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Einrichtung zur Darstellung zweier Meßwerte durch die Lage eines durch
einen Strahl erzeugten Punktes in einem Polarkoordinatensystem, insbesondere für
die Zwecke der Horizontallotung In manchen Fällen empfiehlt es sich, zwei miteinander
in Beziehung stehende oder aus irgendwelchen Gründen miteinander in Beziehung zu
setzende Meßwerte durch die Lage eines durch einen Strahl erzeugten Punktes in einem
Polarkoordinatensystem darzustellen.
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Ein solcher Fall ist z. B. gegeben, wenn es sich darum handelt, die
Verteilung reflektierender Flächen, z. B. die Verteilung von Schiffen, in einem
Feld wiederzugeben. Dies läßt sich mit Hilfeder sogenannten Horizontallotung erreichen,
die darin besteht, daß von einem bestimmten Punkt innerhalb des nur die einzelnen-
reflektierenden Flächen, z. B.
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Schiffe, enthaltenden Feldes ein sich vorzugsweise nach allen Richtungen
ausbreitender Meßimpuls, z. B. ein Schallimpuls, ausgesendet und mit Hilfe einer
Empfangs einrichtung, welche die durch die einzelnen reflektierenden Flächen bedingten
Echos des Meßimpulses aufnimmt, die Richtung der einzelnen reflektierenden Flächen
bestimmt wird, während
die einzelnen Entfernungen sich aus den zu
messenden Laufzeiten des Nleßimpulses und seiner Echos ergeben. AIan kann unter
Benutzung der vorerwähnten Horizontalloteinrichtung eine sinnfällige Wiedergabe
des die einzelnen reflektierenden Flächen enthaltenden Feldes erhalten, indem die
einzelne reflektierende Fläche in einem Polarkoordinatensystem durch einen Punkt
dargestellt wird. dessen Leitstrahl der Entfernung der reflektierenden Fläche von
einem Bezugspunkt und dessen Polarwinkel der Richtung entspricht. unter der die
reflektierende Fläche zu dem Bezugspunkt liegt.
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Sieht man von dem für die bessere Erläuterung herangezogenen Anwendungsfall
ab, so handelt es sich allgemein also darum, eine Einrichtung zu finden, mit deren
Hilfe in einfacher Weise zwei Nfeßwerte durch die Lage eines durch einen Strahl
erzeugten Punktes in einem Polarkoordinatensystem zur Darstellung gebracht werden
können. Dies ist dadurch erreicht. daß erfindungsgemäß von dem einen Niefiwert durch
Einstellung eines elektrischen Amplitudensiebes die hinsichtlich der Länge des Leitstrahles
dem N'feßwert entsprechende Zone der Koordinatenfläche für die Einwirkung des Aufzeichnungsstrahles
vorbestimmt wird, während der andere, durch den Polarwinkel wiederzugebende Meßwert
unter dem ihm entsprechenden Polarwinkel denAufzeichllungsstrahl über die Koordinatenfläche
führt.
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Soll die Einrichtung als Horizontallot Verwendung iinden, so wird
bei einer besonderen Ausführungsform des Erfindungsgedankens das die Länge des Aufzeichnungsstrahles
bestimmende elektrische Amplitudensieb in Abhängigkeit von der Zeit laufend verstellt,
und zwar beginnt die Verstellung mit der Aussendung des Äleflimpulses. Nian erhält
auf diese Weise eine sinnfällige Darstellung von Lage und Anordnung der reflektierenden
Körper in der untersuchten Horizontalebene.
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Die Energie der das Amplitudensieb einstellenden reflel;tierten Wellenimpulse
ist um so kleiner, je größer die Entfernung der Reflexionsflächen ist. Andererseits
sollen diese geringen Wellenimpulse den Aufzeichnungsstrahl am weitesten in radialer
Richtung über die Koordinatenfläche bewegen. Es empfiehlt sich daher gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstands. die Abtastung der Koordinatenfläche
invers vorzunehmen, so daß mit zunehmender Größe des die Entfernung bestimmenden
Meßwertes die zur Einwirkung des Aufzeichnungsstrahles vorbestimmte Zone der Koordinatenfläche
sich zu deren Ursprungspunkt hinbewegt. Verwendet man weiter NIittel zur optischen
Entzerrung der inversen Darstellung, in dem z. B. die Aufzeichnungsfläche durch
einen Kegelspiegel betrachtet wird, so erhält man trotzdem eine wirklichkeitsgetreue
Abbildung der reflektierenden Flächen.
