Wie haben alte Radargeräte aus dem 2. Weltkrieg die Zeitverzögerung genau gemessen und in ein Oszilloskop integriert?

Die grundlegende PPI-Radaranzeige (Plan Position Indicator) – die Art, die eine helle Linie hat, die wie der Sekundenzeiger einer Uhr um einen kreisförmigen Bildschirm fegt – funktioniert nach dem Prinzip, dass die Elektronik den „Sweep“ des Elektronenstrahls in a erzeugt radialen Weg, während das Signal vom Radarempfänger seine Intensität steuert. Immer wenn ein starkes Signal empfangen wird, entsteht ein heller Fleck auf dem Display. Die Position des "Blips" entspricht direkt der Position des Ziels, das ihn in der realen Welt erzeugt hat.

Analoge Schaltungen dieser Zeit konnten leicht eine Bandbreite von 10 MHz oder mehr haben, was eine Entfernungsauflösung in der Größenordnung von etwa 15 Metern (50 Fuß) ermöglichte. (Denken Sie daran, dass das Signal zwei Fahrten zurücklegen muss, sodass Sie die doppelte Auflösung erhalten, die Sie sonst erwarten würden.) Angenommen, die Reichweite ist auf 75 km (etwa 45 Meilen) eingestellt. Das Signal benötigt etwa 0,5 ms, um bei maximaler Reichweite zum Empfänger zurückzukehren, was bedeutet, dass sich der Elektronenstrahl auf dem Display für jeden gesendeten Impuls in dieser Zeit von der Mitte zum Rand des Displays bewegen muss. Die Schaltung dafür ist nicht komplizierter als der Horizontal-Sweep-Generator eines gewöhnlichen Oszilloskops. Kürzere Bereichseinstellungen erfordern schnelleres Sweeping, aber immer noch im Rahmen des Zumutbaren.

Der Ausgang eines Impulsgenerators könnte auch dem Intensitätssignal hinzugefügt werden, um Entfernungsmarkierungen auf dem Display zu erstellen – konzentrische Kreise, mit denen der Bediener die Entfernung zu einem Ziel besser einschätzen kann.

Ein Sägezahngenerator liefert das grundlegende Sweep-Signal von der Mitte bis zum Rand des Displays. Es gab eine Reihe von Möglichkeiten, um es dazu zu bringen, sich synchron mit der physischen Position der Antenne zu drehen. Die allerersten Versionen drehten die Ablenkspulen tatsächlich mechanisch um den Hals des CRT-Displays. Spätere Modelle verwendeten ein spezielles Potentiometer mit eingebauten Sinus- und Kosinusfunktionen – das Wobbelsignal (und sein Komplement) wurde an die Endanschlüsse angelegt, der Schleifer wurde von einem Synchronmotor gedreht, und die beiden Abgriffe lieferten die Signale an den (jetzt fixiert) X- und Y-Umlenkplatten. Später wurde diese Sinus/Cosinus-Modulation vollständig elektronisch durchgeführt.

Ein Problem war, dass diese Displays nicht sehr hell waren, hauptsächlich wegen der langlebigen Leuchtstoffe, die verwendet wurden, um ein Bild zu erzeugen, das lange genug "verweilte", um nützlich zu sein. Sie mussten in einem abgedunkelten Raum verwendet werden, manchmal mit Hauben darüber, in die der Bediener hineinschauen konnte. Ich war während des Zweiten Weltkriegs nicht am Leben, aber ich habe in den frühen 1980er Jahren an einem Chip gearbeitet, der das Signal von einem Radargerät digitalisieren und "rastern" konnte, damit es auf einem herkömmlichen Fernsehmonitor angezeigt werden konnte. Ein solcher Monitor könnte viel heller gemacht werden (Leuchtstoffe mit kurzer Nachleuchtdauer) – hell genug, um beispielsweise direkt im Kontrollturm eines Flughafens verwendet zu werden, sodass der Tower-Operator nicht auf mündliche Nachrichten von einem separaten Radaroperator angewiesen wäre in einem anderen Raum. Der Chip simulierte sogar den „langsamen Zerfall“ Funktion der Analoganzeige. Heutzutage hat jedes billige digitale Oszilloskop diese "variable Persistenz"-Funktion. :-)

Natürlich musste ich beim Schreiben des Empfängersignals in den Videobildpuffer den Radialscan der analogen Anzeige simulieren. Ich habe ein ROM verwendet, um die gemeldete Winkelposition der Antenne in Sinus/Cosinus-Werte umzuwandeln, die einem Paar DDS-Generatoren zugeführt wurden, um eine Folge von X- und Y-Speicheradressen für jeden Sweep zu erzeugen.

