DE2945343A1

DE2945343A1 - Meeresstroemungsmesser

Info

Publication number: DE2945343A1
Application number: DE19792945343
Authority: DE
Inventors: Francois Peynaud
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1978-11-10
Filing date: 1979-11-09
Publication date: 1980-05-22
Also published as: FR2441180B1; FR2441180A1; GB2036969B; NO793628L; NO153021C; GB2036969A; DE2945343C2; US4270191A; NO153021B

Description

" Meeresströmungsmesser "

Die Erfindung betrifft einen Meeresströmungsmesser der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art.

Die Messung von Meeresströmungen wird von einem sich bewegenden Schiff aus vorgenommen. Es werden die Geschwindigkeiten der Meeresströmungen ausgehend von der Oberfläche bis zu Tiefen über 1000 m durchgeführt.

Die Kenntnis des Verlaufs der Meeresströmungen in Abhängigkeit der Tiefe ist bedeutsam für die Vervollkommnung von navigatorischen Schätzungen, für die Navigation von Unterseebooten, für die Erdöl- und Mineraliensuche auf hoher See, für geophysikalische Untersuchungen und für die Untersuchung der Umwelt.

Mit einem sogenannten klassischen Strömungsmesser, der beispielsweise eine Wendel aufweist oder elektromagnetisch arbeitet, kann, sofern nur ein einziger Fühler verwendet wird, nur eine Punktmessung vorgenommen werden. Um praktisch gleichzeitig das Profil der Meeresströmungen zu bestimmen, ist es bekannt, Strömungsmesser zu verwenden, die nach dem Dopplerprinzip arbeiten. Hierzu werden Son'argeräte eingesetzt, deren Sendeachse gegen die Vertikale geneigt ist. Die erhaltenen Echos sind einerseits auf die Raumrückstrahlung, d.h. auf die Reflexion an den verschiedenen leuchen im Wasser und andererseits auf die Reflexion am Meeresboden zurückzuführen.

Die Echos der Raumrückstrahlung erleiden eine Frequenzverschiebung infolge des Dopplereffektes, die von der Relativgeschwindigkeit zwischen Schiff und Meeresströmung im Meßpunkt abhängt. Die Tiefe des Meßpunktes läßt sich aus der Echolaufzeit bestimmen. Die Absolutgeschwindigkeit des Schiffes wird aus der durch Dopplereffekt bedingten Frequenzverschiebung des Bodenechos bestimmt.

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Die Messungen werden in zwei vertikalen zueinander senkrecht stehenden Ebenen durchgeführt. Hieraus können die Geschwindigkeitsvektoren der Geschwindigkeit zwischen Schiff und Strömung und der Geschwindigkeit zwischen Schiff und Meeresboden bestimmt werden.

Der Geschwindigkeitsvektor zwischen Meeresströmung und Meeresboden leitet sich durch Subtraktion der vorgenannten Vektoren ab. Wenn dies für die Gesamtheit der Raumrückstrahlungsechos für verschiedene Tiefen durchgeführt wird, erhält man das Profil der Geschwindigkeitsvektoren der Strömungen.

Nach dem Stande der Technik wird nur eine einzige Frequenz ausgesandt, um die Raumrückstrahlungsechos und das Bodenecho zu erhalten. Um ausreichende Energien der Raumrückstrahlungsechos zu erzielen, ist es erforderlich, Hochfrequenzsignale (etwa 50 kHz) zu verwenden, wie die Erfahrung gelehrt hat. Um dagegen Bodenechos aus etwa 3000 m Tiefe zu erhalten, müssen infolge der Ausbreitungsverluste tiefe Frequenzen (etwa 10 kHz) verwendet werden.

Die Verwendung einer tiefen Frequenz erfordert jedoch sehr große Sendeantennen (Transduktoren), und zwar in der Größenordnung von Metern, für einen Strahlungsöffnungswinkel von 7 > was praktisch kaum zu realisieren ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile einen Strömungsmesser zu schaffen, mit dem das Geschwindigkeitsprofil von Strömungen bis zu einer Tiefe von 3000 m erfolgen kann und der dennoch gemessen am Stand der Technik kleine Sender und Empfänger aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist Im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegeben.

Gemäß der Erfindung werden gleichzeitig zwei Hochfrequenzsignale ausgesandt. Empfangen werden Hochfrequenzsignale, die durch

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Raumrückstrahlung der ausgesandten Hochfrequenzsignale entstehen. Des weiteren werden Niederfrequenzsignale für die Bodenechos empfangen. Die niedere Frequenz entspricht der Differenz zwischen den beiden Hochfrequenzen. Dieses Aussenden der sogenannten Differenzfrequenz ist auf nichtlineare Effekte im Wasser zurückzuführen und diese Strahlung weist eine gute Richtcharakteristik auf. Die "Antenne" für das Aussenden der Welle mit der Differenzfrequenz ist die Wechselwirkunrszone der beiden ausgesandten Hochfrequenzwellen. Die wirksame Antenne ist folglich wesentlich größer als die eigentliche Sendeantenne.