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Ein Ausführungsbeispiel ist schematisch in Fig. 1 veranschaulicht.
Zum besseren Verständnis dieses Ausführungsbeispieles sei wieder zurückgegriffen
auf den obenerwähnten Anwendungsfall der Wiedergabe der Verteilung reflektierender
Flächen in einem Feld.
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Beispielsweise mögen sich, wie das in Fig. 2 gezeigt ist, in einer
Ebene sieben Körper 2 bis S befinden. I ist der Sender für die Aussendung des an
den betreffenden Körpern 2 bis 8 zur Reflexion zu bringenden A1 eßimpulses, der,
wie schon gesagt, insbesondere ein Meßschallimpuls sein mag. Die Aufgabe ist nun,
ein Anzeige- oder Aufzeidnungsgerät zu bilden, mit dessen Hilfe die in Fig. 2 gezeigte
\'erteilung der reflektierenden Körper möglichst sinnfällig in einemPolarkoordinatensystem
wiedergegeben werden kann, wie das in Fig. 3 gezeigt ist. In dieser Darstellung
ist mit g die äußere Begrenzung der Roordinatenfläche bezeichnet. IO-II ist die
Bezugslinie, von der aus der Polarwinkel gemessen wird. I2 ist der Koordinatenursprungspunkt,
der in der Wiedergabe des in Fig. 2 gezeigten Feldes mit dem Ort des LIeßsenders
I der Fig. 2 zusammenfällt. Die Punkte 2 bis 8 der Fig. 3 entsprechen den Orten
der reflektierenden Körper in dem in Fig. 2 gezeigten Feld.
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Um aus der Wiedergabe der Verteilung der reflektierenden Körper deren
Entfernung besser ablesen zu können, empfiehlt es sich, die in Fig. 3 gezeigte Darstellungsfläche
I2. 9 mit einer Kreisteilung auszurüsten, deren Kreise den Koordinatenursprungspunkt
zum Alittelpunkt haben, und die Koordinatenfläche in Zonen a bis j gleicher Breite
zu unterteilen.
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Entsprechend kann zur besseren Bestimmung des Polarwinkels, unter
dem die einzelnen reflektierenden Körper sich zum Koordinatenursprungspunkt befinden,
eine zweite nicht dargestellte Teilung in Gestalt von durch den Koordinatenursprungspunkt
gehenden, unter dem gleichen Winkel gegeneinander versetzten Geraden vorgesehen
werden.
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Obgleich, wie schon gesagt, die Erfindung allgemein für den obengenannten
Zweck der Darstellung zweier Älefiwerte benutzt werden kann. sei das in Fig. I gezeigte
Ausführungsbeispiel des besseren Verständnisses wegen unter Bezugnahme auf die an
Hand der Fig. 2 und 3 näher gegebene Anwendung beschrieben. Im Ausführungsbeispiel
der Fig. I wird zur Darstellung der beiden NIeßwerte von einem Kathodenstrahloszillographen
in Gestalt einer Braunschen Röhre 20 Gebrauch gemacht. Dieser wird ein geeigneter
Leuchtschirm zugeordnet, für den hinsichtlich einer
etwaigen Teilung,
hinsichtlich des Koordinatenanfangspunktes usw. all das gilt, was bereits zur Fig.
3 ausgeführt wurde. Die Aufzeichnung erfolgt in üblicher Weise durch die Spur des
von der Kathode 21 ausgehenden Kathodenstrahles S. Hierzu ist ein Steuersystem vorgesehen,
das aus zwei gegeneinander um go0 verdrehten Elektrodenpaaren 22 und 23 besteht.
