NO128506B - - Google Patents

Description

System for måling av et fartøys hastig-

het på akustisk vei ved Doppler-prinsippet.

Det grunnleggende prinsipp ved Doppler-navigasjonen er

kjent. Ved navigering i henhold til dette prinsipp rettes en eller flere smale lydstrålebunter mot havbunnen i retninger som danner en vesentlig vinkel med vertikalen. Frekvensene av de tilbakereflek-

terte signaler fra de forskjellige strålebunter måles og sammenlig-

nes med vedkommende sendefrekvens eller innbyrdes. Den konstaterte frekvensforandring er et mål for skipets bevegelseskomponent i hver strålebuntretning. Ved egnet valg av strålebuntene kan bevegelses-komponentene bestemmes i begge horisontale retninger.

Når det gjelder et skip på åpent hav, er havbunnen det nærmeste og mest stabile stillings-referansepunkt. Det akustiske Doppler-prinsipp tillater navigasjon i forhold til bunnen uten forutgående undersøkelser.

Selv ved satelitt-navigasjon som et stillingssystem kan Doppler-prinsippet gi to vesentlige opplysninger. Den ene består

i at det gir kontinuerlig stillingsbestemmelse mellom faste punkter, og det annet er at det tillater en nøyaktig måling av hastigheten på det tidspunkt bestemmelsen skjer, idet en av dataene trenges for å omdanne satelitt-avlesningen til en nøyaktig fast stilling. Et akustisk Doppler-system utgjør i seg selv et nøyaktig navigasjons-middel som er særlig tjenlig for undervannsbåter. Når det gjelder skip på overflaten, er systemet immunt overfor elektromagnetisk interferens eller atmosfæriske forhold.

Navigasjonsanordninger som anvender det akustiske Doppler-prinsipp er med hell blitt anvendt i grunnt vann ved kysten, hvor det er lett å detektere de akustiske signaler som spres og reflekteres fra havbunnen. I vann dypere enn 300 - 500 m foreligger der imidlertid praktiske problemer når det gjelder å frembringe smale strålebunter og bekjempe dempning og etterklang, idet det er vanske-lig å oppnå tilfredsstillende måleverdier av den energi som reflekteres tilbake fra havbunnen. De Doppler-systerner som har vært anvendt i forbindelse med dypt vann, har vanligvis vært basert på signaler som reflekteres fra partikler i vannet nær skipet. Ved et så-dant system måles skipets bevegelse i forhold til vannet og ikke i forhold til bunnen, hvorfor systemet vil gi feilaktige verdier, som følge av overflatestrømninger.

For å nå bunnen ved dypt vann må der anvendes forholdsvis lave frekvenser av størrelsesorden 12 kHz eller mindre. Ved høyere frekvenser er tapene så store at der kreves urimelig høye sende-effektnivåer. I tillegg krever nøyaktig Doppler-navigasjon forholdsvis smale lydstrålebunter, i sterk motsetning til hva tilfellet er ved vanlig ekkolodding, og for å oppnå sådanne lydstrålebunter ved lave frekvenser, trenges store svingere med dimensjoner av størrel-sesorden opp til et par meter. Derved innføres problemer når det gjelder å stabilisere strålebuntens retning like overfor rulling, stamping og utilsiktet kursendring. Problemet er ytterligere aksen-tuert ved at strålebuntene må dirigeres etter en stor vinkel til vertikalen. Den energi som spres eller reflekteres tilbake fra bunnen ved disse vinkelverdier, er ofte bare en liten brøkdel av den energi som oppnås ved en vertikal strålebunt som anvendes ved det konvensjonelle ekkoloddutstyr.

Et annet problem som er tilstede i forbindelse med dypt vann, er rometterklangen. Signalet fra bunnen kan være meget sva-

kere enn det som forårsakes ved refleks fra partikler i vannet.

Ved ekkolodding løses dette problem ved anvendelse av korte pulser og eventuelt ved utelukkelse av reflektert energi fra det dype sprede-reflekslag, hvor rometterklangen er særlig kraftig. Dette lar seg ikke lett gjøre ved et Doppler-system, da en nøyaktig navigasjon krever meget nøyaktig måling av det tilbake-reflekterte sig-nals frekvens, hvilket bare kan oppnås med lange pulser eller ennå bedre ved kontinuerlig mottagning.

Foreliggende oppfinnelse angår et hastighets-målesystem som arbeider etter Doppler-prinsippet og anvendes av skip som seiler på dypt vann i rom sjø med store dybder. Systemet omfatter sende-og mottagerkretser på vedkommende fartøy, svingere som utsender en vifteformet strålebunt mot et segment av den overflate som passeres av fartøyet, og mottagersvingere eller hydrofoner for å motta en vifteformet strålebunt som er rettet i en retning på tvers av den utsendte strålebunt og som krysser denne strålebunt, hvor skjæringen mellom strålebuntene danner en bane, langs hvilken refleksjonen av den utsendte strålebunt mottas og hvor mottagerkretsene er innrettet til å bestemme (detektere) frekvensdifferansen mellom den utsendte og den reflekterte strålebunt. Det særegne ved oppfinnelsen er at den utsendte stråle er kontinuerlig og at der anvendes nøklingsinn-retninger som, forandrer den utsendte frekvens syklisk, at de mottagende anordninger inneholder innretninger som velger de mottatte frekvenser og innretninger som slipper gjennom de valgte frekvenser for å nedsette virkningen av etterklang, samt anordninger for å omdanne dem til en felles frekvens som anvendes i regnemaskiner, og at systemet omfatter frekvens-differanse-følsomme anordninger for bestemmelse av fartøyets hastighetskomponent i en gitt retning.

