DE1441485C1 - Anordnung zur Ortung und Frequenzmessung von Unterwasser-Schalloder Ultraschallquellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Seilenwinkelortung oder Azimutwinkelortung und zur Frequenzmessung von gegebenenfalls diskreten Unterwasser-Schal!- oder -Ultraschallquellen mit einem Schallempfänger mit Hydrophonen.

Anordnungen dieser Art dienen insbesondere zum Anpeilen von Sonar-Sendern.

Die zur Zeit gebräuchlichen Geräte verwenden zu diesem Zweck gewöhnlich zwei Hydrophone mit im wesentlichen kreisrunder Richtcharakteristik, die im rechten Winkel zueinander gekreuzt angeordnet sind.

Ihr wesentlicher Nachteil ist darin zu sehen, daß die angenommene kreisrunde Form der Richtcharakteristik, die eine Grundvoraussetzung des Systems ist, keineswegs streng eingehalten wird, und daß dieser Mangel sich in Abhängigkeit von den Eigenschaften des

ίο angepeilten Sonar-Geräts ändert, so daß die festgestellten Seitenwinkel im allgemeinen sehr ungenau sind, ohne daß es möglich ist, Kompensationskurven zu zeichnen, die für alle Anwendungsbedingungen gültig sind.

-.5 Zur Ortung von Schallwellen Undefinierter Frequenz, z. B. Geräuschen, ist es bekannt, mehrere gerichtete Empfänger, beispielsweise Hydrophonpaare mit Richtwirkung, im Winkel zueinander aufzustelien und die Ausgangsspannungen der Empfänger, bei Hydrophonpaaren also die Resultierende der Ausgangsspannungen der beiden Hydrophone des Paares, nach Verstärkung unmittelbar als Ablenkspannungen für einen Katodenstrahl-Oszillographen zu verwenden. Die Lage des Lichtpunkts auf dem Schirm der Katodenstrahlröhre ist dann eine Anzeige für die Richtung, aus der die Schallwellen kommen. Die Meßpenauigkeit dieser Anordnung ist ajer wieder von der Genauigkeit des Richtdiagramms der gerichteten Empfänger abhängig. Außerdem ist die Anzeige der Frequenz der Schallwellen mit einer solchen Anordnung nicht möglich.

Schließlich ist auch eine Anordnung zur Feststellung des Ortes des Vorbeigangs eines sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegenden Geschosses auf Grund der Stoßwellen bekannt, bei welchem vier Mikrophone

r> benutzt werden, die im Abstand von 90° auf einem Kreis angeordnet sind. Bei dieser Anordnung werden die Zeitpunkte des Eintreffens der Stoßwellen an den Mikrophonen durch Differentiieren der Ausgangsspannungen der Mikrophone fastges; -lit und in Rechengeräte eingegeben, die an Hand der Zeitunterschiede den Ort des Vorbeigangs ermitteln und mit Hilfe eines Oszillographen anzeigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, die mit Hilfe von Hydrophonen

4^r> sowohl die Sc lenrichtung als auch die Frequenz einer Unterwasser-Schall- oder -Ultraschallquelle unmittelbaranzeigt.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Schallemptänger aus zwei Hydrophon-Dipolen

M besteht, weiche mit parallelen Polachsen im Winkel von 90^u zueinander gekreuzt angeordnet sind, daß jedem Dipol eine elektronische Anordnung zugeordnet ist, weiche eine der Phasendifferenz zwischen den von den beiden Hydrophon-Polen des Dipols kommenden

« Signalen proportionale Spannungen erzeugt, und daß die beiden Spannungen den Ablenksystemen einer Oszillographenrohre zugeführt werden.

Da jedes Hydrophon in bezug auf eine durch seinen geometrischen Mittelpunkt gehende Achse im wesentli-

M) chen richtwirkungsfrei ist. besteht ein Hydrophon-Pol aus einem Hydrophon oder aus zwei gleichen und gleichachsig angeordneten Hydrophonen, deren Mittelpunkte im Abstand voneinander auf der gemeinsamen Achse liegen. Im zweiten Fall liegt das Zentrum des Pols

ί>5 auf dem Mittelpunkt der Strecke, welche die Mittelpunkte der beiden den Pol bildenden Hydrophone miteinander verbindet. Ein Hydrophon-Dipol besteht aus zwei Hydrophon-Polen, deren Achsen parallel

TUJ

zueinander in einem bestimmten Abstand liegen und senkrecht zu der die Zentren der beiden Pole verbindenden Geraden stehen.

