-
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach der Echomethode
Es ist bei
Einrichtungen zur Entfernungsmessullg nach der Echomethode bekannt, daß neben dem
zu empfangenden Echo vielfach Störschall auftritt, der die Beobachtung des gesuchten
Echos erschwert. Zur Beseitigung dieses Mangels ist schon vorgeschlagen worden,
die Empfangseinrichtung so auszubilden, daß ihre Empfindlichkeit sich selbsttätig
nach der Stärke des vorausgegangenen Echos einstellt, um die Einrichtung für alle
unter der Lautstärke dieses Echos liegenden Störgeräusche unempfindlich zu machen.
Diese bekannte Einrichtung ist jedoch nur dort zu gebrauchen, wo das zu empfangende
Echo alle übrigen auf die Empfangseinrichtung einwirkenden Geräusche an Intensität
wesentlich überragt und die Amplitude zweier aufeinanderfolgender Echos ungefähr
gleichbleibt. Diese Bedingung ist jedoch meist nicht erfüllt. So treten bei der
Echolotung vielfach z. B. infolge Inhomogenität des schallübertragenden Mediums
derart starke Intensitätsschwankungen auf, daß sich die Empfindlichkeit bei z. B.
einem besonders starken Echo nach dem bekannten Regelverfahren so niedrig einstellen
würde, daß ein nachfolgendes Echo von geringerer Intensität überhaupt nicht mehr
zur Anzeige käme.
-
Auch ist es mit Rücksicht auf die unvermeidlichen
Schwankungen
der Schallintensität nicht möglich. mit der Empfindlichkeitsgrenze so dicht an die
Stärke des voraufgehenden Echos heranzugehen, daß die durch mehrfache Reflexion
entstehenden Doppel- und Mehrfachechos unter diese Grenze fallen, ohne dabei Gefahr
zu laufen, daß auch nachfolgende Nutzechos unter die so eingeregelteEmpfindlichkeitsgrenze
fallen und nicht mehr zur Anzeile gebracht werden.
-
Besonders schwierig ist die Ausschaltung der Mehrfachechos bei der
Flugzeugecholotung zur Messung der Flughöhe über der Erdoberfläche. weil hierbei
einerseits besonders starke Intensitätsschwankungen durch Luftwirbel und sonstige
Unstetigkeiten im schallübertragenden Medium und durch Schwankungen im Reflexionsvermögen
der Erdoberfläche auftreten und weil andererseits durch die Flügelflächen die mehrfache
Reflexion besonders begünstigt wird. Eine Trennung der Nutz- und Störechos durch
Einstellung der Empfindlichkeit nach der Stärke des voraufgehenden Nutzechos ist
hierbei völlig unzureichend.
-
Für die Lotung im Wasser ist auch schon vorgeschlagen worden, die
Empfindlichkeit der Empfangsanordnung, zwischen den in regelmäßigen Zeitabständen
aufeinanderfolgenden einzelnen Lotungen periodisch wiederkehrend, von einem geringen
Grad ausgehend, allmählich zu steigern.
-
Durch die allmähliche Steigerung der Empfindlichkeit läßt es sich
erreichen, daß die Einrichtung nur auf die scharf ausgeprägten Nutzechos anspricht.
-
Diese Lösung ist jedoch mit Vorteil nur da zu gebrauchen, wo sich
ausgeprägte Mehrfachechos nicht ausbilden können; denn falls solche Mehrfachechos
auftreten, würden sie infolge der Steigerung des Verstärkungsgrades nur in erhöhtem
Maße zur Anzeige kommen. Außerdem setzt dieses Verfahren voraus, daß nur solcher
Störschall vorhanden ist, der vom Lotimpuls selbst herrührt und infolgedessen vom
Augenblick der Schall aussendung an der mit der Entfernung abnehmenden Stärke des
Nutzechos entsprechend abklingt. In Wirklichkeit tritt jedoch außer diesem abklingenden
Störschall vielfach auch Störschall auf, der von anderen Schallquellen als dem Echolotsender
selbst herrührt, so z. B. hei der Eeholoturrg in Luftfahrzeugen die vom Erdboden
zurückgeworfenen Motoren- und Propellergeräusche. deren Intens.ität zwischen zwei
Lotungen normalerweise nicht abnimmt. Auch diese Störgeräusche würden daher bei
geringeren Flughöhen durch die automatische Steigerung der Empfindlichkeit von einer
zur anderen Schallaussendung die Anzeigevorrichtung zum Ansprechen bringen.
