DE2709296A1

DE2709296A1 - Akustisches tiefen-messgeraet

Info

Publication number: DE2709296A1
Application number: DE19772709296
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1976-03-03
Filing date: 1977-03-03
Publication date: 1977-09-22
Also published as: GB1525206A; CA1063230A; US4052693A; JPS52107860A; FR2343259A1

Description

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Dr.-ing. fcrruf Si ratmann

Po,_ento„wa.r. 2709 296

4 Düsseldorf 1 Schadowpiatz 9

Düsseldorf, 2. März 1977

45,952
7709

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Akustisches Tiefen-Meßgerät

Die Erfindung betrifft ein akustisches Tiefen-Meßgerät.

Ein für die Schiffahrt in Küstennähe und auf Inlandskanälen wichtiges Problem ist die Frage, ob die Tiefe des Kanals groß genug ist und ob aus dem Boden herausragende Hindernisse die Schiffbarkeit beeinträchtigen.

Gegenwärtige Verfahren zur Feststellung, ob der Kanal ausreichende Tiefe besitzt, bestehen darin, mehrere parallele Überfahrungen vorzunehmen, wobei ein Tiefen-Meßgerät oder -Sonde verwendet wird. Im allgemeinen ist es unpraktisch, ausreichend viele parallele überfahrungen vorzunehmen, die ausreichend eng aneinanderliegen, um wirklich sicherzustellen, daß nichts über die gewünschte Tiefe hinausragt. Ein im allgemeinen verwendetes Verfahren, um vom Eoden ausgehende Hindernisse zu überprüfen, besteht darin, zwischen zwei Fahrzeugen an der zu prüfenden Tiefe eine horizontale Kette herabzulassen. Die zwei Fahrzeuge fahren dann den Kanal abwärts, wobei die Kette alles ergreift, was über die überprüfte Tiefe hinausragt.

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Telefon (0211) 32 O8 58 Telegramme Custopat

Ein großer Strahlwinkel würde die abgedeckte Fläche vergrößern, jedoch die Tiefenauflösung vermindern. Eine erhöhte Auflösungsfähigkeit und Abdeckung kann mit· einem Mehrstrahlsystem erreicht werden, bei dem mehrere angrenzende Strahlen für jede aktustische übertragung gebildet werden. Jedoch ist ein derartiges weiterentwickeltes System verhältnismäßig aufwendig und erfordert besonders ausgeführte Wiedergabeeinrichtungen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen billigen Tiefenmesser zu schaffen, der einen hohlen Strahl erzeugt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Die Erfindung besteht also allgemein gesagt aus einem Tiefen-Meßgerät, das eine Wandleranordnung umfaßt, die über einer Zielfläche arbeiten kann. Desweiteren sind Einrichtungen vorgesehen, die mit den Wandlereinrichtungen zusammenarbeiten, um einen Wandlerstrahl zu erzeugen, der das Zielgebiet in der Weise schneidet, daß die Punkte des Schnittes im wesentlichen gleiche Abstände von der Wandlere inr ichtung aufwei s en.

Das erfindungsgemäße Gerät stellt einen verbesserten Tiefenmesser dar, der in der Lage ist, eine minimale Tiefe über eine Längenbreite anzuzeigen, die das zwei- bis vierfache der Wassertiefe ausmacht, wodurch die Geschwindigkeit stark erhöht wird, mit der schiffbare Kanäle nach Hindernissen oder der richtigen Tiefe überprüft werden können.

Das Gerät wird so angeordnet, daß es entlang einem Kurs über ein Zielgebiet, wie einem Kanal, entlanggefahren werden kann und umfaßt Wandlereinrichtungen, mit denen ein Wandlerstrahl gebildet wird, der das Zielgebiet in der Weise schneidet, daß die Schnittpunkte im wesentlichen eine gleiche Entfernung von dem Wandler aufweisen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Wandlerstrahlform das Segment eines hohlen Kegels, der dadurch erzeugt werden kann, daß mehrere Wandlerelemente ververwendet werden, die einen länglichen Wandler

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bilden, der in im wesentlichen vertikaler Orientierung über dem Zielgebiet arbeitet. Es sind auch Einrichtungen vorgesehen, um den Wandler periodisch zu erregen und danach die akustischen Echos aufzufangen.

