DE3133080C2 - Schaltungsanordnung für Echolotgeräte - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für Echolotgeräte gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1. Es ist bekannt daß der Dynamikumfang von Echolotsignalen wesentlich größer ist als die bei Aufzeichnung auf stromempfindlichem Papier unterscheidbaren Graustufen. Während sich der für den Reflexionsgrad maßgebende Wellenwiderstand zwischen Wasser und hartem Boden über einen Bereich von etwa 4OdB ändert (I : 100) sind auf dem Papier nur Schwärzungsunterschiede im Verhältnis von 2OdB (I : 10) unterscheidbar. Eine zur Anpassung dieser Änderungsbereiche an sich naheliegende Dynamikkompression erweist sich als ungeeignet weil hierdurch zugleich der Kontrast der Abbildung verringert würde. Um hier Abhilfe zu schaffen, ist aus der DE-PS 12 65 002 ein Echolotgerät bekannt welches außer einer herkömmlichen Verstärkungsregelung mit Hilfe eines aus dem Ausgangssignal abgeleiteten, von Wechselspannungsanteilen befreiten Gegenkopplungssignals eine zusätzliche Regelung mit Hilfe eines nicht geglätteten Signals aufweist, welches im Sinne einer Mitkopplung wirksam ist und damit schnelle Signaländerungen des Echosignals höher verstärkt als gleichbleibende oder sich nur langsam ändernde Signalanteile. Dies führt zu einer Kontrastanhebung, wobei die erwähnte Gegenkopplung gleichzeitig dafür sorgt daß keine Übersteuerung des Registriergerätes folgt. Da der Wellenwiderstandssprung an der Grenzfläche zwischen Seewasser und oberer Bodenschicht stärker ist als die Wellenwiderstandsänderung von Bodenschicht zu Bodenschicht, ist das an der Meeresbodenoberfläche erzeugte Echo wesentlich stärker als die Echos von darunterliegenden Schichten. Hinzu kommt, daß der Meßstrahl im Bereich zwischen Meeresbodenoberfläche und darunterliegender Schicht zusätzlich gedämpft wird. Dies hat

zur Feige, daß dicht yiUer der Meeresbodenoberfläche liegende Strukturen mit herkömmlichen Echolotgeräten nicht hinreichend deutlich aufgezeichnet werden können, sondern vom Bodenecho überdeckt werden.

Weiterhin ist aus der DE-PS 12 75 919 eine Schaltungsanordnung zur frequenzabhängigen Kontrasterhöhung bekannt, welche darauf beruht, das Echosignal in höherfrequente und niederfrequente Anteile zu unterteilen. Diese Methode geht von der Überlegung aus· daß Echos von Fischen und Konturen infolge ihrer geringen räumlichen Ausdehnung mehr impulsförmige und damit höherfrequente Signalanteile enthalten als beispielsweise das Echo des flachen Meeresbodens. Siebt man durch ein frequenzabhängiges Netzwerk diese höherfrequenten Anteile heraus und verstärkt diese mehr als die niederfrequenten Anteile, so werden Fische und Strukturen hervorgehoben. Die Schaltungsanordnung hierzu besteht aus zwei Tiefpaßgliedern mit stark unterschiedlicher Zeitkonstante, deren Ausgangssignale gegeneinandergeschaltet werden, so daß sich die niederfrequenten Anteile teilweise kompensieren, während die hochfrequenten Anteile verstärkt hervortreten.

In DE-OS 29 15 069 ist ein zeitabhängig geregelter Verstärker für Seitensicht-Sonargeräte beschrieben, welchem ein logarithmischer Verstärker nachgeschaltet ist, um den Dynamikbereich zu verringern.

