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Verfahren zur Entfernungsbestimmung mittels Reflexion elektrischer
Wellen Es ist bekannt, die Entfernung eines reflektierenden Gegenstandes von einem
Beobachtungsort dadurch zu messen, daß eine elektrische Welle ausgesandt, am reflektierenden
Gegenstand reflektiert und gemeinsam mit dem direkt vom Sender zum Empfänger ge
langenden Strahl empfangen wird. Wird die Wellenlänge der ausgesandten Strahlung
kontinuierlich geändert, tso wird im Empfänger der Meßapparatur aus der direkten
und der reflektierten Strahlung eine Schwebungsfrequenz gebildet. Steht der Empfänger
sehr nahe am Sender, so kann man die Phasendrehung der direkten Strahlen vernachlässigen.
Ändert man die Frequenz derart, daß d f/d t konstant ist, so beobachtet man am Empfänger
eine Schwebungsfrequenz d f 2 r s = , , d t c wobei r der Abstand des reflektierenden
Gegenstandes und c die Lichtgeschwindigkeit d f ist. Sind und c bekannt, so liefert
die Mesd t sung von s ohne weiteres den Abstand r.
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Dies es Verfahren stößt praktisch auf außerordentliche Schwierigkeiten.
Es ist nämlich erforderlich, d f/d t so lange konstant zu halten. daß die Frequenz
s hinreichend geneau bestimmt werden kann. Bei geringen Abständen ergehen sich sehr
kleine Werte von s. für deren genaue Bestimmung große Beobachtungsdauern erforderlich
sind. Über eine große Beobachtungsdauer hinweg wird aber bei kond f stantem eine
große prozentuale Änderung d t von f erforderlich, dür welche die gesamte Apparatedimensionierung
auf erhebliche technische Schwierigkeiten stößt.
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In der vorliegenden Erfindung wird null eine Modifikation dieses
Verfahrens vorgeschlagen, die darauf hinausläuft, daß die Frequenzänderung des Senders
zwischen zwei vorgegebenen Grenzen erfolgt, und zwar derart langsam, daß bei dem
Phasenvergleich zwischen der dricktert und der reflecktierten Welle die Senderfrequenzänderung
zu vernachlässigen ist und daß die Entfernungsmessung durch Beobachtung der während
der gesamten Senderfrequenzänderung auftretenden Zahl von durch Überlagerung der
direkten und der reflektierten Schwingungen erzielten Nullstellen vorgenommen wird.
Bei bekannter Beobachtungsdauer kommt dieses einer Be stimmung von s gleich, hat
aher technisch beträchtliche Vorteile. Es ist nämlich nicht mehr d f erforderlich,
während der Beobachtungsd t dauer konstant zu halten: vielmehr ist die Zahl der
Nullstellen allein abhängig von den Grenzen f1 und f2, zwischen deren die Frequenz
geändert wurde, unabhängig davon, ob df und also auch @ während der Beobachtungsdt
dauer konstant war. Es ist nur erforderlich. daß die Senderfrequenz sämtliche Werte
zwischen f1 und f durchläuft. daß also die Frequenzänderutig kontinuierlich und
nicht sprungweise verläuft. Ferner läßt sich bereits leicht feststellen, daß während
der Beobachtungezeit eine oder zwei Nullstellen abgelaufen sind, während aus der
Beobachtung von ein oder zwei Perioden mit technischen Mitteln nur schwer eine Aussage
über die Frequenz gemacht werden kann.
