NO153021B - Anordning for maaling av vannstroemning - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører strømmålere som er anordninger for måling av strømmer i vann, mer spesielt hastigheten av hav-strømmer ved hjelp av Doppler-effekten.

Målingene utføres på et fartøy i bevegelse, og strømhastighetene bestemmes praktisk talt fra overflaten og til store dybder som kan overstige 1000 m.

Kjennskapet til strømmens profil som funksjon av dybden er viktig for å fullstendiggjøre navigatørens bedømmelse, navigering av undervannsbåter, olje- og mineralleting til havs, geofysiske studier og kjennskapet til omgivelsene.

En type såkalte klassiske strømmålere så som skruemålere og elektromagnetiske målere, må plasseres i miljøet for å måle strømmen, og med mindre man bruker flere sensorer, kan disse mål-erne bare utføre en punktmåling. Det er kjent at hvis man på kvasimomentan måte vil måle strømmens profil, må man bruke en annen type strømmålere, nemlig Doppler-målere. Hertil bruker en sonarer med senderaksene på skrå i forhold til vertikalen. De oppnådde ekkoer skyldes for det første volumrefleks og for det annet refleksjon fra havbunnen.

De ekkoer som skyldes volumrefleks, underkastes en frekvensvari-asjon som skyldes Doppler-effekten, og avhenger av fartøyets relative fart i forhold til strømmen i målepunktet. Den dybde som svarer til målepunktet, finner man av returtiden. Fartøyets absolutte fart beregnes ut fra frekvensvariasjonen av ekkoet fra bunnen på grunn av Doppler-effekten

Målingene utføres i to perpendikulære vertikalplan. Dermed finner man vektorene fartøyets fart gejnnom vannet relativt strøm-men og fartøyets fart over grunnen. Vektoren strømmens hastighet over grunnen finner man ved substraksjon av de nevnte vek-torer. Ettersom denne operasjon utføres for alle volumekkoer på de forskjellige dybder, oppnår man en profil av strørahas-tighets-vektorene.

Ifølge den tidligere teknikk bruker man bare én frekvens for

å oppnå tilbakeslagsekkoene (volumekkoene) og bunnekkoet. For imidlertid å oppnå effekter som er tilstrekkelige for tilbake-kastingsekkoene, har erfaringen vist at man må bruke høye frekvenser (^50 kHz) . For derimot å oppnå ekko fra dybder på omkring 3.000 m må man, hensyn tatt til forplantningstapene, bruke lave frekvenser ('v 10 kHz) .

Men bruken av lav frekvens krever transduktordimensjoner av størrelsesorden meter for en åpningsvinkel på 7° i strålings-diagrammet. Dette ville føre til en uønsket størrelse av transduktorene.

Anordningen ifølge oppfinnelsen bøter på disse mangler og tillater måling av hastighetsprofilen selv for dybder på 3000 m med sendere/mottagere med redusert omfang takket være at man bruker samtidig sending på to høye frekvenser. Mottagningen foregår da på høye frekvenser for volumekkoene og på lav frekvens for ekkoet fra bunnen. Den lave frekvensen er differan-sen mellom de to høye frekvensene. Denne overføringen av differansefrekvensen skyldes vannets ulineære virkninger, og har god direktivitet. Det er kjent at ekvivalentantennen for differansefrekvensen er interferensområdet for de to bølger som sendes på høye frekvenser, og som er meget større enn senderantennen. Ved hjelp av anordningen ifølge oppfinnelsen er det mulig å måle strømhastigheter selv på store dybder.

Mer presist vedrører oppfinnelsen en måleanordning for havstrøm^ mer, kalt strømmåler, plassert på et fartøy i bevegelse,omfattende en Doppler-effekt-sonar som sender og mottar langs retninger Dj_, D2 , D3 og D4, idet D^ og D2 ligger i et plan Oxz og danner vinklene + CX og - Ot med vertikalen Oz, idet D3 og D4 ligger i planet Oyz perpendikulært på Oxz og D3 og D4 danner vinklene + OC og

- Qc med Oz, idet de mottatte signaler skriver seg fra volum-tilbakekastingen i vannmiljøet og fra refleksjoner fra bunnen, og idet anordningen også omfatter behandlingsmidler (4) for de mottatte signaler for å beregne de horisontale komponenter av strømmens hastiheter i forhold til fartøyet og de horison-

tale komponenter av fartøyets hastighet så vel som midler til å beregne de horisontale komponenter av strømmenes hastigheter i forskjellige dybder, og kjennetegnes ved midler innrettet for via en og samme antanne samtidig å sende ut to høye frekvenser fi og ±2 0(? 1 behandlingsmidlene anordnede mottagningsmidler for gjennom en og samme antenne samtidig å motta de volumtilbakekastningssignaler som er påvirket av Doppler-effekten på frekvensene f-^D , f^ 2K f!(<3>), f].(4), f2 (1) >