Schließlich wird in dem Buch »RADAR Grundlagen, Anwendungen« von Bopp, Paul, Taeger; 2. Auflage 1965, vorgeschlagen, bei einem Radargerät einerseits die Verstärkungsregelung erst oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes einsetzen zu lassen und andererseits eine logarithmische Verstärkerkennlinie vorzusehen, die dort allerdings im gesamten Verstärkungsbereich, also nicht erst oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes wirksam ist Von diesem Stand der Technik geht die Erfindung aus.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine deutlichere Aufzeichnung zu erzielen, in der auch schwach reflektierende Objekte und Strukturen gut erkennbar sind und nrht durch die Echos stark reflektierender Objekte verdeckt werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst. Der Differenzverstärker liefert ein Ausgangssignal entsprechend der über die beiden Netzwerke geführten Eingangssignale. Dabei werfen die höherfrequenten Anteile, also die von feinen Strukturen stammenden Anteile weniger geschwächt, als die niederfrequenten Anteile. Für schwache Signale, welche mit konstantem Verstärkungsgrad verstärkt werden, ergibt "»ich eine deutliche Heraushebung kleinerer Strukturen. Für starke Signale hingegen, also insbesondere für das Bodenecho wird infolge ihrer logarithmischen Verstärkung im Differenzverstärker die Differenz zweier logarithmierter Signale gebildet, d. h. ein Ausgangwignal, welches dem Quotienten der beiden Eingangssignale entspricht. Berücksichtigt man, daß das Schiff im Wellengang stampft und schlingen, so ergab sich bisher die Schwierigkeit, daß infolge dieser Bewegungen das Bodenecho starken, durch Interferenzbildung bedingten Fluktuationen unterworfen war. Diese Fluktuationen wirken auf die niederfrequenten und die höherfrequenten Empfangssignalanteile in der gleichen Weise ein. Wird nun nicht das Empfangssignal selbst, sondern bei Signalen oberhalb des Schwellwerts, d. h. auch beim Bodenecho das Verhältnis der beiden Signalanteile aufgezeichnet, so ist dieses von der absoluten Echostärkt unabhängig und damit von Fluktuationen frei. Die Erfindung führt also nicht nur zu einer verbesserten Aufzeichnung schwacher Echos, insbesondere von Strukturen unterhalb de$ Gewässerbodens, soiidern auch zu einer besseren Aufzeichnung des Bodenechos und folglich zu einer merklich verbesserten Aussagefähigkeit von Echogrammen bei der Untersuchung von Gewässerböden. De< Schwellwert wird vorzugsweise derart gewählt, dad Fischechos gerade noch linear verstärkt werden. Stärkere Echos, insbesondere das Bodenecho hingegen werden geschwächt aufgezeichnet Da die Echos von Strukturen unterhalb des Meeresbodens keinesfalls stärker sind als Fischechos werden sie mit voller Amplitude aufgezeichnet. Zugleich wird durch Schwächung des Bodenechos vermieden, daß solche Strukturen vom Bodenecho verdeckt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Sie wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels eines Echolotverstärkers erläutert

Das vom Empfangswandler kommende Echosignal gelangt über die Eingangsklemme E an i.wei hintereinandergeschaltete Wechselstromverstärker /51 und IS 2, wird anschließend in einer Gleichrichterschaltung D2, DZ, CS gleichgerichtet und über ein erstes Tiefpaßelied Ä18/C11 sowie ein zweites Tiefpaßglied RX2IC1 verzögert einem Gleichstrom-Differenzverstärker /S 3t zugeführt und steht am Ausgang A zur Steuerung der Schreibnadel des Registriergerätes zur Verfügung. An den Ausgang des ersten Tiefpaßgliedes Ä18/C11 ist ferner ein impedanzwandler mit einem Transistor Tl angeschlossen, welchem ein drittes Tiefpaßglied R2XICX2 sowie ein viertes Tiefpaßglied R19/C9 nachgeschaltet und an den invertierenden Eingang des Differenzverstärker /531 angeschlossen sind. Die Zeitkonstante des zweiten Tiefpaßgliedes R2MC7 ist wesentlich kleiner gewählt als die der dritten und vierten Tiefpaßglieder. Im Verstärker /531 wird die Differenz der an seinen beiden Eingängen I und 2 anstehenden Ausgangssignale mit erhöhtem Kontrast gewonnen, wie dies im Prinzip aus DE-PS 12 75 919 bekannt ist. Das Verhältnis der Widerstände Λ 23 und der Verstärkungsgrad des Differenzverstärkers /531 bestimmen die Kontrasterhöhung. Sind die Widerstände R 23 R 24 Teile eines Potentiometers, so ist der Grad der Kontrasterhöhung einstellbar.

