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Lotungs- und Entfernungsmeßverfahren mittels reflektierbarer Wellen
Die Erfindung betrifft ein Lotungs- und Entfernungsmeßverfahren mittels reflektierbarer
Wellen, die einerseits direkt und andererseits als reflektierte Wellen zeitlich
versetzt dem Empfänger zugeführt werden, wobei die Phasendifferenz zwischen den
Sende-und Empfangswellen direkt oder indirekt ein Maß für die gemessene Entfernung
ist. Das Besondere der Erfindung besteht darin, daß im Empfangs- (Aufzeichnungs-)
Gerät ein Abbild der direkten und reflektierten Sendewelle bzw. des Horizontal-,
Vertikal- oder sonstigen Niveaus erzeugt wird, derart, daß bei Wahl einer bestimmten
Sollentfernung die Empfangswellen mit den zueinandergehörigen Sendewellen im Aufzeichnungsgerät
zur Deckung kommen, wenn die Sollentfernung gemessen wird, d. h. erreicht ist, dagegen
voneinander abweichen, wenn Abweichungen gegenüber der Sollentfernung eintreten,
wobei die Abweichung von der Sollinie ein direktes Maß für die gemessene Entfernung
durch Differenz oder Summenbildung ist.
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Bei der Erfindung erfolgt die Lotung bzw.
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Entfernungsmessung in der Weise, daß unter sich verschiedene aber
eindeutig gekennzeichnete mechanisch, optisch, elektrisch oder sonstwie erzeugte
Wellen gesendet werden.
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Hierdurch wird die Möglichkeit gegeben, die einzelnen Sendungen in
kürzester Zeit einander folgen zu lassen, so daß kontinuierliche Lotung möglich
ist, da die reflektierten Wellen zufolge ihrer klar erkennbaren unterschiedlichen
Charakteristik jeweils ihrer Sendung zugeordnet werden können. Diese Unterscheidung
der zu sendenden Wellen kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß ein elektrischer
Sender konstanter Trägerfrequenz mit einer periodisch veränderlichen Frequenz moduliert
wird, derart, daß innerhalb einer Periode eine bestimmte Frequenz einem bestimmten
Zeitelement eindeutig zugeordnet ist. Diese Modulationssendefre: quenz wird gleichzeitig
dem Empfänger mit Anzeigegerät zugeführt, so daß aus der Differenz oder Summation
aus Sende- und Empfangsfrequenz die erforderlichen Rückschlüsse auf die Laufzeit
einer Sendefrequenz (Hin-und Rückweg) und damit auf die zu messende Tiefe bzw. Entfernung
gezogen werden können. Hierbei ist es empfehlenswert, die einander folgenden Sendungen
in bezug auf ihr Unterscheidungsmerkmal kontinuierlich zu variieren. Dieses Verfahren
hat den Vorteil, daß nicht nur das Bodenniveau, sondern auch alle plötzlichen Unregelmäßigkeiten
selbst kleinster Abmessungen sowie zwischen Boden und Wasseroberfläche oder zwischen
Beobachtungspunkt -und im gesamten Umkreis befindlichen Gegenstände durch die Lotung
bzw, Entfernungsmessung zu erfassen sind. In diesem Falle ist eine Identifizierung
der Sende- und Empfangswelle möglich, so daß sich, gleichgültig wie die Registriereinrichtungen
beschaffen sind,
stets eindeutige Rückschlüsse auf Bodenbeschaffenheit,
sonstige Unregelmäßigkeiten.
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Entfernungen usw. aus der Zeitdifferenz zwischen Sendung und Empfang
ziehen lassen.
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Die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges ist hierbei entsprechend zu
berücksichtigen.
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In der Zeichnung ist das erfindungsgemäße Verfahren an Hand von Kurven
und Aufbauschemen veranschaulicht, und es bedeuten: Abb. 1 Schema einer Wasservertikallotung
nebst Lotungskurven, Abb. 2 Schaubild einer kontinuierlich veränderten Sendewelle,
Abb. 3 und 4 Schaubilder von Sende- und Empfangswellen mit Phasendifferenzauswertung,
Abb. 5 Schema gemäß Abb. 1 unter Betintzung von veränderlich gesendeten Wellen gemäß
Abb. 2 bis 4 nebst Auswertungsschema, Abb. 6 Schema einer NN.asservertikallotung
bei fahrendem Schiff.