Dank der Vorrichtung gemäß der Erfindung können die Strömungsgeschwindigkeiten in sehr großer Tiefe ermittelt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 ein Prinzipschema eines Dopplerströmungsmessers,

Figur 2 ein Übersichtsblockschaltbild eines

Strömungsmessers gemäß der Erfindung,

Figur 3 ein Übersichtsblockschaltbild des Senders,

Figur ¹J ein Blockschaltbild der Analogverarbeitungsschaltung für die Empfangssignale,

Figur 5 ein Blockschaltbild der digitalen Verarbeitungsschaltung für die Empfangssignale,

Figur 6 Diagramme einiger Signale in Abhängigkeit der Zeit,

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Figur 7 eine andere Ausführungsform der digitalen Verarbeitungsschaltung für die Empfangssignale.

Wenn eine akustische Welle in das Wasser ausgesandt wird, führen die nichtlinearen Eigenschaften des Mediums dazu, daß die Geschwindigkeit dieser Welle von der momentanen Amplitude des Schalldruckes abhängt. Der sinusförmige Verlauf dieser Druckwelle verformt sich und nähert sich einem sägezahnförmigen Verlauf.

Hieraus folgt, daß zwei Schallwellen mit den Frequenzen f. und fp - im folgenden Grundfrequenzen genannt -, die in denselben Raum ausgesandt werden, in Wechselwirkung treten und sämtliche möglichen Intermodulationsprodukte hervorrufen. Insbesondere entsteht ein Signal der Frequenz Fp⁺^l' ^das Jedoch rasch absorbiert wird. Darüber hinaus entsteht das gewünschte Signal der Frequenz ?2~^\~ =F.

Die "Antenne", die diese niedrige Frequenz ausstrahlt, ist folglich nicht die eigentliche Antenne oder der sogenannte Transduktor, der an dem Schiff befestigt ist, vielmehr wirkt der gesamte von den Schallwellen der beiden Grundfrequenzen erfaßte Raum als Antenne. Diese vergrößerte Antenne, die aus Wasser besteht, strahlt die Welle mit der niedrigen Differenzfrequenz in die Richtung der Ausbreitungsrichtung der Wellen mit den Grundfrequenzen.

Diese vergrößerte Antenne weist eine Direktivität νοηΥλ/L und geringe Nebenkeulen auf( ^= Wellenlänge der Schallwelle mit der Frequenz F im Wasser, L = Länge der im Wasser gebildeten Antenne). Auf diese Weise können sehr feine Strahlungsdiagramme erzeugt werden, die viel feiner sind als diejenigen, die mit den kleinen Sendeflächen erzeugt werden können, die zur Erzeugung der Wellen mit den Grundfrequenzen verwendet werden.

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Es ist bereits bekannt, Sonargeräte zu verwenden, die die nichtlineare Akustik ausnützen und gleichzeitig zwei Frequenzen aussenden und die Differenzfrequenz empfangen. Diese Sonargeräte werden im allgemeinen als parametrische Sonargeräte bezeichnet und werden insbesondere eingesetzt, um den Meeresboden zu untersuchen. Es ist üblich zu diesem Zweck, Grundfrequenzen von etwa 38 kHz und eine Differenzfrequenz von 0,8 bis 6,7 kHz zu verwenden. Signale dieser Tiefenfrequenzen dringen gut in den Meeresboden ein.

Gemäß der Erfindung werden diese nichtlinearen Effekte zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeiten durch Dopplereffekt ausgenützt.

Um ausreichende Schallenergien bei der Differenzfrequenz F zu erzielen, werden Primärfrequenzsignale großer Energie ausgesandt. Das hohe Leistungsniveau ist kein Nachteil, da es erforderlich ist, um entsprechende durch Raumrückstrahlunp entstandene Echosignale zu erhalten.

Es muß angemerkt werden, daß dieses ausreichende Leistungsniveau praktisch nur für Frequenzen oberhalb von 20 kHz erreicht wird, was der Diffusion durch biologische Bestandteile des Wassers, wie etwa des Planktons, entspricht.

Figur 1 zeigt schematisch einen Strömungsmesser gemäß der Erfindung. Ein Schiff 100 bewegt sich in Richtung χ mit der Absolutgeschwindigkeit W. Ein Sonargerät 110 sendet gleichzeitig Impulse der Frequenz T^ und T₂ mit einer Wiederholperiode T₁ in die Richtungen D₁ und Dp aus. Die Richtungen D₁ und D₂ deuten den Medianstrahl der Jeweiligen Schallwelle an. D₁ und D- liegen in der Ebene xz, wobei ζ die Vertikalrichtung ist, und sie bilden mit der Vertikalrichtung ζ jeweils einen Winkel -M-und -<*-. Das Sonargerät 110 sendet gleichermaßen Impulse der Frequenzen f^ und f₂ in die Richtungen D, und D^ aus, jedoch gegenüber den ersten Impulsen um T₁/2 in der Phase verschoben. D, und D₁. sind

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wiederum die Medianrichtungen der ausgesandten Wellen. D, und liegen in der Ebene yz und bilden mit der Richtung ζ einen Winkel von +A bzw. - J- .

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Der Strömungsmesser umfaßt eine Sendeeinheit 1 und zwei Gruppen von Transduktoren 2 und 3. Jede dieser Gruppen enthält vier Transduktoren, die paarweise einen Dieder bilden. Sie sind unter dem Boot so angeordnet, daß die Transduktoren in Richtungen abstrahlen, die mit der nach unten gerichteten Vertikalen Oz einen Winkel von + et- bilden. Für diesen V/inkel wird im allgemeinen ein Wert von etwa 30° gewählt. Die Transduktoren 2.1 und 2.3 der zweiten Gruppe strahlen jeweils in Richtungen parallel zu D₁ und Dp, die mit der nach unten gerichteten Vertikalen Oz einen Winkel + .*. bzw. - cL bilden und folglich in der Ebene Oxz liegen.