In einer weiteren Verbesserung werden zwei derartige Wandler vorgesehen und in einer solchen Weise betrieben, daß im wesentlichen ineinanderfallende Strahlen erzeugt werden, so daß Phasenvergleichsverfahren angewendet werden können, um die ungefähre Stelle eines jeden gemessenen Hindernisses zu bestimmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des im Betrieb befindlichen Gerätes;

Fig. 2 eine Ansicht des von dem Gerät der Fig. 1 erzeugten Strahls, wobei verschiedene Entfernungen und Winkel bezeichnet sind;

Fig. 3 und 4

Ansichten von WandlerSegmenten oder -elementen, die zur Bildung des Wandlers benutzt werden können;

Fig. 5 eine Ansicht von zwei Wandlerelementen, die verwendet we
zu erhalten;

verwendet werden können, um eine 18O°-Abdeckung

Fig. 6 ein Blockdiagramm eines Wandlerelementes mit verschiedenen elektronischen Verarbeitungs-Schaltkreisen;

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Fig. 7 eine Ansicht eines Wandlers, der bestimmte fixierte Strahlwinkel aufweist;

Fig. 8 ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines Gerätes, das zur Bestimmung der ungefähren Stelle eines vom Boden ausgehenden Vorsprunges bestimmt werden kann;

Fig. 9 und 10

typische Sichtdarstellungen; und

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht des Gerätes zusammen mit Stabilisierungseinrichtungen.

In der Figur 1 ist ein Fahrzeug 10 dargestellt, das in Pfeilrichtung über ein Zielgebiet 12 fährt, dessen minimale Tiefe wie auch das Vorhandensein von auf dem Boden liegenden Abfällen oder Vorsprüngen, wie bei 14, feststellen soll. Ein Wandler 16 erzeugt einen Strahl, dessen Schnittpunkt 17 mit dem Boden 12 eine Vielzahl von Punkten definiert, die im wesentlichen gleich weit entfernt von dem Wandler 16 sind. Bei der vorzugsweisen Ausführungsform liegt dieser Strahl in der Form eines Segmentes eines hohlen Zylinders 18 vor. Mit einem solchen Strahl ist die Schrägentfernung zum Boden in allen Richtungen die gleiche und macht es möglich, Ziele zu erkennen, die in allen Richtungen näher am Boden liegen, als es beispielsweise mit einem Fächerstrahl möglich wäre, und bei dem beabsichtigten Betrieb muß nur die vordere Hälfte eines kegelförmigen Strahles ausgesendet (und/oder empfangen) werden.

Figur 2 erläutert wiederum den konisch geformten Strahl 18 und dient dazu, gewisse Meßwerte zu definieren. Der Strahl 18 kann durch einen Wandler erzeugt werden, der in Form einer länglichen Linienanordnung vorliegt, ähnlich der, die be. seitwärts blickenden Sonarsystemen benutzt werden. Der Wandler ist mit seiner Längsachse in vertikaler Richtung montiert, wobei sein normalerweise erzeugter fächerförmiger Strahl

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elektrisch mit einem Winkel 0 nach unten gerichtet wird. Das sich ergebende Strahlmuster ist ein hohler Kegel, dessen Achse mit der Anordnungsrichtung des Wandlers zusammenfällt und dessen Apex am Punkt 20 liegt, auf halbem Wege zwischen den Enden des Wandlers.

Die schräge Entfernung zu den Punkten rund um die Schnittfläche 17 beträgt R„, die Höhe des Wandlers über dem Boden ist D, der Radius des auf dem Boden gebildeten Kreises beträgt R_D, die Abtastbreite ist W oder 2R₀ und die Strahldicke ß. Aus geometrischen Überlegungen folgt:

^Rs

R₀ = D Cot 0 (2)

ft - ytL·®- ⁽³>

wobei L die Länge des Wandlers 16 und Λ die Betriebs-Wellenlänge darstellt. Eine geeignete Strahldicke β kann im Bereich von 0,5 bis 1 liegen und hängt von der erforderlichen Genauigkeit ab. Das Verhältnis von Abtastbreite zur Tiefe hängt davon ab, ein wie flacher Depressionswinkel 0 noch toleriert werden kann. Vom praktischen Standpunkt her kann ein solches Verhältnis zwischen 2 und 4 liegen, wobei ein praktisches Maximum von 4 einen Winkel 0 von 26,6° erfordert. Somit könnte eine Breite von 60 m bei einer Tiefe von 15 m in einem einzigen Durchgang überprüft werden. Jedes akustische Echo, das nach einer Aussendung früher aufgenommen wird, als der Entfernung entspricht, die durch die Gleichung

D
sin 0

bestimmt ist, zeigt, daß irgendetwas oberhalb dee erforderten Kanaltiefe sich befindet.