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Abb. 7 und 8 Aufbauschema der Sende-und Empfangseinrichtungen, Abb.
9 Schema eines Aufzeichnungsträgers für die Auswertung der Meßwerte.
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Im unteren Teil der Abb. 1 ist eine Bodenniveaulinie b und der Wasserspiegel
a! dargestellt. Die eingezeichneten senkrechten Linien o stellen die in regelmäßigen
Folgen abgegebenen Wellensendungen dar. Im oberen Teil der Abb. 1 ist ein Koordinatensystem
eingetragen, bei dem auf der Ordinate die Zeiten der Wellenwege (Hin- und Rückgang)
vermerkt sind. Die in dem Koordinatensystem eingezeichnete Kurve ;; stellt die aus
der Zeitdifferenz zwischen Sendung und Empfang sich ergebenden Meßpunkte dar. Die
Meßkurve m stellt ein Spiegelbild des Meeresniveaus dar. Befindet sich im Bereiche
der Lotungen eine plötzliche Unregelmäßigkeit (Untiefe), beispielsweise in Form
eines Wracks G, so ergibt die Aufzeichnung der Meßwerte bzw. die diese Punkte verbindende
Meßlinie m einen plötzlichen Sprung, wie aus dem oberen Bild der Abb. 1 ersichtlich
ist.
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Zum Zwecke einer völlig kontinuierlichen Lotung kann ein Sender mit
konstanter Trägerfrequenz v0. die mit einer periodisch veränderlichen Frequenz v
= j (t) moduliert dargestellt wi rd. verwendet werden, derart. daß innerhalb einer
Periode eine bestimmte Frequenz einem bestimmten Zeitelement eindeutig zugeordnet
ist. Dieser modulierte Sender strahlt somit drei Frequenzen zus, und zwar die konstante
Frequenz v0 und die veränderlichen Frequenzen v0 + v und v0 - v. Auf der Empfangsseite
ergeben sich somit vier Möglichkeiten für die Auswertung der Wellen, und zwar: 1.
Gleichrichtung und Anzeigen durch Vergleich zweier Nieder- (Modulations-) Frequenzen;
2. ohne Gleichrichtung; Benutzung des unteren Seitenbandes (v0 - v) für das Anzeigen;
3. wie 2; Benutzung des oberen Seitenbandes (v0 + v); 4. wie 2 bzw. 3; Benutzung
des uiitcrei0 und oberen Seitenbandes für das Anzeigen.
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In Abb. 2 ist ein Diagramm dargestellt, in dem die Ordinate v die
modulierte Frequenz und die Abszisse t die Zeit darstellen. Der Abstand T stellt
einen Sendeabschnitt mit ansteigender Frequenz v dar. Werden diese ausgestrahlten
Frequenzen v bzw. v0 + v und bzw. oder v0 - v nach ihrer Reflexion von einem Empfänger
aufgenommen und gleichgerichtet, so erhält man die Modulationsfrequenz v mit zeitlicher
Verschiebung zurück. Falls keine Gleichrichtung erfolgt. gelangen die beiden Seitenbänder
v0 + v oder v0 - v bzw. nur eines der beiden Seitenbänder mit einer zeitlichen Verschiebung
zurück. Diese zeitliche Verschiebung entspricht der Laufzeit der Sendewellen vom
Sender bis zur Reflexionsfläche und zurück.
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Selbstverständlich kann der Verlauf der Modulationsfrequenz nach jeder
beliebigen anderen Kurve als in Abb. 2 dargestellt verlaufen. An Stelle einer NIodulation
einer Trägerfrequenz kann das erfindnngsgemäfte Verfahren auch in der Weise angewendet
werden, daß die Sendefrequenz als solche nach einer beliebigen Kurve geändert wird.
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Dieses Verfahren ist aber nur beschränkt an wendbar.
