DE4301341C1

DE4301341C1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Bestimmen des zeitlichen Anfangs eines Impulssignals

Info

Publication number: DE4301341C1
Application number: DE4301341A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Kellmann; Manfred Selke; Lars Ivar Dipl Ing Hauschultz
Original assignee: Honeywell Elac Nautik GmbH
Current assignee: Wartsila Elac Nautik GmbH
Priority date: 1993-01-20
Filing date: 1993-01-20
Publication date: 1993-10-21
Anticipated expiration: 2013-01-21
Also published as: FR2700615B1; US5436580A; GB2274560A; GB2274560B; GB9326501D0; FR2700615A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und von einer Schaltungsanordnung der in den jeweiligen Obergriffen der Ansprüche 1 und 2 genannten Art.

In der Ortungstechnik werden von einer Signalquelle abgestrahlte Hochfrequenz- oder Ultraschall-Impulse von mehreren im räumlichen Abstand voneinander angeordneten Empfängern empfangen und aus den Laufzeiten des Impulses zu den einzelnen Empfängern wird die Entfernung zur Signalquelle und deren Ort bzw. Richtung bestimmt.

Der empfangene Impuls weist in den meisten Fällen gegenüber dem Sendeimpuls eine abgeflachte oder verschliffene Vorderflanke auf, weshalb bisweilen nicht eindeutig definierbar ist, zu welchem Zeitpunkt im Laufe der Vorderflanke der Impuls als empfangen angenommen wird. Vergleicht man die Amplitude des Impulses allein mit einem vorgegebenen Schwellwert, so können sich zeitliche Verschiebungen des Empfangszeitpunktes aus der unterschiedlichen Dämpfung der Ortungsimpulse und somit ihrer schwankenden Amplitude ergeben. Dies gilt auch wenn der Impuls mit Hilfe eines Impulsformers in einen Rechteckimpuls umgewandelt wird, weil im Zuge dieser Umwandlung ebenfalls eine Amplitudenschwelle für die Auslösung des Rechteckimpulses maßgebend ist.

Für eine zuverlässige Ortung der Signalquelle mit mehreren Empfängern ist es wichtig, daß unabhängig von der Amplitude der an den einzelnen Empfängern ankommenden Impulse stets der gleiche Augenblick im Signalverlauf des empfangenen Impulses als Signalanfang erkannt und ausgewertet wird.

Ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung der in den jeweiligen Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2 genannten Art können aus der EP 0185133 B1 als bekannt vorausgesetzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Verfahren und einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln eine reproduzierbare Definition des Empfangszeitpunktes eines Impulses mit gegebenenfalls flach ansteigender Vorderflanke zu ermöglichen, um auf diese Weise den Impulsbeginn und somit die Impulslaufzeit oder aber auch die Impulsdauer genau messen zu können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren sowie die im Anspruch 2 gekennzeichnete Schaltungsanordnung. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den Unteransprüchen beschrieben. Das Verfahren kann jedoch nicht nur mittels der genannten, aus Analogbausteinen bestehenden Schaltungsanordnung, sondern auch digital mit einem Mikroprozessor durchgeführt werden und an dessen Ausgang ein entsprechendes Schalt- oder Anzeigesignal liefern. Eine genaue Definition des Impulsanfangs ist nicht nur im geschilderten Fall des Empfangs mit mehreren Antennen oder Hydrofonen von Bedeutung, sondern insbesondere auch bei sehr kurzen Ausbreitungswegen und zwar sowohl bei passiver als auch bei aktiver Ortung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer in

Fig. 1 wiedergegebenen Schaltungsanordnung sowie den in

Fig. 2 dargestellten zugehörigen Spannungsverläufen erläutert.

Das empfangene Impulssignal S ist beispielsweise ein Hochfrequenzsignal oder im Falle einer Ultraschallortungs- bzw. Echolotanlage ein Empfangssignal mit einer Frequenz zwischen 10 und 100 kHz. Es gelangt an einen integrierenden Hüllkurvengleichrichter GI und bildet an dessen Ausgang E eine Gleichspannung U1, deren Verlauf aus Fig. 2 ersichtlich ist. Sie hat eine ziemlich langsam ansteigende Vorderflanke und klingt auch am Ende des Impulses langsam ab. Zunächst ist unklar, zu welchem Zeitpunkt während der Anstiegsflanke der Impuls als empfangen gelten soll. Man könnte ihn mit einem festen Schwellwert B vergleichen. Dies würde jedoch zu Ungenauigkeiten führen, wenn sich die Amplitude des Impulses, beispielsweise wegen zunehmender oder unterschiedlicher Zielentfernung, ändert. Auch die Steilheit und der Kurvenverlauf der Anstiegsflanke sind in einem solchen Fall für den dann festgelegten Impulsanfang von Einfluß.

