-
Einrichtung zur Ablstandsbefstimmung mittels Hochfrequenzwelien nach
der Echomethode Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen von Entfernungen
nach der Echomethode mittels elektrischer Wellen. Es ist bereits bekannt, von einem
Sender in einer bestimmten Frequenz (Impulsfrequenz) Meßimpulse in Form kurzer elektrischer
Wellenzüge auszusenden. Als Anzeigevorrichtung dient eine Kathodenstrahlröhre, deren
Leuchtfleck durch die Impulsfrequenz auf geschlossener Bahn, z B. einem Kreis, bewegt
wliftd.
-
Durch den vom Empfänger aufgefangenen direkten Meßimpuls und den Echoimpuls
wird der Leuchtfleck von seiner Bahn ausgelenkt.
-
Aus der Impulsfrequenz und dem Bahnabstand der beiden Auslenkzacken
(direkte Zacke und Echozacke) kann dann leicht die Entfernung des refiktierenFden
Gegenstands abgeIeitet werden.
-
Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung dieser bekannten Anordnung
und besteht im wesentlichen darin, daß der Meßimpulsgeber im Empfänger angeordnet
ist und daß die ausgesandten Hochfrequenzwellen mit der Impulsfrequenzspannung moduliert
sind. Um die mit der Erfindung erreichten Vorteile deutlicher hervortreten zu lassen,
soll an Hand der Figuren zunächst ein Entfernungsmeßgerät bekannter Art, alsdann
ein nach der Erfindung abgeändertes Meßgerät beschrieben werden. Es zeigt
Fig.
I die schematische Anordnung eines bereits vorgeschlagenen Gerätes und Fig. 2 den
Verlauf der Spannungen in den einzelnen Geräteteilen dieser Anordnung, Fig. 4 den
entsprechenden Spannungsverlauf.
-
In Fig. I bezeichnet I den Impulsfrequenzgenerator, zweclimäßig ein
Röhrensender, dessen Frequenz die zeitliche Folge der NIeßimpulse bestimmt. Als
Impulsgeber 2 kann z. B. ein als Verzerrer wirkendes gittergesteuertes Gasentladungsrohr
dienen, das aus jeder zugeführten positiven Halbwelle der Impulsfrequenzspannung
eine Impulsspitze bildet, während der übrige Kurvenzug unterdrückt wird. Diese Impulsspitzen
werden als Modulationsspannung an den Hochfrequenzsender 3 gegeben, der für die
Dauer jedes Impulses entsprechende kurze Wellenzüge aussendet. Diese Ävellenzüge
werden von der Sendeantenne 4 teils gegen den reflektierenden Gegenstand gestrahlt,
dessen Entfernung zu bestimmen ist, und nach ihrer Rückkehr von der Empfangsantenne
5 aufgefangen, teils erregen sie den Empfänger direkt. Die empfangenen Impulse werden
z. B. im Hochfrequenzverstärker 6 verstärkt. Die nach Gleichrichtung erhaltenen
Spannungsimpulse werden im Impulsverstärker 7 weiter verstärkt und rufen alsdann
in der Kathodenstrahlröhre 8 die Ablenkzacken in der Leuchtbahn des Elektronenstrahles
hervor. Damit die direkte Zacke und bei konstanter Meßentfernung auch die Echozacke
jedesmal an derselben Stelle der Leuchtbahn und alsdann als stehendes Bild sichtbar
werden, wird das Drehfeld zur Erzielung der Elektronenstrahlkreisbahn von dem Impulsfrequenzgenerator
geliefert. In der Fig. I sind beispielsweise für die Erzeugung des Drehfeldes zwei
gekreuzt angeordnete Plattenpaare g und 10 vorgesehen, an denen - um go0 zueinander
phasenversdoben - die Impulsfrequenzspannung liegt. Die empfangenen und hinreichend
verstärkten Impulse werden an die Elektroden des kegelförmigen Ablenkkondensators
ii geführt. Impulsgabe und Bahnbewegung erfolgen also genau synchron.
-
Der Abstand zwischen direkter und Echozacke ist bei konstanter Impulsfrequenz
der NIeßstrecke verhältnisgleich. man kann das Gerät aber auch so benutzen, daß
durch Verändern der Impulsfrequenz eine bestimmte Phasenbeziehung zwischen den beiden
Zacken eingestellt wird, z. B. die Echozacke mit der direkten Zacke zur Deckung
gebracht wird, oder daß beide Zacken auf dem Leuchtschirm diametral gegenüber erscheinen.
In diesem Fall bildet die Impulsfrequenz ein direktes Maß für die Entfernung.
