DE2648693C2

DE2648693C2 - Meßanordnung zur Geschwindigkeitsmessung eines Luftfahrzeugs

Info

Publication number: DE2648693C2
Application number: DE2648693A
Authority: DE
Inventors: Eberhard 2807 Achim Graewe; Siegfried 2801 Stuhr Krajewski
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1976-10-27
Filing date: 1976-10-27
Publication date: 1984-07-05
Also published as: GB1571141A; US4143548A; DE2648693A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung zum Messer, der Geschwindigkeit eines Luftfahrzeuges mit einem modulierte Signale kontinuierlich abstrahlenden Ultraschallsender, zwei in Richtung der Luftfahrzeuglängsachse mit gleichem Abstand zum Sender angeordneten Ultraschallempfängern und einer Auswerteschaltung, welche die Geschwindigkeit aufgrund der durch die Luftströmung entstehenden Phasenunterschiede der Ultraschallsignale ermittelt.

Zur Geschwindigkeitsmessung von Luftfahrzeugen ist es allgemein bekannt, Ultraschallgeräte zu benutzen. In der Regel wird dazu ein Ultraschallsender am Luftfahrzeug angeordnet, der Ultraschallsignale in Flugrichtung

und Gegenrichtung über gleich große Meßstrecken abstrahlt. Die Laufzeiten der mit Empfängern am Ende der Meßstrecken empfangenen Ultraschallsignale unterscheiden sich dann aufgrund der Luftströmung, und zwar je nach dem, ob die' Luftströmung gleich oder entgegengesetzt zur Richtung der Schallausbreitung erfolgt. Aus den Unterschieden der Laufzeiten kann dann in bekannter Weise mit Hilfe einer Auswerteschaltung die Geschwindigkeit des Luftfahrzeuges ermittelt werden.

Es ist üblich, den Ultraschall in Form von Impulsen auszusenden, da mit diesem Verfahren im allgemeinen eine hinreichend genaue Laufzeitmessung möglich ist. Dies gilt insbesondere zur Messung relativ hoher Geschwindigkeiten, bei denen die Einschwingvorgänge von Ultraschallsender und Ultraschallempfänger das Meßergebnis praktisch nicht beeinflußen. Bei kleinen und mittleren Fluggeschwindigkeiten, wie sie inbesondere beim Schwebeflug senkrecht startender bzw. landender Luftfahrzeuge vorkommen, ergeben sich aber aufgrund dieser

Einschwingvorgänge relativ große Ungenauigkciten. Da diese Ungenauigkeiten die Größenordnung von 20% erreichen können, wird dieses Meßprinzip insbesondere zur Geschwindigkeitsmessung senkrechl startender und landender Luftfahrzeuge als nicht geeignet angesehen.

Bei Ultraschall-Geschwindigkeitsmeßcinrichtungen ist es auch bekannt, den Schall kontinuierlich abzustrahlen und die Phase des empfangenen Signals in bezug auf das abgestrahlte Signal als Maß für die jeweilige Geschwindigkeit zu benutzen. So zeigt z. B. die US-PS 25 15 221 ein solches Meßgerät, das aber für Luftfahrzeuge wegen des dort auftretenden Triebwerkslärms ungeeignet ist. Darüber hinaus ist es aus der US-PS 38 51 211 bekannt, den Ultraschall zu modulieren. Bei dieser für Wassergeschwindigkeiten vorgesehenen Meßeinrichtung wird der Ultraschall vor Abstrahlung mil zwei unterschiedlichen Modulationssignalen amplitudenmoduliert und nach Empfang mehrfach demoduliert. Die demodulierten Signale und das Trägersignal werden dann mit dem jeweiligen Modulationssignal bzw. dem ursprünglichen Trägersignal in bezug auf ihre Phasen zur Geschwindigkeitsaussage verglichen. Auch diese Meßeinrichtung ist wegen der Beeinflussung durch den Triebwerkslärm für Luftfahrzeuge ungeeignet.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschallmeßanordnung zur Geschwindigkeitsmessung von Luftfahrzeugen vorzusehen, die in der Lage ist, sowohl Messungen sehr kleiner als auch sehr großer

