DE1190845B - Einrichtung zum Feststellen von schallreflektierenden Koerpern, insbesondere von Fischen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 74 d- 6/15

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

N18262IXd/74d
30. April 1960
8. April 1965

Dicht am Meeresgrund schwimmende Fische sind durch die üblichen Echolote schwierig zu erfassen, da die von den Fischen stammenden Echos von den vom Meeresgrund zurückkommenden Echosignalen praktisch nicht unterscheidbar sind, wenn mit Echolotung gearbeitet wird, während die Veränderungen der Wassertiefe, die Unregelmäßigkeiten des Meeresgrundes und die Bewegungen des Schiffes in senkrechter Richtung den Auflösungsgrad beschränken, der in der Umgebung des Meeresgrundes mit einem Ultraschallecholot-Aufzeichnungsgerät erzielbar ist.

Diese Schwierigkeiten können auch nicht dadurch beseitigt werden, daß die ausgestrahlte Frequenz periodisch verändert wird und die Anzeige aus der Überlagerung des ausgesandten mit dem von dem Hindernis reflektierten Signal gewonnen wird, wie dies bei einer bekannten Einrichtung zur Feststellung der Entfernung von unter Wasser befindlichen Hindernissen von Bord eines Schiffes aus der Fall ist.

Das gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildete Echolot soll Echosignale von in der Nähe des Meeresgrundes schwimmenden Fischen liefern, die von den vom Meeresgrund ausgehenden Echosignalen deutlich unterscheidbar sind. Die neue Vorrichtung kann dabei so konstruiert sein, daß Fische in einem Bereich von etwa 3,7 bis 5,48 m vom Meeresgrund feststellbar sind. Das Ausgangssignal kann beispielsweise ein hörbares Signal sein, so daß dadurch einer der menschlichen Sinne zur Wahrnehmung des Signals dient, welcher beim Fischfang gewöhnlich nicht benötigt wird.

Bekannte Echolotgeräte benutzen den Augenblick der Aussendung eines Sendeimpulses als Ausgangszeitpunkt, von dem aus die Laufzeit oder Echozeit gemessen wird, um eine Anzeige der gesuchten Tiefe zu liefern. Im tiefen Wasser, d. h. bis zu etwa 550 m Wassertiefe, stellen die Veränderungen dieser Tiefe gewöhnlich nur einen sehr kleinen Bruchteil der Gesamttiefe dar, und Änderungen von etwa 3,7 bis 5,5 m sind auf einer Aufzeichnung kaum feststellbar. Daher sind Fische, die wenige Meter über dem Meeresgrund schwimmen, nicht erfaßbar, solange nicht dieser Bereich in der Nähe des Meeresgrundes in einem größeren Maßstab dargestellt wird. Dies ist jedoch schwierig durchzuführen, da die Tiefe in einem viel größeren Bereich schwanken kann als der von dem Aufzeichnungsgerät bei diesem Maßstab überstrichene Bereich. Vorrichtungen, bei denen der Anzeigezeitpunkt bezüglich des Grundechos festgelegt ist, sind bekannt. Bei diesen Vorrichtungen ist es möglich, die Echodarstellung ohne Bezug auf Tiefenschwankungen maßstäblich zu dehnen. Die vor-

Einrichtung zum Feststellen von
schallreflektierenden Körpern, insbesondere
von Fischen

Anmelder:

National Research Development Corporation,

London

Vertreter:

Dr.-Ing. K. Boehmert

und Dipl.-Ing. A. Boehmert,

Patentanwälte, Bremen 1, Feldstr. 24

Als Erfinder benannt:

David Gordon Tucker,

Leslie Kay, Birmingham, Warwickshire

(Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 12. Mai 1959 (16158)

liegende Erfindung befaßt sich mit einer neuen Lösung dieses Problems und schafft damit eine Möglichkeit, in der Nähe des Meeresgrundes schwimmende Fische festzustellen und auf relativ einfache Weise zu orten.