<f>2^<2>^/ f 2 ^ °9 f2 ^ henholdsvis svarende til frekvensene f^

og f2 og langs retningene D^, D2, D2 og D4 så vel som signaler på frekvensene F^, F^, F (3) og <p>(<4>) som skriver seg fra bunnen og svarer til signaler på en lav frekvens F=f-^ - f2 som genereres på grunn av vannmassens ulineariteter i retningene D^, D2, D3 og D4, idet behandlingsmidlene avgir verdiene av komponentene av hastigheten fartøy/strøm langs Ox ut fra verdiene f]_^ - f]^<2>) og/eller f 2 ^ ~ ^ 2^ og komponentene langs Oy ut fra verdiene f j_ ^ ~^j</4>^ og/eller f ~ f 2 ^ ' idet komponentene av fartøyets absolutte hastighet langs Ox og Oy beregnes ut fra verdiene F(l) -F(2) og F(3) -F(4),

og hvor disse verdier av hastighetskomponentene brukes til beregning av strømmenes hastigheter.

Andre trekk og fordeler vil fremgå av følgende beskrivelse i forbindelse med figurene, hvor:

- figur 1 er et prinsippskjerna for Doppler-strømmåleren,

- figur 2 er et generelt skjema av anordningen ifølge oppfinnelsen,

- figur 3 er et generelt skjema av senderkretsene,

- figur 4 er et skjema av de analoge behandlingskretser for de mottatte signaler, - figur 5 er et skjema av de digitale behandlingskretser for de motatte signaler,

- figur 6 viser noen signaler som funksjon av tiden,

- figur 7 viser en variant av de digitale behandlingskretser for de motatte signaler.

Når en akustisk bølge sendes i vann, vil miljøets ulineære egenskaper bevirke at bølgens hastighet avhenger av den øyeblikkelige amplitude av lydtrykket, og dette trykkets sinusform blir de-formert til å nærme seg sagtannform.

Herav følger at hvis to lydbølger med frekvensene f-^ og f.,, kalt primærbølger, sendes i samme volum, interfererer de og danner flere intermodulasjonsprodukter,hvorav spesielt signalet med frekvensen f2 + f-^, som raskt blir absorbert, og det søkte signal med frekvensen f2 - = F.

Den antennen som stråler ut denne lave frekvensen, er da ikke den antenne eller transduktor som er festet på fartøyet, men hele det volum som er "lydbelagt" av de to primærfrekvenser. Denne forlengede antenne, som utgjøres av vann, stråler ut sin lave frekvens i primærbølgenes forplantningsretning.

Denne an tennen har karakteristiske egenskaper så som en direktivitet og små sekundærlober. (Her erX-= bølgelengden i vann av svingninger med frekvensen F, og L = lengden av denne antennen bestående av vann). På denne måten er det mulig å frem-bringe meget fine retningsdiagrammer, som er meget finere enn man kunne oppnådd med de meget små sendeflater som frembringer de primære strålingsdiagrammer.

Det er kjent å bruke sonarer som anvender ulineær akustikk ved

å sende samtidig på to frekvenser og motta differanse^- eller sekundærfrekvensen. Disse jonarer som ofte kalles parametriske, brukes særlig til å ta opp målinger av havdybden. Det er vanlig for dette formål å bruke primærfrekvenser omkring 38 kHz og en sekundærfrekvens som kan variere fra 0,8 til 6,7 kHz. Lave frekvenser har god gjennomtrengningsevne i sjøen.

Ifølge oppfinnelsen brukes disse ulineære effekter til å bestemme strømhastighetene etter Doppler-effekten.

For med differansefrekvensen F å oppnå akseptable lydnivåer, må man sende ut høye lydnivåer på primærfrekvensene. Lydnivåets høye effekt er ikke noen ulempe, fordi det er nødvendig for å opp-fange et tilstrekkelig signalnivå i volumekkoene.

