DE3113261C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Echolot der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Art.

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 Boden­ schichten eines Flachwassergebietes für Schiffe, ins­ besondere 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 auslaufen lassen oder gefährden können. Im zwei­ ten Fall dient das Echolot zur Vermessung von Hafen­ becken, um insbesondere die Verschlickung zu vermes­ sen und Baggerarbeiten überwachen und steuern zu können.

Die Schallenergie hoher Lotfrequenz wird dabei an der oberen Schicht schon geringer Dichte des Bodens, z. B. an der Oberfläche einer Schlickschicht, reflektiert und liefert damit Echosignale, die ein Lagebild dieser ober­ sten Bodenschicht ergeben. Die Schallenergie der infolge der nichtlinearen akustischen 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 reflek­ tiert. Sie liefert daher Echosignale, die ein Lagebild der unteren, dichteren Bodenschicht vermitteln.

Bei einem bekannten Echolot der eingangs genannten Art (DE 29 20 330 A1) werden mit dem weiteren Empfangswandler Echosignale mit einer hohen Frequenz empfangen, die einer der beiden Sendefrequenzen entspricht. In Fällen, in denen es er­ wünscht oder erforderlich ist, die tiefe Differenzfre­ quenz in möglichst großen Grenzen zu verändern, z. B. bei Sedimenterkennung oder Dichtebestimmung von Schlick­ schichten, erfordert dieses bekannte Echolot empfangs­ seitig einen erheblichen technischen Aufwand. Für eine variable Differenzfrequenz ist es notwendig, mindestens eine der beiden hohen Sendefrequenzen zu verändern. Um jedoch eine annähernd 100%ige Modulation der Sendefre­ quenzen im Wasser zu erreichen, muß der Schalldruck der beiden Sendefrequenzen gleich groß gemacht werden, d. h. die Sendewandler müssen für beide Sendefrequenzen gleich gut an das Medium Wasser angekoppelt werden. Dies ist aber nur dann möglich, wenn die Sendefrequenzen symme­ trisch zur Resonanzfrequenz des Wandlers liegen, was sich ohne weiteres anhand der Admittanzkurve des Wand­ lers nachweisen läßt. Das bedeutet, daß mit jeder ge­ wünschten Änderung der Differenzfrequenz beide Sende­ frequenzen um den gleichen Betrag in entgegengesetztem Sinne verändert werden müssen. Zum Empfang der Echo­ signale mit der der einen Sendefrequenz entsprechenden hohen Frequenz ist es daher unumgänglich, den Empfangs­ verstärker für die verschiedenen Frequenzen schaltbar oder durchstimmbar auszubilden, da bei einem ansonsten erforderlichen sehr breitbandigen Verstärker zur Si­ gnalverarbeitung ein nur sehr schlechtes S/N-Verhältnis zur Verfügung steht, was diese zur Erzielung brauchba­ rer Ergebnisse sehr aufwendig werden läßt.

Aus der US-PS 38 24 531 ist ebenfalls eine akustische Unterwassereinrichtung mit einer Sende- und einer Empfangsanordnung bekannt. Die Sendeanordnung weist ein Array aus einer Vielzahl von elektroakustischen Wandlern und einen sog. Beamformer auf, so daß Schallenergie in sog. Sendebeams in beliebigen Richtungen ausgesandt werden kann. Dabei wird in zwei gleichgerichteten Sendebeams Schallenergie mit einer hohen Sendefrequenz abgestrahlt, wobei die beiden Sendefrequenzen etwas differieren. Mit einem auf die Differenzfrequenz abgestimmten Hydrophon der Empfangsanordnung wird die vom Meeresboden zurückgestreute Schallenergie empfangen. Die Unterwassereinrichtung dient zum Aufspüren von in den Meeresboden eingesunkenen Objekten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Echolot der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß der empfangsseitig erforderliche technische Aufwand bei ver­ änderlichen Sendefrequenzen wesentlich verringert wird.