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In Abb. 3 stellt die voll ausgezogene sägeartige Linie v' eine gesendete
Frequenz dar, während die gestrichelte Linie die reflektierte Frequenz z" veranschaulicht.
Im Beispiel gemäß Abb. 3 ist angenommen, daß der Abstand der Sendestelle zu den
Reflexionspunkten stets konstant ist. Demzufolge sind die Linien v' und v" parallel.
Die Strecke a-a' entspricht der Laufzeit t der gesendeten Frequenzen vom Sender
zum Reflexionspunkt und zurück zum Empfänger in Abhängigkeit von der geloteten bzw.
gemessenen Entfernung. Diese Strecke a-a' bleibt im gewählten Beispiel stets konstant.
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Werden dem Empfänger die gesendeten Frequenzen während der Ausstrahlung
gleichzeitig direkt zugeführt, so ergibt sich aus der Differenz d zwischen der Sendefrequenzkurve
v und der Empfangsfrequenzkurve v' direkt das Maß für die Laufzeit der Sendewellen,
das auf einem entsprechenden Anzeigeinstrument abgelesen werden kann.
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Diese Differenz d kann beispielsweise mittels eines Frequenzmessers
bestimmt werden.
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Da es für die Zwecke der kontinuierlichen Lotung notwendig ist, periodisch
verätiderliche Frequenz- oder Amplitudenwerte zu senden, diesem An- oder Absteigen
aber z. B. durch die Frequenzkurve des Senders pral;-tisch Grenzen gesetzt sind,
so ergibt sich die Notwendigkeit, nach Erreichen eines Frequenzmaximal- oder -minimalwertes
auf das ursprüngliche Minimum oder Maximum zurückzugehen. Es empfiehlt sich, dieses
Zurückspringen äußerst plötzlich zu bewiflen, damit die eindeutige Zuordnung stets
gesichert ist. Trotzdem besteht hierbei der Nachteil, daß die notwendige Differenz
d zwischen den Kurven v' und z/" zwangsläufig einen gewissen Unstetigkeitsbereich
schafft, der in Abb. 3 der Abstand x ist. Dieser Nachteil kann in einfachster Weise
beispielsweise dadurch beseitigt werden, daß man die Differenzfrequenz sehr gering
wählt, der Abstand @ also sehr klein wird, wobei außerden die NIöglichkeit besteht,
ein träges Anzeigeinstrument zu verwenden, oder daß sendeseitig mit beiden Seitenbändern,
dagegen empfangsseitig wechselweise so gearbeitet wird, daß das empfangene untere
Seitenband einmal mit dem ausgehenden unteren Seitenband und das andere Mal mit
dem ausgehenden oberen Seitenband verglichen wird, da die beiden zu vergleichenden
Seitenbänder kongruent sind, wie aus Abb. 4 ersichtlich ist. Der Wechsel von dem
einen Seitenband zu dem anderen erfolgt vorteilhaft kurz vor Erreichen des @ Tnstetigkeitsbereiches.
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Die Überbrückung des Unstetigkeitsbereiches, also des Abstandes x,
kann ferner dadurch erfolgen, daß zwei Sender und Empfänger Anwendung finden, die
um- versetzt sind, wie in Abb. 3 im unteren Teil der Kurvendarstellung gezeigt ist.
Damit eine gegenseitige Beeinflussung der Sender und Empfänger vermieden wird, sind
für die beiden Sender verschiedene Frequenzbereiche zu wählen. Bei dieser Anordnung
arbeiten die beiden Sender wechselseitig im Stetigkeitsbereich. @ Um ein gutes Zusammenspiel
der beiden Stetigkeitsbereiche zu erzielen, also die Unstetigkeitsbereiche auszuschalten,
empfiehlt es sich, den die Wellen direkt dem Wasser, der Luft o. dgl. mitteilenden
Sender von seinem Erregungsorgan in dem Augenblick abzuschalten, wenn der Unstetigkeitsbereich
beginnt. Im gleichen Augenblick bzw. kurz vorher erfolgt die Einschaltung des anderen
Senders. Reicht eine Versetzung um T nicht aus, so können weitere Sender, die entspre-T
T chend versetzt sind, z. B. T, T usw., benutzt werden. Bei Zusammenlegung der Kurven
der einzelnen Sender und Empfänger ergeben sich vollständig stetige Sende- und Empfangskurven.