Det må bemerkes at dette tilstrekkelig høye nivå praktisk talt bare oppnås for frekvenser høyere enn 20 kHz, hvilket svarer til utbredelsen på grunn av biologiske komponenter, som plankton. Fig. 1 viser skjematisk anordningen ifølge oppfinnelsen. Et overflatefartøy 100 beveger seg i en retning x med absolutt fart W. En sonar 110 sender samtidig ut pulser på frekvensene f-^ og f2 med en repetisjonsperiode T, i de midlere retninger D, og D,,. D, og D2 ligger i planet xz, idet z er vertikalretningen, og danner henholdsvis vinkler ... +:Xog -Oo med retningen z. Sonaren 110 sender også pulser på frekvensene f^ og f2, som er forskjøvet i forhold til de første, i de to midlere retninger D^ og D^. D3 og ligger i planet yz og danner henholdsvis vinkler på + <Xog -06 med retningen z. Fig. 2 viser et skjema av en utformning ifølge oppfinnelsen.

Anordningen omfatter en senderenhet 1 og to transduktorgrupper

2 og 3. Hver av disse grupper omfatter fire transduktorer som to og to danner en flatevinkel. De er anbragt under fartøyet på slik måte at transduktorene stråler i de retninger som danner en vinkel på + CL med vertikalen, og er rettet nedover. Vinkelen 0^ velges vanligvis lik 30°. Transduktorene 2.1 og 2.3 i gruppe 2 stråler henholdsvis i retninger som er parallelle med D^ og D2, som danner vinkelen +0Cog -OOmed vertikalen Ox, og er rettet nedover i planet Oxz.

Transduktorene 2.2 og 2.4 i gruppe 2 mottar de signaler som kommer fra de respektive retninger D^. og D.,. På samme måte omfatter gruppe 3 sendertransduktoren 3.1 og mottagertransduktoren 3.3 hvis akser er parallelle med D^, og sender- og mottagertrans-duktorene 3.3 og 3.4 hvis akser er parallelle med D^. D^ og D^ ligger i planet Oyz.

Signalbehandlingsenheten 4 omfatter de analoge og digitale sig-nalmottagnings- og behandlingskretser, henholdsvis 5 og 6 . Den digitale behandling kan realiseres enten ved hjelp av vanlig teknikk med integrerte kretser, eller med mikroprosessor-teknikk.

Verdiene av de hastigheter som måles i de forskjellige lag visua-liseres og registreres av enheten 7, som omfatter to underen-heter 7.2 og 7.3 som henholdsvis svarer til de verdier som oppnås langs x og y. Behandlingsenheten 4 er felles for behandlingene langs x og y. Klokkesignalene H, med periode T, styrer venderne 8.1, 8.2 og 8.3 med tidsintervaller T-^/2 for å vende mot gruppe 2 eller 3. En annen vender 7.4 styres i samme takt for å slippe igjennom signalene vekselvis mot enhetene 7.2 og 7.3.

Ved å velge T^/2 = 4 sekunder er det mulig å treffe bunnen på dybder inntil 3000 m.

Til de bølger som sendes ut på frekvensen f-^ svarer ekkoer som skyldes tilbakekasting fra miljøet. Disse ekkoer er forskjøvet på grunn av Doppler-ef fekten og har frekvensene f-, ^,f, ^ ,

(3) (4)

f-^ (<3>) '^l ' som nenn°ldsvis svarer til retningene D-^, D2, D^ og

Det mottas også ekkoer på frekvensene f2^,f2^ '^2^'^2^ svarende til retningene D^, D2, D^ og D^.

På grunn av vannmassenes ulinearitet får man også mottagning på "differanse"frekvensen F=f, - f9, og ved mottagningen får man også ekkoer fra bunnen på frekvensene F (1') -, F ( 2■ ) -,F (3) og F(<4>) svarende til retningene D^, D^, D, og D^.

Hvis U er den relative fartsvektor av fartøyet i forhold til strømmen, W fartøyets absolutte fart og V strømmens absolutte fartsvektor, har vi:

La V X, W X og U x være komponentene av vektorene V, W og U langs x og Vy, -Wy og U vektorenes komponenter langs y. Av de kjente ligninger for Doppler-sonaren, der C er lydhastigheten i vannet, har vi da:

Man kan også finne fartøyets absolutte fart ut fra Doppler-varia-sjonene av differansefrekvensen F som skyldes miljøets ikke-line-aritet.

Man ser at vanligvis beveger fartøyet seg langs Ox, og da er Wy= 0.