-
Die in der beschriebenen Anlage auftretenden Betriebsverhältnisse
kann man sich sehr übersichtlich klar machen, wenn man den Spannungsverlauf betrachtet,
wie er in Fig. 2 für die einzelnen Geräteteile aufgezeichnet ist.
-
Im Diagramm a ist die Spannung des Impulsfrequenzgenerators aufgetragen,
der beispielsweise Schwingungen von 30 kHz erzeugt.
-
Diese Impulsfrequenz sei als Zeitmaßstab gewählt; deshalb ist in die
übrigen Diagramme die Impulsfrequenzspannung überall gestrichelt eingezeichnet.
In jedem Gerät ist jedem Zeitpunkt eine Phase dieser Spannung zugeordnet. Der Impulsgeber
(Verzerrer 2 liefert im Takt der Impulsfrequenz, also im zeitlichen Abstand einer
Impulsfrequenzperiodlel T, NIeßimpulse (Diagramm b). der von ihm gesteuerte Hochfrequenzsender
3 sendet entsprechend modulierte Ävellenzüge aus (Diagramm c). Die Wellenlänge betrage
z. B. I m, entsprechend einer Frequenz von 300 NIHz. Bei einer Zielentfernung von
1,25 km beträgt der vom Ävellenimpuls zwischen Sender und Empfänger zurückgelegte
Weg also 2,5 Iim, das entspricht hei der Impulsfrequenz 30 kHz (Wellenlänge Io km)
einem Phasenunterschied von go; zwischen Sendeimpuls und reflektiertem Empfangsimpuls.
In den Diagrammen der Empfangsapparate ist daher die Kurve der Impulsfrequenzspannung
um 900 nacheilend eingezeichnet. In dem die Schwingungsverhältnisse am Empfängereingang
da.rstellenden Diagramm d sind die direkten Impulse mit 2I, 2I' .... die reflektierten
Impulse mit 22, 22' ... bezeichnet; beide Wellenzüge werden durch die hochfrequenten
Schwingungen von 300 LIHz gebildet. Durch Gleichrichtung werden aus diesen Wellenzügen
im Impulsverstärker 7 Spannungsimpulse gebildet (Diagramm e). die auf dem Zeitkreis
der Kathodenstrahlröhre als Ablenkzacken sichtbar werden. Der Zeitkreis ist im Diagramm
f abgewickelt gezeichnet; eine Periode der Impulsfrequenzspannung entspricht einem
vollen Umlauf des Elektronlenstrahtles. Die zeitlich folgenden direkten Ablenkzacken
21, 2I' usf., ebenso die Echozacken 22, 22' usf. erscheinen infuge der synchronen
Zeitahlenkung an derseLben Stelle des Zeiilreises.
-
Die schwierigste Aufgabe liegt beim beschriebenen Verfahren in der
Übertragung der Aleßimpulse, die bei den bekannten Anordnungen, z. B. auch in Fig.
I. die gesamte Sende- und Empfangsapparatur durchlaufen müssen. Nun ist aber die
Schärfe der Impulse und ihre kurze Zeitdauer in erster Linie maßgegend für die Anzeigegenauigkeit.
Die Impulse von der geforderten sehr kurzen Zeitdauer bedingen aber aperiodische
Verstärker von sehr großer Bandbreite, die bei den genannten Zahlenwerten z. B.
mehrere Alegahertz betragen muß. Dadurch werden die
Impulse verzerrt
und verbreitert, so daß die Ungenauigkeit in der Anzeige zunimmt.
-
Außerdem ist der Wirkungsgrad von Breitbandverstärkern gering, so
daß sich nur schwer eine hohe Verstärkung erzielen läßt.
-
Hoher Verstärkungsgrad ist aber gerade in diesem Fall, wo es sich
um die Verstärkung von sehr schwachen reflektierten Impulsen handelt, von großer
Wichtigkeit.
-
Der Gedanke der Erfindung besteht nun darin, den Impulsgeber nicht
im Sender, sondern im Empfänger, vorzugsweise unmittelbar vor der Kathodenstrahlröhre,
einzubauen. Die Genauigkeit in der Zeitmessung wird dadurch größer. Der Impuls kommt
so genau, wie er nur hergestellt werden kann, ohne verzerrende Zwischenübertragung,
unmittelbar in der Kathodenstrahlröhre zur Darstellung, so daß sich eine möglichst
große Ablesegenauigkeit ergibt. Ferner ergeben sich wegen der wesentlich geringeren
Bandbreite auch für die Übertragung merkliche Vorteile. Der Hochfrequenz- und auch
der Impulsfrequenzverstärker können als selektive Verstärker mit hohem Wirkungsgrad
ausgeführt werden. Die erfindungsgemäße Anordnung eines Entfernungsmeßgerätes zeigt
Fig. 3, während in den Diagrammen der Fig. 4 der Spannungsverlauf in den einzelnen
Geräteteilen dargestellt ist.
