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Verfahren und Vorrichtung zum Echoloten mit Unterwasserschall unter
Verwendung einer Braunschen Röhre als Anzeigegerät Zusatz zum Patent 944477
Im Hauptpatent
ist ein Verfahren zum Echoloten mit Unterwasserschall unter Verwendung einer Braunschen
Röhre als Anzeigegerät beschrieben, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß unter
Benutzung eines an sich bekannten Zeitkreises, dessen Ablenkgeschwindigkeit gegenüber
der normalerweise verwendeten Ablenkgeschwindigkeit stark gesteigert ist und bei
welchem eine Einstellvorrichtung für den Auslösezeitpunkt der Zeitablenkung vorgesehen
ist, der zwischen der Meeresoberfläche und dem Meeresboden bzw. der Echolotvorrichtung
und der größtmöglichen Lotentfernung liegende Lotbereich durch Verstellen des Auslösezeitpunkts
der Zeitablenkung nach vorhandenen schallreflektierenden Objekten, insbesondere
Fischschwärmen, abgesucht wird.
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Dieses Verfahren hat besondere Bedeutung für die Fischerei, da mit
seiner Hilfe eine vergrößerte Wiedergabe der angeloteten Fische bzw. Fischschwärme
möglich ist, wobei aus dem auf der Kathodenstrahlröhre erscheinenden Bild genaue
Rückschlüsse auf die Art und Größe der Fische gezogen und auch einzelne Fische selbst
in größerer Entfernung ermittelt werden können.
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Eine im Hauptpatent dargestellte Ausführungsform einer Vorrichtung
zur Durchführung des genannten Verfahrens besteht aus einer Sendeanlage mit einem
Impulsgenerator und einem Schall- oder Ultraschallgeber und aus einer Empfangsanlage,
die außer den beispielsweise magnetostriktiven Schwingungsempfängern einen Verstärker
und als Anzeigegerät einen Kathodenstrahloszillographen enthält. Durch eine mit
konstanter
Umlaufgeschwindigkeit angetriebene Nokkenscheibe kann die Aussendung der Meßimpulse
und die Empfangsbereitschaft des Empfängers oder Anzeigegerätes in zeitlicher Abhängigkeit
voneinander so gesteuert werden, daß nur diejenigen Echoimpulse zur Anzeige kommen,
die innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls nach Aussendung der Meßimpulse zurückkommen.
Hierdurch wird die Anzeige auf einen bestimmten Teillotbereich des größtmöglichen
gesamten Lotbereiches beschränkt.
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Gemäß dem Hauptpatent wird der Empfänger dadurch in Empfangsbereitschaft
für die reflektierten Echoimpulse gesetzt, daß der Kathodenstrahl, der in Ruhestellung
nicht auf den Bildschirm der Braunschen Röhre fällt, nur bei Betätigung des Kippgerätes
durch einen besonders dafür vorgesehenen Kontakt auf den Bildschirm gebracht wird.
Dieser Kontakt wird durch die obengenannte Nockenscheibe periodisch betätigt.
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Das Kippgerät enthält ein RC-Glied, das bei Schließen des Kontakts
entladen und nach seiner Öffnung mit einer der Zeitkonstanten R C entsprechenden
Geschwindigkeit wieder aufgeladen wird, wobei der Kathodenstrahl über den Bildschirm
der Braunschen Röhre beispielsweise in senkrechter Richtung von oben nach unten
wandert. Die Größe dieser Zeitkonstante, die auch veränderlich gemacht werden kann,
bestimmt dann die Zeitdauer der Empfangsbereitschaft oder Anzeigebereitschaft des
Geräts und damit die Ausdehnung des auf der Braunschen Röhre angezeigten Teillotbereiches.
Dieser Teillotbereich kann für Zwecke der Fischerei bespielsweise mit 15 m gewählt
werden. Die Entfernung des Teillotbereiches vom Sender-Empfänger bzw. vom Schiff
wird dadurch eingestellt, daß die Entfernung der Kontakte für die Auslösung des
Sendeimpuls es und des Kippgerätes längs des Umfanges der sie betätigenden Nockenscheibe
verändert wird.
