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Verfahren und Anordnung zur Entfernungsinessung nach der Echomethode
mit Hilfe von elektromagnetisdb:en Wellen
Die oszillographischen Verfahren zur Kurzzeitmessung
werden insbesondere zur Auffindung von beweglichen Hindernissen benutzt, die sich
in einem Hochfrequenzfeld befinden und ein elektromagnetisches Echo aussenden können.
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Zur Entfernungsanzeige dient meist ein Braunsches Rohr, auf dessen
Leuchtschirm das Eintreffen des periodisch ausgesandten Impulses nach Reflexion
an dem Hindernis durch Auslenkung oder Helligkeitssteuerung einer als Zeitbasis
dienenden kreisförmigen oder geradlinigen Bahn des Kathodenstrahls angezeigt wird.
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Um den Zeitmaßstab zur Erhöhung der Genauigkeit der Messung größenordnungsmäßig
der jeweils zu messenden Entfernung anzupassen, können Mittel zur Veränderung der
Periode der ausgesandten Impulse vorgesehen sein.
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Es ist ferner vorgeschlagen worden, die ausgesandte Welle mittels
eines von Hand einstellbaren Phasenschiebers - so weit zu verzögern, bis ihre Koinzidenz
mit der reflektierten Welle an einem Meßgerät festgestellt werden kann. Die Einstellung
des Phasenschiebers ist dann ein Maß für die gesuchte Entfernung.
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Um nur solche Hindernisse anzuzeigen, die in der Nähe einer bestimmten
Entfernung liegen, wird ein Läufer von Hand auf diejenige Stelle des Leuchtschirms
eingestellt, die der gewünschten
Entfernung entspricht. Mit dem
Läufer ist eine Vorrichtung zur Phasenverschiebung eines Rechtecksignals gekuppelt.
Dieses Rechtecksignal gibt den Kathodenstrahl nur in der Nähe der gewünsch ten Entfernung
frei, und nur in diesem Bereich erscheinen die Echospuren.
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Die Erfindung bezweckt, die Leichtigkeit der Handhabung und die Genauigkeit
der fortlaufend an einem bewegten Hindernis vorgenommenen Entfernungsmessungen,
bei welchen das erwähnte Verfahren des periodischen Aufleuchtens der Kathodenstrahiröhre
benutzt wird, zu steigern.
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Die Erfindung sieht. ein Organ zur Phasenregelung dieses Aufleuchtens
vor, welches gleichzeitig eine Dehnung der Ableseskala in dem betreffenden Punkt
bewirkt. Außerdem sieht die Erfindung eine regelbare Verschiebung der oszillographischen
Zeitbasis vor, welche eine gedehnte Sekundärskala ergibt, so daß vor einer festen
Marke das zu verfolgende Echo festgehalten werden kann. Die Ablesung der Entfernung
zu dem Hindernis wird so unmittelbar durch die Winkelstellung des Organs für die
Phasenregelung gegeben. Dieses Verfahren besitzt den Vorteil einer sehr genauen
Ablesung und einer großen Bequemlichkeit für augenblickliche und fortlaufende Fernübertragung,
weil auf der Achse des Phasenschiebers nur ein Winkelübertrager angebracht zu werden
braucht. Ferner macht man sich auf diese Weise frei von Anzeigefehlern des Braunschen
Rohres.
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Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient die Zeichnung.
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Fig. 1 zeigt den Verlauf der sinusförmigen Speisespannung während
einer Ablenkperiode des Kathodenstrahls, welche der maximalen für das Gerät vorgesehenen
Laufzeit der Wellen entspricht.
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In Fig. 2 ist die Elektronenspur auf dem Leuchtschirm der Kathodenstrahlröhre
bei Polarkoordinatendarstellung abgebildet. Auf dem Leuchtschirm erscheint ein von
der an dem Hindernis reflektierten Welle herrührender Zacken, der vom Ursprung um
einen Winkel a entfernt ist, welcher durch folgende Beziehung festgelegt ist: c
. a a = 2 360 F .
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Hierbei ist c Lichtgeschwindigkeit, F Frequenz des Drehfelds, a gemessener
Winkel, a Entfernung des Hindernisses.
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Das System zur Phasenregelung kann auf verschiedene Weise ausgebildet
werden, z. B. durch Veränderung der Werte der Impedanzen in einem Stromkreis. Zur
Erzielung einer besseren Proportionalität der Phase der Signale und der Drehwinkel
ist jedoch das übliche System eines Phasenmessers mit Drehfeld vorzuziehen.
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Man erzeugt ein kreisförmiges Drehfeld, dessen Kreisfrequenz der
größten zu messenden Zeit entspricht. Wenn die Skala Entfernungen z. B. bis zu 30
km umfaßt, ist die Periode des Feldes wenigstens t/sooo Sekunde. Ein von Hand verschiebbarer
Rotor wird in dem kreisförmigen Feld angeordnet.
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Er nimmt eine sinusförmige Wechselspannung mit der Frequenz 5000 auf,
deren Phase in bezug auf das Erzeugerfeld durch den Winkel gemessen wird, den der
Rotor mit seiner Ursprungslage bildet.