Die Erfindung geht von einer Einrichtung aus, die einen Schall- oder Ultraschallsender, dessen Sendefrequenz periodisch über einen Frequenzbereich gewobbelt wird und einen Echosignalempfänger enthält, und bei der die aufgenommenen Echosignale mit den ausgesandten Signalen gemischt werden und durch Demodulation ein Überlagerungssignal erzeugt wird, das der Änderung der Sendefrequenz während der Laufzeit zwischen der Aussendung der Signale und dem Empfang zugehöriger Echosignale entspricht. Um mit einer solchen Einrichtung oberhalb des Meeresgrundes vorhandene, schallreflektierende Körper, insbesondere das Auftreten von Fischen in der Nähe des Meeresgrundes feststellen zu können, wird gemäß der Erfindung durch eine weitere Demodulation des Überlagerungssignals, das die von den Echos vom Meeresgrand und von einem oberhalb des Meeresgrundes befindlichen schallreflektierenden Körper herrührenden Frequenzkomponenten enthält, ein weiteres, Differenzfrequenzen enthaltendes Signal

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gebildet, das zur Anzeige für das Vorhandensein des Da die Intensität der aufgenommenen Schallwellen

schallreflektierenden Körpers und seinen Abstand mit der Tiefe abnimmt, sind anschließend an das

vom Meeresgrund dient. Bandpaßfilter 7 ein Tierenentzerrer 8 und ein Ver-

Vorzugsweise sind dann Einrichtungen vorge- stärker 9 vorgesehen, um den Amplitudenabfall mit sehen, um die Überlagerungssignale hörbar zu 5 zunehmender Frequenz auszugleichen, den das Ausmachen und damit durch die Frequenz der Über- gangssignal des Frequenzumsetzers 6 aufweist,
lagerungssignale anzuzeigen, welchen Abstand die Weil die Vorrichtung als Echolotgerät verwendet reflektierenden Körper (Fische) vom Meeresgrund wird, ist das vorherrschende Echo das vom Meereshaben. Durch Modulation mit einer Hilfsfrequenz grund kommende Echo. Dieses Echo wird demnach können die Signale in einen gut hörbaren Bereich io mit viel größerer Amplitude einfallen als jedes anumgesetzt werden. Ferner kann aus der Frequenz des dere Echo. Nahbereichsechos können, falls erforderauf das Grundecho zurückzuführenden Überlage- lieh, ebenfalls durch das Filter 7 ausgesiebt werden, rungssignals eine Anzeige für die Meerestiefe ab- Die Differenzfrequenzsignale werden einem Detekgeleitet werden. Dieses Signal kann ebenfalls hörbar tor (oder Gleichrichter) 10 zugeführt, dessen Ausgemacht werden. 15 gangssignal nicht nur eine Gleichstromkomponente

Die Erfindung wird besser verständlich aus der des gleichgerichteten, dem Grundechosignal entfolgenden Beschreibung einer beispielsweisen Aus- sprechenden Signals enthält (sowie das letztgenannte führungsiorm in Verbindung mit den Zeichnungen. Signal selbst und seine Harmonischen, wenn nur eine Dabei zeigt einfache Gleichrichterschaltung verwendet wird),

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer vollständigen er- 20 sondern auch ein Niederfrequenzsignal, das durch

findungsgemäß aufgebauten Einrichtung, die Überlagerung des Grundechosignals mit irgend-

F i g. 2 ein Diagramm zur Darstellung der Arbeits- einem anderen Echosignal entstanden ist, das beiweise der Einrichtung und spielsweise von einem Fisch oder einem Fisch-

