DE767403C - Verfahren zur Messung von Abstaenden durch Vergleich der Laufzeit reflektierter Impulse mit der Impulsfrequenz - Google Patents

Description

• Verfahren zur Messung von Abständen durch Vergleich der Laufzeit reflektierter Impulse mit der Impulsfrequenz Es ist bekannt, zur Entfernungsmessung, z.B. zur Feststellung der Flughöhe von Flugzeugen, die Reflexion ausgesaiidter Wellen an dem Gegenstand, dessen Entfernung gemessen werden soll, auszunutzen. Es sind hierzu im wesentlichen zwei Verfahren lekannt; bei dem einen wird eine Ultrakurzwelle mit einer längeren Welle moduliert und die Frequenz der längeren Welle so lange geändert, bis der Empfang durch Interferenzwirkung der direkten und der reflektierten Welle ein Maximum oder Minimum wird.
• Aus der Größe der Modulationsfrequenz kann dann auf die Entfernung geschlossen werden.
• Das andere Verfahren besteht darin, Signale (Striche) auszusenden, deren Dauer gleich den Pausen zwischen den Signalen ist, und während der Aussendung der Signale den Empfänger abzuschalten. Der Empfänger ist nur wirksam während der Pausen zwischen den einzelnen Impulssignalen. Die Impulsfrequenz wird nun so geändert, daß die Empfangsintensität ein Maximum wird. Dies ist dann der Fall, wenn das reflektierte Signal gerade während der ganzen Zeit, während der der Empfänger wirksam ist. zurückkommt, andernfalls wird nämlich ein feil des reflektierten Signals durch den unempfind ich gemachten Empfänger angeschnitten, und der Empfang ist entsprechend geringer. Beide Verfahren haben den Nachteil, daß die Meßgenauigkeit sehr gering ist. Sie können daher die heute an Verfahren zur Entfernungsmessung zu stellenden Forderungen nicht erfüllen.
• Es ist zwar bekannt, den Impulsabstand wesentlich größer als die Impulsdauer zu machen und empfangsseitig die reflektierten Impulse in Abhängigkeit von der jeweiligen Laufzeit auf dem Schirm einer Braunschen Röhre aufzuzeichnen Hiervon unterscheidet sich die vorliegende Erfindung jedoch durch eille andere Art der Laufzeitauswertung, bei der ein Aufzeichnungsgerät nach Art der Braunschen Röhre entbehrlich ist, und ferner durch die zwangsläufige nur kurzzeitige Öffnung des Empfängers zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sendeimpulsen.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Abständen durch Vergleich der Laufzeit reflektierter Impulse mit der Impulsfrequenz und ist dadurch gekennzeichnet, daß Impulse sehr kurzer Dauer mit einem zeitlichen Abstand voneinander, der wesentlich größer als die Impulsdauer ist, ausgesandt werden und daß der Empfänger zwangsläufig in der zeitlichen Mitte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sendeimpulsen kurzzeitig nur für die Dauer des ausgesandten bzw. reflektierten Impulses empfindlich gemacht wird.
• Es sei zunächst an Hand der Abb. I der Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. Während der Zeit a gibt der Sender einen Impuls; der Empfänger wird nur während der kurzen Zeit b zwischen den Sendeimpulsen empfangsbereit gemacht.
• Die Zeit b entspricht der Zeit a. Die Sendeimpulse werden mit einer bestimmten Impulsfrequenz (Zeit zwischen den Impulse) gegeben. Diese Frequenz wird so lange geändert, bis man Empfang hat, d. h. größte Lautstärke im Empfänger. Dies ist dann der Fall, wenn die Zeit zwischen a und b der Laufzeit des Impulses auf Hin- und Rückweg entspricht. Durch das impulsmäßige Tasten des Senders und Öffnen des Empfängers wird eine sehr große Schärfe, d. h. sehr hohe Meßgenauigkeit, erzielt. Ändert man die Impulsfrequenz kontinuierlich von Null aus, so erhält man natürlich mehrere Maxima, wobei sich für die verschiedenen Impulsfrequenzen l>estimmte Verhältniszahlen ergeben, aus denen die Entfernung berechnet werden kann.
• Schwierigkeiten können hierdurch nicht auftreten, da man einerseits die Möglichkeit hat, die Impulsfrequenz stets von Null aus zu ändern; andererseits hat man z. B. bei der Höhenmessung in Flugzeugen durch die barometrische Höhenmessung einen Anhaltspunkt dafür, ob es sich um das erste Maximum oder ein Vielfaches davon handelt.
• Es können bei der Verwendung einfacher Appraturen Schwierigkeiten dadurch auftreten, daß durch die stoßärtige Empfindlichkeitsänderung des Empfängers Schwingungen ausgelöst werden, so daß der Empfänger nicht nut in den Zeiten b, wie in Abb, I dargestellt, empfindlich gemacht wird, sondern auch in den Zeiten c c. d usw. Die Meßergebnisse werden dadurch vieldeutig. Dies kann vermieden werden, indem ein Empfänger mit sehr großer Resonanzschärfe verwendet wird.
