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Die
Erfindung betrifft die Radarhöhenmesser vom
Typ FM/CW, wobei FM/CW ein Kürzel
aus der englischen Literatur ist, das "frequency modulation/continuous wave" entspricht. Diese
Radarhöhenmesser
senden periodisch einen zwischen zwei Grenzwerten linear frequenzmodulierten
Dauerstrich aus, d.h. eine Sägezahnwelle.
Wenn diese Welle vom Radarhöhenmesser
empfangen wird, nachdem sie vom Boden reflektiert wurde, hat sie
bezüglich
der gesendeten Welle eine Verzögerung
2h/c, wobei h die Höhe
des Radarhöhenmessers
bezüglich
des Bodens und c die Lichtgeschwindigkeit ist; da die Modulation
linear ist, ist diese Verzögerung
proportional zur Schwebungsfrequenz f, die durch Mischen des Sendesignals
und des Empfangssignals erhalten wird; in Kenntnis der Differenz
dF zwischen den zwei Grenzwerten und der Dauer Td der Modulation,
um von einem Grenzwert zum anderen überzugehen, ist es dann möglich, die
Höhe h
durch folgende Formel zu berechnen: h = Td·f·c/2·dF
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In
Wirklichkeit ergibt das Mischen der gesendeten und empfangenen Wellen
nicht die Schwebungsfrequenz; es ergibt ein ganzes Frequenzspektrum,
bei dem verschiedene Verarbeitungsverfahren es ermöglichen,
daraus die für
die zu messende Höhe
repräsentative
Frequenz zu entnehmen; ein solches Verfahren ist zum Beispiel im
französischen Patent
2 750 766 beschrieben.
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Bei
diesen bekannten Radarhöhenmessern ermöglicht aber
nichts, außer,
wenn eine Testbank verwendet wird, eine Kalibrierung durchzuführen, um zu
prüfen,
ob die vom Radarhöhenmesser
gemessenen Höhen
exakt sind. Es wäre
aber nützlich,
eine solche Prüfung
durchführen
zu können,
und dies selbst während
des Betriebs des Radarhöhenmessers.
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Das
Patent EP-A 0 667 536 offenbart ein Kalibrierverfahren für ein FM/CW-Radar
durch Einspeisen eines Testsignals mittels eines Richtkopplers in die
Verbindung zwischen der Empfangsantenne und der Mischstufe. Das
Testsignal wird durch eine Einheit aus Mischstufen und Kopplern
eines Hilfsoszillators und dem linearen Oszillator erhalten.
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Die
vorliegende Erfindung hat zum Ziel, ein Verfahren vorzuschlagen,
das zum Preis einer relativ geringen Anpassung der Elektronik des
Radarhöhenmessers
zu jedem Zeitpunkt eine präzise
Kalibrierung erlaubt.
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Dies
wird erhalten, indem in dem Radarhöhenmesser zusätzlich zum
Sendesignal ein Pseudo-Empfangssignal erzeugt wird, und indem der
Wert der vom Radarhöhenmesser
gemessenen Pseudo-Höhe
bezüglich
dieses Pseudo-Signals geprüft wird.
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Erfindungsgemäß wird hierzu
ein Kalibrierverfahren vorgeschlagen, das für einen Radarhöhenmesser
vom Typ FM/CW konzipiert ist, der einen eine linear frequenzmodulierte
Welle zur Lieferung eines Sägezahnsignals
erzeugenden Oszillator, mit einer Verbindung zu einer Sendeantenne,
eine Mischschaltung mit zwei Verbindungen zum Oszillator bzw. zu
einer Empfangsantenne, und ein Verarbeitungsorgan aufweist, um die
Ausgangssignale der Mischschaltung zu verarbeiten, dadurch gekennzeichnet, dass
es darin besteht, in die Verbindung zwischen der Empfangsantenne
und der Mischschaltung ein digital programmierbares Hilfs-Sägezahnsignal
mit Sägezahnneigung
Td/dF einzuspeisen, dessen Sägezähne zu denjenigen
des linearen Oszillators synchron sind, und bei dem der Flachteil
der Sägezähne um einen
gegebenen Wert f gegenüber
dem Flachteil der Sägezähne des
linearen Oszillators verschoben ist, durch Veränderung oder nicht der Modulationsdauer
der Sägezähne oder
der dF des linearen Oszillators eine Schwebung mit der Frequenz
f zwischen den Sägezähnen des
Oszillators und dem Hilfssignal zu erhalten, damit das Verarbeitungsorgan
eine gemessene Höhe
h' liefert, und
diese gemessene Höhe mit
der Eichhöhe
zu vergleichen, die durch die Berechnung gemäß der Formel h = f·c·Td/dF·2 erhalten wird,
wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist.
