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Anordnung zur verbesserten Anzeige, Erfassung bzw. Auswertung der
Lagekoordinaten von Zielen bei Impulsradargeräten Ortsfeste Radarstationen arbeiten
bekanntlich in der Weise, daß zumindest alle bewegten reflektierenden Objekte, die
sich innerhalb einer gegebenen größten Entfernung befinden, unter Verwendung von
Polarltoordinaten in lagemäßiger Zuordnung auf dem Leuchtschirm einer Braunschen
Röhre dargestellt werden und daß daraus die Lage und Bewegungsgrößen der interessierenden
Objekte ermittelt werden.
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Diesem Verfahren haften verschiedene, im folgenden näher erläuterte
Mängel an, deren Vermeidung bzw.
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Beseitigung mit den Mitteln der bisherigen Entwick lungsrichtung zu
einem immer größeren gerätemäßigen Aufwand führt.
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Das Radarbild soll es ermöglichen, laufend Meßwerte über den Ort
des jeweils interessierenden Objektes, seine Bewegungsrichtung und seine Geschwindigkeit
zu erhalten. Die Entnahme dieser Daten aus dem heute üblichen Schirmbild ist nicht
nur sehr zeitraubend, sondern auch sehr ungenau; außerdem besteht die Gefahr menschlicher
Irrtümer, die zu Katastrophen führen können. Vielfach ist es ferner sehr wichtig,
außer dem Weg und den Bewegungsdaten des einzelnen Zieles auch dessen Lage gegenüber
benachbarten Objekten, mit denen es kollidieren könnte, möglichst genau zu kennen.
Es müssen also sehr kleine Entfernungen noch relativ groß wiedergegeben werden.
Dies zwingt zur Verwendung sehr großer Bildschirme, wobei die heute verfügbaren
größten Bildschirme durchaus noch nicht befriedigen.
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Bei steigendem Durchmesser wird nicht nur die Röhre teuer, sondern
auch die ganze Anlage sehr groß; außerdem ist es durchaus fraglich, ob sehr großc
Röhren überhaupt noch so verzerrungsfrei sind, daß das Bild auf ihnen hinreichend
exakt wiedergegeben wird. Vermutlich erreicht man hier in der Praxis bald eine kaum
noch überschreitbare Grenze. Abgesehen von Mängeln der Bildröhre ist oft die Punktschärfe
nicht ausreichend, um die Lage des beobachteten Objekts hinreichend genau anzugeben.
Da die verwen dete Impulslänge und die Breite des Antennendiagramms die Punktschärfe
bestimmen, bemüht man sich daher, die Impulslänge immer kürzer zu machen, was jedoch
wegen der vorhandenen Kapazitäten der Leitungen immer schwierigere Schaltungen erfordert.
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Ferner muß die Bandbreite des Gerätes dann größer werden, so daß das
Rauschen ansteigt. Läßt man auch die Impulsspitzenleistung wachsen, um den Rauschabstand
des Signals zu erhalten, so bekommt man wachsende Schwierigkeiten mit der Spannungsfestigkeit
des Gerätes, und der Aufwand steigt auch hier.
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Anderseits muß man auch das Antennendiagramm schmaler machen, ds h.
größere Antennen verwenden.
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Auch dies ist eine erhebliche Schwierigkeit, weil dabei das Gewicht,
die Kosten und der Winddruck wachsen, außerdem mechanische Verbiegungen der Antenne
durch ungleiche Erwärmung, durch das Eigengewicht und durch den Wind die Erreichung
von Diagrammwinkeln unter 10 fast unmöglich machen. Ferner ist bekannt, daß eine
Vervielfachung der Antennengröße nicht zu der theoretisch erwarteten Verbesserung
des Antennendiagramms führt, sondern daß in der Praxis wesentlich weniger erreicht
wird, so daß die Verbesserung des Diagramms in keinem Verhältnis zum vergrößten
Aufwand steht. Es besteht daher heute det Zustand, daß eine weitere Verbesserung
der Punktschärfe mit einem unverhältnismäßig hohen technischen Aufwand verbunden
ist. Im übrigen hat eine aufs höchste gesteigerte Punktschärfe sogar oft dazu geführt,
daß größere Objekte auf dem Schirmbild in mehrere helle Punkte zerfallen und dadurch
schwer er kennbar werden, weil das große Objekt meist aus mehreren gut und schlecht
reflektierenden Zonen besteht.
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Dies setzt der sendeseitig erzielbaren Verbesserung der Auflösung
eine praktische Grenze.
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Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, daß erfahrungsgemäß nicht
das ganze Bild in dieser Genauigkeit interessiert, sondern nur relativ kleine Ausschnitte
aus der Umgebung einiger weniger Objekte, deren Bewegung zu gewissen Zeiten besonders
genau bekannt sein muß. Es ist daher unzweckmäßig, alle Objekte mit der höchsten
Schärfe zu erfassen, wenn dies großen Aufwand erfordert, sondern es genügt, wenn
durch geeignete Einrichtungen nur kleine Teile des Bildes besser aufgelöst werden.
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Vom Standpunkt der Informationstheorie enthalten die Echoimpulse
des Radargerätes wesentlich mehr Informationen, als vom Bildschirm wiedergegeben
werden. Es ist daher technisch nicht sinnvoll, mit dem die Informationen schlecht
ausnutzenden Bildschirm zu arbeiten und die Mängel des Systems durch einen hinsichtlich
Antennen, Senderleistung und Impulslänge viel zu großen technischen Aufwand zu überwinden.
Nach der Erfindung werden vielmehr durch bessere Ausnutzung des Informationsinhalts
die Mängel des Verfahrens beseitigt, ohne daß hinsichtlich des Radargerätes gesteigerte
Anforderungen zu stellen sind.
