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Verfahren und Vorrichtung zur Abbildung von schallreflektierenden
Gegenständen, insbesondere im Wasser
Die bekannten Echolotverfahren haben den Nachteil,
daß sie über das Vorhandensein eines reflektierenden Gegenstandes und seine Entfernung
Aufschluß geben, aber die Art des angeloteten Gegenstandes nicht erkennen lassen.
Das ist besonders nachteilig beim Aufsuchen von U-Booten, Minen oder gesunkenen
Schiffen. Bisher setzt sich hierbei der Beobachter, wenn er nur auf das Echolot
angewiesen ist, leicht der Gefahr einer Täuschung aus, indem er z. B. bei der Verfolgung
eines U-Bootes ein am Meeresboden liegendes Wrack oder einen Felsen mit dem U-Boot
verwechselt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Echolotvorrichtung
zu schaffen, die nicht nur das Vorhandensein und die Entfernung eines reflektierendenGegenstandes
erkennen läßt, sondern auch über seine Beschaffenheit und Form hinreichend Aufschluß
gibt.
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Es sind zwar schon Verfahren bekannt, um mit Hilfe von Schallspiegeln
oder akustischen Linsen nach der Echolotmethode eine Abbildung schallreflektierender
Gegenstände zu erzeugen. Die Auflösung des Blickfeldes mit Hilfe akustischer Linsen
oder Spiegel stößt jedoch autf große Schwierigkeiten; insbesondere ist es bisher
nicht gelungen,
auf diese Weise eine klare Auflösung zu erzielen.
sobald es sich um Einrichtungen handelt, mit denen über eine größere Entfernung
Schall übertragen und zur Abbildung benutzt werden soll.
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Erfindungsgemäß läßt sich eine brauchbare Abbildung auch über größere
Entfernungen erzielen durch eine derartige Verwendung einer Vielzahl von gerichteten
Schallempfängern, daß sie die Echos aus getrennten, gegebenenfalls sich teilweise
überlappenden Blickfeldern des Gesamtblickbereiches empfangen und nach Verstärkung
als Lichtbild zur Anzeige bringen.
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Zur akustischen Uberwachung eines größeren Gebietes ist auch schon
bekannt, dieses in eine Vielzahl von Feldern aufzulösen, deren jedem ein Mikrophon
zugeordnet ist, das mit einer entsprechenden Lampe eines an der Beobachtungsstelie
angebrachten Lampenfeldes verbunden ist. Dabei erfolgt jedoch die Übertragung auf
dem zu überwachenden Gebiet nicht auf akustischem, sondern auf elektrischem Wege,
indem die in den abzubildenden Gebietsabschnitten selbst angeordneten Mikrophone
durch elektrische Leitungen mit der Beobachtungsstelle verbunden sind. Außerdem
arbeitet diese Einrichtung nicht nach dem Echoverfahren und ist deshalb nur zur
Anzeige von Schallquellen geeignet.
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Beim Betrieb der Echolotvorrichtung nach dem impulsverfahren kann
ein ungerichteter oder den ganzen Bildbereich umfassender Lotimpuls ausgesandt und
sämtliche von den verschiedenen Bildpunkten oder Bildfeldern zurückkehrenden Echos
ein und desselben Lotimpulses empfangen und zur Erzeugung des Lichtbildes benutzt
werden.
