DE2506997C2 - Schiffssonaranordnung - Google Patents
SchiffssonaranordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schiffssonaranordnung mit einem Empfängerwandler, der eine Mehrzahl
Wandlersegmente aufweist, die angrenzend zueinander längst einer geraden Linie angeordnet und so betreibbar
sind, daß sie jeweils ein Ausgangssignal entsprechend dem Empfang akustischer Energie von einem
durch impulsweise Abstrahlung von Ultraschallenergie beaufschlagten Zielgebiet abgeben, mit an den
Wandlersegmenten angeschlossenen Verstärkerschaltungen, mit den Verstärkerschaltungen nachgeschalteten
Verzögerungsschaltungen z. B. zur Verzögerung der verschiedenen Signale der Verstärkerschaltungen
um unterschiedliche Verzögerungszeiten, und mit mehreren, den Verzögerungsschaltern nachgeschalteten
Signalverarbeitungsschaltkreisen.
Sonaranordnungen mit nachgeschalteten Signalverarbeitungsschaltkreisen
sind in verschiedener Form bekannt geworden. So zeigt die DE-OS 15 48 426 ein Echolot, bei dem das reflektierte Echo
eine elektronische Regelschaltung für einen Empfangsverstärker freigibt, durch den der Verstärkungsgrad beginnend mit Eintreffen des Bodenechos
gemäß einer einstellbaren Funktion bis zu einem einstellbaren Maximalwert am Ende der Echolotperiode
ansteigend gemacht wird, wodurch erreicht werden soll, daß Echos aus größerer Entfernung und damit
schwächerer Signalintensität stärker angehoben werden als Echos, die aus geringerer Entfernu.ig kommen.
Bei einem in der medizinischen Diagnostik eingesetzten Ultraschallgerät gemäß der DE-OS 19 28 366
werden empfangene Echoimpulse wahlweise unmittelbar oder über eine nur Echoimpulse aus einem konstanten
Tiefenbereich hindurchlassende Torschaltung einer Anzeigevorrichtung zugeführt.
Schließlich zeigt die DE-OS 21 13 522 eine Echoloteinrichtung,
die mit Laserstrahlen arbeitet und zur schnellen berührungsfreien Messung eines Oberflächenprofils
dient, wobei eine Empfangseinrichtung vorgesehen ist, die mit einer elektronischen Vorrichtung
zur Verarbeitung der Empfangssignale versehen ist, hier insbesondere zur Ermittlung eines Einfallswinkel
zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und einer horizontalen Bezugslinie.
Ergänzend sei auch noch auf die von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung stammenden Dmck-Schriften
DE-OS 20 56 170 und DE-OS 22 12 975 verwiesen.
Es handelt sich in den letzten beiden Fällen um von einem Schiff getragene Seitensonaranordnungen.
Bei derartigen seitenorientierten Sonaranordnungen
richtet ein Senderwandler periodisch Impulse ίο akustischer Energie auf ein etwa vom Meeresgrund
gebildetes Zielgebiet. Diese abgestrahlte Schallenergie hat in Richtung der Bewegung des Trägerfahrzeugs
einen besonders schmalen Strahlverlauf, so daß ein abgestrahlter Impuls akustischer Energie zunächst auf
dem Meeresboden auftrifft und dabei über ein verhältnismäßig schmales, langgestrecktes beschalltes
Gebiet abgelenkt wird.
Vom dem beschallten Gebiet sowie darauf befindlichen
Zielgegenständen reflektierte akustische Energie wird von einem Empfangerwandier aufgefangen,
dessen Fokussierung einen ähnlichen Verlauf bzw. eine ähnliche Richtlinie aufweist, wie der Sendewandler,
um von dem verhältnismäßig schmalen beschallten Bereich reflektierte akustische Energie zu erfassen.
Die Empfangssignale werden dann verarbeitet und mittels einer geeigneten Wiedergabeeinrichtung abgebildet.
Mit jedem Impuls und jedem anschließenden Echoempfang wird auf der Wiedergabeeinrichtung
eine neue Abtastlinie erzeugt, so daß nach einiger Zeit eine Abbildung des Meeresbodens entsteht, in ähnlicher
Weise wie bei einem Fernsehbild eine zeilenweise Abtastung erfolgt.
Beim Überstreichen des beschallten Gebietes an der Seite bzw. an beiden Seiten des Trägerfahrzeugs wird
die Auflösung in Richtung der Fahrzeugbewegung durch die Länge des Empfängerwandlers begrenzt.
Zur Erhöhung der Auflösung kann man dem Empfängerwandler für ein Seitensonargerät eine gekrümmte
Gestalt geben, indem man die den Wandler bildenden Einzelelemente auf einem Kreisbogen anordnet,
dessen Radius gleich der Konstruktionshöhe ist, wodurch die akustische Energie dann auf einer
Fokuslinie auf dem Meeresboden fokussiert wird. Doch müssen derartige fokussierende Wandler in einer
ganz bestimmten genauen Höhe über dem Meeresboden eingesetzt werden, da Abweichungen von
dieser Höhe nach oben oder unten zu einer Defokussierung und damit einer Beeinträchtigung der Wiedergabe
führen. Um diesen Nachteilen aus dem Wege zu gehen, könnte man mit einer elektronischen Fokussierung
auf Basis mehrerer fester Verzögerungen in Reihe mit den Wandlersegmenten arbeiten, wobei die
Verzögerungen nach vorgegebenen Zeitintervallen in den Schaltungsaufbau eingeschaltet werden, so daß
sich eine schrittweise Fokussierung ergibt. Durch diese Anordnung läßt sich der Wandler auf unterschiedliche
Höhen einstellen, jedoch führt das Einschalten der Verzögerungen zu einer Wiedergabe, die
ihre Grauskala in störender Weise periodisch ändert.
Die maximale Suchgeschwindigkeit 5 einer seitenorientierten
Sonaranordnung mit einer Auflösung r (allgemein die Breite des beschallten Streifens) wird
durch die Gleichung S = N rc gegeben. Darin ist N die Anzahl der Strahlen einer Seite und c die Schallgeschwindigkeit
in Wasser. Wenn die Suchgeschwindigkeit für eine gegebene Auflösung erhöht werden
soll, müssen in der Zeit, die ein Einzelimnuls für das
Erreichen der Maximalentfernung und den Rücklauf benötigt, mehrere Strahlen gebildet werden. Ein Arbeiten
mit einer solchen Mehrzahl von Strahlen ermöglicht dann auch die Erhöhung der Auflösung bei
Einhaltung einer bestimmten Suchgeschwindigkeit. Ein derartiges seitenorientiertes Sonarsystem mit
Mehrfachstrahlen wird beispielsweise in der US-PS 37 42 436 beschrieben, wobei jedoch dieses System an
eine bestimmte Einsatzhöhe oberhalb des Zielgebietes, plus oder minus einer gewissen Tiefenschärfe, gebunden
ist.