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Die Erfindung stellt eine Weiterentwicklung des im Hauptpatent beschriebenen
Verfahrens dar, die es möglich macht, nicht die einzelnen angeloteten Objekte, beispielsweise
Fische, selbst anzuzeigen, sondern auch ihre Schwimmrichtung auf dem Bildschirm
der Braunschen Röhre erkennbar zu machen. Zur Durchführung dieser Aufgabe werden
zwei Maßnahmen kombiniert, wobei die erste in der Anwendung einer hohen Folgefrequenz
der gesendeten Meßimpulse und die zweite in einem an sich bekannten Verfahren zur
Feststellung der seitlichen Abweichung der angeloteten Objekte von der Symmetrieachse
des Peilstrahls besteht.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäß angegebenen Verfahrens kann
zur Erzeugung einer hohen Impulsfolgefrequenz eine Echolotapparatur verwendet werden,
wie sie - abgesehen vom Empfängerteil -im Hauptpatent beschrieben und in einer dazu
zweckmäßigen weiteren Ausgestaltung bereits vorgeschlagen wurde. Darüber hinaus
wird eine Empfangseinrichtung verwendet, die mindestens zwei getrennte Schall- oder
Ultraschallempfänger enthält, die mit Hilfe eines Summen- und Differenztransformators
an zwei getrennte Empfangskanäle angeschlossen sind, deren Ausgang je mit einem
Plattenpaar der als Anzeigevorrichtung dienenden Kathodenstrahlröhre verbunden ist.
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Im folgenden soll das Verfahren der Erfindung an Hand der Zeichnung
beschrieben und erläutert werden.
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Fig. I zeigt ein Übersichtsbild über eine Echolotapparatur, die beispielsweise
zur Durchführung des Verfahrens verwendet werden kann.
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Sie besteht aus einem Generator I, der durch Schließen des Schalters
2 zur Aussendung kurzzeitiger Impulse von Schall- oder Ultraschallfrequenz veranlaßt
wird. Diese Impulse werden dem dem als Sender dienenden Wandler 3 zugeführt, der
beispielsweise nach dem magnetostriktiven System aufgebaut sein kann.
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Die vom Wandler 3 ausgesendeten Impulse werden nach Reflexion an
einem angeloteten Objekt von den Empfängern 4 und 5 aufgenommen, die ebenfalls beispielsweise
nach dem magnetostriktiven Prinzip aufgebaut sein können. Durch Anschaltung an die
Transformatoren 6 und 7 mit Hilfe der dargestellten an sich bekannten Summen- und
Differenzschaltung wird dem Verstärkerkanal 8 beispielsweise die Differenz der von
den Wandlern 4 und 5 gelieferten Spannungen und dem Empfangskanal g deren Summe
zugeführt. Durch je ein Phasenglied, das in jedem dieser Empfangskanäle vorgesehen
ist, wird die in den Summen- bzw. Differenztransformatoren entstehende gegenseitige
Verschiebung von go" in der Phase wieder rückgängig gemacht.
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Der Ausgang der beiden Empfangskanäle 8 und 9 ist mit dem senkrechten
bzw. waagerechten Plattenpaar einer Kathodenstrahlröhre I0 verbunden. Die Empfangsbereitschaft
dieser Kathodenstrahlröhre wird durch den Schalter II ausgelöst, der das jeweils
eine einmalige Sägezahnspannung liefernde Kippgerät I2 betätigt. Die beiden Schalter
2 und II zur Auslösung des Sendeimpulses und der Kippspannung werden durch eine
mit konstanter Geschwindigkeit umlaufende Nockenscheibe I3 betätigt, auf deren Umfang
sich in ungleichmäßigen Abständen Nocken I4, I5, I6 und I7 befinden.
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Die Nockenscheibe trägt gemäß diesem Beispiel vier Nocken, so daß
bei jeder Umdrehung vier Meßimpulse ausgesendet werden. Die Zahl der Nocken kann
natürlich auch höher gewählt werden. Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist folgende:
Durch den Umlauf der Nockenscheibe I3 wird über den Generator 2 und den Geber 3
eine Folge von Impulsen erzeugt, die ungleichmäßige zeitliche Abstände haben. Auf
dem Anzeigeschirm der Braunschen Röhre 10 entsteht nur dann ein feststehendes Bild
der empfangenen Impulse, wenn der Schalter II gegenüber dem Schalter 2 so steht,
daß der von dem Nocken 14 ausgelöste Sendeimpuls unmittelbar nach Betätigung des
Schalters II durch denselben Nocken 14 von der Empfangseinrichtung aufgenommen wird.
In diesem Fall werden auch die durch die Nocken I5, I6 und I7 ausgelösten Impulse
in der richtigen Reihenfolge auf dem Bildschirm der Braunschen Röhre angezeigt und
zur Deckung gebracht.
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In Fig. 2 sind zwei Phasenglieder dargestellt, die beispielsweise
am Eingang der beiden Kanäle 8 und 9 vorgesehen sein können, um die Summen- und
Differenzspannung wieder in die richtige gegenseitige Phase zu bringen. Die Phasenglieder
bestehen aus je einem in Reihe geschalteten Kondensator mit der Kapazität C und
einem Widerstand vom Werte R, die mit der ver-
wendeten Schall-
oder Ultraschallfrequenz f der Meßimpulse in folgender Beziehung stehen: 2Xf = I
/RC Dadurch werden die zwischen den beiden RC-Gliedern abgenommenen Spannungen für
die Kanäle 8 und g das eine Mal um plus 45" und das andere Mal um minus 45" gegenüber
den Spannungen v6 und v7 verschoben, die am Ausgang der Transformatoren 6 und 7
abgenommen werden. Dadurch wird erreicht, daß die Ausgangsspannungen v8 und v9 der
Kanäle 8 und 9 wieder in derselben gegenseitigen Phase sind wie die an den Wandlern
4 und 5 entstehenden Ausgangsspannungen v4 und v5.
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Fig. 3 zeigt die Lage der als Striche auf dem Bildschirm der Braunschen
Röhre 10 abgebildeten Echoimpulse, die entsprechend dem Winkelabstand der eintreffenden
Impulse gegenüber der Symmetrieachse des Peilstrahls eine verschiedene Lage auf
der Braunschen Röhre aufweisen. Der Öffnungswinkel a des ausgesendeten Impulsbündels
ist bei der schematischen Darstellung des Schiffes I8 der Deutlichkeit halber größer
als üblich dargestellt.
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Ist beispielsweise die Phasenverzögerung zwischen den beiden Impulsen
Null, d. h. befindet sich der reflektierende Gegenstand beispielsweise bei m genau
in der Symmetrieebene des Peilstrahls, so nimmt das Bild des Echoimpulses eine horizontale
Lage m' auf dem Bildschirm ein. In diesem Falle ist die über den Empfangskanal 8
nach Fig. I geleitete Differenzspannung gleich Null, so daß in vertikaler Richtung
keine Auslenkung erfolgen kann.
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Befindet sich der reflektierende Gegenstand beispielsweise ein Fisch
19 rechts von der Symmetrieebene etwa bei r, so entsteht als Bild ein schräger Strich
r', der von links unten nach rechts oben verläuft. Liegt andererseits der angelotete
Gegenstand links von der Symmetrieebene bei 1, so wird seine Lage durch den mit
1' bezeichneten schrägen Strich angezeigt. Zweckmäßig wird die Apparatur so eingerichtet,
daß bei einer Bewegung des angeloteten Objektes beispielsweise von rechts nach links,
auf die Fahrtrichtung des Schiffes bezogen, eine Drehung des abbildenden Striches
auf dem Bildschirm ebenfalls von rechts nach links von r' über m' nach 1' erfolgt.
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Im Zusammenhang mit Fig. I wurde ein Verfahren zur Erzeugung einer
schnellen Impulsfolge geschildert, wobei die Einzelimpulse ungleiche Abstände haben.
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Die Erfindung ist keineswegs auf diese Ausführungsform beschränkt.