-
Diese Mängel werden vermieden und eine Fälschung der Anzeige durch
nachfolgende Echos sicher ausgeschlossen, wenn mit Ankunft des ersten Echos die
tEmpfangshereitschaft der Anlage aufgehoben und erst bei der nächsten Aussendung
wiederhergestellt wird.
-
Von den verschiedenen Anzeigeverfahren sind für ein Flugzeuglot besonders
geeignet diejenigen mit stehender Anzeige, bei denen ständig der letzte Meßwert
ablesbar ist und nur im Augenblick der Echoankunft ein sprungweiser Übergang zum
neuen Meßwert erfolgt.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft die Ausbildung einer beide Eigenschaften
in sich vereinenden Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach der Echomethode, bei
der die während der Schallaufzeit sich durch Ladung oder Entladung ändernde Spannung
eines Kondensators als Zeit- bzw. Entfernungsmaßstab benutzt und bei Echo ankunft
zeitweise an ein statisches Spannungsmeßinstrument mit im allgemeinen stehender,
nur bei Echoankunft veränderter Anzeige gelegt wird, in der Weise, daß bei Schallaussendung
und Echoankunft ein Umschalter, z. B. ein polarisiertes Relais mit zwei stabilen
Endlagen und ohne Mittellage, in entgegengesetztem Sinn betätigt und damit die Empfangsbereitschaft
hergestellt bzw. aufgehoben wird.
-
Bekannt ist eine Echoloteinrichtung, Britische Patentschrift 363
319, bei der ein Kondensator mit veränderlicher Ladung bei Echoankunft nur kurzzeitig
mit dem Spannungsmesser verbunden ist, wodurch eine stehende Anzeige erzielt wird.
-
Wenn aber nachfolgende Echos die Verbidung erneut herstellen, entstehen
Fehlanzeigen.
-
Bei der Vorrichtung nach der britischen Patentschrift Ist 988 können
solche nicht auftreten, da der Kondensator mit veränderlicher Ladung nur in der
Zeit zwischen Aussendung und Empfang mit dem Spannungsmesser verbunden ist. In dieser
Zeit, die bei etwa I70 m über dem Boden eine Sekunde erreicht, stimmt die Anzeige
des Instruments aber nicht mit dem letzten Nfeßwert überein.
-
Andere Vorrichtungen zur Entfernungsbestimmung nach der Echomethode,
z. B. nach der britischen Patentschrift 237 933, vereinen zwar ebenfalls wie die
Einrichtung nach der Erfindung den Vorteil einer beständigen Anzeige mit dem Schutz
gegen nachfolgende Echos, unterscheiden sich aber durch das angewandte Meßverfahren
oder die Arbeitsweise davon. Auch ist nicht erkennbar, ob dilese Unschädlichmachunb
der nachfolgenden Echos, auf deren besondere Bedeutung bei der Lotung vom Flugzeug
aus in der Einleitung hingewiesen wurde, beabsichtigt oder eine zufällige Eigenschaft
der benutzten Schaltung war.
-
Eine besonders wirksame Störbefreiung läßt sich dadurch erzielen,
daß die Empfindlichkeit vom Augenblick der Schallaussendung an allmählich gesteigert,
bei bzw. nach Eintreffen des Echos dagegen wieder herabgesetzt wird.
-
Der bei der Wasserlotung mit der allmählichen Empfindlichlieitsstei!geruntg
verfolgte Zweck, die Einrichtung gegen Störechos aus geringer Entfernung unempfindlich
zu machen, liegt bei der Flugzeugecholotung nicht vor. Trotzdem ist jedoch die Anwendung
dieser Regelung in Verbindung mit der Abschaltung der Anzeige durch das Echo auch
bei der Flugzeugecholotung mit besonderen Vorteilen verbunden. Insbesondere wird
dadurch erreicht, daß die Empfindlichkeit höchstens einen solchen
Wert
annehmen kann, wie er der jeweiligen Flughöhe entspricht, so daß das Nutzecho zur
Anzeige gebracht, das Echo der Flugzeuggeräusche dagegen unterdrückt wird.
-
In der Zeichnung ist die Erfindung in zwei Ausführungsbeispielen
veranschaulicht. Die dargestellten Vorrichtungen dienen zur Messung der Entfernung
nach der Echomethode und seien im folgenden in ihrer Anwendung bei der Flugzeugecholotung
zur Messung der Flughöhe beschrieben.