Durch Veränderung der Fokussierung läßt sich nun erreichen, daß nicht nur durch Wellenbewegung auftretende
Positionsänderungen von 3-5 m kompensiert werden können, es wird auch möglich, ein Ultraschallbild
des zu untersuchenden Meeres zu erhalten, das vom Meeresboden bis zur Meeresoberfläche
reicht. Bei der Durchführung derartiger mit variabler Fokussierung arbeitender Messungen, die eine ausreichende
Meßfeldtiefe besitzen, sollte simultan auch eine genaue Definition der nebeneinander liegenden
Zielgebiete entlang der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs erhalten werden, damit eine genaue Zuordnung
der einzelnen Echosignale und damit eine genaue Kartographierung möglich wird. Gelingt diese genaue
Zuordnung und damit die Erzeugung praktisch einer dreidimensionalen Erfassung, läßt sich die Zeit stark
reduzieren, die notwendig ist, um mittels einer derartigen Schiffssonaranordnung durch Hin- und Herfahren
die Meeresgrundfläche ausreichend genau kartographisch zu erfassen und dabei sogar Objekte auszumachen,
die sich innerhalb des Wasservolumens befinden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schiffssonaranordnung der eingangs genannten Art so auszugestalten,
daß ein bestimmtes Meeresbodengebiet wesentlich schneller kartographisch erfaßt werden kann als
es bei den bisher bekannten Anordnungen der Fall ist.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß Steuer-Schalteinrichtungen
an den Verzögerungsschaltungen angeschlossen sind, um die unterschiedlichen Verzögerungszeiten
zu steuern, daß an die Steuerschalteinrichtungen Verzögerungszeitänderungsschalteinrichtungen
angeschlossen sind, um die unterschiedlichen Verzögerungen der Verzögerungsschaltungen während
der Signalaufnahme zur Fokussierung auf eine Mindestentfernung und dann zur fortlaufenden Änderung
der Fokussierung bis zu einer Maximalentfernung zu steuern, und dadurch, daß die Steuerschalteinrichtungen
die Verzögerungsschaltungen auch steuern, um eine vorbestimmte gegenseitige Abhängigkeit
der von den Wandlersegmenten erzeugten Signale zu erzeugen, um die Entfernung entlang eines
gewünschten Aufnahmebandes zu verändern, wobei das Aufnahmeband eine gegebene geometrische Beziehung
hinsichtlich des Empfangswandlers aufweist, und daß der Signalvereinigungsschaltkreis an den
Verzögerungsschaltungen derart angeschlossen ist, daß von den verschiedenen Verzögerungsschaltungen
verschiedene Verzögerungen lieferbar sind und außerdem die Fähigkeit entsteht, unterschiedliche Verzögerungen
eines Signals von einem jeden einzelnen Wandlersegment an jedes der Signalverarbeitungsschaltkreise
zu liefern, um eine Serie von aufeinander fokussierten Empfangsbändern zu liefern, derart, daß
die Bänder angrenzend zueinander angeordnet sind.
Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß auf sehr einfache Weise eine großräumige Erfassung des
Ozeanbodens ermöglicht wird, so daß für die Kartierung eines bestimmten Flächenbereichs erheblich weniger
Zeit benötigt wird als es bisher der Fall war.
In den Unteransprüchen werden vorteilhafte Weiterbildungen beansprucht, so im Anspruch 2 eine
Schaltungsanordnung, mit der eine Kompensation der Ausbreitungsdämpfung möglich wird, wodurch
die bei Echos großer Entfernung sehr stark abnehmende Signalamplitude durch entsprechend größere
Verstärkungsfaktoren wieder ausgeglichen wird.
Gemäß einer noch anderen Ausführungsform kann auch der Einfluß der Gierbewegung des Trägerschiffs
in einfacher Weise ausgeglichen werden (Ansprüche 11 und 12), wie auch durch Vorsehen von Wandleranordnung
mit Signalverarbeitungsschaltung auf beiden Seiten eines Trägerfahrzeugs eine Verdopplung
der Meßgeschwindigkeit erreichbar ist (Ansprüche 13.
14, 15).
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen
Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 schematisch in perspektivischer Darstellung ein seitenorientiertes Sonarsystem im Einsatz über einem
Zielgebiet;
Fig. 2 und 3 zwei verschiedene Meßwertwandler-Anordnungen,
die aus einer Mehrzahl Meßwertwandler-Abschnitte oder -Segmente aufgebaut sind;
F i g. 4 etwas weiter ins einzelne gehend einige Meßwertwandler-Segmente;
Fig. 5A und 5B eine Drauf- bzw. Seitenansicht eines
Meßwertwandlers, die jeweils dessen Fokussierung veranschaulichen;
Fig. 6 schematisch die Zuordnung einer Wellenfront zu einem in Segmente unterteilten Meßwertwandler;
F i g. 7 ein das Funktionsprinzip der Erfindung veranschaulichendes
Blockschaltbild einer Signalverarbeitungsanordnung;
F i g. 8 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zur Bildung eines Einzelstrahls;
Fig. 9 weiter ins einzelne gehend einen Teil der Fig. 8;
Fig. 1OA bis 1OE Impulsfolgen an verschiedenen Stellen der Schaltung nach F i g. 9;
Fig. 11 den Signalverlauf für einen Oszillator der
Fig. 8;
Fig. 12 einen Meßwertwandler in einem Koordinatensystem;
Fig. 13 Verhältnisse ähnlich Fig. 12, jedoch mit
verschobenen Koordinaten;
Fig. 14 ein Diagramm, das die Zuordnung einer Wellenfront zu einem Meßwertwandler-Segment in
Verbindung mit einigen dafür maßgeblichen Begriffen erkennen läßt;
Fig. 15 ein Diagramm, das das Prinzip der Bildung
von Mehrfach-Empfängerstrahlen erkennen läßt;
Fig. 16 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform
einer Anordnung zur Bildung von Mehrfachstrahlen;
Fig. 17 eine weitere Ausführung der Erfindung zur
Kompensation des Gierens;
Fig. 18 ein Diagramm zur Erläuterung der Gierkompensation;
und
Fig. 19 eine weitere Ausführung der Erfindung zur back- und steuerbordseitigen Erfassung.
Im einzelnen zeigt F i g. 1 schematisch den allgemei-
nen Aufbau eines seitengerichteten Sonarsystems. An einem Trägerfahrzeug 8 angebrachte seitengerichtete
Sonar-Meßwertwandler senden akustische Energieimpulse mit einem bestimmten Strahlenverlauf aus,
die etwa entsprechend dem Energieimpuls 9 den Meeresuntergrund 10 zunächst in einem geschwärzten Gebiet
12 treffen, um dann, je nach Erzeugung durch einen Steuerbord- bzw. Backbord-Meßwertwandler
über langgestreckte schmale beschallte Streifen 14 bzw. 15 ausgelenkt zu werden. Je nach Trägerfahrzeuggeschwindigkeit
und Systemaufbau empfangen dieselben Meßwertwandler oder gleiche Meßwertwandler mit bestimmten zugeordneten Empfänger-Strahlen
reflektierte akustische Energie, die Information bezüglich des Meeresuntergrunds bzw. Zielgegenständen
auf dem Untergrund enthält, und diese empfangenen Signale werden verarbeitet und wiedergegeben
bzw. abgebildet.
Bei der Weiterbewegung des Trägerfahrzeugs 8 längs eines Kurses in Richtung des Pfeils finden mehrere
aufeinanderfolgende akustische Aussendungen statt, so daß entsprechend mehrere benachbarte Gebiete
auf dem Meeresgrund beschallt werden. Die Streifen 14 und 15 entsprechen den gerade beschallten
Gebieten, während die Streifen 14' und 15' zuvor beschallten Streifen entsprechen, von denen Information
empfangen worden ist. D. h., jedes Echosignal enthält Information, und gemeinsam bilden die Echosignale
ein Schallbild des Zielgebietes.
Allgemein enthalten Echosignale unmittelbar unterhalb des Fahrzeugs keine brauchbare Information,
und dementsprechend ist die Anordnung so ausgestaltet, daß die Wiedergabe Zielinformation zwischen einer
bestimmten Mindestentfernung Rn, bis zu einer
weiter außerhalb davon liegenden bestimmten Höchstentfernung RM zeichnet, abhängig von Faktoren
wie Sendeleistung, Frequenz, Dämpfung und Impulsfolgefrequenz der Anordnung.
F i g. 2 zeigt einen typischen Sender-Meßwertwandler oder Empfänger-Meßwertwandler für seitenorientierten
Sonar-Belrieb. Wenn /. die Wellenlänge in Wasser für die Arbeitsfrequenz ist, kann die Länge L
des Meßwertwandlers 20 typischerweise mehreren Hundert λ entsprechen und die Breite W in der Größenordnung
von 3/4 λ liegen. Der Meßwertwandler
kann aus einem Meßwertwandler-Material wie Bleizirkonattitanat (PZT) hergestellt und in üblicher
Weise aus einer Mehrzahl Meßwertwandler-Segmente 20' zusammengesetzt sein.
In F i g. 3 sind zur Strahlbildung im Nahbereich die Meßwert\var.d!er-Segrner.te 20' entsprechend einem
Kreisbogen 2 Γ angeordnet, dessen Radius die Konstruktionshöhe
ist, um einen längs einem besonders schmalen beschallten Bodengebiet fokussierten Meßwertwandler
zu erhalten, wobei die Breite des beschallten Gebiets in Fortbewegungsrichtung in diesem
Fall geringer als die Länge des Meßwertwandlers ist.