Die Transduktoren 2.2 und 2 Λ der zweiten Gruppe empfangen die aus den Richtungen D. und Dp kommenden Signale. In gleicher Weise enthält die dritte Gruppe den Sendetransduktor 3.1 und den Empfangstransduktor 3.2, deren Achsen parallel zu D, liegen, sowie den Sendetransduktor 3·3 und den Empfangstransduktor 3.^, deren Achsen parallel zu D^ sind. D-, und D^ liegen in der Ebene Oyz.

Die Empfangseinheit h enthält eine Analogverarbeitungsschaltung 5 und eine Digitalverarbeitungsschaltung 6. Die Digitalverarbeitungsschaltunr kann entweder klassisch mit integrierten Schaltkreisen oder mit Mikroprozessoren verwirklicht sein.

Die Meßwerte der in verschiedenen Schichten gemessenen Geschwindigkeiten werden durch die Anzeigeeinrichtung 7 dargestellt und aufgezeichnet. Die Anzeigeeinrichtung 7 enthält zwei Untereinheiten 7.2 und 7.3, die für die Werte in x-bzw. y-Richtung vorgesehen sind. Durch die Empfangseinheit H werden gleichermaßen die Signale für die x- und y-Richtung verarbeitet. Die Taktsignale H₁ von der Periode T₁ steuern die Umschalter 8.1, 8.2 und 8.3 in

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Zeitintervallen T./2, um zwischen der zweiten und dritten Gruppe umzuschalten. Ein anderer Umschalter 7.¹J wird im gleichen Rhythmus gesteuert, um die Signale alternierend den Einheiten 1.2 und 7·3 zuzuführen.

Wählt man Ί^/2 = k see, so ist es möglich, Meerestiefen von 3000m zu erreichen.

Die ausgesendeten Wellen der Frequenz f~ rufen Raumrückstrahlungsechos hervor, deren Frequenzen durch Dopplereffekt verschoben sind. Diese werden im folgenden mit f₁(l), f₂(2), f₁(3) und ^(4) bezeichnet, wobei der in Klammern gesetzte Index den verschiedenen Richtungen D₁, Dp, D, und Dn entspricht.

In gleicher Weise werden gemäß den vier Richtungen D₁, D , D, und D₂. Echos der Frequenzen f-d), f„(2), f~(3) und fp(4) empfangen.

Infolge der Nichtlinearitäten des Meereswassers erfolgt auch eine Emission bei der Differenz frequenz F = fj-fp ^{und die} durch diese Welle am Meeresboden entstehenden Echos werden für die vier Richtungen D₁, D₂, D, und D₁₄ mit Frequenzen F(I), F(2), F(3) und F(Jl) empfangen.

—=>

Falls U der Geschwindigkeitsvektor der Relativgeschwindigkeit zwischen Schiff und Strömung ist, W der Geschwindigkeitsvektor

—» der Absolutgeschwindigkeit des Schiffes und V der Vektor der

Absolutgeschwindigkeit der Strömung, erhält man:

—» —? —ν

V = W-U (1)

Seien V , W und U die x-Komponenten der Vektoren V, W und U

XX X

und V , W und U die y-Komponenten dieser Vektoren, so erhält man gemäß den bekannten Beziehungen für das Dopplersonar folgende Gleichungen, wobei Z die Geschwindigkeit in dem Medium ist:

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- V^{2)) =} c (f₂d) - f₂(2))

(2) - MO) = C (f.(3) - f,(O)

In gleicher Weise erhält man für die Absolutgeschwindigkeit des Schiffes über die Dopnierverschiebung der Signale mit der Differenzfrequenz F, die durch Nichtlinearität des Mediums hervorgerufen werden:

^wv = C (F(I) - F(2) (3)

^x WTTX

VJ = C(P(3) -

^y i*F

Bei der gewählten Darstellunp bewegt sich das Schiff in Richtung Ox, folglich gilt: W_y = 0.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung werden die Messungen für die zu dem Signal mit der Frequenz f. und die zum dem Signal mit der Frequenz f- gehörenden Echos gleichzeitig gemessen. Aus Gleichung

(2) geht hervor, daß auf diese Weise zwei Werte von U und U

χ y

erhalten werden können, was die Möglichkeit eröffnet, den besten der beiden Werte durch eine Entscheidungslogik auszuwählen.

Nach den Gleichungen (1), (2) und (3) kann der Wert der absoluten Strömungsgeschwindigkeit komponentenmäßig bestimmt werden.