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Es
wird ebenfalls ein Radarhöhenmesser vom
Typ FM/CW vorgeschlagen, der einerseits in Reihe ein Steuerorgan,
einen eine linear frequenzmodulierte Welle erzeugenden Oszillator
und erste Koppelelemente aufweist, um den Oszillator mit einer Sendeantenne
zu koppeln, und andererseits eine Mischschaltung mit einem ersten
Eingang, der mit dem linearen Oszillator gekoppelt ist, und mit
einem zweiten Eingang; zweite Koppelmittel, um eine Empfangsantenne
mit dem zweiten Eingang der Mischschaltung zu koppeln, und ein Verarbeitungsorgan aufweist,
um die Ausgangssignale der Mischschaltung zu verarbeiten, dadurch
gekennzeichnet, dass er, um eine Kalibrierung des Radarhöhenmessers durchzuführen, in
Reihe einen linearen Hilfsoszillator und einen Richtkoppler aufweist,
wobei der Hilfsoszillator vom Steuerorgan gesteuert wird und der
Koppler in die zweiten Koppelelemente eingefügt ist, ausgelegt, um ein Sägezahnsignal
mit Sägezahnneigung
zu liefern, das um einen gegebenen Wert f bezüglich des Flachteils der Sägezähne des
eine linear frequenzmodulierte Welle erzeugenden Oszillators verschoben
ist, wobei der Oszillator und der Oszillator ausgelegt sind, um
durch Veränderung
oder nicht der Modulationsdauer der Sägezähne oder der dF des Oszillators
eine Schwebung mit der Frequenz f zwischen den Sägezähnen des Oszillators und dem Hilfssignal
zu erhalten, damit das Verarbeitungsorgan eine gemessene Höhe h' liefert, wobei diese Höhe mit der
Eichhöhe
verglichen wird, die durch die Berechnung gemäß der Formel h = f·c·Td/dF·2 erhalten
wird, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, und ein Richtkoppler
in Reihe, wobei der Hilfsoszillator vom Steuerorgan gesteuert wird
und der Koppler in die zweiten Koppelelemente eingefügt ist.
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Die
vorliegende Erfindung wird besser verstanden und weitere Merkmale
gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den sich darauf beziehenden
Figuren hervor. Es zeigen:
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1 einen
Radarhöhenmesser
gemäß dem Stand
der Technik,
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2 eine
Grafik bezüglich
der von den Radarhöhenmessern
gesendeten und empfangenen Wellen, die in dieser Druckschrift beschrieben
werden,
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3 einen
erfindungsgemäßen Radarhöhenmesser,
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die 4 bis 6 Grafiken
bezüglich
des Radarhöhenmessers
der 3.
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In
den 1 und 3 einerseits, 2, 4, 5 und 6 andererseits
sind die entsprechenden Elemente mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
einen Radarhöhenmesser
gemäß dem Stand
der Technik. Dieser Radarhöhenmesser
weist ein Steuerorgan 1 und ein Verarbeitungsorgan 2 auf,
deren Funktionen mit Hilfe eines Mikroprozessors durchgeführt werden.