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Die Erfindung bedient sich hierbei unter anderem einer Maßnahme,
die im Zusammenhang mit Radargeräten an sich bereits Anwendung gefunden hat, nämlich
der Verwendung von Zwischenspeichern. Es ist ein Verfahren bekannt, bei dem zwischen
Empfänger und Anzeigegerät eine Reihe von einzelnen Speichern angeordnet ist, die
im Rhythmus der Impulsfolgefrequenz nacheinander für kurze Zeit aufgetastet werden.
Hierbei wird die bekannte Tatsache ausgenutzt, daß durch die Speicherung die periodisch
wiederkehrenden Empfangsimpulse gegenüber den statistisch auftretenden Störspannungen
(Rauschen) bevorzugt werden, so daß das Verhältnis zwischen Nutz- und Störsignalen
verbessert wird. Das dort verfolgte Ziel, nämlich die Herabsetzung des Einflusses
von Störsignalen auf die Beobachtbarkeit der Nutzsignale, liegt außerhalb des oben
angedeuteten Aufgabenbereiches, dessen Lösung die Erfindung sich zum Ziel gesetzt
hat.
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung, die die Anzeige, Erfassung
und Auswertung von Zielen bei Impulsradargeräten mit periodisch geschwenkter Antennenstrahlrichtung
in wesentlich vorteilhafterer Weise gestattet, als es mittels der bekannten, in
Polarkoordinaten geschriebenen Bildröhre möglich ist. Das Wesen dieser Anordnung
besteht darin, daß die gleichgerichteten Empfangsimpulse einer Reihe von gleichen
Speichern zugeführt werden, deren einzelne Speicher in an sich bekannter Weise nacheinander
durch Zeitschalter jeweils für die gleiche Öffnungszeit t aufgetastet werden, wobei
die Öffnungszeit t der einzelnen Speicher für die Entfernungsmessung jeweils etwa
gleich der Dauer des Senderimpulses und für die Winkelmessung jeweils etwa gleich
der für das Uberstreichen eines punktförmigen Zieles durch den Hauptstrahlungszipfel
der Antenne erforderlichen Zeit ist, daß die Zeitdifferenz zwischen dem Öffnungsbeginn
benachbarter Speicher kleiner als t, vorzugsweise gleich t/2 ist und daß durch Vergleich
der in den einzelnen Speichern entstandenen Gesamtladungen Meßwerte zur Anzeige
bzw. Auswertung der Entfernungs-und/oder Winkellage des erfaßten Zieles erhalten
werden.
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Meist wird man dabei die Anordnung so treffen, daß sowohl Meßwerte
für die Entfernungs- als auch Werte für die Winkelkoordinate des interessierenden
Zieles gebildet werden. Die zeitlich gestaffelte Abtastung der Empfangssignale entspricht
entfernungs und winkelmäßig nur einem kleinen Ausschnitt des Schirmbildes. Die in
den einzelnen Öffnungszeiten gewonnenen Meßwerte der jeweiligen Signalamplitudc
ermöglichen es aber, wie nachstehend näher erläutert wird, in exakter Weise den
genauen Ort des interessierenden Zieles festzulegen. Die entsprechenden Koordinaten
sind an den Einstellgliedern unmiftelbar in Zahlenwerten abzulesen, wobei in weiterer
Ausbildung der Erfindung die Einstellglieder durch aus den
Meßwerten gebildete Kriterien
selbsttätig, der Bewegung des Zieles entsprechend, nachgeregelt werden.
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Infolge der Antennenschwenkung steht das Empfangssignal des zu erfassenden
Zieles jeweils nur ganz kurze Zeit zur Verfügung. Die erfindungsgemäß angewandten
Zwischenspeicher erfüllen in diesem Zusammenhang die weitere Aufgabe, diese Meßwerte
jeweils bis zum neuerlichen Überstreichen des gleichen Zieles festzuhalten.
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Die Erfindung gestattet es ferner, daß von dem Gerät erfaßte Gesamtbild
auf einer relativ kleinen Bildröhre wiederzugeben, die nur ein Übersichtsbild gibt,
während die unmittelbare Umgebung des interessierenden Objektes in starker Vergrößerung
auf einem zweiten Bildschirm geeigneter Größe dargestellt wird.
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Durch die erwähnte Regelautomatik kann dabei das Bedienungspersonal
von der Arbeit befreit werden, das betreffende Objekt jeweils durch Handregelung
im Bildfeld der zweiten Röhre zu halten; die Einrichtung kann vielmehr so getroffen
werden, daß der betrachtete Teilausschnitt mit dem Objekt mitwandert und dieses
stets in der Mitte des zweiten Bildfeldes verbleibt. Auf diese Weise ist es möglich,
nicht nur den Ort, die Geschwindigkeit und die Bewegungsrichtung des betrachteten
Objektes aus dem Rechenautomaten zu entnehmen, der die genannte Regelautomatik steuert,
sondern den Teilausschnitt-Bildschirm auch zur Bestimmung des Abstandes und der
relativen Bewegung der Nachbarobjekte zu verwenden. Hierzu wird dieser Bildschirm
mit einem Koordinatennetz überzogen, an dem man die gewünschten Daten ablesen kann.
Selbstverständlich kann auch die Auswertung des Teilbildschirms hinsichtlich der
Nachbarobjekte nach den später beschriebenen Verfahren automatisiert werden.
