DE1798276B1 - Vorrichtung zur bestimmung der geschwindigkeit und/oder des weges von fahrzeugen durch messung des dopplereffektes - Google Patents
Vorrichtung zur bestimmung der geschwindigkeit und/oder des weges von fahrzeugen durch messung des dopplereffektesInfo
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Description
Mittelwertbildner vorhanden ist, der aus den Schwerpunkten der empfangenen Dopplerspektren
(Σ/) eine der Bewegung direkt proportionale
Meßgröße liefert.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwertbildner als
Tracker (12) ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge-
energie die gewünschte Neigung gegen die interessierende Bewegungsrichtung aufweist.
Dabei kann der Winkel der Befestigung des Schwingerelementes in Abhängigkeit von der in der Umgebung
des Schwingerelementes herrschenden Wassertemperatur geringfügig geändert werden; um den
Fehlereinfluß auszugleichen, der bei der Dopplermessung von infolge von Temperaturschwankungen
im Wasser hervorgerufenen, wechselnden Schallgeschwindigkeiten herrührt. Die übrigen Einflußgroßen
auf die momentane Wasserschallgeschwindigkeit, insbesondere die in Küstennähe bedeutsamen
Schwankungen von Salzgehalt und Verschmutzungsgrad des Wassers, werden durch eine solche temperaturabhängige
Steuerung aber nicht erfaßt. Die Meßgenauigkeit dieser Anordnung ist daher nicht
ausreichend, da sie durch Schwankungen der Schallgeschwindigkeit beeinflußt wird. Bei einer anderen
in der genannten USA.-Patentschrift beschriebenen Anordnung ist das Schwingerelement durch eine aus
vielen, äquidistant angeordneten Schwingerelementen bestehende Gruppe ersetzt, deren gemeinsame Oberfläche
einen solchen Winkel gegen die Bewegungsebene aufweist, daß eine — zunächst — senkrecht
von dieser Oberfläche abgestrahlte bzw. empfangene gebündelte Schallenergie die gewünschte Neigung
hat. Die einzelnen Schwingerelemente sind dabei an verschiedene Punkte eines phasendrehenden Netzwerks
angeschlossen, das aus einer aus der Sonar-Peiltechnik zur Richtungskompensation bekannten
i^C-Verzögerungskette besteht. In Abhängigkeit von
Schwankungen der umgebenden Wassertemperatur können sich hierbei die Phasendrehungen der einzelnen
Glieder der Verzögerungskette ändern und so eine geringfügige Schwenkung der Schallabstrahlung,
von der Lotrechten auf die Oberfläche der Schwingerelemente bewirken, um durch geänderte
Abstrahl-/Empfangsrichtung den Temperaturanteil bei Schallgeschwindigkeitsschwankungen auf die Dopplermessung
auszugleichen.
Auch mit einer solchen Einrichtung, die vor allem den Nachteil hat, daß sie den strömungstechnischen
Anforderungen nicht entspricht, kann der Einfluß von Schwankungen der Wasserschallgeschwindigkeit
insgesamt, unter Berücksichtigung aller ihrer Ursachen, nicht voll ausgeglichen werden. Auch werden
hierbei als zusätzliche Unsicherheitsfaktoren die aus der Erstellung von Sonar-Peilanlagen geläufigen Probleme
des praktischen Abgleichens und der Betriebskonstanz von Laufzeitkettengliedern für definierte
Phasendrehungen zwischen benachbarten Schwingerelementen zusätzlich als Fehlerquellen eingeführt.
Diese Bauart ist außerdem teuer, weil hochwertige Verzögerungsketten benötigt werden.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich ebene äquidistante Schwingergruppen besonders vorteilhaft
zum Erzeugen gebündelter, gegen die Horizontale geneigter akustischer Wellen für Dopplermeßgeräte
auf Fahrzeugen ausnutzen lassen, weil der von der Schallgeschwindigkeit abhängige Abstrahhmgswinkel
gegen die Horizontale sich gerade so verändert, daß der Einfluß von Schwankungen der
Schallgeschwindigkeit auf die Dopplerfrequenz eliminiert wird. Die Erfindung besteht darin, daß die
ein/einen Schwingerelemente der parallel zu der Bewegungsrichtung im Boden des Fahrzeuges eingebauten
Sende- und Empfangsschwingergruppen in der Reihenfolge längs der Bewegungskomponente
zu einem Mehrphasensystem zusammengeschaltet sind, das sendeseitig an einen Mehrphasengenerator
und empfangsseitig über die einzelnen Phasen in zyklischer Wiederholung durchschaltende Einrichtungen
an eine frequenzbewertende Schaltung angeschlossen ist.
Als Mehrphasengenerator, zur Anregung der Schwingerelemente mit einer starr vorgegebenen Phasenverschiebung
gegeneinander, eignet sich insbesondere ein Dreiphasengenerator. Gegenüber der Anwendung teurer Laufzeitglieder läßt sich bei dieser
Ausführungsform der Erfindung die technisch elegante Lösung für die Erzeugung je einer gebündelten,
schräg gerichteten Sende- bzw. Empfangskeule wirtschaftlich mit geringem Aufwand verwirklichen. Der
mechanische Strömungswiderstand der flach im Boden des Wasserfahrzeuges eingebauten Schwingergruppen
ist minimal. Besondere herausragende und teuere Haltekonstruktionen sind nicht erforderlich.