Das Steuerorgan 1 steuert einen linearen Oszillator 3,
dessen Ausgangssignal an einen Richtkoppler 5 geliefert wird,
der im beschriebenen Beispiel ein 20 dB-Koppler ist. Der Koppler 5 überträgt den größten Teil
der Energie, die er empfängt,
an einen Verstärker-Isolator 7 gefolgt
von einem Bandpassfilter 9, und den Rest der Energie, die
er empfängt,
an den ersten Eingang einer Mischschaltung 4, deren Ausgangssignale
an das Verarbeitungsorgan 2 geliefert werden. Eine Sendeantenne
Ae ist mit dem Ausgang des Filters 9 über die erste Schalterebene
I eines Doppelschalters II' mit
zwei Stellungen gekoppelt.
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Der
Radarhöhenmesser
gemäß 1 ist
mit einer Empfangsantenne Ar verbunden, und diese Antenne ist mit
dem zweiten Eingang der Mischschaltung 4 in Reihe über die
zweite Schalterebene I' des Doppelschalters,
einen Leistungsbegrenzer 6, ein Bandpassfilter 8 und
einen Verstärker-Isolator 10 gekoppelt.
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Im
Fall des mit Hilfe der 1 beschriebenen Beispiels wird
der lineare Oszillator gesteuert, um ein Signal zu liefern, dessen
Frequenz sägezahnartig
von einem Wert F1 zu einem Wert F2 variiert, mit einem Flachteil
bei der niedrigen Frequenz F1.
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2 ist
eine Grafik, die in durchgezogenem Strich die zeitliche Veränderung
der Frequenz der vom Radarhöhenmesser
der 1 gesendeten Welle und gestrichelt die zeitliche
Veränderung
der Frequenz der vom Boden reflektierten und von der Empfangsantenne
Ar empfangenen Welle angibt; die zweite Kurve entspricht der ersten,
aber um die Zeit τ verzögert, die
die Welle für
einen Hin- und Rückweg mit
Reflexion am Boden benötigt.
Wie zu Beginn dieser Druckschrift gesagt, wird die Höhe h, die
der Radarhöhenmesser
misst, durch folgende Formel angegeben: h = Td·f·c/2·dF
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Die
Größen Td,
f und dF sind in 2 markiert: Td Dauer eines Sägezahns,
d.h. Modulationsdauer, f Schwebungsfrequenz zwischen der gesendeten
Welle und der vom Boden reflektierten Welle, dF Breite des von den
Sägezähnen durchlaufenen Frequenzbands.
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Im
beschriebenen Beispiel ist der lineare Oszillator 3, während er
eine konstante Breite dF für
das von den Sägezähnen durchlaufende
Frequenzband beibehält,
programmiert, um derartige Sägezahndauern
Td zu haben, dass die Schwebungsfrequenzen aufgrund der reflektierten
Wellen innerhalb des Frequenzbands auftreten, in dem das Verarbeitungsorgan
seine Messung durchführt;
im beschriebenen Beispiel erstreckt sich dieses Band von 40 bis
110 kHz, und die Schwebungsfrequenzen werden auf 85 kHz gebracht.
Für diese
Art Betrieb wird die Neigung dF/Td des Sägezahns progressiv verändert, indem Td
variiert wird, bis die Schwebungsfrequenzen aufgrund des Sendekanals
zwischen 40 und 100 kHz auftreten, dann werden sie auf 85 kHz gebracht,
wo sie untersucht werden.