Die Erfindung ergibt die Wirkung, daß die Richtung des den Mittelpunkt des Schirms mit dem ausgelenkten Lichtpunkt verbindenden Vektors die Richtung der georteten Schallquelle anzeigt, und daß die Größe dieses Vektors ein Maß für die Frequenz der empfangenes Schallweilen ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung des Erfindungsgenstandes werden die Auswirkungen des Wassenauschens dadurch beseitigt, daß wenigstens ein Pol jedes Dipols aus zwei koaxialen, in geeignetem Abstand voneinander entlang der gemeinsamen Achse angeordneten Hydrophonen besteht

Diese Ausbildung ergibt die Wirkung, daß die vom Wasserrauschen stammenden Signale zwischen den beiden Polen jedes Dipols außer Korrelation gebracht werden.

Eine zweckmäßige Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes besteht darin, daß am A.usgang jedes Pols der beiden Hydrophondipole ein Modulator angeschlossen ist, daß jeder dieser Modulatoren an seinem anderen Eingang das Ausgangssignal eines Oberlagerungsoszillators empfängt, daß der Ausgang eines Pols jedes Dipols mit dem zugeordneten Modulator direkt verbunden ist, daß der Ausgang des zweiten Pols jedes Dipols mit dem zugeordneten Modulator über einen 90°-Phasenschieber verbunden ist, und daß die Phasenverschiebungen zwischen den Sinusspannungen, welche von den beiden Modulatoren abgegeben werden, die an die Ausgänge der beiden Pole des gleichen Dipols ingeschlossen sind, von einem Polaritätskoinzädenzkorrelator gemessen werden.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung r, beispielshalber erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Ausbreitung einer an einem akustischen Dipol ankommenden ebenen Welle,

Fig.2 eine schematische Darstellung der Sichtbarmachunt des Seitenwinkels und der Frequenz,

Fig.3a eine Seitenansicht einer nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung,

F i g. 3b eine Oberansicht der Anordnung von F i g. 3a,

F i g. 3c einen Teil der Anordnung von F i g. 3a und 3b

in größerem Maßstab, -n

F i g. ί das Blockschaltbild der elektronischen Schaltung der erfindungsgemäßen Anordnung,

F i g. 5 eine schematische Darstellung des Prinzips der Beseitigung von Mehrdeutigkeiten und

Fig.6 eine Darstellung verschiedener Vektoren, die auf dem Schirm der Oszillographenröhre erscheinen können

Es sei zunächst das Prinzip der durchzuführenden Messung erläutert.

In F i g. I sind zwei gleichartige Hydrophone 1 und 2 dargestellt, die zu einem akustischen Dipol miteinander verbunden sind. Die Strahlungsdiagramme dieser Hydrophone sind richtungsunabhängig und ihre Achsen stehen senkrecht zu der Zeichenebene, weiche die Schwerpunkte enthält. ω

Eine aus der Richtung Δ kommende ebene Welle, die einen Winkel θ mit der Grundlinie 1-2 des akustischen Dipols bildet, erreicht die Hydrophone 1 und 2 in den Zeitpunkten /i bzw. t₂, wobei sie die parallel zu Δ liegenden Geraden Δ ι und Δ₂ durchläuft.

Es ist zu erkennen, daß diese Geraden mit der Senkrechten auf d<c Grundlinie 1*2 des Dipols den Winkel θ einschließen.