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In Abb. 5 ist als weiteres Beispiel eine Bodenniveaulinie b dargestellt,
die viele Unregelmäßigkeiten aufweist. Darüber sind die Sende- und Empfangskurven
v und v' gezeichnet, wobei wichtige Unstetigkeitspunkte der Bodenniveaulinie b mit
den Ziffern 1 bis S bezeichnet sind. Diese Ziffern kehren in den Kurven v und ,
wieder. Im übrigen entspricht die Kurvendarstellun dieser Abbildung derjenigen gemäß
Abb. 3. Das Maß d stellt den Abstand einer Nullinie N von der Wasseroberkante w
dar. Zufolge der wechselnden Tiefenverhältnisse ergibt sich eine Kurve u', die von
der Kurve v verschieden großen Abstand d' aufweist. Das lXlaß d' gibt die Laufzeit
der Sendewelle in einem bestimmten Betrachtungsaugenblick an, so daß daraus direkt
die Entfernung des Senders von der geloteten Stelle abgelesen werden kann, Wird
außerdem die Parallele zur Sendekurve v' in das Diagramm eingezeichnet, wobei diese
Parallelev' (N) eine bestimmte Differenz d besitzt, so lassen sich aus den relativen
Abständen d" zur Kurve v' die relativen Bodenschwankungen gegenüber einem gewählten
Sollwert direkt ablesen.
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Die Einführung einer Soll- oder Nulllinie N hat den großen Vorteil,
daß die Differenz d auf einen Nullwert gebracht werden kann, d. h. daß bei Wahl
entsprechender Vorkehrungen im Empfangsgerät die Sende- und Empfangskurven voll
zur Deckung gebracht werden können, wenn die Lotungsentfernung dem gewählten Sollwert
entspricht. Zu diesem Zweck empfiehlt es sich, die geloteten Frequenzen bzw. Amplituden
nicht sogleich mit der Sendung auch dem Empfänger zuzuführen, wie eingangs dargelegt.
sondern mit einer zeitlichen Verzögerung, die der Laufzeit der Welle vom Sender
bis zum Reflexionspunkt und zurück zum Empfänger entspricht. Angenommen, die zu
lotende Entfernung beträgt I500 m, so erfolgt die Zuführung der Sendefrequenzen
zum Empfänger 2 Sekunden später, als die Sendewelle abgesandt wurde, sofern die
Frequenzgeschwindigkeit 1500 m je Sekunde z. B. im Wasser beträgt. Ist die Entfernung
tatsächlich 1500 m, so kommen die Sende- und Empfangskurven voll zur Deckung. Ändert
sich die Entfernung, so stellt das NIaß der gegenseitigen Zeitverzögerung direkt
die Schwankung der Entfernung gegenüber der Sollentfernung, z. B. I500 m, dar. Kommt
beispielsweise die Reflexionsfrequenz eher an als die direkt dem Empfänger zugeführte
Sendefrequenz,
so ist die Entfernung kleiner. kommt sie später an. so ist sie größer als die Sollentfernung.
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Der besseren Uebersicht halber ist im Diagramm der Abb. 5 die Bewegung
des Schiffes oder sonstigen Sendeträgers Sch (vgl.Abb.6) nicht berücksichtigt. Während
die Sendewelle den Weg 2#h von S (Sender) über R (Reflexionspunkt) nach E (Empfänger)
zurücklegt, bewegt sich das Fahrzeug um eine Strecke c. Es macht keine Schwierigkeiten,
die hierdurdi notwendige Rückbeziehuno der zueinandergehörigen Sende- und Empfangspunkte
in den Kurven v und v' dem jeweiligen Standort des Fahrzeuges durch zusätzliche
Diagrammzeichner festzustellen.