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Das Grundprinzip der Erfindung soll zunächst an der Aufgabe erläutert
werden, den Abstand eines nahezu punktförmigen Objektes vom Radargerät mit Hilfe
der aus dem Empfänger kommenden Impulsfolge genauer zu messen, als dies bei der
gegebenen Impulsbreite nach den üblichen Verfahren möglich ist.
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Nach Abb. 1 wird aus einem Impulserzeuger A der Senderimpuls nicht
nur zum Sender, sondern gleichzeitig auch in eine Folge von Laufzeitgliedern L1
bis Le geschickt, aus denen der Impuls mit zeitlicher Verzögerung austritt. Das
vorliegende Beispiel ist für sechs Steuerimpulse gezeichnet. Mindestens zwei Steuerimpulse
sind erforderlich. Je mehr Steuerimpulse, desto breitere Objekte sind erfaßbar und
desto geringer ist die Gefahr, daß das Objekt bei plötzlichen Geschwindigkeitsänderungen
durch Nachhinken des Regelorgans aus dem Erfassungsbereich herausläuft. Man wird
daher zweckmäßig mehr als zwei Steuerimpulse verwenden. L1 wird so eingestellt,
daß die Impulse nacheinander in dem Zeitraum auftreten, in dem der Echoimpuls des
betrachteten Reflexionsobjektes aus dem Empfänger kommt. L2 bis Ló geben jeweils
kleine Zeitdifferenzen zI t> die kleiner als die Impulszeit des Senders, vorzugsweise
etwa gleich der halben Impulsbreite des Senders sind. Wenn man alle J t gleich groß
macht, erhält man für manche Anwendungszwecke besonders einfache Auswertungen, da
man die Impulse dann als abzählbare Zeitmarken verwenden kann. Die Tatsache, daß
dt kleiner als die Impulslänge des Senders ist, ist ein wesentliches Merkmal der
Erfindung, da hierauf die verbesserte Auflösung des Verfahrens beruht. Es ist nicht
unbedingt erforderlich, daß die zeitliche Länge t, der Steuerimpulse gleich der
zeitlichen Länge t2 der Senderimpulse ist, jedoch geben längere Steuerimpulse
eine
schlechtere Auflösung, als es dem Bildinhalt entspricht, und haben auch größeres
Rauschen, da sie mehr Rauschimpulse aufnehmen. Wenn man gleichzeitig Rauschstörungen
hat, ist es stets zweckmäßig, die Impulslängen etwa gleich der Länge des Senderimpulses
zu lassen, da dies den besten Rauschabstand gibt. Bei fehlenden Störungen kann man
die Impulse auch kürzer als den Senderimpuls machen, ohne daß man dadurch jedoch
merkliche Vorteile hat.
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Von besonderer Bedeutung ist dies Verfahren mit mehreren Steuerimpulsen,
wenn man größere Reflexionsobjekte hat. Die sechs Impulse und der Echoimpuls eines
Schiffes, dessen Verlauf durch die Form des Schiffes bestimmt ist und durch die
begrenzte Bandbreite des Empfängers noch etwas verschliffen wird, sind in den Abb.
2a und 2b in ihrem zeitlichen Ablauf t dargestellt. Die Steuerimpulse gehen auf
Sperren, z. B. Elektronenröhren R1 bis R6. Diese Sperren sind nur während der Zeit
durchlässig, in der der zugehörige Impuls vorhanden ist. Allen Sperren wird auch
der Empfangsimpuls zugeleitet, aber von ihnen nur derjenige Teil jeweils durchgelassen,
der auf die Zeitdauer des zugehörigen Steuerimpulses fällt. Der Ausgangsstrom der
Sperröhren wird je einem integrierenden SpeicherS, bis S;, z. B. Kondensator mit
großer Zeitkonstante, zugeführt, an dem eine Spannung entsteht, die der auf die
Auftastzeit entfallenden Fläche des Echoimpulses proportional ist (U1 bis Uns in
den Abb. 1 und 2 a). Die Kreise in Abb. 2 a geben für die sechs Impulse der Abb.
2b die Spannungswerte der sechs Speicher an, an denen man den genaueren Verlauf
des Echoimpulses noch gut erkennen kann, während der gleiche Impuls auf dem Bildschirm
des Radargerätes nur einen verwaschenen Fleck geben würde. Je kürzer die Steuerimpulse
sind und je größer die Zahl der Steuerimpulse ist, desto genauer beschreiben die
Kreise die Kurve des Echos.
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Da die Echokurve aber auch durch die Bandbreite des Empfängers beeinflußt
wird, besteht kein Interesse, die Kurve sehr genau aufzunehmen. Wenn man die Steuerimpulse
etwa so lang macht wie den Senderimpuls und der Empfänger hinsichtlich der Bandbreite
auf diese Impulslänge eingestellt ist, erhält man praktisch die volle Information,
die das Echo über das Zielobjekt enthält. Da die niedrigen Teile des Impulses am
Anfang und Ende des Echos im wesentlichen empfängerbedingt sind und nicht interessieren,
kommt man also mit relativ wenig Speichern aus.
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Seine besondere Wirksamkeit erhält das Verfahren dadurch, daß alle
bekannten Radargeräte mit Impulswiederholung arbeiten. Die Folgefrequenz der Senderimpulse
ist so hoch und die Antennenbewegung so langsam, daß jedes Ziel normalerweise von
mehreren aufeinanderfolgenden Impulsen getroffen wird. Die vom ersten Impuls erzeugten
Ladungen bleiben daher im Speicher bestehen und werden noch nicht zur Anzeige gebracht.
