DE970278C - Geraet zur Anzeige der Entfernung und der Richtung von Koerpern von einem Beobachtungspunkt - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 4. SEPTEMBER 1958

C 1859IX142 c

ist in Anspruch genommen

Die Erfindung betrifft Geräte zur Anzeige der Entfernung und der Richtung von Körpern von einem Beobachtungspunkt, in welchem sich eine Einrichtung zur Aussendung von impulsförmigen Hochfrequenzsignalen von nicht mehr als io //.see Impulsdauer und eine Empfangseinrichtung für die Aufnahme der Echos dieser Signale mit einer Kathodenstrahlröhre befindet, deren beim Empfang eines Echos hell- bzw. dunkelgesteuerter Elektronenstrahl bei der Aussendung jedes Hochfrequenzsignals von der Schirmmitte aus radial nach außen abgelenkt und in der Richtung des Umfanges außerdem um den Schirmmittelpunkt herum abgelenkt wird.

Derartige Geräte sind in ihren Grundzügen bekannt und sind angegeben worden, um eine kontinuierliche Anzeige der Höhe über dem Boden an Bord eines Flugzeuges zu ermöglichen sowie eine Mes-

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sung der Entfernung, und/oder Lage von Hindernissen in der Bahn der elektromagnetischen Wellen Diese bekannten Einrichtungen sind nicht dazu geeignet, eine landkartenartige Darstellung der Umgebung eines Beobachtungspunktes zu geben, sondern sie dienen, wie oben erwähnt, nur dazu, die Höhe des Flugzeuges zu messen bzw. Hindernisse in Fahrtrichtung festzustellen.

Um eine unmittelbare sinnfällige landkarteriartige ίο Darstellung zu erhalten, wird gemäß der Erfindung mit den impulsförmigen Hochfrequenzsignalen der volle Kreis um den Beobachtungspunkt im wesentlichen waagerecht abgetastet und als ein den vollen Kreisbereich synchron wiedergebendes Diagramm aufgezeichnet, das eine landkartenartige Darstellung· der Umgebung^ des Beobachtungspunktes ergibt; die Pause zwischen zwei aufeinanderfolgenden impulsförmigen Signalen ist dabei langer als die Summe der Laufzeiten bis zum entferntesten noch mit anzuzeigenden Körper und zurück, vorzugsweise länger als das Zwei- oder Dreifache dieser Summe, wobei die in der radialen Richtung des Leuchtschirmes wirksame Strahlablenkung den Elektronenstrahl bereits innerhalb der erwähnten as Laufzeitsumme bis zum Leuchtschirmrand ablenkt. Es ist zwar vorgeschlagen worden, nach der Echomethode, insbesondere mittels Ultraschall im Wasser, eine Abtastung eines Vollkreises um eine senk- - rechte Achse vorzunehmen, um durch eine einzige Lotung gleichzeitig den ganzen Umkreis oder einen größeren Bereich des Umkreises zu erfassen. Jedoch erfolgt dabei die Ausstrahlung über den Vollkreis gleichzeitig. Außerdem ist bei diesem Verfahren nicht an die Anwendung von impulsförmigen Hochfrequenzsignalen gedacht.

Ein anderer Vorschlag, wie er ebenfalls Gegenstand eines älteren Patentes ist, geht auch dahin, den Meßraum nacheinander bei periodischer Schwenkung eines Richtantennensystems waagerecht abzutasten. Als Anzeigeorgan dient dabei ein Braunsches Rohr, dessen Elektronenstrahl einerseits in Abhängigkeit von der Schwenkbewegung des Antennensystems und andererseits nach einer der Entfernungsanzeige dienenden Zeitfunktion abgelenkt wird. Die Ausgangsspannung des Empfängers wird dem Intensitätssteuerorgan dieses Braunschen Rohres zugeführt. Demgegenüber ist bei dem Gerät gemäß der erfindungsgemäßen Kombination durch die besondere Bemessung der Intervalle zwischen zwei aufeinanderfolgenden impulsförmigen Signalen im Verhältnis zu der Laufzeit des Signals bis zu dem entferntesten noch anzuzeigenden Objekt und zurück sowie durch die Ablenkung des Elektronenstrahls bereits innerhalb dieser Zeitspanne bis zum Leuchtschirmrand noch dafür Sorge getragen, daß mehrdeutige Anzeigen durch Reflexionen an Objekten außerhalb der größten Meßentfernung auf dem Schirm nicht entstehen können.