Fortrinnsvis sendes der ut to vifteformede strålebunter som krysser hinannen således at den ene skjæringslinje er rettet forover i forhold til vertikallinjen og den annen rettet bakover i forhold til samme 'linje med mottageren utført således at den reage-rer for frekvensforskjellen i baug- og akterretningen, dvs. for summen av Doppler-frekvensforandringene i de to retninger. For bestemmelse av avdriften kan der anvendes to skjæringer mellom vifteformede strålebunter, hvor den ene er rettet på skrå til styrbord og den annen på skrå til babord. Det er imidlertid særlig fordelaktig å anvende fire skjæringer mellom vifteformede strålebunter, den ene rettet forover på styrbordside, den annen forover på babordside, den tredje akterut på styrbordside og den fjerde akterut på babordside. De fire mottatte strålebunter kan så anvendes til måling både av hastigheten i skipets lengderetning og skipets avdriftshastighet.

Flere rekker av svingere kan anvendes for frembringelse av et antall strålebunter, men fortrinnsvis anvendes der bare en eneste sender-svingerrekke og en eneste mottager-svingerrekke sammen med retningsdirigerende midler som anvender faseforskjell for dirigering av sender-strålebunter forover og akterover, og til å dirigere de mottatte strålebunter mot styrbord og babord for således å tilveiebringe de ønskede fire strålebunter som skjærer hinannen, idet der bare anvendes to svingerrekker. Ledningsføringen mellom svingerne i hver rekke er vesentlig forenklet ved valg av den anvendte fase-forskyvning. Der finnes også innretninger som tjener til å dele opp de på styrbord og de på babord mottatte strålebunter for å danne baug- og aktersløyfer for å frembringe adskilte mottagerkanaler for hver av de fire skjæringer mellom mottager- og sender-strålebunter.

Disse og andre trekk ved oppfinnelsen vil fremgå nærmere av følgende beskrivelse under henvisning til tegningene, på hvilke fig. 1 viser den foretrukne anvendelse av fire akustiske strålebunter, fig. 2 viser hvorledes hver av de fire strålebunter oppnås ved skjæring mellom to vifteformede bunter, fig. 3 viser et skjema for forklaring av et Doppler-system som anvender én skrått-liggende viftestrålebunt-skjæring ; fig. 4 viser anvendelsen av to skjæringer mellom motsatt skrått rettede vifteformede strålebunter, fig. 5 visér skjematisk en kobling ved anvendelse av fire skjæringer mellom vifteformede strålebunter og fig. 6 viser billedet av de fire strålebunter som skjærer hverandre på havbunnen? fig. 7 viser hvorledes senderen virker, fig. 8 viser hvorledes mottageren virker, fig. 9 viser sender-strålebuntenes strålemønster, fig. 10 viser skjematisk hydrofon- eller mottagerrekken, fig. 11 viser et eksempel på de innbyrdes ledningsforbindelser til en svinger som virker som hydrofon og utgjøres av en rekke svingere, og fig. 12 viser et eksempel på dirigering av strålebunter.

Fig. 1 viser fire akustiske strålebunter SM, SN, SP

og SQ som anvendes ved et Doppler-navlgasjonssystem. Disse

fire strålebunter skjærer havbunnen i punktene M, N, P og Q,

hvor M og N befinner seg foran skipet S og P og Q bak samme.

Der kan også anvendes mindre enn fire strålebunter, men fire har vist seg å ha praktiske fordeler. Frekvensdifferansen %- fQ

mellom N og Q tillater bestemmelse av skipets hastighetskomponent i retningen forover, på lignende måte tjener differansen fM-fN

til bestemmelse av avdriftkomponenten. Nbyaktigheten av hastig-hetsmålingen i retningen forover okes ved anvendelse av den kom-binerte frekvensdlfferanse <f>m<+f>N~<fp-f>Q 1 stedet for å anvende enten f^-fp eller ^jj<->^<q*>

Den mest innlysende metode for oppnåelse av det på fig. 1 viste monster er å sende ut fire smale lydstrålebunter med aksene i de valgte retninger. Energien i hver strålebunt vil derved være begrenset til en strek hvor ingen av strålene sprer seg mer fra den foretrukne akse enn en ganske liten vinkel. Fire mottager-strålebunter kan frembringes ved hjelp av den samme eller en lignende svinger, således at de fire mottagere bare vil være folsomme for energi fra buntpunktene M, N, P og Q. Dette strålebunt-arran-gement er vel egnet ved hbye frekvenser og korte rekkevidder hvor svingerne kan være små og den mekaniske stabilitet representerer et enkelt problem.

Ved et Doppler-system for store havdybder krever imidlertid frembringelsen av en tynn stråle urimelig store svingere. En stråle som er begrenset av en vinkel på 2° og en frekvens på 11 kHz vil kreve en sirkulær svinger med en diameter på ca. U m. Da imidlertid i det minste tre svingere bor anvendes ved et praktisk Doppler-system, må man ha tre av disse store svingere som tjener som projektorer eller sendere, og forutsatt at man ikke anvender lange pulser for å kunne tillate sending og mottagning ved hjelp av samme svinger, må man ha et ytterligere sett på tre store svingere for mottagning. Ved store avstander er stabiliseringsproblemet også meget kritisk. Hvis skipet ruller 5° i lopet av 5 sek, vil dette ha liten virkning på et signal som reflekteres ved en bunndybde på 180 m, da gangtiden frem og tilbake bare er 0,25 sek. Hvis det imidlertid dreier seg-om en bunndybde på 3600 m, hvor gangtiden frem og tilbake er 5 sek, vil mottagerstrålen ikke bli rettet mot det dnskede område av bunnen uten at skipet er omhyggelig stabilisert. Kravet til meget store svingere og noyaktig stabilisering gjor derfor anvendelsen av smale strålebunter uprak-

tisk når det gjelder dypt vann.