Um sowohl vorwärts wie rückwärts gerichtete Sende- bzw. Empfangskeulen zu gewinnen, kann
das Mehrphasensystem der Sende- bzw. Empfangsschwingergruppen in der Reihenfolge in der' Bewegungsrichtung
benachbarter Schwingerelemente sowohl in zyklischer als auch in antizyklischer Wiederholung
gleichzeitig, d. h. durch zwei einander gegensinnig überlagerte Drehfelder, betrieben bzw. durchgeschaltet
werden.
Für diesen zyklischen und antizyklischen Betrieb werden im Mehrphasengenerator zweckmäßig zwei Oszillatoren kombiniert verwendet, deren Arbeitsfrequenzen einen geringfügigen Frequenzunterschied voneinander aufweisen. Die Möglichkeit, daß störende Sendeenergie des zyklischen Betriebes (d. h. der voraus gerichteten Schallstrahlung) über eine Voraus-Nebenkeule gerade in Richtung der Hauptkeule des antizyklischen Betriebes und damit der rückwärts gerichteten Schallstrahlung — oder umgekehrt — abstrahlt, ist dann nicht mehr problematisch, weil empfangsseitig über Frequenzdiskriminatoren eine Trennung solcher Energieanteile unterschiedlicher Herkunft durchgeführt werden kann.
Für diesen zyklischen und antizyklischen Betrieb werden im Mehrphasengenerator zweckmäßig zwei Oszillatoren kombiniert verwendet, deren Arbeitsfrequenzen einen geringfügigen Frequenzunterschied voneinander aufweisen. Die Möglichkeit, daß störende Sendeenergie des zyklischen Betriebes (d. h. der voraus gerichteten Schallstrahlung) über eine Voraus-Nebenkeule gerade in Richtung der Hauptkeule des antizyklischen Betriebes und damit der rückwärts gerichteten Schallstrahlung — oder umgekehrt — abstrahlt, ist dann nicht mehr problematisch, weil empfangsseitig über Frequenzdiskriminatoren eine Trennung solcher Energieanteile unterschiedlicher Herkunft durchgeführt werden kann.
Um den Einfluß von vertikalen Bewegungen, beispielsweise der Seegangsbewegungen bei Wasserfahrzeugen,
auf die Messung des Dopplereffektes der horizontalen Nutzbewegung in an sich bekannter
Weise zu eliminieren, wird empfangsseitig eine Differenzbildung ausgenutzt, der sich ein Mittelwertbildner
anschließt, der aus den Schwerpunkten der empfangenen Dopplerspektren eine der Bewegung direkt
proportionale Meßgröße liefert. Dieser Mittelwertbildner enthält zweckmäßig einen als Tracker ausgebildeten
Integral-Frequenzregelkreis, der stets auf einen solchen Frequenzwert nachläuft, der für das
Dopplerspektrum und damit die gesuchte Bewegungskomponente maßgebend ist. Die Summe von aus
den Ausgangsfrequenzen nach empfangsseitiger Abtastung herausgefilterten Nutzspektren dient dem
Regelkreis als Führungsgröße. Die Regelgröße des Regelkreises ist der Frequenzwert, dessen Abweichung
von der Differenz der Sendefrequenzen proportional der Bewegungskomponente, d. h. der zu messenden
Geschwindigkeit des Fahrzeuges ist.
Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt
F i g. 1 a eine Prinzipdarstellung der Anwendung des bekannten Janus-Verfahrens, bei einem Wasserfahrzeug
in perspektivischer Darstellung,
Fig. Ib Richtcharakteristiken einer Sende- und
Empfangsschwingergruppe der X- Koordinatenrichtung,
F i g. 2 eine an einen Dreiphasengenerator angeschlossene Sendeschwingergruppe,
F i g. 3 eine Sende- bzw. Empfangsschwingergruppe in anderer Ausführungsform, die durch ihre
annähernd elliptische Flächenbesetzung Nebenkeulen der Richtcharakteristik reduziert,
F i g. 4 ein Blockschaltbild zur Erregung der Sendeschwingergruppe,
F i g. 5 ein Frequenzspektrum der Sende- und Empfangsfrequenzen,
F i g. 6 ein Frequenzspektrum der Empfangsfrequenzen nach antizyklischer Abtastung,
F i g. 7 ein Frequenzspektrum der Empfangsfrequenzen nach zyklischer Abtastung,
F i g. 8 ein Blockschaltbild der empfangsseitigen Abtastung,
F i g. 9 ein Blockschaltbild des Trackers.
In F i g. 1 a ist die Anwendung des Janus-Verfahrens
nach dem bekannten Stand der Technik bei einem Wasserfahrzeug F dargestellt. Mit K1
sind dabei die in Bewegungsrichtung, also auch vorwärts abgestrahlten Hauptkeulen der Sende- und
Empfangsschwingergruppen, mit K2 ihre entgegengesetzt,
also nach rückwärts gerichteten Hauptkeulen bezeichnet.
In F i g. 1 b ist für eine Koordinatenrichtung, die Voraus-Fahrtrichtung oder x-Richtung als Riehtung
der interessierenden Bewegungskomponente des Fahrzeuges F, die Richtcharakteristik von Sende-
und Empfangsschwingern schematisch dargestellt. Hierbei sind mit K1 bzw. K2 wiederum die Hauptkeulen
bezeichnet, während mit N1 bzw. JV2 auftretende
Nebenkeulen bezeichnet sind.