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Mit
einem Radarhöhenmesser
wie demjenigen der 1 ist es bekannt, um zu prüfen, ob
die gemessenen Höhen
exakt sind, eine Testbank zu verwenden, die wie in 1 gezeigt
aus einem Satz von Verzögerungsleitungen
R gefolgt von einem variablen Dämpfungsglied
A besteht. Der Doppelschalter II' wurde
in 1 dargestellt, um zu zeigen, dass bei einem Kalibrierest
die Antennen abgeschaltet werden, und dass der Ausgang des Filters 9 über den Satz
von Verzögerungsleitungen
und das Dämpfungsglied
mit dem Eingang des Leistungsbegrenzers 6 verbunden ist;
im Allgemeinen existiert dieser Schalter nicht, und der Test wird
durchgeführt,
indem die Antennen manuell abgeschaltet werden, um sie durch die
Elemente R und A zu ersetzen. Die Kalibrierung besteht darin, zu
prüfen,
ob die Höhen,
die der Radarhöhenmesser
anzeigt, exakt sind; hierzu wird ein Signal in üblicher Weise gesendet, aber
anstatt am zweiten Eingang der Mischschaltung 4 anzukommen,
indem es über
die Antenne Ae, eine Reflexion am Boden und die Antenne Ar geht,
kommt es dort hin, indem es über
eine der Verzögerungsleitungen
des Satzes von Verzögerungsleitungen
R geht. Die Leitungen des Satzes R sind Leitungen, deren Verzögerung genau
bekannt ist. Wenn also r die von derjenigen der Linien verursachte Verzögerung ist, die
zur Durchführung
der Kalibrierung verwendet wird, muss der Wert der durch den Radarhöhenmesser
gemessenen Höhe
hm gleich dem berechneten Wert hc sein: hc =
r·c/2
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Diese
Gleichung wird ausgehend von der weiter vorne gesehenen Gleichung
h = Td·f·c/2·dF abgeleitet,
unter Berücksichtigung
der Gleichheit f/τ = dF/Td,
die aus 2 hervorgeht, indem in dieser Gleichheit τ durch r
ersetzt wird, was f = dF·r/Td
ergibt. Wenn hm sich von hc unterscheidet, wird der Wert hm korrigiert,
und entweder werden die Werte, die der Radarhöhenmesser anschließend liefern wird,
proportional korrigiert, oder mehrere Werte werden mit verschiedenen
Verzögerungsleitungen
gemessen und berechnet, und die werte, die der Radarhöhenmesser
anschließend
liefern wird, werden durch Extrapolation korrigiert; es ist aber
anzumerken, dass, wenn die gemessenen Werte sich zu stark von den
unter Berücksichtigung
der Werte der verwendeten Verzögerungsleitungen
berechneten Werten unterscheiden, eine Suche nach der Abweichung oder
sogar der Verstellung des Radarhöhenmessers durchgeführt werden
muss. Diese Testbänke
haben Unvollkommenheiten, sogar Fehler, die im Spektrum des von
der Mischschaltung 4 gelieferten Signals Störlinien
zu der Linie hinzufügen,
die von der Schwebung zwischen der gesendeten Welle und der vom
Boden reflektierten Welle senkrecht zum Radarhöhenmesser erzeugt wird.
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3 zeigt,
wie man den Radarhöhenmesser
der 1 verändert,
um eine Kalibrierung ohne die aus den Elementen R und A bestehende
Testbank, und mit dem Schalter II' durch Kurzschlüsse zwischen einerseits dem
Filter 9 und der Antenne Ae und andererseits der Antenne
Ar und dem Leistungsbegrenzer 6 ersetzt, durchzuführen.
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Die
Veränderung
besteht in der Hinzufügung von
zwei in Reihe angeordneten Elementen: einem linearen Hilfsoszillator 3', der vom Steuerorgan 1 gesteuert
wird, einem Richtkoppler 12, der im beschriebenen Beispiel
ein 20 dB-Koppler ist. Der Koppler 12 wird zwischen die
Antenne Ar und den Leistungsbegrenzer 6 eingefügt; er überträgt zum Begrenzer 6 den
größten Teil
der Energie, die er vom Oszillator 3' empfängt. Außerdem kann ein variables Dämpfungsglied 11 zwischen
die Elemente 3' und 12 eingefügt werden,
um die Empfindlichkeit des Radarhöhenmessers zu messen.