Diese Aufgabe ist bei einem Echolot der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Echolot ist die hohe Empfangs­ frequenz als Summenfrequenz der beiden variablen Sen­ defrequenzen stets konstant, so daß der Empfangskanal lediglich mit einem auf eine feste Frequenz, der Sum­ menfrequenz, abgestimmten selektiven Empfangsverstär­ ker versehen werden muß. Dadurch verringert sich der erforderliche technische Aufwand beträchtlich. Zudem ergibt sich der weitere Vorteil, daß die Frequenzdyna­ mik hinsichtlich der hohen Empfangsfrequenz gegenüber dem bekannten Echolot um eine volle Oktave erweitert ist. Ebenso wie der Empfangskanal für die Differenz­ frequenz ist auch der Empfangskanal für die Sendefre­ quenz aufgrund des parametrischen Effektes im Wasser weitgehend nebenpegelfrei, so daß das erfindungsgemäße Echolot dem bekannten Echolot zumindest in seinem be­ vorzugten Anwendungsgebiet "Flachwasser" weit überlegen ist. Infolge der größeren Nebenpegelfreiheit des Emp­ fangskanals für die Echosignale der Summenfrequenz wird entweder eine bessere Detektion der Echosignale erzielt oder ist bei gleicher Detektion der Echosi­ gnale ein geringerer schaltungstechnischer Aufwand er­ forderlich.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung er­ gibt sich dabei aus Anspruch 2. Durch diese Maßnahmen läßt sich, wie bereits dargelegt, eine maximale Modu­ lation der Sendefrequenzen im Wasser und damit ein op­ timaler Wirkungsgrad des Echolots erzielen.

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.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher be­ schrieben. Es zeigen

Fig. 1 und 2 je ein Blockschaltbild eines Echolots gemäß einem ersten bzw. zweiten Ausführungsbei­ spiel.

Das in Fig. 1 in seinem Aufbau schematisch dargestellte Echolot weist eine Sendeeinrichtung 10 und eine Emp­ fangseinrichtung 11 auf. Mittels der Sendeeinrichtung wird über einen Sendewandler 12 gleichzeitig Schall­ energie der Sendefrequenz f ₁ und Schallenergie der Sen­ defrequenz f ₂ impulsförmig in das Wasser abgestrahlt. Die Sendefrequenzen sind hoch und einander benachbart. Zum Beispiel kann die Sendefrequenz f ₁ 48 kHz und die Sendefrequenz f ₂ 52 kHz betragen. Zum Erzeugen der Schallenergie ist für jede Sendefrequenz ein Oszillator 13 bzw. 14 vorgesehen. Jeder Oszillator 13, 14 ist über einen Sendeimpulsgeber oder eine Torschaltung 15, 16 und einen Verstärker 17, 18 mit einem Addierer 19 ver­ bunden, in welchem die beiden Sendefrequenzen f ₁ und f ₂ addiert werden. Der Ausgang des Addierers 19 ist mit dem Sendewandler 12 verbunden, so daß dieser Schallenergie der Sendefrequenz f ₁ und der Sendefrequenz f ₂ aussendet. Die Impulsdauer der Schallenergieabstrahlung wird durch die beiden Torschaltungen 15, 16 bestimmt, die von einer Zeitsteuerungsschaltung 20 gesteuert werden. Die beiden von den Oszillatoren 13, 14 erzeugten Sen­ defrequenzen f ₁ und f ₂ sind variierbar. Eine Änderung der beiden Sendefrequenzen f ₁ und f ₂ erfolgt dabei der­ gestalt, daß die Summe beider Sendefrequenzen stets kon­ stant ist. Dabei wird zugleich sichergestellt, daß die erzeugten Sendefrequenzen symmetrisch zu der Resonanz­ frequenz des Sendewandlers 12 liegen. Die Änderung der Sendefrequenzen f ₁ und f ₂ erfolgt demzufolge um die gleichen Beträge, jedoch im entgegengesetzten Sinn. Beträgt die Resonanzfrequenz des Sendewandlers 12 z. B. 50 kHz, so können z. B. Paarungen der Sendefrequenzen f ₁ und f ₂ z. B. f ₁ = 48 kHz und f ₂ = 52 kHz oder f ₁ = 46 kHz und f ₂ = 54 kHz oder f ₁ = 45 kHz und f ₂ = 55 kHz usw. betragen.