Ifølge et trekk ved oppfinnelsen gjøres målingene både for de signaler som svarer til frekvensen f^ og til frekvensen t^, og ligning (2) viser at man således kan oppnå to verdier av Uxog U , hvilket gir en mulighet for å velge det beste mål ved hjelp

av en første bestemmelseskrets.

På grunnlag av ligningene (1), (2) og (3) kan man. da bestemme verdiene av strømmens absolutte hastighetskomponenter.

Figur 3 viser detaljer av senderkretsen 1 i figur 2. To oscil-latorer 1.1 og 1.2 arbeider henholdsvis på frekvensene f-^ og f2 hvis signaler blir addert av en adderer 1.3 og klippet av en "alt-eller-intet"-modulator 1.4, som igjen blir påtrykt et signal ved varighet T generert av kretsen 1.5 ut fra synkroniseringssignalet H^. Det signal som avgis fra forsterkeren 1.6 påtrykkes sender-transduktorene samtidig i de to retninger i samme plan, f.eks. først til D^ og D2- I halvdelen av klokkeperioden H, blir sending og mottaging langs D^ og D^ i planet xz repetert ifølge samme prosess.

Som følge av Doppler-effekten får de mottatte signaler frekvensene f]_^ °g f 2 ^ ^or retnin(-Jen Di °9 frekvensene f^<2>^ og f 2 ^

for retningen D2»

Transduktoren 2.2 i figur 2 påtrykker i 400, til inngangen på behandlingsanordningen 4 (vist mer detaljert i figur 4), signaler med frekvensene f, ^ , f_^,F^. De signaler med frekvenser f^ (<1>) og f2 (1) som oppnås med Doppler-forskyvning på grunn av

tilbåkekasting fra vannlagene, forsterkes av forsterkeren 4.1

og påtrykkes filtrene 4.4 og 4.5. Midtfrekvensen for filter 4.4 er f^ og for filter 4.5 er den f,,.

Filtrene 4.4 og 4.5 har en båndbredde som slipper igjennom de signaler som er forskjøvet på grunn av Doppler-effekten for hastigheter fartøy/strøm eller fartøy/havbunn fra -10 til +20 knop. De tilsvarende forsterkere må derfor ha disse båndbreddene. Frekvensene av de signaler sem skyldes tilbakekastingen måles hvert 30 ms som, hensyn tått til strålenes helning, svarer til måling av vannlag med en tykkelse på ca. 20 m.

En utvikling av de mottatte signaler som funksjon av tiden oppnås ved hjelp av klokkesignalene H2 med en periode på 30 ms som styrer de digitale frekvens tellere 4.7 som mottar signalene på Doppler-frekvensene f ^ ^ og f 2 ^ .

De signaler ;med Doppler-f rekvensen F^ som reflekteres fra bunnen, påtrykkes også en digital frekvensteller 4.8. Ankomsttiden for signalet med frekvens F^ er ikke kjent a priori, og telleren 4.8 må utløses av signalet selv, som blir underkastet en kort deteksjon-integrasjon av størrelsesorden én periode av sekundærfrekvensen i kretsen 4.9, som styrer vippen 4.10.

Videre blir de signaler som filtreres i filtrene 4.4 og 4.5 på - trykt korte deteksjons- og integrasjonskretser 4.11, idet integ-rasjonen gjøres over en tid av størrelsesorden én periode av primærfrekvensen. De integrerte signaler styrer vippene 4.12,

som avgir binære signaler som godkjenner målingen.

De signaler som er filtrert i filtrene 4.4 og 4.5, påtrykkes også lange deteksjons- og integrasjonskretser 4.13 med en lengde av noen dekader av perioder av primærfrekvensen. Kretsen 4.13 etter-følges av digital-analog-omformere 4.14.

De signaler med frekvens F som skriver seg fra refleksjon fra bunnen av de bølger som genereres på grunn av miljøets ikke-line-aritet, filtreres av filteret 4.6 med midtfrekvensen F, etter at de er forsterket i forsterkeren 4.2 med variabel forsterkning. Forsterkningen som er variabel som funksjon av tiden (V.F.T) styres av en funksjonsgenerator 4.3 som igjen styres av hver halvperiode av klokken H^. Forsterkeren V.F.T er nødvendig for å utligne de store amplitudeforskjeller som kan eksistere i det signal F^ som sendes tilbake fra bunnen som følge av dennes meget variable dybde.

Parallelt måler man signalenes amplitude for, når det ikke er deteksjon av dårlige signaler, å finne hvilket signal som har størst amplitude.