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Details der Sendeschaltung 1 der Figur 2 sind in Firrur 3 dargestellt. Zwei Oszillatoren 1.1 und 1.2 arbeiten auf den Frequenzen f.. und fτ· Ihre Ausgangssignale werden in der Summierschaltung 1.3 summiert und durch einen 100%-AmDlitudenmodulator 1.4 moduliert. Dieser wird durch ein Signal von der Dauer ^ gesteuert, das von der Schaltung 1.5 ausgehend von dem Synchronisationssignal H₁ geliefert wird. Das den Modulator 1.4 verlassende Signal wird durch den Verstärker 1.6 verstärkt und den Sendetransduktoren zugeführt, und zwar denjenigen, die in einer Richtung sich gegenüberliegen, beispielsweise den Transduktoren, die in die Richtung D. bzw. in die Richtung D- strahlen. Nach einer Halbperiode des Taktsignals H. wiederholt sich der gleiche Vorgang mit Emission und Empfang in Richtung D, und D_i( der Ebene yz.

Im Laufe der ersten Periode von H₁ werden die Raumrückstrahlechos aus den verschiedenen Wasserschichten, die aus den Richtungen D₁ und Dp der Ebene xz kommen, empfangen.

Infolre des Dopplereffektes sind die Frequenzen der empfangenen

iale verschoben. Sie sind f^Cl)
und f₁(2) und f₂(2) für die Richtun

Signale verschoben. Sie sind f₁(l) und f₂(l) für die Richtung

Der Transduktor 2.2 der Figur 2 liefert bei 400 an den Eingang der Verarbeitungsschaltung 4 der Figur 4 Signale mit den Frequenzen f₁(l), f₂(l), F(I). Die Signale mit den Frequenzen f₁(l), f₂(l), die durch Raumrückstrahlung der Wasserschichten mit Dopplerfrequenzverschiebung erhalten werden, werden in dem Verstärker iJ. 1 verstärkt und den Filtern 4.4 und 4.5 zugeführt. Das Filter 4.4 weist eine Mittenfrequenz von F₁ und das Filter 4.5 eine solche von F₂ auf.

Die Filter 4.4 und 4.5 weisen eine solche Randbreite auf, daß die Signale unter Berücksichtigung der Dopplerverschiebungen für Geschwindigkeiten zwischen Schiff und Strömung oder Schiff und Meeresgrund zwischen -10 bis +20 Knoten passieren können. Die entsprechenden Verstärker müssen folglich breitbandig sein. Die infolge der Raumrückstrahlung empfangenen Echosignale werden alle

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30 msec gemessen. Dies entspricht unter Berücksichtigung der Meipunp· der Bündel Messungen in Wasserschichten von etwa 20 m Dicke.

Mit Hilfe der Taktsipnale H- mit der Periodendauer von 30 msec kann eine zeitliche Untersuchung der empfanpenen Sipnale durchgeführt werden. Diese Taktsipnale steuern digitale frequenzzähler 4.7, die die Signale mit den Dopplerfrequenzen f₁(l) und f~(l) erhalten.

Die vom Meeresboden reflektierten Signale mit Dopplerverschiebung P(I) gelangen ebenfalls an einen digitalen Frequenzzähler 4.8. Die Ankunftszeit des Signales mit der Frequenz F(I) ist von vornherein nicht bekannt und der Zähler 4.R muß durch das Signal selbst ausgelöst werden, das eine Detektion mit kurzzeitiger Integration, d.h. mit einer Integration über eine Periode der Differenzfrequenz in der Schaltung 4.9 erfährt. Die Schaltung 4.9 steuert die Kippschaltung 4.10.

Darüber hinaus werden die durch die Filter 4.4 und 4.5 gefilterten Signale an Detektorschaltunpen 4.11 mit kurzer Integration geführt. Diese Interration weist eine Zeitkonstante von etwa einer Periode der Orundfrequenz auf. Die integrierten Signale steuern die Kippschaltunren 4.12, die Binärsipnale für die Freigabe der Messung liefern.

Die durch die Filter 4.4 und 4.5 gefilterten Signale gelangen einerseits an Detektorschaltungen mit langer Integrationsdauer, nämlich mit einer Integrationsdauer über etwa 10 oder mehr Perioden der Orundfrequenz (Detektoren 4.13), denen Digital/ Analog-Wandler 4.14 rachgeschaltet sind.

Die Signale mit der Frequenz F(I), die durch Reflexion der Wellen am Meeresboden entstehen, und die auf die Nichtlinearitäten des Mediums zurückzuführen sind, werden durch den Filter 4.6, dessen Mittenfrequenz F ist, gefiltert,danach durch den Verstärker 4.2 mit variabler Verstärkung verstärkt. Die variable, zeitabhängige

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Verstärkung G.V.T.) wird durch einen Funktionsgenerator 4.3 gesteuert, der seinerseits zu jeder Halbperiode des Taktsignales FL angesteuert wird. Die variable Verstärkung ist erforderlich, um die großen Amplitudendifferenzen auszugleichen, die das Signal P(I), das vom Meeresboden reflektiert wird, infolere der unterschiedlichen Tiefen aufweisen kann.

Parallel hierzu werden die Signalamplituden bestimmt, um, sofern keine Pehlmessung nachgewiesen wird, festzustellen, welches das Signal mit der größten Amplitude ist.

Das Unterschreiten einer festen Schwelle wird durch die Kippschaltungen 4.12 der Figur 4 bestimmt, die Binärsignale bei 402,405, 410 und 413 liefert.

Diese Signale geben die Signale mit den Frequenzen f.Cl), f_(l), f.(2) und fp(2) frei. Sie gelangen an eine erste Entscheidungslogik 5.6 (Figur 5) der Verarbeitungsschaltung 6. Darüber hinaus werden die von den Kippschaltungen 4.10 gelieferten Signale bei 408 und 4l6 einer zweiten Entscheidungslogik 4.8(Figur 5) zugeführt, um die Absolutmessung der Schiffsgeschwindigkeit freizugeben.