Diese sind an die Ausgangsseite eines Empfangsgerätes 25 angeschlossen, das eingangsseitig
an zwei zur Aufnahme des Echos dienenden Aufnahmegeräten 26 und 27, z. B. zwei Schaflaufnahiaegeräten,
1,iegt. Mit Hilfe der Geräte 25, 26 und 27 werden die beiden Elektrodenpaare 22
und 23 so gesteuert, daß sie die Spur des Elektronenstrahles S über den Leuchtschirm
oder allgemein über die Koordinatenfläche führen, und zwar unter einer Richtung,
die der Richtung des in Betracht kommenden reflektierenden Körpers zu dem Meßimpulssender
I entspricht. Die Spur des Kathodenstrahles wird dabei, sofern der Kathodenstrahl
nur unter der Wirkung der beiden Steuerelektroden 22 und 23 stände, entsprechend
dem zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannungen des Gerätes 25 auf dem Leuchtschirm
hin und her geführt, so daß sich also eine durch den Ursprungspunkt der Koordinatenfläche
bzw. des Leuchtschirmes unter der obenerwähnten Richtung verlaufende Gerade ergeben
würde. Die bisher beschriebene Steuerung des Kathodenstrahles ist an sich bekannt
und braucht hier nicht näher erörtert zu werden. Es sei nur kurz erwähnt, daß sie
auf der Phasenverschiebung der Ausgangsströme der beiden Aufnahmegeräte 26 und 27
beruht, die bekannlbLich in einer gewissen Entfernung voneinander aufgestellt werden.
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Wie gesagt, würde sich mit Hilfe der Steuerelektroden 22 und 23 allein
nur eine die Richtung der betreffenden reflektierenden Fläche bestimmende Gerade
ergeben. Zweck der Erfindung ist aber, einen Punkt zu erhalten, der sowohl die Richtung
wie auch die Entfernung der genannten Fläche bestimmt.
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Hierzu ist beim Ausführungsbeispiel folgende Anordnung getroffen:
Zwischen dem Steuersystem 22 und 23 und der Kathode 21 ist eine Lochblende 3I vorgesehen.
Diese ist mit Bezug auf den Kathodenstrahl einem Elektrodenpaar 24 vorgeschaltet,
das unter dem Einfluß einer ihm aufgedrückten Vorspannung den Kathodenstrahl gemäß
der strichpunktierten Linie so ablenkt, daß er von der Lochblende 3I aufgefangen
wird. In den Kreis der beiden Steuerelektroden 24 ist außer der genannten Vorspannung
die Ausgangs seite eines Amplitudensiebes 28 gelegt. Dieses wird eingangsseitig
von der Ausgangsspannung des obengenannten Empfangsgerätes 25 gespeist. Unter dem
hier verwendeten Ausdruck Amplitudensieb ist ein Gerät verstanden, das lediglich
bei einem bestimmten Momentanwert der Eingangsspannung eineAusgangsspannung liefert.
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Einrichtungen dieser Art sind an sich bekannt und z. B. in »Ele,ktritsche
Nachriehtentechnik«, I930, S. 362, beschrieben. Amplitudensiebe lassen sich nun
so ausbilden, daß der Momentan wert der Einsgang,ssplann,ung, bei dessen Auftreten
das Amplitudensieb eine Ausgangsspannung liefert, betriebsmäßig, d. h. während des
Betriebes, einstellbar ist.
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Um ein derartiges Amplitudensieb handelt es sich bei dem Gerät 28.
Die zu der erwähnten Einstellung des Amplitudensiebes dienenden Mittel sind mit
einem Triebwerk 29 gekuppelt, dessen Auslösungsorgan unter dem Einfluß eines Schalters
30 steht. Statt dieses Triebwerkes kann auch durch eine elektrische, von der einen
Meßgröße, z. B. der Zeit, beeinflußte Schaltung, z. B. Konddensatorlen,tladungold.
dgl., die Einstellung des Amplitudensiebes vorgenommen werden. Dieser Schalter dient
zugleich zur Auslösung des den Meßimpuls aulsslendenden Sendegerätes I (Fig. 2),
so daß also bei Betätigung des Schalters 30 gleichzeitig das Triebwerk 29 ausgelöst
und damit der das Ansprechen des Amplitudensiebes 28 bestimmende Spannungswert in
Abhängigkeit von der Zeit verändert und weiterhin der Meßimpuls ausgelöst wird.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Zu Beginn eines Meßzyklus wird der
Schalter 30 betätigt.