Signalpassasjer under en fastsatt terskel bestemmes av vippene 4.12 i figur 4, som ved 402, 405, 410 og 413 avgir binære signaler.

Disse signaler gir godkjennelse av signalene på frekvensene f, ^, f (1) f (2) (2) 2 '1 og f2 De påtrykkes en første bestemmelseskrets 5.6 (figur 5) i behandlingskretsen 6. De signaler som avgis av vippene 4.10 påtrykkes ved 408 og 416 inngangen på en annen bestemmelseskrets 5.8 (figur 5) for å godkjenne målingen av far-tøyets absolutte fart.

Amplituden av Doppler-signalene svarer til frekvensene f-^ og f2, og blir målt ved hjelp av lang deteksjon-integrasjon (noen dekader av perioder) i 4.13, som følge av en analog/digital-omformer 4.14 (figur 4). Ved 403, 406, 411 og 414 har man da til rådighet digitale signaler som representerer de respektive amplituder av f, ^,f„^,f, ^ og f-^2', som sammenlignes parvis, f, ^ med

(1) (27 (27

±2 og med f2 i sammenlignere 5.9 hvis utganger 503 og 504 også påtrykkes bestemmelseskretsen 5.6 (figur 5).

På lignende måte blir de signaler som oppfanges av transduktorene 2.4 eller 3.4 (figur 2) påtrykket krets 5 (figur 4) ved 401 som behandler dem analogt med behandlingen av signalene fra transduktorene 2.2 og 3.2

Endelig har man ved utgangene fra anordningen 5 til rådighet digitale signaler som representerer Doppler-frekvensene f ]_ ^ / f 2 ^ F(<1>), f1(2),f2(2) ogF(<2>), henholdsvis ved 404, 407, 409,412, 415 og 417.

Disse signaler blir så behandlet i enheten 6. For å avgi signaler svarende til ligningene (1), (2) og (3) blir verdiene av f, ^,

(2) (1) (2)

,og f2 subtrahert i digitale subtraktorer 5.1 og 5.2, hvis utgangssignaler blir multiplisert med de respektive koeffisienter;

i de digitale multiplikatorer slik som 5.3 og 5.4.

Kretsene 5.1 og 5.3 synkroniseres med tellerne 4.7 ved hjelp av klokken I^, og avgir måleandelene hvert 30 ms.

De signaler som avgis fra bestemmelseskretsen 5.6, er av to typer: i 505 har vi signaler som godkjenner U x,y (fx ,) eller U x,y (f0 £) som lagres i et l-siffer register 5.10. I 50 6 har vi signaler som godkjenner Ux y(f±) °2 ux y^2^' som ±a9res i et l~siffer register 5.11. Disse registrerte adresser inkrementeres av kretsen 5.7.

Man bruker betegnelsen Ux y(f]_) f°r komponenten av U langs x for en halvperiode av H, og for komponenten av U langs y for den andre halvperioden av H^, som oppnås ut fra signalene med frekvens f-^.

I utgangen 502 fra multiplikatoren 5.4 får man i løpet av en halv periode av klokken H, digitalverdien av komponenten av den absolutte fart W langs aksen x eller y.

I utgangen fra multiplikatorene 5.3 får man ved 500 og 501 digital-verdiene av komponentene av de relative hastigheter fartøy/strøm målt ved hjelp av frekvensene f^ og f^- Disse verdier lagres henholdsvis i multippelhukommelsen 5.5 for de verdier som oppnås ut fra f^ og i multippelhukommelsen 5.0 for de verdier som oppnås ut fra

Ut fra klokkesignalene H2 inkrementerer kretsen 5.7 adressene til hukommelsene 5.5, 5.0, 5.10 og 5.11. I hver halve klokkeperiode H, plasserer man således 64 forskjellige målinger og godkjennelsen

av dem, svarende til 64 suksessive vannlag på 20 meter.

Som følge av den store variasjon av signalene på vannlagene velger man ifølge oppfinnelsen den beste av de to oppnådde målinger, den ene U „.(f-,) på frekvensen f, og den andre U (f~) på f,. I denne hensikt analyserer man de mottatte Doppler-signaler ikke bare for å betegne beste måling, men også for å bestemme om ingen av dem er god.

For å gjøre dette begynner man med å detektere eventuelle ampli-tudereduksjoner av signalene som ville bringe dem under en gitt terskel, under, hvilken tellerne ville avgi feilaktige verdier.