Durch die Erfindung gelingt es so, eine eindeutige Anzeige zu erhalten, die unmittelbar sinnfällig auch einem nicht mit der Betriebsweise im einzelnen vertrauten Benutzer, z. B. dem Steuermann eines Schiffes oder einem Flugzeugführer, eine Darstellung an die Hand gibt, die mit einer normalen Karte verglichen werden kann. Es ist ohne weiteres möglich, das -Schirmbild mit einer im gleichen Maßstab gezeichneten Land- oder Seekarte zur Deckung zu bringen und daraus die notwendigen Schlüsse über die Lage des Beobachtungsortes oder die Lage von etwaigen Hindernissen oder aufzusuchenden Gegenständen zu ziehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben, in welcher die

Fig. ι eine schematische Darstellung des Senders und Empfängers und der zugehörigen Geräte enthält, während die

Fig. 2 ein Schaltbild desjenigen Teiles des Gerätes darstellt, der eine geeignete Ablenkung des Strahles in der Kathodenstrahlröhre hervorbringt.

In Fig. ι sind mit 1 und 2 Antennenanordnungen zur Aussendung und zum Empfang, auf einer gemeinsamen Achse liegend, bezeichnet, von denen jede ausgesprochene Richtwirkung besitzt. Jede dieser Antennen kann z. B. vom Yagi-Typus sein. Die Antennen 1 und 2 sind so angebracht, daß sie mittels eines Motors 4 auf der Welle 3 gemeinsam angetrieben werden können. Die Speiseleitungen 5 und 6 verbinden die Antennen 1 und 2 mit einem Sender 7 bzw. einem Empfänger 8.

Der Sender 7 ist so beschaffen, daß mittels der Antenne 1 eine regelmäßige Folge von hochfrequenten Impulsen einer Frequenz von ungefähr 200 MHz ausgestrahlt wird, wobei die Dauer jedes Impulses von der Größenordnung 3 Mikrosekunden ist und der Zeitabstand zwischen den Impulsen von der Größenordnung 1000 Mikrosekunden. Die Antennen ι und 2 und die Speiseleitungen 5 und 6 müssen natürlich entsprechend der Frequenz der zu sendenden Welle bemessen sein.

Die Kathodenstrahlröhre 9 besitzt vier vorzugsweise gleich empfindliche Ablenkplatten, denen die Ablenkpotentiale von einem Ablenkkreis 10 zugeführt werden. Dieser Kreis 10 ist im einzelnen in Fig. 2 dargestellt. Seine Aufgabe besteht darin, den Leuchtfleck auf dem Kathodenstrahlröhrenschirm längs eines kreisförmigen Weges mit konstanter Winkelgeschwindigkeit entsprechend einer sinusförmigen Eingangsspannung abzulenken und eine Ablenkung des Leuchtfleckes in radialer Richtung entsprechend einer anderen Eingangsspannung hervorzubringen.

In Fig. 2 sind die Röhren F₁, F₂, F₃, F₄ Sechspolröhren oder andere Röhren von ähnlichen Betriebseigenschaften. Die Ausgangsspannungen der Röhren F₁ und F₂ werden dem einen Ablenkplattenpaar X₁ und X₉ der Kathodenstrahlröhre 9 zugeführt, während die Ausgangsspannungen der Röhren F₃ und F₄ dem anderen Ablenkplattenpaar F₁, F₂ zugeführt werden.

An den Ausgangswiderständen R₁, R₂, R₃ und R_i sind Schleifkontakte zur relativen Justierung, die etwa notwendig sein sollte, vorgesehen. Die Eingangsgitter werden mit sinusförmig verlaufenden Spannungen von einer Spannungsquelle 11 aus gespeist. Die gleich großen Widerstände R₅ und R_e

stellen einen Erdungspunkt her, so daß die Eingangsspannungen für die Gitter der Röhren F₁ und F₂ gegentaktmäßig und symmetrisch zur Erde verlaufen. Die aus Kondensatoren und Widerständen bestehende Brücke 12 liefert Eingangsspannungen für die Eingangsgitter der Röhren F₃ und F₄, die ebenfalls gegentaktmäßig verlaufen und 90⁰ Phasenverschiebung gegenüber den Gitterspannungen der Röhren V₁ und V₂ besitzen.

Wenn alle Röhren V₁ bis V_i gleiche Verstärkung aufweisen, beschreibt der Leuchtfleck auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre einen Kreis.