Fig.3 ein Einzelschaltbild eines Teils der Ein- schwarm in der Nähe des Meeresgrundes stammt,

richtung nach Fig. 1. 25 Das Filter 11 dient zur Aussiebung der Gleichstrom-

Betrachtet man Fig. 1, so sieht man zunächst komkonente und der obenerwähnten höheren Freeinen Sender 1, der als frequenzgewobbelter Oszilla- quenzen. Dabei ist der Durchlaßbereich dieses FiI-tor aufgebaut ist, der durch einen Sägezahngene- ters so gewählt, daß nur die niederfrequenten rator 2 gesteuert ist, und einen Leistungsverstärker 3, Signale durchgelassen werden, die von solchen Echoder einen elektro-akustischen Wandler 4 steuert, um 30 Signalen abgeleitet sind, die ursprünglich in der See im Wasser Ultraschallschwingungen zu erzeugen. Die unmittelbar oberhalb des Meeresgrundes entstanden Sendefrequenz wird dabei zwischen 340 und 460 kHz sind (beispielsweise innerhalb eines Bereiches von in Perioden von 1, 0,5 oder 0,25 Sekunden für Tie- 3,7 bis 5,5 m oberhalb des Meeresgrundes). Diese fen von etwa 110, 54,8 und 27,4 m variiert. (Es wird Signale allein werden an die nächste Stufe weiterspäter noch gezeigt, daß das weite Frequenzband und 35 geleitet. Das Grundecho wird damit also beim Bedie lange Dauer der Wobbeischwingung tatsächlich trieb des Detektors als Trägersignal benutzt,
ein nahezu kontinuierliches hörbares Signal ergibt, Die wichtigste Folge davon ist, daß nunmehr das wenn ein Echo auftritt.) Für tieferes Wasser würde Grundecho, gleichgültig wie groß die Wassertiefe ist, man eine niedrigere Sendefrequenz und eine entspre- ein Gleichstromsignal ist und damit als Bezugssignal chend kleinere Wobbeifrequenz nehmen. Der Sende- 40 oder Bezugszeitpunkt dient, auf den alle anderen wandler wird z. B. am Kiel des Schiffes mit Strahl- Echosignale zurückbezogen werden. Somit sind also richtung nach unten befestigt. Der Sendewandler alle Schwankungen der Meerestiefe und die senkkann beispielsweise einen akustischen Strahl mit rechten Bewegungen eines Schiffes wirkungsmäßig einer Strahlbreite von etwa 3° erzeugen. Da die ausgeschaltet, weil das Ausgangssignal der Vorrich-Übertragung kontinuierlich ist, ist im Vergleich zu 45 tung stets starr auf den Meeresgrund bezogen wird. Impulssystemen nur eine geringe Leistung erfor- Das Filter 11 dient zum Aussieben der Gleichderlich. Stromkomponente und sperrt in diesem Fall auch

Der EmpfangswandlerS wird nahe dem Sende- alle Signale oberhalb von 700Hz, was einem Abwandler angebracht und empfängt mehr oder weni- stand vom Meeresgrund von 3,7 m entspricht. Ein ger kontinuierliche Signale von reflektierenden Ge- 50 größeres Durchlaßfrequenzband würde natürlich genständen in jeder Tiefe. Moduliert man die Ein- einem größeren Tiefenbereich oberhalb des Meeresgangssignale des Empfängers mit dem unmittelbar grundes entsprechen.

von dem frequenzmodulierten Oszillator kommen- Um das Signal leichter darstellen zu können, wird den Signal, so erhält man am Ausgang des Frequenz- das Ausgangssignal des Filters 11 in einer Mischumsetzers 6 eine Summen-und eine Differenzfrequenz. 55 stufe 12 einer weiteren Frequenzumsetzung unter-

F i g. 2 zeigt ein Diagramm, in dem die Frequenz worfen, d. h., das Signal wird mit einem 1-kHz-Signal über der Zeit aufgetragen ist. Dabei stellt Kurve α aus dem Oszillator 13 gemischt und ergibt ein Signal das ausgesendete Signal, Kurve δ das vom Meeres- von 1040 bis 1700Hz, das innerhalb des optimalen grund kommende Echosignal und Kurve c ein Signal Hörbereichs des Ohres liegt. Dieses Signal wird über dar, das beispielsweise von einem in der Nähe des 60 ein Filter 14 und einen Verstärker 15 einem Laut-Meeresgrundes schwimmenden Fischschwarm reflek- Sprecher 16 zugeführt.