Die Amplitude der Dopplersignale, die zu den Signalen der Frequenzen f₁ und fp gehören, wird durch eine Integratjonsdetektion mit langer Integrationsdauer (einige zehn Perioden) im Detektor 4.13 bestimmt. Diesem ist ein Analog/Digital-Wandler 4.14 (Figur 4) nachgeschaltet. Bei 402, 406, 411, 4l4 stehen folglich Digitalsignale zur Verfügung, die für die Amplituden von f^l), f₂(l), f.(2) und fp(2) repräsentativ sind. Diese werden paarweise nämlich f_a(l) mit f₂(l) und ^(2) mit f₂(2) in den Vergleichern 5.9 verglichen, deren Ausgänge 503 und 504 ebenfalls mit der Entscheidungslogik 5.6(Figur 5) verbunden sind.

Darüber hinaus gelangen die von den Transduktoren 2.4 oder 3.4 (Figur 2) aufgenommenen Signale bei 401 an die Schaltung 5 (Figur 4), wo sie eine Verarbeitung analog derjenigen der Signale

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der Transduktoren 2.2 und 3.2 erfahren.

Schließlich stehen an den Ausgängen der Schaltung 5 Digitalsigna-Ie zur Verfügung, die repräsentativ für die Dopplerfrequenzen f₁(l), f₂(l), F(D, f_a(2), f₂(2) und P(2) sind. Diese Signale v/erden jeweils bei 404, 407, 409, 412, 415 und 417 erhalten.

Diese Signale werden anschließend in der Einheit 6 verarbeitet. Um Signale zu beschaffen, die den Gleichungen (1), (2) und (3) entsprechen, werden die Werte von f..(l) und f. (2), f_?(l) und f₂(2), F(I) und F(2) in den digitalen Subtrahierschaltungen 5.1 und 5.2 subtrahiert. Die Ausgangssignale werden jeweils mit den Koeffizienten

i__ und

_ J_ ? i__ und—

4 sin^ V₁ ' Tsin λ T₂ 4 sinjL

in den Digitalmultiplikatoren 5-3 und 5.4 multipliziert. Die Schaltungen 5.1 und 5-3 werden von den Zählern 4.7 durch das Taktsignal H- synchronisiert, um ^Tvleßwerte alle 30 msec zu liefern.

Die von der Entscheidunrslogik 5.6 gelieferten Signale umfassen zwei Arten: bei 505 die Freirabesignale υ_χ (f ) oder ο_{χ V}(F₂)> die in dem einzelligen Binärspeicher 5.10 gespeichert werden und bei 506 Freigabesignale ^u (^) und ϋ_χ „(F₂), die in dem Speicher des einzelligen Binärspeichers 511 gespeichert werden. Die Adressen für diese Register werden durch die Schaltung 5·7 aufgebaut (inkrementiert).

Die Notation U (f.) wird für die x-Komponente von U für eine

^x y ι -9»

Halbperiode von H. und für die y-Komponente von U für die andere Halbperiode von H. verwendet, welche Komponenten ausgehend von den Signalen der Frequenz f. erhalten werden.

Am Ausgang 502 der Multiplizierschaltung 5·^ erhält man während

einer Halbperiode des Taktsignales IL den digitalen Wert für die

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—*

χ- oder y-Komponente der Absolutgeschwindigkeit W.

Am Ausgang der Multiplizierschaltunren 5·3 wird bei 500 und der digitale Wert der Komponenten der Relativgeschwindigkeit Schiff/Strömung erhalten, der durch die Signale mit den Frequenzen f. und f₂ gemessen wird. Diese Werte werden jeweils in dem Mehrfachspeicher 5.5 (für den aus f. erhaltenen Wert) und in dem Mehrfachspeicher 5·6 (für den von f~ erhaltenen Wert) gespeichert.

Ausgehend von den Taktsignalen K- baut die Schaltung 5.7 die Speicheradressen für die Speicher 5·5, 5·6, 5·10 und 5.11 auf. Auf diese Weise werden 64 verschiedene Messungen erhalten, die zu jeder Halbperiode des Taktsignales H₁ freigegeben werden, was 64 aufeinanderfolgenden Wasserschichten von je 20 m Dicke entspricht .

Gemäß der Erfindung wird bei großen Varianten der Signale der verschiedenen Wasserscrichten der beste Wert der beiden erhaltenen Messungen ausgewählt, der eine ^u _xv(*\) für f., der andere U_x (fp) für fp. Hierzu werden die Dopülersignale analysiert nicht nur, um den besten Meßwert zu ermitteln, sondern auch um festzustellen, ob eventuell keiner von beiden geeignet ist.

Hierzu werden zunächst eventuelle Verringerungen in der Signalamplitude, die unter eine bestimmte Schwelle führen, unterhalb derer die Zähler falsche Ergebnisse liefern wurden, festgestellt.