Die Radial-Ablenkspannungen für die Steuergitter (Regelgitter) der Röhren V₁, V₂, V₃ und F₄ werden parallel durch die Leitung 13 zugeführt, und zwar über die Kondensatoren C₁ bis C₄ und die Widerstände R₇ bis R₁₀. Der Zweck dieser Widerstände besteht darin, parasitäre Schwingungen zu verhindern. Wenn sich die Spannung bei 13 ändert, ändert sich demgemäß die Steilheit aller Röhren F₁ bis F₄ in gleicher Weise und synchron miteinander und verändert somit den Radius der kreisförmigen Leuchtspur, ohne seine Kreisform zu beeinflussen. Die Widerstände A₁₁ und i?₁₂ mit den Parallelkondensatoren C₅ erzeugen eine Vorspannung für die Steuergitter über die Widerstände R_u und für die Eingangsgitter über die Widerstände R₅, R₆ und die Brückenschaltung 12.

Wenn veränderliche Widerstände einer Größe, die mit derjenigen der Vorspannungswiderstände A₁₁ und R₁₂ vergleichbar ist, in Reihe mit den Nebenschlußkondensatoren C₅ geschaltet werden, können diese so eingestellt werden, daß jede Fehlanpassung der Röhrenkennlinien korrigiert wird. Die Sinusspannungsquelle π in Fig. 2 ist in Fig. ι durch einen Wechselströmgenerator 14 dargestellt, der synchron mit den Antennen angetrieben wird und eine sinusförmige Spannung erzeugt, deren Frequenz der Umlauf frequenz der Antennen gleich ist. Die Ausgangs spannung des Generators 14 wird über ein Phaseneinstellgerät 15 dem Ablenkkreis 10 zugeführt.

Der Leuehtfleck auf dem Röhrenschirm muß vom Mittelpunkt aus in radialer Richtung mit konstanter Geschwindigkeit in demjenigen Augenblick zu laufen beginnen, in welchem ein Impuls von der An-■ tenne 1 ausgesandt wird. Um diese Ablenkung hervorzubringen, ist ein linearer Sägezahngenerator 16 an den Sender 7 angeschlossen, derart, daß bei jedem Impuls ein Sägezahnrücklauf erzeugt wird. Die Sägezahnausgangsspannung wird bei 13 (Fig. 2) . ; dem Ablenkkreis 10 zugeführt.

Das Steuergitter der Kathodenstrahlröhre ist so vorgespannt, daß, solange die Antenne 2 keine Signale empfängt, der Strahl gesperrt bleibt. Wenn jedoch das Echo eines durch> die Antenne 1 ausgesandten Impulses auf die Antenne 2 auftritt, so gelangt die Empfangsspannung über einen Empfänger 8 an das Steuergitter der Kathodenstrahlröhre 9, und es tritt ein kurzseitiger Strahlstrom auf, so daß ein heller Leuehtfleck an derjenigen Stelle des Schirmes erscheint, bis zu welchem der vorher ausgetastete Strahl in diesem Augenblick durch die Ablenkspannung des Kreises 10 abgelenkt war. Vorzugsweise sind Signalbegrenzungseinrichtungen vorgesehen, so daß Empfangssignale verschiedener Amplitude praktisch die gleiche Anzeige auf dem Röhrenschirm hervorbringen. -

Gewünschtenfalls kann die Steuergitterspannung der Kathodenstrahlröhre auch umgekehrt werden, so daß normalerweise ein Strahlstrom fließt, der jedoch dann beim Empfang eines Echosignals gesperrt wird, so daß sich ein dunkler Fleck auf dem hellen Leuchtschirm ergibt.

Die Zeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden Sendeimpulsen soll vorzugsweise ungefähr zwei- oder dreimal so groß sein wie die Zeitspanne, die ein Signalimpuls benötigt, um vom Sender bis zu dem abzumessenden Körper zu laufen und als Echo zurückzukehren, und zwar bei der weitesten Entfernung vom Sende- und Empfangsort, die noch angezeigt werden muß. Ein reflektiertes Signal bei einer Lage des Körpers außerhalb dieses Anzeigebereichs, aber noch in so kleiner Entfernung, daß eine Reflektion von ausreichender Stärke auftritt, kann dann keine störenden Anzeigewerte auf dem Schirm hervorrufen, da im Zeitpunkt des Eintreffens dieses reflektierten Signals der Kathodenstrahl bereits bis zu einem Punkt außerhalb des Schirmdurchmessers abgelenkt ist.

Bei langsamen Rotationsgeschwindigkeiten des Kathodenstrahls kann eine Röhre mit längerer Nachleuchtdauer des Schirms mit Vorteil benutzt werden, so daß der Leuehtfleck nicht vollständig verschwunden ist, bevor ein neuer Leuehtfleck aufgezeichnet wird. Dies hat den weiteren Vorteil, daß anzuzeigende Körper, die sich gegenüber den Antennen bewegen, mit einem in seiner Helligkeit abklingenden Schweif angezeigt werden, so daß auch die Bewegungsrichtung der Körper erkennbar ist.