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Man kann aber auch insbesondere bei kleineren Entfernungen eine Empfangsvorrichtung
vorstehen, die nicht in einer einzigen Lotung den gesamten Bildbereich, sondern
nur einen beschränkten Teil bzw. eine zu einer Bildzeile sich ergänzende Reihe von
Bildpunkten oder Bildfeldern erfaßt, während der gesamte Bildbereich in mehreren
derartigen aufeinanderfolgenden Lotungen nacheinander abgetastet wird. Es ist nun
insbesondere bei der Echolotung von einem fahrenden Schiff aus wichtig, Verschiebungen
des Empfangsbereiches während der Messung durch Schwankungen des Schiffes zu vermeiden,
weil dadurch sonst die Bildschärfe mehr oder weniger stark beeinträchtig wird. Um
dies zu vermeiden, ist es somit am zweckmäßigsten, mit möglichst wenigen oder nur
einer einzigen Lotung den gesamten Bildbereich zu erfassen. Dabei sind aber, wenn
der Bildbereich in einzelne Bildpunkte unterteilt wird, eine große Anzahl von gerichteten
Empfängern mit Verstärkern erforderlich. Um nun zu einer Erfassung des ganzen Bildbereiches
in möglichst wenigen Lotungen zu gelangen und trotzdem mit einer verhältnismäßig
kleinen Zahl von Empfängern auszukommen, kann man von der Tatsache Gebrauch machen,
daß die Schallwellen in der vertikalen Ebene je nach ihrer Neigung zur Horizontalen
eine andere Laufzeit haben. Dies läßt sich in der Weise ausnutzen, daß nur in der
Horizontalen gerichtet, in der Vertikalen dagegen ungerichtet empfangen wird. so
daß das gesamte Bildfeld in senkrechte Streifen aufgeteilt ist, und daß die aus
jedem senkrechten Bildstreifen nacheinander zurüclrkehrenden Echos getrennt zur
Anzeige gebracht bzw. zur Erzeugung des Lichtbildes verwendet werden.
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In der Zeichnung ist die Erfindung in mehreren Ausführungsbeilspielen
veranschaulicht.
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Fig. I bis 3 zeigen schematische Darstellungen der Wirkungsweise
der neuen Vorrichtung zur Abbildung eines am Meeresgrunde liegenden U-Bootes in
Seiten- und Frontansicht; Fig. 4 ist die zu Fig. I bis 3 gehörige Empfangsanordnung
in schaltschaubildlicher Darstellung; Fig. 5 und 6 zeigen eine schematische Darstellung
des mit der Einrichtung nach den Fig. I bis 4 gewonnenen Schallbildes für zwei verschiedene
Entfernungen; Fig. 7 zeigt eine zweite Ausführungsform der Empfangsanordnung; Fig.
8 zeigt den Wirkbereich der Empfangsanordnung nach Fig. 7 entsprechend der Darstellung
Fig. 3; Fig. 9 und 10 zeigen zwei weitere Ausführungsformen der Empfangsanordnung.
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Bei dem durch Fig. I bis 4 veranschaulichten ersten Ausführungsbeispiel
ist auf dem beobachtenden Schiff eine Echoloteinrichtung, bestehend aus einem ungerichteten
Sender und einer Empfangsanordnung, gemäß Fig. 4 eingebaut, die aus zehnmal dreiunddreißig
auf einer kugelförmig gewölben Fläche angeordneten Empfängern I bis 330 besteht.
Die einzelnen Empfänger haben eine quadrabische Empfangsfläche von einer Breite
gleich etwa zehn WellenlängenA des benutzten Schalles und beherrschen dadurch einen
pyramidenförmigen Sektor von etwa 350 Winkelöffnung. Sie können als Resonanzschwinger,
z. B. als Magnetostriktionsschwinger, ausgebildet sein und sind zweckmäßig auf eine
hohe Frequenz, beispielsweise 150 kHz, abgestimmt. Die Wölbung der Kugelfläche,
auf der die Empfänger angeordnet sind. ist dabei so gewählt, daß jeder Empfänger
aus einem anderen Sektor empfängt und der gesamte Empfangsbereicb in !der Vertikalen
zwischen 20 und 600 gegen die Horizontale liegt und in der Richtung quer dazu einen
Winkel von etwa I00° umfaßt. Jeder Empfänger ist mit einem Verstärker a verbunden,
der ausgangsseitig an eine Anzeigevorrichtung angeschlossen ist. Im dargestellten
Beispiel ist für jeden Empfänger eine besondere Anzeigevorrichtung in Form einer
Lampe b vorgesehen. Wie der in Fig. 2 dargestellte Schnitt durch das von der Empfangsanordnung
beherrschte Schallfeld nach der Linie A-A der Fig. I zeigt, erzielt man durch die
Anordnung eine Erfassung des Bildfeldes in ähnlicher Weise wie mit einem Bildraster
in der Fernsehtechnik.
