-
Einrichtung zur Bestimmung der Höhe eines Signalgebers über einer
reflektierenden Fläche Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der
Höhe in Luftfahrzeugen o. dgl. Für diesen Zweck ist es bereits vorgeschlagen worden,
von dem Luftfahrzeug eine akustische Schwingung nach .dem Erdboden abzustrahlen
und nach dem Echolotverfahren die Zeit bis zur Rückkehr der reflektierten Schwingung
zur Höhenmessung zu benutzen. Es ist auch für die gleichen Zwecke bekannt, eine
kurzwellige Strahlung mit einer längeren, gegebenenfalls reflektierten Welle zu
modulieren und diese Abstimmung auf die Länge,der zu messenden Entfernung oder ein
ganzes Vielfaches davon vorzunehmen. Die Erfindung benutzt zwar ebenfalls eine vom
Flugzeug abgestrahlte und vom Erdboden reflektierte Schwingung, aber in der Weise,
daß die Intensität einer vom Signalgeber ständig erzeugten akustischen oder elektrischen,
gegen die reflektierende Fläche gerichteten Schwingung durch die empfangene und
verstärkte reflektierte Schwingung in einem von der Weglänge abhängigen Rhythmus
mittels einer der Endstufe des Senders vorgeschalteten Exponentialröhre geschwächt
und die durch den Schwächungsrhythmus entstehende Frequenz zur Anzeige gebracht
wird. Unter Schwächung .ist dabei lediglich eine Verringerung .der Amplitude der
Schwingungen, indessen kein Aussetzen der Schwingungen zu verstehen.
-
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung an einem schematisch dargestellten
Ausführungsbeispiel im folgenden näher erläutert. Eine als Oszillator geschaltete
Verstärkerröhre i erzeugt eine nieder- oder mittelfrequente Schwingung, die über
einen Kondensator a dem Gitter der Röhre 3 zugeführt wird. Die Röhre 3 ist eine
Exponentialröhre, deren Verstärkungsziffer linear von der Gitterspannung abhängt.
Die Gitterspannung wird in einer weiter unten beschriebenen Weise im Empfänger erzeugt.
Die im Rohr 3 vorverstärkte Oszillatorschwingung wird über den Kondensator 4. der
Leistungsröhre 5 zugeführt, die ihre Schwingungsleistung an den z. B. akustischen
Strahler 6 abgibt. Dieser Strahler ist durch Abstimmen seiner Eigenschwingungszahl
von besonders hohem Wirkungsgrad für ;die abzustrahlende Oszill.atorschwingung und
kann durch Verwendung von bekannten Hilfsmitteln, z. B. Trichtern, mit einem mehr
oder weniger starken Richteffekt ausgestattet sein. Der Strahler ist an einer passenden
Stelle an der Unterseite des Luftfahrzeuges befestigt, derart, daß der erzeugte
Schallstrahl gegen den Erdboden gerichtet ist. Ein Teil der Schwingungsenergie wird
vom Borden absorbiert, ein Teil wird reflektiert und kommt wieder zum Luftfahrzeug
zurück. Der zurückkommende Teil, das Echo, wird durch eine geeignet angebrachte
Empfangsanordnung, z. B. -durch ein Kohle-, Kondensator- oderdynamisches Mikrophon,
welches vorzugsweise auf .die ankommende Schwingung abgestimmt ist, empfangen und
einer Verstärkeranordnung zugeführt. Wie in dem Ausführungsbeispiel dargestellt,
werden
die vom Mikrophon 7 empfangenen Schwingungen in elektrische
Spannungsschwankungen umgesetzt und über den Transformator 8 dem Gitter des Verstärkerrohres
zugeführt. Nach einer weiteren Verstärkung im Rohr io werden die Schwingungen ii11
Rohr i i gleichgerichtet. Das Rohr i i erhält eine so hohe Gittervorspannttng; daß
im Anodenwiderstand 12 kein Strom- fließt, wenn keine Schwingungen auf das Gitter
gelangen (Röhrenvoltmeterprinz-ip ).
-
Empfängt das Mikrophon Schallimpulse, so gelangen an das Gitter des
Gleichrichterrohres i i Wechselspannungen, und durch den Anodenwiderstand 12, der
durch einen passenden Kondensator 13 überbrückt ist, fließt ein Gleichstrom, welcher
die Gitterspannung für das Rohr 3 liefert. Durch an sich bekannte Maßnahmen ist
die Selektivität des Empfängers für die zu empfangende Frequenz stark erhöht. Beispielsweise
kann, wie dargestellt, eine Rückkoppelung vom Verstärkerröhr io auf den Gitterkreis
des Eingangsrohres g vorgesehen werden. Ferner können die Anoden- und Gitterwiderstände
durch Schwingkreise 14, 15 bzw. 16 ersetzt werden, um nur die für die Lotung benutzte
Frequenz durchzulassen und den Empfang von den Frequenzen zu befreien, die durch
das Motor-und Propellergeräusch erzeugt werden.
