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Echoloteinrichtung zur Darstellung von Querprofilen einer Wasserstraße
Es sind Echoloteinrichtungen bekannt, bei denen an einer Vielzahl von quer zur Fahrtrichtung
eines Meßschiffes über eine größere Breite regelmäßig verteilt angeordneten Meßstellen
gleichzeitig gelotet wird. Das Lotergebnis kann in Längs- oder Querprofilkurven
der Wasserstraßen sichtbar gemacht werden. Beträgt die Anzahl der Meßstellen n,
so werden entweder n Längsprofilkurven gleichzeitig aufgezeichnet und/oder fortlaufend
Querprofilkurven, die aus nMeßpunkten bestehen. Wenn es nicht um die Vermessung
geht, die im allgemeinen eine bleibende Registrierung verlangt, so besteht ein Bedürfnis
nach einer Einrichtung, welche Querprofilkurven nur vorübergehend sichtbar macht.
Eine solche Einrichtung ist z. B. für die Hindernissuche zweckmäßig.
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Sie wäre auch als Ergänzung für eine Vermessungsanlage von Vorteil,
welche ständig Längsprofilkurven der Wasserstraße aufzeichnet. Der Beobachter hat
dann außer den registrierten Längsprofilkurven noch die Querprofilkurven ständig
vor Augen und könnte sogar gegebenenfalls, wenn besonders interessante Querprofile
erscheinen, diese durch Betätigung einer Taste mit einem besonderen, in Bereitschaft
gehaltenen Querprofilechographen festhalten, den dauernd mitlaufen zu lassen sich
wegen des hohen Papierverbrauchs verbietet.
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Um eine Querprofilkurve vorübergehend sichtbar zu machen, könnte
man an eine Kathodenstrahlröhre denken, wie sie als Anzeigemittel an sich bei Echoloten
bekannt ist. Diese müßte aber mit einer der Anzahl der Meßstellen entsprechenden
Vielzahl von Strahlerzeugungssystemen ausgerüstet sein, die zusammen gleichzeitig
n Kathodenstrahlen auf den Schirm richten, die im Takt der Lotfrequenz in vertikaler
Richtung gemeinsam abgelenkt werden und durch das Echosignal helligkeitsmoduliert
werden.
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Eine solche Kathodenstrahlröhre würde aber sehr aufwendig. Die Erfindung
vermeidet diesen Nachteil und gestattet die Verwendung einer Einstrahlkathodenstrahlröhre,
ähnlich derjenigen, wie sie in Fernsehempfängern üblich ist.
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Die Erfindung geht aus von einer Echoloteinrichtung zur Darstellung
von Querprofilkurven einer Wasserstraße, bei der an einer Vielzahl von n längs einer
Linie von quer zur Fahrtrichtung eines Meßschiffes verteilt angeordneten Meßstellen
gleichzeitig gelotet wird und jeder Meßstelle ein Empfangsverstärker zugeordnet
ist, deren Ausgangsspannungen, nebeneinander aufgetragen, eine Querprofilkurve ergeben,
und zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: a) Als Anzeigemittel ist eine rasterschreibende
Braunsche Röhre nach Art einer Fernsehröhre vorgesehen, wobei die Vertikalfrequenz
des Rasters gleich der Lotfrequenz ist; b) die Helligkeitssteuerelektrode der rasterschreibenden
Braunschen Röhre ist mit den Ausgängen sämtlicher n Verstärker verbunden, die normalerweise
gesperrt sind; c) die nVerstärker sind während jeder Zeile einmal kurzzeitig durch
zeitversetzte Impulse auftastbar.