Die Ausgangssignale der zweiten Entscheidungslogik 5.8 steuern die Umschalter 5.12 und 5-13· Die Werte für die Komponenten der Absolutgeschwindigkeit W , die durch die Schaltung 4.5 bei 502

^ y

geliefert werden, werden nicht übertragen, wenn der Signalpegel des Echos nicht ausreichend ist. Wenn dieser Pegel hoch genug ist, wird das Signal 502 gleichzeitig an den Speicher 5·14 übertragen und durchläuft den Umschalter 5.13 bei 508. Wenn dagegen der Signalpegel nicht ausreicht, wird der vorhergehende, bei 5·ΐ4 gespeicherte Wert von W bei 508 übertragen.

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Die aus dem Speicher 5.10 abgerufenen Binärsignale steuern die Wahl zwischen f. und f~ durch den Umschalter 5.15, der an seinen Eingängen die von den Speichern 5.5 und 5.6 gelieferten Vierte erhält. Am Ausganf 507 des Umschalters 5.15 wird ein Bestwert für die Komponente der Felativpeschwindipkeit zwischen Schiff und Strömung nach der Wahl zwischen U (f-i) ^unri U (f~) erhalten.

Die Werte W und U werden den Eingängen 507 und 508 einer Subtrahierschaltunp 5.16 zugeführt. An deren Ausgang 509 wird der Wert der Absolutpeschwindigkelt der Strömung V gemäß der Gleichung 1 erhalten. Diese Subtraktion erfolgt im Takt des Taktslgnales H₇,.

Die im Speicher 5.11 gesoeicherten Freigabesignale, die synchron zu den Werten des Speichers 5.10 und 5·5 oder 5.6 ausgelesen werden, dienen dazu, über den Schalter 5.17 die Meßwerte von V , die mit Fehlern behaftet sind, sowohl für T. als auch für f~ zu unterdrücken. Man erhält bei 510 auf diese Weise einen digitalen Meßwert, der für V auf einer Achse des Schiffes während einer Halbperiode des Taktsignales H₁ repräsentativ ist. Im Verlauf der darauffolgenden I'albneriode dieses Taktsignales, beispielsweise Ί Sekunden später, erhält man wie rezeigt einen weiteren Meßwert

—>
von V auf einer Achse, die senkrecht zur vorgenannten Achse ist.

Figur 6 zeigt einire zeitabhängige Signale, die an verschiedenen Punkten der Schaltung ab"-errif fen werden können. Das Signal der Zeile a stellt das Taktsignal IL dar, das den Wechselrhythmus von Senden und Empfang in den Ebenen xz und yz wiedergibt.

Das Signal der Zeile b stellt das Emissionsfenster dar, das in der Figur 3 bei der Position 31 auftritt. Seine Dauer ist einige Millisekunden. Das Signal der Zeile c stellt das Taktsignal K₂ dar, das nach Beendigung des Sendevorgangs die Horchperiode in Intervalle von 30 Millisekunden unterteilt. Diese Signale können zu ,ledern Moment ausgesandt werden, der mit dem Zyklus des Empfangs kompatibel ist, um Messungen in einer Folge von Wasserschichten vorzunehmen, wobei nicht zwangsläufig vorausgesetzt ist, _ifi-

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daß mit der Messung in der obersten Schicht nahe der Transduktoren begonnen werden iruß.

Das Signal der Zeile d entspricht der Spannung am Ausgang des Sendekreises 1 (Figur 3) bei der Position 200. Das heißt, daß es die Summe der beiden Signale mit den Frequenzen i\ und f~ darstellt. Diese Signale werden einmal in der Ebene xz und das andere Mal in der Ebene yz ausgesandt, wie dies durch die Symbole Cf₁ ⁺T₅) und

-L ύ. Α

(f₁+fp) in der Figur angedeutet ist.

In der Zeile e sind die Empfangssignale des Transduktors 2.2, abgegriffen bei 201 (Figur 2), während einer Halbperiode von H dargestellt. Die Zeile f enthält die Empfangssignale des Transduktors 3.2 (abgegriffen bei 301) während der anderen Halbperiode von H . Die Zellen g und h zeigen die Empfangssignale der Transduktoren 2.4 und 3.4 abgegriffen bei 202 und/oder 302.

Die vier Signale enthalter, anfangs die Raumrückstrahlunrssignale, deren Frequenz gleich den Orundfrequenzen f.. und f_? zuzüglich einer erlittenen DoOplerfrequenzverschiebunp· ist. Diesen folgt das durch den Meeresboden hervorgerufene Echosignal, dessen Frequenz ^w zuzüglich der erlittenen Dopplerverschiebung ist. Dies sind die vier einzigen Signale, die in Figur 6 dargestellt sind und die durch die Schaltungen 5 und 6 der figuren 4 und 5 verarbeitet werden.