tiert worden ist. Aus F i g. 2 sieht man, daß das aus Jedes Echosignal, dessen Ursprung innerhalb eines

dem Frequenzumsetzer kommende Ausgangssignal Bereiches von 5,48 m oberhalb des Meeresgrundes

mit der Differenzfrequenz proportional der Tiefe ist, liegt, erscheint im Ausgang des Lautsprechers oder

aus der dieses Signal nach dem Empfangswandler 65 im Kopfhörer als ein mehr oder weniger konstanter

zurückreflektiert wurde. Nur dieses Signal wird in Ton. Da es hierbei im Gegensatz zu den üblichen

dem System weiterverarbeitet. Das Summensignal Echolotortungsgeräten keine Hintergrundgeräusche

wird durch ein Bandpaßfilter 7 ausgesiebt. gibt, sind die Töne klar hörbar und zeigen unmittel-

bar das Auftreten von Fischen an, wobei die Tonhöhe eine Anzeige für die Tiefe darstellt, in der die Fische schwimmen. Je höher die Frequenz, um so weiter sind die Fische vom Meeresgrund entfernt.

Der Niederfrequenzverstärker 15 kann durch einen Umschalter 17 mit dem Ausgang des Verstärkers 9 verbunden werden, um einen Ton zu erhalten, der eine Anzeige für die Tiefe des Meeresgrundes liefert. Zur gleichen Zeit muß auch das Frequenzband ge- xo ändert werden, um das Grundechosignal hörbar zu machen (auf beispielsweise 5 bis 8 kHz).

Dies wird durch eine Mischstufe 18 erreicht, der ein Signal aus einem Oszillator 19 zugeführt wird, der beispielsweise nach Art eines Schwebungsoszillators aufgebaut sein kann, dessen Ausgangsfrequenz einstellbar ist, um das Ausgangssignal der Mischstufe auf die Frequenz Null einstellen zu können und damit eine genaue Messung bei der Echolotung des Meeresgrundes sicherzustellen. Ein Bandpaß 24 siebt die unerwünschten Frequenzen aus, die zu einer Mehrdeutigkeit bei der Tiefenmessung Anlaß geben könnten. An Stelle des Lautsprechers oder zusätzlich zum Lautsprecher 16 kann das vom Filter 14 kommende Signal einem Spektralanalysator 20 zugeführt werden, um das Signal auf einer Kathodenstrahlröhre und/oder auf einem Aufzeichnungsgerät 21 sichtbar zu machen. In gleicher Weise kann das vom Verstärker 9 kommende Grundechosignal über einen Spektralanalysator 22 zur sichtbaren Darstellung einer Kathodenstrahlröhre und/oder einem Aufzeichnungsgerät 23 zugeführt werden.

Fig.3 zeigt Einzelheiten einer als Tiefenentzerrer 8, Verstärker 9, Detektor 10 und Bandpaßfilter 11 geeigneten Schaltung. Das vom Filter 7 kommende Signal wird dem Gitter einer Verstärkerröhre 25 zugeführt, deren Ausgangssignal einem abgeschirmten, aus Kondensator Cl und Spule L bestehenden Schwingkreis zugeführt wird. Die über diesem Schwingkreis abfallende Spannung wird dem Steuergitter einer Verstärkerröhre 26 zugeführt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 26 gelangt an einen Gleichrichter 27, der auf einen Lastwiderstand 28 arbeitet. Das über diesem Lastwiderstand abfallende Signal wird dem Bandpaßfilter zugeleitet, das aus einer Reihenkapazität C 2, Reihenwiderständen 30, 31, Querkapazitäten C 3 und C 4 und Querwiderständen 28 und 29 besteht und an der Klemme B ein Ausgangssignal liefert. Das am Punkts auftretende Ausgangssignal wird dann, wie oben beschrieben, in seiner Frequenz umgesetzt und dem Lautsprecher 16 zugeführt. Das am Eingang der Röhre 25 liegende Signal kann durch den Regelwiderstand 32 in seiner Amplitude geändert werden. Der mit zunehmender Wassertiefe auftretende Amplitudenabfall des Echosignals wird durch die frequenzabhängige Änderung der Impedanz des abgestimmten Schwingungskreises LCl kompensiert. Nimmt daher der Meßbereich zu, dann nimmt auch die Frequenz des vom Filter 7 kommenden Differenzsignals zu, wobei jedoch gleichzeigtig wegen der Dämpfung des Echosignals dessen Amplitude abnimmt. Dies wird durch die mit zunehmender Frequenz wachsende Verstärkung des Verstärkers 26 ausgeglichen, welche durch die Impedanzkennlinie des Gitterkreises LCl der Röhre 26 sichergestellt ist. Das Ausgangssignal der Röhre 26 wird nicht nur dem Detektor oder Gleichrichter 27 zugeführt, sondern gelangt auch über den Abgriff des Regelwiderstandes P, die Leitung 33 und den Widerstand 34 nach der Mischstufe 18.

