektronischen Umschalter IV und einem elektronischen Unterbrecherschalter IT.

Der Modulator besitzt außerdem einen Periodenzähler 39, der die Anzahl der aufeinanderfolgenden Nulldurchgänge des Zählers 35 zählt. Ein Dekodierer 40, der dem Periodenzähler 39 nachgescha-1-tet ist, liefert an einem Ausgang einen Impuls, wenn der Stand des Periodenzählers 39 den Wert N, annimmt, und auf einem anderen Ausgang einen Impuls, wenn der Periodenzähler den Wert N, +N-. annimmt. Eine erste bistabile Kippstufe wird von einem externen Startsignal T₀ eingeschaltet und vom Impuls am ersten Ausgang des Dekodierers 40 wieder ausgeschaltet. Das Startsignal T_R dient außerdem der Nullsetzung der Zähler 35, 36, 37, 38 und 39. Ein Ausgang der Kippstufe 4L steuert die beiden Umschalter IV sowie den Modulwert des Zählers 37 zwischen den beiden möglichen Werten N und N¹.

Eine weitere bistabile Kippstufe 42 wird ebenfalls vom Startsignal T_R eingeschaltet und wird vom zweiten Ausgang des De-

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ORIGINAL INSPECTED

kodierers entsprechend dem Zählwert N,+N-. wieder ausgeschaltet. Diese Kippstufe steuert die beiden Unterbrecherschalter IT. Der Sendemodulator arbeitet folgendermaßen : Der Start Zeitpunkt für die Aussendung akustischer Impulse wird durch den Startimpuls T_R definiert, der vom Vielspurregistriergerät 22 (Fig. 4) stammt. Dieser Startimpuls stellt die Zähler 35 bis 39 sowie die Kippstufen 41 und-42 ein, wodurch die Unterbrecherschalter IT geschlossen werden und die Umschalter IV auf den die Taktfolge H, liefernden Ausgang des Taktgebers eingestellt werden. Die Zähler 35 und 36 zählen also Impulse der Frequenz U₁ZlS bzw. H /M¹ und liefern bei denselben Frequenzen Impulse, die die beiden Untereinheiten 33, 43 bzw. 34, 44 betätigen.

Die Nulldurchgänge der Zähler 35 und 36 erfolgen mit der Frequenz H../nN bzw. H /nN¹, die der Frequenz f¹ bzw. f" (Gleichungen 1 und 2) entsprechen. Nach N Halbperioden, die im Dekodierer 40 ermittelt werden, verbindet man die Eingänge der Zähler 37 und 38 mit den die Taktimpulse H„ liefernden Ausgängen des Taktgebers 45. Die Frequenz f" \tfird so gewählt, daß während des Zeitraums von N₁ Sinushalbwellen der Frequenz f' eine Anzahl von N„ Sinushalbwellen der Frecruenz f "„ vom Zähler

Δ £5

36 geliefert werden, so daß die folgenden Gleichungen erfüllt v/erden :

N. EL·

Υ:=ψ₂) (4) und

^N2.^{= H}l * I' ) ⁽⁵⁾

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- i.O -

Der dem Zählzustand N des Zählers 39 entsprechende Impuls am Ausgang des Dekodierers 40 führt auch über die Kippstufe 41 dazu, daß der Modul des Zählers 37 von N auf N¹ umgeschaltet wird.

Nunmehr liefern die beiden Zähler 37 und 38 an die Zähler 35 und 36 Impulse gleicher Frequenz H_o/N". Die Frequenz des Nulldurchgangs der beiden Zähler 35 und 36 bildet die Frequenz f„ (Fig. 2). Das oben beschriebene Verfahren der Bildung von Sinushalbwellen vollzieht sich auch hier in den beiden Einheiten 33, 43, bzw. 34, 44, bis der Dekodierer 40 N^N₃ Halbperioden ermittelt hat und auf seinem zweiten Ausgang einen Impuls liefert, der die Unterbrecherschalter IT öffnet, so daß das Weiterzählen bis zum Eintreffen des nächsten Startimpulses T„ unterbunden wird.

In jedem Betriebszyklus des Sendemodulators liefern also die beiden Wandler 43 und 44 einen Impuls der Breite Θ, der im einen Fall aus einem Signal der Frequenz f¹ mit einem nachfolgenden Signal der Frequenz f besteht und im anderen Fall aus einem Signal der Frequenz f" mit nachfolgendem Signal der Frequenz f

Die in den Verstärkern xG und 18 einerseits und i7 und "1.9 andererseits verstärkten Signale werden in den beiden Demultiplexierern 20 und 21 gefiltert (siehe Fig. 6, die einen Teil aus Fig. 4 wiederholt) . Die Signale der Frequenz f'_B* f"_B und f werden also getrennt einem Rechenorgan 45' (Fig. 6) zugeführt. Dieses Organ ist beispielsweise in der Lage, den Quotienten zwischen zv/ei Eingangs Signalen zu bilden. Wenn (Λ¹ ) und (i\ J die .Amplituden der Signale der niederen Frequenz f' bzw. der hohen Fre-

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quenz f,_ von der '3teuerbord."eil:e beispielsweise aind, dann liefert απ π .;;;echenorgan 65' tlan Verhältnis

oder dan ungekehrte Verhältnis. Außerdem liefert dieses Organ da.™ Verhältnis

^B \ h_r J ^K '

zwischen den entsprechenden Amplituden der Signale der Frequenzen f" und £„ von der Backbordseite.

