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Verfahren und Einrichtung zur horizontalen Echolotung
Die vorliegende
Erfindung betrifft ein Verfahren zur horizontalen Echolotung zwecks Erzeugung eines
Echobildes des Umkreises oder eines Teiles desselben, insbesondere mittels akustischer
Wellen.
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Zur Erzeugung eines Lagebildes von Gegenständen in einem Sektor der
Horizontalebene ist es bekannt, einen Wellenimpuls in alle Richtungen des Sektors
gleichzeitig auszusenden und die aus den verschiedenen Richtungen zurückkehrenden
Echos gleichzeitig, aber nach Einfallsrichtungen getrennt, zu empfangen und entsprechend
dem Abstand ihres Ursprungsortes aufzuzeichnen.
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Bekannt ist weiter ein Verfahren zum Absuchen des Umkreises, bei
dem ein kurzer Irnpuls gleichzeitig nach allen Richtungen ausgesandt wird und anschließend
mittels eines schnell rotierenden Richtempfängers die aus verschiedenen Richtungen
und Entfernungen kommenden Echos empfangen werden. Die nacheinander empfangenen
Echos liegen auf einer Spirale, die vom Sende-Empfangs-Ort ausgeht und eine größere
Zahl von in geringem Abstand voneinander verlaufenden Windungen aufweist.
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Bei einem anderen bekannten Verfahren wird ein dauernd betriebener
gerichteter Sender ständig gedreht, so daß periodisch in jede Richtung des Umkreises
für kurze Zeit Wellen ausgesandt werden.
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Die Echos werden mitteis eines wesentlich schneller umlaufenden gerichteten
Empfängers empfangen.
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Dabei liegen die während eines Empfängerumlaufes empfangenen Echos
auf einer Spirale mit einer Windung um den Sende-Empfangs-Ort, und die Spirale hat
bei jedem neuen Empfängerumlauf eine etwas andere Lage, da sie synchron mit dem
Sender um den Sende-Empfangs-Ort rotiert.
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Das Lagebild wird in den beiden letzten Fällen
in
der Weise erzeugt, daß synchron mit der Impulsaussendung bzw. der Drehung des Richtsenders
und mit der Drehung des Richtempfängers der Elektronenstrahl eines Kathodenstrahlrohres
auf einer Bahn geführt wird, die der zeitlichen Wanderung des Ursprungsortes eines
potentiellen Echos entspricht, wobei ein tatsächlich empfangenes Echo eine Strahlaufhellung
bewirkt.
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Bei gleicher auf die Flächeneinheit der Strahlflache bezogener Sendeleistung
und gleicher horizontaler und vertikaler Ausdehnung wird mit einem gerichteten Strahler
eine höhere Strahlungsintensität in bestimmter Richtung und damit eine größere maximale
Reichweite erhalten als mit einem ungerichteten Strahler. Das dritte der genannten
Verfahren, das mit gerichtetem Sender arbeitet, verdient daher den Vorzug vor den
beiden anderen Verfahren mit gleichzeitiger Aussendung nach allen Richtungen. Durch
die vorgesehene Betriebsweise bei dem bekannten Verfahren mit gerichteter Aussendung,
wonach ständig Wellen ausgesandt und gleichzeitig Echos empfangen werden sollen,
ist jedoch die praktische Brauchbarkeit ernstlich in Frage gestellt. Der bei der
Aussendung von Wellen in nächster Nähe des Empfängers entstehende Nachhall bzw.
die Rückstrahlung vom Erdboden in der Umgebung des Senders machen den Empfang schwacher
Echos unmöglich. Dies wirkt sich besonders aus bei Ortungsanlagen für groBe Reichweiten,
z. B. 20 km für Wasserschall oder 500 km für elektromagnetische Wellen, die im Vergleich
zu normalen Anlagen für kleinere Reichweiten eine wesentliche Erhöhung der Sendeleistung
verlangen. Die Störung des Empfanges durch die Rückstrahlung der ausgesandten Wellen
kann auch durch gegenseitige Abschirmung von Sender und Empfänger nicht beseitigt
werden.
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Zur Erzielung gober Reichweiten bei der Erzeugung eines Echobildes
des Umkreises oder eines Teiles desselben mittels akustischer Wellen durch periodische
horizontale Echolotung wird in den zu erfassenden Winkelbereich zunächst Wellenenergie
mit einer in jeder Richtung wirksamen Impulslänge T gerichtet ausgesandt, indem
man einen Richtstrahl einmal über diesen Bereich bewegt.