-
Der Impulsfrequenzsender I moduliert unmittelbar die Schwingungen
des Senders 3, der z.B. als Ultrakurzwellensender mit 300 MHz (Wellenlänge 1 m)
betrieben wird (Diagramme a und b in Pig. 4). Die Bedteutung des zwischen Impulsfrequenzsender
I und Hochfrequenzsender 3 befindlichen Teiles I2 wird weiter unten erklärt. Es
kann mit einer festen Impuls frequenz gearbeitet werden. Für das Ausführungsbeispiel
sei jedoch angenommen, daß die Impulsfrequenz an die zu messende Entfernung angepaßt
wird, z.B. so gewählt werde, daß die doppelte Zielentfernung einer halben Wellenlänge
der Impulsfrequenz entspricht. Für Entfernungen von I bis 20 km ergeben sich damit
Impulsfrequenzen von 75 bis 3,75 kHz. Direkte Zacke und Echozacke erscheinen bei
richtiger Einstellung der Impulsfrequenz auf dem Leuchtschirm der Kathodenstrahlröhre
an diametral gegenüberliegenden Stellen, und die Impulsfrequenz ist ein Maß für
die gesuchte Entfernung. Die Impulsfrequenzspannung wird ferner an die Plattenpaare
9 und 10 der Kathodenstrahlröhre 8 geführt zur Erzielung der kreisförmigen Bewegung
auf dem Leuchtschirm.
-
Die modulierten hochfrequenten Schwingungen werden von der Sendeantenne
4 ausgestrahlt und nach ihrer Reflexion und Rückkehr von der Empfangsantenne 5 aufgefangen.
-
Gegen die direkte Welle ist der Empfänger abgeschirmt. Zwischen Sender
und Empfänger besteht eine Zeitverzögerung von einer halben Per,i,oldle der Impuslsfrequenz
(Diagramm c).
-
Diese Zeitverzögerung wird durch Änderung der Impulsfrequenz für jede
Entfernung eingestellt. Nach Durchlaufen des Hochfrequenzverstärkers 6 werden im
Impulsfrequenzverstärker 7 die einfachen Impulsschwingungen wieder hergesellt (Dila,gramm
d). Mit Hilfe der am Empfänger mit einer Zeitverzögerung von einer halben Periode
ankommenden Impulsfrequenz werden im Impulsgeber oder Verzerrer 2 Spannungsimpulse
22, 22' usf. auslgelost (Diagramme), die unmittelbar auf die Ablenkelektroden ii
der Kathodenstrahlröhre 8 gegeben werden und auf dem Leuchtschirm die Echozacken
22, 22' usf. hervorgerufen (Diagramm f). Ein vom Impubs-fre quenzsender I direkt,
ohne den Umweg über Sender und Empfänger, erzeugter Impuls erzeugt die Ablenkzacken
2I, 2I' usf., die in ihrer zeitlichen Lage durch die Impulsfrequenzsplatlnlunlg
(Diagramm a) beslbiimmt sind.
-
Auf dem Leuchtschirm werden die Zacken 2I, 21... . bzw. 22, 22'. .
natürlich jeweils übereinander geschrieben.
-
Die Erzeugung der direkten Impulse kann z. B. in der Weise geschehen,
daß durch ein Schaltwerk I2 der Impulsfrequenzsender I in einem niederfrequenten
Takt, z. B. 50 oder 100 Hz, abwechselnd auf den Hochfrequenzsender 3 und den Impulsgeber
2 geschaltet wird. Für das Auge erscheinen dann beide Impulse - direkter und reflektierter
- gleichzeitig. Die zur Messung ausgestrahlten Impulsfrequenzschwingungen erleiden
gegenüber den direkten Impulsfrequenzschwingungen eine zusätzliche Phasenverschiebung
beim Durchlaufen der Sende- und Empfangsapparatur. Diese muß natürlich in bekannter
Weise kompensiert werden, etwa durch Einschalten eines Phasenschiebers I3.
-
Damit die vom Impulsgeber erzeugten Impulse stets in der gleichen
Phase erscheinen, muß angestrebt werden, die am Ausgang des Impulsfrequenzverstärkers
auftretende Impulsfrequenzspannung möglichst konstant zu halten. Durch Schwankungen
in der Spannungsamplitude könnte ja leicht eine Ubersteuerung des Impulsgebers eintreten.
Gemäß der weiteren Erfindung wird daher vorgeschlagen, die am Ausgang des Impulsfrequenzverstärkers
auftretende Impulsfrequenzspannung mit Hilfe einer selbsttätigen Verstärkungsregelung
konstant zu halten.