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Verfahren und Vorrichtung zum Aufsuchen und zur Abstandsmessung von
in Bewegung befindlichen Objekten nach der Echomethode
Die Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufsuchen von in Bewegung befindlichen
Objekten nach der Echomethode, insbesondere zurHorizontallotung mittels Schall im
Wasser. Es ist schon vorgeschlagen worden, durch Ausnutzung des Doppler-Effektes
mehrere reflektierende Objekte, die verschiedene Geschwindigkeit in bezug auf die
Beobachtungsstelle haben, voneinander zu unterscheiden bzw. getrennt zu beobachten,
indem die infolge der verschiedenen Relativgeschwindigkeiten der Objekte sich ergebenden
Frequenzunterschiede der von ihnen zurückkehrenden Echos zur Unterscheidung benutzt
werden. Insbesondere gelingt es, nach diesem Verfahren bei der Beobachtung von Nutzechos
die störenden Bodenechos zu unterdrücken.
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Bisher wurden hierfür zwei Wege angegeben.
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Entweder wird die Empfangseinrichtung scharf auf eine bestimmte Echofrequenz
abgestimmt und die Sendefrequenz in bestimmten Grenzen geändert, bis die Echofrequenz
mit der Abstimmfrequenz des Empfangskreises übereinstimmt, oder es werden im Empfangskreis
Abstimmittel vorgesehen, die das Frequenzgebiet der störenden Bodenechos unterdrücken,
wobei je nach der Fahrtgeschwindigkeit der Beobachtungsstelle und je nach der Peilrichtung
diese Abstimmittel entsprechend eingestellt werden. Die vorliegende Erfindung gibt
ein weiteres, besonders zweckmäßiges Verfahren und entsprechende Vorrichtungen für
die Lösung der Aufgabe an, unter Ausnutzung des Doppler-Effektes und unter Anwendung
bestimmter Sieb-
mittel im Empfangskreis die störenden Bodenechos
zu unterdrücken bzw. Objekte, die sich mit verschiedener Gesch.windig,keit in bezug
auf die Beobachtungss-telle bewegen, getrennt voneinander zu beobachten.
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Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß unter Anwendung von festen
Siebmitteln od. dgl. im Empfangskreis, die von den durchÜberlagerung der Echofrequenzen
mit einer Überlagerungsfrequenz entstehenden Frequenzen ein bestimmtes Frequenzband
unterdrücken bzw. nur ein bestimmtes Band hindurchlassen, die Überlagerungsfrequenz
in Abhängigkeit von der Fahrtgeschwindigkeit oder Peilrichtung oder in Abhängigkeit
lron beiden von Hand oder selbsttätig jeweils derart eingestellt wird, daß die Frequenz
der Bodenechos im unterdrückten Frequenzband bzw. die Nutzechos im durchgelassenen
Frequenzband liegen. Der Vorteil dieser Regelung besteht darin, daß man mit festen
Siebmitteln von bestimmter Durchlaß- bzw.
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Resonanzbreite arbeiten kann. - Die Regelung der Überlagerungsfrequenz
ist leichter und einfacher durchzuführen als eine Änderung der Siebmittel.
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Die Frequenz der Bodenechos ist bei einer bestimmten ausgesandten
Signalfrequenz abhängig von der Fahrtgeschwindigkeit der Beobachtungsstelle und
von der Richtung der ausgesandten Signale in bezug auf die-Fahrtrichtung. Für 1
m Fahrtgeschwindigkeit auf die ruhende Reflexionsstelle zu ergibt sich z. B. bei
einer Signalfrequenz von 35000 Hz eine Frequenzerhöhung des Echos im im"Wasser (Schallgeschwindigkeit=
I500 m/sec) von 47 Hz. Bezeichnet man die Fahrtgeschwindigkeit der Beobachtungsstelle
mit v -und den Winkel zwischen Fahrtrichtung und Richtung der ausgesandten Signale
mit a, so ist die Frequenz änderung nT = 47 V 21 ' GOS a. Für Richtungen nach voraus
oder schrägvoraus ergibt sich also eineTonerhöhung, für querab ist die Frequenzänderung
Null und für rückwärts und schrägrückwärts ergibt sich eine Tonerniedrigung. Da
es für das Verfahren der Abstandsmessung zweckmäßig ist, sehr hohe Frequenzen, z.
B. 35000 Hz, zu verwenden, benutzt man für die Beobachtung des rückkehrenden Echos
vorteilhaft das Überlagerungsverfahren, d. h. man überlagert die ankommenden Echofrequenzen
mit einer an der Beobachtungsstelle erzeugten Uberlagerungsfrequenz (z. B. 34 00o
IIz) und erhält dann eine gut beobachtbare Hörfrequenz.