De signaler som avgis fra andre bestemmelseskrets 5.8, styrer venderne 5.12 og .5.13. Verdiene av komponenten av den absolutte fart W , som avgis av kretsen 5.4 ved 502, blir ikke ført videre

x,y

så fremt nivået av ekkoet ikke er tilstrektelig. Hvis dette nivået er tilstrekkelig, påtrykkes signalet 502 både hukommelsen 5.14ddirekte og gjennom venderen 5.13 ved 508. Hvis derimot nivået ikke er tilstrekkelig, er det en tidligere verdi W

x,y; lagret ved 514 som påtrykkes ved 508.

De binære signaler som avgis fra hukommelsen 5.10, styrer valget mellom f^ og ved hjelp av venderen 5.15 som på sine innganger mottar de verdier som avgis fra hukommelsene 5.5 og 5.0. Ved utgangen 507 fra venderen 5.15 oppnår man verdien av beste komponent av farten fartøy/strøm etter valg mellom U ,, (fn) og

x, y j. U (f0).

x,y' 2'

En subtraksjonskrets 5.16 mottar på sine innganger 507 og 508 verdiene wx y °9 ux y* Utgangen 50 9 avgir verdien av komponenten av den absolutte fart av strømmen V ifølge ligning (1). Denne

xf y

subtraksjonen utføres i takt med en klokke H^.

Imidlertid tjener de godkjennelsesdata som er lagret i hukommelsen 5.11, og som utleses synkront med de data som er lagret i 5.10 og i 5.5 eller 5.0, til gjennom venderen 5.17 å ugyldiggjøre de målinger av V som er befengt med feil både i f, og f_. Ved 510 har

x,y 3 1^2

man således til rådighet en andel av digitale målinger represen-

tative for V langs en fartøysakse 1 løpet av en halvperiode av klokken H^. I løpet av den påfølgende halvperiode av denne klokken, ca. 4 sekunder etter, har man som vi har sett en annen andel av malinger representative for V på en akse perpendikulær med oven-nevnte akse.

Som funksjon av tiden viser figur 7 noen signaler som er tilstede

i noen karakteristiske punkter av anordningen. Signalet på linjen a representerer klokkesignalet H, som gir takten i den alter-nerende sending-mottagning i planene xz og yz.

Signalet på linjen b representerer den sendeluken som er til-

stede i 31 på figur 3. Lukens varighet er noen millisekunder. Signalet på linjen c representerer klokkesignalet H2 som er bereg-net på å hakke opp tiden i et visst antall stykker på 30 milli-sekv.nd«?r etter avslutning av sendingen. Det er imidlertid klart at disse signaler kan sendes i et hvilket som helst øyeblikk som er forenlig med mottagningsperioden for å utføre målinger på en rekkefølge av vannlag som ikke begynner i en avstand nær transduktorene.

Signalet på linjen d svarer til utgangsspenningen fra senderkretsen 1 (figur 3) ved 20 0, dvs. summen av signalene på frekvensene f^

og som først sendes i planet xz og neste gang i planet yz, representert på figuren ved symbolene ^ 2.+^ 2^- x °^ ^1<+>^2^Y°

Linjen e viser de signaler som mottas av transduktoren 2.2 ved

201 i figur 2 i løpet av en halvperiode av H^, og linje f viser de signaler som mottas av transduktor 3.2 ved 301 i løpet av neste halvperiode av H^. På lignende måte representerer linjene g og h de signaler som mottas av transduktorene 2.4 og 3.4 ved 202 og/eller 302. De fire signaler omfatter først tilbakekas-tingssignalene med Doppler-effekt på primærfrekvensene f^ og f2, fulgt av ekkosignaler fra bunnen med Doppler-effekt på differansefrekvensen F. Det er bare de fire signaler som er vist i figur 6 som behandles av kretsene 5 og 6 på figurene 4 og 5.

Linje i viser pakkene av binærsignaler fra utgangen av krets 5

ved 510. Hvert av dem er sammensatt av binærelementer for den

absolutte hastighet av det tilsvarende vannlag som man oppnår ifølge oppfinnelsen, ifølge den beste av de to målinger, hvorav den ene gjøres ut fra frekvensen f^, og den andre ut fra f2- Den ene av disse målinger kan meget vel bli annulert på grunn av feil-aktig amplitude av en eller flere av komponentene i beregningen. For å lette fremstillingen er signalene vist i synkronisme med klokkesignalene H,,. Da signalene er lagret, er det klart at de kan bli restituert i et hvilket som helst øyeblikk i en halv klokkeperiode og i en takt som eventuelt kan være forskjellig fra takten H2>