Disse problemer loses i henhold til oppfinnelsen ved anvendelsen av vifteformede strålebunter som krysser hinannen,

som vist på fig. 2. Figuren viser hvorledes man kan oppnå et signal fra et punkt som bare kan være ett av de fire målpunkter,

f. eks. punktet N på fig. 1. Senderen bestråler en lang smal stripe 0 R ved hjelp av en vifteformet strålebunt S 0 R. Mottager-strålebunten skjærer sender-strålebunten under rette vinkler og definerer derved målpunktet N. Den svinger som kreves for å frembringe eller motta en vifteformet stråle, har form av en smal rekke av små svingere som hver bare har en brbkdel av det totale aktive overflateareal som trenges ved en tynn stråle. Således kan projektoren eller senderen ha en bredde på 12,5 era og en lengde på U,3 m ved en vifteformet strålebunt med en spredning eller tykkelse på 2° ved 11 kHz. Mottagerrekken kan ha samme lengde, men en storre bredde, såsom 50 cm, for å oppnå en bedre adskillelse mellom front- og akterstrålene. Disse svingerrekker er anbragt på skipets bunn uten i nevneverdig grad å oke skipets dyptgående. I prinsipp kan de anbringes i flukt med skroget. Projektorstrålen er fortrinnsvis anordnet med den lange akse parallell med kjolen, mens mottager-hydrofonrekken fortrinnsvis har sin lange akse omtrent tverrskips, men disse to retninger kan byttes om. Tverrskipsrekken kan være boyet i overensstemmelse med skipets tverrsnittsprofil for å folge skroget. Åtte sådanne rekker kan anvendes, to for hver av de fire punkter M, N, P og Q på fig. 1. Man kan Imidlertid også anvende seks, to for sending og fire for mottagning. Fortrinnsvis anvendes en eneste sender-rekke og en eneste mottagerrekke for å oppnå signaler fra alle fire bunnpunkter, da de vifteformede strålebunter ved elektroniske midler kan dirigeres eller styres over et bredt vinkelområde i forbindelse med at svingerne er ubevegelig festet til skroget.

Med hensyn til stabiliseringsproblemet foreligger to aspekter. Det ene er behovet for å sikre at mottager-strålebunten "ser" det område av bunnen som er bestrålt av projektoren, og det annet er virkningen av skipets bevegelse på Doppler-frekvensen. Når det gjelder det forste problem, eliminerer de

kryssede vifteformede strålebunter kravet til stabilisering,

da mottager- og sender-strålebuntene alltid skjærer hinannen, selvom der har funnet sted en viss rulling eller avdrift mellom sendertidspunktet og mottagertidspunktet. Det annet problem mestres på enkel måte ved at man arbeider på de målte Doppler-frekvenser med strålebuntene faste i forhold til skipet, i stedet for at man prover å dirigere strålebuntene således at deres retninger forblir faste i forhold til bunnen.

Kryss-viftestråle-teknikken har derfor flere betydelige fordeler når det gjelder Doppler-navigasjon på dypt vann, idet den i sterk grad reduserer de nodvendige svingers stdrrelse og sammensatte natur. Kravet til stabilisering mot rulling, stamping og avdrift elimineres, Svingerne folger skipets skrog.

En videre viktig fordel som skal forklares nærmere nedenfor,

er at de anvendte rekker som tilfores lineære faser for å danne de vifteformede strålebunter, har den egenskap at den konstaterte Doppler-frekvensforandring ved midlere båndbredder er uavhengig av sendefrekvensen og lydhastigheten, bortsett fra visse sekun-dære korreksjoner som henger sammen med forandringer av skipets stilling. Dette står i motsetning til de konvensjonelle systemer, hvor lydhastigheten er kritisk og må observeres omhyggelig, og en hvilken som helst forandring i sendefrekvensen bevirker den samme prosentuelle forandring av Doppler-frekvensen. Innbyrdes kryssede vifteformede strålebunter har allereie vært anvendt til en helt annen hensikt, nemlig ved opptegning av konturkart av havbunnen, se U.S.-patent 3 l^^ 631 med tittelen "Radiation Mapplng System" og U.S.-patent 3 296 579 med tittelen "Contour Map Generator". Det dreier seg imidlertid, som nevnt, om andre måter og ikke ora et Doppler-system for hastighetsmåling.

På fig. 3 ar skjematisk antydet at et skip S beveger seg med en hastighet V og utsender et signal med frekvens fQ. Dette signal reflekteres fra et punkt T av bunnen og vender tilbake langs en vei r til en mottager som befinner seg i skipet og måler en frekvens fp.

Forskjellen

er Doppler-frekvensforandringen.

Signalets faseforskyvning over veien frem og tilbake ar

hvor A er bølgelengden. Doppler-vinkelfrekvensen CU = 2 II f er lik forendringen pr. tidsenhet (tidsderiverte) av fase-forskyvningen, således at Imidlertid er forandringen pr. tidsenhet således at

hvor<5 er vinkelen mellom skipets bevegelsesretning og signalets retning.

I vektoruttrykk kan dette skrives

hvor 7. er skipets hastighetsvektor og il er enhetsvektoren langs strålens akse. Doppler-frekvensforandringen f er folgelig et mål for skipets hastighet i strålens retning. Fig. k viser det tilfelle at der anvendes to stråle-retninger og Ug» og differanseforskjellen er da åpenbart Hvis de to stråler ligger i samme,,plan som faller sammen méd skipets akse s og hvis de danner den samme vinkel B med skipets bevegelsesvei men i hver. sin retning, ligger u^-Ug i skipets akse s. Hvis s er enhetsvektoren, er u^-Ug lik 2s. cos' B og man får

hvor B er en konstant vinkel uavhengig av skipets stilling.

Her er V*s hastighetskomponenten i skipets akseretning..-En '' sammenligning med ligningen (6) viser at en eneste stråle (som i fig. 3) måler hastighetskomponenten i strålens akse-retning, mens to stråler (som på fig. h) direkte gir hastighetskomponenten i en valgt akse (men multiplisert med 2. cos B);

Det bemerkes at de to stråler som anvendes til måling av hastighetskomponenten i skipets retning (dvs. i kjølens retning) kan danne en eller annen egnet felles vinkel 1 tverr-sklpsretning. Det eneste som kreves er at begge stråler danner den samme- vinkel B med skipets lengdeakse, den ene rettet forover og den annen rettet bakover og at de to stråler ligger i et felles plan med aksén.