Bei der Sendeschwingergruppe nach F i g. 2 sind scheibenförmige Schwingerelemente 1 in zwei oder
mehr auf Lücke stehenden Zeilen nebeneinander in x-Richtung angeordnet und zu einer Gruppe 2
zusammengefaßt. Die notwendige Anzahl der Schwingerelemente 1 ergibt sich dabei in bekannter Weise
aus der gewünschten Richtcharakteristik für die Keulen K in F i g. 1 b. Werden gleiche Elemente
statt für den Sendefall für den Empfangsfall betrachtet, wird ihrem Bezugszeichen im folgenden ein
Apostroph beigefügt.
F i g. 3 zeigt, wie die Speisung der einzelnen Schwingerelemente 1 mit Spannung unterschiedlicher
Er errechnet sich nach der Formel
X1 =
3 cos 1
(1/3 wegen 120).
wobei α der Neigungs-Winkel einer Hauptkeule K
der Richtcharakteristik gegen die Bewegungsebene ist. Bei üblichen Werten von α zwischen 45 und 60c
ergeben sich für X1 Werte zwischen 0,67 und etwa 0,5 /. Da andererseits die Schwingerelemente 1
üblicherweise einen Durchmesser D von etwa 0,9 ... 1,1 λ haben, werden Schwingerelemente 1
dieser Abmessungen in mindestens zwei Zeilen auf Lücke versetzt nebeneinander angeordnet, so daß
die genannten Abstände X1 in x-Richtung realisierbar sind.
Es können auch noch weitere Zeilen hinzugefügt werden, wenn das erforderlich ist, um eine bestimmte
Richtcharakteristik zu erzielen. Sind Schwingerelemente 1 kleineren Durchmessers D verfügbar oder
ergeben sich für eine bestimmte gewünschte Charakteristik größere X1-Werte, so wird man die Schwingerelemente
1 nebeneinander in durchgehenden Zeilen zu einer Gruppe 2 kombinieren.
Bekanntlich ergibt sich eine Dopplerfrequenz J J'D
aus Schallgeschwindigkeit c, Geschwindigkeit r der interessierenden Bewegungskomponente des Fahrzeuges
F, der Sendefrequenz J's und dem Abstrahlwinkel
α gegen die Bewegungskomponente nach der Formel
2 ν
J/i> = -—— ' f* ' cos α. (2)
J/i> = -—— ' f* ' cos α. (2)
Löst man die Gleichung (1) nach cos α auf und setzt sie in (2) ein, erhält man mit c — λ ■ fs
AfD =
2 ν
■fs
Iv
Daraus ergibt sich die bemerkenswerte Eigenschaft dieser Anordnung der Schwingerelemente 1 in der
Gruppe 2, daß die Schallgeschwindigkeit c\ deren Kompensation bei anderen Anordnungen stets kritisch
und umständlich ist, in den Dopplereffekt nicht mehr eingeht. Die Dopplerfrequenz \fD ist vielmehr nur
vom Abstand X1 der Schwingerelemente 1 und von der horizontalen Geschwindigkeit r abhängig.
Das ist deshalb von besonderer Bedeutung, weil ein Fehler in der Dopplerfrequenz J fD sich bei
der Wegmessung aufsummiert und die Genauigkeit
Phase dadurch erreicht wird, daß bei der gewählten 50 beeinträchtigt. Diese Unabhängigkeit von der Schall-
Ausführung mit einem Dreiphasengenerator als Mehrphasengenerator M zwei in x-Richtung benachbarte
Schwingerelemente 1 speisende Spannungen jeweils um 120° gegeneinander phasenverschoben sind.
Dabei wird jedes dritte Schwingerelement 1 wieder mit der nach Betrag und Phase gleichen Spannung
gespeist; _ alle jeweils dritten Schwingerelemente 1 können also miteinander verbunden werden. Die
drei Zuleitungen R, S, T mit 0, 120 und 240; Phasenverschiebung
sind an den Dreiphasengenerator angeschlossen. Sie bilden ein Drehstromsystem mit
der Betriebsfrequenz des Dreiphasengenerators als Umlauf- oder Drehfrequenz. Nach der Erfindung
wären aber auch andere Mehrphasen-Systeme mit geringerem Phasenwinkel anwendbar.
Der A-bstand X1 zweier Schwingerelemente ergibt
sich aus dem gewünschten Abstrahl-Winkel α und der Wellenlänge / der abgestrahlten Sendefrequenz fs.
geschwindigkeit c ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung.
Wird die Gruppe 2 aus dem Mehrphasengenerator M mit einem Drehfeld r, s, t, das mit der Sendefrequenz
/s der abgestrahlten Schallenergie periodisch umläuft, gespeist, so wird eine Hauptkeule K
unter dem Winkel α gegen die Ebene der Gruppe 2 abgestrahlt. Da die Anordnung der Schwingerelemente
1 symmetrisch ist, ist eine Abstrahlung prinzipiell nach der einen wie nach der anderen Seite
möglich. Tatsächlich hängt die Abstrahlrichtung nur vom Drehsinn, d. h. der Phasenfolge des Drehfeldes
/·, s, r auf den Zuleitungen R, S, T und damit
der zeitlichen Staffelung der Anregung der Schwingerelemente 1 ab. Da die Schwingerelemente 1 praktisch
lineares elektromechanisches Verhalten aufweisen, ist es möglich, die Gruppe 2 mit zwei einander überlagerten
Drehfeldern T1, S1, I1: r2, f2, S2 gleichzeitig
zu speisen, die entgegengesetzten Drehsinn haben. Dabei ist es nicht einmal erforderlich, daß beide
Drehfelder rf, s(, i,- (i = 1,2) gleiche Dreh- und damit
die Schwingerelemente 1 gleiche Sendefrequenz fs = Z1 = f2 haben. Meist reicht es, wenn beide
Frequenzen Z1 und f2 innerhalb der mechanischen
Bandbreite der Schwingerelemente 1 liegen.
