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E C EI O L O T
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Die Erfindung betrifft ein Echolot der im Oberbegriff des Anspruchs
1 definierten Art.
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Solche Echolote mit einer tiefen und hohen Lotfrequenz werden sowohl
bei der Fahrzeugführung als auch bei der Vermessung von Bodenschichten in Gewässern
zur Gewinnung von Informationen über die Dichte des Schallreflektors, also des Gewässergrundes,
verwendet. Im ersten Fall ist die sichere Unterscheidung harter und weicher Bodenschichten
eines Flachwassergebietes für Schiffe, insbesondere für Supertanker, die mit wenig
Wasser unter dem Kiel fahren müssen, außerordentlich wichtig, damit rechtzeitig
erkannt werden kann, ob das Schiff noch mit Bodenberührung im Schlick fahren kann
oder aber fester Boden oder im Schlick verborgene Objekte das Schiff auflaufen lassen
oder gefährden können. Im zweiten Fall dient das Echolot zur Vermessung von Hafenbecken,
um insbesondere die Verschlickung zu vermessen und Baggerarbeiten überwachen und
steuern zu können.
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Die Schallenergie hoher Lotfrequenz wird dabei an der oberen Schicht
schon geringer Dichte des Bodens, z. B.
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an der Oberfläche einer Schlickschicht, reflektiert und liefert damit
Echosignale, die ein Lagebild dieser obersten Bodenschicht ergeben. Die Schallenergie
der infolge der nichtlinearen alcustischen Übertragungseigenschaften des wassers
entstehenden tiefen Differenzfrequenz dringt hingegen in die Bodenschicht geringerer
Dichte, in den Schlick, mehr oder weniger tief ein und wird im Ideal-
fall
erst an der tieferen, festen Bodenschicht reflektiert. Sie liefert daher Echosignale,
die ein Lagebild der unteren, dichteren Dodenschicht vermitteln.
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Bei einem bekannten Echolot der eingangs genannten Art werden mit
dem weiteren Empfangswandler Echo signale mit einer hohen Frequenz empfangen, die
einer der beiden Sendefrequenzen entspricht. In Fällen, in denen es erwünscht oder
erforderlich ist, die tiefe Differenzfrequenz in möglichst großen Grenzen zu verändern,
z. B.
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bei Sediment erkennung oder Dichtebestimmung von Schlickschichten,
erfordert dieses bekannte Echolot empfangsseitig einen erheblichen technischen Aufwand.
Für eine variable Differenzfrequenz ist es notwendig, mindestens eine der beiden
hohen Sendefrequenzen zu verändern. Um jedoch eine annähernd 100%ihre Nodulation
der Sendefrequenzen im Wasser zu erreichen, muß der Schalldruck der beiden Sendefrequenzen
gleich groß gemacht werden, d'.h.
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die Sendewandler müssen für beide Sendefrequenzen gleich gut an das
Medium Wasser angelcoppelt werden. Dies ist aber nur dann möglich, wenn die Sendefrequenzen
symmetrisch zur Resonanzfrequenz des Wandlers liegen, was sich ohne weiteres anhand
der Admittanzkurve des 'Fandlers nachweisen läßt. Das bedeutet, daß mit jeder ge--ünschten
Änderung der Differenzfrequenz beide Sendefrequenzen um den gleichen Betrag in entgegengesetztem
Sinne verändert werden müssen. Zum Empfang der Echosignale mit der der einen Sendefrequenz
entsprechenden hohen Frequenz ist es daher unumgänglich, den Empfangsverstärker
für die verschiedenen Frequenzen schaltbar oder durchstimmbar auszubilden, da bei
einem ansonsten erforderlichen sehr breitbandigen Xerstarl;er zur SiS-nalverarbeitung
ein nur sehr schlechtes S/s:-Verhaltnis zur Verfügung steht, lfas diese zur Erzielung
brauchbarer Ergebnisse sehr aufwendig werden läßt.
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Der Erfindung liest die Aufgabe zugrunde, ein Echolot der eingangs
genannten Art derart zu verbessern, daß der empfangsseitig erforderliche technische
Aufwand bei veränderlichen Sendefrequenzen wesentlich verringert wird.