Brauchte man dafür Vakuumröhren?

Ein herkömmliches analoges Oszilloskop ist im Wesentlichen eine Vakuumröhre (die CRT), bei der der Zeitbasis-Sägezahn und das Signal direkt an die horizontalen und vertikalen Platten angelegt werden, um den Strahl auf eine sich bewegende Stelle auf dem Bildschirm zu richten.

Vakuumröhren wären auch in den Verstärkerschaltungen verwendet worden, um die großen Spannungen zu erzeugen, die auf den Platten benötigt werden, um den Strahl zu bewegen.

AFAIK, jedes Zielfernrohr der Ära des Zweiten Weltkriegs arbeitete nach diesem Prinzip, daher waren Vakuumröhren ein fester Bestandteil des Zielfernrohrdesigns.

Was ich jedoch wissen möchte, ist, wie die Millisekundengenauigkeit in ein Oszilloskop integriert wird, sodass ein menschlicher Bediener visuell einen Unterschied von 1 ms feststellen kann.

Die horizontale Ablenkung wurde durch eine Sägezahnwelle angetrieben. Die Anstiegsgeschwindigkeit dieses Sägezahns bestimmt die Skalierung zwischen Zeit und horizontaler Position auf dem Bildschirm. In einem aktuellen Tagesumfang kann die Skalierung zwischen einigen Pikosekunden pro Zentimeter Bildschirmfläche und Stunden pro Zentimeter liegen. In den 1940er Jahren wäre die höchste Skala nicht Pikosekunden pro Zentimeter gewesen, aber es hätte durchaus Mikrosekunden pro Zentimeter sein können.

Offensichtlich gibt es in der traditionellen Radaranzeige ein wenig zusätzliche Komplexität, bei der die "horizontale" (Zeitbasis, entspricht der Reichweite in einem Radarsystem) Achse um die Mitte des Bildschirms gedreht wird, um den Kurs der Antenne anzuzeigen, während sie sich dreht, und I Ich bin mir nicht sicher, wie dies bewerkstelligt wurde (ich kann mir ein paar verschiedene Möglichkeiten vorstellen). Dies ändert jedoch nichts an dem grundlegenden Punkt, dass die "Entfernungs" -Auflösung des Radars auf dem Bildschirm nur dadurch bestimmt würde, wie schnell die Spannung der "horizontalen" Ablenkplatte erhöht wurde.

Das SCR-270-Radar, das am 7. Dezember 1941 in Pearl Harbor vorhanden war, hatte die folgenden Eigenschaften:

• Sendefrequenz: 105 MHz
• Impulsbreite: 10-25 µsec
• Wiederholrate: 621 Hz
• Leistungsstufe: 100 kW
• Maximale Reichweite: 250 Meilen
• Genauigkeit: 4 Meilen, 2 Grad

Es verwendete eine große Anzahl von Vakuumröhren, einschließlich einer CRT (das gesamte Radar belegte 4 große Anhänger). Der folgende Link zeigt die tatsächliche Oszilloskop-Spur, als die sich nähernden japanischen Flugzeuge erkannt wurden:

http://www.pearl-harbor.com/georgeelliott/scope.html .

Betrachten Sie die 12SK7-Vakuumröhre: gm von 0,002, Plattenwiderstand von 0,8 Megaohm, Gitterkapazität von 6 pF, Ausgangskapazität (Platte) von 7 pF.

Vorhersage der Bandbreite nach gm/C. Angenommen Knoten C ist 6p + 7p + 7p parasitär = 20pF.