Wenn dann der zweite Zielimpuls eintrifft, werden die Sperren wieder in gleicher
Reihenfolge geöffnet, und auch der zweite Impuls geht in gleicher Weise in die gleichen
Speicher usf., bis alle Impulse des Zieles angekommen sind. Eine Sperre Sw für die
Empfangsimpulse, die durch den Antennendrehwinkel über die Winkelschalter W1 bis
W5 in einer später beschriebenen Weise gesteuert wird, sorgt dafür, daß die Impulse
nur so lange durchlaufen, wie die Antenne auf den interessierenden Raumwinkel gerichtet
ist, in dem sich das Objekt befindet. Dadurch werden Reflexionen anderer Objekte
ausgeschaltet.
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Der Nutzen dieser Mehrfachspeicherung liegt darin, daß zufällige Schwankungen
der Reflexionseigen-
schaften des Objektes weitgehend ausgeglichen werde und ein
optimaler Mittelwert der Einzelkurven ent steht, der eine genauere Auswertung als
die etwas willkürliche Einzelkurve gestattet. Außerdem steigt durch diese Addition,
soweit sie hinreichend linear ist, der Rauschabstand in bekannter Weise an, so daß
das Signal besser erkennbar wird. Man kann jedoch diese Mehrfachspeicherung auch
in anderweitig vorgeschlagener Weise mit elektronischen Speichern, beispielsweise
Linienspeichern, vornehmen und dann die beschriebene Apparatur auf den aus dem Speicher
entnommenen Impuls anwenden.
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Aus den Spannungen Ul bis U6 muß eine passende Anzeige gewonnen werden,
um den genauen Ort des Objektes feststellen zu können. Wenn der Anzeige vorgang
die Speicherspannung nicht beeinflussen darf, schaltet man jedes U an das stromfreie
Steuergitter einer Elektronenröhre und benutzt den Anodenstrom der Röhre zur Anzeige,
vorzugsweise dadurch, daß man ihn über einen Widerstand leitet, an dem wieder eine
dem U entsprechende Spannung entsteht. Die Anzeige kann in Kurvenform auf einer
Oszillographenröhre erscheinen und dort durch einen Beobachter optisch ausgewertet
werden. Es ist oft vorteilhaft, diese optische Darstellung auch dann zu besitzen,
wenn außerdem noch die später beschriebenen automatischen Auswerteverfahren vorhanden
sind. Der Beobachter hat dann stets einen einfachen Überblick und kann in extrem
gelagerten Sonderfällen eingreifen, wenn die Automatik zu versagen droht. Zur optischen
Darstellung kann man z. B. die Spannungen U nacheinander über einen Schalter (Abb.
3) an die vertikale Ablenkung einer Oszillographenröhre legen, deren horizontale
Ablenkung zeitlinear ist, und dann die sechs Punkte auf ihrem vorzugsweise nachleuchtenden
Schirm nach Abb. 4 gewinnen, die den Kurvenverlauf deutlich sichtbar machen und
dabei seinen zeitlichen Verlauf durch die auch als Zeitmarken brauchbaren Striche
der Höhe U erkennen lassen. Die Abtastung der Spannungen kann hier und bei den später
noch be schriebenen Verfahren bei langsamen Vorgängen mechanisch, bei schnellen
Vorgängen mit einem bewegten Elektronenstrahl geschehen.
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Der Abstand der Striche kann in Metern geeicht sein. Wenn man eine
Vorrichtung besitzt, die die Anzeige bis zum nächsten Wechsel konstant hält, kann
diese Anzeige auch mit gewöhnlichen Strommessern erfolgen. Abb. 5 zeigt die Darstellung
der Impulskurve in einem Beispiel, bei dem sechs Meßinstrumente mit schmalen vertikalen
Skalen verwendet werden. Solche Darstellungen geben in jedem Fall wesentlich genauere
Auskunft über das Objekt als der verschwommene Punkt auf dem Bildschirm.
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Man kann aus den Werten von U auch eine stetige Kurve ableiten, die
annähernd der Kurve des Echo impulses entspricht, und diese mit Hilfe einer Oszillographenröhre
sichtbar machen. Eine einfache Möglichkeit hierzu zeigt Abb. 6. Ein hochohmiges
Potentiometer wird an sieben äquidistanten Punkten an Ul bis U6 und die Spannung
Null gelegt. Ein rotierender Arm greift die Spannung am Potentiometer ab, die annähernd
der Echoimpulskurve entspricht und die vertikale Ablenkung des Bildschirms steuert.
Wenn man dann noch an den Anschlußpunkten von U1 bis U6 (oder auch beliebigen äquidistanten
Punkten) die Potentiometerfläche mit Isolation bedeckt, sinkt dort die Spannung
auf Null, und man erhält Zeitmarken auf der Kurve wie in Abb. 7.
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Zur weiteren Auswertung der Impulskurve, insbesondere zur genauen
Festlegung des Ortes des Objektes,
wird man Differentiations- oder
Integrationsverfahren anwenden. Daneben besteht noch die Möglichkeit, eine Fourieranalyse
der Kurve vorzunehmen und den Ort durch die Phasenlage der Fourierkoeffizienten
zu definieren. Für ein nahezu punktförmiges Objekt gibt Abb. 8a die Impulskurve,
Abb. 8b den Differentialquotienten, Abb. 8c in Kurve I das Integral bei Integration
von links nach rechts, Abb. 8c in Kurve II das Integral bei Integration von rechts
nach links. Den Ort des Objektes kann man entweder durch den Nullpunkt des Differentialquotienten
oder durch den Schnitt der beiden Integrationskurven sehr genau bestimmen. Für punktförmige
Objekte wird die Ortsbestimmung durch Differentiation oder durch Phasenlage des
Fourierkoeffizienten der Grundfrequenz am einfachsten sein.