Die Erfindung geht deshalb einen anderen Weg, in dem sie das an der Leitung E anstehende Hüllkurven-Eingangssignal U1 einem Differenzierglied DI zuleitet, welches an seinem Ausgang eine Spannung U2 = dU1/dt liefert. Die Spannungen U1 und U2 werden in einem ersten Operationsverstärker V1 miteinander verglichen, und dieser Operationsverstärker liefert an seinem Ausgang eine Spannung U3, sobald im Zeitpunkt t₂ das Empfangssignal U1 das seinem zeitlichen Differentialquotienten entsprechende Signal U2 übersteigt. Dieses Kriterium U1U2 läßt jedoch unberücksichtigt, daß insbesondere im Falle von überlagerten Störungen und bei kleinem Empfangssignal hierdurch Ungenauigkeiten bedingt sein können. Deshalb erfolgt zusätzlich in einem zweiten Operationsverstärker V2 ein zweiter Signalvergleich zwischen dem Empfangssignal U1 und einem an einer Schwellwertsignal quelle SW abgegriffenen Bezugsspannung B. Wie Fig. 2 zeigt, übersteigt das Empfangssignal U1 im Zeitpunkt t₁ den Schwellwert B. Zu diesem Zeitpunkt liefert der zweite Operationsverstärker V2 ein Ausgangssignal U4. Dieses wird mit dem Ausgangssignal U3 des ersten Operationsverstärkers V1 in einem UND-Gatter GA verknüpft, dessen Ausgangssignal U5 an ein nachgeschaltetes Speicher- oder Halteglied FF in Form eines Flip-Flops gelangt, welches an seinem Ausgang A ein im Zeitpunkt t₂ beginnendes und damit den Anfang des Impulses definierendes Zustandssignal U6 liefert. Die Halteschaltung FF kann durch ein Rücksetzsignal RS in ihren Ursprungszustand zurückgestellt werden.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 sind jeweils die nicht invertierenden Eingänge der beiden Verstärker V1 und V2 ebenso wie das Differenzierglied DI an die das Eingangssignal führende Leitung E angeschlossen, während der Ausgang des Differenzierglieds mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers V1 in Verbindung steht. Der invertierende Eingang des Verstärkers V2 ist mit der vorzugsweise einstellbaren oder regelbaren Schwellwertsignalquelle SW verbunden. Das UND-Gatter GA liegt mit seinen beiden Eingängen an den Ausgängen der beiden Verstärker und steuert mit seinem Ausgangssignal die Halteschaltung FF.

Da die Schaltungsanordnung im wesentlichen aus Komponenten zum Differenzieren des Eingangssignals, zum Signalvergleich und zur logischen Verknüpfung von Signalen aufgebaut ist, kann die Erfindung ohne Schwierigkeiten auch von einem diese Funktionen ausführenden Mikroprozessor realisiert werden. Die Erfindung eignet sich darüber hinaus nicht nur zur Definition des Signalanfangs bei Echosignalen, sondern auch bei beliebigen anderen impulsförmigen Signalen mit nicht senkrecht ansteigender Vorderflanke. Ist bei einer Ortungsanlage mit mehreren Empfängern jeder dieser Empfänger mit einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ausgestattet, so werden alle Empfänger auch dann den gleichen Zeitpunkt im Impulssignal als Signalanfang bestimmen, wenn die Impulssignale an den einzelnen Empfängern mit unterschiedlicher Amplitude eintreffen.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen des zeitlichen Anfangs eines Impulssignals mit nicht sprungartig ansteigender Vorderflanke ihm Empfangssignal einer Ortungsanlage, insbesondere einer Echolotanlage, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) das Empfangssignal (U1) und ein der zeitlichen Ableitung (dU1/dt) des Empfangssignals entsprechendes Signal (U2) werden amplitudenmäßig miteinander verglichen und aus dem Vergleich ein erstes Ausgangssignal (U3) erzeugt, sobald das Empfangssignal (U1) das Ableitungssignal (U2) übersteigt;
b) das Empfangssignal (U1) und ein vorgegebenes Schwellwertsignal (B) werden amplitudenmäßig miteinander verglichen und aus dem Vergleich ein zweites Ausgangssignal (U4) erzeugt, sobald das Empfangssignal (U1) das Schwellwertsignal (B) übersteigt;
c) der Anfangszeitpunkt (t₂) des Empfangssignals ist durch das erstmalige gleichzeitige Auftreten beider Ausgangssignale (U3, U4) bestimmt.

2. Schaltungsanordnung zum Bestimmen des zeitlichen Anfangs eines Impulssignals mit nicht sprungartig ansteigender Vorderflanke im Empfangssignal einer Ortungsanlage, insbesondere einer Echolotanlage, mit einem ersten und einem zweiten Operationsverstärker (V1, V2) und einer Schwellwertspannungsquelle (SW), deren Ausgang (B) an einen Eingang (-) des zweiten Operationsverstärkers (V2) angeschlossen ist, gekennzeichnet durch

a) den Anschluß beider Operationsverstärker (V1, V2) jeweils mit ihrem Eingang der anderen Polarität (+) an eine das Eingangssignal (U1) führende Leitung (E);
b) eine Differenzierschaltung (DI), welche eingangsseitig an die das Eingangssignal führende Leitung (E) und mit ihrem Ausgang an den Eingang (-) entgegengesetzter Polarität des ersten Operationsverstärkers (V1) angeschlossen ist; sowie
c) ein mit seinen beiden Eingängen an die Ausgänge der beiden Operationsverstärker (V1, V2) angeschlossenes UND-Gatter (GA), dessen Ausgangssignal (U5) mit seiner Anstiegsflanke den Anfangszeitpunkt (t₂) des Empfangssignals (U1) anzeigt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, gekenn zeichnet durch ein dem UND-Gatter (GA) nachgeschaltetes Speicherglied (FF).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, da durch gekennzeichnet, daß die Schwellwertspannungsquelle (SW) einstellbar oder regelbar ist.