-
Im Zeitpunkt Null wird der Oszillator eingeschaltet. Die Oszillatorschwingungen
werden zunächst von der Exponentiälröhre voll verstärkt auf die Leistungsröhre gegeben
und in voller Stärke von dein Strahler abgegeben. Befindet sich das Luftfahrzeug
beispielsweise in 82,5 m Höhe, so wird der vorn Boden reflektierte Schallimpuls
nach einer halben Sekunde zum Luftfahrzeug zurückkehren, das Mikrophon erregen und
iin Anodenwiderstand des Gleichrichterrohres i i einett Spantiungsabfall erzeugen.
Dadurch entsteht am Gitter des Exponentialrohres 3 eine negative Gittervorspannung
und drückt die Verstä rkungsziffer herab. Die Folge davon ist, daß der akustische
Strahler den Oszillatorton geschwächt abstrahlt. Nach einer weiteren halben Sekunde
wird der geschwächte Ton den Empfänger erregen und bewirken, daß infolge der nun
kleiner werdenden Wechselamplitude am Gleichrichterrohr der Anodenstrom Ideiner
wird. Dadurch wird auch die negative Gittervorspannung am Exponentialrohr kleiner,
womit die Verstärkungsziffer und die akustische Abstrahlung wieder steigt. Es treten
also periodische Intensitätsschwankungen auf, bzw. es wird eine niederfrequente
Modulation der mittelfrequenten akustischen Schwingung erzeugt. Die Modulationsfrequenz
hängt dabei direkt von der Höhe a1> und beträgt bei der angenommenen Höhe eine Periode
pro Sekunde. Durch passende Dimensionierung des Kondensators 13 und durch Verwendung
einer Exponentialröhre kann man erreichen, daß nian hei Vorhandensein nur einer
reflektierenden glatten Fläche und einer gerichteten Strahlung eine Modulation erhält,
die annähernd sinusförmig ist: Zweigt man nun z. B. vom Senderohr 5 einen Teil der
Spannung ab und demoduliert ihn in einem Audion oder Anodengleichrichter, so erhält
man eine langsame Schwingung, die einem Frequenzinesser zugeführt werden kann, der
direkt in Höhe eichbar ist. Die folgende Tabelle gibt einige Werte für Höhe und
zugehörige Modulationsfrequenz:
| Höhe ................:. 82,5m 16,5 m 8,25m 1,65 m
0,825 m |
| Frequenz............... 1 5 1o 50 ioo |
Wie man sieht, wird bei großer Annäherung an den Boden die Modulationsfrequenz schon
als Ton hörbar. Gemäß der weiteren Entfernung wird die Modulationsfrequenz nicht
nur sichtbar, sondern auch hörbar und fühlbar dem Flugzeugführer angezeigt, da das
Auge des Führers bei einer Landung in der Dunkelheit oder bei Nebel durch Beobachtung
der übrigen Instrumente, Quer= neägungsmesser usw., zu sehr in Anspruch genommen
-ist. Um auch in größeren Höhen schon einen hörbaren Ton zu erzeugen, wird erfindungsgemäß
eine Frequenzvervielfachung durch an sich bekannte Mittel vorgenommen, etwa in der
Weise, daß man Telephonsysteme ohne magnetische Vorerregung, gesättigte Eisendrosseln,
Gleichrichter o: dgl. benutzt. Zweckmäßig wird jedoch die fühlbare Anzeige z. B.
durch einen Klopfer bevorzugt, da dann eine größere Energieausbeute möglich ist
als bei akustischer Anzeige und Frequenzvervielfachung.
-
Ist der reflektierende Boden keine glatte Ebene, sondern z. B. finit
Häusern von verschiedener Höhe bedeckt, so wird man von einem- abgesandten Schallstrahl
nicht ein Echo erhalten, sondern so viele, als reflektierende Flächen in verschiedener
Höhenlage vorhanden sind. In der beschriebenen Anordnung wirkt sich das derart aus,
daß nian nicht eine einzige Modulationsfrequenz erhält, sondern mehrere, etwa eine
Frequenz mit Oberschwingungen. Befindet sich das Luftfahrzeug z. B. in einer Höhe
von i6,5 in über dein Boden und ist dieser finit Häusern besetzt von vorzugsweise-8,25111
und Gegenständen von etwa 1,6511i Höhe, so wird man eine Modulationsgrundfrequenz
von
fünf Schwingungen pro Sekunde erhalten, welche von zehn und
neun Schwingungen pro Sekunde überlagert ist.
-
Zur Anzeige der zweckmäßig von der Anode der Röhre 5 und dem Minuspol
der Heizung bzw. der Erde abgenommenen Modulationsfrequenz wird vorzugsweise eine
Zungenfrequenzineßanordnung benutzt, der eine den einzelnen Frequenzen entsprechende
Höhenangabe in Metern zugeordnet ist. Man kann aber auch die Frequenzanzeige durch
einen Winkelausschlag eines Zeigers wahrnehmbar machen, der über einer in Metern
g Y e eichten Skala spielt. Benutzt man z. B.
