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Einrichtung zur Echoortung mit Schallwellen
Bei den bekannten akustischen
Lotungsverfahren bzw. Ortungsverfahren wird die Reichweite der Lotungs- bzw. Ortungsapparatur
im allgemeinen durch das Verhältnis von Nutzpegel zu Störpegel begrenzt. Der Nutzpegel
ist gegeben durch die Intensität des Echos des angeloteten Zieles. Der S törpegel
wird von im Wasser befindlichen Ger ãuschquellen, wie z. B. des Fahrtgeräusches
des eigenen Schiffes, verursacht. Sehr oft ist der Störpegel auch aus der Summe
von Störechos bestimmt, die durch Reflexionen der Sendeimpulse an dem Meeresl)oden,
der Wasseroberfläche und an inhomogenen Stellen im Wasser entstehen können. Das
der Erfindung zugrunde liegende Verfahren soll den Störpegel weitgehend ausschalten
und damit die Reichweite des Lot- bzw. Ortungsgerätes wesentlich erweitern.
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Bei den bekannten Lotungsverfahren wird in regelmäßigen, der abzutastenden
Strecke entspre chenden Zeitabständen ein akustisches Signal von einer bestimmten
Zeitdauer ausgesendet. Das zurückkommende Echo wird von zwei Älikrophonen bzw. Mikrophongruppen
empfangen und in zwei sinusförmige Spannungen der Schallfrequenz umgewandelt. Nach
einer Verstärkung in getrennten Kanälen werden die Summen- und die Differenzspannung
gebildet. Diese beiden Spannungen gibt man nach einer künstlichen Phasendrehung
um go0 auf die Ablenkplattenpaare einer Braunschen Röhre. Die elektroakustischen
Wandler sind bei der horizontalen Lotung auf einer gemeinsamen Halterungsplatte
so montiert, daß die Schwingerflächen in der senkrechten Ebene im Raum, also parallel
zur Halterungsplatte liegen. Die Halterungsplatte,
die sogenannte
Basis, ist um die senkrechte Achse drehbar am Schiff befestigt.
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Liegt das angelotete Ziel in der Lotrichtung. dann sind die Mikrophonspannungen
gleichphasig, und die Differenzspannung ist bei gleicher Amplitude der Mikrophonspannungen
Null, so daß sich als Anzeige auf dem Braunschen Rohr ein senkrechter Strich ergibt,
der durch die an den senkrechten Ablenkplatten liegende Summenspannung erzeugt wird.
Wandert das Ziel aus der Lotrichtung aus, dann sind die Mikrophonspannungen nicht
mehr gleichphasig, und es entsteht außer der Summenspannung auch eine Differenzspannung.
Wegen der Phasendifferenz von go0 zwischen der Summenspannung und der Differenzspannung
ergibt sich auf dem Schirm des Braunschen Rohres ein schrägliegender Strich. Aus
dieser Anzeige läßt sich erkennen, in weller Richtung die Basis gedreht werden muß,
damit das Ziel in die Lotrichtung der Anlage zu liegen kommt.
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Die Entfernung des Zieles wird in ebenfalls bekannter Weise aus der
Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden des Impulses und dem Eintreffen des Echos ermittelt.
Entsprechend den Amplituden-und Phasenverhältnissen der Mikrophonspannungen gehen
aber auch die Störgeräusche in die Anzeige ein und verfälschen sie.
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Die Reichweite einer Echolotanlage wird von den Störeinflüssen entscheidend
heeillträclltigt und ist im wesentlichen durch das Verhältnis von Nutz- zu Störspannung
bestimmt. Das Verhältnis von Nutzzu Störpegel kann in bekannter Weise durch Bündem
der Richtcharakteristik oder durch Beschneiden des empfangenen Frequenzbandes z.
B. durch Filter verbessert werden. Beiden Maßnahmen sind aber Grenzen gesetzt. Eine
starke Bündelung bedingt eine großflächige Basis und erhöht die Gefahr, ein bewegtes
Ziel aus dem schmalen Schallbündel zu verlieren. Das Frequenzband darf durch Filter
nicht so schmal gemacht werden, daß die durch den Dopplereffekt verschobene Echo
frequenz außerhalb des Durchlaßhereiches zu liegen kommt.
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Die Störechos können durch beide Maßnahmen nicht grundsätzlich ausgeschaltet
werden.
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Das im folgenden beschriebene Verfahren, das die Phasenverhältnisse
der Störgeräusche zu einer weitgehenden Verringerung des Störpegels benutzt, erlaubt
ohne weiteres, die bisher bekannten Mittel zur Verbesserung des Verhältnisses von
Nutz- zu Störpegel gleichzeitig anzuwenden, um eine zusätzliche Verbesserung zu
erzielen.