Aufgrund der nichtlinearen akustischen Übertragungsei­ genschaften des Wassers entsteht infolge der parame­ trischen Wechselwirkung zwischen den Schallenergien der benachbarten hohen Sendefrequenzen Schallenergie mit der Differenzfrequenz und Schallenergie mit der Summen­ frequenz aus beiden Sendefrequenzen f ₁, f ₂. Da immer die Paarungen der Sendefrequenzen f ₁, f ₂ symmetrisch zur Resonanzfrequenz des Sendewandlers 12 liegen, kann durch die Änderungen der beiden Sendefrequenzen f ₁, f ₂ die entstehende Differenzfrequenz f ₁ - f ₂ in weiten Gren­ zen geändert werden, wohingegen die Summenfrequenz f ₁ + f ₂ immer konstant ist.

Der Empfangseinrichtung 11 ist ein erster Empfangswand­ ler 21 zum Empfang von Echosignalen der tiefen Diffe­ renzfrequenz f ₁ - f ₂ und ein weiterer Empfangswandler zum Empfang von Echosignalen der hohen Summenfrequenz f ₁ + f ₂ zugeordnet. Jeder Empfangswandler 21 bzw. 22 ist über einen Empfangsverstärker 23 bzw. 24 mit einer Si­ gnalverarbeitungsvorrichtung 25 bzw. 26 verbunden. Über eine weitere Torschaltung 27, die ebenfalls von der Zeitsteuerungsschaltung 20 gesteuert wird, ist eine Anzeigevorrichtung 28 an die beiden Signalverarbei­ tungsvorrichtungen 25, 26 angeschlossen. In der An­ zeigevorrichtung 28 können die von den Empfangswand­ lern 21 und 22 empfangenen Echosignale mit einer ent­ sprechend ihrer Frequenz unterschiedlichen Kennung dar­ gestellt und sichtbar gemacht werden. Da die Differenz­ frequenz f ₁ - f ₂ je nach Anwendungsfall in weiten Gren­ zen variiert, muß der dem tieffrequenten Empfangswand­ ler 21 nachgeschaltete Empfangsverstärker 23 so breit­ bandig sein, daß der gesamte Frequenzbereich, innerhalb dessen die Differenzfrequenz f ₁ - f ₂ geändert wird, er­ faßt wird. Der dem Wandler 22 zum Empfang der hohen Summenfrequenz f ₁ + f ₂ nachgeschaltete Empfangsverstär­ ker 24 hingegen ist als schmalbandiger selektiver Ver­ stärker lediglich auf die Summenfrequenz f ₁ + f ₂ der bei­ den Sendefrequenzen f ₁, f ₂ abgestimmt.

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 wer­ den in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 von einer einzigen Wandleranordnung 30 gebildet. Die Wandleran­ ordnung 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 sowohl 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.

Die Funktionsweise des Echolots sei kurz anhand der Fig. 2 beschrieben:

Über die Wandleranordnung 30 wird in das Wasser Schall­ energie mit der Sendefrequenz f ₁ und Schallenergie mit der Sendefrequenz f ₂ abgestrahlt, wobei in einem reali­ sierten Beispiel die Sendefrequenz f ₁ 48 kHz und die Sendefrequenz f ₂ 52 kHz betragen kann. Durch die soge­ nannte parametrische Wechselwirkung zwischen den beiden Schallstrahlen, die mit unterschiedlichen Frequenzen durch das Wasser mit seinen nichtlinearen Übertragungs­ eigenschaften geschickt werden, entsteht ein Strahl einer Schallenergie mit der Differenzfrequenz aus den beiden Sendefrequenzen f ₁, f ₂, also f ₁ - f ₂, und ein Strahl einer Schallenergie mit der Summenfrequenz der beiden Sendefrequenzen f ₁, f ₂, also f ₁ + f ₂. Im vorstehend angeführten Beispiel beträgt die Differenzfrequenz 4 kHz und die Summenfrequenz 100 kHz. Die Schallstrahlen wer­ den an dem Grund des Flachwassergebietes reflektiert, wobei der Schallstrahl mit der hohen Summenfrequenz f ₁ + f ₂ bereits am Grenzübergang Wasser/Schlick reflek­ tiert wird, während der Schallstrahl der Differenzfre­ quenz f ₁ - f ₂ mehr oder weniger tief in den Schlick ein­ dringt und im Idealfall am Übergang Schlick/fester Bo­ den reflektiert wird. An die Wandleranordnung 30 ge­ langen also Echosignale mit einer Frequenz, die der Summenfrequenz f ₁ + f ₂ entspricht, und dazu zeitlich ver­ zögerte Echosignale mit einer Frequenz, die der Diffe­ renzfrequenz f ₁ - f ₂ entspricht. Nach Verstärkung der Echosignale in den Empfangsverstärkern 23 und 24 und entsprechende Signalverarbeitung in den Signalverar­ beitungsvorrichtungen 25 und 26 werden die Echosignale in der Anzeigevorrichtung 28 in Form eines Echogramms sichtbar gemacht. Sinnvollerweise werden den Echos der tiefen Differenzfrequenz f ₁ - f ₂ und den Echos der hohen Summenfrequenz f ₁ + f ₂ unterschiedliche Kennungen bei der Darstellung gegeben, so daß diese deutlich vonein­ ander unterschieden werden können. An dem Echogramm der Echosignale der hohen Differenzfrequenz f ₁ + f ₂ ist damit der Verlauf der Oberfläche der Schlickschicht deutlich zu erkennen. Hingegen liefert das Echogramm der Echos mit der tiefen Differenzfrequenz f ₁ - f ₂ den Verlauf ei­ ner Grenzlinie, die im Idealfall den Übergang von Schlick zu festem Boden darstellt, jedoch aber auch nur den Grenzverlauf zwischen einer Schlickschicht ge­ ringerer Dichte und einer Schlickschicht höherer Dichte wiedergeben kann.