• Ein derartiger Empfänger besteht z. B., wie bereits vorgeschlagen, aus einer Habann-Röhren-Anordnung mit geteilten Anoden und gemeinsamem, symmetrisch an diesen liegendem Schwingungskreis, deren Entladungsraum unter der Einwirkung eines Magnetfeldes steht. Die verwendeten Spannungen werden so gewählt, daß im Ruhezustand kein Anodenstrom, fließt und daß die magnetische Feldstärke auf Grund der durch sie bedingten Umlaufzeit der Elektroden in der Röhre in Beziehung zur empfangenen Frequenz steht.
• Eine derartige Empfangsanordnung besitzt eine außerordentlich hohe Resonanzempfindlichkeit, so daß sie nur auf die eingestellte Frequenz und nicht auf die etwa ausgelösten Oberschwingungen anspricht; sie ist daher besonders geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• In der Abb. 2 ist ein vollständiges Schaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Der Aus den Röhren 1 und 2 gebildete Gegentaktsender erzeugt die Impulsfrequenz. Durch die Röhren 3 und 4 wird ein Impulsgeber gebildet. der die Aufgabe hat, mit der lmpulsfrequenz einerseits den hochfrequenten Sender zu tasten. andererseits den Empfänger empfindlich zu machen. Das eigentliche Senderrolir ist mit 5 und das Empfängerrohr mit 6 bezeichnet.
• Bei den letzteren handelt es sich nin die erwähnten Anordnungen mit geteilten Anoden und symmetrischem Schwindigungskreis, also Anordnungen für sehr hohe, gut reflektierbare Frequenzen (Ultrakurzwellen).
• Der Ultrakurzwellensender, vorzugsweise ein solcher für Dezimeterwellen, wird, wie schon angegeben, aus dem Rohr 5 gebildet.
• Das Rohr 5 besitzt eine geteilte zylinderförmige Anode. Der Entlandungsraum steht unter der Einwirkung eines Magnetfeldes.
• Die Anodenzylindergälften sind mit einem symmetrischen Schwingungskreis gekoppelt (vgl. Patenschrift 450 989). Die von der Anodenspannungsquelle 7 abgenommene Anodenspannung wird an den Klemmen 8 moduliert, z. B. durch einen 1000-Per.-Ton. Im Anodenkreis liegt weiterhin ein Gl-eicliricliter 9, dessen Bedeutung noch später erläutert werden wird, und- eine Koppelspule 10. Die Anordnung ist so eingestellt, daß der Sender nicht schwingt, solange die über 10 auge kopl>Llte Spannung einen bestimmten NVert -- nicht überschreitet.
• Die Koppelspule 11, die mit 10 induktiv gekoppelt ist, liegt im Anodenkreis der Röhre 3. Die Röhre 3 hat die Aufgabe, den Sender 5, d. h. die ausgesandte Ultrakurzwelle, in sellr kurzen und scharfen Stößen zu tasten.
• Dies wird in an sich bekannter Weise dadurch erreicht, daß im Gitterkreis des Rohres 3 ein hochohmiger Widerstand I5 liegt und- außerdem eine sehr hohe negative Gitterspannung angelegt ist. Im Anodenkreis des Rohres 3 liegt der schon erwähnte Transformator 11, 10, an dessen Sekundärwicklung die gewü'n-schten Spannungsstöße auftreten.
• Aus den Abb. 3 und 4 ist die Wirkungsweise dieser Anordnung zu ersehen. Die Abb. 3 läßt die Röhrenkennlinie, die zugeführte Wechselspannung und den Verlauf des Anodenstromes erkennen. Es ist eine hohe negative Gittervorspannung gewählt, so daß von der zugeführten Wechselspannung fl nur der obere Teil der positiven Halbwellen einen Anodenstrom bedingt. Es wird eine Röhre gewählt, deren Kennlinie einen möglicllst scharfen unteren Knick besitzt. Die aufgedrückte Wechselspannung fi ist in ihrer Amplitude so gewählt, daß ihre positiven Halbwellen auch noch in das Gebiet positiver Gitterspannungen hineinreichen. Sobald der Gitterstrom einsetzt, d. h. die Gitterwechselspannung in das Gebiet positiver Gitterspannungen kommt, bricht die Gitterspannung durch den hochohmigen Widerstand I5 zusammen. Es entsteht hierdurch der trapezförmige, aus - Abb. 3 ersichtliche Anodenstrom A. Das Abschneiden der oberen Kuppen kann gegebenenfalls auch durch andere Maßnamen, wie durch eine Begrenzungsröhre, Sättigungsröhre od. dgl., erreicht werden; wesentlich ist nur, daß zunächst eine trapezförmige Stromkunre mit möglichst scharfen Übergängen erzeugt wird.