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Es ist bereits ein sogenannter Rasteroszillograph bekannt, bei dem
die Kurvenform des zu oszillographierenden rasterfrequenten Signals durch die Grenze
zwischen einer dunklen und einer hellen Fläche dargestellt wird. Die Helligkeitselektrode
der Braunschen Röhre wird dabei durch zeilenfrequente Impulse getastet, die durch
das darzustellende Signal in der Länge moduliert werden. Bei der Erfindung handelt
es sich aber nicht darum, den Kurvenverlauf eines einzigen Signals darzustellen,
sondern dort wird die Laufzeit einer Vielzahl von Signalen dargestellt. Dementsprechend
sind auch dort die Tastimpulse von gänzlich anderer Art. Sie haben eine konstante
Phasenlage zum Zeilenumfang und tasten auch nicht unmittelbar die Braunsche Röhre
- in diesem Fall würden sie n senkrechte helle Linien schreiben -, sondern die Verstärker,
und nur ein ganz geringer Bruchteil der Tastimpulse führt zu einer Helltastung des
Kathodenstrahles, nämlich dann, wenn in einem Verstärker ein Tastimpuls mit einem
Echo signal koinzidiert.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.
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In Fig. 1 bedeutet 1 die Braunsche Röhre mit dem Ablenkspulensatz
2 und der bei 3 angedeuteten Helligkeitssteuerelektrode. 4 bedeutet einen frei schwingenden
Impulsgenerator, der auf der Zeilenfrequenz schwingt, welche 15750 Hz beträgt. Diese
Frequenz
wird in dem anschließenden Teiler 5 nacheinander durch 2, 3, 3, 5 und 7, d. h. insgesamt
durch die Zahl 630 auf 25 Hz heruntergeteilt, die der Stufe 6 zugeführt werden.
Die Stufe 6 speist ihrerseits ein Kippgerät 8, welches dem Ablenkspulensatz 2 den
Vertikalablenkstrom zuführt, während die Horizontalablenkung durch die Ablenkstufe7
bewirkt wird. Die Dauer eines Rasters beträgt t/2S Sekunde, und während dieser Zeit
werden 630 Zeilen geschrieben, von denen etwa 590 aktive Zeilen sind, während der
Rest auf den Strahlrücklauf entfällt. Während t/2S Sekunde legt der Schall im Wasser
einen Weg von 60 m zurück, so daß Wassertiefen bis zu 30 m bzw., wenn man den Strahlrücklauf
berücksichtigt, bis zu etwa 28 m ausgelotet werden können. Die Wassertiefe kann
an einer dem Schirm der Braunschen Röhre vorgesetzten Strichskala abgelesen werden.
Zweckmäßig ist es jedoch, die Braunsche Röhre selbst zur Erzeugung von Meßlinien
heranzuziehen.
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Für 1 m Wassertiefe benötigt das Echo bekanntlich IhsoSekunde. Während
dieser Zeit schreibt das Raster 21 Zeilen (15750: 750), für 2 m demnach 42 Zeilen.
In der Einrichtung 9 ist ein Zähler vorgesehen, der mit jedem Vertikalimpuls aus
der Einrichtung 6 neu gestartet wird und jeden 1., 43., 85., 127. usw. Zeilenimpuls
zu der Einrichtung 10 durchläßt, die dafür sorgt, daß die 1., 43., 85., 127. usw.
Zeile hellgetastet wird, so daß Meßlinien in Abständen von 2 zu 2 m geschrieben
werden. Der erste, der in dem Zähler 9 abgezählten Impulse, wird in der Einrichtung
11 mit Hilfe des Vertikalimpulses herausgehoben und tastet den Lotgeneratorl2, der
sämtliche SendeschwingerSt, 52 53 . S,, ... Sis gleichzeitig speist. Von den Empfangsschwingern
E1, E2, E3 E18 gelangen die Echo signale zu den Verstärkern V,, V2,V3 . . . V18.