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Gemäß der Erfindung erfolgt unter bewußtem Verzicht auf einen gewissen
Nahbereich zunächst nur die Aussendung der Wellenenergie, und zwar innerhalb einer
Zeit, die wesentlich kleiner ist als die Rückkehrzeit der Echos von Objekten an
der Grenze der vorgesehenen Reichweite, und es werden erst nach dieser Aussendung
über den gesamten Winkelbereich und während einer der vorgesehenen Reichweite entsprechenden
Zeit die aus dem beschallten Bereich zurückkehrenden Echos zumindest bruchstückweise
selektiv nach Azimut und Abstand ihres Ursprungsortes empfangen und zur Erzeugung
eines Lagebildes ihrer Ursprungsorte herangezogen, z. B. mit einer Gruppe verschieden
gerichteter Empfänger. Es kann aber auch mit einem in schneller Folge über den bestrahlten
Winkelbereich geschwenktem Empfangsrichtstrahl gearbeitet werden, dessen Winkelgeschwindigkeit
so bemessen ist, daß der zu erfassende Winkelbereich in Zeitabständen gleich oder
kleiner als die Impulslänge überstrichen wird. Die Breite a1 des Senderichtstrahles
und die Impulsdauer sind dabei so zu bemessen, daß bei einem abzusuchenden Winkelbereich
und einer Wellengeschwindigkeit v die größte Ausdehnung rO O des nicht erfaßten
Nahbereiches, bestimmt durch die Gleichung V T ro, o -.-0, 2 oui den gewünschen
Wert nicht überschreitet und jedenfalls wesentlich kleiner bleibt als die gewünschte
Reichweite. Durch den Verzicht auf die Erfassung des Nahbereiches ist es möglich,
den gesamten Winkelbereich zunächst nacheinander mit großer Energie scharf gerichtet
zu bestrahlen und erst dann die Echos von Objekten jenseits des Nahbereiches mit
optimaler Empfindlichkeit und Reichweite zu empfangen. Auch bei Anwendung einer
Gruppe verschieden gerichteter Empfänger ist es im Hinblick auf den sogenannten
Nullschall und den Nachhall zweckmäßig, während der Sendezeit ganz auf den Empfang
zu verzichten.
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Die Art der Abtastung der Echoorte ist begiebig, und es können auch
Empfangseinrichtungen anderer Art benutzt werden, die eine Zuordnung der Echos zu
ihrm Ursprungsort und eine Anzeige der Echos in einer diesem entsprechenden Lage
ermöglichen.
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Bei dem bekanntenVerfahren, bei dem der Senderichtstrahl in ununterbrochener
Folge über den abzusuchenden Winkelbereich geschwenkt wird, bestimmt die Periode
der Richtstrahlschwenkung die maximale Reichweite. Das Verfahren nach der Erfindung
unterliegt keiner solchen Beschränkung, da die Reichweitengrenze durch Verlängerung
der Echoempfangszeit beliebig hinausgeschoben werden kann.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird von vornherein damit gerechnet,
daß während der Aussendung von Wellen keine Echos empfangen werden können. Auf diese
Weise geht zwar ein gewisser Nahbereich für die Echoabbildung verloren, dies beeinträchtigt
die Brauchbarkeit des Verfahrens jedoch nicht nennenswert, da dessen Hauptaufgabe
in der Absuchung eines bis zu wesentlich größeren Entfernungen reichenden Bereiches
zu sehen ist.
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Da Aussenden und Empfang von Wellen zu verschiedenen Zeiten erfolgen,
ist es möglich, eine zur Erzeugung eines schwenkbaren Richtstrahles geeignete Strahleranordnung
abwechselnd für beide Zwecke zu verwenden.
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Die Erfindung sei an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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Abb. 1 veranschaulicht die Lage und Wanderung der Sendeimpulse in
einem bestrahlten Winkelbereich , Abb. 2 den nicht erfaßten Nahbereich bei abwechselnd
gegensinniger Richtstrahlschwenkung, Abb. 3 ein Verfahren zum Empfang der Echos
in Teilsektoren des bestrahlten Winkelbereiches ,
Abb. 4 eine Einrichtung
zur Ausführung eines Verfahrens gemäß Fig. 3.