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Es gibt verschiedene mögliche Konfigurationen, um den hohlen Kegelstrahl 18 zu bilden. Beispielsweise ist in Figur 3 ein herkömmlicher zur Seite blickender Sonarwandler dargestellt, der aus mehreren Segmenten oder aktiven Elementen 22 besteht, die hintereinander in einer Reihe der Länge L angeordnet sind. Die herkömmlichen elektrischen Verbindungen, das Rückenmaterial und die Abdeckung sind nicht erläutert. Mit einer Elementbreite CJ, die hinsichtlich der Wellenlänge klein ist, und mit einer elektrischen Steuerung des Strahles abwärts um einen Winkel 0 ergibt sich der in Figuren 1 und 2 erläuterte Strahl.

Ein gutes 18O°-Muster eines hohlen Kegelstrahles kann auch mit mehreren aktiven Elementen 23 erzeugt werden, wie sie in Figur 4 dargestellt sind, wobei diese Elemente in der Form von Halbzylindern vorliegen.

Eine Alternative wäre die in Figur 5 dargestellte Ausführungsform, bei der die Wandler 26 und 27 dargestellt sind, die jeweils aus mehreren aktiven Elementen bestehen, die jeweils Ende an Ende aneinanderliegen, wobei die Wandler hinsichtlich der Fahrtrichtung in +45° bzw. -45 ausgerichtet sind. Wenn jeder Wandler eine Strahlbreite von 90 aufweist, würden nach vorne 180 abgedeckt werden.

Andere Anordnungen, wie beispielsweise akustische Linsen, sind ebenfalls möglich.

Figur 6 erläutert eine Anordnung für einen Tiefenmesser gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der elektrische Strahlsteuerung verwendet wird. Der typische Reihenanordnungs-Wandler 30 besteht aus mehreren aktiven Elementen 31, die mit einem entsprechenden Verstärker 32 jeweils in Signalverbindung stehen. Eine Mehrzahl von PhasenverSchiebern 33 sind in jeder Leitung zwischen den Verstärkern 32 und herkömmlicher Sende-, Empfangsund Darstellungs-Schaltungseinrichtung 35 vorgesehen. In bekannter und herkömmlicher Weise kann durch geeignete Wahl der

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AO

Phasenverschieber 33 dem Sende- und/oder Empfangsstrahl ein gewünschter Neigungswinkel 0 gegeben werden. Andere herkömmliche Anordnungen können ebenfalls verwendet werden, wie beispielsweise Verzögerungsleitungen. Als eine Alternative zur mittels Phasenverschiebern oder Verzögerungsleitungen erfolgenden Strahlsteuerungen kann auch die Anordnung der Figur 7 verwendet werden, die einen Wandler 40 zeigt, der aus mehreren aktiven Elementen 41 und 41' besteht, wobei die aktiven Frontflächen von alternierenden Elementen in einer Entfernung von -4- voneinander angeordnet sind (in Richtung des Strahles) wobei die Betriebspolarität, die von angepaßten Transformatoren 43 abgeleitet wird, bei jedem zweiten Element umgekehrt wird. Mit einer solchen Anordnung wird ein fester Neigungswinkel von 45 erzeugt. Figur 7 illustriert die akustische Signalwellenfront mit einem Winkel von 45° bei einer solchen Anordnung, bei der die vertikale Entfernung zwischen den Zentren der aktiven Wandlerelemente -Vm- beträgt.