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Befindet sich ein reflektierender Gegenstand in der Entfernung r,
und wird bei der Reflexion die Phase um den Winkel q gedreht. so kommt hei der Wellenlänge
# die mit Null abgegangene Schwingung mit der Phase 2# a=2#-q # zurück. Führt man
die Frequenz f ein, so wird 2r.f a=2#-q wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit
der Welle ist. Denkt man sich f variabel. so wird a immer ddann 2# durchlaufen,
wenn die Größe 2)'' f c sich um eine Einheit geändert hat. Läuft die Frequenz von
f1 und f2. so ist also die Zahl n der am Sendeort zwischen der abgehenden und der
reflektierten Welle auftretenden Nullstellen 2r n=(f2-f1). c n ist dem Abstand 5
proportional mit einem Faktor. in dem nur noch die Ausbreitungsgeschwindigkeit und
die Frequenzdifferenz vorkommen. Ist n eine ganze Zahl, so ist n mit der Zahl der
beobachteten Nulstallen identisch.
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Ist n von einer ganzen Zahl verschieden. so hängt es von q ab. ob
die Zahl der beobachteten Nullstellen. die stats eine ganze zahl sein muß. n oder
n+I ist.
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Im folgenden soll an einem zahlenbeispiel die Durchführbarkeit des
Verfahrens gezeigt werden. Der Sender ändert seine Frequenz beispielsweise innerhalb
I Sekunde von 300 bis 330 Megahertz. entsprechend einer Wellenlängenänderung von
I m auf 90.9 cm. Bei einem Abstand des reflektiernden Gegenstandes von 5 m betrage
die Länge de reflektierten Strahles I0 m. die Länge des direkten Strahles sei verschwinden
klein. Es tritt dann bei der Veränderung der Senderfrequenz über den genannten Bereich
nur einmal Phasenopposition zwischen der direkten und der reflektierten Welle auf.
eiiin Zählwerk würde also ein Minomum registrieren. Bei Abstände. die kleiner sind
als 5 m. hängt es von der Phasenlage bei der Reflexion ab. ob ein Minimum registriert
wird oder ob es außerhalb des Frequenzbereiches liegt. Bei einer Entfernung des
reflektierenden Gegenstandes von I0 m. also einer Strahlungslänge von 20 m. treten
unter allen Umständen zwei Schwebungsminima auf. Entsprechend treten bei einer Entfernung
von 50 m zehn. bei einer Entfernung von 500 m hundert Minima auf.
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Vollzieht man die Frequenzänderung innerhalb I Sekunde und vervwendet
man ein Zählw@rk. weilches imstande ist. bis zu bundert sekundlichen Impulsen zu
verarbeiten. so zeigt die Einrichtung ovn 5 zu 5 m (bis zu 500 m maximal) den Abstand
des reflektierenden Gegenstandes an. Der Bau derartiger Zählwerke ebenso wie der
BAu von Sendern. deren Frequenz sich kontinuierlich um I0% maximal
bis
zu 20 0/o, bezogen auf die Ausgangsfrequenz, ändern läßt, und von Empfängern, die
über diesen Bereich ohne größenordnungsmäßigen Abfall ihrer Empfindlichkeit empfangen,
bereitet keine Schwierigkeiten.
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Das Verfahren ist aber nicht auf das genante Zahleneispiel beschränkt.
Bei Verwendung einer 20 cm Welle würde man unter Zugrundelegung einer Frequenzvariation
von 10 %, bezogen auf diese Welle, Anzeigen von Meter zu Meter bekommen, die jeweils
um einen Meter unsicher sind.