Im Zeitpunkt d nimmt die Schnittlinie der ebenen Welle mit der Zeichenebene die Lage l-2i ein, wobei sie mit der Grundlinie 1-2 und der Geraden Δ2 das Dreieck l-2i-2 bildet, das bei 2i einen rechten Winkel aufweist, während der zwischen der ebenen Welle l-2i und der Grundlinie 1-2 liegende Winkel den Wert θ hat

Die Phasenverschiebung h - ti zwischen den Laufzeiten, welche die aus der Richtung Δ kommende Welle benötigt, um die Hydrophone 2 bzw. 1 zu erreichen, ist gleich der Zeit, welche die Welle zum Durchlaufen der Strecke 2i-2=l-2 · cos θ benötigt, wobei 0 der Seitenwinkel der Schallquelle in bezug auf die Senkrechte zu der Grundlinie 1-2 ist welche bei dem gewählten Beispiel mit der Richtlinie des Schiffes zusammenfällt

Dann gilt also:

r₂ - r, = 2.1 —/cos«.

Darin sind d die Länge der Grundlinie 1-2, θ der Seitenwinkel der Schallquelle, f die Frequenz der ausgesendeten Welle und cdie Ausbreitungskonstante.

Noch einfacher läßt sich schreiben:

I₂- t, = Kfcosf),
wenn man setzt:

K = 2 J-.
c

In Fig.2 ist ein erster Dipol 1-2 dargestellt, dessen Grundlinie beispielsweise senkrecht zu der Richtlinie des Schiffes ist, während ein zweiter Dipol 3-4 den Dipol 1-2 im rechten Winkel kreuzt, so daß also die Grundlinie 3-4 parallel zu der Richtlinie des Schiffes liegt

Wie zuvor gilt:

:;nd in gleicher Weise gilt
U - ti = K fs'in Θ.

F i g. 2 zeigt in vereinfachter Darstellung das zur Seitenwinkelortung dienende Gerät r.ich der Erfindung, das zugleich die Frequenz der Schallquelle mißt

Eine elektronische Anordnung Θ12, die einem Phasenmesser äquivalent ist und später genauer erläutert wird, mißt die Phasenverschiebung zwischen den an den Hydrophonen 1 und 2 ankommenden korrelierten Weben, während eine gleichartige Anordnung Θμ die gleiche Aufgabe für die Hydrophone 3 and 4 erfüllt

Arii Ausgang dieser Phasenmeßanordnungen werden die Spannungsdifferenzen, die jeweils den von den Anordnungen &u bzw. Q» gemessenen Phasenverschiebungen proportional sind, an die Ablenkplattenpaare 28i, 282 bzw. 28j, 28₄ einer Oszillographenröhre 28 angelegt. Dies'" Plattenpaare sind im rechten Winkel zueinander gekreuzt angeordnet.

Der Kathödenstrählpunkt befindet sich in der neutralen Stellung im Mittelpunkt des kreisrunden Schirms, wenn keine Spannungsdifferenz an den Platten jedes Plattenpaares liegt. Beim Vorhandensein von Spannungen, welche Phasenverschiebungen anzeigen, wird dieser Punkt entlang einem Vektor φη, der parallel zu dem Dipol 1-2 dargestellt und proportional zu der am Dipol 1-2 gemessenenen Phasenverschiebung ist, und

entlang einem Vektor φ_ν, der parallel zum Dipol 34 dargestellt und proportional zu der am Dipol 3-4 gemessenenen Phasenverschiebung ist, abgelenkt.
Für diese beiden Vektoren gilt:

<pi2 ist proportional f2^-f|,alsozu /cos θ
g>34 ist proportional h— U, also zu /"sin Θ.

Der resultierende Vektor φ (f, Q), welcher die Auslenkung des Lichtpunktes zur Sichtbarmachung der georteten Schallquelle bewirkt, hat somit als Betrag eine Länge, die der Frequenz fder Schallwelle proportional ist, und als Argument den Seitenwinkel Θ, in welchem die Schallquelle zu hören ist.

Ein Ausführungsbeispiel des Schallortungsgeräls nach der Erfindung ist in Fig.3a, 3b und 3c für den Schallempfänger und in Fig.4 für den elektronischen Teil und die Anzeigeeinrichtung dargestellt.

Γ"*«». 0#*Uollf>ryinf8nfr£r jTjit 711/ρΐ crpl/rpii^tpn ΠίηηΙρη ict

in F i g. 3a in Seitenansicht und in F i g. 3b in Oberansicht gezeigt, während F i g. 3c einen Dipol in Seitenansicht in vergrößertem Maßstab zeigt.