I en variant ifølge oppfinnelsen kan hele den digitalbehandling som foretas av kretsen 6 i fig. 5 erstattes av den synoptiske krets 10 i fig. 7, som omfatter en interface-krets 10.1 med innganger og utganger, en sentralenhet 10.2 som kommuniserer med interface-kretsen 10.1, den døde hukommelse 10.3, den levende hukommelse 10.4 via den to-veis dataveilinje 10.5, idet valget utføres av adresseveilinjen 10.6. Takten i vekslingen reguleres av klokkekretsen 10.7. Det skal bemerkes at vendersignalene H-^ for aksene og V.F.T.-signalene H2 for opphakking av tiden i stykker på 3 0 ms nå avgis fra denne enheten, idet klokkekretsen 9

i figur 2 er sløyfet.

Programmet for veksling av data, måling og sammenligning av dem, og for behandlingen av klokkesignalene H-^ og H blir lagret i den døde hukommelse 10.3, mens de provisoriske data og resultater blir lagret i den levende hukommelse 10.4.

Ifølge en variant av oppfinnelsen kan man, ved å modifisere motta-gerkretsene bestemme den vertikale komponent av havstrømmenes hastighet vz.

Vi har nemlig:

hvor f er en av frekvensene f^ eller f2-

For å finne Vz kunne man da modifisere kretsene 5.1 og 5.2 ved å erstatte subtraktorkretsene med adderere og forandre multiplika-sjonen:

Denne operasjon vil da gi den relative vertikale fart mellom far-tøy og strøm. Man kan fortsette beregningen for som før å finne den absolutte vertikale fart mellom fartøy og strøm ved å sub-trahere den funne vertikale fart mellom fartøy og bunn ved hjelp av en identisk operasjon. Det må imidlertid bemerkes at så fremt de relative vertikale målinger som vedrører de forskjellige lag alle blir forstyrret av den vertikale hastighet av fartøyet som skyldes sjøgangen, må man korrigere individuelt, ikke den akustiske informasjon om fartøyets absolutte vertikale fart i forhold til bunnen, hvis informasjonstakt er meget liten, men ved hjelp av et annet målemiddel som f.eks. et akselerometer.

Den rent akustiske metode er derimot gyldig for en neddykket strømmåler, enten ved å arbeide på en dybde hvor sjøgangen ikke lengder influerer, eller med en måler som er fast i forhold til bunnen.

En foretrukket utformning har følgende data:

-f1 45 kHz.

- f2 = 55 kHz

dvs. F = 10 kHz.

-dimensjon av de elektroakustiske transduktorer: 100 x 200 mm (sender og mottager identiske), som på senterfrekvensen 50 kHz gir åpningsvinkler på 7,5° ifølge dimensjonen 200 mm langs måle-aksen.

-direktivitetsindeks = 25,5 dB

-maksimum lydnivå på f^ eller på f2 = 126,5 dB med en elektrisk effekt på 2 kW

-lydnivå på frekvensen F = 95 dB.

-minimum registrerbart signal i tung sjø (4), med et signal/støy-forhold på 12 dB og et passbånd på 30 Hz = -54 dB på f-^ eller f2--rekkevidde mot bunnen - 3000 m -tilbakeslaasrekkevidde = 1000 m i farvann med tilbakeslagsindeks • = -80 dB

-antall målte vannlag = 64

-tykkelse av lagene = 20 meter.

Det apparat som er beskrevet er en Doppler-sonar som anvender måle-miljøets ulineære egenskaper for måling av et fartøys fart i forhold til bunnen, og for å bestemme profilen av havstrømmene kan målingen utføres for dybder opp til 3000 meter.

Claims (7)