Die Ausgänge dieser Verstärker sind über nicht gezeichnete Entkopplungsmittel gemeinsam
an die Helligkeitssteuerelektrode 3 der Braunschen Röhre geführt. Die Verstärker
V1 bis V18 sind normalerweise undurchlässig und werden erst durch Torimpulse durchlässig
gemacht. Diese Torimpulse, die im folgenden als »Abtastimpulse« bezeichnet werden,
da sie die Reihe der Verstärker sozusagen auf Echosignale hin abtasten, werden von
der Einrichtung 13 geliefert. Diese gibt an jeder der Klemmen K1 bis K18 während
der Dauer einer Zeile einen Impuls ab, und zwar sind diese Impulse gegeneinander
versetzt, wie dies deutlicher in F i g. 2 dargestellt ist, wo 4 die Dauer eines
Zeilenhinlaufs und I, bis 118 die Abtastimpulse bedeuten. Wie diese zeitversetzten
Impulse beispielsweise gewonnen werden können, wird weiter unten an Hand der F i
g. 3 erläutert werden. Die Verstärker Vi bis Vl8 werden also der Reihe nach durch
die an den Klemmens, bis K38 in der Einrichtung 13 auftretenden Abtastimpulse durchlässig
gemacht, so daß die Echosignale zu der Helligkeitssteuerelektrode 3 der Braunschen
Röhre durchkommen und den Strahl helltasten. Auf diese Weise kommt eine Querprofilkurve
zustande, die in F i g. 1 auf dem Schirm der Braunschen Röhre bei 20 zu sehen ist.
Jedes Echosignal besteht aus kurzen untereinanderliegenden Abschnitten mehrerer
Zeilen.
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21 bedeutet die Nullinie und 22 und 23 bedeuten Tiefenlinien, die
einen Abstand von 2 m haben.
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Ein Beispiel für eine Ausführung der Einrichtung 13 in Fig. 1, welche
an ihren Klemmen K1 bis K18, die in Fig. 2 dargestellten Abtastimpulse liefert,
ist in F i g. 3 dargestellt. Eine schmale Kathodenstrahl-
röhre 30 ist außen auf
ihrem Leuchtschirm mit Fotowiderständen F1 bis F18 besetzt, die über Widerstände
Rl bis R18 an einer gemeinsamen Spannungsquelle liegen. Der Strahl in der Kathodenstrahlröhre
wird lediglich in Zeilenrichtung abgelenkt, und zwar mit der gleichen Frequenz und
Phase, mit der auch der Strahl der Röhre 1 (F i g. 1) in horizontaler Richtung abgelenkt
wird. Der über den Leuchtschirm wandernde Leuchtfleck macht die Fotowiderstände
der Reihe nach leitend, so daß an den Verbindungen zwischen den Fotowiderständen
und den Widerständen Impulse auftreten, welche den Verstärkern V,' bis v; zugeführt
werden, die sodann an ihren Ausgangsklemmen K1 bis Kl8 die gewünschten Impulse liefern.
Die Verstärker können auch in Form von Multivibratoren ausgeführt sein. Statt der
Fotowiderstände können auf dem Schirm der Brannschen Röhre außen auch leitende Elektroden
aufgeklebt werden, was zwar einfacher ist, aber eine höhere Verstärkung erfordert.
Der Kathodenstrahl beeinflußt diese Elektroden kapazitiv. Höhere Spannungen erhält
man selbstverständlich, wenn man diese Elektroden in der Röhre selbst unterbringt,
so daß sie unmittelbar vom Kathodenstrahl erreicht werden können.
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Eine andere Möglichkeit, die in F i g. 2 dargestellten Impulse zu
erzeugen, ist in F i g. 4 angedeutet.