Da das Durchdringungsvermögen des Schallstrahls der tiefen Differenzfrequenz f ₁ - f ₂ sowohl von der Dichte der zu durchdringenden Bodenschicht als auch von der Frequenz abhängig ist, kann mit Hilfe der Änderung der tiefen Differenzfrequenz f ₁ - f ₂ in einem weiten Be­ reich sowohl die Dichte einer Schlickschicht als auch die Tiefe einer Schlickschicht mit konstanter Dichte bestimmt werden. Hierzu werden die Sendefrequenzen f ₁ und f ₂ geändert, und zwar um den gleichen Betrag, aber in entgegengesetzter Richtung. In dem vorstehend aus­ geführten Beispiel beträgt z. B. bei einer gewünschten Differenzfrequenz von 10 kHz die Sendefrequenz f ₁ 45 kHz und die Sendefrequenz f ₂ 55 kHz, wobei ange­ nommen wird, daß die Resonanzfrequenz der einzelnen Wandlerelemente 31 bei 50 kHz liegt. Durch die parame­ trische Wechselwirkung entsteht nunmehr ein Schall­ strahl mit der Differenzfrequenz 10 kHz und ein Schall­ strahl mit der Summenfrequenz, die wiederum konstant 100 kHz beträgt. Unabhängig von der gewünschten tie­ fen Differenzfrequenz ist also die Summenfrequenz stets konstant. Die Echosignale der Summenfrequenz f ₁ + f ₂ werden in jedem Fall an dem Übergang Wasser/Schlick reflektiert und geben den genauen Verlauf der Ober­ fläche der Schlickschicht an.

Claims (3)

1. Echolot mit einer Sende- und Empfangseinrichtung, wobei die Sendeeinrichtung über mindestens einen Sendewandler gleichzeitig Schallenergie zweier be­ nachbarter hoher Sendefrequenzen impulsförmig ins Wasser abstrahlt und der Empfangseinrichtung min­ destens ein Empfangswandler zum Empfang von Echo­ signalen einer aus den beiden Sendefrequenzen her­ vorgehenden tiefen Differenzfrequenz und mindestens ein weiterer Empfangswandler zum Empfang von Echo­ signalen einer weiteren hohen Frequenz zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere hohe Frequenz die Summenfrequenz (f ₁ + f ₂) aus den beiden hohen Sendefrequenzen (f ₁, f ₂) ist und die Sende­ frequenzen (f ₁, f ₂) derart variierbar sind, daß die Summenfrequenz (f ₁ + f ₂) stets konstant ist.

2. Echolot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hohen Sendefrequenzen (f ₁, f ₂) symmetrisch zur Resonanzfrequenz des Sendewandlers (12, 30) ge­ wählt sind.

3. Echolot nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sende- und Empfangswandler (12, 21, 22) von einer einzigen Wandleranordnung (30) aus einer Vielzahl von auf einer Fläche (32) angeordneten Wandlerelementen (31) gebildet sind, die über eine Weiche (33) sowohl mit der Sendeeinrichtung (10) als auch mit der Empfangseinrichtung (11) verbunden ist.