Fig. 4 zeigt drei Meßwertwandler-Segmente 20-1,
20-2 und 20-3, die einen Teil eines linearen Meßwertwandlers bilden. Jedes der Meßwertwandler-Segmente
hat eine Aktivfläche 21-1, 21-2 und 21-3 für die Aussendung und/oder den Empfang akustischer
Energie. Die Aktivflächen haben geeignete Elektroden, die alle auf demselben Referenzpotential liegen
können. Weitere Elektroden sind auf den entsprechenden Gegenflächen 22-1 bis 22-3 angeordnet und
mit zugehörigen Ausgangsleitern 23-1 bis 23-3 gekoppelt, die bei Empfangsbetrieb Ausgangssignale in
■ Abhängigkeit vom Auftreffen akustischer Energie auf die Aktivflächen liefern.
Fig. 5A und 5B veranschaulichen das Prinzip der
elektronischen Bildung von Kreisbögen durch Verzögerung des Signals von Empfänger-Meßwertwandler-Segmenten,
die sich in einer geraden Linie befinden. Fig. 5 A ist eine Draufsicht auf den Meßwertwandler
28, und F i g. 5 B ist eine Seitenansicht, die zugleich
ίο ein Zielgebiet wie den Meeresboden 30 zeigt.
Es sei angenommen, daß zu einem bestimmten Zeitpunkt Il die Ausgangssignale von den Segmenten des
Meßwertwandlers 28 so verzögert werden, daß der Meßwertwandler 28 elektronisch gesehen die Gestalt
!5 des Kreisbogens 32 annimmt. Zu diesem Zeitpunkt ist
der Meßwertwandler auf die Entfernung Rl fokussiert, jedoch nicht nur auf einen Punkt Pl des Meeresbodens
30, sondern auch auf alle Punkte längs eines durch den Kreisabschnitt 33 angedeuteten vertikalen
Kreises. Zum Zeitpunkt ti wird ein Kreisbogen 35 gebildet, so daß der Meßwertwandler auf eine Entfernung
Rl fokussiert ist, die nicht nur den Punkt Pl, sondern alle Punkte längs eines durch einen Kreisabschnitt
36 repräsentierten vertikalen Kreises umfaßt.
Dieser Vorgang setzt sich fort, und der Kreisbogen 38 veranschaulicht die Situation zum Zeitpunkt ti, zu
dem der Meßwertwandler auf eine Entfernung Rl fokussiert ist, die sowohl einen Punkt Pl auf dem Meeresboden
30 als auch alle Punkte umfaßt, die auf einem weiteren, mit einem Kreisabschnitt 39 angedeuteten
vertikalen Kreis liegen.
Der elektronisch gebildete Kreisbogen soll mit einer starken Krümmung beginnen, um gleich nach der
Aussendung auf eine kurze Entfernung zu fokussieren, dann mit der Zeit in seiner Krümmung abnehmen,
wenn das Echosignal zu größeren Entfernungen fortschreitet. Der Kreisbogen ändert sich entsprechend
der Beziehung
R = Ctß, (D
worin R die Entfernung (und der Krümmungsradius '
des Kreisbogens), c die Schallgeschwindigkeit im Wasser und t die Zeit nach der Aussendung sind. Die
Anordnung ist automatisch für jedes Signal fokus-
siert, das über die Entfernung R eintreffen kann, unabhängig
von der Tiefe des Meeresgrundes im Verhältnis zum Trägerfahrzeug. Bei der bevorzugten
Ausführungsform nach der Erfindung werden die Ausgangssignale von den Meßwertwandler-Segmen-
ten verarbeitet, um so elektronisch den Kreisbogen mit dem Radius R zu bilden, der fortlaufend in Abhängigkeit
von der Zeit nach einer Aussendung anwächst. Die Signalverarbeitungseinrichtung, mit deren
Hilfe der Meßwertwandler fokussiert wird, fokussiert den Meßwertwandler auf eine vorgegebene Anfangsentfernung
und ändert diese Fokussierung auf elektronischem Wege ständig nach jedem Aussendevorgang.
Ein Fokussieren ist notwendig zur Strahlbildung im Nahbereich, wobei der Nahbereich sich etwa
zwischen dem Meßwertwandler selbst und einer Entfernung L1JX erstreckt, mit L = Meßwertwandler-Länge
und λ = Arbeits-Wellenlänge in Wasser.
Zur besseren Veranschaulichung der Arbeitsweise und des noch zu erläuternden Schaltungsaufbaus wird
auf Fi g. 6 Bezug genommen, die einige Grundprinzipien veranschaulicht. F i g. 6 zeigt einen Meßwertwandler
4, dessen Mittelsegment mit 42 bezeichnet ist. Ein Segment i, das in einem Abstand yi vom Mittel-
segment 42 angeordnet ist, ist für ein beliebiges Segment des Meßwertwandlers repräsentativ. Es sind
zwei von einem Punkt P ausgehende Wellenfronten 45 und 46 dargestellt. Es sei angenommen, daß die
Phase im Mittelsegment 42 richtig ist. Das der Wellenfront 45 entsprechende akustische Signal, das am
Meßwertwandler-Segment / eintrifft, geht auf einen früheren Zeitpunkt als die Wellenfront 46 zurück, die
gleichzeitig am Mittelsegment 42 eintrifft. Die Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal des Segments
/ und dem Segment 42 ist ßi (in rad) und von der Entfernung di sowie der Wellenlänge des akustischen
Signals in Wasser entsprechend der Beziehung abhängig:
ßi =
(2)
Jede beschallende akustische Impulsaussendung enthält eine Reihe Perioden der Arbeitsfrequenz. Der
Impuls wird von allen im Weg des Impulses liegenden Gegenständen zum Empfänger-Meßwertwandler reflektiert,
und jedes Meßwertwandler-Segment liefert ein Ausgangssignal, dessen Amplitude und Phase von
einer Reihe Faktoren wie Entfernung des Gegenstands und Winkellage im Verhältnis zu einem bestimmten
Segment sowie Stärke des reflektierten Signals abhängen, und unter Vernachlässigung der Amplitudenbezeichnung
kann das Sonarsignal vom i-ten Meßwertwandler-Segment wiedergegeben werden als
worin ω, = 2nf„ mit/, = Sonarfrequenz. ßi in der Beziehung
(3) ist eine Funktion der Zeit, d. h. ßi ändert sich mit der Zeit, da die Krümmung der Wellenfront
mit der Zeit nach dem Sendeimpuls abnimmt.
Erfindungsgemäß ist eine Einrichtung vorgesehen, um die Ausgangssignale von den Meßwertwandler-Segmenten
zu verarbeiten, die eine Schaltungsanordnung zur Modifizierung der Phase ausgewählter Ausgangssignale
in Abhängigkeit von der Zeit und zur anschließenden Erfassung des Informationsgehalts
sowie zur Wiedergabe der verarbeiteten Signale aufweist. Wie grundlegend mit F i g. 7 gezeigt, erzeugt ein
Signalgenerator 50 eine bestimmte Zeit nach jeder akustischen Aussendung durch den Sender 48 ein
Mischsignal für das /-te Meßwertwandler-Segment in der Form
sin (<omt - Vi (Jt))
worin m = 2fm und f„ eine Mischfrequenz ist. Das
Ausgangssignal des Signalgenerators 50 wird mit dem Ausgangssignal des /-ten Meßwertwandler-Segments
in einer Signalvereinigungsschaltung in Form einer Mischstufe 52/ zusammengefaßt, wobei die Mischstufe
52; ein Ausgangssignal der Form abgibt:
Sin [(ω, - ωJt - {ßi (0 - φ, (O)]
Grundsätzlich hat der Signalgenerator 50 zwei Funktionen. Es sei daran erinnert, daß jedes Meßwertwandler-Segment
ein Ausgangssignal bestimmter Phasenlage liefert, und der Signalgenerator liefert
dann zu jedem Zeitpunkt Signale, um die Phasendifferenz im Verhältnis zu einem Referenz-Segment-Ausgangssignal
aufzuheben. Mit anderen Worten, es wird entsprechend der Beziehung (5) zu jedem Zeitpunkt ?>,,
d. h. der Phase des Signalgenerator-Ausgangssignals für das /-te Meßwertwandler-Segment, Im wesentlichen
gleich β/, d. h. der Phase des Meßwertwandler-Segment-Ausgangssignals,
gemacht. Da die Meßwertwandler-Krümmung sich in Abhängigkeit von der Zeit ändern soll, um eine Fokussierung über den gesamten
Entfernungsbereich zu gewährleisten, ändert sich auch φί mit der Zeit, so daß für jedes Meßwertwandler-Segment-Ausgangssignal
φ,(ί) dazu gebracht wird, den einzelnen /?,(7J-Werten zu folgen,
und somit Phasendifferenzen für alle Meßwertwandler-Segmente für jeden Zeitpunkt, zu dem akustische
Echosignale von der Mindestentfernung bis zur
ίο Höchstentfernung eintreffen, im wesentlichen aufgehoben
werden. Eine solche Schaltungsanordnung zur Durchführung dieser Funktion ist mit F i g. 8 gezeigt,
auf die nachstehend Bezug genommen wird.