In jedem Dipol besteht einer der beiden Pole aus zwei Hydrophonen, die zentrisch zu der gleichen senkrechten Achse angeordnet sind; dies sind für den Dipol 1-2 die Hydrophone 1 und Γ und für den Dipol 3-4 die Hydrophone 3 und 3'.

F i g. 3c zeigt den gegenseitigen Abstand der Hydrophone 1 und Γ sowie den Abstand der senkrechten Achse des Pols 1-Γ von der senkrechten Achse des Pols

2. Für das dargestellte Beispiel betragen diese Masse 100+100 = 200 mm bzw. 37,5 mm. Dabei ist der Schallempfänger in einer Kuppel untergebracht, die aus einem zylindrischen Abschnitt mit dem Durchmesser 250 mm besteht, welcher von einer halbkugelförmigen Kalotte abgeschlossen ist, so daß die Gesamthöhe der Kuppel 500 mm beträgt.

Später wird noch zu erkennen sein, daß es durch diese Abstände möglich ist, die vom Wasserrauschen hervorgerufenen Störsignale zwischen den beiden Polen jedes Dipols außer Korrelation zu bringen, wobei aber die Bedingung der Beseitigung von Mehrdeutigkeiten erfüllt bleibt.

Fig.4 zeigt das Blockschaltbild der elektronischen Anordnung des erfindungsgemäßen Geräts.

Die von den Hydrophonen 1 (bzw. 1, l'),2 und 3 (bzw.

3, 3'), 4 empfangenen Signale werden nach Durchgang _uncj durch einen Vorverstärker 11, 21, 31 bzw. 41 einem Ein-Seitenband-Modulator 12, 22,32 bzw. 42 zugeführt.

Diese Modulatoren empfangen andererseits von einem Oszillator 5 eine Unterträgerfrequenz von beispielsweise 30 kHz, wobei der den Modulatoren 12 und 32 zugeführte Unterträger durch einen Phasenschieber 6 gegenüber dem den Modulatoren 22 und 42 zugeführten Unterträger um π/2 phasenverschoben wird.

Die Ausgangssignale der Ein-Seitenband-Modulatoren 12, 22,32 und 42 werden in den Schaltungskanälen 13,23,33 bzw. 43 von zwei Polaritätskoinzidenzkorrelatoren herkömmlicher Art verstärkt und begrenzt; jeder dieser Korrelatoren enthält einen logischen Multiplikator 7 bzw. 8.

Wenn eine Azimutabtastung durchgeführt werden soll, d.h. eine Abtastung in bezug auf eine feste Richtung, beispielsweise die Nordrichtung, ist es mittels Umschaltern 9 und 10 möglich, die Ausgangsspannungefl der beiden Korrelatoren an Potentiometer 14, 15 &5 und 16, 17 anzulegen, mit denen zu dem festgestellten Seitenwinkel der Kurswinkel addiert werden kann.

Den Ablenkverstärkern 25 und 27 ist jeweils ein Dämpfungsglied 24 bzw. 26 zur Ablenkdehnung vorgeschaltet. Dieses Dämpfungsglied ist normalerweise in Betrieb, kann aber mittels eines Umschalters 19 bzw. 20 abgeschaltet werden.

Die Verstärker 25 und 27 legen die Ablenkspannungen, die, je nachdem, ob die Umschalter 9 und 10 die zur Kurswinkelkorrektur dienenden Glieder 14—18 einschalten oder nicht, dem Azimut oder dem Seitenwinkel entsprechen, an eines der Ablenkplatlenpaare der Oszillographenröhre 28, die vorzugsweise mit Bildaufrechterhaltung arbeiten.

Die Wahl einer Röhre mit Bildaufrechtefhaltung ermöglicht es, einen die Funktion φ (f, Θ) darstellende Vektor auch dann zu erhalten, wenn die festgestellte Schallquelle Signale von sehr kurzer Dauer, beispielsweise in der Größenordnung von 20 \is abgibt.

Es soll nun der Betrieb einer nach der Erfindung aiiscrpführten Ortimos- und Analvsatoreinrichtune für den Fall untersucht werden, daß eine ebene Schallwelle, deren Frequenz / beispielsweise zwischen 2000 und 10 000 Hz liegt, aus einer im wesentlichen horizontalen Richtung mit dem Seitenwinkel θ ankommt.