Die Darstellung in F i g. 1 b kann auch interpretiert werden als die zweier sendeseitiger Richtcharakteristiken
und ihrer Hauptkeulen K1 und K2,
wobei die Keule K1 von einem Drehfeld T1, S1, tu
also mit der als zyklisch bezeichneten Phasenfolge 0,120,240°, z. B. nach voraus, unddie Keule K2,
mit dagegen antizyklischer Phasenfolge 0, 120, 240° von einem gegenläufigen Drehfeld r2, t2, S2, dann
nach rückwärts gerichtet, erzeugt wird.
Die Frequenzen Z1 und f2 der um 120° unterschiedlichen
drei Phasen der Drehfelder rh sh i;
werden, wie F i g. 4 zeigt, in bekannter Weise durch Teilen von (ι χ 3) höheren Oszillatorfrequenzen gewonnen,
wobei ι eine ganze Zahl ist. Die Oszillatorfrequenzen, die im Beispiel als 6 Z1 und 6/2 (d. h.
ι = 2) gewählt sind, werden in den Oszillatoren 3 a und 3 b erzeugt und in drei in Ring geschalteten
JX-Flip-Flops 4ä, 5a, 6a und 4b, 5b, 6b geteilt.
Diese steuern unmittelbar die Sendestufen la und Ib,
deren Ausgangsspannungen im zueinander entgegengesetzten Drehsinn, also die Drehfelder T1 in der
Weise rt mit r2, S1 mit t2 und J1 mit s2, über Filter 8R,
8S, 8r addiert werden. Die so überlagerten Drehfelder
r;, s;, i; (z = 1,2) können dann über drei Zuleitungen
R, S, T in Sternschaltung auf die Gruppe 2 der Schwingerelemente 1 geschaltet werden. Die allen
Schwingerelementen 1 und den Sendestufen 7 gemeinsame Sternleitung ist in F i g. 4 nicht dargestellt.
Nebenzipfel N, wie sie in F i g. 1 b eingezeichnet sind, lassen sich mit geläufigen Methoden, wie durch
Staffelung der Schwingerelemente 1 in einer Gruppe 2 in Form einer annähernd elliptischen Fläche entsprechend
der Darstellung in F i g. 3 und/oder durch Schaltungsmittel zur Amplitudenstaffelung, reduzieren.
Trotzdem läßt es sich nicht sicher vermeiden, daß Nebenzipfel N der sendeseitigen Vorwärts-Hauptkeule
K1 mit der Rückwärts-Hauptkeule K1" des Empfängers
und umgekehrt zusammenfallen. Die Folge davon ist eine geringe Ubersprechdämpfung.
Diese Schwierigkeit wird nach einer Weiterbildung der Erfindung dadurch vermieden, daß sendeseitig
die beiden speisenden Drehfelder r,, s;, i; (/=1,2)
etwas unterschiedliche Frequenzen haben, nämlich Z1 und /2. Mit der F i g. 5 wird diese Weiterbildung
der Erfindung näher erläutert. Für die Lage der beiden Sendefrequenzen Zi und /2 sowie die dopplerbehafteten
Empfangssignale, nämlich der Dopplerspektren Zf1 und Ef2 der Voraus- und Rückwärts-Empfangskeulen
K[ und K2 bei Vorwärtsbewegung
des Fahrzeuges F in x-Richtung gilt:
A Z2
2 ho
Z1 hor der Dopplerfrequenzanteil durch
horizontale Bewegung,
der Dopplerfrequenzanteil durch
horizontale Bewegung,
ven der Dopplerfrequenzanteil durch
horizontale Bewegung,
der Dopplerfrequenzanteil durch
horizontale Bewegung,
ven der Dopplerfrequenzanteil durch
vertikale Bewegung und mit
A f2 ver, der Dopplerfrequenzanteil durch
vertikale Bewegung
A f2 ver, der Dopplerfrequenzanteil durch
vertikale Bewegung
J /i ve
bezeichnet ist.
über Nebenzipfel, z. B. mittels JV1 auf K2, übersprechende
Frequenzanteile der »falschen« Keule sind in Fig. 5, nach Dopplerbehaftung, gestrichelt
eingezeichnet.
Durch Mischen werden die Dopplerspektren Z1Z1
und Ef2 in gleiche Frequenzbänder transponiert.
Dafür gibt es zwei Möglichkeiten.
Im ersten Fall kann jeweils die Sendefrequenz fs
(Z1 bzw. f2) der entgegengesetzten Keule .K1 bzw.
K2 zum empfangenen Dopplerspektrum Ef2 bzw.
Ef1 der anderen Keule K2 bzw. K1 hinzuaddiert
werden. Es werden also ein empfangenes Dopplerspektrum Ef und die Sendefrequenz der anderen
Keule K zusammengefaßt:
Σ Z1 + Zi = Zi
/1 kor
+ Af1
1 vert
+ /l = /l + /2 - ^/2tar +
Es ergibt sich aus der Differenzbildung beider Summen
da
Δ Ji vert ~ A J2
2 ver,
ISt.