1. Måleanordning for vannstrømmer (eksempelvis havstrøm-mer) , kalt strømmåler, plassert på et fartøy (100) i bevegelse, omfattende en Doppler-effekt-sonar (110) som sender og mottar langs retninger Dj, D2 , D3 og D4, idet Dj og D2 ligger i et plan Oxz og danner vinklene +Oc og - OL med vertikalen Oz, idet D3 og D4 ligger i planet Oyz perpendikulært på Oxz og D3 og D4 danner vinklene +CX og - CK. med Oz, idet de mottatte signaler skriver seg fra vo-lumtilbakekastingen i vannmiljøet og fra refleksjonen fra bunnen, og idet anordningen også omfatter behandlingsmidler (4) for de mottatte signaler for å beregne de horisontale komponenter av strømmenes hastigheter i forhold til fartøyet (100) og de horisontale komponenter av fartøy-ets (100) hastighet så vel som midler (5.16) til å beregne de horisontale komponenter av strømmenes hastigheter i forskjellige dybdér, karakaterisert ved midler (1) innrettet for via en og samme antenne (2; 3) samtidig å sende ut to høye frekvenser f^ og f2 og i behandlingsmidlene (4) anordnede mottagningsmidler (5,6) for gjennom en og samme antenne (2; 3) samtidig å motta de volumtilbakekastningssigrialer som er påvirket av Doppler-ef fekten på frekvensene f]_^» rl^' fl^' fx(4), f2(<1>)/ f2(<2>)/ f2(<3>) °g f2(<4>) henholdsvis svarende til frekvensene f]_ og f2 og langs retningene D]_, D2, D3 og D4, så vel som signaler på frekvensene p(D, F( , F^ og F som skriver seg fra bunnen og svarer til signaler på en lav frekvens F = f^ - f2 som genereres på grunn av vannmassens ulineariteter i retningene Dj_, D2, D3 og D4, idet behandlingsmidlene (4) avgir verdiene av komponentene av hastigheten fartøy/strøm langs Ox ut fra verdiene f^1* - f^2) og/eller f2 (1) - f2(<2>) 0<3 kom_ ponentene langs Oy ut fra verdiene fj_(<3>) - f(4) og/eller f2(<3>) _ f2(4)f idet komponentene av fartøyets absolutte hastighet langs Ox og Oy beregnes ut fra verdiene F(l) _ p(2) Cg F(3) _ p(4)f og nvor disse verdier av hastighetskomponentene brukes til beregning av strøm-menes hastigheter.

2. Strømmåler som angitt i krav 1,karakterisert ved at den omfatter en første bestemmelseskrets (5.6) som tillater sammenligning av amplituden av de mottatte signaler som svarer til de utsendte frekvenser f^ og f2 r idet bestemmelseskretsen (5.6) via et register (5.10) styrer en vender (5.15) for å overføre det høyeste signal.

3. Strømmåler som angitt i krav 1, karakterisert ved at signalbehandlingsmidlene (4) omfatter kretser (4.7) som styres av en klokke (9/H2) med periode T2 for å bestemme de mottatte signaler som funksjon av tiden og bestemme strømmenes horisontale hastighet i forskjellige dybdelag.

4. Strømmåler som angitt i krav 1, karakterisert ved at en klokke O/H^) med periode T^ er anordnet for å styre vendere (7.4, 8.1-8.3) i takten T-^/2 for å innstille synkront sending, mottagning og signalbehandling svarende til signalbaner i de respektive planene Oxz og Oxy.

5. Strømmåler som angitt i krav 2, karakterisert ved at mottagningsmidlene (5,6) for volumtil-bakekastningssignalene omfatter forsterkere (4,1) og fil-tere (4.4, 4.5) som etterfølges av på den ene side første binære tellere (4.7) og på den annen side detektorer (4.11, 4.13) fulgt av vipper (4.12) som avgir de signaler som påtrykkes den første bestemmelseskretsen (5.6).

6. Strømmåler som angitt i krav 1, karakterisert ved at mottagningsmidlene (5,6) omfatter en forsterker (4.2) hvis forsterkning kan varieres som funksjon av tiden, og er innrettet til å forsterke signalene med differansefrekvensen F, og er etterfulgt av filtre (4.6), detektorer og integratorer (4.9) idet de der integrerte signaler for det første utløser andre binære tellere (4.8) for de forsterkede og filtrerte signaler, og for det annet påtrykkes en andre bestemmelseskrets (5.8) som styrer en vender (5.13) som overfører det signal som svarer til den beregnede verdi av far-tøyets hastighet eller det som svarer til den beregnede verdi som tidligere er lagret i en hukommelse.

7. Strømmåler som angitt i kravene 2 eller 3, karakterisert ved multippeIhukommeIser (5.0, 5.5, 5.10, 5.11) innrettet for å motta verdiene av komponentene av fartøyets hastigheter i forhold til strømmene, representert av signaler fra etter de første binære tellere (4.7) anordnede subtraktor (5.1) og multiplikatorkretser (5.3), så vel som signalene som abgis fra første bestemmelseskrets (5.6) og tilsvarer tidsintervallene T2, hvilke multippelhukommelser således er innrettet til å utleses i relativt langsom takt.