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Das Verfahren wird im folgenden als Schiellotung bezeichnet, wobei
sich der Begriff des Schielens aus der Eigenart des Verfahrens ergibt. Es handelt
sich nicht um ein Schielen im Sinne einer get,enseitigen Beeinflussung benachbarter
Schwinger. Auch diese Erscheinung wurde gelegentlich als Schielen bezeichnet.
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Echoortung mit Schallwellen
unter Verwendung einer Doppelbasis mit mindestens zwei Paaren von Empfängern oder
Empfängergruppen gleicher Ausrichtung auf einer geradlinigen Basis bei getrennter
Verstärkung der vier Empfänger- bzw. Empfängergruppenspannungen in zwei Doppelkanälen,
bei Auseinanderdrehung der Ausgangsspannungen der Doppelkanäle um 900 und Bildung
der Summen-und Differenzspannung für jedes Empfänger- oder Empfängergruppenpaar
bei Anzeige auf dem Schirm einer Braunschen Röhre. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß bei einem Verhältnis des Abstandes by der Empfängerorgane des einen Empfängerpaares
bzw. des Abstandes der Schwerpunkte des einen Empfängergruppenpaares zu dem Abstand
bx der Empfängerorgane des anderen Empfängerpaares bzw. zu dem Abstand der Schwerpunkte
des anderen Empfängergruppenpaares von 1 : 2 nach Auseinanderdrehung der Ausgangsspannungen
zusammengehöriger Organe eines Paares um go0 und darauffolgender Bildung der Summe
und der Differenz der so gewonnenen Spannungen jedes Paares mit der sich aus der
Gegeneinanderschaltung der gleichgerichteten 5 Summenspannung gegen die gleichgerichtete
Differenzspannung des ersten Empfänger- bzw. Empfängergruppenpaares ergebenden Spannung
das vertikale Ablenkplattenpaar der Braunschen Röhre und mit der entsprechend gewonnenen
Spannung des zweiten Empfänger- bzw. Empfängergruppenpaares das horizontale Ablenkplattenpaar
der Braunschen Röhre beaufschlagt wird und daß durch Drehen der Basis die horizontale
Ablenkung zu Null gemacht werden kann, wobei die Phasendifferenz der von den Empfangs
organen mit dem größeren Basisabstand abgegebenen Spannungen t beträgt, womit sich
die Einfallsrichtung des Schallechos als um den Winkel s = zt arc sin 4by gegen
die Normale zur Basis geneigt ergibt, wobei A die Wellenlänge des verwendeten Schalles
und by den Abstand der Organe bzw. der Schwerpunkte des ersten Empfänger- bzw. Empfängergruppenpaares
bedeutet.
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Bei der gekennzeichneten Einrichtung werden die Störspannungen weitgehend
ausgeschaltet. Geht man nämlich davon aus, daß die Störgeräusche Empfängerspannungen
hervorrufen, die alle möglichen Phasenlagen besitzen, dann ist es verständlich,
daß bei den bekannten Verfahren infolge der statistischen Schwankungen des Einfallswinkels
und auch der Amplituden die Störgeräusche am Braunschen Rohr als Striche und Ellipsen
verschiedener Neigung, Größe und Elliptizität angezeigt werden und unter Umständen
das Nutzecho unkenntlich machen. Wie nun die mathematische Behandlung der gekennzeichneten
Einrichtung zeigt. ist die Ausschaltung der Störechos und der weißen Geräusche um
so vollkommener, je homogener die Verteilung von reflektierenden Stellen bzw. der
Einfallsrichtungen beliebiger Störgeräusche in den in Frage kommenden Volumen ist
und je symmetrischer ihre Verteilung zur Normalen der Empfangsbasis ist. Darin unterscheidet
sich die Einrichtung nach der Erfindung in vorteilhafter Weise
gegenüber
den bekannten Einrichtungen- zur Ausübung des Summe-Differenz-Verfahrens.
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Die Einrichtung zur Schiellotung nach der Erwindung werde an Hand
von Fig. I erläutert. Die Empfangsanlage ist auf einer geradlinig erstreckten Basis
angeordnet. Es sind zwei Empfänger-bzw. Empfängergruppen mit dem Basisabstand by
vorgesehen. die auf das vertikalablenkende Plattenpaar der Braunschen Röhre einwirken.
Die beiden anderen Empfänger- bzw. Empfängergruppen haben einen Basisabstand bx,
der doppelt so groß ist wie by. Diese wirken auf das horizontale Ablenkplattenpaar
des Braunschen Rohres ein. Die vier Empfänger- bzw. Empfängergruppenspannungen werden,
wie die Fig. I zeigt, in zwei Doppelkanälen getrennt verstärkt. Von den Ausgangsspannungen
werden nach paarweisem Auseinanderdrehen um 90° die Summen- und die Differenzspannungen
gebildet und durch Gleichrichten und (legeneinanderschalten der jeweiligen Summen-
und Differenzspannung die Ablenkspannungeu für das Braunsche Rohr gewonnen.