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Hat die Strahlbreite des Senderichtstrahles, bezogen auf einen Abfall
der Strahlungsintensität von 6 dB die Große ai und wird dieser Richtstrahl mit der
Winkelgeschwindigkeit °o1 über einen abzusuchenden Sektor 0 geschwenkt, so ist die
Dauer der Aussendung von Wellen in einer bestimmten Richtung und damit die effektive
Impulslänge gegeben durch 1. T = 1 und die Dauer der Sendezeit durch COl 2. T,=~
#1 α1 Im allgemeinen wird man zunächst einen geeigneten Wert T wählen, z.
B. 0, 1 bis 0, 5 Sekunden für Wasserschall und 1 bis 6 Mikrosekunden für elektromagnetische
Wellen, danach einen verhältnismäßig kleinen Wert für a,, wobei zu berücksichtigen
ist, daß die Abmessungen der Strahleranordnung proportional mit der Wellenlänge
X und umgekehrt proportional ost wachsen, und aus beiden Werten die Schwenkgeschwindigkeit
mit der Beziehung 3.
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3. #1 = # berechnen.
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Die bei der Schwenkung ausgesandten Wellen breiten sich als Impulsband
in Form einer archimedischen Spirale aus. Im halben Abstand dieser Spirale vom Anfangspunkt
befinden sich jeweils die Orte, von denen in einem bestimmten Augenblick Echos empfangen
werden können. Insgesamt sind diese Orte gegeben durch eine Echospirale als Mittellinie
eines Echoempfangsbandes, die im Augenblick der Beendigung der Aussendung dargestellt
ist durch die Gleichung v # - # 4. r0 = 2 =, wo v die Wellengeschwindigkeit und
p den von der Anfangsrichtung der Richtstrahlschwenkung aus gerechneten Strahlwinkel
bezeichnet. In Abb. 1 bezeichnen die Strahlen 1 und 2 die Grenzen des abzusuchenden
Winkelbereiches 0, der Pfeil 4a die Schwenkrichtung des Senderichtstrahles, die
Kurve 3 die Lage der Echospirale am Ende der Aussendung und die Kurve4 ihre Lage
zu einem späteren Zeitpunkt. Die Breite des Echobandes 4 b ist gestrichelt angedeutet.
Sie beträgt z-2. Die Echospirale wandert mit der Geschwindigkeit 2 auf den radialen
Strahlen nach außen und hat zu einer Zeit t nach Beendigung der Aussendung die Lage
Um nach der Aussendung aus dem von der Spirale überstrichenen Raum sämtliche auftretenden
Echos abhängig von ihrer Richtung und Entfernung zu empfangen, wird bei einer Form
des Verfahrens nach der Erfindung der Winkelbereich # gleichsinnig in schneller
Folge von einem Empfangsrichtstrahl mit der Strahlbreite a2 (Abb. 3) und der Winkelgeschwindigkeit
coy überstrichen, und zwar in Zeitabständen gleich oder kleiner als die Impulslänge
#. Zu jedem Zeitpunkt werden Echos aus einem Elementarbereich mit der tangentialen
Breite rt ° und der radialen Ausdehnung z 2 empfangen. Bei aufeinanderfolgenden
Schwenkungen des Empfangsrichtstrahles überlappen sich diese Elementarbereiche mehr
oder weniger. Setzt man voraus, daß der Empfangsrichtstrahl gleich nach Verlassen
des Winkelbereiches # an einer Seite auf der anderen Seite wieder in diesen eintritt,
so gilt nach obigem die Beziehung 6. #2 # #/#.
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Aus einem Vergleich mit Gleichung 3) folgt, daß die Schwenkgeschwindigkeit
des Empfangsrichtstrahles mindestens im Verhältnis # : α1 größer ist als die
des Senderichtstrahles. (Ixn Interesse einer einfachen Darstellung ist hier wie
auch an anderen Stellen der Beschreibung von gewissen Vernachlässigungen Gebrauch
gemacht.) Die Dauer der EmpfangszeitT2 hängt von der vorgesehernen Grenzreichsweite
Rg ab und ist 7. T2 = Rq/v.
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Die Zeit zwischen zwei Aussendungen in gleicher Richtung bzw. die
Wiederkehrperiode der Informationen über ein Ziel ist 8. T = T1 +. T2 as T2.
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Die Anzeige der Lage echoerzeugender Gegenstände kann z. B. mit Hilfe
eines Kathodenstrahlrohres mit Nachtleuchtschirm erfolgen, dessen Elektronenstrahl
in der Empfangszeit entsprechend der zeitabhängigen Lage des Ortes potentieller
Echos abgelenkt wird.