In F i g. 6 ist die Lage der Dopplerspektren nach dieser Transponierung dargestellt. Mit der Abkürzung
Ef6 werden die Ubersprechfrequenzen bezeichnet, die entstehen, wenn Sendeenergie der einen
Keule über Nebenzipfel N in die andere Keule gelangt, dort dopplerbehaftet wieder empfangen und
im Zuge des Abtastens mit der Sendefrequenz fs der
erstgenannten Keule gemischt wird. Die durch übersprechen aus den Dopplerspektren 2"Z1 und 2"Z2
entstehenden Spektren der Ubersprechfrequenzen betragen :
Zl Ho
r + J/l «» = ΣZ1 +
und
ΣΖ*12 = 2 ft -
ver, = ΣZ2 + f2 I
darin gilt
\ — Zl +J/lfl-Zl + l/l hor + J f\ vert
/2 ~ ^flhor + --U2verl ■>
J /2 hor — -Ul Aor ' J Jl vert —' -J Jl vert ι
Σ Z2 = .12 + J/2 D
wobei mit:
Zi die (Sende-) Frequenz der Vorauskeule K1.
f2 die (Sende-) Frequenz der Rückwärtskeule K2,
da, wie aus Gleichung (3) hervorgeht, die Dopplerfrequenzen 1 Zd von den Sendefrequenzen Z5 unabhängig
sind. Die Ubersprechfrequenzen Efe liegen
außerhalb eines Betriebsbereiches B, der durch maximal auftretende Dopplerabweichungen begrenzt ist
(F i g. 6), und werden mittels Bandpässen 9 (Fig. 8)
herausgefiltert.
209 518/m
Im zweiten Fall wird jeweils die Sendefrequenz der entgegengesetzten Keule subtrahiert, wobei sich
aus der Subtraktion
σA - f2 = Λ -J2 + j Z1 hor + Jf1 ,,,„
— Jl ~ /l = ~~fl + fz ~~ -UZhor + ^Jzvert
2(fl~fz) + -lflhor+ IJz hor
ergibt.
Nach zusätzlicher Subtraktion des Gliedes 2 (/, -J2)
bleibt die gesuchte Dopplergröße
-J Jl hor + ^Jz hor '
und es betragen die in diesem Falle aus den Dopplerspektren
Ef1, Ef2 auftretenden niederfrequenten
Spektren der übersprechfrequenzen
"fä Zl — fl + J /l hor + -J Jl vert ~~ /l
= -J /l hor + J Jl vert
"füZZ = /2 ~~ -! Λ ftor + -J Λ reri ~ Λ
= ~~ J Jz hor + -I Λ tvrt '
die wiederum durch Bandpässe9 (Fig. 8) abgetrennt
werden, wie dies mit gestrichelten senkrechten Linien in F i g. 7 angedeutet ist.
Die praktische Bedeutung dieser Transponierung liegt darin, daß das übersprechen durch Nebenzipfel
N der einen Richtung in die Hauptkeulen K, K' der anderen Richtung durch empfangsseitige
Frequenzselektion der Frequenzanteile von den Sende-Frequenzen,/i
und f2 reduziert wird, so daß sich die Nebenzipfeldämpfungen beim Senden und Empfangen
addieren. Ist die Dämpfung der Nebenzipfel beim Senden oder Empfangen beispielsweise 12db,
so ergibt sich insgesamt, d. h. über einen ganzen Sende- und Empfangsweg, eine gesamte Nebenzipfeldämpfung
von 24 db. Ohne Frequenzselektion würde sich dagegen nur eine Dämpfung von insgesamt
12 db ergeben, die eine Anwendung der Erfindung erheblich beeinträchtigen würde.
Die Dreiphasigkeit ist bei dieser Betrachtung noch nicht berücksichtigt worden. Tatsächlich werden die
Frequenzen fx und J2 dreiphasig der Gruppe 2 der
sendenden Schwingerelemente 1 zugeführt. Ebenso werden die empfangenen Dopplerspektren Ef1, Ef2
der Voraus- und der Rückwärtskeulen K1, K2 einander
überlagert als Dreiphasensignal an der Gruppe 2' der empfangenen Schwingerelemente Γ erhalten.
Zum Verständnis der Funktion der Empfangsseite sollen zunächst die bei der Frequenzumsetzung entstehenden
Spektren erläutert werden. Nach einem weiteren Schritt der Erfindung wird nämlich die
Aufspaltung zwischen dem Signal der Vorauskeule K1
und dem Signal der Rückwärtskeule K2 mit der Frequenzumsetzung in sinnvoller Weise kombiniert.
Bei der in F i g. 8 schematisch dargestellten Schaltungsordnung auf der Empfangsseite sind die
Schwingerelemente 1 ebenfalls dreiphasig zusammengefaßt. Die drei Zuleitungen R', S', T — die allen
Schwingern gemeinsame Sternleitung ist nicht dargestellt — führen an zwei als Kommutatoren arbeitende
Abtaster 10a und 10fr mit je drei Segmenten Ila, 11fr, die für eine Wirkungsweise nach dem
IO
20 zweiten Fall der Mischung geschaltet sind. Der eine
Abtaster 10a läuft mit der Sendefrequenz/, zyklisch
in der Phasenfolge des Drehfeldes r2, -S2, t2 um. Das
von der Vorauskeule K1 ankommende Dopplerspektrum
Ef1 durchläuft in der gleichen Phasenfolge,
nämlich mit dem Drehfeld r,, S1. tx, die Schwingerelemente
Γ, und es entsteht am Ausgang des Abtasters 10a ein Differenzspektrum Ef1 — J2. Das
ebenfalls anliegende, von der Rückwärtskeule K2
stammende Dopplerspektrum Ef2 weist jedoch antizyklische
Signal-Phasenfolge entsprechend einem Drehfeld r2, t2, s2 auf, ergibt also ein im Vergleich
dazu hochfrequentes Summenspektrum Ef2 + J2,
das herausgefiltert werden kann. Der andere Abtaster 10fr läuft mit der Frequenz J\ bei antizyklischem
Drehfeld rx, tx , S1. Sinngemäß entstehen ein Differenzspektrum
J[ — EJ2, dazu ein Summenspektrum
-Vi + J\ ■ das wiederum herausgefiltert werden kann.