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Fourieranalyse: Falls man einen Schalter nach Abb. 3 mit sieben Anschlüssen
hat, dessen Arm sich regelmäßig fortschaltet, erhält man im Anzeigegerät Impulse
wie in Abb. 4, die man einer Fourieranalyse unterwerfen kann.
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Differentiation: Der Schalter hat zwei Arme nach Abb. 9, die auf
benachbarten Kontakten liegen und die Spannungsdifferenz dieser Kontakte messen.
Bei Umlauf des Schalters erhält man einige Punkte der Kurve der Abb. 8b; man kann
die Schaltarme auch mit einer Automatik verbinden, die den Schalter nach rechts
dreht, wenn rechts die höhere Spannung ist, und nach links, wenn links die höhere
Spannung ist Dann stellen sich die Schaltarme auf den Nullpunkt der Abb. 8h, also
auf den Ort des Objektes ein. Wenn der Nullpunkt nicht genau auf den sechs möglichen
Einstellungen liegt, pendelt der Schalter zwischen den beiden Stellungen, zwischen
denen der Nullpunkt liegt, hin und her.
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Man kann auch ein Potentiometer nach Abb. 6 verwenden. Wenn der Abgriff
schnell rotiert. entsteht an ihm eine Wechselspannung, deren Phasenlage zur Festlegung
des Maximums der Kurve dienen kann.
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Für Regelzwecke ist jedoch die folgende Anordnung meist einfacher:
Man nimmt ein Ringpotentiometer nach Abb. 10 mit zwei Abgriffen und verschiebt diese
so lange, bis beide Abgriffe unter dem Winkel a gleiche Spannung abgreifen, also
ein Instrument B, das die Spannungsdifferenz zwischen beiden Abgriffen anzeigt,
durch Null geht. Man kann dann die Lage des reflektierenden Objektes an der Stellung
des Ab griffs noch genauer als bei den vorher genannten Methoden ablesen. Nach vorliegenden
Erfahrungen kann man so etwa die fünffache Ablesegenauigkeit als bei der Beobachtung
des üblichen Radarbildschirms gewinnen und dadurch alle heute erwünschten Genauigkeiten
ohne extrem kurze Impulse erreichen.
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Man kann diese Nullanzeige auch nach bekannten Methoden mit Hilfe
eines Nachsteuermotors zur automatischen Einstellung des Potentiometers auf die
Maximallage verwenden. Die Vorgänge nach den Abb. 6 und 10 können auch am gleichen
Potentiometer entstehen, wenn an ihm beide Kontaktarten vorhanden und getrennt beweglich
sind. Wenn man einen Schalter nach Abb. 9 oder einen Spannungsteiler nach Abb. 10
mit nicht beweglichen Kontakten verwendet, entsteht zwischen beiden Abgriffen eine
Spannung, deren Vor zeichen angibt, ob das Ziel vor oder hinter der im Potentiometer
eingestellten Position liegt.
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Wenn das Reflexionsobjekt relativ groß ist und sich in der Nähe des
Radargerätes befindet, wird es nicht punktförmig erscheinen, sondern wie in Abb.
1 la eine ausgedehntere Kurve erzeugen. Wenn das Objekt beispielsweise ein größeres
Schiff oder eine Flugzeug-
gruppe ist, wird auch die Form der Echokurve bei jedem
Antennenumlauf etwas verschieden, insbesondere auch das Maximum verschoben sein,
weil das Objekt zahlreiche Reflexionspunkte wechselnder Stärke besitzen wird. In
diesem Fall ist es sinnvoll, so vielc Speicher nach Abb. 1 zu verwenden, daß der
lange Impuls auch hinreichend vollständig erfaßt wird. Die Kurve des Differentialquotienten
(Abb. 11 b) wird dann kompliziert und sagt nur wenig über den Ort des Objektes aus.
Dann wird es zweckmäßig sein, Integrationsverfahren anzuwenden. z. B. den Flächenmittelpunkt
der Echoimpulsfläche als Ort des Objektes zu betrachten, wobei wegen der schwankenden
Reflexionseigenschaften des bewegten Objektes der Flächenmittelpunkt zweifellos
weniger willkürliche Verschiehungen erleiden wird als das mehr zufällige Maximum
der Kurve. Für die genaue Messung der Geschwindigkeit kann dies besonders wertvoll
sein da die gemessene Geschwindigkeit stets die willkürlichen Beweguiigen des gewählten
Bezugspunktes mit enthält. Die Integrationskurven zeigt Abb. 11 c, wobei in Kurve
1 von links nach rechts, in Kurve II von recht nach links integriert wird. Der Schnittpunkt
der beiden Kurven gibt den gewünschten Flächenmittelpunkt. Zur Durchführung dieser
Integration versieht man den Schalter der Abb. 9 oder das Potentiometer der Abb.
10 mit zwei Armen, die mit gleicher Geschwindigkeit gegenläufig rotieren und dabei
nach bekannten Verfahren integrieren und gleichzeitig durch den Spanrlungspunkt
Null geben.
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Große Objekte können auch Doppelhöckerkurven wie in Abb. 12a geben,
die eine komplizierte Kurve des Differentialquotienten nach Abb. 12b, aber wieder
eine einfache Integrationskurve nach Abb. 12 c geben und wie vorher ausgewertet
werden. Diese Integrationsverfahren überwinden daher die bisher nur sehr unvollkommen
gelösten Probleme der exakteren Ortsbestimmung bei größeren Objekten und ermöglichen
eine größere Genauigkeit bei der Geschwindigkeitsmessung.