Ein Meßwertwandler 56 ist entsprechend der Darstellung beispielsweise in neun Segmente 56-1 bis 56-9
unterteilt. Eine entsprechende Anzahl Vorverstärker 58-1 bis 58-9 ist an die einzelnen Meßwertwandler-Segmente
angeschlossen, um die Schall- oder Sonarsignale an entsprechende Signalvereinigungsschaltungen
zu liefern, wie sie hier von Mischstufen 60-1 bis 60-9 gebildet sind. Für seitenorientierten Sonarbetrieb
soll die typische Echoverteilung bei Abwesenheit besonderer Zielobjekte eine gewisse gleichförmige
Ausgestaltung haben. Ein typisches seitenorientiertes Sonarsystem weist dementsprechend für die Kompensation
abnehmender akustischer Signalstärke infolge Ausbreitung, Absorption und Einfallswinkel gegenüber
dem Untergrund eine Schaltung mit sich zeitlich ändernder Verstärkung auf, durch die der Verstärkungsfaktor
des Verstärkers während der Zeit der Anwesenheit eines Echosignals entsprechend einer vorgegebenen
Kurve von einem niedrigen Wert auf einen hohen Wert geändert wird. Es ist somit eine Schaltung
62 zur zeitlichen Änderung des Verstärkungsfaktors (TVG) vorgesehen, die ihr Ausgangssignal an alle
Vorverstärker abgibt.
Der Signalgenerator 50, der die zur Phasenkorrektur erforderlichen Signale liefert, kann von einer
Schaltung mit einem digitalen Schieberegister mit
mehreren angezapften Stufen 67 bis 70 gebildet sein. Ein Oszillator 72 erzeugt das bereits in Verbindung
mit Fig. 7 erläuterte Mischsignal com. Das Mischsignal wird durch das Schieberegister 65 übertragen, indem
es schrittweise durch dessen Stufen mit einer Geschwindigkeit oder Frequenz verschoben wird, die ein
gleichzeitig die Stufen 67 bis 70 taktender Taktgene-,-,
rator 74 bestimmt.
^ ' Die gewünschten Phasenverschiebungen für die
Meßwertwandler-Segment-Ausgangssignale werden über Anzapfleitungen 77 bis 81 festgelegt, wobei der
Ausgang des Oszillators 72 die Mischstufe 60-5 unmittelbar über die Anzapfleitung 77 beaufschlagt. Ein
gegenüber dem Signal der Anzapfleitung 77 phasenverschobenes Signal beaufschlagt die beiden Misch-
stufen 60-4 und 60-6 über die Anzapfleitung 78, und weitere phasenverschobene Signale werden über die
Anzapfleitungen 79, 80 und 81 an entsprechende Mischstufen 60-3 und 60-7, 60-2 und 60-8 bzw. 60-1
und 60-9 beliefert.
Die erforderlichen Phasenverschiebungen können zwar durch Änderung der Frequenz des Oszillators 72
erzeugt werden, jedoch wird im vorliegenden Beispiel die Phasenverschiebung durch zeitliche Änderung der
Frequenz des Taktgenerators 74 bewirkt.
Bei Betrieb liefert somit jede Mischstufe ein Ausgangssignal, dessen Phasendifferenz im Verhältnis
zum Mittelsegment 56-5 aufgehoben worden ist. Diese Signale werden weiter dadurch bearbeitet, daß
sie gemeinsam durch ein Addierglied 85 zusammengefaßt und über dieses an ein Bandpaßfilter 87 abgegeben
werden, das unerwünschte Seitenbänder und Oberwellen aussiebt, so daß sein Ausgangssignal für
einen Detektor 89/, — Jn, ist, wobei/ die Sonar- oder
Schallfrequenz und Jn, die Mischfrequenz ist. Der Informationsgehalt
des Signals wird dann durch den Detektor 89 als ein Wiedergabesignal an eine Aufzeichnungs-
oder Wiedergabestufe 90 in bekannter Weise geliefert.
Das digitale Schieberegister 65 ist weiter ins einzelne gehend in F i g. 9 dargestellt. Es sind die vier
Stufen 67, 68, 69 und 70 gezeigt, wobei die Stufe 67 ein Flipflop mit einer Verzögerungseinheit für das Signal/m
enthält. Die Stufe 68 weist drei Flipflops auf, die drei Verzögerungseinheiten liefern, die Stufe weist
fünf Flipflops auf, die entsprechend fünf Verzögerungseinheiten für das an der Anzapfleitung 69 erscheinende
Signal liefern, und schließlich enthält die Stufe 70 sieben Flipflops, die sieben Verzögerungseinheiten
für das an der Anzapfleitung 80 erscheinende Signal bilden. Insgesamt wird daher gegenüber dem
Signal Jn, das Signal der Anzapfleitung 78 um eine
Verzögerungseinheit, das Signal der Anzapfleitung 79 um vier Verzögerungseinheiten, das Signal der Anzapfleitung
80 um neun Verzögerungseinheiten und das Signal der Anzapfleitung 81 um sechzehn Verzögerungseinheiten
verzögert. Betrachtet man die Stufe 67 als Stufe eins, 68 als Stufe zwei, 69 als Stufe drei
und 70 als Stufe vier, so ist die Verzögerung gleich dem Quadrat der Stufenzahl. Die einzelnen Flipflops
sind jeweils so aufgebaut, daß bei jedem Taktimpuls ein Eingangssignal an ihren Ausgang übertragen
wird.
Die Impulsdiagramme der Fig. 1OA bis 1OE zeigen
die relativen Ausgangssignale der Anzapfleitungen 77 bis 81. Die Impulsfolge der F i g. 10 A stellt das
Ausgangssignal des Oszillators 72 dar und kann beispielsweise eine Rechteckwelle mit einer Frequenz/m
von 75 kHz sein.
Die Flipflops werden durch die Steuerfrequenz / getaktet, die im vorliegenden Beispiel sich zeitlich ändert,
wie das mit Fig. 11 gezeigt ist. Jedesmal, wenn
zum Zeitpunkt TR ein akustischer Impuls ausgesandt wird, beginnt der Taktgenerator 74 damit, einen
Taktimpuls zu liefern, dessen Frequenz sich linear mit der Zeit ändert, bis Echosignale aus der Höchstentfernung
eingetroffen sind, wonach der Vorgang wiederholt wird. Da für die ersten 10% der Entfernung keine
Information abgebildet wird, liefert der Taktgenerator 74 tatsächlich ein Ausgangssignal an die Flipflops, das mit einer Frequenz/l beginnt und mit einer
Höchstfrequenz Jl für die Höchstentfernung RM endet.
Die Frequenz Jl kann beispielsweise 1,2 MHz sein, während die Frequenz Jl den zehnfachen Wert
von 12 MHz hat.
Fig. 1OB zeigt das/„-Signal nach einer Verzögerung
um eine Verzögerungseinheit durch die angezapfte Stufe 67 und bei einer bestimmten Steuer- oder
Taktfrequenz/ im sägezahnartigen Anstieg von beispielsweise 2,4MHz. Nach drei Verzögerungseinheiten
wird die /,-Kurve gegenüber der Kurve A
durch die mit Fig. IOC wiedergegebene Kurve phasenverschoben,
nach fünf Verzögerungseinheiten nach der Stufe 69 ist die Kurve bzw. das Signal entsprechend
Fig. IOD phasenverschoben, und nach sieben weiteren, von der Stufe 70 gelieferten Verzögerungseinheiten
hat das Signal den mit Fig. 1OE gezeigten Verlauf.