På lignende måte vil to stråler som danner samme, men motsatt rettede vinkler med babord- og styrbord-retningene, gi en frekvens som er proporsjonal med hastighetskomponenten i tverrsklpsretningen, dvs. avdriften.

Som tidligere nevnt kan frekvensdifferansen mellom to og to par stråler M og P, eller N og Q, fig. 1, benyttes til å gl hastighetskomponenten i kjolens retning. Disse kombineres fortrinnsvis for å gl frekvensen

for hastighetskomponenten i skipets fremadgående retning, men multiplisert med fire.

På samme måte benyttes

for oppnåelse av tverrsklpskomponenten i styrbordretning (også multiplisert med fire). Her representerer fjj, fN, fp og fg de frekvenser som er mottatt på hver av de fire stråler, fig. 1. Det fremgår av denne figur at vektoren u-^<+>Hg+u^u^. som representerer summen av retningene av de fire stråler, er 1 retning loddrett på skipets dekk. Folgellg representerer frekvensen

hastighetskomponenten i opp-ned-retningen, dvs. loddrett på dekket. Denne komponenten er av verdi, da den kan anvendes ved

av

trimming av skipet eller bestémmelaydets krengning. Det er innlysende at den også kan være av verdi for undervannsbåter.

I ligningen (5) opptrer faktoren 2 som fb'lge av at det dreier seg om gangtiden frem og tilbake med en viss frekvensforandring i hver retning. For to stråler kan frekvensdifferansen fd ifblge ligning (8) også uttrykkes som hvor E er vinkelen mellom hastigheten V og vedkommende skips akse således valgt at den ligger i et felles plan med de to stråler og danner en felles vinkel B med begge stråler, som på fig. <l>+, hvor aksen er betegnet med s.

Por fire stråler blir frekvensen

som i ligning (9)» men referert til V

da det i virkeligheten er sammen av to frekvenser som f^.

Flg. 5 viser de vesentligste komponenter i en kobling som utnytter Doppler-navigasjonssystemet ifblge oppfinnelsen.

For å oppnå kontinuerlig mottagning uten Interferens som Tolga . a'•romklang virkning, anvendes en sender med frekvens-forskyvnings-nbkling. I det viste tilfelle anvendes fire frekvenser, men et stbrre eller mindre antall kan også finne anvendelse. Alle frekvensene anvendes på hver strålebunt, og det er ^åanse: som en tilfeldighet at der anvendes fire frekvenser og fire strålebunter. Det mottatte signal som tilsvarer hver enkelt utsendt frekvens, isoleres og holdes tilbake for bare å gi mottagning under det intervall, 1 hvilket rom-klangvirknlngen er lav.

Signalstrommen begynner med de fire oscillatorer

Tl' T2 T3 og T*+ SO!n nol£l9S således at sendingen forandres syklisk en frekvens ad gangen. Nbklingshastigheten bestemmes av en regne-maskin 80 på basis av dybden eller opplysning om helningsområdet. Som vist på fig. 5 kan denne opplysningen tilfores regnemaskinen 80 fra et ekstra anordnet dybde-ekkoloddapparat 81. Hvis Dopplor-navlgasjonssystemet utgjor en del av eller er kombinert med et system for kartlegging av bunnen, kan den nødvendige opplysning oppnås fra denne kilden. Et tredje alternativ er å bestemme helningsområdet ved at tiden for mottagning av frontdelen av hver frekvenskomponent uttas fra Doppler-mottageren.

Utgangen fra frekvensnøkleren 12 er et kontinuerlig vekselstrbmslgnal med variabel frekvens. Dette forsterkes av senderen 1^ og tilfores projektor-senderrekken 16 som genererer

den utsendte lydstrålebunt, som forklart senere.

Det reflekterte signal mottas av en hydrofon-rekke 18 som også skal beskrives senere. Signalene fra rekken 18 behandles av fase- eller stråledannerforsterkeren 20 som har fire utgangskanaler som representerer de individuelle signaler på strålene M, N, P og Q.

De fire utganger fra de stråledannende.kretser i blokken 20 behandles av Doppler-mottagerne. Signalene forsterkes forst i fire radiofrekvens-forsterkere 22M-22Q, en for hver strålee Utgangen for hver av disse forsterkere påtrykkes inngangene på fire (eller tre eller fem etc. sdm forholdene måtte være) kanaler for behandling av de utsendte differanse-frekvenser, således at der oppstår tilsammen seksten kanaler. Bare behandlingen for stråle M er vist i detalj på midten av fig» 5. Forste trinn i hver av disse kanaler er en port 31 (eller 32 eller 33 eller 3>+) som sperrer når vedkommende frekvens sendes ut og en kort periode deretter for å tillate rom-etterk^angen å forsvinne, hvoretter porten åpnes for å tillate mottagning» Portene 31 - 3^ etter-følges av filtere kl - hk for å isolere de fire frekvensbånd,

og blandere 51 - 5^ som forskyver den mottatte frekvens til et felles mellomfrekvensbånd, således at alle fire kanaler kan kombineres for å tillate kontinuerlig mottagning. Alle frekvenser er forskjøvet en felles verdi L for at Doppler-forskyvningens algebraiske tegn skal kunne bibeholdes. Blanderen 51 1 forste frekvenskanal blander det mottatte signal med et reféranseslgnal som dannes ved at den lokale oscillators L frekvens overlagres med sendefrekvensen T-^. Referansesignalet for annen blander uttas fra den lokale oscillator L og den utsendte frekvens T2 osv» . De horisontale strek-tegnede linjer ijmidten av figo 5 representerer de ikke viste ti ytterligere porter, filtere og frekvens-forskyvningsblandereo