Der Schalter S₁₀ dient der Auswahl eines der drei Widerstände 35, 36 und 37, die zur Dämpfung des abgestimmten Kreises LCl einschaltbar sind, um die Impedanzkennlinie des Kreises an die Bereichs-Frequenzcharakteristik der Echolotvorrichtung anzupassen. Dieser Schalter kann daher mit einem Schalter mechanisch verbunden werden, der die Einstellung des Sägezahngenerators 2 steuert, durch den wiederum die Wobbelfrequenz des Senders gesteuert wird, um so das System für ein Arbeiten in den drei verschiedenen Tiefenbereichen einzustellen.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Feststellen von schallreflektierenden Körpern, insbesondere von Fischen, in unmittelbarer Nähe oberhalb des Meeresgrundes unter Verwendung eines Schall- oder Ultraschallsenders, dessen Sendefrequenz periodisch über einen Frequenzbereich gewobbelt wird, und bei der aus den vom Echosignalempfänger aufgenommenen Echosignalen unter Mischung mit den ausgesandten Signalen und durch Demodulation ein Überlagerungssignal erzeugt wird, das der Änderung der Sendefrequenz während der Laufzeit zwischen der Aussendung des Signals und dem Empfang zugehöriger Echosignale entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine weitere Demudulation (10) des Überlagerungssignals, das die von den Echos vom Meeresgrund und von einem oberhalb des Meeresgrundes befindlichen, schallreflektierenden Körper herrührenden Frequenzkomponenten enthält, ein weiteres, die Differenzfrequenzen enthaltendes Signal gebildet wird, das zur Anzeige für das Vorhandensein des schallreflektierenden Körpers und seinen Abstand vom Meeresgrund dient.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen Signale, die für Körper innerhalb eines bestimmten Abstandes vom Meeresgrund eine Anzeige ergeben, durch Filterschaltung (14, 24) ausgewählt und mit Hilfe von Verstärkern und Lautsprechern hörbar gemacht werden.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umsetzung der ausgewählten Signale in den Hörbarkeitsbereich durch Modulation mit einer Hilfsfrequenz vorgenommen wird (12,13).

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Einrichtungen (18, 19, 24) vorgesehen sind, um die Frequenz des auf das Grundecho rückzuführenden Überlagerungssignals zu ermitteln und dadurch eine Anzeige für die Meerestiefe zu erhalten.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Änderung der Stärke des Echos mit zunehmender oder abnehmender Tiefe frequenzabhängige Schaltmittel (L, Cl, 35, 36, 37, 5 la) vorgesehen sind, die eine mit abnehmender Frequenz zunehmende Dämpfung liefern.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der mit zunehmender Entfernung abnehmenden Signalamplitude frequenzabhän-

gige Schaltmittel vorgesehen sind, die in dem Signalübertragungstromkreis zwischen dem Empfänger und den das zweite Überlagerungssignal erzeugenden Schaltmitteln eingeschaltet sind und eine mit zunehmender Frequenz zunehmende Verstärkung liefern.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Ein-

richtungen (20, 21, 22, 23) zur sichtbaren Darstellung und/oder Aufzeichnung der aus den zweiten Überlagerungssignalen ausgewählten Empfangssignale vorgesehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 536 771.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen