Verfahren und Yorrichtung zur Messung von Abständen, insbesondere
Flughöhen ber Erde.
Zur Messung von AbstÏnden, insbesondere der Hohe, auf der sich ein Flugzeug über der Erdoberfläche befindet, ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher Schwin- gungen von wechselnder Frequenz ausge- sandt werden und die nach Reflexion an der Erdoberfläche empfangenen Schwingungen mit den amsgesandten Schwingungen verglichen werden, wobei der Frequenzhub. der Schwebungsschwingung als Ma¯ f r die zu bestimmende Entfernung bezw. Hohe verwendet wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Abständen bezw. Höhen, bei. denen ebenso Schwingun- gen von wechselnder Frequenz austgeeandt werden und die direkt. empfangenen Schwin- gungen mit den nach Reflexion empfangenen Schwingumgen verglichen werden. Erfindungsgemäss wird dabei die Geschwindigkeit, mit der die Frequenz der ausgesandten Schwingungien geÏndert wird, senderseitig derart eingestellt, dass zwischen dem direkt und den nach Reflexion empfangenen Schwin- gungen eine vorausbestimmte, empfangsseitig erkennbare Frequenzbeziehung besteht.
Zweckmϯig wird die Geschwindigkeit, mit der die Frequenz der ausgesandten Sehwingungen geändert wird, dera, rt einge- stellt, dass der Frequenzhub der Sohwebung zwischen den direkt und den nach Reflexion empfangenenSohwingimgen ein Optimum, also entweder ein Maximum oder ein Minimum ist.
In der beiliegenden Zeichnung ist ein Ausf hrungsbeispiel eines Abstandmessers nach der Erfindung dargestellt.
Fig. 1 zeigt das Schaltschema des dabei verwendeten Senders und Fig. 2 dasjenige des Empfängers.
Der Sender nach Fig. 1, durch den Schwingungen von periodisch wechselnder Frequenzausg'esa.ndtwerdenkönnen, weist eine Vorrichtung zum Erzeugen einer modu HörendenSchwingungmiteinstellbarerFre- quenz auf, die aus einem Oszillator 10 mit fester Frequenz und einem Oszillator 11 mit einstellbarer Frequenz besteht. Ferner enthÏlt die erwÏhnte Vorrichtung eine lEiseh- r¯hre 12 (ilm dargestellten Falle eine Sieben polrohre) zum Mischen der von den Oszillatoren 10 und 11 erzeugten Schwingungen. wobei dem Ausgangskreis der Misohröhre eine Schwingung der Differenzfrequenz entnommen werden kann.
Der Ausgangskreis des Oszildators 10 ist ber einen Transformator 13 mit dem dritten Gitter der Mischrohre 12 und der Ausgangskreis des Oszillators 11 ber einen Transformator 14 mit dem ersten Gitter der Rohre 12 verbunden. Geeignete naga/tive Gitterspa. nnungen werden über die SekundÏrspulen der Transformatoren 13 und 1. 4 den betreffenden Gittern der Rohre 12 zageführt. Die Kathode der R¯hre 12 ist iiber die Sekundärspule eines Transformators 15 geerdet und diese SekudÏrspule ist von einem Kondensator 16 für Hochfrequenz überbrückt.
Die Primärspule des Transfo mators15istmit dem Ausgangskreis eines Niederfrequenzoszillators 17 von beispiels- weise 500 Hz verbunden, der dazu dient, die modulierende Schwingung im Ausgangskreis der Mischr¯hre 12 in der Amplitude zu modulieren. Durch diese Modulation wird das Wiedererkennen einer vorausbestimmten Frequenzbeziehung zwischen den ausgesandten Schwingungen und den nach Reflexion empfangenen Schwingungen erleichtert.
Die Schirmgitter der R¯hre 12 sind mit einer ge- eigneten, positiven Speisespannungsquelle und ber einen Kondensator 18 mit der Ka thode verbunden. Der Anode der Röhre 12 wird eine geeignebe positive Speisespannung ber die Primärspule eines Transformators 19 zugeführt.
Die in der Mischröhre 12 erhaJtene modulierende Schwingung mit regelbarer Frequenz, die im Rhythmus der vom Oszil- lator 17 gelieferten Niederfrequenzsehwingung in der Amplitude moduliert ist. wird über den Transformator 19 und einen Ver stärker 20 einem Transformator 21 zugeführt.
Die Sekundärspule des Transformators 21 liegt zwischen den Kathoden und den Steuergittern zweier Entladungsrohren 22 und 23, die einen Teil eines Oszillators bilden, von dem Schwingungen erzeugt werden, deren Frequenz im Rhythmus der über den Transfor mator 21 zuge führten modulierenden Schwin- gung moduliert wird.
Der in Frage kommende Oszillator ist derart eingerichtet, dass die erzeugte Frequenz in Abhängigkeit von Veränderungen der Gittervorspannung stark weehselt und enthält in der dargestellten Ausführungsfofm zwei in Gegentakt geschaltete Röhren 22 und 23, deren Kathoden geerdet sind. Zwischen den Anoden dieser Röhren liegt ein abgestimmter Schwingungskreis, der aus einem Kondensator 24 und einer Selbstinduktion 25 bestcht. Eine geeignete Anodenspannungs- quelle ist mit der Mitte der Spule 25 ver bunden. Die Gitter der Rohren 22 und 23 sind unterschiedlich mit den Enden einer In duktivität 26 verbunden, die einen geringen Widerstand aufweist.
Die Mitte der Induk- tivität 26 ist iiber die Sekund, le des Transformators 21 geerdet. Diese Sekundär- spule weist gleichfalls einen sehr niedrigen Widerstand auf. Es zeigt sich, dass ein ssol- cher Oszillator, bei dem der im m Gritterkreis vorhandene Widerstand sehr niedrig gehalten ist, in AbhÏngigkeit von der Gitterspan- nungsänderung sehr stark in der Frequenz schwankt. Die zum Erzeugen von Schwin- gungen erforderliche R ckkopplung wird im dargestellten Falle durch die Innern Elektro- denkapazitäten der Rohren 22 und 23 erha. I- ten. Die Spule 25 ist mit einer Spule 27 gekoppelt. die einen Teil einer Dipolantenne bil, de, t, von der die erzeugten.
In der Fre- quenz modulierten Schwingungen ausge- strahlt ; werden.
In Fig. 2 ist ein Empfänger dargestellt, in dem die direkt empfangenen Schwingun- g mit den nach Reflexion empfangenen Schwigungen veglichen werden und in dem eine Anzeige des Frequenzhubes der Schwebung erhalten wird, die zwischen den direkt und den naeh Reflexion empfangenen Sohwin- gungen auftritt. Der Erfindung lie, gt die Erkenntnis zugrunde, da¯, falls die Frequenz der nach Reflexion empfangenen Schwingungen zu jedem Zeitpunkt der Frequenz der un mittelbar vom Sender empfa-ngenen Schwin- gungen entspricht, der Frequenzhub der Schwebung ein Minimum ist.
Ferner ist, wenn die Frequenz der vom Oszillator 22, 23 der Fig. 1 erzeugten Schwingungen mit solcher Geschwindigkeit wechselt, da¯ die nach Reflexion empfangenen Schwingungen ihre niedrigste Frequenz im Moment erreichen, da die direkt empfangenen Schwingungen ihre höchste Frequenz erreichen, der Frequenzhub der Sohwebumg ei. Maximum. Dies wird dazu ausgenutzt, eine Anzeige des zu messenden Abstandes zu erhalten.
Die Ableitung der im vorstehenden Absatz angeführten Erkenntnis, dass die Fre- quenz der Schwebung von dem Abstand ab hängTig ist, la. utet wie folgt : Die ausgesandte Schwingung ist sinus- förmig in der Frequenz moduliert und hait daher die Form :
A cos (wt + k cos pt) (1) in n welchem Ausdruck A die Amplitude, s9 die Trägerfrequenz, 7c eine Konstante und p die Frequenz der modulierenden Schwingung bedeut,tet. Die nach Reflexion empfangene Schwingung hat dieselbe Form wie die aus- gesamdteSehwingumg,undwirdda,'ber'eben- falls durch die Formel (l) dargestellt.
Die nach Reflexion empfangene Schwingung kommt nach einer Laufzeit @, die von dem zu messenden Abstand abhÏngt, beim EmpfÏnger an. Die in diesem Augenblick direkt empfan- gene Schwingung ist in bezug auf die von der Formel (1) dargestellte Schwingung zeit- lieh mit einem Betrag T verschoben und wird daher dargestellt durch die Formel A cos [w (t+@) + k cos p (t+@) (2) Diese beiden Schwingungen addieren sich im Empfänger und werden detektiert. Nach Addierungi der Formeln (1) und (2) erhÏlt man
EMI3.1
Diese Formel stellt eine frequenzmodulierte Schwingung dar, deren Amplitude duroh den zweiten Faktor dargestellt wird.
Nach De tektion in einem Gleichrichter mit quadratischer Stromspannungscharakteristik wird daher eine Schwingung gemϯ der Formel
EMI3.2
erbalten. Diese Schwebungsschwingung hat eine vom T unabhängige Amplitude und ist im R. hythmus der Frequenz p in Frequenz moNdulierl, wäihrend die Trägerfrequenz Null ist.
Im Frequenz der nach Reflexion empfangenen Schwingung nach Formel (1) zu jedem Zeitpunkt der Frequenz der unmittelbar vom Sender empfangenen Schwingungen der Formel (2) entspricht, was sich ereignet, wenn p@ = 0, 2@, 4@ usw., wird der Frequenzhub der Schwebungsschwingung nach Formel (4), welcher pro portional zu sin . p@/2 ist, gleich Null. Der Frequenzhub'derSchwebungisstaJso,wie in der Beschreibung angegeben, in diesem Falle minimal.
In dem Fall, da¯ die nach Reflexion empfangene Schwingung der Formel (l) ihre niedrigste Frequenz im Moment err-eicht, da, die direkt empfangene Schwingung der Formel (2) ihre höchste Frequenz erreicht, was sich ereignet, wenn pr = @, 3@, 5@ usw., ist der Frequenzhub ein Maximum.
Der Empfänger enthält eine geeignete Dipolantenne, die mit einer Mischstufe und dem VerstÏrker 28 von blicher Bauart ver bunden ist. Der Empfänger eignet sich gut zum Empfangen sÏmtlicher vom Sender aus gesandten Signale. Der Verstärker 28 wa'r bei einer praktischen Ausführung auf eine Zwischenfrequenz von 2 MHz eingestellt. Der Ausgangskreis des VerstÏrkers 28 ist mittels einer Spule 29 mit einer Spule 30 gekop- pelt die einen Teil eines dureh einen Par allelwidere.ta.nd 31 gedÏmpften Schwingungskreises 30, 32 bildet. Der Diodenteil einer Diode-Trioderöhre 33 ist mit dem Kreis 30.
31, 3-) und mit einem aus einem Widerstand 35 und Kondensatoren 36 und 37 bestehenden -7-Fil'ter zur Aussiebung der nach Detektion auftretenden Hoehfrequenzkomponenten in Reihe geschaltet, wobei das Filter durch einen Belastungswidersstand 34 abgeschlossen ist. Das Ganze bildet einen Amplitude.n- detektor für die in Frequenz transformierten empfangenen Schwingungen. Die ber dem Widerstand 34 auftretende Spannung enthält die Modula. tioneko. mponenten der empfange- nen frequenzmodulierten Schwebung und eine Niederfrequenzschwingung mit der Fre quenz des Oszillatorsi 17 der Fig. 1.
Das Steuergitter des Triodenteils der Bohre33 ist ber einen Kondensator 38 mit einem der Enden des Widerstandes 34 und über einen Widerstand 39 mit einer geeigneten Quelle negativer Vorspannung verbunden. Die Anode des Triodenteils der R¯hre 33 isst ber einen Anodenwider. Btand 40 mit einer geeigneten positiven Speissespannungsquelle verbunden, die von einem mit der Kathode verbundenen Kondensator 41 für Wechselspannungen überbrückt ist. Der Kondensator 38 hat bei 500 Hz eine. so hohe Impedanz, dass Spannungen von dieser Frequenz nicht dem Gitter der Rohre 33 zugeführt werden.
Au¯erdem bildet dieser Kondensator eine mit zunehmender Frequenz der Sohwebung abnehmende Impe da. nz. wodurch die dem Gitter der Rohre 33 zugef hrte Schwebung eine ihrer Frequenzmodulationentsprechende Amplitudenmodu lation besitzt. Der Triodenteil der Rohre 33 ist in einem Punkt des nichtlinearen Teils der Gitterspannung-Anodenstromkennlinie eingestellt, wodure. h die a. m Gitter auftre- tende Schwingung gleichgerichtet wird und d die über dem. Widersta. nd 40 auftretende Niederfrequenzkomponente von 500 Hz eine Amplitude besitzt, die ein AlaB für den Fre quenzhub der empfangenen Sehwebung und damit ein Mass für den zu messenden Ab- stand ist.
Zum Messen der Amplitude der so erhaltenen Spannung von 500 Hz wird ein Triodenvoltmeter benutzt, das eine Röhre 42 enthält. deren Gitter ber einen Kondensator 43 mit der Anodenseite de, Widci'sstandes40und über einen Widerstand 44 mit einer Quelle co hoher negativer Spannung verbunden ist, dass die Rühre 42 in einem Punkt des nicht linearen Teils der Gitterspannungs-Anoden- stroml stromkennlinle eingestellt ist.
Die Kathode der Robre 4 ist über einen Kondensator 41 mit dem andern Ende des Widerstandes 40 verbunden, während die Anode der R¯hre ber ein GIeicbstrommessgerät 45 mit einer geeigneten,positivenSpannungsquelle ver bunden ist.