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Für die Durchführung des Verfahrens ist es gleichgültig, auf welche
Weise die Zählung erfolgt; so kann man beispielsweise den Amplitudenverlauf am Empfänger
registriereu, z. B. mit einem Oszillographen oder einer anderen geeigneten Schreibvorrichtung,
und die während der Variation des Senders von f1 bis f2 regiistrierten Nullstellen
zählen. Man kann auch Schrittschaltwerke benutzen, wie sie in der Selbstanslußfernsprechtechnik
iiblich sind und zu unmittelbar ablesbaren Ergebnissen führen. Für die Zählung selbst
kann sowohl die positive als auch die negative kontinuierliche Senderfrequenzänderung
ausgenutzt werde. Die Anordnung wäre dann so zu denken, daß beispielsweise ein die
Senderfrequenz bestimmender Drehkondensator über eine bestimmte Frequenzänderung
hinweggedreht und nach einer kleinen zur Ablesung der Entfernung dienenden Pause
wieder herausgedreht wi.rd. Nach dieser kurzen Pause müßte sich das Zählwerk automatisch
wieder auf Null einstellen, damit die nächste Messung richtig angezeigt wird. Gleichzeitig
könnten die Meßwerte jedesmal in dieser Pause auf einer Schreibvorrichtung registriert
werden, um eine laufende Anzeige zu erhalten Eine für die Durchführung des Verfahrens
geeignete Frequenzänderung kann man auch dadurch erhalten, daß man den Rotor eines
Drehkondersators ohne Umkehr seiner Drehrichtung fortlaufend dreht. Ebenso kann
man die gewünschte Frequenzänderung statt mit einem Drehkondesator auch durch Veränderung
der Selbst induktion des Sendeirschwingkreises erhalten, z. B. mit einem Kurzschlußvariooometer.
Als Empfänger genügt, da die ihn erreichende große Senderamplitude bis auf wenige
Hertz die gleiche Frequenz hat wie die zu empfangende reflektierte Welle, ein einfacher
Gleichrichter von einer für die verwendete Frequenz beliebigen Bauart, beispielsweise
eine Audionschaltung oder eine Diode. Es empfiehlt sich, Schaltelemente vorzustellen,
welche langsamere, alis die erwarteten Schwankungen nicht durchlassen, um die Registrierung
von Amplitudenschwankungen zu vermeiden, welche bei der Frequenz änderung am Sender
selbst auftreten.
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Es ist nicht nötig, zwei getrennte Antennen zu verwenden; vielmehr
können Sender und Empfänger zweckmäßig an die gleiche Antenne angekoppelt werden.
Diese Antenne kann nun bei Verwendung des -erfindungsgemäusen Verfahrens zur Höhen
bestimmung von Luftfahrzeugen beispielsweise derart unter dem Rumpf eines Flugzeuges
angebracht sein, daß der strahlende Teil der Antenne im wesentlichen horizontal
verläuft. Um weiterhin eine Bündelung der Strahlung in Richtung der reflektierenden
Erdoberfläche zu erhalten, wid vorgeschlagen, die Antenne in etwa #/4 Abstand (#=Wellenläge)
unterhalb der am Flugzeugrumpf vorhandenen Leiter, beispielsweise der Außenhaut
des Metallflugzeuges, anzuordnen. Um nur einen genau definierten Teil der Erdoberfläche
als Rückstrahler wir ken zu lassen, kann die Antenne auch als Richtstrahler ausgebildet
sein.
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Wird die Antennen anordnung schwenkbar ausgeführt, so ist es möglich,
nicht nur die Höhe, sondern auch die Entfernung von etwa in Flugrichtung vorhandenen
Hiigeln und Bergen festzustellen. Eine Abtastung des ge samten Geländes könnte zu
einer reliefartigen Darstellung im Empfänger führen. Auf dem Schirm einer beispielsweise
als Anzeigeorgan dienenden Braunschen Röhre könnte dann in der einen Koordinate
die Richtung, in der anderen die Entfernung der reflektierenden Gegenstände wiedergegeben
werden..
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In Abb. I ist zunächst das Prinzip des Erfindungsgedankens schematisch
dargestellt. An die Antenne A ist über die Kopplungsspulen I der Sender S und über
die Kopplungsspulen 2 der Empfänger E gekoppelt. M stellt schematisch ein an den
Empfänger E angeschlossenes Zählwerk dar.
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Eine Anwendung des Erfindungsgedankens zu.r Höhenbestimmung voh Luftfahrzeugen
zeigt das Ausführungsbeispiel n.ach Abb. 2.