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Mit Hilfe von Kippschwingungserzeugern und von bekannten Schaltungen
wird aus dieser Spannung ein kurzes Rechtecksignal von gleicher Periodizität abgeleitet,
dessen Dauer durch die gewünschte Ablesegenauigkeit festgelegt ist, jedoch mindestens
die zwei- bis dreifache Dauer des Echosignals aufweisen soll. Dieses Rechtecksignal,
das in Fig. 3 dargestellt ist, wird dem Wehneltzylinder der Hauptkathodenstrahlröhre,
an welcher die Ablenkung des Fleckes eine Skala von z. B. 30 km darstellt, zugeführt
und bringt einen Teil dieser Skala zum Aufleuchten (s. Fig. 2). Die Lage dieses
Teiles ändert sich in bezug auf den Nullpunkt der Skala, wenn man den Rotor von
Hand verdreht.
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Dadurch kann man in der Praxis mit Hilfe eines Leuchtzeigers die Verschiebung
des Echos verfolgen, d. h. in jedem Augenblick die Entfernung des Hindernisses feststellen,
indem man entweder eine Länge an dem Schirm der Röhre mißt oder vorzugsweise die
Winkelstellung des Rotors. Auf diese Weise wird man von der Proportionalität der
Ablenkung des KTathodenstrahls frei.
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Die Ablenkspannung der Ableseröhre ist selbstverständlich synchron
zu der das Drehfeld erzeugenden Spannung (Fig. I), und ihre Phase ist an diejenige
des Feldes starr gebunden. In der Praxis wird ein stabilisierter Generator zugleich
die Ablenkung der Röhre und das Drehfeld des Phasenschiebers steuern.
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Gemäß der Erfindung wird eine größere Ablesegenauigkeit in der folgenden
Weise erzielt: Mit Hilfe des verschiebbaren kurzen Rechtecksignals (Fig. 3) stellt
man eine Sägezahnspannung (Fig. 4) von gleicher Dauer her, die an ein Plattenpaar
einer Hilfskathodenstrahlröhre (Fig. 5) im allgemeinen von kleinem Durchmesser angelegt
wird.
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Die gesamte Ablenkung in dieser Röhre wird so in einigen Mikrosekunden
durchgeführt, und die Länge der Skala, bezogen auf die Lichtgeschwindigkeit, stellt
z. B. 2 oder 3 km dar.
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Die reflektierten elektromagnetischen . Wellen werden dem zweiten
Plattenpaar nach Verstärkung zugeführt. An der Hilfsröhre wird so ein gedehnter
Teil der Skala des Hauptoszillographen wiedergegeben, und dieser Teil liegt zwischen
zwei Entfernungsgrenzen a -: und a t e. Wenn ein von einem beweglichen Hindernis
stammendes Echo an der Hauptröhre sichtbar wird, kann, lediglich durch Betätigung
des Phasenregelknopfes, Folgendes bewirkt werden: a) Die Echospur an dem Hauptoszillograph
wird sehr leuchtstark und die Beobachtung weniger ermüdend gemacht. b) Das Echo
wird an dem Feinableseoszillograph zur Erscheinung gebracht, und es wird das Amplitudenmaximum
dieses Echosignals dauernd gegenüber einer festen Marke festgehalten. Bei einem
genügend untersetzten Antrieb des Rotors kann die GenauNgkeit seiner Winkelstellung
zu einer Genauigkeit von + 50 m bei der Entfer-
nungsbestimmung
führen. Die Fernübertragung des Ergebnisses ohne besondere Beanspruchung des Bedienungsmannes
wird sehr einfach erreicht, indem auf derselben Achse wie der Rotor des Phase schiebers
der bewegliche Rahmen eines Winkelübertragers nach Art eines Kreuzspulgerätes befestigt
wird. c) Den Modulationselektroden der Kathodenstrahlröhren, die für die Messung
der Winkel in der horizontalen bzw. vertikalen Ebene (welche die Richtung des Hindernisses
bestimmen) dienen, werden Impulse zugeführt, welche nur Signale erscheinen lassen,
welche von Hindernissen stammen, die in einem auf die Nähe des zu beobachtenden
Hindernisses beschränkten Entfernungsbereich liegen und so andere Echos ausschalten,
welche die Ablesung stören könnten. Die Bestimmung der Winkel kann vorgenommen werden,
indem man entweder das Maximum oder das Verschwinden des Empfangs aufsucht oder
durch die Methode der gekreuzten Diagramme oder durch fortlaufende Abtastung des
Raumes usw., ohne daß dadurch die Anwendung der Erfindung beeinträchtigt werden
kann. Der erhebliche Vorteil, welcher sich daraus ergibt, liegt in der automatisch
durchgeführten Behebung des Zweifels, da die Winkelsucher sich nur nach dem sichtbaren
Echo richten können, welches durch das Signal des Phasenschiebers auf dem Schirm
markiert und erleuchtet wird.