Etter at utgangene fra de fire frekvenskanaler for hver strålebunt er blitt kombinert, behandles signalene fra de fire strålebunter i mellomfrekvens-forsterkere henholdsvis 70M, 70N, 70P, 70Q og omdannes til firkant-pulser i firkant-kretser 72M, 72W, 72P, 72Q for å danne et tog av standardpulser som gjentar seg med frekvensen L <+> f, hvor L er'den lokale oscillatorfrekvens som er felles for alle fire strålebunter og f er Doppler-frekvens-forskyvningen for vedkommende strålebunt. Disse pulser behandles av dlfferensialtellere ?k, 76, 78 for å frembringe de tre ønskede utgangsfrekvenser fg, ffi og ffl 1 overensstemmelse med ovenstående ligninger 9 til 11. Hver av de tre tellerne har tre sett inn-gangsklemmer (på venstre side) betegnet med + og -. Tellerne adderer de inngangsfrekvenser som opptrer på de positive inngangs-klemmer og subtraherer de som opptrer på de negative Inngangs-klemmer. Hver teller har også en positiv og en negativ utgangsklemme (vist til høyre) og betegnet med + og -. Utgangspulsene fra f s-telleren 7*+ opptcer for eksempel med en repitlsjonsfrekvens på f. på den positive eller negative klemme alt etter hvorvidt f 5 er positiv eller negativ (gjelder for hastighet forover hhv. akterover).

Den ligning som anvendes av regnemaskinen 80 for å bestemme den tilbakelagte avstand, for eksempel i østlig retning fra tidsrommet t=0 da den første stedsbestemmelse ble foretatt til tiden t=T, er

hvor hver av koeffisientene A, S og N avhenger av de tre variable, nemlig rulling, stamping og kurs (roll, piten and heading). De inneholder også en proporsjonalitetsfaktor som avhenger av system-parametre, såsom den innbyrdes avstand mellom elementene 1 rekken.

Hver gang regnemaskinen fastslår tilstedeværelsen av

en puls på f -kanalens positive klemme, adderer den den lbpende verdi av A til den lopende verdi E.. Hvis der opptrer en puls på den negative fa-kanal, subtraheres A fra É. På samme måta adderes eller subtraheres en verdi S eller N til henholdsvis fra E når der opptrer pulser på f - og f -<k>analene.

En lignende ligning med forskjellige koeffisienter A1,' S<1> og N' benyttes til bestemmelse av D som er den tilbakelagte avstand i retning nord. Når begynnelsesverdiene D og E er kjent, innfores de i regnemaskinen på manuell eller annen måte. Fra dette øyeblikk opprettholder Doppler-dataene D og E kontinuerlig, som beskrevet, og de lopende verdier leses ut som skipets momentan-stllling på en skrivemaskin, trykker eller digitalfremvlserenhet.

Ovenstående er en generell beskrivelse av anordningen. Dens deler skal beskrives senere 1 detalj.

Da det er ønskelig å måle hastigheten med en nøyaktig-het av i det minste 1,0 knop, fortrinnsvis lavere, bør frekvensen måles med en nøyaktighet av størrelsesordenen 1/10 Hz. Hvis der anvendes et pulseringssystem, ville dette kreve pulslengder på noen sekunder som ville overskride tiden frem og tilbake ved midlere havdybder. Utstyret ifølge oppfinnelsen arbeider derfor fortrinnsvis ved kontinuerlig utsendelse.

De fleste av problemene i forbindelse med et Doppler-navigasjonssystem har sin årsak i avhengigheten av strålebunt-vinkelen. Da vinkelfeil øker med strålebuntbredden, er det viktig å gjøre strålebunten så smal som mulig og samtidig la den spre seg en stor vinkel fra vertikalen.. Fortrinnsvis anvendes en strålebunt-retning på ikke mer enn ca. U5° i forhold til vertikalen, da skråningsområdét oker raskt ved større vinkler og den reflekterte effekt fra bunnen synker hurtig ved avtagende streife-vinkler. Dobbelt-strålebunt-teknikken har den fordel at utgangs-nøyaktigheten er meget mindre avhengig av stilllngsparametrene, rulling og stamping,som leveres av gyrokompasset.

Den vifteformede strålebunt frembringes av lange smale rekker av svinger-elementer, en rekke for sending og en loddrett på denne rekke for mottagning. Når det gjelder et stort flatbunnet skip anbringes begge rekker på skipets bunn 1 et plan som stort sett er parallelt med dekkets plan. På mindre skip vil hydrofon-eller mottager-rekken som har sin lengdeakse i tverrskipsretningen, være bøyet opp fra dette plan for å kunne følge skipets tverrsnittsprofil.

Strålebunt-retningen bestemmes ved elektrisk faseinn-stilling av svingerelementene, således at hver av viftens stråler danner den samme vinkel med den rette rekkes akse. Viften har således en form som ligger på overflaten av en konus, med sin akse i rekkens akse og sin spiss i svingeren. Når en sådan strålebunt treffer en plan havbunn, vil snittkurven være en hyperbel. Fig.6 viser mønsteret for det foreslåtte strålebuntsystem når strålebuntene skjærer en plan havbunn og skipet befinner seg rett over punktet 0 og i fullstendig ro. Med en senderekke parallell med retningen OY rettes en strålebunt forover under en vinkel på ca. 30° for å bestråle bunnen langs en linje T-jT^ og en annen sende-bunt rettes bakover for å bestråle bunnen langs linjen T^T^.

Med en mottagerrekke parallell med OX frembringes likeledes mottager-strålebunter som treffer bunnen langs krumme linjer RjR<*>2

og R-^R'^. Nøyaktigheten bestemmes av viftenes tykkelse.

Alle disse strålebunter frembringes samtidig ved anvendelse av bare to svingerrekker, en for sending og en for mot-s tr åiX øbun t> 8 r

tagning. De fire mottager>Teagerer bare for energien som reflekteres fra de fire punkter A, B, C og D på bunnen. De samtidige mottagerstråler dannes ved en teknikk som skal beskrives senere. Forst skal beskrives den dobbelte sende-stråleteknikk.