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Diese Aufgabe ist bei einem Echolot der im Oberbegriff des Anspruchs
1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des
Anspruchs 1 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Echolot ist die hohe Empfangsfrequenz als
Summenfrequenz der beiden variablen Sendefrequenzen stets konstant, so daß der Empfangskanal
lediglich mit einem auf eine feste Frequenz, der Summenfrequenz, abgestimmten selektiven
Empfangsverstärker versehen werden muß. Dadurch verringert sich der erforderliche
technische Aufwand betrachtlich. Zudem ergibt sich der weitere Vorteil, daß die
Frequenzdnamik hinsichtlich der hohen Empfangsfrequenz gegenüber dem bekannten Echolot
um eine volle Oktave erweitert ist. Ebenso wie der Empfangskanal für die Differenzfrequenz
ist auch der Empfangskanal für die Sendefrequenz aufgrund des parametrischen Effektes
im Wasser weitgehend nebenpegelfrei, so daß das erfindungsgemäße Echolot dem bekannten
Echolot zumindest in seinem bevorzugten Anwendungsgebiet "Flachwasser" weit überlegen
ist. Infolge der größeren Nebenpegelfreiheit des Empfangskanals für die Echo signale
der Summenfrequenz wird entweder eine bessere Detektion der Echo signale erzielt
oder ist bei gleicher Detektion der Echosignale ein geringerer schaltungstechnischer
Aufwand erforderlich.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dabei
aus Anspruch 2. Durch diese Maßnahmen läßt sich, wie bereits dargelegt, eine maximale
blodu-
lation der Sendefrequenzen im Wasser und damit ein optimaler
Wirkungsgrad des Echolots erzielen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich
auch aus Anspruch 3. Durch diese Maßnahmen wird der technische Aufwand durch Doppelausnutzung
der Wandleranordnung sowohl für den Sende- als auch für den Empfangsfall weiter
verringert.
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Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 und 2 je ein Blockschaltbild eines
Echolots gemäß einem ersten bzw. zweiten Ausführungsbeispiel.
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Das in Fig. 1 in seinem Aufbau schematisch dargestellte Echolot weist
eine Sendeeinrichtung 10 und eine Empfangseinrichtung 11 auf. mittels der Sendeeinrichtung
wird über einen Sendewandler 12 gleichzeitig Schallenergie der Sendefrequenz fl
und Schallenergie der Senfrequenz f2 impulsförmig in das Wasser abgestrahlt.
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Die Sendefrequenzen sind hoch und einander benachbart.
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Zum Beispiel kann die Sendefrequenz fl 48 kHz und die Sendefrequenz
f2 52 kHz betragen. Zum Erzeugen der Schallenergie ist für jede Sendefrequenz ein
Oszillator 13 bzw. 14 vorgesehen. Jeder Oszillator 13, 14 ist über einenSendeimpulsgeber
oder eine Torschaltung 15, 16 und einen Verstarker 17, 18 mit einem Addierer 19
verinden, in welchen die beiden Sendefrequenzen fl und f2 addiert werden. Der Ausgang
des Addierers 19 ist mit dem Sendewandler 12 verbunden, so daß dieser Schallenergie
der Sendefrequenz fl und der Sendefrequenz f2 aussendet.
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Die Impulsdauer der Schallenergieabstrahlung wird durch
die
beiden Torschaltungen 15, 16 bestimmt, die von einer Zeitsteuerungsschaltung 20
gesteuert werden.
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Die beiden von den Oszillatoren 13, 14 erzeugten Sendefrequenzen f1
und fO sind variierbar. Eine Änderung der beiden Sendefrequenzen f1 und f2 erfolgt
dabei dergestalt, daß die Summe beider Sendefrequenzen stets konstant ist. Dabei
wird zugleich sichergestellt, daß die erzeugten Sendefrequenzen symmetrisch zu der
Resonanzfrequenz des Sendewandlers 12 liegen. Die Änderung der Sendefrequenzen fl
und f2 erfolgt demzufolge um die gleichen Beträge, jedoch im entgegengesetzten Sinn.
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Beträgt die Resonanzfrequenz des Sendewandlers 12 z. B.