Statt eine gewöhnliche Kathodenstrahlröhre, die für die Ablenkung in rechtwinkeligen Koordinaten in Verbindung mit einem Ablenksteuerkreis nach Fig. 2 eingerichtet ist, zu benutzen, kann vorteilhafterweise auch eine Kathodenstrahlröhre mit einer Ablenkeinrichtung für Polarkoordinaten verwendet werden.

Ferner kann man statt einer konstanten Ablenkgeschwindigkeit für die Radialablenkung des Strahls über die Schirmoberfläche auch eine Ablenkung, die nach einem anderen Zusammenhang der Ablenkgeschwindigkeit mit' der Zeit verläuft, verwenden, beispielsweise kann die Geschwindigkeit mit zunehmender Zeit abnehmen, so daß der Entfernungsmaßstab in der Nähe des Schirmmittelpunktes größer ist als in der Nähe des Schirmrandes.

Der Zweck der Phaseneinstellvorrichtung 15 besteht darin, die Ablenkrichtung auf dem Röhrenschirm einstellen zu können, die der Richtung eines anzuzeigenden Körpers im Räum entsprechen soll. Wenn beispielsweise das Gerät auf einem Schiff aufgestellt ist und die Röhre mit einer waagerechten-Lage ihres Schirms montiert ist, kann die Phaseneinstellvorrichtung so eingestellt werden, daß das Erscheinen eines Fleckes vom Schirmmittelpunkt aus auf der vom Funker abgewendeten Seite das;

Auftreten eines anzumessenden Körpers in der Fahrtrichtung des Schiffes bedeutet.

Der Sägezahngenerator 16 kann, statt in seiner Frequenz durch den Sender 7 gesteuert zu werden, auch selbst den Taktgeber darstellen, und kann bei jedem Sägezahnrücklauf die Aussendung eines Signalimpulses seitens des Senders 7 hervorrufen. Man kann aber auch einen derartigen getrennten Sägezahngenerator 16 vermeiden, wenn einTeil des Senders eine Spannung von geeigneter Kurvenform und Phasenlage für die Radlialablenkungssteuerung liefert.

Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß sowohl

die Sende- wie die Empfangsantenne Richtantennen sind und beide rotieren; man kann vielmehr die eine oder die andere Antenne als ungerichtete Antenne ausführen und räumlich feststehend betreiben.

Statt eine oder beide Antennen in der Weise, wie es bei Yagi-Antennen der Fall ist, mit einem scharfen Maximum auszustatten, kann man auch bei beiden Antennen für das Auftreten eines scharf ausgeprägten Minimums sorgen, so daß z. B. die Antenne ein Polardiagramm in Form einer Kardioide besitzen kann. Außerdem kann auch eine der beiden Antennen von dieser zuletzt erwähnten Art sein und die andere als Antenne ohne Richtungswirkung ausgeführt werden. In jedem dieser Fälle erscheint auf dem Schirm ein Leuchtfleck in einer Entfernung vom Schirmmittelpunkt, die dem Abstand des reflektierenden Körpers von den Antennen entspricht, und zwar einmal während jeder radialen Abtastung des Schirmes durch den Elektronenstrahl, mit Ausnahme derjenigen Abtastungen, die während der Lage des Körpers in der Richtung des Empfindlichkeitsminimums stattfinden. Das Echo eines einzelnen Körpers geringer Größe ruft daher auf dem Schirm eine kreisförmige Spur hervor, die an einem Punkt ihres Umfangs unterbrochen erscheint. Weitere ein Echo hervorrufende Körper, die in den Anzeigebereich des Gerätes gelangen und sich in verschiedenen Entfernungen vom Sender befinden, rufen ebenfalls kreisförmige Leuchtspuren mit je einer Unterbrechung auf dem Schirm hervor.

Ferner kann eine der beiden Antennen auch zwei in entgegengesetzten Richtungen auftretende Minima der Empfindlichkeit aufweisen, wie es bei Adcock-Antennen der Fall ist, während die andere Antenne ohne ausgesprochene Richtwirkung ausgeführt wird. Die Leuchtspur eines einzelnen Körpers ist in diesem Fall ebenfalls ein Kreis, der jedoch an zwei einander gegenüberliegenden Punkten unterbrochen erscheint. Wenn die Antenne ohne Richtwirkung in eine Antenne umgeschaltet werden kann, welche eine gewisse Richtwirkung besitzt und die Lage dieser Richtwirkung beispielsweise durch Umschaltung eines Reflektors oder durch mechanische Drehung desselben verändert wird, läßt sich die Doppeldeutigkeit der Anzeige dadurch beseitigen, daß die erwähnte Lage geändert wird und der Einfluß dieser Änderung auf die beiden Unterbrechungen beobachtet wird.