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Hierin ist I die Senderröhre, die in der all sich bekannten Dreipunktschaltung
einen Schwingungskreis, bestehend aus der Spule 2 und dem Festkondensator 3, erregt.
Diesem Kondensator ist ein beweglicher Kondenstator 4 parallel geschaltet, dessen
Kapazitätsendwerte so gewählt sind, daß beim Durch.-drehen des Kondensators die
Frequenz von f, bis 2 geändert wird. Durch passende Wahl von 3 läßt sich diese Frequenzänderung
auf einen gewünschten Wert einstellen. Die von dem Sender erzeugten Schwingungen
werden über die Spule 5 mit der Antenne 6 gekoppelt.
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Ul)er die Spule 7 ist diese Antenne mit dem Empfänger gekoppelt, der
in einfacher Ausführungsform dargestellt ist. Über die mit der Spule 7 gekoppelte
Spule 8 und den Kondensator 9 ist die Diodenstracke 10 angekoppelt. deren Gleichstrom
den Widerstand II durchfließt,
die Drossel 12 undder Kondensator
13 dienen dazu, die empfangene Hochfrequenz von dem Widerstand 11 fernzuhalten.
Über den Kondensator 14 erreicht der in der Diode 10 erzeugte Richtstrom die Gitterstrecke
des Rohres 15, der der Widerstand 16 parallel liegt. Der Ruhestrom des Rohres 15
ist durch passende Wahlr der Anodenspannung 17 so eingestellt, daß der Magnet 18
des Schrittschaltwerkes 19 seinen Anker im Normalzustand nicht anzieht. Durchläuft
jedoch die Senderfrequenz einen Wert, für den der Antennenstrom ein Minimum wird,
so wird damit die am Widerstand 11 stehende, gegen die Kathode negative Spannung
plötzligh geringer, über den Kondensator 14 entsteht am Widerstand 16 und damit
am Gitter der Röhre vorübergehend eine positive Vorspannung, und die dadurch bewirkte
Anodenstromzunahme reicht aus. um im Schrittschaltwerk 19 den Anker 20 auzuziehen
und das Sperrad 21 um einen Zahn weiterzudrehen. Ein auf der Achse des Sperrrades
21 sitzender Zeiger 22 zeigt für jeden Schritt an einer Höhenskala 28 in dem oben
gewählten Beispiel je 5 m Höje am. Entstehen beim Durchdrehen des Kondensators 4
im ganzen fünf Schwebungsminima, so schaltet das Schrittschaltwerk das Sperrad 21
um fünf Zähne weiter, und der Zeiger 22 zeigt 25 m Höhe an.
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Die Rückführung des Schrittschaltwerkes kann so erfolgen, daß in
der Ruhelage die am Anker 20 befestigte Schaltklinke 23 ausgeklinkt ist, während
eine weitere Sperrklinke 24 das Schrittschaltwerk festhält. Ein Magnet 35 erhält
über den Schalter 26 einen Strom. Die Kontakte dieses Schalters 26 werden jeweils
in den Endstellungen des Drehkondensators 4 geschlossen. Durch Einschalten der Drossel
27 oder einer anderen Verzögerungsanordnung kann erreicht werden. daß der Strom
in der Wicklung 25 erst einige Zeit nach Schließen des Kontaktes 26 den zum Auslösen
desss Schaltwerkes erforderlichen Stromwert erreicht. Kurz hinterher beginnt die
Rückstellung des Kondensators 4. Das Schrittschaltwerk wird dann bei jedesmaligem
Durchdrehen des Kondensators 4 schrittweise auf den der Höhe enstsprechenden Ablesewert
antsteigen, dort einige zeit verharren und dann wieder auf Null zurückfallen, um
sich von neuem auf den der Höjhe entsprechenden Wert heraufzuschalten. Die Rückführung
des Sperrrades 21 in seine Ausgangsstellung erfolgt nach der Auslösung der Sperrklinke
24 durch eine Feder 19.