Es sei zunächst der Dipol 1,2 betrachtet:

Für eine ebene Welle, die von einer in großer Entfernung liegenden Quelle kommt, ist die Summe der von den Hydrophonen 1 und Γ abgegebenen Spannungen g.i-sich der Spannung, die von einem Hydrophon abgegeben würde, welche im Schwerpunkt der Strecke 1*1' liegt. Man kann den Abstand 1-Γ so bemessen, daß das an den Hydrophonen 1 und Γ auftretende Wasserrauschen mit dem Wasserrauschen am Hydrophon 2 nicht korreliert ist.

Das gleiche gilt für das Wasserrauschen an den Hydrophonen 3, 3' das mit dem Wasserrauschen am Hydrophon 4 nicht korreliert ist.

Später wird noch zu erkennen sein, daß der waagerechte Abstand zwischen den Schwerpunkten der Pole des gleichen Dipols nicht ausreicht, um das Rauschen außer Korrelation zu bringen.

Für einen ausreichend starken Schall erhält man dann folgende Ausgangsspannungen an den Korrelatoren 7 bzw. B:

4/—sin«

4/—cosß.

Darin sind:

d = der Abstand der Dipole

c — die Geschwindigkeit der ankommenden Welle

Θ = der Seitenwinkel der Schallquelle.

Dieses Ergebnis setzt ferner voraus, daß zwischen den beiden Kanälen jedes Polaritätskoinzidenzkorrelators ein ^-Phasenschieber nach Art des Phasenschiebers 6 eingefügt ist, der breitbandig ausgeführt sein muß.

Damit zu große Störphasenverschiebungen vermieden werden, wie sie durch einen breitbandigen Phasenschieber hervorgerufen würden (die Notwendigkeit hierfür wird später noch zu erkennen sein), wird die Phasenverschiebung um 90° nicht an den aus den Hydrophonen kommenden breitbandigen Signalen vorgenommen, sondern an einer festen, reinen Sinusspannung, wodurch die Bildung von sehr viel (etwa 6mal) genaueren Phasenschiebern möglich wird.

Die Modulation dieser Sinusspannung der Frequenz F von beispielsweise 30 kHz mit den aus den Hydrophonen kommenden Signalen der Frequenz / von beispielsweise 1OkHz würde die Bildung von zwei vorherrschenden Frequenzen, den sog. Seitenbändern, hervorrufen, die bei F+fund bei F— f, im vorliegenden B$?jpiei also bei 40 kHz und 20 kHz liegen würden.

Aufgrund derartiger Spannungen könnte kein Vergleich der Signale in den Korrelatoren durchgeführt werden. Aus diesem Grund sind bei dem gewählten Beispiel die Modulatoren 12 und 22 als Ein-Seitenband-Modulatoren ausgeführt, so daß nur eine einzige Frequenz F+/Oder F-farn Eingang der Korrelatoren vorhanden ist.

Wegen des Vorhandenseins des ,τ/2-Phasenschiebers hat bekanntlich die Korrelationsfunktion von zwei sinusförmigen Eingangssignalen mit der Spitzenamplitlirlp Λ itnrl r\t*r \C r/»lcfrf»mif»n7 r.\ Ata <τ<*ιτΑηΒ*ιίιΐτ um ■*·

zeitlich verschoben sind, die folgende Form:

sin

Hieraus folgt, daß die Ausgangsspannung des Korrelators 7 den folgenden Wert hat:

S₅ = — Aresin (sin ,·> r)

und unter der Voraussetzung, daß

S_s(ß) = — ,..τ = 4/ — sin (9.

wenn ωτ durch seinen Ausdruck als Funktion von f und Θ ersetzt wird.