• Dieser annähernd rechteckige Strom durchfließt, wie es in Anwendung auf Empfangsanordnungen bereits bekannt ist, den Transformator II, 10. An-die Stelle dieses Transformators kann auc'h eine Drossel, d. h. ein Autotransformator, treten. Die in der Sekundärwicklung des Transformators auftretende Spannung hat ein grundsätzlich anderes Aussehen als die primärseitig fließenden Anodenstromstöße. Spannungsänderungen treten be kanntlich nur an den Stellen -auf, an denen di dt den Spannungsspitzen sind aus Abb. 4 ersichtlich. Eine wesentliche Rolle spielt hierbei die Induktivität der Drossel bzw. der Primärwicklung 1 1 des Transformators. Um eine möglichst geringe Stoßbreite der Impulse zu erzielen, muß ein möglichst großes ### angedi -e strebt werden. Es gilt aber di = d. h. die Induktivität L muß klein sein und die induzierte Spannung groß Ferner wirkt sich eine Röhre mit scharfem unterem Knick der Kennlinie günstig auf die Gestaltung der Fußbreite aus. Durch den nachgeschalteten Gleichrichter 9 werden die negativen Spannungsspitzen (vgl. Abb. 4) abgeschnitten.
• Für die Wirkungsweise der Röhre4, durch welche der Empfänger geöffnet wird, gilt dasselbe wie für die Röhre 3, nur mit dem Unterschied, daß der Empfänger während der Pausen zwischen den Senderöffnungen, wie eingangs erläutert, kurzzeitig geöffnet wird.
• Dies wird einerseits durch die Gegentaktanordnung, andererseits durch entsprechende Aushildung des Empfängers erreicht. Die Impulse werden über die Koppelanordnung I3 und I4 dem Empfänger zugeführt.
• Die Schaltung des Empfängers gleicht im wesentlichen der des Senders. Sie ist jedoch für den Empfang dadurch brauchbar gemacht, daß im Ruhezustand kein oder nur ein sehr geringer Anodenstrom fließt. Um dies zu erreichen, wird die Anodenspannung entsprechend niedrig gehalten bzw. der Durchmesser der geteilten Anoden entsprechend groß gewählt. Es sei hier bemerkt, daß die Resonanzschärfe wächst, je größer der Durdimesser der Anode ist. Unterhalb eines bestimmten Anodendurchmessers ist ein Empfang überhaupt nicht möglich. Die Wirkungsweise der Empfangsanordnung im einzelnen ist die folgende: Die vom Glühdraht emittierten Elektronen fliegen unter dem Einfluß des NIagnetfeldes in einer geschlossenen Bahn (Kreis) zur Kathode zurück. Die Umlaufzeit ist lediglich von der magnetischen Feldstärke abhängig.
• Treten nun infolge der aufgenommenen Energie hochfrequente Spannungen an den Anodenzylinderhälften auf und stimmt die Dauer einer Periode mit der erwähnten Umlaufzeit der Elektronen überein, so laufen die Elektronen nicht mehr in Kreisen, sondern in Spiralen, so daß sie schließlich die Anodenzylinderhälften erreichen und einen Strom im Anzeigekreis hervorrufen. Dies hat zur Voraussetzung, daß die Elektronen ohne die empfangenen hochfrequenten Schwingungen in keiner Weise die Anodenzylinder erreichen.
• Demgemäß muß die Anodenspannung sich stets unterhalb des Wertes befinden, bei dem ein Anodenruhestrom fließen würde. Zwischen Magnetismus und Frequenz muß die Beziehung bestehen f=0.3.107.11 (f In Hertz und 1 in Gauß). Der sich so ergebende Magnetismus ist der Resonanzmagnetismus. Der Anodenzylinderdurchmesser muß auf alle Fälle größer sein als r, wobei r definiert ist durch die Bezeihung r = 2 # (r in Millimeter und Wellenl#nge # in Meter). Praktisch hat sich ein Anodendurchmesser bewährt, der das Zehnfache dieses Mindestdurchmessers beträgt. Je größer der Durchmesser der Anodenzylinder ist, um so mehr Entwicklungsmöglichkeit besteht für die Elektronenspiralen, aber um so genauer ist die Beziechung zwischen empfangener Frequenz und Resonanzmagnetismus einzuhalten. Da der Resonanzmagnetismus die empfangene Frequenz vällig eindeutig bestimmt, kann das an die Anodenzylinder angeschlossene Lechersystem (Symmetrischer Kreis) irgendeine der möglichen Resonsnzstellungen besitzen. Es wird dadurch keine Mehrdetigkeit bewirkt.
• Trägt man den Resonsnzmagnetismus H in Abhängigkeit von der Anodenspannung @ auf, so ergibt sich die Kurve gemäß Abb. 5.
• Es zeigt sich, daß der Resonanzmagnetismus nur konstant ist in einem Spannungsbereich O-V1 und daß er dann weiterhin beträchtlich mit der Spannung ansteigt. Es wird so indessen nur der Bereich verwendet, in dem der Resonanzmagnetismus konstant ist, d.h. der Bereich O-V1, in dem kein Anodenstrom vorhanden ist.
• Aus obigem ergibt sich, daß der Anwendungsbereich dieser Schaltung gerade im Gebiet der Ultrakurzwellen liegt, da bei niedrigeren Frequenzen die Röhrendimensionen unhandlich groß werden; für den Empfang der ultrakurzen Wellen hat sie aber gerade den Vorteil, daß man mit Röhren normaler Abmessungen arbeiten kann, so daß konstruktive Schwierigkeiten nicht auftreten.
• Auch ergeben sich keine unzulässig hohen inneren Röhrenkapazitäten, die bekanntlich immer wieder die Anwendung der heute gebräuclichen Schaltungen einschränken. Dieses Empfangsverfahren ist also besonders geeignet zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung von Abständen.