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Das hat in der erwähnten Weise die Aussendung eines Meßimpulses und
gleichzeitig damit die Einschaltung des zur Verstellung des Amplitudensiebes 28
dienenden Triebwerkes 29 zur Folge. Der nach allen Richtungen sich ausbreitende
Meßimpuls trifft zunächst auf den dem Sender I am nächsten liegenden Körper 8 auf.
Die von diesem reflektierten Wellen treffen nach Ablauf einer der Entfernung proportionalen
Zeit die beiden Aufnahmegeräte 26 und 27. Damit erhalten die beiden Steuerelektrodenpaare
22 und 23 Wechselspannungen, die in ihrer Frequenz der Frequenz des Meßimpulses
entsprechen und im übrigen so phasenverschoben gegeneinander sind, daß sie einen
durch die Elektroden hindurchtretenden Kathodenstrahl in die der Richtung des Körpers
8 entsprechende Richtung ablenken würden. Gleichzeitig wird auch das Amplitudensieb
28 eingangsseitig mit der Ausgangsspannung des Gerätes 25 gespeist.
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Diese Spannung möge beispielsweise den im Diagramm der Fig. 4 gezeigten
Verlauf haben.
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Der Momentanwert der Eingangsspannung bei dem allein das Amplitudensieb
eine Ausgangsspannung liefert und der bis zu dem betrachteten Zeitpunkt infolge
der Verstellung des Amplitudensiebes vermittels des Triebwerkes
29
erreicht ist. möge e8 sein. Es wird also jedesmal dann. wenn die Ausgangsspannung
des Gerätes 25 den Momentanwert e8 durchläuft, von dem Amplitudensieb 28 eine Ausgangsspannung
geliefert. Diese Ausgangsspannung hebt die auf das Elektrodenpaar 24 einwirkende
Vorspannung kurzzeitig auf und gibt damit den Kathodenstrahl S zum Durchtritt durch
die Blendenöffnung für den betrachteten Zeitpunkt frei mit der Folge, daß der Kathodenstrahl
einen Punkt bzw. eine begrenzte punktförmige Zone des Leuchtschirmes trifft. Die
Entfernung dieses Punktes bzw. dieser punktförmigen Zone vom Koordinatenursprungspunkt
ist abhängig von der Größe der Momentanspannung e8. Diese gibt wiederum ein Maß
für die seit der Aussendung des Meßimpulses bis zum Eintreffen seines durch den
Körper S bedingten Echos verlaufene Zeit und damit für die Entfernung zwischen der
Meßstelle und dem reflektierenden Körper 8. Der Polarwinkel des betreffenden, von
dem Kathodenstrahl getroffenen Punktes des Leuchtschirmes entspricht nach obigem
der Richtung. unter der der reflelztierende Körper 8 sich zur Aleßstelle befindet.
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Der betrachtete Vorgang wiederholt sich jedesmal, wenn die Ausgangsspannung
des Gerätes 25 wieder durch den Momentanwert e8 hindurchgeht. Wählt man für den
Meßschall die Frequenz 20 kHz und für die Dauer des einzelnen Meßschalles 30 msec,
so wird der betreffende Punkt der Roordinatenfläche bzw. des Leuchtschirmes hinreichend
oft getroffen. um deutlich hervorzutreten.
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Sobald die von den übrigen Körpern 2, 3, 4, 5, 6, 7 reflektierten
Wellen des ausgesandten Meßimpulses auf die Empfangsgeräte 26 und 27 auftreffen,
wiederholen sich die Vorgänge entsprechend. Auf diese Weise wird das in Fig. 2 gezeigte
Feld gemäß der Darstellung nach Fig. 3 wiedergegeben.