Wenn dieses Ergebnis beispielsweise für den Korrelator 7 erhalten worden ist, genügt es, um die Ausgangsspannung S₅des Korrelators 8 zu erhalten, den ao Wert Θ durch πΙ2-Θ zu ersetzen; diese Richtung spielt für den Dipo! 3, 4 die gleiche Rolle wie die Richtung Θ für den Dipol 1,2, was sich wie folgt schreiben läßt:

45

Die vorstehenden Formeln sind nur unter der Bedingung

gültig, weil für

I ·■> τ 1 > — ,

also für

Af- sinfi» > 1

ι _c 1
d sin θ > -4- -V = —r /■

4 / 4

eine Mehrdeutigkeit bestehen würde.

Da gemäß der Erfindung der Abstand des Dipols kleiner als 1/4 der kürzesten Welle in dem Frequenzband gewählt wird (also 3,75 cm für IO kHz oder A= 15 cm),besteht keine Mehrdeutigkeit.
5 Offensichtlich Wäre im entgegengesetzten Fall, d. h. für Frequenzen über 10 kHz oder Wellenlängen unter 15 cm, der erhaltene Seitenwinkel der Schallquelle bei dem gewählten Beispiel falsch,

Diese notwendige Einschränkung des Abstandes der Hydrophone eines Dipols ergäbe die Wirkung, daß die von ihnen aufgenommenen, dem Wasserrauschen entsprechenden Signale miteinander korreliert würden, wenn nicht einer der hydrophonischen Pole jedes Dipols gemäß der F.rfindung aus zwei in ausreichendem Abstand voneinanderliegenden Hydrophonen bestünde, wie das Beispiel von F i g. 3c zeigt.

Es sind sonst keine Maßnahmen zur Beseitigung von

iribfllUVUllgnVIIVII VI[VIUbIlIbIl. IIUI5IUIIU UbI III UbI

Schaltung hervorgerufenen Phasenverschiebung um ir/2 ist zu erkennen, daß die Ausgangsspannung eines Korrelators ihr Vorzeichen ändert, wenn sich das Vorzeichen der akustischen Verzögerung zwischen den beiden Hydrophonen des Dipols seinerseits umkehrt.

Die Kombination der Ausgangsspannungen der beiden Korrelatoren ermöglicht somit die Identifizierung des Quadranten, in dem sich die Schallquelle befindet (+ + Quadrant I, + - Quadrant II,

Quadrant III. - + Quadrant IV)(siehe Fig. 5).

Wie aus F i g. 4 zu erkennen ist, kann die Ortung der

JU Schallquelle nach Wunsch entweder dem Seitenwinkel nach oder dem Azimut nach erfolgen, indem für den zweiten Fall die Ausgangsklemmen der Koinzidenzkor· relatoren 7 und 8 an eine an sich bekannte Kurswinkelkorrekturanordnung angeschlossen werden, welche durch die Phasenschieber 14 bis 17 dargestellt ist und die Wirkung ergibt, daß an einem der Ablenkplattenpaare der Oszillographenröhre 28 Spannungen angelegt werden, die derart phasenverschoben sind, daß der auf der Oszillographenröhre erscheinende Vektor um einen Winkel gedreht wird, der im wesentlichen gleich dem Kurswinkel ist.

Im vorstehenden wurde angenommen, daß die Richtung Θ der ankommenden Welle durch Reflexionen am Schiffsrumpf nicht beeinflußt wird, und daß ferner keine störende Phasenverschiebung von der Funkanlage herrührt.

Es sollen nun die Maßnahmen untersucht werden, die nach der Erfindung getroffen werden, damit unter Berücksichtigung der verschiedenen Störursachen eine ausreichende Meßgenauigkeit erhalten wird.

Der Schallempfänger wird so weit wie möglich von den Teilen des Rumpfes entfernt, welche zu Schallreflexionen führen können, beispielsweise ganz vorn oder ganz oben am Turm eines U-Bootes.

Der verbleibende Fehler wird dadurch so weit wie möglich herabgesetzt, und insbesondere in dem ungünstigsten Fall der Winkelmessungen in der Querrichtung. Die Symmetrie des Schiffsrrmpfes in bezug auf die Richtlinie des Schiffes macht nämlich von vornherein den Einfluß der Reflexionen auf die Winkelmessung in den Richtungen, die in der Nähe der Kurslinie liegen, gering.