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Die Schwenkbewegung des Empfangsrichtstrahles wird im allgemeinen
übereinstimmend mit der des Senderichtstrahles gewählt werden, kann dieser aber
auch entgegengesetzt sein, doch müssen die aufeinanderfolgenden Schwenkungen des
Empfangs-
richtstrahles in jedem Fall unter sich gleichsinnig sein.
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Dadurch, daß Senden und Empfang zu getrennten Zeiten erfolgen ; werden
bei dem Verfahren nach der Erfindung keine Echos aus dem Gebiet empfangen und angezeigt,
das auf der Innenseite der Echospirale 3 für den Beginn des Empfangs liegt. Da bei
der ins Auge gefaßten Anwendung die Zeit T2 ein Vielfaches der Zeit T, ist ; wird
dadurch die Absuchleistung, gemessen an der in der Zeiteinheit abgesuchten Flache,
nicht wesentlich verringert.
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Nach Gleichung 4) ist die größte Ausdehnung des nicht erfaßten Nahbereiches
gegeben durch 9. yo, o = v -v z .
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2 2 Man sieht hieraus, daß ai nicht beliebig klein und # nicht beliebig
groß gemacht werden können, wenn ro, o nicht von der Größenordnung der gewünschten
Reichweite werden soll. Dies ist gegebenenfalls bei der Wahl von # und al zu berücksichtigen.
Bei den normalerweise für eine technische Ausführung in Betracht kommenden Werten
von # und at wird sich allerdings gewöhnlich selbst ein Wert von ro, o ergeben,
der wesentlich kleiner als die gewünschte Reichweite ist.
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Die Größe der ständig unabgesucht bleibenden Fläche kann wesentlich
verringert werden, wenn in aufeinanderfolgenden, durch die dazwischenliegende Empfangszeit
getrennten Sendezeiten jedesmal die Schwenkrichtung des Senderichtstrahles umgekehrt
wird. Die Schwenkrichtung des Empfangsrichtstrahles kann der des Senderichtstrahles
in der vorangegangenen Sendezeit angepaßt oder auch unverändert beibehalten werden.
In Abb. 2 sind die nur bei jeder zweiten Aussendung erfaßten Flächenstücke 5 und
6 durch einfache, die unerfaßt bleibende Fläche 7 durch doppelte Schraffierung gekennzeichnet.
Die größte radiale Ausdehnung des 'toten Nahbereiches ist im Vergleich zur Benutzung
eines gleichsinnig geschwenkten Senderichtstrahles halbiert.
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Zur Erzeugung des Sende-und/oder Empfangsrichtstrahles kann ein um
eine vertikale Achse schwenkbarer Richtstrahler benutzt werden, dessen Richtschärfe
in vertikaler Ebene in iiblicher Weise etwa gleich der in horizontaler Ebene gewählt
wird.
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Für eine Absuchung des Umkreises bis zu einer Entfernung Rg = 20 km
mit der Impulslänge z = 0, 2 sek ist der Richtstrahler periodisch wiederkehrend
während eines Umlaufs mit der Geschwindigkeit von 0, 14 Umläufen pro Sekunde als
Sender und anschließend während 27 sek, wobei die Drehgeschwindigkeit auf 5 Umläufe
pro Sekunde erhöht ist, als Empfänger zu betreiben.
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Soll z. B. nur ein Sektor von 90° abgesucht werden, so muß insbesondere
beim Empfang der Richtstrahler nach jeder Schwenkung des Richtstrahles über den
abzusuchenden Sektor möglichst schnell in die Anfangsstellung zurückgeführt werden.
In diesem Falle ist es vorteilhafter, für den Empfang der Echos vier Richtstrahler
mit um 90° versetzten Hauptstrahlrichtungen gleichmäßig umlaufen zu lassen. Mit
Zugrundelegung der vorstehend angegebenen Werte für Rg und T ergibt sich die Drehgeschwindigkeit
der Strahler wegen des kleineren abzusuchenden Winkelbereiches zu nur 1, 25 Umläufen
pro Sekunde. Es wird jeweils nur derjenige der vier Strahler eingeschaltet, dessen
Hauptstrahlrichtung in den abzusuchenden Sektor fällt.
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Um die mit einer mechanischen Drehung verbundenen Schwierigkeiten
zu vermeiden, kann man zum Schwenken eines Richtstrahles über einen Sektor von 120°
oder weniger eine feststehende lineare Gruppe von im wesentlichen ungerichteten,
vorzugsweise in gleichmäßigen Abständen angeordneten Strahlern vorsehen in Verbindung
mit Einrichtungen für die Erzeugung von dem Abstand eines Strahlers von einem Ende
der Gruppe proportionalen, proportional der Zeit veränderlichen Phasenverschiebungen
der Speise-bzw. Empfangsspannungen. Mit einer derartigen Anordnung kann ein Sende-oder
Empfangsrichtstrahl leicht mit beliebiger Geschwindigkeit über einen abzusuchenden
Winkelbereich geschwenkt werden.
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Zur Schwenkung des Empfangsrichtstrahles kann man auch einen sogenannten
elektrischen Kompensator benutzen. Jeder Einstellung eines solchen Kompensators
ist eine bestimmte Einfallsrichtung der Wellen zugeordnet, und bei jeder Einstellung
erfahren die Empfangsspannungen Phasenverschiebungen, die sie für die zugeordnete
Einfallsrichtung gleichphasig machen, so daß die betreffende Einfallsrichtung ein
Hauptstrahlungsmaximum der Gruppe wird. Der Kompensator enthält eine Verzögerungskette,
der die Empfangsspannungen durch auf Kreisbahnen auf einem Streifenkollektor umlaufende
Kontakte an wechselnden Anschlußpunkten zugeführt werden. Wegen der bei dauerndem
Umlauf der Kontakte zu erwartenden starken Abnutzung kann es vorzuziehen sein, fest
eingestellte Verzögerungseinrichtungen für die verschiedenen in Betracht kommenden
Einfallsrichtungen zu verwenden.
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Durch den gleichzeitigen Empfang der Echos aus den verschiedenen
Richtungen des abzusuchenden Winkelbereiches entsteht außerdem ein besonderer Vorteil,
auf den im folgenden noch näher eingegangen wird.
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Eine Einrichtung, mit der die Echos getrennt nach Richtungen empfangen
werden können, sei an Hand der Abb. 3 und 4 beschrieben. Abb. 3 zeigt einen von
dem Punkt 11 mit Wasserschall abzusuchenden Winkelbereich 12 mit einem Offnungswinkel
# = 90°. Mit irgendeiner der dafür beschriebenen Einrichtungen wird in größeren
Zeitabständen ein Senderichtstrahl über den Sektor geschwenkt und Schall nacheinander
für eine bestimmte Zeit r in die verschiedenen Richtungen des Sektors ausgesandt,
worauf nach Beendigung der Aussendung die Echos empfangen werden. Bei Kenntnis der
Einfallsrichtung T eines Echos ergibt sich der radiale Abstand ri seines Ursprungsortes
vom Punkt 11 aus der nach Beendigung der Aussendung verflossenen Zeit t nach Gleichung
5). Zur ausreichend genauen
Feststellung vonp ist der Winkelbereich
0 in Winkelteilbereiche, z. B. 13, 14, 15, von ungefähr übereinstimmender Größe
a2 unterteilt, und die darin auftretenden Echos werden mit der Einrichtung nach
Abb. 4 getrennt empfangen und aufgezeichnet.
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In Abb. 4 bezeichnet 17 die Empfänger einer geraden Strahlergruppe,
die im Punkt 11 senkrecht zu der Mittellinie 16 des abzusuchenden Sektors angeordnet
ist und deren Länge entsprechend der r gewünschten Richtschärfe 2 gewählt ist. Der
Empfängerabstand ist ausreichend klein für eine eindeutige Richtwirkung der kompensierten
Gruppe gewählt. Über Entkopplungsglieder 18 werden die Empfangsspannungen zur Erzeugung
symmetrisch zur Mittellinie 16 liegender Empfangsrichtstrahlbereiche 14, 15 Verzögerungsketten
zugeführt, von denen nur eine bei 19 beispielsweise dargestellt ist.
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Die für die mittlere Schalleinfallsrichtung eines bestimmten Winkelteilbereiches
14 erzeugten Empfangsspannungen sind nach der Vereinigung über eine zugehörige Kette
19 am Ausgang 20 der Kette gleichphasig ; am anderen Ausgang 21 sind sie es für
eine symmetrische Schalleinfallsrichtung. Uber Verstärker 22 werden die verschiedenen
Schalleinfallsrichtungen zugeordneten resultierenden Spannungen einem Schreibgerät
zugeführt, in welchem eine Aufzeichnung der Echos nach den Koordinaten, rt erfolgt.
Eine der Zahl der unterschiedenen Schalleinfallsrichtungen entsprechende Zahl von
Schreibstiften 23 ist an Fäden 24 befestigt, die einerseits durch Stifte 25 geführt,
auf einer Walze 26 aus Isoliermaterial aufgewickelt und andererseits durch einen
Ring 27 geführt sind und von einer Feder28 unter Spannung gehalten werden.
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Die Ausgangsspannungen der Verstärker 22 werden den Schreibstiften
23 durch Schleiffedern 29 über die auf der Walze aufgewickelten, bis zu den Schreibstiften
23 elektrisch leitend gemachten Fäden 24 zugeführt. Die Fäden sind unter den gleichen
Winkeln wie die zugehörigen Empfangsrichtungen angeordnet, und die Anfangsstellung
der Schreibstifte gibt die Lage der Echospirale am Ende einer Aussendung wieder.
Die Aufzeichnung der Echos erfolgt auf einem Blatt elektrisch leitenden Papiers
30. Die drehbar gelagerte Walze 26 kann durch eine über die Steuerleitung 32 ein-und
ausschaltbare elektrische Kupplung 31 mit dem ständig laufenden Motor 33 verbunden
werden. Am Ende einer Aussendung wird die Kupplung 31 selbsttätig eingeschaltet,
so daß die Fäden 24 von der Walze 26 aufgewickelt werden und die Schreibstifte 23
sich mit gleichmäßiger Geschwindigkeit nach außen bewegen, wobei empfangene Echos
in der richtigen Lage aufgezeichnet werden. Kurz vor Beginn einer neuen Aussendung
wird die Kupplung 31 ausgerückt, worauf die Feder 28 die Schreibstifte 23 in die
Ausgangslage zurückzieht. Die Verstärker 22 weisen wie üblich eine laufzeitabhängige
Verstärkungsregelung auf.
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Beim Empfang der Echos mit einem rotierenden Richtstrahl wird die
ursprüngliche, die Dauer T der Aussendung in einer bestimmten Richtung entsprechende
Echolänge ganz wesentlich verkürzt bzw. zerhackt, da mit dem rotierenden Richtstrahl
Schall aus einer bestimmten Richtung nur während der kurzen Zeit L raz (t) 2 0 empfangen
wird. Die Bandbreite des Empfangsverstärkers muß dieser kurzen Impulsdauer angepaßt
sein, so daß die in-der Verwendung langer Impulse liegende Möglichkeit einer besseren
Störbefreiung unausgenutzt bleibt. Bei dem nach Richtungen getrennten Echoempfang
dagegen werden die Echoimpulse in ihrer ganzen Länge empfangen.
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Man kann deshalbEmpfangsverstärker mit geringer Bandbreite entsprechend
der wirksamen Impulslänge T verwenden, wodurch die aus kurzen Impulsen bestehenden
Störungen wirksam unterdrückt werden.
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Sollen die Echos nicht wie bei der Anordnung nach Abb. 4 nach Richtungen
getrennt aufgeschrieben, sondern, insbesondere beim Arbeiten mit elektromagnetischen
Wellen, auf dem Schirm eines Kathodenstrahlrohres dargestellt werden, so ist es
erforderlich, die gleichgerichteten Ausgangsspannungen der Empfangsverstärker 22
in schneller Folge zyklisch abzutasten, während der durch die Echoempfangsspannung
hellzutastende Elektronenstrahl des Kathodenstrahlrohres synchron auf Spiralbahnen
in stufenweise zunehmenden Abständen vom Anfangspunkt geführt wird, mit schnellem
Rücklauf beim Übergang von einer Bahn zur anderen. Die Abtastung der gleichgerichteten
Empfangsspannungen erfolgt am Ausgang eines Tiefpasses mit der Impulslänge r entsprechender
Bandbreite.
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Die gleichgerichtete Empfangsspannung kann z. B. einem Kondensator
mit Entladewiderstand miteiner Zeitkonstante gleich T zugeführt werden, auf dem
die Echoempfangsspannung vorübergehend gespeichert wird.
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Die Periode T'der zyklischen Abtastung der den verschiedenen Empfangsrichtungen
zugeordneten Empfangsspannungen sollte mindestens etwas klei- : ner als r sein,
kann aber auch, zwecks besserer Wiedergabe der Echoform, nur einen Bruchteil davon
betragen, ohne daß der bezüglich der Störunterdrückung erzielte Vorteil verlorengeht.