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Besonders schwierig ist stets der Fall, daß sich zwei Objekte stark
nähern und dabei deutlich unterschieden werden müssen. Auf dem Radarbildschirm kann
man die beiden Objekte nur dann trennen, wenn zwischen ihnen eine deutliche schwarze
Lücke ist, die Impulskurve also nach Abb. 13 a verläuft. Dies zwingt dann zur Verwendung
sehr kurzer Impulse mit den schon geschilderten Nachteilen. Wenn man längere Impulse
verwendet, erhält man im gleichen Fall die Kurve der Abb. 13 b mit einem Doppelhöcker.
Diese gibt auf dem Radarhildschirm nur noch einen zusammenhängenden Punkt, ist aber
in der Darstellung nach Abb. 4, 5 oder 7 noch deutlich als Doppelimpuls zu erkennen.
Wenn man das Potentiometer der Abb. 10 mit zwei getrennt einstellbaren Doppelarmen
verwendet, kann man beide Ziele einwandfrei trennen und messen, indem man differenziert
und Kurven nach Abb. 12b ableitet. In der Praxis ist es im allgemeinen so, daß zunächst
nur ein Ziel vorhanden ist und sich das Potentiometer mit dem ersten Abnahmesystem,
das automatisch gesteuert sein darf, auf dieses Ziel einstellt. Dann tritt das zweite
Ziel zusätzlich in den Erfassungsbeseich, wodurch jedoch die Automatik des ersten
Teiles nicht gestört wird. Hier ist dann die optische Darstellung nach Abb. 4, 5
oder 7 zweckmäßig, die einen solchen Vorgang erkennen läßt. Dann stellt man den
zweiten Doppelarm des Potentiometers auf das zweite Ziel und kann dieses auch (gegebenenfalls
automatisch) verfolgen. Die Zeitmarken in Abb. 4, 5 oder 7 oder die Messung der
Einstelldifferenz
der beiden Potentiometer-Abnahmesysteme gibt
eine sehr genaue Messung des Abstandes der beiden Objekte, wie sie bei den bisherigen
Radarsystemen überhaupt noch nicht möglich war. Da aber in der Praxis gerade die
Messung dieses Abstandes besonders wichtig ist, stellt eine solche Anordnung einen
besonderen Fortschritt dar. Das schärfste Kriterium für die gleichzeitige Anwesenheit
zweier Objekte ist das Vorhandensein eines Umkehrbereiches zwischen A und B in der
differenzierten Kurve der Abb. 12b.
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Wenn sich das bewegte Objekt aus dem Erfassungsbereich der Anordnung
entfernt, muß das Zeitlaufglied 11 der Abb. 1. das eine einstellbare Laufzeit hat,
entsprechend nachgeregelt werden. Diese Nachrege -lung kann automatisiert werden,
wobei das Kurvenmaximum bzw. der Mittelpunkt der Impulsfläche immer an der gleichen
Stelle des Erfassungsbereiches gehalten wird. Die Abweichung des Potentiometers
der Abb. 10 von einer vorgeschriebenen Sollstellung kann zur Nachsteuerung verwendet
werden. Ebenso kann man mit dem schon erwähnten Spannungsteiler mit festen Abgriffen
und der Kurve der Abb. 8b eine Spannung gewinnen, deren Vorzeichen den Nachsteuervorgang
im richtigen Sinne lenkt und deren Amplitude unter Umständen die Regelgeschwindigkeit
steuert. Auch die Integrationskurven der Abb. 8 c können zur Nachsteuerung herangezogen
werden, wobei man Abweichungen des Schnittpunktes der Kurven I und II von einem
Sollwert feststellt oder in vereinfachter Integration die Summe der Spannungen der
drei rechten Speicher mit der Summe der Spannungen der drei linken Speicher vergleicht
und auf gleiche Summe regelt.
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Aus der Stellung des nachgesteuerten Laufzeit gliedes L1 kann man
die Entfernung des Objektes vom Radargerät bestimmen. Wenn der Regelmotor dauernd
läuft und seine Drehzahl geregelt wird, kann man aus seiner Drehzahl die Geschwindigkeit
des Objektes in Richtung auf das Radargerät entnehmen. Eine solche Automatik erleichtert
dem Beobachter die gleichzeitige Verfolgung mehrerer Objekte, schließt Irrtümer
aus, entlastet sein Gedächtnis und nimmt ihm schwierige Rechnungen ab.
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Um den genauen Ort eines Objektes feststellen zu können, muß noch
die Richtung bekannt sein, in der das Objekt zum Radargerät liegt. Hierzu dient
eine Anordnung nach Abb. 14, die die gleichen Prinzipien wie Abb. 1 verwendet. In
Abb. 14 sind übereinstimmende Einzelgeräte mit den gleichen Buchstaben wie in Abb.