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40 bedeutet hier eine Verzögerungsleitung, die an ihren Enden durch
ihren Wellenwiderstand abgeschlossen ist. Diese Verzögerungsleitung hat eine Verzögerungsdauer
von der Dauer des Zeilenhinlaufs (etwa 60 pos). Sie besitzt 18 Anzapfungen, die
wiederum über Verstärker V1" bis V zu den Ausgangsklemmen Kl bis Kl8 führen. Wird
diese Verzögerungsleitung eingangsseitig mit dem Zeilenimpuls beaufschlagt, so wandert
dieser an der Leitung entlang, so daß an den Anzapfungen zeitversetzte Impulse auftreten,
die in den Verstärkern V1,, bis V3,8, nachverstärkt und geformt werden, wobei die
Verstärkung in diesen Verstärkern zum Ausgleich der Dämpfung fortschreitend größer
eingestellt ist.
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Zum Ausgleich der Dämpfung kann die Verzögerungsleitung auch in einzelne
Abschnitte unterteilt werden, zwischen die Längsverstärker eingefügt werden.
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Eine weitere Möglichkeit, die 18 zeitversetzten Impulse zu erzeugen,
besteht darin, 18 monostabile Multivibratoren eingangsseitig parallel zu schalten
und mit dem Zeilenimpuls anzustoßen. Die Multivibratoren sind bezüglich ihrer Zeitkonstantenglieder
derart eingestellt, daß sie Zeichen von zunehmender Länge liefern, welche nach Differentiation
die Impulse nach F i g. 2 ergeben.
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Ein weiterer Weg zur Herstellung der Impulse nach F i g. 2 ist der,
n doppelseitig wirkende Amplitudenbegrenzer, sogenannte Mikrotomstufen, eingangsseitig
mit einer Zeilensägezahnspannung zu speisen und diese Stufen derart gestaffelt vorzuspannen,
daß sie aus dem Sägezahn in unterschiedlicher Niveauhöhe horizontale Scheiben herausschneiden,
so daß unterschiedlich breite Impulse entstehen, die nach Differentiation die gewünschten
zeitversetzten Abtastimpulse ergeben.
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Es ist möglich, außer den horizontalen Meßlinien 21, 22, 23 usw.
in F i g. 1 auch ein System von senkrechten Linien zusätzlich zu schreiben, welche
die Position der Schwinger angeben. Dies ist vor allem zweckmäßig, wenn die Anzahl
der Schwinger nicht
so gering ist, wie dies in dem vorliegenden
Beispiel aus Zeichnungsgründen angenommen wurde, sondern wenn sie wesentlich höher
ist, also beispielsweise 50 beträgt, wie dies bei praktisch ausgeführten Anlagen
der Fall ist. Zur Erzeugung eines derartigen Gitters von senkrechten Linien kann
man so vorgehen, daß dem Generator 4 noch eine Stufe höherer Frequenz vorgesetzt
ist, welche beispielsweise die fünffache Frequenz des Generators 4 liefert, das
ist 78750 Hz. An die Stelle des selbstschwingenden Generators 4 tritt dann eine
Teilerstufe, welche aus der Frequenz 78750 Hz durch eine Teilung durch 5 die Frequenz
15750 Hz gewinnt. Die Frequenz von 78750 Hz wird dann in Form von Nadelimpulsen
ebenfalls auf die Helligkeitssteuerelektrode gegeben und sorgt nun dafür, daß jede
fünfte Meßstelle durch eine vertikale Linie kenntlich gemacht wird, so daß ein Abzählen
der Meßstellen unnötig ist bzw. sehr viel einfacher wird.
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Der Anzeigefehler, der durch das Abtastprinzip hervorgerufen wird,
kann maximal nicht größer als eine Zeile sein, denn das Echosignal kann höchstens
eine Zeile zu spät angeschnitten werden. Da, wie oben ausgeführt, 1 m Wassertiefe
21 Zeilen entspricht, beträgt also der Fehler maximal 1/21 m, d. h. weniger als
5 cm. Er kann weiter herabgesetzt werden, wenn man die Zeilenzahl erhöht. In vorliegendem
Fall wurde das Beispiel so gewählt, daß die Zeilenzahl praktisch mit derjenigen
übereinstimmt, die beim Fernsehen üblich ist.