In der Zeile 1 sind die Pakete der Binärsignale am Ausgang der Schaltung 5 bei der Position 510 dargestellt. Jedes dieser Signale setzt sich aus Binärsignalen zusammen, die die Absolutgeschwindigkeit der Wasserschicht entsprechend dem aus zwei Messungen, nämlich aus einer Messung mit der ^F(f#iSy-l-^enfw ^^und einer Messung mit der Frequenz f ~, ermittelten Bestwert^ Fine dieser Messungen kann sehr wohl unterdrückt werden, wenn die Amplitude für eine der beiden Komponentenbestimmungen nicht ausreicht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellung sind diese Signale synchron zu den Taktsignalen H- dargestellt. Es versteht sich von selbst, daß die Signale, nachdem sie gesDeichert sind, zu jedem

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beliebigen Zeitnunkt der Palbperiode des Taktsignals auch eventuell nit einer anderen Taktgeschwindigkeit Hp abgerufen werden können.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die gesamte digitale Verarbeitung, die durch die Schaltung 6 der Figur 5 vorgenommen wird, durch eine Schaltung ersetzt, wie sie in Figur 7 in der Übersicht dargestellt ist. Die Figur 7 zeigt ein Eingangs-Ausgangs-Interface 10.1, eine zentrale Rechnereinheit 10.2, die mit dem Interface 10.1 in Verhindunr steht, einen Festwertspeicher 10.3, einen Einlese/Auslese-Speicher 10.¹I, die über die Datenbusleitung 10.5 mit dem Interface in Verbindunr stehen. Die Datenauswahl folgt über die Adressenbusleitung 10.6. Die Taktfolge des Austausches wird durch den Taktgeber 10.7 gesteuert. Die Umschaltsignale H₁ für die Sendeachsen und die Signale für die Verstärkungsregelung (n.V.T.) sowie die Signale H„ für die Unterteilung der I'orchreriode in 30 Millisekunden-Intervalle werden nun durch diese Einheit reliefert. Somit kann der Taktgeber 9 der Figur 2 entfallen.

Das Prop-ramm für den Austausch der Daten, ihre Messunr, ihren Vergleich und für die Ausarbeitung der Taktsignale H. und H„ wird in dem Festwertspeicher 10.3 gespeichert, während die Daten und · vorläufigen Ergebnisse im Speicher 10.¹I abgespeichert werden.

Gemäß einer Ausführunrsvariante der Erfindung kann durch Änderung der Empfangskreise die Vertikalkomponente V der Meeresströmungen ermittelt werden.

Es gilt nämlich:

L, ^{(f(l) + f(2))}

wobei f eine der ^reauenzer, f. oder f_? ist.

Um folglich den Vert V zu erhalten, könnten die Schaltungen 5.1 und 5·2 p-eändert werden, indem die Subtrahierschaltungen durch

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Addierschaltungen ersetzt würden und in der Multiplizierschaltung: die Konstante

durch

f sin λ T f coscx-

ersetzt würde.

Bei dieser Maßnahme kann die vertikale Relativgeschwindigkeit zwischen Schiff und Strömung ermittelt werden. Zur Bestimmung· der Absolutgeschwindigkeit der Strömung· muß die vertikale Relativgeschwindigkeit zwischen Schiff und Meeresboden, die durch eine identische Rechnung wie oben erhalten wird, subtrahiert werden. Wenn die Messungen der vertikalen Pelativgeschwindigkeit verschiedener Schichten durch die Portbewegung des Schiffes und die damit entstehende Bugwelle zu sehr gestört werden, muß eine Korrektur vorgenommen werden und zwar nicht an der akustischen Information über die absolute Vertikalbewegung des Schiffes, derer. Informationstaktfolre zu gering ist, sondern rr.it Hilfe eines anderen Meßmittels, wie beispielsweise eines Peschleunigunrsmessers.

Die rein akustische Methode ist dagegen für einen eingetauchten Strömungsmesser gültig, bei dem die Bugwelle keinen Einfluß ausübt oder der so angebracht ist,dafter sich gegenüber dem Meeresboden nicht bewegt.

Eine bevorzugte Ausführungsform weist folgende Eigenschaften auf:

T₁ = 45 kHz

fp ⁼ 55 kHz, woraus sich ergibt:

F = 10 kHz.

Die Abmessungen der elektroakustischen Transduktoren sind 100 χ 200 mm (für Senden und Empfang identisch), die bei einer

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mittleren Frequenz von 50 kHz offnungswinkel von 7.5° in Richtung der Längsseite von 200 mm Länge, die in Richtung der Meßachse ausgerichtet ist, ergeben. Der Index der Direktivität ist 25,5 dB. Der maximale Schallpegel bei den Grundfrequenzen (f.. oder f_?) beträgt 126,5 dB mit einer elektrischen Leistung von 2 kW. Der Schallpegel bei der Frequenz F beträgt 95 dB.

Minimums iernal, empfangbar bei schwerer See (^), mit einem Signal/ Rausch-Verhältnis von 12 dB und einer Bandbreite von 30 Hz für die Frequenzen f. oder f₂: - 5^ dB.
Reichweite auf den Meeresgrund: 3000 m

Reichweite der Raumrückstrahlung bei Wasser mit einem Raumrückstrahlungsindex von - RO dB: 1000 m
Zahl der gemessenen Schichten: 6k
Dicke der Schichten: 20 m.

Im folgenden wurde ein Dopolersonargerät beschrieben, das nichtlineare Effekte des übertrafunpsmediums zur Kessung der Geschwindigkeit eines Schiffes in Bezur auf den Meeresgrund und zur Bestimmung der Oeschwindigkeitsnrofile der Meeresströmunpen ausnützt. Die "''essung kann bis zu Tiefen von 3000 m erfolgen.