Wenn man die Drehrichtung der beiden Abtaster ΙΟ« und 10fr gegenüber der Darstellung in F i g. 8
umkehren, jedoch die Umlauffrequenzen beibehalten würde, so würden sich nach der Abtastung Frequenzen
wie im oben erläuterten ersten Fall als Nutzsignale -/1 +Jz=Ji
Zf2+fl =./l
1 Jz hor+ If2 ver,
ergeben, aus denen sich durch Differenzbildung zwischen diesen beiden Spektren der Nutzdoppier
J JDS = -J Jl Iwr + U2 hor
ergibt. Welche der beiden Möglichkeiten in der Praxis angewendet werden soll, hängt vom Aufwand
ab: im Prinzip sind beide gleichwertig. Bei gemischter Anwendung kommt man sogar mit nur einem Abtaster
10 aus.
Praktisch werden die in der F i g. 8 angedeuteten Abtaster 10a und 10fr mit elektronischen Mitteln
realisiert, z. B. mit gesteuerten Feldeffektransistoren.
Die übertragung der grundsätzlichen Schaltung in elektronische Schaltungstechnik ist dem Fachmann
geläufig.
Die von den Abtastern 10« und 10fr abgegebenen Frequenzen, die transponierten Dopplerspektren entsprechend
dem oben erläuterten zweiten Fall
EJ1 - J2 und J1 - Ef2 ,
werden vorteilhaft in einem Frequenz-Tracker 12 weiterverarbeitet.
Dieser hat die Aufgabe, die für den momentanen Doppler repräsentative Schwerpunktfrequenz des
transponierten Dopplerspektrums stetig zu ermitteln und diese bei einem eventuellen Signalausfall zu
speichern, damit eine anschließend erfolgende, hierauf basierende. Wegintegration nicht unterbrochen wird.
Die Schwerpunktfrequenz wird nach zweckmäßiger Umformung, die noch beschrieben wird, stetig an
einen weiterverarbeitenden Dopplerrechner 13 abgegeben, der die anfallenden fahrzeugbezogenen Geschwindigkeitsinformationen
beispielsweise in nordbezogene Wegangaben umrechnet. Zunächst werden in Bandpässen 9«, 9fr die von den Abtastern 10«,
10fr erzeugten transponierten Dopplerspektren
^Z1 - fz und ./; - Zf2
von unerwünschten Mischprodukten befreit und innerhalb des Trackers 12 auf (F i g. 9) zwei Frequenzdiskriminatoren
14«, 14fr gegeben.
Diese prüfen für jedes der beiden transponierten Dopplerspektren, ob es in der Mitte zwischen zwei,
durch Teilerschaltungen 15a, 15fr aus einer — im als Spannungs-Frequenz-Wandler ausgeführten Hilfsoszillatorl6
erzeugten — Hilfsfrequenz/A gewonnenen, Frequenzen — und -&- liegt. Dies wird erreicht,
mn j.
indem das Dopplerspektrum je Kanal mit -^- und
— in Mischstufen 17a, 17fr gemischt wird.
Die neu entstehenden Spektren
Die neu entstehenden Spektren
liebige Nutzdoppier AfDN folgenden Bedingungen
genügen:
- (Z1 -fz + Afdn) = (Zi -S1 +
Λ ( |
m
(
(Si- < |
ΣΛ -Si)
yr\ Jh |
~h) η |
werden über Tiefpässen 18 a, 18 b gleicher Grenzfrequenz frequenzabhängig geschwächt und gegenpolig
gleichgerichtet. Liegt die Schwerpunktfrequenz auf Grund der aktuellen Frequenzverteilung im
Dopplerspektrum symmetrisch zwischen — und —,
so ist der Ausgangsstrom der Frequenzdiskriminatoren 13 a und 13 b gleich Null, bei einer Abweichung
dagegen positiv bzw. negativ proportional zur Unsymmetrie.
Bei ruhiger horizontaler Fahrt des Fahrzeuges F sind die transponierten Dopplerspektren der Voraus-
und der Rückwärtskeule K[ und K'2 gleich, und
die Ausgangsströme bzw. Spannungen U1 der Frequenzdiskriminatoren
14a, 14b ebenfalls nach Betrag und Richtung gleich.
Sie fließen in den Summationspunkt 19 eines Integrators 20. Die Ausgangsspannung des Integrators 20
steuert als Regelspannung UR die Hilfsfrequenz/ft
des Hilfsoszillators 16. Die Frequenzdiskriminatoren 14 a, 14 fr, der Integrator 20 und der Hilfsoszillator 16
einschließlich der Teilerschaltungen 15a, 15fr bilden einen Regelkreis mit /-Verhalten. Der Regelkreis
wirkt in der Weise, daß im Summationspunkt 19 die Ausgangsströme der Frequenzdiskriminatoren
14a, 14b auf Null geregelt werden.