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Wenn die Beobachtungsstelle in Ruhe ist, ist die Frequenz der Bodenechos
für alle Richtungen gleich, nämlich gleich I000 Hz. Für eine Fahrtgeschwindigkeit
der Beobachtungsstelle von beispielsweise 4 m/sec ergibt sich für die genannte Signal-
und Überlagerungsfrequenz in der Vorausrichtung eine Tonerhöhung von 1000 dz auf
1188 Hz und für die Rückwärtsrichtung eine Tonerniedrigung auf 8I2 Hz. Für alle
anderen Richtungen liegt die Frequenz zwischen diesen Werten.
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Es wäre nun verhältnismäßig unbequem, wollte man für jede Fahrtgeschwindigkeit
und für jede Peilrichtung die zur Unterdrückung dieser Bodenechos vorgesehenen Siebmittel
od. dgl. neu abstimmen.
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Viel einfacher ist es, feste Siebmittel mit genau festgelegter Schluckfrequenz
(z. B. I000 Hz) und fester Bandbreite, z. B. 20 Hz, im Empfangskreis vorzusehen
und die Anpassung an die veränderliche Frequenz der Bodenechos erfindungsgemäß durch
entsprechende Einstellung der Überlagerungsfrequenz vorzunehmen. Beträgt, wie oben
angeführt, die Fahrtgeschwindigkeit z. B. 4 m/sec, so sieht man eine Überlagerungsfrequenz
von 34188 Hz bei Einstellung auf die Vorausrichtung vor und erhält dann wieder einen
Überlagerungston von 1000 Hz, der durch die fest vorgesehenen Siebmittel unterdrückt
wird. Werden die Signale nach rückwärts ausgesandt, so haben die zurückkehrenden
Bodenechos die Frequenz von 348I2 Hz, und man muß deshalb in diesem Fall die Überlagerungsfrequenz
auf 33 812 Hz einstellen, um den Überlagerungston, der unterdrückt werden soll,
wieder auf die Frequenz I000 Hz zu bringen.
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Entsprechende Einstellungen der Überlagerungsfrequenz müssen für die
seitlichen Richtungen vorgenommen werden. Zweckmäßig wird die Vorrichtung so ausgebildet,
daß für die verschiedenen Fahrtstufen der Beobachtungsstelle stufenweise einschaltbare
Abstimmittel am Überlagerer vorgesehen sind, während für die verschiedenen Richtungen
kontinuierlich mit der Winkeleinstellung (Peilung) des Empfangsgebildes von Hand
einstellbare oder sich zwangläufig einstellende.Abstimmittel für die Überlagerungsfrequenz
vorgesehen sind. Besonders zweckmäßig wird die Regelung dieser Abstimmittel in bezug
auf die Peilrichtung dadurch bewirkt, daß ein zusätzlicher Abstimmkondensator, ein
Variometer od. dgl. mit der Drehachse des Peilgerätes verbunden und derart eingerichtet
ist, daß die Überlagerungsfrequenz sich mit dem cosinus des Peilwinkels ändert.
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Die beiden Vorrichtungen zur Änderung der Überlagerungsfrequenz werden
zweckmäßig in der Weise miteinander kombiniert, daß die zusätzlichen Abstimmittel,
die nach einem Cosinusgesetz in Abhängigkeit vom Peilwinkel geändert werden, in
ihrer Größe proportional zur Fahrtgeschwindigkeit veränderbar sind. Dies kann z.
B. durch selbsttätige, von einem Fahrtmesser gesteuerte Zu- bzw.
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Abschaltung von Abstimmkondensatoren oder Variometern erfolgen, die
nach dem gleichen Cosinusgesetz in Abhängigkeit vom Peilwinkel eingestellt werden.
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Anstatt von vornherein feste Siebmittel im Empfangskreis vorzusehen,
die ein bestimmtes schmales Frequenzband unterdrücken, in welches man dann durch
entsprechende Einstellung der Überlagerungsfrequenz die jeweils den Bodenechos entsprechenden
Frequenzen verschiebt, kann man auch den Weg beschreiten, daß man von vornherein
Siebmittel od. dgl. vorsieht, die alle Frequenzen oberhalb und unterhalb eines schmalen
Frequenzbandes, welches allein durchgelassen wird, unterdrücken, und daß man durch
entsprechende Regelung der Überlagerungsfrequenz dafür sorgt, daß die Frequenz der
von dem angeloteten Objekt
zurückkehrenden Nutzechos in das durchgelassene
Frequenzgebiet fallen. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß stets nur ein bestimmtes
schmales Frequenzband auf die Anzeigevorrichtung zur Einwirkung gebracht wird, daß
also beispielsweise die Nutzechos, die von zwei mit verschiedener Geschwindigkeit
im selben Beobachtungssektor fahrennen Schiffen zurückkommen, getrennt voneilnander
beobachtet werden können.