Da die Taktfrequenz/ im MHz-Bereich viel größer als die Frequenz des im kHz-Bereich liegenden Mischsignals/n
ist, würden die Kurven oder Impulsfolgen der Fig. 10A-E an sich mit der Taktfrequenz ein-
und ausgeschaltet, jedoch ist der Einfachheit halber nur die Hüllkurve des Mischsignals/, dargestellt. Es
sei bemerkt, daß die Impulsfolgen 10,4 bis 10£ einen
statischen Zustand innerhalb eines an sich dynamisehen Betriebsablaufs darstellen. Die Impulsfolgen
\0A bis 10£ entsprechen somit im wesentlichen einer
Momentaufnahme der einander zugeordneten Impulsfolgen an einer einzigen Stelle im /-Sägezahnanstieg,
wogegen eine kinematographische Aufnahme erforderlich wäre, um den tatsächlichen Betriebsablauf
zwischen/Ϊ und Jl zu zeigen, während dessen die
Impulsfolgen sich um φί (t) der Beziehung (5) proportionale
Beträge im Verhältnis zur Bezugslinie R verschieben würden.
Die Taktfrequenz ändert sich somit nach jedem ausgesandten Sonarimpuls und während des Eintreffens
der Echosignale von dem beschallten Gebiet linear mit der Zeit, und die mit Fig. 10B, IOC, IOD
und 1OE gezeigten Impulsfolgen ändern ihre Phasenlage
in bezug auf die Impulsfolge A im Hinblick auf eine Aufhebung der Werte /?,■ (t) der Sonarsignale
durch zeitliche Änderung der Phasenlage. Die Phasendifferenzen zwischen den Impulsfolgen sind im
Hinblick auf die Bezugslinie R am rechten Ende der Impulsfolgen wiedergegeben, da an sich die Impulsfolge
E das Ausgangssignal des Oszillators 72 zu einem Zeitpunkt wiedergibt, der früher als alle Impulsfolgen
darüber liegt, ebenso wie die übrigen Impulsfolgen.
Sehr kurz nach der akustischen Aussendung und wenn Echosignale verarbeitet werden müssen, ist die
Taktfrequenz verhältnismäßig niedrig, so daß die Maximalkrümmung des Meßwertwandlers 56 (F i g. 8)
simuliert wird, um das Signal auf einen Teil des interessierenden Gebiets zu fokussieren, der eine verhältnismäßig
geringe Entfernung hat. Mit zunehmender Taktfrequenz wird die Krümmung des Meßwertwandlers
geringer, so daß die Anordnung automatisch für jedes Signal fokussiert ist, das aus dem beschallten
Gebiet bis zur Maximalentfernung eintreffen könnte. Die Maximalverzögerung liefert die Anzapfleitung
81, so daß die Mischstufen 60-1 und 60-9 mit der größten Phasenverschiebung beaufschlagt
werden, die dann für die vorangehenden Anzapfleitungen progressiv abfällt.
Das Maß, um das das Signal fm bei seinem Durchlauf
durch das Schieberegister 65 verzögert werden soll, und dementsprechend das Maß der für die einzelnen
Meßwertwandler-Segmente erzeugten Phasenver-Schiebungen ist eine Funktion des Abstands des speziellen
Segments vom Referenz-Segment. Dieses Prinzip wird anhand Fig. 12 und 13, die einen Meßwertwandler in einem Z/T-Koordinatensystem zeigen, sowie
Fig. 14 erläutert, die eine Wellenfront und ein Meßwertwandler-Segment entsprechend F i g. 6 zeigt.
Im Idealfall würden alle Segmente des segmentierten geradlinigen Meßwertwandlers 95 auf einem Kreis
mit dem Radius R liegen, wobei R die Entfernung ist. Der geradlinige Meßwertwandler bildet eine Tangente
an diesen Kreis mit dem Radius R und liegt mit seinem Mittelpunkt im Ausgangspunkt (0, 0) eines
Z/y-Koordinatensystems. Die Beziehung für den Kreis lautet:
2 = χ1 + r-
(6)
Zur weiteren Untersuchung empfiehlt es sich, die Koordinaten so umzuwandeln, daß der Mittelpunkt
des Meßwertwandlers 95 festliegt, während sich die Entfernung demgegenüber verschiebt, so daß Fig. 13
den Meßwertwandler 95 als auf der Ordinate liegend und bezüglich des Ausgangspunktes (0, 0) des Koordinatensystems
zentriert zeigt. Setzt man
Xx = X+ R
(7)
und setzt diesen Ausdruck in die Beziehung (6) ein, so erhält man:
0 = X2, - 2 XxR + Γ- (8).
Löst man die Beziehung (8) nach Xx auf, so ergibt
sich:
xx = R- vÄ: - r- (9).
Dies läßt sich als Reihe ausdrücken, und es läßt sich
zeigen, daß mit guter Näherung gilt:
Da R = ctl2, gilt
v Y2
v Y2
(10).
(Hi-
Die Beziehung (11) zeigt, daß der Verzögerungswert Xx sich umgekehrt mit der Zeit ändert, und daß
die Größe der Verzögerung Xx proportional dem
Quadrat des Abstandes Y vom fraglichen Element bis zu der Stelle ist, an der der Kreisbogen den Meßwertwandler-Punkt
(0, 0) berührt.
Fig. 14 zeigt das /-te Meßwertwandler-Segment,
wie in Fig. 6, in einer Entfernung Y1 vom mittleren
Meßwertwandler-Segment. Die Wellenfront 46 hat einen Abstand d, vom /-ten Meßwertwandler-Segment
längs einer Radiallinie, und für die verhältnismäßig kleinen auftretenden Winkel ist rf, annähernd gleich
X1, Q. h. dem Abstand des /-ten Meßwertwandler-Segments
von der Wellenfront 46 längs der J-Achse. Der Wert X1 der Fig. 14, der im wesentlichen gleich rf, ist,
entspricht dem A>Wert der Beziehung (11). Da A", im
wesentlichen gleich rf,, kann es in der Beziehung (2) für rf, eingesetzt werden, so daß man als Funktion der Zeit
erhält
ß, (t) = InYrIλ et (12)
Die Fortbewegungsgeschwindigkeit des Trägerfahrzeugs muß für ein seitenorientiertes Sonarsystem
mit Einzelstrahl gleich der Breite eines beschallten Gebiets je akustischer Aussendung sein. Dieser Wert entspricht
für ein seitenorientiertes Sonarsystem hoher Auflösung typischerweise einer Größenordnung von
2-3 Knoten. Die Trägerfahrzeuggeschwindigkeit kann um einen Faktor N erhöht werden, wenn je Seite
N Empfängerstrahlen gebildet werden. Das in Verbindung mit F i g. 8 erläuterte Prinzip kann eingesetzt
werden, um zusätzliche Strahlen parallel zu dem zentrischen Strahl des Meßwertwandlers zu bilden. So
zeigt beispielsweise Fig. 15 einen Meßwertwandler 98, der aus einer Mehrzahl Meßwertwandler-Segmente
98-1 bis 98-9 zusammengesetzt ist. Der als durchgehende Linie wiedergegebene Kreisbogen, der
gegenüber dem Segment 98-5 zentriert ist, dient zur Bildung des Empfängerstrahls 5 und wird in der zuvor
beschriebenen Weise gebildet. Weitere Empfängerstrahlen können in bezug auf weitere Segment!
zentriert werden, und der mit der gestrichelten Linii wiedergegebene, gegenüber dem Segment 98-4 zen
trierte Kreisbogen ist dem Empfänger-Strahl F züge
5 ordnet, der als Parallele zum Empfänger-Strahl B ge zeigt ist. Der Einfachheit halber sind die Strahlei
durch gerade Linien wiedergegeben, die die Strahl richtung angeben. Der mit einer strichpunktierten Li
nie wiedergegebene Kreisbogen bildet den Strahl B
ίο und ist in bezug auf das Meßwertwandler-Segmen
98-8 zentriert. Eine Vielzahl der zur Bildung eine: Strahls erforderlichen Phasenverschiebungen sind mi
zur Bildung weiterer Strahlen erforderlichen Phasen verschiebungen identisch, werden jedoch nur an di<
Ausgänge unterschiedlicher Meßwertwandler-Seg mente angelegt. Die zur Bildung eines speziell«
Strahls erforderliche Phasenverschiebung läßt siel aus der Beziehung (12) erhalten, in der Y1 als der Ab
stand des speziellen Meßwertwandler-Segments vor
dem Referenz-Segment für den speziellen Strahl ange nommen wird.
