Wie haben alte Radargeräte der WW2-Ära die Zeitverzögerung genau gemessen und in ein Oszilloskop integriert?

Die Lichtgeschwindigkeit beträgt ca. 300.000 km pro Sekunde. Ein Fehler von nur 1 ms würde zu einer Abweichung von etwa 300 km führen, was für ein Radar viel zu viel Fehler ist. Ich denke, es braucht eine Genauigkeit in der Größenordnung von 10 Mikrosekunden, um eine Entfernungsgenauigkeit von 3 km zu erreichen.

Ich möchte jedoch wissen, wie die Mikrosekundengenauigkeit in ein Oszilloskop integriert ist, sodass ein menschlicher Bediener einen Unterschied von 1 ms visuell feststellen kann. Wie war die Übersetzung? ZB 1 Mikrosekunde Unterschied versetzt den Blip 10 Millimeter entfernt? Ich verstehe, dass ein Oszilloskop ein Signal in Spannung umsetzt. Was ich jedoch nicht bekomme, ist, wie die Zeitverzögerung verarbeitet und auf dem Bildschirm angezeigt wird. Wurden dafür Vakuumröhren benötigt?

Die grundlegende PPI-Radaranzeige (Plan Position Indicator) - die Art, bei der eine helle Linie wie der Sekundenzeiger einer Uhr über einen kreisförmigen Bildschirm läuft - basiert auf dem Prinzip, dass die Elektronik den "Sweep" des Elektronenstrahls in einem Kreis erzeugt Radialpfad, während das Signal vom Radarempfänger seine Intensität steuert. Immer wenn ein starkes Signal empfangen wird, wird auf dem Display ein heller Fleck erzeugt. Die Position des "Blips" entspricht direkt der Position des Ziels, das es in der realen Welt erzeugt hat.

Analoge Schaltkreise dieser Zeit könnten leicht eine Bandbreite von 10 MHz oder mehr haben, was eine Entfernungsauflösung in der Größenordnung von 15 Metern (50 Fuß) oder so ermöglicht. (Denken Sie daran, dass das Signal zwei Fahrten ausführen muss, damit Sie die doppelte Auflösung erhalten, die Sie sonst erwarten würden.) Nehmen Sie an, dass die Reichweite auf 75 km (ca. 45 Meilen) eingestellt ist. Es dauert ca. 0,5 ms, bis das Signal mit maximaler Reichweite zum Empfänger zurückkehrt. Dies 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 dazu ist nicht komplizierter als der Horizontal-Sweep-Generator eines gewöhnlichen Oszilloskops. Kürzere Reichweiteneinstellungen erfordern ein schnelleres Kehren, sind aber immer noch in Ordnung.

Die Ausgabe eines Impulsgenerators könnte auch zum Intensitätssignal hinzugefügt werden, um Bereichsmarkierungen auf dem Display zu erstellen - konzentrische Kreise, mit denen der Bediener die Entfernung zu einem Ziel besser beurteilen kann.

Ein Sägezahngenerator liefert das grundlegende Wobbelsignal von der Mitte bis zum Rand des Displays. Es gab eine Reihe von Möglichkeiten, um die Drehung mit der physischen Position der Antenne zu synchronisieren. Die allerersten Versionen drehten die Ablenkspulen tatsächlich mechanisch um den Hals des CRT-Displays. Spätere Modelle verwendeten ein spezielles Potentiometer mit integrierten Sinus- und Cosinusfunktionen. Das Wobbelsignal (und sein Komplement) wurde an die Endanschlüsse angelegt, der Wischer wurde von einem Synchronmotor gedreht und die beiden Abgriffe stellten die Signale für die (jetzt fixiert) X- und Y-Ablenkplatten. Später wurde diese Sinus / Cosinus-Modulation noch vollständig elektronisch durchgeführt.

Ein Problem war, dass diese Anzeigen nicht sehr hell waren, hauptsächlich wegen der lang anhaltenden Leuchtstoffe, die zur Erzeugung eines Bildes verwendet wurden, das lange genug "verweilte", um nützlich zu sein. Sie mussten in einem abgedunkelten Raum verwendet werden, manchmal mit Abzugshauben, in die der Bediener hineinsehen konnte. Ich war während des Zweiten Weltkriegs nicht am Leben, habe aber in den frühen 1980er Jahren an einem Chip gearbeitet, der das Signal eines Radargeräts digitalisieren und "rastern" konnte, damit es auf einem herkömmlichen Fernsehbildschirm angezeigt werden konnte. Ein solcher Monitor könnte viel heller gemacht werden (kurz anhaltende Leuchtstoffe) - hell genug, um beispielsweise direkt im Kontrollturm eines Flughafens verwendet zu werden, so dass der Turmbetreiber nicht auf mündliche Mitteilungen eines separaten Radarbetreibers angewiesen sein muss in einem anderen Raum. Der Chip simulierte sogar den "langsamen Zerfall" Funktion der Analoganzeige. Heutzutage verfügt jedes billige digitale Oszilloskop über diese Funktion "variable Persistenz". :-)

Natürlich musste ich die Radialabtastung der Analoganzeige simulieren, wenn ich das Empfängersignal in den Videobildpuffer schrieb. Ich habe einen 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.