Claims (11)

P A T E N T A N S P R Ü C H E.

1. Verfahren zur Messung von Abständen durch Vergleich der Laufzeit reflektierter Impulse mit der Impulsfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß Impulse sehr kurzer Dauer mit einem zeitlichen Abstand voneinander, der wesentlich größer als die Impulsdauer ist, ausgesandt werden, und daß der Empfänger zwangsläufig in der zeitlichen Mitte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sendeimpulsen kurzzeitig nur für die Dauer des ausgesandten bzw. reflektierten Impulses empfindlich gemacht wird.

2. Verfahren nach Anpsruch @. dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsi@@@@nz kontinuierlich von Null aus geändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung von Habann-Röhren-Anordnungen für Sender und Empfänger.

4. Verfahren nach Anspruch 1. gekennzeichnet durch die Anwendung eines Empfängers mit sehr großer Resonanzschärfe.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4. dadurch gekennzeichnet, daß als Empfangsanordnung eine Röhre mit geteilten Anoden und gemeinsamen, symmetrisch an diesen anliegendem Schwingungskreis verwendet wird, deren Entladungsraum unter der Einwirkung eines Magnetfeldes steht und deren Spannungen so gewählt sind, daß im Ruhezustand kein Anodestrom fließt und daß die magnetische Feldstärke auf Grund der durch sie bedingten Umlaufzeit der Elektronen in der Rähre in Beziehung zur empfangenen Frequenz steht.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Resonanzschärfe der Durchmesser des geteilten Anodenzylinders, in Millimetern gerechnet, größer als die zweifache Wellenlänge, in Metern gerechnet, ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der kurzzeitigen Impulse einer Drossel oder einem Transformator ein Strom von annähernd rechtckiger Kurvenform zugeführt wird und daß die hierdurch in der Drossel bzw. im Transformators entstehenden Spannungsspitzen zur Ausläsung der Senderimpulse verwendet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom von annähernd rechteckiger Kurvenform durch die positive Halbwelle eines dem mit hochohmigem Gitterwiderstand versehenen Gitterkreis einer Röhre zugeführten Wechselstromes hervogerufen wird, deren Gitterspannung zusammenbricht, sobald die dem Gitter zugeführte Wechselspannung in das positive Gitterspannungsgebiet kommt.

9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8. gekennzeichnet durch eine derartige Gittervorspannung, daß nur die oberen Teile der positiven Halbwelle der Wechselspannung ausgenutzt werden.

10. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch @. gekennzeichnet durch einen im Gegentakt arbeitenden Impulsfrequenzerzeuger, dessen eine Halbperiode den Sender und dessen andere Halbperiode den Empfänger impulsmäßig steuert.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse tonmoduliert werden Zur Abgrenzung des Erfindungsgegenstand vom Stand der Technik sind im Erteilungs verfahren folgende Druckschriften in Betrach gezogen worden: Deutche Patentschriften Nr. 403 939, 425 973, 459 150; @sterreichische Patentschrift Nr. 130 822 USA.-Patentschrift Nr. 1 982 271; Elektrische Nachrichten - Technik, Jahr gang 34, Heft 4, S. 152 u. ff.