Ved en typisk utfdrelse av "elektronisk stråleretting" omfatter en svingerrekke et sett identiske svingerelementer som er anbragt etter en linje med samme innbyrdes senter-til-senter avstand b. Den utsendte (eller mottatte) lydenergi omfatter et samlet frekvensbånd med en bølgelengde X. i vann. En ganske bestemt faseforandring oppstår i den elektriske krets som er forbundet med hvert element, således at fasen oker med en konstant verdi 4 fra et element til det neste. Fasen av elementet n er således n<j> eller en konstant pluss n<>. Vinkelen B mellom rekke-aksen og en hvilken som helst stråle 1 den koniske strålebunt er gitt ved ligningen

Retningsvinkelen mellom strålebunten og planet loddrett på rekke-aksen er gitt ved retningsvinkelen som på sin side bestemmes av ligningen Ved vanlig arbeidsmåte velges en innbyrdes elementavstand b tilstrekkelig liten til å tilfredsstille betingelsen

dvs. mindre enn en verdi mellom en halv og en hel bølgelengde alt etter størrelsen ja x av den maksimale vinkel p. som anvendes ( Ax^ Q)' Der ville da være en eneste vifte-strålebunt som re-presenterte retningen av maksimal sending eller mottagning av lydenergi. I dette system genereres der imidlertid samtidig

to sender-strålebunter som er rettet samme vinkel forover hhv. akterover. Dette oppnås ved å velge <f lik IT og avstanden b større enn \/(l+sin Jax). Derved oppnås to strålebunter som danner vinkler på <+>/i i henhold til ligningen (15)

Valget av $ er særlig enkelt da den kan oppnås ved at alle svinger-elementer kobles i parallell, men med motsatt polaritet for avvekslende elementer.

Som et eksempel på parameter-verdiar kan nevnes:

sendefrekvens f = 10 700 Hz

lydhastighet i vann C = 1500 ra/s

bølgelengde \ = 1*+ era

rettingsvinkel p. = 28°

elementavstand b =- l*+,9 cm

hvilket er i overensstemmelse med ligningen (17).

For å bestemme strålingsmonsteret mere nøyaktig er det nødvendig å definere visse vinkler, som angitt på fig. 7 og 8.

Her representerer vektoren u retningen av den lydbølge som er av interesse, enten sendebolgen eller mottagerbølgen. (I sistnevnte tilfelle er retningen av u det motsatte av forplantningsretningen.) Vinklene A, B og C er vinklene mellom u og X-, Y-og Z-aksene med X-aksen i skipstverretning, dvs. i mottagerrekkens akse, og Y-aksen i skipets retning og langs sender- eller projektorrekken. Vinklene £ og / x, komplementer til vinklene A og B, er de vinkler som danner med YZ- henholdsvis XZ-planet. Verdiene av 9 og ja når u er i retning av maksimal respons, er rettingsvlnklene i de to retninger.

Fig. 7 gjelder for senderen. Her omfatter vifte-strålebunten retningene u ' i konussens overflate med aksen i Y-retning, dvs. retninger for 5, ved hvilken B har en eller annen konstant verdi 90°-/ao > hvor/uQ er retningsvinkelen. Det er derfor hen-siktsmessig å angi forskjellige stråler i bunten ved "rotasjonsvinkelen" "X" som er vinkelen mellom to plan gjennom Y-aksen,

hvor det ene inneholder u og det annet den vertikale retning z.

På fig. 8 som gjelder for mottageren, har alle symboler samme betydning som på fig. 7, men figuren er.vist for å illustrere rettlngsvlnkelen Q og rotasjonsvinkelen/a (istedet for^ og T<*> ) som kunne anvendes for å beskrive en mottager-strålebunt som ligger i overflaten av en konus med aksen langs X.

Det har vist seg at rotasjonsvinkelen ved to strålebunter som har samme vinkel & = / x = 28° i de to retninger, har den samme felles verdiT = U = 32,1° og skråstillingen i forhold til vertikalen er C = Ul,6°.

Fig. 9 viser den omtrentlige form av strålemonsteret for sender-svingerne. Den ovre kurve representerer stråleinten-siteten langs hvert av sporene T-^ T2 eller T^ T^ på fig. 6 som en funksjon av rotasjonsvlnkelen X" om Y-aksen. Den nedre- kurve viser intensiteten av den utsendte strålebunt langs R-j_ R2<1> eller R^ R^<1> som en funksjon av ^ . De store utslag eller amplituder befinner seg i snittene mellom strålebuntene.

Sendermbnsteret består av strålebunter som er meget smale i retning forover og bakover for å gi stor målnbyaktighet av bevegelseskomponenteh av skipets hastighet. Sender-strålebuntene er imidlertid brede i tverretningen, for det forste fordi der av hensiktsmessighets og bkonomiske grunner foretrekkes en smal svinger-rekke, for det annet for' tilpasning av rulling og fronthastighetsforandringer som beskrevet nedenfor.

Når skipet ruller, kan det antas å rotere om projektor-aksen, således at viften fortsetter å treffe bunnen langs de samme, men utvidede spor T- Tr' og T T ', som vist på fig.-. 6. Imidlertid forskyver et spesielt spor, såsom T-^ T2, som angitt ved en heltrukken linje, seg langs sporet Tf Tf' i retning babord eller styrbord, som angitt ved de strek-tegnede forlengelser. Hvis der skjer en forandring i rullevinkelen mellom sending og mottagning, vil dette heltrukne spor forskyves 1, tverretningen i forhold til mottager-responssporet R2 R2<1>, men der vil frem-deles være en skjæring tilstede.

Antas det at rullevinkelen går opp til 15°, betyr dette at sender-strålebunten kunne rotere s6 meget som 30° i forhold til mottatt strålebunt mellom sending og mottagning. Fblgelig må viften rekke over området 32,1° <+> 30° eller fra

2,1° til 62,1° på hver side, dvs. en vifte som ligger mellom -62,1° og +62,1°.