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Die Abbildung eines am Meeresboden liegenden Gegenstandes, z. B.
U-Bootes, wird auf folgende Art und Weise erzielt: Die Lampen b (Fig. 4) sind so
ausgebildet, daß sie auf verschiedene von den Empfängern auf-
genommene
Schallintensitäten mit entsprechend verschiedener Helligkeit ansprechen. Die Schallintensität
nimmt aber mit der Größe der Entfernung nach einem Exponentialgesetz ab. Bei Voraussetzung
eines ebenen und gleichmäßig reflektierenden Meeresbodens wird man somit für die
Empfänger I bis I0, II bis 20 usw. verschiedene Schallintensitäten erhalten, und
zwar kommen auf die Empfänger I, II, zu . .. die größten Intensitäten, und die Intensität
nimmt dann etwa nach einem Exponentialgesetz bis zu einem Kleinstwert für die Empfänger
10, 20, 30... ab. Auf die zu einer horizontalen Reihe gehörigen Empfänger I, 11,
21... kommen zwar auch, wie aus Fig. 2 ersichtlich, verschiedene Laufzeiten des
Schalles und damit verschiedene Intensitäten, und zwar nimmt die Intensität für
die horizontalen Empfängerreihen von der mittleren Empfängerreihe 171 bis 180 nach
den beiden seitlichen Empfängerreihen I bis Io und 321bis33o ab. Diese Intensitätsabnahme
ist jedoch verhältnismäßig klein und wird in den meisten Fällen keine merklichen
Unterschiede in der Leuchtintensität der Anzeigelampen hervorrufen. Werden die Lampen
bzw. die Empfänger gleich empfindlich gemacht, so daß die oben erörterten, von den
verschiedenen Stellen des Meeresbodens zurückkommenden Intensitäten zur Anzeige
gelangen, so erhält man als Bild des ebenen Meeresbodens eine von dem unteren nach
dem oberen Bildrand allmählich abnehmende Helligkeit.
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Für die Beobachtung ist es jedoch vorteilhafter, den ebenen Meeresboden
mit gleichmäßiger Helligkeit abzubilden. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß den
Empfängern eine entsprechende unterschiedliche Empfindlichkeit oder Verstärkung
zugeordnet ist.
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Befindet sich nun auf dem ebenen Meeresboden ein reflektierender
Gegenstand, z. B. ein U-Boot, so wird das oben erörterte Schallbild gestört, indem
die im Bereich des U-Bootes wirkenden Empfänger eine andere Schallintensität aufnehmen
als bei Nichtvorhandensein des U-Bootes und daher an den entsprechenden Stellen
des Abbildungsfeldes eine andere Helligkeit hervorrufen. Die Anzeigevorrichtung
kann so ausgebildet sein, daß die Helligkeit mit zunehmender Schallintensität wächst
oder fällt. Im ersteren Falle wird dasU-Boot durch Aufhellung, im zweiten Falle
durch eine schattenmäßige Verdunklung angezeigt. Die von dem U-Boot zurückgeworfenen
Echos haben größere Schallintensität, nicht nur weil ihre Schallaufzeit gegenüber
den entsprechenden von dem Meeresboden zurückgeworfenen Echos verkürzt ist, sondern
auch weil das U-Boot ein meist besseres Reflexionsvermögen aufweist als der Meeresboden.
Bei der Abbildung heben sich besonders die Umrißlinien des U-Bootes oder sonstigen
auf dem Meeresboden liegenden Gegenstandes ab, da an dieser Stelle eine sprunghafte
Änderung der Echointensität auftritt.