-
Durch einen mit gleichförmiger Geschwindigkeit umlaufenden Kontaktgeber
I, der durch einen in der Zeichnung nicht mitdargestellten Motor angetrieben wird,
wird ein Sendestromkreis 2 kurzzeitig eingeschaltet und dadurch ein Schall sender
3 zum Aussenden eines kurzen, vom Flugzeug gegen die Erdoberfläche gerichteteii
Schallimpulses erregt.
-
Der vom Erdboden zurückgeworfene Schall wird durch einen Empfänger
4 aufgefangen, in elektrische Energie umgewandelt und über einen Eingangstransformator
5 dem ersten Rohr eines Verstärkers 6 zugeführt. Der so verstärke Echoimpuls wird
vom Verstärker an das Gitter einer gittergesteuerten Gasentladungsröhre 7 gegeben.
Die Röhre liegt im Entladekreis eines Kondensators 8, der durch eine Spannungsquelleg
über einen Widerstand 10 aufgeladen wird. Mit der Entladung des Kondensators 8 sinkt
die Spannung an der gittergesteuerten Gasentladungsröhre unter die Betriebsspannung
ab, da die Ladespannung den erforderlichen Emissionsstrom infolge des Spannungsabfalles
im Ladewiderstand io nicht aufrechtzuerhalten vermag. Der so erzeugte kurzzeitige
Entladestromstoß wird zur Steuerung der eigentlichen Anzeigevorrichtung benutzt.
-
Bei Entladung des Kondensators 8 infolge Zündung der gittergesteuerten
Gasentladungsröhre 7 durch den Echoimpuls wird der Umschalter I4, I durch die Relaisspule
12 in die in der Zeichnung durch Strichlinie angegebene Schaltstellung gebracht.
Das Umschaltrelais bzw. der Umschalter ist so ausgebildet, daß er in der jeweiligen
Umschaltstellung liegenbleibt, so daß also auch die Empfangseinrichtung nach Eintreffen
des Echos abgeschaltet bleibt. Erst bei der nächsten Schallaussendung wird der Umschalter
14, I mit Hilfe einer vom Sendeimpuls beeinflußten zweiten Relaisspule I5 oder einer
mechanischen Schaltvorrichtung wieder in die andere in der Zeichnung ausgezogene
Schaltstellung gebracht, so daß sich die Empfangsvorrichtung wieder in Anzeigebereitschaft
für das nächste Echo befindet.
-
Die Anzeige erfolgt durch einen Spannungsmesser 24, der im Augenblick
der Echoankunft durch den Umschalter 14, I mit einem Kondensator 25 verbunden wird,
der bei der Schallaussendung aufgeladen wird und sich durch gleichzeitiges Umlegen
des Umschalters I4, I sodann bis zur Echoankunft über einen Widerstand 26 entlädt.
Die Größe seiner jeweiligen Ladung bzw. Spannung ist also ein Maß für die seit der
Schallaussendung verflossene Zeit bzw. im Augenblick der Echoankunft ein Maß für
die Flughöhe. Parallel zum Spannungsmesser 24 liegt ein Kondensator 27, der die
Spannung des Kondensators 25 im Augenblick der Echoankunft annimmt und bis zum nächsten
Echo auf dieser Spannung bleibt.
-
Der Umschalter 14, I betätigt nach Abb. I also gleichzeitig die Anzeige
des Echos und die Abschaltung der Anzeigevorrichtung vom Verstärker nach Ankunft
des Echos. Ein Umlegen des Umschalters durch weitere Echos ist erst möglich, nachdem
der Umschalter 14, 1 bei der nächsten Schallaussendung wieder in die Entladestellung
zurückgebracht worden ist. Weiter wird der Vorteil erzielt, daß der kleine Kondensator
27 die von dem großen Kondensator 25 übernommene Spannung erst von der nächsten
Schallaussendung an selbständig festzuhalten hat, da der große Kondensator vom Augenblick
der Echoankunft bis zur nächsten Schallaussendung mit am Spannungsmesser liegt.
Das macht sich umso stärker bemerkbar, je kleiner die Flughöhe und damit die Zeit
von der Schallaussendung bis zur Ankunft des Echos ist, wirkt sich also gerade bei
geringen Flughöhen, wo es auf besonders große Meßgenauigkeit ankommt, in erhöhtem
Maße aus. Ferner ist dadurch ermöglicht, einen Spannungsmesser von normalem Stromverbrauch
zu verwenden, ohne daß ein unerwünscht starkes Absinken der Spannung zu befürchten
wäre.