An den Ausgang des Gleichrichters D 21D 3, und zwar am Ausgang des ersten Tisfpaßgliedes R 18/Cl 1, ist ferner ein Schwellwertschalter in Form einer Zenerdiode D1 angeschlossen, welcher einerseits über einen Widerstand R 10 mit dem invertierenden Eingang 15 eines Operationsverstärkers /532 und andererseits über einen weiteren Widerstand Rl mit dessen Ausgang in Verbindung steht. Der nichtinvertierende Eingang 16 dieses Operationsverstärkers ist über einen Widerstand RW mit Bezugspotential verbunden. Der Ausgangsstrom dieses Operationsverstärkers /532 steuert über den Widerstand R 6 und den Anschluß 5 den Verstärkungjgrad des ersten Wechselstromverstärkers /51. Es ergibt sich über den zweiten Wechselstfomverstärker /S 2, die Gleichrichterschaltung D 2, £>3 und das erste Tiefpaßglied R 18/Cl 1 ein geschlossener Verstärkungsregelkreis, welcher den Verstärkungsgrad des Wechselstromverstärkers /51 proportional zum Ausgan^ssignal des ersten Tiefpaßgliedes herabsetzt. Dies entspricht einer exponentiellen Dämpfung des Eingangssignals oberhalb des durch die

Zenerdiode D1 bestimmten Schwellwertes. Die Steilheit der exponentiell SchwSchung wird durch das Verhältnis der Widerstände R 10/Ä 7 in Verbindung mit dem Widerstand R 6 bestimmt Der Schwellwert ist so gewählt, daß die stärksten zu erwartenden Fischechos gerade noch voll verstärkt werden; ihre Stärke liegt normalerweise bei 20% bis 25% des Bodenechos. Durch diese Dynamikkompression oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes erzieh man eine wesentlich deutlichere Aufzeichnung. Insbesondere werden schwach reflektierende Objekte sowohl im Wasser, z. B. Plankton, Pflanzen usw., als auch unterhalb des Gewässerbodens gut erkennbar aufgezeichnet.

Der Gleichstromverstärker /531 ist, wie oben erwähnt, als Differenzverstärker ausgebildet, dem einerseits ein aus den höherfrequenten Empfangssignalanteilen abgeleitetes Signal und andererseits ein auch die niederfrequenten Empfangssignalanteile enthaltendes Signal zeitverzögert zugeführt werden. Solange der Wechseistromverstärker iS'i, /52 im linearen Verstärkungsbereich arbeitet, liefert der Differenzverstärker /531 ein der Differenz der beiden Signalanteile entsprechendes Ausgangssignal Ua- Arbeitet hingegen der Wechselstromverstärker bei starken Echos im logarithmischen Bereich der Verstärkerkennlinie, so bildet der Differenzverstärker /531 die Differenz zweier logarithmierter Signale, also ein dem Quotienten der Echosignalanteile entsprechendes Ausgangssignal. Dieses ist von der absoluten Echostärke unabhängig.

Um auch bei sehr starken Echos, also insbesondere beim Bodenecho, Überdeckungen in der Aufzeichnung mit Sicherheit zu verhindern, sieht die gezeigte Schaltungsanordnung in Weiterbildung der Erfindung eine zusätzlich einschaltbare amplitudenabhängige Gegenkopplung für den Differenzverstärker /531 vor. Über einen Schalter 51 kann hierzu die Reihenschaltung eines Widerstandes R 16 und einer Zenerdiode D 5 dem Gegenkopplungswiderstand R 15 parallelgeschaltet werden. Dies führt zu einer verbesserten Erkennbarkeit unter dem Gewässerboden liegender Strukturen und Schichten, wie Schlick, Kies, Sand, Mergel usw. schallweiches und schallhartes Bodenmaterial läßt sich auf diese Weise durch unterschiedliche Graustufung der Aufzeichnung gut unterscheiden. Für bestimmte Anwendungsfälle kann der Schalter 51 entfallen und die Reihenschaltung Λ 16, D5 ständig im CJegenkopplungszweigdes Differenzverstärkers /531 liegen.

Eine Diode D 4 zwischen dem Ausgang des vierten Tiefpaßgliedes R 19/C9 und dem Ausgang des Differenzverstärkers /531 verhindert unerwünschte Aufhellungen unterhalb stark reflektierender Schichten. Den Kondensatoren C9 und CIl können im Bedarfsfall Zusatzkondensatoren parallelgeschaltet werden. Dies geschieht zweckmäßig in Abhängigkeit von der Lottiefe, beispielsweise über den Impulslängenschalter der Lotanlage. Eine Vergrößerung der Kapazität C11 erhöht die Tiefpaßeigenschaften, wodurch kurzzeitige Störungen noch besser unterdrückt werden. Mit einer Vergrößerung der Kapazität C9 erzielt man eine Aufzeichnungsverbreiterung, die bei den in der Tiefsee gebräuchlichen größeren Meßbereichen die Reflexionshorizonte im Sediment deutlicher hervorhebt.