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Mit
dem so veränderten
Radarhöhenmesser erfolgt
die Kalibrierung in aufeinander folgenden Schritten wie folgt
- 1. vorherige Messung, durch den Radarhöhenmesser,
der Höhe
hs bezüglich
des Bodens; wenn dieser Wert erhalten ist, liefert der Oszillator 3 Sägezähne einer
gewissen Modulationsdauer, die nachfolgend mit Tds bezeichnet wird;
der Hilfsoszillator 3' ist
während
dieser Messung, die also eine klassische Messung ist, nicht in Betrieb,
- 2. Wahl einer Dauer Tde der Modulation des Oszillators 3' anders als
Tds, was es, wie nachfolgend beschrieben, ermöglicht, eine Eichhöhe he zu
berechnen, die eine fiktive Höhe
anders als hs ist; diese Wahl wird in den folgenden Schritten durch
ein Problem der Trennung der Schwebungsfrequenzen diktiert, von
denen die einen von den Signalen, die von der Antenne Ar kommen,
und die anderen von den Signalen verursacht werden, die vom Hilfsoszillator 3' kommen; für den nachfolgend
beschriebenen Kalibriervorgang wird angenommen, dass die gewählte Eichhöhe he diejenige
ist, die mit einer Sägezahnbreite
gleich Tds/4 erhalten wird.
- 3. Starten des Hilfsoszillators 3' mit einem Sägezahnsignal, dessen Sägezähne mit
den Sägezähnen des
Oszillators 3 synchron sind, dessen Frequenz-Exkursion
der Sägezähne dFe
vorzugsweise, ohne dass dies unbedingt notwendig ist, die gleiche
ist wie für
den Oszillator 3, aber mit einem nach unten oder nach oben
um einen nachfolgend mit f' bezeichneten
wert verschobenen Flachteil der Sägezähne; im beschriebenen Beispiel
beträgt
die Verzögerung
85 kHz nach unten – die
Modulationsdauer Tde der Sägezähne des Hilfsoszillators
wird gleich Tds/4 genommen, wobei Tds wie weiter oben angegeben
die Modulationsdauer der Sägezähne des
Oszillators 3 ist, wenn die Messung gemäß dem ersten Schritt erhalten
wurde,
– 4 ist
eine Grafik, die das oben in Betracht gezogene Sägezahnsignal darstellt, in
durchgezogenem Strich für
den Oszillator 3 und gestrichelt für den Oszillator 3'
- 4. die Modulationsdauer Tde der Sägezähne des Hilfsoszillators 3' wird fest gehalten,
während
diejenige des Oszillators 3 in Sprüngen von 2 erhöht wird,
ausgehend von einem sehr geringen Wert gegenüber Tde, und dies, bis durch
Schwebung mit dem Signal des Oszillators 3 ein Signal im Analysefenster
erhalten wird, das, wie man oben gesehen hat, im beschriebenen Beispiel
von 40 bis 110 kHz geht; während
der ganzen Dauer des Tests ist das Analysefenster nur geöffnet, wenn die
Sägezähne des
Hilfsoszillators und des Hauptoszillators sich überlappen,
– 5 stellt
diese Suche dar, mit gestrichelt gezeichnet dem Signal des Hilfsoszillators 3' und in durchgezogenem
Strich drei aufeinanderfolgenden Signalen (1), (2), (3), die vom
Oszillator 3 geliefert werden; das dritte Signal (3) ist
dasjenige, das eine Schwebung im Analysefenster ergibt. Es ist anzumerken,
dass in den 5 und 6 der Zeitbereich
bezüglich 4 verdreifacht
wurde, um die Grafiken klarer zu gestalten,
- 5. die Breite der Sägezähne des
Oszillators 3 wird so eingestellt, dass die Schwebung bei
85 kHz im Messfenster auftritt; eine Messung h' wird vom Radarhöhenmesser angegeben,
– 6 stellt
diese Einstellung dar, wobei nach wie vor das Signal des Oszillators 3 in
durchgezogenem Strich und das Signal des Hilfsoszillators 3' gestrichelt
dargestellt ist,
- 6. das Verarbeitungsorgan kennt die werte f' und Tde/dFe, die vom Steuerorgan 1 aufgezwungene Werte
sind: Die gewählte
Eichhöhe
wird berechnet he = Tde·f'·c/2·dFe; der Wert h' wird mit diesem
Eichwert he verglichen; wenn h' sich
von he unterscheidet, kann eine Korrektur an den Radarhöhenmesser
wie oben erwähnt
gemäß dem Stand
der Technik angewendet werden, nämlich durch
einen Proportionalitätskoeffizienten
oder durch Extrapolation, wenn mindestens zwei Kalibrierungen durchgeführt wurden;
es ist klar, dass, wenn eine vom Radarhöhenmesser gelieferte Messung
h' sich zu stark
von der entsprechenden Eichhöhe
unterscheidet, eine Suche nach einer Abweichung oder sogar einer
Verstellung des Radarhöhenmessers
durchgeführt
werden muss, um dem abzuhelfen.