1 bezeichnet. Das vom Empfänger kommende Echo durchläuft eine Sperre SE> die
von einem Impuls der Laufzeitglieder L1 bis L6 geöffnet wird. Dadurch wird verhindert,
daß Echos mit falscher Entfernung in die Apparatur einlaufen, und erreicht, daß
nur das gewünschte Ziel erscheint. Das durchgelassene Echo kommt in Sperrglieder
R1 bis R6, die vom Antennendrehwinkel nacheinander mit zeitlicher Überlappung wie
in Abb. 2b aufgetastet werden. Die Winkelschalter W1 bis W6 bestehen aus dem Hauptglied
Wt, das auf einen bestimmten Antennenwinkel eingestellt wird, und Zusatzschaltern
W2 bis W6, die jeder eine gleiche und konstante Winkeldifferenz gegenüber dem vorhergehenden
Ausgangspunkt erzeugen. Die Öffnungszeit jeder Sperre ist annähernd gleich der Zeit,
in der sich die Antenne um einen Winkel gleich ihrer Halbwertsbreite dreht. Der
zeitliche Abstand t benachbarter Öffnungszeiten ist kleiner als die t)ffnungszeit
jeder Sperre, vorzugsweise kleiner als die halbe Öffnungszeit. Gegenüber Abb. 1
ist also der Entfernungsschalter (Laufzeitglieder L1 bis L6) mit dem
Winkelschalter
vertauscht. Es entstehen Kurven wie in Abb. 4, 5 oder 7, die jetzt die Abhängigkeit
der Reflexion von der Winkeleinstellung der Antenne angeben. Alles was vorher von
der Entfernungslage des Objektes gesagt wurde, kann hier auf die Winkellage angewandt
werden. Man kann die Winkellage durch das Maximum oder den Flächenmittelpunkt der
Kurve festlegen. Man kann das Differenzieren und Integrieren in gleicher Weise wie
vorher verwenden und den Winkelabstand von Doppelzielen festlegen. Man kann die
Winkelgeschwindigkeit messen und die richtige Einstellung des Winkelschalters W1
automatisch steuern. Dies gilt sowohl für Radargeräte mit horizontaler wie mit vertikaler
Winkeldrehung.
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Beispiele für den Aufbau des Winkelschalters Bei langsamer Antennendrehung
und nicht zu kleinen Diagrammwinkeln kann man rein mechanisch schalten. Beispielsweise
rotiert mit der Antenne eine Nockenscheibe nach Abb. 15, wobei die Nockenbreite
b die Durchlaß dauer bestimmt. Der Nocken betätigt beim Drehen nacheinander die
Schalter Wt, indem er die Schalterknöpfe eindrückt. Die Schalterknöpfe haben gleichen
Abstand voneinander, und ihr Abstand bestimmt das j t in Abb. 2b. Durch Verdrehen
der Nockenscheibe gegen die Antennenachse erreicht man die Grundeinstellung des
Winkels (Glied W1 in Abb. 14). Hier ist auch die Nachlaufsteuerung anzubringen.
Man kann auch (vorzugsweisé bei schnelleren Schaltvorgängen) kontaktfreie optische
oder elektromagnetische Schaltvorgänge verwenden.
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Eine optische Schaltung kann eine Scheibe mit Ein' schnitten oder
Löchern verwenden, wobei Licht, das durch die Einschnitte fällt, Fotozellen in Betrieb
setzt. Ebenso kann man eine sich bewegende Lichtquelle verwenden, die von Fotozellen
bewegt wird.
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Als elektromagnetischer Vorgang kann Induktion durch bewegte Magnetfelder
verwendet werden oder die Änderung der Kapazität oder Induktivität eines Resonanzkreises
durch bewegte Metallteile nach bekannten Verfahren.
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Im allgemeinen wird man die Entfernungsmessung nach Abb. 1 und die
Winkelmessung nach Abb. 14 gleichzeitig verwenden, um den Ort des Objektes vollständig
festzustellen. Aus den beiden Abbildungen geht ohne weiteres hervor, wie diese Kombination
aussieht. Man verwendet entweder eine Speicherreihe nach Abb. 1, die von einem mittleren
Kontakt des Winkelschalters über Sw aufgeblendet wird (Fall A), oder eine Speicherreihe,
die von allen Kontakten des Winkelschalters (also während der ganzen Arbeitszeit
des Winkelschalters) aufgeblendet wird (Fall B), oder mehrere Speicherreihen, die
einzeln von beach: harten Kontakten des Winkelschalters nacheinander wie in Abb.
2b aufgeblendet werden (Fall c). Diese kombiniert man entweder mit einer Speicherreihe
nach Abb. 14, die von einem mittleren Impuls des Entfernungsschalters über SE aufgeblendet
wird (Fall D), oder mit einer Speicherreihe, die von allen Impulsen des Entfernungsschalters
(also während der ganzen Arbeitszeit des Entfernungsschalters) aufgeblendet wird
(Fall E), oder mit mehreren Speicherreihen, die einzeln von benachbarten Impulsen
des Entfernungsschalters nacheinander wie in Abb. 2b aufgeblendet werden (Fall F).
Je mehr Speicher man verwendet, desto mehr Information erhält man, desto sicherer
erfaßt man schnell bewegliche Ziele, desto besser kam man Doppelziele, die sich
in der Entfernung und im Winkel gleichzeitig unterscheiden werden, erfassen: Die
Kombination AD- ist oft nicht brauchbar. Sie er
faßt von der Bildebene
nur einen Kreuzbereich nach Abb. 16 a und nur für Punkte im Schnitt des Kreuzes
beide Koordinaten gleichzeitig, so daß Ziele, die dem System auf einer schrägen
Geraden (in Abb. 16 a gestrichelt) entweichen, verloren gehen. Die Kombination RE
erfaßt einen rechteckigen Bereich wie in Abb. 16b, wobei B die Entfernung mißt,
ohne Aussagen über die Entfernung zu geben. Das Ergebnis der Messung einer solchen
Kombination kann durch zwei Kurven nach Abb. 4, 5 oder 7 dargestellt werden.
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Für den Beobachter ist jedoch eine zweidimensionale Darstellung in
einer Ebene besser. Eine Niöglichkeit hierzu gibt die folgende Anordnung: Aus der
gemessenen Entfernung leitet man einen Zeiger ab, z. B. in Abb. 16b die waagerechte
gestrichelte Linie, ebenso aus der gemessenen Winkellage einen senkrechten Zeiger
(in Abb. 16b gestrichelt). Der Schnittpunkt der Zeiger ist der Ort des Objektes.