Statt die Antennen mit Hilfe eines Motors kontinuierlich anzutreiben, kann man die Antennen auch von Hand drehen. Ein Ablenkkreis, wie er an Hand der Fig. 2 beschrieben ist, ist jedoch nur bei einer konstanten Antriebsgeschwindigkeit geeignet.

Ein Gerät nach der Erfindung läßt sich ferner außen in einer feststehenden Bodenstation auch auf einem Schiff oder in einem Flugzeug betreiben.

Die Erfindung kann für die Anwendung bei einem System abgeändert werden, bei welchem frequenzmodulierte Wellen ausgestrahlt werden und bei welchem die Entfernung der reflektierenden Körper vom Gerät dadurch gemessen wird, daß in jedem Augenblick die Frequenzdifferenz zwischen den ausgestrahlten und den reflektierten Wellen beobachtet wird.

Bei der Anwendung der Erfindung auf ein solches System kann man für eine Abstimmungsänderung des Empfängers innerhalb eines genügend großen Frequenzdifferenzbereichs sorgen und diese Änderung synchron mit jeder radialen Abtastung des Kathodenstrahls vornehmen. Die empfangenen reflektierten Signale werden den ausgesandten Signalen überlagert, und wenn die eingestellte Frequenz des Empfängers mit der Differenzfrequenz, die durch den Überlagerungsempfang erzeugt wird, zusammenfällt, tritt Resonanz ein. In Abhängigkeit von dem Auftreten dieses Resonanzfalles wird die Steuergitterspannung der Kathodenstrahlröhre geändert, so daß ein heller oder dunkler Fleck auf dem Schirm erscheint. Wegen des Synchronismus der kreisförmigen Ablenkung des Kathodenstrahls mit der Richtung der Aussendung und/oder des Empfangs und wegen des Synchronismus der radialen Ablenkung mit der Abstimmung des Resonanzkreises entspricht die Lage des Leuchtfleckes der Entfernung und der Richtung von den Antennen zum reflektierenden Körper.

Jede der Antennenanordnungen und Anzeigemethoden, die oben zusammen mit der Impulsaussendung beschrieben sind, läßt sich in gleicherweise bei dem erwähnten Frequenzmodulationssystem anwenden.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Gerät zur Anzeige der Entfernung und der Richtung von Körpern von einem Beobachtungspunkt, in welchem sich eine Einrichtung zur Aussendung von impulsförmigen Hochfrequenzsignalen von nicht mehr als ι ο μsec Impulsdauer und eine Empfangseinrichtung für die Aufnahme der Echos dieser Signale mit einer Kathodenstrahlröhre befindet, deren beim Empfang eines Echos hell- bzw. dunkelgesteuerter Elektronenstrahl bei der Aussendung jedes Hochfrequenzsignals von der Schirmmitte aus radial nach außen abgelenkt und in der Richtung des Umfanges außerdem um den Schirmmittelpunkt herum abgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit den impulsförmigen Hochfrequenzsignalen der volle Kreis um .den Beobachtungspunkt im wesentlichen waagerecht abgetastet und als ein den vollen Kreisbereich synchron

   wiedergebendes Diagramm aufgezeichnet wird, das eine landkartenartige Darstellung der Umgebung des Beobachtungspunktes ergibt, und daß die Pause zwischen zwei aufeinanderfolgenden impulsförmigen Signalen länger ist als die Summe der Laufzeiten bis zum entferntesten noch mit anzuzeigenden Körper und zurück, vorzugsweise länger ist als das Zwei- oder Dreifache dieser Summe, und daß die in der radialen Richtung des Leuchtschirmes wirksame Strahlablenkung den Elektronenstrahl bereits innerhalb der erwähnten Laufzeitsumme bis zum Leuchtschirmrand ablenkt.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Französische Patentschriften Nr. 837 278, 812975;

   USA.-Patentschrift Nr. 1 983 254;

   deutsche Patentschriften Nr. 666178, 767425, 925198;

   »Nature«, London, Vol. 116, S. 357fr. (1925);

   G. O. Proc. phys. Soc, Vol. 46, S. 853 ff. (1934).

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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