Zweckmϯig sind der Sender und der Empfanger derart gegeneinander abgeschirmt. dass die nach Reflexion empfangenen Schwingungen mit den unmittelbar empfangenen Schwingungen trotz der sehr starken Amplitude der letzten Schwingungen gemischt werden k¯nnen. Um ein Ma¯ f r den zu messenden Abstand nach einem Minimum- oder Maximumverfahren zu erhalten. wird die Frequenz des Oszillators 11 geändert, bis das Messgerät 45 entweder ein Minimum oder ein Maximum anzeigt.
Falls festgestellt wird, da¯ das Me¯gerÏt 45 ein Minimum anzeigt, wenn die Ausgangsschwingung der Misch rohre 12 auf eine Frequenz von 100 kHz eingestellt wird, so Ïndert sich die Frequenz der ausgesandten Schwingungen im Rhythmus der modulierenden Schwingung von 100 kHz und der Abstand von der reflektierenden Flache ist annähernd 1500 m. Der Abstand kann bei jeder bestimmten Einstellung des Oszillators 11 In der Weise festgestellt wer den, dass die Geschwindigkeit d-er elektro- magnetischen Wellen durch die doppelte Frequenz der modulierenden Schwingung, in deren Rhythmus die Frequenz der ausgesand- ten Schwingungen wechselt, dividiert wird.
Gew nschtenfalls kann der Regelknopf des Oszillators 11 unmittelbar in Längeneinhei- ten geeicht sein.
Bei einer praktischen Ausführung der beschriebenen Vorrichtung betrug die Frequenz z des OszillatoTs 10 3000 kHz und die Frequenz des Os, zillators 11 war zwischen 3000 und 3200 kHz regelbar. Der Verstärker 20 war zum Verstärken von Schwingungen eingerichtet, deren Frequenz zwischen 10 und 200 kHz betrug und deren Amplitude mit einer Frequenz von 500 Hz moduliert war.
Der die Rohren 22 und 23 und den Schwin gungskreis 24, 25 enthaltende Oszillator wies eine Trägerwellenfrequenz von 90 MHz auf.
Tritt der Fall ein, da? die Ausgangs- schwingung dar Mischrohre 12 auf 100 kHz eingestellt ist und das Messgerät 45 dabei ein Maximum anzeigt,, so kann der Abstand auf ähnliche Weise, wie schon besehrieben, ermittelt werden, da der zu messende Abstand untel diesen Bedingungen die Hälfte des im vorherigen Fall, gefundenen Wertes, also lagan- nähemd 750 m, beträgt.
In beiden Fällen be ssteht die Möglichkeit, dass der Abstand tat sächlich ein Vielfaches des gefundenen Wer- tes beträgt ; um Fehler zu vermeiden, ist es erwünscht, die Frequenz. der Ausgangs- schwingung der Rohre 12 auf Minimum einzustellen und sodann zu erhöhen, bis das ersto Maximum oder Minimum am Messgerät 45 gefunden wird. Bei der beschriebenen Einrichtung, bei weleher der Oszillator 11 eine Höchstfrequenz von 3200 kHz aufweist, ist es unmöglich, zwei Einstelllungen für den Oszillator 11 zu finden, bei denen das Mess- gerÏt 45 ein Minimum anzeigt, es sei denn, dass der zu messende Abstand grosser ist als etwa 1500 m.
Es isst ebensowenig möglich, zwei Einstellungen f r den Oszillator 11 zu finden, bei denen das Messgerät 45 ein IVIaxi- mum anzeigt, es sei denn, dass der zu mes- sende Abstand grösser ist als etwa. 1100 m.
Die Modulation durch die Niederfre- quenzschwingung von 500 Hz erleichtert die Messung, wie schon bemerkt. Wenn keine Amplitudenmodulation. durch diese Schwin- gung angewendet wird, können der Transfor- mator 15, der Kondensator 16 und der Oszil labour 17 in Fig.lwegfallenunddieKathode der Bohre. 12 ist in diesem. Falle unmittelbar geerdet. Bei der Einrichtung nach Fig. 2 kann in diesem Fall die dem Gitter der Robre 33 zugeführte negative Vorspannung derart. gewählt sein, dass der Triodenteil der Robre nur als VerstärkcT und nicht als De tektor wirksam ist.
Der Triodenteil versbärkt in diesem Fall die am Gitter auftretende Schwingung und diese Schwingung wird von der Röhre 42 gleichgerichtet und in einen Gleichstrom umgewandelt, dessen Grosse ein Mass für den Frequenzhub der Schwebung und gleichfalls für den zu messenden Abstand ist und vom Messgerät 45 angezeigt wird.