-
eine Zungenfrequenzineßanordnung, so werden in dem angenommenen Falle
mehrere Zungen derselben gleichzeitig ansprechen. Der Höhenmesser wird also einige
reflektierende Flächen in 8,25 m Tiefe und einige in 14,85 in Tiefe anzeigen. Die
Hauptintensität stammt jedoch von der Reflexion an der Bodenfläche in 16,5 m Tiefe.
Ein Zungenfrequenzmesser zeigt dabei nicht nur die Höhe an, sondern entwirft mittels
der Schwingungsamplitude auch ein brauchbares Bild von der Bodenbeschaffenheit,
indem er gleichzeitig als Analysator der Modulationsfrequenz dient.
-
Über die Art des reflektierenden Bodens kann man auch mit der beschriebenen
Einrichtung aus einer Intensitätsmessung Aufschl:uß erhalten. Diese Messung kann
so durchgeführt werden, daß man die im allgemeinen konstant bleibende Sendefrequenz
und die empfangene Frequenz nach der Gleichrichtung entgegengesetzt auf ein Strornmeßinstruinent
wirken läßt. Ist der Boden vollkommen reflektierend, so wird sich für jede Höhe
ein dazugehöriger Wert einstellen. Ein diffus reflektierender oder absorbierender
Boden wird eine mehr oder weniger große Abweichung von diesem zur jeweiligen Höhe
gehörenden Wert hervorrufen. Man kann auch den Zeiger des Höhenmessers und des Intensitätsmessers
so übereinander anordnen, daß die Differenz der Zeigerausschläge die Größe der Absorption
angibt.
-
Infolge der Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs gegenüber der Luft
ist es notwendig, bei Verwendung- scharf gerichteter Sende- und Empfangseinrichtungen
den Sender in der Fahrtrichtung etwas nach vorn und den Empfänger entgegengesetzt
zu neigen. Bei einer Eigengeschwindigkeit von 18o km/Std. beträgt dieser Winkel
etwa 8°. Einen weiteren Einfluß auf die Höhenangabe hat die Wegverlängerung des
abgesandten Schallimpulses infolge der Eigenbewegung des Luftfahrzeuges, und zwar
ist die wahre Höhe geringer als die gemessene Höhe. Bei einer Eigengeschwindigkeit
von 18o kin/Std. ist die gemessene Höhe etwa um 0,5 °/o größer als die wahre
Höhe. Dieser an sich nicht störende Fehler kann durch Verschieben der Meterskala
gegenüber dem Frequenzinesser leicht kompensiert werden.
-
Eine direkte Beeinflussung durch den Sender läßt sich im Empfänger
neben einer günstigen Anordnung durch eine scharfe Richtwirkung beider Teile vermeiden.
Eine weitere Maßnahme hierzu besteht darin, daß man einen Teil der Oszillatorspannung
so in Phase und Amplitude dein Empfänger zuführt, daß die dort durch direkte Beeinflussung
entstehende Frequenz gerade aufgehoben wird. Da die direkte Beeinflussung eine konstante,
sehr hohe Modulationsirequenz hervorruft, kann man sich von ihr befreien, indem
man den Empfänger in an sich bekannter Weise so scharf auf die ankommende Frequenz
abstimmt, daß die überlagerte Frequenz, welche durch .die direkte Beeinflussung
hervorgerufen wird, nicht durchkommt bzw. gar nicht erst entstehen kann. Man kann
z. B. auch ein Bandfilter oder auch eine große Kapazität 13 parallel zum Widerstand
12 zu diesem Zwecke vorsehen.
-
Eine weitere Störung kann durch das starke Propeller- und Motorengeräusch
hervorgerufen werden. Zweckmäßig wird daher für die ausgesandte Schwingung eine
Frequenz gewählt, die im Frequenzspektrum der Störgeräusche nicht vorkommt, und
der Empfänger wird scharf auf diese Frequenz abgestimmt.
-
Da es erwünscht ist, über die Bodenbeschaffenheit, vorzugsweise in
der Flugrichtung, Aufschluß zu bekommen, wird vorgeschlagen, die Einrichtung gemäß
der Erfindung bzw. ihre Abstrahl- und Empfangs-<.)rgane sowohl in einer für den
Geradeausflug als auch in einer für den Gleitflug bestimmten Stellung leicht feststellbar,
z. I3. durch Einrasten, und außerdem in diesen Stellungen das Ganze beliebig schwenkbar
anzuordnen, um so das ganze Gelände in weitem Winkel absuchen zu können.
-
An Stelle einer akustischen Schwingung kann auch eine elektromagnetische
Schwingung verwendet werden. Die Modulationsfrequenzen sind in diesem Falle infolge
der größeren Fortpflanzungsgeschwindigkeit praktisch eine Million mal größer als
bei dem akustischen Sender, d. h. sie fallen in das Gebiet der Rundfunkwellen. Damit
die Trägerwellenfrequenz gegenüber der Modulationsfrequenz bei kurzen Entfernungen
groß ist, werden zweckmäßig Ultrakurzwellensender benutzt.
-
Die oben beschriebene Einrichtung läßt sich finit gleichem Vorteil
auch zur :Messung
von Wassertiefen bzw. Bodenentfernungen sowohl
vom Überwasser- als auch vom Unter-Wasserschiff aus verwenden.