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Fig. 5 und 6 zeigen zwei schematische Darstellungen einer U-Boot-Abbildung
für zwei verschiedene Entfernungen, beispielsweise eine Entfernung von Ao und eine
Entfernung von 80 m, winter Voraussetzung quadratischer und lückenlos aneinaiidergrenzender
Bildpunkte der Lampen b.
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Der Einfachheit halber ist dabei eine genau seitliche Betrachtung
des U-Bootes angenommen, während in Wirklichkeit eine Betrachtung von schräg oben
erfolgt. Die Empfangseinrichtung ist zweckmäßig beweglich ausgebildet, um sie jeweils
In die gewünschte Richtung einstellen zu können.
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Es ist auch möglich, ein U-Boot durch Loten in senkrechter Richtung
abzubilden, wobei dann die Grundrißform des U-Bootes auf dem Schirm der Anzeigevorrichtung
erscheint.
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Da die zu den verschiedenen Neigungen gegen den Meeresboden gehörigen
Echos verschiedene Laufzeit aufweisen und dadurch eine selbsttätige zeitliche .abtastung
des Meeresbodens bewirken, ist es im Gegensatz zu der Fernsehtechnik, wo die Laufzeitunterschiede
so klein sind, daß sie aus techlliscllen Gründen nicht zu erfassen sind, möglich,
nur in der Horizontalen gerichtet und in der Vertikalen ungerichtet zu empfangen
und die aus den verschiedenen Neigungen zurückkehrenden Echos nacheinander getrennt
zu empfangen bzw. anzuzeigen. Dadurch läßt sich eine wesentliche Vereinfachung der
Empfafigseinrichtung erzielen.
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In Fig. 4 ist durch gestrichelte Linien c die Abänderung der Empfangseinrichtung
angedeutet. Es ist nur noch eine horizontale Reihe von Empfängern33I bis 363 erforderlich,
wobei die einzelnen Empfänger nur in der Horizontalen eine Abmessung von z.B. toA
aufzuweisen brauchen.
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Die Empfänger können natürlich statt nebeneinander auch übereinander
mit entsprechender gegenseitiger Versetzung angeordnet sein.
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Fig. 8 zeigt den Wirkbereich einer derartigen Empfangseinrichtung,
woraus ersichtlich ist, daß sich der Wirkbereich aus dreiunddreißig einzelnen streifenförmigen
Teilbereichen 331' bis 363' zusammensetzt. Um nun die einzelnen Streifen in Abbildungspunkte
aufzulösen, ist die Empfangseinrichtung mit einer Zeitmeßanordnung versehen.
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Diese besteht beispielsweise, wie in Fig. 7 veranschaulicht, aus einem
umlaufenden Träger d für die Lampen b 33I bis b 363, der hinter einem Abbildungsschirm
f umläuft, derart, daß die Lampen b während einer Meßperiode sich vom unteren bis
zum oberen Rand des Schirmes f bewegen. Um eine ununterbrochene Meßfolge zu erhalten,
können mehrere am Umfang verteilte Lampenreihen vorgesehen sein, die abwechselnd
in Wirkung treten.
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Der Schirm f ist zweckmäßig mit einer nachleuchtenden Schicht versehen,
um ein ruhiges Bild zu erhalten. Man erhält mit dieser Art der Abbildung ein richtiges
Bild nur für den ebenen Meeresboden, während bei Vorhandensein eines U-Bootes oder
sonstigen reflektierenden Gegenstandes gewisse Ungenauigkeiten dadurch entstehen,
daß Echos von verschiedenen Punkten, beispielsweise die in den in Fig. I angegebenen
beiden Richtungen ni und n zurückkehrenden Echos, gleiche Schallaufzeiten aufweisen,
so daß die Helligkeitswerte und das Bild des U-Bootes aus
der tatsächlichen
Richtung verschoben werden und eine Verzerrung erfahren. Trotzdem ist jedoch mit
dieser vereinfachten Einrichtung eine brauchbare Abbildung zu gewinnen.