Die abgetasteten Spannungen werden dem Helligkeitssteuergitter des Kathodenstrahlrohres
über einen Bild- (Abtast-) Verstärker zugeführt, dessen Bandbreite entsprechend
der Dauer der Einzelabtastung T'zou bemessen ist.
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Für die Abtastung der Empfangsspannungen für die verschiedenen Empfangsrichtungen
wird vorteilhafterweise eine elektronische Vielgitterabtaströhre vorgesehen, deren
Gitter ständig mit den abzutastenden Ausgängen verbunden sind. Der Elektronenstrahl
des Kathodenstrahlrohres erfährt genau wie bei der unmittelbaren Abtastung des Strahlungsfeldes
mit einem geschwenkten Richtstrahl außer einer periodisch, entsprechend der Periode
T'der zyklischen Abtastung wiederholten Schwenkung
eine durch eine
kurz-und eine langperiodige Sägezahnspannung erzeugte radiale Ablenkung. Dabei stimmt
die kürzere Sägezahnperiode mit der Schwenkperiode überein, während die längere
gleich T, d. h. gleich der Wiederkehrperiode der Wellenaussendung in gleicher Richtung
ist.
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Mit zyklischer Abtastung des Gesamtbereiches # nach Empfangsrichtungen
ist eine Darstellung, z. B. auf einem Braunschen Rohr, in Polarkoordinaten p, rt
(sogenannte PPI = plan position indicator-Darstellung), wie beschrieben, oder in
Kartesischen Koordinaten x = #. Y = rt (SSI = sector scanning indicator) möglich.
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Bei SSI-Darstellung wird bei der Entfernungsdarstellung in der y-Achse
einer zeitproportionalen vertikalen Ablenkspannung mit der Periode T und einer der
Reichweite Rg entsprechenden Amplitude eine Sägezahnspannung im Takt der Echospiralenabtasutng
#' überlagert, deren Amplitude der Entfernung =.T r0, o = U T entspricht (schiefes
Zeilenraster).
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Bei PPI-Darstellung kann die durch die Echospirale verursachte Verzerrung
auch in-der Weise kompensiert werden, daß durch im Takt der Spiralabtastung aufgeprägte
Spannungen der Mittelpunkt der PPI-Darstellung derart verschoben wird, daß er den
geometrischen Ort aller Mittelpunkte von Kreisen durchläuft, die durch die Lage
der Echospirale zu verschiedenen Zeiten bestimmt werden, und daß nach Umschalten
auf Empfang und damit zum Zeitpunkt des Beginns der Spiralabtastung der Echoorte
der zeichnende Elektronenstrahl auf einem Kreis entsprechend der Anfangsform der
Echospirale nach Gleichung 4) geführt wird.
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Der durch die Erfindung erzielte Fortschritt werde an zwei Beispielen
für ein Radar-Groß-Rundsuchgerät zahlenmäßig veranschaulicht : Bei den bisher üblichen
großen Rundsuchanlagen der Radartechnik gelten z. B. folgende Werte : Größe Reichweite
Rg = 450 km v = 300 000 km/sek n = 8 (Anzahl der bei einmaligem Überlauf des Sende-Empfangsrichtstrahles
von einem Ziel empfangenen Echos) CY, = = t° = 360° und damit Zeit für einmalige
Abbildung des Umkreises T = etwa 10 sek, In dieser Zeit legt ein Jäger mit v = 1800
km/Std. eine Strecke von 5 km zurück. Für manche Anwendungsfälle ist es unerläßlich,
die Anzahl von Informationen je Minute beträchtlich heraufzusetzen.
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Mit Benutzung des Verfahrens nach der Erfindung, wobei insbesondere
die Echos aus verschiedenen Winkelteilbereichen, gleichzeitig aber getrennt empfangen
werden, ergeben sich folgende Werte : Vorgesehene maximale Reichweite
| Frequenz der Häufigkeit der |
| Ri, 450 km Abb. des |
| v = 300 000 km/sek 4 Sektors böchstens |
| v 300 000 |
| f # = = 330/sek |
| 2Rg 900 |
Zeit zwischen zwei Aussendungen in gleicher Richtung, mindestens T 3 msek α1
= α2 = 1° # = 3 µ/sek fA = 100° Sendezeit T1 = ##/α, 300 psek Tastverhältnis
T1 : T = 1: 10 Frequenz der zyklischen Abtastung der Empfangsrichtungen # 1/# =
330 000/sek Abstazeit je 1° # #/# = 3,0 # 10-8 sek.