Man kann vielmehr auch hohe Impulsfolgefrequenzen benutzen, wobei die Intervalle
oder Pausen zwischen den Impulsen gleich groß sind. Wichtig ist jedoch, daß man
für den jeweils vorliegenden Zweck eine genügend hohe Folgefrequenz wählt, um eine
annähernd kontinuierliche Verschiebung des Bildes des angeloteten Objektes auf dem
Schirm der Braunschen Röhre zu erhalten. Für Zwecke der Fischerei dürfte es beispielsweise
genügen, die Folgefrequenz mindestens gleich 5 Hz zu wählen.
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Bei Verwendung äquidistanter Lotimpulse kann beispielsweise eine
Folgefrequenz von 7,5 Hz für Lotentfernungen im Wasser unterhalb 100 m verwendet
werden. Bei einer Meßentfernung von 100 m wird bei dieser Frequenz bei einer angenommenen
Schallgeschwindigkeit von I500 mlsec in Wasser die Messung dadurch unmöglich gemacht,
daß der ausgesendete direkte Meßimpuls den reflektierten Echoimpuls verdeckt. Dies
kann man dadurch vermeiden, daß man für die Lotung von Entfernungen um IOO m eine
andere Folgefrequenz, z. B. 5 Hz, einschaltet, bei der sich eine Störung durch den
Sendeimpuls erst bei I50 m ergibt.
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Bei wesentlich größerer Entfernung des angeloteten Objekts als IOO
m und kleinerer Entfernung als 200 m kann dann wieder die Frequenz von 7,5 Hz eingeschaltet
werden usw.
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Die Umschaltung kann mit Hilfe zweier Nockenräder verwirklicht werden,
deren Nocken entsprechend den beiden verschiedenen Impulsfolgen angeordnet sind.
Bei Veränderung des Entfernungs- oder Tiefenbereiches kann automatisch eine Einkopplung
des jeweils gewünschten Nockenrades erfolgen.
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Mit einer solchen Vorrichtung ergibt sich zwar keine eindeutige Entfernungsanzeige
für die verschiedenen Meßbereiche, doch kann auf diese z. B. für Zwecke der Fischerei
oft verzichtet werden, weil dem Fischer im allgemeinen die Tiefen der Fischgründe
bekannt sind bzw. die richtige Tiefe durch einmalige Lotung am Anfang des Fischzuges
festgestellt werden kann.
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Weiterhin ist es möglich, bei Verwendung von mehr als einem Paar
von Empfängern für die Echoimpulse, z. B. bei Anordnung von zwei mit ihren Verbindungslinien
senkrecht zueinander angeordneten Schwingerpaaren, eine Feststellung der Bewegungsrichtung
der angeloteten Objekte in zwei senkrecht zueinander liegenden Richtungen, z. B.
quer und längs zur Fahrtrichtung eines Schiffes, vorzunehmen. Dies ist bei Verwendung
von zwei Empfangskanälen wie in Fig. I ohne weiteres möglich, wenn die Empfängerpaare
wahlweise nacheinander an die Summen- bzw. Differenztransformatoren angeschlossen
werden, wodurch man die Beobachtung beider Bewegungsrichtungen auf der Braunschen
Röhre nacheinander machen kann.
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Durch die gemäß einem Merkmal des erfindungsgemäßen Lotverfahrens
erzielte schnelle Lotfolge kann jede einzelne Phase des Durchgangs des angeloteten
Objektes verfolgt werden. Sind gleichzeitig mehrere Objekte vorhanden, wie dies
z. B. bei einem Fischschwarm der Fall ist, so erkennt man entsprechend viele Echos,
die alle möglichen Lagen haben können.
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Trotzdem kann man aber aus der Drehungsrichtung der einzelnen Bildstriche
die Bewegungsrichtung jedes einzelnen Fisches bzw. des gesamten Schwarms ohne weiteres
feststellen. Dies ist von besonderer Bedeutung für die Fischerei, da es auf diese
Weise möglich ist, einen Schwarm nicht nur in seiner Stärke zu erkennen, sondern
ihm auch entsprechend seiner Schwimmrichtung zu folgen. Bei den bisher bekannten
Echolotgeräten für Zwecke des Fischfangs war dies nicht möglich.
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Das erfindungsgemäß angegebene Verfahren stellt deswegen einen ganz
besonderen Fortschritt für Zwecke der Fischerei dar.