HiTZU 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche;

1. Schaltungsanordnung für Echolotgeräte mit einem akustisch/elektrischen Empfangswandler, einem Verstärker, dessen Verstärkungsgrad oberhalb eines vorzugsweise einstellbaren Schwellenwertes des Eingangssignals mit wachsender Eingangssignalamplitude exponentiell verringerbar ist, und einem das Echogramm auf stromempfindlichem Papier aufzeichnenden Registriergerät, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verstärker (ISi) zwei frequenzabhängige Netzwerke parallel nachgeschaltet sind, von denen das eine (R 21, C12; R19, C9) die niedrigen Frequenzen stärker dämpft als das andere (R 12, CT) die hohen Frequenzen schwächt, und daß die Ausgänge beider Netzwerke an die beiden Eingänge eines dem Registriergerät vorgeschalteten Differenzverstärkers (IS3i) angeschlossen sind

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, mit einem regelbaren Wechselstromverstärker, nachgeschaltetem Gleichrichter und einem Gleichstrom-Differenzverstärker, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des Gleichrichters (D2, D3) ein Schwellwertschalter (Di) angeschlossen ist und dieser mit einem Eingang (15) eines Operationsver- 2s stärkers (7532) in Verbindung steht, dessen Ausgangsstrom dem Verstärkungsregeleingang (5) des Wechselstromverstärkers (/51, /52) zugeführt wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Schwellwertschalter eine Zeneidiode (Di) vom Gleichrichterausgang (D3) an den Speisepunkt eines Spannungsteilers (R 10, R 7) angeschaltet ist, dessen Fußpunkt am Ausgang (10) des Operationsverstärker". (7532) und dessen Abgriff am genannten Eingang (15) des Operations-Verstärkers liegt, während der fingang (16) entgegengesetzter Polarität mit Bezugspotential (0) in Verbindung steht.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertschalter (Di) an den Ausgang eines dem Gleichrichter (DX D3) nachgeschalteten ÄC-Tiefpaßgliedes (R 18, C11) angeschlossen ist

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, mit einem als gegengekoppelter Gleichstromverstärker geschalteten Differenzverstärker im Signalweg zwischen Gleichrichter und Registriergerät, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignai des ersten /?C-Tiefpaßgiiedes (R 18, CU) einerseits über ein zweites ÄC-Tiefpaßglied (R 12, Cl) dem einen Eingang (1) des Differenzverstärkers /7531), und andererseits über einen Impedanzwandler (T 1 ein drittes (R21, CM) und ein viertes ÄC-Tiefpaßglied (R 19, CS) dem inversen Eingang (2) des Differenzverstärkers zugeführt wird, wobei die Zeitkonstante des zweiten WC-Tiefpaßgliedes wesentlich kleiner ist als die des kobinierten dritten und vierten RC-Tiel· paßgliedes.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 mit einem in Emitter-Basisschaltung betriebenen Transistör als Impedanzwandler, dadurch gekennzeichnet, daß in die Emitterzuleitung des Transistors (Tl) ein nach Bezugspotential geschalteter Spannungsteiler (R 23, R 24) eingeschaltet und an dessen vorzugsweise einstellbaren Abgriff das dritte /?C-Tiefpaßglied (R 21, C12) angeschlossen ist.

/.Schaltungsanordnung nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, daß vom Ausgang des vierten tfC-Tiefpaßgliedes (R 19, C9) eine Diode (D 4) in Durchlaßrichtung zum Ausgang des Differenzverstärkers (/531) geschaltet ist

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (CU) des ersten KC-Tiefpaßgliedes (R 18, CIl) wenigstens ein Zusatzkondensator parallel schaltbar ist

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (C9) des vierten ÄC-Tiefpaßgliedes (R 19, C9) wenigstens ein Zusatzkondensator parallel schaltbar ist

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet daß die der Zuschaltung der Zusatzkondensatoren dienende Kontakte durch einen die Sendeimpulslänge steuernden Schalter gesteuert sind.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß einem Gegenkopplungswiderstand (R 15) des Differenzverstärkers (ISO) die Reihenschaltung eines weiteren Gegenkopplungswiderstandes (R 16) mit einer Zenerdiode (DS) parallelgeschaltet ist

IZ Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß mit dem weiteren Gegenkopplungswiderstand (R 16) und der Zenerdiode (D S) der Kontakt (51) eines Betriebsartenumschalters in Reihe geschaltet ist