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In Fig. 2 ist für den gegebenen Fall b = = by 2 i, die Abhängigkeit
der Plattenspannungen Ux und voin vom Einfallswinkel iy dargestellt. Für diese Anordnung
erhält man als Schielwinkel 5 = 300. In dem Einfallwinkelbereich von - 90 bis -
300 ist Ux positiv und Uy negativ. so daß der Lichtfleck schräg nach unten abgelenkt
wird. In dem Einfallwinkelbereich von -30 bis Oc sind beide Plattenspannungen negativ,
so daß der Lichtfleck schräg nach links unten abgelenkt wird. Im Einfallwinkelbereich
von O bis +300 sind beide Al)lenkspannungen positiv. Der Lichtfleck wird schräg
nach rechts oben abgelenkt. Im Einfallwinkelbereich von +30 bis +go° ist Ux negativ
und Uy positiv. Der Lichtfleck bewegt sich also schräg nach links oben. Aus der
Art der Echoanzeige kann also ohne weiteres festgestellt werden, aus welchem Einfallsektor
das Nutzecho einfällt und nach welcher Richtung die Basis gedreht werden muß, damit
der Einfallwinkel gleich dem Schielwinkel wird und als Anzeige ein senkrechter Strich
entsteht. Damit ist die Peilbedingu1lg für das Nutzecho eindeutig erfüllt.
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Rührt der Störschall von Schallquellen her, die statistisch und gleichmäßig
über den gesamten Einfallwinkelbereich von -go bis +go° verteilt sind, dann summieren
sich die einzelnen Anteile der Störschallquellen wegen des sinusförmigen Verlaufes
von Ux und Uy zu Null. Diese lkompensationsbedingung für den Störschall ist auch
schon dann erfüllt, wenn die Störschallquellen in ihrer liäufigkeit und Intensität
symmetrisch zur akustischen Achse (v = o) verteilt sind, weil die Plattenspannungen
als Funktion des Einfallswinkels ungerade Funktionen sind.
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Fiir die zweckmäßige Ausbildung der Richtcharakteristiken der Empfänger
bzw. Empfängergruppen und des Senders sind zwei Bedingungen zu erfüllen: 1. Möglichst
große Empfindlichkeit in Richtung der Schielwinkel, damit eine möglichst große Spannung
U, und eine möglichst große Steilheit der Ux-lQurve bei den Nulldurchgänge erzielt
wird.
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2. Symmetrie zur akustischen Achse (u = wegen der Störschallkompensationsbedingung.
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Beiden Forderungen genügt weitgehend eine in Fig. 3 gezeigte Gruppenschaltung,
bei der insgesamt fünf Empfänger im Abstand von beispielsweiseR/2 voneinander auf
der Basis angeordnet sind. Bezeichnet man die Mikrophonspannungeii mit E, bis E5,
dann werden als Eingangsgrößen für den Doppelverstärkerkanal X die Spannungen E2-E1
und E2-E5 benutzt. Der Schwerpunktabstand dieser beiden Empfängergruppen beträgt
dann i., so daß sich ein Schielwinkel von 300 ergibt. Die Richtcharakteristik ist
eine Schmetterlingskurve, deren Maxima bei 1300 liegen, also mit dem Schielwinkel
zusammenfallen. Als Eingangsgrößen für den Doppelverstärkerkanal 1 werden die Spannungen
E,-E, und E2-E4 benutzt. Der Schwerpunktabstand dieser beiden Empfängergruppen beträgt
i./2, so daß die Maxima der Plattenspannung Uy hei Einfall des Schalles aus Richtung
des Schielwinkels erreicht werden. Die Richtcharakteristik jeder Empfängergruppe
ist eine Schmetterlingskurve mit den Maxima bei 1300.
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In bekannter Weise wird bei der Erfindung davon Gebrauch gemacht,
gegebenenfalls die Empfängerwandler auch zum Senden zu benutzen. In dem zuletzt
genannten Beispiel werden vorteilhaft die Schwinger 2 und 4 gegeneinandergeschaltet,
wenn es sich um das Senden handelt. In diesem Falle deckt sich die Richtcharakteristik
beim Senden mit derjenigen beim Empfangen.
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Stimmt man die Zeitkonstanten der Gleichrichtung in geeigneter Weise
auf die zeitliche Länge der Nutzechos ab, dann wandert der Lichtfleck des Braunschen
Rohres mit solcher Geschwindigkeit von seiner Nullage bis zum Maximum seiner Auslenkung
und wieder zurück, daß auf dem Schirm des Rohres der optische Eindruck eines Striches
entsteht. Dadurch wird die Ablesung erleichtert.