Ist der horizontalen Bewegung des Fahrzeuges F eine periodische vertikale Bewegung überlagert, dann
sind die Ströme der beiden Frequenzdiskriminatoren 14 a, 14 b ungleich gepolt, weil die Vertikalkomponenten
der Dopplerspektren in den beiden Kanälen der Frequenzdiskriminatoren 14 a, 14 b ungleiches
Vorzeichen haben. Im Summationspunkt 19 heben sich aber die durch die Vertikalkomponenten hervorgerufenen
Gleichströme bereits auf, so daß die Ausgangsspannung des Integrators 20, die Regelspannung
UR, proportional zur Horizontalgeschwindigkeit ist und diese allein bei Signalausfall gespeichert
wird. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß nur ein Integrator 20 benötigt wird und daß
dieser nur der im allgemeinen langsamen horizontalen Geschwindigkeitsänderung des Fahrzeuges F zu folgen
braucht.
Das Teilerverhältnis der Teilerschaltungen 15 a, 15 b
f
f
muß, damit -^- und -^- symmetrisch zur Schwerpunktfrequenz
des Dopplerspektrums liegen, für be-
zweckmäßigerweise dimensioniert man ferner gemäß der Beziehung:
(A -h + 4Äw) 7 = 7-;
m, n, p, q, r ganzzahlig, um am Eingang des Dopplerrechners
13 gerade eine vorgebbare Impulszahl pro Wegeinheit zu erhalten.
Für eine gute Regelsteilheit, d. h. eine große Reaktionsschnelligkeit
des Trackers 12, soll ferner die Differenz
fdu)
und damit der auszuregelnde Frequenzhub möglichst
klein sein. Das Verhältnis — , ein Maßstabs-Um-
rechnungsfaktor von vorbeschriebener Bedeutung,
beträgt in einem konkreten Fall -5-. Ein weiterer
Teiler 21 mit dem Teilerverhältnis ρ liefert eine geschwindigkeitsabhängige
Frequenz/,,, deren weitere Auswertung noch beschrieben wird.
Die Zahlenwerte der Faktoren m, η und ρ werden
so gewählt, daß der Aufwand für die Teiler 15 und 21 minimal ist. Die Zahl der Möglichkeiten ist bei vernünftigem
Aufwand und zweckmäßiger Auslegung sehr begrenzt. Beispielsweise werden folgende Zahlenwerte gewählt:
m = 2-12
/ι = 2·15
/ι = 2·15
ρ = 2 · 20
y
(Der Faktor 2 ist notwendig, um Tastverhältnis 1:1 an den Ausgängen der parallel arbeitenden
Teilerschaltungen 15a und 15b zu bekommen.)
Ist Z1 — /2 + 4/rw beispielsweise 3 kHz, dann sind
Ist Z1 — /2 + 4/rw beispielsweise 3 kHz, dann sind
fh = 8OkHz
Λ | = 3,333 kHz |
m | = 2,666 kHz |
η | = 2,OkHz, |
k |
und die Grenzfrequenz der Tiefpässe in den Frequenzdiskriminatoren
14a, 14fr beträgt
) g = 2 .-τ · 333 sec
-1
Um nach einer Frequenzmischung nach der zweiten der beiden Möglichkeiten, die oben beschrieben
worden sind, das für die Weiterverarbeitung allein, interessierende Dopplersignal zu erhalten, wird in
einer Differenzstufe 22 die Differenz zwischen der der geschwindigkeitsabhängigen Frequenz/„ proportio-
nalen Anzahl der Impulse des Teilers 21 und der Anzahl der Impulse des Teilers 23 gebildet:
Der Teiler 21 liefert:
Die Differenzstufe 22 gibt an zwei Ausgängen die Frequenz
der | Wl | -/2 | + | 4ω | r | _ fk | |
Teiler | 23 | q | P | ||||
und | |||||||
Ui ~ Ji) ~ ■
woraus sich die Differenz
ergibt.
Der Teiler 23 hat also die Aufgabe, die Frequenzdifferenz (Z1 —f2) mit dem gleichen Maßstabsfaktor —
zu versehen wie das Dopplerspektrum
(Zi-
ab, wobei der eine Ausgang Impulse bei Vorwärts-, der andere bei Rückwärtsbewegung abgibt. Die
Impulse werden auf den Dopplerrechner 13 gegeben und können z. B. dazu dienen, über Zählwerke den
zurückgelegten Weg anzuzeigen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der beschriebenen Doppler-Meßanordnung ist es möglich, ein
und dieselbe Gruppe von Schwingerelementen im Impulsbetrieb als Sender und Empfänger zu betreiben.
Des weiteren kann es zweckmäßig sein, zwischen die Empfangsschwingergruppe und die elektronischen
Abtaster Zwischenverstärker einzuschalten.