Hinsichtlich der Verformung des Feldes durch die Kuppel und die Hydrophone selbst äußert sich der

_b5 dadurch hervorgerufene Fehler an der Ablesung des Seitenwinkels am stärksten, wenn die gemessene Quelle in der Achse des Dipols liegt Die Symmetrie des Schallempfängers stellt dann einen beträchtlichen

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kompensierenden Faktor dar, weil die Fehler der Seitenwinkelmessung infolge dieser Symmetrie im wesentlichen zu Null werden, wenn die ankommende Welle der Achse eines Dipols folgt.

Es seien nun die Phasenverschiebungen untersucht, die von den Verstärkern der elektronischen Anordnung oder von Verstimmungen der ττ/2-Phasenschieber hervorgerufen werden.

Wenn die zuvor angegebenen Vorsichtsmaßnahmen getroffen sind, kann angenommen werden, daß der Fehler in dem Schallempfänger im Mittel kleiner als ±1° gemacht werden kann, wobei die größten akustischen Fehler in den Richtungen auftreten, die um 45° gegen die Achsen geneigt sind, während in der Richtung dieser Achsen die kleinsten Fehler vorhanden lind.

Die von der elektronischen Anordnung hervorgerufenen Phasenverschiebungen sind ihrerseits in Richtung 4er Achsen ^rößer als bei ύ^ν. F.ichtun^n, die 45° ^σ6^σ6η diese Achsen geneigt sind.

Es ist möglich, die von den nichtlinearen Verzerrungen in den Verstärkern der Begrenzerstufen und von einer Unsymmetrie oder Verzerrung in den Begrenzern leibst hervorgerufene Phasenverschiebung derart zu begrenzen, daß der von den Begrenzern stammende Fehler in der Größenordnung von 1/1000 gehalten wird.

Zu diesem Zweck verwendet man beispielsweise •inen Dynamikkompressor, der mit einer Oberwellenfilferung ausgestattet ist, und es ermöglicht, die modulierte Trägerschwingung auf einem konstanten Pegel in der jo Größenordnung von 10 Volt zu halten, während die iegrenzung, beispielsweise mit Hilfe einer Schmitt-Kippschaltung, mit einer Genauigkeit von 10 mV bei der Auslösung erfolgen kann.

Jedoch wäre der Phasenverschiebungsfehler von sich ή ■us größer als ± 1 °, wenn ein breitbandiger π/2-Phasen- «chieber verwendet wird. Infolge der Verwendung des Phasenschiebers auf der Trägerfrequenzseite ist es dagegen ohne weiteres möglich, den Phasenverschiebungsfehler kleiner als 0,15° zu halten, was auf der Röhre einem Fehler von weniger als ±1° gegenüber den Achsen entspricht.

Unter diesen Bedingungen bleibt der Gesamtfehler fcei der Seitenwinkelablesung unter ±2°, und er kann •ogar bis in die Nähe von ±1° herabgesetzt werden, wenn jedes der zu dem Fahler beitragenden Elemente im obigen Sinne besonders sorgfältig hochgezüchtet wird.

An Hand von F i g. 6 soll nun untersucht werden, was ■uf der Bildaufrechterhaltungsröhre 28 zunächst beim Fehlen einer entfernten Schallquelle und dann beim Auftreten von korrelierten Signalen am Ausgang der Korrelatoren stattfindet

Beim Fehlen von Signalen erzeugt das Ausgangsrauschen der Korraiatoren einen Fleck im Mittelpunkt der Bildaufrechterhaltungsröhre. Wenn die Integrationszeitkonstante am Ausgang jedes der Korrelatoren 7 und 8 etwa 10 ms beträgt, also die Hälfte dei kürzesten Impulsdauer, wenn sie für die von der Anordnung zu analysierenden Signale in Betracht gezogen wird, und die Bandbreite im Maßstab der Anzeigeeinrichtung beispielsweise höchstens 1OkHz beträgt, läßt sich zeigen, daß bei einer entsprechenden Beseitigung der Korrelation des Rauschens an den Hydrophonen das Rauschen auf dem Anzeigeschirm einen Kreis um den Ursprung mit einem Radius B_s von elwa 240 Hz einnimmt,so daß die Ortung von mindestens 1000 Hz an einwandfrei ist.