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Eine der möglichen Ausführungen des in Fig. 1 nur schematisch gezeigten
Amplitudensiebes ist in Fig. 5 gezeigt. In dieser ist 40 ein Stromtor, in dessen
Anodenkreis die Anodenbatterie 41 und ein Widerstand 42 liegen. Parallel zu der
Anodenbatterie 41 und dem Widerstand 42 liegt die Reihenschaltung eines Kondensators
43 und eines Widerstandes 44. Im Gitterkreis liegt in Reihe mit der Sekundärwicklung
eines Übertragers 45 und einer Vorspannung 46 der Abgriff eines einstellbaren Spannungsteilers
47, der aus einer Batterie 48 gespeist wird. Der zur Einstellung des Abgriffes dienende
Kontaktarm 47a des Spannungsteilers 47 ist mit dem in Fig. I gezeigten Triebwerk
29 gekuppelt. Bei der Verwendung des in Fig. 5 gezeigten Amplitudensiebes für das
Ausführungsbeispiel nach Fig. I ist die Primärwicklung des Übertragers 45 an die
Ausgangs seite des Gerätes 25 der Fig. I anzuschließen, und die von dem Widerstand
44 abgegriffene Spannung ist in den Kreis des Elektrodenpaares 24 einzufügen.
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Die Wirkungsweise ist dann folgende: Zu Beginn des Meßzyklus befindet
sich der Kontaktarm 47a des Spannungsteilers 47 in der Anfangsstellung. Der Gitterkreis
ist so abgestimmt, daß in jeder Anfangsstellung eine sehr kleine, über den Übertrager
45 eingeführte Spannung genügt, um das Rohr 4o zu zünden.
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NIit zunehmender Verstellung des Kontaktarmes 47a wird jedoch dieser
Spannungswert, der zur Zündung des Rohres 40 über den Übertrager 45 einzuführen
ist, erhöht. Der Verlaufkann je nach der auf der Koordinatenfläche (Fig. 3) gewünschten
Teilung ein linearer oder ein sonst geeigneter sein. Es sei wieder der Fall betrachtet,
daß an den Aufnahmegeräten 26 und 27 das vom Körper 8 reflektierte Echo eintrifft.
Es ergehen sich die obenerwähnten Ausgangsspannungen des Gerätes 25. Sobald die
von diesem dem Übertrager 45 zugeleitete Ausgangsspannung den Momentanwert e8 (s.
Fig. 4) durchläuft, zündet das Rohr 40. Zuvor hatte sich der Kondensator 43 über
den Widerstand 42 langsam aufgeladen. Bei der Zündung des Rohres entlädt sich nun
der Kondensator 43 über das Rohr und den Widerstand 44. An den Klemmen dieses Widerstandes
tritt eine die auf das Elektrodenpaar 24 wirkende Vorspannung aufhebende Spannung
auf. Diese Vorgänge laufen sehr schnell ab, d. h., die Entladung des Kondensators
43 über das Rohr 40 o und damit das Auftreten der vom Widerstand 44 abgegriffenen
Spannung gehen so kurzzeitig vor sich, daß der Elel;tronenstrahl S jeweils nur eine
punktförmige Zone des Leuchtschirmes trifft und, bevor er noch über diese punktförmige
Zone hinausgelangt, durch das Elektrodenpaar 24 und die Lochblende 31 wieder abgeblendet
wird. Die genannten Vorgänge wiederholen sich während jeder positiven Halbwelle
der über den Übertrager 45 zugeleiteten Ausgangsspannung des Gerätes 25. Legt man
die obengenannten Werte zugrunde, nämlich 20 kHz für die Frequenz des Meßschalles
und 30 msec für die Dauer des Meßschalles, so zündet also, beginnend von dem Eintreffen
des Echos, das Rohr 600mal.
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Entsprechend wird der betreffende Punkt des Leuchtschirmes 600mal
von dem Kathodenstrahl getroffen. Das reicht hin, um einen deutlich sichtbaren Eindruck
hervorzurufen.