bO Geschwindigkeiten mit großer Genauigkeit durchzuführen. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Ultraschallsender frequen/.moduliertc Ultraschallsignale abstrahlt und die Phasenunterschiede von den Phasenwinkeln der durch Demodulation der empfangenen Ultraschallsignale wiedergewonnenen Modulationssignalc abgeleitei sind, und daß die Frequenz des Modulationssignals auf einen Wert eingestellt ist. bei dem die Wellenlänge größer ist. vorzugsweise doppelt so groß als der Abstand zwischen Sender und Empfanger. ivi Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahme ist es möglich, eine Meßanordnung aufzubauen, die es gcMiiilet, Geschwindigkeitsmessungen von l.ulifahr/eugen von einigen Zentimetern pro .Sekunde bis zu einigen humlert Metern pro Sekunde mit großer Genauigkeit /u messen. Dabei kann die erfindungsgemäße Meßanordnung /wei weitere senkrecht zur Längsachse mit gleichem Senderabstand am Luftfahrzeug angeordnete Ultraschallump-

fänger aufweisen, deren Ausgangssignalc zusammen mil den Ausgangssignalen der in der Längsachse des Luftfahrzeuges angeordneten Ullraschallempfiingern einer Rechenstufe der Auswerteschaltung zur Ermittlung der Geschwindigkeit nach Betrag und Richtung zugeführt sind.

Die Umschaltung auf verschiedene Meßbereiche wird zweckmäßigerweise durch gleichzeitige Modulation des abgestrahlten Ultraschalls mit Modula ionssignalen verschiedener Frequenzen durchgeführt, wobei durch entsprechende Filterumschaltung in den Ultraschallempfängern das dem jeweiligen Meßbereich zugeordnete Modulationssignal ausfiherbar ist.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Meßanordnung

F i g. 2 ein Diagramm und ι ο

F i g. 3 die räumliche Anordnung eines Ultraschallsenders und vier Ultraschallempfänger an einem Luftfahrzeug.

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Meßanordnung zu sehen, bei der ein Ultraschallsender 10 frequenzmodulierte Ultraschallsignale abstrahlt Dazu wird der Ultraschallsender 10 mit Modulationssignalen eines Signalgenerators 11 versorgt, der die Modulationssignale gleichzeitig auch einer Auswerteschaltung 12 zuführt. Die Abstrahlung der Ultraschallsignale vom Ultraschallsender 10 erfolgt in Flugrichtung und Gegenrichtung eines damit ausgerüsteten Luftfahrzeuges, an dem in den Abständen S\ und S₂ je ein Ultraschallempfänger 13, 14 angeordnet ist. Jeder Ultraschallempfänger besteht aus einer Empfangsstufe 15, der jeweils ein Verstärker 16, ein Demodulator 17 und ein Filter 18 nachgeschaltet ist. Die Ausgangssignale der Ultraschallempfänger 13,14 stehen an den Filtern 18 zur Verfügung und werden von dort der Auswerteschaltung 12 zugeführt. Die Umschalter 19 an den Filtern 18 und der Umschalter 20 in der Auswerteschaltung 12 sind zur Einstellung verschiedener Meßbereiche vorgesehen und werden gemeinsam verstellt. Zur Vermeidung von Einschwingvorgängen, die bei der Umschaltung auf die dem jeweiligen Meßbereich zugeordnete Modulationsfrequenz sonst entstehen würden, wird die Trägerfrequenz des Ultraschallsenders 10 gleichzeitig mit drei Modulationsfrequenzen des Signalgenerators 11 moduliert. Die eigentliche Umschaltung auf die jeweiligen Meßbereiche erfolgt durch Umschal- tung der Filter 18 mit Hilfe der Umschalter J9 sowie durch Umschaltung der Auswerteschaltung 12 mit dem Umschalter 20. Es ist aber auch möglich, die Umschaltung automatisch durchzuführen, und zwar in Abhängigkeit von dem Geschwindigkeitssignal der Auswerieschallung 12.