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In Abb. 7 ist das Sende- und Empfangseinriditungsschem a für das
erfindungsgemäße Verfahren dargestellt. Ein FrequenzerzeugerF, z. B. Frequenzfilm,
beeinflußt im gewählten Beispiel eine Photozelle Z, die die periodisch sich ändernden
Lichtschwankungen einem N'erstärker f zuführt. Diese die Wellen hervorrufenden Frequenzen
werden einerseits dem Sender S und andererseits dem Empfänger E zugeführt und dort
zu der oben dargelegten Phasendifferenzerzeugung vereinigt. Die gesendeten und empfangenen
Frequenzen werden zwecks Auswertung einem geeigneten Meß- oder Aufzeichnungsinstrument
zur zugeführt.
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Für eine leichte Vergleichsmöglichkeit der Empfängerwellen mit den
dazugehörigen Sendewellen empfiehlt sich bei direkt optischer Beobachtung die Anwendung
von Oszillographen, beispielsweise eines Braunschen Rohres mit möglichst großem
fluoreszierenden Leuchtschirm, der nach Möglichkeit ein geeichtes Koordinatensystem
trägt, oder bei Aufzeichnungsregistrierung die Verwendung von entsprechend gekennzeichneten
und geeichten Filmen, Papierstreifen usw.
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Bei geringen Tiefen bzw. Entfernungen ergibt sich der Übelstand,
daß die Phasendifferenz zwischen v und v' äußerst klein ist und somit die Gefahr
besteht, - daß keine oder nur ungenaue Ablesungen möglich sind. Gemäß der Anordnung
nach Abb. 7 empfiehlt es sich, zur Vermeidung dieses Nachteils die Sendefrequenzv,
die zum Verstärker 1' und von dort zum Sender S geführt werden, nicht direkt gleichzeitig
dem Empfänger zuzuleiten, sondern vom Frequenzurerzeuger I mit einer ganz bestimmten
Frequenzdifferenz, z. B. konstant zo liz. die Sendefrequenzen dem Empfänger zuzuführen.
Es ist in diesem Falle lediglich nötig, im Meßinstrument ihr die Zusatzfrequenzdifferenz
y entsprechend zu berücksichtigen.
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Diese Anordnung empfiehlt sich auch für die Schaffung einer Entfernungsnullinie.Y,
wie oben dargelegt (vgl. Abb. 5), um bei Entfernungsschwankungen die Abweichungen
direkt beobachten oder registrieren zu können. Angenommen, die Sollentfernung beträgt
I500 m, so werden zwei Frequenzträgcr F, z. B. Frequenzfilm, benutzt, die gleiche
Frequenzaufzeichnungen tragen und die so gegeneinander versetzt sind, daß an den
photoelektrischen Abtaststellen Z eine zeitliche Differenz von 2 Sekunden in bezug
auf die jeweils völlig gleichen Frequenzausschnitte besteht. Die beiden Photozellen
Z' und Z" gemäß Abb. 8, von denen Z' auf den SenderS und Z" auf den EmpfängerE arbeiten,
vermitteln somit jeweils unterschiedliche Frequenzen, die aber in bezug auf eine
gewählte zeitliche Differenz, also in bezug auf die direkt dem Empfänger zugeführten
und im Empfänger empfangenen Reflexionswellen stets gleich sind. Soll der N ulk-ert.
im Beispie] 1500 m, geändert werden, so muß die zeitliche Differenz der beiden Frequenzfilme
gleichfalls entsprechend geändert werden. Diese Änderung kann auch durch Wahl anderer
Frequenzfilme o. dgl. erfolgen.
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Dieses Verfahren gibt gleichzeitig eine Umkehrungsmöglichkeit durch
entsprechende Ausbildung der Einrichtung, derart, daß die Sende- und Empfangskurven
im Aufzeichnungsgerät dadurch künstlich gleichartig gestaltet werden, daß mittels
elektrischer relaisartiger Hilfseinrichtungen die relativen Geschwindigkeiten der
beiden Frequenzfilme ständig den Laufzeiten der Sendewelle angepaßt werden, also
entsprechend variabel sind.
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Das Meß der Geschwindigkeitsänderung gibt alsdann den erforderlichen
Rückschluß auf die geloteten Entfernungen.