Die Bandbreite beträgt 0,002 / 20e-12 = 0,0001 * e+12 = 1e+8 = 100 MegaRadian/Sekunde oder 16 MHz; Unter Verwendung der Tektronix-Faustregel von 0,35/Bandbreite für die Reaktion von mehrstufigen Systemen oder 0,35/16 MHz beträgt die Trise 20 Nanosekunden; 20 nS mit einer Auflösung von 20 Fuß in eine Richtung und 10 Fuß in 2 Richtungen.

http://www.r-type.org/pdfs/6sk7.pdf

Wenn ich das richtig verstehe, geht es um die Frage, wie die Radaranzeigeelektronik mit Lichtgeschwindigkeiten genau umgehen kann. Hier werde ich zeigen, dass die Radaranzeigeelektronik langsamer laufen kann, als Sie vielleicht erwarten.

Nehmen wir an, das Radar ist für eine Reichweite von 100 Meilen ausgelegt. Der Einfachheit halber gerundet sind dies ungefähr 160 km.

Wie Sie bemerkt haben, bewegt sich die Radarwelle mit etwa 3e8 Metern pro Sekunde. Die Zeit, die die Radarwelle benötigt, um ihre maximale Reichweite zu erreichen, beträgt also:

Wie Sie auch bemerkt haben, werden die X- und Y-Ablenkungen der Oszilloskopanzeige durch unabhängige Spannungseingänge gesteuert. Betrachten wir ein einfaches A-Scope- Setup. Führen Sie die X-Ablenkung von einer Schaltung aus, die einen Sweep von -V nach +V (ganz links nach ganz rechts auf dem Display) erzeugt. (Dies war höchstwahrscheinlich eine Röhrenschaltung.) Die Schaltung ist so ausgelegt, dass die Gesamtzeit, die benötigt wird, um von Schiene zu Schiene zu gehen, 1 ms beträgt. Dieser Sweep würde wahrscheinlich durch das gleiche Zeitsignal ausgelöst, das die Übertragung des Radars auslöst.

Die Y-Ablenkung wird vom Radarempfänger gespeist. Der Blip erscheint unabhängig von der Sweep-Position, wenn die Reflexion empfangen wird. Je später also eine Reflexion vom Empfänger erfasst wird, desto weiter rechts erscheint der Blip auf dem Display.

Zu beachten ist, dass, während die Radarwelle 200 Meilen (hin und zurück) zurücklegt, der Punkt auf dem Oszilloskop-Display nur wenige Zentimeter zurücklegen muss! In diesem Sinne kann die Anzeigeelektronik viel langsamer als "Lichtgeschwindigkeit" laufen. Ein 1-ms-Sweep wird in der Röhrenelektronik leicht erreicht. Es ist die gleiche Technologieklasse wie die Verstärkung von Audiosignalen. Zum Vergleich: Die horizontale Sweep-Periode, die in jedem alten NTSC-Fernsehgerät verwendet wurde, betrug etwa 0,064 ms.

Das Radarsystem kann kalibriert werden, indem ein Ziel in bekannter Entfernung platziert und die Schaltkreise so angepasst werden, dass die angezeigten Größen mit der Grundwahrheit übereinstimmen. (Das Kalibrieren des Systems muss eine Kunstform gewesen sein!)

Es ist$300000\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{s}}$.

Eine Möglichkeit besteht darin, das Radarsignal mit einer Sinuswelle zu modulieren und dann die Phasendifferenz des Modulationssignals zwischen gesendetem und zurückgesendetem Signal zu messen – diese Differenz ist immer proportional zur Entfernung. Der Nachteil ist, dass die Rücksendung mehrerer Echos interferiert und ein Rücksignal erzeugt, das einen Abstand irgendwo in der Mitte zwischen beiden anzeigt.

Spätere Modelle würden ein Radar-"Chirp" verwenden, bei dem die Modulationsfrequenz ein Sägezahn wäre, wodurch verschiedene Echos unterschieden und der Abstand zu jedem genau gemessen werden könnten.