Wurden dafür Vakuumröhren benötigt?

Ein traditionelles analoges Oszilloskop ist im Wesentlichen eine Vakuumröhre (CRT), bei der der Zeitbasis-Sägezahn und das Signal direkt auf die horizontale und vertikale Platte angewendet werden, um den Strahl auf eine sich bewegende Stelle auf dem Bildschirm zu lenken.

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

AFAIK, alle Oszilloskope des Zweiten Weltkriegs arbeiteten nach diesem Prinzip, sodass Vakuumröhren ein fester Bestandteil des Oszilloskopdesigns waren.

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

Die horizontale Auslenkung wurde von einer Sägezahnwelle angetrieben. Die Anstiegsgeschwindigkeit dieses Sägezahns bestimmte die Skalierung zwischen Zeit und horizontaler Position auf dem Bildschirm. In der heutigen Zeit kann die Skalierung zwischen einigen Pikosekunden pro Zentimeter Bildschirmfläche und Stunden pro Zentimeter liegen. In den 1940er Jahren hätte der höchste Maßstab nicht Pikosekunden pro Zentimeter betragen, aber er hätte durchaus Mikrosekunden pro Zentimeter betragen können.

Offensichtlich ist die herkömmliche Radaranzeige etwas komplizierter, wenn die "horizontale" Achse (Zeitbasis, die der Reichweite in einem Radarsystem entspricht) um die Mitte des Bildschirms gedreht wird, um die Ausrichtung der Antenne während der Drehung und I anzuzeigen bin mir nicht sicher wie das gelungen ist (ich kann mir ein paar verschiedene möglichkeiten vorstellen). Dies ändert jedoch nichts an dem fundamentalen Punkt, dass die "Entfernungs" -Auflösung des Radars auf dem Bildschirm nur davon abhängt, wie schnell die Spannung der "horizontalen" Ablenkplatte ansteigt.

Das am 7. Dezember 1941 in Pearl Harbor vorhandene SCR-270-Radar hatte die folgenden Eigenschaften:

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

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

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

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

Vorhersage der Bandbreite durch 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 Megaradiant / Sekunde oder 16 MHz; unter Verwendung der Tektronix-Faustregel von 0,35 / Bandbreite für die Reaktion von Mehrstufensystemen oder 0,35 / 16 MHz beträgt die Trise 20 Nanosekunden; 20 ns für 20 Fuß in eine Richtung, 10 Fuß in zwei Richtungen, Auflösung.

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

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

Angenommen, das Radar ist für eine Reichweite von 100 Meilen ausgelegt. Dies sind rund 160 km.

Wie Sie auch bemerkt haben, werden die X- und Y-Ablenkungen der Oszilloskopanzeige durch unabhängige Spannungseingänge gesteuert. Betrachten wir einen einfachen A-Scope Setup . Führen Sie die X-Ablenkung von einem Schaltkreis aus, der einen Sweep von -V nach + V erzeugt (ganz links nach ganz rechts im Display). (Dies war höchstwahrscheinlich eine Röhrenschaltung.) Die Schaltung ist so ausgelegt, dass die Gesamtzeit von Schiene zu Schiene 1 ms beträgt. Dieser Sweep würde wahrscheinlich durch dasselbe Zeitsignal ausgelöst, das die Radarsendung auslöst.

Die Y-Ablenkung wird vom Radarempfänger eingespeist. Das Signal wird unabhängig von der Sweep-Position angezeigt, wenn die Reflexion empfangen wird. Je später eine Reflexion vom Empfänger erfasst wird, desto weiter rechts erscheint das Symbol auf dem Display.

Das Wichtigste ist, dass der Punkt auf der Zielfernrohranzeige nur einige Zentimeter zurückgelegt werden muss, während sich die Radarwelle über 200 Meilen (hin und zurück) bewegt. In diesem Sinne kann die Anzeigeelektronik viel langsamer als die "Lichtgeschwindigkeit" laufen. Ein 1-ms-Sweep wird in der Röhrenelektronik leicht erreicht. Dies ist dieselbe Technologieklasse wie die Verstärkung von Audiosignalen. Zum Vergleich betrug die horizontale Abtastperiode, die in jedem alten NTSC-Fernsehgerät verwendet wurde, etwa 0,064 ms.

Das Radarsystem kann kalibriert werden, indem ein Ziel in einen bekannten Bereich gebracht und die Schaltkreise so eingestellt werden, dass die angezeigten Größen mit der Bodenwahrheit übereinstimmen. (Das Kalibrieren des Systems muss eine Kunstform gewesen sein!)

$300000\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{s}}$

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 Rückkehr von mehreren Echos stört und ein Rückkehrsignal 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 die Entfernung zu jedem genau gemessen werden könnten.