Eine Schaltung zur Bildung von Mehrfachstrahler unter Anwendu-.g der in Verbindung mit Fig. 8 un
tersuchten Prinzipien zeigt Fig. 16, wo die Anord
nung zur Veranschaulichung sieben Strahlen Bl b'v, Bl bildet. Der Meßwertwandler 100 ist aus neui
Meßwertwandler-Segmenten 56'-l bis 56'-9 zusam mengesetzt; die jeweils aufgrund akustischer Energi«
von dem beschallten Gebiet ein Ausgangssignal be stimmter Amplitude und Phase liefern. Der Sender
Meßwertwandler (nicht dargestellt) wird dann in die sem Zusammenhang so ausgelegt, daß er ein Gebie
beschallt, das mindestens gleich dem von allen dieser Empfängerstrahlen »betrachteten« Gebiet ist.
Da durch die Anordnung nach Fig. 16 sieben ver
schiedene Strahlen gebildet werden, werden die Aus gangssignale der einzelnen Meßwertwandler-Seg
mente nach entsprechender Vorverstärkung paralle an sieben verschiedene Gruppen von neun Mischstu
fen geliefert, die das Mischsignal von einem Signalge nerator 102 erhalten. Der Übersichtlichkeit halbe
sind jedoch nur drei solche parallele Linien gezeigt und zwar jeweils nur von den Meßwertwandler-Seg
menten 56-1, 56'-2, 56'-5 und 56'-7.
Zur Bildung des Strahls Bl ist eine Mehrzah Mischstufen vorgesehen, von denen die Mischstufei
104-1, 104-2,104-5 und 104-7 gezeigt sind. Die Aus gänge dieser Mischstufen, ebenso wie weiterer nich
dargestellter Mischstufen zur Bildung des Strahls B] haben die mit F i g. 7 gezeigte Form und werden ge
meinsam einem Addierglied 106 zugeführt, dessei Ausgang in der bereits erläuterten Weise verarbeite
werden kann, um vom Strahl 51 empfangene Infor mation abzubilden.
Der in bezug auf das Meßwertwandler-Segmen 56'-5 zentrierte Strahl 54 wird durch die an eim
Mehrzahl Mischstufen, von denen vier, nämlicl 108-1, 108-2, 108-5 und 108-7, gezeigt sind, geliefer
ten Ausgänge der Segmente gebildet. Die Ausgang«
aller dieser dem Strahl 54 zugeordneten Mischstufer werden einem Addierglied 110 zugeführt, dessen Aus
gangssignal verarbeitet wird, um vom Strahl 54 emp fangene Information abzubilden. In ähnlicher Weisi
empfangen für den Strahl 56 Mischstufen 112-1 unc
folgende Mischstufen 112 die Ausgangssignale voi den Meßwertwandler-Segmenten, die dann, bei Verei
nigung mit dem Mischsignal vom Signalgenerato 102, eine Mehrzahl Ausgangssignale ergeben, die den
Addierglied 114 zur weiteren Verarbeitung und Wiedergabe zugeführt werden.
Der Signalgenerator 102 kann ähnlich wie in Fig. 8 ausgebildet sein und dementsprechend ein digitales
Schieberegister 116 nut einer Mehrzahl Stufen
117 bis 123 aufweisen. Das Mischsignal fm wird vom
Oszillator 125 geliefert, während das Taktsignal fc
von einem Taktgenerator 126 geliefert wird.
Bei der Überprüfung nur der ersten Leitung von den einzelnen Meßwertwandler-Segmenten, d. h. der
Leitungen mit den Mischstufen der Gruppe 104, erkennt man, daß der Aufbau allgemein der gleiche wie
bei F i g. 8 ist, abgesehen von der Zentrierung des Strahls in bezug auf das Segment 56'-2. Das gleiche
gilt für die Anordnung mit den Mischstufen der Gruppe 108, wobei der Strahl BA in bezug auf das
Segment 56'-5 zentriert ist, sowie den Mischstufen der Gruppe 112, wobei der Strahl B6 in bezug auf das
Segment 56'-7 zentriert ist. Grundsätzlich werden die Leitungen mit den Mischstufen und den Addiergliedern
der Fig. 8 in der Anordnung nach Fig. 16 siebenmal verdoppelt, wobei jedoch die am weitesten
linke Mischstufe auf gegenüberliegende verschiedene Meßwertwandler-Segmente zentriert ist. Beispielsweise
empfangen Mischstufen 104-2, 108-5 und 112-7 gegenüber entsprechenden Strahlen Bl, B4
bzw. B6 das Referenzsignal fm vom Oszillator 125.
Nachfolgende Mischstufen erhalten das /„-Signal phasenverschoben über die Ausgänge der Stufen 117
bis 123 des digitalen Schieberegisters 116, und zwar jeweils in Übereinstimmung mit der Steuerung durch
die Taktfrequenz/,., die in der zuvor erläuterten Weise
sich linear mit der Zeit ändert.
Die Mischstufen erhalten daher die Ausgangssignale von den Meßwertwandler-Segmenten und dem
Signalgenerator und liefern mehrere Gruppen von Signalen, wobei die einer Gruppe angehörenden Signale
im wesentlichen keine Phasenabweichung haben und jede Signalgruppe einen bestimmten Strahl repräsentiert.
Die Signalgruppen werden weiter durch die Addierglieder, Filter und Detektoren verarbeitet, um so
eine Mehrzahl Wiedergabesignale zu erhalten.
In ruhigen Gewässern kann das Trägerfahrzeug sich längs einen geradlinigen Kurses fortbewegen. In
der Regel wird es jedoch, je nach Größe, durch die Wasserbewegung beeinflußt, so daß es auch eine horizontale
Drehbewegung um eine vertikale Achse ausführt, wobei dieser Vorgang als Gieren bezeichnet
wird. Wenn das Fahrzeug mit einer bestimmten Giergeschwindigkeit giert und während dieser Bewegung
eine akustische Aussendung stattfindet, ist der Empfängerstrahl möglicherweise infolge des Gierens nicht
auf das vom Senderstrahl beschallte Gebiet gerichtet. Es kann daher eine Einrichtung vorgesehen sein, um
den Empfängerstrahl bzw. die Empfängerstrahlen wirksam so zu lenken, daß die Gierwirkung kompensiert
wird. Eine solche Anordnung ist mit Fig. 17 für einen Einzelstrahl wiedergegeben, wobei dieses Prinzip
sich jedoch auch anwenden läßt, wenn mit Mehrfachstrahlen gearbeitet wird. Die Elemente der
Fig. 17 entsprechen Elementen in der Anordnung nach F i g. 8 und tragen daher die gleichen Bezugszeichen.
Während in Fig. 8 die Mischstufen 60-1 bis 60-9 in Form einer Pfeilspitze angeordnet waren, die
zu dem Meßwertwandler-Segment zeigte, bezüglich dessen der Strahl zentriert werden sollte, sind bei der
Anordnung nach Fig. 17 die gleichen Mischstufen längs einer geraden Linie angeordnet, jedoch jeweils
so angeschlossen, daß sie die entsprechenden Ausgangssignale der Meßwertwandler-Segmente 56-1 bis
56-9 wie in F i g. 8 empfangen.
Um den Meßwertwandler in Abhängigkeit von der Zeit unterschiedlich zu fokussieren, liefert der Oszillator
72 das Mischsignal fm und der Taktgenerator 74
das veränderliche Taktsignal/. Auch hier ist ein digitales Schieberegister 137 vorgesehen, das sich jedoch
von dem Schieberegister der Fig. 8 unterscheidet. Das digitale Schieberegister hat eine Mehrzahl Stufen
140 bis 143 und deren identische Gegenstücke in Form der Stufen 140' bis 143', die jeweils die in diese
Stufen eingetragene Anzahl Verzögerungseinheiten haben.