IJ i'i

Uenn der Vorstärkungsgrad der Verstärker 18 und 19 so gewählt worden ist, daß die Abschwächung abhängig von der Fortpflanzungsdauer der Signale der niedrigeren Frequenz kompensiert v/erden, dann berücksichtigt das P.echenorgan 45' die Tatsache, daß die Signale höherer Frequenz stärker abgeschwächt v/erden, indem die folgenden Größen gebildet werden :

^k'b

Hierbei ist g ein Faktor größer L.

Nenn dagegen der Verstärkungsgrad der Verstärker 18 und 19 so gewählt worden ist, daß die Abschwächung abhängig von der Fortpflanzungsdauer der Signale der höheren Frequenz kompensiert wird, dann liefert das Rechenorgan 45' die oben erwähnten Zimplitudenverhältnisse mit einem Koeffizienten g kleiner als 1.

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ORlGlMAL INSPECTED ./,

Die Auswertung acy erhaltenen I'iesultncc- durch das r.cchenorgan 45' kann dadurch erfolgen, daß eine bestimnto liongo von ''ertön ermittelt wird, die von den >jaf£5.zi.en'cen IC_n 'and ic, über sandigen Meeresboden genorar.ien werden, wobei die Soit α Ig Variable gewählt wird und gegebenenfalls eine repräsentative Ku.rve gezeichnet wird.

Ιλίη lleeresbodon, der nit Geröll bedeckt ist, */ird dann dadurch entdeckt, da/3 die Uerte der Koeffizienten IC₁, u:id IC, 3ich plötzlich gegenüber der Gesamtheit der Bezugsworte verändern.

Diese Operation wird beispielsweise von einem Vergleichselement 46 durchgeführt, das mit dem Rachenorgan 45' verbunden ist und die aufeinanderfolgenden vJerte der Koeffizienten K und

T K mit der Gesamtheit der Bezugswerte vergleicht.

Im Rahmen der Erfindung wäre es auch möglich, die Funktionen des Rechenorgnns 45' und des Vergleichsorgans 46 in der Recheneinheit 30 (Fig. 4) durchführen su lassen, in der ansonsten die Geschwindigkeit V_v und V des Gafährts ermittelt werden.

Es wäre ebenfalls möglich, das arithmetische Verhältnis der Amplitudenwerte b.zw. der Signale niedriger Frequenz und hoher Frequenz durch jede andere Art der Verknüpfung dieser Werte oder jeden anderen charakteristischen Parameter der empfangenen Signale zu ersetzen, der für die Art des zu untersuchenden Meeresbodens charakteristisch ist.

Schließlich wäre es auch möglich, das erfindungsgemäße Sonargerät direkt an einem auf der Meeresoberfläche schwimmenden Schiff oder an einem Unterseeboot anzubauen.

909825/0920 c.-=: ■·... : ; ; ,

ι ³¹

L e e r s e ite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1.' Sonargerät, das in ein über Meeresgrund bewegbares Gefährt eingebaut ist und akustische Mittel zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Gefährts bezüglich einer ersten Fortbewegungsrichtung sowie mindestens einen Transduktor aufweist, dessen Richtdiagramm eine Hauptkeule schräg zur Senkrechten in einer orthogonalen Ebene zur ersten Richtung sowie eine im wesentlichen senkrechte Nebenkeule besitzt, dadurch g e k e η η ze ichnet, daß der Transduktor (6,7,9,10) akustische Wellen zweier verschiedener Frequenzen (ΐτ,,ΐττ) aussendet und empfängt und daß er Sendemittel (11-15) zur Steuerung der Übertragung von akustischen Impulsen zweier Frequenzen sowie Empfangsmittel (16-21, 23-30) besitzt, um ausgehend von Echos der ausgesandten Impulse Echogramme des Meeresbodens seitlich zur ersten Richtung zu bilden, um die Wassertiefe unter dem Gefährt (1) durch Messung der Fortpflanzungszeit der ausgesendeten Wellen entlang der Richtungen der Nebenkeule zu bestimmen und um die Fahrtgeschwindigkeit des Gefährts einer zur ersten Richtung senkrechten Richtung durch Messung der Frequenz der akustischen Wellen zu bestimmen, die entlang einer

ORfGINAL INSPECTED

Richtung (OM) der Hauptkeule des Transduktors von diesem empfangen werden.

2. Sonargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei Transduktoren (6,7) von im wesentlichen gleichen Eigenschaften besitzt, die symmetrisch bezüglich der Senkrechten in einer zur ersten Fortbewegungsrichtung orthogonalen Ebene ausgerichtet sind, daß weiter die Sendemittel an die beiden Transduktoren Impulse liefern, deren

jeweils niedrigere Frequenz (f' und f",,) in den beiden Transis D

duktoren unterschiedlich gewählt ist, wobei der Abstand der niedrigeren Frequenzen der entsprechenden Steuersignale der Transduktoren im wesentlichen doppelt so groß ist wie die Bandbreite der Transduktoren für die niedrigeren Frequenzen, und daß ein Empfänger (8) im wesentlichen senkrecht nach unten ausgerichtet ist und die Echos der parametrischen Wellen empfängt, die aus der Kombination der Impulse verschiedener Frequenzen resultieren.

3. Sonargerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendemittel einen Modulator (15) aufweisen, der einen Digital-Analogwandler (44) für die Ableitung analoger Signale aus in Speichermitteln (34) digitalisiert vorliegenden Werten sowie digitale Steuermittel aufweist, mit denen nacheinander die digitalen Werte aus den Speichermitteln ausgelesen werden.

4. Sonargerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendemittel einen Modulator (15) aufweisen, der zwei Digital-Analogwandler (43,44) für die Ableitung analoger Signale aus in zwei Speicherorganen (33,34) digitalisiert vorliegenden Werten sowie digitale Steuermittel besitzt, mit denen nacheinander die digitalen Werte aus den beiden Speicherorganen ausgelesen werden.

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5. Sonargerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die digitalen Steuermittel mit einem Taktgeber (45) verbunden sind, der an zwei unterschiedlichen Ausgängen Impulse liefert, die zwei unterschiedliche Zeitmaßstäbe definieren, und daß die digitalen Steuermittel Schaltelemente (14), Unterbrecher (15), ein erstes System von Zählern (35,36) zur Teilung der Frequenz der Taktimpulse durch einen vorgegebenen Zahlenwert (n) sowie ein zweites Zählsystem (37,38) zur Teilung der Taktimpulse nacheinander durch einen ersten (N) und durch einen zxveiten vorgegebenen Wert (N') aufweisen, wobei die von den beiden Zählsystemen gelieferten Impulse die beiden Speicherorgane (33,34) steuern.

6. Sonargerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß außerdem Mittel (41,42) vorgesehen sind, die von Impulsen eines der beiden Zählersysteme gesteuert werden sowie die Schaltelemente (IT) betätigen und die Eingänge der beiden Zählersysteme nacheinander an die beiden Ausgänge des Taktgebers anschließen, sowie die Unterbrecher (IV) betätigen.

7. Sonargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsmittel Demultiplexiermittel (20,21), mit denen die von den Transduktoren empfangenen Signale unterschiedlicher Frequenz getrennt werden, Mittel

(22) zur Registrierung der empfangenen Signale, Mittel (23) zur Erkennung der Ankunft der ersten Echos vom Meeresboden, Mittel zur Messung der Periode der empfangenen Signale in den Hauptkeulen der Richtdiagramme der Transduktoren nach einer Zeit proportional der Fortpflanzungszeit der ersten Echos, sowie eine Recheneinheit (30) aufweisen, in der die Fortbewegungsgeschwindigkeit entlang der orthogonalen Richtung ermittelt wird.

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8. Sonargerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die akustischen Mittel zwei Sende-Empfangsorgane (9,10) für akustische Impulse aufweisen, deren Hauptsendeachsen sich in einer durch die erste Fortbewegungsrichtung verlaufenden Ebene und in Schrägneigung bezüglich der Senkrechten befinden, daß die Sendemittel (13,14) mit Impulsen gespeist werden, deren Frequenz der höchsten von den Sendemitteln erzeugten Frequenz entspricht und daß die Empfangsmittel Maßelemente (26,2 7) für die Messung der Periode der von den beiden Sende-Empfangsorganen empfangenen Signale aufweisen, wobei diese Elemente an die Recheneinheit (30) angeschlossen sind.

9. Sonargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Gerät unter der Wasseroberfläche von einem Schiff geschleppt wird.

10. Sonargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Gerät als Unterseeboot ausgebildet ist.

11· Sonargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Empfangsmittel Vergleichsmittel (46) aufweisen, mit denen identische Charakteristiken der empfangenen Echos verglichen werden, die von akustischen Sendeimpulsen unterschiedlicher Frequenz ausgehen.

12. Sonargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vergleichsmittel (46) den Quotienten zwischen den Werten identischer Charakteristiken von Empfangsechos bilden.

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13. Sonargerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel zur Bildung des
Quotienten mit Demultiplexiermitteln verbunden sind, in denen die von den beiden Transduktoren erhaltenen Empfangssignale unterschiedlicher Frequenz getrennt werden, und daß die identischen Charakteristiken die Amplituden der Echosignale sind.

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