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50 kHz, so können z. B. Paarungen der Sendefrequenzen fl und f2 z.
B. fl = 48 klIz und f2 = 52 kHz oder fl = 46 kHz und f2 = 54 kHz oder f1 = 45 kHz
und f2 = 55 kHz usw. betragen.
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Aufgrund der nichtlinearen akustischen Übertragungsei genschaften
des Wassers entsteht infolge der parametrischen Wechselwirkung zwischen den Schallenergien
der benachbarten hohen Sendefrequenzen Schallenergie mit der Differenzfrequenz und
Schallenergie mit der Summenfrequenz aus beiden Sendefrequenzen fl, f". Da immer
die Paarungen der Sendefrequenzen fl, f2 symmetrisch zur Resonanzfrequenz des Sendewandlers
12 liegen, kann durch die Änderungen der beiden Sendefrequenzen fl, f2 die entstchende
Differenzfrequenz fl fe in weiten Grenzen geändert werden, wohingegen die Summenfrequenz
fl+f immer konstant ist.
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:)er Empfangscinrichtung 11 ist ein erster Empfangswand-1er 21 zum
Empfang von Echosignalen der tiefen Differenzfrequenz f1-f2 und ein weiterer En.pfangswandler
zum Empfang von Echosignalen der hohen Summenfrequenz fl+f, zugeordnet. Jeder Empfangswandler
21 bzw. 22 ist über einen Empfangsverstärker 23 bzw. 24 mit einer Sig-
nalverarbeitungsvorrichtung
25 bzw. 26 verbunden. Über eine weitere Torschaltung 27, die ebenfalls von der Zeitsteuerungsschaltung
20 gesteuert wird, ist eine Anzeigevorrichtung 28 an die beiden Signalverarbeitungsvorrichtungen
25, 26 angeschlossen. In der Anzeigevorrichtung 28 können die von den Empfangswandlern
21 und 22 empfangenen Echo signale mit einer entsprechend ihrer Frequenz unterschiedlichen
Kennung dargestellt und sichtbar gemacht werden. Da die Differenzfrequenz f1-f2
je nach Anwendungsfall in weiten Grenzen variiert, muß der dem tieffrequenten Empfangswandler
21 nachgeschaltete Empfangsverstärker 23 so breitbandig sein, daß der gesamte Frequenzbereich,
innerhalb dessen die Differenzfrequenz f1-f2 geändert wird, erfaßt wird. Der dem
Wandler 22 zum Empfang der hohen Summenfrequenz fl+f2 nachgeschaltete Empfangsverstärker
24 hingegen ist als schmalbandiger selektiver Verstärker lediglich auf die Summenfrequenz
f1+f2 der beiden Sendefrequenzen fl, 2 abgestimmt.
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Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur technischen Realisierung
des in Fig. 1 im prinzipiellen Aufbau beschriebenen Echolots. Der Sendewandler 12
und die beiden Empfangswandler 21 und 22 gemäß Fig. 1 werden in dem Ausführungsbeispiel
nach FiS. 2 von einer einzigen Wandleranordnung 30 gebildet. Die Wandleranordnung
30 weist in bekannter Weise eine Vielzahl von auf einer Fläche 32 angeordneten Wandlerelementen
31 auf, die alle zugleich wirksam sind und die sogenannte Basis bilden. Die Wandleranordnung
30 ist über eine Weiche 33 soçohl mit der Sendeeinrichtung 10 als auch mit der Empfangseinrichtung
11 verbunden und vereinigt in sich in bekannter Weise die Funktion der Sende- und
Empfangswandler. Der Aufbau der Sendeeinrichtung 10 und der Empfangseinrichtung
11 ist der gleiche wie zu Fig. 1 beschrieben. Zur Synchronisation von Sendeein-
richtung
10 und Empfangseinrichtung 11 dient wiederum die Zeitsteuerungsschaltung 20.
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Die Funktionsweise des Echolots sei kurz anhand der Fig. 2 beschrieben:
Über die Wandleranordnung 30 wird in das Wasser Schallenergie mit der Sendefrequenz
fl und Schallenergie mit der Sendefrequenz f2 abgestrahlt, wobei in einem realisierten
Beispiel die Sendefrequenz f1 48 kHz und die Sendefrequenz f2 52 kHz betragen kann.