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Das Verfahren kann auch so ausgeübt werden, daß zusätzlich zu einer
nur die Eigengeschwindigkeit, nicht die Relativgeschwindigkeit berücksichtigenden
Verschiebung der Überlagerungsfrequenz diese in der geschilderten Weise in Abhängigkeit
vom Drehwinkel so geregelt wird, daß die Tonhöhe des von dem Echo erzeugten Schwebungstones
unabhängig vom Peilwinkel wird. Dies wird dadurch erreicht, daß die Überlagerungsfrequenz
für jede Fahrtgeschwindigkeit der Beobachtungsstelle selbsttätig mit dem Drehwinkel
des Peilgerätes so geändert wird, daß die vom Boden herrührenden Echos mit der Überlagerungsfrequenz
eine für alle Peilrichtungen gleichbleibende Schwebungsfrequenz erzeugen. Zusätzlich
wird die Überlagerungsfrequenz um wählbare Frequenzbeträgedf verändert und zum Abhören
der Schwebungsfrequenz, die durch Zusammenwirken dieser Überlagerungsfrequenz und
der von dem sich bewegenden Objekt herrührenden Echofrequenz erzeugt werden, ein
auf eine feste Frequenz abgestimmtes Filter benutzt.
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Infolgedessen können für ein bestimmtes A f jeweils nur Objekte mit
einer Geschwindigkeits-Komponente von bestimmter Größe in Richtung der Verbindungslinie
von der Beobachtungsstelle zum Objekt zur Anzeige gelangen.
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Es ist hierbei natürlich erwünscht, die Relativ-Geschwindigkeit des
angepeilten Objektes in bezug auf die Beobachtungsstelle zu kennen, wie es z. B.
angreifenden U-Booten möglich ist. Bei der zuerst beschriebenen Methode, bei der
stets nur die den Bodenechos entsprechenden Frequenzen unterdrückt werden, ist diese
Kenntnis nicht erforderlich.
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Die Einrichtungen für die Einstellung der Abstimmittel werden zweckmäßig
so getroffen, daß die Kondensatoren, Variometer od. dgl., die die Frequenzregelung
der Überlagerungsfrequenz bewirken, mit Skalen versehen sind, die in Fahrtgeschwindigkeiten
bzw. Peilrichtungen geeicht sind.
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Praktisch würde sich die Anwendung des Verfahrens etwa folgendermaßen
abspielen: Es sei angenommen, daß das Beobachtungsschiff, welches die Aufgabe hat,
ein bestimmtes Meeresgebiet nach unsichtbaren Fahrzeugen abzusuchen, mit einer Geschwindigkeit
von etwa 8 Knoten, d. h. etwa 4 m/sec fährt, und daß die Beobachtung mittels eines
um eine vertikale Achse drehbaren, aus dem Schiffsboden ausfahrbaren Schwingers
von der Eigenfrequenz 35 000 Hz geschieht, wobei dieser Schwinger abwechselnd als
Sender und Empfänger benutzt wird. Durch einen Schalter werden in diesem Fall zunächst
bestimmte zusätzliche Mittel eingeschaltet, die die für ruhende Beobachtungsstellen
geltende Überlagerungsfrequenz von 34000 Hz auf 34 I88 Hz maximal zu erhöhen bzw.
auf 33 8I2 Hz zu erniedrigen gestatten. Durch eine mit der Drehachse verbundene
Regelvorrichtung werden nun die Abstimmittel zwangläufig mit der Drehung des Schwingers
derart geändert, daß sich die Überlagerungsfrequenz mit dem Cosinus des Peilwinkels
in dem Bereich von 34 I88 Hz bis 33 812 dz ändert. Auf diese Weise wird erreicht.
daß die den Bodenechos jeweils entsprechenden Frequenzen bei etwa I000 Hz liegen,
durch die fest im Empfangskreis eingeschalteten Siebmittel also unterdrückt werden.
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Selbstverständlich wird man die Einrichtung immer so treffen, daß
die zusätzlich vorgesehenen Abstimmittel für die Überlagerungsfrequenz wahlweise
ganz ein- oder ausgesohaltet werden können.
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Für Fälle, in denen während der Messungen nur die Peilrichtung oder
nur die Fahrtgeschwindigkeit (z. B. bei fest zum beobachtenden Schiff liegenden
Schwingern) eine Änderung erfahren, ist es möglich, eine Änderung der Abstimmittel
nur in Abhängigkeit vom Peilwinkel oder nur in Abhängigkeit von der Fahrtgeschwindigkeit
vorzusehen.
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Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung von Schallwellen beschränkt,
sondern kann in entsprechender Weise für jede Art von Wellenenergie Anwendung finden.