In den beschriebenen Ausführungsbeispielen sind nur die Bewegungen des Fahrzeuges F in einer Koordinatenrichtung
erfaßt. Man kann die vorliegende Erfindung aber auch zur Erfassung von Bewegungskomponenten in zwei Koordinatenrichtungen anwenden,
wozu jedoch zusätzliche Schaltungsmittel erforderlich sind, die um 90° azimutal versetzt wirksam
sind. Im übrigen ist die Erfindung nicht nur bei Wasserfahrzeugen, sondern auch bei Land- oder Luftkissenfahrzeugen
anwendbar.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrphasengenerator (M) als Dreiphasengenerator ausgebildet ist.3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schwingerelemente (1, 1') je einer der Phasen des Mehrphasensystems der Sende-ZEmpfangsschwinger-Patentansprüche- 9· Vorrichtu"g nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß auf der1. Vorrichtung zur Bestimmung der Geschwin- Sendeseite eine Einrichtung zur impulsartigendigkeit und/oder des Weges von Fahrzeugen Ansteuerung der Sendeelemente (1) und auf derdurch Messung des Dopplereffektes mittels gegen 5 Empfangsseite eine Einrichtung vorgesehen ist, die Bewegungsrichtung um einen Winkel α ge- die die frequenzbewertende Schaltung währendneigter, gebündelter Schallwellen, die von aus der Sendeimpulse sperrt,äquidistanten einzelnen Schwingerelementen bestehenden ebenen parallelen Sende- und Empfangs-schwingergruppen abgestrahlt bzw. empfangen iowerden, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schwingerelemente (1, Γ) der parallel zur Bewegungsrichtung im Boden desFahrzeuges (F) eingebauten Sende- und Empfangs- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschwingergruppen (2, T) in der Reihenfolge längs 15 Stimmung der Geschwindigkeit und/oder des Weges der Bewegungskomponente zu einem Mehrphasen- von Fahrzeugen durch Messung des Dopplereffektes system zusammengeschaltet sind, das sendeseitig mittels gegen die Bewegungsrichtung um einen Winan einen Mehrphasengenerator (M) und emp- kel α geneigter, gebündelter Schallwellen, die von fangsseitig über die einzelnen Phasen in zyklischer aus äquidistanten einzelnen Schwingerelementen beWiederholung durchschaltende Einrichtungen an 20 stehenden ebenen parallelen Sende- und Empfangseine frequenzbewertende Schaltung angeschlossen Schwingergruppen abgestrahlt bzw. empfangenwerden.Bei Vorrichtungen der genannten Art ist es üblich, mit mehreren Abstrahlkeulen, sogenannten Dopplerfühlern oder -keulen, zu arbeiten. Häufig ben.utzt man, um die Bewegung des Fahrzeuges aus Bewegungskomponenten in Form zweier rechtwinklig zueinander ausgerichteter Koordinaten in der Ebene der Bewegung zu erfassen, zwei Dopplerfühler, derengruppen (2,2') durch den' Mehrphasengenera- 30 Strahlrichtungen azimutal um 90: gegeneinander tor (M) in der Reihenfolge längs der Bewegungs- verdreht sind und unter einem Winkel « von etwa komponenten sowohl in zyklischer als auch in 45 bis 60: gegen die Bewegungsebene schräg strahlen antizyklischer Wiederholung gleichzeitig betreib- bzw. aus dieser Richtung empfangen. Zu jedem Sendebar sind. fühler gehört ein entsprechender Empfangsfühler.4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- 35 Strahlt beispielsweise das eine Dopplerfühlerpaar kennzeichnet, daß der zyklische und der anti- in Richtung »Voraus« und »Rückwärts«, so ist durch zyklische Betrieb mit geringfügigem Frequenzunterschied erfolgt.5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß empfangsseitig eine Dopplerfrequenz (J/D) bei zyklischer und antizyklischer Abtastung gewonnener Empfangsfrequenzen bewertende Einrichtung (Frequenzdiskriminatoren 14a, \4b) vorhanden ist.6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, da- 45 Fahrzeuges einfach einbauen lassen und eine strödurch gekennzeichnet, daß empfangsseitig ein mungstechnisch günstige Form haben; ferner sollder Einfluß schwankender Schallgeschwindigkeit ohne Einfluß auf die Meßgenauigkeit sein.Bisher sind bei Wasserfahrzeugen Schwingeranordnungen bekannt, bei denen jede Abstrahlkeule von je einem Schwingerelement geeigneter Größe abgestrahlt bzw. empfangen wird und vier Schwingerelemente für die vier Sendekeulen und vier weitere Schwingerelemente für die vier Empfangskeulen aufkennzeichnet, daß der Tracker (12) ein über je 55 zwei kegelförmigen Haltern angebracht sind. Die einen Frequenzdiskriminator (14a, \4b) im An- beiden je vier Schwingerelemente tragenden, zur schluß an die zyklische und die antizyklische Entkopplung von Sende- und Empfangskeulen geAbtastung (Abtaster 10a, lOft), ein den Frequenz- wohnlich übereinander oder nebeneinander angeabweichungen (Sf1-f2; Σ/2 — Z1) proportio- ordneten Kegel sind aber nur für geringere Geschwinnale Gleichspannung (U1) — die den Schwer- 60 digkeiten geeignet und beispielsweise bei im flachen punkten der empfangenen Dopplerspektren (Σ f) Wasser fahrenden Wasserfahrzeugen wegen ihrer entsprechen — erzeugender Regelkreis ist, in exponierten Lage unterhalb des Bodens sehr gefährdem die Gleichspannungen (L',) zu einer Regel- det. In der USA.-Patentschrift 3 274 535 ist eine spannung (UR) aufintegriert werden, welche über Anordnung beschrieben, bei der das Schwingereinen als Spannungsfrequenzwandler ausgeführten f>s element unter einem solchen Winkel unterhalb des Hilfsoszillator (16) die Frequenzabweichungen Boden-, an einem Wasserfahrzeug befestigt ist. daß ausregelt und die das Maß für die Bewegungs- tue senkrecht /ur Oberfläche des Schwingerelementes größe ist. abgestrahlte bzw. empfangene gebündelte Schall-Ermittlung der Frequenzdifferenz zwischen einem Voraus- und dem dazugehörigen Rückwärts-Empfangsfuhler unmittelbar die Dopplerfrequenz meßbar. Diese Methode ist unter dem Namen »Janus-Verfahren« bekanntgeworden und beispielsweise in der französischen Patentschrift 1 273 530 beschrieben. Ein Problem besteht darin, hierfür Schwingeranordnungen zu finden, die sich am Boden eines
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