I <y>\ -retningen anvendes en strålebunt-bredde på 2° målt ved halv-effekt-nivået (-3 db). En jevn rekke vil da ha en lengde på ca. 25,5 bølgelengde eller 3> 57 m ved X = lU cm, som forutsatt ovenfor. Tillates en ytterligere sekantfaktor på 30° for stråle-buntretningen, fås en svingerrekke av lengde ^,12 m. Som nevnt ovenfor bor elementavstanden a = b = 1^,9 era.

Det beskrevne sender-strålebuntmdnster har to hovedsloyfer som er rettet forover henholdsvis akterover og som benyttes i forbindelse mad Doppler-navigasjonsutstyret. Hvis det også er dnskelig å anvende den samme sender-rekke som en del av et ekkolodd-eller bunnkartlegningsutstyr, anvendes en annen sendekanal og andre koblainnretninger for med enkelte intervaller å tilveiebringe en kort puls med hdy energi som tilfores rekken med alle elementer forbundet med den samme polaritet i stedet for med avvekslende polaritet. Dette gir en eneste vifteformet strålebunt som ligger i det vertikale tverrskipsplan og bestråler bunnen langs linjen XOX,

fig. 6. Den krets som danner ekkolodding-strålebunten kan ennvidere være således forbedret at den er stabilisert overfor stamping, som beskrevet i US-patent 3 Ikh 631 med tittelen "Radiation Mapping System".

Som nevnt ovenfor bor viftestrålebredden være minst

60° i tverretningen for å ta hensyn til rulling og redusere bredden av svingerne. Ved anvendelse på et skip, hvor rullingen kan ventes å være liten, vil det imidlertid være en fordel å dele viften som er angitt ved sporet T^T2 på fig. 6, i to mindre sløy-fer som er sentrert ved M og N for å konsentrere energien til området av mottager-strålebuntene. På lignende måte kan T^T^

deles i to sldyfer som er sentrert ved P og Q. Dette kan oppnås ved å tilføye elementer til rekken, således at rekken blir utvidet i skipets tverretning. I stedet for en eneste rekke som forldper parallelt med kjolen, kan der være to eller tre sådanne rekker. Nabo-elementene i hver rekke kan så kobles med motsatt polaritet og alle elementer være forbundet til en felles kanal. Dette gir en dobbelt rekke svingerelementer som er jevnt innbyrdes adskilt på et rektangulært gitter. Polariteten av de elektriske forbindelser veksler i begge gitterets akseretninger, således at polarltetsskjemaet får et sjakkbrett-lignende monster med de hvite kvadrater av In polaritet og de sorte av motsatt polaritet. Når elementene tilfores effekt fra en felles kilde, har sender-respons-mdnsteret fire identiske strålebunter, hvis projeksjon

på rakkens plan befinner seg langs de fire diagonale retninger. Det vil vanligvis være en fordel å holde rekkens dimensjon i skipets tverretning liten sammenlignet med dimensjonen i skipets lengderetning, for det forste av dkonomiske grunner og for det annet for å sikre at hver åv de fire strålebunter er vifteformet.

Hensikten med sender-strålen er å oppnå én bestråling av visse områder av bunnen, og sender-stråleviftens to slbyfer kan drives fra en felles oscillator.. Mottagersystemet må imidlertid isolere energien fra hvert av de fire bunnpunkter og rette den i fire adskilte utgangskretser eller strålebuntkanaler. Teknikken for utformningen av mottager-strålebunten er derfor forskjellig fra den som gjelder for sende-strålebunten. Særlig må hydrofonelementenes senter-til-senter-avstand være mindre enn ca. 2/3 av en bølgelengde for å hindre at der oppstår flere hovedsloyfer, mens elementavstanden for sender-rekken må være stbrre for å danne to hovedsloyfer.

Fig. 10 viser et planriSs av mottager- eller hydrofonrekken. Hver hydrofon er angitt ved en enkel linje og har hen-siktsmessig form av en sylinder på 2,5 cm diameter og 50 cm lengde (L = 50 cm). Hydrofonene peker fremover og bakover og er side-ordnet. Rekken er meget lenger enn det som fremgår av fig. 10

og. befinner seg i skipets tverretning. En enkel hydrofon kan være bygget opp av et antall fblsomme mottager-elementer som har form av ringer eller korte sylindre av elektro-striktivt keramisk materiale, hver med to elektroder på den indre og ytre overflate (se fig. 11 som viser en hydrofon). En eneste jord- eller felles ledning er forbundet med en elektrode i hvert element, for eksempel alle de indre elektroder.. Den annen klemme på hvert element er forbundet med en strålebunt-dannende krets.

For å forenkle beskrivelsen av den strålebunt-dannende prosess skal forst omtales dannelsen av mottager-strålebunter som bare er rettet vertikalt og forover og bakover. Deretter vil beskrivelsen bli utvidet til å gjelde for fire Doppler-strålebunter som peker i retning styrbord og babord henholdsvis forover og bakover samt ytterligere strålebunter for ekkolodding. Den strålebunt-dannende krets er basert på ovenstående ligning (15), dvs.

hvor^u eifrettingsvinkelen, $ er faseforskyvningen fra et element til det neste, \ er bølgelengden og b er avstanden mellom elementene eller ringene i hver hydrofon. Det er en betydelig fordel å velge <J som en hel brok av 360°, såsom 90° eller 120°,

da derved bare fås tre eller fire forskjellige faser, og alle ringer med samme fase kan forbindes med hinannen for å nedsette antallet klemmer.