Eine Einrichtung steuert bzw. lenkt automatisch den Empfängerstrahl, so daß dieser beim Gieren stets
auf das beschallte Gebiet gerichtet ist. Um dies zu verwirklichen, ist ein digitales Schieberegister 147 mit einer
Mehrzahl identischer Stufen 150 vorgesehen, die jeweils das gleiche, in die Stufen eingetragene Verzögerungsmaß
gegenüber dem Mischsignal fm haben. Die Stufen 150 erhalten Taktimpulse der Frequenz/,
von einem Taktgeber 154, wobei /. von der Giergeschwindigkeit oder -frequenz abhängt. Ein Gierfrequenzfühler
156 tastet die Gierfrequenz ab, um dann die Taktfrequenz entsprechend zu steuern.
Das Mischsignal fm beaufschlagt alle Mischstufen
außer den Mischstufen 60-9 und 60-5 erst nach zweifacher Verzögerung, einmal zur Strahllenkung und
einmal zur Fokussierung über den ganzen Entfernungsbereich. Jede der beiden Verzögerungen kann
zuerst erfolgen, jedoch zeigt Fig. 17 das Schieberegister
147 für die Strahlsteuerung als erste Verzögerungseinrichtung, da mit dieser Anordnung alle -Stufen
150 identisch sein können.
Vernachlässigt man vorübergehend die Stufen 150 der Strahllenkungsschaltung, so beaufschlagt das
Mischsignal fm die Stufen des digitalen Schieberegisters
137. In der Anordnung nach Fig. 8 erhält die Mischstufe 60-5 das Ausgangssignal vom Oszillator
72 unmittelbar als Referenzsignal, d. h. ohne eine Phasenverschiebung. Das gleiche gilt für die Mischstufe
60-5 der Fig. 17. Die Mischstufen 60-4 und
60-6 der F i g. 8 erhalten das Mischsignal nach einer Verzögerungseinheit durch die Stufe 67. Entsprechend
beaufschlagen die Stufen 140 und 140' der Fig. 17 die Mischstufen 60-4 und 60-6 mit einer Verzögerungseinheit.
Die Mischstufen 60-3 und 60-7 erhalten insgesamt die Verzögerungseinheiten, wie" sie
durch die Stufen 67 und 68 vorgegeben werden. Die kumulative Verzögerung, wie sie in F i g. 9 dargestellt
ist, entspricht vier Einheiten, und somit liefern die Stufen 141 und 141' den Mischstufen 60-3 und 60-7
vier Einheiten. Die Summe der Verzögerungseinheiten nimmt mit dem Quadrat der Stufenzahl zu; so
daß die dritte Stufe 142 und 142' neun und die vierte Stufe 143 und 143' sechzehn Verzögerungseinheiten
ergibt und, beim Fehlen der Lenkungsanordnung, die Anordnung genau wie in Verbindung mit F i g. 8 beschrieben
arbeitet.
Eine Möglichkeit der Gierkompensation besteht darin, den Empfänger-Meßwertwandler unter einem
bestimmten Winkel θ im Verhältnis zur Fortbewegungsrichtung zu befestigen, wie das mit Fig. 18 angedeutet
ist, wo die Fortbewegungsrichtung der Y-Achse entspricht und der Meßwertwandler im Verhältnis
zur Fortbewegungsrichtung unter einem Winkel θ angeordnet ist, wobei θ beispielsweise die Hälfte
des maximal erwarteten Gierwinkels sein kann. Wenn kein Gieren auftritt und man davon ausgeht, daß der
Sender-Meßwertwandler so schräggestellt ist, daß er etwas vor der seitlichen Richtung ausstrahlt, so müßte
die richtige Lage für den Meßwertwandler der gestrichelten Linie 56' entsprechen, um Energie von dem beschallten
Gebiet zu empfangen. Für diesen Fall kann der Taktgeber 154 eine richtige Nennfrequenz /J71
gleichzeitig an alle Stufen 150 liefern. Die von diesen Stufen hervorgerufenen Verschiebungen oder Verzögerungen
bewirken eine Steuerung oder Lenkung des gebildeten Strahls um einen der Frequenz/J, proportionalen
Betrag. Die Mischstufe 60-9 erhält keine Lenk- oder Steuerverzögerung, so daß das Meßwertwandler-Segment
56-9 praktisch stationär bleibt, während eine maximale Verzögerung nach der letzten
Stufe an die Mischstufe 60-1 abgegeben wird. Die Ausrichtung des Meßwertwandlers nach Fig. 17 im
Vergleich zu dem nach Fig. 18 wäre so, daß das Meßwertwandler-Segment
56-9 im Schwenkpunkt 160 angeordnet wäre.
Beginnt das Fahrzeug mit einer bestimmten Frequenz oder Geschwindigkeit zu gieren, so besteht die
Gefahr, daß der Empfängerstrahl infolge dieser Bewegung nicht auf das beschallte Gebiet gerichtet ist. Es
wird daher die Gierfrequenz erfaßt und die Taktfrequenz gegenüber ihrer Nennfrequenz/v„ so moduliert,
daß der Strahl zu dem beschallten Gebiet hingelenkt wird. Durch Verringerung der Frequenz gegenüber
ihrer Nenneinstellung wird der Strahl zu der mit der gestrichelten Linie 56" wiedergegebenen Lage hin gelenkt,
während eine Erhöhung der Frequenz dazu führt, den Strahl zu der mit der durchgehenden Linie
56 wiedergegebenen räumlichen Lage hin zu lenken. Die Stufen 150 bewirken eine Verzögerung oder Phasenverschiebung
der Mischfrequenz/^, die bei der Beaufschlagung der Ausgänge der einzelnen Meßwertwandler-Segmente
allmählich zunimmt. Das Ausmaß der Strahlsteuerung oder -lenkung wird durch die Frequenz
des Taktgebers 154 bestimmt, die ihrerseits vom Gierwert des Fahrzeugs abhängt.
Die Suchgeschwindigkeit kann verdoppelt werden, indem Meßwertwandler sowohl auf der Back- als
auch auf der Steuerbordseiie des Trägerfahrzeugs angeordnet werden, die mit unterschiedlichen Frequenzen
arbeiten können. Die Signalverarbeitungsanordnung nach der Erfindung kann sowohl für die Backais
auch für die Steuerbordanordnung eingesetzt werden, und Fig, 19 zeigt eine Verdopplung der Anordnung
nach Fig. 8 mit einem zusätzlichen zweiten Meßwertwandler 56' für den Einsatz auf der gegenüberliegenden
Seite des Fahrzeugs. Außer unerwünschten Seitenbändern und Oberwellen enthalten die Ausgangssignale der einzelnen Mischstufen nicht
nur das gewünschte Signal fs-fm von dem Meßwertwandler
56, sondern außerdem auch ein /,'-/„,-Signal
vom Meßwertwandler 56'. Um dieses letztgenannte Signal aus dem Ausgangssignal des Addierglieds 85
auszuscheiden, ist ein zusätzliches Bandpaßfilter 87' vorgesehen, dessen Ausgangssignal von einem Detektor
89' aufgenommen wird, der seinerseits das Signal für die Wiedergabe liefert.
Beim Betrieb von Sonaranlagen mit einer Mehrzahl Meßviertwandler oder einen Meßwertwandler bildenden
Meßwertwandler-Segmenten wird von einem als »Abschattung« bekannten Vorgang Gebrauch gemacht,
um das Ansprechen der Elemente zu verändern und damit in erster Linie unerwünschte Seitenkeulen
oder -lappen des Sende- oder Empfangsstrahls zu verringern. Bei der hier beschriebenen Anordnung
werden die Kreisbogen der Fig. 5A schrittweise entsprechend
der Länge der Meßwertwandler-Segmente angenähert. Diese Annäherung kann Seitenlappen
hervorrufen, die als Gitter-Seitenlappen bekannt sind und für kurze Entfernungen unerwünscht sein können.
Um diese Seitenlappen zu verringern, kann der gezeigte Meßwertwandler in kleinere Segmente unterteilt
werden, es können für kurze Entfernungen Segmente aus der Schaltung herausgenommen werden,
oder die verschiedenen Ausgangssignale der Meßwertwandler-Segmente können in geeigneter Weise als
Funktion der Zeit be- bzw. abgeschattet werden.