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Es ist auch möglich, statt der unmittelbaren Anzeige der Echointensitäten
eine Anzeige der Schalllaufzeiten selbst durch verschiedene Lichthelligkeiten vorzunehmen.
Fig. g zeigt ein Ausführungsbeispiel hierfür. Dabei xvird die Zeit durch ein Drehpotentiometer
g gemessen, das im Takte der Lotungen umläuft und über von den einzelnen Empfängern
I bis 330 zu betätigende Relais I' bis 330' mit den Anzeigelampen b verbundene ist.
Je nach der Laufzeit der Echos wird somit eine andere Lampe b eingeschaltet und
dieser Lampe eine andere Potentiometerspannung zugeschaltet. Um auch hier eine gleichmäßige
Helligkeit für die Abbildung des ebenen Meeresbodens zu erzielen, sind die Anzeigelampen
verschieden empfindlich ausgebildet, z. B. mit Parallelwiderständen lt verschiedener
Größe versehen. Die Benutzung der Schalllaufzeiten zur Erzeugung der verschiedenen
Helligkeitsgrade hat den Vorteil, daß Unregelmäßigkeiten der Schallintensität infolge
von unberechenbaren Schwankungen im Reflexionsvermögen der einzelnen Bildpunkte
die Abbildung nicht beeinträchtigen.
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Die Steuerung der Helligkeit durch die Schalllaufzeit bringt einen
weiteren Vorteil durch Herrorhebung der Umrißlinien, besonders dann, wenn bei kleinen
Entfernungen und gut reflektierendem Grund die Echointensitätsunterschiede zwischen
Grund und U-Boot nicht sehr groß sind. Dabei kann es vorteilhaft sein, die Wirksamkeit
und den Betrag der Steuerung zeitlich verschiebbar zu gestalten, um die Helligkeitsunterschiede
der Entfernung zum Objekt günstigst anzupassen.
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Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das gesamte
zu beobachtende Bildfeld mit einer einzigen Lotung erfaßt. Es ist auch möglich,
das Bildfeld nicht in einer einzigen Lotung, sondern in mehreren Lotungen nacheinander
abzutasten, beispielsweise mit Hilfe einer horizontalen Empfänger reihe, die um
eine horizontale Achse geschwenkt wird, wobei während einer Schavenkbewegung z.
B. zehn Lotungen nacheinander durchgeführt werden. Dabei kann die jeweils naehfolgende
Lotung erst dann durchgeführt werden, wenn das aus der größten Entfernung noch zu
erwartende Echo der vorherigen Lotung angekommen ist, oder es muß durch sonstige
Mitte4 ein Überschneiden der einzelnen Lotungen vermieden werden. Andererseits muß
die Abtastung so schnell crfolgen. daß Schwankungen, beispielsweise veranlaßt durch
die Schiftsbewegungen, keine unzulässige Verzerrung des Schallbildes hervorrufen.
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Gegebenenfalls lassen sich Mittel zur Unterdrückung derartiger Verzerrungen
anwenden, z. B. eine pendelartige Aufhängung der Empfangseinrichtung. Eine weitere
Form der Abtastung besteht darin. daß eine Reihe von Empfängern 37I bis 377 um eine
Achse i gedreht werden, wobei die Empfänger so angeordnet sind, daß die von ihnen
beschriebene Rotationsfläche einen Abschnitt einer Tsugelfläche darstellt (Fig.
10).
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt,
sondern es sind noch mancherlei Abänderungen und auch andere Ausführungsformen möglich.