Das bisher erläuterte einfache System zeigt an, wenn der Kanal flacher ist als es die minimale Tiefe erfordert, oder wenn Hindernisse vom Boden vorstehen. Jedoch kann die Stelle um den Strahl herum nicht ermittelt werden, da die gleiche Anzeige erfolgen wird, unabhängig davon, ob das Hindernis vorne liegt oder auf Backbord oder Steuerbord. Für viele Operationen reicht dies aus. Eine Markierungsboje könnte an der Stelle abgesetzt werden, an der sich das Fahrzeug befindet und das allgemeine Gebiet untersucht werden, von dem das zu frühe Echo herkam. Für andere Betriebsarten könnte jedoch eine genauere Anzeige des Hindernisses erforderlich sein. In einem solchen Fall kann das Gerät so gebaut werden, daß es bekannte Phasenvergleichsverfahren anderer Sonarsysteme zur Bestimmung des Zielortes enthält. Figur 8 erläutert diese Anordnung. Zwei Linienwandler 50 und 51 sind vorgesehen und die Figur 8 zeigt diese Wandler in Draufsicht. Der elektronische Teil 53 enthält die herkömmliche Tiefen-Meßausrüstung zusammen mit der Strahl-Steuerungsschaltung und wird benutzt, um einen oder auch beide Wandler 50, 51 zu erregen. Beide Wandler

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werden auch für den Empfang verwendet und ihre Ausgänge einer Phasenvergleichsschaltung 55 zugeführt, die in bekannter Weise die Peilung der akustischen Reflektion von dem Vorsprung
liefert. Beispielsweise sind die Wandler 50 und 51 in einer
Entfernung zueinander angeordnet, die gleich oder geringer
als eine Wellenlänge ist. Eine von einem vorspringenden Objekt ausgehende Wellenfront 57 kommt direkt von vorn auf das Gerät zu und wird die Wandlerelemente gleichzeitig erregen, so daß
sie beide das gleiche Ausgangssignal zur gleichen Zeit liefern und dies auch auf der Darstellung des elektronischen Teils 53 angezeigt wird. Jetzt nehme man jedoch an, daß sich das Objekt in einer solchen Peilung relativ zur Bewegungsrichtung des
Gerätes befindet, das die Wellenfront 58 von dem Gegenstand
auf die Anordnung mit einem Winkel θ auftrifft. In einem solchen Falle werden die aktiven Elemente des Wandlers 51 zuerst erregt und abhängig vom Winkel θ die aktiven Elemente des
Wandlers 50 eine bestimmte Zeit danach, so daß die Phasenvergleichsschaltung 55 eine solche Differenz erkennt und eine
Anzeige des Winkels θ an die elektronische Schaltung und Darstellung 53 liefert.

Das erfindungsgemäße Gerät kann mit verschiedenartigen Darstellungseinrichtungen arbeiten. Der üblicherweise verwendete digitale Ausgang würde, wenn er direkt verwendet wird, die
Neigungsentfernung R zum Boden angeben. Wenn das Gerät mit

einem konstanten Neigungswinkel 0 verwendet wird, kann das
Gerät mit einem Faktor sin 0 geeicht werden, um die Neigungsentfernung in Tiefe umzusetzen. Die am wenigsten aufwendige
Tiefen-Meßdarstellung, die in Figur 9 wiedergegeben ist, kann ebenfalls verwendet werden. Die Darstellung gibt die umfangsmäßig aufgetragene Tiefe wieder und umfaßt ein überstreichendes Neonlicht 60, das, wenn es die Null-Tiefenposition durchläuft, eine akustische Aussendung verursacht, deren Reflektion benutzt wird, um das Licht während seiner Bewegung zu erregen. Die Tiefenskala würde gegenüber der herkömmlichen Tiefenskala gemäß der in Figur 1 dargestellten Beziehung modifiziert werden. Eine Peilmarkierung 62 kann auf einer Darstellung als

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Al

Anzeige der minimalen Kanaltiefe angeordnet werden, um der Bedienungsperson eine Warnanzeige zu geben, wenn das Neonlicht sich vor der Anzeige 62 aktiviert.

Mit der Phasenvergleichs-Zusatzeinrichtung, wie sie in Fig. dargestellt ist, kann eine typische Darstellungseinrichtung verwendet werden, wie sie in Figur 10 wiedergegeben ist, wobei das Gerät eine Sektorabtastung 65 auf einer Kathodenstrahlröhre 66 liefert. Ein Ziel wird als heller Punkt 68 während der Abtastung des Kathodenstrahls angezeigt, wobei die Entfernung des hellen Punktes vom Ursprung Null die Tiefe anzeigt und ihre Winkelstellung die Peilung. Wie auch im Falle der in Figur 9 dargestellten Anzeigeeinrichtung kann eine Markierung 70 auf der Frontfläche des Kathodenstrahlrohres angeordnet werden.