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Frequenzband des einzelnen Empfangsverstärkers #fc # 330 kHz Frequenzband
des Bild- (Abtast-) Verstärkers ZJ fa > 330 MHz Radiale Auflösung v/2 ###450
m Toter Nahbereich --300 u. sek c 45 km.
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Es ist in der Unterwasserschalltechnik bekannt, bei Panoramaanlagen
gleichzeitig zur Rundumabtastung eine frei wählbare Einzelrichtung unter Beobachtung
zu halten. Die hierfür bekannte Lösung durch Aufteilung der Gesamtgruppe in zwei
sich teilweise überlappende Teilgruppen mit versetztem Schwerpunkt und übereinstimmenden,
dem gleichen Winkelteilbereich entsprechenden Richtcharakteristiken, wobei die Azimut-Feinbestimmung
eines Zieles durch Verwertung der Phasenbeziehung zwischen den resultierenden Empfangsspannungen
der Teilgruppen, z. B. nach der sogenannten Summe-Differenz-Methode erfolgt, kann
bei dem Verfahren nach der Erfindung in der Weise angewendet werden, daß für gleichzeitige
Beobachtung von m > 1 Richtungen m unabhängig voneinander wirkende Vorrichtungen
für Einzelrichtungen, deren jede in einem Winkelteilbereich, wie z. B. 14 in Abb.
3, arbeitet, vorgesehen werden. Bei dem normalen Radarverfahren ist dieses nicht
möglich, da dabei die Wellenimpulse scharf gebündelt ausgesandt werden und nicht,
wie bei dem Verfahren nach der Erfindung, ein größerer Winkelbereich mit Strahlungsenergie
versorgt wird.
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Die Informationen
können dabei fortlaufend einem Rechengerät zugeleitet werden, das unmittelbar die
Relativbewegung beider Ziele zueinander, Kurs und Abstand ermittelt. Auf diese Weise
ist es rnöglich, das eine Ziel nach fortlaufend korrigierten Informationen auf das
andere Ziel zu führen, bis ihre Echos in den gleichen Winkelteilbereich zu liegen
kommen und schließlich zusammenfallen. Gegenüber der bisherigen Darstellung der
Ziele, z. B. bei Radar-Großanlagen mit Abtastzeiten von ~ 10 sek und Azimutablesung
durch Schätzung des Mittelpunktes der Anzeige, hat das Verfahren nach der Erfindung
nicht nur den Vorteil der praktisch kontinuierlichen Anzeige (Bildfrequenz etwa
300 Hz), sondern außerdem ist die Winkeläuflösung innerhalb der Breite der einzelnen
Gruppencharakteristik erheblich größer, zumindest solange nicht zwei oder mehr Ziele
innerhalb einer solchen zusammentreffen. Die möglichen Fehler, die in die Rechengeräte
eingehen, sind damit weitaus kleiner, und die Auswertung stützt sich auf eine um
mehrere Zehnerpotenzen höhere Zahl von Einzelinformationen als bei den bisher üblichen
Rundsuchgeräten. Bei nach Richtungen getrenntem Echoempfang können zwecks Aussiebung
der Echos bewegter Ziele (MTI) auch wahlweise auf einem Empfangsverstärker 22 aufschaltbare
Schaltmittel zum Vergleich der Phasenlage aufeinanderfolgender Echos in bezug auf
die Phase des Sendeimpulses vorgesehen sein.
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Die Aussendung kann auch impulsweise mit Pausen zwischen den Impulsen
erfolgen, in welchem Fall die Schwenkgeschwindigkeit des Richtstrahles nur so groß
sein darf, daß die bei jeder Impulsaussendung mit Strahlungsenergie versorgten Winkelbereiche
sich etwas überlappen. Der Empfang der Echos beginnt erst nach Beendigung der Bestrahlung
des gesamten abzusuchenden Winkelbereiches, wobei die Dauer der Empfangszeit durch
die zur Rückkehr der aus der der vorgesehenen Reichweite entsprechenden Entfernung
kommenden Echos erforderliche Zeit bestimmt ist. Anschließend werden dann wieder
für eine begrenzte Zeit Wellen mit einem geschwenkten Richtstrahl ausgesandt, die
Echos empfangen, usf.