-
Die Empfindlichkeit der Einrichtung wird bei jeder Lotung erneut
auf die jeweilige Flughöhe eingestellt, und zwar erfolgt die Einstellung der Empfindlichkeit
durch Regelung der negativen Gittervorspannung der gittergesteuerten Gasentladungsröhre,
mit der sich die Höhe der zum Zünden erforderlichen Verstärkerausgangsspannung leicht
bestimmen läßt. Diese Regeleinrichtung besteht aus einem Lade- und Entladekreis
I6, I7. Der Ladekreis 16 enthält einen Kondensator I8, eine Spannungsquelle 19 und
einen Schalter 20, der im Augenblick der Schallaussendung durch einen Kontaktgeber
2I, der mit gleicher Geschwindigkeit umläuft wie der Kontaktgeber I, eingeschaltet
wird, so daß sich der Kondensator I8 auflädt. Der Kondensator 18 entlädt sich sodann
über einen im Gitterkreis der gittergesteuerten Gasentladungsröhre liegenden komplexen
Entladewiderstand 22 und erzeugt dadurch zusätzlich zu der festen negativen Gittervorspannung
23 eine weitere, ebenfalls negative Gittervorspannung, die von einem Höchstwert
auf einen Kleinstwert absinkt.
-
Es ist vorteilhaft, die Empfindlichkeit proportional der Flughöhe
einzuregeln, weil der Schalldruck ebenfalls proportional mit der Flughöhe abnimmt.
Bei Verwendung eines Entladekreises zur Regelung der Empfindlichkeit wird der Verlauf
der Regelung durch die Exponentialkurve des Entladevorganges blestimmt. Durch geeignete
Wahl des Entladewiderstandes 22, der Kapazität I8 und der Spannungsquellen 19 und
23 gegenüber der Zündspannung der gittergesteuerten IGasentladungsröhre kann jedoch
erreicht werden, daß sich die Empfindlichkeit etwa proportional der Zeit und dadurch
auch proportional der Flughöhe steigert.
-
Die Empfindlichkeit der gittergesteuerten Gasentladungsröhre nimmt
entsprechend vom Augenblick der Schallaussendung allmählich, und zwar bis zur nächsten
Schallaussendung, zu. Da jedoch der Verstärker bei Ankunft des ersten Echos durch
das Umschaltrelais 12 14, I abgeschaltet wird, so kommt die weitere Steigerung der
Empfindlicllkeit nach der Echoankunft nicht mehr zur Auswirkung. Dadurch wird erreicht,
daß die Empfindlichkeit der gesamten Empfangseinrichtung nur so hoch getrieben wird,
als es der tatsächlichen Flughöhe entspricht, wobei die Höhe der Empfindlichkeit
so bemessen ist, daß zwar das aufzunehmende Echo noch gut empfangen und zur Anzeige
gebracht wird, die Einrichtung für Störgeräusche und Störechos aber unempfindlich
ist.
-
Eine solche Regelung ist bei der Flugzeugecholotung in zweifacher
Hinsicht von Vorteil. Zunächst treten bei der Flugzeugecholotung Störgeräusche auf,
deren Stärke nur von der jeweiligen Flughöhe abhängig ist. Diese Störechos werden
durch Reflexion der Motoren- und Propellergeräusche am Erdboden hervorgerufen. Würde
nun auch bei geringerer Flughöhe die Empfindlichkeit bis zu demjenigen Höchstwert
gesteigert, wie er bei maximaler, durch die Einrichtung noch zu erfassender Flughöhe
zur Anzeige der dann entsprechend schwachen Nutzechos erforderlich ist, so würden
die bei der geringen Flughöhe entsprechend stark auftretenden Störechos der Flugzeuggeräusche
die Empfangs-und Anzeigeeinrichtung zum Ansprechen bringen.
-
Durch Abschalten des Verstärkers wird jedoch eine solche, die Störechos
zur Anzeige bringende weitere Steigerung der Gesamtempfindlichkeit nach Ankunft
des aufzunehmenden Echos vermieden.
-
Ferner ist die Abschaltung zweckmäßig im Hinblick auf die dem Nutzecho
nachfolgenden Mehrfachechos, die sich bei der Flugzeugecholotung durch Reflexion
an den Flügelflächen besonders gut ausbilden können und meist so stark auftreten,
daß sie die durch Reflexion der Flugzeuggeräusche erzeugten Störechos an Intensität
wesentlich übertreffen und daß z. B. das erste Doppelecho an Intensität einem normalen
Echo bei doppelter Flughöhe kaum nachsteht. Durch Abschalten des Verstärkers bei
Ankunft des ersten Nutzechos wird eine Anzeige auch dieser Mehrfachechos ausgeschlossen.