Hierzu 7 Blatt Zeichnungen
Claims (15)
1. SchifTssonaranordnung mit einem Empfangerwandler,
der eine Mehrzahl Wandlersegmente aufweist, die angrenzend zueinander längs einer
geraden Linie angeordnet und so betreibbar sind, daß sie jeweils ein Ausgangssignal entsprechend
dem Empfang akustischer Energie von einem durch impulsweise Abstrahlung von Ultraschallenergie
beaufschlagten Zielgebiet abgeben, mit an den Wandlersegmenten angeschlossenen Verstärkerschaltungen,
mit den Verstärkerschaltungen nachgeschalteten Verzögerungsschaltungen zur Verzögerung der verschiedenen Signale der Verstärkcrschaltungen
um unterschiedliche Verzögerungszeiten, und mit mehreren, den Verzögerungsschaltungen nachgeschalteten Signalvereinigungsschaltkreisen,
dadurch gekennzeichnet, daß Steuerschalteinrichtungen (67 bis 70, Fig. 8;
117 bis 132, Fig. 16) an den Verzögerungsschaltungen (60-1 bis 60-9, Fig. 8; 104-1 bis 112-7,
Fig. 16) angeschlossen sind, um die unterschiedlichen Verzögerungszeiten zu steuern, daß an die
Steuerschalteinrichtungen (67 bis 70, Fig. 8; 117 bis 123, Fig. 16) Verzögerungszeitänderungsschalteinrichtungen
(74, Fig. 8; 126, Fig. 16) angeschlossen
sind, um die unterschiedlichen Verzögerungen der Verzögerungsschaltungen (60-1 bis
60-9, Fig. 8; 104-1 bis 112-7, Fig. 16) während
der Signalaufnahme zur Fokussierung auf eine Mindestentfernung und dann zur fortlaufenden
Änderung der Fokussierung bis zu einer Maximalentfernung zu steuern, und daß die Steuerschalteinrichtungen
(67 bis 70, Fig. 8; 117 bis 123, Fig. 16) die Verzögerungsschaltungen (60-1 bis
60-9, Fig. 8; 104-1 bis 112-7. Fig. 16) auch steuern,
um eine vorbestimmte gegenseitige Abhängigkeit der von den Wandlersegmente» (56-1 bis
56-9, Fig. 8; 56-1 bis 56-9) erzeugten Signale zu erzeugen, um die Entfernung entlang eines gewünschten
Aufnahmebandes zu verändern, wobei das Aufnahmeband eine gegebene geometrische Beziehung hinsichtlich des Empfangswandlers
(56-1 bis 56-9) aufweist, und daß der Signalvereinigungsschaltkreis
(85, Fig. 8; 106, 110, 114, Fig. 16) an. den Verzögerungsschaltungen (60-1
bis 60-9, Fig. 8; 104-1 bis 112-7, Fig. 16) derart
angeschlossen ist, daß von den verschiedenen Verzögerungsschaltungen (60-1 bis 60-9, Fig. 8;
104-1 bis 112-7, Fig. 16) verschiedene Verzögerungen lieferbar sind, und außerdem die Fähigkeit
entsteht, unterschiedliche Verzögerungen eines Signals von einem jedem einzelnen Wandlersegment
(56-i bis 56-9) an jedes der Signalvereinigungsschaltkreise
(85, Fig. 8; 106, 110, 114, Fig. 16) zu liefern, um eine Serie von aufeinander fokussierten
Empfangsbändern zu liefern, derart, daß die Bänder angrenzend zueinander angeordnet
sind.
2. SchifTssonaranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Wandlersegmenten
(56-1, 56-2...) angeschlossenen Verstärkerschaltungen (58-1,58-2...) mit. einer Schaltung
(62) zur zeitlichen Änderung des Verstärkungsfaktors (TVG) verbunden sind, die eine
Kompensation abnehmender akustischer Signalstärke infolge Ausbreitungsdämpfung ermög
licht.
3. Schiffssonaranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschalteinrichtungen
für die Verzögerungsschaltungen (60-1, 60-2,...) ein digitales Schieberegiscer
mit mehreren angezapften Stufen (67, 68, 69, 70) umfassen, wobei am Eingang des Schieberegisters
(65) ein von einem Oszillator (50, Fig. 7) erzeugtes Mischsignal (FM) anliegt, so daß das Mischsignal
(FM) die Schieberregieterstufen (67, 68, 69,
70) unter Taktsteuerung eines Taktgenerators (74, Fig. 17) mit einer Taktfrequenz (fc) durch das
Schieberegister (65, F i g. 8) und damit zu den Anzapfpunkten (77, 79, 80, 81, Fig. 9) verschiebbar
ist.
4. Schiffssonarariordnung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung durch die Frequenz des das Mischsignal (fm)
erzeugenden Oszillators (72) festgelegt ist.
5. Schiffssonaranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung
durch zeitliche Änderungen der Frequenz des das Taktsignal (fc) erzeugenden Oszillators
(74) festgelegt ist, insbesondere durch periodisch linearen Anstieg von einem Anfangswert bis zu einem
Endwert.
6. Scniffssonaranordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalvereinigungsschaltkreis
ein Addierglied (85) mit Eingangsanschlüssen für die Ausgänge der einzelnen Verzögerungsschaltungen (60-1,
60-2...) umfaßt, dem ein Bandpaßfilter (87) zur Aushebung nicht gewünschter Seitenbänder und
Oberwellen nachgeschaltet ist.
7. Schiffssonaranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bandpaßfilter
(87) ein Detektor (89) zur Aufnahme und Gleichrichtung des dem Mischsignal (fm) und dem Ultraschallsignal
(fs) bestehenden, vom Bandpaßfilter durchgelassenen Signals (fs-fm) und zur Lieferung
eines Ansteuersignals für die Darstellungseinrichtung (90) (Fig. 8) nachgeschaltet ist.
8. Schiffssonarnordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Schieberegister
(65) aus mehreren, insbesondere vier (67, 68, 69, 70) Stufen mit jeweils steigender Anzahl
von Flip-Flops (nämlich 1, 3, 5,1) besteht, die jeweils
eine bestimmte Zeitverzögerung liefern, derart, daß sich die Zeitverzögerung gemäß einer quadratischen
Funktion von Stufe zu Stufe vergrößert (nämlich um 1, 4, 9, 16 usw. Verzögerungseinheiten)
(Fig. 9).
9. Scniffssonaranordnung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils
mehrere zusätzliche (N) Empfangsstrahlen bildbar sind, die parallel zu einem zentrischem Strahl
(B) des Wandlers (98) liegen (F i g. 15).
10. Schiffssonaranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden zusätzlichen
Empfangsstrahl eine eigene Gruppe von Mischstufen (z. B 104-1, 104-2...) mit nachgeschaltetem
eigenen Addierglied (z. B. 106) vorgesehen ist (Fig. 16).
11. Schiffssonaranordnung nach einem der Ansprüche 1-10, gekennzeichnet durch ein zweites
Schieberegister (147) zur Gierkorrektur, bestehend aus mehreren identischen Stufen (150) mit jeweils
gleichem Verzögerungsmaß für das am Ein-
gang des Schieberregisters (147) anliegende Mischsignal (72, fm), die mit Taktimpulsen eines
Taktgebers (154) ansteuerbar sind, dessen Taktfrequenz (fyj von einem Gierfrequenzfühler (156)
gesteuert ist.
12. Schiffssonaranordnung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die vom zweiten Schieberegister (147) abgegebenen Mischsignale
den Flip-Flop-Gruppen (140 bis 143) des eisten Schieberegisters (137) als Mischsignal (fm) zuführbar
sind (F i g. 17).
13. Schiffssonaranordnung nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß an
beiden Seiten des Trägerfahrzeugs jeweils eine Wandleranordnung mit Signalverarbeitungsschaltung
angeordnet ist, um die Meßgeschwindigkeit zu verdoppeln.
14. Schiffssonaranordnung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß beide Selten mit unterschiedlicher
Meßfrequenz arbeiten.
15. Schiffssonaranordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem
Addierglied (85) ein zusätzliches Bandpaßfilter (87') angeordnet ist, um durch den anderen
Wandler erzeugte Störsignale auszufiltern.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US05/444,590 US3950723A (en) | 1974-02-21 | 1974-02-21 | Sonar apparatus |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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