I alminnelighet foretrekkes å danne tre strålebunter

i retning forover og akterover, for Doppler-navigasjonen to forover og akterover med i det vesentlige samme retninger som sende-strålebuntene T-^ og T^T^ på fig. 6 med tillegg av en ikke-styrt strålebunt som ligger i det vertikale: tverrskipsplan og skjærer bunnen langs linjen 0X på fig. 6 for ekkolodding. Mottager-strålebuntenes bredde målt i skipets lengderetning vil være større enn for sende-strålebuntene av hensyn til stamping og avdrift og for å tillate anvendelsen av forholdsvis korte hydrofoner. De tre strålebunter kan dannes med en tre-fase-hydrofon, hvor <J = 120° og der er tre utgangsklemmer med tillegg av jordklemmen. Da det imidlertid også kan være en fordel å anvende et fire-fasersystem med $ = 90° og fire utgangsklemmer pluss jord, skal dette omtales forst.

Flg. 11 viser en hydrofon som består av åtte ring-elementer, men antallet elementer er ikke kritisk og kan like godt være ni eller ti etc. Hvert fjerde ring-element er forbundet med samme klemme. Som ovenfor antas som typiske parametre

"X. = lU cm, p - 28° men nå ♦ = 90° eller Ti/ 2 radianer, således

at ligningen (18) krever en senter-til-senter-avstand b på 8,9 cm. For en bølge som ankommer i baugretningen, har signalene på ut-gangsklemmene A, B, C og D et vektor- eller fase-forhold, som er angitt ved de fire piler A, B, C og D på fig. 11. Mottager-elementene kan være mekanisk montert i et felles (ikke vist) hus og er vanligvis betraktet som én hydrofon, uten at det imidlertid er vesentlig, idet de fdlsomme elementer også kan være anbragt i hvert sitt hus og forbundet med hinannen ved hjelp av ledninger. Ennvidere behøver de individuelle elementer ikke nødvendigvis være ringformet. Den beskrevne konstruksjon er tilgjengelig på markedet, bortsett fra at der i foreliggende tilfelle er ført ut ekstra ledninger, i motsetning til hva tilfellet er ved konvensjonelle hydrofoner, hvor alle elementer er forbundet med felles klemmer.

Fig. 12 viser hvorledes en fire-fase-strålebunt dannes

og anvendes i baug- og akterretningen. I praksis er teknikken noe modifisert, da det også er nødvendig å kunhe foreta en inn-retting både i styrbord- og babord-retningen. Forsterkerne A-^

og A2 ar identiske komponenter som hver har to utgangsklemmer med en faseforskyvning på 90°. De kan være således konstruert at signalet gis en fase-forskyvning på l+5° på den ovre utgangsklemme og en faseforsinkelse på U5 på den andre klemme, hver målt i forhold til inngangskiemmene D<1> eller C'.

For å danne en sentral strålebunt, når dette er ønskelig, kombineres signalene fra alle fire klemmer direkte uten noen fase-forskyvning. For den fremover- og akterover-rettede strålebunts vedkommende avviker signalene 90° fra det ene element til det neste. Da fase-forskyvningen fra A til C er 100°, kan disse signaler kombineres i transformatorer, som vist, og det samme gjelder for signalene fra B og D. Dette gir bare to utgangsklemmer C og D<1>. Med hensyn til den foroverrettede strålebunt, ligger signalene på klemmen D eller D' 90° foran signalet på C eller C. Kretsen for denne strålebunt innfører derfor en forskyvning forover 1 D<1>

og en forskyvning bakover eller forsinkelse i C<1>. Strålebunten i retning akter er dannet ved at -man går frem på motsatt måte. Re-sultatet av fig. 11 og 12 er at der dannes tre utgangskanaler for hver hydrofon. Utgangene fra klemmene fra alle hydrofoner som frembringer den fremadrettede strålebunt, kan tilføres ytterligere fase-forskyvende kretser som deler den fremadrettede strålebunt i adskilte stråler i babord- og styrbordretningen, og det samme gjelder for den midtre strålebunt og den bakoverrettede strålebunt.

Det er imidlertid enklere å kombinere forover- og bakoverretningen av strålebuntene med den for styrbord og babord i et eneste nettverk. Inngangene til dette nettverk er de UN klemmer som utgjor fire klemmer fra hver av de N hydrofoner (for ekkolodding er de fire klemmer fra hver hydrofon kombinert, som allerede vist på fig. 12, for å gi et utgangssignal frå hver hydrofon, og disse N klemmer er forbundet med et særskilt strålebunt-formende nettverk som bare anvendes til dette formål og ikke skal beskrives nærmere her).

Claims (1)

1. System for måling av et fartøys hastighet på akustisk vei ved Doppler-prinsippet, omfattende sende- og mottagerkretser på vedkommende fartøy, svingere (16) som utsender en vifteformet strålebunt (SOR, fig. 2 eller T1# <T>2 eller T3 eller T4) mot et segment av den overflate som passeres av fartøyet, og mottagersvingere eller hydrofoner (18) for å motta en vifteformet strålebunt (R-^, Rj_'/ R2' R2<*>' R3' R3'' R4' R4') som er rettet i en retning på tvers av den utsendte strålebunt og som krysser denne strålebunt, hvor skjæringen (SN, SQ, SP eller SM) mellom strålebuntene danner en bane, langs hvilken refleksjonen av den utsendte strålebunt mottas og hvor mottagerkretsene (20 - 80) er innrettet til å bestemme (detektere) frekvensdifferansen mellom den utsendte og den reflekterte strålebunt, karakterisert ved at den utsendte stråle er kontinuerlig og at der anvendes nøklingsinnretninger (12, 80, fig. 5) som forandrer den utseridte frekvens syklisk, at de mottagende anordninger (41 - 44) inneholder innretninger som velger de mottatte frekvenser og innretninger (31 - 34) som slipper gjennom de valgte frekvenser for å nedsette virkningen av etterklang, samt anordninger '(51 - 54) for å omdanne dem til en felles frekvens som anvendes i regnemaskiner (74- 78), og at systemet omfatter frekvens-differanse-følsomme anordninger (fig. 5) for bestemmelse av fartøyets hastighetskomponent i en gitt retning.