-
Bei der Ausführungsform nach Abb. 2 entlädt sich bei Zündung der
gittergesteuerten Entladungsröhre 7 der Kondensator 8 auf eine ähnliche Meßanordnung
wie in Abb. I derart, daß nur für die Dauer des Lotimpulses das Meßgerät an den
Kondensator gelegt wird. Gleichzeitig legt der durch die Spule 12 gehende Stromstoß
den Schalter I4, 2, der in der gezeichneten Lage die Sekundärspule des Eingangstrafos
5 mit dem Gitter des ersten Verstärkerrohres verbindet, in die gestrichelte Lage
um, wodurch die Sekundärspule kurzgeschlossen wird, so daß nachfolgende Echos die
gittergesteuerte Gasentladungsröhre nicht nochmals zünden können.
-
Erst bei der nächsten Schallaussendung wird der Umschalter I4, 2 durch
die Relaisspule I5 in die Ausgangslage zurückgeführt und die Empfangsbereitschaft
wiederhergestellt.
-
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt, vielmehr sind noch mancherlei andere Ausführungen möglich. Insbesondere
kann die Abschaltung der Anzeige auch auf andere Weise und an einer anderen Stelle
der Empfangseinrichtung erfolgen, so z. B. durch Abschalten des Empfängers 4 vom
Eingangstransformator 5, oder es kann die Abschaltung erst hinter dem Verstärker,
z. B. durch Rurzschluß der Relaiswicklung 2g, erfolgen. Ferner könnte die durch
den Entladekreis 17 erzeugte negative Gitterregelspannung bei Echoallkunft auf ihren
Ausgangswert heraufgesetzt werden, z. B. durch Wiedereinlegen oder Überbrücken des
Schalters 20 im Ladekreis des KondensatorsIS.
-
Die Regelung der Empfindlichkeit kann statt durch Einstellung der
Gittervorspannung des Relaisrohres auch an einer anderen Stelle, z. B. im Verstärker
oder am Verstärkerausgang oder auch mit anderen Mittelll, z. B. durch ein Drehpotentiometer,
erfolgen, obwohl die dargestellte Regelung wegen ihrer guten Linearität und ihres
geringen Störungsgrades besonders zweckmäßig ist.
-
Da sowohl die Echos der Flugzeuggeräusche als auch die Mehrfachechos
der Schallimpulse bei gleichbleibender Flughöhe geringere Lautstärke haben als das
aufzunehmende erste Echo, so könnte angenommen werden, daß sich die Störechos schon
durch einfaches Stoppen der Empfindlichkeitsregelung im Augenblick der Echo ankunft
ausschalten ließen. In Wirklichkeit ist es jedoch nicht möglich, mit der Empfindlichkeitsgrenze
so nahe an die Intensität des aufzunehmenden Echos heranzugehen, daß dieses stets
über dieser Grenze, alle Störechos dagegen unter dieser Grenze liegen. Und zwar
ist das deshalb nicht möglich, weil die Intensität der Echos infolge Inhomogenitäten
des schallübertragenden Mediums und durch Anderungen der Reflexionseigenschaften
des Erdbodens derartigen Schwankungen unterworfen ist, daß sich die Bereiche der
Nutzechos und Störechos durch Wahl einer bestimmten Empfindlichkeitsgrenze nicht
voneinander trennen lassen. Bei der Echolotung im Wasser wird eine solche Grenzziehung
wegen der geringen Inhomogenität meist möglich sein.
-
Bei der Flugzeugecholotung treten störende Nahechos von einer das
Nutzecho übersteigenden Intensität nicht auf, so daß die Notwendigkeit einer allmählichen
Steigerung des Empfindlichkeitsgrades nicht gegeben ist. Vielmehr besteht die Möglichkeit,
unmittelbar nach der Schallaussendung eine Empfindlichkeit zu verwenden, die der
jeweiligen Flughöhe entspricht. IDlies läßt sich in der Weise angenähert verwirklichen,
daß sich der Verstärkungsgrad bzw. die Empfindlichkeit selbsttätig nach der Flughöhe
bei der jeweils vorhergehenden Lotung einstellt, beispielsweise durch eine vom Anzeigegerät
gesteuerte Regelspannung.
-
Dabei ist natürlich wie üblich dafür Sorge zu tragen, daß der direkte
Schall bei der Schallaus-
sendung vom Empfänger ferngehalten wird
oder daß der Empfänger hierfür uriempfindlich gemacht wird, was bei der allmählichen
Steigerung der Empfindlichkeit ohne besondere Maßnahmen zu erreichen ist.