In der Auswerteschaltung wird ein Vergleich der Phasen der empfangenen und demodulierten Modulationssignale zur Ermittlung der Laufzeitunterschiede der mit den Ultraschallempfängern 13, 14 empfangenen Ultraschallsignale durchgeführt. Wie aus dem Verlauf der Kurvenzüge 25, 26 in Fig.2 zu ersehen ist, haben die demodulierten Modulationssignale die gleiche Phasenlage, was bedeutet, daß die Laufzeiten f, der Ultraschallsignale über die Strecken Si, S₂ gleich groß sind. Da aber die Strecken Si, S₂ aus Zweckmäßigkeitsgründen gleich groß gewählt werden, bedeutet dies eine Geschwindigkeit von Null. Dies wird auch durch die bekannte Formel

ι fs S\

belegt, welche der Geschwindigkeitsermittlung zugrunde liegt. In der Auswertcschaltung 12 gemäß F i g. 1 sind entsprechende Schaltstufen vorgesehen, so daß nach Ermittlung der Laufzeiten f, die Geschwindigkeit als entsprechendes Signal ausgegeben wird. Unterscheiden sich aber aufgrund einer durch die Bewegung des Luftfahrzeuges hervorgerufenen Strömung die Phasenwinkel g> der demodulierten Modulationssignale, dann wirkt sich dies, wie die Kurvenzüge 25' bzw. 26' zeigen, auch in unterschiedlichen Laufzeiten f,' aus. Die Ermittlung der Geschwindigkeit in der Auswertestufc 12 ergibt sich jetzt mit

S₁ = S₂ = Szu ν= ξ- (— - —)
2 Vi„,· UtJ

Aus dieser Formel kann man sofort erkennen, daß sich für die Geschwindigkeit vein positiver Wert ergibt, da der Wert des Bruches

Uv Ur
ist. Darausfolgt, die Geschwindigkeit ν wird vorzeichenrichtig ermittelt, denn wenn

-L<JL

Uv Ut

wird, ergibt sich für ν ein negativer Wert, was in diesem Fall bedeutet, daß die Flugbewegung in entgengesetzter to Richtung erfolgt.

Die einzelnen Baustufen der Meßanordnung nach Fig. 1 wie Sender, Empfänger, Verstärker, Demodulator und Filter sind bekannte Baustufen und bedürfen daher keiner näheren Erläuterung. Aus F i g. 2 ist dabei zu erkennen, daß die Frequenz des Modulation.ssignals so gewählt ist, daß die Bedingung A > S erfüllt ist.

F i g. 2 zeigt darüber hinaus, daß die Wellenlänge λ des Modulationssignals so gewählt wurde, daß - = S ist. ^b5

Auf diese Weise werden bei der Laufzeitmessung gemäß der Erfindung vieldeutige Meßergebnisse vermieden, wobei noch zu erwähnen ist, daß die Mcßbcreichsumschaltung vor erreichen eines Phasenwinkels von 360°

vorgenommen wird. Der Aufbau der Meßanordnung kann auch mit bekannten digitalen Bausteinen verwirklicht werden. Zur Erzielung einwandfreier Meßergebnisse ist es dabei natürlich zweckmäßig, die Trägerfrequenz des Ultraschallsenders und den Modulationshub, für den die Amplitude der Modulationssignale verantwortlich ist. in einen Bereich zu legen, der insbesondere frei von Störungen aufgrund von Triebwerkslärm der Luftfahrzeuge

Fi g. 3 zeigt die räumliche Anordnungeines Ultrasehallscnders 30 und vier Ultraschallempfänger 31,32,33,34 einer Meßanordnung, die an einem Luftfahrzeug /ur Messung der Geschwindigkeit nach Betrag und Richtung vorgesehen ist. Der Ultraschallsender 30 hat eine Rundumcharakteristik, so daß die mit gleichem Abstand in der Längsachse 35 des Luftfahrzeuges bzw. senkrecht dazu angeordneten Ultraschallempfänger 31, 32, 33, 34 von