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Claims

DIETRICH LEWINSKY o H NZJOACHiMHUBER 9· November 1979 REINfcR PRIETSCH 12.712 MÜNCHEN 21 GOTTHARDSTR 8 1 Thorrson-CSF, Pl. i'aussmann 17 3, p-75008 Paris (Frankreich) Patentansorüche:

1..' Meeresströmungsmesser, der an Hord eines sich fortbewegenden Schiffes arbeitet, mit einem Dopplersonargerät, das in mindestens vier, etwa eine lotrecht stehende regelmäßige Pyramide bildenden Richtungen Signale aussendet und Signale, die durch Raumrückstrahlung des Wassers und durch Reflexion am Meeresboden zurückgeworfen werden, empfängt, mit einer Verarbeitungsschal tun-^, die aus den empfangenen Signalen die Horizontalkomponenten der Strömungsgeschwindigkeit in Bezug auf das Schiff und die Horizontalkomponenten der Schiffsgeschwindigkeit ermittelt, und mit Rechnerschaltunpen zur Bestimmung der Horizontalkomponente der Strömungsgeschwindigkeiten in verschiedenen Meerestiefen, d_a_d_urch gekennzeichnet, daß das Dopplerscnargerät so ausgebildet ist, daß es gleichzeitir Signale zweier nrundfrequenzen (f.. , f_?) aussendet und folgende Signale aus den vier Richtungen (D., Dp, D,, D₁.) empfängt:

a die zu den briden Orundfrequenzsignalen (f-i> f_?) zugehörigen durch Raumrückstrahlung zurückgeworfenen Signale U|U; , ι ^\ d ) , ι. υΛ i|V^;, i₂vi;, ι ₂ ν ^ ; j ι ₂ ν j?; > J-₂v.**;;_: die jeweils eine Dopplerfrequenzverschiebung erfahren haben und

b die parametrischen Signale, die durch nichtlineare Wechselwirkung der beiden Grundfrequenzsignale entstehen und am Meeresboden reflektiert werden und Frequenzen

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ORIGINAL INSPECTED

(F(I), P(2), F(3), F(O) aufweisen, die der Differenz (F) der beiden Grundfrequenzen (T-,, fp) zuzüglich einer ,ieweils erlittenen Dopplerverschiebung entsprechen, daß die Verarbeitungsschaltunren (¹O die Geschwindigkeitskomponenten der Relativrreschwindigkeit zwischen dem Schiff (100) und der Strömung jeweils aus der Frequenzdifferenz (f.. (l)-f₁(2), f₂(l)-f„(2)) zweier durch Raumrückstrahlunp· zurückgeworfener Signale einer Ebene (Oxz enthaltend D. und D„ bzw. Oyz enthaltend D, und D₁.) für eines der beiden oder für beide Grundfrequenzsignale und die Komponenten (Richtung Ox und Oy) der Absolutgeschwindigkeit des Schiffes (100) aus den Differenzfrequenzen (F(1)-'^R1(2) und F(3)-F('O) zweier parametrischer Signale einer Ebene (Oxz bzw. Oyz) errechnen und durch Vergleich der Geschwindigkeitskomponenten die Meeresströmunsr ermitteln.

2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitunrsschaltunp· (^) eine erste Entscheidungslogik (5· 6) aufweist, durch die die Sip-nalamplituden der zu den

beiden Grundfrequenzen (f.jf-) rehörenden reflektierten Signale verglichen werden, und daß durch die Entscheidungslogik (5.6) ein Umschalter gesteuert wird, so daß das Jeweils grössere Signal übertragen wird.

3. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsschaltung (^) Schaltkreise aufweist, die durch ein Taktsignal der Periode (T₂) getaktet werden, um durch Untersuchunr der Zeitabhängigkeit der Empfangssignale die Horizontalkomponenten der Meeresströmung in verschiedenen Pieerestiefen zu ermitteln.

4. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Taktgeber mit einer Taktperiode (T ) Umschalter mit der Schaltfolge (T./2) steuert und das Senden, den Empfang und die Signalverarbeitung in zwei zueinander senkrechten Ebenen (Oxz und Oyz) umschaltet.

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5. Strfnrunrsnesser nach Ansoruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch RaumrückstraMunp· zurückpeworfenen Signale verstärkt, refiltert und einerseits einem Plnärzähler (4.7) und andererseits einem Detektor (4.11) zugeführt werden, dem eine Kippschaltung (4.1?) nachp-eschaltet ist, die die Signale für die tntscheidunrslop-ik (5·6) liefert.

6. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsschaltunp (4) einen Verstärker (4.2) mit zeitlich variabler Verstärkunr enthält, der die parametrischen Signale (Differenzfrequenz F) verstärkt, daß die verstärkten Signale Filtern (4.6), Detektoren/Integratoren (4.9) zugeführt werden und daß das integrierte Signal einerseits einen Binärzähler (4.R) für die verstärkten und gefilterten Signale auslöst und andererseits einer zweiten Entscheidungslogik (5·Ρ) zugeführt wird, die einen Umschalter steuert, der seinerseits zwischen dem Signal, das dem Wert der errechneten Schiffsgeschwindigkeit entspricht, und dem Signal, das dem vorausgegangenen gespeicherten Wert entspricht, umschaltet.

7· Strömungsmesser nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Komponenten der Relativgeschwindigkeit zwischen Schiff (100) und Strömung sowie die durch die erste Entscheidungslogik gelieferten Signale, die den Zeitintervallen T₂ entsprechen, Mehrfachspeichern zugeführt werden, die in einem langsameren Takt ausgelesen werden können.

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