Infolge der Bewegung des Bootes durch das Wasser kann der Betrieb des Gerätes etwas von den idealen Verhältnissen abweichen und der gebildete hohle konische Strahl wird nicht zu allen Zeiten genau senkrecht zur Ebene des Bodens sein. Eine leichte Abweichung liegt jedoch innerhalb annehmbarer tolerierbarer Grenzen. Wo eine wesentliche nicht mehr zu vertretende Bewegung des Trägerfahrzeuges vorausgesehen werden kann, kann eine Kreiselstabilisierung für den Wandler vorgesehen werden, wie sie in Figur 11 dargestellt ist, die einen vertikal orientierten Wandler 75 zusammen mit seinem Gehäuse und einem Abdeckglied 77 aus z. B. Polyurethan wiedergibt. Ein Stabilisierungsmechanismus 80 ist vorgesehen und kann eine herkömmliche duale Kardananordnung besitzen, um eine zweiachsige Stabilisierung zu erreichen. Obwohl der Stabilisierungsmechanismus über dem Bug des Bootes montiert sein kann, ist es günstiger, den Mechanismus zur besseren Stabilisierung im Zentrum von Roll- und Stampfbewegung des Bootes durch den Bootskörper hindurch zu montieren und zu diesem Zweck sind Montierbügel 82 und eine Durchführleitung 83 zum Hindurchführen von elektrischen Leitungen vorgesehen.

Patentansprüche;

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Claims

Patentansprüche :

Akustisches Tiefen-Meßgerät mit einer über einer Zielfläche arbeitenden Wandleranordnung, gekennzeichnet durch Einrichtungen, die in Zusammenarbeit mit den Wandlereinrichtungen (16) zur Bildung eines Wandlerstrahles (18) stehen, der das Zielgebiet (12) derart schneidet, daß die Punkte (17) in dem Schnitt im wesentlichen eine gleiche Entfernung von den Wandlereinrichtungen (16) aufweisen.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Wandlereinrichtungen (16) zusammenarbeitenden Einrichtungen Anordnungen zur Bildung eines Wandlerstrahles (18) aufweisen, der die Form eines Segmentes eines hohlen Kegels aufweist, der die Zielfläche (12) schneidet.
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandleranordnung (16) mehrere aktive Wandlerelemente (22, 23, 26, 27, 41) aufweist, die einen länglichen Wandler bilden, der so gebaut ist, daß er in einer im wesentlichen vertikalen Orientierung über der Zielfläche (12) arbeitet; und durch Einrichtungen zur periodischen Erregung der Wandler und nachfolgenden Erfassung der akustischen Echos.
4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Segment des Kegels (18) ungefähr 180° umfaßt.
5. Gerät nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Bildung des Strahles Anordnungen (37) aufweisen, um die Phasen von Teilen des Strahles relativ zu verschieben.

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6. Gerät nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Elemente (41) in einem vorbestimmten Winkel hinsichtlich der Vertikalen orientiert sind und daß angrenzende aktive Elemente (41) jeweils 180° außer Phase zueinander arbeiten; und daß die Entfernung in Richtung des Strahles zwischen aktiven Frontflächen angrenzender aktiver Elemente im wesentlichen λ/2 beträgt, wobei λ die Betriebs-Wellenlänge ist.
7. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Elemente rechteckig sind.
8. Gerät nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Elemente zylindrisch sind.
9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Elemente Halbzylinder sind.
10. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtungen eine zweizeilige Anordnung von Wandlern in Seite-an-Seite-Beziehung umfaßt, wobei jede Zeile mit einem vorbestimmten Winkel bezüglich der Richtung der Bewegung über dem Zielgebiet (12) orientiert ist.
11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Wandler in einem Winkel von +45° und der andere in einem Winkel von -45° hinsichtlich der Richtung der Bewegung des Zielgebietes angeordnet ist.
12. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 11, gekennzeichnet durch einen zweiten länglichen Wandler (51), der von dem ersten Wandler (50) eine Entfernung von <_λ aufweist, wobei λ die Betriebs-Wellenlänge ist; und daß Einrichtungen (53) vorgesehen sind, die mit dem zweiten

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Wandler zusammenarbeiten, um einen Strahl zu erzeugen, der ähnlich zum Strahl des ersterwähnten Wandlers ist und diesen überlappt; und daß Einrichtungen (55) vorgesehen sind, um die relative Phase (f) der von den Wandlern (50, 51) aufgrund akustischer Echos gelieferten Signale zu vergleichen.

ES/hs 3

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