ίο diesem Sender angestrahlt werden. Erfolgt die Bewegung eines Luftfahrzeuges zum Beispiel im Schwebeflug nicht in Richtung der Flugzeuglängsachse 35. sondern unter dem angegebenen Winkel ß, so kann diese Geschwindigkeit nach Betrag und Richtung ermittelt werden. Der Geschwindigkeitsvektor ν wird dazu in seine Komponenten v, und v, zerlegt, die in Richtung der Flugzeuglängsachse 35 bzw. senkrecht dazu auftreten. Da die Abstände Si. S; Si und .S₄, wie zuvor schon erwähnt, gleich groß sind und die Laufzeiten r, ι, r, 2, ί,ι, t, 4 auf die gleiche Art wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 erfaßt werden, können die Komponenten v, und v, in einer Rcchcnsrufc einer Auswcrteschallung errechnet werden. Es ergibt sich

_o IfS, S₂ \ S ( \ 1 \

• ■ cos/ = — I —^L - -^ ) = -r ( — )

2 \t_ri U₂ 2 \r_v, t_v2j

1 fSj S<\ Sf] \\
— I —±- - —=- = — — - —

2 \t,y /_v4/ 2 V/„3 t,J

Aus diesen Werten kann die Geschwindigkeit ν wie folgt in einer weiteren Rechenstufe ermittelt werden:

ν — ]/(v ■ cos/?)² + (v ■ sin/?)²

Der Winkel//ergibt sich dann zu/? = arc tan

/V_sin
V v-co

-cos ji/

Die erfindungsgemäße Meßanordnung zeichnet sich durch eine sehr genaue Messung der Geschwindigkeit von Luftfahrzeugen aus. und zwar im Bereich von einigen Zentimetern pro Sekunde bis einige hundert Meter pro Sekunde. Dabei können neben den üblicherweise vorgesehenen zwei Ultraschallempfängern gemäß F i g. 3 zwei weitere Ultraschallempfänger vorgesehen werden, so daß es insbesondere für Luftfahrzeuge im Schwebeflug möglich ist. die Geschwindigkeit nach Betrag und Richtung zu ermitteln.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßanordnung zum Messen der Geschwindigkeit eines Luftfahrzeuges mit einem modulierte Signale kontinuierlich abstrahlenden Ultraschallsendcr. zwei in Richtung der Luftfahrzeuglängsachse mit gleichem Abstand zum Sender angeordneten Ultraschallenipfängern und einer Auswerteschaltung, welche die Geschwindigkeit aufgrund der durch die Luftströmung entstehenden Phasenunterschiede der Ultraschallsignale ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsender (10, 30) frequenzmodulierte Ultraschallsignale abstrahlt und die Phasenunterschiede von den Phasenwinkeln (gi) der durch Demodulation der empfangenen Ultraschallsignale wiedergewonnenen Modulationssignale abgeleitet sind, und daß die Fre-

quenz des Modulationssignals auf einen Wert eingestellt ist. bei dem die Wellenlänge (A) größer ist, vorzugsweise doppelt so groß, als der Abstand ^zwischen Sender und Empfänger.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung zwei weitere senkrecht zur Längsachse (35) mit gleichem Senderabstand (S) am Luftfahrzeug angeordnete Ultraschallempfänger (33,34) aufweist, deren Ausgangssignale zusammen mit den Ausgangssignalen der in der Längsachse (35)

des Luftfahrzeuges angeordneten Ultraschallempfängern (31,32) einer Rechenstufe der Auswerteschaltung zur Ermittlung der Geschwindigkeit nach Betrag und Richtung zugeführt sind.

3. Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umschaltung des Meßbereichs die abgestrahlten Ultraschallsignale gleichzeitig mit Modulationssignalen verschiedener Frequenzen frequenzmoduliert sind, und daß die Ultraschailempfänger (13,14) Filter (18) enthalten, die zur Selektion der dem jeweiligen Meßbereich zugeordneten Modulationsfrequenz umschaltbar sind.

4. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfrequenz und der Modulationshub der Ultraschallsender (10, 30) insbesondere wegen des Lärms der Flugzeugtriebwerke derart gewählt sind, daß ein hinreichender Signal-Rauschabstand gewährleistet ist.