Wenn man zwei Ziele nach Abb. 13 b dicht nebeneinander hat, muß man noch ein zweites
Zeigerpaar einfügen. Zwei waagerechte und zwei senkrechte Zeiger geben zwar vier
Schnittpunkte, so daß die Anzeige nicht eindeutig ist. Wenn man jedoch eines der
beiden Ziele durch Nachsteuerung immer in der Mitte des Bildes hält und das zweite
Ziel nur am Bildrand durchwandert, ist die Zuordnung der Zeigerschnittpunkte zu
den Objekten dem Beobachter nicht mehr unklar. Statt der Zeiger kann man auch einen
auf eine Fläche projizierten und von den gemessenen Koordinaten eingestellten Lichtfleck
verwenden.
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Eine völlig eindeutige Anzeige gibt die Kombination CF, die auch
wegen der kurzen Aufblendzeiten jedes Speichers kleinstes Rauschen gibt. Da jede
Speicherreihe mindestens aus zwei Speichern besteht, besteht die Kombination CF
mindestens aus vier Speichern.
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Diese Kombination findet man in Abb. 17, und man kann dieses Bild
leicht auf größere Speicherzahlen ausdehnen. Die Bezugszeichen K1 bis K4 in Abb.
17 sind eine abgekürzte Darstellung für die Gerätekombination R und S, aus der U
herauskommt. Der Empfängerimpuls geht zu allen Gliedern K, die voll den Gliedern
L und W zeilenweise wie ein Fernsehbild (jedoch gegebenenfalls mit zeitlicher Überlappung)
aufgetastet werden. Die Spannungswerte U beschreiben dann in entsprechender Weise
die Verteilung des Echos über die vom überstrichenen Entfernungs- und Winkelbereich
gebildete Fläche. Man kann diese Anzeigen jeweils in Speicherzellen auswerten, wie
es bisher beschrieben wurde, aber auch die ganze Fläche zur Anzeige ausnutzen und
dadurch etwas gewinnen, was man als einen mikroskopisch vergrößerten Teilausschnitt
des Bildschirms des Radargerätes be -zeichnen könnte.
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Es ist selbstverständlich, daß diese Anordnungen nicht nur für eine
sich im vollem Kreis drehende Antenne geeignet sind, sondern auch für Antennen,
die nur in Winkel sektoren geschwenkt werden, solange nur das Reflexionsobjekt in
hinreichend kurzen Zeit abständen angepeilt wird. Dies gilt auch für sogenannte
Zielverfolgungsgeräte, bei denen die Hauptstrahlungsrichtung der Antenne dem Ziel
nachgeführt wird und nur ein kleiner Winkelsektor durch einen sogenannten Quirl
abgestastet wird. Die durch das beschriebene Verfahren gewonnenen Daten können auch
zur automatischen Nachsteuerung der Antennenrichtung verwendet werden.
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Eine Anordnung nach der Erfindung macht es möglich, aus der nachgesteuerten
Einstellung der Zeitschalter die Koordinaten des Objektes direkt zu berechnen und
dem Beobachter, z. B. über Zählwerke,
auch zahlenmäßig anzuzeigen. Man kann mit Hilfe
dieser Koordinaten kleine Kreuze ins Radarschirmbild einblenden, die mit dem zugehörigen
Bildpunkt des Radarschirmbildes zusammenfallen. So kann man stets bei Bedarf kontrollieren,
welcher Bildpunkt zu der betreffenden Meßanordnung gehört. Mit den Steuerimpulsen
der beiden Koordinaten kann man eine Bildröhre zeilenweise ablenken und auf ihr
einen vergrößerten Teilausschnitt des Schirmbildes entstehen lassen.
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Man kann mit diesen Koordinaten auch Scheinwerfer steuern und das
Objekt als beweglichen, nachgesteuerten Lichtpunkt auf einer großen Landkarte darstellen.
Man erreicht dadurch folgende Vorteile: 1. Die Landkarte ist wesentlich größer als
der Bildschirm, kann in passenden Farben gehalten werden und kann Eintragungen erhalten
über vorgeschriebene Flugwege u. dgl. Sie erleichtert nicht nur die Beobachtung,
sondern ist auch übersichtlicher. Sie kann auch ein neues Koordinatennetz besitzen,
das den Ort des Objektes auf besonders wichtige Punkte bezieht, z. B. Flugplätze
oder Hafeneinfahrten, also auf Punkte, die nicht mit dem Ort des Radargerätes zusammenzufallen
brauchen. Diese Koordinaten sind für die Praxis wichtiger als die vom Radargerät
gemessenen Koordinaten, da der Ort des Radargerätes im allgemeinen kein für den
betreffenden Anwendungszweck besonders markanter Punkt ist.
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2. Die Lichtpunkte können so hell sein, daß die Anlage bei Tageslicht
betrachtet werden kann. Die Lichtpunkte können durch Form, Farbe oder Größe besonders
gekennzeichnet sein und dem Betrachter weitere Informationen über das Objekt, z.
B. Pfeil in Flugrichtung, geben.
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3. Man kann die Ergebnisse mehrerer Radargeräte auf der gleichen
Landkarte zeigen und so auch größere Bezirke darstellen.
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4. Man kann beliebige Teile der Landkarte mit einer Fernsehkamera
abtasten und an einen anderen Ort übertragen.
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Wenn die Antenne des Radargerätes sowohl horizontal wie vertikal
bewegt wird, muß man die Anordnung der Abb. 14 für den zweiten Winkel ergänzen und
kann dann alle drei Anzeigen wie bisher kombinieren. Man braucht dann eine dreidimensionale
Anzeige.