Insbesondere läßt sich die Einrichtung auch so ausbilden, daß nur bei plötzlichen
Entfernungs- oder Intensitätssprüngen vorgegebener Größe eine Anzeige hervorgerufen
wird, so daß lediglich die Umrißform des U-Bootes oder sonstigen Gegenstandes als
Leucht- oder Schattenlinie erscheint. Bei Erfassung des Bildbereiches in mehreren
aufeinanderfolgenden Lotungen kann die Bewegung der Wirkbereicile der Empfänger
statt durch Bewegung der Empfänger selbst auch mit Hilfe von Verzögerungseinrichtungen
erzielt werden. Die Lampen zur Anzeige bestehen zweckmäßig aus amplitudenabhängigen
Gasentladungsrohren.
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Sie können aber auch durch andere geeignete Lichtquellen, z. B. Braunsche
Rohre, ersetzt werden. Beim Braunschen Rohr läßt sich durch Steuerung des Wehneltzylinders
die wechselnde Helligkeit des Leuchtfleckes einstellen. Dabei kann die Steuerung
entweder durch die Echointensitäten selbst oder durch eine entfernungsabhängige
Spannung erfolgen. In Verbindung mit einer Echoloteinrichtung, bei der der gesamte
Wirkbereich nacheinander abgetastet wird, kann die entsprechende Ablenkung der Leuchtflecke
bei feststehenden Braunschen Rohren durch eine Zeitkreisanordnung erzielt werden,
die eine Ablenkung des Kaffiodenstrahles selbst bewirkt. Natürlich ist es auch bei
Verwendung anderer Anzeigelampen möglich, die Ablenkung der Leuchtflecke statt durch
Ablenkung der Lampen selbst durch eine Ablenkung ihrer Lichtstrahlen, beispielsweise
mit Hilfe einer Linse oder eines Spiegels bzw. Spiegelrades durchzuführen.
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Ferner ist es zweckmäßig, die Empfindlichkeit der Empfangsanordnung
leicht einstellbar zu machen, um je nach der Entfernung die günstigste Helligkeit
der Abbildung einstellen zu können.
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Auch kann das zur Erzielung bestimmter Helligkeitsunterschiede erforderliche
Maß der Intensitäts- oder Entfernungsänderung einstellbar sein, um für verschiedene
Entfernungen gleich scharfe Abbildungen zu gewinnen.
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Man kann mit einer erheblich geringeren Anzahl von Empfängern und
einer kleineren Empfangs-und Sendefläche auskommen, wenn für eine bestimmte Echoempfangsrichtung
nicht ein einzelner Empfänger mit großer Richtwirkung vorgesehen wird, sondern mehrere
Empfänger geringer Richte wirkung auf die betreffende Richtung kompensiert werden,
und wenn dabei eine Mehrfachkompensation auf verschiedene Richtungen mit denselben
Empfängern durchgeführt wird.
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Bei elektrischer oder mechanischer Bewegung der Richtvektoren über
den Wirkbereich, z. B. gemäß Fig. 10, kann man auch die Bewegung so schnell durchführen;
daß während der Dauer eines Lot- bzw. Echoimpulses der ganze Bereich erfaßt wird,
so daß während einer Lotperiode das ganze Bild entsteht und der Bereich von der
Empfangs-
anordnung in der Periode so oft durchlaufen wird, wie
die Lotimpulslänge in einer Periode enthalten ist.
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PA'rENTANSPRÜ(.HE: I. Verfahren zur Abbildung von schallreflektierenden
Gegenständen durch Echolotung, insbesondere im Wasser, bei dem mit Hilfe gerichteten
Empfangs aus einer Vielzahl von in dem interessierenden Blickbereich liegenden Blickpunkten
oder Feldern die zurückkehrenden Echos empfangen und zur Erzeugung eines Lichtbildes
benutzt werden, gekennzeichnet durch eine derartige Verwendung einer Vielzahl von
gerichteten Schallempfängern, daß sie die Echos aus getrennten, gegebenenfalls sich
teilweise überlappenden Blickfeldern des Gesamtblickbereiches empfangen und nach
Verstärkung als Lichtbild zur Anzeige bringen.