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Es
ist anzumerken, dass die Kalibrierung ebenso gut mit geringeren
Modulationsdauern des Kalibrierungs-Sägezahns
als der Dauer Tds durchgeführt
werden kann, die bei der vorab stattfindenden Messung des Abstands
zum Boden erhalten wird, als auch mit Dauern größer als Tds. Es muss nur das Verarbeitungsorgan 2 in
der Lage sein, die Schwebungen aufgrund des vom Boden reflektierten
Signals von den Schwebungen zu unterscheiden, die von dem vom Hilfsoszillator
kommenden Signal verursacht werden; Tde darf also nicht zu nahe
bei Tds sein. Um die Suche der Schwebungen aufgrund des vom Hilfsoszillator
kommenden Signals zu vereinfachen, sollte außerdem im Schritt 4 vermieden
werden, dass man auf die von dem vom Boden reflektierten Signal
verursachten Schwebungen trifft; daher erfolgt in dem beschriebenen
Beispiel, in dem Tde geringer ist als Tds, der vierte Schritt, indem
man die Modulationsdauer des Oszillators 3 erhöht, während, wenn
Tde größer als
Tds gewählt
worden wäre,
der vierte Schritt mit einer Modulationsdauer des Oszillators 3 größer als
Tds begonnen hätte,
da diese Modulationsdauer des Oszillators 3 progressiv
verringert worden wäre.
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Es
ist anzumerken, dass sowohl, wenn die Frequenz-Exkursionen der zwei Oszillatoren 3, 3' gleich sind,
als auch, wenn sie unterschiedlich sind, der Neigungswert Td/dF
nach der Einstellung des Oszillators 3 der gleiche für die zwei
Oszillatoren ist, und dass es dieser wert ist, der für die Berechnung der
Eichhöhe
genommen wird: h = f·c·Td/dF·2.
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Dieses
Prinzip bleibt für
alle Radarhöhenmesssysteme
FW/CW gültig.
Je nach dem Betriebsprinzip wird die Frequenzdifferenz fe zwischen
den zwei Oszillatoren, oder auch die Frequenz-Exkursion dFe eingestellt,
um die gewünschte
Höhe für die Kalibrierung
zu erhalten.
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Der
Radarhöhenmesser
gemäß 3 ermöglicht es
ebenfalls, Empfindlichkeitstests durchzuführen; hierzu wird, während das
variable Dämpfungsglied 11 einen
Dämpfungskoeffizient
von 1 hat, und der Radarhöhenmesser
die durch den Hilfsoszillator verursachte Schwebung erfasst hat,
der Dämpfungskoeffizient
reduziert, um zu 0 zu tendieren, und der Wert, den er in dem Zeitpunkt
hat, in dem das durch den Hilfsoszillator verursachte Schwebungssignal
verschwindet, bildet einen Empfindlichkeitsmesswert.
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In
andern Worten, um einen Empfindlichkeitstest des Radarhöhenmessers
durchzuführen, besteht
er darin, wenn die Schwebung auf der Frequenz f gefunden wurde,
die Amplitude des Hilfssignals abrupt zu reduzieren und dann progressiv
zu erhöhen,
bis der Radarhöhenmesser
erneut die gemessene Höhe
h' liefern kann.