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Um die Auswertung oder Beobachtung der Meßwerte zu erleichtern, kann
es empfehlenswert sein, kontinuierlich interrupt mit entsprechend ansteigenden oder
abfallenden Frequenzen bzw. Amplituden zu arbeiten, wie in Abb.g an Hand eines Aufzeichnungsträgers
F schematisch dargestellt. Die vom Sender S kommenden Frequenzabschuitte folgen
einander in ganz bestimmten zeitlichen Folgen A, während die einzelnen Reflexionsfrequenzabschnitte
teilweise voll in den Abschnitt A, teilweise in den Pausenabschnitt hineinragen,
je nachdem, ob die gelotete Entfernung dem Sollwert entspricht oder von ihm abweicht.
Je nach der Lage des Frequenzabschnittes der Empfangskurven läßt sich die Lotungsentfernungk
errechnen oder direkt ablesen, wenn der Aufzeichnungstrigger entsprechend hergerichtet,
z. B. geeicht ist.
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Die periodisch veränderlichen Frequenzen können auf die verschiedenartigste
Weise erzeugt werden, beispielsweise in Form der bereits
dargelegten
Modulation mit nachfolgender Aussiebung oder Gleichrichtung im Empfänger, der Überlagerung
mit nachfolgender Gleichrichtung, gegebenenfalls unter Verwendung von Hochfrequenzkreisen,
der Verwendung fertig hergerichteter Frequenzerzeuger bei Benutzung konstanter Sender,
z. B. mechanischer Frequenzbänder, photoelektrisch beschrifteter Frequenzfilm, Schallplatten,
elektromagnetisch beschriftetes Metallband, Kondensatorbeläge, zwischen denen ein
Träger mit periodisch sich ändernden Dielektrika bewegt wird, usw. Die Erzeugung
der veränderlichen Frequenz kann bei Verwendung konstanter Sender auch mit Hilfe
entsprechend bewegter Abstimmungskondensatoren erfolgen. In diesem Falle würde der
Unstetigkeitssprung gemäß Abb. 3 aber zu langsam erfolgen; deshalb empfiehlt sich
die Benutzung von zwei Kondensatoren, die so miteinander gekuppelt sind, daß eine
plötzliche Umschaltung er folgt, wenn der eine Kondensator das Maximum bzw. Minimum
erreicht hat.
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Da für das erfindungsgemäße Verfahren stark gerichtete Sender Anwendung
finden müssen, empfiehlt sich die kardanische Aufhängung der Sender, damit bei Schwankungen
des Fahrzeuges der Sender seine Grundrichtstellung stets beibehält. Hierbei ist
es gleichgültig, in welcher Richtung die Sendung erfolgt. Stets behält der Sender
bei kardanischer Lagerung trotz der Lageänderung des Fahrzeuges seine volle Richtwirkung.
Gleiche Aufhängung empfiehlt sich auch für die Empfänger. Hierbei kann gleichzeitig
eine Ablesevorrichtung vorgesehen sein, die es ermöglicht, die Differenz zwischen
der Richtungslage des Senders und der Lage des Fahrzeuges bzw. der Horizontalen
oder Senkrechten genau festzuhalten.
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Es empfiehlt sich ferner die Verwendung mehrerer in gleicher Phase
schwingender Sender, damit die Richtwirkung erhöht wird.
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Ferner kann die Baulänge des Fahrzeuges, z. B. Schiffes, der Messung
dadurch nutzbar gemacht werden, daß am Bug des Schiffes der Sender und am Heck der
Empfänger angebracht wird. Da auf diese Weise der Abstand zwischen Sender und Empfänger
beliebig groß, aber konstant gewählt werden kann, ist es möglich, bei gleichförmiger
Schiffsgeschwindilgkeit die Bewegung des Fahrzeuges als stets konstante Größe in
der Diagrammauswertung zu behandeln, derart, daß beispielsweise die Abstände der
Markierungslinien L gemäß Abb. 9 entsprechend konstanten Abstand besitzen. Bei der
Wahl versdüeden langer, vorteilhaft periodisch sich ändernder Abschnitte A bzw.
B kann die zeitliche bauer der einzelnen Frequenzsendungen gleichfalls der Identifizierung
der Sende- und Empfangsfrequenzen dienen.
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Hierbei können die Frequenzen sogar unter sich gleich sein.