Durch die sogenannte parametrische Wechselwirkung zwischen den beiden Schallstrahlen,
die mit unterschiedlichen Frequenzen durch das Wasser mit seinen nichtlinearen Übertragungseigenschaften
geschickt werden, entsteht ein Strahl einer Schallenergie mit der Differenzfrequenz
aus den beiden Sendefrequenzen fl, f2, also f1 -f2, und ein Strahl einer Schallenergie
mit der Summenfrequenz der beiden Sendefrequenzen fl, f2, also fl+f2. Im vorstehend
angeführten Beispiel beträgt die Differenzfrequenz 4 ktIz und die Summenfrequenz
100 kHz. Die Schallstrahlen werden an dem Grund des Flachwassergebietes reflektiert,
wobei der Schallstrahl mit der hohen Summenfreouenz f1+f2 bereits am Grenzübergang
Wasser/Schlick reflektiert wird, während der Schallstrahl der Differenzfrequenz
fl-f mehr oder weniger tief in den Schlick eindringt und im Idealfall am Übergang
Schlick/fester Boden reflektiert wird. An die Wandleranordnung 30 gelangen also
Echo signale mit einer Frequenz, die der Summenfrequenz fl+f2 entspricht, und dazu
zeitlich verzögerte Echosignale mit einer Frequenz, die der Differenzfrequenz fl-f2
entspricht. Nach Verstärkung der Echo signale in den Empfangsverstärkern 23 unG
24 und entsprechende Signalverarbeitung in den Signalverarbeitungsvorrichtungen
25 und 26 werden die Echosignale in der Anzeigevorrichtung 28 in Form eines Echogramms
sichtbar
gemacht. Sinnvollerweise werden den Echos der tiefen Differenzfrequenz f1-f2 und
den Echos der hohen Summenfrequenz fl+f2 unterschiedliche kennungen bei der Darstellung
gegeben, so daß diese deutlich voneinander unterschieden werden können. An dem Echogramm
der Echo signale der hohen Differenzfrequenz f1+f2 ist damit der Verlauf der Oberflächc
der Schlickschicht deutlich zu erkennen. hingegen liefert das Echogramm der Echos
mit der tiefen Differenzfrequenz fl- t den Verlauf einer Grenzlinie, die im Idealfall
den Übergang von Schlick zu festem Boden darstellt, jedoch aber auch nur den Grenzverlauf
zwischen einer Schlickschicht geringerer Dichte und einer Schlickschicht höherer
Dichte wiedergeben kann.
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Da das Durchdringungsvermögen des Schallstrahls der tiefen Differenzfrequenz
fl-f sowohl von der Dichte der zu durchdringenden Dodenschicht als auch von der
Frequenz abhängig ist, kann mit Hilfe der Änderung der tiefen Differenzfrequenz
f1-f2 in einem weiten Bereich sowohl die Dichte einer Schlickschicht als auch die
Tiefe einer Schlickschicht mit konstanter Dichte bestimmt werden. Hierzu werden
die Sendefrequenzen fl und f geändert, und zwar um den gleichen Betrag, aber in
entgegengesetzter Richtung. In dem vorstehend ausgeführten Beispiel betragt z. fl.
bei einer gewünschten Differenzfrequenz von 10 kHz die Sendefrequenz fl 45 kI und
die Sendefrequenz f2 55 kHz, wobei angenommen wird, daß die Resonanzfrequenz der
einzelnen Wandlerelemente 31 bei 50 kllz liegt. Durch die parametrische Wechselwirkung
entsteht nunmehr ein Schallstrahl mit der Differenzfrequenz 10 iiHz und ein Schallstrahl
mit der Sunmenfrecuenz, die wiederum konstant 100 kIIz beträgt. Unabhängig von der
gewünschten tiefen Differenzfrequenz ist also die Summenfrequenz stets konstant.
Die Echo signale der Summenfrequenz f1+f2
werden in jedem Fall
an dem Übergang Wasser/Schlick reflektiert und geben den genauen Verlauf der Oberfläche
der Schlickschicht an.