Wenn das von dem »Sonar«-Gerät kommende Signs! kräftig empfangen wird, erzwingt es seine Korrelation, und der Vektor /Θ, welcher das geortete »Sonar«-Gerät dsrstellt, zeichnet sich deutlich auf dem Schirm der Röhre ab (Punkte A und Cin F i g. 6).

Wenn das Verhältnis des Nutzsignals zum Rauschen in der Nähe von 1 liegt, ist der Vektor f, Θ ungenau und er bildet sich über den Wert f hinaus und zu beiden Seiten des Wertes Θ durch eine ausgedehnte Ablenkzone ab (schraffierter Bereich B in F i g. 6).

Wenn ein Signal zugleich mit einem Rauschen vorhanden ist, nehmen die Ausgangsspannungen folgende Werte an:

⁴'

worin 5,- und B_e die Leistungen des Signals bzw. des Rauschens am Eingang sind.

Damit also das Gerät insbesondere hinsichtlich der Frequenzmessung genau ist, muß es mit einem ausreichend großen Rauschabsland arbeiten.

F i g. 6 zeigt den Schirm der Oszillographenröhre für den Fall, daß sich drei Sonargeräte A, B und C gleichzeitig in dem Meßraum befinden, wobei angenommen worden ist, daß die von den verschiedenen Sonargeräten stammenden Impulse zeitlich nicht zusammenfallen. Die Wahrscheinlichkeit einer solchen Koinzidenz ist sehr gering, und man würde dann einen resultierenden Vektor ohne nutzbare Bedeutung erscheinen sehen.

Natürlich bleibt das Prinzip, für welches zuvor ein besonderer Anwendungsfall beschrieben worden ist, auch für andere Frequenzbänder, insbesondere solche, die den Bereich von 10 Kilohertz sehr weit nach oben übersteigen, vollkommen gültig und anwendbar.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Seitenwinkelortung oder Azimutwinkelortung und zur Frequenzmessung von gegebenenfalls diskreten Unterwasser-Schall- oder -Ultraschallquellen mit einem Schallempfänger mit Hydrophonen, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallempfänger aus zwei Hydrophon-Dipolen besteht, welche mit parallelen Polachsen im Winkel von 90° zueinander gekreuzt angeordnet sind, daß jedem Dipol eine elektronische Anordnung zugeordnet ist, welche eine der Phasendifferenz zwischen den von den beiden Hydrophon-Polen des Dipols kommenden Signalen proportionale Spannungen erzeugt, und daß die beiden Spannungen den Ablenksystemen einer Oszillographenröhre zugeführt werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennieichne-i, daß wenigstens ein Pol jedes Dipols aus Iwci koaxialen, in geeignetem Abstand voneinander entlang der gemeinsamen Achse angeordneten Hydrophonen besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang jedes Pols der beiden Hydrophondipole ein Modulator angeschlossen ist, daß jeder dieser Modulatoren an seinem »nderen Eingang das Ausgangssignal eines Überlageiungsoszillators empfängt, daß der Ausgang eines Pols jedes Dipols mit dem zugeordneten Modulat - direkt verbunden ist, daß der Ausgang *ies zweiten Pols jedes Dipols mit dem zugeordneten Modulator über einen 90¹--Phasenschieber verbunden ist, und daß die Phasenverschiebungen zwischen ilen Sinusspannungen, weiche von den beiden Modulatoren abgegeben werden, die an die Ausgänge der beiden Pole des gleichen Dipols angeschlossen sind, von einem Polaritätskoinzidenzkorrelator gemessen werden.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulatoren als Einseitenbandmodulatoren ausgeführt sind.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiche von einem Wasserfahrzeug getragen wird, das einem beliebigen Kurswinkel folgt und mit einer den Kurswinkel wiedergebenden Schaltung ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß an die Eingänge der Ablenkschaltungen Potentiometer angeschlossen sind, weiche von der den Kurswinkel wiedergebenden Schaltung derari betätigt werden, daß den den Ablenksystemen zugeführten Spannungen vom Kurswinkel abhängige zusätzliche Spannungen überlagert werden.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillographenröhre eine Bildaufrechterhaltungsröhre ist.