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Das Verfahren kann leicht automatisiert werden. Man kann z. B. mit
entsprechend gewählter Geschwindigkeit das Triebwerk 29 dauernd laufen lassen. beispielsweise
so. daß es jeweils in einer Zeit von beispielsweise 3 sec den Kontaktarm 47ª über
den ganzen
Einstellbereich verschiebt. Diese Zeitspanne ist natürlich
so zu wählen, daß während dieser Zeit sämtliche interessierenden Echos eintreffen
können. Es wird weiterhin Vorsorge getroffen, daß jeweils dann, wenn der Kontaktarm
47a den Anfangspunkt eines Einstellbereiches durchläuft, ein Meßschall ausgesendet
wird, wozu an der betreffenden Stelle des Kontaktarmes 47a ein von ihm betätigter
Schalter vorgesehen werden kann; alsdann arbeitet die Einrichtung automatisch. Entsprechend
der Periode der automatisch arbeitenden Einrichtung ist auch bei Verwendung eines
Leuchtschirmes dessen Nachleuchtdauer zu wählen.
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Es geht schon aus der obigen Beschreibung hervor, daß es sich bei
dem in Fig. 5 geneigten Amplitudensieb nur um ein Ausführungsbeispiel handelt, daß
also an seine Stelle auch andere Amplitudensiebe treten können. So kann z. B. das-Stromtor
40 durch eine Vakuumröhre oder andere steuerbare Widerstände in entsprechender Schaltung
ersetzt werden. Des weiteren können an die Stelle der Steuerelektroden 22 und 23
Magnetsysteme treten.
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Statt eine Lochblende in Verbindung mit dem Ablenksystem 24 zu verwenden,
kann man sich auch eines Steuergitters bedienen, das durch eine geeignete Vorspannung
den Kathodenstrahl unterdrückt und erst nach Aufhebung der Vorspannung durch die
vom Amplitudensieb gelieferte Ausgangsspannung den Kathodenstrahl entstehen läßt.
Im übrigen kann die Steuerung des Gitters so erfolgen, wie es oben beschrieben ist
mit Bezug auf die Steuerung des Elektrodenpaares 24.
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Weiterhin kann für die Steuerung der Eingangsseite des Amplitudensiebes
28 neben den Geräten 26 und 27 ein besonderes Aufnahmegerät vorgesehen werden. Die
Größe der dem Steuersystem 22, 23 zugeführten Ablenkspannungen muß so bemessen sein,
daß die Spur des KathodenstrahlesS bis zum Rand der Koor;diinatenfläche ausgelenkt
wird.
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Andererseits ist aber die Energie der von den am weitesten entfernt
liegenden Körpern reflektierten WeUen am kleinsten. Es empfiehlt sich daher, die
Abtastung der Koordinatenfläche invers, d. h. in solcher Weise vorzunehmen, daß
mit zunehmender Größe des einen Meßwertes, im vorliegenden Falle der Entfernung,
die zur Einwirkung des Aufzeichnungsstrahles vorbestimmte Zone der Koordinatenfläche
sich deren Ursprungspunkt nähert. Mit anderen Worten, während, nach der obigen Beschreibung
das Amplitudensieb 28 mit Hilfe des Triebwerkes 29 so gesteuert wird, daß die Ausgangsamplitude
in Abhängigkeit von der Zeit zunimmt, wird bei der inversen Abtastung das Amplitudensieb
28 so gesteuert, daß die Ausgangsamplitude in Abhängigkeit von der Zeit abnimmt.
Um trotz dieser inversen Abtastung bzw. inversen Wiedergabe des Feldes der reflektierenden
Körper ein wirklichkeitsgetreues Bild zu erhalten, empfiehlt es sich, die inverse
Abbildung durch an sich bekannte Mittel zu entzerren, z. B. mit Hilfe eines Kegelspiegels,
durch den der Leuchtschirm oder allgemeiner die Aufzeiahnun,gsfläch!e betrachtet
wird. An Selle des Leuchtschirmes kann selbstverständlich auch eiir lichtempfindlicher
Film od. dgl. treten. Ebenso kann zur Aufzeichnung statt eines Kathodenstrahles
ein Lichtstrahl treten, in welchem Falle dann der Kathodenstrahloszillograph durch
einen anderen Oszillographen bzw. ein zur Steuerung eines Lichtstrahles nach zwei
Koordinaten geeignetes System zu-ersetzen ist.